变频器在盾构设备施工应用及维护

1、 变频器在盾构机刀盘驱动的应用 单位： 北京市政集团第四工程处地铁昌平线二期九标姓 名： 孙英德 目 录1. . . 摘要2. .刀盘变频驱动结构及其工作原理3. .刀盘变频驱动的控制方式4. .刀盘变频驱动的控制过程5. .结束语摘 要变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的理想的调速设备。本章主要介绍变频器应用在盾构机（地铁施工）驱动刀盘的特点和对刀盘变频驱动的控制结构、控制方法以及控制过程和相关的控制连锁介绍.关键词：变频器、盾构机、刀盘变频驱动系统 电动机、优点、。引言我公司于11年购入1台日本日立造船生产的土压平衡式盾构机（10.22米）承担地铁十四好号线东风北桥隧道掘进任务。整个

2、盾构系统是集盾构机是集机械、电器、液压、测量、控制等多学科技术于一体，专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。与传统的隧道掘进技术相比，盾构法施工具有安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖盾构。是具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能.是实现掘进、岩渣转运、动壁支护等一次开挖成洞最为先进的隧道施工机械.刀盘驱动系统是盾构机的重要组成部分之一，具有功率大、功率变化范围宽的特点.目前刀盘驱动方式主要有液压驱动、变频电机驱动和双速电机驱动3 种形式.通常大直径盾构机要求的转速高，宜

3、选择电驱动（变频电机驱动和双速电机驱动）.中、小直径的软土盾构机通常要求速度较低，扭矩较大，宜选用液压驱动.液压驱动方式比电驱动方式微动操作性好，停止精度高，同步性能好，但其效率差，噪音高，后续台车长，而对于大口径盾构机内空间大，驱动马达空间设置限制少，为提高效率、减低启动扭矩、简化后方设备、改善隧道内环境等，切削刀盘采用变频驱动方式近年来随着对变频技术和设备的开发，使其应用得越来越广泛，价格上比液压驱动更具有优势.变频驱动的优点是：启动电流小、效率高，调节环路的反映好，配备的标准感应变频电机维修简单、噪音低、冷却性能好，所以对于变频驱动控制研究具有重要意义.本文参照日立造船盾构机的刀盘变频驱

4、动系统，设计了一种新的刀盘变频驱动方案，使得变频控制的驱动电机随施工状况和土质的软硬进行调整，满足不同地质的切削,保证施工质量.1:刀盘变频驱动控制结构和工作原理及优点刀盘是盾构设备的重要组成部分，是进行掘进作业的主要工作装置，刀盘驱动系统主要由变频电机、减速机、大小齿轮、三滚子轴 主轴承及密封组成. 刀盘的电气控制是 向。是决定设备性能的重要因素，对整个工程的质量影响巨大。基于此，我们通过优化设备工艺配 置， 设计了刀盘的驱动控制系统， 多台电机通过 主从控制方式控制刀盘，实现多台电机负荷的 均衡匹配， 保证机械受力的均匀和一致性。 刀盘驱动的结构 ,刀盘主驱动单元的圆周分布着18台刀盘电机

5、，这些刀盘电机通过安装在轴上的小齿轮与回转大齿轮啮合，刚性的连接成驱动电机的数量一个整体， 从而驱动整个刀盘。 和功率随设备的类型和大小而有所不同。设备的工艺性能， 要求几台刀盘电机同步运行， 这就 对控制系统的构成和性能提出较高的控制要求。虽然盾构的刀盘工作转速不高，但由于地质构造复杂、刀盘作业直径较大，要求刀盘的驱动系统需具备：大功率、大转矩输出、抗冲击、转速双向连续可调，在满足使用要求的前提下减小装机功率、达到节能降耗等工作特点。方式相比，效率高，噪音低，后续台车短。日立造船盾构机的刀盘变频驱动控制系统采用一拖二的控制结构，由18个电动变频电机通过三菱PLC 控制器与东芝变频器通讯来控制

