地下掘进装备（本文主要包括盾构掘进机和顶管掘进机）要做到安全、高效地完成一个工程项目的施工，不断提高地下掘进装备的技术含量和工作效率非常重要。随着变频技术日趋成熟和不断发展，通过通用型变频器、PLC 控制和总线网络等先进技术在地下掘进装备中的交互结合使用，能很好地丰富和完善地下掘进装备自身性能，从而满足不同施工工况的需求。

1 通用型变频器的技术特性

通用变频器是一种可以静态或者动态分析电机的固有参数，建立合适控制模型，通过控制电机外部参数（电压、频率、磁通等）来实现预定功能的电气设备。变频技术在几十年的发展历程中，随着电力电子器件制造、变流控制技术、微型计算机和大规模集成电路的飞速发展，已经成为目前发展最为迅速，功能最为丰富的一项电气技术。

目前通用变频器的主要控制方式有：开环恒压比（V／F=常数）控制方式、无速度传感器矢量控制[1]方式、直接转矩控制[2]方式等，同时这几种不同的控制方式也在不断地相互融合和发展。这些控制方式都有各自的特点，例如：开环恒压比（V／F=常数）控制方式的优点是控制结构简单、成本较低；无速度传感器矢量控制方式在大功率变频设备的运用中具有比较高的性价比优势；直接转矩控制具有响应速度快，速度、转矩控制精度高等优点。

2 通用变频器在地下掘进装备中的运用

在地下施工装备中广泛采用了三相异步电动机作为主要动力源，通过电动机直接驱动执行机构或通过控制液压泵组来间接驱动相应的执行机构，是目前国内外盾构常用的方法。利用变频技术的特点和优势，并结合 PLC 控制的灵活性和总线通讯网络快速性，使得地下掘进设备中变频器的使用变得越来越普及，主要有以下几个方面的运用。

（1）刀盘驱动系统中的运用。刀盘驱动作为地下掘进装备的关键部件，这个系统的特点主要表现在：总装机功率大（一般由多台大功率的电动机同时驱动），控制方式复杂（要求具有较强的重载能力），控制精度要求高（主要有速度和扭矩同步控制），整个系统的可靠性、安全性要求高。以直径为 15 m 级别的超大型泥水平衡盾构为例，盾构的刀盘系统一般有 15 台 250 kW 的刀盘电机组成，总功率达到3 750 kW。刀盘扭矩通过电动机→减速器→小齿轮→大齿轮进行传递，只有通过变频器的集控技术，才能实现多台大功率电机的同时启动，提供足够的启动扭矩，并做到多台刀盘电机之间扭矩平衡和速度的同步控制。

运用在异形断面隧道施工的设备：双圆加泥式土压平衡盾构[3]，盾构的 2 套辐条式刀盘安装在同一平面，通过 2 套独立的变频驱动系统传递扭矩。工作情况见图1。

  

图1 双圆加泥式土压平衡盾构工作示意

在双刀盘工作时刀盘电机进行正转或反转，使 2 台刀盘按照相对方向同步旋转，利用刀盘绝对位置编码器来控制 2个刀盘的实时位置，将控制信号输出给 PLC ，通过 PLC 计算后，输出信号来分别控制 2 套刀盘变频器协运同行，在确保每个刀盘电机的运转速度和输出扭矩同步的前提下，解决在旋转过程中可能会产生相互干涉的现象。

在大直径泥水平衡的盾构中，泥水输送系统所使用的泥浆泵的单机功率一般在 400～1 100 kW 之间，只有使用相应大功率变频器才能满足对于不断延伸的泥水输送系统压力和流量的稳定控制，实现泥水输送的平衡控制。

