关键词：西门子，SINAMICS，整流单元
1. 引言
西门子SINAMICS S120是目前市场占有率比较高的变频器产品。这款产品是基于公共直流母线系统的多机传动，其独特的结构和优异的性能专为完成最为复杂的传动任务而设计。本文详细介绍了SINAMICS S120系列变频器的不同整流单元，研究不同整流单元的运行特性，对正确选型具有指导意义。
2. 整流单元
2.1 基本整流单元
基本整流单元是一种不可调节的、两象限运行的电源模块（能量方向总是从电网输送到直流母线），这种整流模块不能将能量从直流母线回馈到电网。驱动系统的再生能量必须通过连接在直流母线上的制动模块（制动单元、制动电阻）转换成热能消耗掉。基本整流单元是由晶闸管或二极管组成的电源换相的6脉动三相整流器。在网侧，一般连接一个相对短路压降Uk=2％的输入电抗器。
基本整流单元是SINAMICS G130装机装柜型和G150柜机的一个整体组件（均为晶闸管），也是模块化系统SIANMICS S120装机装柜型和柜机的一种整流模块（小功率范围为晶闸管、900KW / 400V和 1500KW / 500-690V的大功率单元为二极管）
带有Uk=2%的输入电抗器的SINAMICS S120 晶闸管基本整流单元
基本型整流单元是一种电源换向整流器，输入三相电源电压 VLine，其输出为不可控的、依赖于负载的直流母线电压 VDC Link。在空载时，直流电压充至电源电压峰值，即：VDC Link = 1.41 • VLine；加载后，直流母线电压降低；部分加载，直流母线电压将为VDC Link ≈ 1.35
• VLine，满载时，
VDCLink=1.32 * VLine
由于直流电压不可控，电源电压波动会导致直流母线电压的波动。
使用S120晶闸管型基本整流单元为直流回路预充电时靠调节晶闸管的触发角来实现，因而几乎没有损耗。从预充电的角度看，这种整流单元可给较大容量的直流回路电容进行预充电。但是为了保护晶闸管，防止在电源电压骤降后恢复时直流回路电容的充电电流过高，必须限制允许连接的直流母线电容。然而，实际上由于使用的是晶闸管因而允许的直流回路电容限值相对较高。使用S120二极管型基本整流单元时，通过电阻进行预充电，这样会产生损耗。由于在预充电过程中电阻上的功率损耗，其允许连接的直流回路电容值低于晶闸管型基本整流单元。
根据6脉动三相桥式电路的工作原理，基本电源单元会给电网造成相对较高的谐波影响。电源电流包含了较高的谐波分量，其谐波次数 h=n×6±1, n是自然数。总的电流谐波畸变率THD（I）会达到30％到45％。可在G130 / G150的进线侧安装网侧谐波滤波器 LHF，以减少对电源的谐波影响，使总的电流谐波畸变率THD（I）降到10％ 以下。使用12脉动电路，也可以得到相同的滤波效果。
2.2 整流回馈单元
Smart Infeed 是一种可四象限运行的简单的整流/回馈单元，即它即允许能量从电源流至直流母线，也允许从直流母线流回到电源。
整流回馈单元由 IGBT 逆变器组成，该逆变器工作于电源侧、为电源换向的 6 脉动桥式整流/回馈单元。与有源整流单元不同，其IGBT不按照脉宽调制方式触发。在整流方式（电动模式）运行时，电流通过集成在 IGBT 模块中的二极管从电源流至直流母线，从而在电动模式下表现为电源换向的 6 脉动二极管桥式整流电路。回馈方式运行时，电流流过电源频率同步触发的 IGBT，这样，在回馈运行时表现为电源换向的 6 脉动 IGBT 桥式电路。
IGBT 与晶闸管不同，它可在任意时间关断，在回馈方式运行时不会由于电源故障而发生换向短路，因此 Smart Infeed 不会出现如反并联的可控硅桥式整流/回馈单元那样的短路故障跳闸。整流回馈单元需在电源侧安装一个相对短路压降为 4% 的进线电抗器。在SINAMICS S120 模块化系统中，整流回馈单元有装机装柜型和柜机型。
SINAMICS S120 整流回馈单元，由 SLM 和 uk = 4 % 的输入电抗器组成
整流回馈单元的 IGBT 总是在自然换向点处触发开通，120º (电角度) 后关闭，与能量流动方向无关。因此，电流也就是能量可以随时从电源流至直流母线，反之亦然。实际电流/能量流动的方向只取决于电源电压和直流母线电压。在稳定的电动状态下运行时，有电流流动期间，直流母线电压总是低于电源电压，电流通过二极管从电源流向直流母线；在稳定的回馈状态下运行时，有电流流动期间，直流母线电压总是高于电源电压，电流通过IGBT从直流母线流向电网。这种控制原理的优势在于：对于负载的变化，整流回馈单元可以相对快速地做出反应，还可随时改变电流流动的方向。
但是，空载运行时这种控制原理在输入侧产生容性无功电流，该电流不可忽视。原因是由于一边是正弦变化的电源电压，而另一边是空载状态下非常平稳的直流母线电压。结果使得在IGBT触发时刻，由于电源电压低于直流母线电压，会产生短时电流从直流母线流向电源；当电源电压达到峰值，直流母线电压低于电源电压，电流反向。从而在输入侧产生容性无功电流，该电流随着整流回馈单元负载的增加而减少，在达到额定负载时消失。空载情况下的容性无功电流的幅值取决于直流回路电容。当电容达到最大允许值时，空载无功电流约达到整流回馈单元额定电流的15 % 至 20 % 。原则上，可通过设置参数禁止回馈运行来防止产生空载无功电流。
