盾构开挖系统变频控制分析.pdf

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1、工艺与设备广东建材2012年第3期盾构开挖系统变频控制分析吴顺文(广州市盾建地下工程有限公司)摘要：盾构法是随着现代交通运输、地下工程、矿山开采、水利工程以及市政建设等需要而发展起来的先进的隧遂施工技术。该工法所使用的盾构设备开挖系统通常采用变频电机和液压马达的两种驱动方式。变频电机驱动相对液压马达驱动有着效率高、易维护、噪音小、故障少、成本低等多方面优点，而现今变频技术发民展日益成熟，使其成为盾构设备发展新方向。关健词：盾构；变频器；转速盾构开挖系统是盾构机重要组成部分，具有功率(4)I／0输入输出电路，为了变频器更

2、好人机交互，大、功率变化范围宽的特点。本文以北方重工生产的变频器具有多种输入信号的输入(比如运行、多段速度6．28m土压平衡式盾构机为例，对其盾构开挖系统变频运行等)信号，还有各种内部参数的输出“比如电流、频控制进行分析和研究。率、保护动作驱动等)信号。变频器控制电路是给异步电动机供电(电压、频率(5)速度检测电路，以装在异步电动轴机上的速度检可调)的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路，如测器(TO、PLG等)的信号为速度信号，送入运算回路，图l所示。控制电路由以下电路组成：频率、电压的运算根据指令和运算可使电动机

3、按指令速度运转。电路、主电路的电压、电流检测电路、电动机的速度检测(6)保护电路，检测主电路的电压、电流等，当发生过电路、将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损及逆变器和电动机的保护电路。坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。根据原理图我们再看看实际盾构机中变频系统电路是如何实现其功能的。在图1虚线内，仅使用电压电流检测为开环控制。而在控制电路中增加速度检测电路，即增加速度指令，就是可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。盾构开挖系统一般使用多个电机同时驱动

4、刀盘，为了更精确的控制刀盘各个电机的同步性，而选择使用闭环控制方式，以减少因负载不平衡，导致开挖系统驱动部分与主轴承之问的连接保险轴断裂的情况。如图2，盾机开挖系统实际控制电路是根据普通变频控制原理图的基础上增加了外部主控PLC。由主控图1原理图PLC将控制指令(如刀盘启动停止、转速值、转矩限制值等)，如图3，经PROFIBUS网络发送给控制单元CU320，原理图控制电路有以下各部分组成：CU320控制单元经运算，将结果经DRIVE—CLIQ网络输(1)运算电路，将外部的速度、转矩等指令同检测电出到G130的功率单元，

5、由它进行动作的具体执行。盾构路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出机中使用了主辅两个速度检测传感器，并可通过控制室电压、频率。操作电脑进行切换，正常掘进中只使用一个传感器。其(2)电压、电流检测电路，与主回路电位隔离检测电方法是在多个电机中设置一个为主电机(该主电机与速压、电流等。度传感器联接)，其它为从电机。传感器信号通过一个模(3)驱动电路，为驱动主电路器件的电路，它与控制块将信号复制成多个，传给每一个电机的SMC30编码电路隔离使主电路器件导通、关断。一104广东建材2012年第3期工艺与设备器，SMC

6、30编码器再经DRIVE—CLIQ网络反馈给CU320而产生感应磁场，即转子与定子磁场之间有“相对运控制单元，这样就实现一个传感器控制多个电机的目动”，所以转子转速Na不可能等于No，总要小于No。的。电机的状态参数通过PROFIBUS线路和主控PLC送(3)转子与定子旋转磁场的转速有偏差：到控制室的操作电显示屏上，操作人员再根据掘进需No—Na=50rpm要，从操作面板改变电机的转速。(4)转差率：s=(No-N)／N。=50／1500=0．013电机的转差率只是额定运行时的标准值，变频运行实际上是改变了电机定子磁场

7、的转速，频率f变化使N。变化。在盾构施工中，变频调速的转差损耗较小，一般在使用中认为S是恒定的。如频率在35Hz时，电机转速为6O×f(1一S)／p=60×35(1—0．013)／2=1036(rpm)。如果仅改变频率，电机容易被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压，例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就必须从400V改变到约200V。所以同时改变频率和电压是囤最优的电机控制方法。图

8、2盾构机开挖系统电路图频率下降时完全成比例的降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩A_chl~_f有减小的倾向。因此在低频时给定V／f，要使用输出电A．cC-_t：翟：恐I：N。；黑{tAch__fctenot_l-艇^LT0-iwr((INTTO．．REAL(Drytemp)*I耵一T0一I压提高