电解电镀运行原理与交/直变换技术教学探讨

陈荣

摘要：交流到直流的变换即整流是电力电子技术中最基本的变换技术，在实际工程中应用十分广泛。传统整流技术的教学由于知识点比较抽象，缺乏背景支撑，学生学习的兴趣不高，动力不强。为此尝试在整流技术教学过程中，先引入电解与电镀、静电除尘等实际生产过程，展示生产工艺对电源的需求，再将整流电路逐一展开，建立并加深对该知识点的理解与掌握。教学实践表明，该教学方法效果明显，师生互动踊跃，学生反映良好。

关键词：电解电镀；静电除尘；电源；整流技术；案例教学

“电力电子技术”课程阐述了四大变换技术及其控制方法，分别是AC/DC、AC/AC、DC/AC、DC/DC，而其中以AC/DC变换技术（整流）的原理与控制最为基本，已经出版并广泛使用的大多数教材都是从此开始讲授并逐步展开的。因此，AC/DC变换是电力电子变换技术最基本的内容，该变换技术所涉及的应用领域包括电解、电镀、电机传动、静电除尘等需要提供直流电源的场所，应用范围十分广泛，学好该技术对将来的应用至关重要。

当前课程讲授时所采取的方式大多是从单相半波整流电路开始，到单相桥式全控、半控、全波以及三相半波、三相桥式全控、半控，再到多相整流电路的构成与工作原理，分析各种整流电路的输出电压电流波形、晶闸管两端的电压波形、电流平均值有效值、谐波与功率因数等。这些知识都是实际电路工作工程过程中所呈现的，作为学员或使用者必须知道或掌握的内容，但由于缺少工程背景的支撑，没有实际应用对象支持，学生把这些内容当成如高等数学类的抽象知识来学习，导致学生的学习趣味不浓，学习积极性不高。由于AC/DC变换在现实生活中的应用领域十分广泛，日常生活、工业现场随处可见，因此，为提高学生学习该技术的积极性，增强学习的趣味性，可以将现实装置及其需求引入课堂，换一种方法来学习AC/DC变换，探讨整流电路的工作原理、构成与分析。

一、电解电镀及静电除尘的应用场景

1.电解应用

在自然界中，绝大多数化学元素均以与其他元素构成化合物的形态出现，如氯（Cl）、氢（H）、铝（Al）、铁（Fe）、铜（Cu）等，真正以游离态出现的化学元素比较少，如氮气（N2）、氧气（O2）、金（Au）以及一些惰性气体等。为了从自然界中提取所需要的元素，需要采取化学中的氧化还原反应（有些带催化）或者采用电化学中电解的方法实现，如电解水制氢气、氧气；电解食盐水制备氯气、氢气；电解法提纯铜；电解法制备铝等。所有这些电解工艺中均需要提供稳定可调的低电压、大电流直流电源，而现实的供电系统采用的是工频交流电，为此，需要探讨直流電源的构成方法及工作原理，以便为电解工艺有效实现提供必备的基本条件。

2.电镀应用

金属材料如铁、铝、铜等裸露在空气中会被环境空气中所含的活性气体（如氧气、二氧化硫、硫化氢等）所氧化，金属材料表面形成氧化物或硫化物，致使金属表面变色，影响美观，或者使金属表面被氧化脱落，缩短金属材料的使用寿命。为此，必须在金属表面进行处理，以阻止金属材料与活性气体、水等的接触，保持金属表面不被氧化锈蚀，电镀就是一种有效的可以增强金属美感并阻止金属材料氧化的表面处理方法。

非金属材料如ABS塑料在模塑成型之后，因为材料自身的颜色，使其在设计使用的装备上不美观，需要在塑料表面进行处理，以使其与装备协调或者增强其美观性，而在其表面进行电镀就是一种很好的方法，可以使工程塑料表面看似具有金属的式样、质感，并赋予金属的性质，集塑料及金属的特性于一体。目前已经有大量塑料电镀产品应用于电子、汽车、家庭用品上。

在电镀工艺中，必须将被加工工件置于电镀液中，将被镀工件置于阴极，所镀金属置于阳极，在两极通上低电压、大电流的直流电，电镀液中进行氧化还原反映，将阳极上的金属迁移到被镀工件表面，形成致密的金属保护层，使工件表面光亮美观。因此，需要研究直流电源的原理与构成，以实现材料表面加工的电镀工艺。

