ACS800系列和SINAMICS傳動(dòng)家族變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)的比較研究

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

1 引言

ABB ACS800系列和Siemens 6SE70系列（現(xiàn)正由SINAMICS S120系列和G120系列逐步替代）工程型變流器是工業(yè)上（尤其是冶金工業(yè)上）應(yīng)用最為廣泛的兩種變流器，其各自的技術(shù)特點(diǎn)、性能指標(biāo)和異同點(diǎn)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)［1］。Siemens公司現(xiàn)正積極地推出SINAMICS傳動(dòng)家族新產(chǎn)品，參考文獻(xiàn)［2－3］分別對(duì)6SE70／6SE71系列和SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流（200V≤額定輸出線電壓≤690V）變流器的電流過(guò)載能力指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和研究，更深一步地對(duì)ACS800系列和SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流變流器的電流過(guò)載能力指標(biāo)進(jìn)行研究和對(duì)比，并指出它們?cè)陔娏鬟^(guò)載能力指標(biāo)定義方面所存在的缺陷，對(duì)在實(shí)際應(yīng)用工作中科學(xué)合理地選擇好各種變流器具有重要參考意義。

ACS800系列和SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流變流器在各自的產(chǎn)品目錄或技術(shù)樣本中使用了不同的物理量代號(hào)，為了避免引起混亂，首先有必要對(duì)其物理量的代號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一，詳見(jiàn)表1。

表1 ACS800系列和SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流變流器物理量代號(hào)統(tǒng)一表Tab.1 Unification of physical quantity symbols of ACS800 series converters and low AC voltage converters of SINAMICS drive family

2 ACS800系列和S120系列工程型變流器的技術(shù)特點(diǎn)

ACS800系列工程型變流器的輸入電壓等級(jí)不高于3Ph AC 690V，主要包括二極管整流單元（DSU，diode supply unit）、晶 閘 管 整 流 單 元（TSU，thyristor supply unit）、IGBT 整 流 單 元（ISU，IGBT supply unit）、單傳動(dòng)變頻器模塊和多傳動(dòng)逆變器模塊5大類，其中DSU和TSU又分為6脈波和12脈波整流兩類。其典型外形結(jié)構(gòu)可分為壁掛型（ACS800－01／11／31系列）、落地柜型（即書(shū)架型，ACS800－02系列）、模塊型（相當(dāng)于S120的模塊型和裝機(jī)裝柜型，ACS800－04／04P／104／204／304／404／704系列）和柜體成套型（ACS800－07（LC）／17（LC）／37（LC）／107／207／307／407／507／807系列）4大類。ACS800系列變流器的構(gòu)成詳見(jiàn)表2。

S120系列基本型整流模塊BLM大都是選用晶閘管作為整流功率元件，不具有回饋功能。BLM中選用二極管作為整流功率元件的產(chǎn)品有：1）書(shū)本型 BLM 中的 6SL3130／36－1TE22－0AA0（AC 400V20kW）和6SL3130／36－1TE24－0AA0（AC 400V40kW）；2）柜體成套型 S120CM BLM 中 的 6SL3730－1TE41－8AA0／8BA0／8BC0（AC 400V900kW）和6SL3730－1TH41－8AA0／8BA0／8BC0（AC 690V1 500kW）。S120BLM的檔次介于ACS800DSU（二極管整流，不具有回饋功能）和TSU（晶閘管整流，具有回饋功能）之間。

表2 ACS800系列變流器的構(gòu)成Tab.2 Component of ACS800series converters

續(xù)表2

S120系列智能型整流模塊SLM都是選用IGBT（與其并聯(lián)的續(xù)流二極管和IGBT封裝集成在一起，起整流和反向保護(hù)作用）作為整流功率元件（由二極管整流橋來(lái)完成）和回饋功率元件（由IGBT來(lái)完成，它工作于可關(guān)斷晶閘管GTO狀態(tài)）的，具有100%的回饋功能，但母線電壓不可以調(diào)節(jié)，屬非調(diào)節(jié)型整流模塊。S120SLM的檔次介于ACS800TSU和ISU（由IGBT來(lái)完成整流和回饋，其直流母線電壓可調(diào)）之間。

