TSC無功補償裝置在電鏟上的應用

徐明 槐博超

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

電鏟負責礦巖挖掘、裝車等工作，是露天礦山最重要的生產(chǎn)設備。以前其傳動系統(tǒng)采用原動機——發(fā)電機——電動機組方式，存在能量轉換的效率低、機械容易出故障、維護成本高、運行噪音大等問題，難以滿足礦上對電鏟性能要求[1]。

為了解決上述問題，提高效率，80年代從國外引入新型電鏟，如P&H公司的2300XP型電鏟。這種電鏟采用晶閘管整流器——電動機調(diào)速系統(tǒng)，利用可控硅整流調(diào)速裝置控制提升、推壓、回轉、行走機構的7臺直流電動機運行，因此調(diào)速性能好，故障率低，工作效率高。

由于晶閘管變流器本身的特點和提升、推壓機構特殊的負載特性，系統(tǒng)運行功率因數(shù)經(jīng)常處于0.4～0.7左右。因此，該型電鏟裝配了無功補償裝置，采用晶閘管投切電容器（thyristor switched capacitor,TSC）進行無功補償，來改善系統(tǒng)功率因數(shù)，進而提高電鏟的使用效率。但經(jīng)過現(xiàn)場應用，發(fā)現(xiàn)該TSC無功補償裝置設計簡單，存在投切失敗等問題，為此，對TSC控制策略進行了改進，以提高其補償性能和效果。

1 原有TSC無功補償裝置性能分析

2300 XP型電鏟通過外部一路6 kV交流三相電纜給整個電氣系統(tǒng)提供電能。該電纜先通過高壓柜與電鏟內(nèi)部一臺容量為2.5 MVA的三繞組變壓器（△/Y/Y）連接，然后降壓成兩路600 V低壓母線1與母線2，母線上分別連接著相同容量的靜止電容器補償支路和TSC動態(tài)補償支路，見圖1。

圖1中M1、M2為回轉電機，M3、M6為行走電機，M4、M5為提升電機，M7為推壓電機。

圖1 P&H2300XP型電鏟無功補償原理圖

TSC是一種利用晶閘管作為無觸點開關的無功補償裝置。2300XP型電鏟采用晶閘管反并聯(lián)二極管三角形連接方案，它可以有效抑制3倍次諧波、避免中線電流，同時還可以減少晶閘管使用數(shù)量和控制系統(tǒng)工作量[2]。

原先TSC無功補償裝置，是通過測量母線電壓正向過零時刻的負載電流，來得到無功電流的最大值，然后再乘電源額定電壓得到系統(tǒng)的無功功率。無功功率測量板計算出無功功率后將其轉換成一個范圍在0～0.1 V電壓信號，并傳給控制器，控制器通過電壓信號大小來確定需要投入數(shù)量。控制器原理框圖如圖2所示，圖中u為600 V母線，i1、i2分別為600 V母線1、2的相電流。

圖2 原有TSC無功補償裝置原理框圖

在晶閘管電容器投切策略上，2300XP型電鏟采用通過同步變壓器檢測600 V低壓母線線電壓相位，在檢測到某一線電壓峰值的時刻向相應晶閘管發(fā)出脈沖觸發(fā)信號，其它各相依次延遲120?發(fā)出脈沖觸發(fā)信號。

通過分析，可看出2300XP型電鏟無功補償控制系統(tǒng)投切依據(jù)和投切策略原理簡單、可實現(xiàn)性強。但在實際運行中，容易存在以下問題：①實際系統(tǒng)中600 V母線連接著晶閘管6脈波整流器，那么母線電流中將含有6k±1次等諧波電流，進而造成母線電壓的畸變，因此實際的母線電壓與系統(tǒng)額定電壓并不一致，這樣計算出的系統(tǒng)無功功率可能出現(xiàn)誤差過大的情況而造成無功過補償；②通過檢測低壓母線線電壓峰值時刻來進行投切電容器，其精確性容易受到母線電壓畸變或是同步變壓器使用損耗的影響，從而易造成投切失?。虎劭刂葡到y(tǒng)總是測量兩路母線所需的無功功率之和。當所需投切無功功率為一組或三組電容器補償容量時，就總是會出現(xiàn)一路母線過補償?shù)那闆r。④投切電容器支路總是采用先投后切的工作模式，即TSC動補支路1總是最先投，致使前面幾個支路的電容器經(jīng)常使用而過快損壞。因此針對上述問題，采用新的控制策略，改善TSC補償效果，提高其使用壽命。

2 新的TSC控制方法

針對原有TSC無功補償裝置，主要從控制策略和控制器件兩個方面進行改進。

2.1 控制策略

電容器投入時，若晶閘管觸發(fā)時電容電壓與母線電壓不相等，一旦導通，就會有一個無窮大的電流在無限短的時間內(nèi)，流入電容器并將電容器的電壓充電到與母線電壓相等。晶閘管開關不可能承受如此大的沖擊涌流，因而經(jīng)常損壞。為了減小晶閘管投切時的沖擊涌流，投切時刻最好能夠選取在電源電壓的峰值投切。

