等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)
專利匯可以提供等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且一種等離子 熱處理 滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)，包括大功率數(shù)字模 塊 控制直流電源、脈沖形成 控制器 和綜合控制單元。所述大功率數(shù)字模塊控制直流電源包括：三相全控 整流橋 、同步電源 信號 電路 和帶十六位 微處理器 的數(shù)字控 制模 塊；所述脈沖形成控制器包括：儲能濾波電路、IGBT斬波器電路、驅(qū)動電路、脈沖控制電路、導(dǎo)通比給定和面板；所述綜合控制單元包括：微機(jī)控制可編程控制器、工藝參數(shù)給定、弧光形成判斷控制電路、霍爾元件取樣 電流 變化信號電路、 電阻 取樣 電壓 變化信號電路、 熱電偶 溫度 變化信號電路、 薄膜 壓 力 變送器壓力變化信號電路和 質(zhì)量 流量控制器 。本實用新型實現(xiàn)了離子滲氮工藝過程自動化，使離子滲氮處理零件表面滲層的質(zhì)量得到保證。，下面是等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)專利的具體信息內(nèi)容。
1、一種等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括并互相聯(lián)接有： 大功率數(shù)字模塊控制直流電源、脈沖形成控制器和綜合控制單元。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述大功率數(shù)字模塊控制直流電源包括：三相全控整流橋、同步電源信號電路和帶十六位微 處理器的數(shù)字控制模塊；其中，三相全控整流橋的輸入聯(lián)接升壓變壓器，其輸出聯(lián)接脈沖形 成控制器的儲能濾波電路；同步電源信號電路的輸入聯(lián)接交流380V公共電網(wǎng)，其輸出聯(lián)接帶 十六位微處理器的數(shù)字控制模塊；帶十六位微處理器的數(shù)字控制模塊的輸入還聯(lián)接綜合控制 單元的微機(jī)控制可編程控制器和弧光形成判斷控制電路，其輸出聯(lián)接三相全控整流橋和弧光 形成判斷控制電路。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述脈沖形成控制器包括：儲能濾波電路、IGBT斬波器電路、驅(qū)動電路、脈沖控制電路、導(dǎo) 通比給定和面板；其中，儲能濾波電路的輸入聯(lián)接三相全控整流橋，其輸出聯(lián)接IGBT斬波器 電路；IGBT斬波器電路的輸入還聯(lián)接驅(qū)動電路，其輸出聯(lián)接等離子熱處理滲氮爐；脈沖控制 電路的輸入聯(lián)接導(dǎo)通比給定、綜合控制單元的微機(jī)控制可編程控制器和弧光形成判斷控制電 路，其輸出分別聯(lián)接面板和驅(qū)動電路。
4、根據(jù)權(quán)利要求1～3中任一所述的等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述綜合控制單元包括：微機(jī)控制可編程控制器、工藝參數(shù)給定、弧光形成判斷控 制電路、霍爾元件取樣電流變化信號電路、電阻取樣電壓變化信號電路、熱電偶溫度變化信 號電路、薄膜壓力變送器壓力變化信號電路和質(zhì)量流量控制器；其中，弧光形成判斷控制電 路的輸入分別聯(lián)接帶十六位微處理器的數(shù)字控制模塊、霍爾元件取樣電流變化信號電路和電 阻取樣電壓變化信號電路；微機(jī)控制可編程控制器的輸入分別聯(lián)接工藝參數(shù)給定、熱電偶溫 度變化信號電路、薄膜壓力變送器壓力變化信號電路，其輸出分別聯(lián)接帶十六位微處理器的 數(shù)字控制模塊和脈沖控制電路，還聯(lián)接質(zhì)量流量控制器以控制供氣流量，質(zhì)量流量控制器再 聯(lián)接等離子熱處理滲氮爐；霍爾元件取樣電流變化信號電路和電阻取樣電壓變化信號電路的 輸入聯(lián)接IGBT斬波器電路的輸出；熱電偶溫度變化信號電路和薄膜壓力變送器壓力變化信號 電路的輸入聯(lián)接等離子熱處理滲氮爐。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述微機(jī)控制可編程控制器采用SDC-40B微機(jī)控制可編程控制器。
6、根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)，其特征在 于，所述十六位微處理器是ANSALDO的十六位微處理器。
