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电镀电源

《电力电子技术》课程设计说明书

12V/8000A电镀电源设计

学院：

电气与信息工程学院

学生姓名：

刘发星

指导教师：

董恒职称/学位硕士

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气本1201

学号：

1230120153

完成时间：

2015年6月

湖南工学院电力电子课程设计课题任务书

学院：

电气与信息工程学院专业：

电气工程及其自动化专业

指导教师

董恒

学生姓名

刘发星

课题名称

12V/8000A电镀电源设计

内容及任务

一、设计任务

设计一个12V/8000A电镀电源，已知交流电源：

三相380V，整流输出电压在0～12V连续可调，整流输出电流最大值：

8000A。

二、设计内容

1、关于本课程学习情况简述；

2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；

3、控制电路的设计；

4、保护电路的设计；

5、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。

主要参考资料

[1]王兆安,王俊编.电力电子技术（第5版）.北京:

机械工业出版社,2012

[2]黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:

机械工业出版社,1991

[3]李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:

机械工业出版社,1996

教研室

意见

教研室主任：

（签字）

年月日

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个晶闸管整流，Buck变换器降压。

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；电镀；Buck变换器

目录

1.绪论.............................................................1

1.1电镀电源发展概况.............................................1

1.1.1电镀电源的发展历史及现状..............................1

1.2本文研究内容.................................................2

2.12V/8000A电镀电源电路设计........................................3

2.112V/8000A电镀电源总体设计方案...............................3

2.2各个部分电路设计4

2.2.1主电路设计.............................................4

2.2.2主电路原理说明.........................................5

2.2.3主电路参数的计算.......................................9

2.2.4降压斩波电路设计......................................10

2.2.5降压斩波电路参数的计算................................13

2.2.6三相桥式全控触发器设计................................14

2.2.7降压斩波控制器的设计..................................16

2.2.8保护电路设计..........................................20

2.3元器件型号选择..............................................22

3.系统调试或仿真、数据分析.........................................24

3.1系统仿真的改进..............................................26

结束语............................................................28

参考文献...........................................................29

致谢...............................................................30

1.绪论

1.1电镀电源发展概况

20世纪后期,随着现代科技的迅速发展,电镀技术有了很大的进步,特别是在电镀过程中引进诸多物理因素如:

磁场、声场、温度、电流波形及频率、溶液流速和振动等,使镀层质量和电镀效率有了明显提高。

所有这些变化,对电镀设备及其相关的配套装置和元器件的性能、质量和品种提出了新的更加严格的要求。

电镀电源属于低压大电流设备,要求操作简便,能承受输入端的突变和输出端短路及过载的冲击。

同时电源是电镀行业最主要的能量消耗者,因此,高品质的电源是电镀业节能增效的决定性因素,同时对电网的绿色化有重要影响。

本文回顾了电镀电源的发展历史;阐述其研究现状,并分析电镀电源的发展趋势和方向。

1.1.1电镀电源的发展历史及现状

电镀电源的发展大致经历了4个阶段:

第1阶段为早期的交流-直流发电机组,开始于前苏联,由于经过2次能量转换过程（电能、机械能、电能）,机组效率低于60%,噪声大且换向器维修不方便,这类变流设备现在已被列入淘汰产品行列,但在电镀行业仍有少量单位使用该类高能耗设备。

第2阶段为20世纪50年代的硒整流器和20世纪60年代的硅整流器,采用变压器原边抽头或用调压器、饱和电抗器方式调压,副边用硒或硅二极管整流作为电镀电源。

这类电源在我国电镀电源中占有一定比例,20世纪80年代占70%左右,如GDA,GDAJ2F,GDS等系列,目前,仍有部分生产和应用。

该类电源结构简单,造价低,但都存在体积大,笨重和输出指标低,精度差和效率低等缺点。

第3阶段是20世纪70年代晶闸管整流器,其性能指标比前2代产品有较大改善。

采用了五芯柱变压器、高压大功率晶闸管等新技术,并出现了恒压、恒流和恒电流密度等新特性。

但是由于还是使用工频变压器和工作在低频段,所以整流器体积大,重量重,效率较低,性能的进一步提高也受到电源体积的限制。

近年来,以现代电力电子技术的高速发展为基础,国内外相继研制出电镀用第4代直流电镀电源2高频开关电源。

与传统工频整流电源相比,开关电源具有高效节能,重量轻,体积小,动态性能好,适应性强,有利于实现工艺过程自动化和智能化控制等显著的优点。

因此,大功率开关电源具有广泛的应用前景,是当前国内外研究、开发、应用的主流和方向。

但是,开关电源特别是大功率硬开关电源在可靠性、稳定性、效率等方面的缺点成为制约其应用和发展的“瓶颈”,按照传统电源的设计思路和解决办法,不能从根本上解决其所面临的诸多问题。

