电力电子技术课程设计12V8000A电镀电源设计.doc

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1、 电力电子技术课程设计说明书 12V/8000A电镀电源设计 学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： 2015年7月 摘 要 在冶金工业的电镀工艺中常需要提供低电压大电流可调直流电源。为应用于实际生产，需要设计输出直流电压012V可调，输出直流电流08000A可调的低电压大电流直流电镀电源。首先分析了电镀电源的设计要求和低电压大电流可调直流电源的工作原理。确定了带平衡电抗器的双反星可控整流电路的总体方案，对主电路、控制电路、保护电路等单元电路进行了设计和参数的计算，选择和校验了KP4000晶闸管、SG-50KVA变压器、平衡电抗器、负载电阻和

2、电抗等元器件。最后利用MATLAB仿真软件建立了Simulink仿真模型，并进行了Simulink仿真，仿真的结果能实现电压在012V可调，且输出电流为08000A，证明完成了设计任务要求，满足设计的技术参数要求。 关键词： 电镀电源；主电路；控制电路；保护电路；仿真目 录1 主电路设计11.1 课题背景与意义11.2 发展现状21.3 设计主要任务22 主电路设计32.1 设计原始数据32.2 电路原理图32.3 参数计算与器件选择32.3.1 可控整流晶闸管的选取42.3.2 变压器的选取42.3.3 平衡电抗器的选取5 2.3.3 负载电阻的选取5 3 控制电路的设计63.1 KJ004

3、的工作原理63.2 基于KJ004的触发电路设计74 保护电路设计94.1 过电压保护电路设计94.1.1 主电路器件保护电路94.1.2 RC参数的计算94.2 过电流保护电路设计104.2.1 快速熔断器保护电路104.2.2 快速熔断器参数的确定105 仿真分析115.1 MATLAB软件介绍115.2 仿真模型建立115.3 仿真结果分析135.3.1 参数设置135.3.2 仿真结果分析15结束语18参考文献19致 谢20附 录21附录A 12V /8000A电镀电源电路图211 绪论 1.1 课题背景与意义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

4、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。电镀电源主要应用于铝、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。电镀电源特点： （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

5、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，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，且需要控制电路调节触发脉冲，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

6、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 发展现状随着电子工业的发展，电镀电源从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

7、；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，而在电镀等工业应用中，经常需要低电压大电流（例如几时伏，几千至几万安）的可调直流电源。在这种情况下，可采用带平衡电抗器的双反星可控整流电路，这种电路符合电镀电源低电压大功率的基本要求。主电路结构由两组三相半波电路并联，晶闸管阳极并联与负载连接，二次侧两组变压器并联分别连接到平衡电抗器两侧。控制方式采用集成触发器产生脉冲对晶闸管的导通进行控制。低电压大电流电路目前的最大功率可达到12000W。1.3 设计主要内容

8、设计主要内容是设计一个12V/8000A电镀电源，已知交流电源：三相380V，整流输出电压在012V连续可调，整流输出电流最大值：8000A。为冶金工业的电镀工艺提供低电压大电流可调直流电源。 此次的设计任务首先是根据课程设计题目对整体方案的技术进行论述，构造整体设计方案结构框图，然后是对带平衡电抗器的双反星形可控整流的主电路进行设计、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。各章节的内容安排如下：第1章 绪论，主要写了电解电源在现代

9、工业中的发展历程，并对其发展现状也做了简单的说明。第2章 主电路设计，主要写了主电路的设计原始数据、电路原理图和参数的相关计算与器件选择。第3章 控制电路的设计，主要写了控制芯片的介绍和外围电路的设计。第4章 保护电路设计，主要写了保护电路的简介、过电压保护电路和过电流保护电路的设计。第5章 仿真分析，主要写了MATLAB软件介绍、仿真模型建立和仿真结果分析。2 主电路设计2.1 设计原始数据与主电路原理图2.1.1 设计原始数据 （1）输入电压380V； （2）输出直流电压调整范围012V； （3）输出直流调整范围08000A。2.1.2 主电路原理图图1 12V/8000A电镀电源主电路2

