TCR动态无功补偿装置在煤矿中的应用.pdf

第 2期 2 0 0 3年 4月 工矿 自 动化 I nd u s t r y a n d M i n e Aut o ma t i o n No． 2 Ap r ．20 0 3 ‘ ◆■ ◆I l ●_ p ◆- _ ◆-_ p - i技术进步 - ◆ ． ◆ ◆ ◆ ． Ⅲ ， 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 3 0 2 0 0 1 40 4 T C R动态无功补偿装置在煤矿中的应用 时鑫 ， 孙 方纲 1 ． 中国矿业 大学 北 京校 区 ， 北 京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 淮北 矿业集 团 机 电处 ， 安徽 淮 北2 3 5 0 0 0 摘要 文章主要介绍 了晶闸管控制电抗器 TC R 动态无功补偿装置在煤矿 中的应用， 分析 了 T C R的基 本 工作原 理 ， 阐述 了 T C R动 态补偿 装置 及其控 制 系统 的组 成 ， 并 阐明 了 T C R动 态无 功补偿 在煤 矿应 用 中的 重要 性 、 存 在 的不足 以及 应该 注 意的 问题 。 关键 词 煤矿 ；T C R；无功 补偿 中图分类 号 T N 3 4 9 文献 标识 码 A Ap p l i c a t i o n o f TCR Dy n a mi c Va r Co mp e n s a t i o n De v i c e i n Co a l M i n e SHI Xi n ， SUN Fa n g g a n g e 1 ． Be i j i n g Ca mp u s ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a ． 2 ． E l e c t r o me c h a n i c a l D e p a r t me n t o f Hu a i b e i Mi n i n g G r o u p C o ． ， L t d ． ，H u a i b e i 2 3 5 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e a p pl i c a t i o n o f TCR d y n a mi c v a r c o mp e n s a t i on d e v i c e i n c o a l mi n e wa s ma i n l y i nt r o d u c e d i n t h e p a p e r ．Th e b a s i c pr i nc i p l e o f TCR wa s a n a l y z e d a n d c o m p o s i t i o n o f TCR d y n a mi c v a r c o mp e ns a t i o n d e v i c e a n d i t s c o nt r o l s y s t e m we r e a l s o p r e s e nt e d．Th e i mpo r t a n c e，l i mi t a t i on a n d some q u e s t i o n s o f t h e a pp l i c a t i o n o f TCR d y n a mi c v a r c o mp e n s a t i o n i n c o a l mi n e we r e i l l u s t r a t e d． Ke y wo r ds c o a l mi n e，TCR ，v a r c o mp e ns a t i o n 0 引 言 随着 半导 体 电力 电子 技术 的发 展 与进 步 ， 各 种 收稿 日期 2 0 0 21 22 4 E t h e me t 总线 F F 现场 i ； 控制系统 i i P mf ib u s 现场 控制系统 图 1 基 于 E t h e r n e t T C P ／ I P协议的 网络互连 调试和设备故障诊断， 从而实现真正的 I n t e r n e t ／ I n t r a n e t ／ I n f r a n e t 测 控 管 一 体 化 网络 。