大直徑盾構(gòu)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提高電能質(zhì)量的研究

李 莉

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

刀盤是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分，是進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)的主要工作裝置。刀盤驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)2 種，因此盾構(gòu)分為液驅(qū)盾構(gòu)和電驅(qū)盾構(gòu)。液驅(qū)盾構(gòu)由液壓泵產(chǎn)生的液壓能驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，并通過減速機(jī)等傳動(dòng)部件帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)；單、雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能單一，價(jià)格低廉，一般用于小型盾構(gòu)；變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式綜合了液壓和雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，也可以帶負(fù)載啟動(dòng)，無極調(diào)速，同步性能較好，效率高，控制靈活方便，節(jié)能顯著，適用于多種型式和規(guī)格的盾構(gòu)機(jī)。因此，大直徑盾構(gòu)機(jī)大多選用的是變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

由于變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整流濾波型負(fù)載引入電網(wǎng)會(huì)造成電網(wǎng)被“污染”，如何降低盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的諧波含量，提高設(shè)備電能質(zhì)量成為了盾構(gòu)電氣設(shè)計(jì)的重要問題。針對(duì)大直徑盾構(gòu)機(jī)的使用工況，合理設(shè)計(jì)選擇變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以做到最大程度地縮減電網(wǎng)損耗，進(jìn)而提高電網(wǎng)質(zhì)量；如選擇或使用不當(dāng)，可能造成整個(gè)供配電系統(tǒng)電壓電流波動(dòng)、諧波增大等諸多后果。

1 諧波的影響

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量。從廣義上來說，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱為諧波。由于諧波的產(chǎn)生，基波由原來的正弦波型快要變成方波，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響：①諧波產(chǎn)生的高頻電流通過導(dǎo)體流通時(shí)，由于集膚效應(yīng)的作用，導(dǎo)體對(duì)諧波電流的有效電阻增加，導(dǎo)致導(dǎo)體嚴(yán)重發(fā)熱、設(shè)備發(fā)熱量大，增加了供電、配電和用電設(shè)備的功率損耗、電能損耗，降低了電能的效率和利用率，縮短電纜的使用壽命；②諧波對(duì)電機(jī)產(chǎn)生附加損耗和轉(zhuǎn)矩，因電機(jī)為盾構(gòu)機(jī)各個(gè)系統(tǒng)動(dòng)作提供動(dòng)力，負(fù)荷占整個(gè)負(fù)荷85%及以上，諧波對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的損耗最為明顯；③諧波會(huì)導(dǎo)致變壓器、電容器等電氣設(shè)備的磁滯損耗和渦流損耗增加，使變壓器繞組發(fā)熱、過熱、銅損增大，還會(huì)使其產(chǎn)生振動(dòng)，使電氣設(shè)備的絕緣材料頻繁承受較大的突變電應(yīng)力，加速絕緣老化甚至造成擊穿，縮減變壓器等電氣設(shè)備的使用壽命，降低供配電系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性。

2 諧波產(chǎn)生

盾構(gòu)機(jī)上眾多的諧波源中，變頻器是最主要產(chǎn)生源之一。由于變頻器是把電壓和頻率固定不變的交流電通過整流逆變電路轉(zhuǎn)換為頻率可變的交流電的裝置，其內(nèi)部要進(jìn)行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變，根據(jù)整流逆變電路的開關(guān)特性，造成供電電路電源中含有大量的非線性負(fù)載，變頻器至電機(jī)的出線側(cè)電源中包含有大量的非正弦波或者非完全正弦波的諧波，會(huì)對(duì)供配電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾。只要能有效降低主驅(qū)動(dòng)變頻系統(tǒng)的諧波含量，就能大大提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

3 6 脈整流與12 脈整流

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要的整流技術(shù)為6 脈整流技術(shù)和12 脈整流技術(shù)，2 種不同的變頻器技術(shù)對(duì)于電網(wǎng)的影響不同。

（1）6 脈整流。6 脈整流主要由6 個(gè)可控硅（晶閘管）組成的全橋整流組成，由于有6 個(gè)開關(guān)脈沖對(duì)6 個(gè)可控硅分別控制，稱之為6 脈沖整流。三相橋式整流電路忽略換相過程和電流脈動(dòng)，假定交流側(cè)電抗為零，直流電感為無窮大，延遲觸發(fā)角α 為零，則由交流側(cè)電流傅里葉級(jí)數(shù)展開可得以下簡(jiǎn)潔的結(jié)論：電流中含6k±1（k 為正整數(shù)）次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。

（2）12 脈整流。12 脈整流是在原來6 脈整流的基礎(chǔ)上，在電源輸入側(cè)增加1 個(gè)移相變壓器，再增1 組6 脈整流裝置，直流母線電流是由12 個(gè)可控硅整流完成，故稱為12 脈沖整流。

