基于軟起動器的長螺旋鉆機電氣控制系統改造

李學榮

（湖南有色重機工程機械公司，長沙 410013）

步履式長螺旋鉆機適用于灌注樁、擠擴樁、軟地基處理等各種基礎工程，廣泛應用于城建、能源等中高層及橋梁基礎設施方面，隨著目前工業、民用建筑施工建設中要求工期短、成孔效率高，特別是當下高效率快節奏背景下，原有的長螺旋鉆機短板凸顯一覽無余：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，成孔直徑達到800mm。

圖1 步履式長螺旋鉆機圖

綜上所述，為滿足國內建筑行業的需要，我們必須開發出扭矩大，樁深度大，成孔直徑大的鉆機，這對機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主要參數見表1。

表1 新研制步履式長螺旋鉆機主要參數

1 常規設計及存在缺陷

目前市場上長螺旋動力頭電氣系統起動方式采用自耦變壓器降壓起動，控制方式為傳統的接觸器-繼電器控制形式，這種起動方式的特點是結構簡單、維護方便，電氣造價低。缺點是起動時電動機軸輸出的扭矩小，切換方式采用時間繼電器控制，切換瞬間沖擊電流達到額定電流的3～4倍，對電網沖擊大，導致系統電壓下降，造成工地上其他施工機器無法正常運轉，嚴重時會燒毀現場電源變壓器。

原理簡述：動力頭正轉用接觸器KM10控制，反轉用KM11控制，三位旋鈕選擇正轉或反轉情況下，KM10或KM11線圈吸合，自耦變壓器“星點”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，當電機轉速達到一定值時，延時繼電器動作，延時觸點起動中間繼電器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

為防止運行過程中出現過載，采用熱繼電器KH作過載保護，熱繼電器的整定值根據電流互感器的變比及動力頭電機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行整定。

圖3示為了降低起動時動力頭起動電流對電網的沖擊，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來來說，電機起動扭矩與電壓關系如下：

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，造成電機堵轉，電機定子繞組發熱嚴重者會造成電機燒毀。

圖3 改變電源電壓時的人為特性

2 解決方法

采用國內一款基于32位ARM微處理器開發的電動機軟起動器，該軟起動器是一種新型智能化三相異步電動機起動保護裝置它是集起動、顯示、保護、數據采集于一體的電機終端控制設備。用較少的電氣元件就可以實實現較復雜的控制，友好的中文顯示面板操作簡便，提供RS 485通信接口，采用國際標準的 Modbus通信協議進行主從通信。用戶可通過PC/PLC、控制上位機等實現集中控制，以適應特定的應用要求。

2.1 軟起動器的作用

1）降低電機的起動電流，減少配電容量，避免增容投資。

2）減小起動應力，延長電動機及相關設備的使用壽命。

3）平穩的起動和軟停車避免了傳統起動設備的喘振問題、水錘效應。

4）多種起動模式及寬范圍的電流、電壓等設定，可適應多種負載情況。

5）完善可靠的保護功能，更有效地保護電機及相關設備的安全。

2.2 設計思路

動力頭正反轉采用兩個交流接觸器 KM10和KM11來實現，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，在現場運行中，動力頭頻繁起停，而且鉆機鉆頭深入地下碰到巖石等堅硬物體，此時電流比正常工作時會突然增大很多，而且持續時間長，若按 AC-3類別方式選擇則會出現由于長久過載導致接觸器觸點的燒損，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用來采樣運行的實時電流值，作為保護用，電流互感器TA2用來采樣運行時的實時電流值，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，導致軟起動器“軟起動器三相缺相”報警的頻發，軟起動器起動的開關量采用正反轉接觸器的輔助常開點作為軟起動器起動的條件。

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

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

動力頭電動機屬于重載類別，因此軟起動器內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，起動動力頭電動機時，由于靜態阻力比較大，起動扭矩小于靜態阻力矩，電動機處于堵轉，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到設定的突跳電壓，當達到預先設定的突跳時間后降為起始電壓，再根據所設定的起始電壓、電流起動時間平穩起動，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 結論

長螺旋鉆機動力頭電氣系統通過對常規電氣系統的改造升級，大大提高了效率，實現了起動時大扭矩輸出，真正實現了軟起動、軟停車，動態故障記憶，最多可以記憶15次故障，便于查找故障原因；完善的保護功能，全程檢測電流及負載參數，具有過流、過載、短路、三相不平衡、相序檢測、漏電檢測等保護；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的各種運行工況，改進后的長螺旋鉆機投入市場后產生良好的反響，深受用戶好評。

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