20V8000A电解电源课设.docx

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20V8000A电解电源课设

电力电子技术课程设计（论文）

题目：

20V／8000A电解电源

院（系）：

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

教研室：

电气工程及其自动化

学号

学生姓名

专业班级

课程设计（论文）题目

20V／8000A电解电源

课程设计（论文）任务

课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数

实现功能：

为冶金工业的电解和电镀工艺提供低电压大电流可调直流电源。

输出直流电压0~20V可调，输出直流电流0~8000A可调。

技术参数：

1、交流电源：

三相380V。

2、整流输出电压Ud在0～20V连续可调。

3、整流输出电流最大值8000A。

4、用于铜的电解或电镀。

5、根据实际工作情况，最小控制角取20～300左右。

设计任务：

1、方案的经济技术论证。

2、主电路设计。

3、通过计算选择整流器件的具体型号。

4、若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。

5、触发电路设计或选择。

6、绘制相关电路图。

7、完成4000字左右说明书。

要求：

1、1、文字在4000字左右。

2、2、文中的理论分析与计算要正确。

3、3、文中的图表工整、规范。

4、元器件的选择符合要求。

进度计划

第1天：

集中学习；第2天：

收集资料；第3天：

方案论证；第4天：

主电路设计；第5天：

选择器件；第6天：

确定变压器变比及容量；第7天：

保护电路设计；第8天：

触发电路设计；第9天：

总结并撰写说明书；第10天：

答辩

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

本文主要是设计冶金工业的电解和电镀工艺提供低电压大电流可调直流电源。

这种电源装置主要由整流变压器与整流器组成整流设备以便从交流电源取得直流电能的变压器。

整流设备是现代工业企业最常用的直流电源，广泛用于直流输电、电力牵引、轧钢、电镀、电解等领域。

本文将主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图,由工频三相电压380V经降压变压器后由晶闸管再整流为直流供负载用。

但是由于工艺要求大功率,大电流,因此控制比较复杂,特别是触发电路部分必须一一对应,否则输出的电压波动大甚至还有可能短路造成设备损坏。

本电路图主要由芯片KC04触发器来控制并在不同的时刻发出不同的脉冲信号去控制6个晶闸管。

大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解（有色金属和化工原料需要直流电解）、牵引（电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等）和直流传动（轧钢、造纸等）三大领域。

大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。

关键词：

整流变压器；整流器；触发器；电解；

目录

第1章绪论1

1.1电解电源发展概况1

1.2本文研究内容2

第2章20V/8000A电解电源电路设计3

2.120V/8000A电解电源总体设计方案3

2.2具体电路设计4

2.2.1主电路设计4

2.2.2控制电路设计8

2.2.3保护电路设计10

2.3元器件型号选择12

2.4系统数据分析14

第3章课程设计总结16

参考文献17

第1章绪论

电解电源发展概况

电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。

电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。

电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

随着电子工业的发展，电解电源从60年代的直流发电机组和硅整流器发展到70年代的可控硅调压、稳压的直流电源；80年代出现了可控硅斩波的脉冲电源；随着现代功率电子器件的发展和广泛应用，90年代又出现了高频、窄脉冲电流电解加工电源。

电解电源的每一次变革都引起电解加工工艺的新发展电解加工脉冲电源随着功率半导体开关器件的发展而发展，最早的脉冲电源是80年代用硅整流二极管或可控硅（SCR）建立的，这种电源容量大，电流上万安，但只能获得较低的频率和较宽的正弦波类型的脉冲电流，不能满足脉冲电流电解加工进一步发展的需要。

随着现代功率半导体器件的发展，其容量越来越大，开关速度越来越快。

随后GTO发展到了104A，8kV，高频GTO工作频率提高了2-3倍达到3kHz，数千安的电源目前已研制出GTO斩波电源，其性能优于同等容量级SCR的斩波电源。

电解电源主要应用于铝、镁、锌、铅、铜、锰、二氧化锰等有色金属电解；黄金、白银贵重金属冶练；钕铁硼等稀土冶练；硬质合金、金刚石冶练；食盐水、钾盐电解制烧碱、钾碱、制钠；氯化钾电解制氯酸钾、高氯酸钾；碳素厂、碳化硅、耐火材料电加热等，以及其它各类大功率高频开关电源。