6、，采用自由的V F 控制，PLC 把频率或扭矩同时传送给各个变频器，又同时接受各个变频器的各种参数，直接监控各个变频器.，使得刀盘速度可调，且具有较大扭刀盘的驱动系统必须具有高可靠性和良好的操作。和液压驱动矩储备和较高的传动效率.18个电机通过CCLINK 网络接收启 停以及速度信号， 通过MELSEC NET H 和CCLINK 网络控制的方式可以保证18 台电机启 停的同步性，从而实现18 台电机的速度同步和扭矩保护.日立造船盾构机刀盘变频驱动控制结构如下图所示： 上图是1-8号电动机的变频驱动控制结构图.变频电机驱动方式调速在090 Hz范围内可达到全额扭矩，电动机功率为恒定。一 变频器

7、工作原理我们知道交流电动机同步转速表达式n=60f /pn为转速，f为频率，p为电极对由式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0-100的范围内变化时，电动机速度调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率来实现速度调节，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。日本日立造船盾构机采用日本东芝型号为AF -3124a-095S，它是交直交型变频调速器，主要有整流把工频电源变换为直流电源滤波在整流器整流后的直流电压中，含有电源六倍频率的脉动电压，此外，由于逆变流器产生的电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压。逆变器同整流器相反，它

8、是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，根据控制信号使六个开关瞬间导通关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。二、变频器的构造控制电路：给电动机供电（电压频率可调）的主电路提供控制信号的电路。主要包括：1、运算单元：将外部的速度；转矩等指令同检测电路的电流；电压信号进行比较运算，来决定逆变器的输出电压频率。2、检测单元：与主电路隔离，检测电压电流等。3、驱动电路：为驱动主电路器件的电路，它使主电路器件导通，关断。4、速度检测电路：以装在电动机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 5、保护电路：检测主电路的电压；电流等。当发生过载或过电压等异常时

9、，使逆变器停止工作或抑制电压，电流值。(1)、瞬时过电流保护：由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值时，瞬时停止逆变器运转，切断电源。(2)、过载保护:逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器件损坏，恰当的保护需要反时限特性，或电子热保护。(3)、再生过电压保护：电动机减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，超过允许值，可以采用停止逆变器运行或停止快速减速的办法，防止过电压。(4)、瞬时停电保护：瞬间停电在10毫秒以上时，会使控制电路动作，主电路也不能供电，(5)、接地过流保护:逆变器负载侧接地时，有接地过电流保护功能，为了人身安全，还要装设漏电器。

10、(6)、冷却机异常:当风机异常时，装置内温度上升，采用风机热继电器或温度传感器，检出异常后停止逆变器。另外还有对异步电动机的过载保护；超频保护；防止失速过电流，和防止失速过电压保护。在节能方面，采用软启动后，电动机的启动电流可以从0-电动机的额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电能。变频器能降低很大无功功率，（无功功率不但能增加磨损和设备的发热，更主要的是因功率因数的降低导致电网有功功率的降低）。而使用变频调速节能装置，由于变频器内虑波电容的作用，能有效的补偿感性负载的无功功率，使负载特性发生变化，电动机对电网的阻抗特性呈阻性，使得功率因数接近1，增大了电网的有功功率，从而节省了无功功

11、率消耗的能量。在正常没有变频器装置下，18台电动机总功率为1710kW，每小时用电量为1710KW/h，为1710度，而采用变频装置时，例如，一台95KW电动机，U=380V、I=85A、COSQ1则P=1.732×380×85×1=55KW,18台电动机每小时用电量为约1000kw/h,推进一环的时间为30分钟计算，则节约电能500度。有时在特殊地段，推进速度比较慢，电动机的转速一般要低于正常转速，这要求变频器输出正常频率在3040Hz就能满足推进要求。，由于电动机转速降低，电动机的耗用功率与转速的三次方成正比，电动机输出功率减小，与其成比例的变频器输入功率也随

