直流用电设备及直流电源.ppt

2023/8/21,上海电力学院 电力系,1,工业用电设备,上海电力学院 电力系,第5章 直流用电设备 及直流电源,2023/8/21,上海电力学院 电力系,2,电解和电镀在直流用电设备中用电量最大，电解铝和电解烧碱都属九种高耗电产品之列（P233）,直流用电设备：直流电动机、直流电弧炉、直流电焊机、电解、电镀等等。直流电源：电力电子变换装置将交流电转换为直流电，蓄电池,第5章 直流用电设备及直流电源,2023/8/21,上海电力学院 电力系,3,5.1 电解,电解：利用直流电流引起的化学反应进行生产的工艺。,5.1.1 电解烧碱,一电解烧碱生产的基本原理,阴极反应:H+e H 2 H H2 阳极反应:Cl e Cl 2 Cl Cl2全部反应的化学方程式为2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2+H2,图5.1.1 电解烧碱示意图,第5章 直流用电设备及直流电源,烧碱,2023/8/21,上海电力学院 电力系,4,5.1.1 电解烧碱,一电解烧碱生产的基本原理,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,根据上述化学方程式，可以算出理论上:电解产生1t烧碱(100%NaOH),同时生产0.866t氯气（100）和0.025t氢气(100)，需要消耗100的NaCl 1.463t。电解制碱时，在阳极上产生氯气，阴极上产生氢气和氢氧化钠。这些产物如果不把它们隔离分开，将会按下式进行反应：2NaOH十Cl2 NaC1ONaClH2O产生次氯酸钠，次氯酸钠还会进一步变成氯酸钠，就得不到所需要的氯和碱；如果不把氢气和氯气隔开，还会发生爆炸事故。,2023/8/21,上海电力学院 电力系,5,5.1.1 电解烧碱,一电解烧碱生产的基本原理,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,为了解决上述问题，在电解槽的阴阳极之间设置了多孔渗透性的隔膜材料，把电解槽分为阳极室和阴极室两部分，这种采用隔膜的电解方法称“隔膜法电解”。隔膜材料能让离子(Na+、Cl、H+、HO)和水分子通过，却阻止阴阳极电解产物的混合。因此，在隔膜电解槽阳极室产生的氯气，不会进入阴极室，经阳极室上方氯气支管导出；在阴极室产生的氢气，也不会进入阳极室，由阴极箱氢气支管导出，氢氧化钠溶液经阴极室下方导出。,图5.1.2 立式隔膜电解槽示意图,2023/8/21,上海电力学院 电力系,6,5.1.1 电解烧碱,一电解烧碱生产的基本原理 二.电解烧碱的生产流程三.立式吸附隔膜电解槽,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2023/8/21,上海电力学院 电力系,7,四电解烧碱的电量消耗,电耗是电解生产的一个重要技术经济指标。电解烧碱耗电较多其中：直流电能消耗约占97%98，交流动力用电约占23，电费约占生产成本的50。,法拉第定律：电解过程中电极上所产生物质的量，与通过电解质溶液的电量成正比，即与电流强度及通电时间成正比。,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2023/8/21,上海电力学院 电力系,8,五槽电压,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,槽电压即电解槽的实际工作电压，是一项重要的技术指标，与能耗有极其密切的关系。槽电压由 理论分解电压、过电压、金属导体电压降、电解质溶液电压降、隔膜电压降（离子膜电压降）、接触电压降组成。,2023/8/21,上海电力学院 电力系,9,五槽电压,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,表5.1.1 电解槽槽电压分布情况,2023/8/21,上海电力学院 电力系,10,1大功率整流电源,图5.1.7 电解烧碱的供电结构框图,工厂主变电所内的变压器，用于将电网高压降低；,三相桥式（200V）；双反星形带平衡电抗器（200V）；6、12、24、36或48相,调节电压保持恒流,降低电压，双绕组或三绕组,六电解烧碱供电,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2023/8/21,上海电力学院 电力系,11,IGBT大功率逆变电解电源：体积小、重量轻、高效节能，比普通电源节能30%功率因数可做到0.95。