12V8000A电镀电源

辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目：12V/8000A电镀电源院（系）：电气工程学院专业班级：电气133班学号：130303076学生姓名：于明然指导教师：孙丽颖起止时间：2015-12-24至2016-1-3本科生课程设计（论文）II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130303076学生姓名于明然专业班级电气133班课程设计（论文）题目12V／8000A电镀电源课程设计（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0~12V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。7、进行matlab仿真。8、完成设计说明书。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0～12V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：确定平波电抗器；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）III摘要电镀电源是将工频交流电变换为不同电压、频率和波形的直流电设备。在晶闸管整流器中主要应用整流技术，在高频开关电源中既应用整流技术又应用逆变技术。电镀电源主要由主电路和控制电路组成。本文设计的12V/8000A电镀电源的主电路主要包括主变压器、功率整流器件和一些检测、保护装置等。其中电镀电源中的主变压器的作用是将交流电源电压降低为电镀工艺所需要的电压值，而晶闸管整流器中使用的是工频变压器。检测装置有电压表、电流互感器等器件。保护装置的作用是用于功率整流器件的过流保护。而控制电路中主要有晶闸管或IGBT等的触发控制电路，电源的软启动电路，过流、过压保护电路和电源缺相保护电路等。关键词：逆变电路；触发控制电路；电路保护本科生课程设计（论文）IV目录第1章绪论..........................................................11.1电镀电源概况.................................................11.2本文设计内容.................................................2第2章12V/8000A电镀电源电路设计.....................................32.112V/8000A电镀电源总体设计方案...............................32.2具体电路设计.................................................32.2.1主电路设计.............................................32.2.2控制电路设计...........................................82.2.3保护电路设计...........................................92.3元器件型号选择..............................................112.3.112V/8000A电镀电源参数计算与选择......................112.4系统仿真....................................................122.4.112V/8000A电镀电源仿真软件简介........................122.4.212V/8000A电镀电源仿真模型建立........................122.4.312V/8000A电镀电源仿真波形及数据分析..................13第3章课程设计总结.................................................14参考文献............................................................15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镀电源是应用电力半导体器件将交流电源变换为直流电源，所以电镀电源又称为电镀整流器。早期使用的电镀电源是直流发电机组，随后出现了硒堆整流器，均因体积大、噪声大，成本及能耗高等原因，被硅整流电源所替代。20世纪60年代随着晶闸管(SCR)的问世和成功应用，使电镀电源得到了快速发展，出现了晶闸管电镀电源，晶闸管在该电源中既作为整流器件又作为调压器件，控制系统采用移相技术，应用闭环Pl调节，使电源具有自动稳压、稳流等功能，而且保护方式灵活，在体积、运行效率、自动控制、调节方式等方面与硅整流设备相比具有较大优势，得到了广泛应用。但晶闸管电镀电源在小电流情况下容易使网侧及负载上的谐波严重，引起电网的波形畸变，从而形成电网“公害”，在电网中需要增加必要的防范措施。20世纪80年代以后，变流装置中的普通晶闸管逐渐被新型器件如电力晶体管(GTR)、场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等取代。以MOSFET和IGBT为功率器件的整流器工作频率可提高至20～50kHz，所以该类整流器又称为高频开关电源。其工作过程是将整流后的直流电源，逆变成高频交流电，再经整流后获得直流电源。由于采用的是高频率开关工作模式，所以变压器的体积和器件的功耗大大降低，功率因数和运行效率大大提高，是目前电镀电源的发展方向。随着IGBT器件功率增加、耐压提高和应用技术的日益成熟，IGBT必将在大多领域中取代晶闸管(SCR)，以达到高效、节能目的。目前正在研制的大功率智能功率模块(IPM)，是将电力电子器件和驱动、保护、控制电路集成到一起，从而提高了系统的可靠性与可维护性，进一步降低成本与能耗，必将不断应用至电镀电源中。随着电镀工艺的迅速发展，新的电镀工艺从波形、频率、自动控制、综合功能等方面对电镀电源提出更高的要求。目前，普遍采用的电镀电源按波形可分为脉动直流电源、平滑直流电源、周期换向电源、单向脉冲电源、换向脉冲电源、直流叠加脉冲及智能化多波形电源等，以满足不同电镀工艺需要。本科生课程设计（论文）2综上所述，电镀电源的整体发展趋势是低能耗、无电网污染、高可靠、小体积、高性能和多功能。1.2本文设计内容根据任务书内本文主要是设计冶金工业的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0～12V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，从而实现电镀工艺。本文设计的12V/8000A电镀电源，是先将380V工频电源通过变压器进行变压，然后通过选取的双反星形可控整流电路对交流电进行整流，将交流电变为直流电，最后通过触发电路，进行调整，调节并选出正确的电流，电压以及控制角。第1章TC0本科生课程设计（论文）3第2章12V/8000A电镀电源电路设计2.112V/8000A电镀电源总体设计方案在冶金工业的电镀工艺需要提供低电压大电流可调直流电源。根据任务书设计方案电源装置主要先通过整流变压器，然后经过整流器组成整流设备来从交流电源取得直流电能的装置。图2.1总体设计方案框图2.2具体电路设计根据任务书要求将工频交流三相电源通过整流变压器和整流电路进行整流。通过触发电路整流输出电压Ud在0～12V连续可调，整流输出电流最大值8000A，提供对铜的电解或电镀所需的电压和电流。2.2.1主电路设计电镀等工业设计应用中，需要很大功率的可调直流电源。如果采用三相桥式电路，整流器件的数量有很多，电路连接十分麻烦繁琐并且因为有电阻抗的原因，大大降低了效率。所以经过查阅资料，可采用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，如图2.2所示。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，而且通过本科生课程设计（论文）4变压器二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化，消除了其他隐患，提高了工作效率。图2.2双反星形可控整流电路在图2.2中，平衡电抗器Lp是从中心抽头出来，在左右两部分绕在同一铁芯上，其中铁芯上的匝数相等，且绕向相同，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，与三相桥式电路比较，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。在图2.3中，两组的相电压相差180º，所以相电流也互差180º。并且幅值都相等，都是Id/2。对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。TabcLRniPLPudidVT2VT6VT4VT1VT3VT5c'a'b'n1n2本科生课程设计（论文）5图2.3双反星形电路，α=0º时两组整流电压、电流波形在这种并联电路中，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2.4a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。在图2.2所示的双反星形电路中，如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流器电路，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，每个管子的最大导通角为60º，每个管子的平均电流为Id/6。当α=0时，六相半ud1uaubuciaud2ia'uc'ua'ub'uc'OwtOwtOwtOwtId12Id16Id12Id16本科生课程设计（论文）6波整流电路的Ud为1.35U2，比三相半波是的1.17U2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因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，顾及少采用。可见，双反星形与六相半波电路的区别在于有无平衡电抗器。在图2.4a中取任一瞬间如ωt1,这时ub'及ua均为正值，然而ub'大于ua,如果两组三相半波整流电路中点n1和n2直接相连，则必然只有b'相的晶闸管能导电。图2.4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接了平衡电抗器后，n1、n2间的电位差加在Lp的两端，它补偿了ub'和ua的电动势差，使得ub'和ua相的晶闸管能同时导电。由于在ωt1时电压ub'比ua高，VT6导通，此电流在流经L