變頻器在盾構(gòu)設(shè)備施工應(yīng)用及維護

1、 變頻器在盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動的應(yīng)用 單位： 北京市政集團第四工程處地鐵昌平線二期九標(biāo)姓 名： 孫英德 目 錄1. . . 摘要2. .刀盤變頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)及其工作原理3. .刀盤變頻驅(qū)動的控制方式4. .刀盤變頻驅(qū)動的控制過程5. .結(jié)束語摘 要變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的理想的調(diào)速設(shè)備。本章主要介紹變頻器應(yīng)用在盾構(gòu)機（地鐵施工）驅(qū)動刀盤的特點和對刀盤變頻驅(qū)動的控制結(jié)構(gòu)、控制方法以及控制過程和相關(guān)的控制連鎖介紹.關(guān)鍵詞：變頻器、盾構(gòu)機、刀盤變頻驅(qū)動系統(tǒng) 電動機、優(yōu)點、。引言我公司于11年購入1臺日本日立造船生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機（10.22米）承擔(dān)地鐵十四好號線東風(fēng)北橋隧道掘進任務(wù)。整個

2、盾構(gòu)系統(tǒng)是集盾構(gòu)機是集機械、電器、液壓、測量、控制等多學(xué)科技術(shù)于一體，專用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備。與傳統(tǒng)的隧道掘進技術(shù)相比，盾構(gòu)法施工具有安全可靠、機械化程度高、工作環(huán)境好、土方量少、進度快、施工成本低等優(yōu)點，尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜、地下水位高而隧道埋深較大時，只能依賴盾構(gòu)。是具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能.是實現(xiàn)掘進、巖渣轉(zhuǎn)運、動壁支護等一次開挖成洞最為先進的隧道施工機械.刀盤驅(qū)動系統(tǒng)是盾構(gòu)機的重要組成部分之一，具有功率大、功率變化范圍寬的特點.目前刀盤驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、變頻電機驅(qū)動和雙速電機驅(qū)動3 種形式.通常大直徑盾構(gòu)機要求的轉(zhuǎn)速高，宜

3、選擇電驅(qū)動（變頻電機驅(qū)動和雙速電機驅(qū)動）.中、小直徑的軟土盾構(gòu)機通常要求速度較低，扭矩較大，宜選用液壓驅(qū)動.液壓驅(qū)動方式比電驅(qū)動方式微動操作性好，停止精度高，同步性能好，但其效率差，噪音高，后續(xù)臺車長，而對于大口徑盾構(gòu)機內(nèi)空間大，驅(qū)動馬達空間設(shè)置限制少，為提高效率、減低啟動扭矩、簡化后方設(shè)備、改善隧道內(nèi)環(huán)境等，切削刀盤采用變頻驅(qū)動方式近年來隨著對變頻技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)，使其應(yīng)用得越來越廣泛，價格上比液壓驅(qū)動更具有優(yōu)勢.變頻驅(qū)動的優(yōu)點是：啟動電流小、效率高，調(diào)節(jié)環(huán)路的反映好，配備的標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)變頻電機維修簡單、噪音低、冷卻性能好，所以對于變頻驅(qū)動控制研究具有重要意義.本文參照日立造船盾構(gòu)機的刀盤變頻驅(qū)

4、動系統(tǒng)，設(shè)計了一種新的刀盤變頻驅(qū)動方案，使得變頻控制的驅(qū)動電機隨施工狀況和土質(zhì)的軟硬進行調(diào)整，滿足不同地質(zhì)的切削,保證施工質(zhì)量.1:刀盤變頻驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)和工作原理及優(yōu)點刀盤是盾構(gòu)設(shè)備的重要組成部分，是進行掘進作業(yè)的主要工作裝置，刀盤驅(qū)動系統(tǒng)主要由變頻電機、減速機、大小齒輪、三滾子軸 主軸承及密封組成. 刀盤的電氣控制是 向。是決定設(shè)備性能的重要因素，對整個工程的質(zhì)量影響巨大?；诖?，我們通過優(yōu)化設(shè)備工藝配 置， 設(shè)計了刀盤的驅(qū)動控制系統(tǒng)， 多臺電機通過 主從控制方式控制刀盤，實現(xiàn)多臺電機負(fù)荷的 均衡匹配， 保證機械受力的均勻和一致性。 刀盤驅(qū)動的結(jié)構(gòu) ,刀盤主驅(qū)動單元的圓周分布著18臺刀盤電機

