晶閘管投切電容器在挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

張浩，高躍

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晶閘管投切電容器在挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

張浩，高躍

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文基于美國2300XP挖掘機(jī)無功補(bǔ)償系統(tǒng)改造工程。首先介紹分析了該挖掘機(jī)原有無功補(bǔ)償系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在問題，然后在原有晶閘管投切電容器(TSC)補(bǔ)償方案的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了投切策略提高了無功補(bǔ)償系統(tǒng)的魯棒性，并進(jìn)行了原理仿真驗(yàn)證。改造后的挖掘車正常高效運(yùn)行。

無功補(bǔ)償 晶閘管投切電容器 投切策略 閉環(huán)控制

0 前言

江西德興銅礦是我國重要的銅礦基地，也是全國最大的冶金露天開采礦山之一，年采礦量達(dá)數(shù)百萬噸。為了提高采礦效率，90年代初該礦花費(fèi)巨資先后從美國P&H公司引進(jìn)了數(shù)十臺(tái)2300XP大型挖掘機(jī)。該挖掘車整個(gè)控制系統(tǒng)采用當(dāng)時(shí)先進(jìn)的模擬器件集成，利用可控硅整流調(diào)速裝置控制提升、推壓、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的7臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)運(yùn)行，因此調(diào)速性能好，工作效率高。又由于提升、推壓機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特性，可控硅整流調(diào)速裝置經(jīng)常處于功率因素0.4～0.7左右的運(yùn)行。為了提高功率因素，該挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)中特別設(shè)計(jì)了無功補(bǔ)償分系統(tǒng)。

然而經(jīng)過十幾年的滿負(fù)荷運(yùn)行，該挖掘車的無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)模擬器件老化致使經(jīng)常出現(xiàn)電容器投切失敗、電抗器和主變壓器燒毀等諸多故障。為了保障挖掘車的正常高效運(yùn)行，該礦特邀中船重工第712所對(duì)其無功補(bǔ)償分系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)。

1 原有晶閘管投切電容器分析

2300XP挖掘機(jī)的電氣系統(tǒng)由外部一條6kV交流三相電纜提供電能(如下圖1所示)。該電纜與挖掘機(jī)后部一臺(tái)容量為2MVA的三繞組變壓器(△/Y/Y)連接，然后降壓成兩條600V的低壓母線1與母線2。然后兩條母線上分別連接著相同容量的靜止電容器補(bǔ)償支路和TSC動(dòng)態(tài)補(bǔ)償支路，線路末端通過晶閘管整流器向直流電動(dòng)機(jī)供電調(diào)速運(yùn)行。

1.1 2300XP挖掘機(jī)TSC主電路特點(diǎn)

TSC無功補(bǔ)償裝置常用的主電路方案有多種。2300XP挖掘機(jī)采用的是下圖2所示的晶閘管反并聯(lián)二極管三角形連接方案。該方案特點(diǎn)是每次切除電容器后，電容通過二極管從電網(wǎng)充電使電容兩端電壓總是保持電源線電壓峰值。這樣，相比雙晶閘管并聯(lián)方案不僅可以減少晶閘管的使用數(shù)量，還相應(yīng)減少了控制系統(tǒng)的工作量。當(dāng)晶閘管重新投入時(shí)，只要觸發(fā)脈沖序列在電源線電壓峰值開始觸發(fā)就可以保證合閘沖擊電流較小。其缺點(diǎn)是第一次送電時(shí)仍會(huì)發(fā)生電流沖擊和未投切時(shí)晶閘管承受的最大反向電壓為電源電壓峰值的2倍。綜合考慮到挖掘車平時(shí)強(qiáng)震動(dòng)、大粉塵的惡劣工作環(huán)境，減少控制的復(fù)雜性可以提高系統(tǒng)的可靠性和為被改造單位節(jié)約成本等原因，我們決定仍然沿用晶閘管反并聯(lián)二極管的主電路接線方案[1]。

1.2 2300XP挖掘機(jī)TSC控制系統(tǒng)

通常無功補(bǔ)償系統(tǒng)可以選擇系統(tǒng)的功率因數(shù)或是無功功率來作為系統(tǒng)控制對(duì)象，而2300XP挖掘機(jī)無功補(bǔ)償系統(tǒng)系統(tǒng)是以無功功率為控制目標(biāo)，通過檢測電源電壓過零點(diǎn)時(shí)刻的負(fù)荷電流值來計(jì)算無功功率。

假定電源電壓為：

那么負(fù)荷電流為：

可見，只要測量電壓正向過零時(shí)刻的負(fù)載電流，就可以得到無功電流的最大值，然后再乘以電源的額定電壓就可以得到系統(tǒng)的無功功率。無功功率控制器計(jì)算得到系統(tǒng)的無功功率后發(fā)出一個(gè)電壓信號(hào)，通過電壓信號(hào)的大小來確定需要投入TSC支路的數(shù)量。

在晶閘管投切策略上，2300XP系統(tǒng)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(shí)刻向相應(yīng)晶閘管發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)，其它各相依次延遲120度相繼發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)。此種方法中，低壓母線線電壓峰值時(shí)刻的檢測精度和支路電抗兩個(gè)因素直截關(guān)系到電容器投切的成功與否。

