CN212849873U - 一种盾构机的无功补偿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种盾构机的无功补偿系统，涉及盾构机功率补偿领域，包括单片机以及与单片机相连的TCR控制系统和TSC控制系统，TCR控制系统和TSC控制系统接入电网；TSC控制系统包括并联的TSC检测电路以及与每个TSC检测电路对应且依次相连的过零检测电路、脉冲产生电路和驱动电路，单片机控制TSC检测电路中的晶闸管组对电容器组进行投切；TCR控制系统包括依次相连的调节器、线性化电路和TCR主回路，TCR主回路接入电网，单片机接收无功电流和电网电压并与给定参考电压进行比较得出反馈增益传输至调节器中从而形成闭环反馈，进而控制TCR主回路产生相应的晶闸管触发延迟角；混合型无功补偿系统能够连续调节无功，运行时不产生谐波并具有损耗小的特点。

Description

一种盾构机的无功补偿系统

技术领域

本实用新型涉及盾构机功率补偿领域，尤其是一种盾构机的无功补偿系统。

背景技术

目前盾构机的无功补偿采用电感和电容器的集中补偿方式，将电容器组装设在箱式变压器低压母线侧，根据运行情况的需要自动投切，适时的调节无功补偿容量，控制系统如图1所示。

这种方式主要有以下缺点：

1)并联电容器本身对谐波具有放大作用，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，使电容器电流有效值增大，温升增高，甚至引起过热而降低电容器的使用寿命或使电容器损坏，严重时会破坏电网的正常运行，导致盾构机失效。

2)分组投切主要通过控制接触器触点来完成，无法做到精确控制。

实用新型内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种盾构机的无功补偿系统。通过单片机控制TSC控制系统在投切时刻输出投切指令以控制晶闸管组对电容器组进行投切，通过单片机在TCR控制系统中形成的闭环反馈，进而控制TCR主回路产生相应的晶闸管触发延迟角，混合型无功补偿系统能够连续调节无功，运行时不产生谐波并具有损耗小的特点。

本实用新型的技术方案如下：

一种盾构机的无功补偿系统，包括单片机以及与单片机相连的TCR控制系统和TSC控制系统，TCR控制系统和TSC控制系统接入电网；TSC控制系统包括多个并联的TSC检测电路以及与每个TSC检测电路对应的过零检测电路、脉冲产生电路和驱动电路，TSC检测电路包括电压互感器、第一电感、晶闸管组和电容器组，第一电感的第一端、电容器组的第二端和第三端接入电网，第一电感的第二端连接晶闸管组的第一端，晶闸管组的第二端连接电容器组的第一端，电压互感器用于采集电网电压和晶闸管组两端电压，并传输至过零检测电路的输入端，过零检测电路的输出端连接脉冲产生电路的输入端，脉冲产生电路还连接单片机，脉冲产生电路的输出端通过驱动电路连接对应的晶闸管组的门极，单片机控制晶闸管组对电容器组进行投切；

TCR控制系统包括电流互感器以及依次相连的调节器、线性化电路和TCR主回路，TCR主回路接入电网，电流互感器用于采集TCR控制系统和TSC控制系统的无功电流，单片机接收无功电流和电网电压并与给定参考电压进行比较得出反馈增益传输至调节器中，从而形成闭环反馈，通过闭环反馈进而控制TCR主回路产生相应的晶闸管触发延迟角。

其进一步的技术方案为，TCR主回路包括三组晶闸管组和电感，第二电感的第一端连接第三电感的第一端并且公共第一端接入电网，第二电感的第二端连接第一晶闸管组的第一端，第一晶闸管组的第二端连接第四电感的第一端，第四电感的第二端连接第二晶闸管组的第一端，第二晶闸管组的第二端连接第三晶闸管组的第二端，第三晶闸管组的第一端连接第三电感的第二端，第一晶闸管组和第四电感的公共端接入电网，第二晶闸管组和第三晶闸管组的公共端接入电网。