电解电源特点：

1、体积小、重量轻：

体积与重量为可控硅电源的1/5-1/10，便于您规划、扩建、移动、维护和安装。

2、节能效果好：

开关电源由于采用了高频变压器，转换效率大大提高，正常情况下较可控硅设备提高效率10%以上，负载率达70%以下时较可控硅设备提高效率30%以上。

3、输出稳定性高：

由于系统反应速度快（微秒级），对于网电及负载变化具有极强的适应性，输出精度可优于1%。

开关电源的工作效率高、所以控制精度高，有利于提高产品质量。

4、输出波形易于调制：

由于工作频率高，其输出波形调整相对处理成本较低，可以较方便的按照用户工艺要求改变输出波形。

这样对于工作现场提高工效，改善加工产品质量有较强作用。

在电解电镀等工业应用中，经常需要低电压大电流的可调直流电源。

如果采用三项桥式电路，整流器件的数量很多，还有两个管压降损耗，降低了效率。

在这种情况下，可采用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，简称双反星形电路。

现代工业生产设备使用的换流装置的容量越来越大，数量也越来越多。

大量的谐波电流注入电网，就会严重地威胁电网的安全运行，危害其它用电设备及自动化仪表等。

所以，了解分析、抑制电力系统谐波，限制谐波发生源注入电网的谐波含量将越来越受到重视。

相比较而言，双反星形可控整流电路具有电路简单，调整方便等优点，为使变压器的铁心不饱和，就需要增大铁心面积，这样就增大了设备的容量。

生产实际中只用于对输出波形要求不高的小容量的场合。

在中小容量、负载要求较高的晶闸管的可控整流装置中。

电镀电源的发展趋势将会高频高效化、智能化、数字化以及绿色可靠。

本文研究内容

根据任务书内本文主要是设计冶金工业的电解和电镀工艺提供低电压大电流可调直流电源。

交流侧电源取三相380V，要求整流输出电压Ud在0～20V连续可调，整流输出电流最大值8000A，根据实际工作情况，最小控制角取20～300左右。

这种电源装置主要由整流变压器与整流器组成整流设备以便从交流电源取得直流电能的变压器。

第2章20V/8000A电解电源电路设计

2.120V/8000A电解电源总体设计方案

在冶金工业的电解和电镀工艺提供低电压大电流可调直流电源。

这种电源装置主要由整流变压器与整流器组成整流设备以便从交流电源取得直流电能的变压器。

图2.1.1总体设计方案框图

交流侧经三相交流电源得到380V交流电压，经过整流变压器整流输出电压Ud在0～20V连续可调，经过整流电路整流输出电流最大值8000A，根据实际工作情况，最小控制角取20～300左右。

触发电路使得整流输出电流在0～8000A连续可调。

2.2具体电路设计

2.2.1主电路设计

电解电镀等工业设计应用中，经常需要大功率的可调直流电源。

如果采用三相桥式电路，整流器件的数量很多，还有两个管压降损耗，降低了效率。

在这种情况下，可采用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，如图2.2.1所示。

该电路简称双反星形电路。

整流变压器二次侧为星型接法的两个绕组,a与a’、b与b’、c与c’接在三相变压器的三个铁芯柱上，且匝数相同但同名端位置相反，使Ua与Ua’、Ub与Ub’、Uc与Uc’的电压大小相等、相位差180度。

