[關(guān)鍵詞]： 電鍍用定脈寬開(kāi)關(guān)電源 低紋波整流電源
1 前言
電鍍產(chǎn)品的質(zhì)量除了與電鍍工藝、添加劑、工人操作水平等有關(guān)外，還與電鍍?cè)O(shè)備有相當(dāng)重要關(guān)系。最基本的電鍍?cè)O(shè)備----電鍍電源，其整流器方式與直流脈動(dòng)大小對(duì)某些鍍種有著十分重要的影響。
直流電源波形對(duì)電鍍質(zhì)量有突出的影響，例如：高頻率定脈寬高頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流脈沖電源電鍍時(shí)會(huì)產(chǎn)生特殊效應(yīng)，這也是普通直流電源電鍍無(wú)法達(dá)到的效果，有些現(xiàn)象還不能用常規(guī)電化學(xué)理論來(lái)加以解釋。而直流波形對(duì)電鍍沉積的影響目前還難以從理論上進(jìn)行預(yù)測(cè)，只能通過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)作相對(duì)比較，篩選出適宜的波形。
本文僅就定脈寬高頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流脈沖電源和低紋波系數(shù)整流電源在電鍍行業(yè)中的應(yīng)用所取得的一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)加以介紹，以期讓電鍍界同仁在選擇整流電源、解決電鍍故障、提高電鍍質(zhì)量方面引起足夠重視。
2 低紋波整流電源
從三相四線(xiàn)交流供電通過(guò)各種整流器獲得的是脈動(dòng)直流電，不是純直流，或多或少地含有交流成分。為了比較脈動(dòng)成份的多少，可用紋波系數(shù)來(lái)表示，其含義為交流成份在直流成分中占的百分比，其數(shù)值越小，交流成份越少，越接近純直流。
目前，低紋波系數(shù)整流電源中輸出紋波系數(shù)的大小尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，一般認(rèn)為紋波系數(shù)小于5%的整流電源可稱(chēng)為低紋波電源。
3 獲得低紋波的途徑
整流器輸出直流的紋波大小與整流程式有關(guān)，而要獲得低紋波輸出，則必須采用濾波或其它特殊措施。
3.1 普通硅整流器
采用調(diào)壓器調(diào)壓，50~60hz工頻變壓器降壓的普通硅整流器，其紋波系數(shù)都較大，其由大到小的次序?yàn)椋簡(jiǎn)蜗虬氩ㄕ鳗儐蜗嗳?雙半波或橋式)整流﹥?nèi)喟氩ㄕ鳗內(nèi)嗳蚴秸骰驇胶怆娍蛊鞯牧嚯p反星形整流。
硅整流器一般未采用濾波措施，除用調(diào)壓器調(diào)壓帶平衡電抗器的六相雙反星形硅整流器外，大都不可能獲得低紋波直流。因此，普通硅整流器不太可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，且穩(wěn)定性差，電鍍質(zhì)量很難控制和提高。
3.2 普通可控硅整流器
利用改變可控硅管導(dǎo)通角來(lái)調(diào)整輸出平均直流大小的普通可控硅整流器，可控硅管輸出的是間斷脈沖波，其紋波系數(shù)的影響因素較多：
(1) 可控硅的導(dǎo)通角越小，紋波越大;當(dāng)可控硅全導(dǎo)通時(shí)，輸出波形與硅整流器相同。換言之，整流器的負(fù)荷率越低(大馬拉小車(chē))，其輸出紋波系數(shù)越大。
(2) 整流方式影響輸出紋波，其規(guī)律與硅整流器一致，而相同整流方式的可控硅整流器比硅整流器紋波要大。
(3) 整流相數(shù)越多，紋波系數(shù)越小。為此，便出現(xiàn)了不少十二相整流的可控硅整流器，相對(duì)紋波系數(shù)就越小。
3.3 濾波
利用電容、電感貯能元件進(jìn)行濾波，是將脈動(dòng)直流轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為平滑的直流的常用措施。
電容濾波，對(duì)工頻整流只適合于非常小功率的整流電源。例如輸出10a的單相全波整流器，要達(dá)到低紋波輸出，其濾波電容要達(dá)0.1f以上。隨著頻率的提高，所需電容量減小。高頻開(kāi)關(guān)電源其頻率已達(dá)音頻，因而易采用電容濾波實(shí)現(xiàn)低紋波輸出。具有穩(wěn)流穩(wěn)壓功能的高頻開(kāi)關(guān)定脈寬穩(wěn)壓/穩(wěn)流脈沖電源電源，其輸出紋波都較小，但有一類(lèi)高頻開(kāi)關(guān)電源其調(diào)壓方式類(lèi)似可控硅整流器，不具穩(wěn)流功能，其紋波則大。
