DCS800系列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中心，北京 100070）

DCS800系列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中心，北京 100070）

利用自己提出的描述电流过载能力指标的四要素原则和等效电流系数KC法系统地分析和研究了ABB公司DCS800系列变流器在各种不同工况下的电流过载能力指标，发现该系列变流器的电流过载能力指标全面小于交流传动系统中的Siemens公司6SE70系列工程型变流器的电流过载能力指标，给出了市场上几种重要交直流变流器的平均电流过载能力指标的序次，这对于在实际工程应用设计中科学合理地选用各种变流器具有重要意义。

DCS800系列变流器；6SE70系列工程型变流器；电流过载能力指标；等效电流系数；基本负载电流；缺陷理论

1 引言

Siemens公司6SE70/6SE71系列工程型变流器（其升级替代产品主要是SINAMICS传动家族变流器中的S120和G120）是低压交流（200 V≤额定输出线电压≤690 V）调速传动中的国际知名品牌，它以技术先进、性能优良、电流过载能力指标高、适应外部环境能力强、可靠性好和易维护而著称于世。在低压交流调速传动系统中，有关 Siemens 6SE70、Siemens SINAMICS S120和ABB ACS800三大知名品牌的各自技术特点、性能指标和异同点见文献［1-2］，其逆变器输入侧内置快熔的情况见文献［3］。

6SE70系列变流器曾是中国工业（尤其是冶金工业）市场上占有率最高的低压交流调速传动产品，它对电流过载能力指标的定义最为单一，严密而科学，故文献［4-9］都采用它做为电流过载能力指标对比量化研究的参照系。因6SE70全系列变流器只统一定义了一种电流过载能力指标方式（笔者称之为统一定义模式），根据管理学中的短板效应（又称木桶效应）可以判断出它对电流过载能力指标的定义是比较保守的［10］，这样做的缺点是需要增加制造成本，对提高其市场竞争力不利。鉴此，其替代新系列产品SIN-AMICS传动家族变流器跟进ABB公司的ACS800系列变流器，全面更新了对电流过载能力指标的定义模式（笔者称之为单变流器定义模式），即针对某系列变流器先定义1～7种电流过载能力方式（基于ACS800系列变流器，不考虑它对最大输出电流Imax的定义，除ACS800-04P只定义了1种电流过载能力方式以外，其余全系列变流器都统一定义了2种电流过载能力方式［6］），然后再给出该系列下每一台变流器在各种不同工况下的基本负载电流值和/或过载电流值。这样做信息更为全面，且兼顾个性化，故最为科学合理。

工业上生产机械设备的种类繁多，性能和工艺要求各异，尽管其转矩特性是复杂的（大体上可分为恒转矩CT、变转矩VT和恒功率CP负载3大类，变流器的选型自然应以机械设备的负载特性为基本依据），通常不具备理想状态下描述电流过载能力指标的四要素特性，但采用最不利原则（即按最繁重的一段工作负载考虑），总可以将其归纳为等效重复性工作制并按四要素原则来描述其转矩特性［11］。

笔者利用描述电流过载能力指标的四要素原则和等效电流系数KC法系统地分析和研究了低压交流调速传动系统中各种变流器的电流过载能力指标［5］，其核心内容是提出描述电流过载能力指标的四要素原则和推导出等效电流系数KC法的计算公式，并指出这种方法具有普适性（也就是说它适用于交直流传动系统中的各种变流器）。本文将继续应用此方法来全面地研究和分析ABB公司DCS800系列低压全数字直流调速装置（以下简称为DCS800系列变流器）的各种电流过载能力指标。

2 DCS800系列变流器概况

在分析研究DCS800系列变流器的电流过载能力指标之前，首先很有必要对该系列产品的概况做些了解。

2006年ABB公司在中国市场上推出了新一代DCS800系列变流器（DCS550-S系列是DCS800-S系列的简化版），它包括DCS800-S系列模块型变流器（其防护等级是IP00，外形尺寸有D1～D7 7种）和DCS800-A系列柜体成套型变流器（其防护等级是IP20/21/31/41）两大类，其输入电压范围是3相AC 230×（1±0.1）～1 200×（1±0.1）V，频率是50×（1±0.02）/60×（1±0.02）Hz，输出电压范围是DC240～1 380V，单模块最大输出电流达5200A，柜体成套型最大可实现5 200 A两并，实际应用最大可到5 200 A 4并。DCS800系列变流器集成了以下4种产品的各自优点：1）前一代产品DCS600系列变流器（由DCS500系列和DCV700系列升级而来）的所有控制特性和兼容性；2）DCS400系列（由DCS401和DCS402系列组成）变流器（属低端产品）的简易性；3）DCS500B系列（由DCS501B和DCS502B系列组成）变流器的可编程性；4）与低压交流传动产品ACS800系列变流器的通用可选件。此外，DCS家族变流器还包括DCS800-E系列预装传动组件和DCS800-R改造组件（即现有功率部分的数字控制组件）。DCS800系列变流器具有以下高级直流运行模式：12脉并联主从同步控制、12脉串联主从同步控制、顺序控制和三明治结构（sandwich con-figuration）等。DCS800系列变流器的输入和输出电压等级情况见表1。

