郁陳華

(施耐德電氣中國(guó)投資有限公司,上海 200233)

1 引言

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)(盾構(gòu)機(jī))是一種隧道掘進(jìn)的專(zhuān)用工程機(jī)械?，F(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體,具有開(kāi)挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能,盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。

用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧洞施工具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開(kāi)挖時(shí)可控制地面沉降、減少對(duì)地面建筑物的影響和在水下開(kāi)挖時(shí)不影響水面交通等特點(diǎn),在隧洞洞線較長(zhǎng)、埋深較大的情況下,用盾構(gòu)機(jī)施工更為經(jīng)濟(jì)合理。

盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一個(gè)圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進(jìn)邊對(duì)土壤進(jìn)行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾,它對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時(shí)支撐的作用,承受周?chē)翆拥膲毫?有時(shí)還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。

盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)過(guò)程大致如下:刀盤(pán)旋轉(zhuǎn),同時(shí)開(kāi)啟盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸,將盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn),隨著推進(jìn)油缸的向前推進(jìn),刀盤(pán)持續(xù)旋轉(zhuǎn),被切削下來(lái)的渣土充滿(mǎn)泥土倉(cāng),此時(shí)開(kāi)動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)將切削下來(lái)的渣土排送至地面。

傳統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)是由液壓驅(qū)動(dòng)的,近幾年出現(xiàn)了由變頻器控制三相交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刀盤(pán)。顯然,與液壓驅(qū)動(dòng)相比,電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)容易、控制靈活方便、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此,電驅(qū)動(dòng)在盾構(gòu)應(yīng)用中有著廣闊的前景。

2 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)的控制要求

電驅(qū)動(dòng)的刀盤(pán)通常由6～22個(gè)電機(jī)經(jīng)過(guò)各自的減速箱與一個(gè)差不多和刀盤(pán)等直徑的大齒輪嚙合來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)。因此從驅(qū)動(dòng)的角度看,這是一個(gè)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的應(yīng)用,需要負(fù)載平衡控制,即讓負(fù)載均勻地分布到所有電機(jī)上,否則部分電機(jī)將會(huì)過(guò)載,因?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)考慮的總功率是多個(gè)電機(jī)功率之和。與其他需要負(fù)載平衡控制的應(yīng)用相比,刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)的特殊性在于:1)電機(jī)的數(shù)量較多,許多應(yīng)用中的負(fù)載是在2個(gè)電機(jī)或4個(gè)電機(jī)之間平衡的,如起重、煉鋼轉(zhuǎn)爐等,而刀盤(pán)的驅(qū)動(dòng)要求負(fù)載在6～22個(gè)電機(jī)之間平衡;2)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜,傳動(dòng)比非常大,所以,雖然總體上來(lái)說(shuō)多個(gè)電機(jī)與刀盤(pán)之間屬于剛性連接,但其實(shí)每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的齒隙等參數(shù)很難達(dá)到一致,這些差別在設(shè)計(jì)負(fù)載平衡控制時(shí)必須充分考慮到。

同時(shí),刀盤(pán)的體積龐大,掘進(jìn)中負(fù)載變化不可預(yù)知。由于減速機(jī)構(gòu)復(fù)雜且減速比大,刀盤(pán)處負(fù)載和速度的微小波動(dòng)都會(huì)在電機(jī)側(cè)被成百上千倍地放大,這種大幅度的波動(dòng)有可能會(huì)造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損壞。為此,在刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)控制中,應(yīng)盡量采取辦法避免波動(dòng)。

盾構(gòu)施工的環(huán)境一般都比較惡劣,高溫、高濕、多塵在所難免,因此必須考慮到變頻器的防護(hù)與散熱問(wèn)題。

3 ATV71在刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

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(guò)載能力達(dá)到了170%,功率范圍從0.75～2 000 kW。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(kāi)關(guān)管理等以適合各種各樣的生產(chǎn)工藝。針對(duì)盾構(gòu)機(jī)的特殊要求,ATV71通過(guò)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(duì)于這類(lèi)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的控制有2種經(jīng)典的方法。

第1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,見(jiàn)圖1。

圖1 交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性Fig.1 The characteristic curves 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(chǎng)轉(zhuǎn)速之間有一定的差異,稱(chēng)為滑差。對(duì)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(duì)電機(jī)本身而言,負(fù)載與轉(zhuǎn)速的關(guān)系與電網(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(guò)機(jī)械耦合在一起,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(jiǎn)單說(shuō)明起見(jiàn),以2個(gè)電機(jī)為例,見(jiàn)圖2。

