金属化薄膜电容赋能机的设计

王莹莹 毛元奇

摘 要：赋能工序可以清除薄膜电容器介质中的杂质，提高产品可靠性和寿命，在金属化薄膜电容器生产工艺流程中尤为重要。针对我国薄膜电容器制造业赋能设备生产效率低、质量不稳定、赋能容量值小这一现象，设计一种基于PLC控制、触摸屏实时监控的金属化薄膜电容赋能机。本文介绍了薄膜电容赋能机的应用现状和研究意义，阐述了电容赋能的原理，并详细的叙述了系统的软、硬件实现方式。

关键词：薄膜电容器;赋能工艺;可编程控制器

中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）19-0058-02

0 引言

由于金属化薄膜电容器具有耐压性能好、频率响应宽、介质损失小、绝缘电阻高等优良特性，其在新能源汽车、智能电网、交流传动电力牵引等行业得到了广泛的应用，市场需求量日益扩大。目前，国家对这些行业大力扶持，金属化薄膜电容器制造业迎来了前所未有的发展机遇与挑战。电容器的性能与质量主要由两方面决定，一方面是芯子电介质的性能，另一方面就是生产设备的技术水平。如果生产设备的性能低，即使有好的设计也难以在制造中实现。赋能机是金属化薄膜电容器生产过程中的关键设备，但国产设备的功能和品质与日本、德国、意大利等国家的相比差距很大。金属化薄膜电容赋能机的研制有助于提升产品的性能和市场竞争力，改善薄膜电容赋能设备具有深远而实际的意义。

1 赋能原理

金属化薄膜电容器就是在塑料介质上用真空蒸发的方法镀上一层很薄的金属膜代替金属箔作为电极的电容器。金属化薄膜电容器具有自愈性，如图1所示，当介质存在缺陷就会发生局部击穿现象，击穿处会立刻产生一种电流密度集中在击穿点中心的电弧电流。由于蒸镀上的铝金属化薄膜很薄（仅30-50nm），这个电弧电流所产生的热量及压力足以使击穿点的薄膜介质烧掉并熔化、蒸发击穿点周围的金属，导致电容器电极间重新恢复绝缘，保证了电容器的继续使用。从原理上看，金属化电容器不会存在短路失效现象，但实际上，自愈不足、自愈过度都会影响电容器的性能，甚至导致电容器失效。电压赋能就是通过RC电路产生接近于先恒流再恒压的充电过程，提升电极间场强，使杂质气化消失。电流赋能控制晶闸管的通断，使电流放电产生的热量融化导电介质间隙，从而提高电容器的可靠性和寿命。

2 硬件设计

2.1 系统组成

金属化薄膜电容赋能机由电压赋能工位、电流赋能工位、传感检测单元、PLC控制器及其扩展模块、人機操作界面等部分组成，其组成框图如图2所示。电压赋能工位可以消除电容器卷制材料因电缺陷而造成的短路或低耐压薄弱点，从而提高电容器的寿命。电流赋能工位可以消除电容器在喷金工艺由于端面接触而残留的金属粉尘，起到电清洁的作用。检测单元使用传感器检测薄膜电容器赋能过程中的交/直流电压、电流值。PLC及其扩展模块用于控制机械动作、调压过程、接收传感检测单元的测量值并进行模-数处理。人机操作界面主要实现信息的输入和实时监控功能[1]。遥控器的配合使用提高了系统的自动化程度与安全性。

2.2 电压赋能主电路

电压赋能工位由调压器、整流模块、高压变压器、短路抑制单元、限流充电单元、放电单元、续流单元、交换极性部件及分压单元组成，其主电路如图3所示。

其工作过程：闭合空气断路器QF3接通电源，设备自检后进入人机界面，根据元件测试要求设置三次耐压值和赋能时间。居中摆放元件于夹具内，按下启动按钮后，夹具自动夹紧元件，调压器手动升压到设置值，开始电压赋能。依据设置参数对电容器进行相应的直流电压正反赋能，每次赋能结束后自动放电，切换极性进行下一次电压赋能，并依据要求的电压梯度进行分段式赋能。电压赋能结束后自动放电并转入待机阶段。

