ACS800系列和SINAMICS传动家族变流器电流过载能力指标的比较研究

（北京金自天正智能控制股份有限公司 市场营销部，北京 100070）

1 引言

ABB ACS800系列和Siemens 6SE70系列（现正由SINAMICS S120系列和G120系列逐步替代）工程型变流器是工业上（尤其是冶金工业上）应用最为广泛的两种变流器，其各自的技术特点、性能指标和异同点详见参考文献［1］。Siemens公司现正积极地推出SINAMICS传动家族新产品，参考文献［2－3］分别对6SE70／6SE71系列和SINAMICS传动家族低压交流（200V≤额定输出线电压≤690V）变流器的电流过载能力指标进行了系统地分析和研究，更深一步地对ACS800系列和SINAMICS传动家族低压交流变流器的电流过载能力指标进行研究和对比，并指出它们在电流过载能力指标定义方面所存在的缺陷，对在实际应用工作中科学合理地选择好各种变流器具有重要参考意义。

ACS800系列和SINAMICS传动家族低压交流变流器在各自的产品目录或技术样本中使用了不同的物理量代号，为了避免引起混乱，首先有必要对其物理量的代号进行统一，详见表1。

表1 ACS800系列和SINAMICS传动家族低压交流变流器物理量代号统一表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系列工程型变流器的技术特点

ACS800系列工程型变流器的输入电压等级不高于3Ph AC 690V，主要包括二极管整流单元（DSU，diode supply unit）、晶 闸 管 整 流 单 元（TSU，thyristor supply unit）、IGBT 整 流 单 元（ISU，IGBT supply unit）、单传动变频器模块和多传动逆变器模块5大类，其中DSU和TSU又分为6脉波和12脉波整流两类。其典型外形结构可分为壁挂型（ACS800－01／11／31系列）、落地柜型（即书架型，ACS800－02系列）、模块型（相当于S120的模块型和装机装柜型，ACS800－04／04P／104／204／304／404／704系列）和柜体成套型（ACS800－07（LC）／17（LC）／37（LC）／107／207／307／407／507／807系列）4大类。ACS800系列变流器的构成详见表2。

S120系列基本型整流模块BLM大都是选用晶闸管作为整流功率元件，不具有回馈功能。BLM中选用二极管作为整流功率元件的产品有：1）书本型 BLM 中的 6SL3130／36－1TE22－0AA0（AC 400V20kW）和6SL3130／36－1TE24－0AA0（AC 400V40kW）；2）柜体成套型 S120CM BLM 中 的 6SL3730－1TE41－8AA0／8BA0／8BC0（AC 400V900kW）和6SL3730－1TH41－8AA0／8BA0／8BC0（AC 690V1 500kW）。S120BLM的档次介于ACS800DSU（二极管整流，不具有回馈功能）和TSU（晶闸管整流，具有回馈功能）之间。

表2 ACS800系列变流器的构成Tab.2 Component of ACS800series converters

续表2

S120系列智能型整流模块SLM都是选用IGBT（与其并联的续流二极管和IGBT封装集成在一起，起整流和反向保护作用）作为整流功率元件（由二极管整流桥来完成）和回馈功率元件（由IGBT来完成，它工作于可关断晶闸管GTO状态）的，具有100%的回馈功能，但母线电压不可以调节，属非调节型整流模块。S120SLM的档次介于ACS800TSU和ISU（由IGBT来完成整流和回馈，其直流母线电压可调）之间。

S120系列有源型整流模块ALM都是选用IGBT作为整流功率元件（由IGBT整流桥来完成）和回馈功率元件（由可控IGBT来完成）的，具有100%的回馈功能，且母线电压可以调节，属调节型整流模块，即使电网电压有一定的波动它也能保持直流母线电压的稳定。ALM必须和有源接口模块AIM（active interface module）配套使用，它还可对有功电流与无功电流进行矢量控制，从而实现无功功率补偿和得到一个最佳的综合功率因数。S120ALM的档次则与6SE70AFE（active front end，一般译为主动前端）和ACS800 ISU相当。