10、.2 参数计算与器件选择根据带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的输出电压和电流的计算公式以及设计所要求指标，通过计算可以得到各元器件的参数。2.2.1 可控整流晶闸管的选取平衡电抗器两端电压的数学表达式如下（1）式所示： （1）整流输出电压的数学表达式如下（2）式所示： （2） 将和的波形用傅氏级数展开，可得当=0时和，即 （3） （4）由式（1）和（2）可得 （5） （6）在负载为阻感负载时，控制角的移相范围为，双反星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 （7）根据设计要求，在=时，=12V时，代入（7）式，可得变压器二次侧相

11、电压为： （8）变压器二次侧电流即晶闸管的有效值为： （9）流过每个晶闸管的平均电流为： （10）晶闸管承受的最大反向电压为： （11） 考虑安全裕量时，晶闸管的额定电压和额定电流分别为： （12） （13）根据晶闸管的额定电压和额定电流可选择型号为KP4000的普通晶闸管，其规格参数为额定正向平均电流4000A，反向重复峰电压为500-4000V，控制方向为单向，功率特性为大功率。2.2.2 变压器的选取由输入线电压为380V可知变压器一次侧相电压为： （14）则变压器变比为： （15）可算得变压器容量为： （16）根据以上几个参数，可将额定容量上调至50KW进行选择，因此可选择爱克赛电气公

12、司生产的型号为SG-50KVA的三相干式变压器，其额定功率为50KW，工作方式为低频，铁心形式为星式，变比可以根据客户需求进行设定。2.2.3 平衡电抗器的选取 由于主要谐波为三次，所以感抗为2，而最大环流为： （17） 可得平衡电抗器的计算公式为： （18） 由（18）式可得=7H，因此可选择大小为7H的平衡电抗器。2.2.4 负载电阻的选取 以电流最大时选择负载电阻，由（19）式可得： （19） R=0.0015。3 控制电路的设计3.1 KJ004的工作原理 控制电路选择模拟集成触发电路KJ004，KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发

13、。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。原理图如下：图2 KJ004电路原理图如图2 所示，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。V1V4等组成同步环节，同步电压经限流电阻R20加到V1、V2基极。在的正半周，V1导通，电流途径为(+15VR3VD1V1地)；在负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、负半周期间。V4基本上处于

14、截止状态。只有在同步电压0.7V时，V1V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经(+15VR6C1R22RP1(15V)对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。V6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压、偏移电压、移相控制电压UC分别经R24、R23、R26在V6基极上叠加。当ube6+0.7V时，V6

15、导通。设、为定值，改变UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。V7等组成了脉冲形成环节。V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、V7基射结充电。当 V6由截止转为导通时，C2所充电压通过 V6成为 V7基极反向偏压，使V7截止。此后C2经 （+15VR25V6地）放电并反向充电，当其充电电压+1.4V时，V7又恢复导通。这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25和C2决定。V8、V12为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，V7集电极输出两个相位差为180的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在us正半周V1导通

16、，V8截止，V12导通，V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。同时，V7正脉冲又通过二极管VD7，经V9V11放大后输出脉冲。在同步电压负半周，情况刚好相反，V8导通，V12截止，V7正脉冲经 V13V15放大后输出负相脉冲。说明： （1） KJ004中稳压管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。二极管VD1、VD2、VD6VD8为隔离二极管。 （2） 采用KJ004元件组装的六脉冲触发电路，二极管VD1VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1V6进行脉冲功率放大。 （3） 由于 V8、V12的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位上

17、相差 的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，需要六个与主电路同相的同步电压。因此主变压器接成D，yn11及同步变压器也接成D，yn11情况下，集成触发电路的同步电压、分别与同步变压器的、相接 RP1RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP6为同步相位。3.2 基于KJ004的触发电路设计三相桥式全控触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块（KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，分别连到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的门极。在KJ041中1到6脚为6路单脉冲输入，15到10脚为6路双

