直流用電關(guān)鍵設(shè)備及直流電源

《工業(yè)用電設(shè)備》第5章直流用電設(shè)備及直流電源

2023/7/7上海電力學(xué)院電力系2電解和電鍍在直流用電設(shè)備中用電量最大，電解鋁和電解燒堿都屬九種高耗電產(chǎn)品之列（P233）

直流用電設(shè)備：直流電動機(jī)、直流電弧爐、直流電焊機(jī)、電解、電鍍等等。直流電源：電力電子變換裝置將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，蓄電池第5章直流用電設(shè)備及直流電源本章內(nèi)容2023/7/7上海電力學(xué)院電力系35.1電解電解：利用直流電流引起的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)的工藝。電解燒堿

一．電解燒堿生產(chǎn)的基本原理陰極反應(yīng):H++e═H2H═H2↑陽極反應(yīng):Cl――e═Cl2Cl═Cl2↑全部反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NaCl+2H2O═2NaOH+Cl2↑+H2↑

圖電解燒堿示意圖第5章直流用電設(shè)備及直流電源燒堿2023/7/7上海電力學(xué)院電力系4電解燒堿

一．電解燒堿生產(chǎn)的基本原理第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.1

電解

根據(jù)上述化學(xué)方程式，可以算出理論上:電解產(chǎn)生1t燒堿(100%NaOH),同時生產(chǎn)0.866t氯氣（100％）和0.025t氫氣(100％)，需要消耗100％的NaCl1.463t。電解制堿時，在陽極上產(chǎn)生氯氣，陰極上產(chǎn)生氫氣和氫氧化鈉。這些產(chǎn)物如果不把它們隔離分開，將會按下式進(jìn)行反應(yīng)：

2NaOH十Cl2═NaC1O＋NaCl＋H2O產(chǎn)生次氯酸鈉，次氯酸鈉還會進(jìn)一步變成氯酸鈉，就得不到所需要的氯和堿；如果不把氫氣和氯氣隔開，還會發(fā)生爆炸事故。2023/7/7上海電力學(xué)院電力系5電解燒堿

一．電解燒堿生產(chǎn)的基本原理第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.1

電解

為了解決上述問題，在電解槽的陰陽極之間設(shè)置了多孔滲透性的隔膜材料，把電解槽分為陽極室和陰極室兩部分，這種采用隔膜的電解方法稱“隔膜法電解”。隔膜材料能讓離子(Na+、Cl―、H+、HO―)和水分子通過，卻阻止陰陽極電解產(chǎn)物的混合。因此，在隔膜電解槽陽極室產(chǎn)生的氯氣，不會進(jìn)入陰極室，經(jīng)陽極室上方氯氣支管導(dǎo)出；在陰極室產(chǎn)生的氫氣，也不會進(jìn)入陽極室，由陰極箱氫氣支管導(dǎo)出，氫氧化鈉溶液經(jīng)陰極室下方導(dǎo)出。圖立式隔膜電解槽示意圖2023/7/7上海電力學(xué)院電力系6電解燒堿

一．電解燒堿生產(chǎn)的基本原理二.電解燒堿的生產(chǎn)流程三.立式吸附隔膜電解槽第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.1

電解

2023/7/7上海電力學(xué)院電力系7四．電解燒堿的電量消耗

電耗是電解生產(chǎn)的一個重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。電解燒堿耗電較多其中：直流電能消耗約占97%~98％，交流動力用電約占2％~3％，電費約占生產(chǎn)成本的50％。法拉第定律：電解過程中電極上所產(chǎn)生物質(zhì)的量，與通過電解質(zhì)溶液的電量成正比，即與電流強(qiáng)度及通電時間成正比。電解燒堿

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2023/7/7上海電力學(xué)院電力系8五．槽電壓

