12V8000A電鍍電源

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計（論文）題目：12V/8000A電鍍電源院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣133班 學(xué) 號： 130303076 學(xué)生姓名： 于明然 指導(dǎo)教師： 孫麗穎 起止時間：2015-12-24至2016-1-3課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 電氣學(xué) 號130303076學(xué)生姓名于明然專業(yè)班級電氣133班課程設(shè)計（論文）題目12V8000A電鍍電源課程設(shè)計（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)功能為冶金工業(yè)的電解和電鍍工藝提供低電壓大電流可調(diào)直流電源。輸出直流電壓012V可調(diào)，輸出直流電流08000A可調(diào)。設(shè)

2、計任務(wù)1、方案的經(jīng)濟技術(shù)論證。2、主電路設(shè)計。3、通過計算選擇整流器件的具體型號。4、若采用整流變壓器，確定變壓器變比及容量。5、觸發(fā)電路設(shè)計或選擇。6、繪制相關(guān)電路圖。7、進行matlab仿真。8、完成設(shè)計說明書。要求1、 文字在4000字左右。2、 文中的理論分析與計算要正確。3、 文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術(shù)參數(shù)1、交流電源：三相380V。2、整流輸出電壓Ud在012V連續(xù)可調(diào)。3、整流輸出電流最大值8000A。4、用于銅的電解或電鍍。5、根據(jù)實際工作情況，最小控制角取20300左右。進度計劃第1天：集中學(xué)習(xí)；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主電路設(shè)計

3、；第5天：選擇器件；第6天：確定變壓器變比及容量；第7天：確定平波電抗器；第8天：觸發(fā)電路設(shè)計；第9天：總結(jié)并撰寫說明書；第10天：答辯指導(dǎo)教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要電鍍電源是將工頻交流電變換為不同電壓、頻率和波形的直流電設(shè)備。在晶閘管整流器中主要應(yīng)用整流技術(shù)，在高頻開關(guān)電源中既應(yīng)用整流技術(shù)又應(yīng)用逆變技術(shù)。電鍍電源主要由主電路和控制電路組成。本文設(shè)計的12V/8000A電鍍電源的主電路主要包括主變壓器、功率整流器件和一些檢測、保護裝置等。其中電鍍電源中的主變壓器的作用是將交

4、流電源電壓降低為電鍍工藝所需要的電壓值，而晶閘管整流器中使用的是工頻變壓器。檢測裝置有電壓表、電流互感器等器件。保護裝置的作用是用于功率整流器件的過流保護。而控制電路中主要有晶閘管或IGBT等的觸發(fā)控制電路，電源的軟啟動電路，過流、過壓保護電路和電源缺相保護電路等。關(guān)鍵詞：逆變電路；觸發(fā)控制電路；電路保護目 錄第1章 緒論11.1電鍍電源概況11.2 本文設(shè)計內(nèi)容2第2章12V/8000A電鍍電源電路設(shè)計32.1 12V/8000A電鍍電源總體設(shè)計方案32.2 具體電路設(shè)計42.2.1 主電路設(shè)計42.2.2 控制電路設(shè)計52.2.3 保護電路設(shè)計62.3 元器件型號選擇7 12V/8000A

5、電鍍電源參數(shù)計算與選擇72.4 系統(tǒng)仿真9 12V/8000A電鍍電源仿真軟件簡介9 12V/8000A電鍍電源仿真模型建立10 12V/8000A電鍍電源仿真波形及數(shù)據(jù)分析11第3章 課程設(shè)計總結(jié)12參考文獻13第1章 緒論1.1 電力電子技術(shù)概況電鍍電源是應(yīng)用電力半導(dǎo)體器件將交流電源變換為直流電源，所以電鍍電源又稱為電鍍整流器。 早期使用的電鍍電源是直流發(fā)電機組，隨后出現(xiàn)了硒堆整流器，均因體積大、噪聲大，成本及能耗高等原因，被硅整流電源所替代。20世紀(jì)60年代隨著晶閘管(SCR)的問世和成功應(yīng)用，使電鍍電源得到了快速發(fā)展，出現(xiàn)了晶閘管電鍍電源，晶閘管在該電源中既作為整流器件又作為

