電解電鍍運行原理與交/直變換技術教學探討

陳榮

摘要：交流到直流的變換即整流是電力電子技術中最基本的變換技術，在實際工程中應用十分廣泛。傳統整流技術的教學由于知識點比較抽象，缺乏背景支撐，學生學習的興趣不高，動力不強。為此嘗試在整流技術教學過程中，先引入電解與電鍍、靜電除塵等實際生產過程，展示生產工藝對電源的需求，再將整流電路逐一展開，建立并加深對該知識點的理解與掌握。教學實踐表明，該教學方法效果明顯，師生互動踴躍，學生反映良好。

關鍵詞：電解電鍍；靜電除塵；電源；整流技術；案例教學

“電力電子技術”課程闡述了四大變換技術及其控制方法，分別是AC/DC、AC/AC、DC/AC、DC/DC，而其中以AC/DC變換技術（整流）的原理與控制最為基本，已經出版并廣泛使用的大多數教材都是從此開始講授并逐步展開的。因此，AC/DC變換是電力電子變換技術最基本的內容，該變換技術所涉及的應用領域包括電解、電鍍、電機傳動、靜電除塵等需要提供直流電源的場所，應用范圍十分廣泛，學好該技術對將來的應用至關重要。

當前課程講授時所采取的方式大多是從單相半波整流電路開始，到單相橋式全控、半控、全波以及三相半波、三相橋式全控、半控，再到多相整流電路的構成與工作原理，分析各種整流電路的輸出電壓電流波形、晶閘管兩端的電壓波形、電流平均值有效值、諧波與功率因數等。這些知識都是實際電路工作工程過程中所呈現的，作為學員或使用者必須知道或掌握的內容，但由于缺少工程背景的支撐，沒有實際應用對象支持，學生把這些內容當成如高等數學類的抽象知識來學習，導致學生的學習趣味不濃，學習積極性不高。由于AC/DC變換在現實生活中的應用領域十分廣泛，日常生活、工業現場隨處可見，因此，為提高學生學習該技術的積極性，增強學習的趣味性，可以將現實裝置及其需求引入課堂，換一種方法來學習AC/DC變換，探討整流電路的工作原理、構成與分析。

一、電解電鍍及靜電除塵的應用場景

1.電解應用

在自然界中，絕大多數化學元素均以與其他元素構成化合物的形態出現，如氯（Cl）、氫（H）、鋁（Al）、鐵（Fe）、銅（Cu）等，真正以游離態出現的化學元素比較少，如氮氣（N2）、氧氣（O2）、金（Au）以及一些惰性氣體等。為了從自然界中提取所需要的元素，需要采取化學中的氧化還原反應（有些帶催化）或者采用電化學中電解的方法實現，如電解水制氫氣、氧氣；電解食鹽水制備氯氣、氫氣；電解法提純銅；電解法制備鋁等。所有這些電解工藝中均需要提供穩定可調的低電壓、大電流直流電源，而現實的供電系統采用的是工頻交流電，為此，需要探討直流電源的構成方法及工作原理，以便為電解工藝有效實現提供必備的基本條件。

2.電鍍應用

金屬材料如鐵、鋁、銅等裸露在空氣中會被環境空氣中所含的活性氣體（如氧氣、二氧化硫、硫化氫等）所氧化，金屬材料表面形成氧化物或硫化物，致使金屬表面變色，影響美觀，或者使金屬表面被氧化脫落，縮短金屬材料的使用壽命。為此，必須在金屬表面進行處理，以阻止金屬材料與活性氣體、水等的接觸，保持金屬表面不被氧化銹蝕，電鍍就是一種有效的可以增強金屬美感并阻止金屬材料氧化的表面處理方法。

非金屬材料如ABS塑料在模塑成型之后，因為材料自身的顏色，使其在設計使用的裝備上不美觀，需要在塑料表面進行處理，以使其與裝備協調或者增強其美觀性，而在其表面進行電鍍就是一種很好的方法，可以使工程塑料表面看似具有金屬的式樣、質感，并賦予金屬的性質，集塑料及金屬的特性于一體。目前已經有大量塑料電鍍產品應用于電子、汽車、家庭用品上。

