電鍍要用到不少電器設(shè)備，對其一無所知是不行的。本講只介紹必不可少的直流電源，但也涉及一些基本知識。電源是電鍍最主要的設(shè)備。除用得很少的鋁件交流氧化直接用可調(diào)低壓交流電外，其他電鍍工藝基本上都采用直流電源。正確選擇并用好直流電源是電鍍的起碼要求。

    1、與直流電源相關(guān)的基本概念

    1.1電源

    電源是將其他形式能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置。如發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，電池或蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，光電池將光能轉(zhuǎn)換為電能。電鍍用直流電源并非真正意義的電源，而是指提供電鍍所需直流電流的裝置。

    1.2電流

    在電源作用下，導(dǎo)體中電荷的定向運動會形成電流。在固體導(dǎo)體(稱為第一類導(dǎo)體)中，原先處于無規(guī)則運動的自由電子在電源作用下從低電位處向高電位處作定向運動，形成電流。在電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)(稱為第二類導(dǎo)體)中，正負離子在電源作用下作定向運動。很早以前，人們以為電流是正電荷的定向運動，因而將電流的方向規(guī)定為正電荷運動的方向。后認識到，在第一類導(dǎo)體中實際上是帶負電荷的電子在作定向運動。但這一規(guī)定沒有更改，故必須明確：

    電子運動方向與電流方向剛好相反。電鍍電路中，電鍍液是第二類導(dǎo)體，而外電路則是第一類導(dǎo)體，兩類導(dǎo)體與直流電源共同組成電流的閉合回路。在外電路中，直流電源產(chǎn)生的電場力作用不斷地將電子強行從陽極抽走，通過電源送到陰極。直流電源的電壓越高，產(chǎn)生的電場力越大，對電子的“抽速”越大，因而電流越大。在第二類導(dǎo)體(電鍍液)中，正離子從陽極向陰極流動，而負離子從陰極向陽極運動。

    1.3直流電與交流電

    大小和方向都不變的電流稱為直流電，簡稱直流；大小和方向按一定規(guī)律交替變化的電流稱為交變電流，簡稱交流。嚴格意義上的直流電波形應(yīng)為一條與時間坐標軸平行的直線(見圖1)，即指純直流電。只有電池或蓄電池能提供出這種純直流。電鍍電源提供的直流電達不到純直流水平，其中總有些大小變化的成分，實際上只保證電流方向不變化。電網(wǎng)供應(yīng)的市電則是大小與方向按數(shù)學(xué)上正弦規(guī)律交替變化的交流電。這一變化規(guī)律由交流發(fā)電機的構(gòu)造所決定。

    純直流電不能由變壓器來改變電壓的大小，即它不過變壓器。只有交流電才可以通過變壓器來改變電壓的大小。在供電系統(tǒng)中，先用變壓器將交流發(fā)電發(fā)出的電壓提升為高壓電(10萬伏以上)進行輸電，在供給用戶使用前，再用變壓器將電壓降低為規(guī)定值供用戶使用。之所以采用高壓輸電，是因為輸送同樣多的電功率時，電壓越高，電流越小。在輸電線路電阻一定的情況下，輸電線路上的發(fā)熱損耗按電流大小的平方成比例下降，即輸電電壓越高，電流越小，輸電線路上的熱損失越小。

    1.4整流

    將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過程叫整流。整流是利用半導(dǎo)體的單向?qū)щ娮饔脕硗瓿傻摹Ｔ谡鲿r，采用不同結(jié)構(gòu)的變壓器及不同形式的半導(dǎo)體元件組合方式，可以有不同的整流程式。對單相交流電整流的，稱為單相整流器，它可以是半波整流、全波整流或橋式整流；對三相交流電整流的，稱為三相整流器，它可以是三相半波、三相全波、三相橋式、六相半波、帶平衡電抗器的六相雙向反星形整流、五柱芯變壓器的十二相整流，等等。不同整流程式整流出來的直流波形不一樣，對整流半導(dǎo)體元件的要求不一樣，整流效率也不一樣(整流過程中的功率損失不一樣)。

    在變壓器的輸入端(原邊)進行整流后，再變成低壓直流的，稱為原邊整流。先將電壓經(jīng)變壓器降壓后，在變壓器降壓后的輸出端(付邊)再整流的，稱為付邊整流。原邊高壓整流時，半導(dǎo)體元件承受的電流小，但要求整流元件耐壓高；付邊整流則剛好相反。