原控制策略是依靠同步變壓器來確定電源電壓峰值時間，易受母線電壓畸變或變壓器損耗而影響精度。為此，改為檢測晶閘管端電壓來確定電源電壓峰值時刻，即晶閘管端電壓為零來確定。

傳統(tǒng)電路是通過電壓互感器來檢測晶閘管端電壓，但檢測波形一般不能滿足要求，同時也易受比較器的失調(diào)電壓、交流信號中的諧波等影響，實際零點和提取的零點誤差較大[3]。故本文用精度較高的電壓傳感器檢測晶閘管電壓，并用數(shù)字化實現(xiàn)比較判斷。同時在切換點處引入一定的滯環(huán)非線性環(huán)節(jié)，避免切換點處電容器頻繁切除。

2.2 控制器設計

原控制器主要采用模擬器件，易受環(huán)境影響、延時較長、精度較差，為此設計了基于DSP+CPLD的數(shù)字控制器，來實現(xiàn)晶閘管投切電容器無功補償控制，硬件構成如圖3所示。

圖3中u1、i1、u2、i2分別為600 V母線1、2的一路線電壓和相電流，uT為TSC晶閘管端電壓。采集兩路母線的電壓、電流，這樣可比較出哪條母線無功多、功率因數(shù)低，為投切時作依據(jù)。在投入電容器前，若兩條母線無功差距不大或投入支路數(shù)為奇數(shù)，則直接投入下一支路。若兩條母線無功差距達到一定條件，且已經(jīng)投入的支路數(shù)為偶數(shù)，則將無功多的那條母線上的電容器支路投入，減小兩母線的差距。同樣，在切除電容器前，也進行比較判斷，平衡兩母線上的無功。

圖3 控制器硬件框圖

控制器主要包括DSP模塊、CPLD模塊、信號調(diào)理電路以及脈沖驅(qū)動電路。DSP完成無功檢測控制算法的計算、各種數(shù)據(jù)的采集和處理、系統(tǒng)保護及通訊等功能，芯片采用TMS320系列。CPLD采用EPM7128AETI100-7，完成電源電壓峰值時刻判斷和觸發(fā)脈沖生成，并實現(xiàn)電容器先投先切、循環(huán)投切功能。信號調(diào)理負責對電壓電流信號進行隔離、濾波和電平轉換，送到DSP進行處理。脈沖驅(qū)動實現(xiàn)脈沖信號的隔離、放大，去驅(qū)動脈沖變壓器，使晶閘管導通。同時，DSP通過RS232與上位機通訊，實現(xiàn)參數(shù)、投切級數(shù)等顯示。

為了保證控制單元不受主回路強電的干擾和操作人員的絕對安全，實現(xiàn)主回路強電和控制回路弱電的完全隔離，控制模塊與晶閘管之間通過脈沖變壓器進行隔離放大。

3 仿真和實際運行效果

為了驗證新的投切控制策略原理，選擇MATLAB 7.0仿真軟件對TSC投切過程進行了投切原理仿真。

主電路結構、電感、電容參數(shù)與2300XP型電鏟一致，每支路每相的電感值為0.2775 mH，電容值為1800 μH，系統(tǒng)母線線電壓為600 V。

圖4為TSC投切過程中電容器電壓仿真波形，前面直線表示電容器通過二極管一直處于充電狀態(tài)，TSC投切后變?yōu)檎也?。此波形說明觸發(fā)脈沖正確，晶閘管能正常導通使電容器投入運行。

從圖4還可看出，電容器充電電壓高于電源電壓峰值幾十伏，這是由于電抗器的存在放大了電容器穩(wěn)態(tài)電壓。

圖4 電容器電壓波形

為了進一步驗證新型TSC無功補償裝置使用效果，在江西德興銅礦的2300XP型電鏟上按上述方法對TSC無功補償裝置進行了改進。整個補償裝置運行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)功率因數(shù)也得到了提高，輕載時不僅母線電壓能保持穩(wěn)定而且系統(tǒng)功率因數(shù)保持在0.90以上。而且4個TSC動補支路先投先切、循環(huán)投切，延長了使用壽命。

4 結論

采用檢測晶閘管電壓控制策略和數(shù)字控制器實現(xiàn)了TSC無功補償裝置的控制，能達到電壓、電流無沖擊投切，運行穩(wěn)定可靠。在2300XP型電鏟上的實際應用表明，采用該控制策略的TSC裝置對于減小晶閘管整流裝置或者其他大型電動機等對稱性負載所產(chǎn)生的無功沖擊是有效的，是一種魯棒性強、投資較少、使用效益顯著的新方法。

[1]劉昆,高放等.露天礦WK-4型電鏟電氣傳動系統(tǒng)改造[J],礦業(yè)工程,2006,4（1）:42-44.

[2]王兆安,楊君等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[3]陳發(fā)綱,程漢湘等.低壓晶閘管投切電容器（TSC）裝置的應用與優(yōu)化[J],電子元器件應用,2010,12（3）:26-29.