專利名稱：一種晶閘管循環(huán)投切電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種晶閘管循環(huán)投切電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置。
背景技術(shù)：
大型電傳動(dòng)礦用挖掘機(jī)是大型礦山采礦場(chǎng)的核心采礦設(shè)備，其鏟斗容積達(dá)十幾到 幾十立方，動(dòng)力來(lái)源為電力，通過(guò)鏟上電氣傳動(dòng)系統(tǒng)完成電鏟的行走、提升、回轉(zhuǎn)和推壓作 業(yè)，整個(gè)電鏟供電容量達(dá)到幾個(gè)兆伏安，單臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)最大直流工作電流達(dá)幾千安，由于提 升、推壓等機(jī)構(gòu)特殊的負(fù)載特性和傳動(dòng)系統(tǒng)采用晶閘管相控整流系統(tǒng)運(yùn)行，功率因數(shù)經(jīng)常 處于0. 4 0. 7左右，低功率因數(shù)導(dǎo)致的設(shè)備容量增加、設(shè)備及線路損耗增加，線路壓降增 大，電壓波動(dòng)劇烈，電網(wǎng)供電質(zhì)量下降等危害非常嚴(yán)重，系統(tǒng)需要無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。由于 挖掘機(jī)工作時(shí)，無(wú)功功率是變化的，因此必須采用分級(jí)補(bǔ)償，考慮成本等因素，常采用晶閘 管投切電容器(TSC)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的由于低功率因數(shù)導(dǎo)致的設(shè)備容量增加、設(shè)備 及線路損耗增加，線路壓降增大，電壓波動(dòng)劇烈，電網(wǎng)供電質(zhì)量下降等的技術(shù)問(wèn)題；提供了 一種減小晶間管整流裝置或其他大型電機(jī)等負(fù)載所產(chǎn)生的無(wú)功沖擊效果顯著，提高了系統(tǒng) 可靠性、降低了維護(hù)費(fèi)用的一種晶閘管循環(huán)投切電容器(TSC)無(wú)功補(bǔ)償裝置。本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的
一種晶閘管循環(huán)投切電容器(TSC)無(wú)功補(bǔ)償裝置，其特征在于，基于DSP+CPLD的數(shù)字 控制器實(shí)現(xiàn)循環(huán)投切電容器，通過(guò)電壓傳感器檢測(cè)到的晶閘管正向閥Sut來(lái)選取投切時(shí) 刻，包括依次相連的無(wú)功補(bǔ)償控制器以及與所述無(wú)功補(bǔ)償控制器相連的電壓電流傳感器。礦用挖掘機(jī)上有個(gè)無(wú)功補(bǔ)償裝置，叫做晶閘管投切電容器，英文簡(jiǎn)寫(xiě)為TSC，主電 路如圖2。使用時(shí)有多組，根據(jù)系統(tǒng)無(wú)功需要進(jìn)行投切，需要少，則只投一兩組，多則三四組， 圖1有四組。以前投切時(shí)，都是從第一組開(kāi)始1，12，123，1234，即第一組使用率太高，第四組太 低。因此我們進(jìn)行了改造，稱為循環(huán)投切，如12-234-4-41-123。這就是本發(fā)明創(chuàng)造性的改 進(jìn)，該點(diǎn)就是通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償控制器內(nèi)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一創(chuàng)造性的改進(jìn)，即為投切時(shí)刻的選取。以前是通過(guò)同步裝置來(lái)選取，我們是利 用電壓傳感器檢測(cè)到的晶閘管正向閥壓uT來(lái)判斷電源電壓的峰值時(shí)刻，在電源電壓的峰值 時(shí)刻投入電容器，并在切換點(diǎn)處引入一定的滯環(huán)非線性環(huán)節(jié)，避免切換點(diǎn)處電容器組頻繁 來(lái)回切除。這點(diǎn)通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償控制器內(nèi)硬件和程序?qū)崿F(xiàn)，硬件在圖1中反映了，即將晶閘管 正向閥壓信號(hào)uT引入到CPLD中進(jìn)行時(shí)刻的選取。在上述的晶閘管循環(huán)投切電容器(TSC)無(wú)功補(bǔ)償裝置，所述的無(wú)功補(bǔ)償控制器包 括依次連接的信號(hào)調(diào)理電路、DSP模塊、CPLD模塊、I/O接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路以及脈沖驅(qū) 動(dòng)電路；其中，DSP模塊采用TMS320系列，主要完成無(wú)功檢測(cè)控制算法的計(jì)算、各種數(shù)據(jù)的采集和處 理、系統(tǒng)保護(hù)及通訊；
CPLD模塊采用EPM7U8AETI100，實(shí)現(xiàn)電容投切算法和觸發(fā)脈沖生成，同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 從IO板輸入DSP板的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)狀態(tài)，并以中斷的形式通知DSP進(jìn)行處理； 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路采用14位同步采樣ADC芯片MAX1320ECM。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且完全實(shí)用；2.對(duì)于減小晶閘 管整流裝置或其他大型電機(jī)等負(fù)載所產(chǎn)生的無(wú)功沖擊效果顯著，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；3.控制精確，抗干擾性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，成本較低，可靠性高， 維護(hù)費(fèi)用低。