电源具有稳压、低纹波、软启动等功能，抗冲击能力强、输出波形平稳、电解质量稳定、电压电流调节范围宽，恒流恒压自动切换并对电网电压有自动补偿功能。防触电、过热、电压异常等多种保护功能，工作时安全可靠。该系列产品是专门为恶劣的强腐蚀环境设计的全封闭式电源，广泛用于铜箔厂、氯碱厂大电流低纹波电解。亦可用于其它化工行业大电流电解。,2大功率逆变电解电源,六电解烧碱供电,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2023/8/21,上海电力学院 电力系,12,某型号IGBT大功率逆变电解电源的主要技术参数,2大功率逆变电解电源,六电解烧碱供电,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2023/8/21,上海电力学院 电力系,13,3电解烧碱对供电的要求,1）高压（35kV或110kV）供电，电解烧碱生产的用电量大，2）供电电压稳定、不间断 从电网引来两路或三路独立电源。电压稳定，连续生产，不仅对生产有利、槽的使用寿命延长，还可降低直流损耗。如果电流波动频繁，就会造成氯、氢气和电解流量的波动，使正常生产受到破坏，还容易破坏隔膜。严重时会因氢氯混合而引起爆炸。3）严禁突然停电。突然停电会造成氯气外溢，直接影响操作人员、甚至工厂周围居民的健康安全，造成环境污染。,六电解烧碱供电,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2023/8/21,上海电力学院 电力系,14,1提高整流效率2降低槽电压、减小直流电压损失3采用金属阳极电解槽 据资料介绍，用金属阳极电解槽代替石墨电极电解槽，每吨烧碱可节电530kWh。4保证盐水质量5合理保持盐水温度并加强对电解槽保温6降低碱损失7选择合适的电流密度,七电解烧碱的节电途径,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2023/8/21,上海电力学院 电力系,15,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,铝因其质轻、抗腐蚀性强、具有对各种形式加工的适应性、制造加工费用低、外观美观等特点，广泛应用于：建筑业、电力行业、包装业、汽车结构、海上应用、航空航天、家用电器、加工设备、纺织设备、煤矿机械、移动式灌溉管与工具等领域。,2023/8/21,上海电力学院 电力系,16,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,20002008年我国电解铝产量,十年来我国电解铝工业发展迅速，技术装备水平明显提高，但投资严重过热，产量从2000年283万吨急剧增加到2008年的1376万吨，占世界总产量约33%。2009年已建产能已超过2100万吨。,2023/8/21,上海电力学院 电力系,17,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,我国铝产量占世界铝产量的比重,2023/8/21,上海电力学院 电力系,18,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,电解铝的生产在电解槽中进行，电解铝主原料：氧化铝（Al2O3），基本材料：阳极糊（由焦粉、焦粒和沥青组成）、冰晶石（3NaFAlF3）、氟化铝以及其他氟化物，如氟化镁、氟化钙等 电极：碳素材料。,一.电解铝生产的基本原理,电解质,2023/8/21,上海电力学院 电力系,19,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,电解槽的化学反应是：Al2O33/2C 2 Al3/2CO2 Al2O3 3C 2 Al3CO电解的结果是：a.