解决方案︱基于软起动器的长螺旋钻机电气控制系统改造
湖南有色重机工程机械公司的研究人员李学荣，在2015年第10期《电气技术》杂志上撰文，对目前市场民用建筑、市政建设中桩基础施工中广泛采用的长螺旋钻机电气系统设计的不足，提出了改进方法，改进后的产品在实际应用中获得了广泛好评。
1、前言
步履式长螺旋钻机适用于灌注桩、挤扩桩、软地基处理等各种基础工程，广泛应用于城建、能源等中高层及桥梁基础设施方面，随着目前工业、民用建筑施工建设中要求工期短、成孔效率高，特别是当下高效率快节奏背景下，原有的长螺旋钻机短板凸显一览无余：动力头输出扭矩小；桩的深度不够；目前施工中要求桩的深度超过30米，成孔直径达到800mm。
综上所述，为满足国内建筑行业的需要，我们必须开发出扭矩大，桩深度大，成孔直径大的钻机，这对机械和电气方面提出了更高的要求。新研制步履式长螺旋钻机主要参数如表1所示：
2、常规设计及存在缺陷
目前市场上长螺旋动力头电气系统起动方式采用自耦变压器降压起动，控制方式为传统的接触器-继电器控制形式，这种起动方式的特点是结构简单、维护方便，电气造价低。缺点是起动时电动机轴输出的扭矩小，切换方式采用时间继电器控制，切换瞬间冲击电流达到额定电流的3-4倍，对电网冲击大，导致系统电压下降，造成工地上其他施工机器无法正常运转，严重时会烧毁现场电源变压器。
图1 步履式长螺旋钻机图
表1 新研制步履式长螺旋钻机主要参数
原理简述：动力头正转用接触器KM10控制，反转用KM11控制，三位旋钮选择正转或反转情况下，KM10或KM11线圈吸合，自耦变压器“星点”接触器KM3可靠动作后，自耦变压器电压输入端接触器KM2动作，同时起动延时继电器，当电机转速达到一定值时，延时继电器动作，延时触点起动中间继电器KA，中间继电器KA动作并自保持，同时切断自耦变压器起动回路，起动旁路接触器KM3，完成了一次起动过程。电气主回路图及控制原理图见图2所示。
为防止运行过程中出现过载，采用热继电器KH作过载保护，热继电器的整定值根据电流互感器的变比及动力头电机额定电流来计算整定值，时间继电器整定值按自耦变压器要求进行整定。
图2 动力头自耦变压器起动主回路及控制回路图
图3 改变电源电压时的人为特性
如图3示为了降低启动时动力头启动电流对电网的冲击，自耦变压器的输出端通常接的60%档位，表示启动电压只有额定电压的60%，对于功率额定的电机来来说，电机启动扭矩与电压关系如下：
从公式得知扭矩T与每相绕组电压U1的平方成正比，U1¯®T¯¯,当电压为额定电压的60%时，输出扭矩为额定扭矩的36%，这对动力头在地表面空载时可以正常启动，如果动力头在地面深处阻力矩大于启动扭矩时，动力头无法正常启动，造成电机堵转，电机定子绕组发热严重者会造成电机烧毁。
3、解决方法
采用国内一款基于32位ARM微处理器开发的电动机软起动器，该软起动器是一种新型智能化三相异步电动机起动保护装置它是集起动、显示、保护、数据采集于一体的电机终端控制设备。用较少的电气元件就可以实实现较复杂的控制，友好的中文显示面板操作简便，提供RS485 通信接口，采用国际标准的Modbus通讯协议进行主从通讯。用户可通过PC/PLC、控制上位机等实现集中控制，以适应特定的应用要求。
3.1软起动器
作用如下：（1）、降低电机的起动电流，减少配电容量，避免增容投资；（2）、减小起动应力，延长电动机及相关设备的使用寿命；（3）、平稳的起动和软停车避免了传统起动设备的喘振问题、水锤效应；（4）、多种起动模式及宽范围的电流、电压等设定，可适应多种负载情况；（5）、完善可靠的保护功能，更有效地保护电机及相关设备的安全。
3.2设计思路
动力头正反转采用两个交流接触器KM10和KM11来实现，采用一个三位旋钮SA1来控制交流接触器KM10和KM11，交流接触器KM1为起动完毕后切换的旁路接触器，交流接触器的选型要按照重载方式选择交流接触器。
在现场运行中，动力头频繁起停，而且钻机钻头深入地下碰到岩石等坚硬物体，此时电流比正常工作时会突然增大很多，而且持续时间长，若按AC-3类别方式选择则会出现由于长久过载导致接触器触点的烧损，因此建议采用AC-4类别方式选择交流接触器。
电流互感器TA1用来采样运行的实时电流值，作为保护用，电流互感器TA2用来采样运行时的实时电流值，作为测量用。电流互感器电流变比的选择要考虑运行时的冲击电流的大小，精度一般为0.5级。
为防止在三相失电的状况下起动软起动器，导致软起动器“软起动器三相缺相”报警的频发，软起动器起动的开关量采用正反转接触器的辅助常开点作为软起动器起动的条件。
软起动器发生故障时设置了故障指示灯，同时切断正反转交流接触器KM10、KM11线圈控制电源，确保了动力头电机的安全。
采用软起动器电气主回路及控制回路如图4示：
图4 动力头软起动器启动主接线图及控制回路图
4、重载起动对软起动器要求
4.1脱扣等级的要求：
动力头电机属于重载类别，因此软起动器内部电子热继电器过载脱扣等级整定为30，电子热脱扣脱扣曲线图如图5所示：
图5 电子热继电器脱扣曲线
4.2突跳起动控制的要求
所谓突跳起动是针对静摩擦力矩较大的负载，必须施加一个短时的大起动力矩，以克服静摩擦力矩，这要求软起动器可以短时输出90%的额定电压。如图6软起(软停)电压(电流)特性曲线所示起动瞬间用突跳扭矩克服静摩擦力矩，然后扭矩平滑上升，缩短起动时间。
螺旋钻杆处于地面深处，起动动力头电机时，由于静态阻力比较大，起动扭矩小于静态阻力矩，电机处于堵转，这种情况很危险，解决方法，启用软起动中的突跳软起动功能，通过施加一个瞬时较大的起动力矩以克服大的静摩擦力矩。
该模式下输出电压迅速达到设定的突跳电压，当达到预先设定的突跳时间后降为起始电压，再根据所设定的起始电压、电流起动时间平稳起动，直至起动完成。
对软起动突跳功能整定值距离如表2：
表2 以CMC-SX软起动为例说明
图6 软起(软停)电压(电流)特性曲线
5、结论
长螺旋钻机动力头电气系统通过对常规电气系统的改造升级，大大提高了效率，实现了起动时大扭矩输出，真正实现了软起动、软停车，动态故障记忆，最多可以记忆15次故障，便于查找故障原因；完善的保护功能，全程检测电流及负载参数，具有过流、过载、短路、三相不平衡、相序检测、漏电检测等保护；控制面板置于驾驶室操作台，采用LCD液晶面板在控制室就可以方便了解系统的各种运行工况，改进后的长螺旋钻机投入市场后产生良好的反响，深受用户好评。
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