鉴 于其 强 大优 势 ， 基 于 E t h e r n e t T C P ／ I P协议 的现场 总线技 术将 变 流变频 装置 广泛应 用 于煤矿 中 。矿 井提 升机普 遍 采用 晶闸管 供 电 的直 流拖 动 ， 即提 升 机 晶 闸管 电控 系统 。 晶闸管装 置 基 本 相 当于 一 个感 性 负 载 ， 在 工 作 时其基波 电流滞 后 于 电 网 电压 ， 要 消 耗 大量 的无 功 功率 ， 同时 产生大 量 的谐 波 电流 ， 造 成 电网 系统功 是 未来发 展 的主 流方 向。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 阳宪惠． 现场总线 技术 及其应用 [ M] ． 北 京 清华大 学 出 版社 ， 1 9 9 9 王常力 现 场总线 与 D C S ； 讨论 与 实践 [ J ] ． 自动化 博 览 ， 1 9 9 9， 5 ． 魏庆福． 现场总线技 术发 展的新 动 向[ J ] ． 工业 控制 计 算机 ， 2 0 0 0 ， 1 ． 许心传 ． 浅谈工控机与现场总线 [ J ] ． 工业 控制计算机 ， 2 0 0 0， 6 ． 唐鸿儒 ， 丁伟 ， 褚健 ． 企业控 制网络技 术 [ J ] ． 工 业 控制计算 机， 2 0 0 1 ， 1 ． 维普资讯 第 2期 时 鑫 等 T C R动 态无功补 偿装 置在 煤矿 中的应 用 1 5 率因数低 、 电压波形严重畸变等 ， 因此无功补偿势在 必 行 。 所谓无功补偿 ， 就是借助于无功补偿装置为用 电系统或设备提供一定 的无功功率 ， 以提高用电设 备乃至整个 系统 的功率 因数 。无功补偿 的方 法很 多 ， 煤矿中常用的方法是电容器与网络感性负荷并 联来补偿无功功率 ， 具有结构 简单、 经济方便 等优 点 ， 但其阻抗是固定的， 故不能实现对无功功率的动 态补偿。另外补偿 电容器对谐波具有放大作用， 容 易导致电容器过载、 过热 ， 增加损耗 ， 长期运行会造 成外壳膨胀和放炮 ， 直至破坏。为了解决这些问题， 目前矿 井 中引入 了 晶闸管控 制 电抗器 T C R 动态 无 功补偿装置。 1 T C R动态 无功 补偿 装置 的配置 方 案 在煤矿 中， TC R动态无功补偿装 置采用无源谐 波吸收与无功补偿相结 合的配置方案， 具有滤波和 补偿双重功能。该方案按照全矿井需要补偿 的无功 功率来选配电容器 ， 补偿容量既考虑 了晶闸管变流 设备部分运行时产生的无 功功率 ， 又包括母线上其 余感性负荷产生 的无功功率 ， 然后把 电容器分 为若 干组 ， 每组串联相应 的电抗调谐 到对某一特定谐波 如 5 、 7 、 1 1 、 1 3次 等 串联 谐 振 。 在 各 个 串联 支 路 中， 某特定次谐波时的感抗与容抗相等 ， 即该支路总 阻抗 为 0 ， 组 成 了专 门 吸收 各 次 谐 波 的滤 波 器 。 由 于矿 井负荷 可 变 ， 试 产 期 、 投 产 期 、 达 产 期 负荷 相 差 甚大 ， 为避 免矿 井负荷 较 小时 过补 ， 向 电网发无 功极 不经济 ， 且引起母线电压升高 ， 可将补偿滤波器设计 成能 按负荷 变 化 分段 投 切 。一般 可 分 为 三 档容 量 ， 分三段投切为宜。对于矿井传动系统 ， 因大量旁频 波的存在 ， 常将 串联电抗与电阻并联 ， 它有吸收 5 ～ 7次、 7 ～1 1 次间等的旁频波作用。若为晶闸管供电 直流传动系统 ， 则通常还需单设一组高通滤波器 ， 以 吸 收更 高次谐 波 。该装 置 的主 电路 采用 三相 晶 闸管 反并联的全控方式 ， 提高了可靠性 ， 即使某相一个晶 闸管损坏 ， 也不会导致电容器误投 ， 同时电容器组内 部已接成三角形 ， 使体积减少 、 制造成本降低、 电容 器的无功容量得到充分利用 ， 达到了综合提高线路 功率 因数和抑制电压波动的目的。 T C R动态补偿装置在煤矿实际应用中， 主要包 括以下 3个部分 ， 如图 1 所示。 1 滤 波器组 滤波器组提供恒定 的超前基波无功并吸收负载 和动态补偿装置本身所产生的谐波。