矿热炉智能无功补偿系统的制作方法

本发明涉及矿热炉低压侧无功补偿系统领域，特别涉及无功补偿器的智能无功补偿。

背景技术：

矿热炉是一种耗电量巨大的工业电炉，矿热炉的结构以及工作特点决定了变压器多处于无功运行状态，其短网上大量的无功消耗及由此产生的大幅度的工作电压降是导致低产量，高电耗的主要原因。短网的低电压大电流特征决定了短网会产生大量的无功功率，无功功率会严重占用变压器荷载，制约了变压器输送有功的能力，致使炉变功率因数较低，一般都在0.6～0.8之间，较低的功率因数不仅使变压器的效率下降，产生大量的无用功，还会被电力部门加收额外的电力罚款，使三相间的电力不平衡加大，导致冶炼效率低下，电耗增高；再加上矿热炉变压器的短网布置长度不等，冶炼造成的三相功率不平衡和冶炼电弧变化所产生的无功在炉变和短网、变压器、供电网络上流转，加剧了整个矿热炉的无功损耗。为了减少电网的损耗，提高供电质量，供电局要求用电企业的功率因数要在0.9以上，否则要对用电企业处以高额罚款。同时功率因数偏低，也会降低矿热炉的进线电压，影响电石的冶炼。故目前国内外大容量矿热炉都要加装无功补偿装置，以提高矿热炉的功率因数。

现目前功率因数采集和无功补偿控制需停止后进行人工补偿投入，并在补偿器上进行参数设置，对操作技术要求较高，特别是现场操作人员，不利于灵活控制，同时不能反馈当前投入和切除状态的实际情况

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种矿热炉智能无功补偿系统，旨在实现无功补偿的自动控制投入与切除，同时进行实时监控反馈矿热炉内数据的目的。

本发明的技术方案是提供一种矿热炉智能无功补偿系统，包括电流/电压采集模块、功率因数检测模块、投切控制模块、晶闸管触发模块、电容器投切模块；其中，所述电流/电压采集模块、功率因数检测模块、投切控制模块、晶闸管触发模块、电容器投切模块依次连接；所述电流/电压采集模块将采集到的短网电压和投入电流输入到功率因数检测模块，所述功率因数检测模块通过接收电流/电压采集模块的数据，检测功率因数后传输至投切控制模块，所述投切控制模块依据功率因数发送控制指令至晶闸管触发模块决定电容器投切模块进行电容器投入。

进一步的，还包括监测反馈系统，所述监测反馈系统一端连接到电容器投切模块，另一端连接到投切控制模块，所述监测反馈系统通过监测电容器投切模块对矿热炉内投入情况，反馈信息至投切控制模块，通过所述投切控制模块调节电容器投入参数。

进一步的，所述监测反馈系统实时监测炉内数据变化，当入炉功率增加、炉内熔池面积变大，系统将发出警告信息反馈信息至投切控制模块，所述投切控制模块调节电极的电流、电压以及电极的插入深度。

进一步的，还包括晶闸管监测模块，所述晶闸管监测模块一端连接到晶闸管触发模块，另一端连接到投切控制模块，所述晶闸管监测模块通过监测晶闸管触发模块中晶闸管运行状态，反馈信息至投切控制模块，进行电容器切除。

进一步的，所述晶闸管触发模块接收触发信号相位角移相90度。

进一步的，还包括终端控制显示模块，所述终端控制显示模块用于接收与其连接的晶闸管监测模块、电能质量监测模块以及监测反馈系统上传的监测信息，并通过所述监测信息产生相应的控制动作。

进一步的，所述电流/电压采集模块连接有电能质量监测模块，该模块用于监测电流采集模块和电压采集模块采集的谐波分量，当所述谐波分量超过正常值时，会反馈至终端控制显示模块。

本发明的有益效果是：该矿热炉智能无功补偿系统解决了在无功补偿过程中无功功率的减少，入炉有功功率上升造成熔池的增大进而造成炉体的使用寿命缩短的问题，同时保证了在无功率补偿的投入控制过程中矿热炉的入炉功率的稳定，充分弥补了传统无功补偿系统的不足。实现无功补偿的自动控制投入与切除，同时进行实时监控、反馈矿热炉内数据的目的。

