DCS800系列變流器電流過載能力指標剖析

朱安遠

（北京金自天正智能控制股份有限公司市場營銷中心，北京 100070）

DCS800系列變流器電流過載能力指標剖析

朱安遠

（北京金自天正智能控制股份有限公司市場營銷中心，北京 100070）

利用自己提出的描述電流過載能力指標的四要素原則和等效電流系數(shù)KC法系統(tǒng)地分析和研究了ABB公司DCS800系列變流器在各種不同工況下的電流過載能力指標，發(fā)現(xiàn)該系列變流器的電流過載能力指標全面小于交流傳動系統(tǒng)中的Siemens公司6SE70系列工程型變流器的電流過載能力指標，給出了市場上幾種重要交直流變流器的平均電流過載能力指標的序次，這對于在實際工程應用設計中科學合理地選用各種變流器具有重要意義。

DCS800系列變流器；6SE70系列工程型變流器；電流過載能力指標；等效電流系數(shù)；基本負載電流；缺陷理論

1 引言

Siemens公司6SE70/6SE71系列工程型變流器（其升級替代產品主要是SINAMICS傳動家族變流器中的S120和G120）是低壓交流（200 V≤額定輸出線電壓≤690 V）調速傳動中的國際知名品牌，它以技術先進、性能優(yōu)良、電流過載能力指標高、適應外部環(huán)境能力強、可靠性好和易維護而著稱于世。在低壓交流調速傳動系統(tǒng)中，有關 Siemens 6SE70、Siemens SINAMICS S120和ABB ACS800三大知名品牌的各自技術特點、性能指標和異同點見文獻［1-2］，其逆變器輸入側內置快熔的情況見文獻［3］。

6SE70系列變流器曾是中國工業(yè)（尤其是冶金工業(yè)）市場上占有率最高的低壓交流調速傳動產品，它對電流過載能力指標的定義最為單一，嚴密而科學，故文獻［4-9］都采用它做為電流過載能力指標對比量化研究的參照系。因6SE70全系列變流器只統(tǒng)一定義了一種電流過載能力指標方式（筆者稱之為統(tǒng)一定義模式），根據管理學中的短板效應（又稱木桶效應）可以判斷出它對電流過載能力指標的定義是比較保守的［10］，這樣做的缺點是需要增加制造成本，對提高其市場競爭力不利。鑒此，其替代新系列產品SIN-AMICS傳動家族變流器跟進ABB公司的ACS800系列變流器，全面更新了對電流過載能力指標的定義模式（筆者稱之為單變流器定義模式），即針對某系列變流器先定義1～7種電流過載能力方式（基于ACS800系列變流器，不考慮它對最大輸出電流Imax的定義，除ACS800-04P只定義了1種電流過載能力方式以外，其余全系列變流器都統(tǒng)一定義了2種電流過載能力方式［6］），然后再給出該系列下每一臺變流器在各種不同工況下的基本負載電流值和/或過載電流值。這樣做信息更為全面，且兼顧個性化，故最為科學合理。

工業(yè)上生產機械設備的種類繁多，性能和工藝要求各異，盡管其轉矩特性是復雜的（大體上可分為恒轉矩CT、變轉矩VT和恒功率CP負載3大類，變流器的選型自然應以機械設備的負載特性為基本依據），通常不具備理想狀態(tài)下描述電流過載能力指標的四要素特性，但采用最不利原則（即按最繁重的一段工作負載考慮），總可以將其歸納為等效重復性工作制并按四要素原則來描述其轉矩特性［11］。

筆者利用描述電流過載能力指標的四要素原則和等效電流系數(shù)KC法系統(tǒng)地分析和研究了低壓交流調速傳動系統(tǒng)中各種變流器的電流過載能力指標［5］，其核心內容是提出描述電流過載能力指標的四要素原則和推導出等效電流系數(shù)KC法的計算公式，并指出這種方法具有普適性（也就是說它適用于交直流傳動系統(tǒng)中的各種變流器）。本文將繼續(xù)應用此方法來全面地研究和分析ABB公司DCS800系列低壓全數(shù)字直流調速裝置（以下簡稱為DCS800系列變流器）的各種電流過載能力指標。