7、根據(jù)權(quán)利要求3所述的等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述驅(qū)動電路是采用M57962L專用芯片制成的驅(qū)動電路。
技術(shù)領(lǐng)域
本實用新型涉及一種等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)
現(xiàn)有的等離子熱處理滲氮爐采用的是常規(guī)手動操作方式來控制直流電源的，其缺點是： 未實現(xiàn)離子滲氮全工藝過程的自動控制，打弧能量、滅弧時間不易控制，造成過度的弧光放 電，不能保證離子滲氮處理零件表面的滲層質(zhì)量。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足、而提出一種等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源 自動控制系統(tǒng)。
本實用新型的等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)包括并互相聯(lián)接有：大功率 數(shù)字模塊控制直流電源、脈沖形成控制器和綜合控制單元。
上述方案中，所述大功率數(shù)字模塊控制直流電源包括：三相全控整流橋、同步電源信號 電路和帶十六位微處理器的數(shù)字控制模塊；其中，三相全控整流橋的輸入聯(lián)接升壓變壓器， 其輸出聯(lián)接脈沖形成控制器的儲能濾波電路；同步電源信號電路的輸入聯(lián)接交流380V公共電 網(wǎng)，其輸出聯(lián)接帶十六位微處理器的數(shù)字控制模塊；帶十六位微處理器的數(shù)字控制模塊的輸 入還聯(lián)接綜合控制單元的微機(jī)控制可編程控制器和弧光形成判斷控制電路，其輸出聯(lián)接三相 全控整流橋和弧光形成判斷控制電路。
上述方案中，所述脈沖形成控制器包括：儲能濾波電路、IGBT斬波器電路、驅(qū)動電路、 脈沖控制電路、導(dǎo)通比給定和面板；其中，儲能濾波電路的輸入聯(lián)接三相全控整流橋，其輸 出聯(lián)接IGBT斬波器電路；IGBT斬波器電路的輸入還聯(lián)接驅(qū)動電路，其輸出聯(lián)接等離子熱處 理滲氮爐；脈沖控制電路的輸入聯(lián)接導(dǎo)通比給定電路、綜合控制單元的微機(jī)控制可編程控制 器和弧光形成判斷控制電路，其輸出分別聯(lián)接面板和驅(qū)動電路。
上述方案中，所述綜合控制單元包括：微機(jī)控制可編程控制器、工藝參數(shù)給定、弧光形 成判斷控制電路、霍爾元件取樣電流變化信號電路、電阻取樣電壓變化信號電路、熱電偶溫 度變化信號電路、薄膜壓力變送器壓力變化信號電路和質(zhì)量流量控制器；其中，弧光形成判 斷控制電路的輸入分別聯(lián)接帶十六位微處理器的數(shù)字控制模塊、霍爾元件取樣電流變化信號 電路和電阻取樣電壓變化信號電路；微機(jī)控制可編程控制器的輸入分別聯(lián)接工藝參數(shù)給定、 熱電偶溫度變化信號電路、薄膜壓力變送器壓力變化信號電路，其輸出分別聯(lián)接帶十六位微 處理器的數(shù)字控制模塊和脈沖控制電路，還聯(lián)接質(zhì)量流量控制器以控制供氣流量，質(zhì)量流量 控制器再聯(lián)接等離子熱處理滲氮爐；霍爾元件取樣電流變化信號電路和電阻取樣電壓變化信 號電路的輸入聯(lián)接IGBT斬波器電路的輸出；熱電偶溫度變化信號電路和薄膜壓力變送器壓力 變化信號電路的輸入聯(lián)接等離子熱處理滲氮爐。
上述方案中，所述微機(jī)控制可編程控制器采用SDC-40B微機(jī)控制可編程控制器。它將爐 內(nèi)溫度、壓力變化的信號，通過PID運算綜合處理，反饋，用以完成熄滅弧光放電、清理- 升溫-保溫、程序供氣和爐內(nèi)壓力控制的全自動控制。
上述方案中，所述十六位微處理器是ANSALDO的十六位微處理器。以十六位微處理器 為核心組成變流系統(tǒng)用以形成0-1000V連續(xù)可調(diào)的直流電源，以向脈沖形成控制器提供輸入。
上述方案中，所述驅(qū)動電路是采用M57962L專用芯片制成的驅(qū)動電路。
等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)輸出的脈沖電壓，施加在工件(陰極)與爐 體外殼(陽極)之間，比原來常規(guī)使用手動操作的直流電源優(yōu)越先進(jìn)。其特點如下：
