CN104831314B - 一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置，包括一个或多个移相变压器、一个或多个三相整流桥组件、一个或多个功率组件和功率主控单元；移相变压器的原边均与三相交流电源的输出端连接，移相变压器的副边分别与三相整流桥组件的输入端一一对应连接，三相整流桥组件的输出端与功率组件的输入端对应连接，功率单元的输出端向电解槽输出高频脉冲信号，移相变压单元的副边所输出的电压根据电解槽的串联数量来决定，当采用多个移相变压器时，所述移相变压单元为多重化形式的移相变压器，用于减少交流输入电流的谐波和直流输出电压的谐波幅值和电流脉动；功率主控单元分别与一个或多个功率组件连接，对功率组件进行均流控制。

Description

一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置

技术领域

本发明涉及电解锰领域，特别是涉及一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置，通过脉冲电解电源产生直流脉冲，实现在硫酸锰溶液中利用脉冲电解得到金属锰。

背景技术

传统的电解锰工业是采用直流电解硫酸锰溶液得到金属锰，向隔模电解槽注入含硫酸铵的硫酸锰水溶电解液，接通直流电，产生电析作用，在阴极板上析出金属锰，阳极板析出氧气；周期性地更换阴极板，对电析产物进行钝化、水洗、烘干、剥离等处理，获得金属锰产品。

由于工业供电是交流电，因此需要把交流电转换成为直流电供给电解槽进行直流电解，通常采用同相或逆相高压直降整流变压器与可控硅整流柜组合实现AC-DC变换。因此，传统的电解锰行业的电解行为一般是：

1、采用直流电解法完成电解工艺；

2、采用同相或逆相高压直降整流变压器与可控硅整流柜完成AC-DC变换。

传统的电解锰效率较低，对添加剂的要求高，电能消耗大，电解装置维护率高，不适于工业化应用，不满足环保节能的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置，克服电解锰效率较低、对添加剂的要求高、电能消耗大等困难，解决传统电解锰电解电源由于功率因数低、谐波大，而导致整流变压器的铁损、铜损大，可控硅器件过电流损耗大等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置，包括具有一个或多个移相变压器的移相变压单元、具有一个或多个三相整流桥组件的三相桥式工频整流单元和具有一个或多个高频脉冲功率组件的功率单元。

移相变压器的原边均与三相交流电源的输出端连接，移相变压器的副边分别与三相整流桥组件的输入端一一对应连接，三相整流桥组件的输出端与高频脉冲功率组件的输入端对应连接，高频脉冲功率组件的输出端向电解槽输出高频脉冲电流，移相变压单元的副边所输出的电压根据电解槽的串联数量来决定，当采用多个移相变压器时，所述移相变压单元为多重化形式的移相变压器，用于减少交流输入电流的谐波和直流输出电压的谐波幅值和电流脉动。

本发明还包括功率主控单元，功率主控单元分别与一个或多个高频脉冲功率组件连接，对功率组件进行均流控制。

所述移相变压器包括采用网侧移相的移相变压器、采用二次侧移相的移相变压器和采用网侧移相与二次侧移相的多重化移相变压器。

当移相变压器采用网侧移相的移相变压器时，在其网侧并联M个移相网侧输出绕组；当移相变压器采用二次侧移相的移相变压器时，移相变压器具有M个二次侧输出绕组。

移相变压器的移相角度的差值为δ=360°/（K*M）。

三相桥式工频整流单元产生的谐波与整流输出的脉波的关系表达式为：N=KM±1，其中，N为谐波次数，K为一个周期内整流输出的脉波数量，M为输出绕组的数量，N、K、M均为自然数，三相整流桥组件以K脉波整流器为基础整流单元，构成一个KM脉波的多脉波整流单元，用于消除低于KM±1次的谐波。

本发明中，所述高频脉冲电流的电流值为10000A～100000A、最高电压值为200V～550V、周期为2000/秒～40000/秒、占空比为0.4～0.8的高频直流脉冲群。