两个绕阻分别接成两组三相半波共阴极接法的整流电路，通过平衡电抗器Lp并联起来。

变压器二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。

图2.2.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路

平衡电抗器Lp是从中心抽头，左右两部分绕在同一铁芯上，匝数相等，绕向相同，用来保证两组三相半波整流电路能同时并联导通，每组承担一半负载。

因此，与三相桥式电路相比，在采用相同晶闸管的条件下，双反星形电路的输出电流可大一倍。

图2.2.2双反星形电路，α=0º时两组整流电压、电流波形

在图2.2.2中，两组的相电压互差180º，因而相电流亦互差180º。

其幅值相等，都是Id/2。

以a相而言，相电流ia与ia，出现的时刻虽不同，但他们的平均值都是Id/6。

因为平均电流相等而绕组的极性相反，所以直流安匝互相抵消。

因此本电路的利用绕组的极性相反来消除直流磁通势的。

在这种并联电路中，在两个星形的中点间接有带中间抽头的平衡电抗器，这是因为两个直流电源并联运行时，只有当两个电源的电压平均值和瞬时值均相等时，才能是负载电流平均分配。

在双反星形电路中，虽然两组整流电压的平均值Ud1和Ud2是相等的，但是它们的脉动波相差60º，它们的瞬时值是不同的，如图2.2.3a所示。

现在把六个晶闸管的阴极连接在一起，因而两个星形的中点n1和n2间的电压便等于ud1和ud2之差。

其波形是三倍频的近似三角波，如图2.2.3b所示。

这个电压加在平衡电抗器Lp上，产生电流ip,它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流。

考虑到ip后，每组三相半波承担的电流分别为Id/2±ip。

为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp值足够大，以便限制环流在其负载额定电流的1%～2%以内。

图2.2.3平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形

现在把六个晶闸管的阴极连接在一起，因而两个星形的中点n1和n2间的电压便等于ud1和ud2之差。

其波形是三倍频的近似三角波，如图2.2.3b所示。

这个电压加在平衡电抗器Lp上，产生电流ip,它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流。

考虑到ip后，每组三相半波承担的电流分别为Id/2±ip。

为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp值足够大，以便限制环流在其负载额定电流的1%～2%以内。

在图2.2.1所示的双反星形电路中，如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流器电路，在任一瞬间只能有一个晶闸管导电，其余五个晶闸管均承受反压而阻断，每个管子的最大导通角为60º，每个管子的平均电流为Id/6。

当α=0时，六相半波整流电路的Ud为1.35U2，比三相半波是的1.17U2略大些，其波形如图2.2.3a的包络线所示，由于六相半波整流电路因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，顾及少采用。

可见，双反星形与六相半波电路的区别在于有无平衡电抗器。

在图2.2.4中取任一瞬间如ωt1,这时ub'及ua均为正值，然而ub'大于ua,如果两组三相半波整流电路中点n1和n2直接相连，则必然只有b'相的晶闸管能导电。

图2.2.4α取不同值时输出电压波形

接了平衡电抗器后，n1、n2间的电位差加在Lp的两端，它补偿了ub'和ua的电动势差，使得ub'和ua相的晶闸管能同时导电。

由于在ωt1时电压ub'比ua高，VT6导通，此电流在流经Lp时，Lp上要感应一电动势up,它的方向是要阻止电流增大。

可以导出平衡电抗器两端电压和整流输出电压的数学表达式如下：

（2-1）

（2-2）

虽然ub'>ua，导致ud1

随着时间推迟至ub'与ua的交点，由于ub'与ua，两管继续导电，此时up=0。

之后ub'ub',电流才从VT6换至VT2。

此时变成VT1、VT2同时导电。

每隔60º有一个晶闸管换相。

每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导电120º。

双反星形电路是两组三相半波电路的并联，所以整流电压平均值与三相半波整流电路的整流电压平均值相等，在不同控制角α时

Ud=1.17U2cosα。

双反星形电路是两组三相半波电路并联，每组三相半波整流电流是负载电流的1/2，所以负载电流为：

Id=2Ud/R

2.2.2控制电路设计

国产集成触发器KC04是KC系列触发器中的一个典型代表，适用单相、三相供电装置中作晶闸管双路脉冲移相触发，其两路相位间隔180º的移相脉冲可方便的构成半控、全控桥式触发线路。

该集成电路具有负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位值均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求不严、有脉冲列调制输入及脉冲封锁控制等优点，在实际线路中有着十分广泛的应用。