在電鍍工藝中，必須將被加工工件置于電鍍液中，將被鍍工件置于陰極，所鍍金屬置于陽極，在兩極通上低電壓、大電流的直流電，電鍍液中進行氧化還原反映，將陽極上的金屬遷移到被鍍工件表面，形成致密的金屬保護層，使工件表面光亮美觀。因此，需要研究直流電源的原理與構成，以實現材料表面加工的電鍍工藝。

3.靜電除塵應用

在工業化生產高度發達的今天，環境污染問題越來越嚴重，尤其是近兩年來所出現的霧霾，是大氣污染到一定程度之后自然界無法消解這些污染物所產生的爆發性結果。而在現實環境中，隨處可見的煙囪將工廠生產過程中產生的煙氣排放到大氣中。這些煙氣中富含PM2.5及其以上的顆粒物，富含物體燃燒之后所產生的氧化碳（COx）、氧化硫（SOx）、氧化氮（NOx）、硫化氫（H2S）等廢氣。煙氣中的廢氣可以采用水噴淋或者酸堿中和反應的方式予以溶解或中和，形成具有二次污染的廢水或廢液，需要后續處理方可排入環境。針對煙氣中所含有的固體顆粒物的處理，早期采用旋風收塵、袋式收塵等進行收集，以消除煙氣中固體顆粒物對環境的影響，但收塵效果不好，設備成本較高，效率較低，壽命較短。后續應用的靜電除塵方法對消除煙氣中固體顆粒物效果明顯，基本可以消除煙氣中的固體顆粒。

所謂靜電除塵，就是將燃燒所產生的煙氣流過兩電極板所形成的高壓靜電場中，煙氣在經過高壓靜電場時被電分離，煙氣中的顆粒物與負離子結合帶上負電成為帶有電荷的粒子，受電場力的作用，被電場吸引至陽極表面放電而沉積在極板上。顆粒物在極板上積聚到一定程度之后，因極板被外力敲擊產生振動，極板表面顆粒積聚的灰塵將隨自重下落，從而達到收塵的效果。靜電除塵可以達到很好的除塵效果，采用靜電除塵的煙氣排放中，基本不含固體物，在工業現場應用十分廣泛。為保證靜電除塵的除塵效果，高壓電場的形成和控制是其基本條件，為此，需要探討為靜電除塵過程提供高壓電源的裝置。

二、整流電路的結構及工作原理

整流電路是將工頻交流電變換成直流電的電路，按照現實整流電路的具體結構，整流電路有多種類型。按整流電路相數，整流電路可以分為單相、三相、多相；按電路結構，整流電路可以分為橋式電路和零式電路；按變壓器二次電流方向，整流電路可以分為單拍和雙拍電路。以整流電路相數來分類分析。

1.單相整流電路

（1）單相半波整流電路如圖1所示，圖中（a）為單相半波整流帶電阻性負載及其工作波形，（b）為單相半波整流帶電阻、電感性負載及其工作波形，（c）為單相半波整流帶電阻、電感性負載，并有續流二極管電路及其工作波形。從圖1可以看出：一是該單相半波整流電路負載上獲得單方向直流電，變壓器半周期工作，存在直流磁化，影響電路效率及輸出波形；二是負載性質影響整流電路工作過程，也影響整流電流的輸出波形；三是電路只在工頻的半周期內工作，效率不高，輸出功率小；四是負載上獲得的直流電脈動很大，諧波很高，電流很不平穩；五是整流電路的輸入功率因數與效率很低。

