关键词：隧道建设 提升机 GD5000高压变频器 GD3000中压变频器
如果百度一下“天下第一隧”，你会看到是包茂高速公路上的秦岭终南山隧道，其总长18.02公里，双向四车道，2007年1月正式通车，当时建设规模居世界第一。时隔十年的如今2017，这个记录已被正在建设中的秦岭另一条隧道——宝坪高速公路天台山隧道打破，其总长15.56公里，虽然长度较前者少了约2.5公里，但它为双向六车道。从隧道断面、行车道数量、设计标准等技术指标看，建设规模及施工难度都远超过前者，因此天台山隧道应属新的“天下第一隧”。
就在这条由中交二公司承建的重点隧道建设工程中，英威腾高压四象限变频器GD5000和中压三电平变频器GD3000被用于弃渣提升机传动上，为隧道建设发挥着巨大作用。
隧道建设有很多工序，其中一个重要工序是“弃渣处理”，也就是把建设隧道时挖出的土石方运出洞外，通常有翻斗汽车运输和提升机运输两种形式，该工程采用的是两种运输结合的方式，这是由现场施工条件决定的。因为隧道很长，为了加快施工进度，不可能只从两端开挖，要分多个标段同时开工，因此有些标段就要从隧道腹部向两端开挖，这就要根据测量在山上合适位置，先挖一条辅助通道，抵达隧道腹部。因为入口高于隧道，这个通道是有一定坡度的，它既是人员及设备的出入口，也是通风口，更是弃渣出口。
本案辅助通道长700多米，坡度约15°，这段弃渣运输采用提升机牵引装载车的形式，坡上、坡下再分别用翻斗汽车运输。提升机设在地面洞口附近，其绞车上的钢丝绳与装载车相连，装载车在轨道上运行，两条铁轨中间每隔一段装有钢丝绳导向轮，当绞车收卷钢丝绳时，装载车向上运行；当绞车释放钢丝绳时，装载车靠自身重力向下运行。如下图：
提升机绞车是由电机拖动的，因此对装载车及提升绞车的控制，就归结到对电机的控制。提升系统对电机控制的要求主要是：启、停平稳，对电网及机械冲击尽量小。
该提升机采用的是高压电机10kV，630kW。为了启停平稳，减少冲击，早期常用方法为降压启动，即通过降低电动机的端电压，减小启动电流，从而减小电动机启动的冲击。降压启动的具体方法有：电抗器启动、自耦变压器启动、液阻式启动、磁控式启动和晶闸管软启动。
串联电抗器降压启动是在电机的定子回路中串联电抗器，限制电机的启动电流。在电机启动结束后，再将电抗器切除。这种启动方法的适应性差，且电抗器被切除时还存在二次的电流冲击和转矩冲击的危险。
自耦变压器降压启动是自耦变压器的高压绕组与电网相接，低压绕组接电机，通过自耦变压器逐步升高加在电机上的电压，以限制电机的启动电流。它的最大优点是启动转矩较大，并且可以通过抽头调节启动转矩，缺点是装置体积大、故障率较高、维护工作量大。
液阻式降压启动是在电动机启动过程中，在电动机的转子(绕线式)或定子(鼠笼式)回路中串接一个可以调整的液体电阻，通过传动机构使液体电阻均匀减小，启动过程完成后外电阻为零并自动切除，从而保证电动机启动过程具有平滑、无冲击的软特性。由于该电阻实质上是离子导电的电解液，因此称为液阻，阻值靠改变两极板间的距离实现。优点：可串在绕线电动机转子回路实现较大的启动转矩，在电机启动过程中不产生高次谐波，成本较低。缺点:体积大；启动的重复性差，保护功能不全，维护麻烦，安全性差，对环境要求较高。
磁控式启动是从电抗器启动衍生出来的，磁控式启动的主要特点是其电抗值可控。它采用串在电动机定子进线侧的可控磁饱和铁芯电抗，启动开始时电抗器的电抗值较大，在启动过程中，使电抗值逐渐减小，启动完成后被旁路。它除了具有串在三相电动机定子进线侧的交流工作绕组以外，还有控制铁芯饱和程度的直流励磁绕组，在启动过程中，通过控制直流励磁电流，改变交流绕组铁芯的饱和度，改变交流绕组的电抗值，达到降压启动的目的。优点：相对可靠，对环境要求不高，可以实现闭环控制，设备占地小，维护方便。缺点：工作时噪音较大，起动时会产生高次谐波，控制精度略低，价格偏高。
晶闸管软启动装置是一种采用晶闸管的无触点高压电路开关，通过控制晶闸管的导通角，用反并联晶闸管控制正弦波正负半波的导通和关断时间， 改变正弦交流电压的波形， 使之变为非正弦脉冲式交流电来控制输出电压的大小,达到限制电机启动电流的目的。输出电压、电流全范围可调，电压、电流波形可任意设定。它又细分为可控硅串联和开关变压器式两种。优点：体积小、安装使用简单、全智能控制、功能齐全、可以实现软启动和软停止、启动重复性好、控制精度高、可以实现闭环控制。缺点：会引起高次谐波，对电网有一定的影响；可控硅元件的故障率较高；对维护技术人员的要求较高；价格偏高。
随着变频器的出现，以上这些方法逐渐被淘汰。由电机转速公式n=（60f/p）（1-s）（n:转速，f：频率，p：极对数，s：转差率）可见，改变电机转速有两种方法：1、改变频率；2、改变转差率。前几种启动方法实际都是通过降压增大转差率的。而改变频率是基于大功率电子器件的诞生及成熟，以及集成电路等半导体技术的发展才得以实现的，所以出现较晚，但是由于变频调速的优点无可匹敌，很快成为主流。变频调速的主要优点是：低频启动转矩不降低，调速范围宽，调速精度高，控制功能多，保护功能齐全等。因此本案自然采用变频控制方案。
本案提升电机10kV，630kW，47A，50Hz。控制要求：正常时由市电10kV供电，通过10kV高压变频器拖动；当市电断电或高压变频器故障时，由柴油发电机供电380V，通过低压（或中压）变频器拖动，因电压较低，所以电机运行频率也相应较低。因此，习惯将这种驱动方式称为“低频拖动”或“应急拖动”。低频拖动在额定转矩下最高输出频率（以下称：低频拖动额定频率）由以下公式决定：
低频拖动电压/低频拖动额定频率=10000（V）/50（Hz）
由此得：
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低频拖动电压（V） |
低频拖动额定频率（Hz） |
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380 |