6、調(diào)壓器件，控制系統(tǒng)采用移相技術(shù)，應(yīng)用閉環(huán)Pl調(diào)節(jié)，使電源具有自動穩(wěn)壓、穩(wěn)流等功能，而且保護方式靈活，在體積、運行效率、自動控制、調(diào)節(jié)方式等方面與硅整流設(shè)備相比具有較大優(yōu)勢，得到了廣泛應(yīng)用。但晶閘管電鍍電源在小電流情況下容易使網(wǎng)側(cè)及負(fù)載上的諧波嚴(yán)重，引起電網(wǎng)的波形畸變，從而形成電網(wǎng)“公害”，在電網(wǎng)中需要增加必要的防范措施。 20世紀(jì)80年代以后，變流裝置中的普通晶閘管逐漸被新型器件如電力晶體管(GTR)、場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等取代。以MOSFET和IGBT為功率器件的整流器工作頻率可提高至2050kHz，所以該類整流器又稱為高頻開關(guān)電源。其工作過程

7、是將整流后的直流電源，逆變成高頻交流電，再經(jīng)整流后獲得直流電源。由于采用的是高頻率開關(guān)工作模式，所以變壓器的體積和器件的功耗大大降低，功率因數(shù)和運行效率大大提高，是目前電鍍電源的發(fā)展方向。隨著IGBT器件功率增加、耐壓提高和應(yīng)用技術(shù)的日益成熟，IGBT必將在大多領(lǐng)域中取代晶閘管(SCR)，以達到高效、節(jié)能目的。目前正在研制的大功率智能功率模塊(IPM)，是將電力電子器件和驅(qū)動、保護、控制電路集成到一起，從而提高了系統(tǒng)的可靠性與可維護性，進一步降低成本與能耗，必將不斷應(yīng)用至電鍍電源中。隨著電鍍工藝的迅速發(fā)展，新的電鍍工藝從波形、頻率、自動控制、綜合功能等方面對電鍍電源提出更高的要求。目前，普遍采

8、用的電鍍電源按波形可分為脈動直流電源、平滑直流電源、周期換向電源、單向脈沖電源、換向脈沖電源、直流疊加脈沖及智能化多波形電源等，以滿足不同電鍍工藝需要。  綜上所述，電鍍電源的整體發(fā)展趨勢是低能耗、無電網(wǎng)污染、高可靠、小體積、高性能和多功能。第1章 TC01.2 本文設(shè)計內(nèi)容根據(jù)任務(wù)書內(nèi)本文主要是設(shè)計冶金工業(yè)的電鍍工藝提供低電壓大電流可調(diào)直流電源。交流側(cè)電源取三相380V，要求整流輸出電壓Ud在012V連續(xù)可調(diào)，整流輸出電流最大值8000A，根據(jù)實際工作情況，最小控制角取20300左右。這種電源裝置主要由整流變壓器與整流器組成整流設(shè)備以便從交流電源取得直流電能的變壓器，從而

9、實現(xiàn)電鍍工藝。本文設(shè)計的12V/8000A電鍍電源，是先將380V工頻電源通過變壓器進行變壓，然后通過選取的雙反星形可控整流電路對交流電進行整流，將交流電變?yōu)橹绷麟?，最后通過觸發(fā)電路，進行調(diào)整，調(diào)節(jié)并選出正確的電流，電壓以及控制角。第2章 12V/8000A電鍍電源電路設(shè)計2.1 12V/8000A電鍍電源總體設(shè)計方案在冶金工業(yè)的電鍍工藝需要提供低電壓大電流可調(diào)直流電源。根據(jù)任務(wù)書設(shè)計方案電源裝置主要先通過整流變壓器，然后經(jīng)過整流器組成整流設(shè)備來從交流電源取得直流電能的裝置。圖2.1總體設(shè)計方案框圖2.2 具體電路設(shè)計 根據(jù)任務(wù)書要求將工頻交流三相電源通過整流變壓器和整流電路進行整流。通過觸發(fā)

10、電路整流輸出電壓Ud在012V連續(xù)可調(diào)，整流輸出電流最大值8000A，提供對銅的電解或電鍍所需的電壓和電流。2.2.1 主電路設(shè)計電鍍等工業(yè)設(shè)計應(yīng)用中，需要很大功率的可調(diào)直流電源。如果采用三相橋式電路，整流器件的數(shù)量有很多，電路連接十分麻煩繁瑣并且因為有電阻抗的原因，大大降低了效率。所以經(jīng)過查閱資料，可采用帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路，如圖2.2所示。整流變壓器二次側(cè)為星型接法的兩個繞組,a與a、b與b、c與c接在三相變壓器的三個鐵芯柱上，且匝數(shù)相同但同名端位置相反，使Ua與Ua、Ub與Ub、Uc與Uc的電壓大小相等、相位差180度。兩個繞阻分別接成兩組三相半波共陰極接法的整流電路，通過

