專利名稱：盾構刀盤驅動用變頻控制裝置以及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用于盾構刀盤驅動裝置的變頻控制裝置，以及該控制 裝置的控制方法。
背景技術：
盾構掘進機在隧道掘進過程中通過刀盤來切削正面土體，刀盤驅動系 統是確保盾構掘進機能正常工作的主要系統和關鍵部件，盾構刀盤驅動部
分的控制裝置必須要工作可靠、控制方便；能夠根據施工工況條件的變化， 方便的改變刀盤驅動裝置的旋轉速度和方向；穩定、持續、高效的將電能 轉化為機械能，確保刀盤切削所需要的動力；在一定時間范圍內提供足夠 的過載能力；并具有可靠、快速的故障檢測與系統保護功能。
現有的盾構掘進機設備上的刀盤驅動用控制裝置的形式主要有1 、 由液壓泵、油馬達等液壓元器件組成的刀盤驅動用電液控制裝置；2、適 用于多臺單速(或多速)電動機的通過電(液)離合器控制的刀盤驅動用 控制裝置。
采用液壓系統控制的刀盤驅動用電液控制裝置是一種常用的刀盤驅 動控制模式，其主要包括適用于普通電動機的電控裝置，電動機，(比 例)液壓泵，液壓油馬達；該種電液控制裝置的動力傳遞線路為電控裝 置驅動電動才幾運轉，從而電動才幾將電能轉換為積4成能，與電動機連4妄的液 壓系統(液壓泵、液壓馬達)將來自電動才幾的枳4成能轉換為液壓能，然后 由液壓馬達驅動刀盤，由刀盤將該液壓能轉換為刀盤切削力，從而可以實 現土體的開挖。為了實現該種電液控制裝置的正常運行，需要設置足夠大 的液壓油箱、冷卻裝置和液壓油過濾裝置，通過采用液壓比例泵(或比例 閥)形式可以實現刀盤旋轉的無極調速功能；刀盤旋轉方向的切換通過換 向閥來控制，通過人工調節設定溢流閥參數，并與管路油壓傳感器相配合， 實現對整個刀盤液壓系統的過載4呆護，同時液壓系統還必須具備液壓油的 油位、油溫等檢測和保護手段；在安裝工藝上，液壓泵需安裝在盾構后配 套車架，油馬達安裝在盾構的切口環附近，各液壓設備之間采用大通徑的液壓管路進行連接。然而，此種刀盤驅動用電液控制裝置在^f吏用中存在以 下的缺點1、需要使用大量的液壓油，在管路需要接長的情況下，施工 難度和成本比較高；2、液壓管路及接頭的制作安裝工藝要求高，處理不
好會產生漏油現象，造成對周邊環境的影響；3、對于采用比例調速型的 閉式液壓系統對液壓油的清潔度要求高，使用過程中維護成本高；4、液 壓系統相對于電驅動系統來說能耗高，電力消耗大，消耗的能量轉換成熱 能，提高了施工環境的溫度。
適用于多臺單速(或多速)電動機的通過電(液)離合器控制的刀盤 驅動用控制裝置的主要包括適用于單速(或多速)電動機控制電控裝置， 單速(或多速)電動機，電(或液壓)離合裝置。動力的傳遞線路為電 動機將來自系統的電能轉換為機械能，之后由刀盤將機械能轉換為刀盤切 削力，以此實現盾構挖掘。在該種控制裝置中，電機必須在電(或液壓) 離合裝置脫離的狀態下，進行無負載狀態下的單機啟動，在所有電動機啟 動完成后，通過電(或液壓)離合裝置的加載，將扭矩傳遞至減速器；刀 盤電機的旋轉方向或刀盤旋轉速度的改變是通過改變電控拒內接觸器的 運行狀態來實現的，當需要切換時，必須將所有電機停止后方可進行刀盤 旋轉方尚和速度的切換。對于雙速電機型刀盤系統的過載保護，可以通過 對每個電機的電流、旋轉速度的實時檢測、計算和比較及對每個電(或液 壓)離合控制器參數做保護設置。該種刀盤驅動用控制裝置缺點主要有 1、速度范圍調節小， 一般采用單速或雙速電機驅動，只能有一種或兩種 速度可以調整，在不同速度下的扭矩會有變化；2、需要將刀盤系統停止 后，才能改變刀盤驅動裝置的速度和旋轉方向；3、電機的啟動屬于直接 啟動方式，在電才幾啟動過程中有專交高的啟動電流，在多臺電才幾啟動過禾呈中 會對整個供電網絡產生較大的沖擊；4、電(或液壓)離合器的加載是在 電機全部啟動完畢后進行，在力矩傳遞的瞬間會對剛性連接部位產生一定 的沖擊，在外部負載大的工況條件下，會產生電(或液壓)離合器打滑現 象。

