變頻調(diào)速技術(shù)的工作原理

1 概 述

隨著廣州基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益完善，非開(kāi)挖技術(shù)在市政項(xiàng)目中越來(lái)越受到重視和推廣，為了開(kāi)拓市場(chǎng)，我處從2002年開(kāi)始引入非開(kāi)挖技術(shù)，先后購(gòu)買(mǎi)了3臺(tái)機(jī)械式頂管設(shè)備，分別是德國(guó)海瑞克AVN系列、日本伊勢(shì)機(jī)TCC系列和國(guó)產(chǎn)揚(yáng)州DPN系列設(shè)備。這三臺(tái)頂管機(jī)都屬于泥水平衡式，均由頂管機(jī)頭、控制室、注漿系統(tǒng)、泥水輸送系統(tǒng)、后方頂進(jìn)系統(tǒng)等配套設(shè)備組成，在配套設(shè)備中含有進(jìn)水泵、排泥泵、油泵、注漿泵共16個(gè)泵，這些泵都需要由交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)，但這三臺(tái)頂管機(jī)泵用電機(jī)的配置不同，除了海瑞克AVN電機(jī)配有變頻調(diào)速器外，其余兩臺(tái)頂管機(jī)未配備任何調(diào)速裝置，給實(shí)際工作帶來(lái)了很大不便，生產(chǎn)成本大大增加。

2 設(shè)備現(xiàn)狀分析

海瑞克頂管設(shè)備自動(dòng)化程度很高，在各個(gè)方面均采用了世界上先進(jìn)的工藝技術(shù)，是一臺(tái)由計(jì)算機(jī)控制的現(xiàn)代化頂管設(shè)備，其泵用電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用的是由3臺(tái)西門(mén)子MICRO MASTER系列脈寬調(diào)制（PWM）變頻器，分別控制進(jìn)水泵、排泥泵和主頂油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣，通過(guò)一臺(tái)主計(jì)算機(jī)就能夠控制3臺(tái)變頻器的運(yùn)行，機(jī)手操控非常的方便快捷，同時(shí)，通過(guò)顯示器顯示的流程圖上的相應(yīng)圖標(biāo)以及參數(shù)，還可以實(shí)時(shí)地了解到當(dāng)前泵的轉(zhuǎn)速以及水路的流量等參數(shù)數(shù)值。海瑞克頂管設(shè)備采用變頻調(diào)速之后，電機(jī)具有了優(yōu)異的性能，調(diào)速范圍大，平滑性高，可以適應(yīng)不同負(fù)載的要求，最終實(shí)現(xiàn)隨不同工況靈活控制泥水回路的流量以及主頂速度。

伊勢(shì)機(jī)和揚(yáng)州頂管機(jī)上的各個(gè)泵都是單獨(dú)控制，沒(méi)有用計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制，當(dāng)時(shí)購(gòu)買(mǎi)這兩套設(shè)備時(shí)，為了降低成本，除了伊勢(shì)機(jī)主頂油泵采用了電磁調(diào)速控制油泵的轉(zhuǎn)速，其余的泵均未配置任何調(diào)速裝置，工作時(shí)水路的流量基本不能控制，油路的流量只能通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度以及旁路流量加以簡(jiǎn)單控制，這樣的工況不僅損害了電機(jī)和泵，而且浪費(fèi)了大量電能，增加了企業(yè)成本。

3 變頻調(diào)速基本原理

變頻調(diào)速是通過(guò)改變電源頻率實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)過(guò)程。變頻調(diào)速技術(shù)就是使用變頻調(diào)速器（簡(jiǎn)稱(chēng)變頻器）去拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

變頻器工作時(shí)首先將三相交流電經(jīng)橋式整流為直流電，脈動(dòng)的直流電壓經(jīng)平滑濾波后在微處理器的調(diào)控下，用逆變器將直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電源輸出到需要調(diào)速的電動(dòng)機(jī)上。它的特點(diǎn)是調(diào)速平滑、調(diào)速范圍寬、效率高特性好、保護(hù)功能齊全、運(yùn)行平穩(wěn)安全可靠，在生產(chǎn)過(guò)程中能獲得最佳速度參數(shù)，是當(dāng)今節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。

4 改造措施

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，我們發(fā)現(xiàn)海瑞克頂管機(jī)比另外兩臺(tái)機(jī)有著明顯的性能優(yōu)勢(shì)，于是我們決定對(duì)另兩臺(tái)頂管機(jī)泵用電機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，改造措施主要是對(duì)主頂油泵、進(jìn)水泵、排泥泵等較大功率電機(jī)配備變頻調(diào)速裝置，主要情況如下：

4.1 揚(yáng)州頂管設(shè)備

揚(yáng)州頂管設(shè)備是由揚(yáng)州廣鑫公司生產(chǎn)的，于2002年5月投入使用的，該設(shè)備購(gòu)買(mǎi)時(shí)沒(méi)有配備任何的電機(jī)調(diào)速裝置，因此進(jìn)水泵、排泥泵的流量無(wú)法調(diào)節(jié)，主頂油泵的轉(zhuǎn)速也無(wú)法調(diào)節(jié)，只能通過(guò)改變油閥的開(kāi)度來(lái)在一定程度上改變主頂油路的流量，調(diào)節(jié)主頂速度，造成實(shí)際操作過(guò)程很不方便，很難根據(jù)頂進(jìn)的實(shí)際情況來(lái)改變泥水回路的流量和頂進(jìn)速度，頂進(jìn)過(guò)程進(jìn)展緩慢，連連受挫。

