專利名稱：礦用隔爆型動態(tài)無功補償與諧波治理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種煤礦井下供電系統(tǒng)的動態(tài)無功補償與諧波治理裝置。
背景技術(shù)：
目前，煤礦井下低壓供電系統(tǒng)(1140V、660V)中普遍存在兩大問題，一是綜采、綜 掘及運輸系統(tǒng)大功率電動機因供電距離遠，壓降大，造成啟動困難，影響企業(yè)正常生產(chǎn)；二 是無功損耗大，電量浪費相當嚴重，影響企業(yè)經(jīng)濟效益。造成以上問題的主要原因之一是電 感性負載產(chǎn)生的無功功率而導致的功率因數(shù)降低。煤礦井下低壓供電系統(tǒng)中的功率因數(shù)普 遍在0. 5 0. 7之間，使得線路損耗大，終端電壓偏低，端電壓達不到額定值，加之負荷大， 形成電動機啟動時十分困難，甚至造成過流，欠壓跳閘事故，同時在線路中消耗了大量的無 功電能。由于煤礦電網(wǎng)中的負荷大部分是感性負載，因此，在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器可以 供給感性電抗消耗的部分無功功率。并聯(lián)電容器補償簡單經(jīng)濟，靈活方便。但當今煤礦中 存在著大量無功功率頻繁變化的設(shè)備，如采煤機、大型刮板輸送機、泵站、轉(zhuǎn)載機等，這些負 荷的特點功率大，啟動頻繁等。這就要求補償裝置能夠根據(jù)負荷的變化進行動態(tài)補償。而 并聯(lián)電容器只能補償固定無功，容易造成過補或欠補，無法滿足系統(tǒng)的實際需要，還有可能 和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大。因此，當前一般對電容器分組，利用微機進行控制，根 據(jù)功率因數(shù)的變化，對電容器組進行自動投切，以實現(xiàn)對無功功率的自動補償。目前在煤礦井下低壓電網(wǎng)中使用的無功自動補償裝置主要有以下缺陷一是以交 流接觸器作為電容器的投切開關(guān)，它的主要缺點是開關(guān)速度較慢，不可能快速跟蹤負載無 功功率的變化，而且投切電容器時常會引起較嚴重的沖擊涌流和操作過電壓，從而造成交 流接觸器的接點燒毀或是補償電容器的內(nèi)部擊穿，嚴重影響了裝置自身的使用壽命；二是 在控制方式上以功率因數(shù)作為檢測量和控制目標，由于功率因數(shù)取樣方式僅檢測電網(wǎng)中的 電壓與電流的相位差，因此并不能準確反映電網(wǎng)中負荷的無功分量大小，輕載時容易造成 投切震蕩從而影響補償裝置的使用壽命以及電網(wǎng)和用戶設(shè)備的安全運行。與此同時，煤礦井下低壓電網(wǎng)中的各種變頻調(diào)速裝置、整流器等負荷容量不斷增 長。大量電力電子功率器件及裝置的應(yīng)用，給礦井帶來節(jié)能和能量轉(zhuǎn)換的同時，也給供電網(wǎng) 絡(luò)造成了嚴重的污染，大量的諧波注入礦井電網(wǎng)，造成系統(tǒng)效率變低并對其他設(shè)備和裝置 產(chǎn)生擾動，威脅礦井電網(wǎng)的安全運行。對于煤礦低壓電網(wǎng)來說，由于供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和諧波 的次數(shù)已經(jīng)基本固定，因此一般采用由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成的無源 濾波器來抑制諧波。而當前的無源濾波器一般采用以交流接觸器作為投切開關(guān)，用人工方 式固定投入使用，這種方式的主要缺陷是不能快速跟蹤負載的變化，當產(chǎn)生諧波的負載切 除時，濾波器不能及時切除，而且用接觸器投切濾波器時會引起較嚴重的沖擊涌流和操作 過電壓，從而造成交流接觸器的接點燒毀或是濾波電容器的內(nèi)部擊穿，嚴重影響了裝置自 身的使用壽命。