圖2 2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的情形Fig.2 T he situation where load is driven by two motor

從圖2中不難看出,當(dāng)電源頻率相等(圖2中與縱軸交點(diǎn),首行虛線)、實(shí)際速度強(qiáng)制同步(圖2中的第2行虛線所示)的情況下,2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)2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(duì)的負(fù)載也不相等。同時(shí)也可以看出,在2個(gè)電機(jī)特性有差異的情況下,對(duì)于同樣的速度范圍,軟特性(曲線更下垂)的2個(gè)電機(jī)之間的負(fù)載差異比硬特性的2個(gè)電機(jī)之間的負(fù)載差異要小。

因此,從理論上來(lái)說(shuō),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(guò)程中的差異,實(shí)際的特性很難保證一致。除非對(duì)制造好的電機(jī)通過(guò)逐臺(tái)做負(fù)載試驗(yàn)測(cè)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(wèn)題。如圖3所示,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(guò)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 A TV71的負(fù)荷平衡功能Fig.3 The load share function of AT V71

第2種,主從控制法。這種方法的示意圖如圖4所示。

圖4 主從控制Fig.4 Master-slave control concept

耦合在一起的每個(gè)電機(jī)分別由對(duì)應(yīng)的1臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)。在這些變頻器中,指定1臺(tái)作為主機(jī),并以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(lái)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)的輸出轉(zhuǎn)矩而不是轉(zhuǎn)速。力矩的給定來(lái)自主機(jī)力矩信號(hào)的輸出。由于給定來(lái)自同一信號(hào),因此理論上來(lái)說(shuō),各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)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)的轉(zhuǎn)矩,同時(shí)力矩信號(hào)傳輸?shù)木群蛯?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M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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)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(duì)負(fù)荷平衡產(chǎn)生很大的影響,特別是在過(guò)渡過(guò)程中,主機(jī)給出的轉(zhuǎn)矩信號(hào)波動(dòng)比較大,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(duì)扭的現(xiàn)象。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō),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(lái)得好。

ATV71具有力矩控制的功能,同時(shí)也能輸出所需的轉(zhuǎn)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(hù)傾向于用主從控制的方法解決負(fù)荷分配的問(wèn)題,這可能是因?yàn)橹鲝目刂频脑砀菀桌斫獾木壒?。但?shí)際上,這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),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(wú)須區(qū)分主從,各變頻器之間也不需要信號(hào)的傳遞。當(dāng)1臺(tái)變頻器或電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),無(wú)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(duì)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(duì)速度精度有要求的場(chǎng)合。

相對(duì)來(lái)說(shuō),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(duì)于一些重要場(chǎng)合,必須考慮有一個(gè)從機(jī)充當(dāng)備份,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)載轉(zhuǎn)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(chē)”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)。此功能使得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,而另一套參數(shù)設(shè)計(jì)成以主從方式實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況,只要一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量信號(hào),就可以在兩種方法之間靈活的切換。而且,在主從的方案中,還利用此功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(guò)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)際轉(zhuǎn)矩的大小及其變化率對(duì)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)啟動(dòng)時(shí)既有足夠的轉(zhuǎn)矩而過(guò)程又非常平穩(wěn),有效地降低對(duì)刀頭和其他機(jī)械的沖擊;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):1)主回路部分IP54防護(hù)等級(jí);2)設(shè)計(jì)了雙通道排風(fēng)機(jī)構(gòu)。如圖5所示,變頻器的功率部分和控制部分處于不同的冷卻風(fēng)道中,中間以隔板隔開(kāi)。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(méi)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)示意圖Fig.5 The cooling design of ATV71

4 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(guò)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(jiǎn)單。

在盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用中超過(guò)10 a的豐富經(jīng)驗(yàn),使施耐德在產(chǎn)品研制過(guò)程中能充分考慮到盾構(gòu)機(jī)對(duì)變頻器的特殊要求以及技術(shù)趨勢(shì),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(duì)社會(huì)交通事業(yè)的發(fā)展起到不可替代的促進(jìn)作用。

[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2] 施耐德電氣(中國(guó))投資有限公司.A TV71編程手冊(cè)[Z].2007.

[3] Reinhard Kapeller.Drive Application In Tunnel Boring Machine[Z].Vienna,2008.

修改稿日期:2010-06-10