5、，這些刀盤電機通過安裝在軸上的小齒輪與回轉(zhuǎn)大齒輪嚙合，剛性的連接成驅(qū)動電機的數(shù)量一個整體， 從而驅(qū)動整個刀盤。 和功率隨設(shè)備的類型和大小而有所不同。設(shè)備的工藝性能， 要求幾臺刀盤電機同步運行， 這就 對控制系統(tǒng)的構(gòu)成和性能提出較高的控制要求。雖然盾構(gòu)的刀盤工作轉(zhuǎn)速不高，但由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、刀盤作業(yè)直徑較大，要求刀盤的驅(qū)動系統(tǒng)需具備：大功率、大轉(zhuǎn)矩輸出、抗沖擊、轉(zhuǎn)速雙向連續(xù)可調(diào)，在滿足使用要求的前提下減小裝機功率、達到節(jié)能降耗等工作特點。方式相比，效率高，噪音低，后續(xù)臺車短。日立造船盾構(gòu)機的刀盤變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)采用一拖二的控制結(jié)構(gòu)，由18個電動變頻電機通過三菱PLC 控制器與東芝變頻器通訊來控制

6、，采用自由的V F 控制，PLC 把頻率或扭矩同時傳送給各個變頻器，又同時接受各個變頻器的各種參數(shù)，直接監(jiān)控各個變頻器.，使得刀盤速度可調(diào)，且具有較大扭刀盤的驅(qū)動系統(tǒng)必須具有高可靠性和良好的操作。和液壓驅(qū)動矩儲備和較高的傳動效率.18個電機通過CCLINK 網(wǎng)絡(luò)接收啟 停以及速度信號， 通過MELSEC NET H 和CCLINK 網(wǎng)絡(luò)控制的方式可以保證18 臺電機啟 停的同步性，從而實現(xiàn)18 臺電機的速度同步和扭矩保護.日立造船盾構(gòu)機刀盤變頻驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)如下圖所示： 上圖是1-8號電動機的變頻驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)圖.變頻電機驅(qū)動方式調(diào)速在090 Hz范圍內(nèi)可達到全額扭矩，電動機功率為恒定。一 變頻器

7、工作原理我們知道交流電動機同步轉(zhuǎn)速表達式n=60f /pn為轉(zhuǎn)速，f為頻率，p為電極對由式可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0-100的范圍內(nèi)變化時，電動機速度調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率來實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。日本日立造船盾構(gòu)機采用日本東芝型號為AF -3124a-095S，它是交直交型變頻調(diào)速器，主要有整流把工頻電源變換為直流電源濾波在整流器整流后的直流電壓中，含有電源六倍頻率的脈動電壓，此外，由于逆變流器產(chǎn)生的電流也使直流電壓變動，為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓。逆變器同整流器相反，它

8、是將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據(jù)控制信號使六個開關(guān)瞬間導(dǎo)通關(guān)斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。二、變頻器的構(gòu)造控制電路：給電動機供電（電壓頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的電路。主要包括：1、運算單元：將外部的速度；轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流；電壓信號進行比較運算，來決定逆變器的輸出電壓頻率。2、檢測單元：與主電路隔離，檢測電壓電流等。3、驅(qū)動電路：為驅(qū)動主電路器件的電路，它使主電路器件導(dǎo)通，關(guān)斷。4、速度檢測電路：以裝在電動機上的速度檢測器的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。 5、保護電路：檢測主電路的電壓；電流等。當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時

