ATV71是施耐德电气最高端的一款变频器，可以实现闭环矢量控制，过载能力达到了170％，功率范围从0.75kW~2000kW。ATV71还内置了大量的应用功能，如抱闸逻辑、多段速、限位开关管理等以适合各种各样的生产工艺。

针对盾构机的特殊要求，ATV71通过灵活组合内置的负荷平衡功能、主从功能、多配置功能很好地实现了这些要求。

盾构机的刀头由6～22个电机驱动，需要将负荷均匀地分配到每个电机上。通常，对于这类多电机驱动同一负载的控制有两种经典的方法：

第一种，滑差自适应法。通常交流异步电机的自然特性是下垂的，如图1：

图1 交流异步电动机的机械特性

Fig 1  The characteristic curve of asynchronous motor

电机的实际转速与由供电频率和电机极数决定的磁场转速之间有一定的差异，称为滑差。对通常的交流异步电动机而言，在一定的范围内，滑差和负载之间有近似的线性关系，并且负载越重，滑差越大，意味着电机的转速越低。

当电机由变频器驱动时，由于频率连续可变，因此该曲线可以上下平移，但形状基本不变，对电机本身而言，负载和转速的关系和电网直接驱动是一样的。

当多个电机驱动同一负载时，由于电机轴通过机械耦合在了一起，这意味着这些电机的速度是强制同步的。如果这些电机的电压和频率相等，那么，各电机的负载大小实际与各自的特性相关。为简单说明起见，以两个电机为例，如图2：

图2  两个电机驱动同一负载的情形

Fig 2  The situation where  load is driven by two motor

从图中不难看出，当电源频率相等（图中与纵轴交点，首行虚线）、实际速度强制同步（图中的第二行虚线所示）的情况下，两个电机的负载大小实际由各自机械特性的斜率所决定。当两个电机特性相同时，那么负载也是相等的；当特性不相同时，相对的负载也不相等。同时也可以看出，在两个电机特性有差异的情况下，对于同样的速度范围，软特性（曲线更下垂）的两个电机之间的负载差异比硬特性的两个电机之间的负载差异要小。

因此，从理论上来说，同型号的数个电机，如果驱动的电压和频率完全相同，那么，不用采取额外的措施，电机的负载就能互相平衡。但实际上，即使同型号的电机，由于制造过程中的差异，实际的特性很难保证一致。除非对制造好的电机通过逐台做负载试验测定特性，然后筛选出特性一致的电机。但在实践中，其实很难做到这一点，特别是中大功率的电机，负载试验尤其麻烦。

而ATV71内置的“负荷平衡”功能很好地解决了这个问题。如图3， 该功能在速度环前引入了一个与实际负载成正比的反馈，当电机的实际负载增大时，变频器将主动降低给定。这样的效果是人为地“软化”了曲线。ATV71内部同时设置了一个参数用于调整负载反馈的强度，在应用上这个参数的效果就是调节整个拖动系统的特性曲线的斜率，即“软化”的程度。当耦合在一起的电机特性有差异时，可以通过调整相应变频器的这个参数使拖动系统的特性达到一致。同时，正如前文所描述的那样，在同样的速度范围内，“软化”了特性的拖动系统更容易达到负载的平衡。

图3  ATV71 的负荷平衡功能

Fig 3  The load share function of  ATV71

第二种，主从控制法。这种方法的示意如图4所示

图4  主从控制

Fig4 Master-Slave control concept

耦合在一起的每个电机分别由对应的一台变频器驱动。在这些变频器中，指定一台作为主机，并已普通的速度控制方式运行。同时，输出力矩信号，该信号实际来自速度环的输出，在标准的双闭环拖动系统中，也就是力矩环的给定，代表了为维持速度达到给定所需的力矩。其余的变频器作为从机，运行在力矩模式，即控制目标是电机的输出扭矩而不是转速。力矩的给定来自主机力矩信号的输出。由于给定来自同一信号，因此理论上来说，各电机的实际扭矩输出也相等，负荷平衡因此得以实现。

从实现原理可以看出，这种方法要求变频器能较为精确地控制电机的扭矩，同时力矩信号传输的精度和实时性也会影响到负荷平衡的效果。在这里，力矩信号的实时性比精度更重要，因为即使是模拟量传递，通常精度也能达到0.1%,  而这个数量级的偏差对电机扭矩平衡的影响完全可以忽略不计。但实时性的差异会对负荷平衡产生很大的影响，特别是在过渡过程中，主机给出的扭矩信号波动是比较大的，如果信号延迟导致从机出力滞后，负荷平衡的效果就很差，严重的可能发生主从机对扭的现象。从这个意义上来说，用通讯的方式传递这个信号未必有模拟量传递这个信号来得好。