S120系列有源型整流模塊ALM都是選用IGBT作為整流功率元件（由IGBT整流橋來(lái)完成）和回饋功率元件（由可控IGBT來(lái)完成）的，具有100%的回饋功能，且母線電壓可以調(diào)節(jié)，屬調(diào)節(jié)型整流模塊，即使電網(wǎng)電壓有一定的波動(dòng)它也能保持直流母線電壓的穩(wěn)定。ALM必須和有源接口模塊AIM（active interface module）配套使用，它還可對(duì)有功電流與無(wú)功電流進(jìn)行矢量控制，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償和得到一個(gè)最佳的綜合功率因數(shù)。S120ALM的檔次則與6SE70AFE（active front end，一般譯為主動(dòng)前端）和ACS800 ISU相當(dāng)。

綜上所述，以下產(chǎn)品的檔次按從低至高排序依次是：DSU＜BLM＜TSU＜SLM＜ISU≈ALM≈AFE。

在電網(wǎng)電壓瞬時(shí)跌落或故障時(shí)，ISU、SLM和ALM具有防止變流器逆變顛覆的功能，但一些晶閘管回饋（如TSU以及6SE70中的有關(guān)產(chǎn)品）就不具有此功能，從而可能會(huì)引發(fā)相關(guān)事故。日本TMEIC（東芝三菱電機(jī)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)株式會(huì)社）TMdrive－10e2T10系列晶閘管整流回饋單元依靠提高其進(jìn)線交流電壓的方式（如3AC 460V級(jí)的進(jìn)線電壓為AC 680V和3AC 690V級(jí)的進(jìn)線電壓為AC 990V）來(lái)省去自耦變壓器和克服逆變顛覆的缺點(diǎn)，雖有其獨(dú)到之處，但也要付出一些代價(jià)（如電動(dòng)機(jī)絕緣需要加強(qiáng)、因晶閘管處于深控狀態(tài)而功率因數(shù)有所降低和諧波電流有所增大等）。

順便指出，6SE70系列中的變流器主要有晶閘管可控整流（容量≥45kW）和二極管不可控整流（容量＜45kW）2種型式。6SE70系列中的整流回饋單元（有ED＝25%和ED＝100%2種負(fù)載持續(xù)率可供選擇）則相當(dāng)于ACS800TSU系列產(chǎn)品（有全回饋和非全回饋2種回饋型式）。

面對(duì)用戶開(kāi)放的控制平臺(tái)、內(nèi)部開(kāi)關(guān)量功能互連（BICO，binector connector）技術(shù)和功能圖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述是Siemens公司傳動(dòng)產(chǎn)品獨(dú)有的3大技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

3 ACS800系列工程型變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)的分析

變流器的等效電流系數(shù)KC與其電流過(guò)載能力指標(biāo)的四要素（過(guò)載電流百分比I1／IN、基本負(fù)載電流百分比I2／IN、過(guò)載時(shí)間t1和負(fù)載周期T）密切相關(guān)，與其額定電流IN并無(wú)直接關(guān)聯(lián)。等效電流系數(shù)KC直接反映了變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)的強(qiáng)弱，其具體的物理含義是：當(dāng)KC≤1時(shí)，表示變流器不具有超過(guò)其額定電流連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的能力，大多數(shù)變流器就是這樣情況，其中KC＝1時(shí)表示變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)定義的四要素充分利用了其額定電流，如Siemens 6SE70／6SE71系列工程型變流器等；當(dāng)KC＞1時(shí)，表示理論上變流器具有超過(guò)一定的其額定電流連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的能力，主要適用于大多數(shù)風(fēng)機(jī)水泵類流體負(fù)載變轉(zhuǎn)矩變頻器和變流器在一些特殊工況下的情況。

Siemens公司的6SE70／6SE71系列工程型變流器的電流過(guò)載能力指標(biāo)定義方式最為單一，且嚴(yán)密而科學(xué)，故本文仍以其作為電流過(guò)載能力指標(biāo)比較的基準(zhǔn)值。通過(guò)收集整理和分析ABB ACS800系列變流器產(chǎn)品目錄或技術(shù)樣本［4－8］上的有關(guān)數(shù)據(jù)，利用電流過(guò)載能力指標(biāo)的四要素原則和等效電流系數(shù)KC法［3］得出ACS800系列和6SE70系列變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)一覽表如表3所示。