為此，我們?yōu)閾P(yáng)州機(jī)主頂油泵電機(jī)、進(jìn)水泵電機(jī)、排泥泵電機(jī)配備了價(jià)格相對(duì)低廉的臺(tái)灣普傳（PUTRAN）變頻器，每臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于揚(yáng)州機(jī)未采用計(jì)算機(jī)控制，各臺(tái)變頻器連至計(jì)算機(jī)的通訊接口都未使用，直接利用變頻器上控制面板上的旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程中雖然看不見(jiàn)泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速，但是可以看見(jiàn)頻率的實(shí)時(shí)變動(dòng)，從而可以推斷出泵的大致轉(zhuǎn)速，也是比較直觀的。

4.2 伊勢(shì)機(jī)頂管設(shè)備

日本伊勢(shì)機(jī)頂管設(shè)備于2003年7月投入使用，出于成本上的考慮，該設(shè)備只有機(jī)頭、控制臺(tái)、排泥泵和中繼泵是日本原裝，其余設(shè)備均由揚(yáng)州廣鑫公司生產(chǎn)，因此未配備各泵用電機(jī)的變頻調(diào)速裝置。為了在主頂速度上實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，該設(shè)備為主頂2#油泵電機(jī)（37KW）配置了電磁調(diào)速系統(tǒng)，即轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，該調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是在電機(jī)軸上裝有一個(gè)電磁轉(zhuǎn)差離合器，由晶閘管控制裝置離合器勵(lì)磁繞組的電流，改變這一電流，即可調(diào)節(jié)離合器的輸出轉(zhuǎn)速。

采用轉(zhuǎn)差離合器電磁調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行可靠，維護(hù)調(diào)速平滑，但是，電磁調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)的電樞損耗與磁極轉(zhuǎn)速之差成比例增大，故低速時(shí)電樞發(fā)熱嚴(yán)重，效率相當(dāng)?shù)汀Ｔ谠撛O(shè)備的操作盤(pán)上，有一調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的旋鈕，旋鈕以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速逐漸增加，但是在該旋鈕的起始低速段以紅色標(biāo)明，其余段為綠色，說(shuō)明在起始低速段要警惕，電機(jī)在該段范圍內(nèi)不能工作太久，否則容易引起溫度上升，減少電機(jī)的使用壽命，工作效率低下。頂管施工時(shí)，不少情況是在較低的速度下頂進(jìn)，也就是主頂油泵的轉(zhuǎn)速要求較低，這就要求電機(jī)與輸出軸固定的磁極的轉(zhuǎn)速很低，即常常工作在低速狀態(tài)，也就意味著需要消耗無(wú)謂、更多的電能，對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，就是消耗了更多柴油，無(wú)形中增加了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。

在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，我們迫切要求降低成本，為此我們將這臺(tái)主頂2#油泵由轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速改裝成普傳（PUTRAN）變頻器調(diào)速，由于2#油泵電機(jī)功率較大，通過(guò)變頻調(diào)速后，對(duì)于常常工作在低速段的電機(jī)來(lái)說(shuō)，能夠節(jié)省較多的電能。

經(jīng)過(guò)廣州市南洲路頂管試驗(yàn)段以后，我們也深感到進(jìn)水泵、排泥泵轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)的不便，于是對(duì)該兩個(gè)泵也增設(shè)了變頻器，同樣采用了價(jià)格相對(duì)低廉的臺(tái)灣普傳（PUTRAN）的產(chǎn)品，控制方式同揚(yáng)州機(jī)。

5 取得效果

應(yīng)用實(shí)踐表明，變頻調(diào)速是適應(yīng)我們生產(chǎn)實(shí)際的，通過(guò)在兩臺(tái)頂管機(jī)上安裝了6臺(tái)變頻調(diào)速器后，取得了明顯的效果，主要表現(xiàn)在：

（1）水路的調(diào)節(jié)方便了許多，頂進(jìn)過(guò)程更加得心應(yīng)手，提高了工作效率。

（2）由于把消耗在閥門(mén)及其它地方的能量節(jié)省了下來(lái)，減少了無(wú)謂的電能、油耗，平均每臺(tái)泵可以節(jié)約20%～30%的電能，生產(chǎn)高峰期兩臺(tái)頂管機(jī)每月節(jié)約柴油達(dá)9000多元，也就降低了直接運(yùn)行成本，同時(shí)大大延長(zhǎng)了電機(jī)和泵的維修期，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

（3）由于設(shè)備控制更加靈便，操作者可以根據(jù)頂進(jìn)前方土壓大小情況，通過(guò)調(diào)整控制面板上的旋鈕調(diào)節(jié)泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速，在施工進(jìn)度上做到了“因地制宜”，施工質(zhì)量得到明顯的提高。

6 結(jié) 語(yǔ)

將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在我處頂管機(jī)配套設(shè)備上，只是我們將一些成熟的技術(shù)靈活應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的一點(diǎn)探索，卻使我們嘗到了技術(shù)改造的甜頭。我認(rèn)為，對(duì)設(shè)備的技術(shù)改造還需要在實(shí)際工作中不斷摸索，只要結(jié)合實(shí)際開(kāi)展工作，就會(huì)不斷獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。
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