TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置在中頻電爐中的應(yīng)用

陳　群 ， 鄒　黎， 陳　超，趙雙東， 亓建英

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；

2.山東理工大學(xué) 理學(xué)院， 山東 淄博 255049)

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TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置在中頻電爐中的應(yīng)用

陳群1， 鄒黎1， 陳超2，趙雙東1， 亓建英1

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；

2.山東理工大學(xué) 理學(xué)院， 山東 淄博 255049)

摘要：針對(duì)中頻電爐諧波含量高、功率因數(shù)低的問(wèn)題，提出以DSP為核心控制的TSC濾波補(bǔ)償裝置.介紹了該裝置的配置方案和基本組成，設(shè)計(jì)了電壓過(guò)零檢測(cè)電路、晶閘管觸發(fā)電路和系統(tǒng)框圖等.通過(guò)基于MATLAB的仿真，驗(yàn)證了裝置良好的濾波補(bǔ)償效果.

關(guān)鍵詞：TSC；無(wú)功補(bǔ)償；諧波抑制；中頻電爐

隨著半導(dǎo)體電力電子技術(shù)的發(fā)展和大量整流負(fù)載的出現(xiàn)，各種交流變頻裝置廣泛應(yīng)用于中頻電爐中[1]，因而會(huì)造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，諧波污染嚴(yán)重，浪費(fèi)大量電能，增加了不必要的開(kāi)支，因此需要增加濾波補(bǔ)償設(shè)備，以滿足負(fù)荷對(duì)無(wú)功的需求.針對(duì)上述問(wèn)題，引入晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor,TSC)無(wú)功補(bǔ)償裝置，經(jīng)過(guò)無(wú)功補(bǔ)償后，電網(wǎng)功率因數(shù)得到提高[2]，電壓穩(wěn)定性增強(qiáng)，諧波含量明顯降低，中頻電爐的利用率得到較大提升.

1　TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置方案

在中頻電爐中，TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置采用LC無(wú)源諧波吸收和無(wú)功補(bǔ)償相結(jié)合的配置方案，同時(shí)具備濾除電網(wǎng)諧波與無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾p重作用[3].LC無(wú)源濾波器是由電容器C、電抗器L和電阻R組合而成的.LC濾波器和諧波源并聯(lián)，利用諧振原理，對(duì)特定次數(shù)的諧波呈現(xiàn)低阻抗，使該次諧波與濾波電路發(fā)生諧振[4]，將諧波電流濾除掉，抑制諧波.無(wú)功補(bǔ)償裝置采用晶閘管作為電容器的投切開(kāi)關(guān),能夠連續(xù)投切，每次投切均能保證電容補(bǔ)償立即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)控制狀態(tài).

2　TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置及基本原理

2.1LC無(wú)源濾波器組

對(duì)于整流中頻電爐負(fù)載，通常在整流變壓器的低壓側(cè)安裝5、7、11和13次濾波器支路[5].5、7和 11次濾波器組采用單調(diào)諧濾波結(jié)構(gòu)，分別用于濾除5、7、11次諧波電流；13次濾波器采用二階高通濾波器結(jié)構(gòu)，用于濾除13次及以上的諧波電流.

2.2晶閘管投切電容器

晶閘管投切電容器的基本結(jié)構(gòu)和工作波形如圖1所示，圖1(a)是單相結(jié)構(gòu)接線圖，其中兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管的作用是晶閘管導(dǎo)通時(shí)將電容器組接入電網(wǎng)，晶閘管斷開(kāi)時(shí)把電容器組從電網(wǎng)中斷開(kāi)[6].電路中串聯(lián)的電抗器是用來(lái)抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能引起的沖擊電流[7]，此外還可以抑制高次諧波.圖1(b)是晶閘管投切電容器投入或者切除的情況下，電網(wǎng)電壓、電流波形和電容器上的電壓以及晶閘管兩端電壓波形.TSC與LC無(wú)源濾波器組如圖2所示.

a) 單相結(jié)構(gòu)圖　　　　　　　　b) 工作波形圖圖1　TSC基本結(jié)構(gòu)和工作波形圖

圖2　TSC與LC無(wú)源濾波器組

2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置分為四部分，分別是數(shù)據(jù)檢測(cè)部分、控制器部分、執(zhí)行部分以及補(bǔ)償器部分.其基本原理是檢測(cè)部分對(duì)電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)處理變成控制器部分可以接收的信號(hào).控制部分接收到信號(hào)后，經(jīng)過(guò)處理并且與設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)對(duì)比，由DSP確定是否發(fā)出命令.執(zhí)行部分接收到DSP發(fā)出的指令后，通過(guò)晶閘管和接觸器控制補(bǔ)償電容器的投切[8].該系統(tǒng)硬件電路包括電壓過(guò)零檢測(cè)電路和晶閘管觸發(fā)電路.系統(tǒng)框圖如圖3所示.

圖3　系統(tǒng)框圖

2.3.1電壓過(guò)零檢測(cè)電路

在晶閘管兩端電壓為零時(shí)，觸發(fā)晶閘管可以做到零電流投切，而且投切效果達(dá)到最好[9].一般首先要對(duì)晶閘管兩端電壓采樣，然后確定晶閘管電壓的方向，也就是要判斷電容器電壓的極性，為電容器充電做準(zhǔn)備，最后檢測(cè)出過(guò)零點(diǎn)[10].由于只是檢測(cè)電壓為零時(shí)刻，當(dāng)電壓大于或者小于某個(gè)值時(shí)把晶閘管電壓進(jìn)行鉗位.當(dāng)信號(hào)R.SIG在-2.3~+2.3V范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)應(yīng)晶閘管兩端電壓在42V左右，電路會(huì)給FPGA一個(gè)過(guò)零信號(hào)，此時(shí)就會(huì)發(fā)出投切指令來(lái)導(dǎo)通晶閘管，而此時(shí)線路產(chǎn)生的沖擊電流很小[11].過(guò)零檢測(cè)電路如圖4所示.

