专利名称：一种微弧氧化实验用的电源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电源技术领域，具体为一种微弧氧化实验用的电源装置，主要用于研究在高能强脉冲作用下的工艺参数对材料表面陶瓷膜层性能的影响。
背景技术：
微弧氧化就是将铝、镁、钛等阀金属或其合金置于电解质水溶液中，利用高压放电产生的等离子体强化作用直接在基体表面获得与基体冶金结合的陶瓷膜层。与传统的电镀、陶瓷喷涂以及阳极氧化技术相比，微弧氧化陶瓷膜与基体结合牢固，结构致密，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性，达到了第二代工程材料(金属)和第三代工程材料(陶瓷)的结合，是一项很有发展前途的轻合金表面处理技术。但目前，微弧氧化陶瓷膜形成机理及规律尚不明确，有待进一步研究。有研究表明，在微弧氧化陶瓷膜层的制备过程中，脉冲电源模式较过去的交流电源模式有更好的作用效果，电源的脉冲电压幅值、频率、占空比是影响微弧氧化陶瓷膜层物理、化学特性变化的最重要参数，从而影响到加工精度、表面质量和加工效率。但市场上现有的微弧氧化电源普遍控制精度低、单个参数不可连续调节、控制电路复杂、电能损耗大，严重阻碍了微弧氧化表面处理工艺的深入研究和推广。因此，有必要研制微弧氧化陶瓷膜层的专用节能设备及工艺。目前，申请人检索得到的最接近的专利申请为一种调制型直流脉冲电源，公开号为CN2284473Y。其外电源接整流电路后经斩波电路到输出整流电路，再接外部表面处理设备，取样电路输出连反馈单元，辅助电源输入接外电源、输出送反馈单元及时基发生器，过流保护输入接斩波电路、输出送反馈单元，时基发生器接反馈单元、输出送斩波电路的控制端。该电源存在的问题是系统的过流保护可靠性不高，不支持在线调试功能，操作复杂。
发明内容要解决的技术问题为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种微弧氧化实验用的电源装置，其结构简单、操作方便、工作可靠、低能耗，多参数可调。技术方案本实用新型的技术方案为所述一种微弧氧化实验用的电源装置，其特征在于包括主电路和控制系统；主电路包括三相隔离变压器，三相整流滤波电路，调压电路和斩波电路；主电路的输入为三相交流电，三相交流电经过三相隔离变压器隔离后输出至三相整流滤波电路，三相整流滤波电路输出信号经级联的调压电路和斩波电路后连续输出正方波脉冲至外部负载；在调压电路和斩波电路中各采用了一个IGBT开关器件；控制系统包括单片机系统，检测电路和驱动电路；单片机系统控制检测电路和驱动电路，驱动电路使用一路PWM作为调压电路的脉冲驱动信号，并使用一路HSO作为斩波电路的脉冲驱动信号；检测电路与调压电路、斩波电路以及外部负载连接，检测电路检测主电路电流，并且检测逆变桥各个桥臂电流，检测电路还检测主电路电压。所述一种微弧氧化实验用的电源装置，其特征在于三相整流滤波电路采用三相桥式整流滤波电路。所述一种微弧氧化实验用的电源装置，其特征在于在调压电路中控制IGBT开关器件的占空比，控制电源的输出电压；在斩波电路中控制IGBT开关器件的频率和占空比控制，控制电源的输出波形。有益效果 本实用新型的驱动芯片选用M57989L集成IGBT专用芯片，M57959L具有光耦电气隔离、双电源驱动、短信号传输延迟时间、过流保护等功能，且价格便宜，性价比较高。本实用新型电源采用集中过电流保护与分散过电流保护相结合的双重过流保护策略，大大提高了系统的可靠性。采用正弦波脉宽调制技术SPWM，具有良好的动态响应和较高的传输频带，提高其控制性能。优化开关矢量，降低开关频率，提高直流侧电压利用率。微弧氧化电源带有示波器，可以实时显示系统所输出电压、电流的幅值和频率。支持在线调试功能，操作简单，调试方便。且带有指针式电压、电流量程表，可检测示波器中的输出信号的幅值是否准确，保证电源输出信号的精度，进一步提高系统的可靠性。本实用新型结构简单、能耗低、易操作、造价低廉、控制精度高、可靠性好、电源参数调节灵活、具有在线监测智能化控制等优点。有利于系统研究工艺参数对氧化膜层的影响规律及其工艺参数优化，便于研究微弧氧化处理的作用机理，获得具备优良性能或特殊功能的材料。
