矿用功率补偿装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种矿用功率补偿装置，其包括电气部分与隔爆和散热装置结构部分，其特征在于所述电气部分包括SVG、固定电容（FC）、链式H桥功率单元、装置接入开关、电容补偿支路和控制单元；所述SVG由连接电抗器、逆变器和直流电容器组成；所述固定电容（FC）由固定补偿电容器和联接电抗器组成；所述链式H桥功率单元的结构是由IGBT组成的桥电路全连式结构；所述控制单元主要包括主控机箱、可编程逻辑控制器和触摸屏；所述隔爆和散热装置结构部分由起动箱、功率单元箱、电抗器箱和电容器箱组成。所述矿用功率补偿装置可有效保障生产并降低能耗。
【专利说明】矿用功率补偿装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种矿用功率补偿装置，具体地涉及一种补偿性能和隔爆性能得到综合改善的功率补偿装置
【背景技术】
[0002]随着煤炭行业采掘机械设备的总装机容量及单台装机容量的不断增加以及矿区周边变电所的低压系统处于环境条件恶劣，供电线路距离比较远等原因，造成供电线路损耗大，平均功率因数都很低，并且采掘机械设备的容量不能充分利用，因此，很多矿区开始考虑提高功率因数以满足采掘机械设备的补偿需要。现有技术中，采取的方法就是直接在采区的变电所内安装普通的无功功率补偿系统来提高采掘机械设备的功率因数，这种方法虽然可以达到补偿无功功率，提高功率因数的目的，但是由于矿区内含有甲烷等爆炸性气体，当普通的无功功率补偿系统工作时极易引燃爆炸性气体而发生爆炸事故，给矿井以及矿井下的作业人员造成很大的威胁。
[0003]因此，由于煤矿电网中的负荷大部分是感性负载，在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗的部分无功功率。并联电容器补偿简单经济，灵活方便。但当今煤矿中存在着大量无功功率频繁变化的设备，如采煤机、大型刮板输送机、泵站、转载机等，这些负荷的特点:功率大，启动频繁等。这就要求补偿装置能够根据负荷的变化进行动态补偿。而并联电容器只能补偿固定无功，容易造成过补或欠补，无法满足系统的实际需要，还有可能和系统发生并联谐振，导致谐波放大。因此，当前一般对电容器分组，利用微机进行控制，根据功率因数的变化，对电容器组进行自动投切，以实现对无功功率的自动补偿。
[0004]目前在煤矿井下低压电网中使用的无功自动补偿装置主要有以下缺陷:一是以交流接触器作为电容器的投切开关，它的主要缺点是开关速度较慢，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较严重的冲击涌流和操作过电压，从而造成交流接触器的接点烧毁或是补偿电容器的内部击穿，严重影响了装置自身的使用寿命；二是在控制方式上以功率因数作为检测量和控制目标，由于功率因数取样方式仅检测电网中的电压与电流的相位差，因此并不能准确反映电网中负荷的无功分量大小，轻载时容易造成投切震荡从而影响补偿装置的使用寿命以及电网和用户设备的安全运行。
[0005]与此同时，煤矿井下低压电网中的各种变频调速装置、整流器等负荷容量不断增长。大量电力电子功率器件及装置的应用，给矿井带来节能和能量转换的同时，也给供电网络造成了严重的污染，大量的谐波注入矿井电网，造成系统效率变低并对其他设备和装置产生扰动，威胁矿井电网的安全运行。对于煤矿低压电网来说，由于供电系统的结构和谐波的次数已经基本固定，因此一般采用由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波器来抑制谐波。而当前的无源滤波器一般采用以交流接触器作为投切开关，用人工方式固定投入使用，这种方式的主要缺陷是不能快速跟踪负载的变化，当产生谐波的负载切除时，滤波器不能及时切除，而且用接触器投切滤波器时会引起较严重的冲击涌流和操作过电压，从而造成交流接触器的接点烧毁或是滤波电容器的内部击穿，严重影响了装置自身的使用寿命。
[0006]SVG可以提高煤矿电网的功率因数，降低输送线路中的电力损耗，提高线路输电能力和变压器的负载能力，治理谐波，抑制电压波动，从而达到节能降耗和改善电能质量的效果，可以取得良好的经济效益，在煤矿电网中具有广阔的应用前景。因此，近些年来，SVG动态无功补偿及谐波综合治理装置受到广泛研究。
