12V8000A电镀电源解读.docx

1、12V8000A电镀电源解读辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目：12V/8000A电镀电源院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气133班 学 号： 130303076 学生姓名： 于明然 指导教师： 孙丽颖 起止时间：2015-12-24至2016-1-3课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 电气学 号130303076学生姓名于明然专业班级电气133班课程设计（论文）题目12V8000A电镀电源课程设计（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012V可调，输出

2、直流电流08000A可调。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、进行matlab仿真。8、完成设计说明书。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理论分析与计算要正确。3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数1、交流电源：三相380V。2、整流输出电压Ud在012V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20300左右。进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论

3、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：确定平波电抗器；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 要电镀电源是将工频交流电变换为不同电压、频率和波形的直流电设备。在晶闸管整流器中主要应用整流技术，在高频开关电源中既应用整流技术又应用逆变技术。电镀电源主要由主电路和控制电路组成。本文设计的12V/8000A电镀电源的主电路主要包括主变压器、功率整流器件和一些检测、保护装置等。其中电镀电源中

4、的主变压器的作用是将交流电源电压降低为电镀工艺所需要的电压值，而晶闸管整流器中使用的是工频变压器。检测装置有电压表、电流互感器等器件。保护装置的作用是用于功率整流器件的过流保护。而控制电路中主要有晶闸管或IGBT等的触发控制电路，电源的软启动电路，过流、过压保护电路和电源缺相保护电路等。关键词：逆变电路；触发控制电路；电路保护第1章 绪论 11.1电镀电源概况 11.2 本文设计内容 2第2章12v/8000a电镀电源电路设计 32.1 12v/8000a电镀电源总体设计方案 32.2 具体电路设计 42.2.1 主电路设计 42.2.2 控制电路设计 52.2.3 保护电路设计 62.3 元

5、器件型号选择 72.3.1 12v/8000a电镀电源参数计算与选择 72.4 系统仿真 92.4.1 12v/8000a电镀电源仿真软件简介 92.4.2 12v/8000a电镀电源仿真模型建立 102.4.3 12v/8000a电镀电源仿真波形及数据分析 11第3章 课程设计总结 12参考文献 13第1章 绪论电力电子技术概况电镀电源是应用电力半导体器件将交流电源变换为直流电源，所以电镀电源又称为电镀整流器。早期使用的电镀电源是直流发电机组，随后出现了硒堆整流器，均因体积大、噪声大，成本及能耗高等原因，被硅整流电源所替代。20世纪60年代随着晶闸管(SCR)的问世和成功应用，使电镀电源得到

6、了快速发展，出现了晶闸管电镀电源，晶闸管在该电源中既作为整流器件又作为调压器件，控制系统采用移相技术，应用闭环Pl调节，使电源具有自动稳压、稳流等功能，而且保护方式灵活，在体积、运行效率、自动控制、调节方式等方面与硅整流设备相比具有较大优势，得到了广泛应用。但晶闸管电镀电源在小电流情况下容易使网侧及负载上的谐波严重，引起电网的波形畸变，从而形成电网“公害”，在电网中需要增加必要的防范措施。20世纪80年代以后，变流装置中的普通晶闸管逐渐被新型器件如电力晶体管(GTR)、场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等取代。以MOSFET和IGBT为功率器件的整流器工作频率可提高至2

7、050kHz，所以该类整流器又称为高频开关电源。其工作过程是将整流后的直流电源，逆变成高频交流电，再经整流后获得直流电源。由于采用的是高频率开关工作模式，所以变压器的体积和器件的功耗大大降低，功率因数和运行效率大大提高，是目前电镀电源的发展方向。随着IGBT器件功率增加、耐压提高和应用技术的日益成熟，IGBT必将在大多领域中取代晶闸管(SCR)，以达到高效、节能目的。目前正在研制的大功率智能功率模块(IPM)，是将电力电子器件和驱动、保护、控制电路集成到一起，从而提高了系统的可靠性与可维护性，进一步降低成本与能耗，必将不断应用至电镀电源中。随着电镀工艺的迅速发展，新的电镀工艺从波形、频率、自动

