SINAMICS傳動(dòng)家族變流器電流過載能力指標(biāo)剖析

朱安遠(yuǎn)

（北京金自天正智能控制股份有限公司 市場(chǎng)營銷部，北京 100070）

SINAMICS傳動(dòng)家族變流器電流過載能力指標(biāo)剖析

朱安遠(yuǎn)

（北京金自天正智能控制股份有限公司 市場(chǎng)營銷部，北京 100070）

全面而準(zhǔn)確地描述變流器電流過載能力指標(biāo)的四要素是過載電流I1、基本負(fù)載電流I2、過載時(shí)間t1和負(fù)載周期T，它們是缺一不可的，且四要素已足夠。等效電流系數(shù)KC可作為評(píng)判各種變流器在各種不同工況下電流過載能力強(qiáng)弱的一個(gè)“金標(biāo)準(zhǔn)”。對(duì)SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流（200V≤額定輸出線電壓＜1 000V）變流器的各種電流過載能力指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)地分析，并將其與6SE70系列工程型變流器的電流過載能力指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比研究。

電流過載能力指標(biāo)；等效電流系數(shù)；額定電流；基本負(fù)載電流；輕載電流；重載電流；過載電流；最大輸出電流

1 引言

SINAMICS傳動(dòng)家族變流器是德國西門子（Siemens）公司近幾年陸續(xù)推出的新產(chǎn)品，它將逐步取代SIMOVERT（以6SE70／6SE71系列交流傳動(dòng)系統(tǒng)為代表）、SIMOREG（以6RA70／6RM70系列直流傳動(dòng)系統(tǒng)為代表）和SIMODRIVE（以6FC55系列交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為代表）傳動(dòng)產(chǎn)品。S120／S120CM系列工程型變流器是SINAMICS傳動(dòng)家族中的主導(dǎo)低壓交流傳動(dòng)產(chǎn)品，它將逐步取代在中國交流變頻調(diào)速傳動(dòng)市場(chǎng)上占有率很高的SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70／6SE71系列工程型變流器。與6SE70系列變流器相比，S120系列變流器除在結(jié)構(gòu)上和元器件選型方面有重大變化之外，在電流過載能力指標(biāo)的定義方面亦有相當(dāng)大的變化。

2 變流器電流過載能力指標(biāo)定義的四要素和等效電流系數(shù)

變流器的過載能力指標(biāo)一般是針對(duì)其輸出電流而言的（少數(shù)是針對(duì)其輸出功率而言的），在輸出電壓相同的情況下，以輸出功率定義過載能力指標(biāo)和以輸出電流定義過載能力指標(biāo)是等價(jià)的。

筆者通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：用三要素來定義變流器電流過載能力指標(biāo)仍不夠全面［1］，實(shí)際上它隱含著I2＝IG＝0.91IN，這只是四要素的一個(gè)特例，并不具有普適性。全面而準(zhǔn)確地描述變流器電流過載能力指標(biāo)定義的四要素（參見圖1）是：過載電流I1（IN＜I1≤Imax）或過載電流百分比I1／IN、基本負(fù)載電流I2（為了更具普適性，在這里用I2來表示）或基本負(fù)載電流百分比I2／IN、過載時(shí)間t1、負(fù)載周期T（其典型值是300s），它們是缺一不可的，且四要素已足夠。其中基本負(fù)載電流I2并不是可有可無的，因?yàn)槠浯笮≈苯佑绊懙竭^載電流I1的大小或／和過載時(shí)間t1的長短。若變流器長期連續(xù)運(yùn)行在其額定電流附近，則其本身一般并不具有電流過載能力，故有I2＜IN。

圖1 描述變流器電流過載能力指標(biāo)四要素的典型特性圖Fig.1 Definition of the four key elements of current overload capability index of converters

