12V8000A电镀电源设计说明书资料

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：指导教师：职称专业：班级：完成时间：2015年7月I摘要在冶金工业的电镀工艺中常需要提供低电压大电流可调直流电源。为应用于实际生产，需要设计输出直流电压0~12V可调，输出直流电流0~8000A可调的低电压大电流直流电镀电源。首先分析了电镀电源的设计要求和低电压大电流可调直流电源的工作原理。确定了带平衡电抗器的双反星可控整流电路的总体方案，对主电路、控制电路、保护电路等单元电路进行了设计和参数的计算，选择和校验了KP4000晶闸管、SG-50KVA变压器、平衡电抗器、负载电阻和电抗等元器件。最后利用MATLAB仿真软件建立了Simulink仿真模型，并进行了Simulink仿真，仿真的结果能实现电压在0~12V可调，且输出电流为0~8000A，证明完成了设计任务要求，满足设计的技术参数要求。关键词：电镀电源；主电路；控制电路；保护电路；仿真II目录1主电路设计.......................................................11.1课题背景与意义.............................................11.2发展现状...................................................21.3设计主要任务...............................................22主电路设计.......................................................32.1设计原始数据...............................................32.2电路原理图.................................................32.3参数计算与器件选择.........................................32.3.1可控整流晶闸管的选取................................42.3.2变压器的选取........................................42.3.3平衡电抗器的选取....................................52.3.3负载电阻的选取......................................53控制电路的设计...................................................63.1KJ004的工作原理............................................63.2基于KJ004的触发电路设计...................................74保护电路设计.....................................................94.1过电压保护电路设计.........................................94.1.1主电路器件保护电路..................................94.1.2RC参数的计算......................................94.2过电流保护电路设计........................................104.2.1快速熔断器保护电路..................................104.2.2快速熔断器参数的确定................................105仿真分析........................................................115.1MATLAB软件介绍............................................115.2仿真模型建立..............................................115.3仿真结果分析..............................................135.3.1参数设置...........................................135.3.2仿真结果分析.......................................15结束语.............................................................18III参考文献...........................................................19致谢.............................................................20附录.............................................................21附录A12V/8000A电镀电源电路图...............................2111绪论1.1课题背景与意义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。电镀电源主要应用于铝、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。电镀电源特点：（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，且需要控制电路调节触发脉冲，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。21.2发展现状随着电子工业的发展，电镀电源从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，而在电镀等工业应用中，经常需要低电压大电流（例如几时伏，几千至几万安）的可调直流电源。在这种情况下，可采用带平衡电抗器的双反星可控整流电路，这种电路符合电镀电源低电压大功率的基本要求。主电路结构由两组三相半波电路并联，晶闸管阳极并联与负载连接，二次侧两组变压器并联分别连接到平衡电抗器两侧。控制方式采用集成触发器产生脉冲对晶闸管的导通进行控制。低电压大电流电路目前的最大功率可达到12000W。1.3设计主要内容设计主要内容是设计一个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。为冶金工业的电镀工艺提供低电压大电流可调直流电源。此次的设计任务首先是根据课程设计题目对整体方案的技术进行论述，构造整体设计方案结构框图，然后是对带平衡电抗器的双反星形可控整流的主电路进行设计、分析，接着分别对各部分电路进行的功能进行具体描述、说明，根据课程设计要求和给出的数据进行计算，求出整流器件参数，根据计算结果选择整流器件具体型号，确定整流变压器变比及容量，最后则是对整流电路的建模与仿真。各章节的内容安排如下：第1章绪论，主要写了电解电源在现代工业中的发展历程，并对其发展现状也做了简单的说明。第2章主电路设计，主要写了主电路的设计原始数据、电路原理图和参数的相关计算与器件选择。第3章控制电路的设计，主要写了控制芯片的介绍和外围电路的设计。第4章保护电路设计，主要写了保护电路的简介、过电压保护电路和过电流保护电路的设计。第5章仿真分析，主要写了MATLAB软件介绍、仿真模型建立和仿真结果分析。32主电路设计2.1设计原始数据与主电路原理图2.1.1设计原始数据（1）输入电压380V；（2）输出直流电压调整范围0～12V；（3）输出直流调整范围0～8000A。2.1.2主电路原理图图112V/8000A电镀电源主电路2.2参数计算与器件选择根据带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的输出电压和电流的计算公式以及设计所要求指标，通过计算可以得到各元器件的参数。2.2.1可控整流晶闸管的选取平衡电抗器两端电压的数学表达式如下（1）式所示：12ddpuuu（1）整流输出电压的数学表达式如下（2）式所示：4)(2121212112ddpdpdduuuuuuu（2）将1du和2du的波形用傅氏级数展开，可得当=0时1du和2du，即...]6cos3523cos411[17.121ttUud（3）...]9cos4016cos352cos411[17.12tttud（4）由式（1）和（2）可得...]9cos2013cos21[17.12ttUup（5）...]6cos3521[17.1tud（6）在负载为阻感负载时，控制角的移相范围为90，双反星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cos17.12UUd（7）根据设计要求，在=0时，dU=12V时，代入（7）式，可得变压器二次侧相电压2U为：V2.1017.112cos17.12dUU（8）变压器二次侧电流即晶闸管的有效值为：A23084000577.02312dII（9）流过每个晶闸管的平均电流为：A3.1333312ddvtII（10）晶闸管承受的最大反向电压为：V99.242.1045.262UUFM（11）考虑安全裕量时，晶闸管的额定电压和额定电流分别为：V97.74~98.49V99.24)3~2()3~2(FMNUU（12）A1.2940~1.220557.12308)2~5.1(57.1)2~5.1(VTNII（13）根据晶闸管的额定电压和额定电流可选择型号为KP4000的普通晶闸管，其规格参数为额定正向平均电流4000A，反向重复峰电压为500-4000V，控制方向为单向，功率特性为大功率。5