等离子喷涂电源发展概述
王永锋 张东辉 郝勇超
金属加工
【摘要】介绍国内外等离子喷涂电源的发展概况，并对当前国内广泛应用的三种等离子喷涂电源的性能特点进行了比较。
等离子喷涂电弧温度高，粉末粒子的动能大，涂层结合强度高，喷涂粉末材料的范围广，生产效率高，以上的优点使得等离子喷涂成为应用最广泛的热喷涂工艺方法。近几年随着等离子喷涂技术的不断推广，已经在航天、航空、冶金、机械、石化、纺织、造纸、印刷、汽车、电子以及生物等领域得到了广泛应用。
等离子喷涂工艺的稳定性首先取决于整个系统的供电质量。在等离子喷涂系统中，电源的功能是对电网输入的动力电进行功率变换，得到满足等离子弧所需特性的直流电，然后通过在喷枪上产生的非转移高能压缩等离子弧，为喷涂过程提供热能，再将粉末加热到熔融状态后，喷射到工件表面形成涂层。稳定的电源是获得优质涂层质量的重要保障，因而电源在等离子喷涂系统中占有极其重要的地位。
一、国外等离子电源发展状况
欧美国家对等离子喷涂的研究工作做得较早，现在已经涌现出了一批大型跨国公司，如瑞士的SulzerMetco、美国的PRAXAIR-TAFA、Miller以及德国的GTV公司等都分别开发了自己的系列产品。
其中瑞士的Sulzer Metco是全球最大的等离子喷涂设备供应商，其系列产品代表了国际上等离子喷涂设备的发展方向。它的产品从最初的3M系统，发展为10M系统，到现在的UniCoat及MultiCoat等离子喷涂系统。究其产品的升级变迁，很大程度上也体现在了电源的升级换代，具体如图1、表1所示。
当前，效率低、费材料、可控性差的7MR－50磁放大器式二极管整流等离子喷涂电源基本已被市场淘汰；而性能稳定可靠、技术成熟的可控硅整流等离子喷涂电源至今仍在市场上占有一定比例，如Sulzer Metco的10MR系列电源仍配套于其低端的9MB等离子喷涂系统中；而美国PRAXAIR-TAFA的等离子喷涂设备系列现在仍采用可控硅整流的电源，该公司最新型的HPS—100等离子喷涂电源即采用六脉冲可控硅整流电源，电源中设计了电流的“软启动”电路，并对电源的输出进行了特殊的平滑扼流设计，从而确保电源具有稳定的输出，可以大大延长喷枪零部件的使用寿命。
继晶闸管整流电源之后，Sulzer Metco最新推出了IPS—1000型等离子喷涂电源，它采用了斩波电源原理，即将降压整流后的直流电经过二次斩波后得到高频直流（8kHz），然后再通过低通滤波来得到等离子喷涂所需的直流电。该电源具有较高的电效率，并且输出波形较为平滑，从而使得喷涂工艺的重现性、电源的热效率以及喷枪的使用寿命大大提高。并且IPS—1000电源可以通过采用主从方式，将多台电源配置为并联工作，用以满足如超音速等离子喷涂等高速、高功率场合要求，如将三台电源配置为并行工作时，最大输出电流可达3000A。另外，德国的GTV公司生产的PPC－2002型等离子喷涂电源也采用了斩波电源原理，并将之配套于GTV F6等离子喷涂系统及GTV F6－K2超音速-等离子组合系统中。PPC－2002型等离子喷涂电源外观如图3所示。
此外，瑞士的Casolin公司采用小型晶体管式电源，设计紧凑，体积小，功率为45kW，重量为220kg。荷英意FST公司也推出了M—APS45.20型的逆变等离子喷涂电源，电源功率45kW，并采用了水冷方式对电源进行冷却，大大减小了电源的体积和重量，从而为等离子喷涂工艺实现野外的现场施工提供了极大的便利。
二、国内等离子电源发展状况
由于各种原因，国产等离子喷涂设备所走的一直是一条先引进、后仿制的道路，其中北京航空制造工程研究所（625所）等离子喷涂设备的发展过程基本可以代表国内等离子喷涂设备的发展历史。625所1965年从比利时引进ARCOS等离子喷涂设备，经过消化改进，于1967年研制成功国内第一台硅整流电源的DDP—1型等离子喷涂设备之后，在此电源基础上经过多次改进，先后研制成功了SDS—1000、GDP—50、GDP—II型等离子喷涂设备；20世纪70年代末，又在引进美国Metco7M型等离子喷涂设备的基础上，研制成功了当时具有国内外先进水平的GP－80型等离子喷涂设备，该设备采用了GDP—80型的磁放大器式二极管整流电源。20世纪90年代，625所研制成功了采用N-800晶闸管整流电源的APS—2000型等离子喷涂设备。至2002年，625所又研制成功了NB—800型逆变电源应用于APS—3000型等离子喷涂设备。
现在，国内对等离子喷涂设备及工艺的研究与应用已上升到了一个新台阶。当前在国内获得广泛应用的等离子喷涂电源主要包括型磁放大器式二极管整流电源、晶闸管整流电源及逆变等离子喷涂电源。