所述高频脉冲功率组件包括高频逆变器、高频变压器和高频整流器。

多个高频脉冲功率组件中的多个高频逆变器、多个高频变压器和多个高频整流器采用以下任意一种连接方式：

① 相互串联或并联连接的高频逆变器，通过相互并联连接的高频变压器，与相互并联连接的高频整流器连接；

② 相互串联或并联连接的高频逆变器，通过相互串联连接的高频变压器，与相互串联或并联连接的高频整流器连接。

所述高频逆变器包括IGBT、IGCT、GOT、MOS电力电子开关器件，所述高频变压器为纳米微晶铁芯变压器，所述高频整流器包括高压大电流快恢复二极管，采用全波整流或全桥整流形式。

本发明中，所述功率主控单元采用PWM控制方式，通过PWM方式控制高频脉冲功率组件输出的高频脉冲电流，功率主控单元包括主控板、连接板、功率组件控制板、转换板、驱动板和监控显示单元；每个高频脉冲功率组件均包括高频逆变器、高频变压器和高频整流器。

主控板通过连接板与一个或多个功率组件控制板连接，主控板同步输出定频PWM控制信号给各个功率组件控制板，实现集中控制模式下，对多个高频脉冲功率组件的脉宽控制和调节。

各个功率组件控制板通过转换板与一个或多个驱动板连接，各个驱动板又与高频逆变器一一对应连接，功率组件控制板通过转换板将PWM控制信号传送给与其连接的驱动板，驱动板根据其所接收到的PWM信号驱动与其相连的高频逆变器进行DC-AC转换，高频逆变器产生的交流方波通过高频变压器的隔离传送到高频整流器，高频整流器输出高频直流脉冲完成AC-PDC转换。

功率组件控制板还通过反馈端口分别与受其控制的驱动板、高频逆变器、高频变压器和高频整流器连接，实时采集高频逆变器、高频变压器和高频整流器的温度信号，实时检测高频逆变整流单元输出的电压、电流信号。

主控板通过主反馈端口与高频脉冲功率组件的输出端连接，主控板根据主反馈端口所接收到的电流数据和电压数据，自动同步调节与该高频脉冲功率组件所连接的功率组件控制板的脉宽，完成高频脉冲电流输出的控制。

主控板还与监控显示单元连接，主控板将各种数据实时输出到监控显示单元进行显示。

主控板还与移相变压单元和三相桥式工频整流单元连接，根据移相整流部分的检测反馈，完成交流缺相、过压、欠压、过流保护。

主控板将功率组件控制板反馈端口取样采集的电流均分值Ig与主控板反馈端口取样采集的电流均分值Iz进行比较。

当电流均分值Ig>电流均分值Iz时，主控板调节PWM信号，减小该功率组件控制板的脉宽给定值，使电流均分值Ig=电流均分值Iz，实现分配均流控制。

当电流均分值Ig<电流均分值Iz时，主控板调节PWM信号，增加该功率组件控制板的脉宽给定值，使电流均分值Ig=电流均分值Iz，实现分配均流控制。

所述电流均分值Ig为功率组件控制板反馈端口取样采集的电流值与该功率组件控制板所控制的高频脉冲功率组件总数的比值。

所述电流均分值Iz为主控板反馈端口取样采集的电流值与主控板所控制的高频脉冲功率组件总数的比值。

本发明的有益效果是：

通过高频电力开关器件取代半导体相控器件，提高了功率因数，减少了电解锰电解电源对电网的谐波影响；通过移相变压器的应用，提高了变压器的转换效率和有效消除网侧谐波；通过多单元直流脉冲功率组件的组合，可以达到直流脉冲大功率输出，实现脉冲电解锰的工业化应用；采用集中控制、结构优化、脉宽调节方式可以更好地降低电解锰电源的能耗。

与传统直流电解相比，本发明提出一种脉冲电解电源产生直流脉冲实现在硫酸锰溶液中利用脉冲电解得到金属锰的电解锰装置。具有以下多个特点：

1）本发明所输出的高频直流脉冲信号的电流密度、电流通断时间、脉冲频率等多个参数可以通过主控板进行调节，这为控制金属沉积层的质量和沉积速度提供了有力的手段；

如在电解锰的初始，可以以小电流密度、高频率的直流脉冲在电解极板上沉积锰，然后以正常电流密度开始电解，在电解到一定厚度后，再控制输出电流密度为正常电流密度的一半的直流脉冲来养护电解槽出槽；

