西门子SINAMICS系列与MASTERDRIVES系列混合运行工程实施中的技术探讨

2022-11-08张彦刘冰薛士凡査健沈力学

冶金动力 2022年5期

张彦，刘冰，薛士凡，査健，沈力学

（1.北京金自天正智能控制股份有限公司，北京，100071；2.振石集团东方特钢有限公司浙江嘉兴，314005）

前言

MASTERDRIVES 是西门子在本世纪初推出的通用型矢量控制变频器，广泛应用于工业领域的各行各业。随着电力电子技术的飞速发展，产品的更新换代，MASTERDRIVES 系列产品已陆续退出中国市场，因此继续采用MASTERDRIVES 装置扩容或改造现有的MASTERDRIVES 传动系统会存在限制。当需要扩容、改造或部分地替换现有的MASTERDRIVES 传动系统时，首选考虑西门子最新的SINAMICS系列产品。

工程实施中经常遇到无法用SINAMICS 彻底替换掉完整的MASTERDRIVES 系统的情况，这就需要考虑两种系列产品的混合运行。通过研究MASTERDRIVES 和SINAMICS 系列变频装置之间共有特性和差异，总结出采用SINAMICS 代换MASTERDRIVES 变频器时必须遵守的相关准则。结合实践经验，重点介绍在项目设计过程中如何将SINAMICS混搭于MASTERDRIVES系统中。

1 SINAMICS 与MASTERDRIVES 两种系列产品的对比

1.1 两种系列产品的共性

MASTERDRIVES 和SINAMICS 两系列装置均为PWM 型变频器，包含一个直流回路和采用了IGBT元件的两电平逆变装置，工作原理示意图见图1所示。

图1 两种系列变频器产品的工作原理

两个变频系列的进线电压覆盖了3AC 380～690 V电压范围，变频器和逆变装置的功率范围涵盖0.5～6 MW（装置并联可实现）［1］。两个系列产品均采用模块化设计，均有可选的两象限和四象限进线整流装置，进线整流装置可以为独立的逆变装置或电机模块或者使其部分地下挂于公共直流母线进行供电。通过采用微处理器的控制单元实现高精度的闭环控制，动态性能优异。得益于这些共性的设计平台，SINAMICS 变频装置可以相对简便地代换MASTERDRIVES 系列变频器；采用SINAMICS 逆变装置也可以方便地扩容于现有的MASTERDRIVES直流母线系统中。

根据6 脉冲三相整流桥的工作原理可知，MASTERDRIVES 整流单元和SINAMICS S120整流装置会产生相对较大的进线谐波失真。进线电流包含较大的谐波分量，其谐波阶数为h=n×6±1，其中，n 为1、2、3 等整数值。总电流谐波畸变量THD（I）的典型值为约30%至45%。如果通过三绕组变压器为2 个MASTERDRIVES 整流单元或2 个SINAMICS 整流装置进行供电，且供电电压彼此之间相移30°，则构成12脉冲整流，可以大大减小进线谐波。

MASTERDRIVES 和SINAMICS 系列的过载能力极其相似，MASTERDRIVES 的标准负载周期与SINAMICS 的标准“重过载”负载周期定义基本一致［2］。

1.2 两种系列产品的差异性

尽管拥有上述共性的设计平台，这两个系列的变频系统还是存在一些细节性的差异。因此，对基于MASTERRIVES 公共直流母线的传动系统进行扩容或后续改造时，必须仔细考虑这些差异。

（1）MASTERDRIVES 直流回路电容仅安装于逆变装置内，其进线整流单元或整流回馈单元中并没有装直流回路电容。SINAMICS 直流回路电容在逆变装置与进线整流装置之间进行了分配。对于改造系统中，经常会出现公共直流母线中的MASTREDRIVES 和SNAMICS 变频器混合运行，进线整流单元对直流电容的预充电是必须考虑的一个关键因素。

（2）MASTERDRIVES 整流单元或整流回馈单元采用晶闸管相控技术从而控制电流对直流回路电容器进充电，因此对连接在直流回路侧的电容实际上不存在任何限制。SINAMICS 的S120基本整流装置（BLM）采用晶闸管相控技术向直流回路电容进行带时间控制的充电；S120 整流/回馈装置（SLM）和调节型S120 有源整流装置（ALM）都是通过预充电电阻向直流回路电容充电，后两种预充电原理都要求必须对整个系统中直流回路电容的容量大小有严格的限制。

图2 两种系列变频器的过载周期图

（3）MASTERDRIVES 的控制单元是一对一的形式，即一个控制单元对应一台逆变器，矢量控制（CUVC）和伺服控制（CUMC）分别采用独立的控制单元实现。SINAMICS 的控制单元是一对多的形式，即一个控制单元可以控制多个电机轴模块。

（4）供电系统接地形式都可以连接至中性点接地的TN 和TT 供电系统，以及浮地型IT 供电系统。对于SINAMICS 变频系列，当调试连接至IT 供电系统上时必须确保拆除掉相应连接片，使得射频干扰抑制滤波器从接地极上断开，SINAMICS 系列标配了符合IE标准的射频干扰抑制滤波器。

