基于S7－300的挖掘機無功補償系統

廖志軍

(江西銅業集團公司德興銅礦，江西德興334224)

基于S7－300的挖掘機無功補償系統

廖志軍

(江西銅業集團公司德興銅礦，江西德興334224)

2300XP型礦用挖掘機，其無功補償控制系統采用2組副邊就地補償方式，控制電路由集成運放組成其溫漂大，精度差，故障率高。為此將其改造成基于S7－300型PLC為主的數字控制，給出了具體的硬件構成，軟件程序。從根本上杜絕了故障源，完全適應挖掘機現場作業，經實測功率因數在0.9以上，控制精確，投資少，效果顯著。

挖掘機;晶閘管;無功補償;集成運放;PLC;CPLD;循環投切

1 概述

江西德興銅礦采礦場共有5臺美國P＆H公司生產的2300XP型挖掘機(簡稱電鏟)，擔負著繁重的礦山采剝任務。電鏟在實際工作中負載變化很大，而且經常出現沖擊性負載，當進入深度挖掘過程中，直流電機端壓很低，僅為額定電壓的30﹪左右，而電流卻是額定電流的2倍，甚至超過2倍，在供電系統中造成很低的功率因數［5］。為此，2300XP型電鏟上采用了無功補償裝置，由于電鏟工作時無功功率是變化的，因此必須采用分級補償。2300XP電鏟有固定補償和分級補償，補償在主變壓器副邊進行，主變壓器共2組相同的副邊繞組，每組副邊設置一個固定級250kvar，接成△形;兩個開關級，每級750kvar，也接成△。圖1為變壓器1#副邊接線圖。電鏟能提供總的無功補償容量為250*2+750*4 =3500kvar。

圖1 1#副邊無功補償主回路

2 原無功補償原理分析

2.1 動態無功補償分析

無功補償裝置的投入與切除是由無功傳感器，電平檢測器及晶閘管開關來進行。電容器未投入時，通過二極管進行充電，保持正向或反向峰值電壓，對于2300XP電鏟，峰值電壓為√2*600V，電容器的投入時刻是選擇電容器電流通過自然零點進行。也就是相應時刻的電網電壓與電容器上電壓大小和極性相同的時刻。電容器的切除靠取消脈沖，電流過零時，晶閘管關斷，下以UAB為例說明2300XP電容器的投入與切除過程，見圖2。

圖2 補償電容的投入與切除

當電源電壓到達A點時，這時電容器已充電至峰值(√2UAB)，此時電源電壓UAB的相位與電容電壓相等，電容器電流為零。此時應觸發晶閘管，過A電后電容上電壓大于UAB，故電容放電。過D點后UAB＜0，促使電容放電過程加快，到電容電流為零時放電結束(B點)，但由于在K點時晶閘管已撤除脈沖，故晶閘管關斷，電容器變換極性，承受反向峰值，到L點時UAB＞0，電容器又通過二極管進行正向充電至峰值，電容器電流為零，晶閘管觸發導通，重復以上過程。以上分析是對UAB而言，實際上電容器組接成△形，各組電容器相差120°分別投入。

綜上所述，晶閘管投切電容器組的基本原理:①晶閘管在電源電壓正弦波的正峰值處觸發②電容器預充電與電源電壓同極性且幅值相等，此時跨過晶閘管閥上的電壓為零③采用晶閘管和二極管反并聯的方式代替兩個反并聯的晶閘管，可使導通前電容器電壓維持在電源電壓的峰值。一旦電容電壓比電源電壓峰值有所下降，二極管都會充電至峰值電壓，因此不會發生兩晶閘管反并聯方式中電容器上電壓下降的現象。但是，由于二極管是不可控的，當要切除此電容支路時，最大的時間滯后為一個周波，因此其響應速度比晶閘管反并聯的方式稍慢，但成本降低［4］。