2.3 电流赋能主电路

电流赋能工位由调压器、整流单元、变压器、短路抑制单元、分压单元、晶闸管及电抗器组成，其主电路如图4所示。其工作过程如下：闭合空气断路器QF3，设备完成自检后，进入人机界面，根据元件测试要求设置赋能电压、赋能次数，系统自动调节交流电压。电流赋能工位元件放置过程与电压赋能工位相同。在赋能过程中，三相交流电压升压后整流为直流电。闭合直流接触器KM3对测试电容元件充电，电阻的作用是抑制充电瞬间短路。然后快速开通SCR对2.5μH电感放电，产生多个正弦全波大电流，瞬时峰值可达30kA。重复相应次数后，强制放电一次，将测试电容元件上的电压清零后，转入待机阶段。

2.4 PLC主机系统及扩展模块

PLC具有适应性强、可靠性高、抗干扰能力强等特点，可以减少系统设计、安装及调试的工作量。其种类繁多，结构和功能也不尽相同，在对PLC选型时着重考虑类型、容量、通信功能、性价比等方面。系统的要求决定了控制器的类型，金属化薄膜电容赋能机控制系统相对简单，数字量I/O信号来自按钮、气缸、接触器、继电器等，共59点，选择小型PLC即可满足控制要求。

韩国LG公司的MASTER-K120S系列PLC结构紧凑，外形小巧，功能强大。相比于普及性高的三菱的FX1N、西门子S7-200、欧姆龙CP1L来说，性价比更高，是本系统控制器的最佳选择。主机系统选择标准型的K7M-DRT60U，开关量I/O模块选择G7E-RY08A，模拟量I/O模块选择G7F-ADHB。K7M-DRT60U为标准型主单元，I/O点数为60点，程序容量10k步，最大扩展模块数为3个。

3 软件设计

3.1 PLC程序

PLC程序是整个控制系统的核心，软件和硬件的合理配合是设备正常运行的前提，按照工艺要求对PLC进行程序编写至关重要[2]。

3.1.1 金属化薄膜电容赋能机的主程序流程

开始—>初始化—>定义寄存器变量和类型—>系统复位（使电流和电压赋能工位均无直流电压或电流输出）—>赋能—>输出结果。

3.1.2 电壓赋能子程序流程

（1）赋能开始，判断位置是否正常（压板初位、KV0初位、压板上位、旋转正态）。若异常，系统复位;若正常，程序继续执行。（2）闭合变压器，系统进入待机状态，绿色指示灯亮，定义寄存器变量。（3）启动键按下时，一次充电开始，红色指示灯点亮。（4）当电压赋能值满或充电时间到充电完成，进入一次保持，红色指示灯熄灭。（5）一次保持时间到，开始一次放电3.5s，然后一次大放电15s。（6）赋能值为零时放电结束，交换极性，二次赋能开始。（7）二次赋能完成后，启动循环程序。当赋能次数达到设定值时，退出循环并复位所用到寄存器。

3.1.3 电流赋能子程序流程

（1）电流赋能开始，判断压板位置是否正常。（2）电流工位待机，绿色指示灯点亮。（3）电流赋能启动实现延时防抖功能。（4）充电开始，红色指示灯点亮。当赋能值满或赋能时间达到，充电停止。（5）接到放电信号后，计数器计数一次。判断赋能次数，若次数已达到设定值，则复位寄存器，电流赋能结束。

3.2 触摸屏程序

触摸屏程序由状态显示界面、工程参数设置界面、电压参数设置界面、电流参数设置界面构成。其中，状态显示界面包含当前赋能电压值，当前赋能次数、当前工位交流电压值、操作状态、设备状态。工程参数界面具有密码保护功能，调试人员有权限进入。电流赋能参数界面包含赋能电压、赋能次数、元件容量、点动升压、点动降压。电压赋能参数界面包含一次耐压、二次耐压、三次耐压、点动升压、点动降压[3]。

4 结语

综上所述，在与生厂部门进行大量交流的前提下，确定了该系统的最佳设计方案，采用PLC与触摸屏结合的方式实现赋能功能。实践证明，该系统满足使用要求，可靠性强，安全性高，解决了公司现有赋能设备无法为大容量金属化薄膜电容器赋能的问题，提升了工作效率，有助于产能的扩大。

参考文献

[1] 陈子珍，梅晓妍，刘国光.PLC控制全自动电容检测装置的设计与实现[J].宁波职业技术学院学报，2012（5）：1-3+7.

[2] 任蓉莉，荆荫，张国勇.薄膜电容赋能仪的研制[J].电子工业专用设备，2010（1）：45-47+54.

[3] 郑海辉，傅万进，翁晓伟.基于PLC的起动电容自动检测装置的研制[J].计量与测试技术，2014（4）：55-56.