11、平衡電抗器Lp并聯(lián)起來，而且通過變壓器二次側(cè)兩繞組的極性相反可消除鐵芯的直流磁化，消除了其他隱患，提高了工作效率。圖2.2雙反星形可控整流電路在圖2.2中，平衡電抗器Lp是從中心抽頭出來，在左右兩部分繞在同一鐵芯上，其中鐵芯上的匝數(shù)相等，且繞向相同，來保證兩組三相半波整流電路能同時并聯(lián)導(dǎo)通，每組承擔(dān)一半負(fù)載。因此，與三相橋式電路比較，在采用相同晶閘管的條件下，雙反星形電路的輸出電流可大一倍。在圖2.3中，兩組的相電壓相差180º，所以相電流也互差180º。并且幅值都相等，都是Id/2。對a相而言，相電流ia與ia，出現(xiàn)的時刻雖不同，但他們的平均值都是Id/6。因為平均電流相

12、等而繞組的極性相反，所以直流安匝互相抵消。因此本電路的利用繞組的極性相反來消除直流磁通勢的。圖2.3 雙反星形電路， =0º 時兩組整流電壓、電流波形在這種并聯(lián)電路中，在兩個星形的中點間接有帶中間抽頭的平衡電抗器，這是因為兩個直流電源并聯(lián)運行時，只有當(dāng)兩個電源的電壓平均值和瞬時值均相等時，才能是負(fù)載電流平均分配。在雙反星形電路中，雖然兩組整流電壓的平均值Ud1和Ud2是相等的，但是它們的脈動波相差60º，它們的瞬時值是不同的，如圖2.4a所示。現(xiàn)在把六個晶閘管的陰極連接在一起，因而兩個星形的中點n1和n2間的電壓便等于ud1和ud2之差。其波形是三倍頻的近似三角波，如圖3b

13、所示。這個電壓加在平衡電抗器Lp上，產(chǎn)生電流ip,它通過兩組星形自成回路，不流到負(fù)載中去，稱為環(huán)流或平衡電流?？紤]到ip后，每組三相半波承擔(dān)的電流分別為Id/2±ip。為了使兩組電流盡可能平均分配，一般使Lp值足夠大，以便限制環(huán)流在其負(fù)載額定電流的1%2%以內(nèi)。在圖2.2所示的雙反星形電路中，如不接平衡電抗器，即成為六相半波整流器電路，在任一瞬間只能有一個晶閘管導(dǎo)電，其余五個晶閘管均承受反壓而阻斷，每個管子的最大導(dǎo)通角為60º，每個管子的平均電流為Id/6。當(dāng)=0時，六相半波整流電路的Ud為1.35U2，比三相半波是的1.17U2略大些，其波形如圖2.4a的包絡(luò)線所示，由于

14、六相半波整流電路因晶閘管導(dǎo)電時間短，變壓器利用率低，顧及少采用?？梢?，雙反星形與六相半波電路的區(qū)別在于有無平衡電抗器。在圖2.4a中取任一瞬間如t1,這時ub'及ua均為正值，然而ub'大于ua,如果兩組三相半波整流電路中點n1和n2直接相連，則必然只有b'相的晶閘管能導(dǎo)電。圖2.4平衡電抗器作用下輸出電壓的波形和平衡電抗器上電壓的波形接了平衡電抗器后，n1、n2間的電位差加在Lp的兩端，它補償了ub'和ua的電動勢差，使得ub'和ua相的晶閘管能同時導(dǎo)電。由于在t1時電壓ub'比ua高，VT6導(dǎo)通，此電流在流經(jīng)Lp時，Lp上要感應(yīng)一電動勢up,

