基于S7－300的挖掘機(jī)無功補(bǔ)償系統(tǒng)

廖志軍

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦，江西德興334224)

基于S7－300的挖掘機(jī)無功補(bǔ)償系統(tǒng)

廖志軍

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦，江西德興334224)

2300XP型礦用挖掘機(jī)，其無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)采用2組副邊就地補(bǔ)償方式，控制電路由集成運(yùn)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(shù)字控制，給出了具體的硬件構(gòu)成，軟件程序。從根本上杜絕了故障源，完全適應(yīng)挖掘機(jī)現(xiàn)場作業(yè)，經(jīng)實(shí)測功率因數(shù)在0.9以上，控制精確，投資少，效果顯著。

挖掘機(jī);晶閘管;無功補(bǔ)償;集成運(yùn)放;PLC;CPLD;循環(huán)投切

1 概述

江西德興銅礦采礦場共有5臺(tái)美國P＆H公司生產(chǎn)的2300XP型挖掘機(jī)(簡稱電鏟)，擔(dān)負(fù)著繁重的礦山采剝?nèi)蝿?wù)。電鏟在實(shí)際工作中負(fù)載變化很大，而且經(jīng)常出現(xiàn)沖擊性負(fù)載，當(dāng)進(jìn)入深度挖掘過程中，直流電機(jī)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(tǒng)中造成很低的功率因數(shù)［5］。為此，2300XP型電鏟上采用了無功補(bǔ)償裝置，由于電鏟工作時(shí)無功功率是變化的，因此必須采用分級(jí)補(bǔ)償。2300XP電鏟有固定補(bǔ)償和分級(jí)補(bǔ)償，補(bǔ)償在主變壓器副邊進(jìn)行，主變壓器共2組相同的副邊繞組，每組副邊設(shè)置一個(gè)固定級(jí)250kvar，接成△形;兩個(gè)開關(guān)級(jí)，每級(jí)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(bǔ)償容量為250*2+750*4 =3500kvar。

圖1 1#副邊無功補(bǔ)償主回路

2 原無功補(bǔ)償原理分析

2.1 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償分析

無功補(bǔ)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(guān)來進(jìn)行。電容器未投入時(shí)，通過二極管進(jìn)行充電，保持正向或反向峰值電壓，對(duì)于2300XP電鏟，峰值電壓為√2*600V，電容器的投入時(shí)刻是選擇電容器電流通過自然零點(diǎn)進(jìn)行。也就是相應(yīng)時(shí)刻的電網(wǎng)電壓與電容器上電壓大小和極性相同的時(shí)刻。電容器的切除靠取消脈沖，電流過零時(shí)，晶閘管關(guān)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(bǔ)償電容的投入與切除

當(dāng)電源電壓到達(dá)A點(diǎn)時(shí)，這時(shí)電容器已充電至峰值(√2UAB)，此時(shí)電源電壓UAB的相位與電容電壓相等，電容器電流為零。此時(shí)應(yīng)觸發(fā)晶閘管，過A電后電容上電壓大于UAB，故電容放電。過D點(diǎn)后UAB＜0，促使電容放電過程加快，到電容電流為零時(shí)放電結(jié)束(B點(diǎn))，但由于在K點(diǎn)時(shí)晶閘管已撤除脈沖，故晶閘管關(guān)斷，電容器變換極性，承受反向峰值，到L點(diǎn)時(shí)UAB＞0，電容器又通過二極管進(jìn)行正向充電至峰值，電容器電流為零，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，重復(fù)以上過程。以上分析是對(duì)UAB而言，實(shí)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(fā)②電容器預(yù)充電與電源電壓同極性且幅值相等，此時(shí)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(lián)的方式代替兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管，可使導(dǎo)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(huì)充電至峰值電壓，因此不會(huì)發(fā)生兩晶閘管反并聯(lián)方式中電容器上電壓下降的現(xiàn)象。但是，由于二極管是不可控的，當(dāng)要切除此電容支路時(shí)，最大的時(shí)間滯后為一個(gè)周波，因此其響應(yīng)速度比晶閘管反并聯(lián)的方式稍慢，但成本降低［4］。

