通用型變頻器在地下掘進(jìn)裝備中的應(yīng)用分析

宋 云（上海隧道工程有限公司，上海 200137)

地下掘進(jìn)裝備（本文主要包括盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)和頂管掘進(jìn)機(jī)）要做到安全、高效地完成一個(gè)工程項(xiàng)目的施工，不斷提高地下掘進(jìn)裝備的技術(shù)含量和工作效率非常重要。隨著變頻技術(shù)日趨成熟和不斷發(fā)展，通過(guò)通用型變頻器、PLC 控制和總線網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)在地下掘進(jìn)裝備中的交互結(jié)合使用，能很好地豐富和完善地下掘進(jìn)裝備自身性能，從而滿足不同施工工況的需求。

1 通用型變頻器的技術(shù)特性

通用變頻器是一種可以靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)分析電機(jī)的固有參數(shù)，建立合適控制模型，通過(guò)控制電機(jī)外部參數(shù)（電壓、頻率、磁通等）來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的電氣設(shè)備。變頻技術(shù)在幾十年的發(fā)展歷程中，隨著電力電子器件制造、變流控制技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，已經(jīng)成為目前發(fā)展最為迅速，功能最為豐富的一項(xiàng)電氣技術(shù)。

目前通用變頻器的主要控制方式有：開(kāi)環(huán)恒壓比（V／F=常數(shù)）控制方式、無(wú)速度傳感器矢量控制[1]方式、直接轉(zhuǎn)矩控制[2]方式等，同時(shí)這幾種不同的控制方式也在不斷地相互融合和發(fā)展。這些控制方式都有各自的特點(diǎn)，例如：開(kāi)環(huán)恒壓比（V／F=常數(shù)）控制方式的優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低；無(wú)速度傳感器矢量控制方式在大功率變頻設(shè)備的運(yùn)用中具有比較高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)；直接轉(zhuǎn)矩控制具有響應(yīng)速度快，速度、轉(zhuǎn)矩控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 通用變頻器在地下掘進(jìn)裝備中的運(yùn)用

在地下施工裝備中廣泛采用了三相異步電動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ?，通過(guò)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或通過(guò)控制液壓泵組來(lái)間接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是目前國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)常用的方法。利用變頻技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合 PLC 控制的靈活性和總線通訊網(wǎng)絡(luò)快速性，使得地下掘進(jìn)設(shè)備中變頻器的使用變得越來(lái)越普及，主要有以下幾個(gè)方面的運(yùn)用。

（1）刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的運(yùn)用。刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)作為地下掘進(jìn)裝備的關(guān)鍵部件，這個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：總裝機(jī)功率大（一般由多臺(tái)大功率的電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)），控制方式復(fù)雜（要求具有較強(qiáng)的重載能力），控制精度要求高（主要有速度和扭矩同步控制），整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、安全性要求高。以直徑為 15 m 級(jí)別的超大型泥水平衡盾構(gòu)為例，盾構(gòu)的刀盤(pán)系統(tǒng)一般有 15 臺(tái) 250 kW 的刀盤(pán)電機(jī)組成，總功率達(dá)到3 750 kW。刀盤(pán)扭矩通過(guò)電動(dòng)機(jī)→減速器→小齒輪→大齒輪進(jìn)行傳遞，只有通過(guò)變頻器的集控技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)多臺(tái)大功率電機(jī)的同時(shí)啟動(dòng)，提供足夠的啟動(dòng)扭矩，并做到多臺(tái)刀盤(pán)電機(jī)之間扭矩平衡和速度的同步控制。

運(yùn)用在異形斷面隧道施工的設(shè)備：雙圓加泥式土壓平衡盾構(gòu)[3]，盾構(gòu)的 2 套輻條式刀盤(pán)安裝在同一平面，通過(guò) 2 套獨(dú)立的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳遞扭矩。工作情況見(jiàn)圖1。

