12V8000A电镀电源

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 12V 8000A12V 8000A电镀电源电镀电源 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 电气电气133133班班 学学 号 号 130303076130303076 学生姓名 学生姓名 于明然于明然 指导教师 指导教师 孙丽颖孙丽颖 起止时间 起止时间 202015 12 24至至2016 1 3 本科生课程设计 论文 II 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 电气 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 0 12V 可调 输出直流电流 0 8000A 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 7 进行 matlab 仿真 8 完成设计说明书 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 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 本科生课程设计 论文 IV 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 V 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 电镀电源概况 1 1 2 本文设计内容 2 第 2 章 12V 8000A 电镀电源电路设计 3 2 1 12V 8000A 电镀电源总体设计方案 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 5 2 2 3 保护电路设计 6 2 3 元器件型号选择 7 2 3 1 12V 8000A 电镀电源参数计算与选择 7 2 4 系统仿真 9 2 4 1 12V 8000A 电镀电源仿真软件简介 9 2 4 2 12V 8000A 电镀电源仿真模型建立 10 2 4 3 12V 8000A 电镀电源仿真波形及数据分析 11 第 3 章 课程设计总结 12 参考文献 13 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 本科生课程设计 论文 3 第 2 章 12V 8000A 电镀电源电路设计 2 1 12V 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 本科生课程设计 论文 4 而且通过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 180 所以相电流也互差 180 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 T abc L R n iPLP ud id VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 c a b n1n2 本科生课程设计 论文 5 图 2 3 双反星形电路 0 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 60 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 60 每个管子的平均电流为 Id 6 当 0 时 六相半 u uaubuc ia u ia uc ua ub uc O t O t O t O t Id 1 2 Id 1 6 Id 2 Id 1 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 t1 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 t1时电压 ub 比 ua高 VT6导通 此电流在流经 Lp时 Lp上要感应一电动势 up 它的方向是要阻止电流增 大 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如下 2 1 2 2 虽然 ub ua 导致 ud1 ud2 但由于 Lp的平衡作用 使得晶闸管 VT6和 VT1都 承受正向电压而同时导通 随着时间推迟至 ub 与 ua的交点 由于ub 与 ua 两 管继续导电 此时 up 0 之后 ub ub 电流才从 VT6 换至 VT2 此时变成 VT1 VT2同时导电 每隔 60 有一个晶闸管换相 每一组中 本科生课程设计 论文 7 的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导电 120 双反星形电路是两 组三相半波电路的并联 所以整流电压平均值与三相半波整流电路的整流电压平 均值相等 在不同控制角 时 Ud 1 17U2cos 双反星形电路是两组三相半波电路并联 每组三相半波整流电流是负载电流 的 1 2 所以负载电流为 Id 2Ud R 图 2 5 取不同值时输出电压波形 ud ud u O tO tO uaubucuc ua ub ubucuc ua ub ubucuc ua ub 本科生课程设计 论文 8 2 2 2 触发控制电路设计 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 当晶闸管保持导通时 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的形式 以便减小门极损耗 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 有可控电路 有源逆变 交流调压 交流变 频 斩波电路 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 即便是同一类工作电路 因控制方式和负载的性质不同 对电路 也会有不同的要求 但归纳起来它们对触发电路有如下要求 1 触发信号应有适合的功率 2 触发信号的其实时刻满足主电路的要求 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开 通 本次课设选用 KC04 触发电路 本科生课程设计 论文 9 图 2 6 KC04 触发电路原理图 图 2 7 KC04 引脚功能图 1 脚 15 脚 输出脉冲 4 脚 形成锯齿波 7 脚 接地 8 脚 接同步电压 9 脚 锯齿波 Ub Uc 综合比较输入 16 脚 接 15V 电源 2 2 3 保护电路设计 过电流保护 电力电子电路运行不正常或者发生故障时 可能会发生过电流 过电流分过载和短路两种情况 快速熔断器 直流快速断路器和过电流继电器是 各种过电流保护较为常用的措施 一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护 措施 以提高保护的可靠性和合理性 在选择各种保护措施时应注意相互协调 通常 电子电路作为第一保护措施 