电化学整流技术

1、电化学整流技术电化学整流技术一、电解槽的电气性能一、电解槽的电气性能1.槽电压的组成槽电压的组成（1）理论分解电压）理论分解电压（2）过电压）过电压（3）第二类导体（电解质盐水溶液）中的压降）第二类导体（电解质盐水溶液）中的压降（4）第一类导体（铜、石墨阳极、离子膜、铁）第一类导体（铜、石墨阳极、离子膜、铁阴极）中的压降阴极）中的压降2.电解槽的等效电路电解槽的等效电路UcIcRcEp电解槽等效电路图电解槽等效电路图此电路可用方程表达为：此电路可用方程表达为：cp+Rc*Ic,式中式中c为槽电压，单位为槽电压，单位为。为。Ep为极化电压，单位为；为极化电压，单位为；c为电槽内阻；为电槽内阻；c

2、为槽电流，单为槽电流，单位为。位为。3.电解槽的负荷特性电解槽的负荷特性10080604020020406080100Uc/%Ic/%以以c为变量，为变量，c为函数，便可作出电解槽的负荷等性曲线（伏为函数，便可作出电解槽的负荷等性曲线（伏安特性）。只有当电槽电压大于极化电压时，电槽才有电流通过。安特性）。只有当电槽电压大于极化电压时，电槽才有电流通过。4.4.电槽系列等效电路电槽系列等效电路UdRdRbNCEp+-IcNcRcLd电槽系列等效电路电槽系列等效电路电槽的瞬态方程为：电槽的瞬态方程为：d=(Rb+Nc*Rc)ic+Ld(dic/dt)+Nc*Ep =Rd*ic+Ld(dic/dt)

3、+Nc*Ep电槽的稳态方程电槽的稳态方程:d=(Rb+Nc*Ra)*Ic+Nc*Ep 式中：式中：d-电槽总电压（即整流装置输出直流电压），；电槽总电压（即整流装置输出直流电压），； b-整流器与电槽及电槽与电槽间连接铜排的电阻，整流器与电槽及电槽与电槽间连接铜排的电阻，； Nc-电槽串联总台数，台；电槽串联总台数，台； Rc-电槽内阻，电槽内阻，； Ic -电槽电流，；电槽电流，； Ep-电槽极化电压，；电槽极化电压，； Ld-电槽电感，；电槽电感，；5.电槽系列的电压分布电槽系列的电压分布 Ud+Ud +1/2Ud0-1/2Ud-UdnN+1/2电槽系列电压分布电槽系列电压分布电槽系列的电

4、路是一个直流不接地系统，也叫做电槽系列的电路是一个直流不接地系统，也叫做“浮动中点浮动中点”系统，其电位系统，其电位中点随电槽对地绝缘状况而浮动。中点随电槽对地绝缘状况而浮动。中点过多的偏移，将使电位高的电槽漏电增加，造成断电困难。因此，要中点过多的偏移，将使电位高的电槽漏电增加，造成断电困难。因此，要求装设监视直流系统对地绝缘的装置。求装设监视直流系统对地绝缘的装置。6.电解工艺对直流供电应提出的设计条件（要点）电解工艺对直流供电应提出的设计条件（要点）（1）电解槽电流设计值、最大值、最小值；）电解槽电流设计值、最大值、最小值；（2）电解槽（系列）的电压设计值、最大值、最小值；）电解槽（系列

5、）的电压设计值、最大值、最小值；（3）离子膜电解槽零电流、软起动电流升、降速度值；）离子膜电解槽零电流、软起动电流升、降速度值；（4）电解槽电流稳定精度；）电解槽电流稳定精度；（5）电解槽电流和电压调节范围；）电解槽电流和电压调节范围；（6）电解槽分批建设或分批投产的规划，作为整流设备选型，确定其整流）电解槽分批建设或分批投产的规划，作为整流设备选型，确定其整流电路的类型和额定值的依据；电路的类型和额定值的依据；（7）电槽电流、电压、电能计量准确度及显示画面；）电槽电流、电压、电能计量准确度及显示画面；（8）整流机组的稳流控制和监控系统接入工艺系统的要求；）整流机组的稳流控制和监控系统接入工艺

6、系统的要求；（9）电解槽及工艺故障与整流联锁保护的要求；）电解槽及工艺故障与整流联锁保护的要求；（10）电槽电流急停、急降的操作方式要求；）电槽电流急停、急降的操作方式要求；（11）电解槽母线对地绝缘监察装置的方式及功能；）电解槽母线对地绝缘监察装置的方式及功能；（12）极化电源设备参数及控制方式。）极化电源设备参数及控制方式。7.电解工艺电气指标电解工艺电气指标（1）电流效率：实际上每）电流效率：实际上每1安时电量产出安时电量产出aOH(折折100%）的量与理论上）的量与理论上每安时电量能产出每安时电量能产出aOH (折折100%）的量之比的百分数。）的量之比的百分数。（2）电压效率：电解槽

