王俊涛

摘要：真空电弧镀是航空发动机涡轮叶片制备高温防护涂层的一种重要工艺设备，该设备在多年的生产应用中，设备技术得到了不断的革新、改进及完善。设备核心关键部分的电弧电源，从原始的磁放大器式、可控硅整流方式发展到IGBT逆变控制方式，致使涂层制备质量、效率也得到了改善。本文将对叶片真空电弧镀电弧电源技术的进一步改进提升原理及设计方法进行论述，即采用新型的双IGBT系统，在电流、电压的稳定控制方面又一次进行了提升，而因此也将对涂层制备的质量和稳定性进一步给予了保障。

Abstract： Vacuum arc plating is an important process equipment for the preparation of high temperature protective coatings for turbine blades of aerospace engines. In many years of production applications， equipment technology has been continuously updated and improved. The arc power supply of the key part of the equipment has evolved from the original magnetic amplifier type and thyristor rectification method to the IGBT inverter control mode， which has improved the quality and efficiency of coating preparation. In this paper， the further improvement and promotion principle and design method of the blade vacuum arc plating arc power supply technology are discussed， that is， using the new dual IGBT system to improve the stability control of current and voltage again， and therefore the quality and stability of the coating preparation are further guaranteed.

關键词：IGBT；电弧电源；真空电弧镀

Key words： IGBT；arc power supply；vacuum arc plating

中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0165-02

0 引言

航空发动机叶片真空电弧镀设备，是针对一定数量发动机叶片或小型部件同时进行表面涂层加工的专用设备，可同时加工小型部件48个（24+24上下双层），或大中型部件16片（单层）。其关键部件的电弧电源，曾经采用单系统大功率IGBT可控电源进行电弧喷镀控制，最大电流1000A，动态特性好、体积小、效率高、噪音低。而本次论述的是，电弧控制电源采用的是双IGBT逆变整流系统作为主电弧的电离电源，设计规格电流1250安培，电压20-40伏。在双IGBT逆变整流系统设计中，2个系统采用均流闭环控制，每一路单个系统的最大工作电流都可以达到1000安培，增加了电源能量冗余，即可以同时进行均流闭环控制方式输入输出工作，又可以单独一路独立工作，这就避免了其中一路产生故障而造成整个电弧电源关停的问题。

本电源系统采用2套IGBT高频逆变系统，是以电力电子、微电子和控制技术为基础研制的高效节能大功率开关电源，是当代电力电子学理论发展的前沿技术。电源采用数字电源技术，控制调节系统均采用高性能DSP，以实现快速、高精度、灵活、多功能、智能化的控制和人机界面和通讯功能等，提高工艺质量与稳定性；采用基于数字通信技术的485通信网络系统，通过操作面板，可方便电源参数设置和显示，便于用户操作；主电路采用2路IGBT 全桥逆变电路，分别采用高频变压器进行输入与输出安全隔离；系统具有各种故障报警及自动停机保护功能。

此次电弧电源的应用改造尤为关键，对于公司军品生产是一次新技术领域的应用创新，所以，特此进行论述。

1 电弧电源与电弧涂层制备

该设备用以制备高温防护涂层，其应用于发动机叶片或其它零部件，用以保护零部件免受高温氧化的作用，提高零部件自身强度，延长使用寿命。电弧涂层制备实现的工作原理参见示意图1。

引弧锤与阴极靶材瞬间接触并分离，因接触电阻大而局部发热产生电弧火花，产生含有密度很高的电子和离子。在其作用下形成等离子体，等离子体高速运动对阴极靶材进行轰击碰撞，形成的大量靶材粒子，靶材粒子在叶片上沉积成膜。该设备采用了IGBT高频开关电源作为主电弧能量来源，动态特性十分良好，在同等条件下，使引弧速度和成功率有了明显的提高。其次，电弧稳定性方面，逆变式电弧电源输出特性是恒流外特性，当电弧电压发生抖动变化时，电流影响比较小，稳定性好，原因是该电源的逆变频率高，动态响应速度快，即电流恢复速度快。