高频开关型电镀电源目前主要局限于1500A以下的中小功率领域,在国内也只有少量厂家生产,从技术角度看主要限于硬开关变换模式和模拟控制方式,具有明显的局限性,同焊接等领域全面推广应用开关式电源的情况具有较大差距。

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。

1.2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0～12V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。

2.12V/8000A电镀电源电路设计

2.112V/8000A电镀电源总体设计方案

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，经过整流变压器降压至20V，再由整流电路整流，降压斩波电路输出电压Ud在0～12V连续可调，经过整流电路和降压斩波输出电流最大值8000A，根据实际工作情况，触发电路使得整流输出电流在0～8000A连续可调。

2.2各个部分电路设计

2.2.1主电路设计

电解电镀等工业设计应用中，经常采用三相桥式全控整流电路，其原理图如图2。

我们习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（SCR1、SCR3、SCR5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（SCR4、SCR6、SCR2）称为共阳极组。

此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为SCR1、SCR3、SCR5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为SCR4、SCR6、SCR2。

从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为SCR1－SCR2－SCR3－SCR4－SCR5－SCR6。

图2三相桥式全控整流电路

2.2.2主电路原理说明

整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。

假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。

此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。

而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。

这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。

此时电路工作波形如图3所示。

图3反电动势α=0o时波形

α=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。

由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。

在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。

从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud=ud1－ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。

直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。

由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。

流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。

当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。

电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。

为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60o，如图3所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表1所示。

由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为SCR1－SCR2－SCR3－SCR4－SCR5－SCR6。

表1三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o时晶闸管工作情况

时段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ

共阴极组中

导通的晶闸管SCR1SCR1SCR3SCR3SCR5SCR5

共阳极组中

导通的晶闸管SCR6SCR2SCR2SCR4SCR4SCR6

整流输出电压udUa-UbUa-UcUb-UcUb-UaUc-UaUc-Ub

=Uab=Uac=Ubc=Uba=Uca=Ucb

图4给出了α=30o时的波形。

从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝0o时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。

区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30o,组成ud 的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。

晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。

图中同时给出了变压器二次侧a相电流 ia 的波形，该波形的特点是，在SCR1处于通态的120o期间，ia为正，由于大电感的作用，ia波形的形状近似为一条直线，在SCR4处于通态的120o期间，ia波形的形状也近似为一条直线，但为负值。

图4α=30o时的波形

由以上分析可见，当α≤60o时，ud波形均连续，对于带大电感的反电动势，id波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。

当α＞60o时，如α＝90o时电阻负载情况下的工作波形如图5所示，ud平均值继续降低，由于电感的存在延迟了SCR的关断时刻，使得ud的值出现负值，当电感足够大时，ud中正负面积基本相等，ud平均值近似为零。

这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的α角的移相范围为90度。

图5α取不同值时输出电压波形

2.2.3主电路参数的计算

三相桥式全控整流电路中，整流输出电压的波形在一个周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。

此外，因为所以电压输出波形是连续的，以线电压的过零点为时间坐标的零点，可得整流输出电压连续时的平均值为。

（1）

整流电路输出时的输出波形如图6所示。

图6整流电路输出是的波形

如图6所示，从ωt1时刻开始把一个周期等分为6份，在Wt1时刻共阴极组SCR1晶闸管接受到触发信号导通，此时阴极输出电压Ud1为幅值最大的a相相电压；到Wt2时刻下一个触发脉冲到来，此时a相输出电压降低，b相输出电压升高，于是阴极输出电压变为b相相电压；到Wt3时刻第三个脉冲到来，晶闸管SCR1关断而晶闸管SCR2导通，输出电压为此时最高的c相相电压；重复以上步骤，即共阴极组输出电压Ud1为在正半周的包络线。

共阳极组中输出波形原理与共阴极组一样，只是每个触发脉冲比阴极组中脉冲相差180度。

6个时段的导通次序如表1所示一样，只是Wt1从零时刻往后推迟30度而已。

这样就得出最后输出整流电压为共阴极组输出电压与共阳极组输出电压的差即

（2）

而由于电路中大电感L的作用，输出的电流为近似平滑的一条直线。

图中同时给出了变压器二次侧a相电流 ia 的波形，该波形的特点是，在SCR1处于通态的120o期间，ia为正，由于大电感的作用，ia波形的形状近似为一条直线，在SCR4处于通态的120o期间，ia波形的形状也近似为一条直线，但为负值。

