直流調(diào)速器與交流變頻器在樁機(jī)設(shè)計中的比較

張宗媛+劉東元

摘 要 針對目前建筑施工中廣泛使用的螺桿樁機(jī)控制系統(tǒng)中的變頻器進(jìn)行探討，從螺桿樁成樁原理出發(fā)，分析直流調(diào)速器和交流變頻器的選擇方法、適用環(huán)境及優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 螺桿樁機(jī)；直流調(diào)速器；交流變頻器

中圖分類號：P634.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0131-02

1 螺桿樁形成原理

目前，我國倡導(dǎo)節(jié)能減排，螺桿樁作為一種新型樁已迅速進(jìn)入國內(nèi)樁機(jī)施工市場。螺桿樁及其成樁工法是在長螺旋鉆孔灌注樁和日本鋼釬維全螺紋預(yù)制樁的基礎(chǔ)上的新樁型。其主要技術(shù)特征表現(xiàn)為樁的“上部為直柱型，下部為螺絲型”，樁體幾何斷面更符合附加應(yīng)力場由上而下減少的分布規(guī)律。樁孔通過螺桿葉片擠土成型，與打入式預(yù)制樁相比，施工噪音低，無振動，對已施工的樁無影響；與全螺旋樁，普通泥漿護(hù)壁成孔的灌注樁相比，無泥漿污染和棄土問題。另外，螺桿樁改變了樁與土體之間相互作用的模式，樁與土界面構(gòu)成了機(jī)械型咬合。將常識中“螺絲釘比釘子牢固”的道理運(yùn)用在樁施工中，使其更牢固的特點(diǎn)得以實現(xiàn)。螺桿鉆具鉆進(jìn)形成螺紋孔是成樁的關(guān)鍵所在，因此在施工時，要求鉆具的旋轉(zhuǎn)速度和進(jìn)給速度互相匹配，即當(dāng)鉆具每旋轉(zhuǎn)一周鉆具需進(jìn)給一個螺距，這樣要求樁機(jī)在旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)給方向的電機(jī)速度達(dá)到匹配。在施工中，往往會出現(xiàn)穿越巖土層、泥漿層時，出現(xiàn)鉆頭旋轉(zhuǎn)速度突然變慢或變快，鉆頭下降速度突然加快或停止，因此需要一種裝置可以當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)速度突然變慢或變快時改變鉆具進(jìn)給速度使之同比例調(diào)整，變頻器和傳感器即是這樣的設(shè)備，變頻器通過傳感器返回的速度信號，有效的提升或降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而保證螺桿樁的形成。

2 傳統(tǒng)樁機(jī)與變頻器樁機(jī)的比較

傳統(tǒng)打樁機(jī)動力頭使用電機(jī)通過減速箱驅(qū)動鉆桿或通過變速箱驅(qū)動鉆桿，這種控制方式存在諸多不足之處，具體如下。

1）使用減速機(jī)驅(qū)動鉆桿不能變速，對不同的地質(zhì)都是同一速度，效率低下。

2）大功率電機(jī)使用星三角啟動方式，沖擊電流大，機(jī)械沖擊大，影響設(shè)備壽命，增加維護(hù)保養(yǎng)的難度

3） 使用變速箱驅(qū)動鉆桿，通過機(jī)械齒輪變速比較困難，一般只分3檔，要求變速箱性能優(yōu)越，保養(yǎng)需要及時，故障率相對較高，影響生產(chǎn)。

4）遇到悶鉆頭等意外情況埋鉆頭、鉆桿報廢、樁報廢的概率較高，需要及時借助特殊工具才能避免。

目前變頻器技術(shù)發(fā)展得很成熟，尤其是無速度傳感器矢量控制方式的應(yīng)用，使得變頻器控制打樁機(jī)優(yōu)越性大幅提高，主要優(yōu)點(diǎn)是：

1）可以無極變速輕松應(yīng)對不同地質(zhì)和不同孔徑，大大提升工作效率。

2）減小設(shè)備啟動瞬間的沖擊電流，減小啟動瞬間的對機(jī)械部分的沖擊，延長設(shè)備的使用壽命，減小維護(hù)保養(yǎng)的周期、工作量。

3）使用矢量控制方式能夠為電機(jī)提供200%的啟動力矩，遇到悶鉆等意外情況可以使用電動的方式將鉆頭取出，大大減小了埋鉆、鉆桿報廢、樁報廢的概率。

4）減小電能消耗，提高電機(jī)的功率因素。

綜上所述，變頻器作為一種自動化程度非常高的電子調(diào)速設(shè)備，具有調(diào)速范圍廣，速度穩(wěn)定，精度高，能實現(xiàn)自動控制，操作方便，必將取代減速箱驅(qū)動鉆桿或通過變速箱驅(qū)動鉆桿的原始控制方式。

3 變頻器的分類

變頻器分類方法有很多，按照主電路工作方式分類，可分為電壓專用型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可分為v/f控變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器；按控制方式可分為直流調(diào)速器和交流變頻器等。樁機(jī)設(shè)計中主要涉及到直流調(diào)速器和交流變頻器。

直流調(diào)速器是通過控制直流電機(jī)的電流的大小來控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，直流電機(jī)在額定功率以下為恒轉(zhuǎn)矩，在額定功率以上為恒功率。

交流變頻器是通過控制交流電壓的頻率來控制交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，頻率在0 Hz-50 Hz之內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩，頻率超過50 Hz為恒功率。