2.2 原控制系統分析

在原無功控制系統中，包括無功傳感器，15VDC電源板，測量放大板，電平檢測板，脈沖選通使能板，脈沖發生放大板組成，框圖見圖3。其中無功傳感器的輸出信號0～100mv，幅值微弱，很容易受外界干擾而導致無功投切錯誤，且其他幾塊電路板都是由集成運放構成，元件參數易發生溫漂導致控制失敗，其直接后果就是觸發時刻漂移頻繁燒毀晶閘管，電抗器電容器等。針對原系統存在的問題，我們采用基于S7－300的PLC無功投切控制，自行研制數字投切同步及脈沖觸發電路，各電氣元件柜體之間采用profibus現場總線通訊，提高信號傳輸可靠性，大大減少了接線數量。

圖3 原系統無功補償框圖

2.2.1 無功功率信號檢測

無功傳感器為電子調節器，具體電路見圖4。它輸入系統電流和電壓信號，其基本工作原理類似于三相功率表，由于系統是平衡負載，而主變壓器為對稱雙副邊。因此電流信號的檢測必須同時檢測兩個副邊的同相電流，經變壓器B2B3相加后輸入到無功傳感器，電壓信號由控制電源3?240VAC經變壓器B1提供，傳感器輸出信號為0～0.1V［4］。

圖4 無功傳感器電路圖

2.2.2測量放大板

無功傳感器的輸出信號由07號線輸入到測量放大板，見圖5。其值在0～0.1V間變化，測試點T11進行檢測。輸出信號(測試點T13)放大100倍，其值在0～10V變化，與輸入信號成比例。電位計BALANCE (平衡)和GAIN(增益)可調節其輸出地大小［4］。

圖5 測量放大板

圖6 電平檢測板原理圖

2.2.3 電平放大板

放大后的無功信號由28號線進入到電平檢測板，見圖6。T17測試孔可檢測，電平1～4分別對應1#～4#無功補償的投入。調節電平1(R30)使T17 =2V時T3輸出+15V，1#無功補償投入工作。以此類推，分別調節電平2，3，4，使T17輸入信號為4V， 6V，8V時輸出點T5，T8，T9為+15V。R38～R41可調節各級電平檢測器的環寬，2300XP型電鏟環寬設置為0.15V(見圖7)，也就是說當T17信號為2V，4V，6V，8V時，T3，T5，T8，T9輸出15V。而當T17每級的輸入信號降低0.15V時，對應檢測器輸出為0V，電容器才被切除，其實質是一個施密特觸發器。設置環寬的好處是，當負載發生頻繁的變化時，系統的無功功率也隨之相應變化，設置環寬可使系統避免頻繁地投入切除電容器，減少了系統震蕩的條件，有利于設備的穩定運行［4］。

3 新控制器原理

2300XP型電鏟控制為晶閘管－直流電動機系統。晶閘管整流器功率因數較低，因此，用于提高功率因數的無功功率補償裝置是電鏟電氣系統的重要組成部分，其性能穩定與否直接影響電鏟的使用效率。原無功投切系統相對落后，信號易受干擾，精度差，觸發脈沖經常出現不同步現象，導致投切電流過大，燒毀晶閘管電抗器等，甚至出現系統震蕩而產生過壓。為此，自主開發了基于S7－300的無功功率補償控制電路，核心為數字信號處理器［3］，通過采集系統電壓及電流實現以下功能:①對變壓器兩組副邊的無功功率和功率因數進行實時檢測②根據檢測結果產生投切信號③自動檢測電壓過零點，并在過零點時刻產生觸發信號來投切相應電容器組④具有過壓欠壓缺相，諧波超限等保護功能⑤根據現場實際情況，無功補償控制方案采用循環投切，這樣既提高了元器件的利用率，又延長了元器件的使用壽命，較經濟合理。圖7為控制原理框圖。

實際使用中，無功傳感器的輸出信號先到A/D轉換模塊(AI8*12bit)，轉換為12位數字量，PLC將其接收在程序內判斷是否需要無功補償及需投切幾級，程序設計為具環寬性質的施密特觸發器，具體程序請見圖8。

