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(guó)2300XP挖掘機(jī)無(wú)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(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在問(wèn)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(wú)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(chē)正常高效運(yùn)行。

無(wú)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(guó)重要的銅礦基地，也是全國(guó)最大的冶金露天開(kāi)采礦山之一，年采礦量達(dá)數(shù)百萬(wàn)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(guó)P&H公司引進(jìn)了數(shù)十臺(tái)2300XP大型挖掘機(jī)。該挖掘車(chē)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(wú)功補(bǔ)償分系統(tǒng)。

然而經(jīng)過(guò)十幾年的滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，該挖掘車(chē)的無(wú)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(chē)的正常高效運(yùn)行，該礦特邀中船重工第712所對(duì)其無(wú)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(xiàn)1與母線(xiàn)2。然后兩條母線(xiàn)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(xiàn)路末端通過(guò)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(wú)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(guò)二極管從電網(wǎng)充電使電容兩端電壓總是保持電源線(xiàn)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(xiàn)電壓峰值開(kāi)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(chē)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(xiàn)方案[1]。

1.2 2300XP挖掘機(jī)TSC控制系統(tǒng)

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

假定電源電壓為：

那么負(fù)荷電流為：

可見(jiàn)，只要測(cè)量電壓正向過(guò)零時(shí)刻的負(fù)載電流，就可以得到無(wú)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(wú)功功率。無(wú)功功率控制器計(jì)算得到系統(tǒng)的無(wú)功功率后發(fā)出一個(gè)電壓信號(hào)，通過(guò)電壓信號(hào)的大小來(lái)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(guò)同步變壓器檢測(cè)600 V低壓母線(xiàn)線(xiàn)電壓相位，在檢測(cè)到某一線(xiàn)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(xiàn)線(xiàn)電壓峰值時(shí)刻的檢測(cè)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(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的投切依據(jù)和投切策略原理簡(jiǎn)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(xiàn)連接著晶閘管6脈波整流器，那么母線(xiàn)電流中將含有6k±1次等諧波電流，進(jìn)而造成母線(xiàn)電壓的畸變，因此實(shí)際的母線(xiàn)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(wú)功功率可能出現(xiàn)誤差過(guò)大的情況而造成無(wú)功過(guò)補(bǔ)償；2)通過(guò)檢測(cè)低壓母線(xiàn)線(xiàn)電壓峰值時(shí)刻的精確性也容易受到母線(xiàn)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(cè)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(wú)功補(bǔ)償分系統(tǒng)改造為了節(jié)約工期和為用戶(hù)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(lái)確定投切時(shí)間的開(kāi)環(huán)策略改為檢測(cè)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(lái)推導(dǎo)通過(guò)檢測(cè)閥壓來(lái)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(guò)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(zhǎng)設(shè)為1e-4，仿真時(shí)間0.08 s，系統(tǒng)母線(xiàn)線(xiàn)電壓600 V，當(dāng)母線(xiàn)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(cè)到母線(xiàn)電壓處于峰值時(shí)，此時(shí)電容端電壓仍然低于母線(xiàn)電壓。若采用開(kāi)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，電容器投切失敗；在同樣情況下，采用閉環(huán)控制策略的控制器通過(guò)檢測(cè)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(xiàn)的線(xiàn)電壓。在2300XP改造中對(duì)于600 V的兩條低壓母線(xiàn)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(guò)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(wú)沖擊投切，整個(gè)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在2300XP挖掘車(chē)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(xiàn)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(shuō)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(chēng)性負(fù)載所產(chǎn)生的無(wú)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(wú)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(guó)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(wú)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)。