它是 由3次 、 5 图 1 TC R动 态补 偿 装 置 系统 图 次 、 7次单调谐滤波器及高通滤波器组成 。 L C滤 波 器 是 一 种 无 源 滤 波 器 ， 是 由 滤 波 电容 器 、 电抗 器 和电阻器 适 当组合 而成 的滤波 装置 ， 与谐 波源并联 ， 除起滤波作用外还兼顾无功补偿 的需要。 该装置中将单调谐滤波器 H3 、 H5 、 H7 谐振次数分别 设定为 3次 、 5次、 7次 ， 则对应次数的谐波大部分流 入该 次滤 波器 ， 从 而 起 到 滤 除该 次 谐 波 的作 用 。而 高通滤波器 H1 2 实际为一个二阶高通滤波器 ， 它在 某一 很宽 的频带 范 围 内呈 现 为低 阻 抗 ， 形 成 对 次数 较 高谐波 的低 阻抗 通 路 ， 使 得 这 些谐 波 电流 大 部分 流 入其 中。另 外 ， L C滤 波 器还 和 T C R一 起 作 用实 现无功补偿 ， 它起到将补偿范围拓宽到超前的作用。 2 晶闸管 控制 的线性 电抗 器 晶 闸管控 制 的线 性 电抗 器起 到 稳定 器 的 作用 ， 产 生可调 的滞 后无 功 ， 与滤 波 器 组 的恒 定 容 性 无 功 一 起输 出可 控无 功 以补偿 系统或 负载 动态无 功 的需 求 。与电抗器串联的反并联晶闸管阀组用来控制电 抗 器 电流 的 大 小 。当 阀 的 控 制 角 a为最 大 时 为 关 断状态 ， 补偿 器输 出最 大 容 性 无 功 ； a为最 小 时 ， 由 于 电抗 器 的 滞 后 无 功 与 电 容 器 的超 前 无 功 相 互 抵 消 ， 补 偿器 不 向系统提 供无 功 。 3 调节控制装置 其 功能 是依 据一 定 的调 节方 式 ， 检 测负 荷 、 电压 功率因数等参数作为输入信号 ， 用 以改变晶闸管 阀 组 的控制 角从而 控制 电抗元 件 吸收 的无功 。 动态补偿装置只有在控制器具有 良好的动态响 应时间、 准确的投切功率和较高的自识别能力 的基 础上 才能 达到最 佳 的补偿 效果 。 2 T C R动 态无 功补偿 控 制 系统 的组成 T C R控制系统应能检测 系统的有关变量 ， 并根 据检 测量 的大 小 以及 给定 参考 输 入量 的大 小 ， 产 生相 应 的晶 闸管 触 发 延 迟 角 ， 以调 节 补 偿 器 吸 收 的 无 功功率 。 整个控制 系统 由测量单元 、 计算单元 、 处理单 元 、 触发单元和同步单元组成 ， 如图 2所示。 维普资讯 1 6 工矿 自动化 2 0 0 3年 4月 图 2 T C R动态无功补偿控制系统图 1 测量单元 测量 提升 机 电 流 、 补 偿 回路 电流 、 控 制 器 电流 、 6 k V或 1 0 k V 线 电压。电流 电压信号 采用 三相输 入 。虽然 对于 三 相对 称 负 荷 ， 采 用 单相 测 量 方 法 比 较简单经济 ， 但 由于对输入信号进行滤波而使测量 值具有惯性。因此 ， 为了保证调节速度 ， 需采取三相 全信号输入。 2 6 ． 3 k V 电压测 量 通过 6 3 0 0 ／ 1 0 0 V 电压互感器得到 1 0 0 V交流 电压 ， 然后在 降至 7 ． 0 7 V输 人 电子 电路 。交 流输 入 信 号 经 三相 全波 整 流 器 整 流 滤 波， 放 大 为 直 流 1 0 V， 相 当 于交流 6 ． 3 k V。 3 电流测 量 提升机 回路 、 补偿 回路 和电抗器电流控制器 回 路 均采 用 口／ 5 A电流 互感 器 ， 然后 再经 5 ／ 0 ． 1 A 中 间电流互感器将信号输入电子回路。 4 计算单元 计算单元根据输入信号计算出各 回路的有功功 率和无功功率。有功和无功功率 的 1 0 0 Hz 成分经 电路中的加法电路后可以消除 ， 再经过低通滤波器 滤去剩余的谐波 ， 计算单元的输出提供处理单元使 用的直流信号。 5 处理单元 处理单元包括 电压及功率因数调节器、 电流调 节器、 线性化环节和触发单元。 T C R控 制 系统 包 括 电压 波 动调 节 和 功率 因数 调节。对电压波动实行快速调节 ； 对功率因数实行 平均值调节 ， 即慢速调节 ， 在规定时间范围内实行给 定功率因数的无偏调节。 