ATV71是施耐德電氣最高端的一款變頻器，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量控制，過載能力達(dá)到了170％，功率范圍從0.75kW~2000kW。ATV71還內(nèi)置了大量的應(yīng)用功能，如抱閘邏輯、多段速、限位開關(guān)管理等以適合各種各樣的生產(chǎn)工藝。

針對盾構(gòu)機(jī)的特殊要求，ATV71通過靈活組合內(nèi)置的負(fù)荷平衡功能、主從功能、多配置功能很好地實(shí)現(xiàn)了這些要求。

盾構(gòu)機(jī)的刀頭由6～22個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要將負(fù)荷均勻地分配到每個(gè)電機(jī)上。通常，對于這類多電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的控制有兩種經(jīng)典的方法：

第一種，滑差自適應(yīng)法。通常交流異步電機(jī)的自然特性是下垂的，如圖1：

圖1 交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

Fig 1  The characteristic curve of asynchronous motor

電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與由供電頻率和電機(jī)極數(shù)決定的磁場轉(zhuǎn)速之間有一定的差異，稱為滑差。對通常的交流異步電動(dòng)機(jī)而言，在一定的范圍內(nèi)，滑差和負(fù)載之間有近似的線性關(guān)系，并且負(fù)載越重，滑差越大，意味著電機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。

當(dāng)電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于頻率連續(xù)可變，因此該曲線可以上下平移，但形狀基本不變，對電機(jī)本身而言，負(fù)載和轉(zhuǎn)速的關(guān)系和電網(wǎng)直接驅(qū)動(dòng)是一樣的。

當(dāng)多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載時(shí)，由于電機(jī)軸通過機(jī)械耦合在了一起，這意味著這些電機(jī)的速度是強(qiáng)制同步的。如果這些電機(jī)的電壓和頻率相等，那么，各電機(jī)的負(fù)載大小實(shí)際與各自的特性相關(guān)。為簡單說明起見，以兩個(gè)電機(jī)為例，如圖2：

圖2  兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的情形

Fig 2  The situation where  load is driven by two motor

從圖中不難看出，當(dāng)電源頻率相等（圖中與縱軸交點(diǎn)，首行虛線）、實(shí)際速度強(qiáng)制同步（圖中的第二行虛線所示）的情況下，兩個(gè)電機(jī)的負(fù)載大小實(shí)際由各自機(jī)械特性的斜率所決定。當(dāng)兩個(gè)電機(jī)特性相同時(shí)，那么負(fù)載也是相等的；當(dāng)特性不相同時(shí)，相對的負(fù)載也不相等。同時(shí)也可以看出，在兩個(gè)電機(jī)特性有差異的情況下，對于同樣的速度范圍，軟特性（曲線更下垂）的兩個(gè)電機(jī)之間的負(fù)載差異比硬特性的兩個(gè)電機(jī)之間的負(fù)載差異要小。

因此，從理論上來說，同型號(hào)的數(shù)個(gè)電機(jī)，如果驅(qū)動(dòng)的電壓和頻率完全相同，那么，不用采取額外的措施，電機(jī)的負(fù)載就能互相平衡。但實(shí)際上，即使同型號(hào)的電機(jī)，由于制造過程中的差異，實(shí)際的特性很難保證一致。除非對制造好的電機(jī)通過逐臺(tái)做負(fù)載試驗(yàn)測定特性，然后篩選出特性一致的電機(jī)。但在實(shí)踐中，其實(shí)很難做到這一點(diǎn)，特別是中大功率的電機(jī)，負(fù)載試驗(yàn)尤其麻煩。

而ATV71內(nèi)置的“負(fù)荷平衡”功能很好地解決了這個(gè)問題。如圖3， 該功能在速度環(huán)前引入了一個(gè)與實(shí)際負(fù)載成正比的反饋，當(dāng)電機(jī)的實(shí)際負(fù)載增大時(shí)，變頻器將主動(dòng)降低給定。這樣的效果是人為地“軟化”了曲線。ATV71內(nèi)部同時(shí)設(shè)置了一個(gè)參數(shù)用于調(diào)整負(fù)載反饋的強(qiáng)度，在應(yīng)用上這個(gè)參數(shù)的效果就是調(diào)節(jié)整個(gè)拖動(dòng)系統(tǒng)的特性曲線的斜率，即“軟化”的程度。當(dāng)耦合在一起的電機(jī)特性有差異時(shí)，可以通過調(diào)整相應(yīng)變頻器的這個(gè)參數(shù)使拖動(dòng)系統(tǒng)的特性達(dá)到一致。同時(shí)，正如前文所描述的那樣，在同樣的速度范圍內(nèi)，“軟化”了特性的拖動(dòng)系統(tǒng)更容易達(dá)到負(fù)載的平衡。

