金屬化薄膜電容賦能機(jī)的設(shè)計(jì)

王瑩瑩 毛元奇

摘 要：賦能工序可以清除薄膜電容器介質(zhì)中的雜質(zhì)，提高產(chǎn)品可靠性和壽命，在金屬化薄膜電容器生產(chǎn)工藝流程中尤為重要。針對我國薄膜電容器制造業(yè)賦能設(shè)備生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、賦能容量值小這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種基于PLC控制、觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控的金屬化薄膜電容賦能機(jī)。本文介紹了薄膜電容賦能機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究意義，闡述了電容賦能的原理，并詳細(xì)的敘述了系統(tǒng)的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方式。

關(guān)鍵詞：薄膜電容器;賦能工藝;可編程控制器

中圖分類號：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0058-02

0 引言

由于金屬化薄膜電容器具有耐壓性能好、頻率響應(yīng)寬、介質(zhì)損失小、絕緣電阻高等優(yōu)良特性，其在新能源汽車、智能電網(wǎng)、交流傳動電力牽引等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，市場需求量日益擴(kuò)大。目前，國家對這些行業(yè)大力扶持，金屬化薄膜電容器制造業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。電容器的性能與質(zhì)量主要由兩方面決定，一方面是芯子電介質(zhì)的性能，另一方面就是生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)水平。如果生產(chǎn)設(shè)備的性能低，即使有好的設(shè)計(jì)也難以在制造中實(shí)現(xiàn)。賦能機(jī)是金屬化薄膜電容器生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，但國產(chǎn)設(shè)備的功能和品質(zhì)與日本、德國、意大利等國家的相比差距很大。金屬化薄膜電容賦能機(jī)的研制有助于提升產(chǎn)品的性能和市場競爭力，改善薄膜電容賦能設(shè)備具有深遠(yuǎn)而實(shí)際的意義。

1 賦能原理

金屬化薄膜電容器就是在塑料介質(zhì)上用真空蒸發(fā)的方法鍍上一層很薄的金屬膜代替金屬箔作為電極的電容器。金屬化薄膜電容器具有自愈性，如圖1所示，當(dāng)介質(zhì)存在缺陷就會發(fā)生局部擊穿現(xiàn)象，擊穿處會立刻產(chǎn)生一種電流密度集中在擊穿點(diǎn)中心的電弧電流。由于蒸鍍上的鋁金屬化薄膜很薄（僅30-50nm），這個電弧電流所產(chǎn)生的熱量及壓力足以使擊穿點(diǎn)的薄膜介質(zhì)燒掉并熔化、蒸發(fā)擊穿點(diǎn)周圍的金屬，導(dǎo)致電容器電極間重新恢復(fù)絕緣，保證了電容器的繼續(xù)使用。從原理上看，金屬化電容器不會存在短路失效現(xiàn)象，但實(shí)際上，自愈不足、自愈過度都會影響電容器的性能，甚至導(dǎo)致電容器失效。電壓賦能就是通過RC電路產(chǎn)生接近于先恒流再恒壓的充電過程，提升電極間場強(qiáng)，使雜質(zhì)氣化消失。電流賦能控制晶閘管的通斷，使電流放電產(chǎn)生的熱量融化導(dǎo)電介質(zhì)間隙，從而提高電容器的可靠性和壽命。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

金屬化薄膜電容賦能機(jī)由電壓賦能工位、電流賦能工位、傳感檢測單元、PLC控制器及其擴(kuò)展模塊、人機(jī)操作界面等部分組成，其組成框圖如圖2所示。電壓賦能工位可以消除電容器卷制材料因電缺陷而造成的短路或低耐壓薄弱點(diǎn)，從而提高電容器的壽命。電流賦能工位可以消除電容器在噴金工藝由于端面接觸而殘留的金屬粉塵，起到電清潔的作用。檢測單元使用傳感器檢測薄膜電容器賦能過程中的交/直流電壓、電流值。PLC及其擴(kuò)展模塊用于控制機(jī)械動作、調(diào)壓過程、接收傳感檢測單元的測量值并進(jìn)行模-數(shù)處理。人機(jī)操作界面主要實(shí)現(xiàn)信息的輸入和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能[1]。遙控器的配合使用提高了系統(tǒng)的自動化程度與安全性。

2.2 電壓賦能主電路

電壓賦能工位由調(diào)壓器、整流模塊、高壓變壓器、短路抑制單元、限流充電單元、放電單元、續(xù)流單元、交換極性部件及分壓單元組成，其主電路如圖3所示。

其工作過程：閉合空氣斷路器QF3接通電源，設(shè)備自檢后進(jìn)入人機(jī)界面，根據(jù)元件測試要求設(shè)置三次耐壓值和賦能時(shí)間。居中擺放元件于夾具內(nèi)，按下啟動按鈕后，夾具自動夾緊元件，調(diào)壓器手動升壓到設(shè)置值，開始電壓賦能。依據(jù)設(shè)置參數(shù)對電容器進(jìn)行相應(yīng)的直流電壓正反賦能，每次賦能結(jié)束后自動放電，切換極性進(jìn)行下一次電壓賦能，并依據(jù)要求的電壓梯度進(jìn)行分段式賦能。電壓賦能結(jié)束后自動放電并轉(zhuǎn)入待機(jī)階段。

