何飞 李宏战 赵文 付有 乔江江 卢伟 张勇
摘 要：议决MATLAB中SimPowerSystems模子库设立单脉冲电源模子，对主回路以及响应的护卫电路进行模仿仿真，议决负载模子的设立剖析IGBT和负载波形的改变。了局证明，行使MATLAB对微弧氧化电源进行仿真，可以兑现微弧氧化工艺要求，对电源的设计以及深入切磋有注重要的参考价值。
关头词：MATLAB；微弧氧化电源；波形；IGBT
中图分类号：TG174.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0022-03
Abstract： The single pulse power supply model is established through the SimPowerSystems model library in MATLAB. The main circuit and the corresponding protection circuit are simulated. The changes of IGBT and load waveform are analyzed through the establishment of load model. The results show that the simulation of micro-arc oxidation power supply with MATLAB can meet the requirements of micro-arc oxidation process， which has important reference value for the design of power supply and in-depth research.
Keywords： MATLAB； micro-arc oxidation power supply； waveform； IGBT
引言
微弧氧化技艺（MAO），又称微等离子体氧化技艺，是一种将Ti等阀金属及合金安排于特制的电解液中，使其外面原位生长出氧化陶瓷膜的外面处置技艺。其首要的电参数电压、电流密度、脉冲频率等是由微弧氧化电源所决意的[1-2]，议决Matlab中SimPowerSystems模子库设立微弧氧化单相脉冲电源模子，联合特定电参数对主回路及护卫电路进行仿真，从而能够有用削减电源设计前期投入，对电源的优化有注重要的意义。
1 微弧氧化电源
微弧氧化电源首要包罗变压器、三相桥式整流电路、滤波电路和斩波电路等，其布局原理图如图1所示。
兰州理工大学陈明在单极性脉冲体式格局下镁合金微弧氧化尝试中，设定电参数：电压210V、频率667Hz、占空比30%，用Tektronix TDS3034印象示波器记载的负载电压和电流波形[3]，如图2所示。单脉冲电源的负载电压在脉冲高电平阶段成舒徐直线，而在脉冲低电平阶段成斜线体式格局下滑。同时，在脉冲高电平初期，电流有一个尖峰，并逐渐下滑；在脉冲低电平阶段初期，存在强烈的发抖，随后趋于安稳直到下一个脉冲阶段。
2 微弧氧化主电路的剖析与仿真
2.1 整流和滤波电路
议决人机界面输入微弧氧化工艺所需的电压或电流值，PLC将把握晶闸管把握电路给定整流电路中的晶闸管响应把握角，从而调度晶闸管输出电压值。因为微弧氧化电源的负载很小，即天生的电流很大，会导致整流后的电压颠簸很大。为袪除电压颠簸，在三相全控整流桥与斩波电路之间接入滤波电路。
在SimPowerSystems模子库选择响应的元件， Constant给定晶闸管脉冲把握角为30°，Pulse Generator直接供给PWM脉冲宽度和延迟，负载电阻R选择100Ω，滤波电容9400μF，搭建如图3所示的仿真模子。
参加滤波电容元件前后，负载电流值仿真波形如图4所示。颠簸加大的曲线为不加滤波电容的负载电流波形，含必然諧波。比力滑润的曲线为参加滤波电容后的负载电流波形，含谐波成分少。是以，选择体面的滤波电容能够获得波形比力舒徐的直流电压。
2.2 晶闸管护卫电路
智能晶闸管模块的内部有过电流克制功能，除此之外，能够在晶闸管模块前串入急剧熔断器。急剧熔断器是针对晶闸管过流才力差的护卫元件，熔断时间小于0.02s，急剧割断短路电流，从而护卫晶闸管不被损坏。
