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《工业用电设备》上海电力学院电力系第5章直流用电设备及直流电源2020/2/6上海电力学院电力系2电解和电镀在直流用电设备中用电量最大，电解铝和电解烧碱都属九种高耗电产品之列（P233）直流用电设备：直流电动机、直流电弧炉、直流电焊机、电解、电镀等等。直流电源：电力电子变换装置将交流电转换为直流电，蓄电池第5章直流用电设备及直流电源本章内容2020/2/6上海电力学院电力系35.1电解电解：利用直流电流引起的化学反应进行生产的工艺。5.1.1电解烧碱一．电解烧碱生产的基本原理阴极反应:H++e═H2H═H2↑阳极反应:Cl――e═Cl2Cl═Cl2↑全部反应的化学方程式为2NaCl+2H2O═2NaOH+Cl2↑+H2↑图5.1.1电解烧碱示意图第5章直流用电设备及直流电源烧碱2020/2/6上海电力学院电力系45.1.1电解烧碱一．电解烧碱生产的基本原理第5章直流用电设备及直流电源5.1电解根据上述化学方程式，可以算出理论上:电解产生1t烧碱(100%NaOH),同时生产0.866t氯气（100％）和0.025t氢气(100％)，需要消耗100％的NaCl1.463t。电解制碱时，在阳极上产生氯气，阴极上产生氢气和氢氧化钠。这些产物如果不把它们隔离分开，将会按下式进行反应：2NaOH十Cl2═NaC1O＋NaCl＋H2O产生次氯酸钠，次氯酸钠还会进一步变成氯酸钠，就得不到所需要的氯和碱；如果不把氢气和氯气隔开，还会发生爆炸事故。2020/2/6上海电力学院电力系55.1.1电解烧碱一．电解烧碱生产的基本原理第5章直流用电设备及直流电源5.1电解为了解决上述问题，在电解槽的阴阳极之间设置了多孔渗透性的隔膜材料，把电解槽分为阳极室和阴极室两部分，这种采用隔膜的电解方法称“隔膜法电解”。隔膜材料能让离子(Na+、Cl―、H+、HO―)和水分子通过，却阻止阴阳极电解产物的混合。因此，在隔膜电解槽阳极室产生的氯气，不会进入阴极室，经阳极室上方氯气支管导出；在阴极室产生的氢气，也不会进入阳极室，由阴极箱氢气支管导出，氢氧化钠溶液经阴极室下方导出。图5.1.2立式隔膜电解槽示意图2020/2/6上海电力学院电力系65.1.1电解烧碱一．电解烧碱生产的基本原理二.电解烧碱的生产流程三.立式吸附隔膜电解槽第5章直流用电设备及直流电源5.1电解2020/2/6上海电力学院电力系7四．电解烧碱的电量消耗电耗是电解生产的一个重要技术经济指标。电解烧碱耗电较多其中：直流电能消耗约占97%~98％，交流动力用电约占2％~3％，电费约占生产成本的50％。法拉第定律：电解过程中电极上所产生物质的量，与通过电解质溶液的电量成正比，即与电流强度及通电时间成正比。5.1.1电解烧碱第5章直流用电设备及直流电源5.1电解2020/2/6上海电力学院电力系8五．槽电压5.1.1电解烧碱第5章直流用电设备及直流电源5.1电解槽电压——即电解槽的实际工作电压，是一项重要的技术指标，与能耗有极其密切的关系。槽电压由理论分解电压、过电压、金属导体电压降、电解质溶液电压降、隔膜电压降（离子膜电压降）、接触电压降组成。2020/2/6上海电力学院电力系9五．槽电压5.1.1电解烧碱第5章直流用电设备及直流电源5.1电解表5.1.1电解槽槽电压分布情况2020/2/6上海电力学院电力系101．大功率整流电源图5.1.7电解烧碱的供电结构框图工厂主变电所内的变压器，用于将电网高压降低；三相桥式（≥200V）；双反星形带平衡电抗器（200V）；6、12、24、36或48相调节电压保持恒流降低电压，双绕组或三绕组六．电解烧碱供电5.1.1电解烧碱第5章直流用电设备及直流电源5.1电解2020/2/6上海电力学院电力系11IGBT大功率逆变电解电源：体积小、重量轻、高效节能，比普通电源节能30%功率因数可做到0.95。