[0007]CN201120124248公开了一种矿用防爆型滤波补偿节能成套装置，其包括控制器及投切单元，所述投切单元包括三组电容器，每组电容器由三个电容C呈三角形连接，电容C之间的三个电连接点与配电系统的三相母线A、B、C之间串接有真空接触器、电抗器、隔离开关，配电系统三相母线上设有电流互感器，电抗器与真空接触器之间的设有电压互感器，所述控制器的输入端分别与电流互感器、电压互感器电连接，所述真空接触器的控制端与控制器的输出端电连接，所述控制器通过采样电流互感器与电压互感器得到电流电压信号进行处理，并通过真空接触器控制三组电容器投切。然而，该装置对配电系统电流电压信号的采集仍存在滞后，节能效果欠佳。
[0008]CN200920280642公开了一种矿用无功功率自动补偿装置，其由壳体部分和电气部分构成，电气部分安装于壳体部分内，电气部分由隔离开关、无功功率补偿控制器、可编程控制器、真空接触哭、保护熔断器、电容器组、电抗器组、电流互感器、控制变压器构成，其中矿用无功功率自动补偿装置的壳体采用双开门结构，在左前门及右前门上分别设计有观察窗，观察窗后方的门内壁上分别固定连接有参数显示器，参数显示器的显示屏位置与观察窗相对应。上述结构的自动补偿装置比传统设备可显示更多的参数，但是补偿灵敏度不高。
[0009]因此，需要一种补偿灵敏度高、效率高、节约电能以及降低系统损耗的矿用动态补
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【发明内容】
[0010]针对现有技术中存在的上述问题，本发明人经过深入研究，提供了一种矿用功率补偿装置及其控制方法。
[0011]在一方面，提供了一种矿用功率补偿装置，其可包括电气部分与隔爆和散热装置结构部分，其特征在于所述电气部分包括SVG、固定电容(Fe)、链式H桥功率单元、装置接入开关、电容补偿支路和控制单元；
[0012]所述SVG可由连接电抗器、逆变器和直流电容器组成，每相电路通过两个额定电压为3000V的变流模块进行级联，再经过连接电抗器直接接入3300V电网；其中所述逆变器包括功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、功率开关管S5、功率开关管S6、滤波电感LI和滤波电感L2，功率开关管SI的集电极与功率开关管S3的集电极连接后再与直流DC的正极连接；功率二极管Dl的阴极分三路分别与功率开关管SI的发射极、功率开关管S5的集电极以及滤波电感LI的一端连接，滤波电感LI的另一端与滤波电容C的一端连接，功率二极管Dl的阳极分两路分别与功率开关管S6的发射极以及功率开关管S4的集电极连接；功率二极管D2的阴极分三路分别与功率开关管S3的发射极、功率开关管S6的集电极以及滤波电感L2的一端连接，滤波电感L2的另一端与滤波电容C的另一端连接，功率二极管D2的阳极分两路分别与功率开关管S5的发射极以及功率开关管S2的集电极连接；功率开关管S2的发射极与功率开关管S4的发射极连接后与直流DC的负极连接。
[0013]在上述逆变器设计中，功率开关管S5与功率二极管D2和功率开关管S6与功率二极管Dl构成交流芳路，可有效的减小共|旲漏电流。另外，在闻频开关管关断时，功率开关管S5与功率二极管D2或功率开关管S6与功率二极管Dl构成交流旁路，滤波电感输入侧对DC负的电压为0.5Vdc,而双极性调制时，滤波电感输入侧对DC负电压为Vdc，所以输出电流的谐波较小。由于采用单极性调制方式，减少了功率开关管的开通个数，所以转换效率较高，且能够实现无功补偿。
[0014]所述固定电容(FC)可以由固定补偿电容器和联接电抗器组成。
[0015]所述链式H桥功率单元的结构可以是由IGBT组成的桥电路全连式结构。
[0016]所述控制单元可主要包括主控机箱、可编程逻辑控制器和触摸屏。
[0017]所述隔爆和散热装置结构部分可由无功补偿及有源滤波装置用矿用隔爆型电抗器的箱体(即起动箱)、矿用隔爆兼本质安全型无功补偿及有源滤波器的箱体(即功率单元箱)、电容补偿装置用矿用隔爆型电抗器的箱体(即电抗器箱)、和电容补偿装置用矿用隔爆型电容器的箱体(即电容器箱)组成。
[0018]在上述隔爆和散热装置结构部分中，起动箱和功率单元箱为第一支路，电抗器箱和电容器箱为第二支路，这两支路并联后接入电网中。
[0019]固定电容(FC)的回路可以主要由大容量高压电容器、串联电抗器、机械投切装置构成，用于向系统提供容性无功并滤除一定数量的谐波。
[0020]电容补偿支路能够向SVG的补偿能力提供补充。