根據(jù)圖1所示，定義一個(gè)負(fù)載周期（T）內(nèi)的熱量容許值（簡稱熱容值）：

式中：KT為熱容值系數(shù)。

對(duì)于不同的負(fù)載周期，熱容值系數(shù)可做等效換算，即負(fù)載周期t情況下的熱容值系數(shù)Kt可以換算成負(fù)載周期T情況下的熱容值系數(shù)：

一般情況下，可用負(fù)載周期為300s的熱容值系數(shù)K300作為其典型值。熱容值系數(shù)直接反映了變流器內(nèi)部的發(fā)熱情況，它與變流器電流過載能力的強(qiáng)弱密切相關(guān)。再根據(jù)電流的熱等效原理可定義一個(gè)負(fù)載周期（T）內(nèi)的等效電流系數(shù)KC如下：

等效電流系數(shù)KC直接反映了變流器電流過載能力指標(biāo)的強(qiáng)弱，可推導(dǎo)出等效電流系數(shù)和熱容值系數(shù)的關(guān)系式如下：

上式表明等效電流系數(shù)KC值的大小與負(fù)載周期T的大小無直接關(guān)聯(lián)。

在額定電流IN定義完全相同的情況下，熱容值系數(shù)KT（Kt）和等效電流系數(shù)KC均與產(chǎn)品品牌、產(chǎn)品種類、結(jié)構(gòu)類型、容量大小、電壓類型和等級(jí)、控制方式等無關(guān)，因此等效電流系數(shù)KC可作為直接衡量變流器各種電流過載能力指標(biāo)大小的一個(gè)客觀的基本標(biāo)準(zhǔn)，它是變流器電流過載能力強(qiáng)弱的一個(gè)具體的量化指標(biāo)。KC值越大則表示變流器的相對(duì)電流過載能力越強(qiáng)，反之亦然。

在具體的實(shí)際工程應(yīng)用中，可以利用電流過載能力指標(biāo)四要素和等效電流系數(shù)KC按照以下步驟對(duì)所選定的變流器的電流過載能力指標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)：1）根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械和工藝要求的負(fù)載特性以及所選變流器的額定輸出電流計(jì)算出其等效電流系數(shù)KC1并向上選定與之最接近的變流器的過載能力特性；2）計(jì)算出所選變流器在特定過載能力特性下的等效電流系數(shù)KC2；3）若KC2≥KC1，則說明所選變流器的電流過載能力指標(biāo)可以滿足要求，否則就要重新選用容量大一級(jí)的變流器并重復(fù)上述步驟進(jìn)行再次校驗(yàn)，直到校驗(yàn)通過為止。只有通過這種校驗(yàn)以后，所選變流器才是科學(xué)合理的。上述工作以及變流器容量的選定亦可利用Sizer選型配置工具軟件來完成。

3 變流器定義的各種輸出電流

1）額定電流IN：變流器允許長期連續(xù)運(yùn)行的輸出電流。變流器若長期連續(xù)運(yùn)行于IN，一般情況下它就無電流過載能力。

2）基本負(fù)載電流I2：一種小于額定電流且使變流器具有一定電流過載能力的輸出電流。IG是6SE70／6SE71系列變流器中用于表示基本負(fù)載電流的專用符號(hào)，該系列變流器僅定義了這一個(gè)基本負(fù)載電流，且IG＝0.91IN。S120系列變流器定義了輕載電流和重載電流，它們實(shí)質(zhì)上就是兩種不同的基本負(fù)載電流。

3）輕載電流IL：輕過載應(yīng)用時(shí)變流器的基本負(fù)載電流。

4）重載電流IH：重過載應(yīng)用時(shí)變流器的基本負(fù)載電流。

5）連續(xù)周期工作制S6下的過載電流IS6：連續(xù)周期工作制S6是指按一系列相同的工作周期運(yùn)行，每一周期包括一段恒定負(fù)載運(yùn)行時(shí)間和一段空載或輕載運(yùn)行時(shí)間，無停機(jī)和斷能時(shí)間，且恒定負(fù)載運(yùn)行時(shí)間較短，它不足以使變流器達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，若負(fù)載滿足S6工作制的條件，可按IS6來選擇變流器的容量，從而可降低所選變流器的容量并提高其利用率。

