SINAMICS传动家族变流器电流过载能力指标剖析

朱安远

（北京金自天正智能控制股份有限公司 市场营销部，北京 100070）

SINAMICS传动家族变流器电流过载能力指标剖析

朱安远

（北京金自天正智能控制股份有限公司 市场营销部，北京 100070）

全面而准确地描述变流器电流过载能力指标的四要素是过载电流I1、基本负载电流I2、过载时间t1和负载周期T，它们是缺一不可的，且四要素已足够。等效电流系数KC可作为评判各种变流器在各种不同工况下电流过载能力强弱的一个“金标准”。对SINAMICS传动家族低压交流（200V≤额定输出线电压＜1 000V）变流器的各种电流过载能力指标进行了系统地分析，并将其与6SE70系列工程型变流器的电流过载能力指标进行了对比研究。

电流过载能力指标；等效电流系数；额定电流；基本负载电流；轻载电流；重载电流；过载电流；最大输出电流

1 引言

SINAMICS传动家族变流器是德国西门子（Siemens）公司近几年陆续推出的新产品，它将逐步取代SIMOVERT（以6SE70／6SE71系列交流传动系统为代表）、SIMOREG（以6RA70／6RM70系列直流传动系统为代表）和SIMODRIVE（以6FC55系列交流伺服驱动系统为代表）传动产品。S120／S120CM系列工程型变流器是SINAMICS传动家族中的主导低压交流传动产品，它将逐步取代在中国交流变频调速传动市场上占有率很高的SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70／6SE71系列工程型变流器。与6SE70系列变流器相比，S120系列变流器除在结构上和元器件选型方面有重大变化之外，在电流过载能力指标的定义方面亦有相当大的变化。

2 变流器电流过载能力指标定义的四要素和等效电流系数

变流器的过载能力指标一般是针对其输出电流而言的（少数是针对其输出功率而言的），在输出电压相同的情况下，以输出功率定义过载能力指标和以输出电流定义过载能力指标是等价的。

笔者通过进一步研究发现：用三要素来定义变流器电流过载能力指标仍不够全面［1］，实际上它隐含着I2＝IG＝0.91IN，这只是四要素的一个特例，并不具有普适性。全面而准确地描述变流器电流过载能力指标定义的四要素（参见图1）是：过载电流I1（IN＜I1≤Imax）或过载电流百分比I1／IN、基本负载电流I2（为了更具普适性，在这里用I2来表示）或基本负载电流百分比I2／IN、过载时间t1、负载周期T（其典型值是300s），它们是缺一不可的，且四要素已足够。其中基本负载电流I2并不是可有可无的，因为其大小直接影响到过载电流I1的大小或／和过载时间t1的长短。若变流器长期连续运行在其额定电流附近，则其本身一般并不具有电流过载能力，故有I2＜IN。

图1 描述变流器电流过载能力指标四要素的典型特性图Fig.1 Definition of the four key elements of current overload capability index of converters

根据图1所示，定义一个负载周期（T）内的热量容许值（简称热容值）：

式中：KT为热容值系数。

对于不同的负载周期，热容值系数可做等效换算，即负载周期t情况下的热容值系数Kt可以换算成负载周期T情况下的热容值系数：

一般情况下，可用负载周期为300s的热容值系数K300作为其典型值。热容值系数直接反映了变流器内部的发热情况，它与变流器电流过载能力的强弱密切相关。再根据电流的热等效原理可定义一个负载周期（T）内的等效电流系数KC如下：

等效电流系数KC直接反映了变流器电流过载能力指标的强弱，可推导出等效电流系数和热容值系数的关系式如下：

上式表明等效电流系数KC值的大小与负载周期T的大小无直接关联。

在额定电流IN定义完全相同的情况下，热容值系数KT（Kt）和等效电流系数KC均与产品品牌、产品种类、结构类型、容量大小、电压类型和等级、控制方式等无关，因此等效电流系数KC可作为直接衡量变流器各种电流过载能力指标大小的一个客观的基本标准，它是变流器电流过载能力强弱的一个具体的量化指标。KC值越大则表示变流器的相对电流过载能力越强，反之亦然。

在具体的实际工程应用中，可以利用电流过载能力指标四要素和等效电流系数KC按照以下步骤对所选定的变流器的电流过载能力指标进行校验：1）根据生产机械和工艺要求的负载特性以及所选变流器的额定输出电流计算出其等效电流系数KC1并向上选定与之最接近的变流器的过载能力特性；2）计算出所选变流器在特定过载能力特性下的等效电流系数KC2；3）若KC2≥KC1，则说明所选变流器的电流过载能力指标可以满足要求，否则就要重新选用容量大一级的变流器并重复上述步骤进行再次校验，直到校验通过为止。只有通过这种校验以后，所选变流器才是科学合理的。上述工作以及变流器容量的选定亦可利用Sizer选型配置工具软件来完成。