2.2 原控制系統(tǒng)分析

在原無功控制系統(tǒng)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(fā)生放大板組成，框圖見圖3。其中無功傳感器的輸出信號(hào)0～100mv，幅值微弱，很容易受外界干擾而導(dǎo)致無功投切錯(cuò)誤，且其他幾塊電路板都是由集成運(yùn)放構(gòu)成，元件參數(shù)易發(fā)生溫漂導(dǎo)致控制失敗，其直接后果就是觸發(fā)時(shí)刻漂移頻繁燒毀晶閘管，電抗器電容器等。針對(duì)原系統(tǒng)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(shù)字投切同步及脈沖觸發(fā)電路，各電氣元件柜體之間采用profibus現(xiàn)場總線通訊，提高信號(hào)傳輸可靠性，大大減少了接線數(shù)量。

圖3 原系統(tǒng)無功補(bǔ)償框圖

2.2.1 無功功率信號(hào)檢測

無功傳感器為電子調(diào)節(jié)器，具體電路見圖4。它輸入系統(tǒng)電流和電壓信號(hào)，其基本工作原理類似于三相功率表，由于系統(tǒng)是平衡負(fù)載，而主變壓器為對(duì)稱雙副邊。因此電流信號(hào)的檢測必須同時(shí)檢測兩個(gè)副邊的同相電流，經(jīng)變壓器B2B3相加后輸入到無功傳感器，電壓信號(hào)由控制電源3?240VAC經(jīng)變壓器B1提供，傳感器輸出信號(hào)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(hào)由07號(hào)線輸入到測量放大板，見圖5。其值在0～0.1V間變化，測試點(diǎn)T11進(jìn)行檢測。輸出信號(hào)(測試點(diǎn)T13)放大100倍，其值在0～10V變化，與輸入信號(hào)成比例。電位計(jì)BALANCE (平衡)和GAIN(增益)可調(diào)節(jié)其輸出地大?。?］。

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(hào)由28號(hào)線進(jìn)入到電平檢測板，見圖6。T17測試孔可檢測，電平1～4分別對(duì)應(yīng)1#～4#無功補(bǔ)償?shù)耐度?。調(diào)節(jié)電平1(R30)使T17 =2V時(shí)T3輸出+15V，1#無功補(bǔ)償投入工作。以此類推，分別調(diào)節(jié)電平2，3，4，使T17輸入信號(hào)為4V， 6V，8V時(shí)輸出點(diǎn)T5，T8，T9為+15V。R38～R41可調(diào)節(jié)各級(jí)電平檢測器的環(huán)寬，2300XP型電鏟環(huán)寬設(shè)置為0.15V(見圖7)，也就是說當(dāng)T17信號(hào)為2V，4V，6V，8V時(shí)，T3，T5，T8，T9輸出15V。而當(dāng)T17每級(jí)的輸入信號(hào)降低0.15V時(shí)，對(duì)應(yīng)檢測器輸出為0V，電容器才被切除，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)施密特觸發(fā)器。設(shè)置環(huán)寬的好處是，當(dāng)負(fù)載發(fā)生頻繁的變化時(shí)，系統(tǒng)的無功功率也隨之相應(yīng)變化，設(shè)置環(huán)寬可使系統(tǒng)避免頻繁地投入切除電容器，減少了系統(tǒng)震蕩的條件，有利于設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行［4］。

3 新控制器原理

2300XP型電鏟控制為晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。晶閘管整流器功率因數(shù)較低，因此，用于提高功率因數(shù)的無功功率補(bǔ)償裝置是電鏟電氣系統(tǒng)的重要組成部分，其性能穩(wěn)定與否直接影響電鏟的使用效率。原無功投切系統(tǒng)相對(duì)落后，信號(hào)易受干擾，精度差，觸發(fā)脈沖經(jīng)常出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，導(dǎo)致投切電流過大，燒毀晶閘管電抗器等，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)震蕩而產(chǎn)生過壓。為此，自主開發(fā)了基于S7－300的無功功率補(bǔ)償控制電路，核心為數(shù)字信號(hào)處理器［3］，通過采集系統(tǒng)電壓及電流實(shí)現(xiàn)以下功能:①對(duì)變壓器兩組副邊的無功功率和功率因數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測②根據(jù)檢測結(jié)果產(chǎn)生投切信號(hào)③自動(dòng)檢測電壓過零點(diǎn)，并在過零點(diǎn)時(shí)刻產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)來投切相應(yīng)電容器組④具有過壓欠壓缺相，諧波超限等保護(hù)功能⑤根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，無功補(bǔ)償控制方案采用循環(huán)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(jīng)濟(jì)合理。圖7為控制原理框圖。

