电力电子技术课程设计--20V／8000A电解电源.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：20V20V8000A8000A电解电源电解电源 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：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 20V20V8000A8000A电解电源电解电源 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 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 020V 可调，输出直流电流 08000A 可调。 设计任务设计任务 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。 技术参数技术参数 1、交流电源：三相 380V。2、整流输出电压 Ud在 020V 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 20300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 020V 可调，输出直流电流 08000A 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 1 1.1 电力电子技术概况 .1 1.2 本文设计内容 .2 第 2 章 电解电源电路设计 3 2.1 电解电源总体设计方案 .3 2.2 具体电路设计 .4 2.2.1 主电路设计 .4 2.2.2 控制电路设计 .8 2.2.3 保护电路设计 .9 2.3 元器件型号选择 12 2.4 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 本科生课程设计（论文） 2 低，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 380 V 交流电源经整流输出 020V 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 变压器整流电路滤波电路负载 触发电路 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。 本科生课程设计（论文） 2 2.2 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，、一组。a 与绕在同一相铁心上， a b c a 图 2.2 中“”表示同名端。同样 b 与，c 与都绕在同一相铁心上，故得名双 b c 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 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 p L 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/2。以相而言，相电流与出现的时刻虽不同，但它们的平均值都是 d I a i a i 本科生课程设计（论文） 3 /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 d I 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和是相等的，但是 1d U 2d U 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和间的电压便等于和之 1 n 2 n 1d u 2d u 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 p L 的近似三角波，如图 2.4b）所示。这个电压加在平衡电抗器，上面，产生相 p L 应的交流电流，而通过 2 个星型绕组自成回路，不会到达负载上，故称平衡 p i p i 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/6。 d I 当0 时，六相半波整流电路的为 1.35，比三相半波时的 1.17略 d U 2 U 2 U 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，这时及均为正值，然而 大于，如果 1t a u a u 两组三相半波整流电路中点和直接相连，则必然只有相的晶闸管能导电。 1 n 2 n b 接了平衡电抗器后,、间的电位差加在的两端，它补偿了和的电动势 1 n 2 n p L b u a u 差，使得和相的晶闸管能同时导电，如图 2.5 所示。由于在时比 b u a u 1t b u 电压高，导通，此电流在流经时，上要感应电动势，它的方向是 a u 6 VT p L p L p u 要阻止电流增大。（见图 2.5 标出的极性） 图 2.5 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况 可以导出平衡电抗器两端电压和整流输出电压的数学表达式： （2.1） 22ddp uuu （2.2） 虽然，导致，但由于的平衡作用，使得晶闸管和 b u a u 1d u 2d u p L 6 VT 都承受正向电压而同时导通。随着时间推迟至与的交点时，由于 = 1 VT b u a u b u ，两管继续导电，此时 =0。