關(guān)鍵詞：隧道建設(shè) 提升機(jī) GD5000高壓變頻器 GD3000中壓變頻器
如果百度一下“天下第一隧”，你會(huì)看到是包茂高速公路上的秦嶺終南山隧道，其總長18.02公里，雙向四車道，2007年1月正式通車，當(dāng)時(shí)建設(shè)規(guī)模居世界第一。時(shí)隔十年的如今2017，這個(gè)記錄已被正在建設(shè)中的秦嶺另一條隧道——寶坪高速公路天臺(tái)山隧道打破，其總長15.56公里，雖然長度較前者少了約2.5公里，但它為雙向六車道。從隧道斷面、行車道數(shù)量、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)指標(biāo)看，建設(shè)規(guī)模及施工難度都遠(yuǎn)超過前者，因此天臺(tái)山隧道應(yīng)屬新的“天下第一隧”。
就在這條由中交二公司承建的重點(diǎn)隧道建設(shè)工程中，英威騰高壓四象限變頻器GD5000和中壓三電平變頻器GD3000被用于棄渣提升機(jī)傳動(dòng)上，為隧道建設(shè)發(fā)揮著巨大作用。
隧道建設(shè)有很多工序，其中一個(gè)重要工序是“棄渣處理”，也就是把建設(shè)隧道時(shí)挖出的土石方運(yùn)出洞外，通常有翻斗汽車運(yùn)輸和提升機(jī)運(yùn)輸兩種形式，該工程采用的是兩種運(yùn)輸結(jié)合的方式，這是由現(xiàn)場(chǎng)施工條件決定的。因?yàn)樗淼篮荛L，為了加快施工進(jìn)度，不可能只從兩端開挖，要分多個(gè)標(biāo)段同時(shí)開工，因此有些標(biāo)段就要從隧道腹部向兩端開挖，這就要根據(jù)測(cè)量在山上合適位置，先挖一條輔助通道，抵達(dá)隧道腹部。因?yàn)槿肟诟哂谒淼?，這個(gè)通道是有一定坡度的，它既是人員及設(shè)備的出入口，也是通風(fēng)口，更是棄渣出口。
本案輔助通道長700多米，坡度約15°，這段棄渣運(yùn)輸采用提升機(jī)牽引裝載車的形式，坡上、坡下再分別用翻斗汽車運(yùn)輸。提升機(jī)設(shè)在地面洞口附近，其絞車上的鋼絲繩與裝載車相連，裝載車在軌道上運(yùn)行，兩條鐵軌中間每隔一段裝有鋼絲繩導(dǎo)向輪，當(dāng)絞車收卷鋼絲繩時(shí)，裝載車向上運(yùn)行；當(dāng)絞車釋放鋼絲繩時(shí)，裝載車靠自身重力向下運(yùn)行。如下圖：
提升機(jī)絞車是由電機(jī)拖動(dòng)的，因此對(duì)裝載車及提升絞車的控制，就歸結(jié)到對(duì)電機(jī)的控制。提升系統(tǒng)對(duì)電機(jī)控制的要求主要是：啟、停平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)及機(jī)械沖擊盡量小。
該提升機(jī)采用的是高壓電機(jī)10kV，630kW。為了啟停平穩(wěn)，減少?zèng)_擊，早期常用方法為降壓啟動(dòng)，即通過降低電動(dòng)機(jī)的端電壓，減小啟動(dòng)電流，從而減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的沖擊。降壓啟動(dòng)的具體方法有：電抗器啟動(dòng)、自耦變壓器啟動(dòng)、液阻式啟動(dòng)、磁控式啟動(dòng)和晶閘管軟啟動(dòng)。
串聯(lián)電抗器降壓啟動(dòng)是在電機(jī)的定子回路中串聯(lián)電抗器，限制電機(jī)的啟動(dòng)電流。在電機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后，再將電抗器切除。這種啟動(dòng)方法的適應(yīng)性差，且電抗器被切除時(shí)還存在二次的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊的危險(xiǎn)。
自耦變壓器降壓啟動(dòng)是自耦變壓器的高壓繞組與電網(wǎng)相接，低壓繞組接電機(jī)，通過自耦變壓器逐步升高加在電機(jī)上的電壓，以限制電機(jī)的啟動(dòng)電流。它的最大優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，并且可以通過抽頭調(diào)節(jié)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，缺點(diǎn)是裝置體積大、故障率較高、維護(hù)工作量大。