2 DCS800系列變流器概況

在分析研究DCS800系列變流器的電流過載能力指標之前，首先很有必要對該系列產品的概況做些了解。

2006年ABB公司在中國市場上推出了新一代DCS800系列變流器（DCS550-S系列是DCS800-S系列的簡化版），它包括DCS800-S系列模塊型變流器（其防護等級是IP00，外形尺寸有D1～D7 7種）和DCS800-A系列柜體成套型變流器（其防護等級是IP20/21/31/41）兩大類，其輸入電壓范圍是3相AC 230×（1±0.1）～1 200×（1±0.1）V，頻率是50×（1±0.02）/60×（1±0.02）Hz，輸出電壓范圍是DC240～1 380V，單模塊最大輸出電流達5200A，柜體成套型最大可實現(xiàn)5 200 A兩并，實際應用最大可到5 200 A 4并。DCS800系列變流器集成了以下4種產品的各自優(yōu)點：1）前一代產品DCS600系列變流器（由DCS500系列和DCV700系列升級而來）的所有控制特性和兼容性；2）DCS400系列（由DCS401和DCS402系列組成）變流器（屬低端產品）的簡易性；3）DCS500B系列（由DCS501B和DCS502B系列組成）變流器的可編程性；4）與低壓交流傳動產品ACS800系列變流器的通用可選件。此外，DCS家族變流器還包括DCS800-E系列預裝傳動組件和DCS800-R改造組件（即現(xiàn)有功率部分的數(shù)字控制組件）。DCS800系列變流器具有以下高級直流運行模式：12脈并聯(lián)主從同步控制、12脈串聯(lián)主從同步控制、順序控制和三明治結構（sandwich con-figuration）等。DCS800系列變流器的輸入和輸出電壓等級情況見表1。

變流器的電流過載能力與其通風冷卻方式和額定損耗密切相關，變流器的冷卻效率高則其相對電流過載能力就強［12］，電流過載能力越大則其額定損耗就越大。參見表2，DCS800-S系列變流器的額定損耗系數(shù)在0.401%～1.183%之間，全系列總的額定損耗系數(shù)是0.575%；參見表3，DCS800-A系列變流器的額定損耗系數(shù)在0.455%～6.905%之間，全系列總的額定損耗系數(shù)是0.760%。顯然，DCS800-A系列變流器的額定損耗要大于DCS800-S系列變流器，同電壓等級和同容量的4象限（雙橋反并聯(lián)）變流器的額定損耗要大于單象限（單橋）變流器。

表1 DCS800系列變流器的電壓等級Tab.1 Voltage level of DCS800 series converters

表2 DCS800-S系列模塊型變流器的額定損耗系數(shù)Tab.2 Rated loss coefficients of DCS800-S series module type converters

表3 DCS800-A系列柜體成套型變流器的額定損耗系數(shù)Tab.3 Rated losses coefficients of DCS800-A series enclosed converters

續(xù)表

3 DCS800系列變流器的基本負載電流

DCS800系列變流器定義的3種基本負載電流如表4所示，它與Siemens公司6RA70/6RM70和6RA80/6RM80系列變流器的定義完全一致。根據定義，顯然應該存在以下的數(shù)學關系式：

從嚴格意義上來說，上式中出現(xiàn)等號的臨界情況都是不應該的，否則至少是一種瑕疵。

表4 DCS800系列變流器基本負載電流的定義Tab.4 Definitions of basic load current of DCS800 series converters

DCS800系列變流器并不像6RA70/6RA80那樣由參數(shù)P067/P50067來設定負載級別，其負載級別（過載電流）不在參數(shù)中設置，只是在選型時用于計算變流器是否滿足實際需求。

DCS800系列變流器的各種電流值是基于環(huán)境溫度不高于40℃，海拔不高于1 000 m而給出的。如果環(huán)境溫度低于40℃或實際負載為周期性負載，可借助于DriveSize PC選型工具軟件來進行精確選型。