3 变流器定义的各种输出电流

1）额定电流IN：变流器允许长期连续运行的输出电流。变流器若长期连续运行于IN，一般情况下它就无电流过载能力。

2）基本负载电流I2：一种小于额定电流且使变流器具有一定电流过载能力的输出电流。IG是6SE70／6SE71系列变流器中用于表示基本负载电流的专用符号，该系列变流器仅定义了这一个基本负载电流，且IG＝0.91IN。S120系列变流器定义了轻载电流和重载电流，它们实质上就是两种不同的基本负载电流。

3）轻载电流IL：轻过载应用时变流器的基本负载电流。

4）重载电流IH：重过载应用时变流器的基本负载电流。

5）连续周期工作制S6下的过载电流IS6：连续周期工作制S6是指按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段空载或轻载运行时间，无停机和断能时间，且恒定负载运行时间较短，它不足以使变流器达到热稳定状态。在实际应用中，若负载满足S6工作制的条件，可按IS6来选择变流器的容量，从而可降低所选变流器的容量并提高其利用率。

6）最大输出电流Imax：变流器允许的最大输出电流值（极限值）。此电流值是变流器的一条“红线”，即变流器的各种实际过载电流值在任何情况下都不允许超越此值（即便是短时），否则就有可能损毁变流器，至少会使变流器的故障率提高或严重影响其正常使用寿命。

以上各输出电流值一般是指在环境温度为40℃时的数值。通常情况下，它们之间应该存在着如下的数学关系：IH＜IL＜IN＜IS6＜Imax，严格说它们之间的等号是不应该成立的，否则至少是一种瑕疵。

4 SINAMICS传动家族变流器概述

SINAMICS传动家族变流器包括以下3大类：1）直流调速装置：DCM 6RA80／6RM80系列；2）低压交流（200V≤额定输出线电压＜1 000V）变频调速装置（其构成详见表1）：S120系列（包括柜体成套型S120CM系列）、G110系列、G110D系列、G120系列、G120C系列、G120D系列、G120P系列、G130系列（包括与之相对应的柜体成套型G150系列）、S150系列、V10系列和V50系列，比较特殊的S110系列、V60系列和V80系列交流伺服驱动系统的电流过载能力指标不在本文的讨论和分析范围之内；3）中压交流（1 000V≤额定输出线电压≤7 200V）变频调速装置（其订货号前缀均为6SL38）：GM150系列（单传动通用交-直-交电压源型变流器）、SM150系列（单传动和多传动高性能交-直-交电压源型变流器）、GL150系列（负载换流交-直-交电流源型变流器LCI，load commutated inverter）和 SL150 系列（原大功率SIMADYN D控制交-交变频调速装置的替代产品）。

S120系列工程型变流器的输入电压等级不高于3Ph AC 690V，主要包括基本型整流模块（BLM，basic line module）、智能型整流模块（SLM，smart line module，又称回馈型整流模块）、有源型整流模块（ALM，active line module）和电动机模块（MM，motor module）4大类，其中电动机模块又可分为变频器模块（单传动）和逆变器模块（多传动）两类。S120系列工程型变流器的典型外形结构可分为书本型（Booksize Format，6SL31系列）、模块型（Blocksize Format，6SL32 系 列）、装 机 装 柜 型（Chassis Format，又称框架型，6SL33系列）、书本紧凑型（Booksize Compact Format，6SL34系列）、分布型（Distributed Format，6SL35系列）和柜体成套型（Cabinet Modules Format，6SL37系列）6大类，其中柜体成套型S120CM系列变流器相当于6SE71系列变流器。

表1 SINAMICS传动家族低压交流变流器的构成Tab.1 Component of low AC voltage converters of SINAMICS drive family

续表

5 SINAMICS传动家族低压交流变流器电流过载能力指标的分析

Siemens公司的6SE70／6SE71系列工程型变流器的电流过载能力指标定义方式最为单一，且严密而科学，故本文以其作为电流过载能力指标比较的基准值。通过收集整理和分析Siemens公司SINAMICS传动家族低压交流（200V≤额定输出线电压＜1 000V）变流器产品目录或技术样本［2-11］上的有关数据，利用电流过载能力指标的四要素原则和等效电流系数KC法得出SINAMICS传动家族低压交流变流器和6SE70系列变流器电流过载能力指标一览表如表2所示。

表2 SINAMICS传动家族低压交流变流器和6SE70系列变流器电流过载能力指标一览表Tab.2 Current overload capability indexes of low AC voltage converters of SINAMICS drive family and 6SE70series converters