12、之减小，其节电率为20%-40 %,为企业降低了生产成本另外，变频器内部保护功能非常齐全，有短路过压、过流中断，显示报警功能等，变频器报警的数据参数是根据盾构机正常推进的各种参数合理设定的，能准确的控制设备的正常运行，当出现以上故障时，变频器便通过报警系统发出故障信号，通过PLC模块的处理后，快速显示到触摸屏，根据报警显示，操作人员能迅速发现故障点，并作出相应的处理办法，迅速排出故障。并能够及时的保护电动机、变频器等电气设备的安全，防止损坏。2：刀盘变频驱动的控制方式变频驱动控制系统设计的关键是多台电机的扭矩保护和转速同步.根据盾构机的主驱动结构设计，传动齿轮齿圈为外齿啮合，大齿轮 小齿轮的传

13、动比为9，星型减速机的传动比大约在1378 左右，刀盘的转速0151 rad/s，额定扭矩取为5 770 N·m，额定转速099 rad/s， 刀盘输出扭矩转速特性如图3 所示.一般01 转为恒扭矩方式，115 转为恒功率方式.将18 个电机的其中一个设置为主电机， 其它电机设置为从电机， 从电机的参数跟随主电机参数变化而变化，PLC 将主变频器速度环的转矩输出，作为限幅值送给各个变频器实现负荷平衡，达到每台电机输出相同的转矩.当主电机或其变频器出现故障时，操作人员可以选择另一台电机作为主电机，重新建立新的主从结构.另外电机的状态：包括转速、转矩、转动方向、电流等参数通过PROFIB

14、US 和主控PLC 送到控制室的触摸屏中.电机的转速可以无极变速，但为操作方便，触摸屏上设有7 级转速，每级对应的转速值可由工艺人员根据需要进行设定.刀盘系统设有3 级转矩保护功能，第1 级根据机械系统允许的最大转矩设在变频器中，该限定值在变频器调试时设定，不可进行更改（该值通常小于电机机械安全剪断扭矩的80）；第2 级转矩限定值（上限）由高级工艺人员在触摸屏上设定，该值作为正常钻进时的极限转矩，只在盾构机脱困时等特殊情况下才可由相关授权工艺人员修改；第3 级转矩（上限值）限定由盾构机操作人员根据钻进工艺需要在触摸屏上设定，该设定值被限定在第2 级限定值下，当刀盘转矩达到该设定值时，控制系统将

15、自动降低推进速度.刀盘转矩（各运行电机转矩之和）等于该设定值时，刀盘进入堵转状态，此时控制系统将自动将推进速度降为0.刀盘驱动系统设有软、硬两套急停系统，以保证来自主控系统急停信号的可靠执行3 刀盘变频驱动的控制过程对于整个刀盘驱动装置，是通过PROFIBUS进行通讯， 刀盘PLC与主站PLC 的通讯.和总控制主站PLC 把具体的控制指令（如刀盘启停、频率值、转矩限制值等）传送给刀盘PLC，由它进行动作的具体执行.刀盘PLC 将变频器和刀盘电机的状态（频率、转矩、电压、电流以及其它一些状态位数据） 回传送给主站PLC.刀盘电机在启动和正常运转的时候有不同的转矩保护等级.24 Hz 以下时为18

16、 Tn， 介于24Hz42 Hz 之间时为16 Tn， 大于42 Hz 时为15Tn；正常运转时在触摸屏上根据不同的操作权限可以设定015 Tn.启动时间进行保护：刀盘电机分为7 个档位，每一个档位对应一个变频器启动时间， 如果在规定的时间内没有达到档位限定的转速时， 系统将报警停机.刀盘转速.断路器、热继电器、PLC、变频器自身状态、冷却水流量保护、刀盘密封及主轴承温度异常保护、网络状态异常保护、PLC 异常等保护时刻贯穿在系统运行中，通过PlC进行将各种信息参数反显示在显示屏上，使操作着根据各种反馈参数进行正确操作，使刀盘系统正常运行工作。4 刀盘变频驱动的控制连锁及维护（1） 当达到80

