关键词：西门子；电源电压；整流单元

1. 引言

    在现代工业设备中，交流变频器的应用广泛，西门子SINAMICS系列变频器，是国内常用的高端变频器系列。本文以西门子SINAMICS系列变频器为例，研究变频器在电源电压变化和突降时的响应，为变频器调试，正常运行提供技术上的分析，具有指导意义。

2. 电源电压范围和允许的电压变化

2.1 电源电压范围

西门子SINAMICS 设备适用于相对较宽的电源电压范围，每个系列均涵盖几个不同的全球适用的标称电源电压V_N范围。SINAMICS G130和变频调速柜SINAMICS G150有三种电源电压范围。模块化系统SINAMICS S120（装机装柜型和变频调速柜）以及变频柜SINAMICS S150有两种电源电压范围（见表1）。必须正确选择设备的电源电压等级，使之与现场标称电源电压V_N匹配。SINAMICS G130、G150、S120（装机装柜型和柜机）和S150的电源电压范围如表1所示。

表1  SINAMICS G130、G150、S120（装机装柜型和柜机）和S150的电源电压范围

        在调试过程中，设备必须按照现场可用的标称电源电压V_N设置：

· 硬件设置：调整内部 230V辅助电源的输入侧变压器抽头，调整230V风机电源的输入侧变压器抽头；

· 固件设置：修改电源电压参数。

    为了使设备在电源电压变化时处于最佳的运行状态就必须进行这些设置。一方面，这些设置确保设备尽可能不易受电源电压变化的影响，避免发生不必要的故障跳闸。另一方面，可确保在电源电压变化较大而超出允许范围时，使设备立即故障跳闸，从而避免损坏设备。硬件设置还可保证变压器在电源电压较低时为辅助设备和风机提供足够的230V电源，电源电压增加时避免230V辅助电源发生过载。固件设置确保直流母线电压过、欠压跳闸值的最佳设置。欠压跳闸的目的：电源电压骤降后的恢复过程中，通过限制电压增幅来保护整流侧可控硅和二极管避免承受电流尖峰，也可把直流母线电容的充电电流限制在安全范围内。过压跳闸的目的：保护功率元件（尤其是直流母线电容和IGBT）避免承受过高的直流母线电压。对于所有其他需要考虑的事项，前提是设备的硬件和固件已按照现场标称电源电压 V_N正确设置。

2.2  允许的电源电压变化

    SINAMICS设备可在下面标称电源电压范围内连续运行：

0.9•V_N≤V_Line≤1.1*V_N

    在此电源电压范围内，所有由内部变压器供电的230V辅助设备均在其允许的条件下运行。在允许的频率偏差范围，由内部变压器供电的230V风机完全能够提供功率器件所需要的冷却空气流量。不论是使用调节型整流器（有源整流单元）还是使用非调节型整流器（基本整流单元或整流回馈单元），直流母线电压均具有较大的过、欠压安全裕量。

    在高电压段（V_N≤V_Line≤1.1*V_N），无需考虑对驱动器运行特性的限制。在低电压段（0.9•V_N≤V_Line≤V_N），必须要考虑传动的功率与电源电压成比例降。如果功率降容不在允许的范围内，就要通过增加电流来补偿较低的电源电压，这样变频器和电机的电流必须留有裕量。也就是这两者必须放大容量。

2.3 可允许的短时电源电压变化

    在下面的标称电源电压范围内，SINAMICS设备允许短时运行（最长1分钟）：

0.85*V_N≤V_Line≤0.9*V_N

    在此电源电压范围内，所有由内部变压器供电的230V辅助设备仍在其允许的范围内运行，但是，同样也是由一个内部变压器供电的230V风机无法再提供功率器件所需要的足够的冷却空气（频率仍在其所允许的公差范围内）。由于冷却能力降低，运行时间必须限制在1分钟以内。不论是使用调节型整流器（有源整流单元）还是使用非调节型整流器（基本整流单元或整流回馈单元），直流母线电压均具有较大的过、欠压安全裕量。

    在此短期允许的电源电压范围内，必须要考虑传动的功率与电源电压成比例降容。如果功率降容不在允许的范围内，就要通过增加电流来补偿较低的电源电压，这样变频器和电机的电流必须留有裕量。也就是这两者必须放大容量。