    1.5調(diào)壓

    調(diào)整輸出直流電壓大小的過程叫調(diào)壓。對于市電輸入電壓，可以通過自耦式調(diào)壓器(接觸式帶碳刷的)或感應(yīng)式調(diào)壓器連續(xù)調(diào)壓來改變交流變壓器原邊電壓來調(diào)壓，也可以通過改變低壓直流波形來改變輸出平電壓的方法來調(diào)壓。

    1.6直流紋波系數(shù)

    由于整流后的直流電不可能是純直流，其中總存在交流成分，為了比較直流中交流成分的多少，引進“直流紋波系數(shù)”的概念。它是指非純直流的直流中交流成分占總直流的百分比。紋波系數(shù)越小，交流成分越少。一般將紋波系數(shù)小于5%的直流稱為低紋波直流。

    1.7濾波

    將非純直流電中的交流成分去掉或轉(zhuǎn)化為直流成分，從而降低直流紋波系數(shù)的過程稱為濾波。在直流電輸出的正、負極間并接大容量電容器的方法叫電容濾波。單純的電容濾波只適于功率很小的整流電源。在輸出直流電路中串接一個大電感量的電感器(又叫平波電抗器)進行濾波，則稱為電感濾波。大電流必須采用電感濾波才行。若在電感器的輸入與輸出兩端均再采用電容濾波，則成為π型濾波，其效果更好。

    1.8整流效率

    整流器中存在的許多發(fā)熱器件及耗能器件，會消耗部分輸入的交流功率，使直流輸出功率小于交流輸入功率。整流效率則是輸出直流功率與輸入交流功率之比(以百分數(shù)表示)。整流效率小于100%，其值越大，說明整流器自身耗電越少，性能越好。

    由于整流器內(nèi)器件的發(fā)熱，不但耗電、降低整流效率，而且器件溫升過大時易損壞或縮短使用壽命，因此要對整流器采用降溫措施，如風(fēng)冷、水冷、油冷、油浸加水冷等。風(fēng)冷較為簡單，但風(fēng)扇不斷鼓入或吸入電鍍車間的腐蝕性空氣，易腐蝕整流器的元器件，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，且比風(fēng)冷效果好，宜提倡。但要接進水和出水。出水可用于電鍍清洗水或收集冷卻后循環(huán)使用。

    1.9平均電壓與平均電流

    將不同輸出波形的導(dǎo)電部分面積加起來再作平均計算，則得到平均電壓或平均電流。整流器電壓表或電流表反映的都是平均值。某一時刻的實際電壓只能用示波器進行測定。

    1.10有效值

    實際起作用的是電流的有效值。有效值不好測定，特定波型的可以計算。一般只能憑電鍍效果來判斷有值在平均值中所占的比例。譬如，可控硅整流后不經(jīng)濾波，輸出的是切割正弦波。此時，輸出平均電流越小，則有效值與平均值的比值越大。對于相同峰值電流的方波脈沖電流而言，方波的占空比(見7.2.1)越小，有效值與平均值之比越大。

    2、電鍍直流電源的發(fā)展歷程

    一般認為電鍍用直流電源的發(fā)展經(jīng)歷了5個階段，或稱五代。

    2.1直流發(fā)電機組

    直流發(fā)電機組是最早應(yīng)用的電鍍直流電源。它是由交流電動機帶動直流發(fā)電機來發(fā)出低壓直流電的。優(yōu)點是直流紋波系數(shù)較小，結(jié)構(gòu)簡單，過載能力強，不易損壞。缺點是電能轉(zhuǎn)化效率低，為高耗能設(shè)備(特是“大馬拉小車”時)，占地面積大，是國家早已明令取締的設(shè)備。但至今仍有極少數(shù)電鍍廠用其在近滿負荷運行下鍍硬鉻。

    2.2非硅半導(dǎo)體整流器

    在大功率硅半導(dǎo)體二極管問世前，曾采用半導(dǎo)體氧化銅、硒片作整流元件，其體積龐大，在20世紀70年代還有應(yīng)用，現(xiàn)已完全被淘汰。

    2.3硅整流器

    硅整流器利用接觸式或感應(yīng)式調(diào)壓器調(diào)整變壓器原邊電壓，付邊再用大功率硅二極管低壓整流成直流輸出。其調(diào)壓器與變壓器在50~60Hz工頻下工作，大，故整流效率低。但其結(jié)構(gòu)簡單，無繁雜的電子控制系統(tǒng)，一般電工均能維修，故小型企業(yè)、個體戶目前仍有應(yīng)用。