電解燒堿

第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.1

電解

槽電壓——即電解槽的實際工作電壓，是一項重要的技術(shù)指標(biāo)，與能耗有極其密切的關(guān)系。槽電壓由理論分解電壓、過電壓、金屬導(dǎo)體電壓降、電解質(zhì)溶液電壓降、隔膜電壓降（離子膜電壓降）、接觸電壓降組成。2023/7/7上海電力學(xué)院電力系9五．槽電壓

電解燒堿

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表電解槽槽電壓分布情況2023/7/7上海電力學(xué)院電力系101．大功率整流電源圖電解燒堿的供電結(jié)構(gòu)框圖

工廠主變電所內(nèi)的變壓器，用于將電網(wǎng)高壓降低；三相橋式（≥200V）；雙反星形帶平衡電抗器（<200V

）；6、12、24、36或48相

調(diào)節(jié)電壓保持恒流降低電壓，雙繞組或三繞組六．電解燒堿供電電解燒堿

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2023/7/7上海電力學(xué)院電力系11IGBT大功率逆變電解電源：體積小、重量輕、高效節(jié)能，比普通電源節(jié)能30%

功率因數(shù)可做到0.95。電源具有穩(wěn)壓、低紋波、軟啟動等功能，抗沖擊能力強(qiáng)、輸出波形平穩(wěn)、電解質(zhì)量穩(wěn)定、電壓電流調(diào)節(jié)范圍寬，恒流恒壓自動切換并對電網(wǎng)電壓有自動補(bǔ)償功能。防觸電、過熱、電壓異常等多種保護(hù)功能，工作時安全可靠。該系列產(chǎn)品是專門為惡劣的強(qiáng)腐蝕環(huán)境設(shè)計的全封閉式電源，廣泛用于銅箔廠、氯堿廠大電流低紋波電解。亦可用于其它化工行業(yè)大電流電解。2．大功率逆變電解電源六．電解燒堿供電電解燒堿

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2023/7/7上海電力學(xué)院電力系12某型號IGBT大功率逆變電解電源的主要技術(shù)參數(shù)

2．大功率逆變電解電源六．電解燒堿供電電解燒堿

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2023/7/7上海電力學(xué)院電力系133．電解燒堿對供電的要求1）高壓（35kV或110kV）供電，電解燒堿生產(chǎn)的用電量大，2）供電電壓穩(wěn)定、不間斷從電網(wǎng)引來兩路或三路獨立電源。

電壓穩(wěn)定，連續(xù)生產(chǎn)，不僅對生產(chǎn)有利、槽的使用壽命延長，還可降低直流損耗。如果電流波動頻繁，就會造成氯、氫氣和電解流量的波動，使正常生產(chǎn)受到破壞，還容易破壞隔膜。嚴(yán)重時會因氫氯混合而引起爆炸。3）嚴(yán)禁突然停電。

突然停電會造成氯氣外溢，直接影響操作人員、甚至工廠周圍居民的健康安全，造成環(huán)境污染。六．電解燒堿供電電解燒堿

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2023/7/7上海電力學(xué)院電力系141．提高整流效率2．降低槽電壓、減小直流電壓損失3．采用金屬陽極電解槽據(jù)資料介紹，用金屬陽極電解槽代替石墨電極電解槽，每噸燒堿可節(jié)電530kWh。4．保證鹽水質(zhì)量5．合理保持鹽水溫度并加強(qiáng)對電解槽保溫6．降低堿損失7．選擇合適的電流密度七．電解燒堿的節(jié)電途徑電解燒堿

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2023/7/7上海電力學(xué)院電力系15電解鋁

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電解

鋁因其質(zhì)輕、抗腐蝕性強(qiáng)、具有對各種形式加工的適應(yīng)性、制造加工費用低、外觀美觀等特點，廣泛應(yīng)用于：建筑業(yè)、電力行業(yè)、包裝業(yè)、汽車結(jié)構(gòu)、海上應(yīng)用、航空航天、家用電器、加工設(shè)備、紡織設(shè)備、煤礦機(jī)械、移動式灌溉管與工具等領(lǐng)域。2023/7/7上海電力學(xué)院電力系16電解鋁

