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变频器在盾构机刀盘驱动系统中的应用研究
| 论文题名： | 变频器在盾构机刀盘驱动系统中的应用研究 |
| 关键词： | 盾构机刀盘;变频器;水冷变频电机;冗余驱动;同步控制;负荷分配 |
| 摘要： | 盾构工法以其安全、高效、劳动强度低、对地面环境影响小、施工进度不受各种外部因素影响而被广泛应用于隧道施工，盾构掘进机就是一种根据地质情况设计的专门用于隧道掘进的大型高科技工程装备，而刀盘则是盾构掘进机用于开挖的核心利器，是组成盾构掘进机的关键部件之一。刀盘驱动具有功率大，转速范围宽，负载波动大的特点，现今驱动的主流方式有液压驱动和变频电机驱动两种，与传统的液压驱动方式相比，刀盘电机的变频驱动是一种高效节能的驱动方式，现今越来越多的盾构掘进机刀盘使用了变频电机驱动，刀盘的变频电机驱动方式将是未来刀盘驱动的发展趋势。 刀盘一般由6-14个电机共同驱动且具有一定的冗余度。本文基于对典型硬岩掘进机DZ181的刀盘工作原理和负载工况的分析，估算了刀盘在正常掘进工况下所需的额定扭矩，并在此基础上根据刀盘驱动电机的冗余度和脱困工况下所需的最大输出扭矩进一步通过详细计算得出了刀盘装备扭矩和脱困扭矩。本文为DZ181刀盘驱动系统装备了8台350kW水冷变频电机，选择了适合刀盘驱动要求的水冷变频器及其用于变频器散热的水循环热交换器，确定了变频电机拖动的主回路以及变频器系统的拓扑结构方案。本文还详细计算DZ181典型工况下的刀盘驱动扭矩和相应转速，得出了变频控制下的刀盘电机在恒转矩区和恒功率区的掘进速度与其转矩和功率的关系图。除了对电机和变频器的选型配置，本文还对变频器在刀盘脱困工况下所需变压器的最高过载容量进行了核算，并对变频器电源输入侧的总断路器和分断路器的最大整定值进行了计算和设置。 在整体式刀盘刚性连接下的多电机速度同步控制是保证各个电机之间负载均衡和顺利掘进的关键，主从同步控制和并行同步控制策略是刀盘变频器控制电机常用的两种控制策略。本文通过对两种控制方式的优缺点对比，最终确定选取了并行同步控制方式，阐述了并行同步控制方式下如何使用变频器的负荷分配功能对电机滑差进行调节来实现刀盘电机转速同步和负载均衡的目标。 盾构施工的环境恶劣，高温、高湿、多尘、振动不可避免,因此必须考虑到与变频器使用环境相关的柜体防护、冷却散热、凝露预防和冷却液泄露等问题，本文通过结合DZ181的技术需求对变频器的外围配置部件与成柜方案给出了详细说明，在满足技术要求的前提下合理简化配置变频器的外围部件，使得刀盘变频电机驱动系统具有一定的经济实用性。最后总结了刀盘变频调速装置的调试要点和使用过程中发现的问题以及对应的改进措施，为后续同类项目的实施提供了有益的参考。 |
| 作者： | 夏北京 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 张友军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 苏州大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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