圖3  ATV71 的負(fù)荷平衡功能

Fig 3  The load share function of  ATV71

第二種，主從控制法。這種方法的示意如圖4所示

圖4  主從控制

Fig4 Master-Slave control concept

耦合在一起的每個(gè)電機(jī)分別由對應(yīng)的一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)。在這些變頻器中，指定一臺(tái)作為主機(jī)，并已普通的速度控制方式運(yùn)行。同時(shí)，輸出力矩信號(hào)，該信號(hào)實(shí)際來自速度環(huán)的輸出，在標(biāo)準(zhǔn)的雙閉環(huán)拖動(dòng)系統(tǒng)中，也就是力矩環(huán)的給定，代表了為維持速度達(dá)到給定所需的力矩。其余的變頻器作為從機(jī)，運(yùn)行在力矩模式，即控制目標(biāo)是電機(jī)的輸出扭矩而不是轉(zhuǎn)速。力矩的給定來自主機(jī)力矩信號(hào)的輸出。由于給定來自同一信號(hào)，因此理論上來說，各電機(jī)的實(shí)際扭矩輸出也相等，負(fù)荷平衡因此得以實(shí)現(xiàn)。

從實(shí)現(xiàn)原理可以看出，這種方法要求變頻器能較為精確地控制電機(jī)的扭矩，同時(shí)力矩信號(hào)傳輸?shù)木�度和�?shí)時(shí)性也會(huì)影響到負(fù)荷平衡的效果。在這里，力矩信號(hào)的實(shí)時(shí)性比精度更重要，因?yàn)榧词故悄�擬量傳遞，通常精度也能達(dá)到0.1%,  而這個(gè)數(shù)量級(jí)的偏差對電機(jī)扭矩平衡的影響完全可以忽略不計(jì)。但實(shí)時(shí)性的差異會(huì)對負(fù)荷平衡產(chǎn)生很大的影響，特別是在過渡過程中，主機(jī)給出的扭矩信號(hào)波動(dòng)是比較大的，如果信號(hào)延遲導(dǎo)致從機(jī)出力滯后，負(fù)荷平衡的效果就很差，嚴(yán)重的可能發(fā)生主從機(jī)對扭的現(xiàn)象。從這個(gè)意義上來說，用通訊的方式傳遞這個(gè)信號(hào)未必有模擬量傳遞這個(gè)信號(hào)來得好。

ATV71具有力矩控制的功能，同時(shí)也能輸出所需的扭矩給定信號(hào)，因此可以實(shí)現(xiàn)這樣的主從控制。

從實(shí)踐中看，很多用戶傾向于用主從控制的方法解決負(fù)荷分配的問題，這可能是因?yàn)橹鲝目刂频脑�理更容易理解的緣��。但�?shí)際上，這兩種方法各有優(yōu)缺，有各自的適用范圍。

滑差控制的方法，每個(gè)變頻器根據(jù)負(fù)載情況改變本身這個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的特性，無須區(qū)分主從，各變頻器之間也不需要信號(hào)的傳遞。當(dāng)一臺(tái)變頻器或電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，無須采取任何措施，負(fù)載會(huì)自動(dòng)由其余電機(jī)均勻分擔(dān)。每臺(tái)變頻器的運(yùn)行模式基本上仍是速度模式，當(dāng)負(fù)載突然發(fā)生異常變化時(shí)，速度不會(huì)失控。各傳動(dòng)點(diǎn)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的差異對系統(tǒng)運(yùn)行的影響也不大。當(dāng)然，由于采用這種方法后，速度會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，因此不適合對速度精度有要求的場合。

相對來說，主從控制的方法是一種“主動(dòng)”的控制方法。這種方法需要區(qū)分主從，變頻器之間需要實(shí)時(shí)的信號(hào)傳遞。同時(shí)，主機(jī)故障會(huì)引起系統(tǒng)癱瘓。因此，對于一些重要場合，必須考慮一個(gè)從機(jī)充當(dāng)備份從機(jī)，同時(shí)，系統(tǒng)也必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的備份切換邏輯，通常這種切換需要系統(tǒng)停機(jī)。由于從機(jī)處于力矩控制狀態(tài)，一旦負(fù)載扭矩發(fā)生異常突變，比如機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損壞，電機(jī)有“飛車”的危險(xiǎn)。同時(shí)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的差異會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的性能，尤其在空載的時(shí)候。因此，從魯棒性考慮，主從的方法反而不如滑差控制的方法。但主從控制的好處是整個(gè)系統(tǒng)能保證速度精度，速度不隨負(fù)載的變化而變化。