电源具有稳压、低纹波、软启动等功能，抗冲击能力强、输出波形平稳、电解质量稳定、电压电流调节范围宽，恒流恒压自动切换并对电网电压有自动补偿功能。防触电、过热、电压异常等多种保护功能，工作时安全可靠。该系列产品是专门为恶劣的强腐蚀环境设计的全封闭式电源，广泛用于铜箔厂、氯碱厂大电流低纹波电解。亦可用于其它化工行业大电流电解。2．大功率逆变电解电源六．电解烧碱供电5.1.1电解烧碱第5章直流用电设备及直流电源5.1电解2020/2/6上海电力学院电力系12某型号IGBT大功率逆变电解电源的主要技术参数2．大功率逆变电解电源六．电解烧碱供电5.1.1电解烧碱第5章直流用电设备及直流电源5.1电解2020/2/6上海电力学院电力系133．电解烧碱对供电的要求1）高压（35kV或110kV）供电，电解烧碱生产的用电量大，2）供电电压稳定、不间断从电网引来两路或三路独立电源。电压稳定，连续生产，不仅对生产有利、槽的使用寿命延长，还可降低直流损耗。如果电流波动频繁，就会造成氯、氢气和电解流量的波动，使正常生产受到破坏，还容易破坏隔膜。严重时会因氢氯混合而引起爆炸。3）严禁突然停电。突然停电会造成氯气外溢，直接影响操作人员、甚至工厂周围居民的健康安全，造成环境污染。六．电解烧碱供电5.1.1电解烧碱第5章直流用电设备及直流电源5.1电解2020/2/6上海电力学院电力系141．提高整流效率2．降低槽电压、减小直流电压损失3．采用金属阳极电解槽据资料介绍，用金属阳极电解槽代替石墨电极电解槽，每吨烧碱可节电530kWh。4．保证盐水质量5．合理保持盐水温度并加强对电解槽保温6．降低碱损失7．选择合适的电流密度七．电解烧碱的节电途径5.1.1电解烧碱第5章直流用电设备及直流电源5.1电解2020/2/6上海电力学院电力系155.1.2电解铝第5章直流用电设备及直流电源5.1电解铝因其质轻、抗腐蚀性强、具有对各种形式加工的适应性、制造加工费用低、外观美观等特点，广泛应用于：建筑业、电力行业、包装业、汽车结构、海上应用、航空航天、家用电器、加工设备、纺织设备、煤矿机械、移动式灌溉管与工具等领域。2020/2/6上海电力学院电力系165.1.2电解铝第5章直流用电设备及直流电源5.1电解2000~2008年我国电解铝产量十年来我国电解铝工业发展迅速，技术装备水平明显提高，但投资严重过热，产量从2000年283万吨急剧增加到2008年的1376万吨，占世界总产量约33%。2009年已建产能已超过2100万吨。2020/2/6上海电力学院电力系175.1.2电解铝第5章直流用电设备及直流电源5.1电解我国铝产量占世界铝产量的比重2020/2/6上海电力学院电力系185.1.2电解铝第5章直流用电设备及直流电源5.1电解电解铝的生产在电解槽中进行，电解铝主原料：氧化铝（Al2O3），基本材料：阳极糊（由焦粉、焦粒和沥青组成）、冰晶石（3NaF·AlF3）、氟化铝以及其他氟化物，如氟化镁、氟化钙等电极：碳素材料。一.电解铝生产的基本原理电解质2020/2/6上海电力学院电力系195.1.2电解铝第5章直流用电设备及直流电源5.1电解电解槽的化学反应是：Al2O3＋3/2C═2Al＋3/2CO2↑Al2O3＋3C═2Al＋3CO↑电解的结果是：a.阴极上得到铝；b.阳极上生成CO2和CO气体；c.电解质Al2O3被不断消耗掉。一.电解铝生产的基本原理2020/2/6上海电力学院电力系205.1.2电解铝第5章直流用电设备及直流电源5.1电解二.电解铝的生产流程图5.1.11电解铝的基本生产流程三.电解槽2020/2/6上海电力学院电力系21耗电很大，一座年产50000吨电解铝厂每年耗电8~9亿kWh，需要功率达100MW。电耗占成本的50%左右。电解铝生产消耗的电能约占总电耗的90％，而另10％则用于动力，如厂房通风、排烟、运输、供水、压风、供气及照明等。5.1.2电解铝第5章直流用电设备及直流电源5.1电解四.电解铝用电情况2020/2/6上海电力学院电力系225.1.2电解铝第5章直流用电设备及直流电源5.1电解四.