一种用于盾构机的电机启动控制电路及其采用的控制方法与流程

本发明属于盾构机控制技术领域，具体涉及一种盾构机上用于对螺旋机的电机进行启动控制的电路及其采用的控制方法。

背景技术：

盾构机是集机械、液压、电气于一体，专用于隧道地下开挖的技术密集型重大工程装备，现广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。随着我国基建大规模进行和城市地下空间的开发，越来越多的工程建设单位选用盾构机来施工。

盾构机的工作原理是：通过盾构外壳和管片支承周围岩防止发生隧道内的坍塌，利用盾构推进千斤顶作用在管片上的力，使盾构机前进，通过刀盘的旋转，进行土体开挖，将切削的土渣通过螺旋输送机运输到电动小车上，再由小车运输到洞外。对于土压平衡盾构机而言，影响其掘进速度的主要因素为盾构机的排土速度，盾构机的排土速度取决于螺旋机的排土速度和皮带输送机、渣土车的输送能力。

盾构机中螺旋机的工作原理为：如图1所示，螺旋机电机启动，带动螺旋机泵工作，加载电磁阀得电加载，高压液压油驱动螺旋机工作，通过控制换向阀和比例阀，控制螺旋机的正反转和转速。液压系统上配备压力传感器、螺旋机舱内配备土压传感器，盾构机控制系统采集些数据，实时监测系统运行的状态。在不同的工况下，螺旋机启动时需要螺旋机电机的工作数量也不同，最少需要1台，最多需要3台。

关于如何启动螺旋机电机上，国内主流盾构企业有如下几种方式：直接启动、星三角降压启动、软启动器启动、变频启动。

直接启动：直接启动也叫全压启动，在电网容量和负载两方面都允许全压直接启动的情况下，可以考虑采用全压直接启动。其优点是操控方便，维护简单，而且比较经济。主要用于小功率电机的启动，从节约电能的角度考虑，大于11kw的电机不宜用此方法（螺旋机电机不适用）。

星三角降压启动：三相异步电动机在启动时将绕组接成星型，待启动转矩达到一定值时切换成三角型连接。这种启动方式可以降低启动电流，减轻它对电网的冲击。电机如果三角型直接启动，启动电流是额定电流的6~7倍，星型启动的启动电流是额定电流的2~3倍，但是星型启动的启动转矩是三角型直接启动的1/3。星三角启动适用于无载或轻载启动的场合，结构简单，维护方便。星三角启动虽然有经济优势，但是星三角降压启动在切换到三角形运行是会出现二次冲击电流及转矩，一般超过55kw电机启动采用星三角闭环控制。

变频器控制：变频器是控制效果最好，功能最全的控制装置，它是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为电压、频率可调电源的装置，能实现对交流异步电机的无冲击启动和软停车、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载/保护等功能，可极大的延长机械设备的使用寿命。但是变频器价格高，还存在电磁兼容问题，通常需要配合滤波器共同使用。

软启动控制：软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电机定子之间。在启动电机时晶闸管的输出电压逐渐增加，电机逐渐加速，直到晶闸管全部导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免了大功率电机启动对电网的冲击。当电机达到额定转速时，启动过程结束。软启动自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。

目前国内主流盾构机厂家，在盾构机螺旋机电机的电气控制上采用的都是一拖一的方式，即每台螺旋机电机单独使用一台启动器来控制其启动。该方式存在经济性差、协同控制效果不佳等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有经济优势、能够实现螺旋机电机的稳定、可靠启动的用于盾构机的电机启动控制电路。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于盾构机的电机启动控制电路，用于控制盾构机的螺旋机中n台电机的启动，n为正整数，所述用于盾构机的电机启动控制电路包括软启动器、分别对应各台所述电机的n个运行断路器、对应所述软启动器的启动断路器、n个分别对应各台所述电机的启动接触器、n个分别对应各台所述电机的运行接触器以及控制器；

每台所述电机分别经对应的所述运行接触器、所述运行断路器连接至电源线，所述软启动器经所述启动断路器连接至电源线，且各台所述电机经对应的所述启动接触器连接至所述软启动器；所述控制器分别与所述软启动器、各所述运行断路器、所述启动断路器、各所述启动接触器、各所述运行接触器信号连接。

优选的，所述用于盾构机的电机启动控制电路还包括n个分别对应各台所述电机的热继电器，所述热继电器连接在对应的所述电机与所述运行接触器之间。

优选的，所述控制器包括：

用于控制各所述电机的启动顺序的软启顺序启动控制部分；

用于控制所述软启动器的软启控制部分；

用于控制各所述运行断路器、所述启动断路器、各所述启动接触器、各所述运行接触器的旁通控制部分。

优选的，所述控制器还包括用于输入启动指令的交互部分。

优选的，所述控制器还包括用于指示所述电机的启动状态的启动指示部分。

优选的，所述控制器采用plc。

优选的，n=1或2或3。

本发明还提供一种上述用于盾构机的电机启动控制电路采用的控制方法，该控制方法为：接通各所述运行断路器和所述启动断路器，选择所要启动的一台或多台所述电机，所述控制器控制所要启动的所述电机依次按序启动；

每台所述电机启动的过程中，所述控制器先控制所述软启动器启动并控制接通所述电机对应的所述启动接触器使所述电机在所述软启动器的控制下开始启动，当所述电机达到额定转速时，所述控制器控制接通所述电机对应的所述运行接触器、断开所述电机对应的所述启动接触器。

优选的，每台所述电机启动的过程中，所述控制器控制实现各所述启动接触器、各所述运行接触器之间的电气互锁。

优选的，当全部需要启动的所述电机均启动完成后，所述软启动器处于停机状态。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够实现一拖多的控制方式，经济优势明显，且节约电机控制柜的安装空间，能够实现螺旋机电机的稳定、可靠启动，并避免对电网产生影响。