7、的理论分解电压与槽电压之比的百分数；）电压效率：电解槽的理论分解电压与槽电压之比的百分数；（3）电解液直流电耗：生产每吨电解液（折）电解液直流电耗：生产每吨电解液（折100%浓度）所消耗的直流电浓度）所消耗的直流电量，单位量，单位kW*h/t;（4）电解液交流电耗：生产每吨电解液（折）电解液交流电耗：生产每吨电解液（折100%浓度）所消耗的交流电浓度）所消耗的交流电量，单位量，单位kW*h/t;8.极化电源的作用和要求极化电源的作用和要求当离子膜电解槽在运行中突然停电时，类似于蓄电池，会产生反向的自当离子膜电解槽在运行中突然停电时，类似于蓄电池，会产生反向的自放电，造成电解槽极板被腐蚀。极化电

8、源的作用是在主整流器停电时，向电放电，造成电解槽极板被腐蚀。极化电源的作用是在主整流器停电时，向电解槽提供防止腐蚀的应急电源。此外，在开车前电解槽已加入电解液及正常解槽提供防止腐蚀的应急电源。此外，在开车前电解槽已加入电解液及正常停车后，电解槽在没有排空电解液的情况下，往往也需要启动极化电源保护停车后，电解槽在没有排空电解液的情况下，往往也需要启动极化电源保护电解槽。电解槽。对极化电源的求如下：对极化电源的求如下：（1）极化电源长期处于待机状态，必须具有完备的故障监视报警，便于）极化电源长期处于待机状态，必须具有完备的故障监视报警，便于操作人员及时发现故障并修复，保证极化电源随时可投入运行。操

9、作人员及时发现故障并修复，保证极化电源随时可投入运行。（2）具有稳流、稳压控制功能。）具有稳流、稳压控制功能。（3）直流输出带平波电抗器。极化电源一般不带电压自动调档装置，完）直流输出带平波电抗器。极化电源一般不带电压自动调档装置，完全靠晶闸管移相触发调节输出电流电压。常处于深控状态，如果没有平波电全靠晶闸管移相触发调节输出电流电压。常处于深控状态，如果没有平波电抗器，输出电流是不连续的脉动电流。抗器，输出电流是不连续的脉动电流。（4）外部启动、停止控制。极化电源在待机时，根据电解槽工艺要求事）外部启动、停止控制。极化电源在待机时，根据电解槽工艺要求事先调整好电流、电压设计值。一旦主整流器突然

10、停电，输入一个开关量信号先调整好电流、电压设计值。一旦主整流器突然停电，输入一个开关量信号启动极化电源尽快输出预设的电流启动极化电源尽快输出预设的电流/电压，在启动过程中不致于因冲击造成极电压，在启动过程中不致于因冲击造成极化电源自身损坏。化电源自身损坏。二、半导体变流技术与可控硅整流二、半导体变流技术与可控硅整流1.晶闸管晶闸管 晶闸管（晶闸管（Thyristor）是）是晶体闸流管的简称，又可称晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；称为可控硅；1957年美国通年美国通用电器公司开发出世界上第用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于一款晶闸管产

11、品，并于1958年将其商业化；晶闸管是年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门有三个极：阳极，阴极和门极极; 晶闸管具有硅整流器件的晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电电子开关、逆变及变频等电子电路中。子电路中。2.晶闸管工作原理晶闸管工作原理晶闸管晶闸管T在工作过程中，它的阳极在工作过程中，它的阳极A和阴极和阴极K与电源和负载连接，组成晶与电源

12、和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。管的控制电路。 晶闸管的工作条件：晶闸管的工作条件： 1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。关断状态。 2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。才导通。 3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如晶闸管在导通情况下，只要

13、有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。 4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。晶闸管关断。 3.变流技术的种类变流技术的种类根据变流技术的应用和具体电路，我们将变流技术分成如下几类：根据变流技术的应用和具体电路，我们将变流技术分成如下几类： 单相半波整流单相半波整流单相全波整流单相全波整流 不可控整流不可控整流单相桥式整流单相桥式整流 单相整流单相整流单相半波可控整流单相半波可控整流单相桥式半控整流