9、，使逆變器停止工作或抑制電壓，電流值。(1)、瞬時過電流保護：由于逆變器負(fù)載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值時，瞬時停止逆變器運轉(zhuǎn)，切斷電源。(2)、過載保護:逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器件損壞，恰當(dāng)?shù)谋Ｗo需要反時限特性，或電子熱保護。(3)、再生過電壓保護：電動機減速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，超過允許值，可以采用停止逆變器運行或停止快速減速的辦法，防止過電壓。(4)、瞬時停電保護：瞬間停電在10毫秒以上時，會使控制電路動作，主電路也不能供電，(5)、接地過流保護:逆變器負(fù)載側(cè)接地時，有接地過電流保護功能，為了人身安全，還要裝設(shè)漏電器。

10、(6)、冷卻機異常:當(dāng)風(fēng)機異常時，裝置內(nèi)溫度上升，采用風(fēng)機熱繼電器或溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。另外還有對異步電動機的過載保護；超頻保護；防止失速過電流，和防止失速過電壓保護。在節(jié)能方面，采用軟啟動后，電動機的啟動電流可以從0-電動機的額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電能。變頻器能降低很大無功功率，（無功功率不但能增加磨損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是因功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低）。而使用變頻調(diào)速節(jié)能裝置，由于變頻器內(nèi)慮波電容的作用，能有效的補償感性負(fù)載的無功功率，使負(fù)載特性發(fā)生變化，電動機對電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，使得功率因數(shù)接近1，增大了電網(wǎng)的有功功率，從而節(jié)省了無功功

11、率消耗的能量。在正常沒有變頻器裝置下，18臺電動機總功率為1710kW，每小時用電量為1710KW/h，為1710度，而采用變頻裝置時，例如，一臺95KW電動機，U=380V、I=85A、COSQ1則P=1.732380851=55KW,18臺電動機每小時用電量為約1000kw/h,推進一環(huán)的時間為30分鐘計算，則節(jié)約電能500度。有時在特殊地段，推進速度比較慢，電動機的轉(zhuǎn)速一般要低于正常轉(zhuǎn)速，這要求變頻器輸出正常頻率在3040Hz就能滿足推進要求。，由于電動機轉(zhuǎn)速降低，電動機的耗用功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，電動機輸出功率減小，與其成比例的變頻器輸入功率也隨之減小，其節(jié)電率為20%-40 %,

12、為企業(yè)降低了生產(chǎn)成本另外，變頻器內(nèi)部保護功能非常齊全，有短路過壓、過流中斷，顯示報警功能等，變頻器報警的數(shù)據(jù)參數(shù)是根據(jù)盾構(gòu)機正常推進的各種參數(shù)合理設(shè)定的，能準(zhǔn)確的控制設(shè)備的正常運行，當(dāng)出現(xiàn)以上故障時，變頻器便通過報警系統(tǒng)發(fā)出故障信號，通過PLC模塊的處理后，快速顯示到觸摸屏，根據(jù)報警顯示，操作人員能迅速發(fā)現(xiàn)故障點，并作出相應(yīng)的處理辦法，迅速排出故障。并能夠及時的保護電動機、變頻器等電氣設(shè)備的安全，防止損壞。2：刀盤變頻驅(qū)動的控制方式變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是多臺電機的扭矩保護和轉(zhuǎn)速同步.根據(jù)盾構(gòu)機的主驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳動齒輪齒圈為外齒嚙合，大齒輪 小齒輪的傳動比為9，星型減速機的傳動比大約在1

13、378 左右，刀盤的轉(zhuǎn)速0151 rad/s，額定扭矩取為5 770 Nm，額定轉(zhuǎn)速099 rad/s， 刀盤輸出扭矩轉(zhuǎn)速特性如圖3 所示.一般01 轉(zhuǎn)為恒扭矩方式，115 轉(zhuǎn)為恒功率方式.將18 個電機的其中一個設(shè)置為主電機， 其它電機設(shè)置為從電機， 從電機的參數(shù)跟隨主電機參數(shù)變化而變化，PLC 將主變頻器速度環(huán)的轉(zhuǎn)矩輸出，作為限幅值送給各個變頻器實現(xiàn)負(fù)荷平衡，達到每臺電機輸出相同的轉(zhuǎn)矩.當(dāng)主電機或其變頻器出現(xiàn)故障時，操作人員可以選擇另一臺電機作為主電機，重新建立新的主從結(jié)構(gòu).另外電機的狀態(tài)：包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動方向、電流等參數(shù)通過PROFIBUS 和主控PLC 送到控制室的觸摸屏中.電機的

