课程设计-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）：电气工程学院专业班级：学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：_____________本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：电气注：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设计题目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。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。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。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）II摘要本文设计一个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。本次设计的双反星形电路由两组三相半波整流电路组成。将交流电压整流为直流电压,并将它加到负载中。而晶闸管的导通这是由触发电路产生的触发脉冲来触发其导通。通过移相方式来调节主电路输出电压脉冲的宽度。由于晶闸管整流过程中会产生过电压,过电流,故又对单相全波可控整流电路设计了一套保护电路。在进行主电路的设计时,根据主电路输入,输出的参数来确定各个电力电子器件的参数。并进行器件的选择,以使设计的主电路能够达到要求的技术标准。并完成相应的功能。关键词：双反星形电路；晶闸管；触发电路；保护电路本科生课程设计（论文）III目录第1章绪论..........................................................11.1电力电子技术概况.............................................11.2本文设计内容.................................................2第2章电解电源电路设计..............................................12.1电解电源总体设计方案.........................................12.2具体电路设计.................................................22.2.1主电路设计.............................................22.2.2控制电路设计...........................................62.2.3保护电路设计...........................................72.3元器件型号选择..............................................122.4系统调试或仿真、数据分析....................................13第3章课程设计总结.................................................15参考文献............................................................16本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1电力电子技术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，本科生课程设计（论文）2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。1.2本文设计内容本文研究内容是将一三相380V交流电源经整流输出0—20V连续可调电压，整流输出电流最大值8000A。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。本文的设计任务首先是根据课程设计题目对整体方案的经济技术进行论述，构造整体设计方案结构框图，然后是对双反星形整流电路的主电路进行设计、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。本科生课程设计（论文）1第2章电解电源电路设计2.1电解电源总体设计方案系统总体结构图2.1系统总结构变压器是一种静止电机，他可将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。从电力的生产，输送，分配到各用电户，采用着各式各样的变压器。首先，从电力系统来讲，变压器就是种主要设备。变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。整流电路作用是将交流电能转变为直流电能供给直流用电设备。它在直流电动机的调速、同步发电机的励磁调节、通信系统电源、电解、电镀等领域得到广泛应用。触发电路作用是对相控电路相位控制的电路总称。为保证相控电路的正常工作，很重要的一点就是要保证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。变压器整流电路滤波电路负载触发电路本科生课程设计（论文）22.2具体电路设计2.2.1主电路设计图2.2带平衡电抗器的双反星形可控整流电路图整流变压器的二次侧每相有两个匝数相同，极性相反的绕组，分别接成两组三相半波电路，即a、b、c一组，'a、'b、'c一组。a与'a绕在同一相铁心上，图2.2中“·”表示同名端。同样b与'b，c与'c都绕在同一相铁心上，故得名双反星形电路。变压器二次测量绕组的极性相反可消除铁心的直流磁化，设置电感量为pL的平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电，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。当两组三相半波电路的控制角＝0o时，两组整流电压电流的波形如图2.3所示。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dI/2。以相而言，相电流ai与'ai出现的时刻虽不同，但它们的平均值都是本科生课程设计（论文）3dI/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。因此本电路是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，=0o,时两组整流电压，电流波形两个直流电源并联时，只当输出电压的平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流。双反星型电路中，虽然两组整流电压的平均值1dU和2dU是相等的，但是他们的脉动波相差60,他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1n和2n间的电压便等于1du和2du之差。其波形是三倍频的近似三角波。电感作用为了使两组电流竟可能的平均分配，一般是pL足够大，以便限制环流在负载额定电流的1%~2%以内。其波形是三倍频的近似三角波，如图2.4b）所示。这个电压加在平衡电抗器pL，上面，产生相应的交流电流pi，而pi通过2个星型绕组自成回路，不会到达负载上，故称平衡电流。在图2.2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，每管最大的导通角为60o，每管的平均电流为dI/6。当＝0时，六相半波整流电路的dU为1.352U，比三相半波时的1.172U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中晶闸管导电时间短，变压器利用率低，故极少采用。可见，双反星形电路与六相半波电路的区别就在于有无平衡电抗器，对平衡电抗器作用的理解是掌握双反星形电路原理的关键。本科生课程设计（论文）4图2.4平衡电抗起作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压波形以下就分析由于平衡电抗器的作用，使得两组三相半波整流电路同时导电的原理。在图2.4a)中取任一瞬间如1t，这时au及均为正值，然而大于au，如果两组三相半波整流电路中点1n和2n直接相连，则必然只有'b相的晶闸管能导电。接了平衡电抗器后,1n、2n间的电位差加在pL的两端，它补偿了'bu和au的电