1.9 |
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690 |
3.45 |
|
1140 |
5.7 |
根据上表，如选380V变频器可直接由柴油发电机供电，但输出频率只能1.9Hz，难以接受。如选690V或1140V变频器，都要加升压变压器，既然同样加变压器，还是选高一点的电压1140V更划算，虽然变频器相比690V的价格要高些，但1140V变频器不只是提高了输出频率，还有它是三电平变频器，具有无可比拟的优势，详见后面介绍。所以，选定GD3000中压变频器（额定电压1140V）。为了选择驱动变频器，需加切换柜。据此设计方案如下：
1、方案图
2、变频器选型:
a、高压变频器
变频器选型主要根据工况及电流，因提升机电机有发电工况，所以要选四象限变频器；变频器电流按如下条件选择：
* 变频器额定电流＞电机额定电流，且变频器的允许过载电流≥电机的允许过载电流（提升机过载时间按30秒）电机过载能力一般1.5-2倍；
* 高压变频器GD5000的过载能力是：120%额定电流，可持续120秒，150%，可持续5秒，200%立即保护。
根据以上条件及实践经验，一般按变频器功率大于电机功率两档选择。
变频器手册截图如下：
据此选型GD5000-A1000-10-SR，型号中SR代表四象限，变频器额定输出电流58A，是电机额定电流47A的1.23倍。
b、中压变频器
选型原则同样是根据工况及电流，但因低频拖动是柴油发电机供电，不能接受回馈电能，所以不能用四象限变频器，只能采用变频器+制动单元+制动电阻方式。GD3000选型手册截图如下：
据此选型GD3000-00-090G-12，其中-12代表1140V，变频器额定输出电流60A，是电机额定电流47A的1.27倍。
3、材料清单
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序号 |
供货单元 |
主要器件 |
器件型号 |
数量 |
备注 |
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1 |
高压变频器柜 |
高压变频器 |
GD5000-A1000-10-SR |
1 |
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2 |
中压变频器柜 |
中压变频器 |
GD3000-00-090G-12内置制动单元 |
1 |
制动电阻 40Ω/75Kw |
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变压器侧断路器 |
300A（380V） |
1 |
|||
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变频器侧断路器 |
100A（1140V） |
1 |
|||
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3 |
手动切换柜 |
互锁切换开关 |
≮80A/10kV |
1 |
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4 |
变压器 |
三相变压器 |
110kVA,380V/1140V |
1 |
1、Goodrive5000的优势
GD5000系列高压变频器主电路采用功率单元串联技术，移相变压器将高压转换成多个690V给低压单元供电，再将同相低压单元串联，以星型接法合成高压电，10kV为每相8个单元，其拓扑图如下：
上图中8个690VAC功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形如下图：
合成后的相电压有17个不同的电压等级。增加电压等级的好处是：输出波形更接近正弦波，减小了输出电压的谐波含量，减小了du/dt。从而较少了对外部其它设备的谐波干扰，减少了输出电缆的漏电流，可使输出距离更远，同时减少了对电机绝缘的损害。
GD5000高压变频器的构成如下图：
旁路柜完成工变频切换，为选配，如不需切换工频可省略；缓冲柜用来降低上电瞬间的励磁涌流；移相变压器给各功率单元供电；功率单元完成整流和逆变；
控制系统完成对系统的控制管理，是高压变频器的大脑，采用DSP+FPGA+ARM的三核技术，使用当前最先进的高性能的无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器矢量控制方式，同时兼容了矢量化的VF控制，具有控制精度高、动态响应快、低频输出转矩大等特点，可用来控制交流异步感应电机和永磁同步电机。
2、GD3000的优势
Goodrive3000系列变频器是一款高性能通用矢量变频器，采用三电平的硬件拓扑结构，每相比两电平变频器多两个IGBT。如下图：
两种拓扑结构对应的输出波形如下：
由图可见，三电平结构，使得线（相）电压有更多的阶梯波来模拟正弦波，使得输出波形失真度减少，输出电压变化率(du/dt)低，电机端尖峰电压低，减少对电机绝缘的损害。同样载频下谐波含量低，大幅仰制变频器引起的传导，辐射干扰，具备优良EMC特性；同样载频下，三电平相比两电平IGBT损耗低、系统漏电流小。
GD3000兼容二象限和四象限，可用来控制交流异步感应电机和永磁同步电机。具有开环矢量、闭环矢量、V/F控制方式，功能更优化，应用更灵活，性能更稳定。
由上可见，该提升机采用高压变频及中压低频拖动这种方式，从调速性能、EMC性能、节能环保、减少机械冲击、安全可靠性等方面，可谓最优选择。变频器从投入运行到现在，近一年时间一直连续运行，从无故障，充分体现了英威腾产品的优良品质！为天下第一隧的早日通车提供了有力保障！
参考文献：
【1】 《Goodrive5000系列高压变频调速系统产品说明书》
【2】 《Goodrive3000系列中压变频调速系统产品说明书》
