TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置在電鏟上的應(yīng)用

徐明 槐博超

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

電鏟負(fù)責(zé)礦巖挖掘、裝車等工作，是露天礦山最重要的生產(chǎn)設(shè)備。以前其傳動(dòng)系統(tǒng)采用原動(dòng)機(jī)——發(fā)電機(jī)——電動(dòng)機(jī)組方式，存在能量轉(zhuǎn)換的效率低、機(jī)械容易出故障、維護(hù)成本高、運(yùn)行噪音大等問(wèn)題，難以滿足礦上對(duì)電鏟性能要求[1]。

為了解決上述問(wèn)題，提高效率，80年代從國(guó)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(dòng)機(jī)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(zhuǎn)、行走機(jī)構(gòu)的7臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(diǎn)和提升、推壓機(jī)構(gòu)特殊的負(fù)載特性，系統(tǒng)運(yùn)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(wú)功補(bǔ)償裝置，采用晶閘管投切電容器（thyristor switched capacitor,TSC）進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，來(lái)改善系統(tǒng)功率因數(shù)，進(jìn)而提高電鏟的使用效率。但經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，存在投切失敗等問(wèn)題，為此，對(duì)TSC控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，以提高其補(bǔ)償性能和效果。

1 原有TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置性能分析

2300 XP型電鏟通過(guò)外部一路6 kV交流三相電纜給整個(gè)電氣系統(tǒng)提供電能。該電纜先通過(guò)高壓柜與電鏟內(nèi)部一臺(tái)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(bǔ)償支路和TSC動(dòng)態(tài)補(bǔ)償支路，見圖1。

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

圖1 P&H2300XP型電鏟無(wú)功補(bǔ)償原理圖

TSC是一種利用晶閘管作為無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)的無(wú)功補(bǔ)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(shí)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(wú)功補(bǔ)償裝置，是通過(guò)測(cè)量母線電壓正向過(guò)零時(shí)刻的負(fù)載電流，來(lái)得到無(wú)功電流的最大值，然后再乘電源額定電壓得到系統(tǒng)的無(wú)功功率。無(wú)功功率測(cè)量板計(jì)算出無(wú)功功率后將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)范圍在0～0.1 V電壓信號(hào)，并傳給控制器，控制器通過(guò)電壓信號(hào)大小來(lái)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(wú)功補(bǔ)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(guò)同步變壓器檢測(cè)600 V低壓母線線電壓相位，在檢測(cè)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?發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)。

通過(guò)分析，可看出2300XP型電鏟無(wú)功補(bǔ)償控制系統(tǒng)投切依據(jù)和投切策略原理簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。但在實(shí)際運(yùn)行中，容易存在以下問(wèn)題：①實(shí)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(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(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)低壓母線線電壓峰值時(shí)刻來(lái)進(jìn)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，從而易造成投切失敗；③控制系統(tǒng)總是測(cè)量?jī)陕纺妇€所需的無(wú)功功率之和。當(dāng)所需投切無(wú)功功率為一組或三組電容器補(bǔ)償容量時(shí)，就總是會(huì)出現(xiàn)一路母線過(guò)補(bǔ)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(dòng)補(bǔ)支路1總是最先投，致使前面幾個(gè)支路的電容器經(jīng)常使用而過(guò)快損壞。因此針對(duì)上述問(wèn)題，采用新的控制策略，改善TSC補(bǔ)償效果，提高其使用壽命。

2 新的TSC控制方法

針對(duì)原有TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置，主要從控制策略和控制器件兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 控制策略

電容器投入時(shí)，若晶閘管觸發(fā)時(shí)電容電壓與母線電壓不相等，一旦導(dǎo)通，就會(huì)有一個(gè)無(wú)窮大的電流在無(wú)限短的時(shí)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(guān)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(shí)的沖擊涌流，投切時(shí)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(lái)確定電源電壓峰值時(shí)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(cè)晶閘管端電壓來(lái)確定電源電壓峰值時(shí)刻，即晶閘管端電壓為零來(lái)確定。

傳統(tǒng)電路是通過(guò)電壓互感器來(lái)檢測(cè)晶閘管端電壓，但檢測(cè)波形一般不能滿足要求，同時(shí)也易受比較器的失調(diào)電壓、交流信號(hào)中的諧波等影響，實(shí)際零點(diǎn)和提取的零點(diǎn)誤差較大[3]。故本文用精度較高的電壓傳感器檢測(cè)晶閘管電壓，并用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)比較判斷。同時(shí)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)處電容器頻繁切除。

2.2 控制器設(shè)計(jì)

原控制器主要采用模擬器件，易受環(huán)境影響、延時(shí)較長(zhǎng)、精度較差，為此設(shè)計(jì)了基于DSP+CPLD的數(shù)字控制器，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶閘管投切電容器無(wú)功補(bǔ)償控制，硬件構(gòu)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(wú)功多、功率因數(shù)低，為投切時(shí)作依據(jù)。在投入電容器前，若兩條母線無(wú)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(wú)功差距達(dá)到一定條件，且已經(jīng)投入的支路數(shù)為偶數(shù)，則將無(wú)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(jìn)行比較判斷，平衡兩母線上的無(wú)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(hào)調(diào)理電路以及脈沖驅(qū)動(dòng)電路。DSP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)及通訊等功能，芯片采用TMS320系列。CPLD采用EPM7128AETI100-7，完成電源電壓峰值時(shí)刻判斷和觸發(fā)脈沖生成，并實(shí)現(xiàn)電容器先投先切、循環(huán)投切功能。信號(hào)調(diào)理負(fù)責(zé)對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行隔離、濾波和電平轉(zhuǎn)換，送到DSP進(jìn)行處理。脈沖驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的隔離、放大，去驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器，使晶閘管導(dǎo)通。同時(shí)，DSP通過(guò)RS232與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)、投切級(jí)數(shù)等顯示。

為了保證控制單元不受主回路強(qiáng)電的干擾和操作人員的絕對(duì)安全，實(shí)現(xiàn)主回路強(qiáng)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(guò)脈沖變壓器進(jìn)行隔離放大。

3 仿真和實(shí)際運(yùn)行效果

為了驗(yàn)證新的投切控制策略原理，選擇MATLAB 7.0仿真軟件對(duì)TSC投切過(guò)程進(jìn)行了投切原理仿真。

主電路結(jié)構(gòu)、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(guò)程中電容器電壓仿真波形，前面直線表示電容器通過(guò)二極管一直處于充電狀態(tài)，TSC投切后變?yōu)檎也ā４瞬ㄐ握f(shuō)明觸發(fā)脈沖正確，晶閘管能正常導(dǎo)通使電容器投入運(yùn)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(jìn)一步驗(yàn)證新型TSC無(wú)功補(bǔ)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(duì)TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了改進(jìn)。整個(gè)補(bǔ)償裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)功率因數(shù)也得到了提高，輕載時(shí)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(gè)TSC動(dòng)補(bǔ)支路先投先切、循環(huán)投切，延長(zhǎng)了使用壽命。

4 結(jié)論

采用檢測(cè)晶閘管電壓控制策略和數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)了TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制，能達(dá)到電壓、電流無(wú)沖擊投切，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在2300XP型電鏟上的實(shí)際應(yīng)用表明，采用該控制策略的TSC裝置對(duì)于減小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(wú)功沖擊是有效的，是一種魯棒性強(qiáng)、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(dòng)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(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)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(yīng)用與優(yōu)化[J],電子元器件應(yīng)用,2010,12（3）:26-29.