液阻式降壓啟動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子(繞線式)或定子(鼠籠式)回路中串接一個(gè)可以調(diào)整的液體電阻，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使液體電阻均勻減小，啟動(dòng)過程完成后外電阻為零并自動(dòng)切除，從而保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程具有平滑、無沖擊的軟特性。由于該電阻實(shí)質(zhì)上是離子導(dǎo)電的電解液，因此稱為液阻，阻值靠改變兩極板間的距離實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：可串在繞線電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路實(shí)現(xiàn)較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)啟動(dòng)過程中不產(chǎn)生高次諧波，成本較低。缺點(diǎn):體積大；啟動(dòng)的重復(fù)性差，保護(hù)功能不全，維護(hù)麻煩，安全性差，對(duì)環(huán)境要求較高。
磁控式啟動(dòng)是從電抗器啟動(dòng)衍生出來的，磁控式啟動(dòng)的主要特點(diǎn)是其電抗值可控。它采用串在電動(dòng)機(jī)定子進(jìn)線側(cè)的可控磁飽和鐵芯電抗，啟動(dòng)開始時(shí)電抗器的電抗值較大，在啟動(dòng)過程中，使電抗值逐漸減小，啟動(dòng)完成后被旁路。它除了具有串在三相電動(dòng)機(jī)定子進(jìn)線側(cè)的交流工作繞組以外，還有控制鐵芯飽和程度的直流勵(lì)磁繞組，在啟動(dòng)過程中，通過控制直流勵(lì)磁電流，改變交流繞組鐵芯的飽和度，改變交流繞組的電抗值，達(dá)到降壓啟動(dòng)的目的。優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)可靠，對(duì)環(huán)境要求不高，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，設(shè)備占地小，維護(hù)方便。缺點(diǎn)：工作時(shí)噪音較大，起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波，控制精度略低，價(jià)格偏高。
晶閘管軟啟動(dòng)裝置是一種采用晶閘管的無觸點(diǎn)高壓電路開關(guān)，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，用反并聯(lián)晶閘管控制正弦波正負(fù)半波的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間， 改變正弦交流電壓的波形， 使之變?yōu)榉钦颐}沖式交流電來控制輸出電壓的大小,達(dá)到限制電機(jī)啟動(dòng)電流的目的。輸出電壓、電流全范圍可調(diào)，電壓、電流波形可任意設(shè)定。它又細(xì)分為可控硅串聯(lián)和開關(guān)變壓器式兩種。優(yōu)點(diǎn)：體積小、安裝使用簡單、全智能控制、功能齊全、可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停止、啟動(dòng)重復(fù)性好、控制精度高、可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。缺點(diǎn)：會(huì)引起高次諧波，對(duì)電網(wǎng)有一定的影響；可控硅元件的故障率較高；對(duì)維護(hù)技術(shù)人員的要求較高；價(jià)格偏高。
隨著變頻器的出現(xiàn)，以上這些方法逐漸被淘汰。由電機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=（60f/p）（1-s）（n:轉(zhuǎn)速，f：頻率，p：極對(duì)數(shù)，s：轉(zhuǎn)差率）可見，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速有兩種方法：1、改變頻率；2、改變轉(zhuǎn)差率。前幾種啟動(dòng)方法實(shí)際都是通過降壓增大轉(zhuǎn)差率的。而改變頻率是基于大功率電子器件的誕生及成熟，以及集成電路等半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展才得以實(shí)現(xiàn)的，所以出現(xiàn)較晚，但是由于變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)無可匹敵，很快成為主流。變頻調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是：低頻啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不降低，調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高，控制功能多，保護(hù)功能齊全等。因此本案自然采用變頻控制方案。
