直流调速器与交流变频器在桩机设计中的比较

张宗媛+刘东元

摘 要 针对目前建筑施工中广泛使用的螺杆桩机控制系统中的变频器进行探讨，从螺杆桩成桩原理出发，分析直流调速器和交流变频器的选择方法、适用环境及优缺点。

关键词 螺杆桩机；直流调速器；交流变频器

中图分类号：P634.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0131-02

1 螺杆桩形成原理

目前，我国倡导节能减排，螺杆桩作为一种新型桩已迅速进入国内桩机施工市场。螺杆桩及其成桩工法是在长螺旋钻孔灌注桩和日本钢钎维全螺纹预制桩的基础上的新桩型。其主要技术特征表现为桩的“上部为直柱型，下部为螺丝型”，桩体几何断面更符合附加应力场由上而下减少的分布规律。桩孔通过螺杆叶片挤土成型，与打入式预制桩相比，施工噪音低，无振动，对已施工的桩无影响；与全螺旋桩，普通泥浆护壁成孔的灌注桩相比，无泥浆污染和弃土问题。另外，螺杆桩改变了桩与土体之间相互作用的模式，桩与土界面构成了机械型咬合。将常识中“螺丝钉比钉子牢固”的道理运用在桩施工中，使其更牢固的特点得以实现。螺杆钻具钻进形成螺纹孔是成桩的关键所在，因此在施工时，要求钻具的旋转速度和进给速度互相匹配，即当钻具每旋转一周钻具需进给一个螺距，这样要求桩机在旋转方向和进给方向的电机速度达到匹配。在施工中，往往会出现穿越岩土层、泥浆层时，出现钻头旋转速度突然变慢或变快，钻头下降速度突然加快或停止，因此需要一种装置可以当钻头旋转速度突然变慢或变快时改变钻具进给速度使之同比例调整，变频器和传感器即是这样的设备，变频器通过传感器返回的速度信号，有效的提升或降低电机的转速，从而保证螺杆桩的形成。

2 传统桩机与变频器桩机的比较

传统打桩机动力头使用电机通过减速箱驱动钻杆或通过变速箱驱动钻杆，这种控制方式存在诸多不足之处，具体如下。

1）使用减速机驱动钻杆不能变速，对不同的地质都是同一速度，效率低下。

2）大功率电机使用星三角启动方式，冲击电流大，机械冲击大，影响设备寿命，增加维护保养的难度

3） 使用变速箱驱动钻杆，通过机械齿轮变速比较困难，一般只分3档，要求变速箱性能优越，保养需要及时，故障率相对较高，影响生产。

4）遇到闷钻头等意外情况埋钻头、钻杆报废、桩报废的概率较高，需要及时借助特殊工具才能避免。

目前变频器技术发展得很成熟，尤其是无速度传感器矢量控制方式的应用，使得变频器控制打桩机优越性大幅提高，主要优点是：

1）可以无极变速轻松应对不同地质和不同孔径，大大提升工作效率。

2）减小设备启动瞬间的冲击电流，减小启动瞬间的对机械部分的冲击，延长设备的使用寿命，减小维护保养的周期、工作量。

3）使用矢量控制方式能够为电机提供200%的启动力矩，遇到闷钻等意外情况可以使用电动的方式将钻头取出，大大减小了埋钻、钻杆报废、桩报废的概率。

4）减小电能消耗，提高电机的功率因素。

综上所述，变频器作为一种自动化程度非常高的电子调速设备，具有调速范围广，速度稳定，精度高，能实现自动控制，操作方便，必将取代减速箱驱动钻杆或通过变速箱驱动钻杆的原始控制方式。

3 变频器的分类

变频器分类方法有很多，按照主电路工作方式分类，可分为电压专用型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可分为v/f控变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器；按控制方式可分为直流调速器和交流变频器等。桩机设计中主要涉及到直流调速器和交流变频器。

