TSC无功补偿装置在电铲上的应用

徐明 槐博超

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

0 引言

电铲负责矿岩挖掘、装车等工作，是露天矿山最重要的生产设备。以前其传动系统采用原动机——发电机——电动机组方式，存在能量转换的效率低、机械容易出故障、维护成本高、运行噪音大等问题，难以满足矿上对电铲性能要求[1]。

为了解决上述问题，提高效率，80年代从国外引入新型电铲，如P&H公司的2300XP型电铲。这种电铲采用晶闸管整流器——电动机调速系统，利用可控硅整流调速装置控制提升、推压、回转、行走机构的7台直流电动机运行，因此调速性能好，故障率低，工作效率高。

由于晶闸管变流器本身的特点和提升、推压机构特殊的负载特性，系统运行功率因数经常处于0.4～0.7左右。因此，该型电铲装配了无功补偿装置，采用晶闸管投切电容器（thyristor switched capacitor,TSC）进行无功补偿，来改善系统功率因数，进而提高电铲的使用效率。但经过现场应用，发现该TSC无功补偿装置设计简单，存在投切失败等问题，为此，对TSC控制策略进行了改进，以提高其补偿性能和效果。

1 原有TSC无功补偿装置性能分析

2300 XP型电铲通过外部一路6 kV交流三相电缆给整个电气系统提供电能。该电缆先通过高压柜与电铲内部一台容量为2.5 MVA的三绕组变压器（△/Y/Y）连接，然后降压成两路600 V低压母线1与母线2，母线上分别连接着相同容量的静止电容器补偿支路和TSC动态补偿支路，见图1。

图1中M1、M2为回转电机，M3、M6为行走电机，M4、M5为提升电机，M7为推压电机。

图1 P&H2300XP型电铲无功补偿原理图

TSC是一种利用晶闸管作为无触点开关的无功补偿装置。2300XP型电铲采用晶闸管反并联二极管三角形连接方案，它可以有效抑制3倍次谐波、避免中线电流，同时还可以减少晶闸管使用数量和控制系统工作量[2]。

原先TSC无功补偿装置，是通过测量母线电压正向过零时刻的负载电流，来得到无功电流的最大值，然后再乘电源额定电压得到系统的无功功率。无功功率测量板计算出无功功率后将其转换成一个范围在0～0.1 V电压信号，并传给控制器，控制器通过电压信号大小来确定需要投入数量。控制器原理框图如图2所示，图中u为600 V母线，i1、i2分别为600 V母线1、2的相电流。

图2 原有TSC无功补偿装置原理框图

在晶闸管电容器投切策略上，2300XP型电铲采用通过同步变压器检测600 V低压母线线电压相位，在检测到某一线电压峰值的时刻向相应晶闸管发出脉冲触发信号，其它各相依次延迟120˚发出脉冲触发信号。

通过分析，可看出2300XP型电铲无功补偿控制系统投切依据和投切策略原理简单、可实现性强。但在实际运行中，容易存在以下问题：①实际系统中600 V母线连接着晶闸管6脉波整流器，那么母线电流中将含有6k±1次等谐波电流，进而造成母线电压的畸变，因此实际的母线电压与系统额定电压并不一致，这样计算出的系统无功功率可能出现误差过大的情况而造成无功过补偿；②通过检测低压母线线电压峰值时刻来进行投切电容器，其精确性容易受到母线电压畸变或是同步变压器使用损耗的影响，从而易造成投切失败；③控制系统总是测量两路母线所需的无功功率之和。当所需投切无功功率为一组或三组电容器补偿容量时，就总是会出现一路母线过补偿的情况。④投切电容器支路总是采用先投后切的工作模式，即TSC动补支路1总是最先投，致使前面几个支路的电容器经常使用而过快损坏。因此针对上述问题，采用新的控制策略，改善TSC补偿效果，提高其使用寿命。

2 新的TSC控制方法

针对原有TSC无功补偿装置，主要从控制策略和控制器件两个方面进行改进。

2.1 控制策略

电容器投入时，若晶闸管触发时电容电压与母线电压不相等，一旦导通，就会有一个无穷大的电流在无限短的时间内，流入电容器并将电容器的电压充电到与母线电压相等。晶闸管开关不可能承受如此大的冲击涌流，因而经常损坏。为了减小晶闸管投切时的冲击涌流，投切时刻最好能够选取在电源电压的峰值投切。