ATV71內(nèi)置有多配置的功能，即變頻器內(nèi)實(shí)際能存儲(chǔ)多套參數(shù)。這個(gè)功能使得ATV71在處理負(fù)載分配上更加靈活：可以將一套參數(shù)設(shè)計(jì)成系統(tǒng)是以滑差方式實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡的，而另一套參數(shù)設(shè)計(jì)成是以主從方式實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡的。根據(jù)現(xiàn)場施工的實(shí)際情況，只要一個(gè)簡單的開關(guān)量信號(hào)，就可以在兩種方法之間靈活地切換。而且，在主從的方案中，還利用這個(gè)功能實(shí)現(xiàn)了對主機(jī)的備份。

由于盾構(gòu)機(jī)的刀頭本身在機(jī)械上比較復(fù)雜，在掘進(jìn)的過程中，負(fù)載又比較多變。所以實(shí)際上，施耐德電氣提供的是定制軟件的ATV71，除了充分利用ATV71內(nèi)置的豐富功能外，還有一些特殊的處理，如根據(jù)實(shí)際速度和實(shí)際扭矩的大小及其變化率對力矩限幅進(jìn)行控制。這些定制軟件功能，保證了盾構(gòu)機(jī)起動(dòng)時(shí)既有足夠的扭矩而過程又是非常平穩(wěn)的，有效地降低對刀頭和其他機(jī)械地沖擊；在停止時(shí)，又能防止因機(jī)械和負(fù)載的不平衡而在機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)存儲(chǔ)應(yīng)力；在堵轉(zhuǎn)時(shí)，既能很好地保護(hù)刀頭又能盡量發(fā)揮電機(jī)的能力盡快實(shí)現(xiàn)刀頭的“脫困”。

隧道施工的環(huán)境通常比較惡劣，主要表現(xiàn)為高溫、高濕。為了解決防護(hù)與散熱的矛盾，施耐德電氣提供的機(jī)柜巧妙地利用ATV71產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的優(yōu)點(diǎn)―――主回路部分IP54防護(hù)等級(jí)――――設(shè)計(jì)了雙通道排風(fēng)機(jī)構(gòu)。如圖5，變頻器的功率部分和控制部分處于不同的冷卻風(fēng)道中，中間以隔板格開。控制部分由電子元件構(gòu)成，發(fā)熱量有限，易受環(huán)境影響；功率部分發(fā)熱量大，但已設(shè)計(jì)成IP54等級(jí)，可以由“臟”空氣直接冷卻，而且由于功率部分挪到了獨(dú)立的風(fēng)道中，控制部分所處的風(fēng)道中沒有大的散熱源，可以將機(jī)柜設(shè)計(jì)成高的防護(hù)等級(jí)。比如采用高防護(hù)等級(jí)的濾網(wǎng)。而在盾構(gòu)機(jī)所用的機(jī)柜通常將控制部分設(shè)計(jì)成完全密閉的形式，然后用兩個(gè)工業(yè)空調(diào)為數(shù)個(gè)機(jī)柜的控制部分散熱，或干脆采用水冷設(shè)計(jì)。限于篇幅不再一一介紹。

圖5  ATV71 的冷卻設(shè)計(jì)示意

Fig 5  The cooling design of ATV71

四．結(jié)論

目前，ATV71已成功用于多個(gè)盾構(gòu)生產(chǎn)廠家的刀頭驅(qū)動(dòng)中。經(jīng)過北京大興線、穿黃隧道等多個(gè)重大工程的實(shí)踐，證明上述的變頻應(yīng)用設(shè)計(jì)方案成熟，工作可靠，操作維護(hù)簡單。

在盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用中超過10年的豐富經(jīng)驗(yàn)，使施耐德在產(chǎn)品研制過程中能充分考慮到盾構(gòu)機(jī)對變頻器的特殊要求以及技術(shù)趨勢，并將這些要求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的內(nèi)部特殊功能，這些功能必將對社會(huì)交通事業(yè)的發(fā)展起到不可替代的促進(jìn)作用。