CN210577817U - 一种隔爆兼本安型静止无功发生器装置 - Google Patents

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程鸣盛
陈勇
刘宏
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Abstract

一种隔爆兼本安型静止无功发生器装置，可解决煤矿井下远距离供电电机启动困难，煤矿井下电网功率因数偏低、电压波动大，谐波大影响长距离供电电能质量的技术问题。包括防爆型壳体内设置依次通讯连接的SVG控制系统、IGBT功率单元、交流隔离滤波系统；SVG控制系统对系统电压、电流信号进行检测、转换、滤波和分析处理，提供SVG单元需要的调制波信号和单元状态监控；IGBT功率单元的单元驱动板接收SVG控制系统的主控制板指令信号，转换成驱动IGBT的驱动信号；交流隔离滤波系统为一阶低通LC滤波器，其滤除SVG设备IGBT的PWM波开关频率附近的谐波。本实用新型无功补偿、滤波及节能效果好，提高了井下供电系统的电能质量，有效延长了低压供电距离的问题。

Description

一种隔爆兼本安型静止无功发生器装置
技术领域
本实用新型涉及无功发生器技术领域，具体涉及一种隔爆兼本安型静止无功发生器装置。
背景技术
随着采煤机械化的发展，大量的大功率机械应用于煤炭行业，随着开采过程中供电距离的增加，以及各机械设备自身需要一定的无功功率损耗和大量整流设备的使用，使得煤矿井下电网功率因数偏低、电压波动大，谐波大成为全国各大煤矿的通病。
功率因数偏低会使用电企业的供电设备运行能力降低，用电设备的利用率降低，设备投资增大。
无功功率大，线缆供电距离远，导致系统电压损失增大，容易造成电压波动，使电能质量严重下降，用电设备寿命受到严重影响，使远距离供电的设备无法正常启动。
谐波电流大，污染供电电网，使通信及计量系统干扰严重，电缆及变压器绝缘冲击大，发热严重。
合理的选择安装补偿装置，提高功率因数及治理电网，可以做到最大限度的减少井下电网的损耗，使井下电网质量得到提高，使末端电压稳定，设备正常远距离供电运行。
目前矿用无功补偿及电能质量治理技术有以下两种型式：
1、采用无源器件电容投切技术，补偿电容有采用接触器投切方式，称为机械投切无功补偿，也有采用晶闸管投切，称为晶闸管投切电容器(TSC)
2、采用有源器件IGBT进行变流器控制实现无功补偿及谐波治理技术，称为静止无功发生器技术和有源滤波技术(APF)，把这类装置技术并结合防爆应用技术，研制出的产品叫矿用隔爆兼本质安全型静止无功发生器。是目前最先进矿用电能质量治理产品或装置。
实用新型内容
本实用新型提出的一种隔爆兼本安型静止无功发生器装置及无功补偿的实现方法，可解决煤矿井下远距离供电电机启动困难，煤矿井下电网功率因数偏低、电压波动大，谐波大影响长距离供电电能质量的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
一种隔爆兼本安型静止无功发生器装置，包括防爆型壳体，防爆型壳体内设置依次通讯连接的SVG控制系统、IGBT功率单元、交流隔离滤波系统；
其中，SVG控制系统对系统电压、电流信号进行检测、转换、滤波和分析处理，提供SVG单元需要的调制波信号和单元状态监控；
IGBT功率单元的单元驱动板接收SVG控制系统的主控制板指令信号，转换成驱动IGBT的驱动信号，同时提供单元直流电压监测和过压、IGBT短路、IGBT超温保护功能并传回给SVG控制系统的主控系统；
交流隔离滤波系统为一阶低通LC滤波器，其滤除SVG设备IGBT的PWM波开关频率附近的谐波。
进一步的，所述防爆型壳体上还设置防爆型变流器热交换散热一体化机构，所述防爆型变流器热交换散热一体化机构包括热管散热器、热交换器及防爆风机，所述热管散热器、热交换器及防爆风机设置于同一条风道上，热管散热器用于功率器件的散热，热交换器用于防爆腔体内除功率器件以外其它电力器件的散热，防爆风机为热管散热器和热交换器提供冷风。
进一步的，所述SVG控制系统包括主控制板、显示屏及操作面板；
所述显示屏与主控板之间进行RS485通讯，实现对SVG系统监控及运行状态显示；
所述操作面板与显示控制板连接，通过输入控制参数，控制SVG的启停及修改参数。
