CN101603425A - 盾构刀盘驱动用变频控制装置以及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种盾构刀盘驱动用变频控制装置以及该装置的控制方法，其中盾构刀盘通过电机与该盾构刀盘驱动用变频控制装置电连接，该盾构刀盘驱动用变频控制装置包括：一PLC自动控制设备；与该PLC自动控制设备通信连接的一变频装置，其中，该变频装置包括一整流器与若干个矢量控制逆变器，该若干个矢量控制逆变器通过若干个电机与盾构刀盘电连接。并且通过对该变频控制装置的控制，可以实现对刀盘的扭矩和速度的精确控制；采用变频启动的方式可以减少由于多台刀盘电机在直接启动过程中所产生的冲击电流对于整个供电网络的影响，提高盾构供电网络的稳定性；变频启动属于软启动方式，避免了直接启动所造成的刚性接触面之间的冲击。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于盾构刀盘驱动装置的变频控制装置，以及该控制装置的控制方法。
背景技术
盾构掘进机在隧道掘进过程中通过刀盘来切削正面土体，刀盘驱动系统是确保盾构掘进机能正常工作的主要系统和关键部件，盾构刀盘驱动部分的控制装置必须要工作可靠、控制方便；能够根据施工工况条件的变化，方便的改变刀盘驱动装置的旋转速度和方向；稳定、持续、高效的将电能转化为机械能，确保刀盘切削所需要的动力；在一定时间范围内提供足够的过载能力；并具有可靠、快速的故障检测与系统保护功能。
现有的盾构掘进机设备上的刀盘驱动用控制装置的形式主要有：1、由液压泵、油马达等液压元器件组成的刀盘驱动用电液控制装置；2、适用于多台单速(或多速)电动机的通过电(液)离合器控制的刀盘驱动用控制装置。
采用液压系统控制的刀盘驱动用电液控制装置是一种常用的刀盘驱动控制模式，其主要包括：适用于普通电动机的电控装置，电动机，(比例)液压泵，液压油马达；该种电液控制装置的动力传递线路为：电控装置驱动电动机运转，从而电动机将电能转换为机械能，与电动机连接的液压系统(液压泵、液压马达)将来自电动机的机械能转换为液压能，然后由液压马达驱动刀盘，由刀盘将该液压能转换为刀盘切削力，从而可以实现土体的开挖。为了实现该种电液控制装置的正常运行，需要设置足够大的液压油箱、冷却装置和液压油过滤装置，通过采用液压比例泵(或比例阀)形式可以实现刀盘旋转的无极调速功能；刀盘旋转方向的切换通过换向阀来控制，通过人工调节设定溢流阀参数，并与管路油压传感器相配合，实现对整个刀盘液压系统的过载保护，同时液压系统还必须具备液压油的油位、油温等检测和保护手段；在安装工艺上，液压泵需安装在盾构后配套车架，油马达安装在盾构的切口环附近，各液压设备之间采用大通径的液压管路进行连接。然而，此种刀盘驱动用电液控制装置在使用中存在以下的缺点：1、需要使用大量的液压油，在管路需要接长的情况下，施工难度和成本比较高；2、液压管路及接头的制作安装工艺要求高，处理不好会产生漏油现象，造成对周边环境的影响；3、对于采用比例调速型的闭式液压系统对液压油的清洁度要求高，使用过程中维护成本高；4、液压系统相对于电驱动系统来说能耗高，电力消耗大，消耗的能量转换成热能，提高了施工环境的温度。
适用于多台单速(或多速)电动机的通过电(液)离合器控制的刀盘驱动用控制装置的主要包括：适用于单速(或多速)电动机控制电控装置，单速(或多速)电动机，电(或液压)离合装置。动力的传递线路为：电动机将来自系统的电能转换为机械能，之后由刀盘将机械能转换为刀盘切削力，以此实现盾构挖掘。在该种控制装置中，电机必须在电(或液压)离合装置脱离的状态下，进行无负载状态下的单机启动，在所有电动机启动完成后，通过电(或液压)离合装置的加载，将扭矩传递至减速器；刀盘电机的旋转方向或刀盘旋转速度的改变是通过改变电控柜内接触器的运行状态来实现的，当需要切换时，必须将所有电机停止后方可进行刀盘旋转方向和速度的切换。对于双速电机型刀盘系统的过载保护，可以通过对每个电机的电流、旋转速度的实时检测、计算和比较及对每个电(或液压)离合控制器参数做保护设置。