附图说明

图1是本发明矿热炉智能无功补偿系统的结构示意图；

图2是本发明矿热炉智能无功补偿系统的电流/电压采集模块结构示意图；

图3是本发明矿热炉智能无功补偿系统的投切控制模块结构示意图；

图4是本发明矿热炉智能无功补偿系统的晶闸管触发模块结构示意图；

附图标号：1-电流/电压采集模块，2-功率因数检测模块，3-投切控制模块，4-晶闸管触发模块，5-电容器投切模块，6-监测反馈系统，7-终端控制显示模块，10-电能质量监测模块，11-电流采集电路，12-电压采集模块，13-电量采集控制器，30-过零检测电路，31-plc控制器，32-接触器，33-接触器推动电路，40-晶闸管监测模块，41-触发数据采集模块，42-晶闸管触发控制器，43-晶闸管驱动电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种矿热炉智能无功补偿系统，包括电流/电压采集模块、功率因数检测模块、投切控制模块、晶闸管触发模块、电容器投切模块；其中，所述电流/电压采集模块、功率因数检测模块、投切控制模块、晶闸管触发模块、电容器投切模块依次连接；所述电流/电压采集模块将采集到的短网电压和投入电流输入到功率因数检测模块，所述功率因数检测模块通过接收电流/电压采集模块的数据，检测功率因数后传输至投切控制模块，所述投切控制模块依据功率因数发送控制指令至晶闸管触发模块决定电容器投切模块进行电容器投入。可以与矿热炉控制系统进行联机通讯，以调节矿热炉的入炉功率、电压、电流，以实现矿热炉的自动控制。

其中，还包括监测反馈系统，所述监测反馈系统一端连接到电容器投切模块，另一端连接到投切控制模块，所述监测反馈系统通过监测电容器投切模块对矿热炉内投入情况，反馈信息至投切控制模块，调节电容器投入参数，该监测反馈系统实时监测炉内数据变化，当入炉功率增加、炉内熔池面积变大，系统将发出警告信息反馈信息至投切控制模块，所述投切控制模块调节电极的电流、电压以及电极的插入深度。传统补偿装置没有监测反馈系统，不能真实的反应出当前炉内无功情况，因为单纯的根据功率因数进行无功补偿并不能真正的解决矿热炉入炉功率的问题，会造成矿热炉使用寿命缩短；热能耗增大，产出比下降；严重时会造成矿体损坏等情况发生，而本系统提出引入监测反馈系统将炉内信息通过终端控制显示呈现给用户，包括入炉功率、熔池大小、三相电流(电压)、三相平衡度等参数数据，为用户在投入无功补偿后对矿热炉操作提供依据，同时也提供了相应的控制接品，有效解决以上问题。

其中，还包括晶闸管监测模块，所述晶闸管监测模块一端连接到晶闸管触发模块，另一端连接到投切控制模块，所述晶闸管监测模块通过监测晶闸管触发模块中晶闸管运行状态，反馈信息至投切控制模块，进行电容器切除。晶闸管属于是大电流半导体器件，它对过流和过压特别敏感，很容易发生过电流烧毁和过压击穿情况，晶闸管监测模块监测到晶闸管温度过高、电流过大或冷却水压过低，会反馈至投切控制模块，所述投切控制模块会自动切除电容器投入，同时通过以太网上传数据到终端控制显示模块，其中，当检测到过流后将对触发系统进行封锁，当检测到过压后，触发系统将接通电压吸收回路，将高压短接到地；这里指的高压是：由于电流瞬变、电网谐波以及雷击造成的。正常短网电压是远低于晶闸管的耐压。

其中，所述晶闸管触发模块接收触发信号相位角移相90度，晶闸管触发模块的关键在于触发信号要与主加路相位相同，矿热炉是电感性负载，产生大量的电流型无功，在主加路中将出现电流补移相90度。由于在同步采样是电压信号，为保证在触发过程中晶闸管的完全导通，需要将触发相位角移相90度。

其中，还包括终端控制显示模块，所述终端控制显示模块用于接收与其连接的晶闸管监测模块、电能质量监测模块以及监测反馈系统上传的监测信息，并通过所述监测信息产生相应的控制动作。

所述的电流/电压采集模块具体如下：

如图2所示，所述电流/电压采集模块，包括电量采集控制器，所述电量采集控制器一端连接有一路电压采集电路，另一端连接有四路电流采集电路；所述一路电压采集电路用于采集短网电压数据；所述四路电流采集电路用于采集电容器投入电流，进一步的，所述电流/电压采集电路利用高压ct/pt互感器传输来采集高压侧电流/电压数据，电流/电压采集电路采集高压侧电流/电压的0～31次谐波分量、相位以及谐波失真。

