离子渗氮电源中的灭弧措施

摘要：论述了离子渗氮电源中几种常用的灭弧方式，分别介绍了其工作原理，并对其灭弧性能作出了分析对比。
关键词：离子渗氮电源灭弧

1引言

离子渗氮是利用气体辉光放电原理，使氮离子轰击钢铁表面，使其加热，并使氮原子渗入工件表层的一种表面强化技术。在离子渗氮过程中，由于某种原因使辉光放电转变为弧光放电，这就会中止渗氮过程，严重时能熔烧工件表面，甚至损坏电源设备。渗氮件表面的清洗、烘烧等措施虽可减少弧光放电的次数，但在渗氮的初期阶段，仍不可避免地会有弧光放电发生，故离子渗氮电源必须带有灭弧措施，灭弧性能是离子渗氮设备的重要指标之一[1]。

2打弧信号的检测

正常的离子渗氮过程工作在辉光放电区，但当打弧时，全部电流集中在某一小面积上，引起此处电流密度增加，如果电弧是集中在某一点上，则表现为极间电压迅速下降，而电流急骤上升，电压下降至200V左右。根据打弧时发生的现象，打弧信号可由以下参数进行判断[2]：

（1）电流上限信号；

（2）电流上升微分信号di/dt；

（3）电压下限信号；

（4）电压下降微分信号dv/dt。

实验表明，电压的下降是迅速的，它超前于电流最大值到来的时间，此时间差约为1ms～1.5ms。通常多种检测方式同时采用。当发生转弧时，电压降低、电流上升的幅度均不大，电压微分与电流信号不易取出，一般用斯密特触发器取电压下限信号进行灭弧。

3几种常用灭弧方法的原理及特点

31串联大阻值电阻

在渗氮电源的阴阳极电路中串联大阻值电阻，当发生打弧时，电流猛增，在电阻上产生很大的电压降，从而使正负极间电压低于点燃电压，使电弧不能维持，同时也限制了电弧电流不至于过大。这对于中小功率是可行的，但是对于大功率设备在串联电阻上的功耗太大，所以大功率设备的灭弧不能只靠串联电阻[3]。为了减少在稳辉电阻上的功耗，将其改为可变的，即刚刚起辉时，打弧频繁，可串联大电阻，待辉光放电稳定后，将电阻减小，以得到较大的电流。即使这样，对额定电流超过10A的设备在生产中应用还有一定的困难。

32电流截止负反馈灭弧

严格说来，固定某一值的电流截止负反馈并不是灭弧，因为在大功率设备中，电流截止值往往在几十安培以上，这样大的电流已经足以维持稳定的电弧放电，而不会自动熄灭。当电流达到一定上限后，控制电路关闭触发脉冲并维持一定的时间，待弧源消除后，又重新开通。由于晶闸管触发后必须等电压换相时才能关断，因此在半周期内电流值可能达到很大，这种灭弧方法的灭弧时间约为10ms。由于一般电源都有一定的过载能力，故对保护电源是有效的，所以采用晶闸管电源时，这种限流方法是必不可少的。采用截止值随工作电流可调的方法，可使反应时间提前，并减少弧光放电电流。如果采用电流微分负反馈，对电流的变化进行超前控制，可明显地增强辉光放电的稳定性。

图1LC振荡灭弧电路

图2LC振荡灭弧波形

图3晶闸管旁路灭弧原理图

33LC振荡灭弧

LC振荡灭弧的电路如图1所示[4]。电容器在正常工作时有几百伏的电压，当发生弧光放电时，阴阳极电压突然由几百伏降至几十伏，此时电容C经线圈L和阴阳极放电。这时，L、C和阴阳极间的导电气体组成L、C、r串联振荡电路，并以其自然振荡频率f0=进行振荡。在开始振荡的第一个周期，当电容上的电压UC成为反向电压且电流也变为零时，弧光即可熄灭。这时电容已被反向充电至几百伏，但随即电源经限流电阻R向电容充电，使电容上的电压由反向又逐渐变成正向而且达到了点燃电压，辉光就重新产生。振荡过程电压电流波形如图2所示。如果此时使辉光放电过渡到弧光放电的因素已消失，就得到稳定的辉光放电。如果过渡到弧光放电的因素仍然存在，则电容再次放电灭弧。

上述电路是利用振荡电流过零时灭弧的，因此选择电路参数时，应保证电流能过零。根据有关推导，需满足以下条件：R愍r

式中：R—限流电阻，Ω；

r—放电电路电阻，包括弧光放电时阴阳极间等效电阻，电感L的电阻以及导线电阻的总和（一般很小，约为01Ω左右），Ω；

L—灭弧电感线圈的电感量，H；

C—灭弧电容的容量，F。

灭弧时间为振荡的半个周期，其值为（通常在100μs数量级）τ=π

灭弧后重新产生辉光放电的时间，是电源经限流电阻使电容由弧光熄灭至正向电压建立，并达到点燃电压所需的时间，因此，重新产生辉光的时间（通常在1000μs数量级）

τ′≈2RC

LC灭弧电路在正常辉光放电时几乎没有能量损失，而且反应比较灵敏。但是在电弧放电的瞬间电流仍可达到很大，这无论对工作还是对电源