17、刀盘容许扭矩（可在触摸屏设定）持续时间超过5 s 时，所有刀盘驱动电机将停止工作；（2） 当超过刀盘容许扭矩的150时，所有刀盘驱动电机就会立即停止工作；（3） 当刀具密封圈温度超过60 ，所有刀盘驱动电机将停止工作；（4） 当变频器电源中断时，刀盘驱动电机将不能转动；（5） 当变频器控制器出现不正常的状态时，刀盘驱动电机不能转动；（6） 当工作舱内的安全确认开关处于打开（ON）状态时，刀盘驱动电机不能转动；（7） 刀盘驱动电机在过载时将会停止工作；（8） 刀盘驱动电机在刀盘不正常转动状态时将停止工作；（9） 除非仿形刀处于收缩行程的末端，否则刀盘驱动电机将不能启动；（10） 在刀盘转动的同时

18、改变刀盘转动方向（顺时针或逆时针）时，所有刀盘的驱动电机都将停止；（11） 如果刀盘没有完全停下来时，不能重新启动刀盘；（12） 当刀盘以顺时针 逆时针转动极限速度运行时，不能再次改变转动方向（顺时针或逆时针）；（13） 根据操作人员的指令给出速度和转矩给定值，同步各驱动电机的转矩，并将转盘驱动系统的实时状态和转速、转矩、电流等数据传送到主控PLC 系统8；（14） PLC 监视变频器的状态，包括变频器的功率因素，输出扭矩、电流值、速度值等参数，如果其中的参数超过允许的范围内，PLC 将发出报警或停止变频器工作；（15） 在盾构机正常掘进时，如果向一个方向掘进时间较长会导致盾构向单一方向倾斜.

19、为解决这一问题，当发现盾构机有倾斜的意图或者已经倾斜，则可以改变刀盘的旋转方向，这样就要对电机实现正反转控制；（16） 变频器可以实现电点动控制方式，在系统调试时可进行点动控制.(17)变频器在运行中的维护变频器在盾构设备的应用其优点突出，日常的检查和维护是保证变频器和设备正常运行的关键环节。清除灰尘，紧固检查，排除隐患、尽早发现异常现象等。特别要对重点部位的检查，包括主回路、滤波电容、控制回路、电源回路、逆变器驱动回路等。1、日常检查维护：包括不停止变频器运行或不拆盖板进行通电和启动试验，通过目测变频器的运行情况，确认有无异常情况。(1)、键盘面板显示是否正常，有无缺少字符，仪表指示是否正常

20、。(2)、冷却风扇是否运转正常，有无异常声响。(3)、变频器及引出电缆是否过热、变色、异味、振动、噪音等(4)、变频器的散热器温度是否正常、电动机是否过热，噪声等。(5)、控制系统是否有集聚灰尘、各连接线及外围气件是否松动、电源开关是否有火花、缺相、松动、电压是否正常等。2、定期检查维护：定期检查要切断电源，停止变频器运行，并打开变频器外盖，主要检查不停止运转而无法检查的部位，特别注意，变频器断电后，主电路滤波电容器上仍有较高电压，需放电510min后方可进行检修，主要检查项目有，内部清扫；紧固检查；电容器的检查；控制电路板检查；绝缘电阻的遥测等。3、另外，潮湿、腐蚀性气体 、环境温度、是变频器使用寿命长短的关键。潮湿、腐蚀性气体将造成电子器件生锈，接触不良，绝缘降低，甚至形成短路，断路故障，特别是环境温度，变频器的故障率随温度升高而成正比的上升，是影响变频器电子器件寿命和可靠性的重要因素。尤其是半导体开关器件，如果温度超过规定值将立刻损坏。所以我们必须要保证变频器在正常温度下工作。我们知道，变