施耐德變頻器ATV71在刀盤驅(qū)動中的應(yīng)用
ATV71是施耐德電氣最高端的一款變頻器，可以實現(xiàn)閉環(huán)矢量控制，過載能力達到了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)機的特殊要求，ATV71通過靈活組合內(nèi)置的負荷平衡功能、主從功能、多配置功能很好地實現(xiàn)了這些要求。 盾構(gòu)機的刀頭由6～22個電機驅(qū)動，需要將負荷均勻地分配到每個電機上。通常，對于這類多電機驅(qū)動同一負載的控制有兩種經(jīng)典的方法： 第一種，滑差自適應(yīng)法。通常交流異步電機的自然特性是下垂的，如圖1： 圖1 交流異步電動機的機械特性 Fig 1 The characteristic curve of asynchronous motor 電機的實際轉(zhuǎn)速與由供電頻率和電機極數(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機而言，在一定的范圍內(nèi)，滑差和負載之間有近似的線性關(guān)系，并且負載越重，滑差越大，意味著電機的轉(zhuǎn)速越低。 當電機由變頻器驅(qū)動時，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，對電機本身而言，負載和轉(zhuǎn)速的關(guān)系和電網(wǎng)直接驅(qū)動是一樣的。 當多個電機驅(qū)動同一負載時，由于電機軸通過機械耦合在了一起，這意味著這些電機的速度是強制同步的。如果這些電機的電壓和頻率相等，那么，各電機的負載大小實際與各自的特性相關(guān)。為簡單說明起見，以兩個電機為例，如圖2： 圖2 兩個電機驅(qū)動同一負載的情形 Fig 2 The situation where load is driven by two motor 從圖中不難看出，當電源頻率相等（圖中與縱軸交點，首行虛線）、實際速度強制同步（圖中的第二行虛線所示）的情況下，兩個電機的負載大小實際由各自機械特性的斜率所決定。當兩個電機特性相同時，那么負載也是相等的；當特性不相同時，相對的負載也不相等。同時也可以看出，在兩個電機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）的兩個電機之間的負載差異比硬特性的兩個電機之間的負載差異要小。 因此，從理論上來說，同型號的數(shù)個電機，如果驅(qū)動的電壓和頻率完全相同，那么，不用采取額外的措施，電機的負載就能互相平衡。但實際上，即使同型號的電機，由于制造過程中的差異，實際的特性很難保證一致。除非對制造好的電機通過逐臺做負載試驗測定特性，然后篩選出特性一致的電機。但在實踐中，其實很難做到這一點，特別是中大功率的電機，負載試驗尤其麻煩。 而ATV71內(nèi)置的“負荷平衡”功能很好地解決了這個問題。如圖3， 該功能在速度環(huán)前引入了一個與實際負載成正比的反饋，當電機的實際負載增大時，變頻器將主動降低給定。這樣的效果是人為地“軟化”了曲線。ATV71內(nèi)部同時設(shè)置了一個參數(shù)用于調(diào)整負載反饋的強度，在應(yīng)用上這個參數(shù)的效果就是調(diào)節(jié)整個拖動系統(tǒng)的特性曲線的斜率，即“軟化”的程度。當耦合在一起的電機特性有差異時，可以通過調(diào)整相應(yīng)變頻器的這個參數(shù)使拖動系統(tǒng)的特性達到一致。同時，正如前文所描述的那樣，在同樣的速度范圍內(nèi)，“軟化”了特性的拖動系統(tǒng)更容易達到負載的平衡。 圖3 ATV71 的負荷平衡功能 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 耦合在一起的每個電機分別由對應(yīng)的一臺變頻器驅(qū)動。在這些變頻器中，指定一臺作為主機，并已普通的速度控制方式運行。同時，輸出力矩信號，該信號實際來自速度環(huán)的輸出，在標準的雙閉環(huán)拖動系統(tǒng)中，也就是力矩環(huán)的給定，代表了為維持速度達到給定所需的力矩。其余的變頻器作為從機，運行在力矩模式，即控制目標是電機的輸出扭矩而不是轉(zhuǎn)速。力矩的給定來自主機力矩信號的輸出。由于給定來自同一信號，因此理論上來說，各電機的實際扭矩輸出也相等，負荷平衡因此得以實現(xiàn)。 從實現(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的扭矩，同時力矩信號傳輸?shù)木群蛯崟r性也會影響到負荷平衡的效果。在這里，力矩信號的實時性比精度更重要，因為即使是模擬量傳遞，通常精度也能達到0.1%, 而這個數(shù)量級的偏差對電機扭矩平衡的影響完全可以忽略不計。但實時性的差異會對負荷平衡產(chǎn)生很大的影響，特別是在過渡過程中，主機給出的扭矩信號波動是比較大的，如果信號延遲導致從機出力滯后，負荷平衡的效果就很差，嚴重的可能發(fā)生主從機對扭的現(xiàn)象。