综上所述，以下产品的档次按从低至高排序依次是：DSU＜BLM＜TSU＜SLM＜ISU≈ALM≈AFE。

在电网电压瞬时跌落或故障时，ISU、SLM和ALM具有防止变流器逆变颠覆的功能，但一些晶闸管回馈（如TSU以及6SE70中的有关产品）就不具有此功能，从而可能会引发相关事故。日本TMEIC（东芝三菱电机产业系统株式会社）TMdrive－10e2T10系列晶闸管整流回馈单元依靠提高其进线交流电压的方式（如3AC 460V级的进线电压为AC 680V和3AC 690V级的进线电压为AC 990V）来省去自耦变压器和克服逆变颠覆的缺点，虽有其独到之处，但也要付出一些代价（如电动机绝缘需要加强、因晶闸管处于深控状态而功率因数有所降低和谐波电流有所增大等）。

顺便指出，6SE70系列中的变流器主要有晶闸管可控整流（容量≥45kW）和二极管不可控整流（容量＜45kW）2种型式。6SE70系列中的整流回馈单元（有ED＝25%和ED＝100%2种负载持续率可供选择）则相当于ACS800TSU系列产品（有全回馈和非全回馈2种回馈型式）。

面对用户开放的控制平台、内部开关量功能互连（BICO，binector connector）技术和功能图的系统结构描述是Siemens公司传动产品独有的3大技术特点和优势。

3 ACS800系列工程型变流器电流过载能力指标的分析

变流器的等效电流系数KC与其电流过载能力指标的四要素（过载电流百分比I1／IN、基本负载电流百分比I2／IN、过载时间t1和负载周期T）密切相关，与其额定电流IN并无直接关联。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，其具体的物理含义是：当KC≤1时，表示变流器不具有超过其额定电流连续长时间运行的能力，大多数变流器就是这样情况，其中KC＝1时表示变流器电流过载能力指标定义的四要素充分利用了其额定电流，如Siemens 6SE70／6SE71系列工程型变流器等；当KC＞1时，表示理论上变流器具有超过一定的其额定电流连续长时间运行的能力，主要适用于大多数风机水泵类流体负载变转矩变频器和变流器在一些特殊工况下的情况。

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，故本文仍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ABB ACS800系列变流器产品目录或技术样本［4－8］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［3］得出ACS800系列和6SE70系列变流器电流过载能力指标一览表如表3所示。

通过表3可以发现，ACS800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两大特点：1）按轻负载应用时的工况考虑，前者的平均电流过载能力指标是后者的95.07%～99.50%（其算术平均值是97.53%），偏弱；2）按重负载应用时的工况考虑，前者的平均电流过载能力指标只有后者的79.33%～90.03%（其算术平均值是84.58%），明显弱势。因此，ACS800系列变流器的平均电流过载能力要明显弱于6SE70系列变流器。

表3 ACS800系列和6SE70系列变流器电流过载能力指标一览表Tab.3 Current overload capability indexes of ACS800series and 6SE70series converters

续表3

据笔者统计，表3中979个样本中有65个样本存在1.1IL＞1.5IH的情况，这是一种缺陷。SINAMICS传动家族中的所有产品都不存在这种缺陷，这是一种进步。对于ACS800系列变流器来说，其最大过载电流I1max＝max（1.5IH，1.1IL），而对于SINAMICS S120系列变流器来说，其最大过载电流I1max＝1.5IH。

4 ACS800系列和SINAMICS传动家族变流器电流过载能力指标的比较

6SE70／6SE71系列变流器只定义了一种电流过载能力指标；ACS800系列变流器采用双重定额（即轻载电流IL和重载电流IH），定义了2种电流过载能力指标（不包括对Imax的定义），其中ACS800－04P则只定义了1种电流过载能力指标；SINAMICS S120系列变流器最多则定义了多达7种电流过载能力指标。对电流过载能力指标的定义过于繁复是不利于设计者正确选型的，且易于出现电流值不匹配的各种缺陷。