本案提升電機(jī)10kV，630kW，47A，50Hz?？刂埔螅赫r(shí)由市電10kV供電，通過10kV高壓變頻器拖動(dòng)；當(dāng)市電斷電或高壓變頻器故障時(shí)，由柴油發(fā)電機(jī)供電380V，通過低壓（或中壓）變頻器拖動(dòng)，因電壓較低，所以電機(jī)運(yùn)行頻率也相應(yīng)較低。因此，習(xí)慣將這種驅(qū)動(dòng)方式稱為“低頻拖動(dòng)”或“應(yīng)急拖動(dòng)”。低頻拖動(dòng)在額定轉(zhuǎn)矩下最高輸出頻率（以下稱：低頻拖動(dòng)額定頻率）由以下公式?jīng)Q定：
低頻拖動(dòng)電壓/低頻拖動(dòng)額定頻率=10000（V）/50（Hz）
由此得：
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低頻拖動(dòng)電壓（V） |
低頻拖動(dòng)額定頻率（Hz） |
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380 |
1.9 |
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690 |
3.45 |
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1140 |
5.7 |
根據(jù)上表，如選380V變頻器可直接由柴油發(fā)電機(jī)供電，但輸出頻率只能1.9Hz，難以接受。如選690V或1140V變頻器，都要加升壓變壓器，既然同樣加變壓器，還是選高一點(diǎn)的電壓1140V更劃算，雖然變頻器相比690V的價(jià)格要高些，但1140V變頻器不只是提高了輸出頻率，還有它是三電平變頻器，具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，詳見后面介紹。所以，選定GD3000中壓變頻器（額定電壓1140V）。為了選擇驅(qū)動(dòng)變頻器，需加切換柜。據(jù)此設(shè)計(jì)方案如下：
1、方案圖
2、變頻器選型:
a、高壓變頻器
變頻器選型主要根據(jù)工況及電流，因提升機(jī)電機(jī)有發(fā)電工況，所以要選四象限變頻器；變頻器電流按如下條件選擇：
* 變頻器額定電流＞電機(jī)額定電流，且變頻器的允許過載電流≥電機(jī)的允許過載電流（提升機(jī)過載時(shí)間按30秒）電機(jī)過載能力一般1.5-2倍；
* 高壓變頻器GD5000的過載能力是：120%額定電流，可持續(xù)120秒，150%，可持續(xù)5秒，200%立即保護(hù)。
根據(jù)以上條件及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般按變頻器功率大于電機(jī)功率兩檔選擇。
變頻器手冊(cè)截圖如下：
據(jù)此選型GD5000-A1000-10-SR，型號(hào)中SR代表四象限，變頻器額定輸出電流58A，是電機(jī)額定電流47A的1.23倍。
b、中壓變頻器
選型原則同樣是根據(jù)工況及電流，但因低頻拖動(dòng)是柴油發(fā)電機(jī)供電，不能接受回饋電能，所以不能用四象限變頻器，只能采用變頻器+制動(dòng)單元+制動(dòng)電阻方式。GD3000選型手冊(cè)截圖如下：
據(jù)此選型GD3000-00-090G-12，其中-12代表1140V，變頻器額定輸出電流60A，是電機(jī)額定電流47A的1.27倍。
3、材料清單
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序號(hào) |
供貨單元 |
主要器件 |
器件型號(hào) |
數(shù)量 |
備注 |
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1 |
高壓變頻器柜 |
高壓變頻器 |
GD5000-A1000-10-SR |
1 |
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2 |
中壓變頻器柜 |
中壓變頻器 |
GD3000-00-090G-12內(nèi)置制動(dòng)單元 |
1 |
制動(dòng)電阻 40Ω/75Kw |