PLC再將觸發選通使能信號通過輸出模塊(DO16*DC24V)傳輸至脈沖接口板，脈沖接口板為自主研制開發，這里選用一塊CPLD即復雜可編程邏輯器件，具體型號:EPM7128AETI100－7［6］，其功能是根據同步信號和投切使能信號進行邏輯判斷，確保晶閘管在電源電壓峰值時投切，接口板產生脈沖觸發信號，并將信號隔離放大，然后送至脈沖變壓器觸發晶閘管。同時還將已投切的信號通過輸入模塊(DI16*DC24V)反饋至PLC，形成閉環控制，電路請見圖9［6］。

圖9 脈沖接口板電路圖

根據現場實際情況，程序設計將無功補償控制器設定為循環投切，具體為第一次起動設備時投切順序為1級－2級－3級－4級，第二次起動時投切順序為2級－3級－4級－1級，再以此類推，請見圖10，這樣避免了某一級補償支路長時間工作，延長了元器件的使用壽命。

圖10 循環投切程序

采用閉環控制策略和以CPLD為核心的觸發板能很好地完成晶閘管投切電容器組的控制功能，其投切準確快速，實現了電壓電流的無沖擊投切，整個無功補償裝置在2300XP型電鏟上運行穩定可靠，系統功率因數常控制在0.9以上［1－2］。

4 系統運行效果

基于S7－300的無功補償裝置，在經改造后的電鏟上投入運行至今，完全適應挖掘機外載荷量變化頻繁，震蕩和沖擊載荷大，環境溫度高等特點，實測功率因數在0.9以上，設備生產效果改善顯著，性能達到國外新型電鏟水平:

①控制精確可靠，無功補償采用PLC集成控制，光纖傳輸，減少了連接線路數量，提高了信號傳輸的可靠性。

②成本降低，新系統去掉了進口的模擬電路板，自主開發控制電路，極大地降低了備件成本和經營成本。

③采用該控制方法的無功補償對于晶閘管整流器或其他大型電動機等對稱型負荷所產生的無功沖擊是有效地，并且填補了國內電鏟無功補償的技術空白，是一種技術含量高，相對投資少，使用效果顯著的新方法。

REFERENCES

［1］王兆安.諧波抑制和無功功率補償.機械工業出版社，1998－09.

［2］靳龍章.電網無功補償實用技術.中國水利水電出版社，1997－08.

［3］潘松.CPLD/FPGA在電子設計中的應用前景.電子技術應用，1999，(7).

［4］太原重機.2300XP挖掘機電氣維修手冊.太原重機廠，1996.

［5］劉萬順.電力系統故障分析.中國電力出版社，1998－03.

［6］劉延飛.基于FPGA/CPLD的電子系統設計與工程實踐.人民郵電出版社.2009－09.

A New Reactive Power Compensation System of Excavator Based on S7－300PLC

LIAO Zhi－jun
(JCC Dexing Copper Mine，Dexing，Jiangxi，China 334224)

The reactive power compensation control system of 2300XP mining excavator uses a 2－set secondary compensation group.The control circuit consists of integrated operational amplifier，with features of large temperature drift，poor accuracy，high failure rate.Therefore，it＇s transformed into a model based on S7－300 PLC digital control which has specific hardware configuration and software program.It fundamentally eliminates the source of problem，and fully meets the need of excavator working at site.It＇s measured that power factor is above 0.9 and it has other advantages like accurate control，less investment，and remarkable effect.

excavator;thyristor;reactive power compensation;integrated operational amplifier;PLC;CPLD;cycle switching

TD854+.2

:B

:1009－3842(2011)04－0047－05

2011－01－12

廖志軍(1972－)，男，漢族，湖北鄂州人，電氣工程師，主要從事采礦設備的維護修理工作，E－mail:es2380@126.com