圖4　過(guò)零檢測(cè)電路

2.3.2晶閘管觸發(fā)電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)用在低壓場(chǎng)合，采用電磁觸發(fā)，傳統(tǒng)的脈沖變壓器由于體積較大，運(yùn)行效率不高，功耗較大，本系統(tǒng)選用平面變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脈沖變壓器.

對(duì)晶閘管施加的電流大于其擎住電流時(shí)，晶閘管就能可靠觸發(fā).本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于平面變壓器的驅(qū)動(dòng)電路有恒流輸出能力，同時(shí)輸出的電流有較小的紋波.輸入端采用兩個(gè)MOSFET構(gòu)成推免電路，利用閉環(huán)控制，經(jīng)過(guò)電阻反饋，調(diào)節(jié)MOSFET導(dǎo)通，使得輸出脈沖占空比為0.5.輸出端是由兩個(gè)MOSFET同步整流構(gòu)成，然后由電感濾波輸出恒定電流，可靠觸發(fā)晶閘管.當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到過(guò)補(bǔ)時(shí)，DSP向FPGA發(fā)出切除指令，此時(shí)關(guān)閉脈沖輸出，晶閘管在電流過(guò)零處自己關(guān)斷.為了下次快速運(yùn)行，通過(guò)FPGA控制給電容器充電，使電容器維持電網(wǎng)峰值電壓[12].晶閘管觸發(fā)電路如圖5所示.

圖5　晶閘管觸發(fā)電路

2.3.3投切判據(jù)與信號(hào)檢測(cè)

TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置通過(guò)檢測(cè)負(fù)荷端無(wú)功電流幅值作為電力電容器的投切判據(jù).其原理如下述,設(shè)節(jié)點(diǎn)電壓為

(1)

負(fù)何電流為

(2)

即

ip(t)+iq(t)

(3)

其中，ip(t)和iq(t)分別為有功電流分量和無(wú)功電流分量.

3　MATLAB建模仿真

3.1仿真設(shè)置

為驗(yàn)證裝置濾波補(bǔ)償功能的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下如圖6、圖7所示建立仿真模型.仿真參數(shù)設(shè)置為三相可編程電壓源產(chǎn)生10kV電壓，負(fù)載有功功率為1 200kW，無(wú)功功率為1 200kVar,功率因數(shù)為0.707.在三相變壓器二次側(cè)接入三組TSC,每組的容量分別為400kVar、400kVar和300kVar.

圖6　TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置仿真模型

圖7　TSC與LC無(wú)源濾波器組仿真結(jié)構(gòu)圖

3.2仿真結(jié)果

TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置未運(yùn)行時(shí)，中頻電爐交流側(cè)電流波形如圖8所示，諧波含量與畸變率如圖9所示.從圖中可以看出，電網(wǎng)諧波含量嚴(yán)重，諧波畸變率較高.

圖8　裝置未運(yùn)行時(shí)中頻電爐進(jìn)線側(cè)電流波形

圖9　裝置未運(yùn)行時(shí)中頻電爐諧波含量與畸變率

TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行后，中頻電爐交流側(cè)電流波形如圖10所示，諧波含量與畸變率如圖11所示.通過(guò)對(duì)比可以看出，由于TSC的濾波補(bǔ)償作用，電網(wǎng)諧波含量明顯減少，諧波畸變率明顯降低.

圖10　裝置運(yùn)行后中頻電爐進(jìn)線側(cè)電流波形

圖11　裝置運(yùn)行后中頻電爐諧波含量與畸變率

TSC裝置運(yùn)行前后總線無(wú)功功率和功率因數(shù)如圖12、圖13所示.通過(guò)對(duì)比可以看出，總線無(wú)功功率由1 200kVar下降到120kVar，而功率因數(shù)由0.7上升到1.由此可以看出，仿真結(jié)果驗(yàn)證了裝置具有良好的無(wú)功補(bǔ)償效果，有效地改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量.

圖12　總線無(wú)功功率

圖13　負(fù)載功率因數(shù)

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置方案和基本構(gòu)成，通過(guò)搭建基于MATLAB的仿真模型，驗(yàn)證了TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置良好的濾波補(bǔ)償效果，有效地改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量,提高了系統(tǒng)的功率因數(shù),降低了諧波含量和畸變率.隨著電網(wǎng)對(duì)安全性和電能質(zhì)量要求的提高，TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置將擁有廣闊的發(fā)展空間.

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(編輯：劉寶江)

Application of TSC reactive power compensation device

in intermediate frequency furnace

CHEN Qun1, ZOU Li1, CHEN Chao2, ZHAO Shuang-dong1, QI Jian-ying1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China；

2.School of Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:For high frequency electric harmonic content, low power factor problem,the TSC filter compensation device based on DSP is presented. In this paper,we describe the configuration of the device and the basic composition and design a zero-voltage detection circuit, thyristor trigger circuit and block diagram of the system and so on. Based on the simulation by MATLAB, the results verify the perfect effect of the filter compensation device.

Key words:TSC; reactive power compensation; harmonic suppression;intermediate frequency furnace

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 714.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-6197(2015)04-0075-04

通信作者：

作者簡(jiǎn)介：陳群，男，chenqunxinxiang@163.com； 鄒黎，男， zouli1958@163.com.

收稿日期：2014-09-19