快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护 直流民快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护 过电流继电器整定在过载 时动作 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 本科生课程设计 论文 10 1 电等级应根据熔断后快熔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 为保证熔体在正常过载的情况下不熔化 应考虑其时间 电流特性 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 快熔电流容量的具体选择方法可参考有关的工 程手册 对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备 或者工作频率较高 很难用 快速熔断器保护的全控型器件 需要采用电子电路进行过电流保护 本次电路设计采用的过电流保护为快速熔断器 过电压保护 电力电子装置可能的过电压分为外因过电压和内因过电压 外 因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等 包括 操作过电压 由分闸 合闸等开关操作引起 雷击过电压 由雷击引起 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 包括 1 换相过电压 晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立 刻恢复阻断 因而有较大的反向电流流过 当恢复了阻断能力时 该反向电流急 剧减小 会由线路电感在器件两端感应出过电压 2 关断过电压 全控型器件关断时 正向电流迅速降低而由线路电感在器件 两端感应出的过电压 主电路抑制过电压的方法 用非线性元件限制过电压的副度 用电阻消耗生 产过电压的能量 用储能元件吸收生产过电压的能量 本次电路设计对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护 我们使 用阻容保护 本科生课程设计 论文 11 图 2 10 电路保护具体措施 2 3 元器件型号选择 2 3 1 12V 8000A 电镀电源参数计算与选择 双反星形电路是两组三相半波电路的并联 所以整流电压平均值与三相半波 整流电路的整流电压平均值相等 在不同控制角 时 输出平均电压为 Ud 1 17U2cos Ud 为 0 12V 可调 最小控制角取 30 度 将 30 和 Ud 12V 带入上式计算 可得得 U2 12 2 电源接三相电源 故整流变压器变比为 12 380 12 231 15NUU 双反星形电路是两组三相半波电路并联 每组三相半波整流电流是负载电流 的 1 2 因为设计要求的负载最大电流为 8000A 则每组三相半波最大整流电流 为 4000A 变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为 ddVT IIII577 0 3 1 2 将代入上式可得AId4000 AI2308 2 由此可求出晶闸管的额定电流为 1 57 1470 VT I VT AV IA 6667 dVTd IIA 晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值 即 2max 45 2UUUU RMFM 将代入可得 2 12 2UV 29 9 FM UV 可得 2 3 60 90 NFM UUV AII AVVTN 2944 2208 2 5 1 整流变压器容量的确定 222 32 3 19 8 2308274 2SU IKW 又因为 2 1 1 1 1 2 133 6 145 7 I K IA 则可得 KWS 6 1591403803 1 KWSSSN217 212 1 其中交流侧电容 计算后uF U S IC N em 017 06 2 2 5 em IA 本科生课程设计 论文 12 其中交流侧电阻 计算后004 0 3 2 2 2 em sh N I U S U R5 sh UV 由于晶闸管 所以因为过流保护 1 57 1470 VT I VT AV IA AII dvtFU 2000 1600 5 1 2 1 查表可得晶闸管的阻容吸收保护电路器件应选 C 2Uf R 2 由此选择器件 选择 GT40Q301 型绝缘栅双极晶体管 IGBT 而变压器选择 三相隔离变压器 触发电路选择 KC04 2 4 系统仿真 2 4 1 12V 8000A 电镀电源仿真软件简介 本次课设应用的软件是 MATLAB MATLAB 由一系列工具组成 这些工具方便 用户使用 MATLAB 的函数和文件 其中许多工具采用的是图形用户界面 包括 MATLAB 桌面和命令窗口 历史命令窗口 编辑器和调试器 路径搜索和用于用户 浏览帮助 工作空间 文件的浏览器 随着 MATLAB 的商业化以及软件本身的不 断升级 MATLAB 的用户界面也越来越精致 更加接近 Windows 的标准界面 人机 交互性更强 操作更简单 而且新版本的 MATLAB 提供了完整的联机查询 帮助 系统 极大的方便了用户的使用 简单的编程环境提供了比较完备的调试系统 程序不必经过编译就可以直接运行 而且能够及时地报告出现的错误及进行出错 原因分析 2 4 2 12V 8000A 仿真模型建立 本次设计电路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 这样变 压器二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化 据此可知 双反星接电路 就是两个三相半波可控整流电路通过平衡电抗器的并联 这样 我们可以对其中 一个电路进行仿真测试 三个晶闸管分别接入 a b c 三相电源 其阴极连接在 一起 共阴极接法 如图 2 4 1 所示其中电阻 R 为负载 L1 L2 为电抗器 晶闸管 6 个为绝缘栅 双极晶闸管 即 IGBT 本科生课程设计 论文 13 图 2 4 1 12V 8000A MATLAB 仿真图 2 4 3 12V 8000A 仿真波形及数据分析 仿真模型参数设置为三相交流电源为 220V 有效值 相位互差 120 R 10 晶闸管参数为默认值 选择仿真终止时间为 0 06s 当 60 时此电路特点 id波形基本平直 整流电压波形与电阻负载时相同 如 a 60 时的波形如图 2 4 2 所示 当 u2过零时 由于电感的存在 阻止电流下降 因而 VT1 继续导通 直到下 一相晶闸管 VT2 的触发脉冲到来 才发生换流 由 VT2 导通向负载供电 同时向 VT1 施加反压使其关断 这种情况下 ud波形中出现负的部分 若 a 增大 ud波形 中负的部分将增多 至 a 90 时 u 波形中正负而积相等 ud的平均值为零 可 见阻感负载时 a 的移相范围为 90 本科生课程设计 论文 14 图 2 4 2 负载电压波形图 本科生课程设计 论文 15 第 3 章 课程设计总结 根据任务设计要求 设计了 20V 8000A 电镀电源的初步电路 它包含了 整流电路 控制电路 过电流保护