正因為如此，單相半波整流電路在現實裝備中很少應用，分析該電路原理及其波形的目的在于利用該電路簡單易學的特點，建立起整流電路的基本概念，為后續電路的學習奠定基礎。

圖1電路中，可以直接寫出各電路輸出電壓、電流及晶閘管電流、二極管電流的表達式，獲得相關器件兩端最高電壓數值。

圖1（a）單相半波整流帶電阻負載輸出直流電壓為：

（1）

圖1（b）單相半波整流帶電阻、電感負載時，因電感元件的儲能，在半周期內晶閘管導通時間受電源電壓、觸發角、負載影響，彼此之間為復雜的非線性關系，甚至在電感較大時，電路輸出直流電壓很小，電路沒有實用價值。

圖1（c）單相半波整流帶電阻、電感負載，加上續流二極管，給整流電路負半周電流以續流通道，電路輸出直流電壓與（1）式同。

以上三種電路，晶閘管承受的最高正反向電壓為電源電壓峰值，整流電路輸出電流平均值、晶閘管中電流平均值IdVT、有效值IVT分別為：

（2）

（3）

（4）

（2）單相橋式整流電路如圖2所示，圖2（a）為單相橋全控整流帶電阻性負載及其工作波形，（b）為單相橋全控整流帶電阻、電感性負載及其工作波形，（c）為單相橋全控整流帶反電勢負載及其工作波形，（d）為單相橋半控整流帶電阻、電感性負載及其工作波形。從圖2可以看出，單相橋式整流電路不論是全控還是半控，變壓器副邊電流均雙向流動，屬于雙拍電路，輸出直流電壓比半波電路要平穩，變壓器也沒有直流磁化問題。但其輸出電壓電流波形脈動仍然較大，且由于單相工作，電路輸出功率有限，只能在功率比較小、對輸出波形要求不高的應用場合使用。（a）、（b）、（c）均為單相橋全控整流電路，與（d）圖的半控電路相比，二極管導通條件（承受正向電壓導通）與晶閘管（承受正向電壓時被觸發才導通）不同，因此電路輸出波形的分析也與前面的全控電路不同。

圖2（a）單相橋全控整流電阻性電路，正負半周期內均流過電流，電路輸出電壓為：

（5）

圖2（b）單相橋全控整流電阻電感性電路，因電感儲能的作用，每半周期結束，晶閘管的導通均向下半個周期延伸，電壓波形連續（電感足夠大），電路輸出電壓為：

（6）

圖2（c）由于反電勢的存在，晶閘管關斷的時間受反電勢的影響，使得晶閘管在一個周期中的導通時間不確定，因此電路輸出無法表示。在實際應用中，均在電路回路串電感元件，以給負載提供平穩電流，此時電路分析類同于圖2（b）。

圖2（d）單相橋半控整流帶電阻、電感性負載時，因整流二極管承受正向電壓便導通，電路輸出電壓波形與圖2（a）相同，輸出電壓同（5）式。但該電路在突然丟失觸發脈沖情況下，會出現半波整流現象，即失控現象，為此，在電路輸出端并聯續流二極管。有無續流二極管，電路輸出電流波形不同，圖2（d）是有續流二極管時輸出波形。無續流二極管時，每個半周期結束時的續流過程由整流橋一橋臂承擔。

圖2四電路中，晶閘管承受最高正反向電壓為電源電壓峰值，輸出電流Id與（2）式同。

圖2（a）晶閘管電流平均值IdVT、有效值IVT、變壓器副邊電流有效值I2分別為：

（7）

（8）

（9）

因此有

圖2（b）中，IdVT與（7）式同，電感足夠大時，IVT、I2分別為：

（10）

（11）

圖2（d）無續流二極管時，IdVT、IVT、I2分別由式（7）、（10）、（11）決定。帶續流二極管時，橋臂整流二極管電流平均值、有效值與橋臂上晶閘管的電流平均值、有效值相同。IdVT、IVT、I2、續流管電流平均值IdVD、有效值IVD為：

（12）

（13）

（14）

（15）

（16）

除圖2之外，單相雙脈波整流電路仍有由兩個晶閘管和一臺中心抽頭變壓器構成的單相全波整流電路，以及將二極管放置一側的單相橋式半控整流電路。前者因為變壓器結構復雜而很少采用，后者使用時可以省去橋式半控整流電路的續流二極管，可以簡化電路。