[0021]本发明的功率补偿装置的调节容量为在感性5000kvar至容性5000kvar连续可调。
[0022]在一个优选方式中，本发明的隔爆和散热装置结构部分中，箱体为隔爆兼本质安全型三腔设计，主腔和接线腔均为长方体结构，主腔安装热管散热器，热管散热器的基板上安装IGBT功率元件、电容、热传感器等元器件，主腔体与门盖采用螺栓紧固结构，接线腔设有电缆引入装置，通过电缆引入装置对外连接，箱体还设置有热管散热器及散热器罩，并安装上下两个矿用隔爆型通风机，以加强散热。
[0023]电容补偿支路的电容器可以为高真空条件下在聚丙烯膜上喷涂金属层、然后卷制、再经过高真空浸溃后浙干、装入塑料盒内、用热固树脂密封而成的元件，。由于聚丙烯膜有很好的抗老化性，电容器具有自愈性，损耗和温升极低，因此这种电容器具有很长的寿命和很高的可靠性。在本发明中，通过用所述电容器，以坚固的引线代替了易碎的瓷套管，避免了安装时可能发生的损坏。此外，电容器每个单元均装有放电电阻，当电容器从电源上断开后，可在很短时间内使电容器极间电压降至安全值以下。
[0024]在另一方面，本发明还提供了上文所述矿用功率补偿装置的控制方法，其包括使SVG首先通过充电电阻对直流侧电容充电，当直流电容电压达到预定值后，短接接触器闭合，充电过程结束，SVG开始工作，SVG的主控制器通过采集系统母线侧的电压、电流信号，计算得出需补偿的谐波电流或无功电流，最后控制器生成逆变器所需的驱动信号，控制逆变器产生与负载谐波电流或无功电流幅值相等而相位相反的补偿电流，从而实现滤除谐波或补偿无功的目的。
[0025]所述SVG的控制方法优选为电流间接控制法，逆变器的输出电压与电网侧电压同相位，装置不消耗有功功率。
[0026]优选地，将所述矿用功率补偿装置与高压电容补偿装置并联使用，两部分并联构成的静止型动态无功补偿成套装置的无功调节范围为O?IOOOOkvar。
[0027]本发明的功率补偿装置在煤矿实地运用中，负荷电机启动时电压可由原来的
2.50kV提高到2.81kV，电流由161A下降到120A，电流突变的时间由原来的约4.6s缩短到
1.8s，启动全过程由约45s缩短到约30s，负荷电机运行时功率因数由0.77上升到0.97，无功功率由208kvar下降到19kvar,谐波电流由40A下降到29A。由此明显可以看出，电压降有效地得到抑制，启动电流降低，启动时间也明显缩短，另外电网系统在运行时的电压稳定，事故率下降，开机率提高，相应地事故处理时间减少，正常生产时间增加，从而实现了减少事故，增产增效，减少投资费用的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明的隔爆和散热装置结构部分的示意图。
[0029]图2是本发明的逆变器的电路结构图。
[0030]在图1中，附图标记说明如下:1 一起动箱，2 —功率单兀箱,3 —电抗器箱,4 一电容器箱，5 —配电装置,6 —负荷电机。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图，进一步阐述本发明，但本发明并不限于所述附图。
[0032]实施例1:隔爆和散热装置结构
[0033]参考图1，所述隔爆和散热装置结构主要包括起动箱(I)、功率单元箱(2)、电抗器箱(3)和电容器箱(4)四个部分，所述箱体通过配电装置(5)与负荷电机(6)相连，起动箱
(I)和电抗器箱(3)并联。
[0034]实施例2:逆变器的电路结构
[0035]参考图2，逆变器的电路结构包括:功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、功率开关管S5、功率开关管S6、滤波电感LI和滤波电感L2。功率开关管SI的集电极与功率开关管S3的集电极连接后与直流DC的正极连接；功率二极管Dl的阴极分三路分别与功率开关管SI的发射极、功率开关管S5的集电极以及滤波电感LI的一端连接，滤波电感LI的另一端与滤波电容C的一端连接，功率二极管Dl的阳极分两路分别与功率开关管S6的发射极以及功率开关管S4的集电极连接；功率二极管D2的阴极分三路分别与功率开关管S3的发射极、功率开关管S6的集电极以及滤波电感L2的一端连接，滤波电感L2的另一端与滤波电容C的另一端连接，功率二极管D2的阳极分两路分别与功率开关管S5的发射极以及功率开关管S2的集电极连接；功率开关管S2的发射极与功率开关管S4的发射极连接后与直流DC的负极连接。