阴极上得到铝；b.阳极上生成CO2和CO气体；c.电解质Al2O3被不断消耗掉。,一.电解铝生产的基本原理,2023/8/21,上海电力学院 电力系,20,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,二.电解铝的生产流程,图5.1.11 电解铝的基本生产流程,三.电解槽,2023/8/21,上海电力学院 电力系,21,耗电很大，一座年产 50000 吨电解铝厂每年耗电89亿kWh，需要功率达100MW。电耗占成本的50%左右。电解铝生产消耗的电能约占总电耗的 90，而另10则用于动力，如厂房通风、排烟、运输、供水、压风、供气及照明等。,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,四.电解铝用电情况,2023/8/21,上海电力学院 电力系,22,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,四.电解铝用电情况,有色金属工业是国家重点高耗能产业之一，2005年我国有色金属工业总耗能量约占全国总能耗的3.1%。在国家发改委、国家能源领导小组等五部委联合发布千家企业节能行动实施方案中，2004年企业综合能源消费量达到18万吨标准煤以上的千家企业中，有色金属企业占了71家，其中铝冶炼企业51家。电解铝产品能耗相对较高，俗称“电老虎”。经过多年技术进步，国内电解铝企业综合交流电耗由2001年15470 kWh/t降到2008年14323 kWh/t，而且电解铝产量较大，2008年10种有色金属总产量2519万吨，其中电解铝产量1318万吨，占52%以上，其耗电量约占全国总耗电的5%。,2023/8/21,上海电力学院 电力系,23,两种电解电源情况：1.大功率整流器设备（目前采用较多）功率因数降低。高次谐波对电网的影响。随着直流用电的增长，整流装置高次谐波对电网的危害也正日渐严重。2.高频开关直流电源，采用高频谐振逆变控制技术，功率因数高，对电网的谐波污染小，无干扰。,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,四.电解铝用电情况,五.槽电压,2023/8/21,上海电力学院 电力系,24,1必须有两个以上的独立电源，供电连续不能间断，可靠性高。2交流供电电压采用220kV或110kV。220kV或110kV交流电压经降压变电所降至10kV后，再经调压变压器、整流变压器和电力电子变换装置将交流电变为 直流电向电解槽供电。,1降低电解槽平均电压2提高电流效率,七电解铝的节电途径,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,六.供电要求,2023/8/21,上海电力学院 电力系,25,电镀：利用电化学方法对零件进行表面加工的一种工艺。电镀时零件为阴极，镀液中的金属离子在直流电的作用 下沉积在零件表面形成均匀、致密的金属镀层。,图5.2.1 硫酸镀铜工作 原理示意图 1-阳极；2-镀液；3-阴极,5.2.1 电镀的基本原理,5.2 电镀,第5章 直流用电设备及直流电源,电镀是在电镀槽中进行的。电镀槽中置有电极和电镀液，电极通以直流，所用的电镀液必需具有被镀金属的离子。,2023/8/21,上海电力学院 电力系,26,图5.2.1 硫酸镀铜工作 原理示意图 1-阳极；2-镀液；3-阴极,5.2.1 电镀的基本原理,阴极反应:Cu2+2e Cu 2 H+2e H2 阳极反应：Cu 2e Cu2+4OH 4e 2 H2O+O2 2SO42+2 H2O 4e 2 H2SO4+O2,第5章 直流用电设备及直流电源 5.2 电镀,硫酸镀铜用的电镀液主要成分是硫酸铜CuS045H20和硫酸H2SO4。,5.2.2 电镀的分类及作用,2023/8/21,上海电力学院 电力系,27,1.大功率整流器设备（目前采用较多）。2.高频脉冲开关电镀电源(用于镀金、银、镉、铜、锌等不同材料的电镀。3.大多数的电镀设备都使用电压为612V的不同功率的直流电源。只有铝及其合金在阳极氧化时需要电压为60120V的直流电源。