其进一步的技术方案为，过零检测电路包括第一光耦芯片、第二光耦芯片、第一二极管、第一电容、第一三极管和第二三极管，过零检测电路用于在第一电容电压为零时产生脉冲；

第一光耦芯片的发光二极管阳极连接第一三极管的集电极，第一光耦芯片的发光二极管阴极通过第一电阻、第二电阻连接第二三极管的集电极，第一光耦芯片的受光输出端连接第二光耦芯片的受光输出端共同作为过零检测电路的输出端连接脉冲产生电路，第二光耦芯片的发光二极管阳极连接第三三极管的集电极，第二光耦芯片的发光二极管阴极通过第三电阻、第四电阻连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端作为过零检测电路的第一输入端连接电网电压，第三三极管的发射极连接第二二极管的阴极，第二二极管的阳极通过第六电阻连接第四三极管的基级，第二二极管的阳极还作为过零检测电路的第二输入端连接晶闸管组的第二端，第三三极管的基级连接第四三极管的发射极，第四三极管的集电极通过第六电阻连接第三电阻和第四电阻的公共端，第三电阻和第四电阻的公共端连接第一二极管的阳极，第一二极管的阴极连接第一三极管的发射极，第一三极管的基级连接第二三极管的发射极，第二三极管的基级通过第七电阻连接第一二极管的阳极，第一电容的第一端连接第一二极管的阴极，第一电容的第二端连接第一电阻和第二电阻公共端，还连接第二二极管的阴极。

其进一步的技术方案为，脉冲产生电路包括第一单稳态触发器、第二单稳态触发器，第一单稳态触发器的输入端连接过零检测电路的输出端，第一单稳态触发器的控制端连接单片机，第一单稳态触发器的输出端连接第二单稳态触发器的定位器复位输入端，第二单稳态触发器的定时器输出端作为脉冲产生电路的输出端连接驱动电路；

驱动电路用于放大隔离第二单稳态触发器输出的脉冲信号，并根据脉冲信号驱动相应的晶闸管组。

其进一步的技术方案为，晶闸管组包括第一晶闸管和第二晶闸管，第一晶闸管的阳极连接第二晶闸管的阴极，且第一晶闸管的阳极和第二晶闸管的阴极公共端作为晶闸管组的第一端，第一晶闸管的阴极连接第二晶闸管的阳极，且第一晶闸管的阴极和第二晶闸管的阳极公共端作为晶闸管组的第二端。

其进一步的技术方案为，调节器为PI积分调节器；线性化电路使晶闸管触发延迟角与TCR控制系统和TSC控制系统的等效电纳呈线性化关系。

其进一步的技术方案为，电容器组包括呈三角分布的三个电容，三个电容顺次连接，第一电容和第二电容的公共端作为电容器组的第一端，第一电容和第三电容的公共端作为电容器组的第二端，第二电容和第三电容的公共端作为电容器组的第三端。

其进一步的技术方案为，无功补偿系统还包括滤波电路，滤波电路包括三组电感和电容，每组中电感和电容串接，并且每个电感还接入电网，每个电容均接地。

其进一步的技术方案为，单片机基于STM32F103RBT6芯片实现，所述第一光耦芯片和第二光耦芯片均基于PC817型号实现，所述第一单稳态触发器基于74LS122芯片实现，所述第二单稳态触发器基于555单稳态触发器型号实现。

本实用新型的有益技术效果是：

通过单片机控制TSC控制系统在投切时刻输出投切指令以控制晶闸管组对电容器组进行投切，这样可根据电网的无功需求投切相应的电容器组，从而达到盾构机补偿无功的目的，与现有的机械断路器相比，晶闸管适于频繁操作，寿命高，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，以减少投切时的冲击电流和操作困难；通过单片机在TCR控制系统中形成的闭环反馈，进而控制TCR主回路产生相应的晶闸管触发延迟角，TCR控制系统作为补充配合系统使用，能够吸收感性无功功率，因而可以将无功补偿系统的无功电流偏置到可吸收无功的范围内，使增减的容性无功功率刚好被TCR控制系统的感性无功功率变化所平衡，较好的达到补偿电网无功功率的作用；TCR+TSC混合型无功补偿系统能够连续调节无功，而且运行时不产生谐波，具有损耗小的特点，使无功补偿系统的电压-电流特性保持连续，调节时间大为缩短，动态性能得到较大提高。

