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电镀要用到不少电器设备，对其一无所知是不行的。本讲只介绍必不可少的直流电源，但也涉及一些基本知识。电源是电镀最主要的设备。除用得很少的铝件交流氧化直接用可调低压交流电外，其他电镀工艺基本上都采用直流电源。正确选择并用好直流电源是电镀的起码要求。
1、与直流电源相关的基本概念 1.1电源 电源是将其他形式能量转换成电能的装置。如发电机将机械能转换为电能，电池或蓄电池将化学能转换为电能，光电池将光能转换为电能。电镀用直流电源并非真正意义的电源，而是指提供电镀所需直流电流的装置。 1.2电流 在电源作用下，导体中电荷的定向运动会形成电流。在固体导体(称为第一类导体)中，原先处于无规则运动的自由电子在电源作用下从低电位处向高电位处作定向运动，形成电流。在电解质溶液或熔融电解质(称为第二类导体)中，正负离子在电源作用下作定向运动。很早以前，人们以为电流是正电荷的定向运动，因而将电流的方向规定为正电荷运动的方向。后认识到，在第一类导体中实际上是带负电荷的电子在作定向运动。但这一规定没有更改，故必须明确： 电子运动方向与电流方向刚好相反。电镀电路中，电镀液是第二类导体，而外电路则是第一类导体，两类导体与直流电源共同组成电流的闭合回路。在外电路中，直流电源产生的电场力作用不断地将电子强行从阳极抽走，通过电源送到阴极。直流电源的电压越高，产生的电场力越大，对电子的“抽速”越大，因而电流越大。在第二类导体(电镀液)中，正离子从阳极向阴极流动，而负离子从阴极向阳极运动。 1.3直流电与交流电 大小和方向都不变的电流称为直流电，简称直流；大小和方向按一定规律交替变化的电流称为交变电流，简称交流。严格意义上的直流电波形应为一条与时间坐标轴平行的直线(见图1)，即指纯直流电。只有电池或蓄电池能提供出这种纯直流。电镀电源提供的直流电达不到纯直流水平，其中总有些大小变化的成分，实际上只保证电流方向不变化。电网供应的市电则是大小与方向按数学上正弦规律交替变化的交流电。这一变化规律由交流发电机的构造所决定。
纯直流电不能由变压器来改变电压的大小，即它不过变压器。只有交流电才可以通过变压器来改变电压的大小。在供电系统中，先用变压器将交流发电发出的电压提升为高压电(10万伏以上)进行输电，在供给用户使用前，再用变压器将电压降低为规定值供用户使用。之所以采用高压输电，是因为输送同样多的电功率时，电压越高，电流越小。在输电线路电阻一定的情况下，输电线路上的发热损耗按电流大小的平方成比例下降，即输电电压越高，电流越小，输电线路上的热损失越小。 1.4整流 将交流电转换为直流电的过程叫整流。整流是利用半导体的单向导电作用来完成的。在整流时，采用不同结构的变压器及不同形式的半导体元件组合方式，可以有不同的整流程式。对单相交流电整流的，称为单相整流器，它可以是半波整流、全波整流或桥式整流；对三相交流电整流的，称为三相整流器，它可以是三相半波、三相全波、三相桥式、六相半波、带平衡电抗器的六相双向反星形整流、五柱芯变压器的十二相整流，等等。不同整流程式整流出来的直流波形不一样，对整流半导体元件的要求不一样，整流效率也不一样(整流过程中的功率损失不一样)。 在变压器的输入端(原边)进行整流后，再变成低压直流的，称为原边整流。先将电压经变压器降压后，在变压器降压后的输出端(付边)再整流的，称为付边整流。