Ремонт выпрямителей для гальваники

Современные выпрямители для гальваники: заменяем тиристоры на IGBT

До сих пор во многих отраслях промышленности нанесению защитных и декоративных покрытий посредством гальваники нет альтернативы. Но XXI век предъявляет новые требования к гибкости и экологичности производства, из-за чего возросли требования к аппаратуре, управляющей электрическими параметрами гальваники. К счастью, одновременно появилась элементная база, отвечающая новым требованиям, в частности – IGBT-модули Infineon.

Уже на заре развития гальваники встала проблема, связанная с тем, что для процесса нанесения покрытия нужен был постоянный ток, в то время как повсеместно развивались сети переменного тока. Поначалу установки для гальваники питались от гальванических элементов. Потом, с изобретением в начале XX века ртутных выпрямителей, стало возможным наносить покрытия, получая энергию из сети переменного тока. С тех пор оборудование, обеспечивающее заданные параметры электропитания гальванической ванны, именуется среди специалистов по гальванике «выпрямителем». Хотя сейчас это гораздо более сложное устройство, включающее в себя не только преобразователь напряжения и, собственно, выпрямитель, но также стабилизатор и некоторые другие узлы, обеспечивающие дополнительные функции (например, таймеры). С точки зрения электротехники такие системы правильно называть «блоками питания». Тем не менее, в статье мы будем использовать уже устоявшийся термин.

Для каждого типа гальванического процесса и каждого материала, применяемого для покрытия, существуют свои электрические параметры. В каких-то случаях необходимо стабилизировать напряжение, в каких-то – плотность тока (отношение силы тока к площади поверхности покрываемого изделия).

Возможность регулировки параметров в выпрямителях на полупроводниковых диодах реализовывалась путем переключения отводов от обмотки трансформатора. При этом для обеспечения высокого качества покрытия требовался дополнительный стабилизатор напряжения на входе выпрямителя (феррорезонансный, релейный, электромеханический). Пришедшие в 60-е годы XX века на смену диодным более совершенные тиристорные выпрямители позволяли осуществлять плавную регулировку параметров. Появилась возможность совместить выпрямитель и стабилизатор в едином устройстве. Тем не менее вплоть до 2000-х годов обычной практикой была поставка на промышленные предприятия выпрямителей, специально предназначенных для определенного гальванического процесса.

Мировой экономический кризис 2008 года привел к тому, что предприятия, занимающиеся гальваникой, стали нести убытки. Выход был найден в создании гибких производств, способных подстраиваться под нужды самых разнообразных заказчиков [1]. В результате на гальваническом производстве стали востребованы выпрямители, параметры которых можно быстро менять.

На момент написания статьи в России также наблюдался рост интереса к выпрямителям для гальваники на основе IGBT-транзисторов, что обусловлено курсом на импортозамещение, а также стремлением отечественных предприятий нарастить экспорт, для чего требуется повышать качество и снижать энергоемкость продукции.

Особенности конструкции выпрямителя для гальваники

Распространено ошибочное мнение, что конструкция выпрямителя для гальваники мало чем отличается от других типов блоков питания. Поскольку выпрямители для гальваники стоят дорого, в Интернете можно встретить немало описаний, как сделать такой выпрямитель из обычного блока питания. Но подобное решение применимо лишь для любительского изготовления вещей в единичном экземпляре. На промышленном производстве возможно использование только специально предназначенных для гальваники выпрямителей. Причиной тому – некоторые особенности работы таких устройств:

• Малое выходное напряжение (как правило, оно лежит в пределах 6…48 В) в сочетании с высоким (до 12000 А) значением силы тока. Неудивительно, что часто выпрямитель соединен с гальванической ванной не кабелем, а шинопроводом.
• Сопротивление нагрузки в процессе работы может меняться в несколько раз.
• Установленные сила тока или напряжение должны выдерживаться на выходе с точностью не хуже 3%. Это необходимо для обеспечения высокого качества покрытия (что выполняется в определенном оптимальном режиме) и повторяемости серийной продукции.
• Малый уровень пульсаций на выходе, так как пульсации с частотами 50…300 Гц плохо сказываются на качестве покрытия, особенно когда речь идет о современных экологически чистых технологиях гальванического нанесения никеля и его сплавов.
• Для получения более ровной поверхности желательно наличие реверсивного режима, когда можно периодически менять полярность подключения к ванне с интервалом от единиц до десятков секунд.
• Желательно наличие функции ограничения по току на заданном пользователем уровне при стабилизации напряжения (если сила тока превышает заданное значение, то выходное напряжение уменьшается).