变流器的电流过载能力与其通风冷却方式和额定损耗密切相关，变流器的冷却效率高则其相对电流过载能力就强［12］，电流过载能力越大则其额定损耗就越大。参见表2，DCS800-S系列变流器的额定损耗系数在0.401%～1.183%之间，全系列总的额定损耗系数是0.575%；参见表3，DCS800-A系列变流器的额定损耗系数在0.455%～6.905%之间，全系列总的额定损耗系数是0.760%。显然，DCS800-A系列变流器的额定损耗要大于DCS800-S系列变流器，同电压等级和同容量的4象限（双桥反并联）变流器的额定损耗要大于单象限（单桥）变流器。

表1 DCS800系列变流器的电压等级Tab.1 Voltage level of DCS800 series converters

表2 DCS800-S系列模块型变流器的额定损耗系数Tab.2 Rated loss coefficients of DCS800-S series module type converters

表3 DCS800-A系列柜体成套型变流器的额定损耗系数Tab.3 Rated losses coefficients of DCS800-A series enclosed converters

续表

3 DCS800系列变流器的基本负载电流

DCS800系列变流器定义的3种基本负载电流如表4所示，它与Siemens公司6RA70/6RM70和6RA80/6RM80系列变流器的定义完全一致。根据定义，显然应该存在以下的数学关系式：

从严格意义上来说，上式中出现等号的临界情况都是不应该的，否则至少是一种瑕疵。

表4 DCS800系列变流器基本负载电流的定义Tab.4 Definitions of basic load current of DCS800 series converters

DCS800系列变流器并不像6RA70/6RA80那样由参数P067/P50067来设定负载级别，其负载级别（过载电流）不在参数中设置，只是在选型时用于计算变流器是否满足实际需求。

DCS800系列变流器的各种电流值是基于环境温度不高于40℃，海拔不高于1 000 m而给出的。如果环境温度低于40℃或实际负载为周期性负载，可借助于DriveSize PC选型工具软件来进行精确选型。

DCS800-S/A系列变流器基本负载电流与额定输出电流的比值范围见表5和表6。

基于变流器电流过载能力指标的缺陷理论是笔者在文献［6］中所提出的，据此可判定DCS800系列变流器存在的缺陷情况如下：1）在表5中，最小过载电流值1.5IDCⅢ/IdN=1.045＞1.00；在表6中，最小过载电流值1.5IDCⅢ/IdNC=0.975＜1.00。显然，DCS800-S系列变流器不存在过载电流I1＜IdN的第1类缺陷，而DCS800-A系列变流器则存在第1类缺陷。2）在表5中，最大过载电流值 2IDCⅣ/IdN=1.800；在表 6 中，最大过载电流值2IDCⅣ/IdNC=1.636。尽管未见DCS800-S/A系列变流器对最大输出电流Imax的明确定义（文献［13］P70只提及了Imax，并未给出其具体含义），但只要定义其最大输出电流不大于其额定输出电流的1.8倍（与6RA70/80系列变流器的定义相一致），就不会存在过载电流I1＞Imax的第2类缺陷。

表5 DCS800-S系列变流器基本负载电流与额定输出电流的比值Tab.5 Ratioes of basic load current to rated output current of DCS800-S series converters

表6DCS800-A系列变流器基本负载电流与额定输出电流的比值Tab.6 Ratioes of basic load current to rated output current of DCS800-A series converters

4 DCS800系列变流器电流过载能力指标的分析

描述变流器电流过载能力指标的四要素是过载电流百分比I1/IN、基本负载电流百分比I2/IN、过载时间t1和负载周期T（现国内外普遍采用的典型值是300 s），它们是缺一不可的，且四要素已足够。在通常情况下，变流器的额定电流IN只有一种，其基本负载电流则可能有多种（如SINAMICS S120系列工程型变流器中的IH、IL、0.70IN和IN等）。

一个负载周期（T）内等效电流系数KC的计算公式可用上述四要素表示如下［5］：

等效电流系数KC的引入便于对各种变流器的电流过载能力指标进行定量的系统分析和对比。

笔者收集整理了DCS800系列变流器在各种不同工况下的有关数据［13-17］，利用描述电流过载能力指标的四要素原则和等效电流系数KC法分析得出DCS800-S/A系列变流器和6SE70系列变流器电流过载能力指标一览表见表7和表8。