由上述技术方案可知，本实用新型的静止无功发生器装置为隔爆兼本质安全型，具有无功补偿和有源滤波的功能，通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，因此，整个装置相当于一个调相电源。本实用新型的无功补偿的实现方法通过检测系统中所需的无功，可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统实时高功率因数运行。本实用新型装置具有无功补偿效果好、滤波效果好、节能效果好、等特点，提高了井下供电系统的电能质量，有效的延长了低压供电距离的问题。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的原理图；
图3是本实用新型的采用直接电流控制的静止无功发生器的工作原理；
图4是本实用新型功率单元原理框图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本实用新型实施例的矿用隔爆兼本质安全型静止无功发生器由SVG控制系统、IGBT功率单元，交流隔离滤波系统、防爆型变流器热交换散热一体化机构及防爆壳体几部分组成。
以下针对每部分具体说明：
控制系统
其中，控制系统主要由主控制板、显示屏及操作面板等组成。
主控制板为控制系统的核心部件。主控制板的核心器件由DSP+FPGA组成，对系统电压、电流信号进行检测、转换、滤波和分析处理，和各相单元进行通讯等，提供SVG单元需要的调制波信号和单元状态监控。
显示屏与主控板之间进行RS485通讯，实现对SVG系统监控及运行状态显示。
操作面板与显示控制板连接，通过输入控制参数，控制SVG的启停及修改参数。
IGBT功率单元
如图4所示，IGBT功率单元包括IGBT模块、单元驱动板、直流支撑电容、突波电容。SVG采用3个电压型H桥逆变电路单元星型连接的拓补结构，开关器件为IGBT，直流侧使用干式薄膜电容作为直流支撑电容，每个桥臂并联突波电容用于抑制IGBT产生的高频率开关尖峰。
单元驱动板接收主控制板指令信号，转换成驱动IGBT的驱动信号，正向电压+15V，反向电压-9V。同时提供单元直流电压监测和过压、IGBT短路、IGBT超温等保护功能并传回给主控系统。
交流隔离滤波系统
交流隔离滤波系统为一阶低通LC滤波器，由滤波电抗器、阻尼电阻及交流滤波电容组成。其作用是滤除SVG设备IGBT的PWM波开关频率附近的谐波。滤波电抗器并联在电网上，其作用是滤除电流中可能存在的高频谐波，同时起到将SVG和电网这两个电压源连接起来的作用。
防爆型变流器热交换散热一体化机构
包括热管散热器、热交换器及防爆风机，热管散热器、热交换器及防爆风机设置于同一条风道上，热管散热器用于功率器件的散热，热交换器用于防爆腔体内除功率器件以外其它电力器件的散热，防爆风机为热管散热器和热交换器提供冷风。热交换器包含轴流风机，轴流风机的使用促进了密闭腔体内空气的流动，均衡了防爆型密闭腔体内的温度，使得防爆设备散热效率大大提高，并提高了电抗器、变压器、电力电容器等电力器件的使用寿命。
如图2所示，本实用新型实施例的矿用隔爆兼本质安全型静止无功发生器将SVG与APF技术融合在一起，并采用防爆结构设计，从而实现煤矿井下电力系统无功补偿。具体的说，本实用新型实施例通过电流互感器，实时检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出电网电流中的无功及谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制静止无功发生器产生一个和负载无功及谐波电流大小相等，方向相反的电流注入到电网中，达到补偿无功及滤波目的。
采用直接电流控制的有源滤波型中压设备的工作原理如图3所示。从图中可以得出式(1)，即电源电流
Figure BDA0002172368030000051
是负载电流
Figure BDA0002172368030000052
和补偿电流
Figure BDA0002172368030000053
之相量和。假设负载电流
Figure BDA0002172368030000054
中含有基波正序电流(包括基波正序无功电流
Figure BDA0002172368030000055
和基波正序有功电流
Figure BDA0002172368030000056
)、基波负序电流
Figure BDA0002172368030000057
和谐波电流
Figure BDA0002172368030000058
如式(2)所示。
Figure BDA0002172368030000059
Figure BDA00021723680300000510
为使电源电流
Figure BDA00021723680300000511
中不含有基波正序无功和基波负序电流，则需要控制设备输出电流
