晶閘管投切電容器在挖掘機電氣系統中的應用

張浩，高躍

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晶閘管投切電容器在挖掘機電氣系統中的應用

張浩，高躍

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文基于美國2300XP挖掘機無功補償系統改造工程。首先介紹分析了該挖掘機原有無功補償系統的特點和存在問題，然后在原有晶閘管投切電容器(TSC)補償方案的基礎上，改進了投切策略提高了無功補償系統的魯棒性，并進行了原理仿真驗證。改造后的挖掘車正常高效運行。

無功補償 晶閘管投切電容器 投切策略 閉環控制

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，年采礦量達數百萬噸。為了提高采礦效率，90年代初該礦花費巨資先后從美國P&H公司引進了數十臺2300XP大型挖掘機。該挖掘車整個控制系統采用當時先進的模擬器件集成，利用可控硅整流調速裝置控制提升、推壓、回轉機構的7臺直流電動機拖動運行，因此調速性能好，工作效率高。又由于提升、推壓機構的運行特性，可控硅整流調速裝置經常處于功率因素0.4～0.7左右的運行。為了提高功率因素，該挖掘機電氣系統中特別設計了無功補償分系統。

然而經過十幾年的滿負荷運行，該挖掘車的無功補償控制系統模擬器件老化致使經常出現電容器投切失敗、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行，該礦特邀中船重工第712所對其無功補償分系統進行改造升級。

1 原有晶閘管投切電容器分析

2300XP挖掘機的電氣系統由外部一條6kV交流三相電纜提供電能(如下圖1所示)。該電纜與挖掘機后部一臺容量為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償支路和TSC動態補償支路，線路末端通過晶閘管整流器向直流電動機供電調速運行。

1.1 2300XP挖掘機TSC主電路特點

TSC無功補償裝置常用的主電路方案有多種。2300XP挖掘機采用的是下圖2所示的晶閘管反并聯二極管三角形連接方案。該方案特點是每次切除電容器后，電容通過二極管從電網充電使電容兩端電壓總是保持電源線電壓峰值。這樣，相比雙晶閘管并聯方案不僅可以減少晶閘管的使用數量，還相應減少了控制系統的工作量。當晶閘管重新投入時，只要觸發脈沖序列在電源線電壓峰值開始觸發就可以保證合閘沖擊電流較小。其缺點是第一次送電時仍會發生電流沖擊和未投切時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強震動、大粉塵的惡劣工作環境，減少控制的復雜性可以提高系統的可靠性和為被改造單位節約成本等原因，我們決定仍然沿用晶閘管反并聯二極管的主電路接線方案[1]。

1.2 2300XP挖掘機TSC控制系統

通常無功補償系統可以選擇系統的功率因數或是無功功率來作為系統控制對象，而2300XP挖掘機無功補償系統系統是以無功功率為控制目標，通過檢測電源電壓過零點時刻的負荷電流值來計算無功功率。

假定電源電壓為：

那么負荷電流為：

可見，只要測量電壓正向過零時刻的負載電流，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的無功功率。無功功率控制器計算得到系統的無功功率后發出一個電壓信號，通過電壓信號的大小來確定需要投入TSC支路的數量。

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

綜合分析，2300XP無功補償系統的投切依據和投切策略原理簡單、可實現性強。但也還有改進的地方：1)實際系統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，進而造成母線電壓的畸變，因此實際的母線電壓與系統額定電壓并不一致，這樣計算出的系統無功功率可能出現誤差過大的情況而造成無功過補償；2)通過檢測低壓母線線電壓峰值時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，當閥壓小于闕值時觸發晶閘管的新方案。

2 新的TSC投切控制改造方案

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

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

解方程得[3]：

當電源電壓處于峰值時，閥壓此時為：

3 仿真驗證

為了驗證新的投切控制策略原理正確、魯棒性強，我們選擇了 MATLAB 7.0仿真軟件對晶閘管投切過程進行了投切原理仿真。主要驗證系統參數變化時，閉環控制策略比原有投切方法要更能可靠運行。

我們設置仿真步長設為1e-4，仿真時間0.08 s，系統母線線電壓600 V，當母線阻抗與支路電抗瞬間發生變化，以及電網電壓畸變時，可能出現以下情況：當檢測到母線電壓處于峰值時，此時電容端電壓仍然低于母線電壓。若采用開環同步控制策略，此時控制器應向晶閘管發出觸發脈沖信號，由下圖6可知，結果是晶閘管不能導通，電容器投切失敗；在同樣情況下，采用閉環控制策略的控制器通過檢測晶閘管兩端閥壓的大小，在晶閘管閥壓在設定區間內時發出脈沖信號。如下圖7所示，可以很精確的投入電容器。

在實際應用中調諧系數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的支路涌流還可以保證電容器實際充電電壓稍許高于電網母線的線電壓。在2300XP改造中對于600 V的兩條低壓母線我們取調諧系數n＝4.5，則閥壓闕值的最大值取44 V。當閥壓一旦小于44 V，CPLD控制板將通過脈沖變壓器給晶閘管觸發脈沖信號。

4 結論

采用閉環控制策略和CPLD為核心的控制板完成晶閘管投切電容器組的控制功能，其投切準確、快速，實現了電壓、電流的無沖擊投切，整個無功功率補償裝置在2300XP挖掘車穩定可靠運行，系統功率因數從補償前的0.4～0.7提高到0.92以上，輕載時的不僅母線電壓能保持穩定而且系統功率因素也保持在0.90以上。實際應用說明采用該控制策略的TSC對于晶閘管整流裝置或者其他大型電動機等對稱性負載所產生的無功沖擊是有效的，并且魯棒性強，是一種技術含量高、投資相對較少、使用效益顯著的新方法。

[1] 王兆安，楊君，劉進軍等. 諧波抑制和無功功率補償[M]. 北京：機械工業出版社, 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)技術的研究現狀與發展[J]. 電力電子技術, 2003, (2): 85-88.

[4] 黃紹平，彭曉，浣喜明. TSC無功補償裝置的設計.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：艦船電力推進系統。