2.4 允许的电源电压骤降

    在下面几页的内容中，不会导致驱动器故障跳闸的电压骤降被视为允许的电源电压骤降。如果想要不发生故障跳闸，必须满足下列两个条件：

· 变频器中所有使用230V电源的辅助设备（风机除外）以及使用直流24V电源的电子设备必须保持工作；

· 直流母线电压不得低至欠电压跳闸值。

    在电源电压骤降过程中是否可以满足这两个条件，取决于诸多因素，这些因素包括：

· 230V辅助设备的电源，直流24V电子设备的电源（直接从电源供电、通过内部变压器或从安全的外部电源（如不间断电源）供电；

· SINAMICS整流单元的类型（调节型或非调节型）；

· 驱动器的负载情况（满载、部分负载或空载）；

· 电源电压骤降的幅度；

· 电源电压骤降的持续时间。

    变频调速柜SINAMICS G150、S120变频调速柜和S150柜中标配有一个内置变压器，该变压器直接由电源供电、为辅助设备提供230V AC电源、为电子设备提供直流24V电源。因此，电源电压骤降会直接影响使用230V电源的辅助设备。如果电源电压骤降过大，且持续时间很长，辅助设备（包括为电子元件提供24V电压的内部开关电源）将发生故障，这将引发故障跳闸。

如果需要辅助设备(230V)和电子元件(24V)的电压在电源电压骤降过大，且持续很长一段时间时仍保持正常运行，则必须从安全的外部电源（如不间断电源UPS）提供230V电源。为此，必须拆下变频调速柜内的两个跳线，且必须如图1（以G150变频调速柜为例）所示连接外部230V电源。同样，24V电源也可通过断开内部开关电源，而使用安全的外部电源替代。

图1  以SINAMICS G150柜机为例，辅助设备的230V AC电源和电子元件的24V电源

    SINAMICS整流单元（整流器）的类型决定电源电压和直流母线电压之间的关系。

    电源换向、非调节型整流单元SINAMICS基本整流单元和SINAMICS整流回馈单元产生的直流母线电压与电源电压成固定比例。如果电源电压骤降，从电源至直流母线的能量流动即被中断，直到直流母线电压由于负载电流的原因降至与骤降的电源电压对应的电压。如果此电压低于直流母线的欠电压跳闸值，则彻底中断从电源至直流母线的能量流动。在这种情况下，只有存储在直流母线电容中的电能可供驱动器使用，负载电流使直流母线电压连续降低直至欠电压跳闸值。这种状况依赖于驱动器的负载情况，仅能持续几ms。负载增加，时间减少。在满载时，只可克服几ms的较小的电源电压骤降，否则将发生故障跳闸。

自换流、调节型整流单元，SINAMICS有源整流单元，作为升压整流器运行，可调节直流母线电压，几乎不受电源电压的影响。因此，在发生严重的电源电压骤降时，还可维持从电源至直流母线的能量流动。只要由于电源电压降低导致的功率减小能通过增加输入电流来补偿，驱动器可以克服大的、持续时间长的电源电压骤降，而不会发生故障跳闸。

3. 非调节型和调节型SINAMICS整流单元的运行特性

3.1 非调节型SINAMICS整流单元（基本整流单元和整流回馈单元）允许的电源电压骤降

为了说明电网换相、非调节型整流单元的SINAMICS驱动器运行情况，将根据幅值和持续时间，把理论上可能发生的电源电压骤降分为六种不同的范围，命名为A-F。在图2中，显示非有源型SINAMICS整流单元的这些范围，其中各个范围对应不同的限制条件，从而对应不同的驱动器运行特性。

图2  电源电压骤降的幅值和持续时间划分为区域A-F（非有源型SINAMICS整流单元）

（1）范围A

范围A由这样的电源电压骤降组成，它们的幅值位于允许的长期和短期电源电压变化范围中。

因此，范围A中的骤降是允许的，此时直流母线电压和驱动器功率的减少与电源电压骤降幅值成比例。

（2）范围B

范围B由这样的电源电压骤降组成，其幅值低至V_Line/V_N≈0.75。此时直流母线电压仍高于直流母线的欠压跳闸值，但由内部变压器提供的230V辅助电源仅能维持几ms。

因此，仅当通过可靠的外部电源为辅助设备提供230V电源时，允许发生范围B的骤降。同时必须考虑直流母线电压和驱动器功率与电源电压骤降幅值成比例减少的情况。

（3）范围C

范围C由持续时间最长为5ms的、任何幅值的电源电压骤降组成。在此期间，仅由直流母线电容提供负载所需要的电流，因而引起直流母线电压降低。由于骤降持续时间极短，即使在100%负载时，直流母线电压也不会低于欠压跳闸值。由230V供电的辅助设备仍能运行。

