礦用隔爆型動態無功補償與諧波治理裝置的製作方法
2023-05-13 08:38:46 1
專利名稱：礦用隔爆型動態無功補償與諧波治理裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種煤礦井下供電系統的動態無功補償與諧波治理裝置。
背景技術：
目前，煤礦井下低壓供電系統(1140V、660V)中普遍存在兩大問題，一是綜採、綜 掘及運輸系統大功率電動機因供電距離遠，壓降大，造成啟動困難，影響企業正常生產；二 是無功損耗大，電量浪費相當嚴重，影響企業經濟效益。造成以上問題的主要原因之一是電 感性負載產生的無功功率而導致的功率因數降低。煤礦井下低壓供電系統中的功率因數普 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。由於煤礦電網中的負荷大部分是感性負載，因此，在電網中安裝並聯電容器可以 供給感性電抗消耗的部分無功功率。並聯電容器補償簡單經濟，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備，如採煤機、大型刮板輸送機、泵站、轉載機等，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負荷的變化進行動態補償。而 並聯電容器只能補償固定無功，容易造成過補或欠補，無法滿足系統的實際需要，還有可能 和系統發生並聯諧振，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 據功率因數的變化，對電容器組進行自動投切，以實現對無功功率的自動補償。目前在煤礦井下低壓電網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，它的主要缺點是開關速度較慢，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衝擊湧流和操作過電壓，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作為檢測量和控制目標，由於功率因數取樣方式僅檢測電網中的 電壓與電流的相位差，因此並不能準確反映電網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和用戶設備的安全運行。與此同時，煤礦井下低壓電網中的各種變頻調速裝置、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用，給礦井帶來節能和能量轉換的同時，也給供電網 絡造成了嚴重的汙染，大量的諧波注入礦井電網，造成系統效率變低並對其他設備和裝置 產生擾動，威脅礦井電網的安全運行。對於煤礦低壓電網來說，由於供電系統的結構和諧波 的次數已經基本固定，因此一般採用由濾波電容器、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採用以交流接觸器作為投切開關，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衝擊湧流和操作 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部擊穿，嚴重影響了裝置自 身的使用壽命。發明內容本實用新型的目的是克服上述缺陷並提供一種煤礦井下供電系統使用的隔爆型 動態無功補償與諧波治理裝置，其具有測量、計算、存儲記憶、動態補償、過零投切、過壓報 警等功能，採用雙向晶閘管來投切電容器及濾波器，對煤礦低壓電網的無功功率及高次諧 波實現一體化的補償及治理。本實用新型的技術方案是礦用隔爆型動態無功補償與諧波治理裝置包括一次迴路部分及二次控制迴路部 分。一次迴路部分包括隔離開關、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與供電線路連接，另一端通過並聯的雙向晶閘管連接電容器組和濾 波器組。隔離開關在裝置檢修時將需要檢修的電氣設備與帶電的電網可靠地隔離，以保 證檢修工作的安全。熔斷器實現短路保護功能。電流互感器將供電線路的大電流變換成小電流用於二次迴路採樣。雙向晶閘管實現電容器及濾波器的無觸點投切。電容器組根據總補償容量進行分組，由微機控制投切，以實現對無功功率的自動 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。二次迴路部分是動態無功補償與諧波治理微機控制器，包括主電路、數據採集電 路、晶閘管觸發脈衝電路、通信電路、人機接口電路，數據採集電路一端連接一次迴路中的 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脈衝電路、 通信電路、人機接口等電路，晶閘管觸發脈衝電路與一次迴路中的雙向晶閘管連接。微機主電路主CPU晶片採用完全集成的混合信號系統級晶片C8051F，另配快速 擦寫存儲器及實時時鐘電路。C8051F是一種十分適合於測控系統的機型，其採用了流水線 技術，指令的執行效率高，片內包括了看門狗、ADC、DAC、電壓基準輸出、定時器等多種資源， 併集成JTAG，支持在線編程。快速擦寫存儲器(Flash)及實時時鐘電路用來存儲系統預設 參數、事故記錄並提供相應的時刻。數據採集電路包括電流、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，用於測量一次迴路的電流和電壓，並將信號送到微機主電路中的A/D轉換器中。晶閘管觸發脈衝電路CPU通過對測量結果分析、判斷，決定是否輸出觸發脈衝進 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生湧流，電容的投 切選擇在電網電壓過零點時動作。通信電路採用RS485與上位機通信，主要用來進行電網運行參數和系統運行狀 態的數據輸出，可與煤礦安全監測系統聯網。人機接口電路由中文液晶顯示模塊、鍵盤等電路組成。鍵盤部分用於參數設定 等功能，而液晶顯示部分顯示電網的運行狀況，包括顯示系統電壓、電流、有功功率、無功功 率、功率因數、電容器、濾波器的投切狀態等內容。礦用隔爆型動態無功補償與諧波治理裝置進入工作狀態後，微機主電路通過數據採集電路測量一次迴路的電流和電壓瞬時值，並進行數字濾波處理，實時計算出電網的電 壓、電流有效值及無功功率、有功功率、功率因數、諧波含量等參數。然後與保存在快速擦寫 存儲器中的整定值相比較，當系統的無功功率大於裝置的單組電容器值時就給晶閘管觸發 脈衝電路發出投入一組電容器指令；當系統的無功功率為容性時就給晶閘管觸發脈衝電路 發出切除一組電容器指令；當系統的諧波含量大於整定值時就給晶閘管觸發脈衝電路發出 投入濾波器指令，反之則切除濾波器。當電網出現過電壓時，則通過晶閘管觸發脈衝電路切 除所有電容器及濾波器。本實用新型的優點是利用一套裝置實現了煤礦低壓電網的無功功率及高次諧波 的一體化補償及治理，採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湧流。本實用新 型設計合理，工作可靠，具有較大的推廣價值。上述所述礦用隔爆型動態無功補償與諧波治理裝置外部設有防爆外殼。