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2000~2008年我國電解鋁產(chǎn)量十年來我國電解鋁工業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)裝備水平明顯提高，但投資嚴(yán)重過熱，產(chǎn)量從2000年283萬噸急劇增加到2008年的1376萬噸，占世界總產(chǎn)量約33%。2009年已建產(chǎn)能已超過2100萬噸。2023/7/7上海電力學(xué)院電力系17電解鋁

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我國鋁產(chǎn)量占世界鋁產(chǎn)量的比重2023/7/7上海電力學(xué)院電力系18電解鋁

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電解鋁的生產(chǎn)在電解槽中進(jìn)行，電解鋁主原料：氧化鋁（Al2O3），基本材料：陽極糊（由焦粉、焦粒和瀝青組成）、冰晶石（3NaF·AlF3）、氟化鋁以及其他氟化物，如氟化鎂、氟化鈣等電極：碳素材料。一.電解鋁生產(chǎn)的基本原理電解質(zhì)2023/7/7上海電力學(xué)院電力系19電解鋁

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電解槽的化學(xué)反應(yīng)是：

Al2O3＋3/2C═2Al＋3/2CO2↑Al2O3＋3C═2Al＋3CO↑電解的結(jié)果是：

a.陰極上得到鋁；

b.

陽極上生成CO2和CO氣體；

c.電解質(zhì)Al2O3被不斷消耗掉。一.電解鋁生產(chǎn)的基本原理2023/7/7上海電力學(xué)院電力系20電解鋁

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二.電解鋁的生產(chǎn)流程圖電解鋁的基本生產(chǎn)流程三.電解槽2023/7/7上海電力學(xué)院電力系21

耗電很大，一座年產(chǎn)50000噸電解鋁廠每年耗電8~9億kWh，需要功率達(dá)100MW。電耗占成本的50%左右。電解鋁生產(chǎn)消耗的電能約占總電耗的90％，而另10％則用于動力，如廠房通風(fēng)、排煙、運輸、供水、壓風(fēng)、供氣及照明等。電解鋁

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四.電解鋁用電情況2023/7/7上海電力學(xué)院電力系22電解鋁

第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.1

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四.電解鋁用電情況有色金屬工業(yè)是國家重點高耗能產(chǎn)業(yè)之一，2005年我國有色金屬工業(yè)總耗能量約占全國總能耗的3.1%。在國家發(fā)改委、國家能源領(lǐng)導(dǎo)小組等五部委聯(lián)合發(fā)布《千家企業(yè)節(jié)能行動實施方案》中，2004年企業(yè)綜合能源消費量達(dá)到18萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤以上的千家企業(yè)中，有色金屬企業(yè)占了71家，其中鋁冶煉企業(yè)51家。電解鋁產(chǎn)品能耗相對較高，俗稱“電老虎”。經(jīng)過多年技術(shù)進(jìn)步，國內(nèi)電解鋁企業(yè)綜合交流電耗由2001年15470kWh/t降到2008年14323kWh/t，而且電解鋁產(chǎn)量較大，2008年10種有色金屬總產(chǎn)量2519萬噸，其中電解鋁產(chǎn)量1318萬噸，占52%以上，其耗電量約占全國總耗電的5%。2023/7/7上海電力學(xué)院電力系23兩種電解電源情況：1.大功率整流器設(shè)備（目前采用較多）功率因數(shù)降低。高次諧波對電網(wǎng)的影響。

隨著直流用電的增長，整流裝置高次諧波對電網(wǎng)的危害也正日漸嚴(yán)重。2.高頻開關(guān)直流電源，采用高頻諧振逆變控制技術(shù)，

功率因數(shù)高，對電網(wǎng)的諧波污染小，無干擾。電解鋁

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電解

四.電解鋁用電情況五.槽電壓2023/7/7上海電力學(xué)院電力系241．必須有兩個以上的獨立電源，供電連續(xù)不能間斷，可靠性高。2．交流供電電壓采用220kV或110kV。