18、脉冲输出，其模拟集成触发电路图如图3所示：图3 双反星可控整流电路的集成触发电路 根据实际设计要求与经验值，可得集成触发电路的各参数，在图3中电位器RP1至RP6的大小为2.2K，电位器RP7、RP8的大小为6.8K，电阻R1到R3的阻值为2K，电阻R4到R12阻值为1.5K，R13到R18的阻值为1K，R19到R21为0.05K，电容C1到C6为0.01uF，电容C7到C9为0.02uF。同时，IGBT的型号选择为IRG4PC40，二极管的型号选择为HFA25。4 保护电路的设计4.1 过压保护电路设计4.1.1 主电路器件保护电路晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向

19、击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。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RC阻容保护电路，电路图如图4所示：图4 RC容阻过电压保护电路图4.1.2 RC参数的计算 单相整流电路RC参数计算的公式： （20）电容的耐压计算公式为： （21）电阻的计算公式为： （22）上式中，表示变压器每相平均计算容量（); 表示变压器次级相电压有效值（）； 表示励磁电流百分数，当时，表示变压器的短路比，变压器容量为时，。上述和值的计算公式（20）

20、和（22）是依单相条件推导得出的，对于此次电路的设计为三相电路，且变压器一次侧为连接，二次侧为Y连接，参阅相关资料可得电容和电阻为： 可得,。4.2 过流保护电路设计4.2.1 快速熔断器保护电路采用快速熔断器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。在选择快速熔断器时应考虑： （1）电压等级应根据熔断后快速熔断器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联结形式确定。快速熔断器一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可接于阀侧交流母线或直流母线中。 （3）快速熔断器的值应小于被保护器件的允许值。 （4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其

21、时间电流特性。 其电路图如下图5所示：图5 快速熔断器电压保护电路图4.2.2 快速熔断器参数的确定 由式（9）得出流过晶闸管的电流为，与晶闸管串联的快速熔断器应符合下式要求： （23）将代入上式（23），可得。所以选择型号为RL1-3500的熔断器，其熔断器额定电流为3500A。5 仿真分析 5.1 MATLAB仿真软件介绍Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基

22、于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程

23、只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批

24、处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。5.2 仿真模型建立 打开MATLAB软件，在主界面输入Simulink后，进入工作界面后，点击File，新建一个文件，具体步骤如下图所示。 图7 新建文件界面 图8 新建空白文件然后在Simulink库里选择本次设计所需要的元器件，在搜索栏输入元件的英文名，具体操作步骤如下面的图所示。分别在SimPowerSystm库、Simulink库中选取各元件。各元器件如下所示： 在SimPowerSystm库中选定有如下元件： 图9 可控晶闸管模块图图10 三相变压器模块图 图11 RLC模块图图12 交流电源模块图在Simulink库中选

25、择的器件为：图13 脉冲信号模块图图14 示波器模块图最后将各元器件放置于最初建立的空白文件中，通过连线，以及加入示波器、三相电源，组成如图15所示的仿真图。图15 电镀电源仿真图 5.3 仿真结果分析5.3.1 参数设置 对触发脉冲装置设置振幅为1，周期为0.02，占空比为10，时相延迟为（+30）*0.01/180，在为30和60参数设置具体情况如图16所示。 图16 Pulse参数设置电源参数设置，根据设计要求将频率设为50HZ，相电压设为220v，其相限角度设为，具体参数设置如图17所示。 图17 三相电源参数设置 变压器根据设计的变比，容量进行参数设置，其具体参数设置如下图18所示：