2.2.4降压斩波电路设计

降压式（Buck）变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。

图7给出了它的电路图。

Buck变换器的主电路由开关管T，二极管D，输出滤波电感L和输出滤波电容C构成。

这种电路，电源是电压源性质，负载为电流源性质。

电路完成把直流电压Us转换为较低的直流电压Uo的功能。

图7Buck变换器

Buck变换器的两个工况如图8所示。

为了分析稳态特性，假定开关管，二极管是理想元件，电容，电感是理想元件。

定义开关管导通时间Ton与开关周期Ts的比值为占空比，用Dc表示。

（3）

图8上图为主开关导通下图为二极管续流

根据电感电流是否连续，Buck变换器有3种工作模式—连续导电模式，不连续导电模式和临界状态。

电感电流连续是指输出滤波电感L的电流总大于零。

电感电流断续是指在关断期间有一段时间流过电感的电流为零。

这两种方式之间有一个工作边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关管关断期末，滤波电感的电流刚好降为零。

它们的工作波形有较大差异，图9是前两种工作模式的波形图。

图9Buck变换器工作波形

a．Buck电路连续工作模式

b．Buck电路不连续工作模式

Buck变换器连续导电模式：

主开关导通时，Buck变换器工作在图8上图的状态。

电源电压通过T加到二极管D的两端，二极管D反向截止。

电流流过电感，稳态时输入输出电压保持不变，则电感两端电压极性为左正，右负，忽略管压降有uL=Us–Uo。

由于储能电感的时间常数远大于开关周期。

因而在该电压下输出滤波电感电流iL可近似为线性增长，直到t1时刻，iL达到最大值Imax。

电感电流线性上升的增量为：

（4）当主开关截至时，Buck变换器工作在图8下图的状态。

电感两端的电压极性为左负，右正，二极管导通续流，忽略管压降有uL=Uo，同样可认为电感中电流iL可近似认为是线性下降，下降的量的绝对值为：

（5）

当电路工作在稳态时，电感电流iL波形必然周期性重复，开关管T导通期间电感中的电流增加量等于其截止时电感中的电流的减少量。

可得：

（6）

由公式（6）可知，改变输出电压的办法既可以调整输入电压，也可以改变占空比。

在输出电压一定的情况下，改变占空比则可控制输出平均电压。

Buck变换器电感电流不连续导电模式：

当电感较小，负载电阻较大，则负载电路的时间常数较小，或当开关周期Ts较大时，将出现电感电流已下降到0，但新的周期却未开始的情况下：

在新周期里，电感电流从0开始线性增加，工作波形如图9b所示。

2.2.5降压斩波电路参数的计算

电感电流连续的临界条件

如果在Ts时刻电感电流iL刚好降到零，则称之为电感电流连续和断续的临界工作状态。

此时负载电流Io和iL间的关系为：

△iL=2Io（7）

其中：

Io=Uo/R（8）

联立上式，可确定电感值：

（9）式中Po–输出功率（W），Po=UoIo。

纹波电压△Uo及电容计算

流经电容的电流ic=iL–Io对电容充电产生的电压△Uo称为纹波电压。

纹波电压△Uo与参数的关系表达式为：

（10）

则根据需要的纹波电压和其他参数可求得电路的电容：

（11）

2.2.6三相桥式全控触发器设计

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。

一．工作原理

KC04的内电路见图10，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10KC04内部结构电路

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。

二．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

三．KC04触发器引脚功能

图11KC04集成电引脚功能图

其引脚功能如图11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。

2.2.7降压斩波控制器的设计

常见的斩波电路其控制方式有3种：

PWM脉冲宽度调制，频率调制，混合调制。

本次设计采用PWM脉冲宽度调制。

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

集成脉宽调制器SG3525是美国硅通用公司的第2代产品，它是一种性能优良、功能齐全、通用性强的单片集成PWM控制器。

SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照反馈电流调节脉宽。

在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。

由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

一．SG3525功能框图如图12所示：

图12SC3525功能框图

1．Inv.input（脚1）：

误差放大器反向输入端。

在闭环系统中，该引脚接反馈信号。

在开环系统中，该端与补偿信号输入端（脚9）相连，可构成跟随器。

2．Noninv.input（脚2）：

误差放大器同向输入端。

在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。

根据需要，在该端与补偿信号输入端（脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型