附图说明

图1是现有的控制系统原理图。

图2是本申请提供的无功补偿系统的原理框图。

图3是本申请提供的TSC控制系统的原理框图。

图4是本申请提供的过零检测电路的电路图。

图5是本申请提供的脉冲产生电路的电路图。

图6是本申请提供的TCR控制系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

结合图2-图6所示，本申请公开了一种盾构机的无功补偿系统，该无功补偿系统包括滤波电路、单片机以及与单片机相连的TCR控制系统和TSC控制系统，滤波电路、TCR控制系统和TSC控制系统接入电网。本申请的单片机基于STM32F103RBT6芯片实现。

如图2所示，滤波电路包括三组电感和电容，每组中电感和电容串接，并且每个电感还接入电网，每个电容均接地。具体的，第五电感L1的第一端、第六电感L2的第一端和第七电感L3的第一端分别接入电网的UVW三相，第五电感L1的第二端连接第四电容C1的一端，第六电感L2的第二端连接第五电容C2的一端，第七电感L3的第二端连接第六电容C3的一端，第四电容C1、第五电容C2和第六电容C3的另一端均接地，滤波电路提供固定容性无功功率和滤除谐波。

如图2、图3所示，TSC控制系统包括多个并联的TSC检测电路以及与每个TSC检测电路对应的过零检测电路、脉冲产生电路和驱动电路。TSC检测电路包括电压互感器、第一电感L7、晶闸管组和电容器组C4，第一电感L7的第一端、电容器组C4的第二端和第三端分别接入电网的UVW三相，第一电感L7的第二端连接晶闸管组的第一端，晶闸管组的第二端连接电容器组C4的第一端。电压互感器用于采集电网电压和晶闸管组两端电压，并传输至过零检测电路的输入端，过零检测电路的输出端连接脉冲产生电路的输入端，脉冲产生电路还连接单片机，脉冲产生电路的输出端通过驱动电路连接对应的晶闸管组的门极，单片机控制晶闸管组对电容器组进行投切。

具体的，过零检测电路的电路图如图4所示，过零检测电路包括第一光耦芯片U1、第一光耦芯片U2、第一二极管D4、第一电容C5、第一三极管Q5和第二三极管Q6，其中第一光耦芯片U1和第二光耦芯片U2均基于PC817型号实现，过零检测电路用于在第一电容C5电压为零时产生脉冲。

第一光耦芯片U1的发光二极管阳极连接第一三极管Q5的集电极，第一光耦芯片U1的发光二极管阴极通过第一电阻R6、第二电阻R7连接第二三极管Q6的集电极，第一光耦芯片U1的受光输出端连接第一光耦芯片U2的受光输出端共同作为过零检测电路的输出端UO1连接脉冲产生电路，第一光耦芯片U2的发光二极管阳极连接第三三极管Q4的集电极，第一光耦芯片U2的发光二极管阴极通过第三电阻R4、第四电阻R2连接第五电阻R1的一端，第五电阻R1的另一端作为过零检测电路的第一输入端连接电网电压，第三三极管Q4的发射极连接第二二极管D1的阴极，第二二极管D1的阳极通过第六电阻R5连接第四三极管Q2的基级，第二二极管D1的阳极还作为过零检测电路的第二输入端连接晶闸管组的第二端，第三三极管Q4的基级连接第四三极管Q2的发射极，第四三极管Q2的集电极通过第六电阻R3连接第三电阻R4和第四电阻R2的公共端，第三电阻R4和第四电阻R2的公共端连接第一二极管D4的阳极，第一二极管D4的阴极连接第一三极管Q5的发射极，第一三极管Q5的基级连接第二三极管Q6的发射极，第二三极管Q6的基级通过第七电阻R9连接第一二极管D4的阳极，第一电容C5的第一端连接第一二极管D4的阴极，第一电容C5的第二端连接第一电阻R6和第二电阻R7公共端，还连接第二二极管D1的阴极。