220kV或110kV交流電壓經(jīng)降壓變電所降至10kV后，再經(jīng)調(diào)壓變壓器、整流變壓器和電力電子變換裝置將交流電變?yōu)橹绷麟娤螂娊獠酃╇姟?．降低電解槽平均電壓2．提高電流效率七．電解鋁的節(jié)電途徑電解鋁

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六.供電要求2023/7/7上海電力學(xué)院電力系25電鍍：利用電化學(xué)方法對零件進(jìn)行表面加工的一種工藝。

電鍍時零件為陰極，鍍液中的金屬離子在直流電的作用下沉積在零件表面形成均勻、致密的金屬鍍層。圖硫酸鍍銅工作原理示意圖

1-陽極；2-鍍液；3-陰極電鍍的基本原理＋5.2電鍍第5章直流用電設(shè)備及直流電源電鍍是在電鍍槽中進(jìn)行的。電鍍槽中置有電極和電鍍液，電極通以直流，所用的電鍍液必需具有被鍍金屬的離子。2023/7/7上海電力學(xué)院電力系26圖硫酸鍍銅工作原理示意圖

1-陽極；2-鍍液；3-陰極電鍍的基本原理陰極反應(yīng):Cu2++2e═Cu2H++2e═H2↑陽極反應(yīng)：

Cu

―2e═Cu2+4OH――4e═2H2O+O2↑2SO42―+2H2O―4e═2H2SO4+O2↑＋第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.2電鍍

硫酸鍍銅用的電鍍液主要成分是硫酸銅CuS04·5H20和硫酸H2SO4。電鍍的分類及作用2023/7/7上海電力學(xué)院電力系271.大功率整流器設(shè)備（目前采用較多）。2.高頻脈沖開關(guān)電鍍電源(用于鍍金、銀、鎘、銅、鋅等不同材料的電鍍。3.大多數(shù)的電鍍設(shè)備都使用電壓為6~12V的不同功率的直流電源。只有鋁及其合金在陽極氧化時需要電壓為60~120V的直流電源。電鍍設(shè)備包括：電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、固定槽設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、過濾設(shè)備。一．電氣設(shè)備電氣設(shè)備包括：配電線路、配電盤、電鍍電源、匯流條等。電鍍電源：電鍍設(shè)備第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.2電鍍

2023/7/7上海電力學(xué)院電力系28一．電氣設(shè)備電鍍電源：電鍍設(shè)備第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.2電鍍

脈沖開關(guān)電源應(yīng)用于電鍍與直流電鍍相比有如下特點:a.電源體積小，重量輕，效率高，控制精度高。

b.輸出電流為方波高頻脈沖電流，脈沖電源可通過控制輸出電壓的波形、頻率和占空比及平均電流密度等參數(shù),改變金屬離子的電沉積過程，使電沉積過程在很寬的范圍內(nèi)變化,從而在某種鍍液中獲得具有一定特性的鍍層。

c.輸出電壓，電流可調(diào)，限壓，限流可調(diào)，大大提高客戶使用靈活性，并有遠(yuǎn)程操作功能。

d.保護(hù)功能齊全，輸入過壓保護(hù)，輸出過熱，過流保護(hù)，并有報警功能。

e.功率因數(shù)高，對電網(wǎng)的諧波污染小，無干擾。f.省電。

g.采用防鹽霧酸化的措施，增加電源在惡劣環(huán)境下的使用壽命。2023/7/7上海電力學(xué)院電力系29一．電氣設(shè)備電鍍電源：電鍍設(shè)備第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.2電鍍

表系列高頻脈沖開關(guān)電鍍電源與晶閘管整流器的比較（1000A12V）2023/7/7上海電力學(xué)院電力系301.電鍍車間里的電器必須采用防腐型，否則應(yīng)安裝在單獨的房間內(nèi)。