因此，由于持续时间极短，范围C的骤降是允许的。

（4）范围D

范围D由持续时间最长为10ms的、任何幅值的电源电压骤降组成。在此期间，仅由直流母线电容提供负载所需要的电流，因而导致直流母线电压降低。只有在直流回路放电速度低于范围C中的直流回路放电速度的情况下，直流母线电压才不致低于欠压跳闸值。因此，驱动器负载最大仅能为额定负载的50%。由于持续时间仍相对较短，230V电源供电的辅助设备仍将保持运行状态。由于持续时间非常短，在最大50%的负载运行时，允许发生范围D的电压骤降。

（5）范围E

范围E由持续时间最长为50ms的、任何幅值的电源电压骤降组成。在此期间，仅由直流母线电容提供负载所需要的电流，因而导致直流母线电压降低。只有在直流回路放电速度低于范围D中的直流回路放电速度的情况下，直流母线电压才不致低于欠压跳闸值。此时，驱动器只能空载运行。但内部230V变压器供电的辅助设备不能维持运行。仅当通过可靠的外部电源为辅助设备提供230V电源且驱动器处于空载运行状态时，允许发生范围E的骤降。

（6）范围F

范围F由持续时间长、幅值大的电源电压骤降组成。无论负载情况如何，无法避免直流母线欠压故障跳闸。因此，不允许发生范围F的骤降。

3.2 调节型SINAMICS有源整流单元允许的电源电压骤降

为了说明自换相、调节型整流单元的SINAMICS驱动器运行情况，将根据幅值和持续时间，把理论上可能发生的电源电压骤降分为六种不同的范围，命名为A-F，如图3所示，显示有源型SINAMICS整流单元的这些范围，其中各个范围对应不同的限制条件，从而对应不同的驱动器运行特性。

图3  电源电压骤降的幅值和持续时间划分为区域A-F（有源型SINAMICS整流单元）

（1）范围A

范围A由这样的电源电压骤降组成，它们的幅值位于允许的长期和短期电源电压变化范围中。因此，范围A中的骤降是允许的，此时直流母线电压和驱动器功率的减少与电源电压骤降幅值成比例。

（2）范围B

范围B由这样的电源电压骤降组成，其幅值低至V_Line/V_N≈0.5。由于调节作用，只要减少的电源电压能由输入电流的增加来补偿，直流母线电压就可维持在其预置值。但是，由内部变压器供电的230V辅助设备无法保持运行状态。因此，仅当通过可靠的外部电源为辅助设备提供230V电源时，允许发生范围B的骤降。同时必须考虑直流母线电压和驱动器功率与电源电压骤降幅值成比例减少的情况。

（3）范围C

范围C由持续时间最长为5ms的、任何幅值的电源电压骤降组成。在此期间，仅由直流母线电容提供负载所需要的电流，因而引起直流母线电压降低。由于骤降持续时间极短，即使在100%负载时，直流母线电压也不会低于欠压跳闸值。由230V供电的辅助设备仍能运行。因此，由于持续时间极短，范围C的骤降是允许的。

（4）范围D

范围D由持续时间最长为10ms的、任何幅值的电源电压骤降组成。在此期间，仅由直流母线电容提供负载所需要的电流，因而导致直流母线电压降低。只有在直流回路放电速度低于范围C中的直流回路放电速度的情况下，直流母线电压才不致低于欠压跳闸值。因此，驱动器负载最大仅能为额定负载的50%。由于持续时间仍相对较短，230V电源供电的辅助设备仍将保持运行状态。 由于持续时间非常短，在最大50%的负载运行时，允许发生范围D的电压骤降。

（5）范围E

范围E由持续时间最长为50ms的、任何幅值的电源电压骤降组成。在此期间，仅由直流母线电容提供负载所需要的电流，因而导致直流母线电压降低。只有在直流回路放电速度低于范围D中的直流回路放电速度的情况下，直流母线电压才不致低于欠压跳闸值。此时，驱动器只能空载运行。但内部230V变压器供电的辅助设备不能维持运行。仅当通过可靠的外部电源为辅助设备提供230V电源且驱动器处于空载运行状态时，允许发生范围 E的骤降。

（6）范围F

范围F由持续时间长、幅值大的电源电压骤降组成。无论负载情况如何，无法避免直流母线欠压故障跳闸。因此，不允许发生范围F的骤降。

3.3 电源电压骤降过程中驱动器运行特性总结

    如果考虑非调节型和调节型SINAMICS整流单元的运行特性以及“电源电压变化和骤降”一节中图示的电源电压骤降典型分布情况，则可得出下列结论：

    由于存储在直流回路的电容中的电能非常少，在范围C-E中，如果电源电压发生很大的骤降（甚至降为零），从电源至直流母线的能量流动被中断。依赖于根据负载情况，电源电压骤降的持续时间只允许5ms至50ms，而与整流单元的类型无关。但实际上这种情况很少发生。