26、图18 变压器参数设置晶闸管根据其承受的最大电流和电压值进行参数设置，其具体参数设置如下19所示： 图19 晶闸管参数设置平衡电抗器采用两个相等的电抗器连接，由中点引出与阻感负载连接，根据主电路中计算的参数进行设置，其具体设置如图20所示：图20 平衡电抗器、阻感负载参数设置 5.3.2 仿真结果分析 通过参数设置后进行仿真可得一系列的仿真结果，三相交流电压输入波形图如图21所示。 图21 三相交流电压输入波形图在触发角为0度时的电压、电流波形为：图22 触发角为0度时的波形图在触发角为30度时的电压、电流波形为：图23 触发角为30度时的波形图在触发角为90度时的电压、电流波形为：图24 触

27、发角为90度时的波形图 在触发角为0度时，电压表和电流表的示数分别如图25所示：图25 触发角为0度时的示数图 在触发角为30度时，电压表和电流表的示数分别如图26所示：图26 触发角为30度时的示数图在触发角为60度时，电压表和电流表的示数分别如图27所示：图27 触发角为60度时的示数图 在触发角为90度时，电压表和电流表的示数分别如图28所示：图28 触发角为90度时的示数图将仿真结果与理论值进行比较，在触发角为0度时的电压计算值为12V、电流的计算值值为8000A，仿真结果为电压11.82V、电流7927A；在触发角为30度时电压的计算值为10.3V、电流的计算值为6866.7A，仿真

28、结果为电压10.17V、电流6780A；在触发角为60度时的电压计算值为6V、电流计算值为4000A，仿真结果为电压5.82、电流3927A；在触发角为90度时的电压计算值为0V、电流计算值为0A，仿真结果为电压0.09、电流5.556A。设计的要求是电压在0到12V之间可调，电流在0到8000A之间可调，仿真最大电流能达到7927A，且仿真值与理论计算值误差在5以内，所以仿真结果基本符合设计要求。结束语通过此次对电力电子课程设计12v8000A电镀电源设计，对电力电子这门课程有了进一步的认识，掌握了带平衡电抗器双反星可控整流电路的基本原理及其应用，也对这门学科有了更深的了解。在设计之初设立了

29、几个方案，经过比较之后选用了较常见的带平衡电抗器双反星可控整流电路的低电压，大电流的电解电镀电源。提高了自身将理论知识运用到实践中的能力，虽然在设计电路及仿真过程中遇到许多的困难，但通过查阅文献，寻求老师和同学的帮助，使综合能力得到提升。虽然在仿真和调试中基本符合设计要求，但是设计的电路仅停留在应用MALTLAB仿真软件进行仿真的阶段，没有制作实物，离实际能应用到工厂的电解电镀电源还有很多步骤需要努力。参考文献1 汤荣江.大功率电镀高频开关电源的设计分析J.电源世界，2010 ，（2）: 25292 马登辉，程晓雨 .大功率电镀高频开关电源的设计探讨J .民营科技，2012，（6）:4344

30、3 裴庆云，姜桂宾，王兆安等 .大功率软开关电镀电源研制J.2002（3）:1041064 杜贵平，姜立新 .电镀电源的现状及展望J .新技术新工艺. 2005（5):6869 5 韩桂利.电镀电源的发展与新技术J .天津冶金.2007，（2）:4547 6 张桂东，张波，肖文勋，丘东元 .大功率开关电源损耗数学模型研究J.2010,(3):109111 7 姚忠委，李进.大功率高频开关电源变压器设计与损耗分析 J.工业控制计算机.2012，（8）:110111 8 曲永印.电力电子变流技术M.北京：冶金工业出版社.20029 李玺.高频软开关电镀电源的设计D.大连理工大学.200810姚寿山，李戈扬，胡文彬 .表面科学与技术M.北京：机械工业出版社2005致 谢本次课程设计得以顺利完成，要感谢的人很多，首先要衷心地感谢我的指导xxx，您严谨的治学态度，开阔的思维，循循善诱的指导给了我很大的帮助。尤其是在设计方案的修改方面，您给了我十分清晰的修改思路，从而让我一步步完善本次的课程设计。同时感谢其他给予我帮助的老师和同学们，正是由于各位的指导和帮助，我才能顺利地完成此次课程设计。