,电镀设备包括：电气设备、机械设备、固定槽设备、通风设备、过滤设备。,一电气设备,电气设备包括：配电线路、配电盘、电镀电源、汇流条等。,电镀电源：,5.2.3 电镀设备,第5章 直流用电设备及直流电源 5.2 电镀,2023/8/21,上海电力学院 电力系,28,一电气设备,电镀电源：,5.2.3 电镀设备,第5章 直流用电设备及直流电源 5.2 电镀,脉冲开关电源应用于电镀与直流电镀相比有如下特点:a.电源体积小，重量轻，效率高，控制精度高。b.输出电流为方波高频脉冲电流，脉冲电源可通过控制输出电压的波形、频率和占空比及平均电流密度等参数,改变金属离子的电沉积过程，使电沉积过程在很宽的范围内变化,从而在某种镀液中获得具有一定特性的镀层。c.输出电压，电流可调，限压，限流可调，大大提高客户使用灵活性，并有远程操作功能。d.保护功能齐全，输入过压保护，输出过热，过流保护，并有报警功能。e.功率因数高，对电网的谐波污染小，无干扰。f.省电。g.采用防盐雾酸化的措施，增加电源在恶劣环境下的使用寿命。,2023/8/21,上海电力学院 电力系,29,一电气设备,电镀电源：,5.2.3 电镀设备,第5章 直流用电设备及直流电源 5.2 电镀,表5.2.1 HT系列高频脉冲开关电镀电源与晶闸管整流器的比较（1000A12V）,2023/8/21,上海电力学院 电力系,30,1.电镀车间里的电器必须采用防腐型，否则应安装在单独的房间内。(电镀车间有腐蚀性、酸性或碱性的溶液，以及在生产过程中产生的蒸汽和飞沫对大多数金属和纤维质绝缘都有腐蚀作用，对电器很有害)2.36V以上的裸导体必须采取防护措施，否则人体触及会有一定危险。车间内的电线管最好采用明敷。直流母线和金属支架等，都应涂上防腐油漆。（电镀车间的环境潮湿）。以上两项是电镀供电极为重要之点。,5.2.4 电镀供电,第5章 直流用电设备及直流电源 5.2 电镀,2023/8/21,上海电力学院 电力系,31,蓄电池应用领域：通信、照明（事故照明）、汽车起动、动力牵引、国防、电力系统、自动控制、仪器仪表等。,蓄电池：将电能转换成化学能，再将化学能转换成电能的一种电源设备。基本结构：电解液和正负电极。,5.3 蓄电池,第5章 直流用电设备及直流电源,2023/8/21,上海电力学院 电力系,32,铅酸蓄电池的优点：（与铁-镍蓄电池，镉-镍蓄电池，铅-银蓄电池，氢-镍蓄电池、锂离子蓄电池等比较）：a除锂离子二次电池外，在常用体系蓄电池中，铅酸蓄电池 的电压最高，为2.0V；碱性蓄电池的电压为1.2V；锌-银蓄电池的电压为1.65V1.1V；b较廉价，在世界范围内均可生产低倍率和高倍率放电的电 池，价格为镉-镍蓄电池的1/31/5；c可制成小至1Ah大致几千Ah的各种尺寸和结构的蓄电池；d高倍率放电性能良好，可用于引擎起动，能以35倍率、910倍率，甚至高达2627倍率的电流放电；e高低温性能良好，可在-4060条件下工作；f电能效率高达60%；g易于浮充使用，没有记忆效应；h易于识别荷电状态。,5.3.1 阀控式密封铅酸蓄电池（简称VRLA）,目前广泛应用的蓄电池。,第5章 直流用电设备及直流电源 5.3 蓄电池,2023/8/21,上海电力学院 电力系,33,铅密度大，使其比能量低，理论比能量为240Wh/kg，实际只有1050Wh/kg；维护复杂，充电速度慢；使用寿命较镉-镍和铁-镍蓄电池短；制成小尺寸比较难（镉-镍碱性电池可制成0.5Ah）；放电态长期保存会导致电极的不可逆硫酸盐化；所产生的酸雾污染环境；在某些结构和用途中，由于氢化锑和氧化砷析出而引起公害。,普通铅酸蓄电池的缺点：,5.3.1 阀控式密封铅酸蓄电池（简称VRLA）,第5章 直流用电设备及直流电源 5.3 蓄电池,2023/8/21,上海电力学院 电力系,34,5.3.2 铅酸蓄电池分类及用途 见P164表5.3.1,整体采用密封结构，不漏液、不污染，可回收，使用安全可靠，能量高、成本低、寿命长（10年）、容量更大（是普通铅酸蓄电池的两倍）。对于新发展的双极性和水平式VRLA蓄电池，C/3（C为蓄电池容量）放电比能量50Wh/kg，正常运行时无须对电解液进行检测和调酸加水，又称为“免维护”蓄电池。