专利名称：一种矿用高压动态滤波节电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种在用电单位使用的节电装置，尤其涉及一种矿用的高压动态滤波节电装置。
背景技术：
目前高压无功滤波装置，主要分为两种，一种是无源滤波器进行静态无功补偿；一种是由有源滤波器和无源滤波器组成SVC[FC+TCR]动态无功滤波装置。所谓的SVC动态补偿是由多组单次谐波调谐电容、电抗器组成。电容器容量的总 和例如IOOOkvar电容器在感性负载停止时，防止电容器的电流倒送到电カ系统，利用晶闸管的导通角，把来不及退出的电容器组的电容电流快速的输送到假感性负载电抗器里面，达到功率因数COS Φ基本不变的目的，其中电抗器的容量必须和电容器组的总和容量相等也为IOOOkvar。功率因数是衡量电气设备的效率高低的ー个系数，功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低设备的利用率，増加线路供电损失，因此供电部门一般对用电単位的功率因数有一定的标准要求。众所周知电感线圈是吸收无功功率的元件，而电容器是发出无功功率的元件。电抗器绕制就需要线圈，线圈本身就有直流电阻，它要消耗大量的有功功率，还不包括磁损消耗的有功功率。它所吸收的无功功率会造成线路中的电流增加。导致在负荷侧安装时，使末端的电压进一歩的降低。最大的弊端是可控硅与电抗器的组合本身就是谐波源，这样的后果是使各单调谐滤波器的谐波治理负担进ー步加重，使它们永远得不到休息，寿命进ー步的缩短。另外晶闸管在运行中发热，本身就消耗有功功率，还得需要外部能源，例如水泵和风扇进行降温。投入SVC后功率因数始终维持在O. 98以上，抑制谐波的指标也达到或超越了国家指标，好像比国家标准还要好，但是对电カ系统来讲并不是功率因数越高越好，特别是短路容量很大的电网系统，大容量的电容器组在电网中运行，随时就有可能与电カ变压器产生并联振荡造成电カ系统的崩溃瓦解。再者，电カ电费执行利率电价时C0S Φ0.9不奖不罚，超过O. 9每提高O. 01个点奖I. 5厘钱，直到O. 95，按加法计算，也就是说即使COS Φ达到O. 99，每度电也只按O. 95计算，即每度电最多奖励7. 5厘钱。如果过补即反无功，则按乘法计算，下不包底，罚款更多。在电费计算中，以普通エ业为例有功kwh/小时O. 69元，无功kvarh/小时O. 2元，价格比为3 : I。再看可控电抗器的运行时间，以无功冲击最大的煤矿提升机为例实测启动-等速-停止时间为140秒，中间停止50秒，时间比为3 1，也就是说可控电抗器只有在无功冲击频繁开停的1/3时间工作。如停止时间> 5分钟，电容器组也应退出运行，可控电抗器随之停止工作。例如某煤矿不抗入SVC时基本电费100万元,罚款10万元,合计110万元,投入SVC后奖励10000元。殊不知投入SVC系统后，消耗的是有功功率，价格比为3 1，所以原基本电费100万元再加上SVC消耗的有功电费可能会超过110万元，只是从表面看不被罚款而己。如果SVC安装在国家电网变电所，可控电抗器的工作时间更短。因为主变压器的负荷是由多种类型的用电负荷组成，力率的高低并不与负荷的大小成正比(例如电阻性负荷的カ率为“1”，电动设备重负荷时カ率< O. 76，轻负荷时カ率只有< O. 4)，大型电动设备在轻负荷时，所需的无功负荷会更大，只要设定COS Φ控制器的投切预置O. 9 O. 99吋，不可能出现频繁投切情况。如果把SVC用到井下，这是不可能的，因为庞大的可控电抗器根本无法装在隔爆箱内。如果安装在远离变电所的井上，有负荷时线路中为负载电流，负荷停止时为电控器电流，根本谈不上提高力率降低线损的目的。
