砂漿泵超壓快速保護(hù)裝置的研究

陳煒寧，周 磊，徐 毅，張聲軍

（北京建筑機(jī)械化研究院，北京 100007）

1 砂漿泵超壓快速保護(hù)裝置的作用

砂漿泵因其工作性能優(yōu)越，在工程注漿和灌漿等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，例如水庫(kù)、水電站、堤壩、港口、碼頭中由各種壓力注漿等。目前，砂漿泵輸送管道采用的是鋼絲膠管，其耐壓能力一般為10MPa，所以一旦管道發(fā)生堵塞，如果沒(méi)有保護(hù)裝置的保護(hù)，輸送管道將會(huì)爆裂，里面的砂漿將嚴(yán)重威脅施工人員的人身安全。因此砂漿泵超壓快速保護(hù)裝置具有保證安全施工和保護(hù)設(shè)備的重要作用。

2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)目前普遍使用熱繼電器、模擬電子式保護(hù)裝置、微機(jī)型智能保護(hù)裝置等對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，但這些保護(hù)裝置存在以下缺點(diǎn)。

1）熱繼電器存在整定粗糙、受環(huán)境影響大，反應(yīng)遲鈍，重復(fù)性差，誤差大及功能單一等缺點(diǎn)，目前基本被淘汰。

2）模擬電子式保護(hù)裝置存在整定精度不高及采樣精度不高等缺點(diǎn)。

3）一般的微機(jī)型智能保護(hù)裝置存在可靠性低，整體抗干擾能力較差，保護(hù)功能不完善，界面不友好，反應(yīng)速度慢，操作繁瑣等缺點(diǎn)。

為了保證砂漿泵安全、可靠地運(yùn)行，我們以微機(jī)型電機(jī)智能保護(hù)裝置為基礎(chǔ)研發(fā)了一種砂漿泵超壓快速保護(hù)裝置。

3 主要技術(shù)參數(shù)

4 技術(shù)特點(diǎn)

由于電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨管道壓力上升而增加，而電機(jī)電流與電機(jī)扭轉(zhuǎn)成正比關(guān)系，所以當(dāng)管道壓力上升時(shí)，電機(jī)電流也隨之增加。于是我們可以通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)電流間接的監(jiān)測(cè)管道壓力，一旦管道壓力超過(guò)設(shè)定的壓力（即設(shè)定的電機(jī)電流），保護(hù)器立即斷開(kāi)電機(jī)電源，起到保護(hù)管道和電機(jī)的作用。我們研發(fā)的砂漿泵超壓快速保護(hù)裝置有以下特點(diǎn)。

4.1 保護(hù)裝置采用傅立葉算法

通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)字濾波器可以得到一些數(shù)字信息，但這些數(shù)字信息不能被直接用來(lái)作為判斷，必須通過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法將其轉(zhuǎn)化成保護(hù)所反映的量。因此，算法是保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的重點(diǎn)。交流采樣有多種算法，每種算法的精度和速度不盡相同，但其核心都是得到被保護(hù)設(shè)備的參數(shù)——電流的有效值。傅里葉算法對(duì)非整數(shù)次高次諧波有很大的抑制能力，所以本保護(hù)裝置使用傅里葉算法。

我們知道實(shí)際的采樣信號(hào)往往是在基波分量的基礎(chǔ)上疊加有衰減的非周期分量和各種高頻分量，因此要求保護(hù)裝置對(duì)輸入的電流進(jìn)行預(yù)處理，盡可能濾掉非周期分量和高頻分量。

傅立葉算法的基本思路來(lái)自傅立葉級(jí)數(shù)，即一個(gè)周期性函數(shù)可以分解為直流分量、基波和各次諧波的無(wú)窮級(jí)數(shù)，如

式中w1表示基波角頻率；an和bn分別表示各次諧波的正余弦的幅值，其中比較特殊的有：b0表示直流分量，a1和b1表示基波分量正余弦的幅值。根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)原理，可以分別求出an和bn分別為

于是n次諧波電流分量可表示為

據(jù)此可以求出n次諧波電流分量的有效值為

其中an、bn使用梯形積分法近似求出為

式中N為一周期采用點(diǎn)數(shù)，i(0)、i(k)、i(n)分別為第0次、第K次和第N次的采用值。應(yīng)用傅里葉算法求取電流有效值至少要求一個(gè)周期的采樣點(diǎn)，但它具有較強(qiáng)的諧波抑制能力，在故障和波形畸變情況下可獲得較高的計(jì)算精度。結(jié)合電動(dòng)機(jī)保護(hù)的實(shí)際，本系統(tǒng)采用傅里葉算法，在精度和速度上完全可以滿(mǎn)足要求。

4.2 反應(yīng)迅速

當(dāng)砂漿堵泵時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流會(huì)迅速增大，輸送壓力也迅速增大，特別容易將管道炸裂甚至燒毀電機(jī)。因此在檢測(cè)到電機(jī)運(yùn)行電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)裝置必須及時(shí)動(dòng)作，保護(hù)施工安全和設(shè)備。

在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定電流Icy并達(dá)到動(dòng)作時(shí)限Tcy時(shí)，保護(hù)裝置將作用于出口跳閘，斷開(kāi)電源。設(shè)定的保護(hù)電 流在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中閉鎖，起動(dòng)結(jié)束后自動(dòng)投入。

本保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限Tcy為0.1s，由于從正常輸送到發(fā)生堵泵需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)大于0.1s，所以本裝置的動(dòng)作時(shí)限能夠快速完成保護(hù)動(dòng)作，起到保護(hù)設(shè)備施工安全的作用。

4.3 保護(hù)功能多

本保護(hù)裝置除了對(duì)設(shè)備具有靈敏的超壓保護(hù)之外，還可以對(duì)電機(jī)斷相、過(guò)載、短路、欠壓、三相不平衡、漏電等進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)還擁有電流電壓顯示、故障記憶等功能。

5 結(jié) 語(yǔ)

進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)家對(duì)施工安全生產(chǎn)要求越來(lái)越高，對(duì)設(shè)備的安全保護(hù)性能也要求越來(lái)越高。本保護(hù)裝置測(cè)量準(zhǔn)確、反應(yīng)速度快、應(yīng)用范圍廣，既可以作為砂漿泵的保護(hù)裝置，也可以用于擠壓泵、細(xì)石混凝土泵等以電機(jī)為動(dòng)力的設(shè)備，必將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。