KC04的内电路见图2.2.5，与分立器件的锯齿波移相电路相似，由同步、锯齿波形产生、移相控制、脉冲形成、功率放大等部分组成。

图2.2.5KC04内部电路图

图中VT1～VT3等组成同步检测电路，VT5与外接电容C2构成自举式（密勒）积分器为锯齿波产生电路。

同步正弦电压UT由引脚8引入，在UT的正负半周内VT1和VT2、VT3交替导通，使VT1、VT3的集电极在对应的半周内输出低电位使VT4截止，电源经电阻R6、R14为外接电容C2充电，形成线性增大的锯齿波电压。

在UT电压的过零点绝对值小于0.7V范围内，VT1～VT3均截止导至VT4饱和，C2迅速放电，使每半周期的锯齿波电压起点一致。

VT6及外接元件组成脉冲移相环节，引脚9脚输入的移相控制电压UK、偏移电压UP和C2上的锯齿波电压并联迭加，当VT6的基极电压达到0.7时，VT6导通其集电极输出低电平，经引脚11、引脚12外接电容C1微分耦合到VT7的基极使其由饱和转为截止，一个电源周期内，在VT7的集电极得到间隔180º的两组由R12、C1时间常数决定其宽度的高电平脉冲，经VT8、VT12分别封锁其正负半周，由两组功率放大级VT9～VT11和VT13～VT15分别放大后从引脚1、引脚15输出。

引脚13、引脚14为脉冲列调制和脉冲封锁控制端用于三相控制。

KC04的主要技术参数如下：

电源电压±15V（±5%）

电源电流正电流≤15mA负电流≤8mA

同步电压任意值（一般交流30V）

同步输入端允许最大同步电流6mA

移相范围≥170º（同步30V，输入电阻15KΩ）

锯齿波幅度≥10V

输出脉宽度400μs～2ms

输出脉冲幅度≥13V

最大输出能力100mA（输出脉冲电流）

输出管反压≥18V（Ie=100μA）

正负半周脉冲相位不均衡度≤±3º

使用环境温度-10～＋70℃

封装方式16脚陶瓷双列直插式

二、KC04触发器引脚功能

图2.2.6KC04集成电引脚功能图

其引脚功能如图2.2.6所示。

1脚和15分别为正脉冲和负脉冲输出端；3脚和4脚接电容可形成触发脉冲所需的锯齿波；5脚为电源负极输入端；7脚为电源接地端（零电位）；8脚为同步电压输入端；9脚为脉冲移相信号控制端；10脚和12脚接电容控制V7产生脉冲；16脚为电源+15V输入端。

2.2.3保护电路设计

过电流保护：

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。

过电流分过载和短路两种情况。

图2.2.7给出了各种过电流保护措施及其配置位置，其中快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。

一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。

在选择各种保护措施时应注意相互协调。

通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流民快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