Большая мощность, требуемая для гальваники, обуславливает питание выпрямителя от трехфазной сети. Исключением являются выпрямители, используемые в небольших ремонтных мастерских, на предприятиях народных промыслов, а также в домашних условиях любителями что-либо мастерить (при этом следует соблюдать меры предосторожности, чтобы вредные вещества не попали к соседям!).

Экологические требования

Точность задания режима по току или напряжению (в зависимости от процесса) способствует уменьшению выбросов вредных веществ. Например, при превышении оптимального значения плотности тока из гальванической ванны интенсивность выделения вредных веществ значительно увеличивается.

Современной тенденцией при нанесении защитного и декоративного покрытия является переход от хромирования к никелированию, что обусловлено необходимостью защиты окружающей среды, поскольку хром считается более вредным материалом. Распространенность хромирования связана с простотой получения прочного гальванического покрытия на прежнем технологическом уровне. Прочное покрытие никелем и его сплавами можно получить, используя технологию восстановления металла из ионных расплавов на основе карбамида. Данный процесс, как показали результаты исследований [2], чувствителен к напряжению на выходе выпрямителя. В зависимости от разницы потенциалов, осаждается либо чистый никель, либо сплав никеля, либо же никель или сплав никеля, загрязненный углеродом. Это требует высокой точности стабилизации напряжения. При данной технологии нанесения покрытия вольт-амперная характеристика гальванической ванны может иметь участок с отрицательным сопротивлением, что предъявляет повышенные требования к устойчивости работы выпрямителя.

Тиристорные выпрямители

Рис. 1. Тиристорный выпрямитель, выполненный по прямой схеме

На рисунке 1 показана схема несложного трехфазного тиристорного выпрямителя. Аббревиатура СИФУ на схеме означает «Система импульсно-фазового управления». Эта система осуществляет регулировку и стабилизацию напряжения. Данный выпрямитель построен по так называемой прямой схеме, не предусматривающей преобразования частоты переменного тока. Принцип работы тиристорных выпрямителей, построенных по такой схеме, основан на срезании части синусоиды в промежутках между определенными значениями фазы (углами отсечки). В результате на выход выпрямителя поступает лишь часть электроэнергии.

График выходного напряжения для тиристорного выпрямителя показан на рисунке 2. Проблема тиристорных выпрямителей для гальваники (как, впрочем, и в случае диодных выпрямителей, применявшихся ранее) заключается в том, что на выходе наблюдаются значительные пульсации напряжения, не менее 14%. Сгладить пульсации на выходе с помощью дросселя практически невозможно, поскольку в гальванике используются очень малые напряжения и высокие значения силы тока. При малой частоте пульсаций (300 Гц при питании от трехфазной сети с частотой 50 Гц) потребуется дроссель с большим количеством витков, а значит – и большим сопротивлением по постоянному току, что неприемлемо. На выходе тиристорных выпрямителей ставят только высокочастотные дроссели с небольшим количеством витков, подавляющие помехи, создаваемые другими устройствами.

Рис. 2. Напряжение на выходе выпрямителя (синий цвет) и ток на входе по одной из фаз тиристорного выпрямителя (зеленый цвет) без корректора мощности

Обратите внимание на форму потребляемого тока: она далека от синусоиды. Для получения приемлемого коэффициента мощности в выпрямителях, построенных по прямой схеме, используются громоздкие корректоры.

Недостатком тиристоров является их инерционность. При подаче управляющего импульса проводящая зона сначала образуется вблизи границы управляющего электрода и уже потом распространяется по площади структуры со скоростью 0,03…0,1 мм/с. За время коммутации происходит нагрев тиристора. При нагреве кристалла тиристора свыше 70°C возможно его самопроизвольное срабатывание без управляющего импульса. Поэтому тиристоры требуют эффективного теплоотвода. Из-за сложных охлаждающих систем тиристорные выпрямители для гальваники представляют собой, как правило, громоздкие устройства, выполненные в виде напольных шкафов (рисунок 3).

Рис. 3. Размещение тиристорных выпрямители для гальваники в шкафах

В то же время тиристорные выпрямители для гальваники имеют и некоторые преимущества. Технология давно и хорошо отработана, поэтому сервисное обслуживание таких устройств может осуществляться на месте любым специалистом, умеющим чинить блоки питания для промышленных применений.