通過(guò)表3可以發(fā)現(xiàn)，ACS800系列變流器的平均電流過(guò)載能力和6SE70系列變流器的平均電流過(guò)載能力相比具有如下兩大特點(diǎn)：1）按輕負(fù)載應(yīng)用時(shí)的工況考慮，前者的平均電流過(guò)載能力指標(biāo)是后者的95.07%～99.50%（其算術(shù)平均值是97.53%），偏弱；2）按重負(fù)載應(yīng)用時(shí)的工況考慮，前者的平均電流過(guò)載能力指標(biāo)只有后者的79.33%～90.03%（其算術(shù)平均值是84.58%），明顯弱勢(shì)。因此，ACS800系列變流器的平均電流過(guò)載能力要明顯弱于6SE70系列變流器。

表3 ACS800系列和6SE70系列變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)一覽表Tab.3 Current overload capability indexes of ACS800series and 6SE70series converters

續(xù)表3

據(jù)筆者統(tǒng)計(jì)，表3中979個(gè)樣本中有65個(gè)樣本存在1.1IL＞1.5IH的情況，這是一種缺陷。SINAMICS傳動(dòng)家族中的所有產(chǎn)品都不存在這種缺陷，這是一種進(jìn)步。對(duì)于ACS800系列變流器來(lái)說(shuō)，其最大過(guò)載電流I1max＝max（1.5IH，1.1IL），而對(duì)于SINAMICS S120系列變流器來(lái)說(shuō)，其最大過(guò)載電流I1max＝1.5IH。

4 ACS800系列和SINAMICS傳動(dòng)家族變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)的比較

6SE70／6SE71系列變流器只定義了一種電流過(guò)載能力指標(biāo)；ACS800系列變流器采用雙重定額（即輕載電流IL和重載電流IH），定義了2種電流過(guò)載能力指標(biāo)（不包括對(duì)Imax的定義），其中ACS800－04P則只定義了1種電流過(guò)載能力指標(biāo)；SINAMICS S120系列變流器最多則定義了多達(dá)7種電流過(guò)載能力指標(biāo)。對(duì)電流過(guò)載能力指標(biāo)的定義過(guò)于繁復(fù)是不利于設(shè)計(jì)者正確選型的，且易于出現(xiàn)電流值不匹配的各種缺陷。

ACS800系列變流器基于輕載電流IL定義的電流過(guò)載能力指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的等效電流系數(shù)KCL基本上都大于基于重載電流IH定義的電流過(guò)載能力指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的等效電流系數(shù)KCH，顯得比較齊整，其中僅有的6種例外產(chǎn)品情況如表4所示。順便指出，Siemens SINAMICS傳動(dòng)家族變流器基于輕載電流IL和重載電流IH定義的電流過(guò)載能力指標(biāo)就沒(méi)有這種規(guī)律性可尋，顯得比較凌亂。

表4 ACS800系列變流器中等效電流系數(shù)KCL＞KCH的例外產(chǎn)品情況Tab.4 Exception of equivalent current coefficient KCL＞KCHof ACS800series converters

在進(jìn)行電流過(guò)載能力指標(biāo)的對(duì)比研究時(shí)，需要特別注意各變流器生產(chǎn)商對(duì)各種輸出電流定義的差別。在此著重指出，ACS800系列和S120系列變流器關(guān)于最大輸出電流的定義存在著實(shí)質(zhì)性的差異：ACS800系列變流器中的Imax只能在啟動(dòng)時(shí)（即冷狀態(tài)下）持續(xù)10s，其他情況由傳動(dòng)溫度來(lái)決定其運(yùn)行時(shí)間；S120系列裝機(jī)裝柜型變頻器和逆變器的Imax則可以在基本負(fù)載電流為0.7IN時(shí)每60s持續(xù)10s。

通過(guò)收集整理和分析ACS800系列和SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流（200V≤額定輸出線電壓≤690V）變流器同類或相似產(chǎn)品在相同或相近工況下的等效電流系數(shù)KC的均值，得出ACS800系列和SINAMICS傳動(dòng)家族變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)比較表如表5所示。

通過(guò)表5可以發(fā)現(xiàn)，除了ACS800DSU的平均電流過(guò)載能力比S120BLM略強(qiáng)以外（實(shí)際上DSU和BLM的可比性不強(qiáng)，因?yàn)榍罢呤遣捎枚O管整流，而后者主要是采用晶閘管整流，DSU的檔次則低于BLM），其余ACS800系列變流器的電流過(guò)載能力都要弱于SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流變流器。ACS800系列變流器的平均電流過(guò)載能力指標(biāo)是SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流變流器的82.90%～102.67%（其算術(shù)平均值是91.24%），故以下3種常用系列變流器平均電流過(guò)載能力指標(biāo)的強(qiáng)弱排序依次是：6SE70＞S120＞ACS800。