1)本實用新型實現(xiàn)了離子滲氮工藝過程自動化，使離子滲氮處理從開始階段(弧光清理) ～升溫階段(控制升溫速度、爐內(nèi)壓力自動適應(yīng)升溫要求)～保溫階段(控制溫度和壓力， 進(jìn)行恒溫)～到時停爐，工藝過程全自動控制。同時保證離子滲氮過程按工藝設(shè)定，自動調(diào) 節(jié)供給滲氮氣體的流量，以達(dá)到氣流動態(tài)平衡。使離子滲氮處理零件表面滲層的質(zhì)量得到保證。
2)爐內(nèi)氣體放電受高頻功率器件的形狀通斷控制，電壓、電流自然過零，自身具有滅弧 的功能。滅弧速度可達(dá)到微秒級，因而去掉了直流電源的限流電阻，可大幅度節(jié)能。
3)在提供大的瞬時能量時，可保持較小的平均能量?？蓪⒐ぜ郎?、保溫所需的離子能 量借助于導(dǎo)通比調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，從而將物理參數(shù)與工藝參數(shù)分開，實現(xiàn)獨立調(diào)整，保證了離子 滲氮工藝的運行。
4)通常輝光放電過程中，由于離子與電子的相互作用，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，引起載流子的聚 集造成離子滲氮工件上的空心陰極效應(yīng)，產(chǎn)生工件的溫度不均勻，甚至燒傷工件表面或損壞 設(shè)備。本實用新型使載流子的聚集被脈沖間隙中斷，從而抑制了空心陰極效應(yīng)。改善了復(fù)雜 零件的溫度均勻性，并保護(hù)了設(shè)備。對于原來需要堵孔屏蔽的零件可直接裝爐進(jìn)行離子滲氮， 簡化了工序，提高了生產(chǎn)效率。
附圖說明
圖1是等離子熱處理滲氮爐的脈沖電源自動控制系統(tǒng)的方框圖；
圖2是圖1中大功率數(shù)字模塊控制直流電源的接線圖；
圖3是圖1中脈沖形成控制器的電路原理圖；
圖4是圖1中SDC-40B微機(jī)控制可編程控制器的接線圖；
圖5是圖1中弧光形成判斷控制電路的原理圖。
具體實施方式
大功率數(shù)字模塊控制直流電源由三相全控整流橋、同步電源信號電路和帶十六位微處理 器數(shù)字控制模塊(ANSALDO)組成。
在三相交流電(380V)進(jìn)入大功率數(shù)字控制直流電源之前，需要一個升壓變壓器，其付 邊輸出電壓為交流700V。由于可控硅整流裝置會對公共電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾，所以此變壓器原 邊為三角型，副邊為星型。這樣既起到了升壓，也有電網(wǎng)隔離、減少干擾的作用。
700V交流電壓通過由六只可控硅組成的三相全控整流橋，該整流橋由以十六位微處理器 為核心組成的數(shù)字控制模塊控制，進(jìn)行可控硅的移相、觸發(fā)，保護(hù)、報警，并有故障診斷的 功能。以形成0～1000V連續(xù)可調(diào)的直流電源，向脈沖形成控制器提供輸入。
以十六位微處理器數(shù)字控制模塊(ANSALDO)為核心組成的大功率數(shù)字模塊控制直流 電源，其接線圖如圖2。它接受來自同步電源信號電路(U、V、W端子)和綜合控制單元的 SDC-40B微機(jī)控制可編程控制器的信號(31、33端子)，對三相全控整流橋的可控硅進(jìn)行移 相、觸發(fā)，調(diào)節(jié)。當(dāng)電流、電壓發(fā)生變化時，信號輸出(24、25端子)給弧光形成判斷控制 電路(PLC)，經(jīng)過判斷，確認(rèn)即將要發(fā)生弧光放電，弧光形成判斷控制電路發(fā)出信號反饋給大 功率數(shù)字模塊控制直流電源(20端子)，使大功率數(shù)字模塊控制直流電源截止。
直流電壓由(H、G端子)輸出，供脈沖形成控制器進(jìn)行斬波，形成脈沖電壓，以供等離 子熱處理滲氮爐使用。
大功率數(shù)字模塊控制直流電源的電流、電壓反饋電路的參數(shù)可以隨機(jī)修改，大功率數(shù)字 模塊控制直流電源還有故障診斷的功能。
脈沖形成控制器是由儲能和濾波電路、IGBT斬波器電路、驅(qū)動電路、脈沖控制電路、 導(dǎo)通比給定、以及顯示和操作面板所構(gòu)成，其原理圖如圖3。
整流后的0～1000V直流電壓，通過脈沖形成控制器，轉(zhuǎn)換為頻率1000Hz的脈沖電壓。 調(diào)整導(dǎo)通比，可以使脈沖電壓的波形寬度變化，以向離子滲氮爐輸送需要的功率。
脈沖形成控制器應(yīng)用IGBT快速的通斷功能，將直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓。應(yīng)用M57962L 專用芯片制成的驅(qū)動電路，能夠得到前后沿陡峭的驅(qū)動脈沖，使IGBT斬波器通斷。當(dāng)負(fù)載 出現(xiàn)過流或短路的情況時，綜合控制單元發(fā)出信號，通過脈沖形成控制器的控制、驅(qū)動電路， 對IGBT斬波器實施軟關(guān)斷.