ACS800系列变流器基于轻载电流IL定义的电流过载能力指标所对应的等效电流系数KCL基本上都大于基于重载电流IH定义的电流过载能力指标所对应的等效电流系数KCH，显得比较齐整，其中仅有的6种例外产品情况如表4所示。顺便指出，Siemens SINAMICS传动家族变流器基于轻载电流IL和重载电流IH定义的电流过载能力指标就没有这种规律性可寻，显得比较凌乱。

表4 ACS800系列变流器中等效电流系数KCL＞KCH的例外产品情况Tab.4 Exception of equivalent current coefficient KCL＞KCHof ACS800series converters

在进行电流过载能力指标的对比研究时，需要特别注意各变流器生产商对各种输出电流定义的差别。在此着重指出，ACS800系列和S120系列变流器关于最大输出电流的定义存在着实质性的差异：ACS800系列变流器中的Imax只能在启动时（即冷状态下）持续10s，其他情况由传动温度来决定其运行时间；S120系列装机装柜型变频器和逆变器的Imax则可以在基本负载电流为0.7IN时每60s持续10s。

通过收集整理和分析ACS800系列和SINAMICS传动家族低压交流（200V≤额定输出线电压≤690V）变流器同类或相似产品在相同或相近工况下的等效电流系数KC的均值，得出ACS800系列和SINAMICS传动家族变流器电流过载能力指标比较表如表5所示。

通过表5可以发现，除了ACS800DSU的平均电流过载能力比S120BLM略强以外（实际上DSU和BLM的可比性不强，因为前者是采用二极管整流，而后者主要是采用晶闸管整流，DSU的档次则低于BLM），其余ACS800系列变流器的电流过载能力都要弱于SINAMICS传动家族低压交流变流器。ACS800系列变流器的平均电流过载能力指标是SINAMICS传动家族低压交流变流器的82.90%～102.67%（其算术平均值是91.24%），故以下3种常用系列变流器平均电流过载能力指标的强弱排序依次是：6SE70＞S120＞ACS800。

表5 ACS800系列和SINAMICS传动家族变流器电流过载能力指标比较表Tab.5 Compare of current overload capability indexes of ACS800series and SINAMICS drive family＇s converters

续表5

5 ACS800系列和SINAMICS传动家族变流器电流过载能力指标的缺陷分析

如果变流器的额定电流统一定义为其允许长期连续运行的输出电流，且变流器长期连续运行于此额定电流时，它不再具有过载能力，那么变流器各种输出电流之间就应该同时满足以下2个约束条件：1）IH＜IL＜IN＜IS6＜Imax；2）I2＜IN＜I1≤Imax，其中I2是变流器的基本负载电流，I1是变流器的过载电流。变流器各输出电流值一般是指在环境温度为40℃时的数值。第1个约束条件一般由变流器技术样本上的技术数据来保证；第2个约束条件一般由定义电流过载能力指标时来保证，其中的I2＜IN和IN＜Imax比较容易得到满足，但若不注意各输出电流值之间的相互匹配，就很容易产生各类不合理的缺陷。本文中将I1＜IN的不合理情况称为第1类缺陷，将I1＞Imax的不合理情况称为第2类缺陷。

ACS800系列变流器对IL和IH的定义分别是：基于基本负载电流IL，允许以1.10IL在5min内运行1min；基于基本负载电流IH，允许以1.50IH在5min内运行1min。IN则是变流器可以长期连续运行的输出电流额定值，故1.10IL和1.50IH之值只能都大于IN，否则对IL和IH的定义就没有任何意义。表6反映了ACS800系列变流器技术样本上各输出电流值所存在的第1类缺陷的情况（表中未列出1.10IL＝IN和1.50IH＝IN的临界情况，严格意义上说这种临界情况也是一种缺陷），未见其存在第2类缺陷的情况（因Imax只能在启动时持续10s，其定义值偏大）。消除此类缺陷的方法有二：一是适当降低IN的值，二是适当提高IL和／或IH的值。