圖1為方案原理圖2為一組晶閘管投切電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置主電路拓?fù)洌?圖3為晶閘管投切電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)程序流程圖； 圖4為TSC數(shù)字控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。實(shí)施例
一種晶閘管循環(huán)投切電容器(TSC)無(wú)功補(bǔ)償裝置，其特征在于，包括依次相連的無(wú)功 補(bǔ)償控制器以及與所述無(wú)功補(bǔ)償控制器相連的電壓電流傳感器。本發(fā)明采用晶閘管和二極管反并聯(lián)作為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，電抗器抑制涌流，快速平穩(wěn) 地投入或切除補(bǔ)償電容器，如圖2，利用電壓傳感器檢測(cè)到晶閘管正向閥壓判斷電源電壓的 峰值時(shí)刻，如圖1，采用基于DSP+CPLD的數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)晶閘管投切電容器無(wú)功補(bǔ)償控制 算法和循環(huán)投切方式，DSP檢測(cè)和計(jì)算系統(tǒng)需要的無(wú)功量，CPLD實(shí)現(xiàn)投切算法和觸發(fā)脈沖 生成，在2300XP電鏟中的實(shí)施方案原理如圖1所示。圖中有四組晶閘管投切電容器無(wú)功補(bǔ) 償裝置，分別安裝在主變壓器的兩個(gè)副邊上。電源電壓u和電源電流ial、ia2經(jīng)傳感器后送 入調(diào)理電路，其中調(diào)理電路中有疊加電路對(duì)ial、ia2進(jìn)行疊加后變成一個(gè)信號(hào)i送給數(shù)字信 號(hào)處理器DSP。DSP根據(jù)電壓電流計(jì)算出系統(tǒng)所需的無(wú)功補(bǔ)償量，再判斷當(dāng)前是投切或切除 晶閘管投切電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置，并將判斷結(jié)果給CPLD。CPLD根據(jù)判斷結(jié)果在合適的時(shí)刻 給出脈沖指令，導(dǎo)通或關(guān)斷相應(yīng)晶閘管，從而達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)處理器DSP根據(jù)系統(tǒng)電壓、電流計(jì)算系統(tǒng)需要的無(wú) 功量，為實(shí)時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)模塊，CPLD實(shí)現(xiàn)上述投切算法和觸發(fā)脈沖生成，為投切控制組 件，控制脈沖經(jīng)脈沖變壓器隔離放大后驅(qū)動(dòng)晶間管，具有控制精確、響應(yīng)快、抗干擾性強(qiáng)維 護(hù)方便等數(shù)字控制的諸多優(yōu)點(diǎn)。如圖2為主電路拓?fù)?一組)，整個(gè)裝置電容分為多組，晶閘管投切電容器(TSC)采 用Δ接法，無(wú)觸點(diǎn)投切開(kāi)關(guān)由晶閘管和二極管反并聯(lián)構(gòu)成，利用串聯(lián)電感抑制投入電網(wǎng)時(shí) 可能引起的電流沖擊。整個(gè)晶閘管投切電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置主電路拓?fù)?一組)，因三相負(fù) 荷平衡，故采用△接法，而且能降低晶閘管管閥的電流容量、有效抑制3倍次諧波、避免中線電流。為降低裝置成本、減少控制系統(tǒng)工作量，圖中無(wú)觸點(diǎn)投切開(kāi)關(guān)由晶閘管和二極管反 并聯(lián)構(gòu)成。當(dāng)晶閘管為正向電壓，且門極上有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，使晶閘管導(dǎo)通，電容器投入，去掉 觸發(fā)脈沖信號(hào)時(shí)，電流過(guò)零，使晶閘管截止，電容器從電網(wǎng)上切除，切除時(shí)的殘壓為電網(wǎng)電 壓正幅值，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保持為電源線 電壓峰值，當(dāng)晶閘管重新投入時(shí)，使觸發(fā)脈沖序列在電源線電壓峰值開(kāi)始觸發(fā)，保證合閘沖 擊電流較小。切除電容器時(shí)，從切除指令的輸出到第1個(gè)電力電子器件截止，由于二極管的 不控性，需要大于半個(gè)周波才能被切除，但切除時(shí)間不超過(guò)1個(gè)周波，即小于20ms。串聯(lián)電 感用來(lái)抑制投入電網(wǎng)時(shí)可能引起的電流沖擊。電容器投切的方式本發(fā)明采取分組循環(huán)投切，根據(jù)電網(wǎng)的無(wú)功需求投切，是斷續(xù) 可調(diào)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器，每一組電容被切除后，下一回投入自動(dòng)轉(zhuǎn)到下一組，如此循環(huán)，每 組電容使用平均，不受電網(wǎng)的無(wú)功需求的影響，克服了分級(jí)固定投切部分電容使用頻率過(guò) 高而易損壞的缺點(diǎn)。提高了系統(tǒng)可靠性和冗余性。當(dāng)電源電壓與電容電壓相等時(shí)，即在電 源電壓處于峰值時(shí)進(jìn)行電容投入，否則將產(chǎn)生沖擊電流，損壞器件或給電源帶來(lái)振蕩。選取 電源電壓的峰值，本方案利用電壓傳感器檢測(cè)到晶閘管正向閥壓Ut來(lái)判斷電源電壓的峰值 時(shí)刻而不通過(guò)同步裝置，