1． 磁放大器式二极管整流等离子喷涂电源
北京航空制造工程研究所早在20世纪70年代消化吸收了美国Metco 7M的技术，研制成功了80kW的GDP—80型等离子喷涂电源，并在当时进行了科技转让与大力推广，直至目前该电源在国内的工业应用中仍占有较大的比例。其外观如图4所示。
该电源工作原理简单，将电网输入的动力电经过降压、整流及滤波后即直接为喷涂提供电能。由于磁放大器中有多个绕组的存在，使得在工作过程中除自感外还有互感作用，所以该电源的电磁惯性较大，造成了工作时的冲击电流较大；同时由于电源采用开环控制，所以控制性能较差，电流、电压随电网的波动大。该电源的输出静特性曲线如图5所示。
由图5可见，该电源具有缓降的静特性。工作中通过改变励磁电流进行励磁调节，可以改变电源的输出静特性曲线，以改变电源工作参数。然而缓降的电源静特性使等离子弧负载发生变化时，由于等离子弧的自调节作用，电流会随之有较大的变化。
磁放大器式二极管整流电源具有结构简单，坚固耐用、易维护的优点；但也存在效率低，且体积、重量大，费材料的缺点，电源的总重量约1500kg。目前该类电源在国内仍有着较大的工业应用，但正逐步被淘汰。
2 .晶闸管整流等离子喷涂电源
鉴于磁放大器式二极管整流电源存在的不足，20世纪90年代，国内的大学及研究机构相续开展了晶闸管整流的等离子喷涂电源的研制。甘肃工业大学研制成功PLC控制的晶闸管整流式等离子喷涂电源，控制特性好，但未见有工业应用推广。北京航空制造工程研究所在消化吸收了瑞士PT－800晶闸管整流等离子喷涂电源的技术基础之上，经过改进，研制成功了80kW的N－800型晶闸管整流等离子喷涂电源。并将之配套于APS－2000型的等离子喷涂系统中。该电源外观如图6所示。由图7可见，该电源具有陡降的静特性。工作时通过改变晶闸管的导通角来改变电源的输出静特性曲线，以改变工作参数，恒流的电源特性确保了喷涂过程中参数的稳定。
晶闸管整流等离子喷涂电源具有结构简单，参数稳定，坚固耐用、易维护的优点；但其效率仅能达到70%～80%，所以存在电源效率低，且体积、重量大，费材料的缺点，整个电源的重量约1000kg；并且由于电源主电路采用非全波整流，这样在工作过程中会不可避免地产生高次谐波，对电网造成污染，并且该电源本身的抗干扰能力较差。目前该类电源在国内市场上仍占有较大的比例。
3． 逆变等离子喷涂电源
电源技术与功率半导体器件制造技术互依互存，共同发展。随着功率开关元件、微电子技术和控制技术的发展，使得等离子喷涂电源向高频化、轻量化、模块化、智能化和大容量化方向发展。采用逆变技术是等离子喷涂设备实现大功率、小型化的有效途径。近几年来，国内的大学与研究机构也相续开展了逆变等离子喷涂电源的研制，如华南理工大学已研制成功了IGBT－630A逆变等离子喷涂电源，该逆变器空载电压为186V，在工作电流为500A时，电压可达90V，工作稳定，控制精度高，调节性能好，具有一定的抗干扰能力，并已经通过国家鉴定。装甲兵工程学院也研制成功了功率80kW、电流600A、工作电压220V的用于超音速等离子喷涂的HEPJ－Ⅱ型逆变电源，但是以上研制的逆变等离子喷涂电源都未见有批量生产。
北京航空制造工程研究所于2002年研制成功了NB－800型逆变等离子喷涂电源，电源功率80kW，额定电压80V，电流1000A。为达到80kW的额定输出功率的要求，电源的主电路拓扑结构采用并联式电源组合结构，即由四套功率为20kW逆变直流电源并联组成。
其基本原理是：输入的380V交流电经过三相全桥整流后进行滤波，得到平稳的直流电，然后高压直流经过大功率开关元件IGBT进行逆变，得到20kHz的高频交流电，高频交流电经过全桥整流变成直流后，经过电感滤波，最后供给负载（等离子喷枪）平稳的直流电。电源采用恒流控制，通过对喷涂时的工作电流采样，形成电流负反馈，再经过对电流的PID闭环控制，在负载端得到稳定的直流输出。其输出静特性曲线如图8所示
四、结语
采用逆变技术是实现等离子喷涂电源大功率、小型化的有效途径。逆变等离子喷涂电源比传统的工频整流电源的材料减少80%～90%，节能20%～30%，并且逆变电源具有动态响应快（响应速度由ms级提高为μs级）、工作参数稳定（电流电压参数波动≤0.5%）、抗干扰能力强的优点，这为智能控制技术在等离子喷涂系统中的应用打下了坚实的基础。
参考文献略
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