经过电压互感器的电网电压和晶闸管电压接入过零检测电路，电流流经第一二极管D4后，第一电容C5开始充电，充电后的第一电容C5相当于第一三极管Q5和第二三极管Q6的供电电源，当第一电容C5的电压即将等于零时，第一三极管Q5和第二三极管Q6导通，从而使第一光耦芯片U1导通，此时输出低电平；反之，第一电容C5的电压由负过零时，第二光耦芯片U2导通，第一光耦芯片U1或第二光耦芯片U2导通时产生脉冲，产生的脉冲作用于脉冲产生电路。

脉冲产生电路的电路图如图5所示，脉冲产生电路包括第一单稳态触发器D1、第二单稳态触发器D2，其中第一单稳态触发器基于74LS122芯片实现，第二单稳态触发器基于555单稳态触发器型号实现。

第一单稳态触发器D1的输入端5引脚连接过零检测电路的输出端UO1，第一单稳态触发器D1的控制端3引脚连接单片机的UCN，第一单稳态触发器D1的输出端6引脚连接第二单稳态触发器D2的定位器复位输入端4引脚，第二单稳态触发器D2的定时器输出端3引脚作为脉冲产生电路的输出端UO2连接驱动电路。本申请的第一单稳态触发器D1和第二单稳态触发器D2的外围还设有常规的RC延时电路，在此不进行赘述。

驱动电路用于放大隔离第二单稳态触发器D2输出的脉冲信号，并根据脉冲信号驱动相应的晶闸管组。需要说明的是，驱动电路采用现有电路结构，在此不详细描述其电路结构。

当单片机向第一单稳态触发器D1的控制端3引脚输入高电平时，第二单稳态触发器D2的定时器输出端3引脚能够发出正脉冲信号，对应于单片机的“投入命令”；反之，当单片机向第一单稳态触发器D1的控制端3引脚输入低电平时，第二单稳态触发器D2的定时器输出端3引脚能够发出负脉冲信号，对应于单片机的“切除命令”。当单片机确定触发时刻后，第二单稳态触发器D2输出的脉冲信号通过驱动电路进行放大隔离后输出至TSC控制系统中相应的晶闸管组门极，即可驱动晶闸管组投切相应的电容器组。

如图2、图6所示，TCR控制系统包括电流互感器以及依次相连的调节器、线性化电路和TCR主回路，TCR主回路接入电网。本申请的调节器为PI积分调节器，线性化电路使晶闸管触发延迟角与TCR控制系统和TSC控制系统的等效电纳呈线性化关系，采用现有的电路结构，在此不进行赘述。

具体的，TCR主回路包括三组晶闸管组和电感，第二电感L4的第一端连接第三电感L5的第一端并且公共第一端接入电网的V相，第二电感L4的第二端连接第一晶闸管组的第一端，第一晶闸管组的第二端连接第四电感L6的第一端，第四电感L6的第二端连接第二晶闸管组的第一端，第二晶闸管组的第二端连接第三晶闸管组的第二端，第三晶闸管组的第一端连接第三电感L5的第二端，第一晶闸管组和第四电感的公共端接入电网的W相，第二晶闸管组和第三晶闸管组的公共端接入电网的U相。

电流互感器用于采集TCR控制系统和TSC控制系统的无功电流Isvc，单片机接收无功电流Isvc和电网电压U并与给定参考电压Uref进行比较得出反馈增益K传输至调节器中，因此调节器、线性化电路、TCR主回路、电网和单片机形成闭环反馈，通过闭环反馈进而控制TCR主回路产生相应的晶闸管触发延迟角，以调节无功补偿系统吸收的无功功率。