發明內容
本發明要解決的技術問題在于提供一種盾構刀盤驅動用變頻控制裝 置以及控制方法；通過由整流器、逆變器結合組成變頻器，由PLC控制設 備控制以此來實現控制的簡單化；并且通過變頻控制的方式豐富刀盤的控制功能；通過變頻啟動的軟啟動，避免直接啟動對整個盾構(供電)網絡 所產生的沖擊，并且避免直接啟動所造成的剛性接觸面之間的打滑現象。
為解決以上技術問題，本發明提供一種盾構刀盤用變頻控制裝置，其 中，盾構刀盤通過電機與該盾構刀盤驅動用變頻控制裝置電連接，其特征
在于該盾構刀盤驅動用變頻控制裝置包括一PLC自動控制設備；與該 PLC自動控制設備通信連接的一變頻裝置，其中，該變頻裝置包括一整流 器與若干個矢量控制逆變器，該若干個矢量控制逆變器通過若干個電機與
盾構刀盤電連接。
其中，所述整流器與每一矢量控制逆變器電連接；每一矢量控制逆變 器與所述的PLC自動控制設備通信連接。
本發明的另一方面提供盾構刀盤驅動用變頻控制裝置的控制方法，其 中該盾構刀盤驅動用變頻控制裝置包括一PLC自動控制設備；與該PLC 自動控制設備通信連接的一變頻裝置，其中，該變頻裝置包括一整流器與 若干個矢量控制逆變器；其特征在于該方法包括以下步驟
通過所述PLC自動控制設備為每一矢量控制逆變器設定參數；
所述的每一矢量控制逆變器接收來自于所述PLC自動控制設備的參 數設定；
所述的每一矢量控制逆變器根據設定的參數值進行運轉，并帶動與其 通信連接的盾構刀盤電機的運轉。
本發明的進一步改進在于所述的參數包括實時電流值、轉速及扭矩 等數據。
本發明的進一步改進在于還包括步驟
在每一個循環周期，所述PLC自動控制設備讀取每一個矢量控制逆變 器的數據，并對該些數據進行處理；
在下一個循環周期，所述PLC自動控制設備讀取該周期內每一個矢量 控制逆變器的數據，并將該周期內的數據與上 一 個周期內的數據進行比 較；
根據上一步驟的比較結果，當兩者之差大于一設定的值時，通過所述 PLC自動控制設備給相應的矢量控制逆變器 一額外值。
通過以上所述的技術方案，本發明所提供的盾構刀盤驅動用變頻控制 裝置以及該裝置的控制方法，通過使用整流器與多個逆變器結合而組成的 變頻裝置，可以實現對刀盤的扭矩和速度的精確控制，能滿足具有特殊功能要求的盾構設計；在整個盾構的用電負載中，刀盤驅動裝置占用一半以 上的功率，采用變頻啟動的方式可以減少由于多臺刀盤電機在直接啟動過 程中所產生的沖擊電流對于整個供電網絡的影響，提高盾構供電網絡的穩 定性；在刀盤驅動的機械結構中，刀盤驅動裝置的小齒輪與主軸承的大齒 輪的連接是具有一定間隙的剛性連接，變頻啟動屬于軟啟動方式，電動機 轉速從零轉速運行到設定轉速是一個平滑的過程，避免了直接啟動所造成 的剛性接觸面之間的沖擊。


圖1為本發明一較佳實施例盾構刀盤驅動用變頻控制裝置的結構示意
圖2為圖1所示的刀盤驅動用變頻控制裝置的控制模式圖；以及 圖3為本發明 一 較佳實施例的刀盤驅動用變頻控制裝置與盾構控制系 統的控制結構示意圖。