表5 ACS800系列和SINAMICS傳動(dòng)家族變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)比較表Tab.5 Compare of current overload capability indexes of ACS800series and SINAMICS drive family＇s converters

續(xù)表5

5 ACS800系列和SINAMICS傳動(dòng)家族變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)的缺陷分析

如果變流器的額定電流統(tǒng)一定義為其允許長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的輸出電流，且變流器長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行于此額定電流時(shí)，它不再具有過(guò)載能力，那么變流器各種輸出電流之間就應(yīng)該同時(shí)滿足以下2個(gè)約束條件：1）IH＜IL＜IN＜IS6＜Imax；2）I2＜IN＜I1≤Imax，其中I2是變流器的基本負(fù)載電流，I1是變流器的過(guò)載電流。變流器各輸出電流值一般是指在環(huán)境溫度為40℃時(shí)的數(shù)值。第1個(gè)約束條件一般由變流器技術(shù)樣本上的技術(shù)數(shù)據(jù)來(lái)保證；第2個(gè)約束條件一般由定義電流過(guò)載能力指標(biāo)時(shí)來(lái)保證，其中的I2＜IN和IN＜Imax比較容易得到滿足，但若不注意各輸出電流值之間的相互匹配，就很容易產(chǎn)生各類不合理的缺陷。本文中將I1＜IN的不合理情況稱為第1類缺陷，將I1＞Imax的不合理情況稱為第2類缺陷。

ACS800系列變流器對(duì)IL和IH的定義分別是：基于基本負(fù)載電流IL，允許以1.10IL在5min內(nèi)運(yùn)行1min；基于基本負(fù)載電流IH，允許以1.50IH在5min內(nèi)運(yùn)行1min。IN則是變流器可以長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的輸出電流額定值，故1.10IL和1.50IH之值只能都大于IN，否則對(duì)IL和IH的定義就沒(méi)有任何意義。表6反映了ACS800系列變流器技術(shù)樣本上各輸出電流值所存在的第1類缺陷的情況（表中未列出1.10IL＝IN和1.50IH＝IN的臨界情況，嚴(yán)格意義上說(shuō)這種臨界情況也是一種缺陷），未見(jiàn)其存在第2類缺陷的情況（因Imax只能在啟動(dòng)時(shí)持續(xù)10s，其定義值偏大）。消除此類缺陷的方法有二：一是適當(dāng)降低IN的值，二是適當(dāng)提高IL和／或IH的值。

筆者根據(jù)上述理論和分析方法，對(duì)ACS800系列變流器的各種輸出電流進(jìn)行了仔細(xì)校核，發(fā)現(xiàn)了ABB公司中英文技術(shù)樣本上所存在的一些原始電流值錯(cuò)誤，現(xiàn)舉3例：1）對(duì)于逆變器模塊ACS800－104－0390－3，2009年中文版和2008年英文版技術(shù)樣本上均標(biāo)注IN＝656A，此時(shí)1.1IL／IN＝1.1×542／656＝90.88%＜100%，1.5IH／IN＝1.5×423／656＝96.72%＜100%，顯然不合理，實(shí)際上“656A”系“565A”之誤。2）對(duì)于逆變器模塊ACS800－104－0075－7，2009 年中文版技術(shù)樣本上標(biāo)注IN＝65A，IL＝66A，IL＞IN，顯然不合理，2008年英文版技術(shù)樣本上標(biāo)注IN＝69A，IL＝66 A是正確的。3）對(duì)于逆變器柜 ACS800－107－0105－3，2009年中文版技術(shù)樣本上標(biāo)注IN＝147 A，IH＝ 156A，IH＞IN， 顯 然 不合理，2010年英文版技術(shù)樣本上標(biāo)注IN＝147A，IH＝110A是正確的。上述3條內(nèi)容已得到ABB公司有關(guān)技術(shù)專家的確認(rèn)，且第1項(xiàng)內(nèi)容在ABB公司2010年英文版技術(shù)樣本上已得到更正。

表6 ACS800系列變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)缺陷表Tab.6 Defects of current overload capability indexes of ACS800series converters