图I :本实用新型的硬件组成框图；图2 :调压电路原理图；图3:主电路拓扑结构；图4 M57959L的驱动电路；图5 :过流集中保护电路原理图；图6 :单片机外部中断保护电路；图7 :控制系统结构框图；图8 :软件系统结构具体实施方式
下面结合具体实施例描述本实用新型本实施例中提出的微弧氧化实验用的电源装置输出模式为单向高频直流正方波脉冲，频率O IKHz、占空比20 % 80 %、电压50 500V范围内连续可调，最大输出电流30A。采用单向高频直流脉冲电源，热量损失小，能量更主要地用于表面氧化，既可提高成膜质量又可延长电解质溶液的寿命。参照附图1，本实施例包括主电路和控制系统，主电路包括三相隔离变压器，三相整流滤波电路，调压电路和斩波电路；主电路的输入为三相交流电，三相交流电经过三相隔离变压器隔离后输出至三相整流滤波电路，三相整流滤波电路输出信号经级联的调压电路和斩波电路后连续输出正方波脉冲至外部负载。三相整流滤波电路采用三相桥式整流滤波电路。本实施例中三相隔离变压器为380V/380V、容量15KW的隔离变压器，能够减小电网干扰。三相桥式整流滤波电路采用大功率、电流密度高的电感、电容滤波器。参照附图3，主电路拓扑结构由整流电路、级联的调压电路和斩波电路组成。在调压电路和斩波电路中各采用了一个IGBT开关器件，即Ql和Q2，IGBT参数为1200V/100A。两个IGBT开关器件的功用不同，Ql用于调压电路，通过调节Ql 的占空比，控制电源的输出电压，Ql的工作频率较高；Q2用于斩波电路，通过调节Q2的频率和占空比，控制电源的输出波形，实现波形输出，Q2的工作频率由人工控制、其值较低。这种结构大大简化了电源结构和控制策略，减小了电源的体积。附图2为调压电路原理图，Ui为整流电路输出，IGBT为开关器件，L、C为平波电感和电容，Uo为输出电压，D为快速恢复二极管；通过控制IGBT管通断改变占空比调节电压，调节电路所用的电感器件为5mH，电容为500uF/1200V，二极管为快速恢复二极管RURG8010V。此调压技术和老式的调压技术比有体积小、能耗小、精度高等优点。此外，在主电路中还使用了多个二极管。附图3中，DlO用于调压电路，作为续流二极管；D1连接起后级电路和前级电路的两个滤波电容，当负载发生突变、C4两端产生的过电压超过前级电容C5两端的电压时，Dl导通，以避免前后两级电容电压差值过大而造成电路的损坏；其它的二极管都使用在缓冲吸收电路中。参照附图7，控制系统包括单片机系统，检测电路和驱动电路，以Intel的80C196KC微控制器作为控制核心。单片机系统控制检测电路和驱动电路。单片机系统提供驱动信号经驱动电路控制调压电路和斩波电路，实现单向高频直流脉冲的连续输出。同时检测电路与调压电路、斩波电路以及外部负载连接，检测设备输出电压、电流变化情况，提供给操作人员进行设备参数的调整和设备工况的监控。控制系统通过微控制器向调压电路和斩波电路发出驱动信号，控制调压电路和斩波电路中IGBT开关器件的通断，达到控制波形输出的目的。单片机80C196KC的输出两路PWM信号，在程序中分别用PWMl和PWM2来表示，PWMl驱动调压电路，PWM2驱动斩波电路。PWMl由单片机80C196KC内置的PWM脉宽调制器提供，PWM2由80C196KC特有的高速输出器HSO提供。通过软件编程，可以十分简便地对PWM脉宽调制器和高速输出器HSO所对应的特殊功能寄存器进行控制，实现脉冲电压幅值、频率、占空比的调节。驱动电路如附图4所示，驱动芯片选用M57989L集成IGBT专用芯片。M57959L具有光耦电气隔离、双电源驱动、短信号传输延迟时间、过流保护等功能。附图4中，Dl为30V稳压二极管，D3、D4、R2构成栅极过压保护电路，D3、D4为稳压二极管，其稳压值的大小根据IGBT的正负偏压选取，保护电阻R2取值10ΚΩ，8引脚为故障输出端。由于M5979L兼容TTL和CMOS，所以输入信号可以直接为单片机等CMOS器件的输出信号。实现在驱动电路使用一路PWM作为调压电路的脉冲驱动信号，并使用一路HSO作为斩波电路的脉冲驱动信号，充分发挥80C196KC中HSO输出精确灵活和PWM输出简单可调的特点单片机系统本身由单片机系统电路、键盘显示电路、外部中断保护电路等组成。