图2.2.7过电流保护措施及配置位置

采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。

在选择快熔时应考虑：

1.电等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

2.电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。

快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。

快熔的

值应小于被保护器件的允许

值。

3.为保证熔体在正常过载的情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。

快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。

全保护是指不论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合。

短路保护方式是指快熔只在短路电流较大的区域内起保护作用，此方式下需与其他过电流保护措施相配合。

快熔电流容量的具体选择方法可参考有关的工程手册。

对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。

本次电路设计采用的过电流保护为快速熔断器。

过电压保护：

电力电子装置可能的过电压分为外因过电压和内因过电压。

外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等，包括：

图2.2.8过电压保护措施及配置位置

F—避雷器　D—变压器静电屏蔽层　C—静电感应过电压抑制电容

RC1—阀侧浪涌过电压抑制用RC电路　RC2—阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路

RV—压敏电阻过电压抑制器　RC3—阀器件换相过电压抑制用RC电路

RC4—直流侧RC抑制电路　RCD—阀器件关断过电压抑制用RCD电路

操作过电压：

由分闸、合闸等开关操作引起；

雷击过电压：

由雷击引起。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：

1.换相过电压：

晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压；

2.关断过电压：

全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

主电路抑制过电压的方法：

用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。

对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。

所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。

使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。

由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。

晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。

如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。

因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。

本次电路设计对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护。

电路图如图2.2.9。

图2.2.9电路保护具体措施

2.3元器件型号选择

双反星形电路是两组三相半波电路的并联，所以整流电压平均值与三相半波整流电路的整流电压平均值相等，在不同控制角α时

输出平均电压为：

Ud=1.17U2cosα

Ud为0-20V可调，最小控制角取30度,将α=30º和Ud=20V带入上式计算可得得U2=19.8V，电源接三相电源，故整流变压器变比为

双反星形电路是两组三相半波电路并联，每组三相半波整流电流是负载电流的1/2，因为设计要求的负载最大电流为8000A，则每组三相半波最大整流电流为4000A。

变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为：

将

代入上式可得

由此可求出晶闸管的额定电流为:

将

代入上式可得

晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即：

将

代入可得

可得

整流变压器容量的确定：

根据公式

代入数据可得

根据公式

代入数据可得

则可得

交流侧电容

取

=5A

交流侧电阻

Ω取

=5V

由于晶闸管It（AV）=1472A，

过流保护

查表可得晶闸管的阻容吸收保护电路器件应选:

C=2UfR=2Ω

2.4系统数据分析

本次设计电路整流变压器二次侧为星型接法的两个绕组,a与a’、b与b’、c与c’接在三相变压器的三个铁芯柱上，且匝数相同但同名端位置相反，使Ua与Ua’、Ub与Ub’、Uc与Uc’的电压大小相等、相位差180度。

两个绕阻分别接成两组三相半波共阴极接法的整流电路，通过平衡电抗器Lp并联起来。

这样变压器二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。

据此可知，双反星接电路就是两个三相半波可控整流电路通过平衡电抗器的并联，这样，我们可以对其中一个电路进行仿真测试。

三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起—共阴极接法。

其参数设置为三相交流电源为220V（有效值）相位互差120°，R=10Ω,L=0.03H；晶闸管参数为默认值；选择仿真终止时间为0.06s，采用变步长算法ode23tb（stiff／TR．BDF2）：

α=60°：

此电路特点：

阻感负载，L值很大，id波形基本平直。

：

整流电压波形与电阻负载时相同。

：

如a=60时的波形如图2-3所示。

当u2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。

这种情况下ud波形中出现负的部分，若a增大，ud波形中负的部分将增多，至a=90°时，u波形中正负而积相等，ud的平均值为零。

可见阻感负载时a的移相范围为90°。

经计算可知，此次设计达到设计要求。

图2.4.120V／8000A电解电源整体电路

第3章课程设计总结

电力电子技术既是一门基础技术课程，也是实用性很强的一门课程。

本次电力电子技术课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。

并通过对知识的综合利用，进行必要的分析、比较，从而进一步验证了所学的理论知识。

同时，本次课程设计也为我们以后的学习打下了良好的基础，还让我们知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要有信心，就肯能能完成的。

通过本次电力电子技术课程设计，我们不仅加深了对课本专业知识的理解，同时增强了自己的自学能力。

因为平时上课时只知道被动的学习理论知识，而在此次的设计过程中，我们更进一步的熟悉了单相全波可控电路的原理及其触发电路的设计。

在这个过程中也不是一蹴而就的，我也遇到了各种困难。

但是通过查阅资料、和同学讨论，我及时的发现自己的错误并纠正了。

这也是本次电力电子课程设计的一大收获，使我们的实践动手能力有了进一步的提高，同时也增强了我们对以后学习的信心。

课程设计开始，思绪全无，举步维艰。

对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是重拾教材与实验手册，对知识进行了系统而全面的梳理，而且领悟诸多平时学习难以理解的知识，对于知识的理解更深了一层。

课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在这里我感谢所有给予我帮助的老师和同学，在我遇到困难的时候是他们耐心的帮助我。

我会在以后的学习和生活中发扬不怕苦的精神，努力学习。

参考文献

[1]