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是克服上述缺陷并提供一種煤礦井下供電系統(tǒng)使用的隔爆型 動態(tài)無功補償與諧波治理裝置，其具有測量、計算、存儲記憶、動態(tài)補償、過零投切、過壓報 警等功能，采用雙向晶閘管來投切電容器及濾波器，對煤礦低壓電網(wǎng)的無功功率及高次諧 波實現(xiàn)一體化的補償及治理。本實用新型的技術(shù)方案是礦用隔爆型動態(tài)無功補償與諧波治理裝置包括一次回路部分及二次控制回路部 分。一次回路部分包括隔離開關(guān)、熔斷器、電流互感器、雙向晶閘管、電容器組、濾波器組，熔 斷器一端通過隔離開關(guān)與供電線路連接，另一端通過并聯(lián)的雙向晶閘管連接電容器組和濾 波器組。隔離開關(guān)在裝置檢修時將需要檢修的電氣設(shè)備與帶電的電網(wǎng)可靠地隔離，以保 證檢修工作的安全。熔斷器實現(xiàn)短路保護功能。電流互感器將供電線路的大電流變換成小電流用于二次回路采樣。雙向晶閘管實現(xiàn)電容器及濾波器的無觸點投切。電容器組根據(jù)總補償容量進行分組，由微機控制投切，以實現(xiàn)對無功功率的自動 補償。濾波器組是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成的無源濾波器來抑制 諧波。二次回路部分是動態(tài)無功補償與諧波治理微機控制器，包括主電路、數(shù)據(jù)采集電 路、晶閘管觸發(fā)脈沖電路、通信電路、人機接口電路，數(shù)據(jù)采集電路一端連接一次回路中的 電流互感器，另一端連接微機主電路的信號輸入端，微機主電路連接晶間管觸發(fā)脈沖電路、 通信電路、人機接口等電路，晶閘管觸發(fā)脈沖電路與一次回路中的雙向晶閘管連接。微機主電路主CPU芯片采用完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片C8051F，另配快速 擦寫存儲器及實時時鐘電路。C8051F是一種十分適合于測控系統(tǒng)的機型，其采用了流水線 技術(shù)，指令的執(zhí)行效率高，片內(nèi)包括了看門狗、ADC、DAC、電壓基準輸出、定時器等多種資源， 并集成JTAG，支持在線編程?？焖俨翆懘鎯ζ?Flash)及實時時鐘電路用來存儲系統(tǒng)預(yù)設(shè) 參數(shù)、事故記錄并提供相應(yīng)的時刻。數(shù)據(jù)采集電路包括電流、電壓信號的電壓形成、低通濾波保護電路、信號測量放 大等電路，用于測量一次回路的電流和電壓，并將信號送到微機主電路中的A/D轉(zhuǎn)換器中。晶閘管觸發(fā)脈沖電路CPU通過對測量結(jié)果分析、判斷，決定是否輸出觸發(fā)脈沖進 行無功補償及濾波，即電容器組和濾波器的投切。為了避免投切過程中產(chǎn)生涌流，電容的投 切選擇在電網(wǎng)電壓過零點時動作。通信電路采用RS485與上位機通信，主要用來進行電網(wǎng)運行參數(shù)和系統(tǒng)運行狀 態(tài)的數(shù)據(jù)輸出，可與煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。人機接口電路由中文液晶顯示模塊、鍵盤等電路組成。鍵盤部分用于參數(shù)設(shè)定 等功能，而液晶顯示部分顯示電網(wǎng)的運行狀況，包括顯示系統(tǒng)電壓、電流、有功功率、無功功 率、功率因數(shù)、電容器、濾波器的投切狀態(tài)等內(nèi)容。礦用隔爆型動態(tài)無功補償與諧波治理裝置進入工作狀態(tài)后，微機主電路通過數(shù)據(jù)采集電路測量一次回路的電流和電壓瞬時值，并進行數(shù)字濾波處理，實時計算出電網(wǎng)的電 壓、電流有效值及無功功率、有功功率、功率因數(shù)、諧波含量等參數(shù)。