20V／8000A电解电源设计

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0~20V可调，输出直流电流0~8000A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

目 录

第1章 绪论 .......................................................... 1

1.1 电力电子技术概况 ............................................. 1 1.2 本文研究内容 ................................................. 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

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低，

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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 本文研究内容

本文研究内容是将一三相380 V 交流电源经整流输出0—20V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。

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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。

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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，a'、b'、c'一组。a与a'绕在同一相铁心上，图2.2中“·”表示同名端。同样b与b'，c与c'都绕在同一相铁心上，故得名双反星形电路。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 Lp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Id/2。以相而言，相电流ia与ia出现的时刻虽不同，但它们的平均值都是

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。因此本电路是利用绕组的极性相反来消除直流磁通势的。

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图2.3 双反星形电路，=0,时两组整流电压，电流波形

o

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Ud1和Ud2是相等的，但是他们的脉动波相差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。电感作用为了使两组电流竟可能的平均分配，一般是Lp足够大，以便限制环流在负载额定电流的1%~2%以内。其波形是三倍频的近似三角波，如图2.4b）所示。这个电压加在平衡电抗器Lp，上面，产生相应的交流电流ip，而ip通过2个星型绕组自成回路，不会到达负载上，故称平衡电流。

当＝0时，六相半波整流电路的Ud为1.35U2，比三相半波时的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。

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t1，这时ua及均为正值，然而 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。

'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

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''差，使得ub和ua相的晶闸管能同时导电，如图2.5所示。由于在t1时ub比 ua电

压高，VT6导通，此电流在流经Lp时，Lp上要感应电动势up，它的方向是要阻止电流增大。（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

upud2ud2 （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的交点时，由于ub = ua，两'管继续导电，此时 up=0。之后ub＜ua，则流经b'相的电流要减小，但 Lp有阻

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：

止此电流减小的作用，up 的极性则与图2.5示出的相反，Lp仍起平衡的作用，

''使VT6 继续导电，直到uc＞ub ,电流才从VT6换至VT2。此时变成VT1、VT2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。

将图2.3中 ud1和ud2的波形用傅氏级数展开，可得当 =0o 时的ud1、

ud2，即

（2.3）

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（2.4）

由式（2.1）和式（2.2）可得

（2.5）

（2.6）

负载电压ud中的谐波分量比直流要小得多，而且最低次谐波为六谐波。其直流分量就是该式中的常数项，即直流平均电压

Ud0=3U2/(2)=1.17U2

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ud1和ud2波形，然后作出波形 (ud1＋ud2)/2。

图2.6 但=30、60、90时，双反星形电路的输出电压波形

o

o

o

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，Ud=0，因而要求的移相范围是90o。如果是电阻负载，则ud波形不应出现负值，仅保留波形中正的部分。同样可以得出，当= 120o，Ud=0，因而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Id/6。

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2、当导通角为0时，Ud为1.35U2，比三相半波时的1.17U2大些。 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U2相等时，双反星形电路的整流电压平均值Ud是三相桥式电路的1/2，而整流电流平均值Id是单相桥式电路的2倍。

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

ud和整流电流id的波形形状一样。

2.2.2 控制设计

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：

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

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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

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。

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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I2t值应小于被保护器件的允许I2t值。

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。 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

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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RC3和RCD为抑制内因过电压措施，抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的。

图2.9过电压抑制措施及配置位置

F—避雷针；D—变压器静电屏蔽；C—静电感应过电压电容器；RC1—交流侧浪涌过电压抑制用RC电路；RC2—交流侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路；FS—硒过电压抑制器（或压敏电阻过电压抑制器）；RC3—换相过电压抑制用RC电路；RC4—直流侧过电压抑制用RC电路；SDC—直流快速开关。

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

U2负载电阻

Ud2.34cos30Ud15V2.340.8667.4V

RId15V6000A0.0025

变压器二次侧电流有效值

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I2流过每个晶闸管的平均电流

2Id326000A4898.38A 3Idvt流过每个晶闸管的电流有效值

IvtIdId6000A2000A 3336000A33464.2A

晶闸管承受的最大反向电压

UFM6U267.4V18.13V

晶闸管的额定电压

UN(2~3)UFM(2~3)18.13V36.26~54.39V

晶闸管的额定电流

IN(1.5~2)Ivt.2(1.5~2)34643309.75~4412.99A

1.571.57变压器一次侧相电压

VU1380变压器变比

KU1U23220V

220V7.4V29.73

变压器容量

SN3U2I237.4V4898.32A62.78KW

主回路电感量

Lp0.693所以综合以上数据得出：

晶闸管分别选用KP800

U27.4V0.6930.513 Idmin10A2.4 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

B1、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A1、

C1为三相输入端，A2、B2、C2为副方正向绕组输出端，A3、B3、C3为副方反向绕组输出端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。

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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，如图2.11所示。在图2.11中，A、B和C为三相对称电源，transformerDYY为双反星型变压器，T1~T6为晶闸管，R、

L分别为电阻负载和电感负载，L1和L2为平波电抗器。

图2.11 大功率双反星型整流电路的仿真模型

输入以下数据：N=120匝，R=100，L=1H，f=50Hz，Ua=1e4sin t(v)，=0o，贝U平衡电抗器两端的电压仿真曲线、负载电压仿真曲线如图2.12、图2.13所示：

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图2.12 平衡电抗器两端的电压仿真曲线 图2.13 负载电压仿真曲线

从仿真图形可见，由于在双反星形整流电路中，虽然两组整流电压的平均值

U和U0是相等的，但是它们的脉动波相差60o，因而它们的瞬时值U和U0是不同

的，二者之差(0l和02问电压)是一个三倍基频近似三角形的波。与实验结果完全一致，说明了仿真模型的正确性以及直观，快捷的特点。

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第3章 课程设计总结

通过此次对电力电子课程设计的之——20V／8000A电解电源设计，对电力电子这门课程有了进一步的认识，掌握了晶闸管、触发电路的基本原来及其应用，也对这门学科有了更深的了解。也懂得了电力电子这门课程在实际生产中的应用将电力电子方面的知识应用到实际生产中，分析与复杂的数学计算，并力求将知识点与能力点紧密结合，从而有助于我们在工程应用能力上的培养 ，做为一名刚学习完《电力电子技术》的我来说有一定的难度，但是这对于我掌握，

理解学习过的知识有很大的帮助，对于思维 、逻辑及其理论知识的运用等多方面有了更加进一步的掌握，在做课设的过程中我查阅了很多老师的参考书通过参考及运用自己所掌握的知识完成了此次的设计，在这里我也感谢所有给予我关心帮助的老师和同学，希望以后有更多的机会来锻炼自己的综合素质，为以后的学习、生活打下良好的基础，在这次课设中也暴露了自己的一些缺点，基础知识不够扎实，我会在以后的日子里加以改正，来提高自己综合能力。

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参考文献

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[3] 孟志强.电力电子技术.晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法, 2003.6 [4] 吕宏.电力电子技术.感应加热电源的PWM-PFM控制方法, 2003.1 [5] 吴雷.电力电子技术.基于DSP大功率中频感应焊机的研究, 2003.4

[6] 李金刚..电力电子技术.基于DSP感应加热电源频率跟踪控制的实现, 2003.4 [7] 苏玉刚. 电力电子技术 重庆大学出版社 2004.3 [8] 叶慧贞. 开关稳压电源 北京：国防工业出版社 1990

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