廖志军

(江西铜业集团公司德兴铜矿，江西德兴334224)

基于S7－300的挖掘机无功补偿系统

廖志军

(江西铜业集团公司德兴铜矿，江西德兴334224)

2300XP型矿用挖掘机，其无功补偿控制系统采用2组副边就地补偿方式，控制电路由集成运放组成其温漂大，精度差，故障率高。为此将其改造成基于S7－300型PLC为主的数字控制，给出了具体的硬件构成，软件程序。从根本上杜绝了故障源，完全适应挖掘机现场作业，经实测功率因数在0.9以上，控制精确，投资少，效果显著。

挖掘机;晶闸管;无功补偿;集成运放;PLC;CPLD;循环投切

1 概述

江西德兴铜矿采矿场共有5台美国P＆H公司生产的2300XP型挖掘机(简称电铲)，担负着繁重的矿山采剥任务。电铲在实际工作中负载变化很大，而且经常出现冲击性负载，当进入深度挖掘过程中，直流电机端压很低，仅为额定电压的30﹪左右，而电流却是额定电流的2倍，甚至超过2倍，在供电系统中造成很低的功率因数［5］。为此，2300XP型电铲上采用了无功补偿装置，由于电铲工作时无功功率是变化的，因此必须采用分级补偿。2300XP电铲有固定补偿和分级补偿，补偿在主变压器副边进行，主变压器共2组相同的副边绕组，每组副边设置一个固定级250kvar，接成△形;两个开关级，每级750kvar，也接成△。图1为变压器1#副边接线图。电铲能提供总的无功补偿容量为250*2+750*4 =3500kvar。

图1 1#副边无功补偿主回路

2 原无功补偿原理分析

2.1 动态无功补偿分析

无功补偿装置的投入与切除是由无功传感器，电平检测器及晶闸管开关来进行。电容器未投入时，通过二极管进行充电，保持正向或反向峰值电压，对于2300XP电铲，峰值电压为√2*600V，电容器的投入时刻是选择电容器电流通过自然零点进行。也就是相应时刻的电网电压与电容器上电压大小和极性相同的时刻。电容器的切除靠取消脉冲，电流过零时，晶闸管关断，下以UAB为例说明2300XP电容器的投入与切除过程，见图2。

图2 补偿电容的投入与切除

当电源电压到达A点时，这时电容器已充电至峰值(√2UAB)，此时电源电压UAB的相位与电容电压相等，电容器电流为零。此时应触发晶闸管，过A电后电容上电压大于UAB，故电容放电。过D点后UAB＜0，促使电容放电过程加快，到电容电流为零时放电结束(B点)，但由于在K点时晶闸管已撤除脉冲，故晶闸管关断，电容器变换极性，承受反向峰值，到L点时UAB＞0，电容器又通过二极管进行正向充电至峰值，电容器电流为零，晶闸管触发导通，重复以上过程。以上分析是对UAB而言，实际上电容器组接成△形，各组电容器相差120°分别投入。

综上所述，晶闸管投切电容器组的基本原理:①晶闸管在电源电压正弦波的正峰值处触发②电容器预充电与电源电压同极性且幅值相等，此时跨过晶闸管阀上的电压为零③采用晶闸管和二极管反并联的方式代替两个反并联的晶闸管，可使导通前电容器电压维持在电源电压的峰值。一旦电容电压比电源电压峰值有所下降，二极管都会充电至峰值电压，因此不会发生两晶闸管反并联方式中电容器上电压下降的现象。但是，由于二极管是不可控的，当要切除此电容支路时，最大的时间滞后为一个周波，因此其响应速度比晶闸管反并联的方式稍慢，但成本降低［4］。

2.2 原控制系统分析

在原无功控制系统中，包括无功传感器，15VDC电源板，测量放大板，电平检测板，脉冲选通使能板，脉冲发生放大板组成，框图见图3。其中无功传感器的输出信号0～100mv，幅值微弱，很容易受外界干扰而导致无功投切错误，且其他几块电路板都是由集成运放构成，元件参数易发生温漂导致控制失败，其直接后果就是触发时刻漂移频繁烧毁晶闸管，电抗器电容器等。针对原系统存在的问题，我们采用基于S7－300的PLC无功投切控制，自行研制数字投切同步及脉冲触发电路，各电气元件柜体之间采用profibus现场总线通讯，提高信号传输可靠性，大大减少了接线数量。

图3 原系统无功补偿框图

2.2.1 无功功率信号检测

无功传感器为电子调节器，具体电路见图4。它输入系统电流和电压信号，其基本工作原理类似于三相功率表，由于系统是平衡负载，而主变压器为对称双副边。因此电流信号的检测必须同时检测两个副边的同相电流，经变压器B2B3相加后输入到无功传感器，电压信号由控制电源3?240VAC经变压器B1提供，传感器输出信号为0～0.1V［4］。

图4 无功传感器电路图

2.2.2测量放大板

无功传感器的输出信号由07号线输入到测量放大板，见图5。其值在0～0.1V间变化，测试点T11进行检测。输出信号(测试点T13)放大100倍，其值在0～10V变化，与输入信号成比例。电位计BALANCE (平衡)和GAIN(增益)可调节其输出地大小［4］。