续表

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通过表2可以发现，S120系列变流器的平均电流过载能力和6SE70系列变流器的平均电流过载能力相比具有如下3大特点：1）在过载时间t1较长（t1≥60s）的主流工况下，其各种平均电流过载能力都偏弱（87.10%～99.48%，其算术平均值为94.50%），电流过载能力的实际应用主要是在这种工况下；2）在过载时间t1较短（t1≤30s）的非主流工况下，其平均电流过载能力总体仍偏弱（79.65%～103.65%，其算术平均值为95.84%）；3）只有在过载时间t1很短（t1≤10s）的非主流工况下，其平均电流过载能力才有可能略强（100.49%～103.65%，其算术平均值为102.40%），但这种工况对实际应用意义不大。总体来说，S120系列变流器的平均电流过载能力要弱于6SE70系列变流器。

G110系列、V10系列和V50系列变频器电流过载能力指标的定义方式与6SE70完全一致，只是它们之间的过载电流百分比、基本负载电流百分比和负载周期有所不同，其平均电流过载能力分别比6SE70强1.36%、11.77%和1.22%。V10系列和V50系列变频器的基本负载电流等于其额定电流IN，这种定义方式并不多见，且主要是针对风机水泵类流体负载变转矩变频器而言。

在G110D和G120D系列变频器中，将重载电流IH和额定电流IN混为一谈；在G120和G120P系列变频器中，将轻载电流IL和额定电流IN混为一谈，这些都是不当的。因为G110D和G120D系列变频器电流过载能力指标的定义中有：基于基本负载电流IH，允许以1.5IH在300s内运行60s或允许以2.0IH在300s内运行3s；G120和G120P系列变频器电流过载能力指标的定义中有：基于基本负载电流IL，允许以1.1IL在300s内运行57s或允许以1.5IL（或1.4IL）在300s内运行3s。而IN一般是允许长期连续运行的，实质上上述变频器系列并未定义通常意义下的额定电流IN（IL＜IN＜1.1IL且IH＜IN＜1.5IH），它只定义了轻载电流IL和／或重载电流IH，不便于设计者在工程应用中准确合理地选型。若设计者按IL或IH来选用变频器，则相当于变频器被降容使用。

2011年9月Siemens公司新推出的G120C系列变频器采用两段式定义过载电流（如图2所示），这是一种全新的定义方式，很少见。在图2中，负载周期T＝300s，基于轻过载工作制，第1段I11＝1.5IL，t11＝3s，第 2 段I12＝1.1IL，t12＝57s，I2＝IL；基于重过载工作制，第1段I11＝2IH，t11＝3s，第2段I12＝1.5IH，t12＝57s，I2＝IL。在该系列变频器的参数表中，定义P0205＝1和P0205＝0分别代表轻过载工作制和重过载工作制，这是创新之举。电流过载能力指标的两段式（甚至多段式）定义并未违背电流过载能力指标的四要素原则，它仅是将过载电流和过载时间分为两段（或多段）定义而已。

图2 G120C系列变频器一个负载周期内的电流过载能力指标定义图Fig.2 Definition of current overload capability index of a load cycle of G120Cseries converters

顺便指出，Siemens公司产品样本DA65.10·2006在图DA65-5298“变流器额定值、过载值和基本负载值的定义”中将负载周期360s误标为300s，相当于将6SE70／6SE71系列变流器的平均电流过载能力指标高估了1.71%。

6 结论

电流过载能力指标的四要素原则和等效电流系数KC法是分析和研究各种交直流变流器电流过载能力指标的基本工具，具有普适性，它可以作为评判各种变流器在各种不同工况下电流过载能力强弱的一个“金标准”。正确深入透彻地理解好变流器电流过载能力指标的实质，对在实际应用工作中科学合理地选用各种变流器具有重要意义。

［1］ 朱安远.变流器过载能力初探［J］.电气传动，2011，41（6）：31-34，53.

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

［3］ Siemens.高性能多机传动系统SINAMICS S120变频调速装置和变频调速柜［Z］.产品目录D21.3·2012.

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

［5］ Siemens.SINAMICS G120C变频器入门指南［Z］.2011.

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

［7］ Siemens.SINAMICS G120PPump，Fan and Compressor Inverters；SINAMICS G120Standard Inverters； SINAMICS G110DDistributed Inverters［Z］.Catalog News D11.1N·2010.

［8］ Siemens.SINAMICS G130／G150高性能单机传动变频调速器［Z］.产品目录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系列应用于驱动技术的基本通用型变频器［Z］.产品样本D11.6·02.2011.

［11］Siemens.SINAMICS V50系列高品质单机传动变频调速柜55kW～500kW［Z］.产品样本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

朱安远（1964-），男，高级工程师，Email：zhuanyuan＠sohu.com

2011-06-08