之后，则流经相的电流要减小，但 a u p u b u a u b 有阻止此电流减小的作用， 的极性则与图 2.5 示出的相反，仍起平衡的 p L p u p L 作用，使 继续导电，直到 ,电流才从换至。此时变成、 6 VT c u b u 6 VT 2 VT 1 VT 同时导电。每隔 60o有一个晶闸管换相。每一组中的每一个晶闸管仍按三相半 2 VT 波的导电规律而各轮流导电 120o 。这样以平衡电抗器中点作为整流电压输出的 负端，其输出的整流电压瞬时值为两组三相半波整流电压瞬时值的平均值，见式 （2.2），波形如图 2.4a)中粗黑线所示。 本科生课程设计（论文） 5 将图 2.3 中 和的波形用傅氏级数展开，可得当 =0o 时的、 1d u 2d u 1d u ，即 2d u （2.3） （2.4） 由式（2.1）和式（2.2）可得 （2.5） （2.6） 负载电压中的谐波分量比直流要小得多，而且最低次谐波为六谐波。其直 d u 流分量就是该式中的常数项，即直流平均电压 =3/(2)=1.17 0d U 2 U 2 U 当需要分析各种控制角时的输出波形时，可根据式(2.2)先作出两组三相半 波电路的和波形，然后作出波形 ()/2。 1d u 2d u 1d u 2d u 图 2.6 但=30o、60o、90o时，双反星形电路的输出电压波形 本科生课程设计（论文） 6 图 2.6 画出了= 30o、= 60o和= 90o时输出电压的波形。从图中可以看 出，双反星形电路的输出电压波形与三相半波电路比较，脉动程度减小了，脉动 频率加大一倍，f = 300Hz。在电感负载情况下，当= 90o时，输出电压波形正 负面积相等，=0，因而要求的移相范围是 90o。如果是电阻负载，则波形不 d U d u 应出现负值，仅保留波形中正的部分。同样可以得出，当= 120o，=0，因而 d U 电阻负载要求的移相范围为 120o。 当双反星电路没有平衡电感器时，即成为六相半波整流电路： 1、只能有一个晶闸管导电，其余五个都阻断，每管的最大导通角为 60，平 均电流为/6。 d I 2、当导通角为 0 时，为 1.35，比三相半波时的 1.17大些。 d U 2 U 2 U 3、六相半波整流电路因为晶闸管导电时间短，变压器利用极低，因此极少 采用。 在以上分析的基础上，将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下 结论： 1、三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两组三相半 波电路并联，且后者需用平衡电抗器。 2、当变压器二次电压有效值相等时，双反星形电路的整流电压平均值 2 U 是三相桥式电路的 1/2，而整流电流平均值是单相桥式电路的 2 倍。 d U d I 3、在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电 压和整流电流的波形形状一样。 d u d i 2.2.2 控制电路设计 晶闸管触发电路工作原理 当晶闸管的阳极电位高于阴极电位，并在门极与阴极间加一适当的具有一定 功率的相。 电压电流时，晶闸管将导通。当晶闸管的阳极电流升到大于擎住电流后，晶 闸管回保导通状态 ，而门极就失去了控制作用。因此，在门极与阴极间所加的 这个正相电压电流往往是脉冲形式的，以便减少门极损耗。这个正相电压电流称 之为触发信号或触发脉冲。触发信号是由触发电路提供的。 晶闸管组成的电路种类很多，有可控整流，有源逆变，交流调压，交交变频， 斩波，无源逆变等电路，这些电路的工作方式不同，对触发电路的要求也就有所 不同。即使是同一类工作电路，因控制方式的不同或负债的性质不同。对触发电 路也会有不同的要求。但归纳起来他们对出发电路有如下的要求： 本科生课程设计（论文） 7 1、发信号应有合适的功率。 2、发信号的起始时刻要满足主电路的要求。 3、触发脉冲要有一定的宽度，以保证晶闸管在需要导通的期间都能可靠的 开通。 在理想的条件下，晶闸管的导通时间只要几个，因此触发脉冲似乎有 20- 50us 就足够了。实际上在绝大多数电路中这个脉冲是远远不够的，因此还应从下 述一些主电路的情况来考虑对脉宽的要求。 工作电流流过两只或两只以上的晶闸管电路中，在某一晶闸管需要导通的时 刻，应使前一只逻辑上仍开通的晶闸管也应有触发信号存在，否者该晶闸管在启 动或电流不连续的情况下就不能导通。就需要采用能互相交叉覆盖的宽脉冲信号 或双脉冲触发信号。例如，前后元件触发脉冲时间相差 60o的三相俏式可控整流 电路应采用大于 60o的宽脉冲或间隔 60o的双脉冲触发。 1、主电路带有大电感负载时，脉宽应大于主电路电流从 0o上升到晶闸管擎 住电流所需的时间。 2、电压型逆变器等一些电路中，需要开通的支路往往是先由续流二极管续 流，待支路电流过零，续流二极管关断后，该支路的晶闸管才能加上正相电压而 导通，为保证续流结束后晶闸管仍能按要求导通，触发脉冲的宽度应覆盖着整个 导通的期间。这类电路还有如斩波电路，矩形电流波交交变频电路。 3、触发电路的触发脉冲波形应满足主电路的需要 图 2.7 触发电路原理图 本科生课程设计（论文） 8 2.2.3 保护电路设计 晶闸管作为整流电路的核心，在本系统中占据至关重要的位置，一旦由于过 电流，过电压而导致晶闸管被击穿，就会造成重大的运行事故。因此，必须对整 流电路采取相应的保护。 过电流保护 晶闸管整流装置产生过电流的原因很多，一般可分为内部因素。其中，内部 因素包括： 1、晶闸管因反相电压过高被击穿以后导致其他元件被短路，当某整被击穿， 实际电流形成短路。 2、触发回路如有超过额定值很多的强脉冲信号时，可能使晶闸管失去阻断 能力，从而导致元件损坏。因此，由于受干扰原因，触发电路会造成晶闸管误通， 连通，失通等故障。 