具體實施例方式
參考圖1為本發明 一 較佳實施例盾構刀盤驅動用變頻控制裝置的結構 示意圖。盾構刀盤驅動用變頻控制裝置主要包括一PLC自動控制設備 10;與該PLC自動控制設備IO通信連接的一變頻裝置20，該變頻裝置包 括一整流器(AC-DC) 21與若干個矢量控制逆變器(DC-AC) 22,在該 具體實施例中，為十套矢量控制逆變器22,其中整流器21與該若干個矢 量控制逆變器22電連接。盾構刀盤驅動用變頻控制裝置所控制的對象為 若干套刀盤驅動用動力機械裝置，在該實施例中為十套刀盤驅動用動力機 械裝置；其中，該刀盤驅動用動力機械裝置包括若干個與矢量控制逆變器 22數量相等的電機30,該些電機30與所述的矢量控制逆變器22電連接； 動力傳動裝置，該動力傳動裝置包括一大齒輪以及若干個分布于大齒輪外 圓周且與大齒輪嚙合的小齒輪(圖中未示)，由電機30帶動小齒輪旋轉， 通過該小齒輪的旋轉從而帶動大齒輪驅動刀盤的切刀旋轉，提供刀盤系統 所需的切削力，實現盾構掘進機的挖掘功能。
參考圖2為本發明的刀盤驅動用變頻控制裝置的控制模式圖。該PLC 自動控制設備10通過高速總線網絡及整流器21與每個矢量控制逆變器22 通信連接，從而該PLC自動控制設備10可以與每一個矢量控制逆變器22
6進行數據通信；該每個矢量控制逆變器22與每個被控電機30通過專用線 路電連接，乂人而每一個矢量控制逆變器22可以和每一個被控電機30進行 控制。該變頻控制裝置有其循環掃描周期，在每一個掃描周期，該PLC 自動控制設備10通過每一個矢量控制逆變器22讀取每一個被控電機30 的實時電流值、轉速及扭矩等參數，并對該些讀取的數據進行數據處理； 在下一個掃描循環周期把每個電機30的實時數據和前一個循環周期的數 據處理的結果比較，當兩個掃描周期的各個參數的數據之差超過預設值 時，通過該PLC控制設備IO給矢量控制逆變器22—額外的參數給定值， 通過這樣一種方式實行對每個被控電機30電流、轉速、扭矩等參數的閉 環控制，確保分配給每個電機30的轉矩均衡，從而達到保證每臺電機30 運轉同步，并能對每個電機30的參數變化作出快速的響應。
在該刀盤驅動用變頻控制裝置中，主要由整流器21和矢量控制逆變 器22組成的變頻裝置20是該變頻控制裝置的關鍵組成部件，其通過整流 加逆變的變頻裝置組合方式，縮小了變頻器的體積，節省了刀盤控制拒的 安裝空間，通過直接對逆變器22的控制和檢測，提高整個系統的精度和 相應時間。本發明刀盤驅動用變頻控制裝置中的PLC自動控制設備是以高 性能的PLC作為核心邏輯處理器，該PLC自動控制設備IO安裝在刀盤控 制沖巨內。
參考圖3為本發明 一 較佳實施例的刀盤驅動用變頻控制裝置與盾構控 制系統的控制結構示意圖。盾構控制系統中的一個核心部件主站盾構PLC 控制系統40,該主站盾構PLC控制系統40與各個從站的盾構刀盤驅動用 變頻控制裝置通過高速總線網絡進行連接，從而可以實現整個盾構開挖過 程中，主站對從站的控制。在具體的操作中，主站通過其主站盾構PLC 控制系統40對需要操作的盾構開挖進行控制，通過主站PLC控制系統40 上的控制面板輸入參數，并將該參數傳輸給相應的從站的盾構刀盤驅動用 變頻控制裝置中的PLC控制設備10,該從站的PLC控制設備IO通過整 流器21再通過變頻裝置中的矢量控制逆變器22與每一個被控電機30連 接，由該PLC控制設備通過該矢量控制逆變器22控制每一個電機30的運 轉，從而保證整個盾構開挖系統的順利進行。
