通用型變頻器在地下掘進裝備中的應(yīng)用分析

宋 云（上海隧道工程有限公司，上海 200137)

地下掘進裝備（本文主要包括盾構(gòu)掘進機和頂管掘進機）要做到安全、高效地完成一個工程項目的施工，不斷提高地下掘進裝備的技術(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，通過通用型變頻器、PLC 控制和總線網(wǎng)絡(luò)等先進技術(shù)在地下掘進裝備中的交互結(jié)合使用，能很好地豐富和完善地下掘進裝備自身性能，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)或者動態(tài)分析電機的固有參數(shù)，建立合適控制模型，通過控制電機外部參數(shù)（電壓、頻率、磁通等）來實現(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)、微型計算機和大規(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電氣技術(shù)。

目前通用變頻器的主要控制方式有：開環(huán)恒壓比（V／F=常數(shù)）控制方式、無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，例如：開環(huán)恒壓比（V／F=常數(shù)）控制方式的優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低；無速度傳感器矢量控制方式在大功率變頻設(shè)備的運用中具有比較高的性價比優(yōu)勢；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。

2 通用變頻器在地下掘進裝備中的運用

在地下施工裝備中廣泛采用了三相異步電動機作為主要動力源，通過電動機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)或通過控制液壓泵組來間接驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，是目前國內(nèi)外盾構(gòu)常用的方法。利用變頻技術(shù)的特點和優(yōu)勢，并結(jié)合 PLC 控制的靈活性和總線通訊網(wǎng)絡(luò)快速性，使得地下掘進設(shè)備中變頻器的使用變得越來越普及，主要有以下幾個方面的運用。

（1）刀盤驅(qū)動系統(tǒng)中的運用。刀盤驅(qū)動作為地下掘進裝備的關(guān)鍵部件，這個系統(tǒng)的特點主要表現(xiàn)在：總裝機功率大（一般由多臺大功率的電動機同時驅(qū)動），控制方式復(fù)雜（要求具有較強的重載能力），控制精度要求高（主要有速度和扭矩同步控制），整個系統(tǒng)的可靠性、安全性要求高。以直徑為 15 m 級別的超大型泥水平衡盾構(gòu)為例，盾構(gòu)的刀盤系統(tǒng)一般有 15 臺 250 kW 的刀盤電機組成，總功率達到3 750 kW。刀盤扭矩通過電動機→減速器→小齒輪→大齒輪進行傳遞，只有通過變頻器的集控技術(shù)，才能實現(xiàn)多臺大功率電機的同時啟動，提供足夠的啟動扭矩，并做到多臺刀盤電機之間扭矩平衡和速度的同步控制。

運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 套輻條式刀盤安裝在同一平面，通過 2 套獨立的變頻驅(qū)動系統(tǒng)傳遞扭矩。工作情況見圖1。

圖1 雙圓加泥式土壓平衡盾構(gòu)工作示意

在雙刀盤工作時刀盤電機進行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，使 2 臺刀盤按照相對方向同步旋轉(zhuǎn)，利用刀盤絕對位置編碼器來控制 2個刀盤的實時位置，將控制信號輸出給 PLC ，通過 PLC 計算后，輸出信號來分別控制 2 套刀盤變頻器協(xié)運同行，在確保每個刀盤電機的運轉(zhuǎn)速度和輸出扭矩同步的前提下，解決在旋轉(zhuǎn)過程中可能會產(chǎn)生相互干涉的現(xiàn)象。

在復(fù)合盾構(gòu)中，刀盤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現(xiàn)這種工況的需求。

（2）平衡控制的運用。在地下施工過程中保持正面土體的平衡，是衡量設(shè)備性能的一項重要指標。變頻器作為一臺智能化的控制器件，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），可以作為一臺小型的可編程控制器使用，也允許技術(shù)人員對其進行控制模式的自定義編程，以滿足不同用戶的需求，同時變頻器也可以作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點來接受遠程的控制指令。