单片机系统电路中复位电路采用三端电源监控芯片MAX809 ;程序存储器采用AT28C256 ;控制系统中还扩了一片AT24C02作为控制参数的存储器，对现场输入的数据能够在断电的情况下长久保存。单片机上电后读取存储器AT24C02中预置的控制参数进行操作，并输出显示，同时AT24C02中的数据可以通过键盘修改并保存新的控制参数，这样可以避免在每次控制系统启动时设置参数的繁琐。斩波电路的PWM波形由HSO引脚来产生，单片机CPU在读取AT24C02中预置的参数后，调用波形发生子程序，电源对电解槽供电，系统开始工作。单片机系统电路中键盘显示电路采用HD7279a来实现，单片机可完成LED显示键盘接口的全部功能，由HD7279a构建的人机界面简单清晰,实验人员可以十分简便的对微弧氧化过程中的脉冲电压幅值、频率、占空比进行控制。参照附图6，外部中断保护电路完成故障检测和故障发生后的 处理工作，故障发生时，故障信号触发外部中断，单片机接到外部中断信号后，调用外部中断处理子程序。关段斩波PWM输出，和逆变的HSO输出引脚，等故障排除后，启动单片机重新工作。本实施例中，检测电路采用集中过电流保护与分散过电流保护相结合的过流护策略。集中过电流保护(见附图5)，就是通过检测主电路上的电流，当该电流值超过设定的阈值时，封锁所有桥臂的IGBT的驱动信号。分散过电流保护是通过检测逆变桥各个桥臂上的电流，当该电流超过设定的阈值时，封锁该IGBT的驱动信号。采取双重过电流保护使装置的可靠性大大提高。电源还采用了直测型霍尔电流传感器CS100B和磁平式霍尔电压传感器VSM500D对主电路的电压进行检测提供给单片机做故障检测和故障发生后的处理工作，其响应时间均<10us。由于它的响应时间很短，还可以将其测量信号提供给示波器，对电源各个器件的工作电压进行实时监测，并送LED显示器显示。
权利要求1.一种微弧氧化实验用的电源装置，其特征在于包括主电路和控制系统；主电路包括三相隔离变压器，三相整流滤波电路，调压电路和斩波电路；主电路的输入为三相交流电，三相交流电经过三相隔离变压器隔离后输出至三相整流滤波电路，三相整流滤波电路输出信号经级联的调压电路和斩波电路后连续输出正方波脉冲至外部负载；在调压电路和斩波电路中各采用了一个IGBT开关器件；控制系统包括单片机系统，检测电路和驱动电路；单片机系统控制检测电路和驱动电路，驱动电路使用一路PWM作为调压电路的脉冲驱动信号，并使用一路HSO作为斩波电路的脉冲驱动信号；检测电路与调压电路、斩波电路以及外部负载连接，检测电路检测主电路电流,并且检测逆变桥各个桥臂电流,检测电路还检测主电路电压。
2.根据权利要求I所述的一种微弧氧化实验用的电源装置，其特征在于三相整流滤波电路采用三相桥式整流滤波电路。
3.根据权利要求I或2所述的一种微弧氧化实验用的电源装置，其特征在于在调压电路中控制IGBT开关器件的占空比，控制电源的输出电压；在斩波电路中控制IGBT开关器件的频率和占空比控制，控制电源的输出波形。
专利摘要本实用新型提出了一种微弧氧化实验用的电源装置，包括主电路和控制系统；主电路输入三相交流电，三相交流电经过三相隔离变压器隔离后输出至三相整流滤波电路，三相整流滤波电路输出信号经级联的调压电路和斩波电路后连续输出正方波脉冲至外部负载；在调压电路和斩波电路中各采用了一个IGBT开关器件；控制系统包括单片机系统，检测电路和驱动电路；驱动电路使用一路PWM作为调压电路的脉冲驱动信号，并使用一路HSO作为斩波电路的脉冲驱动信号。本实用新型电源采用集中过电流保护与分散过电流保护相结合的双重过流保护策略，大大提高了系统的可靠性。采用正弦波脉宽调制技术SPWM，具有良好的动态响应和较高的传输频带，提高其控制性能。
文档编号H02M7/217GK202617023SQ201220235330
公开日2012年12月19日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者任海果, 赵志龙, 刘一洋, 唐波, 陈雷 申请人:西北工业大学