2.三相整流電路

（1）三相半波整流電路如圖3所示。圖3（a）為三相半波整流帶電阻性負載，觸發角和時工作波形，（b）為帶電阻電感性負載時工作波形。從圖3可以看出，晶閘管承受的最高正反向電壓為電源線電壓峰值，（a）圖中是電阻負載時電壓電流連續的分界點，（b）圖中，每一相導通后到達相電壓負向過零處，因為電感儲能，晶閘管將持續導通，一直到下一個晶閘管被觸發導通。根據定義，不難寫出電路輸出電壓Ud、電流Id、晶閘管電流平均值IdVT、有效值IVT、變壓器副邊電流有效值I2：

電阻性負載時：

，α≤30° （17）

， （18）

電阻電感性負載時輸出電壓與（17）式同。

（19）

（20）

電阻性負載時，，電阻電感性負載時：

（21）

三相半波整流電路變壓器副邊流過單向電流，存在直流磁化問題，因此其應用受到限制。

（2）三相橋式整流電路如圖4所示。圖4（a）電路為三相橋式整流帶電阻負載，波形為時電路輸出電壓，以及電阻電感性負載時整流電路輸出電流和變壓器二次側電流波形。圖4（b）電路為三相橋式整流帶電阻電感性負載，波形為時電路輸出電壓及晶閘管兩端電壓波形。由圖可見，是電壓波形連續到斷續的分界點，晶閘管兩端所承受的最大正反向電壓與三相半波整流電路一樣。同樣可寫出整流電路輸出電壓Ud、電流Id、晶閘管電流平均值IdVT、有效值IVT、變壓器副邊電流I2：

三相橋式整流帶電阻負載時：

，α≤60° （22）

， （23）

三相橋式整流帶電阻電感性負載時，輸出直流電壓Ud同式（22），直流電流Id、晶閘管電流平均值IdVT、有效值IVT同式（19）、（20）、（21）。

（24）

三相橋式整流電路除以上的全控型電路外，還有半控型電路，其分析方法與全控型電路類似，只是二極管的換向條件與晶閘管的換向條件不同。

3.多相整流電路

由于電力系統供電電源均為三相，實際應用系統中，為了要獲得更為平穩的直流電壓，通常是通過變壓器移相之后獲得多相電源再進行整流，所得到的直流電壓脈動程度將大大減小，電壓更平穩，其規律是整流電路的相數越多，輸出電壓越平穩，直流電壓的最低脈動頻率將越高。

三、電解電鍍及靜電除塵電源的構成

電解電鍍需要的電源為低電壓大電流的直流電源，而靜電除塵需要的電源則與之相反，它需要高電壓小電流的直流電源。工業生產中，為了給有關設備提供直流電源，大都采用三相橋式整流電路實現，而對于像電解電鍍與靜電除塵這樣的電氣設備，采用三相橋式整流電路時，其效率、功率因數較低，設備的成本較高，為此需要采取不同的電路結構以構成實用電源。

1.電解電鍍電源

電解電鍍工藝中，兩電極之間將通過低電壓（50V以下）、大電流，電流范圍從幾百安到上萬安不等，因輸出電流要求較大，采用三相橋式整流電路時晶閘管都無法選擇，必須采用不同的電路結構來實現。采用整流電路的并聯方式，可以解決這個問題。如圖5的雙反星形整流電路。