在土壓平衡盾構(gòu)中，對螺旋機出土速度的控制是實現(xiàn)土壓平衡的一個重要手段。螺旋機的驅(qū)動方式主要有兩種：通過液壓比例泵或者電動機直接調(diào)速。目前這兩種調(diào)速方法在地下掘進裝備中都得到了廣泛運用，根據(jù)所控制設(shè)備的功率不同，通過比較液壓比例泵和電動機變頻調(diào)速這兩種設(shè)備在整個工程造價中所占造價的比例，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，而在大直徑頂管機中已經(jīng)普遍采用了變頻驅(qū)動電機直接帶減速器實現(xiàn)對輸出速度的控制。

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，實現(xiàn)泥水輸送的平衡控制。

（3）長距離施工過程中滿足線路壓降和啟動扭矩的運用。在一個多刀盤頂管機的電氣設(shè)計中，總體設(shè)計提出了采用 4 臺 22 kW 小刀盤電機，通過減速器直接驅(qū)動刀盤的設(shè)計思路。由于頂管空間有限，頂管機機頭設(shè)備的供電電壓為AC 400 V。根據(jù)這一方案，在施工過程中 4 臺小刀盤電機是屬于重載啟動，并隨著頂管施工距離的增加，在電機啟動過程中會產(chǎn)生很大的電壓降，因此在電氣的設(shè)計中對 4 臺小刀盤電機的啟動形式提出了 3 個方案：①電機直接啟動控制方式；②采用星-三角的降壓啟動方式；③采用變頻器的啟動方式。

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

表1 啟動電流和啟動扭矩的比較 %

通過表1 可以知道，如果使用直接啟動方式，啟動的扭矩能滿足工程的需要，但是啟動過程中電流大，造成整個供電線路的壓降增大，不能滿足實際施工的要求；采用星-三角降壓啟動方式，電動機啟動時的線路壓降雖然能夠滿足要求，但是電機的啟動扭矩不能滿足工程的需要，在刀盤全斷面進入土體后，電動機有可能無法完成正常的啟動過程；變頻控制技術(shù)可以通過無速度傳感器矢量控制或者轉(zhuǎn)矩直接控制方式來改善電動機在啟動及低速狀態(tài)下的啟動扭矩，同時又能控制啟動過程電流不會對線路電壓降造成影響。

（4）實現(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)工程實際情況實現(xiàn)多種的控制方案以實現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能降本。例如：變頻器啟動-工頻切換的控制方式，一臺變頻器控制多臺電動機的控制方式及多臺變頻器并聯(lián)運行的控制方式等，以提高設(shè)備的經(jīng)濟性和滿足狹小安裝空間位置的特殊需求。例如在多刀盤頂管機項目中對 4 臺電機如果采用 4 臺變頻器分別控制，顯然在經(jīng)濟上不合適，同時由于電氣控制柜尺寸有限，無法同時滿足安裝4 臺變頻器。因此在設(shè)計中采用了變頻器啟動，再切換至工頻運行的控制模式：即第 1 臺電機采用變頻啟動完成后，切換到工頻電源運行，再利用變頻器啟動第 2 臺，直至 4 臺電機都完成變頻啟動，全部轉(zhuǎn)入工頻電源運行后，變頻器退出工作狀態(tài)。

3 通用變頻器在地下掘進裝備中運用的條件

由于地下掘進裝備空間狹小，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)備和檢測器件，具有很強的電磁干擾。因此，在地下掘進裝備內(nèi)選用變頻系統(tǒng)應(yīng)考慮以下幾個因素。

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

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

（3）確保變頻器或變頻器柜的安全防護等級符合現(xiàn)場環(huán)境防塵防水的需要；同時也要做好變頻系統(tǒng)冷卻、通風(fēng)的設(shè)計和制造。

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

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

4 結(jié) 語

以上這些技術(shù)運用只是變頻技術(shù)在地下掘進裝備中運用的一部分案例。通用變頻器作為目前在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)運用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動方案，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，因此也必然會越來越多在地下掘進裝備中得到廣泛的運用。