2 IGBT逆变电源原理

IGBT逆变电源的主电路为三相380V全桥逆变电路，采用IGBT作为主控元件，实现了AC-DC-AC-DC的转变。三相50Hz、380V交流电压，经过三相输入全桥整流电路整流、滤波后，变成540V高压直流。该直流通过四个单管IGBT的全桥逆变，被逆变成为中频方波电压，经高频变压器隔离降压后，输入到输出整流电路，经整流后的直流电压再经过电感滤波后输出，电压为20-40V，最后得到纹波较小的直流，供给电弧直流电能。

3 双IGBT逆变电源系统设计原理

随着科技的发展和生产能力的不断提高，大量电子设备中，对大功率、大容量、低能耗、高质量、高精度和高安全的电源系统应用需求也增加和普及。但是目前的半导体材料及开关器件自身水平的限制，单台单系统的大容量大功率电源技术也同样受到了限制，因此，大功率、模块化电源系统并联运行方式技术得到了广泛的应用。

真空电弧镀设备的加工能力为双层24片工件，要求电弧工作电流为500-800A。1套IGBT模块化逆变电源额定输出电流是1000A，选择2套并联运行，即可以满足设备加工能力，且赋予了冗余。如图2，当电源模块A1或A2其中之一出现故障，均流控制系统将自动调整控制模式，控制其一继续正常工作，保证工件涂镀工作完成一个涂镀生产循环。图2中电源模块单元皆采用公共总线，并联输出电流系统只有一个公共控制电路。

4 强迫均流控制的应用

图2中的并联、冗余式电弧电源，误差的不可避免性和当今电子器件工艺水平的限制，A1、A2并联运行的模块式电源在相同输入给定的条件下，各自输出的参数都将略有不同，存在着必然的差异，使各自的参数和性能，尤其外特性也不尽相同，参数还会随着时间、温度、器件特质改变等因素的变化而发生变化。这些差异虽然难以完全避免，但却可以尽量地消除和缩小。并联运行时，各自输出电流不同，大电流输的电源热应力变大，系统崩溃损坏几率也上升，造成设备总体的稳定性和可靠性降低，其寿命、质量和性能也下降。因此在并联的模块电源系统中，采用负载电流均流控制方法，防止某一台运行在电流极限值状态，即对每个模块电源进行时时监控限流及调整控制。

图2中的均流控制系统，是采用电子原器件、微电子器件设计的硬件控制方式。简化等效的控制原理如图3。反馈取样电压与给定基准电压U0相比较产生误差电压Ue，该电压送至A1、A2每个独立电源模块，与模块电流相比较，调节模块参考电压，从而改变输出电压，调节输出电流，实现均流。这样，A1、A2模块都相当于电压控制的电流源。该均流方式精度高、动态响应良好。

5 双系统电源技术特点

该电源系统，外部硬件电路简单，整体占用空间体积小，电源均流精度比较高。整个系统具有良好的均流瞬态响应特性，即动态响应好，可以很方便地组成冗余系统，即可以随时增减电源模块，用以实现大电流、高效率及可靠性。根据现场实际需要配置成冗余系统，实现电源容量的可扩充性，能够降低成本投入。

6 結论

该双系统冗余式电源，采用高精度数字处理芯片进行控制，功能先进、性能稳定。电路中采用高精度的数字式闭环控制，确保控制的快速性，电源突变时输出响应时间快，稳定性好，具有各种参数显示及人机交互界面。系统检测技术和完善的保护功能，保证电源系统的长期稳定运行，而且，单一模块式电源出现电气故障后，立即报警保护，另一个模块不受影响，提高了系统可靠性。优秀的电磁兼容设计，工作时不受外界影响及不影响其它设备的运行。双IGBT逆变控制技术应用于叶片电弧镀，为航空发动机叶片的生产提供了设备保障。

参考文献：

[1]电气设计手册[M].科技出版社.

[2]关奎之.真空镀膜技术[M].东北大学出版社.

[3]刘观起，孙金水，万军.基于IGBT斩波控制的内反馈串级调速系统的研究[J].电力科学与工程，2008（01）.