采用三相五柱芯六相或十二相整流的可控硅整流器，再采用電感(平波電抗器)濾波，也能獲得低紋波或超低紋波輸出。與穩(wěn)流穩(wěn)壓的高頻開(kāi)關(guān)電源相比，也具有一定的優(yōu)越性。例如：不采用積木式并聯(lián)輸出即可制成大功率整流器，對(duì)元器件的要求相對(duì)較低，控制線(xiàn)路較為簡(jiǎn)單，維護(hù)維修較易，相對(duì)售價(jià)較低，因而也受到人們的歡迎。
3.4 特殊措施
當(dāng)生產(chǎn)工藝需要低紋波直流輸出時(shí)，相應(yīng)試驗(yàn)(例如赫爾槽試驗(yàn))用電源，也應(yīng)當(dāng)采用定寬高頻穩(wěn)壓穩(wěn)流脈沖電源和低紋波直流電源。
大容量電容濾波，在開(kāi)機(jī)瞬間，由于電容充電量大，會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，易損壞整流元件。對(duì)于工藝試驗(yàn)而又要求低紋波輸出的單相小整流器，可采用特殊方法來(lái)獲得低紋波直流輸出。例如：
(1) 采用電容電感的π形濾波，但體積與重量較大，大電流輸出。
(2) 采用適量電容濾波，用普通雙極性大功率三極管，利用直流負(fù)反饋環(huán)節(jié)獲得低紋波輸出;但輸出電流不易做大，一般在50a/48v輸出以下。
(3) 電容濾波后利用具有恒流特性的低壓大功率場(chǎng)效應(yīng)管(vmos管)調(diào)整直流輸出，此法較為廉價(jià)且簡(jiǎn)單，一般在100a/24v輸出以下。
(4)定脈寬高頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流脈沖電源，貴金屬電鍍用較好，1500a/48v輸出以下。
4 采用低紋波電源的電鍍工藝
4.1 鍍鉻
鍍鉻必須采用低紋波直流電源，否則光亮范圍窄，鍍層易發(fā)花、發(fā)灰，這一點(diǎn)已為不少人認(rèn)同，但實(shí)踐中仍有因?qū)ζ湔J(rèn)識(shí)不足，往往由于紋波系數(shù)過(guò)大影響套鉻質(zhì)量而束手無(wú)策的事時(shí)有發(fā)生。
例1 某廠小件鍍裝飾鉻，覆蓋能力非常差，反復(fù)調(diào)整鍍液中硫酸與鉻酐的比值，仍無(wú)效。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)，采用1000a老式可控硅整流器且平均電流僅200a左右，負(fù)荷率很低，顯然輸出紋波系數(shù)太大。為驗(yàn)證系電源問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)在電流電路中串接一只大功率調(diào)壓器線(xiàn)包作電感濾波，在輸出電壓低時(shí)，幾乎無(wú)直流輸出。臨時(shí)換接一臺(tái)雙反星形輸出的硅整流器，鍍鉻即轉(zhuǎn)為正常。
例2 某廠鍍鉻上午生產(chǎn)正常，下午即出現(xiàn)裝飾鉻局部發(fā)灰，無(wú)法生產(chǎn)，懷疑鍍液故障，反復(fù)加硫酸、碳酸鋇調(diào)整一兩天，均無(wú)法解決。分析原因，鍍液成分不可能突變，懷疑硅整流管有損壞造成波形殘缺而增大紋波。用鉗形電流表測(cè)定各整流管電流，發(fā)現(xiàn)斷路2支，更換新管后，故障消除。
例3 鍍鉻很少有人作赫爾槽試驗(yàn)。當(dāng)年在某地推廣cs稀土鍍鉻時(shí)，提供樣品作小試。有的單位在實(shí)驗(yàn)室用單相小整流器作赫爾槽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)光亮范圍并不寬而持否定態(tài)度。筆者認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)電源紋波系數(shù)太大造成，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了用vmos管控制的恒流試驗(yàn)電源，再作試驗(yàn)，證明稀土鍍鉻的確具有寬的光亮電流密度范圍，體現(xiàn)了“三高一低”的優(yōu)點(diǎn)。
鍍鉻不允許中途斷電，否則鍍層立即發(fā)灰，其原因是鉻為極易鈍化的金屬，在斷電瞬間，已經(jīng)鈍化，再通電后在鈍化的鉻上沉積的第二層鉻即為灰色。輸出紋波系數(shù)過(guò)大時(shí)，脈動(dòng)部分的低谷處，也易造成鉻層或亮鎳層鈍化或者不能使已局部鈍化處活化(特別是低電流密度部位)。當(dāng)亮鎳鍍液中糖精、含硫的低區(qū)走位劑過(guò)多時(shí)，鎳層更易鈍化，高紋波直流的活化作用差，亮鎳上套鉻時(shí)未活化部分會(huì)沉積不上鉻，或者使鉻層發(fā)灰、發(fā)黃、起彩(三價(jià)鉻不當(dāng)時(shí)更易導(dǎo)致低電流密度區(qū)起彩)。
