变极性微弧氧化脉冲电源拓扑结构的研究

论文摘要

微弧氧化技术作为一种新兴的金属表面处理技术,可以直接在工件表面原位生成与基体紧密结合的陶瓷膜层。这种膜层具有致密、耐磨、耐热、耐蚀及绝缘等优点,可以显著提高金属表面性能。作为实现微弧氧化技术关键的电源设备,其电参数,如电压、电流密度、脉冲频率、脉冲占空比等参数对膜层的质量有着极其重要的影响。本课题研制了一台采用三角形电流脉冲输出的单极性微弧氧化试验电源。该电源将反激式变换器成功应用于功率等级为20kW的场合,以双管反激式变换器作为主电路,以PLC为核心设计控制系统,采用峰值电流控制策略,通过调节输出脉冲频率、原边输入电流峰值和各组脉冲列间隔时间等方式对输出的电流脉冲能量进行有效控制,保证了加工各个阶段输出脉冲能量的合理性;该电流脉冲型电源具有氧化时间短,且每个输出脉冲能量可控的优点。同时它还具有过压等保护功能,确保了系统运行的稳定性和可靠性。由于正负脉冲形成的氧化膜层更致密,本课题以双管反激电路为基础设计了四种变极性脉冲电源以获得微弧氧化所需的正负脉冲。本文详细介绍了它们的工作原理,深入分析了它们的各个工作模态,并对每种脉冲源的主电路进行了仿真。仿真结果证明了四种变极性脉冲电源设计的合理性。在理论分析和仿真结果的基础上,本文对四种脉冲源的优缺点进行了比较,结果表明,环流型电流脉冲组合电源和环流型电流、电压脉冲组合电源更适合微弧氧化实际需要。在主电路分析基础上,本文以PIC单片机为核心构建了变极性脉冲电源的控制系统,它可以通过调节脉冲频率、原边输入电流峰值、正向脉冲数和负向脉冲数、正负脉冲间隔时间等方式对输出的电流脉冲能量进行有效控制。本课题研制的单极性微弧氧化电源,在实验室进行了试验,结果表明所研制单极性电源可以显著提高膜层质量,达到了原来的设定目标,为变极性电源的研究奠定了基础。同时对所设计的环流型电流脉冲组合电源和无环流型电流脉冲组合电源进行了制作和调试,调试结果表明,这两种拓扑的电源实验结果符合理论和仿真分析,将为微弧氧化电源技术发展起到一定的推动作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 微弧氧化技术机理研究
• 1.3 电参数对微弧氧化的影响
• 1.4 微弧氧化电源的发展现状
• 1.5 课题的技术指标与研究任务
• 1.5.1 技术指标
• 1.5.2 主要研究任务
• 第2章 单极性MAO脉冲源设计分析
• 2.1 主电路拓扑的确定与分析
• 2.1.1 副边串联输出的双管反激变换器
• 2.1.2 主电路工作状态分析
• 2.2 器件选择与参数设计
• 2.2.1 开关管的选择
• 2.2.2 二极管的选择
• 2.2.3 变压器的参数选择
• 2.3 主电路仿真
• 2.4 控制系统设计
• 2.4.1 脉冲能量调节单元工作过程
• 2.4.2 峰值电流控制策略的特点和优点
• 2.4.3 输出电流回零检测电路
• 2.5 IGBT 驱动电路和保护电路的设计
• 2.5.1 驱动电路的设计
• 2.5.2 保护电路的设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 变极性MAO脉冲源的设计分析
• 3.1 主电路拓扑的确定与工作状态分析
• 3.1.1 无环流型电流脉冲组合电源拓扑
• 3.1.2 环流型电流脉冲组合电源拓扑
• 3.1.3 无环流型电流、电压脉冲组合电源拓扑
• 3.1.4 环流型电流、电压脉冲组合电源拓扑
• 3.2 器件选择与参数设计
• 3.2.1 开关管的选择
• 3.2.2 二极管的选择
• 3.2.3 晶闸管的选择
• 3.2.4 变压器（耦合电感）的参数设计
• 3.3 主电路仿真和比较
• 3.3.1 无环流型电流脉冲组合电源仿真
• 3.3.2 环流型电流脉冲组合电源仿真
• 3.3.3 无环流型电流、电压脉冲组合电源仿真
• 3.3.4 环流型电流、电压脉冲组合电源仿真
• 3.4 控制及驱动电路设计
• 3.4.1 系统总体硬件控制电路图
• 3.4.2 控制系统硬件子电路
• 3.4.3 单片机软件设计
• 3.4.4 驱动电路的设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 电源样机及实验结果
• 4.1 单极性MAO 电源实验
• 4.1.1 电量波形（电阻箱负载）
• 4.1.2 加工后前后实物对比
• 4.2 变极性MAO 电源实验
• 4.2.1 驱动波形
• 4.2.2 输出电流波形
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