然后與保存在快速擦寫 存儲器中的整定值相比較，當系統(tǒng)的無功功率大于裝置的單組電容器值時就給晶閘管觸發(fā) 脈沖電路發(fā)出投入一組電容器指令；當系統(tǒng)的無功功率為容性時就給晶閘管觸發(fā)脈沖電路 發(fā)出切除一組電容器指令；當系統(tǒng)的諧波含量大于整定值時就給晶閘管觸發(fā)脈沖電路發(fā)出 投入濾波器指令，反之則切除濾波器。當電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓時，則通過晶閘管觸發(fā)脈沖電路切 除所有電容器及濾波器。本實用新型的優(yōu)點是利用一套裝置實現(xiàn)了煤礦低壓電網(wǎng)的無功功率及高次諧波 的一體化補償及治理，采用雙向晶間管來投切電容器及濾波器，投切速度快，能夠動態(tài)地跟 蹤負荷的頻繁變化；投切選擇在電壓過零點時動作，從而避免了投切過程的涌流。本實用新 型設(shè)計合理，工作可靠，具有較大的推廣價值。上述所述礦用隔爆型動態(tài)無功補償與諧波治理裝置外部設(shè)有防爆外殼。
圖1本實用新型裝置的電路原理框圖；圖2本實用新型裝置控制器的原理框具體實施方式
實施例如圖1、圖2所示，礦用隔爆型動態(tài)無功補償與諧波治理裝置包括一次回路 部分及二次控制回路部分。一次回路部分包括隔離開關(guān)、熔斷器、電流互感器、雙向晶閘管、 電容器組、濾波器組，熔斷器一端通過隔離開關(guān)與供電線路連接，另一端通過并聯(lián)的雙向晶 閘管連接電容器組和濾波器組。二次回路部分是動態(tài)無功補償與諧波治理微機控制器，包 括主電路、數(shù)據(jù)采集電路、晶閘管觸發(fā)脈沖電路、通信電路、人機接口電路組成，數(shù)據(jù)采集電 路一端連接一次回路中的電流互感器，另一端連接微機主電路的信號輸入端，微機主電路 連接晶閘管觸發(fā)脈沖電路、通信電路、人機接口等電路，晶閘管觸發(fā)脈沖電路與一次回路中 的雙向晶閘管連接。本實用新型為一種在煤礦井下供電系統(tǒng)使用的隔爆型動態(tài)無功補償與諧波治理 裝置，其具有測量、計算、存儲記憶、動態(tài)補償、過零投切、過壓報警等功能，采用雙向晶閘 管來投切電容器及濾波器，對煤礦低壓電網(wǎng)的無功功率及高次諧波實現(xiàn)一體化的補償及治 理。如圖1所示，裝置的一次回路部分主要由隔離開關(guān)HK、熔斷器FU、電流互感器CT、雙向 晶閘管SCRl SCR16、電容器組IC 6C、濾波器組ILC 2LC等組成(虛線框內(nèi)的電路均 裝在防爆外殼內(nèi)部)。裝置的二次回路部分是動態(tài)無功補償與諧波治理微機控制器，如圖2所示，其主 要由主電路、數(shù)據(jù)采集電路、晶閘管觸發(fā)脈沖電路、通信電路、人機接口等路組成。主CPU 芯片采用完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片C8051F020，其片內(nèi)包括了看門狗、采樣速率為 IOOksps的12位ADC、12位的DAC、電壓基準輸出、定時器等多種資源，并集成JTAG，支持在 線編程。礦用隔爆型動態(tài)無功補償與諧波治理裝置的隔離開關(guān)HK閉合，微機控制器上電 復(fù)位并開始工作。一次回路的電流、電壓通過隔離變換及電壓形成、低通濾波保護電路、信號測量放大等數(shù)據(jù)采集電路后變?yōu)镃8051F020片內(nèi)ADC能夠處理的0 2. 5V電壓信號， C8051F片內(nèi)CPU定時采集ADC的轉(zhuǎn)換輸出來測量一次回路的電流和電壓瞬時值，并進行數(shù) 字濾波處理，實時計算出電網(wǎng)的電壓、電流有效值及無功功率、有功功率、功率因數(shù)、諧波含 量等參數(shù)。