其中，电流/电压采集电路用于采集电流/电压数据，精度可达0.5％，分辨率达到0.01％。由于矿热炉外网电源接线方式为星形接法，炉内为三角接法，存在30度相位差。通常的各相对各相的功率使得无法精确采集功率因数数据，因此采用错相采集电压与电流方式，所述采集后的电压、电流数据经过控制模块处理传至功率因数检测模块；所述电能质量监测模块用于监测所述经电量采集控制器处理后的数据；随之，将该数据上传终端控制显示模块以供系统进行数据显示及控制，采用该模块能够取代传统的电表，简化电路组成，提高电路运行效率。

进一步，电流/电压采集模块连接有电能质量监测模块，该模块用于监测电流采集模块和电压采集模块采集的谐波分量，相位/频率，精度可达0.5％，分辨率达到0.01％。矿热炉是一个不稳定设备，特别是在发生塌料的情况下短网的谐波分量会变得很重，对电气设备造成较大影响，特别是3、5次谐波过重会造成用电设备，特别是控制设备产生误动作；因此，当电能质量监测模块监测到谐波分量超过正常值时，会通过以太网反馈至终端控制显示模块，发出警示信息，以提醒操作人员注意炉内状况。投切控制模块将封锁所有路数的晶闸管，以保护回路各器件，电能质量监测模块监测到电流、电压采集数据的上限及下限超出设定值，会通过以太网反馈至终端控制显示模块，发出警示信息。

所述的投切控制模块具体如下：

如图3所示，该投切控制模块，包括plc控制器，所述plc控制器分别连接有过零检测电路、接触器推动电路以及晶闸管触发模块；所述过零检测电路用于检测过零信号；其中，所述plc控制器根据过零检测电路反馈的过零信号控制晶闸管触发模块触发以及接触器推动电路驱动接触器的触发，实现电容器的投入与切除。该模块具有晶闸管的电压过零检测以及接触器吸合后的压降为零，发热量小，不需要冷却系统的特点。

其中，过零检测电路包括电流过零检测电路和电压过零检测电路，所述电流过零检测电路用于采集电流信号，检测所述采集电流信号是否过零点；所述电压过零检测电路用于采集电压信号，检测所述采集电压信号是否过零点，以实现电压过零投入与电流过零切除。该模块具备电压过零检测机制，在接触器吸合时不会产生较大的电流冲击，增加电容器的使用寿命。

更优选地，电压过零检测电路使用至少两个同步电压互感器对低压短网电压波形进行采样，将所述低压短网电压采样后的波形经光电隔离转换为脉冲信号进行电压过零检测，检测到电压过零信号时，将该电压过零信号送入plc控制器。

进一步的，接收到所述电压过零信号后，所述plc控制器控制晶闸管触发模块使其导通，延时一定时间后，plc控制器控制接触器推动电路驱动接触器吸合，所述接触器吸合完成后延时一定时间后关闭晶闸管。

其中，电流过零检测电路进行电容投入过程中电流过零检测，若所述plc控制器接收到电流过零信号，执行电容器切除指令；否则，继续执行当前操作。

进一步的，执行所述电容器切除指令时，所述plc控制器控制驱动电路驱动晶闸管使其再次导通，延时一定时间后，plc控制器控制接触器释放，所述接触器释放并延时完成后关断晶闸管。接触器在释放时不会产生拉弧，从而解决了接触器寿命短的问题同时保护电容器免受大电流冲击。

另外，plc控制器设置有外部功能端子，用于检测接触器的吸合或释放状态。由于晶闸管导通压降只有1至2v电压，接触器在吸合时不会产生打火现象。

该设计使得成套设备成本降低，更符合矿热炉低补的需求：采用控制单元与执行器件分离方式，执行器件的电流不受限制，可单路投切更多的电容器，市面上采用是一体封装形式，电流有限最大投切不超过100kvar电容器组，使用时需进行多组拆分，数量多，安装复杂。

所述的晶闸管触发模块具体如下：

如图4所示，晶闸管触发模块包括控制模块，所述控制模块一端连接有触发数据采集模块，另一端连接有晶闸管驱动电路，所述触发数据采集模块用于采集投切控制模块发送的打开或关闭晶闸管的指令，经过晶闸管触发控制器处理后控制晶闸管驱动电路产生相应的操作；该晶闸管触发模块输出端连接有投切控制模块，输出端连接有电容器投切模块以及晶闸管监测模块；所述晶闸管监测模块连接到终端控制显示模块；所述电容器投切模块通过晶闸管触发模块指令执行电容器投入操作；所述晶闸管监测模块用于监测晶闸管在投入和切除过程中使用情况兵通过以太网将相关数据上传至终端控制显示模块。该晶闸管触发模块引入晶闸管监测模块，能有效监测晶闸管的温度、电流、过压状态以提高其运行可靠性与安全性。