8、控制、综合功能等方面对电镀电源提出更高的要求。目前，普遍采用的电镀电源按波形可分为脉动直流电源、平滑直流电源、周期换向电源、单向脉冲电源、换向脉冲电源、直流叠加脉冲及智能化多波形电源等，以满足不同电镀工艺需要。综上所述，电镀电源的整体发展趋势是低能耗、无电网污染、高可靠、小体积、高性能和多功能。本文设计内容根据任务书内本文主要是设计冶金工业的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012V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20300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

9、变压器，从而实现电镀工艺。本文设计的12V/8000A电镀电源，是先将380V工频电源通过变压器进行变压，然后通过选取的双反星形可控整流电路对交流电进行整流，将交流电变为直流电，最后通过触发电路，进行调整，调节并选出正确的电流，电压以及控制角。第2章 12V/8000A电镀电源电路设计12V/8000A电镀电源总体设计方案在冶金工业的电镀工艺需要提供低电压大电流可调直流电源。根据任务书设计方案电源装置主要先通过整流变压器，然后经过整流器组成整流设备来从交流电源取得直流电能的装置。图2.1总体设计方案框图具体电路设计 根据任务书要求将工频交流三相电源通过整流变压器和整流电路进行整流。通过触发电路

10、整流输出电压Ud在012V连续可调，整流输出电流最大值8000A，提供对铜的电解或电镀所需的电压和电流。主电路设计电镀等工业设计应用中，需要很大功率的可调直流电源。如果采用三相桥式电路，整流器件的数量有很多，电路连接十分麻烦繁琐并且因为有电阻抗的原因，大大降低了效率。所以经过查阅资料，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。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

11、联起来，而且通过变压器二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化，消除了其他隐患，提高了工作效率。图2.2双反星形可控整流电路在图2.2中，平衡电抗器Lp是从中心抽头出来，在左右两部分绕在同一铁芯上，其中铁芯上的匝数相等，且绕向相同，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，与三相桥式电路比较，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。在图2.3中，两组的相电压相差180，所以相电流也互差180。并且幅值都相等，都是Id/2。对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

12、。因此本电路的利用绕组的极性相反来消除直流磁通势的。图2.3 双反星形电路， =0 时两组整流电压、电流波形在这种并联电路中，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60，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

13、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/2ip。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60，每个管子的平均电流为Id/6。当=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

14、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t1,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2.4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t1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ubua，导致ud1ud2，但由于L

15、p的平衡作用，使得晶闸管VT6和VT1都承受正向电压而同时导通。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ubub,电流才从VT6换至VT2。此时变成VT1、VT2同时导电。每隔60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120。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，在不同控制角时 Ud=1.17U2cos。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 图2.5 取不同值时输出电压波形触发控制电路设

16、计晶闸管触发电路工作原理。当晶闸管的阳极电位高于阴极电位，并在门极与阴极间加一适当的具有一定功率的相。当晶闸管保持导通时，门极就失去了控制作用。因此，在门极与阴极间所加的这个正相电压电流往往是脉冲的形式，以便减小门极损耗。这个正相电压电流称之为触发信号或触发脉冲。触发信号是由触发电路提供的。晶闸管组成的电路种类很多，有可控电路，有源逆变，交流调压，交流变频。斩波电路，无源逆变等电路。这些电路的工作方式不同，对触发电路的要求也就有所不同。即便是同一类工作电路，因控制方式和负载的性质不同，对电路也会有不同的要求。但归纳起来它们对触发电路有如下要求：1，触发信号应有适合的功率。2，触发信号的其实时刻

17、满足主电路的要求。3，触发脉冲要有一定的宽度，以保证晶闸管在需要导通的期间都能可靠开通。本次课设选用KC04触发电路图2.6 KC04触发电路原理图图2.7 KC04引脚功能图1脚，15脚：输出脉冲。4脚：形成锯齿波。7脚：接地。8脚：接同步电压。9脚：锯齿波，Ub，Uc综合比较输入。16脚：接+15V电源。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。快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是各种过电流保护较为常用的措施。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。