    2.4可控硅整流器

    可控硅(又稱晶閘管)，是一種三端四層硅半導(dǎo)體器件，比硅二極管多了一個控制極。與硅二極管不同的是，當其處于正向運行狀態(tài)時還不能導(dǎo)通，必須對其控制極輸入一觸發(fā)脈沖信號后才導(dǎo)通。去除觸發(fā)脈沖后仍繼續(xù)導(dǎo)通，直到交流電近零伏電壓時才關(guān)斷。關(guān)斷后又待下一個觸發(fā)脈沖到來且處于正向工作狀態(tài)才再度導(dǎo)通。改變通入觸發(fā)脈沖的時刻即可控制其導(dǎo)通時間的長短(改變其導(dǎo)通角)，從而形成正弦切割波，由此調(diào)整平均電流大小。與硅整流器相比，它甩掉了調(diào)壓器。但變壓器仍存在較大損耗(鐵損和銅損)，不經(jīng)濾波時直流紋波系數(shù)大，而電感濾波又需體積龐大的硅鋼片平波電抗器，用銅量大。

    可控硅整流器也處在不斷發(fā)展之中。早期是用晶體管分立元件制作觸發(fā)控制與同步控制器，用低壓大流可控硅管作付邊調(diào)壓。后來采用了耐高壓的可控硅作原邊調(diào)壓，控制部分采用了集成電路，并賦予過壓、過熱、過流等電子保護功能及穩(wěn)壓、穩(wěn)流選擇等功能。為降低直流紋波系數(shù)，三相整流在變壓器上作了改進，出現(xiàn)五柱芯十二相整流等整流程式，使濾波器體積減小，可作出紋波系數(shù)小于5%的低紋波直流輸出，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損的大功率器件，且同一廠家生產(chǎn)的控制板可通用，互換性好，因而其可靠性、可維修性比高頻開關(guān)電源好，故障率較低。所以，盡管其因用銅、用鐵量大而造價比高頻開關(guān)電源高許多，某些要求電源可靠性高的電鍍廠(特別是采用自動線連生產(chǎn)的)仍樂于采用可控硅整流器，其所占的市場份額還相當大。

    2.5高頻開關(guān)電源

    高頻開關(guān)電源被稱為第五代新型節(jié)能直流電源，有必要對其作較全面介紹，詳見第7部分的討論。

    3、常用直流電流的波形

    純直流難以獲得，紋波系數(shù)越小的直流越接近于純直流。

    盡管可以制出多種波型的直流電源，但諸如鋸齒波、三角波、交直流疊加等波形在大生產(chǎn)中應(yīng)用較少，只在某些特殊工藝的研究中偶有應(yīng)用。圖1示出了大生產(chǎn)常用的直流波形。為清晰起見，未畫出三相整流的波形。

    3.1單相(或三相)半波整流

    將如圖1a所示的單相正弦交流的負半波去掉，則成為如圖1b所示的單相半波直流，其正半波仍按正弦規(guī)律變化。

    3.2單相(或三相)全波整流

    將如圖1a所示的單相正弦波通過單相全波或橋式整流，把負半波翻上去加以利用，則成為單相全波直流，如圖1c所示。

    3.3單相(或三相)可控硅整流

    利用可控硅改變其導(dǎo)通時刻，可改變正弦波切割的時刻，從而改變平均電流。圖1d示出了單相全波可控硅整流改變導(dǎo)通角后的切割正弦波波形。

    3.5周期換向

    周期換向是指直流電有周期性地顛倒輸出。在反向期間，工件作為陽極，結(jié)晶粗糙之處發(fā)生陽極溶解，從而對鍍層起到光亮整平作用。例如，氰化鍍銅以硫氰酸鉀加鉛鹽作光亮劑時，正向15~25s，反向5s，能得到較光亮鍍層。一些無氰堿銅工藝也用周期換向電流。但要對大電流直流換向，整流器的制作成本很高。

    3.6間隙電鍍

    將周期換向的負半周去掉，則成為間隙電鍍。在間歇期間，陰極界面液層中消耗的組分得以及時補充，擴大允許陰極電流密度，而且還有其他優(yōu)點。例如，氰化鍍銅與HEDP鍍無氰堿銅時，采用通電10s、斷1~2s的間隙鍍，能大大提高抗雜質(zhì)干擾能力，擴大半光亮區(qū)的范圍。對可控硅整流器及高頻開關(guān)電源控制部分稍加改造，即可獲得間歇電流，附加成本