14、单相桥式半控整流 可控整流可控整流单相桥式全控整流单相桥式全控整流 半导体变流半导体变流 三相零式整流三相零式整流 不可控整流不可控整流三相桥式整流三相桥式整流 三相整流三相整流三相半控桥三相半控桥 可控整流可控整流三相全控桥三相全控桥3.单相桥式整流单相桥式整流 单相桥式整流是实际应用最多的单相整流电路。在电路中，四只整流管单相桥式整流是实际应用最多的单相整流电路。在电路中，四只整流管组成桥式整流。在变压器二次电压的正半周，电流通过组成桥式整流。在变压器二次电压的正半周，电流通过D1RfzD2W2形形成通路，而在负半周，电流通过成通路，而在负半周，电流通过D3RfzD4W2形成通路，负载上电

15、压波形成通路，负载上电压波形见图棕色曲线。桥式整流电路的平均输出电压：形见图棕色曲线。桥式整流电路的平均输出电压：Ud=0.9U2 当有滤波电容器时，负载上的最高电压为变压器二次电压的峰值。当有滤波电容器时，负载上的最高电压为变压器二次电压的峰值。当整流管换为可控硅时，桥式整流可以很方便地变换为可控整流。单相当整流管换为可控硅时，桥式整流可以很方便地变换为可控整流。单相桥式可控整流电路的输出电压由：桥式可控整流电路的输出电压由： 决定。决定。当可控整流桥接入感性负载时，由于电感电流不能突变，在可控硅关断当可控整流桥接入感性负载时，由于电感电流不能突变，在可控硅关断期内，必须在负载两端接入续流二

16、极管以保持电感电流的通路，以防止可控期内，必须在负载两端接入续流二极管以保持电感电流的通路，以防止可控硅关断时在电感负载两端产生危险的过电压和可控硅能够换相导通。硅关断时在电感负载两端产生危险的过电压和可控硅能够换相导通。2cos19 . 02UUd3.三相整流电路三相整流电路 三相整流电路是最基本的变流技术之一。根据应用场合的不同，三相整三相整流电路是最基本的变流技术之一。根据应用场合的不同，三相整流电路分为三相零式、三相半控桥、三相全控桥、多相整流等多种电路形式。流电路分为三相零式、三相半控桥、三相全控桥、多相整流等多种电路形式。三相整流不仅输出波形的纹波小，而且输出电压等级高、电流大，特

17、别适合三相整流不仅输出波形的纹波小，而且输出电压等级高、电流大，特别适合于大功率整流的场合。于大功率整流的场合。4.三相整流电路三相整流电路三相桥式整流是以线电压为基础进行分析的。如图所示，在三相桥式整流是以线电压为基础进行分析的。如图所示，在t1t2区区间，间，D1、D6承受的电压最高，电流通过承受的电压最高，电流通过aD1RfzD6b变压器变压器a、b相副绕组形成闭环通路；在相副绕组形成闭环通路；在t2t3区间，区间，D1、D2承受的电压最高，电流通承受的电压最高，电流通过过aD1RfzD2c变压器变压器a、c相绕组形成闭环通路，整流元件相绕组形成闭环通路，整流元件D6、D2在在t2点换相

18、；在点换相；在t3点，点，a相电压下降而相电压下降而b相电压上升且高于相电压上升且高于a相电压，电相电压，电流由流由D1换到换到D3，在，在t3t4区段形成区段形成D3RfzD2变压器变压器b、c相绕组的相绕组的闭环通路；在闭环通路；在t4点，再次由点，再次由D2换流到换流到D4，在，在t4t5区段形成区段形成D3RfzD4变压器变压器b、a相绕组的闭环通路；以下类推。负载上的电压波相绕组的闭环通路；以下类推。负载上的电压波形见图形见图5b兰色曲线。三相整流元件的导通换流顺序如下：兰色曲线。三相整流元件的导通换流顺序如下：D1D6D1D2D3D2D3D4D5D4D5D6三相桥式整流电路的整流电

19、压与变压器二次电压的关系为：三相桥式整流电路的整流电压与变压器二次电压的关系为：式中：式中：U2L整流变压器二次线电压。整流变压器二次线电压。三相桥式整流电路的整流输出电流与变压器二次绕组电流的关系为：三相桥式整流电路的整流输出电流与变压器二次绕组电流的关系为：变压器与整流功率的关系为：变压器与整流功率的关系为：LdUU235. 1dII817. 02dddPIUIUS05. 1817. 024. 3332224.三相全控整流电路三相全控整流电路三相全控桥整流电路是电化学整流中用的较多的电路，三相全控桥整流三相全控桥整流电路是电化学整流中用的较多的电路，三相全控桥整流电路的电路图和波形图见图电

20、路的电路图和波形图见图 5.5.三相全控整流桥的工作状态三相全控整流桥的工作状态 通过前面对三相半控整流桥的分析知道：三相半控整流桥在通过前面对三相半控整流桥的分析知道：三相半控整流桥在=00时与三时与三相整流电路的工作状态完全一样，而在其他控制角下工作时具有不同的工作相整流电路的工作状态完全一样，而在其他控制角下工作时具有不同的工作状态。三相全控桥也具有相同的性质，与半控桥不同的是，当全控桥带感性状态。三相全控桥也具有相同的性质，与半控桥不同的是，当全控桥带感性负载工作时，在负载工作时，在00900区段内表现为整流状态，而在区段内表现为整流状态，而在9001800区段内表区段内表现为逆变状态