该种刀盘驱动用控制装置缺点主要有：1、速度范围调节小，一般采用单速或双速电机驱动，只能有一种或两种速度可以调整，在不同速度下的扭矩会有变化；2、需要将刀盘系统停止后，才能改变刀盘驱动装置的速度和旋转方向；3、电机的启动属于直接启动方式，在电机启动过程中有较高的启动电流，在多台电机启动过程中会对整个供电网络产生较大的冲击；4、电(或液压)离合器的加载是在电机全部启动完毕后进行，在力矩传递的瞬间会对刚性连接部位产生一定的冲击，在外部负载大的工况条件下，会产生电(或液压)离合器打滑现象。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种盾构刀盘驱动用变频控制装置以及控制方法；通过由整流器、逆变器结合组成变频器，由PLC控制设备控制以此来实现控制的简单化；并且通过变频控制的方式丰富刀盘的控制功能；通过变频启动的软启动，避免直接启动对整个盾构(供电)网络所产生的冲击，并且避免直接启动所造成的刚性接触面之间的打滑现象。
为解决以上技术问题，本发明提供一种盾构刀盘用变频控制装置，其中，盾构刀盘通过电机与该盾构刀盘驱动用变频控制装置电连接，其特征在于该盾构刀盘驱动用变频控制装置包括：一PLC自动控制设备；与该PLC自动控制设备通信连接的一变频装置，其中，该变频装置包括一整流器与若干个矢量控制逆变器，该若干个矢量控制逆变器通过若干个电机与盾构刀盘电连接。
其中，所述整流器与每一矢量控制逆变器电连接；每一矢量控制逆变器与所述的PLC自动控制设备通信连接。
本发明的另一方面提供盾构刀盘驱动用变频控制装置的控制方法，其中该盾构刀盘驱动用变频控制装置包括一PLC自动控制设备；与该PLC自动控制设备通信连接的一变频装置，其中，该变频装置包括一整流器与若干个矢量控制逆变器；其特征在于该方法包括以下步骤：
通过所述PLC自动控制设备为每一矢量控制逆变器设定参数；
所述的每一矢量控制逆变器接收来自于所述PLC自动控制设备的参数设定；
所述的每一矢量控制逆变器根据设定的参数值进行运转，并带动与其通信连接的盾构刀盘电机的运转。
本发明的进一步改进在于：所述的参数包括实时电流值、转速及扭矩等数据。
本发明的进一步改进在于还包括步骤：
在每一个循环周期，所述PLC自动控制设备读取每一个矢量控制逆变器的数据，并对该些数据进行处理；
在下一个循环周期，所述PLC自动控制设备读取该周期内每一个矢量控制逆变器的数据，并将该周期内的数据与上一个周期内的数据进行比较；
根据上一步骤的比较结果，当两者之差大于一设定的值时，通过所述PLC自动控制设备给相应的矢量控制逆变器一额外值。
通过以上所述的技术方案，本发明所提供的盾构刀盘驱动用变频控制装置以及该装置的控制方法，通过使用整流器与多个逆变器结合而组成的变频装置，可以实现对刀盘的扭矩和速度的精确控制，能满足具有特殊功能要求的盾构设计；在整个盾构的用电负载中，刀盘驱动装置占用一半以上的功率，采用变频启动的方式可以减少由于多台刀盘电机在直接启动过程中所产生的冲击电流对于整个供电网络的影响，提高盾构供电网络的稳定性；在刀盘驱动的机械结构中，刀盘驱动装置的小齿轮与主轴承的大齿轮的连接是具有一定间隙的刚性连接，变频启动属于软启动方式，电动机转速从零转速运行到设定转速是一个平滑的过程，避免了直接启动所造成的刚性接触面之间的冲击。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例盾构刀盘驱动用变频控制装置的结构示意图；
图2为图1所示的刀盘驱动用变频控制装置的控制模式图；以及
图3为本发明一较佳实施例的刀盘驱动用变频控制装置与盾构控制系统的控制结构示意图。
具体实施方式
参考图1为本发明一较佳实施例盾构刀盘驱动用变频控制装置的结构示意图。盾构刀盘驱动用变频控制装置主要包括：一PLC自动控制设备10；与该PLC自动控制设备10通信连接的一变频装置20，该变频装置包括一整流器(AC-DC)21与若干个矢量控制逆变器(DC-AC)22，在该具体实施例中，为十套矢量控制逆变器22，其中整流器21与该若干个矢量控制逆变器22电连接。盾构刀盘驱动用变频控制装置所控制的对象为若干套刀盘驱动用动力机械装置，在该实施例中为十套刀盘驱动用动力机械装置；其中，该刀盘驱动用动力机械装置包括若干个与矢量控制逆变器22数量相等的电机30，该些电机30与所述的矢量控制逆变器22电连接；动力传动装置，该动力传动装置包括一大齿轮以及若干个分布于大齿轮外圆周且与大齿轮啮合的小齿轮(图中未示)，由电机30带动小齿轮旋转，通过该小齿轮的旋转从而带动大齿轮驱动刀盘的切刀旋转，提供刀盘系统所需的切削力，实现盾构掘进机的挖掘功能。