DCS800-S/A系列變流器基本負載電流與額定輸出電流的比值范圍見表5和表6。

基于變流器電流過載能力指標的缺陷理論是筆者在文獻［6］中所提出的，據此可判定DCS800系列變流器存在的缺陷情況如下：1）在表5中，最小過載電流值1.5IDCⅢ/IdN=1.045＞1.00；在表6中，最小過載電流值1.5IDCⅢ/IdNC=0.975＜1.00。顯然，DCS800-S系列變流器不存在過載電流I1＜IdN的第1類缺陷，而DCS800-A系列變流器則存在第1類缺陷。2）在表5中，最大過載電流值 2IDCⅣ/IdN=1.800；在表 6 中，最大過載電流值2IDCⅣ/IdNC=1.636。盡管未見DCS800-S/A系列變流器對最大輸出電流Imax的明確定義（文獻［13］P70只提及了Imax，并未給出其具體含義），但只要定義其最大輸出電流不大于其額定輸出電流的1.8倍（與6RA70/80系列變流器的定義相一致），就不會存在過載電流I1＞Imax的第2類缺陷。

表5 DCS800-S系列變流器基本負載電流與額定輸出電流的比值Tab.5 Ratioes of basic load current to rated output current of DCS800-S series converters

表6DCS800-A系列變流器基本負載電流與額定輸出電流的比值Tab.6 Ratioes of basic load current to rated output current of DCS800-A series converters

4 DCS800系列變流器電流過載能力指標的分析

描述變流器電流過載能力指標的四要素是過載電流百分比I1/IN、基本負載電流百分比I2/IN、過載時間t1和負載周期T（現(xiàn)國內外普遍采用的典型值是300 s），它們是缺一不可的，且四要素已足夠。在通常情況下，變流器的額定電流IN只有一種，其基本負載電流則可能有多種（如SINAMICS S120系列工程型變流器中的IH、IL、0.70IN和IN等）。

一個負載周期（T）內等效電流系數(shù)KC的計算公式可用上述四要素表示如下［5］：

等效電流系數(shù)KC的引入便于對各種變流器的電流過載能力指標進行定量的系統(tǒng)分析和對比。

筆者收集整理了DCS800系列變流器在各種不同工況下的有關數(shù)據［13-17］，利用描述電流過載能力指標的四要素原則和等效電流系數(shù)KC法分析得出DCS800-S/A系列變流器和6SE70系列變流器電流過載能力指標一覽表見表7和表8。

表7 DCS800-S系列變流器和6SE70系列變流器電流過載能力指標一覽表Tab.7 Current overload capability indexes of DCS800-S series and 6SE70 series converters

表8 DCS800-A系列變流器和6SE70系列變流器電流過載能力指標一覽表Tab.8 Current overload capability indexes of DCS800-A series and 6SE70 series converters

在表7中，DCS800-S系列變流器的等效電流系數(shù)KC均值與6SE70系列變流器的KC值之比的相對值范圍在71.94%～83.29%之間，其算術平均值是78.09%（介于ABB ACS800系列和Siemens 6RA70/80系列之間，其值略大于后者的相應數(shù)據）。在表8中，DCS800-A系列變流器的等效電流系數(shù)KC均值與6SE70系列變流器的KC值之比的相對值范圍在68.78%～80.86%之間，其算術平均值是75.59%（稍小于6RA70/80系列中的相應數(shù)據）。

文獻［18］利用DCS800系列變流器對基本負載電流IDCII的定義來校驗變流器的選型是否得當是一個典型的實際工程應用案例，盡管文中提及的DCS800-S02-4000-04/05變流器的IDCII=2 991 A（筆者認為應該為2 977 A）來由不明，但這種嘗試仍很具參考價值。

5 結論

通過表7和表8可以發(fā)現(xiàn)，DCS800-S/A系列變流器的電流過載能力指標全面小于6SE70系列工程型變流器的電流過載能力指標。筆者量化后綜合得出的以下各系列變流器的平均電流過載能力指標按從大到小依次排序是：Siemens MM4＞Siemens 6SE70＞Siemens S120＞ABB ACS800＞ABB DCS800-S＞Siemens 6RA80（≈Siemens 6RA70）＞ABB DCS800-A。

因原裝進口大容量全數(shù)字直流調速裝置的價格很高，國內在實際工程應用中常代之“以小拖大”的模式，即控制系統(tǒng)采用原裝進口小容量裝置的全數(shù)字控制系統(tǒng)，功率單元采用國產功率柜，可取得高性價比的良好效果［19］。