橋Ⅰ的網(wǎng)側(cè)電流傅立葉級(jí)數(shù)展開為：

橋Ⅱ網(wǎng)側(cè)線電壓比橋Ⅰ超前30°，因網(wǎng)側(cè)線電流比橋Ⅰ超前30°：

故合成后的網(wǎng)側(cè)線電流為：

可見，2 個(gè)整流橋產(chǎn)生的5、7、17、19……次諧波相互抵消，注入電網(wǎng)的只有12k±1（k 為正整數(shù)）次諧波，且其有效值與諧波次數(shù)成反比，而與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。

4 主驅(qū)動(dòng)變頻驅(qū)動(dòng)方案

針對(duì)不同的變頻整流技術(shù)，大盾構(gòu)的主驅(qū)動(dòng)變頻驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)分為2 大類：6 脈變頻驅(qū)動(dòng)電氣系統(tǒng)，12 脈變頻驅(qū)動(dòng)電氣系統(tǒng)。

6 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是由輸出3 相的整流變壓器、空氣斷路器、6 脈整流的變頻器、電機(jī)等組成（圖1）。2 個(gè)變壓器下級(jí)銅排之間設(shè)計(jì)了1 個(gè)母聯(lián)的空氣斷路器，正常工作狀態(tài)下母聯(lián)斷路器處于分閘狀態(tài)，當(dāng)1 臺(tái)變壓器故障癱瘓時(shí)，母聯(lián)斷路器合閘，所有主驅(qū)動(dòng)電機(jī)仍可同時(shí)由1 臺(tái)變壓器供電，以整流模式限幅運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了冗余供電。

圖1 6 脈變頻驅(qū)動(dòng)電氣系統(tǒng)一次

12 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是由輸出6 相的整流變壓器、空氣斷路器、變頻器、電機(jī)等組成。其中輸出6 相的整流變壓器有2 種方式實(shí)現(xiàn)：①直接選用三繞組變壓器（圖2）；②選用2 臺(tái)三相的變壓器組合成6 相（圖3）。圖2 的12 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，2 個(gè)三繞組變壓器下級(jí)銅排之間分別設(shè)計(jì)了1 個(gè)母聯(lián)的空氣斷路器，正常工作時(shí)分閘，當(dāng)1 臺(tái)變壓器故障癱瘓時(shí)，母聯(lián)斷路器合閘，14 臺(tái)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)仍可同時(shí)以12 脈整流模式限幅運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了高可靠性的冗余供電，但是造價(jià)相對(duì)較高。圖3 的12 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是將主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均勻分為2 組，各組成1 套獨(dú)立的6 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種稱為準(zhǔn)12 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，雖然不能實(shí)現(xiàn)冗余配電，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)使用或維保更便捷，而且造價(jià)相對(duì)更經(jīng)濟(jì)。

圖2 12 脈變頻驅(qū)動(dòng)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圖3 準(zhǔn)12 脈變頻驅(qū)動(dòng)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

5 主驅(qū)動(dòng)整流方案仿真

針對(duì)3 種不同的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用軟件“Harmonics Simulation Tool”進(jìn)行了諧波模擬計(jì)算。6 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高壓側(cè)總諧波失真為24.332 6%，12 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高壓側(cè)總諧波失真為5.351 4%，準(zhǔn)12 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高壓側(cè)總諧波失真為5.759 1%。12 脈變頻驅(qū)動(dòng)相比6 脈變頻驅(qū)動(dòng)能更好抑制5、7次諧波的生產(chǎn)，整體諧波效果遠(yuǎn)好于6 脈整流系統(tǒng)；12 脈與準(zhǔn)12 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各方面參數(shù)差別不大。

6 結(jié)語

大直徑盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推薦選用12 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于降低電網(wǎng)諧波含量，提高電能質(zhì)量有很好的效果。

相對(duì)而言，12 脈變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用的是三繞組變壓器，體積大、價(jià)格高，而且12 脈電源輸入，變頻器整流模塊上端使用的熔斷器數(shù)量是6 脈的2 倍，變頻器配套使用的線路電抗器、電機(jī)電抗器相比6 脈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)量會(huì)更多，因此，從設(shè)備配置經(jīng)濟(jì)性、簡(jiǎn)便性考慮，準(zhǔn)12 脈變頻驅(qū)動(dòng)方案更優(yōu)。然而，對(duì)于單一負(fù)載大功率變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如泥水盾構(gòu)機(jī)上進(jìn)、排漿泵變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)，應(yīng)選用12 脈整流驅(qū)動(dòng)方案。