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20V8000A电解电源

辽宁工业大学

电力电子技术课程设计（论文）

题目：

20V／8000A电解电源

院（系）：

电子与信息工程学院

专业班级：

电子12

学号：

11042

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

2013.12.16-2013.12.27

课程设计（论文）报告的内容及其文本格式

1、课程设计（论文）报告要求用A4纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括：

①封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、、起止时间等）

②设计（论文）任务及评语

③中文摘要（黑体小二，居中，不少于200字）

④目录

⑤正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）

⑥参考文献

2、课程设计（论文）正文参考字数：

2000字

周数。

3、封面格式

4、设计（论文）任务及评语格式

5、目录格式

①标题“目录”（小二号、黑体、居中）

②章标题（小四号字、黑体、居左）

③节标题（小四号字、宋体）

④页码（小四号字、宋体、居右）

6、正文格式

①页边距：

上2.5cm，下2.5cm，左3cm，右2.5cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm，左侧装订；

②字体：

一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字，小四号字、宋体；

③行距：

20磅行距；

④页码：

底部居中，五号、黑体；

7、参考文献格式

①标题：

“参考文献”，小二，黑体，居中。

②示例：

（五号宋体）

期刊类：

[序号]作者1,作者2,……作者n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:

页次.

图书类：

[序号]作者1,作者2,……作者n.书名.版本.出版地:

出版社，出版年:

页次.

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电子与信息工程学院教研室：

电子信息工程

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；

第1章绪论

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。

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

20V/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。

具体电路设计

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2.3双反星形电路，α=0º时两组整流电压、电流波形

在图2.3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2.4a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2.4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2.4a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2.4a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2.5α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

控制设计

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1，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2KC04集成电引脚功能图

其引脚功能如图2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。

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9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2.8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2.9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2.10。

图2.10电路保护具体措施

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

=5

交流侧电阻

Ω取

=5

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

系统调试或仿真、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。

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