    很低(可將間歇電鍍視為超低頻的、頻率與占空比固定的方波脈沖鍍)。

    4、不同電鍍工藝對直流波形的要求及影響

    這是電鍍工作者應(yīng)具備的基本知識。舉例如下：

    【例1】鍍鋅、鍍鎳對直流波形無嚴格要求，但鍍鋅(特別是滾鍍鋅)時，低紋波直流能減少鍍液升溫，低添加劑的消耗，效果更好一些。

    【例2】裝飾性套鉻必須用紋波系數(shù)小于5%的低紋波直流，并且不允許有波形殘缺(如三相缺相、整流管損壞等)，否則因鉻太易鈍化，在高紋波直流的波谷可能局部鈍化，而導(dǎo)致鍍鉻層起黃斑、白斑，出現(xiàn)深鍍能力大大下降等問題。簡單件鍍硬鉻，可用未經(jīng)濾波的高頻開關(guān)電源，但頻率宜高些；復(fù)雜模具鍍硬鉻，最好采用低紋波直流。

    【例3】硫酸鹽光亮酸性鍍銅要采用低紋波直流。對于任何光亮性電鍍，如何擴展低電流密度區(qū)的光亮整平性及光亮范圍，始終是添加劑研制、工藝研究與維護的重點和難點，不能顧此失彼。筆者非常贊賞20世紀70年代無氰低鉻電鍍攻關(guān)時對工藝、設(shè)備、材料等研究的深入性和全面性。當年國內(nèi)在推出M、N、SP、P體系光亮酸銅工藝時，工作很細，其中對采用不同波形直流的影響也作過系統(tǒng)試驗。結(jié)論很明確：直流紋系數(shù)越小，低電流密度區(qū)鍍層光亮整平性越好，光亮范圍越寬?，F(xiàn)在一些人見效果不好，只知道怪光亮劑不行，卻不愿從包括電源在內(nèi)的設(shè)備影響上動動腦筋。

    【例4】合金電鍍時，若電流密度對合金比例的影大，低紋波直流更易保持合金比例的一致性。

    【例5】業(yè)已證明：對于氰化鍍銅、焦磷酸鹽鍍銅一些無氰堿銅工藝，低紋波直流所得電鍍層的光亮性反而比高紋波系數(shù)的差。如焦磷酸鹽鍍銅，單相全的比三相全波的效果更好。

    【例6】對于硫酸鹽光亮鍍錫，有兩種截然相反的結(jié)果：一些工藝采用低紋波直流的效果好，而另一些藝在赫爾槽試驗中用單相全波硅整流器時試片光亮性好，低區(qū)發(fā)灰霧范圍更窄。這可能與所用光亮劑中面活性劑、主光劑、穩(wěn)定劑等物質(zhì)的種類、含量、質(zhì)量等有關(guān)。一切以試驗結(jié)果為準。

    不同工藝對直流波形的要求不一樣，在新工藝研制時就應(yīng)試驗其最佳波形，在選擇電源時也應(yīng)具備這方面知識。

    其他影響：

    (1)直流諧波的影響。理論與實踐均證明，任何非正弦波的高紋波系數(shù)直流，均可分解出許多“諧波”。例如，方波電流可以按數(shù)學(xué)上的傅立葉級數(shù)分解為正弦基波與3次、5次、

    7次等無窮多個奇次諧波。諧波不但會污染供電電源，而且3次、5次諧波是過零的、具有反向的正弦波。諧波在電鍍液中會增加鍍液的發(fā)熱量及匯流銅排的發(fā)熱量(對供電電網(wǎng)的不良影響見7.3.5)。

    (2)波形對直流有效值的影響。當初剛以未經(jīng)濾波的可控硅整流器取代硅整流器，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，同樣多的同種工件，在鍍鎳時開同樣大的平均電流，原來鍍層并不燒焦，換用可控硅整流器時卻會燒焦，只好減小平均電流。原因是可控硅整流器輸出的是切割正弦的間斷波，紋波系數(shù)大，有效值比平均值高，而起作用的是有效值(輸出平均電流小，波形越差，有效值與平均值的比值越大)。

    對于方波脈沖，計算公式如下：

    電流平均值=峰值電流×占空比

    電流有效值=峰值電流2×占空比

    例如，峰值電流為800A、占空比為25%時，算出平均電流為200A，而電流有效值為400A。

    電流有效值遠大于平均值時，至少帶來兩個問題：(1)鍍液發(fā)熱量加大，這對氯化物鍍鋅、鋅酸鹽鍍鋅、硫酸鹽光亮酸性鍍銅與鍍錫均十分不利；(2)外電路匯計應(yīng)以有效值400A為準，而不能以平均電流200A為準。有一實例：某電鍍廠原用硅整流器時銅排發(fā)熱不明顯，后改為高頻開關(guān)電源后銅排卻嚴重發(fā)熱，不知究竟。后對高頻開關(guān)電源加裝電感濾波器，輸出為低紋波時，匯流排發(fā)熱又不明顯了。所以，低紋波直流在多數(shù)情況下對電鍍是有利的。

責(zé)任編輯：鄭必佳