綜合控制單元是由SDC-40B微機(jī)控制可編程控制器為核心組成的，包括微機(jī)控制可編程 控制器、弧光形成判斷控制電路、電流變化信號電路、電壓變化信號電路、熱電偶溫度變化 信號電路、壓力變化信號電路和質(zhì)量流量控制器。它將爐內(nèi)溫度、壓力變化的信號綜合處理， 反饋。進(jìn)行清理-升溫-保溫、程序供氣和爐內(nèi)壓力控制；根據(jù)電流、電壓變化信號的識別判 斷，完成控制或熄滅弧光放電的全自動控制。
SDC-40B微機(jī)控制可編程控制器的接線圖如圖4。
溫度變化取樣、控制：由K型熱電偶檢測爐內(nèi)溫度，通過溫度指示儀表顯示爐內(nèi)溫度 (0～800℃)。同時將溫度信號轉(zhuǎn)換成0～10V信號進(jìn)入SDC-40B微機(jī)控制可編程控制器(33、 34端子)。
根據(jù)工藝參數(shù)給定和爐內(nèi)溫度變化信號，SDC-40B微機(jī)控制可編程控制器通過PID運算， 由(11、12端子)輸出，提供給數(shù)字模塊控制直流電源中整流電路的移相觸發(fā)信號，調(diào)整輸 出電壓；由(17、18端子)輸出，提供給脈沖形成控制器的脈沖控制電路的時間分配信號， 調(diào)整脈沖電壓的導(dǎo)通比。以控制離子滲氮爐的功率。
在清理、升溫階段，由于弧光放電(打弧)十分頻繁，使負(fù)載劇烈變化，出現(xiàn)爐內(nèi)溫度 與預(yù)設(shè)溫度的升溫速率不一致的現(xiàn)象，經(jīng)SDC-40B微機(jī)控制可編程控制器的比較、PID運算， 當(dāng)其差值超過10℃時，就及時調(diào)整輸出功率，以減少打弧的數(shù)量。當(dāng)打弧數(shù)量減少后，溫度 開始上升，達(dá)到溫差10℃以內(nèi)時，即按預(yù)設(shè)的升溫速率平穩(wěn)上升。
壓力變化取樣、控制：由薄膜壓力變送器檢測爐內(nèi)壓力，通過壓力指示儀表顯示爐內(nèi)壓 力(1Pa～1000Pa)，同時將壓力信號轉(zhuǎn)換成1～5V信號進(jìn)入SDC-40B微機(jī)控制可編程控制器 (29、30端子)，根據(jù)工藝參數(shù)給定和爐內(nèi)壓力變化信號，SDC-40B微機(jī)控制可編程控制器 通過PID運算，由(14、15端子)輸出控制信號，提供給質(zhì)量流量控制器，自動調(diào)節(jié)滲氮氣 體的流量，以達(dá)到離子滲氮爐的氣流動態(tài)平衡。
弧光形成判斷、控制：弧光形成判斷控制電路由關(guān)斷IGBT斬波器和截止大功率數(shù)字模 塊控制直流電源的輸出兩部分組成。
在離子滲氮過程中，需要穩(wěn)定的輝光放電，但不可避免地會產(chǎn)生一些有害的弧光放電(打 弧)，當(dāng)弧光放電時，在離子滲氮爐陰陽極兩端，會出現(xiàn)電流上升、電壓下降的現(xiàn)象。霍爾元 件取樣電流的變化，電阻元件取樣電壓的變化，通過弧光形成判斷控制電路，判斷確認(rèn)弧光 是否形成。當(dāng)確認(rèn)即將要發(fā)生弧光放電時，根據(jù)弧光能量的大小，發(fā)出信號(三種不同寬度 的脈沖)至脈沖形成控制器，使IGBT斬波器關(guān)斷，截止脈沖電源輸出(圖5a)；同時大功率 數(shù)字模塊控制直流電源(24、25端子)輸出信號給PLC(圖5b)經(jīng)過識別判斷，發(fā)出信號反 饋給大功率數(shù)字模塊控制直流電源(20端子)，使大功率數(shù)字模塊控制直流電源的輸出截止， 以快速熄滅弧光。
根據(jù)打弧能量的大小，可以選定滅弧的時間，以防止弧光放電的嚴(yán)重發(fā)展。
本實用新型能完善地自動控制等離子熱處理滲氮爐，減少在清理、升溫階段的弧光放電， 防止離子滲氮過程中的嚴(yán)重弧光放電、有效地保護(hù)了工件和設(shè)備、縮短生產(chǎn)周期、節(jié)省電能、 提高零件的表面滲氮層質(zhì)量。
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