(電鍍車間有腐蝕性、酸性或堿性的溶液，以及在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的蒸汽和飛沫對大多數(shù)金屬和纖維質(zhì)絕緣都有腐蝕作用，對電器很有害)2.36V以上的裸導(dǎo)體必須采取防護(hù)措施，否則人體觸及會有一定危險。車間內(nèi)的電線管最好采用明敷。直流母線和金屬支架等，都應(yīng)涂上防腐油漆。（電鍍車間的環(huán)境潮濕）。以上兩項是電鍍供電極為重要之點。電鍍供電第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.2電鍍

2023/7/7上海電力學(xué)院電力系31蓄電池應(yīng)用領(lǐng)域：通信、照明（事故照明）、汽車起動、動力牽引、國防、電力系統(tǒng)、自動控制、儀器儀表等。蓄電池：將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的一種電源設(shè)備?；窘Y(jié)構(gòu)：電解液和正負(fù)電極。5.3蓄電池第5章直流用電設(shè)備及直流電源2023/7/7上海電力學(xué)院電力系32鉛酸蓄電池的優(yōu)點：（與鐵-鎳蓄電池，鎘-鎳蓄電池，鉛-銀蓄電池，氫-鎳蓄電池、鋰離子蓄電池等比較）：a．除鋰離子二次電池外，在常用體系蓄電池中，鉛酸蓄電池的電壓最高，為2.0V；

堿性蓄電池的電壓為1.2V；鋅-銀蓄電池的電壓為1.65V~1.1V；b．較廉價，在世界范圍內(nèi)均可生產(chǎn)低倍率和高倍率放電的電池，價格為鎘-鎳蓄電池的1/3~1/5；c．可制成小至1Ah大致幾千Ah的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池；d．高倍率放電性能良好，可用于引擎起動，能以3~5倍率、

9~10倍率，甚至高達(dá)26~27倍率的電流放電；e．高低溫性能良好，可在-40~60℃條件下工作；f．電能效率高達(dá)60%；g．易于浮充使用，沒有記憶效應(yīng)；h．易于識別荷電狀態(tài)。閥控式密封鉛酸蓄電池（簡稱VRLA）目前廣泛應(yīng)用的蓄電池。第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.3蓄電池2023/7/7上海電力學(xué)院電力系33鉛密度大，使其比能量低，理論比能量為240Wh/kg，實際只有10~50Wh/kg；維護(hù)復(fù)雜，充電速度慢；使用壽命較鎘-鎳和鐵-鎳蓄電池短；制成小尺寸比較難（鎘-鎳堿性電池可制成0.5Ah）；放電態(tài)長期保存會導(dǎo)致電極的不可逆硫酸鹽化；所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境；在某些結(jié)構(gòu)和用途中，由于氫化銻和氧化砷析出而引起公害。普通鉛酸蓄電池的缺點：閥控式密封鉛酸蓄電池（簡稱VRLA）第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.3蓄電池2023/7/7上海電力學(xué)院電力系34鉛酸蓄電池分類及用途見P164表整體采用密封結(jié)構(gòu)，不漏液、不污染，可回收，使用安全可靠，能量高、成本低、壽命長（10年）、容量更大（是普通鉛酸蓄電池的兩倍）。對于新發(fā)展的雙極性和水平式VRLA蓄電池，C/3（C為蓄電池容量）放電比能量≥50Wh/kg，正常運行時無須對電解液進(jìn)行檢測和調(diào)酸加水，又稱為“免維護(hù)”蓄電池。它已被廣泛地應(yīng)用到電力、郵電通信、船舶交通、應(yīng)急照明等許多領(lǐng)域。VRLA蓄電池已逐漸取代了普通鉛酸蓄電池。VRLA蓄電池的特點：閥控式密封鉛酸蓄電池（簡稱VRLA）第5章直流用電設(shè)備及直流電源5.3蓄電池20