直流调速器是通过控制直流电机的电流的大小来控制直流电机转速，直流电机在额定功率以下为恒转矩，在额定功率以上为恒功率。

交流变频器是通过控制交流电压的频率来控制交流电动机的转速，频率在0 Hz-50 Hz之内为恒转矩，频率超过50 Hz为恒功率。

4 直流调速器的选择

首先要确定直流电机是有刷的还是无刷的，然后是调速器的工作电压，调速器的输出电压，调速器输出的最高电流，或者说驱动的电机的最大功率是多少；调制方式是模拟还是数字，SCR还是PWM；控制方式是电位器调速还是模拟量调速；是否需要反馈，是测速反馈还是编码器反馈；是否需要正反转，即正反转是否频繁；是否需要速度显示等。

施工成桩特点要求螺杆桩机动力头电机在额定功率下实现恒扭矩钻进，并且要求实现无极调速，因此在螺杆桩机的设计中，选用590直流调速器，此款直流调速器在直流传动领域引入了一个新概念——DRV封装方式，该封装是单体的集成化的模块，在此封装方式中包括了所有关联的电器件。在进行桩机设计中主要用到直流调速器的I/O端口、速度反馈选择、人机界面等，对直流电机进行无极调速。

590系列电机调速器是作为与配套控制设备安装在标准箱内的部件而设计的，设备安装在标准箱内，控制装置使用交流110伏到500伏的3相标准电源，提供直流输出电压和电流，用于电机和励磁，适用于直流他励电动机和永磁电动机的控制。

5 交流变频器的选择

交流变频调速器（VVVF，简称变频器）是一种应用矢量控制原理，采用模块化结构，集合数字技术，计算机技术和现代自动控制技术于一体的智能型交流电动机调速装置。

变频器的选择要根据电机所拖动负载类型决定，同时要考虑电机选择时的过载倍数。最简单的办法是变频器的额定电流大约电机的额定电流。如果是起重类负载将变频器放大1～2挡。根据设备情况选择变频器：风机水泵类负荷可以选择比变频器额定功率低一个档次；带减速装置的电动机，选择变频器要根据实际需要转速，如长期处于额定转速70%-90%的，可以直接选择同功率变频器即可。长期低速最好把减速机速比调整好后再使用变频器，实在需要变速，变频器的功率要不小于电动机功率的1.2-1.5倍。

由于桩机施工地层情况复杂，负载多变，要求桩机能随负载的变化自动调节转速和转矩，而恒功率变量系统能适应负载工况的要求，即随负载的增加，系统能够自动降低转速，增大转矩。并能最大限度地利用源动机的功率，达到最佳的钻进效果。因此，在选择配套交流变频器时，要求变频器可驱动电机在恒功率下工作，即快速平稳地使交流电机频率调节到50 Hz以上。

6 直流调速器与交流变频器的对比

直流电机具有响应速度快，从零速度到额定速度能够维持额定力矩的能力，所以能够进行从零速到额定速度的无级调速。而交流电机进行无级调速其力矩是随着电机的速度变化而变化的，一般当低于30 Hz的时候运行就不稳定了，但是当频率高于50 Hz时为恒功率工作，力矩可根据不同地形变化而变化。因此无论是直流电机还是交流电机都有各自的适用范围，在选择时，要根据具体施工要求确定选择是直流控制还是交流控制。但在施工现场，电网一般都为交流电，因此在设计时，无特殊情况，交流变频器优先选择。

7 变频器在桩机设计中的发展

随着施工条件的不断变化，施工地形、地质日益复杂，这样要求施工时桩机进给力要不断地变化，传统的有级变速长螺旋桩机已经完全不能适应当今的施工条件。因此，在施工时要求桩机要实时调节转速，变频器被引入桩机设计是必然的趋势，并会取代传统桩机，根据不同的地形和施工需要，针对性的选择直流或交流控制。变频器已逐渐成为桩机设计的主宰者。

参考文献

[1]侯庆国.LGZ-25型全液压螺杆桩钻机的研制与应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2010，37（8）：37-40.

[2]王万俊，张远鉴.螺旋桩机同步跟踪自动控制系统的研制[J].华中科技大学学报（自然科学版），2002，30（04）：35-36.

[3]侯庆国.LGZ-25型全液压螺杆桩钻机的研制与应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2010，37（8）：37-40.

作者简介

张宗媛（1982-），女，汉族，科员，机械工程师，硕士研究生，从事螺旋桩机设计工作。endprint