    只有从电源至直流母线的能量流动不被中断时，才可允许持续时间长于50ms的骤降。对于电源换向的、非调节型整流单元（基本整流单元和整流回馈单元）来说，仅当电源电压骤降不低于约75%的标称电源电压V_N（范围A和B）的情况下，才可允许长于50ms的骤降。若不使用外部辅助电源，可处理50%的典型电源电压骤降（范围A）情况；使用外部辅助电源时，可处理70%的典型电源电压骤降（范围A和B）情况。

对于自换向的调节型整流单元，SINAMICS有源整流单元来说，即使电源电压骤降至约50%的标称电源电压（范围A和B）时，也可维持从电源至直流母线的能量流动。不用外部辅助电源时，与非有源整流单元的情况相同，可处理50%的典型电源电压骤降（范围A）。但采用外部辅助电源时，几乎可处理100%的典型电源电压骤降（范围A和B）。因此，对于经常发生较大的电压骤降的电网，与基本整流单元和整流回馈单元相比，有源整流单元具有明显的优势。

4. 降低幅值大、持续时间长的电源电压骤降影响的措施

    4.1 降低幅值大、持续时间长的电源电压骤降影响的措施和电源电压允许的谐波

（1）动能缓冲

对于持续时间长于50ms、大于50%标称电源电压V_N（范围F）的电源电压骤降，从电源至直流母线的能量流动或多或少被中断，只有在电机可以提供能量给直流母线时才可避免故障。当驱动系统的转动惯量足够大时可使用动能缓冲功能。该功能是SINAMICS变频器和逆变器的标配功能，需要时可通过参数激活。电源电压骤降时，动能缓冲功能从负载中获取能量以缓冲直流母线电压，从而防止发生故障跳闸。电源电压恢复后重新加速。当驱动系统的旋转惯量足够大时，可承受持续数秒的、大的电源电压骤降甚至电源故障，而不会造成驱动器故障跳闸。

（2）自动再启动与捕捉再启动

幅值大、持续时间长的电源电压骤降或持续时间较长的电源电压故障，故障跳闸不可避免。只要驱动器在电压骤降或电压故障恢复后可以自动重启、并加速至原有运行状态，许多应用场合就可接受此种跳闸。为此可使用自动再启动功能。如果电源电压骤降发生后需要重启旋转的电机，必须将自动再启功能与捕捉再启动功能相结合。即使电机上没有速度编码器，捕捉再启动功能也可识别旋转电机的方向和转速，并可从实际转速开始加速。自动再启功能与捕捉再启动功能是SINAMICS变频器和逆变器的标配功能，需要时可通过参数激活。

    4.2 电源电压允许的谐波

SINAMICS变频器及相应的网侧系统元件（输入电抗器、网侧谐波滤波器和输入滤波器）设计上用于连接到符合EN 61000-2-4，等级3的电源。在较短的时间内（2.5分钟的时间周期内<15秒），其谐波含量允许比标准值高1.5倍。按照EN 61000-2-4的允许值，电压V的奇次谐波含量，无3的整数倍次谐波如表2所示，按照EN 61000-2-4，总的电压谐波畸变率THD(V)的允许值如表3所示。

表2  电压V的奇次谐波含量，无3的整数倍次谐波

表3  按照EN 61000-2-4，总的电压谐波畸变率THD(V)的允许值

这意味着，在SINAMICS设备连接点处的电压谐波不应高于表3中等级3规定的电压谐波（包括设备自身产生的谐波）。这必须通过合理的工程设计来保证。必要时，可采用网侧谐波滤波器、12脉动或有源整流单元方案，以使电压谐波含量限制在等级3规定的范围内。否则，变频器中的元器件或相应的网侧元件将会热过载，或变频器发生故障。

5. 结语

    本文以西门子SINAMICS系列变频器为例，研究变频器在电源电压变化和突降时的响应，从西门子SINAMICS系列电源电压的范围，允许的电压变化入手，研究了非调节型和调节型SINAMICS整流单元的运行特性，得出降低幅值大、持续时间长的电源电压骤降影响的措施，以及电源电压允许的谐波。这些研究为变频器可靠运行提供了技术分析，具有指导意义。