綜合分析，2300XP無功補(bǔ)償系統(tǒng)的投切依據(jù)和投切策略原理簡單、可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。但也還有改進(jìn)的地方：1)實(shí)際系統(tǒng)中母線連接著晶閘管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(jìn)而造成母線電壓的畸變，因此實(shí)際的母線電壓與系統(tǒng)額定電壓并不一致，這樣計(jì)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(bǔ)償；2)通過檢測低壓母線線電壓峰值時(shí)刻的精確性也容易受到母線電壓畸變或是同步變壓器使用損耗的影響。因此本次改造采用檢測晶閘管兩端閥電壓的控制策略，當(dāng)閥壓小于闕值時(shí)觸發(fā)晶閘管的新方案。

2 新的TSC投切控制改造方案

本次無功補(bǔ)償分系統(tǒng)改造為了節(jié)約工期和為用戶減小改造成本，在保留原有主電路的基礎(chǔ)上改造主要從控制策略和控制器件兩個(gè)方面進(jìn)行。首先將原有控制策略中依靠同步變壓器來確定投切時(shí)間的開環(huán)策略改為檢測晶閘管兩端電壓的閉環(huán)控制策略。（如下圖3、圖4所示）同時(shí)，將系統(tǒng)中的模擬元件全部改成精度好、受環(huán)境影響小、延時(shí)少的數(shù)字系統(tǒng)。

為了減小晶閘管投切時(shí)的沖擊電流，投切時(shí)刻最好能夠選取在電源電壓的峰值投切。如下以單相的TSC補(bǔ)償支路為例來推導(dǎo)通過檢測閥壓來確定電源電壓的峰值時(shí)刻[2]：

解方程得[3]：

當(dāng)電源電壓處于峰值時(shí)，閥壓此時(shí)為：

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新的投切控制策略原理正確、魯棒性強(qiáng)，我們選擇了 MATLAB 7.0仿真軟件對(duì)晶閘管投切過程進(jìn)行了投切原理仿真。主要驗(yàn)證系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，閉環(huán)控制策略比原有投切方法要更能可靠運(yùn)行。

我們?cè)O(shè)置仿真步長設(shè)為1e-4，仿真時(shí)間0.08 s，系統(tǒng)母線線電壓600 V，當(dāng)母線阻抗與支路電抗瞬間發(fā)生變化，以及電網(wǎng)電壓畸變時(shí)，可能出現(xiàn)以下情況：當(dāng)檢測到母線電壓處于峰值時(shí)，此時(shí)電容端電壓仍然低于母線電壓。若采用開環(huán)同步控制策略，此時(shí)控制器應(yīng)向晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖信號(hào)，由下圖6可知，結(jié)果是晶閘管不能導(dǎo)通，電容器投切失?。辉谕瑯忧闆r下，采用閉環(huán)控制策略的控制器通過檢測晶閘管兩端閥壓的大小，在晶閘管閥壓在設(shè)定區(qū)間內(nèi)時(shí)發(fā)出脈沖信號(hào)。如下圖7所示，可以很精確的投入電容器。

在實(shí)際應(yīng)用中調(diào)諧系數(shù)n一般取為4.0～5.0之間，這樣不僅可以很好的抑制投切時(shí)的支路涌流還可以保證電容器實(shí)際充電電壓稍許高于電網(wǎng)母線的線電壓。在2300XP改造中對(duì)于600 V的兩條低壓母線我們?nèi)≌{(diào)諧系數(shù)n＝4.5，則閥壓闕值的最大值取44 V。當(dāng)閥壓一旦小于44 V，CPLD控制板將通過脈沖變壓器給晶閘管觸發(fā)脈沖信號(hào)。

4 結(jié)論

采用閉環(huán)控制策略和CPLD為核心的控制板完成晶閘管投切電容器組的控制功能，其投切準(zhǔn)確、快速，實(shí)現(xiàn)了電壓、電流的無沖擊投切，整個(gè)無功功率補(bǔ)償裝置在2300XP挖掘車穩(wěn)定可靠運(yùn)行，系統(tǒng)功率因數(shù)從補(bǔ)償前的0.4～0.7提高到0.92以上，輕載時(shí)的不僅母線電壓能保持穩(wěn)定而且系統(tǒng)功率因素也保持在0.90以上。實(shí)際應(yīng)用說明采用該控制策略的TSC對(duì)于晶閘管整流裝置或者其他大型電動(dòng)機(jī)等對(duì)稱性負(fù)載所產(chǎn)生的無功沖擊是有效的，并且魯棒性強(qiáng)，是一種技術(shù)含量高、投資相對(duì)較少、使用效益顯著的新方法。

[1] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍等. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[2] R.MohanMathur,Rajiv .Varma. THURISTOR BASED FACTS CONTROLLERS FORELECTRICAL TARANSMISSION SYSTEMS[M]．CANADA: John Wiley&Sons, Inc．2003．

[3] 谷永剛，肖國春，裴云慶，王兆安等. 晶閘管投切電容器(TSC)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 電力電子技術(shù), 2003, (2): 85-88.

[4] 黃紹平，彭曉，浣喜明. TSC無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì).高壓電器[J]. 2003, (12):33-35.

Applications of Thyristor Switch Capacitor to the Electrical System for a Excavator

Zhang Hao, Gao Yue

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China)

TM571

A

1003-4862（2014）09-0028-04

2014-08-25

張浩（1981-），男，工程師，碩士研究生。研究方向：艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)。