6）最大輸出電流Imax：變流器允許的最大輸出電流值（極限值）。此電流值是變流器的一條“紅線”，即變流器的各種實(shí)際過載電流值在任何情況下都不允許超越此值（即便是短時(shí)），否則就有可能損毀變流器，至少會(huì)使變流器的故障率提高或嚴(yán)重影響其正常使用壽命。

以上各輸出電流值一般是指在環(huán)境溫度為40℃時(shí)的數(shù)值。通常情況下，它們之間應(yīng)該存在著如下的數(shù)學(xué)關(guān)系：IH＜IL＜IN＜IS6＜Imax，嚴(yán)格說它們之間的等號(hào)是不應(yīng)該成立的，否則至少是一種瑕疵。

4 SINAMICS傳動(dòng)家族變流器概述

SINAMICS傳動(dòng)家族變流器包括以下3大類：1）直流調(diào)速裝置：DCM 6RA80／6RM80系列；2）低壓交流（200V≤額定輸出線電壓＜1 000V）變頻調(diào)速裝置（其構(gòu)成詳見表1）：S120系列（包括柜體成套型S120CM系列）、G110系列、G110D系列、G120系列、G120C系列、G120D系列、G120P系列、G130系列（包括與之相對(duì)應(yīng)的柜體成套型G150系列）、S150系列、V10系列和V50系列，比較特殊的S110系列、V60系列和V80系列交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流過載能力指標(biāo)不在本文的討論和分析范圍之內(nèi)；3）中壓交流（1 000V≤額定輸出線電壓≤7 200V）變頻調(diào)速裝置（其訂貨號(hào)前綴均為6SL38）：GM150系列（單傳動(dòng)通用交-直-交電壓源型變流器）、SM150系列（單傳動(dòng)和多傳動(dòng)高性能交-直-交電壓源型變流器）、GL150系列（負(fù)載換流交-直-交電流源型變流器LCI，load commutated inverter）和 SL150 系列（原大功率SIMADYN D控制交-交變頻調(diào)速裝置的替代產(chǎn)品）。

S120系列工程型變流器的輸入電壓等級(jí)不高于3Ph AC 690V，主要包括基本型整流模塊（BLM，basic line module）、智能型整流模塊（SLM，smart line module，又稱回饋型整流模塊）、有源型整流模塊（ALM，active line module）和電動(dòng)機(jī)模塊（MM，motor module）4大類，其中電動(dòng)機(jī)模塊又可分為變頻器模塊（單傳動(dòng)）和逆變器模塊（多傳動(dòng)）兩類。S120系列工程型變流器的典型外形結(jié)構(gòu)可分為書本型（Booksize Format，6SL31系列）、模塊型（Blocksize Format，6SL32 系 列）、裝 機(jī) 裝 柜 型（Chassis Format，又稱框架型，6SL33系列）、書本緊湊型（Booksize Compact Format，6SL34系列）、分布型（Distributed Format，6SL35系列）和柜體成套型（Cabinet Modules Format，6SL37系列）6大類，其中柜體成套型S120CM系列變流器相當(dāng)于6SE71系列變流器。

表1 SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流變流器的構(gòu)成Tab.1 Component of low AC voltage converters of SINAMICS drive family

續(xù)表

5 SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流變流器電流過載能力指標(biāo)的分析

Siemens公司的6SE70／6SE71系列工程型變流器的電流過載能力指標(biāo)定義方式最為單一，且嚴(yán)密而科學(xué)，故本文以其作為電流過載能力指標(biāo)比較的基準(zhǔn)值。通過收集整理和分析Siemens公司SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流（200V≤額定輸出線電壓＜1 000V）變流器產(chǎn)品目錄或技術(shù)樣本［2-11］上的有關(guān)數(shù)據(jù)，利用電流過載能力指標(biāo)的四要素原則和等效電流系數(shù)KC法得出SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流變流器和6SE70系列變流器電流過載能力指標(biāo)一覽表如表2所示。