實(shí)際使用中，無功傳感器的輸出信號(hào)先到A/D轉(zhuǎn)換模塊(AI8*12bit)，轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量，PLC將其接收在程序內(nèi)判斷是否需要無功補(bǔ)償及需投切幾級(jí)，程序設(shè)計(jì)為具環(huán)寬性質(zhì)的施密特觸發(fā)器，具體程序請(qǐng)見圖8。

PLC再將觸發(fā)選通使能信號(hào)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(fā)，這里選用一塊CPLD即復(fù)雜可編程邏輯器件，具體型號(hào):EPM7128AETI100－7［6］，其功能是根據(jù)同步信號(hào)和投切使能信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，確保晶閘管在電源電壓峰值時(shí)投切，接口板產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號(hào)，并將信號(hào)隔離放大，然后送至脈沖變壓器觸發(fā)晶閘管。同時(shí)還將已投切的信號(hào)通過輸入模塊(DI16*DC24V)反饋至PLC，形成閉環(huán)控制，電路請(qǐng)見圖9［6］。

圖9 脈沖接口板電路圖

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，程序設(shè)計(jì)將無功補(bǔ)償控制器設(shè)定為循環(huán)投切，具體為第一次起動(dòng)設(shè)備時(shí)投切順序?yàn)?級(jí)－2級(jí)－3級(jí)－4級(jí)，第二次起動(dòng)時(shí)投切順序?yàn)?級(jí)－3級(jí)－4級(jí)－1級(jí)，再以此類推，請(qǐng)見圖10，這樣避免了某一級(jí)補(bǔ)償支路長時(shí)間工作，延長了元器件的使用壽命。

圖10 循環(huán)投切程序

采用閉環(huán)控制策略和以CPLD為核心的觸發(fā)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(zhǔn)確快速，實(shí)現(xiàn)了電壓電流的無沖擊投切，整個(gè)無功補(bǔ)償裝置在2300XP型電鏟上運(yùn)行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)功率因數(shù)?？刂圃?.9以上［1－2］。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

基于S7－300的無功補(bǔ)償裝置，在經(jīng)改造后的電鏟上投入運(yùn)行至今，完全適應(yīng)挖掘機(jī)外載荷量變化頻繁，震蕩和沖擊載荷大，環(huán)境溫度高等特點(diǎn)，實(shí)測功率因數(shù)在0.9以上，設(shè)備生產(chǎn)效果改善顯著，性能達(dá)到國外新型電鏟水平:

①控制精確可靠，無功補(bǔ)償采用PLC集成控制，光纖傳輸，減少了連接線路數(shù)量，提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

②成本降低，新系統(tǒng)去掉了進(jìn)口的模擬電路板，自主開發(fā)控制電路，極大地降低了備件成本和經(jīng)營成本。

③采用該控制方法的無功補(bǔ)償對(duì)于晶閘管整流器或其他大型電動(dòng)機(jī)等對(duì)稱型負(fù)荷所產(chǎn)生的無功沖擊是有效地，并且填補(bǔ)了國內(nèi)電鏟無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)空白，是一種技術(shù)含量高，相對(duì)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(bǔ)償.機(jī)械工業(yè)出版社，1998－09.

［2］靳龍章.電網(wǎng)無功補(bǔ)償實(shí)用技術(shù).中國水利水電出版社，1997－08.

［3］潘松.CPLD/FPGA在電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景.電子技術(shù)應(yīng)用，1999，(7).

［4］太原重機(jī).2300XP挖掘機(jī)電氣維修手冊(cè).太原重機(jī)廠，1996.

［5］劉萬順.電力系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)與工程實(shí)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(shè)備的維護(hù)修理工作，E－mail:es2380@126.com