鍍微裂紋硬鉻，輸出紋波過(guò)大時(shí)，裂紋不細(xì)密且分布不均勻。
4.2 光亮酸性鍍銅
一般情況下，光亮鍍銅都有一個(gè)規(guī)律：從赫爾槽試片上看，陰極電流密度越大的地方，鍍層光亮整平性越好;電流密度越低，光亮整平性越差。試圖擴(kuò)展低電流密度區(qū)光亮范圍，始終是電鍍工作者不斷追求的目標(biāo)。這就要從光亮劑、工藝配方與工藝條件、設(shè)備等多方面入手?？梢哉J(rèn)為，光亮酸性鍍銅是迄今光亮整平性鍍種之一。但在實(shí)踐中，采用同樣的配方、工藝條件，使用相同的光亮劑，得到的光亮整平性與光亮范圍，卻可能出現(xiàn)較大差異。究其原因，與所用直流電源輸出紋波系數(shù)大小有很大關(guān)系。具有關(guān)資料，二十多年前，國(guó)內(nèi)在開(kāi)發(fā)mn系列光亮酸性鍍銅添加劑時(shí)，即對(duì)采用不同整流程式的，也即具有不同紋波系數(shù)的直流電源所得鍍層光亮范圍作過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)，結(jié)論很明確：輸出紋波系數(shù)越小，鍍層光亮整平性越好，光亮電流密度范圍越寬。事實(shí)上，紋波小時(shí)，光亮劑的用量也會(huì)越小。遺憾的是，時(shí)至今日，問(wèn)及許多電鍍廠點(diǎn)工藝技術(shù)人員，對(duì)此都感到陌生，并未引起重視。為此次提醒在光亮酸性鍍銅時(shí)，一定要采用定脈寬高頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流脈沖電源和低紋波系數(shù)直流電源，不可隨便選用電鍍用整流器。
另一方面，對(duì)這種現(xiàn)象的機(jī)理缺乏研究。推測(cè)光亮劑的吸附需要相對(duì)平穩(wěn)的電極電位，即電極電位越平穩(wěn)，光亮劑的吸附性越好，特別在低電流密度區(qū)，即陰極過(guò)電位低的地方，脈動(dòng)直流產(chǎn)生的諧波更會(huì)降低光亮劑的吸附效果。另一個(gè)事實(shí)是，在直流電鍍時(shí)有效的添加劑，在脈沖電鍍時(shí)就不一定湊效或效能降低。因而脈沖電鍍的重要課題之一是開(kāi)發(fā)相應(yīng)波形下的專(zhuān)用添加劑。
4.3 半光亮和光亮鍍鎳
通常情況下，光亮鍍鎳對(duì)整流輸出紋波系數(shù)要求沒(méi)有鍍鉻和光亮酸性鍍銅那樣高，但也確實(shí)需要采用普通低紋波輸出直流電源，才能確保光亮鍍鎳層質(zhì)量，且能保證后續(xù)套鉻的質(zhì)量。有好多單位在做精品裝飾鍍時(shí)，都不同程度地出現(xiàn)過(guò)鍍亮鎳層時(shí)由電源引發(fā)質(zhì)量問(wèn)題的事例。原先使用的都是調(diào)壓器式六相雙反星形帶平衡電抗器的老式硅整流器，質(zhì)量還可以，因老式機(jī)器操作控制比較麻煩、穩(wěn)定性較差，后改用12v普通可控硅整流器，大電流使用時(shí)效果還可以，但在小電流輸出時(shí)就很不理想，鍍層出現(xiàn)發(fā)花、發(fā)灰等鈍化現(xiàn)象，使用18v普通可控硅電源，效果更差，致使后續(xù)套鉻頻頻出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，要指出的是，套鉻電源沒(méi)有問(wèn)題。開(kāi)始時(shí)只是在鍍鎳液和光亮劑上找原因，做試驗(yàn)，一直不得其解，最后查到是否是電源引起，換用定脈寬高頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流脈沖電源，問(wèn)題一下子就解決了，效果一直很好，后續(xù)鍍鉻也一直不再發(fā)生類(lèi)似質(zhì)量問(wèn)題。這里有二點(diǎn)需要特別予以重視，，仍然是普通可控硅電源額定輸出電壓電流與實(shí)際使用之間不能相差太大，致使輸出紋波太大。使用定脈寬高頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流脈沖電源和低紋波輸出電源就不會(huì)出現(xiàn)以上問(wèn)題。
4.4 硫酸鹽光亮酸性鍍錫
硫酸鹽光亮酸性鍍錫本身就是不易鍍好的鍍種，其原因是大生產(chǎn)中易引入雜質(zhì)且不好處理(包括四價(jià)錫離子)、允許溫度范圍窄，目前光亮劑多數(shù)不理想，可供選擇的中間體遠(yuǎn)不如鍍亮鎳的多，因而鍍層光亮范圍很不易調(diào)寬。
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