（4）实现丰富的控制手段。通用变频器、PLC 与工业网络之间的配合使用，可以根据工程实际情况实现多种的控制方案以实现设备的节能降本。例如：变频器启动-工频切换的控制方式，一台变频器控制多台电动机的控制方式及多台变频器并联运行的控制方式等，以提高设备的经济性和满足狭小安装空间位置的特殊需求。例如在多刀盘顶管机项目中对 4 台电机如果采用 4 台变频器分别控制，显然在经济上不合适，同时由于电气控制柜尺寸有限，无法同时满足安装4 台变频器。因此在设计中采用了变频器启动，再切换至工频运行的控制模式：即第 1 台电机采用变频启动完成后，切换到工频电源运行，再利用变频器启动第 2 台，直至 4 台电机都完成变频启动，全部转入工频电源运行后，变频器退出工作状态。

（三）对群文音乐创作的认识水平尚不到位。在当今文化高度繁荣的社会，人民群众拥有比以往更加广阔丰富的文化选择空间，尤其是伴随着互联网的普及，各种文化形式快速传播流行，令人目不暇接。在此背景下，部分群文音乐创作者热衷于借鉴甚至是模仿抄袭，不愿在作品的思想和专业深度上下功夫，而是盲目追求新奇和速度，社会上流行什么就创作什么，出现了大量的同质化音乐作品，这些作品往往质量不高，内容平庸，在社会上昙花一现，受到人民群众的诟病。

（2）平衡控制的运用。在地下施工过程中保持正面土体的平衡，是衡量设备性能的一项重要指标。变频器作为一台智能化的控制器件，本身具有各种经典控制模式（如：PID 控制模式，闭环控制模式等），可以作为一台小型的可编程控制器使用，也允许技术人员对其进行控制模式的自定义编程，以满足不同用户的需求，同时变频器也可以作为工业控制网络的一个节点来接受远程的控制指令。

在土压平衡盾构中，对螺旋机出土速度的控制是实现土压平衡的一个重要手段。螺旋机的驱动方式主要有两种：通过液压比例泵或者电动机直接调速。目前这两种调速方法在地下掘进装备中都得到了广泛运用，根据所控制设备的功率不同，通过比较液压比例泵和电动机变频调速这两种设备在整个工程造价中所占造价的比例，并结合空间的安装要求做选择。目前盾构装备是以液压比例泵为主，而在大直径顶管机中已经普遍采用了变频驱动电机直接带减速器实现对输出速度的控制。

以上统计可得出，从2010年开始，关于高校基层行政人员职业倦怠研究的文献数量一直较稳定，每年的发稿数量都较稳定地保持在45篇以上。可见，关于高校基层行政管理人员的职业倦怠已保持长期且系统地深入研究，这也从一定意义上反映了该课题的研究的必要性。

（2）在整个供电系统中，要对变频负载产生的高次谐波分量进行分析、计算，并做好抑制高次谐波产生的措施设计；应避免高次谐波影响到供电变压器和电容性设备的安全运行。

哪种说法是真的呢？秀容川想，秀容月明不像贪财好色的家伙，难道他真是嫌皇帝封他的官小了？秀容川有点疑惑，要知道，枢密副使已是个很大的官了。说他功高震主嘛，这有可能，但那时正是用人之际，皇帝不会干这种蠢事，把主帅杀了。

 

表1 启动电流和启动扭矩的比较 %

  

起动方式 电机启动电流 电机启动转矩 电动机线电流堵转转子电流全负载电流直接起动 100 600 180 180 100 600全负载电流堵转转子电流全负载电流堵转转子电流星-三角降压起动 33 198 33 60 65 390变频起动 0～100 0～600 0～100 0～180 0～100 0～100

(2) 试验过程中，不同土体梯度比变化都呈现出三阶段特性，反映出了土体内部渗流通道以及排水管淤塞的形成过程，具有规律性。

在复合盾构中，刀盘在软土施工中需要的是低转速高扭矩，而在硬岩施工中需要高转速低扭矩。采用通用变频技术的基频以下恒扭矩，基频以上恒功率的特性就可以比较方便地实现这种工况的需求。