笔者根据上述理论和分析方法，对ACS800系列变流器的各种输出电流进行了仔细校核，发现了ABB公司中英文技术样本上所存在的一些原始电流值错误，现举3例：1）对于逆变器模块ACS800－104－0390－3，2009年中文版和2008年英文版技术样本上均标注IN＝656A，此时1.1IL／IN＝1.1×542／656＝90.88%＜100%，1.5IH／IN＝1.5×423／656＝96.72%＜100%，显然不合理，实际上“656A”系“565A”之误。2）对于逆变器模块ACS800－104－0075－7，2009 年中文版技术样本上标注IN＝65A，IL＝66A，IL＞IN，显然不合理，2008年英文版技术样本上标注IN＝69A，IL＝66 A是正确的。3）对于逆变器柜 ACS800－107－0105－3，2009年中文版技术样本上标注IN＝147 A，IH＝ 156A，IH＞IN， 显 然 不合理，2010年英文版技术样本上标注IN＝147A，IH＝110A是正确的。上述3条内容已得到ABB公司有关技术专家的确认，且第1项内容在ABB公司2010年英文版技术样本上已得到更正。

表6 ACS800系列变流器电流过载能力指标缺陷表Tab.6 Defects of current overload capability indexes of ACS800series converters

变流器允许的最大输出电流值Imax是一条“红线”，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。表7和表8反映了SINAMICS传动家族低压交流变流器技术样本上各输出电流值所存在的第2类缺陷（即I1＞Imax）的情况（I1＝Imax的临界情况并不是缺陷），未见其存在第1类缺陷的情况（与ACS800相比是一种进步）。消除此类缺陷的方法亦有二：一是适当提高Imax的值，二是适当降低IL和／或IH的值。

表7 S120系列BLM／ALM整流模块电流过载能力指标缺陷表Tab.7 Defects of current overload capability indexes of S120series BLM／ALM

表8 SINAMICS传动家族变流器电流过载能力指标缺陷表Tab.8 Defects of current overload capability indexes of SINAMICS drive family′s converters

续表8

需要着重指出，因SINAMICS G120和G120P系列变频器将轻载电流IL和额定电流IN混为一谈（相当于被降容使用），它们存在I1＞Imax的缺陷情况比较普遍且严重。在G120 PM240／PM250模块不超过90kW的52个样本中，存在1.5IL＞Imax和2IL＞Imax的缺陷情况分别有3个（详见表8）和41个（相应的最小值为73.33%），在大于90kW 的5个样本中，存在1.36IL＞Imax，1.5IL＞Imax和1.6IL＞Imax的缺陷情况分别有3个、3个（详见表8）和5个（相应的最小值为77.57%）；在G120PM260模块的12个样本中，存在1.4IL＞Imax，1.5IL＞Imax和2IL＞Imax的缺陷情况分别有2个、8个和12个（相应的最小值为67.74%）；在G120P系列变频器的40个样本中，全部存在2IL＞Imax的缺陷情况（相应的最小值为75.00%）。

6 结论

利用文中所论述的基本原理和分析方法，可以分析和比较出任何变流器的各种电流过载能力指标的强弱。各传动产品生产商在提供变流器的各种输出电流值时应特别注意其相互之间的协调性、匹配性和约束条件，否则就很容易顾此失彼而产生各类不合理的缺陷。

变流器的电流过载能力指标是其重要的性能参数，为了规范和统一其有关主要性能参数（如额定容量、额定电压、额定电流、基本负载电流、最大输出电流和电流过载能力指标四要素等，其中负载周期T现国内外普遍采用的典型值是300s）的定义，建议在相关国家标准（如GB 12668：《调速电气传动系统》）中增加这方面的内容，这样做将有益于应用设计者正确合理地选用各种变流器。

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