（5）允许的进线电压的范围相同，但进线电压的容差则存在轻微的差别。对于这两种系列的变频装置，进线电压连续容差上限均为+10%。对于进线电压连续容差下限，MASTERDRIVES 为-15%，SINAMICS仅为-10%。

（6）整流装置并联使用数量不一样，对于MASTERDRIVES 整流单元，最多可以并联运行3 个整流单元。对于SINAMICS S120 基本整流装置，每种机座规格都可以最多并联使用4个整流装置。

2 工程案例分析

2.1 项目概况

某特钢炉卷轧机生产线，原有一条直流母线段采用2 套1 500 kW 的6SE70 整流回馈装置（6SE7041-8HK85-1AA0）并联使用，逆变器所带的机械设备为进口炉卷电机与出口炉卷电机。由于6SE70 整流/回馈单元中使用的晶闸管无法自行关闭，且现场进线电压波动超过进线电压的20%，容易造成再生桥出现整流短路造成逆变颠覆，造成整流/回馈单元中的熔断器损坏。改造后选用2 套1 400 kW 的S120 整流回馈装置（6SL3330-6TG41-7AA3）并联替换原MASTERDRIVES 整流系统，直流母线段下挂的逆变器不变。

SINAMICS S120 整流回馈装置工作于整流模式时，电流流经IGBT 模块内集成的二极管形成一个6脉动三相整流，工作于能量再生回馈模式时，电流流经IGBT 返回电网。由于回馈桥使用可关断的IGBT，相较于MASTERDRIVES 整流/回馈单元，SINAMICS S120 整流/回馈装置拥有了2 个优点：回馈桥无需使用自耦变压器；向进线电源馈电期间，电网故障时不再出现整流桥短路，不存在逆变颠覆问题。

现场的工艺图如图3 所示，入炉和出炉的卷取机一个工作在电动状态，一个工作在发电状态。现场供电系统为IT 系统，整流变压器选用12 脉整流，以此效抑制电网谐波的影响。

图3 传动装置对应的现场工艺图

2.2 项目存在的问题及分析

在抛钢过程即放卷过程中，由于炼钢厂起弧瞬间电流会从0升到10 000 A，导致SLM 报F30001，即过流故障。轧钢线轻载且炼钢厂起弧时，示波器监测进线电源波形会发现过零点与波峰波谷有较大突变如图4所示。因整流回馈单元报过流无法确定时间，通过设置离线故障监测r3661（进线电压u1-u2）、r3662（进线电压u2-u3）、r70（直流母线电压）、r68（直流母线电流）、r66（进线频率）、r2139（当前故障）来反向分析报故障时的SLM 状态，从波形可以看到报故障前回馈电流达到2 010 A，超出了装置允许工作的最大电流，见图4、图5。

图4 进线侧电源电压波形

图5 离线故障跟踪记录波形

经过几日的连续测试可以得出轧钢线在抛钢过程中SLM 回馈打开同时正好赶上炼钢厂起弧瞬间导致10 kV 电网有瞬时大幅波动，从而引起SLM回馈电流增大报过流故障，如炼钢厂不起弧轧钢线无论空载还是重载都不报过流故障。

2.3 项目的解决方案及实施

首先由于SINAMICS S120 整流/回馈装置无论是电动还是再生回馈时，都无法进行相角控制，因此电动与回馈模式的切换期间，其直流回路容易出现较大的电压波动。建议将炼钢和轧钢供电电网彻底分开，但是现场的电气运行已久，分开电网的投入成本过高，无法接受此解决方案。

其次从系统混搭的现状考虑，SINAMIC S120 整流回馈装置内含电容，必须考虑这部分电容产生的无功功率对直流母线的影响，一方面将进线侧输入电抗器的阻抗值升高到的4%的短路阻抗，以此来抑制由于电容增加而产生的无功功率。另一方面由于采用 SINAMICS S120 整流装置代换ASTERDRIVES 整流单元时，始终必须检查SINAMICS 整流装置的预充电能力，提高充电电阻的阻值。

由于此系列整流回馈单元没有直流母线的调节功能，而此系统的所带设备的工况是卷取机在快速制动时同时开卷机工作，电机都处于发电状态，导致直流母线电压瞬间升高很多，并且电网侧电压还存在波动比较大的情况，很容易造成整流系统逆变工作时反馈的电流过高，超出了允许的最大值，导致报电流故障。结合现场的实际工况，最终提供的解决方案是保持现有的系统不变，在直流母线段增加4 套100 kW 的制动系统并联使用，并且同时有3组制动单元长期投入，有一组制动单元作为备用切换，这样在直流母线电压瞬间过高的时候选择制动单元投入工作，快速将多余的电能消耗掉，以此保证整流单元直流母线电压稳定在一定的电压范围内，以确保生产顺利进行。如图6 所示，直流母线电压高于1 180 V 时，制动单元自动投入工作，不会产生过大的逆变电流导致整流单元报过流故障。