圖5中，變壓器副邊兩組三相半波整流電路通過平衡電抗器進行并聯，兩組三相半波整流電路將平均分擔負載電流的一半，而從公式（20）式可知，該電路中每個晶閘管將承擔負載電流的1/6，峰值電流為負載電流的1/2，每個晶閘管均導通120°。電路輸出直流電壓，電壓的數值可以通過控制α來實現。實際上，雙反星形整流電路是通過變壓器的兩組副邊獲得彼此相差60°的六相交流電壓，其中彼此相差120°的三相交流電給一組三相半波整流電路供電，另外彼此相差120°的三相交流電給另一組三相半波整流電路供電，這兩組三相半波整流電路通過平衡電抗器并聯，給負載供電。同樣，通過變壓器繞組的星三角連接，也可以使變壓器副邊電壓移相，獲得彼此相差30°的十二相交流電壓，兩兩之間通過平衡電抗器并聯，可以獲得比雙反星形整流電路輸出電壓更為平穩的直流電壓，其晶閘管將承擔負載電流的1/12，電路可以輸出的直流電流將更大。其實，三相橋式整流電路相當于六相整流電路，通過變壓器的星三角連接，對電源電壓進行30°移相，再通過兩組三相橋式全控整流電路整流，其輸出端通過平衡電抗器進行并聯，同樣可以獲得12脈波整流電路。

值得注意的是，電路構成過程中平衡電抗器的存在至關重要，如果取消平衡電抗器，雙反星形整流電路任何時刻總電流將由一個晶閘管承擔，盡管此時每個管子承擔的電流平均值仍為負載電流的1/6，但在這個管子工作過程中，其他管子全部關斷，晶閘管導通的電角度變小，只有60°，電流幅值是雙反星形整流電路時的2倍，故晶閘管要選擇額定參數大的元件，電路改進的優勢便已失去。此外，因為電路的輸出電壓較小，在電路設計時，晶閘管導通的壓降、線路損耗均需要考慮在內，以便為電解電鍍槽提供合適的直流電壓。

2.靜電除塵電源

靜電除塵需要電源提供高電壓小電流（電壓可達上萬伏，電流只有幾十毫安），以便在兩電極之間形成高壓電場。因電壓很高，器件承受的額定電壓有限，因此靜電除塵電源的電路結構需要調整。前面所介紹的電鍍電源因為需要輸出電流大而采用并聯方式，則靜電除塵電源因為需要輸出的電壓很高，可以采取串聯的方式獲得，如圖6所示。

圖6中，三相交流電經過變壓器的星三角連接，使變壓器副邊三相電壓移位30°，因為三相橋式整流電路相當于彼此相差60°的六相半波整流，兩組三相橋錯位30°工作，只要保證變壓器兩組副邊相電壓相等，串聯后，組合的電路相當于12相脈波整流電路，整流電路輸出電壓的最低次脈動頻率為12*50=600Hz，輸出直流電壓為兩組橋輸出直流電壓的2倍。

變壓器副邊設置多組繞組，讓每組的輸出給一組整流橋供電，彼此之間按圖6方式進行串聯，就可以獲得靜電除塵所需要的高電壓小電流電源。變壓器副邊繞組的組數應根據需要及變壓器鐵芯空間的可能來設置，比較科學的設置方法是組與組之間錯位移相60°/n，n為變壓器副邊所設置的繞組組數。變壓器副邊移相30°，電路很好實現，值需要采用星三角連接方式便可實現，如要實現15°移相，僅憑星三角連接方式是無法實現的，需要采用曲折連接方可實現。因此，變壓器副邊所設置的繞組組數很有限，最多也不會超過4。

圖6中，采用錯位30°移相供電，各組橋穩定工作，輸出一定電流，它們經過繞組移相，變壓器原邊繞組電流將是階梯波電流，一次電流中所含諧波大大減小，對電力系統的工作十分有利，可以大大減小進網濾波電抗器的體積。

四、結語

通過結合電解電鍍與靜電除塵工藝生產過程，了解實際生產過程對直流電源的需要，探索整流電路的工作原理、波形分析，使學生依據實際生產對象全面了解整流技術的原理與應用，建立實際裝備的整體概念，形成整流技術應用背景的感性認識，提升學生學習的興趣與積極性。這種教學活動已經采取多年，學生對該教學方法十分感興趣，從教學過程中可以獲得相關專業知識，也比較容易建立起對整流電路工作原理的清晰印象，是一種很好的案例教學法。

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（責任編輯：孫晴）