实用新型内容本实用新型是提供一种基于IGBT的矿用高压动态滤波节电装置，其中IGBT为有源滤波器中电容器发出无功功率的主控器件，是功率场效应管和双极型大功率晶体管(GTR)组合在一起的复合型功率器件，具有开关容量大，阻断电压高的特点，又有通断速度 快，驱动功率小的特点。从而替换掉SVC中庞大的吸收无功功率和消耗有功功率的可控电抗器，更换为发出无功功率的电容器件；替换掉制造谐波的晶闸管，更换为电气性能比GTR更高的新型电子开关元件IGBT。根据本实用新型的ー个方面，提供了一种矿用高压动态滤波节电装置，其中包括有源滤波器测控与驱动电路、平波器、有源滤波器主电路、信号检测电路、继电保护信号检测电路、无源滤波电路、有源滤波器升压变压器和栅极保护电路，其特征在干有源滤波器测控与驱动电路，其中包括彼此之间电连接的高压无功补偿谐波测控装置、脉宽调制信号发生器和驱动器，高压无功补偿谐波测控装置具有第一数目的输入端子，用于接收采样电压、采样电流、可燃气体、湿度等外部信号输入，且驱动器具有第二数目的输出端子，用于在高压无功补偿谐波测控装置和脉宽调制信号发生器的控制下产生驱动信号;平波器(L1, L2)，串联于三相高压电源(A，B, C)与负载(M)之间，是一台每相线圈同名端相连的三相一体式电抗器，与平波电容器(C1)组成“T”型电カ滤波器；有源滤波器主电路，包括六只高压大电流IGBT，其发射极分别接有限流电阻(R3)，分别具有一个与有源滤波器测控与驱动电路中驱动器输出端子连接的栅极控制端(G1, G3,G5, G2, G4, G6)，以三相全桥方式连接，每相的上下桥臂之间(Q「Q2，Q3-Q4, Q5-Q6)与有源滤波器升压变压器(BL)的抽头相连，并相对于每相电源具有相同的保护元件接法；其中有源滤波器升压变压器(BL)为三相变压器，且其串联于平波器抽头(L1, L2)与有源滤波器主电路的IGBT之间进行信号传输和波形整形；信号检测电路，其包括电流采样器(CTa)串联于第一相电源㈧与负载(M)之间，用于检测负载电流；还包括接于第二相电源⑶和第三相电源(C)之间的电压采样互感器(PT)，同时检测功率因数、谐波电压、谐波电流和无功需求量，电流采样互感器(CTa)、电压采样互感器(PT)的二次线圈的输出与高压无功补偿谐波测控装置的输入端子相连；继电保护信号检测电路，其中包括三个继电保护电流互感器(CTpCI^CT3)串联于IGBT与升压变压器(BL)之间，形成三相容性电流过流保护和缺相保护，其二次侧线圈输出端(ia，ib，ic)呈“星”形接法并和N线同时与高压无功补偿谐波测控装置继电保护输入端子相连；无源滤波电路，用于吸收谐波电流，其中包括三相滤波电抗器(L3)，三只单相电力电容(C2),和三只高压消谐电阻(R1),电容的其中一端分别与三相电抗器相连，另一端分别接入高压电カ母线，高压消谐电阻分别与三相电抗器的単相线圈并联；栅极保护电路，用于在驱动器输出高电压时进行自动保护，其中包括栅极保护三极管(Q7)，稳压ニ极管(ZD1, ZD2),瞬态电压抑制ニ极管(V2),栅极保护电阻(R4，R5)和栅极保护电容器(C5)，其中瞬态电压抑制ニ极管(V2)的负极通过IGBT的限流电阻(R5)和IGBT的栅极相连。更进一歩地，所述继电保护信号检测电路中还包括可燃气体传感器、湿度传感器和漏电检测零序互感器(OCT)，所述可燃气体传感器和所述湿度传感器的与高压无功补偿谐波测控装置的输入端子相连，负载(M)与三相高压电源的电流线全部同方向穿过所述漏电检测零序互感器(OCT)，所述漏电检测零序互感器(OCT)的二次线圈输出端与高压无功补偿谐波测控装置的输入端子相连。 更进一歩地，所述装置中还包括突波电压保护回路，其中两只瞬态电压抑制ニ极管(V1)的一端分别接入其中一相整流后的正极和负极。