TSC無功補償裝置在中頻電爐中的應用

陳　群 ， 鄒　黎， 陳　超，趙雙東， 亓建英

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；

2.山東理工大學 理學院， 山東 淄博 255049)

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TSC無功補償裝置在中頻電爐中的應用

陳群1， 鄒黎1， 陳超2，趙雙東1， 亓建英1

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；

2.山東理工大學 理學院， 山東 淄博 255049)

摘要：針對中頻電爐諧波含量高、功率因數(shù)低的問題，提出以DSP為核心控制的TSC濾波補償裝置.介紹了該裝置的配置方案和基本組成，設計了電壓過零檢測電路、晶閘管觸發(fā)電路和系統(tǒng)框圖等.通過基于MATLAB的仿真，驗證了裝置良好的濾波補償效果.

關鍵詞：TSC；無功補償；諧波抑制；中頻電爐

隨著半導體電力電子技術的發(fā)展和大量整流負載的出現(xiàn)，各種交流變頻裝置廣泛應用于中頻電爐中[1]，因而會造成電網(wǎng)電壓波動較大，諧波污染嚴重，浪費大量電能，增加了不必要的開支，因此需要增加濾波補償設備，以滿足負荷對無功的需求.針對上述問題，引入晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor,TSC)無功補償裝置，經(jīng)過無功補償后，電網(wǎng)功率因數(shù)得到提高[2]，電壓穩(wěn)定性增強，諧波含量明顯降低，中頻電爐的利用率得到較大提升.

1　TSC無功補償裝置的配置方案

在中頻電爐中，TSC無功補償裝置采用LC無源諧波吸收和無功補償相結合的配置方案，同時具備濾除電網(wǎng)諧波與無功補償?shù)碾p重作用[3].LC無源濾波器是由電容器C、電抗器L和電阻R組合而成的.LC濾波器和諧波源并聯(lián)，利用諧振原理，對特定次數(shù)的諧波呈現(xiàn)低阻抗，使該次諧波與濾波電路發(fā)生諧振[4]，將諧波電流濾除掉，抑制諧波.無功補償裝置采用晶閘管作為電容器的投切開關,能夠連續(xù)投切，每次投切均能保證電容補償立即進入穩(wěn)態(tài)控制狀態(tài).

2　TSC無功補償裝置及基本原理

2.1LC無源濾波器組

對于整流中頻電爐負載，通常在整流變壓器的低壓側(cè)安裝5、7、11和13次濾波器支路[5].5、7和 11次濾波器組采用單調(diào)諧濾波結構，分別用于濾除5、7、11次諧波電流；13次濾波器采用二階高通濾波器結構，用于濾除13次及以上的諧波電流.

2.2晶閘管投切電容器

晶閘管投切電容器的基本結構和工作波形如圖1所示，圖1(a)是單相結構接線圖，其中兩個反并聯(lián)晶閘管的作用是晶閘管導通時將電容器組接入電網(wǎng)，晶閘管斷開時把電容器組從電網(wǎng)中斷開[6].電路中串聯(lián)的電抗器是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時可能引起的沖擊電流[7]，此外還可以抑制高次諧波.圖1(b)是晶閘管投切電容器投入或者切除的情況下，電網(wǎng)電壓、電流波形和電容器上的電壓以及晶閘管兩端電壓波形.TSC與LC無源濾波器組如圖2所示.

a) 單相結構圖　　　　　　　　b) 工作波形圖圖1　TSC基本結構和工作波形圖

圖2　TSC與LC無源濾波器組

2.3系統(tǒng)結構設計

TSC無功補償裝置分為四部分，分別是數(shù)據(jù)檢測部分、控制器部分、執(zhí)行部分以及補償器部分.其基本原理是檢測部分對電網(wǎng)參數(shù)進行檢測，經(jīng)過處理變成控制器部分可以接收的信號.控制部分接收到信號后，經(jīng)過處理并且與設計目標參數(shù)對比，由DSP確定是否發(fā)出命令.執(zhí)行部分接收到DSP發(fā)出的指令后，通過晶閘管和接觸器控制補償電容器的投切[8].該系統(tǒng)硬件電路包括電壓過零檢測電路和晶閘管觸發(fā)電路.系統(tǒng)框圖如圖3所示.

圖3　系統(tǒng)框圖

2.3.1電壓過零檢測電路

在晶閘管兩端電壓為零時，觸發(fā)晶閘管可以做到零電流投切，而且投切效果達到最好[9].一般首先要對晶閘管兩端電壓采樣，然后確定晶閘管電壓的方向，也就是要判斷電容器電壓的極性，為電容器充電做準備，最后檢測出過零點[10].由于只是檢測電壓為零時刻，當電壓大于或者小于某個值時把晶閘管電壓進行鉗位.當信號R.SIG在-2.3~+2.3V范圍內(nèi)變化時，對應晶閘管兩端電壓在42V左右，電路會給FPGA一個過零信號，此時就會發(fā)出投切指令來導通晶閘管，而此時線路產(chǎn)生的沖擊電流很小[11].過零檢測電路如圖4所示.