然后與保存在快速擦寫存儲器中的整定值相比較，當系統(tǒng)的無功功率大于裝置 的單組電容器值時就給晶閘管觸發(fā)脈沖電路發(fā)出投入一組電容器指令，例如當要使電容器 組IC投入時，使能C-10，C-Il輸出端，使雙向晶閘管SCRl，SCR2在電壓過零時導通，從而徹 底克服了使用接觸器投切時涌流大、電壓沖擊大、振動等缺點，并且使動態(tài)響應(yīng)時間由使用 接觸器投切時的最快1秒提高到毫秒級(本裝置的動態(tài)響應(yīng)時間為t ^ 20mS)；當系統(tǒng)的 無功功率為容性時就給晶閘管觸發(fā)脈沖電路發(fā)出切除一組電容器指令，例如當要使電容器 組IC切除時，應(yīng)禁止C-10，C-11輸出端，使雙向晶閘管SCR1，SCR2截止；控制器按照“先接 通的先分斷”的循環(huán)投切順序自動的對電容器組進行投入和切除控制，使電網(wǎng)的無功功率 消耗保持在最低狀態(tài)。當系統(tǒng)的諧波含量大于整定值時就給晶間管觸發(fā)脈沖電路發(fā)出投入 濾波器指令，反之則切除濾波器。當電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓時，則通過晶閘管觸發(fā)脈沖電路切除所 有電容器及濾波器，并在顯示報警信號，防止電容器在過電壓條件下運行。 微機控制器計算出的電網(wǎng)各數(shù)值送中文液晶顯示模塊實時顯示，裝置需預(yù)設(shè)的參 數(shù)如CT變比、每組電容器容量、過電壓定值等保存在快速擦寫存儲器24C256中。鍵盤電路 共有移位、調(diào)整、確認、退出四個鍵，程序設(shè)計時采用的鍵盤復(fù)用功能，配合中文菜單可方便 地實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、時鐘校準等工作。 本實用新型可廣泛應(yīng)用于煤礦低壓電網(wǎng)。
權(quán)利要求礦用隔爆型動態(tài)無功補償與諧波治理裝置，包括一次回路部分及二次控制回路部分，其特征在于一次回路部分包括隔離開關(guān)、熔斷器、電流互感器、雙向晶閘管、電容器組、濾波器組，熔斷器一端通過隔離開關(guān)與供電線路連接，另一端通過并聯(lián)的雙向晶閘管連接電容器組和濾波器組；二次回路部分是動態(tài)無功補償與諧波治理微機控制器，包括主電路、數(shù)據(jù)采集電路、晶閘管觸發(fā)脈沖電路、通信電路、人機接口電路，數(shù)據(jù)采集電路一端連接一次回路中的電流互感器，另一端連接微機主電路的信號輸入端，微機主電路連接晶閘管觸發(fā)脈沖電路、通信電路、人機接口等電路，晶閘管觸發(fā)脈沖電路與一次回路中的雙向晶閘管連接。
專利摘要本實用新型公開了一種礦用隔爆型無功功率補償真空電磁起動器。包括一次回路部分及二次控制回路部分。一次回路部分包括隔離開關(guān)、熔斷器、電流互感器、雙向晶閘管、電容器組、濾波器組。二次回路部分包括主電路、數(shù)據(jù)采集電路、晶閘管觸發(fā)脈沖電路、通信電路、人機接口電路。本實用新型的優(yōu)點是利用一套裝置實現(xiàn)了煤礦低壓電網(wǎng)的無功功率及高次諧波的一體化補償及治理，采用雙向晶閘管來投切電容器及濾波器，投切速度快，能夠動態(tài)地跟蹤負荷的頻繁變化；投切選擇在電壓過零點時動作，從而避免了投切過程的涌流。本實用新型設(shè)計合理，工作可靠，具有較大的推廣價值，可廣泛應(yīng)用于煤礦低壓電網(wǎng)。
文檔編號H02J3/18GK201682288SQ201020134150
公開日2010年12月22日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日
發(fā)明者劉貴山, 董躍進 申請人:山東容力達礦用電器設(shè)備有限公司