所述瞬态电压抑制ニ极管(V1)的另一端分别与突波保护电阻(R2)，突波吸收电容(C4)的一端相连，上臂瞬态电压抑制ニ极管(V1)的一端与第一突波保护ニ极管(D1)的正极相连，下臂瞬态电压抑制ニ极管(V1)的一端与第二突波保护ニ极管(D2)的负极相连，第一突波保护ニ极管(D1)的负极与上臂IGBT的发射极相连，第二突波保护ニ极管(D2)的正极与下臂IGBT的集电极相连后接入A相电源。更进一歩地，平波器中的平波电容器(C1)为三相三柱式电カ电容器。本实用新型中的基于IGBT的节电装置，可以避免传统节电装置中因庞大的可控电抗器运行产生的强周围磁场而给电磁兼容带来的麻烦，避免造成整套设备的占地面积增カロ。本实用新型可以把所有的元器件装在隔爆箱内，使动态无功补偿谐波治理设备进入井下成为现实，达到降低线损，提高末端电压的目的，真正做到提高电能质量和国家要求的节能减排的目的。
图I示出了根据本实用新型的矿用高压动态滤波节电装置的结构示意具体实施方式
传统的SVC动态补偿中，可控电抗的功率为总补偿电容量的100%，在电动设备运行吋，无源滤波器的电容电流对电动设备进行谐波及无功进行补偿。待电动设备停止吋，电容电流快速的向假负载(可控电抗器)放电，后果是造成能源和材料的极大浪费。在本实用新型的装置中，无源滤波器总补偿为需全部补偿容量的50%，有源滤波器为谐波及无功补偿容量的50%。在整套设备运行时，使得有源滤波器成为ー个稳定的直流恒压源。參照图1，高压动态滤波节电装置中包括有源滤波器测控与驱动电路，其中包括彼此之间电连接的高压无功补偿谐波测控装置、脉宽调制信号(PWM)发生器和驱动器，高压无功补偿谐波测控装置具有若干输入端子，可以接收采样电压、采样电流、可燃气体、湿度、N线等外部信号输入，且驱动器具有若干(如6个)输出端子，用于在高压无功补偿谐波测控装置和脉宽调制信号发生器的控制下产生驱动信号；装置中的平波器用于阻止高频电流进入负载，并防止污染电力降低供电线路电流，其由平波电抗器L1. L2、及电容器C1组成。其中L1. L2串联于电源(A、B、C相)与负载(电动机M)之间，是一台姆相线圈同名端相连的三相一体式电抗器,与电容器C1 (三相三柱式电カ电カ电容器)组成“T”型电カ滤波器。平波器同名端连接是为了不影响负载的端电压，对エ频呈低阻杭，对高频谐波呈高阻抗，两组的匝数不同，匝数小的一端接入谐波源。例如谐波源来自电源侧，匝数少的L1与电容器C1组成高频滤波器。L2则对高次谐波的电抗増加，达到減少高次谐波对负载影响的目的。其中的有源滤波器主电路，由六只高压大电流IGBT(带寄生ニ极管)，联接方式为三相全桥。每相的上下桥臂之间Qp Q2, Q3、Q4, Q5、Q6与三相升压变压器BL的抽头相连，变压器BL可使用抽头式三相自耦变压器，电源电压彡35KV时改为隔离变压器。此变压器串 联于有源滤波器与电网之间，起着信号传输和波形整形的作用，选择合适的抽头，可以降低有源滤波器的电压等级，从而降低功率开关元件的电应力。三相整流后的直流正负之间接入高电压、大容量电カ电容器C3作为容性储能元件。为了防止突波电压、突波电流对IGBT造成永久性损坏，还包括突波电压保护回路，其中两只瞬态电压抑制ニ极管V1的一端分别接入其中一相整流后的正极和负扱。V1的另一端分别与电阻R2，突波吸收电容C4的一端相连，上臂的V1的一端与ニ极管D1的正极相连，下臂V1的一端与ニ极管D2的负极相连。上臂ニ极管的负极与IGBT的发射极相连。下臂ニ极管的正极与下臂IGBT的集电极相连后接入A相电源。六只IGBT的发射极分别接有限流电阻R3。主电路中还包括栅极保护电路，由三极管Q7，稳压ニ极管ZD1, ZD2，瞬态电压抑制ニ极管V2，电阻R4、R5，和电容器C5组成，其中瞬态电压抑制ニ极管的负极与IGBT的限流电阻R5和IGBT的栅极相连。