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

（北京金自天正智能控制股份有限公司 市場營銷部，北京 100070）

1 引言

ABB ACS800系列和Siemens 6SE70系列（現正由SINAMICS S120系列和G120系列逐步替代）工程型變流器是工業上（尤其是冶金工業上）應用最為廣泛的兩種變流器，其各自的技術特點、性能指標和異同點詳見參考文獻［1］。Siemens公司現正積極地推出SINAMICS傳動家族新產品，參考文獻［2－3］分別對6SE70／6SE71系列和SINAMICS傳動家族低壓交流（200V≤額定輸出線電壓≤690V）變流器的電流過載能力指標進行了系統地分析和研究，更深一步地對ACS800系列和SINAMICS傳動家族低壓交流變流器的電流過載能力指標進行研究和對比，并指出它們在電流過載能力指標定義方面所存在的缺陷，對在實際應用工作中科學合理地選擇好各種變流器具有重要參考意義。

ACS800系列和SINAMICS傳動家族低壓交流變流器在各自的產品目錄或技術樣本中使用了不同的物理量代號，為了避免引起混亂，首先有必要對其物理量的代號進行統一，詳見表1。

表1 ACS800系列和SINAMICS傳動家族低壓交流變流器物理量代號統一表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特點

ACS800系列工程型變流器的輸入電壓等級不高于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）、單傳動變頻器模塊和多傳動逆變器模塊5大類，其中DSU和TSU又分為6脈波和12脈波整流兩類。其典型外形結構可分為壁掛型（ACS800－01／11／31系列）、落地柜型（即書架型，ACS800－02系列）、模塊型（相當于S120的模塊型和裝機裝柜型，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系列變流器的構成詳見表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品有：1）書本型 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系列變流器的構成Tab.2 Component of ACS800series converters

續表2

S120系列智能型整流模塊SLM都是選用IGBT（與其并聯的續流二極管和IGBT封裝集成在一起，起整流和反向保護作用）作為整流功率元件（由二極管整流橋來完成）和回饋功率元件（由IGBT來完成，它工作于可關斷晶閘管GTO狀態）的，具有100%的回饋功能，但母線電壓不可以調節，屬非調節型整流模塊。S120SLM的檔次介于ACS800TSU和ISU（由IGBT來完成整流和回饋，其直流母線電壓可調）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整流橋來完成）和回饋功率元件（由可控IGBT來完成）的，具有100%的回饋功能，且母線電壓可以調節，屬調節型整流模塊，即使電網電壓有一定的波動它也能保持直流母線電壓的穩定。ALM必須和有源接口模塊AIM（active interface module）配套使用，它還可對有功電流與無功電流進行矢量控制，從而實現無功功率補償和得到一個最佳的綜合功率因數。S120ALM的檔次則與6SE70AFE（active front end，一般譯為主動前端）和ACS800 ISU相當。

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

在電網電壓瞬時跌落或故障時，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中的有關產品）就不具有此功能，從而可能會引發相關事故。日本TMEIC（東芝三菱電機產業系統株式會社）TMdrive－10e2T10系列晶閘管整流回饋單元依靠提高其進線交流電壓的方式（如3AC 460V級的進線電壓為AC 680V和3AC 690V級的進線電壓為AC 990V）來省去自耦變壓器和克服逆變顛覆的缺點，雖有其獨到之處，但也要付出一些代價（如電動機絕緣需要加強、因晶閘管處于深控狀態而功率因數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種負載持續率可供選擇）則相當于ACS800TSU系列產品（有全回饋和非全回饋2種回饋型式）。

面對用戶開放的控制平臺、內部開關量功能互連（BICO，binector connector）技術和功能圖的系統結構描述是Siemens公司傳動產品獨有的3大技術特點和優勢。