电解铝用电情况•有色金属工业是国家重点高耗能产业之一，2005年我国有色金属工业总耗能量约占全国总能耗的3.1%。在国家发改委、国家能源领导小组等五部委联合发布《千家企业节能行动实施方案》中，2004年企业综合能源消费量达到18万吨标准煤以上的千家企业中，有色金属企业占了71家，其中铝冶炼企业51家。•电解铝产品能耗相对较高，俗称“电老虎”。经过多年技术进步，国内电解铝企业综合交流电耗由2001年15470kWh/t降到2008年14323kWh/t，而且电解铝产量较大，2008年10种有色金属总产量2519万吨，其中电解铝产量1318万吨，占52%以上，其耗电量约占全国总耗电的5%。2020/2/6上海电力学院电力系23两种电解电源情况：1.大功率整流器设备（目前采用较多）功率因数降低。高次谐波对电网的影响。随着直流用电的增长，整流装置高次谐波对电网的危害也正日渐严重。2.高频开关直流电源，采用高频谐振逆变控制技术，功率因数高，对电网的谐波污染小，无干扰。5.1.2电解铝第5章直流用电设备及直流电源5.1电解四.电解铝用电情况五.槽电压2020/2/6上海电力学院电力系241．必须有两个以上的独立电源，供电连续不能间断，可靠性高。2．交流供电电压采用220kV或110kV。220kV或110kV交流电压经降压变电所降至10kV后，再经调压变压器、整流变压器和电力电子变换装置将交流电变为直流电向电解槽供电。1．降低电解槽平均电压2．提高电流效率七．电解铝的节电途径5.1.2电解铝第5章直流用电设备及直流电源5.1电解六.供电要求2020/2/6上海电力学院电力系25电镀：利用电化学方法对零件进行表面加工的一种工艺。电镀时零件为阴极，镀液中的金属离子在直流电的作用下沉积在零件表面形成均匀、致密的金属镀层。图5.2.1硫酸镀铜工作原理示意图1-阳极；2-镀液；3-阴极5.2.1电镀的基本原理＋5.2电镀第5章直流用电设备及直流电源电镀是在电镀槽中进行的。电镀槽中置有电极和电镀液，电极通以直流，所用的电镀液必需具有被镀金属的离子。2020/2/6上海电力学院电力系26图5.2.1硫酸镀铜工作原理示意图1-阳极；2-镀液；3-阴极5.2.1电镀的基本原理阴极反应:Cu2++2e═Cu2H++2e═H2↑阳极反应：Cu―2e═Cu2+4OH――4e═2H2O+O2↑2SO42―+2H2O―4e═2H2SO4+O2↑＋第5章直流用电设备及直流电源5.2电镀硫酸镀铜用的电镀液主要成分是硫酸铜CuS04·5H20和硫酸H2SO4。5.2.2电镀的分类及作用2020/2/6上海电力学院电力系271.大功率整流器设备（目前采用较多）。2.高频脉冲开关电镀电源(用于镀金、银、镉、铜、锌等不同材料的电镀。3.大多数的电镀设备都使用电压为6~12V的不同功率的直流电源。只有铝及其合金在阳极氧化时需要电压为60~120V的直流电源。电镀设备包括：电气设备、机械设备、固定槽设备、通风设备、过滤设备。一．电气设备电气设备包括：配电线路、配电盘、电镀电源、汇流条等。电镀电源：5.2.3电镀设备第5章直流用电设备及直流电源5.2电镀2020/2/6上海电力学院电力系28一．电气设备电镀电源：5.2.3电镀设备第5章直流用电设备及直流电源5.2电镀脉冲开关电源应用于电镀与直流电镀相比有如下特点:a.电源体积小，重量轻，效率高，控制精度高。b.输出电流为方波高频脉冲电流，脉冲电源可通过控制输出电压的波形、频率和占空比及平均电流密度等参数,改变金属离子的电沉积过程，使电沉积过程在很宽的范围内变化,从而在某种镀液中获得具有一定特性的镀层。c.输出电压，电流可调，限压，限流可调，大大提高客户使用灵活性，并有远程操作功能。d.保护功能齐全，输入过压保护，输出过热，过流保护，并有报警功能。e.功率因数高，对电网的谐波污染小，无干扰。f.省电。g.采用防盐雾酸化的措施，增加电源在恶劣环境下的使用寿命。2020/2/6上海电力学院