3、控制系统中的相应控制电源异常，如缺相，电压不足，停电等。 图 2.8 给出了各种过电流保护措施及配置位置。对于过电流的保护方法有很 多种，比如采用快熔断开电路以实现保护，利用线路阻抗以限制电流大小或上升 率以实现其保护作用，设置限流保护回路，当主回路电流大于某一允许值时，限 流保护动作，调节晶闸管移相角，使整流装置输出电流减少。 图 2.8 过电流保护措施及配置位置 采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过 电流保护措施。在选择快熔时应考虑： 1、电压等级应根据快熔断后实际承受的电压来确定。 2、电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式来确定。快熔 一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直 流母线中。 3、快熔的值应小于被保护器件的允许值。tI 2 tI 2 4、为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。 本科生课程设计（论文） 9 快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。全保护是指不论过载 还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的 场合。短路保护方式是指快熔只在短路电流较大的区域内起保护作用，此方式下 需与其他过电流保护措施相配合。 过电压保护 整流装置中的过电压可分为外因过电压和内因过电压两大类。外因过电压主 要来自雷击和系统中的开关过程等外部原因，包括： 1、操作过电压：有分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过 电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感 应耦合过来。 2、雷击过电压：有雷击引起的过电压。 内因过电压主要来自硅整流装置必须设有各种过电压的防护措施，包括： 1、换相过电压：由于晶闸管或者与全控器件反并联的续流二极管在换相结 束后不能立刻恢复能力，因而有较大的反向电流流过，是残存的载流子恢复，而 当恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶 闸管阴极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。 2、关断过电压:全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流 的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 图 2.9 示出了各种过电压保护措施及其配置位置，各电力电子装置可视具体 情况只采用其中几种。其中和为抑制内因过电压措施，抑制外因过电压 3 RCRCD 的措施中，采用过电压抑制电路是最为常见的。RC 图 2.9 过电压抑制措施及配置位置 避雷针；变压器静电屏蔽；静电感应过电压电容器；交FDC 1 RC 流侧浪涌过电压抑制用电路；交流侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC 2 RC 本科生课程设计（论文） 10 电路；硒过电压抑制器（或压敏电阻过电压抑制器） ；换相过电RCFS 3 RC 压抑制用电路；直流侧过电压抑制用电路；直流快速开关。RC 4 RCRC DC S 2.3 元器件型号选择 整流电路部分： 变压器二次侧相电压为 V V U U d 87 . 9 866 . 0 34 . 2 20 30cos34 . 2 2 负载电阻 0025 . 0 8000 20 A V I U R d d 变压器二次侧电流有效值 AAII d 17.65318000 3 2 3 2 2 流过每个晶闸管的平均电流 A A I I d dvt 67.2666 3 8000 3 流过每个晶闸管的电流有效值 A A I I d vt 94.4618 3 8000 3 晶闸管承受的最大反向电压 VVUUFM18.2487 . 9 66 2 晶闸管的额定电压 VVUU FMN 54.7236.4818.24)32()32( 晶闸管的额定电流 A I I vt N 58844413 57 . 1 94.4618)25 . 1 ( 57 . 1 )25 . 1 ( 变压器一次侧相电压 V V U220 3 380 1 变压器变比 29.22 87 . 9 220 2 1 V V U U K 变压器容量 KWAVIUSN649.11117.653187 . 9 33 22 本科生课程设计（论文） 11 主回路电感量 684 . 0 10 87 . 9 693 . 0 693 . 0 min 2 AI U L d p 所以综合以上数据得出： 晶闸管分别选用800KP 2.4 系统调试或仿真、数据分析 由于在 Matlab 的电气系统模块库中没有三相双绕组 DYY 连接的变压器，因 而我们通过基本模块自建了一个 DYY 连接的变压器，如图 2.10 所示。其中、 1 A 、为三相输入端，、为副方正向绕组输出端，、为副 1 B 1 C 2 A 2 B 2 C 3 A 3 B 3 C 方反向绕组输出端 0l、02 为正反向绕组的中性点。并进行封装，放入自建模块 库以备调用。 图 2.10 DDY 型变压器的仿真模型 封装后的模型如图 2.11 中 transformerDYY 模块所示。按照大功率双反星型 整流电路的电路结构图的要求联接仿真模型，