图5 测量放大板

图6 电平检测板原理图

2.2.3 电平放大板

放大后的无功信号由28号线进入到电平检测板，见图6。T17测试孔可检测，电平1～4分别对应1#～4#无功补偿的投入。调节电平1(R30)使T17 =2V时T3输出+15V，1#无功补偿投入工作。以此类推，分别调节电平2，3，4，使T17输入信号为4V， 6V，8V时输出点T5，T8，T9为+15V。R38～R41可调节各级电平检测器的环宽，2300XP型电铲环宽设置为0.15V(见图7)，也就是说当T17信号为2V，4V，6V，8V时，T3，T5，T8，T9输出15V。而当T17每级的输入信号降低0.15V时，对应检测器输出为0V，电容器才被切除，其实质是一个施密特触发器。设置环宽的好处是，当负载发生频繁的变化时，系统的无功功率也随之相应变化，设置环宽可使系统避免频繁地投入切除电容器，减少了系统震荡的条件，有利于设备的稳定运行［4］。

3 新控制器原理

2300XP型电铲控制为晶闸管－直流电动机系统。晶闸管整流器功率因数较低，因此，用于提高功率因数的无功功率补偿装置是电铲电气系统的重要组成部分，其性能稳定与否直接影响电铲的使用效率。原无功投切系统相对落后，信号易受干扰，精度差，触发脉冲经常出现不同步现象，导致投切电流过大，烧毁晶闸管电抗器等，甚至出现系统震荡而产生过压。为此，自主开发了基于S7－300的无功功率补偿控制电路，核心为数字信号处理器［3］，通过采集系统电压及电流实现以下功能:①对变压器两组副边的无功功率和功率因数进行实时检测②根据检测结果产生投切信号③自动检测电压过零点，并在过零点时刻产生触发信号来投切相应电容器组④具有过压欠压缺相，谐波超限等保护功能⑤根据现场实际情况，无功补偿控制方案采用循环投切，这样既提高了元器件的利用率，又延长了元器件的使用寿命，较经济合理。图7为控制原理框图。

实际使用中，无功传感器的输出信号先到A/D转换模块(AI8*12bit)，转换为12位数字量，PLC将其接收在程序内判断是否需要无功补偿及需投切几级，程序设计为具环宽性质的施密特触发器，具体程序请见图8。

PLC再将触发选通使能信号通过输出模块(DO16*DC24V)传输至脉冲接口板，脉冲接口板为自主研制开发，这里选用一块CPLD即复杂可编程逻辑器件，具体型号:EPM7128AETI100－7［6］，其功能是根据同步信号和投切使能信号进行逻辑判断，确保晶闸管在电源电压峰值时投切，接口板产生脉冲触发信号，并将信号隔离放大，然后送至脉冲变压器触发晶闸管。同时还将已投切的信号通过输入模块(DI16*DC24V)反馈至PLC，形成闭环控制，电路请见图9［6］。

图9 脉冲接口板电路图

根据现场实际情况，程序设计将无功补偿控制器设定为循环投切，具体为第一次起动设备时投切顺序为1级－2级－3级－4级，第二次起动时投切顺序为2级－3级－4级－1级，再以此类推，请见图10，这样避免了某一级补偿支路长时间工作，延长了元器件的使用寿命。

图10 循环投切程序

采用闭环控制策略和以CPLD为核心的触发板能很好地完成晶闸管投切电容器组的控制功能，其投切准确快速，实现了电压电流的无冲击投切，整个无功补偿装置在2300XP型电铲上运行稳定可靠，系统功率因数常控制在0.9以上［1－2］。

4 系统运行效果

基于S7－300的无功补偿装置，在经改造后的电铲上投入运行至今，完全适应挖掘机外载荷量变化频繁，震荡和冲击载荷大，环境温度高等特点，实测功率因数在0.9以上，设备生产效果改善显著，性能达到国外新型电铲水平:

①控制精确可靠，无功补偿采用PLC集成控制，光纤传输，减少了连接线路数量，提高了信号传输的可靠性。

②成本降低，新系统去掉了进口的模拟电路板，自主开发控制电路，极大地降低了备件成本和经营成本。

③采用该控制方法的无功补偿对于晶闸管整流器或其他大型电动机等对称型负荷所产生的无功冲击是有效地，并且填补了国内电铲无功补偿的技术空白，是一种技术含量高，相对投资少，使用效果显著的新方法。

REFERENCES

［1］王兆安.谐波抑制和无功功率补偿.机械工业出版社，1998－09.

［2］靳龙章.电网无功补偿实用技术.中国水利水电出版社，1997－08.

［3］潘松.CPLD/FPGA在电子设计中的应用前景.电子技术应用，1999，(7).

［4］太原重机.2300XP挖掘机电气维修手册.太原重机厂，1996.

［5］刘万顺.电力系统故障分析.中国电力出版社，1998－03.

［6］刘延飞.基于FPGA/CPLD的电子系统设计与工程实践.人民邮电出版社.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

廖志军(1972－)，男，汉族，湖北鄂州人，电气工程师，主要从事采矿设备的维护修理工作，E－mail:es2380@126.com