表2 SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流變流器和6SE70系列變流器電流過載能力指標(biāo)一覽表Tab.2 Current overload capability indexes of low AC voltage converters of SINAMICS drive family and 6SE70series converters

續(xù)表

續(xù)表

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，S120系列變流器的平均電流過載能力和6SE70系列變流器的平均電流過載能力相比具有如下3大特點(diǎn)：1）在過載時(shí)間t1較長（t1≥60s）的主流工況下，其各種平均電流過載能力都偏弱（87.10%～99.48%，其算術(shù)平均值為94.50%），電流過載能力的實(shí)際應(yīng)用主要是在這種工況下；2）在過載時(shí)間t1較短（t1≤30s）的非主流工況下，其平均電流過載能力總體仍偏弱（79.65%～103.65%，其算術(shù)平均值為95.84%）；3）只有在過載時(shí)間t1很短（t1≤10s）的非主流工況下，其平均電流過載能力才有可能略強(qiáng)（100.49%～103.65%，其算術(shù)平均值為102.40%），但這種工況對(duì)實(shí)際應(yīng)用意義不大?？傮w來說，S120系列變流器的平均電流過載能力要弱于6SE70系列變流器。

G110系列、V10系列和V50系列變頻器電流過載能力指標(biāo)的定義方式與6SE70完全一致，只是它們之間的過載電流百分比、基本負(fù)載電流百分比和負(fù)載周期有所不同，其平均電流過載能力分別比6SE70強(qiáng)1.36%、11.77%和1.22%。V10系列和V50系列變頻器的基本負(fù)載電流等于其額定電流IN，這種定義方式并不多見，且主要是針對(duì)風(fēng)機(jī)水泵類流體負(fù)載變轉(zhuǎn)矩變頻器而言。

在G110D和G120D系列變頻器中，將重載電流IH和額定電流IN混為一談；在G120和G120P系列變頻器中，將輕載電流IL和額定電流IN混為一談，這些都是不當(dāng)?shù)?。因?yàn)镚110D和G120D系列變頻器電流過載能力指標(biāo)的定義中有：基于基本負(fù)載電流IH，允許以1.5IH在300s內(nèi)運(yùn)行60s或允許以2.0IH在300s內(nèi)運(yùn)行3s；G120和G120P系列變頻器電流過載能力指標(biāo)的定義中有：基于基本負(fù)載電流IL，允許以1.1IL在300s內(nèi)運(yùn)行57s或允許以1.5IL（或1.4IL）在300s內(nèi)運(yùn)行3s。而IN一般是允許長期連續(xù)運(yùn)行的，實(shí)質(zhì)上上述變頻器系列并未定義通常意義下的額定電流IN（IL＜IN＜1.1IL且IH＜IN＜1.5IH），它只定義了輕載電流IL和／或重載電流IH，不便于設(shè)計(jì)者在工程應(yīng)用中準(zhǔn)確合理地選型。若設(shè)計(jì)者按IL或IH來選用變頻器，則相當(dāng)于變頻器被降容使用。

2011年9月Siemens公司新推出的G120C系列變頻器采用兩段式定義過載電流（如圖2所示），這是一種全新的定義方式，很少見。在圖2中，負(fù)載周期T＝300s，基于輕過載工作制，第1段I11＝1.5IL，t11＝3s，第 2 段I12＝1.1IL，t12＝57s，I2＝IL；基于重過載工作制，第1段I11＝2IH，t11＝3s，第2段I12＝1.5IH，t12＝57s，I2＝IL。在該系列變頻器的參數(shù)表中，定義P0205＝1和P0205＝0分別代表輕過載工作制和重過載工作制，這是創(chuàng)新之舉。電流過載能力指標(biāo)的兩段式（甚至多段式）定義并未違背電流過載能力指標(biāo)的四要素原則，它僅是將過載電流和過載時(shí)間分為兩段（或多段）定義而已。