Figure BDA00021723680300000512
满足式(3)。这样电源电流中就只含有基波正序有功和谐波电流，如式(4)所示。
Figure BDA00021723680300000513
Figure BDA00021723680300000514
综上可知，本实施例所述的隔爆兼本安型静止无功发生器装置，包括控制系统、主电路、上位机、操作键盘、热管自冷散热器、冷却风机及防爆壳体等几部分组合，该设备可对被补偿设备无功功率跟踪补偿，动态响应性能好，高效的热管自冷散热器为其内部IGBT等大功率发热器件提供良好的散热环境，延长功率器件使用寿命，保证安全可靠运行。
本实用新型实施例的隔爆兼本安型静止无功发生器装置该产品可应用于煤矿井下具有瓦斯、煤尘等爆炸危险的环境。能够解决煤矿井下移动变电站输出大量无功负荷，功率因数低，谐波THD高等能源浪费问题。能够对井下风机、运输机、给煤机、水泵和架空人车等设备的无功功率给予补偿。
本实用新型实施例在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、提高瞬时电压极限、降低纹波和体积小巧等多方面具有优越的性能，电压等级1140V，单机补偿容量为500KVar，自动实时补偿系统的容量或者感性无功，动态响应时间小于10ms，功率因数可以提高到98％以上，并具有APF功能，能够有效的清除系统的5、7、11、13等多种谐波。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种隔爆兼本安型静止无功发生器装置，包括防爆型壳体，其特征在于：防爆型壳体内设置依次通讯连接的SVG控制系统、IGBT功率单元、交流隔离滤波系统；
其中，SVG控制系统对系统电压、电流信号进行检测、转换、滤波和分析处理，提供SVG单元需要的调制波信号和单元状态监控；
IGBT功率单元的单元驱动板接收SVG控制系统的主控制板指令信号，转换成驱动IGBT的驱动信号，同时提供单元直流电压监测和过压、IGBT短路、IGBT超温保护功能并传回给SVG控制系统的主控系统；
交流隔离滤波系统为一阶低通LC滤波器，其滤除SVG设备IGBT的PWM波开关频率附近的谐波。
2.根据权利要求1所述的隔爆兼本安型静止无功发生器装置，其特征在于：所述防爆型壳体上还设置防爆型变流器热交换散热一体化机构，所述防爆型变流器热交换散热一体化机构包括热管散热器、热交换器及防爆风机，所述热管散热器、热交换器及防爆风机设置于同一条风道上，热管散热器用于功率器件的散热，热交换器用于防爆腔体内除功率器件以外其它电力器件的散热，防爆风机为热管散热器和热交换器提供冷风。
3.根据权利要求2所述的隔爆兼本安型静止无功发生器装置，其特征在于：所述热交换器包含轴流风机，轴流风机的使用促进了密闭腔体内空气的流动，均衡了防爆型密闭腔体内的温度。
4.根据权利要求1所述的隔爆兼本安型静止无功发生器装置，其特征在于：所述SVG控制系统包括主控制板、显示屏及操作面板；
所述显示屏与主控板之间进行RS485通讯，实现对SVG系统监控及运行状态显示；
所述操作面板与显示控制板连接，通过输入控制参数，控制SVG的启停及修改参数。
5.根据权利要求1所述的隔爆兼本安型静止无功发生器装置，其特征在于：所述IGBT功率单元包括IGBT模块、单元驱动板、直流支撑电容、突波电容；
所述SVG控制系统采用三个电压型H桥逆变电路单元星型连接的拓补结构，开关器件为IGBT，直流侧使用干式薄膜电容作为直流支撑电容，每个桥臂并联突波电容用于抑制IGBT产生的高频率开关尖峰；
所述IGBT功率单元的单元驱动板接收主控制板指令信号，转换成驱动IGBT的驱动信号，正向电压+15V，反向电压-9V；同时提供单元直流电压监测和过压、IGBT短路、IGBT超温等保护功能并传回给主控系统。
6.根据权利要求1所述的隔爆兼本安型静止无功发生器装置，其特征在于：所述交流隔离滤波系统为一阶低通LC滤波器，包括滤波电抗器、阻尼电阻及交流滤波电容；
所述滤波电抗器并联在电网上，其作用是滤除电流中可能存在的高频谐波，同时起到将SVG和电网这两个电压源连接起来的作用。
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CN110460065A (zh) * 2019-08-20 2019-11-15 中煤新集能源股份有限公司 隔爆兼本安型静止无功发生器装置及无功补偿的实现方法

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