3 通用变频器在地下掘进装备中运用的条件

由于地下掘进装备空间狭小，环境温度和湿度都比较恶劣，存在大量的粉尘，同时在狭小的空间范围内集中大量的供配电设备、控制设备和检测器件，具有很强的电磁干扰。因此，在地下掘进装备内选用变频系统应考虑以下几个因素。

通过表1 可以知道，如果使用直接启动方式，启动的扭矩能满足工程的需要，但是启动过程中电流大，造成整个供电线路的压降增大，不能满足实际施工的要求；采用星-三角降压启动方式，电动机启动时的线路压降虽然能够满足要求，但是电机的启动扭矩不能满足工程的需要，在刀盘全断面进入土体后，电动机有可能无法完成正常的启动过程；变频控制技术可以通过无速度传感器矢量控制或者转矩直接控制方式来改善电动机在启动及低速状态下的启动扭矩，同时又能控制启动过程电流不会对线路电压降造成影响。

（1）变频器的选型应能满足设备的功能需求，满足使用对象的工艺、工况要求。

经过分析，采用上述几种启动方式的启动电流和启动扭矩的比值如表1 所示。

（3）长距离施工过程中满足线路压降和启动扭矩的运用。在一个多刀盘顶管机的电气设计中，总体设计提出了采用 4 台 22 kW 小刀盘电机，通过减速器直接驱动刀盘的设计思路。由于顶管空间有限，顶管机机头设备的供电电压为AC 400 V。根据这一方案，在施工过程中 4 台小刀盘电机是属于重载启动，并随着顶管施工距离的增加，在电机启动过程中会产生很大的电压降，因此在电气的设计中对 4 台小刀盘电机的启动形式提出了 3 个方案：①电机直接启动控制方式；②采用星-三角的降压启动方式；③采用变频器的启动方式。

（3）确保变频器或变频器柜的安全防护等级符合现场环境防尘防水的需要；同时也要做好变频系统冷却、通风的设计和制造。

从图3A中可以看出，随着纯水体积流速的增加，超滤膜通量均不断增大，其中尤以100 kDa超滤膜的增速最快。此外，在相同的纯水体积流速下，100 kDa超滤膜具有最大的超滤通量。在图3B中，随着酶解液体积流速的增加，10 kDa超滤膜的压力增加最为显著，30 kDa超滤膜次之，而100 kDa超滤膜最小。30 kDa超滤膜与100 kDa超滤膜在小流速下较为接近，而随着流速的增加，100 kDa超滤膜的压力增幅较30 kDa超滤膜小。由于膜材料的不同(10 kDa和30 kDa超滤膜的材料为tpye A，而100 kDa超滤膜的材料为tpye C)，因此三种膜在膜参数性质上并不成比例关系。

（4）在变频系统设备的布置和动力、控制电缆线路敷设中，应加强防止电磁干扰措施，确保系统的安全、可靠运行。

总之变频系统在整个电气系统中要做到既不影响到其他电气设备的安全运行，同时也不应被其他电气设备的运行而影响。

4 结 语

以上这些技术运用只是变频技术在地下掘进装备中运用的一部分案例。通用变频器作为目前在工业领域内运用最广、效率最高、最理想的电气传动方案，正向着功能集成化、控制方式多样化、网络配置灵活化、绿色节能高效化的方向不断发展，因此也必然会越来越多在地下掘进装备中得到广泛的运用。

图2中柱形图从左向右分别代表有很大改进、有改进、无变化。三个图形分别表示理论联系实际、现代教育技术的应用、上课方式的改变。

参考文献：

[1]冯垛生,曾岳南. 无速度传感器矢量控制原理与实践[M]. 北京:机械工业出版社,1997.

[2]李夙.异步电动机直接转矩控制[M]. 北京:机械工业出版社,2000.

[3]周文波. 盾构法隧道施工技术及应用[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2004.