14、轉(zhuǎn)速可以無極變速，但為操作方便，觸摸屏上設(shè)有7 級轉(zhuǎn)速，每級對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值可由工藝人員根據(jù)需要進行設(shè)定.刀盤系統(tǒng)設(shè)有3 級轉(zhuǎn)矩保護功能，第1 級根據(jù)機械系統(tǒng)允許的最大轉(zhuǎn)矩設(shè)在變頻器中，該限定值在變頻器調(diào)試時設(shè)定，不可進行更改（該值通常小于電機機械安全剪斷扭矩的80）；第2 級轉(zhuǎn)矩限定值（上限）由高級工藝人員在觸摸屏上設(shè)定，該值作為正常鉆進時的極限轉(zhuǎn)矩，只在盾構(gòu)機脫困時等特殊情況下才可由相關(guān)授權(quán)工藝人員修改；第3 級轉(zhuǎn)矩（上限值）限定由盾構(gòu)機操作人員根據(jù)鉆進工藝需要在觸摸屏上設(shè)定，該設(shè)定值被限定在第2 級限定值下，當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)矩達到該設(shè)定值時，控制系統(tǒng)將自動降低推進速度.刀盤轉(zhuǎn)矩（各運行電機轉(zhuǎn)矩之和）

15、等于該設(shè)定值時，刀盤進入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時控制系統(tǒng)將自動將推進速度降為0.刀盤驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)有軟、硬兩套急停系統(tǒng)，以保證來自主控系統(tǒng)急停信號的可靠執(zhí)行3 刀盤變頻驅(qū)動的控制過程對于整個刀盤驅(qū)動裝置，是通過PROFIBUS進行通訊， 刀盤PLC與主站PLC 的通訊.和總控制主站PLC 把具體的控制指令（如刀盤啟停、頻率值、轉(zhuǎn)矩限制值等）傳送給刀盤PLC，由它進行動作的具體執(zhí)行.刀盤PLC 將變頻器和刀盤電機的狀態(tài)（頻率、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流以及其它一些狀態(tài)位數(shù)據(jù)） 回傳送給主站PLC.刀盤電機在啟動和正常運轉(zhuǎn)的時候有不同的轉(zhuǎn)矩保護等級.24 Hz 以下時為18 Tn， 介于24Hz42 Hz 之間時為16

16、Tn， 大于42 Hz 時為15Tn；正常運轉(zhuǎn)時在觸摸屏上根據(jù)不同的操作權(quán)限可以設(shè)定015 Tn.啟動時間進行保護：刀盤電機分為7 個檔位，每一個檔位對應(yīng)一個變頻器啟動時間， 如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有達到檔位限定的轉(zhuǎn)速時， 系統(tǒng)將報警停機.刀盤轉(zhuǎn)速.斷路器、熱繼電器、PLC、變頻器自身狀態(tài)、冷卻水流量保護、刀盤密封及主軸承溫度異常保護、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)異常保護、PLC 異常等保護時刻貫穿在系統(tǒng)運行中，通過PlC進行將各種信息參數(shù)反顯示在顯示屏上，使操作著根據(jù)各種反饋參數(shù)進行正確操作，使刀盤系統(tǒng)正常運行工作。4 刀盤變頻驅(qū)動的控制連鎖及維護（1） 當(dāng)達到80刀盤容許扭矩（可在觸摸屏設(shè)定）持續(xù)時間超過5 s