圖4　過零檢測電路

2.3.2晶閘管觸發(fā)電路

本系統(tǒng)設計用在低壓場合，采用電磁觸發(fā)，傳統(tǒng)的脈沖變壓器由于體積較大，運行效率不高，功耗較大，本系統(tǒng)選用平面變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脈沖變壓器.

對晶閘管施加的電流大于其擎住電流時，晶閘管就能可靠觸發(fā).本系統(tǒng)設計的基于平面變壓器的驅(qū)動電路有恒流輸出能力，同時輸出的電流有較小的紋波.輸入端采用兩個MOSFET構成推免電路，利用閉環(huán)控制，經(jīng)過電阻反饋，調(diào)節(jié)MOSFET導通，使得輸出脈沖占空比為0.5.輸出端是由兩個MOSFET同步整流構成，然后由電感濾波輸出恒定電流，可靠觸發(fā)晶閘管.當系統(tǒng)檢測到過補時，DSP向FPGA發(fā)出切除指令，此時關閉脈沖輸出，晶閘管在電流過零處自己關斷.為了下次快速運行，通過FPGA控制給電容器充電，使電容器維持電網(wǎng)峰值電壓[12].晶閘管觸發(fā)電路如圖5所示.

圖5　晶閘管觸發(fā)電路

2.3.3投切判據(jù)與信號檢測

TSC無功補償裝置通過檢測負荷端無功電流幅值作為電力電容器的投切判據(jù).其原理如下述,設節(jié)點電壓為

(1)

負何電流為

(2)

即

ip(t)+iq(t)

(3)

其中，ip(t)和iq(t)分別為有功電流分量和無功電流分量.

3　MATLAB建模仿真

3.1仿真設置

為驗證裝置濾波補償功能的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下如圖6、圖7所示建立仿真模型.仿真參數(shù)設置為三相可編程電壓源產(chǎn)生10kV電壓，負載有功功率為1 200kW，無功功率為1 200kVar,功率因數(shù)為0.707.在三相變壓器二次側(cè)接入三組TSC,每組的容量分別為400kVar、400kVar和300kVar.

圖6　TSC無功補償裝置仿真模型

圖7　TSC與LC無源濾波器組仿真結構圖

3.2仿真結果

TSC無功補償裝置未運行時，中頻電爐交流側(cè)電流波形如圖8所示，諧波含量與畸變率如圖9所示.從圖中可以看出，電網(wǎng)諧波含量嚴重，諧波畸變率較高.

圖8　裝置未運行時中頻電爐進線側(cè)電流波形

圖9　裝置未運行時中頻電爐諧波含量與畸變率

TSC無功補償裝置運行后，中頻電爐交流側(cè)電流波形如圖10所示，諧波含量與畸變率如圖11所示.通過對比可以看出，由于TSC的濾波補償作用，電網(wǎng)諧波含量明顯減少，諧波畸變率明顯降低.

圖10　裝置運行后中頻電爐進線側(cè)電流波形

圖11　裝置運行后中頻電爐諧波含量與畸變率

TSC裝置運行前后總線無功功率和功率因數(shù)如圖12、圖13所示.通過對比可以看出，總線無功功率由1 200kVar下降到120kVar，而功率因數(shù)由0.7上升到1.由此可以看出，仿真結果驗證了裝置具有良好的無功補償效果，有效地改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量.

圖12　總線無功功率

圖13　負載功率因數(shù)

4　結束語

本文介紹了TSC無功補償裝置的配置方案和基本構成，通過搭建基于MATLAB的仿真模型，驗證了TSC無功補償裝置良好的濾波補償效果，有效地改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量,提高了系統(tǒng)的功率因數(shù),降低了諧波含量和畸變率.隨著電網(wǎng)對安全性和電能質(zhì)量要求的提高，TSC無功補償裝置將擁有廣闊的發(fā)展空間.

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(編輯：劉寶江)

Application of TSC reactive power compensation device

in intermediate frequency furnace

CHEN Qun1, ZOU Li1, CHEN Chao2, ZHAO Shuang-dong1, QI Jian-ying1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China；

2.School of Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:For high frequency electric harmonic content, low power factor problem,the TSC filter compensation device based on DSP is presented. In this paper,we describe the configuration of the device and the basic composition and design a zero-voltage detection circuit, thyristor trigger circuit and block diagram of the system and so on. Based on the simulation by MATLAB, the results verify the perfect effect of the filter compensation device.

Key words:TSC; reactive power compensation; harmonic suppression;intermediate frequency furnace

中圖分類號：TM 714.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2015)04-0075-04

通信作者：

作者簡介：陳群，男，chenqunxinxiang@163.com； 鄒黎，男， zouli1958@163.com.

收稿日期：2014-09-19