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，礦用隔爆型動態無功補償與諧波治理裝置包括一次迴路 部分及二次控制迴路部分。一次迴路部分包括隔離開關、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與供電線路連接，另一端通過並聯的雙向晶 閘管連接電容器組和濾波器組。二次迴路部分是動態無功補償與諧波治理微機控制器，包 括主電路、數據採集電路、晶閘管觸發脈衝電路、通信電路、人機接口電路組成，數據採集電 路一端連接一次迴路中的電流互感器，另一端連接微機主電路的信號輸入端，微機主電路 連接晶閘管觸發脈衝電路、通信電路、人機接口等電路，晶閘管觸發脈衝電路與一次迴路中 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使用的隔爆型動態無功補償與諧波治理 裝置，其具有測量、計算、存儲記憶、動態補償、過零投切、過壓報警等功能，採用雙向晶閘 管來投切電容器及濾波器，對煤礦低壓電網的無功功率及高次諧波實現一體化的補償及治 理。如圖1所示，裝置的一次迴路部分主要由隔離開關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(虛線框內的電路均 裝在防爆外殼內部)。裝置的二次迴路部分是動態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、數據採集電路、晶閘管觸發脈衝電路、通信電路、人機接口等路組成。主CPU 晶片採用完全集成的混合信號系統級晶片C8051F020，其片內包括了看門狗、採樣速率為 IOOksps的12位ADC、12位的DAC、電壓基準輸出、定時器等多種資源，併集成JTAG，支持在 線編程。礦用隔爆型動態無功補償與諧波治理裝置的隔離開關HK閉合，微機控制器上電 復位並開始工作。一次迴路的電流、電壓通過隔離變換及電壓形成、低通濾波保護電路、信號測量放大等數據採集電路後變為C8051F020片內ADC能夠處理的0 2. 5V電壓信號， C8051F片內CPU定時採集ADC的轉換輸出來測量一次迴路的電流和電壓瞬時值，並進行數 字濾波處理，實時計算出電網的電壓、電流有效值及無功功率、有功功率、功率因數、諧波含 量等參數。然後與保存在快速擦寫存儲器中的整定值相比較，當系統的無功功率大於裝置 的單組電容器值時就給晶閘管觸發脈衝電路發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湧流大、電壓衝擊大、振動等缺點，並且使動態響應時間由使用 接觸器投切時的最快1秒提高到毫秒級(本裝置的動態響應時間為t ^ 20mS)；當系統的 無功功率為容性時就給晶閘管觸發脈衝電路發出切除一組電容器指令，例如當要使電容器 組IC切除時，應禁止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」的循環投切順序自動的對電容器組進行投入和切除控制，使電網的無功功率 消耗保持在最低狀態。當系統的諧波含量大於整定值時就給晶間管觸發脈衝電路發出投入 濾波器指令，反之則切除濾波器。當電網出現過電壓時，則通過晶閘管觸發脈衝電路切除所 有電容器及濾波器，並在顯示報警信號，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各數值送中文液晶顯示模塊實時顯示，裝置需預設的參 數如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、調整、確認、退出四個鍵，程序設計時採用的鍵盤復用功能，配合中文菜單可方便 地實現參數設置、時鐘校準等工作。 本實用新型可廣泛應用於煤礦低壓電網。
權利要求礦用隔爆型動態無功補償與諧波治理裝置，包括一次迴路部分及二次控制迴路部分，其特徵在於一次迴路部分包括隔離開關、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與供電線路連接，另一端通過並聯的雙向晶閘管連接電容器組和濾波器組；二次迴路部分是動態無功補償與諧波治理微機控制器，包括主電路、數據採集電路、晶閘管觸發脈衝電路、通信電路、人機接口電路，數據採集電路一端連接一次迴路中的電流互感器，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脈衝電路、通信電路、人機接口等電路，晶閘管觸發脈衝電路與一次迴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。包括一次迴路部分及二次控制迴路部分。一次迴路部分包括隔離開關、熔斷器、電流互感器、雙向晶閘管、電容器組、濾波器組。二次迴路部分包括主電路、數據採集電路、晶閘管觸發脈衝電路、通信電路、人機接口電路。本實用新型的優點是利用一套裝置實現了煤礦低壓電網的無功功率及高次諧波的一體化補償及治理，採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湧流。本實用新型設計合理，工作可靠，具有較大的推廣價值，可廣泛應用於煤礦低壓電網。
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 優先權日2010年3月18日
發明者劉貴山, 董躍進 申請人:山東容力達礦用電器設備有限公司