Инверторные выпрямители

Обеспечить высокий коэффициент мощности, малый уровень пульсаций на выходе и высокий КПД преобразования можно, построив выпрямитель по инверторной схеме, показанной на рисунке 4. Поступающий на вход первичного выпрямителя электрический ток из сети выпрямляется и сглаживается. От полученного постоянного тока питается инвертор, дающий переменный ток значительно более высокой частоты, чем частота тока в сети. К инвертору подключен компактный высокочастотный трансформатор. Ток со вторичной обмотки трансформатора подается на вторичный выпрямитель, откуда, через сглаживающий дроссель – на выход устройства. Сгладить пульсации до уровня менее 3% на высоких частотах можно с помощью дросселя, имеющего малое количество витков. Управляя параметрами инвертора, можно стабилизировать на заданном уровне напряжение или силу тока на выходе, а также отрабатывать и более сложные программы, например, стабилизировать напряжение, пока сила тока не превысит заданного значения, после чего уменьшать напряжение, чтобы сила тока оставалась на заданном предельном уровне.

Рис. 4. Структурная схема типичного инверторного выпрямителя

До недавнего времени основной элементной базой при построении мощных инверторов были тиристоры. Инверторы на тиристорах могут работать на частотах не более 3 кГц. Повышение частоты, на которой работает тиристор, потребует дополнительного охлаждения по сравнению с частотой 50 Гц. В итоге инверторный выпрямитель получается еще более громоздким по сравнению с выпрямителем, выполненным по прямой схеме.

Особенностью тиристора по сравнению с другими силовыми полупроводниковыми приборами является то, что он включается по импульсу, подаваемому на управляющий электрод, а вот выключение происходит лишь в том случае, когда разница напряжений между анодом и катодом будет меньше определенной величины. В результате инверторы на тиристорах имеют узкий диапазон рабочих нагрузок. Для гальваники это неприемлемо, так как для повышения качества покрытия рекомендуется опускать изделие, на которое наносится покрытие, в гальваническую ванну уже под напряжением, что приводит к изменению нагрузки на выпрямитель в широких пределах.

Перечисленные проблемы привели к тому, что массово производимые модели тиристорных выпрямителей для гальваники строятся только по прямой схеме.

Применение IGBT

Рис. 5. Пример выпрямителя на IGBT, способного давать ток до 1500 А

Более перспективной элементной базой для инверторных выпрямителей являются IGBT. Вот их основные преимущества по сравнению с тиристорами:

• как минимум на порядок меньшее время перехода из состояния «закрыто» в состояние «открыто» и обратно;
• возможность создания мощных инверторов с рабочей частотой до 30 кГц;
• хорошая управляемость. Подача того или иного напряжения на затвор однозначно вызывает открытие или закрытие IGBT.

Быстрое переключение из одного состояния в другое уменьшает нагрев прибора. Высокая рабочая частота инвертора радикально уменьшает размеры трансформатора и дросселей, что позволяет создавать компактные выпрямители (рисунок 5). Наконец, хорошая управляемость позволяет создавать инверторы, устойчиво работающие при изменении нагрузки в широких пределах, что очень важно для гальваники. Малый размер выпрямителя упрощает его защиту от влаги и пыли, что позволяет расположить выпрямитель максимально близко к гальванической ванне. Тем самым более рационально используется площадь производственного цеха и снижаются затраты на шинопроводы.

Сравнение характеристик типичных выпрямителей российского производства на основе тиристоров и IGBT дано в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики отечественных выпрямителей для гальваники с питанием от трехфазной сети переменного тока 380 В

Наименование	HBA ТЕ1-800/24Т	IMP Gold UNIV-800A/12V	HBA ТВ1-1600/12Т	NEON ИПГ-12/1500-380
Элементная база	Тиристоры	IGBT	Тиристоры	IGBT
Тип охлаждения	Водяное	Принудительное воздушное	Водяное	Принудительное воздушное
Выходное напряжение, В	2,4…24	0…12	0…12	1…12
Выходной ток, А	80…800	0…800	160…1600	15…1500
КПД, не менее, %	78	87	78	88
Коэффициент мощности, не менее	0,85	Нет данных	0,85	0,86
Коэффициент пульсаций, %	Нет данных	2%	Нет данных	1
Степень защиты	Нет данных	IP32	Нет данных	IP54
Размеры, мм	1000x600x1740	470х410х450	1000x600x1740	720х510х670
Масса, кг	440	41,5	470	120

Обслуживание выпрямителей на IGBT сложнее, чем тиристорных. Но относительно малая масса выпрямителя позволяет организовать его доставку в сервисный центр.

Выбор IGBT для выпрямителя

Рассмотрим структурную схему инверторного выпрямителя, изображенную на рисунке 4. Первичный выпрямитель выполняется по схеме Ларионова, как по наиболее эффективной. Напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя рассчитывается по формуле 1:

где 380 В – линейное напряжение питания.

Для построения инверторного преобразователя будем использовать мостовую схему. Для нее нам потребуется 4 IGBT. Величины максимального напряжения, с которым может работать IGBT, образуют ряд фиксированных значений. С учетом всех необходимых запасов по напряжению выберем значение 1200 В.