通過以上所述的技術方案，通過采用盾構刀盤驅動用變頻控制裝置可 以實現對刀盤的扭矩和速度的精確控制，能滿足具有特殊功能要求的盾構 設計；在整個盾構的用電負栽中，刀盤驅動裝置占用一半以上的功率，采用變頻啟動的方式可以減少由于多臺刀盤電機在直接啟動過程中所產生
的沖擊電流對于整個供電網絡的影響，提高盾構供電網絡的穩定性；在刀 盤驅動的機械結構中，刀盤驅動裝置的小齒輪與主軸承的大齒輪的連接是 具有一定間隙的剛性連接，變頻啟動屬于軟啟動方式，電動機轉速從零轉 速運行到設定轉速是一個平滑的過程，避免了直接啟動所造成的剛性接觸 面之間的沖擊。
權利要求
1、盾構刀盤驅動用變頻控制裝置，其中，盾構刀盤通過電機提供動力，其特征在于該電機與該盾構刀盤驅動用變頻控制裝置電連接，該盾構刀盤驅動用變頻控制裝置包括一PLC自動控制設備；與該PLC自動控制設備通信連接的一變頻裝置，其中，該變頻裝置包括一整流器與若干個矢量控制逆變器，該若干個矢量控制逆變器通過若干個電機與盾構刀盤電連接。
2、 如權利要求1所述的盾構刀盤驅動用變頻控制裝置，其特征在于 所述整流器與每一矢量控制逆變器電連接；每一矢量控制逆變器與所述的 PLC自動控制i殳備通信連4妄。
3、 盾構刀盤驅動用變頻控制裝置的控制方法，其中該盾構刀盤驅動 用變頻控制裝置包括一PLC自動控制設備；與該PLC自動控制設備通信 連接的一變頻裝置，其中，該變頻裝置包括一整流器與若干個矢量控制逆 變器；其特征在于該方法包括以下步驟通過所述PLC自動控制設備為每一矢量控制逆變器設定參數； 所述的每一矢量控制逆變器接收來自于所述PLC自動控制設備的參 數設定；所述的每一矢量控制逆變器根據設定的參數值進行運轉，并帶動與其 電連接的盾構刀盤電機運轉。
4、 如權利要求3所述的盾構刀盤驅動用變頻控制裝置的控制方法， 其特征在于所述的參數包括實時電流值、轉速及扭矩數據。
5、 如權利要求3或4所述的盾構刀盤驅動用變頻控制裝置的控制方 法，其特征在于還包括步驟在每一個循環周期，所述PLC自動控制設備讀取每一個矢量控制逆變 器的數據，并對該些數據進行處理；在下一個循環周期，所述PLC自動控制設備讀取該周期內每一個矢量 控制逆變器的數據，并將該周期內的數據與上 一 個周期內的數據進行比 較；根據上一步驟的比較結果，當兩者之差大于一設定的值時，通過所述 PLC自動控制設備給相應的矢量控制逆變器 一額外的參數給定值。
全文摘要
本發明提供一種盾構刀盤驅動用變頻控制裝置以及該裝置的控制方法，其中盾構刀盤通過電機與該盾構刀盤驅動用變頻控制裝置電連接，該盾構刀盤驅動用變頻控制裝置包括一PLC自動控制設備；與該PLC自動控制設備通信連接的一變頻裝置，其中，該變頻裝置包括一整流器與若干個矢量控制逆變器，該若干個矢量控制逆變器通過若干個電機與盾構刀盤電連接。并且通過對該變頻控制裝置的控制，可以實現對刀盤的扭矩和速度的精確控制；采用變頻啟動的方式可以減少由于多臺刀盤電機在直接啟動過程中所產生的沖擊電流對于整個供電網絡的影響，提高盾構供電網絡的穩定性；變頻啟動屬于軟啟動方式，避免了直接啟動所造成的剛性接觸面之間的沖擊。
文檔編號E21D9/093GK101603425SQ20091005490
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月16日 優先權日2009年7月16日
發明者陳柳鋒, 圣 黃 申請人:上海隧道工程股份有限公司