电信学院毕业设计（论文）开题报告
姓名 学号 题目 温少祥 09230418 专业 指导教师 电气 王兴贵 班级 题目类型 电气四班 工程设计 基于PIC单片机的脉冲电镀电源设计 一、选题的目的、意义及国内外研究动态： 1、什么是脉冲电镀 脉冲电镀所依据的电化学原理，主要是利用脉冲电压或脉冲电流的张弛(间隙工作)，增强阴极的活性极化和降低阴极的浓差极化，从而有效地改善镀层的物理化学特性。 在脉冲电镀过程中，电流导通时，接近阴极的金属离子充分地被沉积，而电流关断时，阴极周围的放电离子又恢复到初始浓度。脉冲电镀时的导通电流密度，远远大于直流电源电镀时的电流密度，这将使金属离子处在直流电镀实现不了的极高过电位下电沉积，其结果不仅能改善镀层的物理化学特性，而且还能降低析出电位较负金。 2、脉冲电镀的优点 节电：效率≥90%，比硅整流省电达40%左右或比可控硅电源省电达20%左右。 节料：由于它的工作原理与普通电源不一样，因此在达到相同表面要求的前提下，可节料达15%左右。 节时：由于采用高频脉冲工作方式，电镀完全是在过电位下的电沉积，因此可节约时间达10%左右，提高工效。 高频脉冲电源采用N＋1方式多个并联，(硅整流或可控硅电源不可以)，大功率、大电流可任意并用，效率更高。 高频电源的稳定性：由于采用了最新现代半导体双极型器件(IGBT智能模块)，其可靠性、安全性、稳固性和长时间工作寿命都大大加强和延长，这也是硅整流或可控硅电源无法比拟的。 高频脉冲电源：其工作时，脉冲顶部非常之平，完全是一条直线，纹波可小到0.5%，关断时可对被镀件进行瞬间退镀整平，因此克服了硅整流或可控硅电源的脉动波纹及被镀件表面的高低区，不会形成高的地方镀层厚，低的地方镀层薄的现象。 综上所述脉冲电镀在细化结晶、改善镀层物理化学性能、节约贵金属等方面比传统的直流电镀有着不可比拟的优越性。因此研究新型高效的基于单片机脉冲电源的设计是十分有必要的。 3、电镀电源的发展历史及现状 电镀电源的发展大致经历了4个阶段: 第1阶段为早期的交流——直流发电机组,开始于前苏联,由于经过2次能量转换过程(电能、机械能、电能),机组效率低于60%,噪声大且换向器维修不方便,这类变流设备现在已被列入淘汰产品行列,但在电镀行业仍有少量单位使用该类高能耗设备。 第2阶段为20世纪50年代的硒整流器和20世纪60年代的硅整流器,采用变压器原边抽头或用调压器、饱和电抗器方式调压,副边用硒或硅二极管整流作为电镀电源。这类电源在我国电镀电源中占有一定比例,20世纪80年代占70%左右,如GDA,GDAJ2F,GDS等系列,目前,仍有部分生产和应用。该类电源结构简单,造价低,但都存在体积大,笨重和输出指标低,精度差和效率低等缺点。
第3阶段是20世纪70年代晶闸管整流器,其性能指标比前2代产品有较大改善。采用了五芯柱变压器、高压大功率晶闸管等新技术,并出现了恒压、恒流和恒电流密度新特性。但是由于还是使用工频变压器和工作在低频段,所以整流器体积大,重量重,效率较低,性能的进一步提高也受到电源体积的限制。近年来,以现代电力电子技术的高速发展为基础,国内外相继研制出电镀用第4代直流电镀电源2高频开关电源。与传统工频整流电源相比,开关电源具有高效节能,重量轻,体积小,动态性能好,适应性强,有利于实现工艺过程自动化和智能化控制等显著的优点。因此,大功率开关电源具有广泛的应用前景,是当前国内外研究、开发、应用的主流和方向。但是,开关电源特别是大功率硬开关电源在可靠性、稳定性、效率等方面的缺点成为制约其应用和发展的“瓶颈”,按照传统电源的设计思路和解决办法,不能从根本上解决其所面临的诸多问题。高频开关型电镀电源目前主要局限于1500A以下的中小功率领域,在国内也只有少量厂家生产,从技术角度看主要限于硬开关变换模式和模拟控制方式,具有明显的局限性,同焊接等领域全面推广应用开关式电源的情况具有较大差距。 主要参考资料： [1] 高峰． 微机原理与接口技术[M]． 北京：电力出版社，2003． [2] 杨晋萍． 电器与仪表[M]． 北京： 中国电力出版社，2004． [3] 周航慈． 智能仪器原理与设计[M]． 北京： 航天大学出版社，2005． [4] 郭绍霞． 智能仪器的双CPU技术[J].． 北京：中国电力出版社，1997． [5] 梁国伟． 