21、。现为逆变状态。在在00900区段内，由于整流输出正电压高于负电压，输出电压的平均区段内，由于整流输出正电压高于负电压，输出电压的平均值表现为正电压，习惯上称整流输出或整流状态；值表现为正电压，习惯上称整流输出或整流状态；9001800区段内，由于区段内，由于整流输出正电压低于负电压，输出电压的平均值表现为负电压，习惯上称逆整流输出正电压低于负电压，输出电压的平均值表现为负电压，习惯上称逆变输出或逆变状态。而控制角为变输出或逆变状态。而控制角为900时由于整流电压等于逆变电压，故输出电时由于整流电压等于逆变电压，故输出电压为零。下面以控制角压为零。下面以控制角900为例介绍感性负载下三相全控桥

22、的工作状态和波形。为例介绍感性负载下三相全控桥的工作状态和波形。整流元件的工作和换流过程与其他三相整流电路一样，这里不详细介绍。整流元件的工作和换流过程与其他三相整流电路一样，这里不详细介绍。由图可以看出，当控制角为由图可以看出，当控制角为900时，共阳极组的输出电压波形与功阴极组的输时，共阳极组的输出电压波形与功阴极组的输出电压波形一致而电压方向相反，他们叠加以后呈现的总输出电压：出电压波形一致而电压方向相反，他们叠加以后呈现的总输出电压：ud=ud+ud-。实际上，无论在任何控制角下，感性负载都会存在反电压，只是在控制实际上，无论在任何控制角下，感性负载都会存在反电压，只是在控制角角900

23、时正输出表现的高一些，使得总输出电压呈现为正电压状态，而在控时正输出表现的高一些，使得总输出电压呈现为正电压状态，而在控制角制角900时正输出表现的低一些，使得总输出电压呈现为负电压状态。三时正输出表现的低一些，使得总输出电压呈现为负电压状态。三相全控桥的输出电压与变压器二次绕组电压的关系有：相全控桥的输出电压与变压器二次绕组电压的关系有： 或或 整流输出电流与变压器二次绕组电流的关系有：整流输出电流与变压器二次绕组电流的关系有：变压器容量与功率的关系为：变压器容量与功率的关系为：cos35. 12LdUUcos34. 22UUddII817. 02dddPIUIUS05. 1817. 024

24、. 3332226.6.整流元件的过载、短路保护整流元件的过载、短路保护整流元件的过载、短路保护一般采用电力电子专用快速熔断器而不能使整流元件的过载、短路保护一般采用电力电子专用快速熔断器而不能使用普通熔断器代替。专用快速熔断器的电流用普通熔断器代替。专用快速熔断器的电流/ /温度特性与普通熔断器相比温度特性与普通熔断器相比具有更好的性能，熔断时间更短。同时，快速熔断器在熔断时的过电压具有更好的性能，熔断时间更短。同时，快速熔断器在熔断时的过电压水平较普通熔断器要低，能够有效防止过电压对整流元件的冲击和破坏。水平较普通熔断器要低，能够有效防止过电压对整流元件的冲击和破坏。快速熔断器的型号一般有

25、：快速熔断器的型号一般有：RSRS型、型、NTNT型、型、NGTNGT型等。其中型等。其中RSRS型为国产普通型为国产普通型快速熔断器型号，型快速熔断器型号，NTNT型、型、NGTNGT型是进口技术改进的高速熔断器国产型号。型是进口技术改进的高速熔断器国产型号。这几类快速熔断器虽然在性能上差别不大，但外型上的差别却较大，互这几类快速熔断器虽然在性能上差别不大，但外型上的差别却较大，互换的可能性不大，使用中应当注意。整流元件的过载、短路保护在电路换的可能性不大，使用中应当注意。整流元件的过载、短路保护在电路中的接法见图中的接法见图 AKRDABBCC图9 交流侧串联快熔接线方式图10 整流元件串联快熔接线方式KRD KP KP无论是交流侧串联熔断器接线方式还是整流元件串联熔断器接线方式，无论是交流侧串联熔断器接线方式还是整流元件串联熔断器接线方式，快速熔断器均应根据整流元件的通态平均电流来选择。一般情况下，熔断器快速熔断器均应根据整流元件的通态平均电流来选择。一般情况下，熔断器的额定电流应略大于整流元件的通态平均电流，其原因是因为整流元件的通的额定电流应略大于整流元件的通态平均电