2）脉冲电解可加快金属锰的沉积速度，相同直流电场强度作用下，由于脉冲直流电场强度的峰值是平均值除以占空比，占空比是小于1，因此峰值电场强度大于等效直流电场强度，使得锰离子沉积速度加快，产量提高，提高了锰电解电流效率。并且由于脉冲电流的张驰，增加了电解槽阴极的活化极化，降低电解槽对添加剂的要求，从而可以改善阴极沉积层的物理化学性质，得到晶粒细小、结构致密、孔隙率小的低硒高纯金属锰；

3）本发明具有较好的节能降耗作用，通过移相变压器抑制脉冲电解装置产生的谐波，改善电网的电能质量，提高功率因数，使得交流转变为直流的过程中变压器铁损、铜损减少；功率组件采用新型半导体器件，过电流损耗小于可控硅器件。采用高频脉冲电解锰方式的电解槽的峰值槽压大于平均槽压，使得电解锰槽离子沉积速度相对比直流电解沉积速度加快。综合以上几种因素，在实际脉冲电解锰实践中，实现了产品能耗降低，每吨电解锰用电损耗降低800度～1200度。

4）解决了高频脉冲电解在电解锰工业应用中的大功率脉冲电解装置产生的直流脉冲群实现脉冲电解锰的工业应用问题。

附图说明

图1为本发明高频脉冲电解锰装置的系统框图；

图2为本发明采用二次侧分离型移相多重化技术的12脉波整流方式拓扑结构图；

图3为本发明采用网侧移相多重化整流方式结构拓扑图；

图4为本发明功率主控单元的原理图；

图5为本发明多组移相输入的高频脉冲功率组件控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置，包括具有一个或多个移相变压器的移相变压单元、具有一个或多个三相整流桥组件的三相桥式工频整流单元和具有一个或多个高频脉冲功率组件的功率单元。

移相变压器的原边均与三相交流电源的输出端连接，移相变压器的副边分别与三相整流桥组件的输入端一一对应连接，三相整流桥组件的输出端与高频脉冲功率组件的输入端对应连接，高频脉冲功率组件的输出端向电解槽输出高频脉冲电流，移相变压单元的副边所输出的电压根据电解槽的串联数量来决定。

当采用多个移相变压器时，所述移相变压单元为多重化形式的移相变压器，用于减少交流输入电流的谐波和直流输出电压的谐波幅值和电流脉动。所述移相变压器为原边移相和/或副边移相的多重化移相变压器，包括采用网侧移相的移相变压器、采用二次侧移相的移相变压器和采用网侧移相与二次侧移相的多重化移相变压器。移相整流输出单元输出到高频逆变单元的电路拓扑包括分离式输出和并联式输出。

所述三相整流桥组件为单桥整流电路、多桥整流电路或其两者的组合，所述三相桥式工频整流单元是由二极管组成的非线性装置，该整流单元所产生的谐波会馈入电网，对电网电能的质量造成比较大的影响，特别是5次谐波、7次谐波、11次谐波等低频谐波。

三相桥式工频整流单元产生的谐波与整流输出的脉波的关系表达式为：N=KM±1，其中，N为谐波次数，K为一个周期内整流输出的脉波数量，M为输出绕组的数量，N、K、M均为自然数，三相整流桥组件以K脉波整流器为基础整流单元，构成一个KM脉波的多脉波整流单元，用于消除低于KM±1次的谐波。

当移相变压器采用网侧移相的移相变压器时，在其网侧并联M个移相网侧输出绕组；当移相变压器采用二次侧移相的移相变压器时，移相变压器具有M个二次侧输出绕组。

移相变压器副边的输出绕组的移相角以三相K脉波整流为基础，根据不同的要求以KM整数来确定，移相变压器的移相角度的差值为δ=360°/（K*M）。

例如，当采用直流输出含有六个波头的六脉冲整流器作为基础整流单元时，可消除的低次谐波为次数小于N=6M±1的谐波，移相变压器的移相角度以三相桥六脉波整流方式为基准，按6M脉波要求来设定，根据网侧电能质量情况，可以是采用12、24、36、48脉波等。