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變壓器側(cè)斷路器 |
300A（380V） |
1 |
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變頻器側(cè)斷路器 |
100A（1140V） |
1 |
|||
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3 |
手動(dòng)切換柜 |
互鎖切換開關(guān) |
≮80A/10kV |
1 |
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4 |
變壓器 |
三相變壓器 |
110kVA,380V/1140V |
1 |
1、Goodrive5000的優(yōu)勢(shì)
GD5000系列高壓變頻器主電路采用功率單元串聯(lián)技術(shù)，移相變壓器將高壓轉(zhuǎn)換成多個(gè)690V給低壓單元供電，再將同相低壓單元串聯(lián)，以星型接法合成高壓電，10kV為每相8個(gè)單元，其拓?fù)鋱D如下：
上圖中8個(gè)690VAC功率單元串聯(lián)時(shí)，每個(gè)功率單元輸出的電壓波形及其串聯(lián)后輸出的相電壓波形如下圖：
合成后的相電壓有17個(gè)不同的電壓等級(jí)。增加電壓等級(jí)的好處是：輸出波形更接近正弦波，減小了輸出電壓的諧波含量，減小了du/dt。從而較少了對(duì)外部其它設(shè)備的諧波干擾，減少了輸出電纜的漏電流，可使輸出距離更遠(yuǎn)，同時(shí)減少了對(duì)電機(jī)絕緣的損害。
GD5000高壓變頻器的構(gòu)成如下圖：
旁路柜完成工變頻切換，為選配，如不需切換工頻可省略；緩沖柜用來降低上電瞬間的勵(lì)磁涌流；移相變壓器給各功率單元供電；功率單元完成整流和逆變；
控制系統(tǒng)完成對(duì)系統(tǒng)的控制管理，是高壓變頻器的大腦，采用DSP+FPGA+ARM的三核技術(shù)，使用當(dāng)前最先進(jìn)的高性能的無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器矢量控制方式，同時(shí)兼容了矢量化的VF控制，具有控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、低頻輸出轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)，可用來控制交流異步感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)。
2、GD3000的優(yōu)勢(shì)
Goodrive3000系列變頻器是一款高性能通用矢量變頻器，采用三電平的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相比兩電平變頻器多兩個(gè)IGBT。如下圖：
兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的輸出波形如下：
由圖可見，三電平結(jié)構(gòu)，使得線（相）電壓有更多的階梯波來模擬正弦波，使得輸出波形失真度減少，輸出電壓變化率(du/dt)低，電機(jī)端尖峰電壓低，減少對(duì)電機(jī)絕緣的損害。同樣載頻下諧波含量低，大幅仰制變頻器引起的傳導(dǎo)，輻射干擾，具備優(yōu)良EMC特性；同樣載頻下，三電平相比兩電平IGBT損耗低、系統(tǒng)漏電流小。
GD3000兼容二象限和四象限，可用來控制交流異步感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)。具有開環(huán)矢量、閉環(huán)矢量、V/F控制方式，功能更優(yōu)化，應(yīng)用更靈活，性能更穩(wěn)定。
由上可見，該提升機(jī)采用高壓變頻及中壓低頻拖動(dòng)這種方式，從調(diào)速性能、EMC性能、節(jié)能環(huán)保、減少機(jī)械沖擊、安全可靠性等方面，可謂最優(yōu)選擇。變頻器從投入運(yùn)行到現(xiàn)在，近一年時(shí)間一直連續(xù)運(yùn)行，從無故障，充分體現(xiàn)了英威騰產(chǎn)品的優(yōu)良品質(zhì)！為天下第一隧的早日通車提供了有力保障！
參考文獻(xiàn)：
【1】 《Goodrive5000系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品說明書》
【2】 《Goodrive3000系列中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品說明書》