圖2 G120C系列變頻器一個(gè)負(fù)載周期內(nèi)的電流過載能力指標(biāo)定義圖Fig.2 Definition of current overload capability index of a load cycle of G120Cseries converters

順便指出，Siemens公司產(chǎn)品樣本DA65.10·2006在圖DA65-5298“變流器額定值、過載值和基本負(fù)載值的定義”中將負(fù)載周期360s誤標(biāo)為300s，相當(dāng)于將6SE70／6SE71系列變流器的平均電流過載能力指標(biāo)高估了1.71%。

6 結(jié)論

電流過載能力指標(biāo)的四要素原則和等效電流系數(shù)KC法是分析和研究各種交直流變流器電流過載能力指標(biāo)的基本工具，具有普適性，它可以作為評(píng)判各種變流器在各種不同工況下電流過載能力強(qiáng)弱的一個(gè)“金標(biāo)準(zhǔn)”。正確深入透徹地理解好變流器電流過載能力指標(biāo)的實(shí)質(zhì)，對(duì)在實(shí)際應(yīng)用工作中科學(xué)合理地選用各種變流器具有重要意義。

［1］ 朱安遠(yuǎn).變流器過載能力初探［J］.電氣傳動(dòng)，2011，41（6）：31-34，53.

［2］ Siemens.SIMOTION，SINAMICS S120and Motors for Production Machines［Z］.Catalog PM21·2011.

［3］ Siemens.高性能多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)SINAMICS S120變頻調(diào)速裝置和變頻調(diào)速柜［Z］.產(chǎn)品目錄D21.3·2012.

［4］ Siemens.SINAMICS G110，SINAMICS G120Standard Inverters；SINAMICS G110D，SINAMICS G120DDistributed Inverters［Z］.Catalog D11.1·2009.

［5］ Siemens.SINAMICS G120C變頻器入門指南［Z］.2011.

［6］ Siemens.SINAMICS and Motors for Single-Axis Drives［Z］.Catalog D31·2012.

［7］ Siemens.SINAMICS G120PPump，F(xiàn)an and Compressor Inverters；SINAMICS G120Standard Inverters； SINAMICS G110DDistributed Inverters［Z］.Catalog News D11.1N·2010.

［8］ Siemens.SINAMICS G130／G150高性能單機(jī)傳動(dòng)變頻調(diào)速器［Z］.產(chǎn)品目錄D11.CN·2011.

［9］ Siemens.SINAMICS S120Chassis Format Units and Cabinet Modules；SINAMICS S150Converter Cabinet Units［Z］.Catalog D21.3·2011.

［10］Siemens.SINAMICS V10系列應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基本通用型變頻器［Z］.產(chǎn)品樣本D11.6·02.2011.

［11］Siemens.SINAMICS V50系列高品質(zhì)單機(jī)傳動(dòng)變頻調(diào)速柜55kW～500kW［Z］.產(chǎn)品樣本D11.5·2011.

修改稿日期：2012-06-11

Analysis and Research on Current Overload Capability Index of SINAMICS Drive Family′s Converters

ZHU An-yuan

（Marketing＆SalesDepartmen，BeijingAriTimeIntelligentControlCo.，Ltd.，Beijing100070，China）

The four key elements which described comprehensively and exactly current overload capability index of converters are overload currentI1，basic load currentI2，overload durationt1and load cycleTand each is indispensable，and the four key elements has enough.The equivalent current coefficientKCcan various converters in a variety of different conditions as evaluation current overload capability strong or weak a"gold standard".It is analysed systematically that current overload capability index of low AC voltage（200V≤rated output line supply＜1 000V）converters of SINAMICS drive family and researched comparatively between current overload capability index of it and 6SE70series engineering converters.

current overload capability index；equivalent current coefficient；rated current；basic load current；light-overload current；heavy-overload current；overload current；max output current

TM921.2

A

朱安遠(yuǎn)（1964-），男，高級(jí)工程師，Email：zhuanyuan＠sohu.com

2011-06-08