圖1 雙圓加泥式土壓平衡盾構(gòu)工作示意

在雙刀盤(pán)工作時(shí)刀盤(pán)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，使 2 臺(tái)刀盤(pán)按照相對(duì)方向同步旋轉(zhuǎn)，利用刀盤(pán)絕對(duì)位置編碼器來(lái)控制 2個(gè)刀盤(pán)的實(shí)時(shí)位置，將控制信號(hào)輸出給 PLC ，通過(guò) PLC 計(jì)算后，輸出信號(hào)來(lái)分別控制 2 套刀盤(pán)變頻器協(xié)運(yùn)同行，在確保每個(gè)刀盤(pán)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和輸出扭矩同步的前提下，解決在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生相互干涉的現(xiàn)象。

在復(fù)合盾構(gòu)中，刀盤(pán)在軟土施工中需要的是低轉(zhuǎn)速高扭矩，而在硬巖施工中需要高轉(zhuǎn)速低扭矩。采用通用變頻技術(shù)的基頻以下恒扭矩，基頻以上恒功率的特性就可以比較方便地實(shí)現(xiàn)這種工況的需求。

（2）平衡控制的運(yùn)用。在地下施工過(guò)程中保持正面土體的平衡，是衡量設(shè)備性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。變頻器作為一臺(tái)智能化的控制器件，本身具有各種經(jīng)典控制模式（如：PID 控制模式，閉環(huán)控制模式等），可以作為一臺(tái)小型的可編程控制器使用，也允許技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行控制模式的自定義編程，以滿足不同用戶的需求，同時(shí)變頻器也可以作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)接受遠(yuǎn)程的控制指令。

在土壓平衡盾構(gòu)中，對(duì)螺旋機(jī)出土速度的控制是實(shí)現(xiàn)土壓平衡的一個(gè)重要手段。螺旋機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要有兩種：通過(guò)液壓比例泵或者電動(dòng)機(jī)直接調(diào)速。目前這兩種調(diào)速方法在地下掘進(jìn)裝備中都得到了廣泛運(yùn)用，根據(jù)所控制設(shè)備的功率不同，通過(guò)比較液壓比例泵和電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速這兩種設(shè)備在整個(gè)工程造價(jià)中所占造價(jià)的比例，并結(jié)合空間的安裝要求做選擇。目前盾構(gòu)裝備是以液壓比例泵為主，而在大直徑頂管機(jī)中已經(jīng)普遍采用了變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接帶減速器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出速度的控制。

在大直徑泥水平衡的盾構(gòu)中，泥水輸送系統(tǒng)所使用的泥漿泵的單機(jī)功率一般在 400～1 100 kW 之間，只有使用相應(yīng)大功率變頻器才能滿足對(duì)于不斷延伸的泥水輸送系統(tǒng)壓力和流量的穩(wěn)定控制，實(shí)現(xiàn)泥水輸送的平衡控制。

（3）長(zhǎng)距離施工過(guò)程中滿足線路壓降和啟動(dòng)扭矩的運(yùn)用。在一個(gè)多刀盤(pán)頂管機(jī)的電氣設(shè)計(jì)中，總體設(shè)計(jì)提出了采用 4 臺(tái) 22 kW 小刀盤(pán)電機(jī)，通過(guò)減速器直接驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)的設(shè)計(jì)思路。由于頂管空間有限，頂管機(jī)機(jī)頭設(shè)備的供電電壓為AC 400 V。根據(jù)這一方案，在施工過(guò)程中 4 臺(tái)小刀盤(pán)電機(jī)是屬于重載啟動(dòng)，并隨著頂管施工距離的增加，在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的電壓降，因此在電氣的設(shè)計(jì)中對(duì) 4 臺(tái)小刀盤(pán)電機(jī)的啟動(dòng)形式提出了 3 個(gè)方案：①電機(jī)直接啟動(dòng)控制方式；②采用星-三角的降壓?jiǎn)?dòng)方式；③采用變頻器的啟動(dòng)方式。

經(jīng)過(guò)分析，采用上述幾種啟動(dòng)方式的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)扭矩的比值如表1 所示。