6 同步 单元 同步单元 的作用是使触发脉冲与电网交流电压 同步， 以保证晶闸管触发正确。同步单元 由锁相环 及锯齿 波形 发生 器组成 。锁 相环 产生 一个跟 随 电网 频率及相应的时钟信号， 并使锯齿波发生器产生与 电网交流电源同步的锯齿波。触发脉冲产生电路将 锯齿波电压与控制电压进行 比较， 当锯齿波 电压大 于控制电压时 ， 产生触发 脉冲。由于锯齿波与 电网 交流电压是 同步的， 所 以触发脉冲与 电网电压也能 保持同步。 3 T C R 动态无 功补 偿的 意义 与不足 T C R动态补偿装置 已广泛应用 于煤矿 中并取 得了明显的节能及提高电网电压质量的效果 ， 具有 良好的经济及技术效益 。主要有以下优点 1 提高功率利用率 ； 2 提 高 电压质 量 ， 减 少 电费开支 ； 3 减少损耗 ， 提高主变压器利用率 ； 4 调控运行 ， 防止过补。 尽管 T C R动态补 偿装 置 日趋成熟 ， 但仍 存在 着 不足 。 当要 求其 补偿 范 围能延伸 到容性 和感 性无 功 功率 两个 区域 时 ， 电抗 器 的 容量 必 须 大 于 固定 电容 器的容量。比如当希望补偿器吸收无功功率的能力 从 1倍的容性无功到 1 倍 的感性无功功率 ， 则电抗 器的容量必须为电容器的 2倍 。此外 ， 补偿器和电 容器中实际上都吸收了很大 的无功功率 ， 有很大的 电流 通过 ， 只是 相 互 抵 消而 已。这 些 都 是此 类 补 偿 装置的缺陷。 根据 T C R动态 补偿装 置 的以上 特性 ， 在煤矿 中 应用其进行无功补偿时应 注意 以下问题 进行补偿 前要对系统进行现场实测 ， 以计算 出较适宜的补偿 量 ， 既达到较好 的补偿效果 ， 又防止过补偿 ； 电动机 仍在运转并产生相 当大的反电势时不宜再启动； 切 忌 过补 偿 尽 可能 避 免 安装 在 反 复 开 、 停 、 点 动 的设 备上 ， 如天车等； 补偿装置不宜安装 在有腐蚀性气 体 、 污染严重 、 温度较高 ， 以及易燃易爆的场所 ； 安装 补偿装置时 ， 要选择那些功率 因数低、 负载率低 、 运 行时间长的设备 ， 这样 ， 补偿后的节电效益更明显。 4结 语 目前 ， 国内煤矿大功率提升机通常采用晶闸管 供 电的直流 电控 系统 或 交 一交 变频 调 速 系 统 ， 对 电 网会造成系统功率因数低 、 电压波动严重畸变等不 利影响。晶闸管控制电抗器 T C R 动态无功补偿装 置的引入有效地改善了电网的质量 ， 提 高了系统的 功率因数 ， 抑制了电压波动的不 良影响。尽管 TC R 动态补偿装置存在着一定 的不足， 但其作 为一种可 靠的高技术设备 ， 在煤矿电网中具有广阔的应用前 景 。 维普资讯 第 2期 2 0 0 3年 4月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n NO． 2 Ap r ．2 0 03 文 章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 3 0 2 0 0 1 7 0 3 P WC 3 1 8在 ∑一A型 A／ D 转换器中的应用 韩 雁 常州工学院计算机系， 江苏 常州 2 1 3 0 0 2 摘 要 介绍 了 一△型 A／ D转换 器 的构 成和 特 点 ， 提 出由硬件 和 软 件 相 结合 实现 一△型 A ／ D 转 换 的 新思想， 并叙述 了由 P WC 3 1 8 、 积分器、 比较器和单片机 8 9 C 5 2构成 一△型 A ／ D转换电路的硬件和软件设 计 。 关键 词 一△型 A／ D转换 器 ； 过 采样 ； 数 字滤 波 ； 迭加技 术 ； P WC 3 1 8 中图分 类号 T N 7 9 2 文献标 识码 B Ap p l i c a t i o n o f P W C3 1 8 i n 一 △ A／ D Co n v e r t o r HAN Ya n D e p t ．