變流器允許的最大輸出電流值Imax是一條“紅線”，變流器的各種實(shí)際過(guò)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。表7和表8反映了SINAMICS傳動(dòng)家族低壓交流變流器技術(shù)樣本上各輸出電流值所存在的第2類缺陷（即I1＞Imax）的情況（I1＝Imax的臨界情況并不是缺陷），未見(jiàn)其存在第1類缺陷的情況（與ACS800相比是一種進(jìn)步）。消除此類缺陷的方法亦有二：一是適當(dāng)提高Imax的值，二是適當(dāng)降低IL和／或IH的值。

表7 S120系列BLM／ALM整流模塊電流過(guò)載能力指標(biāo)缺陷表Tab.7 Defects of current overload capability indexes of S120series BLM／ALM

表8 SINAMICS傳動(dòng)家族變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)缺陷表Tab.8 Defects of current overload capability indexes of SINAMICS drive family′s converters

續(xù)表8

需要著重指出，因SINAMICS G120和G120P系列變頻器將輕載電流IL和額定電流IN混為一談（相當(dāng)于被降容使用），它們存在I1＞Imax的缺陷情況比較普遍且嚴(yán)重。在G120 PM240／PM250模塊不超過(guò)90kW的52個(gè)樣本中，存在1.5IL＞Imax和2IL＞Imax的缺陷情況分別有3個(gè)（詳見(jiàn)表8）和41個(gè)（相應(yīng)的最小值為73.33%），在大于90kW 的5個(gè)樣本中，存在1.36IL＞Imax，1.5IL＞Imax和1.6IL＞Imax的缺陷情況分別有3個(gè)、3個(gè)（詳見(jiàn)表8）和5個(gè)（相應(yīng)的最小值為77.57%）；在G120PM260模塊的12個(gè)樣本中，存在1.4IL＞Imax，1.5IL＞Imax和2IL＞Imax的缺陷情況分別有2個(gè)、8個(gè)和12個(gè)（相應(yīng)的最小值為67.74%）；在G120P系列變頻器的40個(gè)樣本中，全部存在2IL＞Imax的缺陷情況（相應(yīng)的最小值為75.00%）。

6 結(jié)論

利用文中所論述的基本原理和分析方法，可以分析和比較出任何變流器的各種電流過(guò)載能力指標(biāo)的強(qiáng)弱。各傳動(dòng)產(chǎn)品生產(chǎn)商在提供變流器的各種輸出電流值時(shí)應(yīng)特別注意其相互之間的協(xié)調(diào)性、匹配性和約束條件，否則就很容易顧此失彼而產(chǎn)生各類不合理的缺陷。

變流器的電流過(guò)載能力指標(biāo)是其重要的性能參數(shù)，為了規(guī)范和統(tǒng)一其有關(guān)主要性能參數(shù)（如額定容量、額定電壓、額定電流、基本負(fù)載電流、最大輸出電流和電流過(guò)載能力指標(biāo)四要素等，其中負(fù)載周期T現(xiàn)國(guó)內(nèi)外普遍采用的典型值是300s）的定義，建議在相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（如GB 12668：《調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)》）中增加這方面的內(nèi)容，這樣做將有益于應(yīng)用設(shè)計(jì)者正確合理地選用各種變流器。

［1］朱安遠(yuǎn).ABB ACS800系列和Siemens 6SE70系列工程型變流器的比較研究［J］.冶金自動(dòng)化，2012，36（S1）：534－538.

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

［3］朱安遠(yuǎn).SINAMICS傳動(dòng)家族變流器電流過(guò)載能力指標(biāo)剖析［J］.電氣傳動(dòng)，2012，42（7）：34－40.

［4］ABB.ABB Industrial Drives ACS800，Multidrives 1.1to 5 600kW［Z］.Catalog 3AFE68248531，2011.

［5］ABB.ABB工業(yè)傳動(dòng)ACS800，多傳動(dòng)，1.1－5 600kW［Z］.技術(shù)樣本3ABD00013715，2009.

［6］ABB.ABB Industrial Drives ACS800，Drives Modules 0.55to 2 900kW［Z］.Catalog 3AFE68404592，2010.

［7］ABB.ABB Industrial Drives ACS800，Single Drives 0.55 to 5 600kW［Z］.Catalog 3AFE68375126，2010.

［8］ABB.ABB工業(yè)傳動(dòng) ACS800單傳動(dòng)，0.55至2 800kW［Z］.產(chǎn)品樣本3ABD00009726，2009.

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