從這個意義上來說，用通訊的方式傳遞這個信號未必有模擬量傳遞這個信號來得好。 ATV71具有力矩控制的功能，同時也能輸出所需的扭矩給定信號，因此可以實現(xiàn)這樣的主從控制。 從實踐中看，很多用戶傾向于用主從控制的方法解決負荷分配的問題，這可能是因為主從控制的原理更容易理解的緣故。但實際上，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，每個變頻器根據(jù)負載情況改變本身這個傳動點的特性，無須區(qū)分主從，各變頻器之間也不需要信號的傳遞。當一臺變頻器或電機出現(xiàn)故障時，無須采取任何措施，負載會自動由其余電機均勻分擔。每臺變頻器的運行模式基本上仍是速度模式，當負載突然發(fā)生異常變化時，速度不會失控。各傳動點機械傳動機構(gòu)之間的差異對系統(tǒng)運行的影響也不大。當然，由于采用這種方法后，速度會隨著負載的變化而變化，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”的控制方法。這種方法需要區(qū)分主從，變頻器之間需要實時的信號傳遞。同時，主機故障會引起系統(tǒng)癱瘓。因此，對于一些重要場合，必須考慮一個從機充當備份從機，同時，系統(tǒng)也必須設(shè)計相應(yīng)的備份切換邏輯，通常這種切換需要系統(tǒng)停機。由于從機處于力矩控制狀態(tài)，一旦負載扭矩發(fā)生異常突變，比如機械傳動機構(gòu)損壞，電機有“飛車”的危險。同時，機械傳動機構(gòu)的差異會影響系統(tǒng)運行的性能，尤其在空載的時候。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系統(tǒng)能保證速度精度，速度不隨負載的變化而變化。 ATV71內(nèi)置有多配置的功能，即變頻器內(nèi)實際能存儲多套參數(shù)。這個功能使得ATV71在處理負載分配上更加靈活：可以將一套參數(shù)設(shè)計成系統(tǒng)是以滑差方式實現(xiàn)負載平衡的，而另一套參數(shù)設(shè)計成是以主從方式實現(xiàn)負載平衡的。根據(jù)現(xiàn)場施工的實際情況，只要一個簡單的開關(guān)量信號，就可以在兩種方法之間靈活地切換。而且，在主從的方案中，還利用這個功能實現(xiàn)了對主機的備份。 由于盾構(gòu)機的刀頭本身在機械上比較復(fù)雜，在掘進的過程中，負載又比較多變。所以實際上，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)實際速度和實際扭矩的大小及其變化率對力矩限幅進行控制。這些定制軟件功能，保證了盾構(gòu)機起動時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械地沖擊；在停止時，又能防止因機械和負載的不平衡而在機械結(jié)構(gòu)內(nèi)存儲應(yīng)力；在堵轉(zhuǎn)時，既能很好地保護刀頭又能盡量發(fā)揮電機的能力盡快實現(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。為了解決防護與散熱的矛盾，施耐德電氣提供的機柜巧妙地利用ATV71產(chǎn)品設(shè)計上的優(yōu)點―――主回路部分IP54防護等級――――設(shè)計了雙通道排風機構(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道中，中間以隔板格開�？刂撇糠钟呻娮釉䴓�(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)計成IP54等級，可以由“臟”空氣直接冷卻，而且由于功率部分挪到了獨立的風道中，控制部分所處的風道中沒有大的散熱源，可以將機柜設(shè)計成高的防護等級。比如采用高防護等級的濾網(wǎng)。而在盾構(gòu)機所用的機柜通常將控制部分設(shè)計成完全密閉的形式，然后用兩個工業(yè)空調(diào)為數(shù)個機柜的控制部分散熱，或干脆采用水冷設(shè)計。限于篇幅不再一一介紹。 圖5 ATV71 的冷卻設(shè)計示意 Fig 5 The cooling design of ATV71
四．結(jié)論 目前，ATV71已成功用于多個盾構(gòu)生產(chǎn)廠家的刀頭驅(qū)動中。經(jīng)過北京大興線、穿黃隧道等多個重大工程的實踐，證明上述的變頻應(yīng)用設(shè)計方案成熟，工作可靠，操作維護簡單。 在盾構(gòu)機應(yīng)用中超過10年的豐富經(jīng)驗，使施耐德在產(chǎn)品研制過程中能充分考慮到盾構(gòu)機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交通事業(yè)的發(fā)展起到不可替代的促進作用。
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