Следует иметь в виду, что максимальная сила тока на выходе вторичного выпрямителя будет в единицы–десятки раз больше, чем сила тока, протекающего через IGBT, так как после инвертора стоит понижающий трансформатор.

Поскольку гальваника является узкоспециализированной сферой деятельности, производители IGBT не всегда дают конкретные рекомендации, что из их ассортимента может быть использовано для данного применения. Тем не менее, режим работы IGBT в выпрямителе для гальваники примерно такой же, как и в инверторном сварочном аппарате: большая мощность, малое напряжение, большой ток, изменение параметров нагрузки. Из этого следует вывод, что если производитель в своем ассортименте не выделяет отдельно продукцию для гальваники, то выбирать надо наиболее быстродействующие IGBT, предназначенные для сварочных аппаратов.

Рассмотрим IGBT-модули в качестве основы для построения инверторного преобразователя. Потери при переключении IGBT возрастают при росте температуры кристалла. При перегрузке IGBT-модуль нагревается и потери еще более возрастают. Для предотвращения выхода выпрямителя из строя на IGBT-модули устанавливают датчики температуры (во многие модули они уже встроены). При превышении определенного значения температуры выпрямитель выключается до полного охлаждения. Находящаяся же в это время в гальванической ванне деталь, как правило, идет в брак.

С точки зрения надежности оптимальным вариантом для гальваники являются IGBT-модули производства компании Infineon Technologies, основанные на технологии IGBT4. Уникальной особенностью IGBT, используемых в этих модулях, является нормирование потерь переключении при максимально допустимой температуре кристалла 150°C. Это позволяет рассчитать систему охлаждения таким образом, чтобы практически полностью исключить аварийное отключение выпрямителя из-за перегрева элементов инвертора.

Другими преимуществами, специфичными для серии IGBT4, являются высокое быстродействие и малые потери при коммутации. Этого удалось добиться благодаря применению фирменной технологии TrenchStop. У такого транзистора дрейфовая N-зона выполняется в основной пластине, имеющей требуемую толщину и уровень легирования, а тонкие буферный слой N+, нижний эмиттер P+ и верхняя MOSFET-структура реализуются локальным легированием с точно выдержанными оптимальными параметрами. Такая структура стала возможной благодаря новым технологическим решениям, позволившим работать с пластинами кремния толщиной в несколько раз меньше, чем толщина стандартных подложек [3]. К тому же, применение легирования вместо эпитаксиального наращивания снизило технологический разброс, что и позволило нормировать параметры на повышенной температуре.

Рис. 6. Корпус EconoDual 3 обеспечивает повышенную теплопроводность

В рамках серии IGBT4 наибольшее быстродействие имеет модификация E4. Кстати, она рекомендована производителем для сварочных аппаратов, то есть ее можно использовать и в выпрямителях для гальваники. Предпочтительно использование варианта в корпусе EconoDUAL 3 (рисунок 6), так как он имеет улучшенную теплоотдачу и встроенный датчик температуры, что повышает надежность системы. Кроме этого, данный корпус имеет низкую паразитную индуктивность элементов, что важно для мощного инвертора.

Нередко конструкторы выпрямителей для гальваники применяют дискретные IGBT-транзисторы, и тому есть объективные причины: простота трассировки платы, возможность использования старых производственных линий, снижение стоимости ремонта при выходе из строя только одного транзистора. Для таких случаев компания Infineon предлагает серию быстродействующих дискретных IGBT-транзисторов с технологией TrenchStop в широкой номенклатуре корпусов: от стандартных SMD-корпусов DPAK и D2PAK до выводных TO-220 и TO-247 c тремя и четырьмя выводами.

Заключение

Инверторная схема построения выпрямителей для гальваники позволяет повысить стабильность параметров, расширить диапазон регулировки, уменьшить пульсацию, добавить новые функции. Все это позволяет улучшить качество нанесения покрытия, а также создать гибкие производства, которые можно быстро перенастроить под запросы заказчика. Но реализовать преимущества инверторной схемы, не увеличивая, а, наоборот, уменьшая размеры и массу аппаратуры можно только если использовать вместо тиристоров дискретные IGBT или IGBT-модули.

IGBT производства компании Infineon Technologies обладают высоким быстродействием, малым уровнем потерь при переключении, а их параметры нормируются на максимальной температуре 150°C. Применительно к выпрямителям для гальваники данные преимущества позволяют повысить КПД и надежность. В конечном счете это должно повысить рентабельность производств, где такие выпрямители будут использоваться.

Источник