3 ACS800系列工程型變流器電流過載能力指標的分析

變流器的等效電流系數KC與其電流過載能力指標的四要素（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）密切相關，與其額定電流IN并無直接關聯。等效電流系數KC直接反映了變流器電流過載能力指標的強弱，其具體的物理含義是：當KC≤1時，表示變流器不具有超過其額定電流連續長時間運行的能力，大多數變流器就是這樣情況，其中KC＝1時表示變流器電流過載能力指標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KC＞1時，表示理論上變流器具有超過一定的其額定電流連續長時間運行的能力，主要適用于大多數風機水泵類流體負載變轉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載能力指標定義方式最為單一，且嚴密而科學，故本文仍以其作為電流過載能力指標比較的基準值。通過收集整理和分析ABB ACS800系列變流器產品目錄或技術樣本［4－8］上的有關數據，利用電流過載能力指標的四要素原則和等效電流系數KC法［3］得出ACS800系列和6SE70系列變流器電流過載能力指標一覽表如表3所示。

通過表3可以發現，ACS800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兩大特點：1）按輕負載應用時的工況考慮，前者的平均電流過載能力指標是后者的95.07%～99.50%（其算術平均值是97.53%），偏弱；2）按重負載應用時的工況考慮，前者的平均電流過載能力指標只有后者的79.33%～90.03%（其算術平均值是84.58%），明顯弱勢。因此，ACS800系列變流器的平均電流過載能力要明顯弱于6SE70系列變流器。

表3 ACS800系列和6SE70系列變流器電流過載能力指標一覽表Tab.3 Current overload capability indexes of ACS800series and 6SE70series converters

續表3

據筆者統計，表3中979個樣本中有65個樣本存在1.1IL＞1.5IH的情況，這是一種缺陷。SINAMICS傳動家族中的所有產品都不存在這種缺陷，這是一種進步。對于ACS800系列變流器來說，其最大過載電流I1max＝max（1.5IH，1.1IL），而對于SINAMICS S120系列變流器來說，其最大過載電流I1max＝1.5IH。

4 ACS800系列和SINAMICS傳動家族變流器電流過載能力指標的比較

6SE70／6SE71系列變流器只定義了一種電流過載能力指標；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種電流過載能力指標（不包括對Imax的定義），其中ACS800－04P則只定義了1種電流過載能力指標；SINAMICS S120系列變流器最多則定義了多達7種電流過載能力指標。對電流過載能力指標的定義過于繁復是不利于設計者正確選型的，且易于出現電流值不匹配的各種缺陷。

ACS800系列變流器基于輕載電流IL定義的電流過載能力指標所對應的等效電流系數KCL基本上都大于基于重載電流IH定義的電流過載能力指標所對應的等效電流系數KCH，顯得比較齊整，其中僅有的6種例外產品情況如表4所示。順便指出，Siemens SINAMICS傳動家族變流器基于輕載電流IL和重載電流IH定義的電流過載能力指標就沒有這種規律性可尋，顯得比較凌亂。

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

在進行電流過載能力指標的對比研究時，需要特別注意各變流器生產商對各種輸出電流定義的差別。在此著重指出，ACS800系列和S120系列變流器關于最大輸出電流的定義存在著實質性的差異：ACS800系列變流器中的Imax只能在啟動時（即冷狀態下）持續10s，其他情況由傳動溫度來決定其運行時間；S120系列裝機裝柜型變頻器和逆變器的Imax則可以在基本負載電流為0.7IN時每60s持續10s。

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

通過表5可以發現，除了ACS800DSU的平均電流過載能力比S120BLM略強以外（實際上DSU和BLM的可比性不強，因為前者是采用二極管整流，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載能力都要弱于SINAMICS傳動家族低壓交流變流器。ACS800系列變流器的平均電流過載能力指標是SINAMICS傳動家族低壓交流變流器的82.90%～102.67%（其算術平均值是91.24%），故以下3種常用系列變流器平均電流過載能力指標的強弱排序依次是：6SE70＞S120＞ACS800。