如图2所述，图2为采用二次侧分离型移相多重化技术的12脉波整流方式拓扑结构图，交流电网通过电感与移相变压器的原边连接，移相变压器的副边接有两个输出绕组，该两个输出绕组分别通过功率组件与两个负载连接，移相变压器为六脉冲整流器，构成12脉波整流方式，两个输出绕组的移相角差值为δ=360°/（6*2）=30°，可以消除低于N=6*2±1=12±1次的谐波。

如图3所述，图3为采用网侧移相多重化整流方式结构拓扑图，交流电网分别与N个移相变压器PST的原边连接，N个移相变压器PST的副边通过N个功率组件与一负载连接，每个移相变压器的移相角差值为δ=360°/（6*N），可消除低于6*N±1次的谐波。

本发明通过提高输出脉波可以消除低次谐波，利用移相变压器把单相位的大功率的变压器输入输出方式变换为变压器输入或输出端通过相同频率不同相位的多个小功率变换器串联或并联方式组合，高电压值的交流电经过移相变压器隔离后，形成多组相位错开的低电压值的交流电，再经过功率单元进行整流，可以实现多脉波整流，从而达到变压器在同功率运行时通过电压相位的转移达到谐波改善的目的。

本发明所述高频脉冲功率组件包括高频逆变器、高频变压器和高频整流器。

多个高频脉冲功率组件中的多个高频逆变器、多个高频变压器和多个高频整流器采用以下任意一种连接方式：

① 相互串联或并联连接的高频逆变器，通过相互并联连接的高频变压器，与相互并联连接的高频整流器连接；

② 相互串联或并联连接的高频逆变器，通过相互串联连接的高频变压器，与相互串联或并联连接的高频整流器连接。

所述高频逆变器包括IGBT、IGCT、GOT、MOS电力电子开关器件，采用高压逆变模块或低压逆变模块或其两者的组合，使得高频逆变器能完成对200V～10000V的电压进行逆变，可输出17.5KHz的交流方波。

所述高频变压器为纳米微晶铁芯变压器，进行隔离降压。

所述高频整流器包括高压大电流快恢复二极管，采用全波整流或全桥整流形式。

高频逆变器、高频变压器、高频整流器采用水冷结构散热器冷却，散热器用导热导电材料制成。高频变压器原边绕在磁芯上，并鑲在水冷散热护套中，副边过磁芯水冷散热器兼作副边，高频整流器水冷散热器同时是输出母线排。

本发明还包括功率主控单元，功率主控单元分别与一个或多个高频脉冲功率组件连接，对功率组件进行均流控制。

如图4所示，图4为功率主控单元的原理图，所述功率主控单元采用PWM控制方式，通过PWM方式控制高频脉冲功率组件输出的高频脉冲电流，功率主控单元包括主控板、连接板、功率组件控制板、转换板、驱动板和监控显示单元；主控板上集成有主控电路、集中保护电路和显示调节电路，连接板上集成有放大分配电路，控制板上集成有分组保护电路和分组驱动电路，所述分组保护电路包括过流、过热检测器和故障检测保护电路。

主控板通过连接板与一个或多个功率组件控制板连接，主控板同步输出定频PWM控制信号给各个功率组件控制板，实现集中控制模式下，对多个高频脉冲功率组件的脉宽控制和调节。

各个功率组件控制板通过转换板与一个或多个驱动板连接，各个驱动板又与高频逆变器一一对应连接，功率组件控制板通过转换板将PWM控制信号传送给与其连接的驱动板，驱动板根据其所接收到的PWM信号驱动与其相连的高频逆变器进行DC-AC转换，高频逆变器产生的交流方波通过高频变压器的隔离传送到高频整流器，高频整流器输出高频直流脉冲完成AC-PDC转换。

功率组件控制板还通过反馈端口分别与受其控制的驱动板、高频逆变器、高频变压器和高频整流器连接，实时采集高频逆变器、高频变压器和高频整流器的温度信号，实时检测高频逆变整流单元输出的电压、电流信号。