15、它的方向是要阻止電流增大?？梢詫?dǎo)出平衡電抗器兩端電壓和整流輸出電壓的數(shù)學(xué)表達式如下： （2-1） （2-2）雖然ub'>ua，導(dǎo)致ud1<ud2，但由于Lp的平衡作用，使得晶閘管VT6和VT1都承受正向電壓而同時導(dǎo)通。隨著時間推遲至ub'與ua的交點，由于ub'與ua，兩管繼續(xù)導(dǎo)電，此時up=0。之后ub'<ua，則流經(jīng)b'相的電流要減小，但Lp有阻止此電流減小的作用，Lp仍起作用，使VT6繼續(xù)起導(dǎo)電，直到uc'>ub',電流才從VT6換至VT2。此時變成VT1、VT2同時導(dǎo)電。每隔60º有一個晶閘管換相

16、。每一組中的每一個晶閘管仍按三相半波的導(dǎo)電規(guī)律而各輪流導(dǎo)電120º。雙反星形電路是兩組三相半波電路的并聯(lián)，所以整流電壓平均值與三相半波整流電路的整流電壓平均值相等，在不同控制角時 Ud=1.17U2cos。雙反星形電路是兩組三相半波電路并聯(lián)，每組三相半波整流電流是負(fù)載電流的1/2，所以負(fù)載電流為： Id=2Ud/R 圖2.5 取不同值時輸出電壓波形2.2.2 觸發(fā)控制電路設(shè)計晶閘管觸發(fā)電路工作原理。當(dāng)晶閘管的陽極電位高于陰極電位，并在門極與陰極間加一適當(dāng)?shù)木哂幸欢üβ实南唷．?dāng)晶閘管保持導(dǎo)通時，門極就失去了控制作用。因此，在門極與陰極間所加的這個正相電壓電流往往是脈沖的形式，以便減小門

17、極損耗。這個正相電壓電流稱之為觸發(fā)信號或觸發(fā)脈沖。觸發(fā)信號是由觸發(fā)電路提供的。晶閘管組成的電路種類很多，有可控電路，有源逆變，交流調(diào)壓，交流變頻。斬波電路，無源逆變等電路。這些電路的工作方式不同，對觸發(fā)電路的要求也就有所不同。即便是同一類工作電路，因控制方式和負(fù)載的性質(zhì)不同，對電路也會有不同的要求。但歸納起來它們對觸發(fā)電路有如下要求：1， 觸發(fā)信號應(yīng)有適合的功率。2， 觸發(fā)信號的其實時刻滿足主電路的要求。3， 觸發(fā)脈沖要有一定的寬度，以保證晶閘管在需要導(dǎo)通的期間都能可靠開通。本次課設(shè)選用KC04觸發(fā)電路圖2.6 KC04觸發(fā)電路原理圖圖2.7 KC04引腳功能圖1腳，15腳：輸出脈沖。4腳：形

18、成鋸齒波。7腳：接地。8腳：接同步電壓。9腳：鋸齒波，Ub，Uc綜合比較輸入。16腳：接+15V電源。2.2.3 保護電路設(shè)計過電流保護：電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分過載和短路兩種情況?？焖偃蹟嗥?、直流快速斷路器和過電流繼電器是各種過電流保護較為常用的措施。一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流民快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。采用快速熔斷器（簡稱快熔）是電力電子裝置中最有

19、效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施。在選擇快熔時應(yīng)考慮：1.電等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。2.電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。3.為保證熔體在正常過載的情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間-電流特性?？烊蹖ζ骷谋Ｗo方式可分為全保護和短路保護兩種。全保護是指不論過載還是短路均由快熔進行保護，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕度較大的場合。短路保護方式是指快熔只在短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護作用，此方式下需與其他過電流保護措施相配合?？烊垭娏魅萘康木唧w選擇方法可參考有關(guān)的工程手冊。對一些

20、重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或者工作頻率較高、很難用快速熔斷器保護的全控型器件，需要采用電子電路進行過電流保護。本次電路設(shè)計采用的過電流保護為快速熔斷器。過電壓保護：電力電子裝置可能的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等，包括：操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起；雷擊過電壓：由雷擊引起。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：1.換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓；2.關(guān)斷過電壓：全控型器件