附图说明

附图1为盾构机中螺旋机的原理图。

附图2为本发明的用于盾构机的电机启动控制电路的原理图。

附图3为本发明的用于盾构机的电机启动控制电路中控制器的原理图。

附图4为本发明的用于盾构机的电机启动控制电路中控制器的操作界面示意图。

附图5为本发明的用于盾构机的电机启动控制电路中plc梯形图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：螺旋机的液压原理图如图1所示，系统中有3台75kw的螺旋动力压马达，马达启动后带动液压泵，加载阀加载。通过换向阀控制螺旋机正反转，通过控制比例调节阀，调节系统的液压油流量，控制螺旋机的转速。系统中配置压力传感器、接近开关，可以检测系统的压力、螺旋机的转速。

针对控制盾构机的螺旋机中n（n为正整数）台电机的启动，采用一种用于盾构机的电机启动控制电路。通常n=1或2或3，本实施例中，n=3。

如附图2所示，该用于盾构机的电机启动控制电路包括软启动器、分别对应各台电机的n个运行断路器、对应软启动器的启动断路器、n个分别对应各台电机的启动接触器、n个分别对应各台电机的运行接触器以及控制器。

每台电机分别经对应的运行接触器、运行断路器连接至电源线，软启动器经启动断路器连接至电源线，且各台电机经对应的启动接触器连接至软启动器。控制器分别与软启动器、各运行断路器、启动断路器、各启动接触器、各运行接触器信号连接。

该用于盾构机的电机启动控制电路还包括n个分别对应各台电机的热继电器，热继电器连接在对应的电机与运行接触器之间。

如附图3所示，控制器采用plc实现，其包括：用于控制各电机的启动顺序的软启顺序启动控制部分；用于控制软启动器的软启控制部分；用于控制各运行断路器、启动断路器、各启动接触器、各运行接触器的旁通控制部分，还可以包括用于输入启动指令的交互部分（如附图4所示的操作界面）、用于指示电机的启动状态的启动指示部分（如多个指示灯）。

上述用于盾构机的电机启动控制电路采用的控制方法为：接通各运行断路器和启动断路器，选择所要启动的一台或多台电机，控制器控制所要启动的电机依次按序启动。每台电机启动的过程中，控制器先控制软启动器启动并控制接通电机对应的启动接触器使电机在软启动器的控制下开始启动，当电机达到额定转速时，控制器控制接通电机对应的运行接触器、断开电机对应的启动接触器。每台电机启动的过程中，控制器控制实现各启动接触器、各运行接触器之间的电气互锁。当全部需要启动的电机均启动完成后，软启动器处于停机状态。在该控制方法中，软启动器能够向控制器反馈各台电机的启动和运行状态，各运行接触器能够向控制器反馈其接通状态，

具体的，本实施例中包含3台电机，因此电机启动控制电路包括一台软启动器、3个运行断路器（分别为1#运行断路器、2#运行断路器、3#运行断路器）、1个启动断路器（共计4个断路器）、3个启动接触器（分别为1#启动接触器、2#启动接触器、3#启动接触器）、3个运行接触器（分别为1#运行接触器、2#运行接触器、3#运行接触器）（共计6个接触器）、3个热继电器以及控制器。

在设备运行前，保证螺旋机动力系统供电正常、盾构机控制系统正常工作，无异常报警。在图4所示的操作界面，选择1号螺旋机，点击对应启动按钮，软启动器和1#启动接触器接通、1#螺旋机电机开始启动。当1#螺旋机达到额定转速，软启动器启动完成，通过软启动器的运行反馈信号接通1#运行接触器，通过1#运行接触器的反馈触点断开1#启动接触器，完成1#螺旋机电机的软启到旁通的过程。根据同样的方式启动2#和3#螺旋机电机，3个电机运行后软启动器处于停机状态。

在图4所示的操作界面同时选择1、2、3号螺旋机，在软启动器带动1#螺旋机电机启动、1#螺旋机电机启动完成后，将运行信号反馈到plc控制器中，通过程序判断和电气互锁（如图5所示），1号电机启动完成后，系统切换到启动2#螺旋机电机回路。当软启动器状态满足启动要求后，软启动器带动2#螺旋机电机开始启动，待2#螺旋机电机启动完成后，通过旁通回路切换到旁通模式，2#运行接触器接通、2#启动接触器断开。2#螺旋机电机顺利启动后，软启动器满足启动要求后，继续启动3#螺旋机电机，待3#螺旋机电机运行稳定后，通过旁通回路切换到旁通模式，3#运行接触器接通、3#启动接触器断开。1、2、3号螺旋机电机顺序启动完成。

如图4所示、可以选择1台、2台或者3台电机启动。启动顺序在plc控制器中控制（如图5所示）。可以根据工况和操作要求，选择不同数量的螺旋机电机启动螺旋机。

上述方案应用一台软启动器来控制多台螺旋机电机的启动，其优势在于：

1、经济优势：1台abb90kw的软启动器价格是11594元，采用1拖3控制节省成本23188元。

2、根据软启动器的工作特性，晶闸管在全压导通后相当于导线功能，晶闸管长期处于工作状态，会造成晶闸管温度过高降低其使用寿命。

3、晶闸管的特性处于不稳定状态，长期串在电路中对用电设备和电网有一定的影响，有可能造成电网谐波污染。通过1拖多的控制将电动机启动后，软启动器处于停机状态避免了晶闸管长期工作高温的问题和对设备及电网的影响。

4、节约盾构机电控柜安装空间。软启动器重量大，体积大，采用1拖3方案，可以节约柜内安装空间，缩小电控柜的体积。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。