表1 啟動(dòng)電流和啟動(dòng)扭矩的比較 %

通過(guò)表1 可以知道，如果使用直接啟動(dòng)方式，啟動(dòng)的扭矩能滿足工程的需要，但是啟動(dòng)過(guò)程中電流大，造成整個(gè)供電線路的壓降增大，不能滿足實(shí)際施工的要求；采用星-三角降壓?jiǎn)?dòng)方式，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的線路壓降雖然能夠滿足要求，但是電機(jī)的啟動(dòng)扭矩不能滿足工程的需要，在刀盤(pán)全斷面進(jìn)入土體后，電動(dòng)機(jī)有可能無(wú)法完成正常的啟動(dòng)過(guò)程；變頻控制技術(shù)可以通過(guò)無(wú)速度傳感器矢量控制或者轉(zhuǎn)矩直接控制方式來(lái)改善電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)及低速狀態(tài)下的啟動(dòng)扭矩，同時(shí)又能控制啟動(dòng)過(guò)程電流不會(huì)對(duì)線路電壓降造成影響。

（4）實(shí)現(xiàn)豐富的控制手段。通用變頻器、PLC 與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的配合使用，可以根據(jù)工程實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)多種的控制方案以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能降本。例如：變頻器啟動(dòng)-工頻切換的控制方式，一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的控制方式及多臺(tái)變頻器并聯(lián)運(yùn)行的控制方式等，以提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和滿足狹小安裝空間位置的特殊需求。例如在多刀盤(pán)頂管機(jī)項(xiàng)目中對(duì) 4 臺(tái)電機(jī)如果采用 4 臺(tái)變頻器分別控制，顯然在經(jīng)濟(jì)上不合適，同時(shí)由于電氣控制柜尺寸有限，無(wú)法同時(shí)滿足安裝4 臺(tái)變頻器。因此在設(shè)計(jì)中采用了變頻器啟動(dòng)，再切換至工頻運(yùn)行的控制模式：即第 1 臺(tái)電機(jī)采用變頻啟動(dòng)完成后，切換到工頻電源運(yùn)行，再利用變頻器啟動(dòng)第 2 臺(tái)，直至 4 臺(tái)電機(jī)都完成變頻啟動(dòng)，全部轉(zhuǎn)入工頻電源運(yùn)行后，變頻器退出工作狀態(tài)。

3 通用變頻器在地下掘進(jìn)裝備中運(yùn)用的條件

由于地下掘進(jìn)裝備空間狹小，環(huán)境溫度和濕度都比較惡劣，存在大量的粉塵，同時(shí)在狹小的空間范圍內(nèi)集中大量的供配電設(shè)備、控制設(shè)備和檢測(cè)器件，具有很強(qiáng)的電磁干擾。因此，在地下掘進(jìn)裝備內(nèi)選用變頻系統(tǒng)應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素。

（1）變頻器的選型應(yīng)能滿足設(shè)備的功能需求，滿足使用對(duì)象的工藝、工況要求。

（2）在整個(gè)供電系統(tǒng)中，要對(duì)變頻負(fù)載產(chǎn)生的高次諧波分量進(jìn)行分析、計(jì)算，并做好抑制高次諧波產(chǎn)生的措施設(shè)計(jì)；應(yīng)避免高次諧波影響到供電變壓器和電容性設(shè)備的安全運(yùn)行。

（3）確保變頻器或變頻器柜的安全防護(hù)等級(jí)符合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境防塵防水的需要；同時(shí)也要做好變頻系統(tǒng)冷卻、通風(fēng)的設(shè)計(jì)和制造。

（4）在變頻系統(tǒng)設(shè)備的布置和動(dòng)力、控制電纜線路敷設(shè)中，應(yīng)加強(qiáng)防止電磁干擾措施，確保系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。

總之變頻系統(tǒng)在整個(gè)電氣系統(tǒng)中要做到既不影響到其他電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，同時(shí)也不應(yīng)被其他電氣設(shè)備的運(yùn)行而影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

以上這些技術(shù)運(yùn)用只是變頻技術(shù)在地下掘進(jìn)裝備中運(yùn)用的一部分案例。通用變頻器作為目前在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)運(yùn)用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動(dòng)方案，正向著功能集成化、控制方式多樣化、網(wǎng)絡(luò)配置靈活化、綠色節(jié)能高效化的方向不斷發(fā)展，因此也必然會(huì)越來(lái)越多在地下掘進(jìn)裝備中得到廣泛的運(yùn)用。