摘要：盾构刀盘的主要功能是切割和搅拌盾构机前面的土壤，以利于土壤排放。同时，它在降低盾构机的推进阻力和保持挖掘面稳定性方面也起着重要作用。由于刀盘结构和使用方式的特殊要求，不能使用单电机驱动方式，经常使用多电机同步驱动方式。变频器控制系统作为一个整体控制，发出控制要求，如启动和停止，本文介绍了一种刀盘电机驱动系统的设计方法，该方法满足多台电机的同步驱动控制要求，使变频控制的驱动电机能够根据施工条件和土壤的柔软性和硬度灵活调整。
关键词：盾构机；变频器；转矩控制；故障诊断
引言
盾构机的刀盘及其驱动部件是盾构机的核心部件之一。刀盘系统的共同驱动系统主要包括液压驱动和电机驱动。液压驱动刀盘使用历史悠久，系统成熟可靠。它常用于中小直径软土盾构机，以满足低速大扭矩的特殊要求。随着电机拖动技术和频率控制技术的发展，电驱刀盘近年来也广泛用于盾构机的设计和制造。本文介绍了一种刀盘电机驱动系统的设计方法，该方法满足多台电机的同步驱动控制要求，使变频控制的驱动电机能够根据施工条件和土壤的柔软性和硬度灵活调整。满足盾构结构在更复杂的地质条件下，设备要求的特点是对突变负载具有很强的抵抗力。
1.变频器的发展
随着技术的不断发展，变频器技术的发展也越来越迅速，变频器将朝着以下几个方面发展：（1）实现高水平的控制。基于电机和机械模型，矢量控制，磁场控制，直接转矩控制和机械扭转振动补偿控制策略；基于现代理论，滑模变结构技术，模型参考自适应技术，微分几何的非线性理论解耦，鲁棒观测，最优控制技术和反奈奎斯特阵列设计方法中的某些指标的意义上的控制策略；基于智能控制思想的控制策略。（2）转换器，用于清洁电能的开发。所谓的清洁的电能转换装置，该转换器的功率因数为1，和电网侧和负载侧的谐波侧部件是尽可能低，以减少污染的网格和的转矩脉动马达。（3）降低装置的尺寸。紧凑型转换器需要高集成度电源和控制元件。（4）高速数字控制。基于32位高速微处理器的数字控制模板具有足够的实现各种控制算法的能力。Windows操作系统的引入使其可以自由设计，并且图形编程的控制技术也得到了很大的发展。（5）仿真和计算机辅助设计（CAD）技术。电机模拟器，负载模拟器和各种CAD软件的引入为变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
2.利用东芝AS1变频器实现盾构机多台电机转矩平衡
根据变频器工作原理，为盾构机的刀盘驱动系统开发了一种新设计。系统选用多台东芝AS1变频器，采用无传感器矢量控制方式，着重解决多台电机的同步运行问题，实现多台电机之间的转矩平衡。多个变频器同时响应PLC的速度参考信号，每个变频器都将扭矩施加到自己的电机上它具有结构简单，运行稳定，电机转矩一致性好，维护方便等优点。在程序结构的设计中，编写应用程序接口程序使程序的核心部分相对稳定，并具有灵活的扩展和操作能力。
3.盾构机刀盘的特点
盾构刀盘的主要功能是切割和搅拌盾构机前面的土壤，以利于土壤排放。同时，它在降低盾构机的推进阻力和保持挖掘面稳定性方面也起着重要作用。刀盘的安装功率基本上在600至3000kW之间。由于刀盘结构和使用方式的特殊要求，不能使用单电机驱动方式，经常使用多电机同步驱动方式。电机的总数在4到12个单元之间。该系统使用多电机驱动刀盘。多电机通过减速器和主齿轮驱动刀盘。每个电动机轴通过减速器和主齿轮连接到主齿轮。变频器控制系统作为一个整体控制，发出控制要求，如启动和停止，多个电机可以选择屏蔽故障电机，并监控每个变频器的运行状态。监控内容包括变频器的状态，是否存在故障和相关的报警信息，以及速度，转矩，电流，变频器温度和电机温度等信息。
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4.变频器的工作原理
变频器主要由整流（AC到DC），滤波，再整流（DC到AC），制动单元，驱动单元和检测单元微处理单元组成。通常，将具有恒定电压和频率的工频交流电转换为直流电（DC）的装置称为“整流器”，这是一个称为整流的过程。为了产生可变电压和频率，将直流（DC）转换为交流（AC）的装置在科学上称为“逆变器”。通用逆变器是逆变器电源，其将DC电源反转到特定的固定频率和特定电压。对于变频器频率可调，电压可调的变频器，我们称之为变频器。逆变器输出的波形为模拟正弦波，主要用于三相异步电动机的调速，也称为变频器。
一方面，电机的输出转矩取决于转矩参考信号：当负载转矩小于电机转矩时，拖动系统必须加速；另一方面，当变频器在转矩控制模式下运行时，必须设置上限。频率：当阻力系统的速度上升到与上限频率对应的同步速度时，根据异步电动机的原理，由于转子的切割磁力线的速度减小，产生的扭矩也会下降，直到输出扭矩等于负载。当施加扭矩时，阻力系统将以上限速度稳定地运行。因此，当阻力系统的速度上升到上限速度时，电动机的扭矩不依赖于扭矩参考信号，但是扭矩参考信号确保阻力系统将以上限速度操作。扭矩控制和速度控制之间的差异两种控制方法之间的差异。
5.变频器的转矩控制及故障诊断技术
5.1开关管的故障诊断
在由变频器和电动机组成的控制系统中，逆变器部件的故障概率远高于电动机的故障概率。在逆变器中，逆变桥IGBT的开路和短路故障占相当大的比例。据统计，38％的逆变器故障是由逆变器的功率开关器件引起的，因此逆变器IGBT故障的诊断方法是高容错逆变器研究中的热点问题。短路故障具有成熟的硬件解决方案，即通过检测IGBT的管电压降，可以准确定位故障管。IGBT开路故障也时有发生，一方面由于过电流烧毁，导致开路；另一方面，由于接线不良，驱动器断开等原因导致驱动信号断开。相对于短路故障，电机可以在发生开路故障后继续运行，因此不容易找到，但也有害，因为其他IGBT会流过更多电流并且容易过电流故障，电动机电流中存在直流电流分量，可能导致转矩降低，发热和绝缘损坏等问题。如果未及时处理开路故障，可能会发生较大的事故。国内外学者对IGBT开路故障诊断方法的研究，包括专家系统方法，电流检测方法，电压检测方法和智能算法。
5.2电流传感器故障诊断
在矢量控制系统中，需要当前信息和速度信息来执行双闭环控制。目前的故障诊断和容错控制由于电流浪涌和误操作等问题引起了许多学者的关注，可能导致电流传感器故障和系统崩溃。近几十年来，国内外专家学者提出了许多传感器故障诊断方法，可分为硬件冗余法和分析冗余法两大类。硬件冗余方法使用多个相同的组件并采用相同的输入信号，利用这些组件的输出进行对比，通过一些特定方法（限制检验、多数表决等）完成诊断决策。这种方法显然增加了设计成本。相比之下，随着现代控制理论的成熟，分析冗余已成为故障诊断研究的主流。分析冗余方法可以基于模型，信号和知识分为几个方面。
6.结论
变频调速技术被运用到盾构机的驱动系统，实现用于高转矩负载的有效且稳定的控制要求，并着重解决多个电机的同步驱动。刀盘驱动系统采用无传感器矢量控制，其跟踪每个电动机的速度良好，并且具有快速的转矩调整功能，可满足盾构机的更复杂的情况下的要求。因此，该解决方案可广泛应用于在盾构机的刀盘驱动系统的控制。
参考文献：
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论文作者:刘灿文1,胡静萍2
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/31
标签：盾构论文; 变频器论文; 电机论文; 转矩论文; 故障论文; 系统论文; 逆变器论文; 《防护工程》2019年第5期论文;