当系统进行上电待机后，晶闸管触发控制器对晶闸管触发模块进行初始化和自检工作，主要包括：清除临时存储数据、清除晶闸管触发电路寄存器数据、封锁晶闸管触发电路防止触发、检测各数据采集电路状态，如果无异常，置位就绪状态；完成初始化工作后将自检数据及当前触发模块外围数据放入控制模块的存储区域中，实时发送于晶闸管监测模块进行监测，并上传至终端控制显示模块进行显示，具有运行稳定，错误报告机制的特点。

晶闸管触发控制器等待投切控制模块对于电容器投入或切除指令，触发数据采集模块采集到投切控制模块发送的投入指令后传输至晶闸管触发控制器，所述晶闸管触发控制器会很据该指令控制晶闸管驱动电路驱动晶闸管导通或断开，使得电容器投切模块执行电容器的持续投入或切除指令。

以往矿热炉无功补偿中，是以接触器作为电容器的投切开关，由于交流电是正负变化的，在进行补偿电容器投切时会造成涌流，触点拉弧现象，因此触发数据采集模块采集电压波形的过零点以及当前投入电容器与矿热炉短网间的电压差，当晶闸管两端电压为零时投入电容器组，可有效消除拉弧现象的产生。

另外，晶闸管属于是大电流半导体器件，它对过流和过压特别敏感，很容易发生过电流烧毁和过压击穿情况，晶闸管监测模块监测到晶闸管温度过高、电流过大或冷却水压过低，会反馈至晶闸管触发控制器，所述晶闸管触发控制器会自动切除电容器投入，同时通过以太网上传数据到终端控制显示模块进行显示，其中，当检测到过流后将对触发模块进行封锁，当检测到过压后，触发模块将接通电压吸收回路，将高压短接到地；这里指的高压是：由于电流瞬变、电网谐波以及雷击造成的。正常短网电压是远低于晶闸管的耐压。

整个系统的具体执行流程为：当投切控制模块接收到功率因数检测模块输出的功率因数小于0.85时，投切控制模块下达指令给晶闸管触发模块，对电容器投切模块下达指令执行投入电容器操作，如果功率因数不足则继续投入下一路电容器，直至功率因数大于0.9或等于0.9，其中当功率因数＝0.9时投切控制模块停止向晶闸管触发模块50发送投入电容器指令；当功率因数>0.91时，如果之前有投入电容器路数，投切控制模块向晶闸管触发模块发送切除电容器指令，直到功率因数等于0.9为止。

在发出电容器投入指令时，将通过投切控制模块进行判断，当前已经投入的回路数和剩余的加路数，如果监测反馈系统反馈数据已经全部投入，同时监测反馈系统通过以太网向终端控制显示模块发出提示信息，告知操作人员，同时在正常投入运行时，晶闸管监测模块监控投入回路的晶闸管的温度、电压、电流的情况，如果发生超出安全范围的情况将发出指令让投切控制模块切除当前回路，通过监测反馈系统随时监测电容器投切模块进行电容投入后炉内数据的变化，如果入炉功率增加过大造成炉内熔池变，监测反馈系统将发出警告信息至终端控制显示模块，提醒操作者调节电极的电流和电压以及电级的插入深度，该无功补偿系统将无功补偿后的炉内数据包括入炉功率、熔池大小、三相电流(电压)、三相平衡度等参数数据通过终端控制显示模块呈现给用户，为用户在投入无功补偿后对矿热炉操作提供依据，也可以与矿热炉控制系统进行联机通讯，以调节矿热炉的入炉功率、电压、电流，以实现矿热炉的自动控制。在系统运行过程中产生的自检数据及当前晶闸管触发过程中晶闸管监测模块监测分析数据以及监测反馈系统监测分析矿热炉内数据，通过以太网发送至终端控制显示模块，由终端控制显示模块来进行整体监控及分析。

该矿热炉功率因数采集控制系统解决了传统单一的矿热炉功率因数采集控制系统的缺点，只是简单追求功率因数的提升，而该矿热炉功率因数采集控制系统实现了矿热炉功率因数采集控制系统的自动采集与控制，同时进行实时监控、反馈矿热炉内数据的目的，同时保证了在无功率补偿的投入控制过程中矿热炉的入炉功率的稳定，充分弥补了传统无功补偿系统的不足。