ATV71具有力矩控制的功能，同时也能输出所需的扭矩给定信号，因此可以实现这样的主从控制。

从实践中看，很多用户倾向于用主从控制的方法解决负荷分配的问题，这可能是因为主从控制的原理更容易理解的缘故。但实际上，这两种方法各有优缺，有各自的适用范围。

滑差控制的方法，每个变频器根据负载情况改变本身这个传动点的特性，无须区分主从，各变频器之间也不需要信号的传递。当一台变频器或电机出现故障时，无须采取任何措施，负载会自动由其余电机均匀分担。每台变频器的运行模式基本上仍是速度模式，当负载突然发生异常变化时，速度不会失控。各传动点机械传动机构之间的差异对系统运行的影响也不大。当然，由于采用这种方法后，速度会随着负载的变化而变化，因此不适合对速度精度有要求的场合。

相对来说，主从控制的方法是一种“主动”的控制方法。这种方法需要区分主从，变频器之间需要实时的信号传递。同时，主机故障会引起系统瘫痪。因此，对于一些重要场合，必须考虑一个从机充当备份从机，同时，系统也必须设计相应的备份切换逻辑，通常这种切换需要系统停机。由于从机处于力矩控制状态，一旦负载扭矩发生异常突变，比如机械传动机构损坏，电机有“飞车”的危险。同时，机械传动机构的差异会影响系统运行的性能，尤其在空载的时候。因此，从鲁棒性考虑，主从的方法反而不如滑差控制的方法。但主从控制的好处是整个系统能保证速度精度，速度不随负载的变化而变化。

ATV71内置有多配置的功能，即变频器内实际能存储多套参数。这个功能使得ATV71在处理负载分配上更加灵活：可以将一套参数设计成系统是以滑差方式实现负载平衡的，而另一套参数设计成是以主从方式实现负载平衡的。根据现场施工的实际情况，只要一个简单的开关量信号，就可以在两种方法之间灵活地切换。而且，在主从的方案中，还利用这个功能实现了对主机的备份。

由于盾构机的刀头本身在机械上比较复杂，在掘进的过程中，负载又比较多变。所以实际上，施耐德电气提供的是定制软件的ATV71，除了充分利用ATV71内置的丰富功能外，还有一些特殊的处理，如根据实际速度和实际扭矩的大小及其变化率对力矩限幅进行控制。这些定制软件功能，保证了盾构机起动时既有足够的扭矩而过程又是非常平稳的，有效地降低对刀头和其他机械地冲击；在停止时，又能防止因机械和负载的不平衡而在机械结构内存储应力；在堵转时，既能很好地保护刀头又能尽量发挥电机的能力尽快实现刀头的“脱困”。

隧道施工的环境通常比较恶劣，主要表现为高温、高湿。为了解决防护与散热的矛盾，施耐德电气提供的机柜巧妙地利用ATV71产品设计上的优点―――主回路部分IP54防护等级――――设计了双通道排风机构。如图5，变频器的功率部分和控制部分处于不同的冷却风道中，中间以隔板格开。控制部分由电子元件构成，发热量有限，易受环境影响；功率部分发热量大，但已设计成IP54等级，可以由“脏”空气直接冷却，而且由于功率部分挪到了独立的风道中，控制部分所处的风道中没有大的散热源，可以将机柜设计成高的防护等级。比如采用高防护等级的滤网。而在盾构机所用的机柜通常将控制部分设计成完全密闭的形式，然后用两个工业空调为数个机柜的控制部分散热，或干脆采用水冷设计。限于篇幅不再一一介绍。

图5  ATV71 的冷却设计示意

Fig 5  The cooling design of ATV71

四．结论

目前，ATV71已成功用于多个盾构生产厂家的刀头驱动中。经过北京大兴线、穿黄隧道等多个重大工程的实践，证明上述的变频应用设计方案成熟，工作可靠，操作维护简单。

在盾构机应用中超过10年的丰富经验，使施耐德在产品研制过程中能充分考虑到盾构机对变频器的特殊要求以及技术趋势，并将这些要求转化为产品的内部特殊功能，这些功能必将对社会交通事业的发展起到不可替代的促进作用。