主控板通过主反馈端口与高频脉冲功率组件的输出端连接，主控板根据主反馈端口所接收到的电流数据和电压数据，自动同步调节与该高频脉冲功率组件所连接的功率组件控制板的脉宽，完成高频脉冲电流输出的控制。

主控板还与监控显示单元连接，主控板将各种数据实时输出到监控显示单元进行显示。

主控板还与移相变压单元和三相桥式工频整流单元连接，根据移相整流部分的检测反馈，完成交流缺相、过压、欠压、过流保护。

主控板将功率组件控制板反馈端口取样采集的电流均分值Ig与主控板反馈端口取样采集的电流均分值Iz进行比较。

当电流均分值Ig>电流均分值Iz时，主控板调节PWM信号，减小该功率组件控制板的脉宽给定值，使电流均分值Ig=电流均分值Iz，在已有的结构均流方式下通过脉宽的调节实现分配均流控制。

当电流均分值Ig<电流均分值Iz时，主控板调节PWM信号，增加该功率组件控制板的脉宽给定值，使电流均分值Ig=电流均分值Iz，在已有的结构均流方式下通过脉宽的调节实现分配均流控制。

所述电流均分值Ig为功率组件控制板反馈端口取样采集的电流值与该功率组件控制板所控制的高频脉冲功率组件总数的比值。

所述电流均分值Iz为主控板反馈端口取样采集的电流值与主控板所控制的高频脉冲功率组件总数的比值。

如图5所示，图5为多组移相输入的高频脉冲功率组件控制原理图，包括N组移相输入，每组移相输入均通过一移相整流单元，再通过高频桥式逆变器、原边并联副边串联的高频变压器和串联的高频整流器，输出高频脉冲直流。

高频变压器原边正极分别通过两个逆变器与移相整流输出的正极和负极连接，高频变压器原边负极也分别通过两个逆变器与移相整流输出的正极和负极连接，每个逆变器均与驱动板一一对应连接，驱动板再通过转换板与功率组件控制板连接。

高频功率单元由高频电力电子开关器件组成多重化单相桥式逆变电路，单相桥式逆变出交变方波输入到高频变压器，高频变压器输出端接高频整流电路，高频整流电路输出的直流按同极并联方式并联后输出。采用结构均流和分配均流方式对多组功率单元实现均流控制。结构均流使用阻抗均流法，使并联单元外特性阻抗基本一致，各并联单元输出电流趋于一致。分配均流采用控制脉宽法通过检测各单元输出电流值进行比较，对各单元脉宽在最大脉宽范围内进行调节，以使各单元电流一致，并不超过最大脉宽范围。

本发明中，所述高频脉冲电流的电流值为10000A～100000A、最高电压值为200V～550V、周期为2000/秒～40000/秒、占空比为0.4～0.8的高频直流脉冲群。

Claims (5)

1.一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置，其特征在于：包括具有一个或多个移相变压器的移相变压单元、具有一个或多个三相整流桥组件的三相桥式工频整流单元和具有一个或多个高频脉冲功率组件的功率单元；

移相变压器的原边均与三相交流电源的输出端连接，移相变压器的副边分别与三相整流桥组件的输入端一一对应连接，三相整流桥组件的输出端与高频脉冲功率组件的输入端对应连接，高频脉冲功率组件的输出端向电解槽输出高频脉冲电流，移相变压单元的副边所输出的电压根据电解槽的串联数量来决定，当采用多个移相变压器时，所述移相变压单元为多重化形式的移相变压器，用于减少交流输入电流的谐波和直流输出电压的谐波幅值和电流脉动；

还包括功率主控单元，功率主控单元分别与一个或多个高频脉冲功率组件连接，对功率组件进行均流控制；

所述移相变压器包括采用网侧移相的移相变压器、采用二次侧移相的移相变压器和采用网侧移相与二次侧移相的多重化移相变压器；

当移相变压器采用网侧移相的移相变压器时，在其网侧并联M个移相网侧输出绕组；当移相变压器采用二次侧移相的移相变压器时，移相变压器具有M个二次侧输出绕组；

移相变压器的移相角度的差值为δ=360°/（K*M）；

三相桥式工频整流单元产生的谐波与整流输出的脉波的关系表达式为：N=KM±1，其中，N为谐波次数，K为一个周期内整流输出的脉波数量，M为输出绕组的数量，N、K、M均为自然数，三相整流桥组件以K脉波整流器为基础整流单元，构成一个KM脉波的多脉波整流单元，用于消除低于KM±1次的谐波；