本申请采用的晶闸管组结构相同，以一个晶闸管组为例，晶闸管组包括第一晶闸管V1和第二晶闸管V2，第一晶闸管V1的阳极连接第二晶闸管V2的阴极，且第一晶闸管V1的阳极和第二晶闸管V2的阴极公共端作为晶闸管组的第一端，第一晶闸管V1的阴极连接第二晶闸管V2的阳极，且第一晶闸管V1的阴极和第二晶闸管V2的阳极公共端作为晶闸管组的第二端。

电容器组包括呈三角△分布的三个电容，三个电容顺次连接，第一电容C41和第二电容C42的公共端作为电容器组的第一端，第一电容C41和第三电容C43的公共端作为电容器组的第二端，第二电容C42和第三电容C43的公共端作为电容器组的第三端。

当电网中负载增加或减少时，相应的无功功率就会变化，通过TSC控制系统检测电网电压及晶闸管组两端电压，控制需要投切几组电容器组，从而达到补偿无功的目的，同时TCR控制系统作为补充配合系统使用，能够吸收感性无功功率，因而可以将无功补偿系统的总无功电流偏置到可吸收无功的范围内，使增减的容性无功功率刚好被TCR控制系统的感性无功功率变化所平衡，能够达到补偿电网无功功率的作用。TCR+TSC混合型无功补偿系统能够连续调节无功，而且运行时不产生谐波，具有损耗小的特点，使无功补偿系统的电压-电流特性保持连续，调节时间大为缩短，动态性能得到较大提高。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种盾构机的无功补偿系统，其特征在于，所述无功补偿系统包括单片机以及与所述单片机相连的TCR控制系统和TSC控制系统，所述TCR控制系统和TSC控制系统接入电网；所述TSC控制系统包括多个并联的TSC检测电路以及与每个所述TSC检测电路对应的过零检测电路、脉冲产生电路和驱动电路，所述TSC检测电路包括电压互感器、第一电感、晶闸管组和电容器组，所述第一电感的第一端、所述电容器组的第二端和第三端接入电网，所述第一电感的第二端连接所述晶闸管组的第一端，所述晶闸管组的第二端连接所述电容器组的第一端，所述电压互感器用于采集电网电压和晶闸管组两端电压，并传输至所述过零检测电路的输入端，所述过零检测电路的输出端连接所述脉冲产生电路的输入端，所述脉冲产生电路还连接所述单片机，所述脉冲产生电路的输出端通过所述驱动电路连接对应的所述晶闸管组的门极，所述单片机控制所述晶闸管组对所述电容器组进行投切；

所述TCR控制系统包括电流互感器以及依次相连的调节器、线性化电路和TCR主回路，所述TCR主回路接入电网，所述电流互感器用于采集所述TCR控制系统和TSC控制系统的无功电流，所述单片机接收所述无功电流和电网电压并与给定参考电压进行比较得出反馈增益传输至所述调节器中，从而形成闭环反馈，通过所述闭环反馈进而控制所述TCR主回路产生相应的晶闸管触发延迟角。

2.根据权利要求1所述的盾构机的无功补偿系统，其特征在于，所述TCR主回路包括三组所述晶闸管组和电感，第二电感的第一端连接第三电感的第一端并且公共第一端接入电网，所述第二电感的第二端连接第一晶闸管组的第一端，所述第一晶闸管组的第二端连接第四电感的第一端，所述第四电感的第二端连接第二晶闸管组的第一端，所述第二晶闸管组的第二端连接第三晶闸管组的第二端，所述第三晶闸管组的第一端连接所述第三电感的第二端，所述第一晶闸管组和第四电感的公共端接入电网，所述第二晶闸管组和第三晶闸管组的公共端接入电网。