17、 時，所有刀盤驅(qū)動電機將停止工作；（2） 當(dāng)超過刀盤容許扭矩的150時，所有刀盤驅(qū)動電機就會立即停止工作；（3） 當(dāng)?shù)毒呙芊馊囟瘸^60 ，所有刀盤驅(qū)動電機將停止工作；（4） 當(dāng)變頻器電源中斷時，刀盤驅(qū)動電機將不能轉(zhuǎn)動；（5） 當(dāng)變頻器控制器出現(xiàn)不正常的狀態(tài)時，刀盤驅(qū)動電機不能轉(zhuǎn)動；（6） 當(dāng)工作艙內(nèi)的安全確認(rèn)開關(guān)處于打開（ON）狀態(tài)時，刀盤驅(qū)動電機不能轉(zhuǎn)動；（7） 刀盤驅(qū)動電機在過載時將會停止工作；（8） 刀盤驅(qū)動電機在刀盤不正常轉(zhuǎn)動狀態(tài)時將停止工作；（9） 除非仿形刀處于收縮行程的末端，否則刀盤驅(qū)動電機將不能啟動；（10） 在刀盤轉(zhuǎn)動的同時改變刀盤轉(zhuǎn)動方向（順時針或逆時針）時，所有刀盤的

18、驅(qū)動電機都將停止；（11） 如果刀盤沒有完全停下來時，不能重新啟動刀盤；（12） 當(dāng)?shù)侗P以順時針 逆時針轉(zhuǎn)動極限速度運行時，不能再次改變轉(zhuǎn)動方向（順時針或逆時針）；（13） 根據(jù)操作人員的指令給出速度和轉(zhuǎn)矩給定值，同步各驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩，并將轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)的實時狀態(tài)和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流等數(shù)據(jù)傳送到主控PLC 系統(tǒng)8；（14） PLC 監(jiān)視變頻器的狀態(tài)，包括變頻器的功率因素，輸出扭矩、電流值、速度值等參數(shù)，如果其中的參數(shù)超過允許的范圍內(nèi)，PLC 將發(fā)出報警或停止變頻器工作；（15） 在盾構(gòu)機正常掘進時，如果向一個方向掘進時間較長會導(dǎo)致盾構(gòu)向單一方向傾斜.為解決這一問題，當(dāng)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機有傾斜的意圖或者已經(jīng)

19、傾斜，則可以改變刀盤的旋轉(zhuǎn)方向，這樣就要對電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制；（16） 變頻器可以實現(xiàn)電點動控制方式，在系統(tǒng)調(diào)試時可進行點動控制.(17)變頻器在運行中的維護變頻器在盾構(gòu)設(shè)備的應(yīng)用其優(yōu)點突出，日常的檢查和維護是保證變頻器和設(shè)備正常運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。清除灰塵，緊固檢查，排除隱患、盡早發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象等。特別要對重點部位的檢查，包括主回路、濾波電容、控制回路、電源回路、逆變器驅(qū)動回路等。1、日常檢查維護：包括不停止變頻器運行或不拆蓋板進行通電和啟動試驗，通過目測變頻器的運行情況，確認(rèn)有無異常情況。(1)、鍵盤面板顯示是否正常，有無缺少字符，儀表指示是否正常。(2)、冷卻風(fēng)扇是否運轉(zhuǎn)正常，有無異常聲響。(

20、3)、變頻器及引出電纜是否過熱、變色、異味、振動、噪音等(4)、變頻器的散熱器溫度是否正常、電動機是否過熱，噪聲等。(5)、控制系統(tǒng)是否有集聚灰塵、各連接線及外圍氣件是否松動、電源開關(guān)是否有火花、缺相、松動、電壓是否正常等。2、定期檢查維護：定期檢查要切斷電源，停止變頻器運行，并打開變頻器外蓋，主要檢查不停止運轉(zhuǎn)而無法檢查的部位，特別注意，變頻器斷電后，主電路濾波電容器上仍有較高電壓，需放電510min后方可進行檢修，主要檢查項目有，內(nèi)部清掃；緊固檢查；電容器的檢查；控制電路板檢查；絕緣電阻的遙測等。3、另外，潮濕、腐蝕性氣體 、環(huán)境溫度、是變頻器使用壽命長短的關(guān)鍵。潮濕、腐蝕性氣體將造成電子器件生銹，接觸不良，絕緣降低，甚至形成短路，斷路故障，特別是環(huán)境溫度，變頻器的故障率隨溫度升高而成正比的上升，是影響變頻器電子器件壽命和可靠性的重要因素。尤其是半導(dǎo)體開關(guān)器件，如果溫度超過規(guī)定值將立刻損壞。所以我們必須要保證變頻器在正常溫度下工作。我們知道，變頻器