3.静电除尘应用

在工业化生产高度发达的今天，环境污染问题越来越严重，尤其是近两年来所出现的雾霾，是大气污染到一定程度之后自然界无法消解这些污染物所产生的爆发性结果。而在现实环境中，随处可见的烟囱将工厂生产过程中产生的烟气排放到大气中。这些烟气中富含PM2.5及其以上的颗粒物，富含物体燃烧之后所产生的氧化碳（COx）、氧化硫（SOx）、氧化氮（NOx）、硫化氢（H2S）等废气。烟气中的废气可以采用水喷淋或者酸碱中和反应的方式予以溶解或中和，形成具有二次污染的废水或废液，需要后续处理方可排入环境。针对烟气中所含有的固体颗粒物的处理，早期采用旋风收尘、袋式收尘等进行收集，以消除烟气中固体颗粒物对环境的影响，但收尘效果不好，设备成本较高，效率较低，寿命较短。后续应用的静电除尘方法对消除烟气中固体颗粒物效果明显，基本可以消除烟气中的固体颗粒。

所谓静电除尘，就是将燃烧所产生的烟气流过两电极板所形成的高压静电场中，烟气在经过高压静电场时被电分离，烟气中的颗粒物与负离子结合带上负电成为带有电荷的粒子，受电场力的作用，被电场吸引至阳极表面放电而沉积在极板上。颗粒物在极板上积聚到一定程度之后，因极板被外力敲击产生振动，极板表面颗粒积聚的灰尘将随自重下落，从而达到收尘的效果。静电除尘可以达到很好的除尘效果，采用静电除尘的烟气排放中，基本不含固体物，在工业现场应用十分广泛。为保证静电除尘的除尘效果，高压电场的形成和控制是其基本条件，为此，需要探讨为静电除尘过程提供高压电源的装置。

二、整流电路的结构及工作原理

整流电路是将工频交流电变换成直流电的电路，按照现实整流电路的具体结构，整流电路有多种类型。按整流电路相数，整流电路可以分为单相、三相、多相；按电路结构，整流电路可以分为桥式电路和零式电路；按变压器二次电流方向，整流电路可以分为单拍和双拍电路。以整流电路相数来分类分析。

1.单相整流电路

（1）单相半波整流电路如图1所示，图中（a）为单相半波整流带电阻性负载及其工作波形，（b）为单相半波整流带电阻、电感性负载及其工作波形，（c）为单相半波整流带电阻、电感性负载，并有续流二极管电路及其工作波形。从图1可以看出：一是该单相半波整流电路负载上获得单方向直流电，变压器半周期工作，存在直流磁化，影响电路效率及输出波形；二是负载性质影响整流电路工作过程，也影响整流电流的輸出波形；三是电路只在工频的半周期内工作，效率不高，输出功率小；四是负载上获得的直流电脉动很大，谐波很高，电流很不平稳；五是整流电路的输入功率因数与效率很低。

正因为如此，单相半波整流电路在现实装备中很少应用，分析该电路原理及其波形的目的在于利用该电路简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念，为后续电路的学习奠定基础。

图1电路中，可以直接写出各电路输出电压、电流及晶闸管电流、二极管电流的表达式，获得相关器件两端最高电压数值。

图1（a）单相半波整流带电阻负载输出直流电压为：

（1）

图1（b）单相半波整流带电阻、电感负载时，因电感元件的储能，在半周期内晶闸管导通时间受电源电压、触发角、负载影响，彼此之间为复杂的非线性关系，甚至在电感较大时，电路输出直流电压很小，电路没有实用价值。

图1（c）单相半波整流带电阻、电感负载，加上续流二极管，给整流电路负半周电流以续流通道，电路输出直流电压与（1）式同。

以上三种电路，晶闸管承受的最高正反向电压为电源电压峰值，整流电路输出电流平均值、晶闸管中电流平均值IdVT、有效值IVT分别为：

（2）

（3）

（4）

（2）单相桥式整流电路如图2所示，图2（a）为单相桥全控整流带电阻性负载及其工作波形，（b）为单相桥全控整流带电阻、电感性负载及其工作波形，（c）为单相桥全控整流带反电势负载及其工作波形，（d）为单相桥半控整流带电阻、电感性负载及其工作波形。从图2可以看出，单相桥式整流电路不论是全控还是半控，变压器副边电流均双向流动，属于双拍电路，输出直流电压比半波电路要平稳，变压器也没有直流磁化问题。但其输出电压电流波形脉动仍然较大，且由于单相工作，电路输出功率有限，只能在功率比较小、对输出波形要求不高的应用场合使用。（a）、（b）、（c）均为单相桥全控整流电路，与（d）图的半控电路相比，二极管导通条件（承受正向电压导通）与晶闸管（承受正向电压时被触发才导通）不同，因此电路输出波形的分析也与前面的全控电路不同。