参考图2为本发明的刀盘驱动用变频控制装置的控制模式图。该PLC自动控制设备10通过高速总线网络及整流器21与每个矢量控制逆变器22通信连接，从而该PLC自动控制设备10可以与每一个矢量控制逆变器22进行数据通信；该每个矢量控制逆变器22与每个被控电机30通过专用线路电连接，从而每一个矢量控制逆变器22可以和每一个被控电机30进行控制。该变频控制装置有其循环扫描周期，在每一个扫描周期，该PLC自动控制设备10通过每一个矢量控制逆变器22读取每一个被控电机30的实时电流值、转速及扭矩等参数，并对该些读取的数据进行数据处理；在下一个扫描循环周期把每个电机30的实时数据和前一个循环周期的数据处理的结果比较，当两个扫描周期的各个参数的数据之差超过预设值时，通过该PLC控制设备10给矢量控制逆变器22一额外的参数给定值，通过这样一种方式实行对每个被控电机30电流、转速、扭矩等参数的闭环控制，确保分配给每个电机30的转矩均衡，从而达到保证每台电机30运转同步，并能对每个电机30的参数变化作出快速的响应。
在该刀盘驱动用变频控制装置中，主要由整流器21和矢量控制逆变器22组成的变频装置20是该变频控制装置的关键组成部件，其通过整流加逆变的变频装置组合方式，缩小了变频器的体积，节省了刀盘控制柜的安装空间，通过直接对逆变器22的控制和检测，提高整个系统的精度和相应时间。本发明刀盘驱动用变频控制装置中的PLC自动控制设备是以高性能的PLC作为核心逻辑处理器，该PLC自动控制设备10安装在刀盘控制柜内。
参考图3为本发明一较佳实施例的刀盘驱动用变频控制装置与盾构控制系统的控制结构示意图。盾构控制系统中的一个核心部件主站盾构PLC控制系统40，该主站盾构PLC控制系统40与各个从站的盾构刀盘驱动用变频控制装置通过高速总线网络进行连接，从而可以实现整个盾构开挖过程中，主站对从站的控制。在具体的操作中，主站通过其主站盾构PLC控制系统40对需要操作的盾构开挖进行控制，通过主站PLC控制系统40上的控制面板输入参数，并将该参数传输给相应的从站的盾构刀盘驱动用变频控制装置中的PLC控制设备10，该从站的PLC控制设备10通过整流器21再通过变频装置中的矢量控制逆变器22与每一个被控电机30连接，由该PLC控制设备通过该矢量控制逆变器22控制每一个电机30的运转，从而保证整个盾构开挖系统的顺利进行。
通过以上所述的技术方案，通过采用盾构刀盘驱动用变频控制装置可以实现对刀盘的扭矩和速度的精确控制，能满足具有特殊功能要求的盾构设计；在整个盾构的用电负载中，刀盘驱动装置占用一半以上的功率，采用变频启动的方式可以减少由于多台刀盘电机在直接启动过程中所产生的冲击电流对于整个供电网络的影响，提高盾构供电网络的稳定性；在刀盘驱动的机械结构中，刀盘驱动装置的小齿轮与主轴承的大齿轮的连接是具有一定间隙的刚性连接，变频启动属于软启动方式，电动机转速从零转速运行到设定转速是一个平滑的过程，避免了直接启动所造成的刚性接触面之间的冲击。
Claims (5)
1、盾构刀盘驱动用变频控制装置，其中，盾构刀盘通过电机提供动力，其特征在于该电机与该盾构刀盘驱动用变频控制装置电连接，该盾构刀盘驱动用变频控制装置包括：一PLC自动控制设备；与该PLC自动控制设备通信连接的一变频装置，其中，该变频装置包括一整流器与若干个矢量控制逆变器，该若干个矢量控制逆变器通过若干个电机与盾构刀盘电连接。
2、如权利要求1所述的盾构刀盘驱动用变频控制装置，其特征在于：所述整流器与每一矢量控制逆变器电连接；每一矢量控制逆变器与所述的PLC自动控制设备通信连接。
3、盾构刀盘驱动用变频控制装置的控制方法，其中该盾构刀盘驱动用变频控制装置包括一PLC自动控制设备；与该PLC自动控制设备通信连接的一变频装置，其中，该变频装置包括一整流器与若干个矢量控制逆变器；其特征在于该方法包括以下步骤：
通过所述PLC自动控制设备为每一矢量控制逆变器设定参数；
所述的每一矢量控制逆变器接收来自于所述PLC自动控制设备的参数设定；