原边高压整流时，半导体元件承受的电流小，但要求整流元件耐压高；付边整流则刚好相反。 1.5调压 调整输出直流电压大小的过程叫调压。对于市电输入电压，可以通过自耦式调压器(接触式带碳刷的)或感应式调压器连续调压来改变交流变压器原边电压来调压，也可以通过改变低压直流波形来改变输出平电压的方法来调压。 1.6直流纹波系数 由于整流后的直流电不可能是纯直流，其中总存在交流成分，为了比较直流中交流成分的多少，引进“直流纹波系数”的概念。它是指非纯直流的直流中交流成分占总直流的百分比。纹波系数越小，交流成分越少。一般将纹波系数小于5%的直流称为低纹波直流。 1.7滤波 将非纯直流电中的交流成分去掉或转化为直流成分，从而降低直流纹波系数的过程称为滤波。在直流电输出的正、负极间并接大容量电容器的方法叫电容滤波。单纯的电容滤波只适于功率很小的整流电源。在输出直流电路中串接一个大电感量的电感器(又叫平波电抗器)进行滤波，则称为电感滤波。大电流必须采用电感滤波才行。若在电感器的输入与输出两端均再采用电容滤波，则成为π型滤波，其效果更好。 1.8整流效率 整流器中存在的许多发热器件及耗能器件，会消耗部分输入的交流功率，使直流输出功率小于交流输入功率。整流效率则是输出直流功率与输入交流功率之比(以百分数表示)。整流效率小于100%，其值越大，说明整流器自身耗电越少，性能越好。 由于整流器内器件的发热，不但耗电、降低整流效率，而且器件温升过大时易损坏或缩短使用寿命，因此要对整流器采用降温措施，如风冷、水冷、油冷、油浸加水冷等。风冷较为简单，但风扇不断鼓入或吸入电镀车间的腐蚀性空气，易腐蚀整流器的元器件，障率高。水冷或油浸加水冷可做到整流器全密封而具有好的防腐能力，且比风冷效果好，宜提倡。但要接进水和出水。出水可用于电镀清洗水或收集冷却后循环使用。 1.9平均电压与平均电流 将不同输出波形的导电部分面积加起来再作平均计算，则得到平均电压或平均电流。整流器电压表或电流表反映的都是平均值。某一时刻的实际电压只能用示波器进行测定。 1.10有效值 实际起作用的是电流的有效值。有效值不好测定，特定波型的可以计算。一般只能凭电镀效果来判断有值在平均值中所占的比例。譬如，可控硅整流后不经滤波，输出的是切割正弦波。此时，输出平均电流越小，则有效值与平均值的比值越大。对于相同峰值电流的方波脉冲电流而言，方波的占空比(见7.2.1)越小，有效值与平均值之比越大。 2、电镀直流电源的发展历程 一般认为电镀用直流电源的发展经历了5个阶段，或称五代。 2.1直流发电机组 直流发电机组是最早应用的电镀直流电源。它是由交流电动机带动直流发电机来发出低压直流电的。优点是直流纹波系数较小，结构简单，过载能力强，不易损坏。缺点是电能转化效率低，为高耗能设备(特是“大马拉小车”时)，占地面积大，是国家早已明令取缔的设备。但至今仍有极少数电镀厂用其在近满负荷运行下镀硬铬。 2.2非硅半导体整流器 在大功率硅半导体二极管问世前，曾采用半导体氧化铜、硒片作整流元件，其体积庞大，在20世纪70年代还有应用，现已完全被淘汰。 2.3硅整流器 硅整流器利用接触式或感应式调压器调整变压器原边电压，付边再用大功率硅二极管低压整流成直流输出。其调压器与变压器在50~60Hz工频下工作，大，故整流效率低。但其结构简单，无繁杂的电子控制系统，一般电工均能维修，故小型企业、个体户目前仍有应用。 2.4可控硅整流器 可控硅(又称晶闸管)，是一种三端四层硅半导体器件，比硅二极管多了一个控制极。与硅二极管不同的是，当其处于正向运行状态时还不能导通，必须对其控制极输入一触发脉冲信号后才导通。去除触发脉冲后仍继续导通，直到交流电近零伏电压时才关断。关断后又待下一个触发脉冲到来且处于正向工作状态才再度导通。改变通入触发脉冲的时刻即可控制其导通时间的长短(改变其导通角)，从而形成正弦切割波，由此调整平均电流大小。与硅整流器相比，它甩掉了调压器。但变压器仍存在较大损耗(铁损和铜损)，不经滤波时直流纹波系数大，而电感滤波又需体积庞大的硅钢片平波电抗器，用铜量大。 可控硅整流器也处在不断发展之中。早期是用晶体管分立元件制作触发控制与同步控制器，用低压大流可控硅管作付边调压。后来采用了耐高压的可控硅作原边调压，控制部分采用了集成电路，并赋予过压、过热、过流等电子保护功能及稳压、稳流选择等功能。为降低直流纹波系数，三相整流在变压器上作了改进，出现五柱芯十二相整流等整流程式，使滤波器体积减小，可作出纹波系数小于5%的低纹波直流输出，整流效率也可提高到95%。由于新型可控硅整流器的控制部分不用易损的大功率器件，且同一厂家生产的控制板可通用，互换性好，因而其可靠性、可维修性比高频开关电源好，故障率较低。所以，尽管其因用铜、用铁量大而造价比高频开关电源高许多，某些要求电源可靠性高的电镀厂(特别是采用自动线连生产的)仍乐于采用可控硅整流器，其所占的市场份额还相当大。 2.5高频开关电源 高频开关电源被称为第五代新型节能直流电源，有必要对其作较全面介绍，详见第7部分的讨论。 3、常用直流电流的波形 纯直流难以获得，纹波系数越小的直流越接近于纯直流。 尽管可以制出多种波型的直流电源，但诸如锯齿波、三角波、交直流叠加等波形在大生产中应用较少，只在某些特殊工艺的研究中偶有应用。图1示出了大生产常用的直流波形。为清晰起见，未画出三相整流的波形。 3.1单相(或三相)半波整流 将如图1a所示的单相正弦交流的负半波去掉，则成为如图1b所示的单相半波直流，其正半波仍按正弦规律变化。 3.2单相(或三相)全波整流 将如图1a所示的单相正弦波通过单相全波或桥式整流，把负半波翻上去加以利用，则成为单相全波直流，如图1c所示。 3.3单相(或三相)可控硅整流 利用可控硅改变其导通时刻，可改变正弦波切割的时刻，从而改变平均电流。图1d示出了单相全波可控硅整流改变导通角后的切割正弦波波形。 3.5周期换向 周期换向是指直流电有周期性地颠倒输出。在反向期间，工件作为阳极，结晶粗糙之处发生阳极溶解，从而对镀层起到光亮整平作用。例如，氰化镀铜以硫氰酸钾加铅盐作光亮剂时，正向15~25s，反向5s，能得到较光亮镀层。一些无氰碱铜工艺也用周期换向电流。但要对大电流直流换向，整流器的制作成本很高。 3.6间隙电镀 将周期换向的负半周去掉，则成为间隙电镀。在间歇期间，阴极界面液层中消耗的组分得以及时补充，扩大允许阴极电流密度，而且还有其他优点。例如，氰化镀铜与HEDP镀无氰碱铜时，采用通电10s、断1~2s的间隙镀，能大大提高抗杂质干扰能力，扩大半光亮区的范围。对可控硅整流器及高频开关电源控制部分稍加改造，即可获得间歇电流，附加成本 很低(可将间歇电镀视为超低频的、频率与占空比固定的方波脉冲镀)。 4、不同电镀工艺对直流波形的要求及影响 这是电镀工作者应具备的基本知识。举例如下： 【例1】镀锌、镀镍对直流波形无严格要求，但镀锌(特别是滚镀锌)时，低纹波直流能减少镀液升温，低添加剂的消耗，效果更好一些。 