3.根据权利要求1所述的盾构机的无功补偿系统，其特征在于，所述过零检测电路包括第一光耦芯片、第二光耦芯片、第一二极管、第一电容、第一三极管和第二三极管，所述过零检测电路用于在所述第一电容电压为零时产生脉冲；

所述第一光耦芯片的发光二极管阳极连接所述第一三极管的集电极，所述第一光耦芯片的发光二极管阴极通过第一电阻、第二电阻连接所述第二三极管的集电极，所述第一光耦芯片的受光输出端连接所述第二光耦芯片的受光输出端共同作为所述过零检测电路的输出端连接所述脉冲产生电路，所述第二光耦芯片的发光二极管阳极连接第三三极管的集电极，所述第二光耦芯片的发光二极管阴极通过第三电阻、第四电阻连接第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端作为所述过零检测电路的第一输入端连接所述电网电压，所述第三三极管的发射极连接第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极通过第六电阻连接第四三极管的基级，所述第二二极管的阳极还作为所述过零检测电路的第二输入端连接所述晶闸管组的第二端，所述第三三极管的基级连接所述第四三极管的发射极，所述第四三极管的集电极通过第六电阻连接所述第三电阻和第四电阻的公共端，所述第三电阻和第四电阻的公共端连接所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接所述第一三极管的发射极，所述第一三极管的基级连接所述第二三极管的发射极，所述第二三极管的基级通过第七电阻连接所述第一二极管的阳极，所述第一电容的第一端连接所述第一二极管的阴极，所述第一电容的第二端连接所述第一电阻和第二电阻公共端，还连接所述第二二极管的阴极。

4.根据权利要求3所述的盾构机的无功补偿系统，其特征在于，所述脉冲产生电路包括第一单稳态触发器、第二单稳态触发器，所述第一单稳态触发器的输入端连接所述过零检测电路的输出端，所述第一单稳态触发器的控制端连接所述单片机，所述第一单稳态触发器的输出端连接所述第二单稳态触发器的定位器复位输入端，所述第二单稳态触发器的定时器输出端作为所述脉冲产生电路的输出端连接所述驱动电路；

所述驱动电路用于放大隔离所述第二单稳态触发器输出的脉冲信号，并根据所述脉冲信号驱动相应的所述晶闸管组。

5.根据权利要求1或2所述的盾构机的无功补偿系统，其特征在于，所述晶闸管组包括第一晶闸管和第二晶闸管，所述第一晶闸管的阳极连接所述第二晶闸管的阴极，且所述第一晶闸管的阳极和所述第二晶闸管的阴极公共端作为所述晶闸管组的第一端，所述第一晶闸管的阴极连接所述第二晶闸管的阳极，且所述第一晶闸管的阴极和所述第二晶闸管的阳极公共端作为所述晶闸管组的第二端。

6.根据权利要求1所述的盾构机的无功补偿系统，其特征在于，所述调节器为PI积分调节器；所述线性化电路使所述晶闸管触发延迟角与所述TCR控制系统和TSC控制系统的等效电纳呈线性化关系。

7.根据权利要求1所述的盾构机的无功补偿系统，其特征在于，所述电容器组包括呈三角分布的三个电容，所述三个电容顺次连接，第一电容和第二电容的公共端作为所述电容器组的第一端，所述第一电容和第三电容的公共端作为所述电容器组的第二端，所述第二电容和第三电容的公共端作为所述电容器组的第三端。

8.根据权利要求1所述的盾构机的无功补偿系统，其特征在于，所述无功补偿系统还包括滤波电路，所述滤波电路包括三组电感和电容，每组中所述电感和电容串接，并且每个所述电感还接入电网，每个所述电容均接地。

9.根据权利要求4所述的盾构机的无功补偿系统，其特征在于，所述单片机基于STM32F103RBT6芯片实现，所述第一光耦芯片和第二光耦芯片均基于PC817型号实现，所述第一单稳态触发器基于74LS122芯片实现，所述第二单稳态触发器基于555单稳态触发器型号实现。

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