4 直流調(diào)速器的選擇

首先要確定直流電機(jī)是有刷的還是無刷的，然后是調(diào)速器的工作電壓，調(diào)速器的輸出電壓，調(diào)速器輸出的最高電流，或者說驅(qū)動的電機(jī)的最大功率是多少；調(diào)制方式是模擬還是數(shù)字，SCR還是PWM；控制方式是電位器調(diào)速還是模擬量調(diào)速；是否需要反饋，是測速反饋還是編碼器反饋；是否需要正反轉(zhuǎn)，即正反轉(zhuǎn)是否頻繁；是否需要速度顯示等。

施工成樁特點(diǎn)要求螺桿樁機(jī)動力頭電機(jī)在額定功率下實現(xiàn)恒扭矩鉆進(jìn)，并且要求實現(xiàn)無極調(diào)速，因此在螺桿樁機(jī)的設(shè)計中，選用590直流調(diào)速器，此款直流調(diào)速器在直流傳動領(lǐng)域引入了一個新概念——DRV封裝方式，該封裝是單體的集成化的模塊，在此封裝方式中包括了所有關(guān)聯(lián)的電器件。在進(jìn)行樁機(jī)設(shè)計中主要用到直流調(diào)速器的I/O端口、速度反饋選擇、人機(jī)界面等，對直流電機(jī)進(jìn)行無極調(diào)速。

590系列電機(jī)調(diào)速器是作為與配套控制設(shè)備安裝在標(biāo)準(zhǔn)箱內(nèi)的部件而設(shè)計的，設(shè)備安裝在標(biāo)準(zhǔn)箱內(nèi)，控制裝置使用交流110伏到500伏的3相標(biāo)準(zhǔn)電源，提供直流輸出電壓和電流，用于電機(jī)和勵磁，適用于直流他勵電動機(jī)和永磁電動機(jī)的控制。

5 交流變頻器的選擇

交流變頻調(diào)速器（VVVF，簡稱變頻器）是一種應(yīng)用矢量控制原理，采用模塊化結(jié)構(gòu)，集合數(shù)字技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代自動控制技術(shù)于一體的智能型交流電動機(jī)調(diào)速裝置。

變頻器的選擇要根據(jù)電機(jī)所拖動負(fù)載類型決定，同時要考慮電機(jī)選擇時的過載倍數(shù)。最簡單的辦法是變頻器的額定電流大約電機(jī)的額定電流。如果是起重類負(fù)載將變頻器放大1～2擋。根據(jù)設(shè)備情況選擇變頻器：風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)荷可以選擇比變頻器額定功率低一個檔次；帶減速裝置的電動機(jī)，選擇變頻器要根據(jù)實際需要轉(zhuǎn)速，如長期處于額定轉(zhuǎn)速70%-90%的，可以直接選擇同功率變頻器即可。長期低速最好把減速機(jī)速比調(diào)整好后再使用變頻器，實在需要變速，變頻器的功率要不小于電動機(jī)功率的1.2-1.5倍。

由于樁機(jī)施工地層情況復(fù)雜，負(fù)載多變，要求樁機(jī)能隨負(fù)載的變化自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，而恒功率變量系統(tǒng)能適應(yīng)負(fù)載工況的要求，即隨負(fù)載的增加，系統(tǒng)能夠自動降低轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)矩。并能最大限度地利用源動機(jī)的功率，達(dá)到最佳的鉆進(jìn)效果。因此，在選擇配套交流變頻器時，要求變頻器可驅(qū)動電機(jī)在恒功率下工作，即快速平穩(wěn)地使交流電機(jī)頻率調(diào)節(jié)到50 Hz以上。

6 直流調(diào)速器與交流變頻器的對比

直流電機(jī)具有響應(yīng)速度快，從零速度到額定速度能夠維持額定力矩的能力，所以能夠進(jìn)行從零速到額定速度的無級調(diào)速。而交流電機(jī)進(jìn)行無級調(diào)速其力矩是隨著電機(jī)的速度變化而變化的，一般當(dāng)?shù)陀?0 Hz的時候運(yùn)行就不穩(wěn)定了，但是當(dāng)頻率高于50 Hz時為恒功率工作，力矩可根據(jù)不同地形變化而變化。因此無論是直流電機(jī)還是交流電機(jī)都有各自的適用范圍，在選擇時，要根據(jù)具體施工要求確定選擇是直流控制還是交流控制。但在施工現(xiàn)場，電網(wǎng)一般都為交流電，因此在設(shè)計時，無特殊情況，交流變頻器優(yōu)先選擇。

7 變頻器在樁機(jī)設(shè)計中的發(fā)展

隨著施工條件的不斷變化，施工地形、地質(zhì)日益復(fù)雜，這樣要求施工時樁機(jī)進(jìn)給力要不斷地變化，傳統(tǒng)的有級變速長螺旋樁機(jī)已經(jīng)完全不能適應(yīng)當(dāng)今的施工條件。因此，在施工時要求樁機(jī)要實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，變頻器被引入樁機(jī)設(shè)計是必然的趨勢，并會取代傳統(tǒng)樁機(jī)，根據(jù)不同的地形和施工需要，針對性的選擇直流或交流控制。變頻器已逐漸成為樁機(jī)設(shè)計的主宰者。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

張宗媛（1982-），女，漢族，科員，機(jī)械工程師，碩士研究生，從事螺旋樁機(jī)設(shè)計工作。endprint