单片机在脉冲电镀电源中的应用[M]．北京：中南工业大学出版 社，1997． [6] 常太华． 检测技术及应用[J]． 北京：中国电力出版社，1999． [7] 张文博． 智能化高速换向脉冲电镀电源技术[M]．北京：水电出版社，2002． [8] 吴永生． 电镀与环保[J]． 北京：高等教育出版社，2001． [9] 凌志浩． 智能仪表原理与设计技术[M] ． 北京： 华东理工大学出版社，2003． [10] R. Redl, N.O. Sokal, L. Balogh. A Novel Soft-Switching Full-Bridge DC/DC Converter: Analysis, Design Considerations, and Experimental Results at 1.5Kw, 100kHz. In: IEEE PESC. Texas, USA, 1990, 162-172 二、主要设计内容、设计思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案 1、设计内容 本次以 PIC 单片机为控制核心的脉冲电源技术指标为：输入电压为三相380 V,50 Hz；输出电流脉冲为单极性，输出脉冲电流幅值为 4-40A；输出脉冲电压幅值为3-30V，连续可调,输出脉冲频率为 1-1000Hz，连续可调；脉冲宽度为1-100ms, 连续可调；输出脉冲占空比：40-70%，连续可调。 该电源系统的整体工作过程为：三相交流电经可控整流桥整流后输出幅值可调的脉动直流电, 然后由滤波电容变为平直的直流电, 再经全桥逆变后输出单极性或双极性的脉冲电流, 最后由脉冲变压器变为所要求幅值的脉冲电流。 2、主电路设计思路 该脉冲电镀电源主要包括主电路和控制电路两部分。主电路包括整流、滤波、DC-DC变换器等部分。整流单元采用三相桥式全控整流电路主电路输入工频交流电，通过控制电路调节控制触发控制角大小，输出直流可调电压，以达到脉冲电流幅值恒定的目的。通过控制功率器件Vt的通断，输出频率、占空比连续可调的脉冲电流。
Vt电流互感器C1RV1输入380V50HzCdPtV3V5VD2V4V6V2VD1电镀槽 图1.主电路示意图 三相桥式全控整流电路的工作原理 在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是α。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。 为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是1-2-3-4-5-6，晶闸管是这样编号的：晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。 晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组V1V3V5成共阳极组。 A为了搞清楚α变化时各晶闸管CdRB的导通规律，分析输出波形的变化C规则，下面研究几个特殊控制角，先分析α=0的情况，也就是在自然V4V6V2换相点触发换相时的情况。图1是电路接线图。 为了分析方便起见，把一个周期等分6段。 图2.三相全控桥电路 在第（1）段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管KP1被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组的晶闸管KP6被触发导通。这时电流由a相经KP1流向负载，再经KP6流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。加在负载上的整流电压为 ud=ua-ub=uab 经过60°后进入第(2)段时期。这时a相电位仍然最高，晶闸管KPl继续导通，但是c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管KP2，电流即从b相换到c相，KP6承受反向电压而关断。这时电流由a相流出经KPl、负载、KP2流回电源c相。变压器a、c两相工作。这时a相电流为正，c相电流为负。在负载上的电压为