且A相、B相、C相的Q1^Q5IQpQ6的保护元件接法完全相同。以IGBT为主的有源滤波器，可以看作一台电压源逆变器，用高频PWM信号驱动功率开关管，将主电源的ー个周期分成若干等份，改变脉冲宽度即可改变大容量电容C3电容电流的大小。此时有源滤波器相当于ー个电容电流可调的可变电容器，向电网发出容性无功。信号检测电路中包括电流采样互感器(CTa)串联于第一相电源㈧与负载(M)之间，用于检测负载电流；还包括接于第二相电源⑶和第三相电源(C)之间的电压采样互感器(PT)，同时检测功率因数、谐波电压、谐波电流和无功需求量，电流采样互感器(CTa)、电压采样互感器(PT)的二次线圈的输出与高压无功补偿谐波测控装置的输入端子相连。同时CTA、PT同时兼任谐波测控信号源。继电保护信号检测电路包括串联于IGBT与升压变压器BL之间的三只电流互感器CT1XT2XT3进行三相容性电流检测，形成过流保护、缺相保护。电流互感器CT1并兼任与电流采样电流互感器CTA输入电流与输出电流相位比较的作用。电流互感器CT1. CT2, CT3 ニ次侧线圈输出端ia、ib、ic、呈“星”形接法。ia、ib、ic、N线与高压无功补偿谐波测控装置的继电保护输入端相连。继电保护信号检测电路，还包括一只可燃气体传感器与高压无功补偿谐波测控装置的继电保护输入端相连。还包括一只湿度传感器与高压无功补偿谐波测控装置的继电保护输入端相连。还包括一只漏电检测零序互感器OCT进行漏电保护。电感性负荷(M)与补偿成套设备的三根电流线全部同方向，穿过OCT接入电网(原理iiA+iB、+ic> +i。幸O)。OCT的二次线圈输出端与高压无功补偿谐波测控装置的继电保护输入端相连。经过上述处理，高压无功补偿谐波测控装置的输出端可以接收来自电流采样互感器(CTa)、电压采样互感器(PT)的二次线圈的输出，电流互感器CT1. CT2, CT3 二次侧线圈和N线的输出，进行漏电保护的漏电检测零序互感器OCT的输出以及可燃气体传感器、湿度传感器等输出作为谐波测控的输入信号。无源滤波电路用于吸收谐波电流，其中包括三相滤波电抗器(L3),三只单相电力电容(C2),和三只高压消谐电阻(R1),电容的其中一端分别与三相电抗器相连，另一端分别接入高压电カ母线，高压消谐电阻分别与三相电抗器的単相线圈并联。无源滤波器主要由电容器C2、电抗器L3组成抑制5次以上的谐波滤波器。R1的作用是吸收11次以上的高次谐波时起主要作用。还起到消谐的作用，因为在煤矿井下高次谐波主要是5次以上的奇次谐波，所以本方案中定义滤波电抗率为5%，理由是
权利要求1.ー种矿用高压动态滤波节电装置，其中包括有源滤波器测控与驱动电路、平波器、有源滤波器主电路、信号检测电路、继电保护信号检测电路、无源滤波电路、有源滤波器升压变压器和栅极保护电路，其特征在于 有源滤波器测控与驱动电路，其中包括彼此之间电连接的高压无功补偿谐波测控装置、脉宽调制信号发生器和驱动器，高压无功补偿谐波测控装置具有第一数目的输入端子，用于接收采样电压、采样电流、可燃气体、湿度等外部信号输入，且驱动器具有第二数目的输出端子，用于在高压无功补偿谐波测控装置和脉宽调制信号发生器的控制下产生驱动信号; 平波器(L1, L2),串联于三相高压电源(A，B，C)与负载(M)之间，是一台每相线圈同名端相连的三相一体式电抗器，与平波电容器(C1)组成“ T”型电カ滤波器； 有源滤波器主电路，包括六只高压大电流IGBT，其发射极分别接有限流电阻(R3)，分别 