2.3 電流賦能主電路

電流賦能工位由調(diào)壓器、整流單元、變壓器、短路抑制單元、分壓單元、晶閘管及電抗器組成，其主電路如圖4所示。其工作過程如下：閉合空氣斷路器QF3，設(shè)備完成自檢后，進(jìn)入人機(jī)界面，根據(jù)元件測試要求設(shè)置賦能電壓、賦能次數(shù)，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)交流電壓。電流賦能工位元件放置過程與電壓賦能工位相同。在賦能過程中，三相交流電壓升壓后整流為直流電。閉合直流接觸器KM3對測試電容元件充電，電阻的作用是抑制充電瞬間短路。然后快速開通SCR對2.5μH電感放電，產(chǎn)生多個正弦全波大電流，瞬時(shí)峰值可達(dá)30kA。重復(fù)相應(yīng)次數(shù)后，強(qiáng)制放電一次，將測試電容元件上的電壓清零后，轉(zhuǎn)入待機(jī)階段。

2.4 PLC主機(jī)系統(tǒng)及擴(kuò)展模塊

PLC具有適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試的工作量。其種類繁多，結(jié)構(gòu)和功能也不盡相同，在對PLC選型時(shí)著重考慮類型、容量、通信功能、性價(jià)比等方面。系統(tǒng)的要求決定了控制器的類型，金屬化薄膜電容賦能機(jī)控制系統(tǒng)相對簡單，數(shù)字量I/O信號來自按鈕、氣缸、接觸器、繼電器等，共59點(diǎn)，選擇小型PLC即可滿足控制要求。

韓國LG公司的MASTER-K120S系列PLC結(jié)構(gòu)緊湊，外形小巧，功能強(qiáng)大。相比于普及性高的三菱的FX1N、西門子S7-200、歐姆龍CP1L來說，性價(jià)比更高，是本系統(tǒng)控制器的最佳選擇。主機(jī)系統(tǒng)選擇標(biāo)準(zhǔn)型的K7M-DRT60U，開關(guān)量I/O模塊選擇G7E-RY08A，模擬量I/O模塊選擇G7F-ADHB。K7M-DRT60U為標(biāo)準(zhǔn)型主單元，I/O點(diǎn)數(shù)為60點(diǎn)，程序容量10k步，最大擴(kuò)展模塊數(shù)為3個。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序

PLC程序是整個控制系統(tǒng)的核心，軟件和硬件的合理配合是設(shè)備正常運(yùn)行的前提，按照工藝要求對PLC進(jìn)行程序編寫至關(guān)重要[2]。

3.1.1 金屬化薄膜電容賦能機(jī)的主程序流程

開始—>初始化—>定義寄存器變量和類型—>系統(tǒng)復(fù)位（使電流和電壓賦能工位均無直流電壓或電流輸出）—>賦能—>輸出結(jié)果。

3.1.2 電壓賦能子程序流程

（1）賦能開始，判斷位置是否正常（壓板初位、KV0初位、壓板上位、旋轉(zhuǎn)正態(tài)）。若異常，系統(tǒng)復(fù)位;若正常，程序繼續(xù)執(zhí)行。（2）閉合變壓器，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，綠色指示燈亮，定義寄存器變量。（3）啟動鍵按下時(shí)，一次充電開始，紅色指示燈點(diǎn)亮。（4）當(dāng)電壓賦能值滿或充電時(shí)間到充電完成，進(jìn)入一次保持，紅色指示燈熄滅。（5）一次保持時(shí)間到，開始一次放電3.5s，然后一次大放電15s。（6）賦能值為零時(shí)放電結(jié)束，交換極性，二次賦能開始。（7）二次賦能完成后，啟動循環(huán)程序。當(dāng)賦能次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，退出循環(huán)并復(fù)位所用到寄存器。

3.1.3 電流賦能子程序流程

（1）電流賦能開始，判斷壓板位置是否正常。（2）電流工位待機(jī)，綠色指示燈點(diǎn)亮。（3）電流賦能啟動實(shí)現(xiàn)延時(shí)防抖功能。（4）充電開始，紅色指示燈點(diǎn)亮。當(dāng)賦能值滿或賦能時(shí)間達(dá)到，充電停止。（5）接到放電信號后，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次。判斷賦能次數(shù)，若次數(shù)已達(dá)到設(shè)定值，則復(fù)位寄存器，電流賦能結(jié)束。

3.2 觸摸屏程序

觸摸屏程序由狀態(tài)顯示界面、工程參數(shù)設(shè)置界面、電壓參數(shù)設(shè)置界面、電流參數(shù)設(shè)置界面構(gòu)成。其中，狀態(tài)顯示界面包含當(dāng)前賦能電壓值，當(dāng)前賦能次數(shù)、當(dāng)前工位交流電壓值、操作狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)。工程參數(shù)界面具有密碼保護(hù)功能，調(diào)試人員有權(quán)限進(jìn)入。電流賦能參數(shù)界面包含賦能電壓、賦能次數(shù)、元件容量、點(diǎn)動升壓、點(diǎn)動降壓。電壓賦能參數(shù)界面包含一次耐壓、二次耐壓、三次耐壓、點(diǎn)動升壓、點(diǎn)動降壓[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，在與生廠部門進(jìn)行大量交流的前提下，確定了該系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)方案，采用PLC與觸摸屏結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)賦能功能。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)滿足使用要求，可靠性強(qiáng)，安全性高，解決了公司現(xiàn)有賦能設(shè)備無法為大容量金屬化薄膜電容器賦能的問題，提升了工作效率，有助于產(chǎn)能的擴(kuò)大。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳子珍，梅曉妍，劉國光.PLC控制全自動電容檢測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（5）：1-3+7.

[2] 任蓉莉，荊蔭，張國勇.薄膜電容賦能儀的研制[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010（1）：45-47+54.

[3] 鄭海輝，傅萬進(jìn)，翁曉偉.基于PLC的起動電容自動檢測裝置的研制[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2014（4）：55-56.