基于軟起動器的長螺旋鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)改造

李學(xué)榮

（湖南有色重機(jī)工程機(jī)械公司，長沙 410013）

步履式長螺旋鉆機(jī)適用于灌注樁、擠擴(kuò)樁、軟地基處理等各種基礎(chǔ)工程，廣泛應(yīng)用于城建、能源等中高層及橋梁基礎(chǔ)設(shè)施方面，隨著目前工業(yè)、民用建筑施工建設(shè)中要求工期短、成孔效率高，特別是當(dāng)下高效率快節(jié)奏背景下，原有的長螺旋鉆機(jī)短板凸顯一覽無余：動力頭輸出扭矩小；樁的深度不夠：目前施工中要求樁的深度超過 30m，成孔直徑達(dá)到800mm。

圖1 步履式長螺旋鉆機(jī)圖

綜上所述，為滿足國內(nèi)建筑行業(yè)的需要，我們必須開發(fā)出扭矩大，樁深度大，成孔直徑大的鉆機(jī)，這對機(jī)械和電氣方面提出了更高的要求。新研制步履式長螺旋鉆機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 新研制步履式長螺旋鉆機(jī)主要參數(shù)

1 常規(guī)設(shè)計及存在缺陷

目前市場上長螺旋動力頭電氣系統(tǒng)起動方式采用自耦變壓器降壓起動，控制方式為傳統(tǒng)的接觸器-繼電器控制形式，這種起動方式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，電氣造價低。缺點(diǎn)是起動時電動機(jī)軸輸出的扭矩小，切換方式采用時間繼電器控制，切換瞬間沖擊電流達(dá)到額定電流的3～4倍，對電網(wǎng)沖擊大，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降，造成工地上其他施工機(jī)器無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時會燒毀現(xiàn)場電源變壓器。

原理簡述：動力頭正轉(zhuǎn)用接觸器KM10控制，反轉(zhuǎn)用KM11控制，三位旋鈕選擇正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)情況下，KM10或KM11線圈吸合，自耦變壓器“星點(diǎn)”接觸器KM3可靠動作后，自耦變壓器電壓輸入端接觸器KM2動作，同時起動延時繼電器，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，延時繼電器動作，延時觸點(diǎn)起動中間繼電器KA，中間繼電器KA動作并自保持，同時切斷自耦變壓器起動回路，起動旁路接觸器KM3，完成了一次起動過程。電氣主回路圖及控制原理圖如圖2所示。

圖2 動力頭自耦變壓器起動主回路及控制回路圖

為防止運(yùn)行過程中出現(xiàn)過載，采用熱繼電器KH作過載保護(hù)，熱繼電器的整定值根據(jù)電流互感器的變比及動力頭電機(jī)額定電流來計算整定值，時間繼電器整定值按自耦變壓器要求進(jìn)行整定。

圖3示為了降低起動時動力頭起動電流對電網(wǎng)的沖擊，自耦變壓器的輸出端通常接的60%檔位，表示起動電壓只有額定電壓的60%，對于功率額定的電機(jī)來來說，電機(jī)起動扭矩與電壓關(guān)系如下：

從上式得知，扭矩T與每相繞組電壓U1的平方成正比U1↓→T↓↓，當(dāng)電壓為額定電壓的60%時，輸出扭矩為額定扭矩的36%，這對動力頭在地表面空載時可以正常起動，如果動力頭在地面深處阻力矩大于起動扭矩時，動力頭無法正常起動，造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電機(jī)定子繞組發(fā)熱嚴(yán)重者會造成電機(jī)燒毀。

圖3 改變電源電壓時的人為特性

2 解決方法

采用國內(nèi)一款基于32位ARM微處理器開發(fā)的電動機(jī)軟起動器，該軟起動器是一種新型智能化三相異步電動機(jī)起動保護(hù)裝置它是集起動、顯示、保護(hù)、數(shù)據(jù)采集于一體的電機(jī)終端控制設(shè)備。用較少的電氣元件就可以實(shí)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，友好的中文顯示面板操作簡便，提供RS 485通信接口，采用國際標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus通信協(xié)議進(jìn)行主從通信。用戶可通過PC/PLC、控制上位機(jī)等實(shí)現(xiàn)集中控制，以適應(yīng)特定的應(yīng)用要求。

2.1 軟起動器的作用

1）降低電機(jī)的起動電流，減少配電容量，避免增容投資。

2）減小起動應(yīng)力，延長電動機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。

3）平穩(wěn)的起動和軟停車避免了傳統(tǒng)起動設(shè)備的喘振問題、水錘效應(yīng)。

4）多種起動模式及寬范圍的電流、電壓等設(shè)定，可適應(yīng)多種負(fù)載情況。

5）完善可靠的保護(hù)功能，更有效地保護(hù)電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的安全。