它已被广泛地应用到电力、邮电通信、船舶交通、应急照明等许多领域。VRLA蓄电池已逐渐取代了普通铅酸蓄电池。,VRLA蓄电池的特点：,5.3.1 阀控式密封铅酸蓄电池（简称VRLA）,第5章 直流用电设备及直流电源 5.3 蓄电池,2023/8/21,上海电力学院 电力系,35,1充电：蓄电池从其它直流电源获得电能叫充电。2放电：蓄电池向外电路输出电能叫放电。3浮放电：蓄电池和其它电源并联对外电路输出电能叫浮放电。4安时容量：蓄电池的容量是以安培小时(Ah)为单位的，称为安时容量。蓄电池的安时容量Q为：Q=IFtF5电量效率（安时效率）：输出电量与输入电量之比 称电量效率，也称安时效率，6电能效率（瓦时效率）：输出电能与输入电能之比 称电能效率，也称瓦时效率，,5.3.3 蓄电池常用技术术语,第5章 直流用电设备及直流电源 5.3 蓄电池,2023/8/21,上海电力学院 电力系,36,7自放电率：由于蓄电池本身局部作用而造成蓄电池容量的消 耗，这一容量损失与搁置不用前的容量之比，称蓄电池的自放电率。8使用寿命：深循环使用的蓄电池，在保持输出一定容量的情况下 蓄电池每充电、放电一次，叫做一次充放电循环。循 环使用的蓄电池以深循环次数来表示其使用寿命，浮充使用的蓄电池以使用年限表示其使用寿命，蓄电池只有80%容量时认为其寿命终止。,5.3.3 蓄电池常用技术术语,第5章 直流用电设备及直流电源 5.3 蓄电池,2023/8/21,上海电力学院 电力系,37,蓄电池的重要特征就是反复充放电，充电时：电能转变为化学能贮存在蓄电池中，同时伴随放热过程。放电时：化学能转变为电能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。,5.3.5 铅酸蓄电池的基本工作原理,5.3.4 蓄电池的结构,第5章 直流用电设备及直流电源 5.3 蓄电池,2023/8/21,上海电力学院 电力系,38,在充电时，正极 PbSO4PbO2 将电能转化为化学能储存在正极板中；负极PbSO4 海绵状Pb将电能转化为化学能储存在负极板中。在放电时，正极PbO2 PbSO4将化学能转换成电能向负载供电，负极海绵状Pb PbSO4将化学能转换成电能向负载供电。,5.3.5 铅酸蓄电池的基本工作原理,第5章 直流用电设备及直流电源 5.3 蓄电池,2023/8/21,上海电力学院 电力系,39,1充放制工作方式 这种方式是由甲、乙两组蓄电池轮换进行工作，即一组放电时，另一组进行充电，充完电后作为备用，两组电池充电和放电交替循环使用。这种工作方式适用于交流市电不可靠、不稳定的场合。其优点是供电质量高，安全可靠。,5.3.6 蓄电池的工作方式充电和放电的方式,第5章 直流用电设备及直流电源 5.3 蓄电池,2023/8/21,上海电力学院 电力系,40,2定期浮充制工作方式 定期浮充制又称半浮充制，是定期地用整流设备和电池并联供电的一种工作方式，即在部分时间里由整流设备与蓄电池并联供电。就这样在向负载供电的同时，整流设备对蓄电池进行小电流充电，作为补充电池已放出的容量和自放电的消耗，在另一部分时间里则由蓄电池单独供电。这种工作方式适宜于蓄电池容量小或负载变化较大的场合。当负载小时，由蓄电池单独供电、负载大时用浮充供电。,5.3.6 蓄电池的工作方式充电和放电的方式,第5章 直流用电设备及直流电源 5.3 蓄电池,2023/8/21,上海电力学院 电力系,41,3连续浮充制工作方式 整流设备与蓄电池持续并联供电（连续浮充供电）的一种工作方式。在浮充过程中，负载电流全部由整流设备供给，并且还对蓄电池作补充充电，而蓄电池只起着平滑滤波的作用。只有当市电停电或整流设备发生故障时，才由蓄电池对负载供电。这种工作方式适宜于市电供电可靠、电压又稳定的场合。其优点是蓄电池的容量可以减小；使用寿命长；因直流电能直接由整流设备输出，而不经过蓄电池的转换，所以电源设备的效率高；维护工作简单。缺点是输出直流中含有一定的脉动成分。,5.3.6 蓄电池的工作方式充电和放电的方式,第5章 直流用电设备及直流电源 5.3 蓄电池,不论哪一种工作方式，要保证蓄电池处于良好状态，延长使用年限，做好日常维护是一个重要环节。不同工作方式的蓄电池，维护时各有重点，要分别对待之。,