课设-(5)20V／8000A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）：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：2014.06.09-2014.06.22本科生课程设计（论文）III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注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算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：年月日本科生课程设计（论文）IV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；本科生课程设计（论文）V目录第1章绪论..........................................................11.1电解电源发展概况.............................................11.2本文研究内容.................................................2第2章20V/8000A电解电源电路设计....................................32.120V/8000A电解电源总体设计方案................................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.......................................................................................82.2.3保护电路设计.....................................................................................102.3元器件型号选择..............................................122.4系统数据分析................................................14第3章课程设计总结.................................................16参考文献............................................................17本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1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，改本科生课程设计（论文）2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。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0～20V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。本科生课程设计（论文）3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。本科生课程设计（论文）42.2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。TabcLRniPLPudidVT2VT6VT4VT1VT3VT5c'a'b'n1n2本科生课程设计（论文）5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。ud1uaubuciaud2ia'uc'ua'ub'uc'OwtOwtOwtOwtId12Id16Id12Id16本科生课程设计（论文）6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