21、關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。主電路抑制過電壓的方法：用非線性元件限制過電壓的副度，用電阻消耗生產(chǎn)過電壓的能量，用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量。本次電路設(shè)計對于晶閘管的過電壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護。圖2.10 電路保護具體措施2.3 元器件型號選擇2.3.1 12V/8000A電鍍電源參數(shù)計算與選擇雙反星形電路是兩組三相半波電路的并聯(lián)，所以整流電壓平均值與三相半波整流電路的整流電壓平均值相等，在不同控制角時輸出平均電壓為： Ud=1.17U2cosUd為0-12V可調(diào)，最小控制角取30度, 將=30º和Ud=12V帶入上式計算可

22、得得 U2=12.2，電源接三相電源，故整流變壓器變比為 雙反星形電路是兩組三相半波電路并聯(lián)，每組三相半波整流電流是負(fù)載電流的1/2，因為設(shè)計要求的負(fù)載最大電流為8000A，則每組三相半波最大整流電流為4000A。變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為 將代入上式可得由此可求出晶閘管的額定電流為: 晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值，即： 將代入可得 可得 整流變壓器容量的確定： 又因為 則可得 其中交流側(cè)電容 計算后其中交流側(cè)電阻 計算后由于晶閘管，所以因為過流保護 查表可得晶閘管的阻容吸收保護電路器件應(yīng)選: C=2Uf R=2由此選擇器件，選擇GT40Q301型絕緣柵雙極晶體管

23、（IGBT），而變壓器選擇三相隔離變壓器，觸發(fā)電路選擇KC04。2.4 系統(tǒng)仿真2.4.1 12V/8000A電鍍電源仿真軟件簡介本次課設(shè)應(yīng)用的軟件是MATLAB。MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便

24、了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析。2.4.2 12V/8000A仿真模型建立本次設(shè)計電路整流變壓器二次側(cè)為星型接法的兩個繞組,a與a、b與b、c與c接在三相變壓器的三個鐵芯柱上，且匝數(shù)相同但同名端位置相反，使Ua與Ua、Ub與Ub、Uc與Uc的電壓大小相等、相位差180度。兩個繞阻分別接成兩組三相半波共陰極接法的整流電路，通過平衡電抗器Lp并聯(lián)起來。這樣變壓器二次側(cè)兩繞組的極性相反可消除鐵芯的直流磁化。據(jù)此可知，雙反星接電路就是兩個三相半波可控整流電路通過平衡電抗器的并聯(lián)，這樣，我們可以對其中一

25、個電路進行仿真測試。三個晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起共陰極接法。如圖所示其中電阻R為負(fù)載，L1，L2為電抗器，晶閘管6個為絕緣柵雙極晶閘管(即IGBT)。圖2.4.1 12V/8000A MATLAB仿真圖2.4.3 12V/8000A仿真波形及數(shù)據(jù)分析仿真模型參數(shù)設(shè)置為三相交流電源為220V(有效值)相位互差120°，R=10；晶閘管參數(shù)為默認(rèn)值；選擇仿真終止時間為0.06s。當(dāng)=60°時此電路特點：id波形基本平直，整流電壓波形與電阻負(fù)載時相同，如a=60°時的波形如圖所示。當(dāng)u2過零時，由于電感的存在，阻止電流下降，因而VT1繼續(xù)導(dǎo)通，

26、直到下一相晶閘管VT2的觸發(fā)脈沖到來，才發(fā)生換流，由VT2導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時向VT1施加反壓使其關(guān)斷。這種情況下ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分，若a增大，ud波形中負(fù)的部分將增多，至a=90°時，u波形中正負(fù)而積相等，ud的平均值為零?？梢娮韪胸?fù)載時a的移相范圍為90°。圖負(fù)載電壓波形圖第3章 課程設(shè)計總結(jié)根據(jù)任務(wù)設(shè)計要求，設(shè)計了20V/8000A電鍍電源的初步電路，它包含了整流電路、控制電路、過電流保護電路。根據(jù)電路的設(shè)計和計算參數(shù)選擇了器件，又通實際情況得到正確的所需要的元器件的具體參數(shù)。 因為電鍍電源是工業(yè)中常用的工業(yè)電源，其原理是先將工頻交流電通過變壓器改變其電壓，隨后通過整流電路，將交流電變成較為穩(wěn)定的直流電，再通過控制觸發(fā)電路控制其電壓及其電流。得到所需要的電流及電壓，用于工業(yè)電鍍。 電鍍工業(yè)的實際應(yīng)用中，需要很大功率的可調(diào)直流電源。因此，選擇正確的整流電流可以大大降低損耗，提高工作效率。如