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

續表5

5 ACS800系列和SINAMICS傳動家族變流器電流過載能力指標的缺陷分析

如果變流器的額定電流統一定義為其允許長期連續運行的輸出電流，且變流器長期連續運行于此額定電流時，它不再具有過載能力，那么變流器各種輸出電流之間就應該同時滿足以下2個約束條件：1）IH＜IL＜IN＜IS6＜Imax；2）I2＜IN＜I1≤Imax，其中I2是變流器的基本負載電流，I1是變流器的過載電流。變流器各輸出電流值一般是指在環境溫度為40℃時的數值。第1個約束條件一般由變流器技術樣本上的技術數據來保證；第2個約束條件一般由定義電流過載能力指標時來保證，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IL和IH的定義分別是：基于基本負載電流IL，允許以1.10IL在5min內運行1min；基于基本負載電流IH，允許以1.50IH在5min內運行1min。IN則是變流器可以長期連續運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IL和IH的定義就沒有任何意義。表6反映了ACS800系列變流器技術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，嚴格意義上說這種臨界情況也是一種缺陷），未見其存在第2類缺陷的情況（因Imax只能在啟動時持續10s，其定義值偏大）。消除此類缺陷的方法有二：一是適當降低IN的值，二是適當提高IL和／或IH的值。

筆者根據上述理論和分析方法，對ACS800系列變流器的各種輸出電流進行了仔細校核，發現了ABB公司中英文技術樣本上所存在的一些原始電流值錯誤，現舉3例：1）對于逆變器模塊ACS800－104－0390－3，2009年中文版和2008年英文版技術樣本上均標注IN＝656A，此時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，實際上“656A”系“565A”之誤。2）對于逆變器模塊ACS800－104－0075－7，2009 年中文版技術樣本上標注IN＝65A，IL＝66A，IL＞IN，顯然不合理，2008年英文版技術樣本上標注IN＝69A，IL＝66 A是正確的。3）對于逆變器柜 ACS800－107－0105－3，2009年中文版技術樣本上標注IN＝147 A，IH＝ 156A，IH＞IN， 顯 然 不合理，2010年英文版技術樣本上標注IN＝147A，IH＝110A是正確的。上述3條內容已得到ABB公司有關技術專家的確認，且第1項內容在ABB公司2010年英文版技術樣本上已得到更正。

表6 ACS800系列變流器電流過載能力指標缺陷表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），否則就有可能損毀變流器，至少會使變流器的故障率提高或嚴重影響其正常使用壽命。表7和表8反映了SINAMICS傳動家族低壓交流變流器技術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），未見其存在第1類缺陷的情況（與ACS800相比是一種進步）。消除此類缺陷的方法亦有二：一是適當提高Imax的值，二是適當降低IL和／或IH的值。

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

表8 SINAMICS傳動家族變流器電流過載能力指標缺陷表Tab.8 Defects of current overload capability indexes of SINAMICS drive family′s converters

續表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（相當于被降容使用），它們存在I1＞Imax的缺陷情況比較普遍且嚴重。在G120 PM240／PM250模塊不超過90kW的52個樣本中，存在1.5IL＞Imax和2IL＞Imax的缺陷情況分別有3個（詳見表8）和41個（相應的最小值為73.33%），在大于90kW 的5個樣本中，存在1.36IL＞Imax，1.5IL＞Imax和1.6IL＞Imax的缺陷情況分別有3個、3個（詳見表8）和5個（相應的最小值為77.57%）；在G120PM260模塊的12個樣本中，存在1.4IL＞Imax，1.5IL＞Imax和2IL＞Imax的缺陷情況分別有2個、8個和12個（相應的最小值為67.74%）；在G120P系列變頻器的40個樣本中，全部存在2IL＞Imax的缺陷情況（相應的最小值為75.00%）。

6 結論

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載能力指標的強弱。各傳動產品生產商在提供變流器的各種輸出電流值時應特別注意其相互之間的協調性、匹配性和約束條件，否則就很容易顧此失彼而產生各類不合理的缺陷。

變流器的電流過載能力指標是其重要的性能參數，為了規范和統一其有關主要性能參數（如額定容量、額定電壓、額定電流、基本負載電流、最大輸出電流和電流過載能力指標四要素等，其中負載周期T現國內外普遍采用的典型值是300s）的定義，建議在相關國家標準（如GB 12668：《調速電氣傳動系統》）中增加這方面的內容，這樣做將有益于應用設計者正確合理地選用各種變流器。

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