DCS800系列變流器將模塊型和柜體成套型變流器的電流過載情況截然分開（有別于Siemens 6RA70/6RM70和6RA80/6RM80系列變流器），單獨分別給出其額定電流值和各種過載電流值，這是其顯著優(yōu)點，因柜體成套型變流器與實際工程應用情況最為接近，故其參考應用價值最大。但與6RA70/80系列變流器相比，DCS800系列變流器對電流過載能力指標的定義略顯粗糙（未定義電流過載能力方式 II和方式 III［7-8］），缺乏系統(tǒng)性和嚴密性。對此問題筆者將另撰專文予以全面闡述。

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

［2］ 朱安遠，胡宇.ABB ACS800系列和Siemens S120系列工程型變流器的比較研究［A］.冶金自動化研究設計院.百舸爭流競千帆跨越發(fā)展續(xù)新篇——中國鋼研科技集團有限公司60周年華誕暨冶金自動化研究設計院建院40周年論文集［C］.北京：冶金工業(yè)出版社，2012：54-60.

［3］ 朱安遠.關于在逆變器輸入側是否加裝外置快熔的探討［J］.冶金自動化，2012，36（S2）：485-489.

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

［5］ 朱安遠.SINAMICS傳動家族變流器電流過載能力指標剖析［J］.電氣傳動，2012，42（7）：34-40.

［6］ 朱安遠.ACS800系列和SINAMICS傳動家族變流器電流過載能力指標的比較研究［J］.電氣傳動，2012，42（11）：42-50.

［7］ 朱安遠.6RA70系列直流調速裝置電流過載能力指標剖析［J］.冶金自動化，2013，37（S1）：507-515.

［8］ 朱安遠.6RA80系列變流器電流過載能力指標剖析［J］.控制工程，2013，20（S0）：209-217.

［9］ 朱安遠，曾可.MM4系列變頻器電流過載能力指標剖析［J］.電氣傳動自動化，2013，35（3）：17-20.

［10］高洪，伍術方.西門子公司變流器過載能力的研究［A］.西門子（中國）有限公司工業(yè)部（Siemens Industry Sector）.2011年西門子自動化專家會議論文集（下冊，Siemens Automa-tion Expert Meeting 2011 Thesis Collection）［C］.北京：機械工業(yè)出版社，2012：1264-1277.

［11］GB/T 12668.6―2011，調速電氣傳動系統(tǒng) 第6部分：確定負載工作制類型和相應電流額定值的導則［S］.

［12］李焦明.改善電機散熱條件，提高過載能力［J］.四川水泥，2001（6）：42.

［13］ABB.DCS800 Drives（20 to 5 200 A）Hardware Manual［Z］.3ADW000194R0601，2008.

［14］ABB.ABB DC Drives DCS800，20 to 5 200 A［Z］.Catalog 3ADW000192R0601，2012.

［15］ABB.DCS800直流傳動（20至 5 200 A）硬件手冊［Z］.3ABD00018962，2009.

［16］ABB.ABB DC Drives DCS800-A，18 A to 9 800/19 600 A，Enclosed Converters［Z］.Flyer 3ADW000213R0301，2009.

［17］ABB.ABB直流傳動DCS800，20 A～5 200 A［Z］.產品樣本3ABD00018959，2010.

［18］何純明.張礦2#副井提升機整流器投標裝置過載能力的驗算校核［A］.第十六屆六省礦山學術交流會論文集［C］.太原：山西省金屬學會，2009：174-176.

［19］田曉斐，劉錚，耿瑩瑩，等.6RA70直流調速系統(tǒng)的擴容改裝［J］.萊鋼科技，2010（4）：73-75.

修改稿日期：2014-05-16

Analysis and Research on Current Overload Capability Index of DCS800 Series Converters

ZHU An-yuan
（Marketing&Sales Center，Beijing AriTime Intelligent Control Co.，Ltd.，Beijing100070，China）

The four key elements and equivalent current coefficientKCof evaluating the current overload capability indexes of converters was invented.By applyed them in analyzing the current overload capability indexes of ABB DCS800 series converters under different working conditions，a conclusion was drawn that it is usually lower than the Siemens 6SE70 series converters.In addition，the ranking of the average current overload capability indexes for the most universally used converters was listed.It might be of some referential significance for the designing and engineering in practical projects.

DCS800 series converter；6SE70 series engineering converter；current overload capability index；equivalent current coefficient；basic load current；defect theory

TM921.1

A

朱安遠（1964-），男，工學學士，高級工程師，Email：1461877797@qq.com

2013-07-14