所述的每一矢量控制逆变器根据设定的参数值进行运转，并带动与其电连接的盾构刀盘电机运转。
4、如权利要求3所述的盾构刀盘驱动用变频控制装置的控制方法，其特征在于：所述的参数包括实时电流值、转速及扭矩数据。
5、如权利要求3或4所述的盾构刀盘驱动用变频控制装置的控制方法，其特征在于还包括步骤：
在每一个循环周期，所述PLC自动控制设备读取每一个矢量控制逆变器的数据，并对该些数据进行处理；
在下一个循环周期，所述PLC自动控制设备读取该周期内每一个矢量控制逆变器的数据，并将该周期内的数据与上一个周期内的数据进行比较；
根据上一步骤的比较结果，当两者之差大于一设定的值时，通过所述PLC自动控制设备给相应的矢量控制逆变器一额外的参数给定值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Owner name: SHANGHAI TUNNEL ENGINEERING CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: SHANGHAI TUNNEL ENGINEERING CO LTD Effective date: 20150130 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 200082 HONGKOU, SHANGHAI TO: 200232 XUHUI, SHANGHAI |
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Effective date of registration: 20150130 Address after: 200232 Shanghai Wanping Road No. 1099 Patentee after: SHANGHAI TUNNEL ENGINEERING Co.,Ltd. Address before: 200082 No. 118, Dalian Road, Shanghai Patentee before: SHANGHAI TUNNEL ENGINEERING Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20211215 Address after: No. 1099, No. 5, Wan Ping Nan Road, Xuhui District, Shanghai Patentee after: SHANGHAI TUNNEL ENGINEERING Co.,Ltd. Patentee after: Shanghai Waigaoqiao tunnel machinery Co.,Ltd. Address before: 200232 No. 1099, Wanping South Road, Shanghai Patentee before: SHANGHAI TUNNEL ENGINEERING Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: No. 1099, No. 5, Wan Ping Nan Road, Xuhui District, Shanghai Patentee after: SHANGHAI TUNNEL ENGINEERING Co.,Ltd. Patentee after: Shanghai urban construction tunnel equipment Co., Ltd Address before: No. 1099, No. 5, Wan Ping Nan Road, Xuhui District, Shanghai Patentee before: SHANGHAI TUNNEL ENGINEERING Co.,Ltd. Patentee before: Shanghai Waigaoqiao tunnel machinery Co., Ltd |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |