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盾构机刀盘多电机同步驱动研究
摘要:盾构机刀盘由多个电机共同驱动,需要对多电机进行同步控制和负载平衡控制,即让电机速度相同的情况下,承担相应的平均负载。本文描述了多电机同步控制的几种方式,并对各种控制方式的特点进行了比较,同时介绍了φ8780土压平衡盾构机刀盘驱动的实际应用。
关键词:盾构机;刀盘驱动;刀盘同步控制
1 引言
传统的盾构机刀盘是由液压驱动的,近几年出现了由变频器控制三相交流异步电机驱动的刀盘。显然,与液压驱动相比,电机驱动具有机械设计简单、安装维护容易、控制灵活方便、成本低廉、更加节能等诸多优点,而且电机驱动刀盘的方式还可以方便盾构机的保养,例如,在更换刀具时,可以按需要将刀盘旋转到便于更换刀具的角度。因此,越来越多的盾构机刀盘选择电机进行驱动。
2 盾构机刀盘驱动的控制要求
应用于珠三角穗莞深城际轨道交通建设的φ8780土压平衡盾构机采用电动机驱动刀盘的方式,由14个170kw大功率水冷电机,各电机经过各自的减速器与一个差不多和刀盘等直径的大齿轮啮合来驱动整个刀盘。这是一个多电机驱动同一负载的应用,需要多电机同步控制和负载平衡控制,即让电机速度相同的情况下,承担相应的平均负载,避免电机之间出力不均衡而引起部分电机过载。与其他需要负载平衡控制的应用相比,刀盘驱动的特殊性在于:
(1)电机的数量较多,刀盘驱动要求在14个电机之间平衡负载;
(2)机械传动机构复杂,传动比大,从电机侧到刀盘传动比高达355。刀盘负载的微小波动,对电机力矩的影响也很大,如果对电机力矩控制不得当,将容易造成传动机构的损坏。因此,需要采取措施,尽量快速调节电机力矩,避免使电机力矩产生过大的波动。
m,刀盘旋转切削泥土时,不仅需要克服刀具切削土产生的阻力,而且需要克服因盾构千斤顶向前推进时,刀盘与开挖面之间挤压产生的摩擦力。这要求刀盘必须具备足够的扭矩,按相关计算设计正常扭矩为10 046 KNm,最大脱困扭矩为12 056 KNm。在如此大的扭矩,如果采用单电机负载,将要求电机功率达到2 380 KW,实际中难以控制如此大功率的电机,而且可靠性差。因此,要求设计多电机共同驱动刀盘旋转。
针对盾构机刀盘传动结构特点,虽然各电机与刀盘齿轮是刚性连接,使得各电机的速度是强制同步,但是,这种速度同步是“被动”同步,即各电机虽然速度相同,但扭矩未必相同,如果有些电机速度比较慢的情况下“被提速”,使得此电机没有对刀盘做正功,反而成为其他电机的负载,增加整个刀盘的扭矩负载。相反,如果个别电机因为转速比其它都快,则在刀盘齿轮啮合的作用下“被减速”,此电机的负载将会比正常负载大,定子电流急升,增加电机发热量,严重时会烧坏电机。这些都是多电机之间不同步产生的不利影响。
另外,如果仅依靠机械结构完成同步,容易对传动机械器件造成机械疲劳,大大缩短其设计使用寿命,由于盾构机现场施工环境的限制,不便于更换重型器件,所以设计时就需要考虑到器件工作的高可靠性,这也就要求在多电机传动控制方面需要优化同步控制策略,以提高这个传动系统的可靠性能。这就是
“主动”的速度同步控制策略,使得各电机能够稳定、精确地跟踪给定速度的同时,还能够均衡地分担刀盘负载。
3 多电机同步控制方式
对多电机同步控制通常可分为非耦合控制和耦合控制。其中,非耦合同步控制主要有并行同步控制和主从同步控制两种形式;耦合同步控制主要有交叉耦合同步控制。偏差耦合同步控制以及电子虚拟总轴同步控制。
并行同步控制
并行控制是基于相同的给定参考输入信号,各电机独立运行的控制模式,其控制结构如图1所示:
图1 并行同步控制
并联运行的同步控制系统优点在于启动、停止阶段系统的同步性能很好,不同的单元不受距离的限制,可满足一定条件下的同步要求。在并联运行同步控制系统中,每个单元电动机的输入信号由系统直接给定,因此各单元获得的输入信号完全一致。各驱动单元的输入信号除了受参考信号作用以外,不受其它因素的影响,所以任一单元的扰动不会影响其它单元的工作状态。但采用这种方法后,速度会随着负载的变化而变化,因此不适合对速度精度要求高的场合。
主从同步控制
以双电机为例,主从同步控制系统的基本结构图如图2所示。在这种情况下,主电机的输出转速值作为从电机的输入转速值。由此可以得出,从电机能够反映并且跟随任何加在主电机上的速度命令或者是从电机的负载扰动。
图2 主从同步控制
在多台电动机的情况下,主从控制系统有两种不同的控制方式:
(1)第一台电动机为主电动机,其余的所有电动机为从属电动机。主电动机接收给定的输入信号,而所有的从属电动机共享主电动机的输出信号作为输入信号。在这种控制方式中,当主电动机