所述功率主控单元采用PWM控制方式，通过PWM方式控制高频脉冲功率组件输出的高频脉冲电流，功率主控单元包括主控板、连接板、功率组件控制板、转换板、驱动板和监控显示单元；每个高频脉冲功率组件均包括高频逆变器、高频变压器和高频整流器；

主控板通过连接板与一个或多个功率组件控制板连接，主控板同步输出定频PWM控制信号给各个功率组件控制板，实现集中控制模式下，对多个高频脉冲功率组件的脉宽控制和调节；

各个功率组件控制板通过转换板与一个或多个驱动板连接，各个驱动板又与高频逆变器一一对应连接，功率组件控制板通过转换板将PWM控制信号传送给与其连接的驱动板，驱动板根据其所接收到的PWM信号驱动与其相连的高频逆变器进行DC-AC转换，高频逆变器产生的交流方波通过高频变压器的隔离传送到高频整流器，高频整流器输出高频直流脉冲完成AC-PDC转换；

功率组件控制板还通过反馈端口分别与受其控制的驱动板、高频逆变器、高频变压器和高频整流器连接，实时采集高频逆变器、高频变压器和高频整流器的温度信号，实时检测高频逆变整流单元输出的电压、电流信号；

主控板通过主反馈端口与高频脉冲功率组件的输出端连接，主控板根据主反馈端口所接收到的电流数据和电压数据，自动同步调节与该高频脉冲功率组件所连接的功率组件控制板的脉宽，完成高频脉冲电流输出的控制；

主控板还与监控显示单元连接，主控板将各种数据实时输出到监控显示单元进行显示；

主控板还与移相变压单元和三相桥式工频整流单元连接，根据移相整流部分的检测反馈，完成交流缺相、过压、欠压、过流保护。

2.根据权利要求1所述的一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置，其特征在于：所述高频脉冲电流的电流值为10000A～100000A、最高电压值为200V～550V、周期为2000/秒～40000/秒、占空比为0.4～0.8的高频直流脉冲群。

3.根据权利要求1所述的一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置，其特征在于：所述高频脉冲功率组件包括高频逆变器、高频变压器和高频整流器；

多个高频脉冲功率组件中的多个高频逆变器、多个高频变压器和多个高频整流器采用以下任意一种连接方式：

① 相互串联或并联连接的高频逆变器，通过相互并联连接的高频变压器，与相互并联连接的高频整流器连接；

② 相互串联或并联连接的高频逆变器，通过相互串联连接的高频变压器，与相互串联或并联连接的高频整流器连接。

4.根据权利要求3所述的一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置，其特征在于：所述高频逆变器包括IGBT、IGCT、GOT、MOS电力电子开关器件，所述高频变压器为纳米微晶铁芯变压器，所述高频整流器包括高压大电流快恢复二极管，采用全波整流或全桥整流形式。

5.根据权利要求1所述的一种工业化节能型高频脉冲电解锰装置，其特征在于：主控板将功率组件控制板反馈端口取样采集的电流均分值Ig与主控板反馈端口取样采集的电流均分值Iz进行比较；

当电流均分值Ig>电流均分值Iz时，主控板调节PWM信号，减小该功率组件控制板的脉宽给定值，使电流均分值Ig=电流均分值Iz，实现分配均流控制；

当电流均分值Ig<电流均分值Iz时，主控板调节PWM信号，增加该功率组件控制板的脉宽给定值，使电流均分值Ig=电流均分值Iz，实现分配均流控制；

所述电流均分值Ig为功率组件控制板反馈端口取样采集的电流值与该功率组件控制板所控制的高频脉冲功率组件总数的比值；

所述电流均分值Iz为主控板反馈端口取样采集的电流值与主控板所控制的高频脉冲功率组件总数的比值。