当晶闸管蒙受反向电压跨越其反向击穿电压时，即使时间很短，也会造成晶闸管损坏。过电压分为内因过电压和外因过电压两种。在晶闸管模块两头并联阻容吸收电路，克制晶闸管由导通到截止时发生的过电压，有用幸免晶闸管被击穿。在变压器和晶闸管模块之间的每两相上并联金属氧化物压敏电阻，准时袪除外因引起的过电压。配置压敏电阻耐压1000V，电容0.33μF，电阻20Ω，设立仿真模子如图5所示。
2.3 斩波及其护卫电路
选择绝缘栅双极性晶体管（IGBT），其具有驱动功率小、开关速率快、通态压降小且载流才力大等长处，适合微弧氧化主电路。思虑到电网电压和变压器的瞬态尖峰、电压颠簸、开关电流引起的尖峰等，选择体面的IGBT参数能够延伸电源的使用寿命。
IGBT两头需蒙受较大的电压和议决很大的电流，是以轻易造成浪涌电压和过电流表象，从而损坏IGBT。为防止对IGBT造成损坏，则必要对 IGBT 接纳必然的护卫[4]。IGBT护卫电路首要分为过电压护卫和过电流护卫。配置RCD缓冲电路并用压敏电阻帮助护卫，如图6所示。当压敏电阻两头电压高于额定值时，压敏电阻就会麻利被击穿而导通，起到了均值过电压护卫的作用。这里配置C1为2个1200V、4uF并联，R1为5个500W、20Ω并联，D为1200V、200A的急剧收复二极管。
3 负载电路仿真剖析
在微弧氧化工艺工程中，因为R、R2、C2的数值和电解液、工件形状以及事情状况等有着亲昵关系，R表现电解液电阻等常量电阻和膜层电阻之和；C2表现电解槽形状、电极位置等引起的常量无极性电容以及在微弧氧化过程中引起的有极性电容的等效；R2表现在微弧氧化过程中微区电弧放电通道的等效电阻，随膜层状况和加载电压的变化而改变[5]。R2与C2并联在R串联作为负载电路模子，取参考值：R=4Ω，R2=80Ω，C2=24μF。
设定脉冲触发器把握角为30°，获得负载和IGBT的电压、电流波形仿真曲线，如图7所示。
图7（a）中虚线是IGBT两头的电压波形，实线是负载两头的电压波形；从图中能够看出IGBT和负载的电压之和为晶闸管输出电压。图7（b）中虚线是IGBT两头的电流波形，实线是负载两头的电流波形，两者的形状比力相似，都有一个尖峰电流。
當IGBT关断时，电源议决R、R2、C2构成的电路向IGBT护卫电路进行充电，其两头的电压将不息升高，而负载电压不息贬低，两者之和保留稳定。在负载模子上的电容C2起点议决R再和R2并联的电路进行放电，表示在电流以e为底的负指数函数衰减。
当IGBT导通时，其两头电压突变为0V，发生很大的电流瞬时值，接着电流以e为底的负指数函数衰减，这是因为IGBT护卫电路中的电容C1议决电阻R1对IGBT放电导致的。在负载模子上，因为电压产生跃变，起点议决R起点对电容C2进行充电，也发生很大的电流瞬时值。是以，IGBT和负载的电流瞬时值发生原理是各异的。
4 告终语
对照图7中实线局部波形和图2波形，发实际际波形和仿真波形具有高度的相似性，是以，议决SimPowerSystems模子库设立微弧氧化电源模子是可行的。议决变化响应参数能够兑现电源的全数字把握，为微弧氧化电源的设计和剖析带来利便。
参考文献：
[1]Yerokhin A L，Nie X，Leyland A，et al.Plasma electrolysis for surface engineering[J].Surf Coat Technol，1999，122：73-93.
[2]赵玉峰.微弧氧化电流脉冲电源及其负载电气特征的切磋[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.
[3]陈明.镁合金微弧氧化微区电弧放电机理及电源特征的切磋[D].兰州：兰州理工大学，2010.
[4]田健，郭会军，王华平易近，等.大功率IGBT瞬态护卫切磋[J].电力电子技艺，2000（04）.
[5]王鹏.具有多种输出体式格局的微弧氧化脉冲电源研制[D].兰州：兰州理工大学，2012.
科技立异与应用 2018年35期
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