2.2 設(shè)計思路

動力頭正反轉(zhuǎn)采用兩個交流接觸器 KM10和KM11來實(shí)現(xiàn)，采用一個三位旋鈕SA1來控制交流接觸器KM10和KM11，交流接觸器KM1為起動完畢后切換的旁路接觸器，交流接觸器的選型要按照重載方式選擇交流接觸器，在現(xiàn)場運(yùn)行中，動力頭頻繁起停，而且鉆機(jī)鉆頭深入地下碰到巖石等堅(jiān)硬物體，此時電流比正常工作時會突然增大很多，而且持續(xù)時間長，若按 AC-3類別方式選擇則會出現(xiàn)由于長久過載導(dǎo)致接觸器觸點(diǎn)的燒損，因此建議采用AC-4類別方式選擇交流接觸器。

電流互感器TA1用來采樣運(yùn)行的實(shí)時電流值，作為保護(hù)用，電流互感器TA2用來采樣運(yùn)行時的實(shí)時電流值，作為測量用。電流互感器電流變比的選擇要考慮運(yùn)行時的沖擊電流的大小，精度一般為0.5級。

為防止在三相失電的狀況下起動軟起動器，導(dǎo)致軟起動器“軟起動器三相缺相”報警的頻發(fā)，軟起動器起動的開關(guān)量采用正反轉(zhuǎn)接觸器的輔助常開點(diǎn)作為軟起動器起動的條件。

軟起動器發(fā)生故障時設(shè)置了故障指示燈，同時切斷正反轉(zhuǎn)交流接觸器 KM10、KM11線圈控制電源，確保了動力頭電動機(jī)的安全。

采用軟起動器電氣主回路及控制回路如圖4所示。

圖4 動力頭軟起動器起動主接線圖及控制回路圖

3 重載起動對軟起動器要求

3.1 脫扣等級的要求

動力頭電動機(jī)屬于重載類別，因此軟起動器內(nèi)部電子熱繼電器過載脫扣等級整定為30，電子熱脫扣脫扣曲線圖如圖5所示。

圖5 電子熱繼電器脫扣曲線

3.2 突跳起動控制的要求

所謂突跳起動是針對靜摩擦力矩較大的負(fù)載，必須施加一個短時的大起動力矩，以克服靜摩擦力矩，這要求軟起動器可以短時輸出90%的額定電壓。如圖6軟起（軟停）電壓（電流）特性曲線所示起動瞬間用突跳扭矩克服靜摩擦力矩，然后扭矩平滑上升，縮短起動時間。螺旋鉆桿處于地面深處，起動動力頭電動機(jī)時，由于靜態(tài)阻力比較大，起動扭矩小于靜態(tài)阻力矩，電動機(jī)處于堵轉(zhuǎn)，這種情況很危險，解決方法，啟用軟起動中的突跳軟起動功能，通過施加一個瞬時較大的起動力矩以克服大的靜摩擦力矩。該模式下輸出電壓迅速達(dá)到設(shè)定的突跳電壓，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的突跳時間后降為起始電壓，再根據(jù)所設(shè)定的起始電壓、電流起動時間平穩(wěn)起動，直至起動完成。

圖6 軟起（軟停）電壓（電流）特性曲線

對軟起動突跳功能整定值距離見表2。

表2 以CMC-SX軟起動為例說明

4 結(jié)論

長螺旋鉆機(jī)動力頭電氣系統(tǒng)通過對常規(guī)電氣系統(tǒng)的改造升級，大大提高了效率，實(shí)現(xiàn)了起動時大扭矩輸出，真正實(shí)現(xiàn)了軟起動、軟停車，動態(tài)故障記憶，最多可以記憶15次故障，便于查找故障原因；完善的保護(hù)功能，全程檢測電流及負(fù)載參數(shù)，具有過流、過載、短路、三相不平衡、相序檢測、漏電檢測等保護(hù)；控制面板置于駕駛室操作臺，采用LCD液晶面板在控制室就可以方便了解系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況，改進(jìn)后的長螺旋鉆機(jī)投入市場后產(chǎn)生良好的反響，深受用戶好評。

[1] 鄧星鐘, 朱承高. 機(jī)電傳動控制[M]. 3版. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2001.

[2] 許實(shí)章. 電機(jī)學(xué)[M]. 3版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

[3] CMC-SX軟起動器說明書[Z]. 西安西馳電氣, 2011.

[4] 于海生. 微型計算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1998.