【例2】装饰性套铬必须用纹波系数小于5%的低纹波直流，并且不允许有波形残缺(如三相缺相、整流管损坏等)，否则因铬太易钝化，在高纹波直流的波谷可能局部钝化，而导致镀铬层起黄斑、白斑，出现深镀能力大大下降等问题。简单件镀硬铬，可用未经滤波的高频开关电源，但频率宜高些；复杂模具镀硬铬，最好采用低纹波直流。 【例3】硫酸盐光亮酸性镀铜要采用低纹波直流。对于任何光亮性电镀，如何扩展低电流密度区的光亮整平性及光亮范围，始终是添加剂研制、工艺研究与维护的重点和难点，不能顾此失彼。笔者非常赞赏20世纪70年代无氰低铬电镀攻关时对工艺、设备、材料等研究的深入性和全面性。当年国内在推出M、N、SP、P体系光亮酸铜工艺时，工作很细，其中对采用不同波形直流的影响也作过系统试验。结论很明确：直流纹系数越小，低电流密度区镀层光亮整平性越好，光亮范围越宽。现在一些人见效果不好，只知道怪光亮剂不行，却不愿从包括电源在内的设备影响上动动脑筋。 【例4】合金电镀时，若电流密度对合金比例的影大，低纹波直流更易保持合金比例的一致性。 【例5】业已证明：对于氰化镀铜、焦磷酸盐镀铜一些无氰碱铜工艺，低纹波直流所得电镀层的光亮性反而比高纹波系数的差。如焦磷酸盐镀铜，单相全的比三相全波的效果更好。 【例6】对于硫酸盐光亮镀锡，有两种截然相反的结果：一些工艺采用低纹波直流的效果好，而另一些艺在赫尔槽试验中用单相全波硅整流器时试片光亮性好，低区发灰雾范围更窄。这可能与所用光亮剂中面活性剂、主光剂、稳定剂等物质的种类、含量、质量等有关。一切以试验结果为准。 不同工艺对直流波形的要求不一样，在新工艺研制时就应试验其最佳波形，在选择电源时也应具备这方面知识。 其他影响： (1)直流谐波的影响。理论与实践均证明，任何非正弦波的高纹波系数直流，均可分解出许多“谐波”。例如，方波电流可以按数学上的傅立叶级数分解为正弦基波与3次、5次、 7次等无穷多个奇次谐波。谐波不但会污染供电电源，而且3次、5次谐波是过零的、具有反向的正弦波。谐波在电镀液中会增加镀液的发热量及汇流铜排的发热量(对供电电网的不良影响见7.3.5)。 (2)波形对直流有效值的影响。当初刚以未经滤波的可控硅整流器取代硅整流器，生产中发现，同样多的同种工件，在镀镍时开同样大的平均电流，原来镀层并不烧焦，换用可控硅整流器时却会烧焦，只好减小平均电流。原因是可控硅整流器输出的是切割正弦的间断波，纹波系数大，有效值比平均值高，而起作用的是有效值(输出平均电流小，波形越差，有效值与平均值的比值越大)。 对于方波脉冲，计算公式如下： 电流平均值=峰值电流×占空比 电流有效值=峰值电流2×占空比 例如，峰值电流为800A、占空比为25%时，算出平均电流为200A，而电流有效值为400A。 电流有效值远大于平均值时，至少带来两个问题：(1)镀液发热量加大，这对氯化物镀锌、锌酸盐镀锌、硫酸盐光亮酸性镀铜与镀锡均十分不利；(2)外电路汇计应以有效值400A为准，而不能以平均电流200A为准。有一实例：某电镀厂原用硅整流器时铜排发热不明显，后改为高频开关电源后铜排却严重发热，不知究竟。后对高频开关电源加装电感滤波器，输出为低纹波时，汇流排发热又不明显了。所以，低纹波直流在多数情况下对电镀是有利的。 责任编辑：郑必佳 |
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