直流調速器與交流變頻器在樁機設計中的比較

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控制系統中的變頻器進行探討，從螺桿樁成樁原理出發，分析直流調速器和交流變頻器的選擇方法、適用環境及優缺點。

關鍵詞 螺桿樁機；直流調速器；交流變頻器

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

1 螺桿樁形成原理

目前，我國倡導節能減排，螺桿樁作為一種新型樁已迅速進入國內樁機施工市場。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制樁的基礎上的新樁型。其主要技術特征表現為樁的“上部為直柱型，下部為螺絲型”，樁體幾何斷面更符合附加應力場由上而下減少的分布規律。樁孔通過螺桿葉片擠土成型，與打入式預制樁相比，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，樁與土界面構成了機械型咬合。將常識中“螺絲釘比釘子牢固”的道理運用在樁施工中，使其更牢固的特點得以實現。螺桿鉆具鉆進形成螺紋孔是成樁的關鍵所在，因此在施工時，要求鉆具的旋轉速度和進給速度互相匹配，即當鉆具每旋轉一周鉆具需進給一個螺距，這樣要求樁機在旋轉方向和進給方向的電機速度達到匹配。在施工中，往往會出現穿越巖土層、泥漿層時，出現鉆頭旋轉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鉆頭旋轉速度突然變慢或變快時改變鉆具進給速度使之同比例調整，變頻器和傳感器即是這樣的設備，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的轉速，從而保證螺桿樁的形成。

2 傳統樁機與變頻器樁機的比較

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

1）使用減速機驅動鉆桿不能變速，對不同的地質都是同一速度，效率低下。

2）大功率電機使用星三角啟動方式，沖擊電流大，機械沖擊大，影響設備壽命，增加維護保養的難度

3） 使用變速箱驅動鉆桿，通過機械齒輪變速比較困難，一般只分3檔，要求變速箱性能優越，保養需要及時，故障率相對較高，影響生產。

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。

目前變頻器技術發展得很成熟，尤其是無速度傳感器矢量控制方式的應用，使得變頻器控制打樁機優越性大幅提高，主要優點是：

1）可以無極變速輕松應對不同地質和不同孔徑，大大提升工作效率。

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

3）使用矢量控制方式能夠為電機提供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速設備，具有調速范圍廣，速度穩定，精度高，能實現自動控制，操作方便，必將取代減速箱驅動鉆桿或通過變速箱驅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速器和交流變頻器等。樁機設計中主要涉及到直流調速器和交流變頻器。

直流調速器是通過控制直流電機的電流的大小來控制直流電機轉速，直流電機在額定功率以下為恒轉矩，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的轉速，頻率在0 Hz-50 Hz之內為恒轉矩，頻率超過50 Hz為恒功率。

4 直流調速器的選擇

首先要確定直流電機是有刷的還是無刷的，然后是調速器的工作電壓，調速器的輸出電壓，調速器輸出的最高電流，或者說驅動的電機的最大功率是多少；調制方式是模擬還是數字，SCR還是PWM；控制方式是電位器調速還是模擬量調速；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，即正反轉是否頻繁；是否需要速度顯示等。

施工成樁特點要求螺桿樁機動力頭電機在額定功率下實現恒扭矩鉆進，并且要求實現無極調速，因此在螺桿樁機的設計中，選用590直流調速器，此款直流調速器在直流傳動領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聯的電器件。在進行樁機設計中主要用到直流調速器的I/O端口、速度反饋選擇、人機界面等，對直流電機進行無極調速。

590系列電機調速器是作為與配套控制設備安裝在標準箱內的部件而設計的，設備安裝在標準箱內，控制裝置使用交流110伏到500伏的3相標準電源，提供直流輸出電壓和電流，用于電機和勵磁，適用于直流他勵電動機和永磁電動機的控制。

5 交流變頻器的選擇

交流變頻調速器（VVVF，簡稱變頻器）是一種應用矢量控制原理，采用模塊化結構，集合數字技術，計算機技術和現代自動控制技術于一體的智能型交流電動機調速裝置。

變頻器的選擇要根據電機所拖動負載類型決定，同時要考慮電機選擇時的過載倍數。最簡單的辦法是變頻器的額定電流大約電機的額定電流。如果是起重類負載將變頻器放大1～2擋。根據設備情況選擇變頻器：風機水泵類負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，選擇變頻器要根據實際需要轉速，如長期處于額定轉速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速比調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功率的1.2-1.5倍。

由于樁機施工地層情況復雜，負載多變，要求樁機能隨負載的變化自動調節轉速和轉矩，而恒功率變量系統能適應負載工況的要求，即隨負載的增加，系統能夠自動降低轉速，增大轉矩。并能最大限度地利用源動機的功率，達到最佳的鉆進效果。因此，在選擇配套交流變頻器時，要求變頻器可驅動電機在恒功率下工作，即快速平穩地使交流電機頻率調節到50 Hz以上。

6 直流調速器與交流變頻器的對比

直流電機具有響應速度快，從零速度到額定速度能夠維持額定力矩的能力，所以能夠進行從零速到額定速度的無級調速。而交流電機進行無級調速其力矩是隨著電機的速度變化而變化的，一般當低于30 Hz的時候運行就不穩定了，但是當頻率高于50 Hz時為恒功率工作，力矩可根據不同地形變化而變化。因此無論是直流電機還是交流電機都有各自的適用范圍，在選擇時，要根據具體施工要求確定選擇是直流控制還是交流控制。但在施工現場，電網一般都為交流電，因此在設計時，無特殊情況，交流變頻器優先選擇。

7 變頻器在樁機設計中的發展

隨著施工條件的不斷變化，施工地形、地質日益復雜，這樣要求施工時樁機進給力要不斷地變化，傳統的有級變速長螺旋樁機已經完全不能適應當今的施工條件。因此，在施工時要求樁機要實時調節轉速，變頻器被引入樁機設計是必然的趨勢，并會取代傳統樁機，根據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設計的主宰者。

參考文獻

[1]侯慶國.LGZ-25型全液壓螺桿樁鉆機的研制與應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2010，37（8）：37-40.

[2]王萬俊，張遠鑒.螺旋樁機同步跟蹤自動控制系統的研制[J].華中科技大學學報（自然科學版），2002，30（04）：35-36.

[3]侯慶國.LGZ-25型全液壓螺桿樁鉆機的研制與應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2010，37（8）：37-40.

作者簡介

張宗媛（1982-），女，漢族，科員，機械工程師，碩士研究生，從事螺旋樁機設計工作。endprint