o f C o mp u t e r S c i e n c e ，C h a n g z h o u I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，C h a n g z h o u 2 1 3 0 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r i n t r o du c e d t he c on s t r u c t i o n a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f 一 △ A／ D c o n v e r t o r ，p r o p o s e d a ne w i d e a o f r e a l i z i n g - △ A／ D c o n v e r s i o n by c o mb i n i n g h a r d wa r e a n d s o f t wa r e ．I t a l so p r e s e n t e d h a r dwa r e a n d so f t wa r e de s i g n o f - △ A／ D c o n v e r t i n g c i r c u i t wi t h PW C3 1 8，i n t e g r a t o r ，c omp a r a t o r a n d 8 9 C5 2． Ke y wo r d s - △ A／ D c o n v e r t o r ，o v e r s a mp l i n g，d i g i t a l f i l t e r，a d dt i o n t e c h n ol o g y，PW C31 8 0 引言 在某些测 量 和控制 领域 中， 需 要 有高 精度 的 A／ D转换器来实现对被测对象的高精度的测量。当 分辨率很高时 1 6位 以上或 5位半以上精度 ， 传统 的线性脉冲编码调制 L P C M 型 A／ D转换器 实现 起来难度很大， 成本很高。而近年来兴起 的 一△ 型 A／ D转换技术却能以较低的成本 获取极高 的分辨 率 。 但集成式 一△型 A／ D转换器也存在一些缺 点 如转 换器 要求 的输 入 信 号范 围很 难 与 实 际 的输 入信 号范 围相一 致 ， 其 电源 电路 、 印 制板 布线 设计 较 收藕 日期 2 0 0 2 一l 2 一l 9 作者简 介 韩雁 ， 女 ， 常州工学 院计 算机系教 师， 讲师 ， 现 主要 从 事教学 和科研工作。 参考文献 [ 1 ] 夏道止 ， 沈赞埙 ． 高压直流输电系统的谐波分析及 滤波 [ M] ． 北京 水利电力出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 2 ] 黄俊 ， 王兆安 ． 电力 电子变流技 术[ M] ． 北京 机 械工 业 出版社 ， 1 9 9 4 ． 复杂 ， A／ D转换速率及截止频率都不能改变 ， 价格 比较 昂贵 等等 ， 妨 碍 其推 广 应 用 。笔 者 在 电子 天 平 系统设 计 中 ， 使 用 P WC 3 1 8构 成 一△型 A ／ D转 换 器。其 A／ D分辨 率可达到 1 0 0 0 0 0 0 ， 最高精度达 到 1 ／ 2 0 0 0 0 。 1 用 P WC 3 1 8构 成 的 三一△型 A ／ D转换 器原 理 一 △型 A／ D转换 器 由 一△型 调制 器 和数 字 抽取滤波器构成。 一△型调制器 以 K f s 采样速率 将输入信号转换为 由 1和 0构成 的连续串行位流 一△码 ， 然后将 这种 一△码送 给数字 抽 取 滤波 器 ， 以 的频率进行抽取滤波。 一△调 制器由于 使用过采样技术 采样频率 K f s 远大于模拟信号的 频宽 、 数字滤波器和迭加技术 ， 使得量化噪声大 大减 少 ， 从 而提 高 了信 噪 比， 实现 了用 低分 辨 率 [ 3 ] 黄晓林 ， 余世春 ． 一 种功率 因数校 正的 电源 变换 器[ J ] ． 电工技术杂志 ， 1 9 9 7 ， 3 ． [ 4 ] 卓 放 ， 刘进 军 ， 王 兆安 ． 基 于瞬 时无 功 功 率 理论 的 S VC信号检测 新 方法 [ J ] ． 西 安交 通 大学 学 报 ， 1 9 9 6 ， 3 ． [ 5 ] 尹克宁 ． 电力工程[ M] ． 北京 水 利电力出版社 ， 1 9 8 7 ． 维普资讯