图2（a）单相桥全控整流电阻性电路，正负半周期内均流过电流，电路输出电压为：

（5）

图2（b）单相桥全控整流电阻电感性电路，因电感储能的作用，每半周期结束，晶闸管的导通均向下半个周期延伸，电压波形连续（电感足够大），电路输出电压为：

（6）

图2（c）由于反电势的存在，晶闸管关断的时间受反电势的影响，使得晶闸管在一个周期中的导通时间不确定，因此电路输出无法表示。在实际应用中，均在电路回路串电感元件，以给负载提供平稳电流，此时电路分析类同于图2（b）。

图2（d）单相桥半控整流带电阻、电感性负载时，因整流二极管承受正向电压便导通，电路输出电压波形与图2（a）相同，输出电压同（5）式。但该电路在突然丢失触发脉冲情况下，会出现半波整流现象，即失控现象，为此，在电路输出端并联续流二极管。有无续流二极管，电路输出电流波形不同，图2（d）是有续流二极管时输出波形。无续流二极管时，每个半周期结束时的续流过程由整流桥一桥臂承担。

图2四电路中，晶闸管承受最高正反向电压为电源电压峰值，输出电流Id与（2）式同。

图2（a）晶闸管电流平均值IdVT、有效值IVT、变压器副边电流有效值I2分别为：

（7）

（8）

（9）

因此有

图2（b）中，IdVT与（7）式同，电感足够大时，IVT、I2分别为：

（10）

（11）

图2（d）无续流二极管时，IdVT、IVT、I2分别由式（7）、（10）、（11）决定。带续流二极管时，桥臂整流二极管电流平均值、有效值与桥臂上晶闸管的电流平均值、有效值相同。IdVT、IVT、I2、续流管电流平均值IdVD、有效值IVD为：

（12）

（13）

（14）

（15）

（16）

除图2之外，单相双脉波整流电路仍有由两个晶闸管和一台中心抽头变压器构成的单相全波整流电路，以及将二极管放置一侧的单相桥式半控整流电路。前者因为变压器结构复杂而很少采用，后者使用时可以省去桥式半控整流电路的续流二极管，可以简化电路。

2.三相整流电路

（1）三相半波整流电路如图3所示。图3（a）为三相半波整流带电阻性负载，触发角和时工作波形，（b）为带电阻电感性负载时工作波形。从图3可以看出，晶闸管承受的最高正反向电压为电源线电压峰值，（a）图中是电阻负载时电压电流连续的分界点，（b）图中，每一相导通后到达相电压负向过零处，因为电感储能，晶闸管将持续导通，一直到下一个晶闸管被触发导通。根据定义，不难写出电路输出电压Ud、电流Id、晶闸管电流平均值IdVT、有效值IVT、变压器副边电流有效值I2：

电阻性负载时：

，α≤30° （17）

， （18）

电阻电感性负载时输出电压与（17）式同。

（19）

（20）

电阻性负载时，，电阻电感性负载时：

（21）

三相半波整流电路变压器副边流过单向电流，存在直流磁化问题，因此其应用受到限制。

（2）三相桥式整流电路如图4所示。图4（a）电路为三相桥式整流带电阻负载，波形为时电路输出电压，以及电阻电感性负载时整流电路输出电流和变压器二次侧电流波形。图4（b）电路为三相桥式整流带电阻电感性负载，波形为时电路输出电压及晶闸管两端电压波形。由图可见，是电压波形连续到断续的分界点，晶闸管两端所承受的最大正反向电压与三相半波整流电路一样。同样可写出整流电路输出电压Ud、电流Id、晶閘管电流平均值IdVT、有效值IVT、变压器副边电流I2：

三相桥式整流带电阻负载时：

，α≤60° （22）

， （23）

三相桥式整流带电阻电感性负载时，输出直流电压Ud同式（22），直流电流Id、晶闸管电流平均值IdVT、有效值IVT同式（19）、（20）、（21）。

（24）

三相桥式整流电路除以上的全控型电路外，还有半控型电路，其分析方法与全控型电路类似，只是二极管的换向条件与晶闸管的换向条件不同。

3.多相整流电路

由于电力系统供电电源均为三相，实际应用系统中，为了要获得更为平稳的直流电压，通常是通过变压器移相之后获得多相电源再进行整流，所得到的直流电压脉动程度将大大减小，电压更平稳，其规律是整流电路的相数越多，输出电压越平稳，直流电压的最低脉动频率将越高。

三、电解电镀及静电除尘电源的构成

电解电镀需要的电源为低电压大电流的直流电源，而静电除尘需要的电源则与之相反，它需要高电压小电流的直流电源。工业生产中，为了给有关设备提供直流电源，大都采用三相桥式整流电路实现，而对于像电解电镀与静电除尘这样的电气设备，采用三相桥式整流电路时，其效率、功率因数较低，设备的成本较高，为此需要采取不同的电路结构以构成实用电源。