表7 DCS800-S系列变流器和6SE70系列变流器电流过载能力指标一览表Tab.7 Current overload capability indexes of DCS800-S series and 6SE70 series converters

表8 DCS800-A系列变流器和6SE70系列变流器电流过载能力指标一览表Tab.8 Current overload capability indexes of DCS800-A series and 6SE70 series converters

在表7中，DCS800-S系列变流器的等效电流系数KC均值与6SE70系列变流器的KC值之比的相对值范围在71.94%～83.29%之间，其算术平均值是78.09%（介于ABB ACS800系列和Siemens 6RA70/80系列之间，其值略大于后者的相应数据）。在表8中，DCS800-A系列变流器的等效电流系数KC均值与6SE70系列变流器的KC值之比的相对值范围在68.78%～80.86%之间，其算术平均值是75.59%（稍小于6RA70/80系列中的相应数据）。

文献［18］利用DCS800系列变流器对基本负载电流IDCII的定义来校验变流器的选型是否得当是一个典型的实际工程应用案例，尽管文中提及的DCS800-S02-4000-04/05变流器的IDCII=2 991 A（笔者认为应该为2 977 A）来由不明，但这种尝试仍很具参考价值。

5 结论

通过表7和表8可以发现，DCS800-S/A系列变流器的电流过载能力指标全面小于6SE70系列工程型变流器的电流过载能力指标。笔者量化后综合得出的以下各系列变流器的平均电流过载能力指标按从大到小依次排序是：Siemens MM4＞Siemens 6SE70＞Siemens S120＞ABB ACS800＞ABB DCS800-S＞Siemens 6RA80（≈Siemens 6RA70）＞ABB DCS800-A。

因原装进口大容量全数字直流调速装置的价格很高，国内在实际工程应用中常代之“以小拖大”的模式，即控制系统采用原装进口小容量装置的全数字控制系统，功率单元采用国产功率柜，可取得高性价比的良好效果［19］。

DCS800系列变流器将模块型和柜体成套型变流器的电流过载情况截然分开（有别于Siemens 6RA70/6RM70和6RA80/6RM80系列变流器），单独分别给出其额定电流值和各种过载电流值，这是其显著优点，因柜体成套型变流器与实际工程应用情况最为接近，故其参考应用价值最大。但与6RA70/80系列变流器相比，DCS800系列变流器对电流过载能力指标的定义略显粗糙（未定义电流过载能力方式 II和方式 III［7-8］），缺乏系统性和严密性。对此问题笔者将另撰专文予以全面阐述。

［1］ 朱安远.ABB ACS800系列和Siemens 6SE70系列工程型变流器的比较研究［J］.冶金自动化，2012，36（S1）：534-538.

［2］ 朱安远，胡宇.ABB ACS800系列和Siemens S120系列工程型变流器的比较研究［A］.冶金自动化研究设计院.百舸争流竞千帆跨越发展续新篇——中国钢研科技集团有限公司60周年华诞暨冶金自动化研究设计院建院40周年论文集［C］.北京：冶金工业出版社，2012：54-60.

［3］ 朱安远.关于在逆变器输入侧是否加装外置快熔的探讨［J］.冶金自动化，2012，36（S2）：485-489.

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

［5］ 朱安远.SINAMICS传动家族变流器电流过载能力指标剖析［J］.电气传动，2012，42（7）：34-40.

［6］ 朱安远.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［J］.电气传动，2012，42（11）：42-50.

［7］ 朱安远.6RA70系列直流调速装置电流过载能力指标剖析［J］.冶金自动化，2013，37（S1）：507-515.

［8］ 朱安远.6RA80系列变流器电流过载能力指标剖析［J］.控制工程，2013，20（S0）：209-217.

［9］ 朱安远，曾可.MM4系列变频器电流过载能力指标剖析［J］.电气传动自动化，2013，35（3）：17-20.

［10］高洪，伍术方.西门子公司变流器过载能力的研究［A］.西门子（中国）有限公司工业部（Siemens Industry Sector）.2011年西门子自动化专家会议论文集（下册，Siemens Automa-tion Expert Meeting 2011 Thesis Collection）［C］.北京：机械工业出版社，2012：1264-1277.

［11］GB/T 12668.6―2011，调速电气传动系统 第6部分：确定负载工作制类型和相应电流额定值的导则［S］.

［12］李焦明.改善电机散热条件，提高过载能力［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直流传动（20至 5 200 A）硬件手册［Z］.3ABD00018962，2009.

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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

朱安远（1964-），男，工学学士，高级工程师，Email：1461877797@qq.com

2013-07-14