18、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。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。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

19、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：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

20、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。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。图2.10 电路保护具体措施元器件型号选择12V/8000A电镀电源参数计算与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

21、流电路的整流电压平均值相等，在不同控制角时输出平均电压为： Ud=1.17U2cosUd为0-12V可调，最小控制角取30度, 将=30和Ud=12V带入上式计算可得得 U2=12.2，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: 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： 又因为 则可得 其中交流侧电容 计算后其

22、中交流侧电阻 计算后由于晶闸管，所以因为过流保护 查表可得晶闸管的阻容吸收保护电路器件应选: C=2Uf R=2由此选择器件，选择GT40Q301型绝缘栅双极晶体管（IGBT），而变压器选择三相隔离变压器，触发电路选择KC04。系统仿真12V/8000A电镀电源仿真软件简介本次课设应用的软件是MATLAB。MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界

23、面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。12V/8000A仿真模型建立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

24、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。如图2.4.1所示其中电阻R为负载，L1，L2为电抗器，晶闸管6个为绝缘栅双极晶闸管(即IGBT)。图2.4.1 12V/8000A MATLAB仿真图12V/8000A仿真波形及数据分析仿真模型参数设置为三相交流电源为220V(有效值)相位互差120，R=10；晶闸管参数为默认值；选择仿真终止时间为0.06s。当=60时此电路特点：id波形基本平直，整流电压波形与电阻负载时相同

25、，如a=60时的波形如图2.4.2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。图2.4.2负载电压波形图第3章 课程设计总结根据任务设计要求，设计了20V/8000A电镀电源的初步电路，它包含了整流电路、控制电路、过电流保护电路。根据电路的设计和计算参数选择了器件，又通实际情况得到正确的所需要的元器件的具体参数

26、。 因为电镀电源是工业中常用的工业电源，其原理是先将工频交流电通过变压器改变其电压，随后通过整流电路，将交流电变成较为稳定的直流电，再通过控制触发电路控制其电压及其电流。得到所需要的电流及电压，用于工业电镀。 电镀工业的实际应用中，需要很大功率的可调直流电源。因此，选择正确的整流电流可以大大降低损耗，提高工作效率。如果采用三相桥式电路，整流器件的数量过多，电路连接十分麻烦繁琐，并且因为有电阻抗的原因，效率较低，所以本文的设计选用了带平衡电抗器的双反星形可控整流电路。与三相桥式电路相比较，带平衡电抗器的双反星形可控整流电路其中铁芯上的匝数相等，且绕向相同，用来保证两组三相半波整流电路能同时并联导

27、通，且每组承担一半负载。因此，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。 经MATLAB仿真后证实，本设计可以产生稳定的可控直流电，符合电镀的要求。参考文献1傅知兰主编. 电力系统电气设备选择与实用计算. 中国电力出版社，2004.2李金伴、陆一心主编. 电气材料手册. 化学工业出版社，2005.3清华大学高压教研组. 高压断路器. 水利电力出版社，1978.4李金刚主编. 基于DSP感应加热电源频率跟踪控制的实现, 20035熊信银主编. 发电厂电气部分.中国电力出版社，2009.6刘学军主编. 继电保护原理.中国电力出版社，2007.7谷水清主编. 电力系统继电保护. 中国

28、电力出版社，2005.8马福主编.雷击变电所地电位干扰及防护措施研究. 长沙理工大学，20099李骏年主编. 电力系统继电保护.中国电力出版社，199226-35.10吴华主编.浅谈总降压变电所的防雷.科技风,2009年，第15期.11解广润主编.电力系统过电压.水利电力出版社，1991.12韩笑主编. 电气工程专业毕业设计指南-继电保护分册. 中国水利水电出版社，13 王兆安主编.电力电子技术.第四版. 机械工业出版社,200314 吕宏主编. 感应加热电源的PWM-PFM控制方法, 2003.115 吴雷主编. 基于DSP大功率中频感应焊机的研究, 2003.416 李金刚主编. 基于DSP感应加热电源频率跟踪控制的实现, 2003.4