李 莉

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

刀盤是盾構機的重要組成部分，是進行掘進作業(yè)的主要工作裝置。刀盤驅動方式主要有液壓驅動和電機驅動2 種，因此盾構分為液驅盾構和電驅盾構。液驅盾構由液壓泵產(chǎn)生的液壓能驅動液壓馬達旋轉，并通過減速機等傳動部件帶動刀盤旋轉；單、雙速電機驅動功能單一，價格低廉，一般用于小型盾構；變頻電機驅動方式綜合了液壓和雙速電機驅動方式的優(yōu)點，也可以帶負載啟動，無極調速，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)格的盾構機。因此，大直徑盾構機大多選用的是變頻電機驅動方式。

由于變頻驅動系統(tǒng)整流濾波型負載引入電網(wǎng)會造成電網(wǎng)被“污染”，如何降低盾構主驅動系統(tǒng)的諧波含量，提高設備電能質量成為了盾構電氣設計的重要問題。針對大直徑盾構機的使用工況，合理設計選擇變頻驅動系統(tǒng)，可以做到最大程度地縮減電網(wǎng)損耗，進而提高電網(wǎng)質量；如選擇或使用不當，可能造成整個供配電系統(tǒng)電壓電流波動、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體流通時，由于集膚效應的作用，導體對諧波電流的有效電阻增加，導致導體嚴重發(fā)熱、設備發(fā)熱量大，增加了供電、配電和用電設備的功率損耗、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諧波對電機產(chǎn)生附加損耗和轉矩，因電機為盾構機各個系統(tǒng)動作提供動力，負荷占整個負荷85%及以上，諧波對電機產(chǎn)生的損耗最為明顯；③諧波會導致變壓器、電容器等電氣設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，還會使其產(chǎn)生振動，使電氣設備的絕緣材料頻繁承受較大的突變電應力，加速絕緣老化甚至造成擊穿，縮減變壓器等電氣設備的使用壽命，降低供配電系統(tǒng)及設備的可靠性。

2 諧波產(chǎn)生

盾構機上眾多的諧波源中，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換為頻率可變的交流電的裝置，其內部要進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特性，造成供電電路電源中含有大量的非線性負載，變頻器至電機的出線側電源中包含有大量的非正弦波或者非完全正弦波的諧波，會對供配電系統(tǒng)、負載及其他鄰近電氣設備產(chǎn)生干擾。只要能有效降低主驅動變頻系統(tǒng)的諧波含量，就能大大提高系統(tǒng)的電能質量。

3 6 脈整流與12 脈整流

變頻驅動系統(tǒng)主要的整流技術為6 脈整流技術和12 脈整流技術，2 種不同的變頻器技術對于電網(wǎng)的影響不同。

（1）6 脈整流。6 脈整流主要由6 個可控硅（晶閘管）組成的全橋整流組成，由于有6 個開關脈沖對6 個可控硅分別控制，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，假定交流側電抗為零，直流電感為無窮大，延遲觸發(fā)角α 為零，則由交流側電流傅里葉級數(shù)展開可得以下簡潔的結論：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 脈整流的基礎上，在電源輸入側增加1 個移相變壓器，再增1 組6 脈整流裝置，直流母線電流是由12 個可控硅整流完成，故稱為12 脈沖整流。

橋Ⅰ的網(wǎng)側電流傅立葉級數(shù)展開為：

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

故合成后的網(wǎng)側線電流為：

可見，2 個整流橋產(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 主驅動變頻驅動方案

針對不同的變頻整流技術，大盾構的主驅動變頻驅動方案設計分為2 大類：6 脈變頻驅動電氣系統(tǒng)，12 脈變頻驅動電氣系統(tǒng)。

6 脈變頻驅動系統(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、電機等組成（圖1）。2 個變壓器下級銅排之間設計了1 個母聯(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1 臺變壓器故障癱瘓時，母聯(lián)斷路器合閘，所有主驅動電機仍可同時由1 臺變壓器供電，以整流模式限幅運行，實現(xiàn)了冗余供電。

圖1 6 脈變頻驅動電氣系統(tǒng)一次

12 脈變頻驅動系統(tǒng)主要是由輸出6 相的整流變壓器、空氣斷路器、變頻器、電機等組成。其中輸出6 相的整流變壓器有2 種方式實現(xiàn)：①直接選用三繞組變壓器（圖2）；②選用2 臺三相的變壓器組合成6 相（圖3）。圖2 的12 脈變頻驅動系統(tǒng)中，2 個三繞組變壓器下級銅排之間分別設計了1 個母聯(lián)的空氣斷路器，正常工作時分閘，當1 臺變壓器故障癱瘓時，母聯(lián)斷路器合閘，14 臺主驅動電機仍可同時以12 脈整流模式限幅運行，實現(xiàn)了高可靠性的冗余供電，但是造價相對較高。圖3 的12 脈變頻驅動系統(tǒng)是將主驅動系統(tǒng)均勻分為2 組，各組成1 套獨立的6 脈變頻驅動系統(tǒng)，這種稱為準12 脈變頻驅動系統(tǒng)，雖然不能實現(xiàn)冗余配電，但是系統(tǒng)設計簡單，現(xiàn)場使用或維保更便捷，而且造價相對更經(jīng)濟。

圖2 12 脈變頻驅動電氣系統(tǒng)設計原理

圖3 準12 脈變頻驅動電氣系統(tǒng)設計原理

5 主驅動整流方案仿真

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

6 結語

大直徑盾構機主驅動系統(tǒng)推薦選用12 脈變頻驅動系統(tǒng)，對于降低電網(wǎng)諧波含量，提高電能質量有很好的效果。

相對而言，12 脈變頻驅動系統(tǒng)選用的是三繞組變壓器，體積大、價格高，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、電機電抗器相比6 脈驅動系統(tǒng)數(shù)量會更多，因此，從設備配置經(jīng)濟性、簡便性考慮，準12 脈變頻驅動方案更優(yōu)。然而，對于單一負載大功率變頻驅動系統(tǒng)，如泥水盾構機上進、排漿泵變頻驅動電機，應選用12 脈整流驅動方案。