1.电解电镀电源

电解电镀工艺中，两电极之间将通过低电压（50V以下）、大电流，电流范围从几百安到上万安不等，因输出电流要求较大，采用三相桥式整流电路时晶闸管都无法选择，必须采用不同的电路结构来实现。采用整流电路的并联方式，可以解决这个问题。如图5的双反星形整流电路。

图5中，变压器副边两组三相半波整流电路通过平衡电抗器进行并联，两组三相半波整流电路将平均分担负载电流的一半，而从公式（20）式可知，该电路中每个晶闸管将承担负载电流的1/6，峰值电流为负载电流的1/2，每个晶闸管均导通120°。电路输出直流电压，电压的数值可以通过控制α来实现。实际上，双反星形整流电路是通过变压器的两组副边获得彼此相差60°的六相交流电压，其中彼此相差120°的三相交流电给一组三相半波整流电路供电，另外彼此相差120°的三相交流电给另一组三相半波整流电路供电，这两组三相半波整流电路通过平衡电抗器并联，给负载供电。同样，通过变压器绕组的星三角连接，也可以使变压器副边电压移相，获得彼此相差30°的十二相交流电压，两两之间通过平衡电抗器并联，可以获得比双反星形整流电路输出电压更为平稳的直流电压，其晶闸管将承担负载电流的1/12，电路可以输出的直流电流将更大。其实，三相桥式整流电路相当于六相整流电路，通过变压器的星三角连接，对电源电压进行30°移相，再通过两组三相桥式全控整流电路整流，其输出端通过平衡电抗器进行并联，同样可以获得12脉波整流电路。

值得注意的是，电路构成过程中平衡电抗器的存在至关重要，如果取消平衡电抗器，双反星形整流电路任何时刻总电流将由一个晶闸管承担，尽管此时每个管子承担的电流平均值仍为负载电流的1/6，但在这个管子工作过程中，其他管子全部关断，晶闸管导通的电角度变小，只有60°，电流幅值是双反星形整流电路时的2倍，故晶闸管要选择额定参数大的元件，电路改进的优势便已失去。此外，因为电路的输出电压较小，在电路设计时，晶闸管导通的压降、线路损耗均需要考虑在内，以便为电解电镀槽提供合适的直流电压。

2.静电除尘电源

静电除尘需要电源提供高电压小电流（电压可达上万伏，电流只有几十毫安），以便在两电极之间形成高压电场。因电压很高，器件承受的额定电压有限，因此静电除尘电源的电路结构需要调整。前面所介绍的电镀电源因为需要输出电流大而采用并联方式，则静电除尘电源因为需要输出的电压很高，可以采取串联的方式获得，如图6所示。

图6中，三相交流电经过变压器的星三角连接，使变压器副边三相电压移位30°，因为三相桥式整流电路相当于彼此相差60°的六相半波整流，两组三相桥错位30°工作，只要保证变压器两组副边相电压相等，串联后，组合的电路相当于12相脉波整流电路，整流电路输出电压的最低次脉动频率为12*50=600Hz，输出直流电压为两组桥输出直流电压的2倍。

变压器副边设置多组绕组，让每组的输出给一组整流桥供电，彼此之间按图6方式进行串联，就可以获得静电除尘所需要的高电压小电流电源。变压器副边绕组的组数应根据需要及变压器铁芯空间的可能来设置，比较科学的设置方法是组与组之间错位移相60°/n，n为变压器副边所设置的绕组组数。变压器副边移相30°，电路很好实现，值需要采用星三角连接方式便可实现，如要实现15°移相，仅凭星三角连接方式是无法实现的，需要采用曲折连接方可实现。因此，变压器副边所设置的绕组组数很有限，最多也不会超过4。

图6中，采用错位30°移相供电，各组桥稳定工作，输出一定电流，它们经过绕组移相，变压器原边绕组电流将是阶梯波电流，一次电流中所含谐波大大减小，对电力系统的工作十分有利，可以大大减小进网滤波电抗器的体积。

四、结语

通过结合电解电镀与静电除尘工艺生产过程，了解实际生产过程对直流电源的需要，探索整流电路的工作原理、波形分析，使学生依据实际生产对象全面了解整流技术的原理与应用，建立实际装备的整体概念，形成整流技术应用背景的感性认识，提升学生学习的兴趣与积极性。这种教学活动已经采取多年，学生对该教学方法十分感兴趣，从教学过程中可以获得相关专业知识，也比较容易建立起对整流电路工作原理的清晰印象，是一种很好的案例教学法。

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（责任编辑：孙晴）