如圖3所示，為本發(fā)明的電容投切的方式，投切程序控制流程，電容采取分組循環(huán)投 切，根據(jù)電網(wǎng)的無(wú)功需求投切，是斷續(xù)可調(diào)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器，每一組電容被切除后，下一 回投入自動(dòng)轉(zhuǎn)到下一組，如此循環(huán)，每組電容使用平均，提高了系統(tǒng)可靠性和冗余性。如圖1為本發(fā)明的投切時(shí)刻的選取，不通過(guò)同步裝置，而是利用電壓傳感器檢測(cè) 到的晶間管正向閥壓來(lái)判斷電源電壓的峰值時(shí)刻，在電源電壓的峰值時(shí)刻投入電容器，并 在切換點(diǎn)處引入一定的滯環(huán)非線性環(huán)節(jié)，避免切換點(diǎn)處電容器組頻繁來(lái)回切除。本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)采樣電流電壓，用均方根算法實(shí)時(shí)計(jì)算無(wú)功功率，這一過(guò)程在數(shù) 字信號(hào)處理器DSP中完成，實(shí)時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率和功率因數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，在 2300XP電鏟中即對(duì)RPC系統(tǒng)和變流系統(tǒng)的總無(wú)功功率和總功率因數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，作為電 容投切的依據(jù)。投切控制組件根據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)模塊的檢測(cè)結(jié)果，產(chǎn)生相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào) 來(lái)投切相應(yīng)補(bǔ)償裝置。無(wú)功功率的檢測(cè)采取如下方法計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種晶閘管循環(huán)投切電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置，其特征在于，基于DSP+CPLD的數(shù)字控制 器實(shí)現(xiàn)循環(huán)投切電容器，通過(guò)電壓傳感器檢測(cè)到的晶閘管正向閥壓Ut來(lái)選取投切時(shí)刻，該 裝置包括無(wú)功控制器及所述無(wú)功控制器相連的電壓電流傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶閘管循環(huán)投切電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述的 無(wú)功補(bǔ)償控制器包括依次連接的信號(hào)調(diào)理電路、DSP模塊、CPLD模塊、I/O接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn) 換電路以及脈沖驅(qū)動(dòng)電路；其中，DSP模塊采用TMS320系列，主要完成無(wú)功檢測(cè)控制算法的計(jì)算、各種數(shù)據(jù)的采集和處 理、系統(tǒng)保護(hù)及通訊；CPLD模塊采用EPM7U8AETI100，實(shí)現(xiàn)電容投切算法和觸發(fā)脈沖生成，同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 從IO板輸入DSP板的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)狀態(tài)，并以中斷的形式通知DSP進(jìn)行處理；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路采用14位同步采樣ADC芯片MAX1320ECM。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種晶閘管循環(huán)投切電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置，它基于DSP+CPLD的數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)循環(huán)投切電容器，通過(guò)電壓傳感器檢測(cè)到的晶閘管正向閥壓uT來(lái)選取投切時(shí)刻，該裝置包括無(wú)功控制器及所述無(wú)功控制器相連的電壓電流傳感器。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且完全實(shí)用；2．對(duì)于減小晶閘管整流裝置或其他大型電機(jī)等負(fù)載所產(chǎn)生的無(wú)功沖擊效果顯著，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；3．控制精確，抗干擾性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，成本較低，可靠性高，維護(hù)費(fèi)用低。
文檔編號(hào)H02J3/18GK102110985SQ201110052900
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2011年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月5日
發(fā)明者吳明, 姬凱, 徐 明, 文蘭平, 錢麗 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所