[0036]本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。
【权利要求】
1.一种矿用功率补偿装置，其包括电气部分与隔爆和散热装置结构部分，其特征在于所述电气部分包括SVG、固定电容(Fe)、链式H桥功率单元、装置接入开关、电容补偿支路和控制单兀； 所述SVG由连接电抗器、逆变器和直流电容器组成，每相电路通过两个额定电压为3000V的变流模块进行级联，再经过连接电抗器直接接入3300V电网；其中所述逆变器包括功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、功率开关管S5、功率开关管S6、滤波电感LI和滤波电感L2，功率开关管SI的集电极与功率开关管S3的集电极连接后再与直流DC的正极连接；功率二极管Dl的阴极分三路分别与功率开关管SI的发射极、功率开关管S5的集电极以及滤波电感LI的一端连接，滤波电感LI的另一端与滤波电容C的一端连接，功率二极管Dl的阳极分两路分别与功率开关管S6的发射极以及功率开关管S4的集电极连接；功率二极管D2的阴极分三路分别与功率开关管S3的发射极、功率开关管S6的集电极以及滤波电感L2的一端连接，滤波电感L2的另一端与滤波电容C的另一端连接，功率二极管D2的阳极分两路分别与功率开关管S5的发射极以及功率开关管S2的集电极连接；功率开关管S2的发射极与功率开关管S4的发射极连接后与直流DC的负极连接； 所述固定电容(FC)由固定补偿电容器和联接电抗器组成； 所述链式H桥功率单元的结构是由IGBT组成的桥电路全连式结构； 所述控制单元主要包括主控机箱、可编程逻辑控制器和触摸屏； 所述隔爆和散热装置结构部分由无功补偿及有源滤波装置用矿用隔爆型电抗器的箱体(即起动箱)、矿用隔爆 兼本质安全型无功补偿及有源滤波器的箱体即功率单元箱、电容补偿装置用矿用隔爆型电抗器的箱体(即电抗器箱)、和电容补偿装置用矿用隔爆型电容器的箱体(即电容器箱)组成。
2.根据权利要求1的矿用功率补偿装置，其中起动箱和功率单元箱为第一支路，电抗器箱和电容器箱为第二支路，这两支路并联后接入电网中。
3.根据权利要求1或2的矿用功率补偿装置，其中所述固定电容(FC)的回路主要由大容量高压电容器、串联电抗器、机械投切装置构成，用于向系统提供容性无功并滤除一定数量的谐波。
4.根据前述权利要求中任一项的矿用功率补偿装置，其中所述电容补偿支路向SVG的补偿能力提供补充。
5.根据前述权利要求中任一项的矿用功率补偿装置，其中该功率补偿装置的调节容量为在感性5000kvar至容性5000kvar连续可调。
6.根据前述权利要求中任一项的矿用功率补偿装置，其中所述箱体为隔爆兼本质安全型三腔设计，主腔和接线腔均为长方体结构，主腔安装热管散热器，热管散热器的基板上安装IGBT功率元件、电容、热传感器等元器件，主腔体与门盖采用螺栓紧固结构，接线腔设有电缆引入装置，通过电缆引入装置对外连接，箱体还设置有热管散热器及散热器罩，并安装上下两个矿用隔爆型通风机来加强散热。
7.根据前述权利要求中任一项的矿用功率补偿装置，所述电容补偿支路的电容器为高真空条件下在聚丙烯膜上喷涂金属层、然后卷制、再经过高真空浸溃后浙干、装入塑料盒内、用热固树脂密封而成的元件。
8.权利要求1-7中任一项的矿用功率补偿装置的控制方法，其包括使SVG首先通过充电电阻对直流侧电容充电，当直流电容电压达到预定值后，短接接触器闭合，充电过程结束，SVG开始工作，SVG的主控制器通过采集系统母线侧的电压、电流信号，计算得出需补偿的谐波电流或无功电流，最后控制器生成逆变器所需的驱动信号，控制逆变器产生与负载谐波电流或无功电流幅值相等而相位相反的补偿电流，从而实现滤除谐波或补偿无功。
9.根据权利要求8的控制方法，其中所述SVG的控制方法为电流间接控制法，逆变器的输出电压与电网侧电压同相位，装置不消耗有功功率。
10.根据权利要求8或9的控制方法，其中将所述矿用功率补偿装置与高压电容补偿装置并联使用，两部分并联构成的静止型动态无功补偿成套装置的无功调节范围为O~1000Okvar0
【文档编号】H02J3/18GK103762604SQ201410001896
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】苏成勇, 陈定忠, 徐龙霞, 宋加春, 季勇, 刘汉顺 申请人:江苏中联电气股份有限公司