变频调速技术的工作原理

1 概 述

随着广州基础设施建设的日益完善，非开挖技术在市政项目中越来越受到重视和推广，为了开拓市场，我处从2002年开始引入非开挖技术，先后购买了3台机械式顶管设备，分别是德国海瑞克AVN系列、日本伊势机TCC系列和国产扬州DPN系列设备。这三台顶管机都属于泥水平衡式，均由顶管机头、控制室、注浆系统、泥水输送系统、后方顶进系统等配套设备组成，在配套设备中含有进水泵、排泥泵、油泵、注浆泵共16个泵，这些泵都需要由交流异步电动机进行拖动，但这三台顶管机泵用电机的配置不同，除了海瑞克AVN电机配有变频调速器外，其余两台顶管机未配备任何调速装置，给实际工作带来了很大不便，生产成本大大增加。

2 设备现状分析

海瑞克顶管设备自动化程度很高，在各个方面均采用了世界上先进的工艺技术，是一台由计算机控制的现代化顶管设备，其泵用电机调速系统采用的是由3台西门子MICRO MASTER系列脉宽调制（PWM）变频器，分别控制进水泵、排泥泵和主顶油泵电机的转速，这样，通过一台主计算机就能够控制3台变频器的运行，机手操控非常的方便快捷，同时，通过显示器显示的流程图上的相应图标以及参数，还可以实时地了解到当前泵的转速以及水路的流量等参数数值。海瑞克顶管设备采用变频调速之后，电机具有了优异的性能，调速范围大，平滑性高，可以适应不同负载的要求，最终实现随不同工况灵活控制泥水回路的流量以及主顶速度。

伊势机和扬州顶管机上的各个泵都是单独控制，没有用计算机统一控制，当时购买这两套设备时，为了降低成本，除了伊势机主顶油泵采用了电磁调速控制油泵的转速，其余的泵均未配置任何调速装置，工作时水路的流量基本不能控制，油路的流量只能通过调节阀门开度以及旁路流量加以简单控制，这样的工况不仅损害了电机和泵，而且浪费了大量电能，增加了企业成本。

3 变频调速基本原理

变频调速是通过改变电源频率实现的电动机速度调节过程。变频调速技术就是使用变频调速器（简称变频器）去拖动电动机。

变频器工作时首先将三相交流电经桥式整流为直流电，脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调控下，用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源输出到需要调速的电动机上。它的特点是调速平滑、调速范围宽、效率高特性好、保护功能齐全、运行平稳安全可靠，在生产过程中能获得最佳速度参数，是当今节能、提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

4 改造措施

经过对比分析，我们发现海瑞克顶管机比另外两台机有着明显的性能优势，于是我们决定对另两台顶管机泵用电机进行技术改造，改造措施主要是对主顶油泵、进水泵、排泥泵等较大功率电机配备变频调速装置，主要情况如下：

4.1 扬州顶管设备

扬州顶管设备是由扬州广鑫公司生产的，于2002年5月投入使用的，该设备购买时没有配备任何的电机调速装置，因此进水泵、排泥泵的流量无法调节，主顶油泵的转速也无法调节，只能通过改变油阀的开度来在一定程度上改变主顶油路的流量，调节主顶速度，造成实际操作过程很不方便，很难根据顶进的实际情况来改变泥水回路的流量和顶进速度，顶进过程进展缓慢，连连受挫。

为此，我们为扬州机主顶油泵电机、进水泵电机、排泥泵电机配备了价格相对低廉的台湾普传（PUTRAN）变频器，每台变频器控制一台电机的转速。由于扬州机未采用计算机控制，各台变频器连至计算机的通讯接口都未使用，直接利用变频器上控制面板上的旋钮进行调节，调节过程中虽然看不见泵的实际转速，但是可以看见频率的实时变动，从而可以推断出泵的大致转速，也是比较直观的。

4.2 伊势机顶管设备

日本伊势机顶管设备于2003年7月投入使用，出于成本上的考虑，该设备只有机头、控制台、排泥泵和中继泵是日本原装，其余设备均由扬州广鑫公司生产，因此未配备各泵用电机的变频调速装置。为了在主顶速度上实现无级调速，该设备为主顶2#油泵电机（37KW）配置了电磁调速系统，即转差离合器调速，该调速系统的特点是在电机轴上装有一个电磁转差离合器，由晶闸管控制装置离合器励磁绕组的电流，改变这一电流，即可调节离合器的输出转速。

采用转差离合器电磁调速后，电动机运行可靠，维护调速平滑，但是，电磁调速属于转差功率消耗型调速系统，电机的电枢损耗与磁极转速之差成比例增大，故低速时电枢发热严重，效率相当低。在该设备的操作盘上，有一调节转速的旋钮，旋钮以顺时针方向旋转时转速逐渐增加，但是在该旋钮的起始低速段以红色标明，其余段为绿色，说明在起始低速段要警惕，电机在该段范围内不能工作太久，否则容易引起温度上升，减少电机的使用寿命，工作效率低下。顶管施工时，不少情况是在较低的速度下顶进，也就是主顶油泵的转速要求较低，这就要求电机与输出轴固定的磁极的转速很低，即常常工作在低速状态，也就意味着需要消耗无谓、更多的电能，对于柴油发电机来说，就是消耗了更多柴油，无形中增加了企业的运营成本。

在当前的经济形势下，我们迫切要求降低成本，为此我们将这台主顶2#油泵由转差离合器调速改装成普传（PUTRAN）变频器调速，由于2#油泵电机功率较大，通过变频调速后，对于常常工作在低速段的电机来说，能够节省较多的电能。

经过广州市南洲路顶管试验段以后，我们也深感到进水泵、排泥泵转速不能调节的不便，于是对该两个泵也增设了变频器，同样采用了价格相对低廉的台湾普传（PUTRAN）的产品，控制方式同扬州机。

5 取得效果

应用实践表明，变频调速是适应我们生产实际的，通过在两台顶管机上安装了6台变频调速器后，取得了明显的效果，主要表现在：

（1）水路的调节方便了许多，顶进过程更加得心应手，提高了工作效率。

（2）由于把消耗在阀门及其它地方的能量节省了下来，减少了无谓的电能、油耗，平均每台泵可以节约20%～30%的电能，生产高峰期两台顶管机每月节约柴油达9000多元，也就降低了直接运行成本，同时大大延长了电机和泵的维修期，经济效益十分显著。

（3）由于设备控制更加灵便，操作者可以根据顶进前方土压大小情况，通过调整控制面板上的旋钮调节泵的实际转速，在施工进度上做到了“因地制宜”，施工质量得到明显的提高。

6 结 语

将变频调速技术应用在我处顶管机配套设备上，只是我们将一些成熟的技术灵活应用于实际生产的一点探索，却使我们尝到了技术改造的甜头。我认为，对设备的技术改造还需要在实际工作中不断摸索，只要结合实际开展工作，就会不断获得更高的经济效益。
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