原控制策略是依靠同步变压器来确定电源电压峰值时间，易受母线电压畸变或变压器损耗而影响精度。为此，改为检测晶闸管端电压来确定电源电压峰值时刻，即晶闸管端电压为零来确定。

传统电路是通过电压互感器来检测晶闸管端电压，但检测波形一般不能满足要求，同时也易受比较器的失调电压、交流信号中的谐波等影响，实际零点和提取的零点误差较大[3]。故本文用精度较高的电压传感器检测晶闸管电压，并用数字化实现比较判断。同时在切换点处引入一定的滞环非线性环节，避免切换点处电容器频繁切除。

2.2 控制器设计

原控制器主要采用模拟器件，易受环境影响、延时较长、精度较差，为此设计了基于DSP+CPLD的数字控制器，来实现晶闸管投切电容器无功补偿控制，硬件构成如图3所示。

图3中u1、i1、u2、i2分别为600 V母线1、2的一路线电压和相电流，uT为TSC晶闸管端电压。采集两路母线的电压、电流，这样可比较出哪条母线无功多、功率因数低，为投切时作依据。在投入电容器前，若两条母线无功差距不大或投入支路数为奇数，则直接投入下一支路。若两条母线无功差距达到一定条件，且已经投入的支路数为偶数，则将无功多的那条母线上的电容器支路投入，减小两母线的差距。同样，在切除电容器前，也进行比较判断，平衡两母线上的无功。

图3 控制器硬件框图

控制器主要包括DSP模块、CPLD模块、信号调理电路以及脉冲驱动电路。DSP完成无功检测控制算法的计算、各种数据的采集和处理、系统保护及通讯等功能，芯片采用TMS320系列。CPLD采用EPM7128AETI100-7，完成电源电压峰值时刻判断和触发脉冲生成，并实现电容器先投先切、循环投切功能。信号调理负责对电压电流信号进行隔离、滤波和电平转换，送到DSP进行处理。脉冲驱动实现脉冲信号的隔离、放大，去驱动脉冲变压器，使晶闸管导通。同时，DSP通过RS232与上位机通讯，实现参数、投切级数等显示。

为了保证控制单元不受主回路强电的干扰和操作人员的绝对安全，实现主回路强电和控制回路弱电的完全隔离，控制模块与晶闸管之间通过脉冲变压器进行隔离放大。

3 仿真和实际运行效果

为了验证新的投切控制策略原理，选择MATLAB 7.0仿真软件对TSC投切过程进行了投切原理仿真。

主电路结构、电感、电容参数与2300XP型电铲一致，每支路每相的电感值为0.2775 mH，电容值为1800 μH，系统母线线电压为600 V。

图4为TSC投切过程中电容器电压仿真波形，前面直线表示电容器通过二极管一直处于充电状态，TSC投切后变为正弦波。此波形说明触发脉冲正确，晶闸管能正常导通使电容器投入运行。

从图4还可看出，电容器充电电压高于电源电压峰值几十伏，这是由于电抗器的存在放大了电容器稳态电压。

图4 电容器电压波形

为了进一步验证新型TSC无功补偿装置使用效果，在江西德兴铜矿的2300XP型电铲上按上述方法对TSC无功补偿装置进行了改进。整个补偿装置运行稳定可靠，系统功率因数也得到了提高，轻载时不仅母线电压能保持稳定而且系统功率因数保持在0.90以上。而且4个TSC动补支路先投先切、循环投切，延长了使用寿命。

4 结论

采用检测晶闸管电压控制策略和数字控制器实现了TSC无功补偿装置的控制，能达到电压、电流无冲击投切，运行稳定可靠。在2300XP型电铲上的实际应用表明，采用该控制策略的TSC装置对于减小晶闸管整流装置或者其他大型电动机等对称性负载所产生的无功冲击是有效的，是一种鲁棒性强、投资较少、使用效益显著的新方法。

[1]刘昆,高放等.露天矿WK-4型电铲电气传动系统改造[J],矿业工程,2006,4（1）:42-44.

[2]王兆安,杨君等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]陈发纲,程汉湘等.低压晶闸管投切电容器（TSC）装置的应用与优化[J],电子元器件应用,2010,12（3）:26-29.