具有一个与有源滤波器测控与驱动电路中驱动器输出端子连接的栅极控制端(G1, G3, G5,G2, G4, G6),以三相全桥方式连接，每相的上下桥臂之间(Q1-Q2, Q3-Q4, Q5-Q6)与有源滤波器升压变压器(BL)的抽头相连，并相对于每相电源具有相同的保护元件接法；其中有源滤波器升压变压器(BL)为三相变压器，且其串联于平波器抽头(L1, L2)与有源滤波器主电路的IGBT之间进行信号传输和波形整形； 信号检测电路，其包括电流采样互感器(CTa)串联于第一相电源(A)与负载(M)之间，用于检测负载电流；还包括接于第二相电源⑶和第三相电源(C)之间的电压采样互感器(PT)，同时检测功率因数、谐波电压、谐波电流和无助需求量，电流采样互感器(CTa)、电压采样互感器(PT)的二次线圈的输出与高压无功补偿谐波测控装置的输入端子相连； 继电保护信号检测电路，其中包括三个继电保护电流互感器(CT1, CT2, CT3)串联于IGBT与升压变压器(BL)之间，形成三相容性电流过流保护和缺相保护，其二次侧线圈输出端(ia，ib，ic)呈“星”形接法并和N线同时与高压无功补偿谐波测控装置继电保护输入端子相连； 无源滤波电路，用于吸收谐波电流，其中包括三相滤波电抗器(L3),三只单相电カ电容(C2),和三只高压消谐电阻(R1),电容的其中一端分别与三相电抗器相连，另一端分别接入高压电カ母线，高次消谐电阻分别与三相电抗器的単相线圈并联； 栅极保护电路，用于在驱动器输出高电压时进行自动保护，其中包括栅极保护三极管(Q7)，稳压ニ极管(ZD1, ZD2),瞬态电压抑制ニ极管(V2),栅极保护电阻(R4，R5)和栅极保护电容器(C5)，其中瞬态电压抑制ニ极管(V2)的负极通过IGBT的限流电阻(R5)和IGBT的栅极相连。
2.如权利要求I所述的节电装置，所述继电保护信号检测电路中还包括可燃气体传感器、湿度传感器和漏电检测零序互感器(OCT)，所述可燃气体传感器和所述湿度传感器的与高压无功补偿谐波测控装置的输入端子相连，负载(M)与三相高压电源的电流线全部同方向穿过所述漏电检测零序互感器(OCT)，所述漏电检测零序互感器(OCT)的二次线圈输出端与高压无功补偿谐波测控装置的输入端子相连。
3.如权利要求I所述的节电装置，其中还包括突波电压保护回路，其中两只瞬态电压抑制ニ极管(V1)的一端分别接入其中一相整流后的正极和负扱。所述瞬态电压抑制ニ极管(V1)的另一端分别与突波保护电阻(R2)、突波吸收电容(C4)的一端相连，上臂瞬态电压抑制ニ极管(V1)的一端与第一突波保护ニ极管(D1)的正极相连，下臂瞬态电压抑制ニ极管(V1)的一端与第二突波保护ニ极管(D2)的负极相连，第一突波保护ニ极管(D1)的负极与上臂IGBT的发射极相连，第二突波保护ニ极管(D2)的正极与下臂IGBT的集电极相连后接入A相电源。
4.如权利要求I所述的节电装置，其中平波器中的平波电容器(C1)为三相三柱式电カ电容器。
专利摘要提供一种基于IGBT的矿用高压动态滤波节电装置，其中包括有源滤波器测控与驱动电路、平波器、有源滤波器主电路、信号检测电路、继电保护信号检测电路、无源滤波电路、有源滤波器升压变压器和栅极保护电路。替换掉SVC中庞大的吸收无功功率和消耗有功功率的可控电抗器，更换为发出无功功率的电容器件；替换掉制造谐波的晶闸管，更换为电气性能比GTR更高的新型电子开关元件IGBT。所有的元器件装在隔爆箱内，使动态无功补偿谐波治理设备进入井下成为现实，达到降低线损，提高末端电压的目的。
文档编号H02J3/18GK202405792SQ20122000052
公开日2012年8月29日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者彭立华, 李玉泉, 王怀新, 王钰洲 申请人:北京华东电气股份有限公司