整流回馈单元是电源换向的整流/回馈设备，将三相电源电压 VLine 整流为不可控的、基于负载的直流母线电压 VDC Link。在空载情况下，直流回路充电至电源电压峰值，即，VDC Link = 1.41 • VLine。直流回路带载时，直流母线的电压跌落大于基本整流单元，这是由于整流回馈单元的电抗器相对短路压降为 4 % ，其压降大于基本整流单元的 2 % 电抗器的压降。部分负载时，直流母线电压将为VDCLink ≈ 1.32 • VLine，满载时，
VDCLink ≈ 1.30*VLine
由于直流电压不可控，电源电压波动会导致直流母线电压的波动。
S120 整流回馈单元通过电阻进行预充电，由于在预充电过程中电阻上的功率损耗，允许连接的直流回路电容被限制为相对较低的值。这种限制不仅是由于预充电的损耗而且从保护 IGBT 模块中的二极管角度出发，电源电压骤降恢复后，以防止直流回路电容中的再充电电流过高。为保护 IGBT 模块中的二极管免受尖峰电流的冲击这一点尤为重要。有关各整流回馈单元允许的最大直流回路电容的详细信息，请参阅相关设备的有关章节或样本。 为了提高输出功率，最多可以4个6脉动的S120 整流回馈单元并联（6脉动或12脉动配置）。
根据6脉动三相桥式整流电路的运行原理，整流回馈单元的谐波影响相对较高。电源电流包含了高次谐波分量，谐波次数 h=n×6±1, n是自然数。整流状态下整流回馈单元的电流谐波同基本整流单元的谐波频谱相同。总的电流谐波畸变率THD（I）典型值达30％到45％。回馈模式下，5次谐波电流降低很多，但其它次谐波电流均稍有增加，总的电流谐波畸变率THD（I）仅降低了几个百分点。因为回馈时的电流谐波频谱同整流时的不同，所以整流回馈单元不能安装网侧谐波滤波器LHF。只有12脉动方式能将总的电流谐波畸变率THD（I）降至10%。
2.3 有源整流单元
有源整流单元是用于四象限运行的脉冲调制的整流/回馈单元，它既允许能量从电源流到直流回路，也允许能量反向。有源整流单元由自换向的 IGBT 逆变器构成。该逆变器工作于电源侧、把电源电压整流为恒定的可控的直流电压。由于在有源整流单元和电源之间安装了洁净电源滤波器，使电网的波形很近于正弦波因而谐波最小。
由ALM 和AIM 组成的SINAMICS S120有源整流单元
有源整流单元的产生的恒定的可控的直流母线电压，与电源电压的波动及电源骤降无关。由于其升压整流模式，直流母线电压总是高于电源电压的峰值（VDCLink > 
* VLine）。该值可调节，出厂设置为：VDCLink＝1.50 * VLine
如无必要不必修改该值。降低工厂设定值往往会降低控制性能，升高工厂设定值会使逆变器和电机绕组承受不必要的高电压。如果电机绕组可允许的电压非常高，直流母线电压可以允许升到下表指定的最大直流母线电压值VDCLink max。这样，逆变器的输出电压可以高于电源电压。下表描述了在矢量控制模式下（空间矢量调制或边缘调制方式），逆变器能达到最大的输出电压：
由于直流母线电压可以设定，同时直流母线电流依赖于该参数的设置，因而电流就不再适合作为选择ALM的标准。而将驱动系统的功率平衡作为计算ALM的基础。
SINAMICS 有源整流单元长期允许的直流母线电压和逆变器的输出电压
最重要的是要知道电机轴输出机械功率Pmech。由此入手，可以计算出需要从电网吸收的有功功率PLine，有功功率等于电机的功率损耗PLMot、逆变器的功率损耗PLMoMo、有源整流单元ALM的功率损耗 PLAI 和机械功率Pmech的总和：
PLine= Pmech + PL Mot + PL MoMo + PL AI
也可使用电机效率ηMot，逆变器的的效率ηMoMo和ALM的效率ηAI来计算：
PLine = Pmech / (ηMot • ηMoMo • ηAI)
从电源吸收的有功功率取决于电源电压 VLine, 电流 ILine 和网侧功率因数 cosφLine，公式如下：
它需要一个相对较大的无功电流，该电流由直流回路电容提供而非从电网获得。
由于有源整流单元工作于升压整流模式，即使当输入电源电压波动或骤降时，仍可将直流母线电压保持在一个恒定值。若要求设备能承受达15％的电源电压跌落而不跳闸，那么必须注意以下几点：
• 内部辅助电源必须由可靠的外部230V电源提供（如 UPS）。
• 电源欠压跳闸的阈值必须正确设置。
• 有源整流单元必须有足够的电流裕量，这样才能在电源电压跌落时，能够增加电流去补偿整流/回馈模式下由电压下降引起的功率降低。
S120 有源整流单元通过有源接口装置AIM中的电阻进行预充电。由于在预充电过程中电阻上的功率损耗，允许连接的直流回路电容被限制为相对较低的值。与整流回馈单元不同，它没有与二极管相关的附加限制。由于有源整流单元的自换相、可调节的运行方式，它总是控制着输入电流。这意味着在电压骤降恢复后不会产生过高的充电电流。
由于工作于脉冲调制方式且带有洁净电源滤波器，使得有源整流单元对电源几乎无谐波影响。输入电流的谐波含量非常小，电压的谐波含量也相对较低。各次谐波电流和电压都明显低于有源整流单元额定电流和额定电压的1 %。总的电流谐波畸变率THD（I）和总的电压谐波畸变率THD (V) 典型值都低于 3 %。
3. 整流单元的运行和比较
3.1 不同 SINAMICS 整流单元的特性比较
下表显示不同类型的整流单元所有关键特性的简单综合比较。
不同 SINAMICS 整流单元的特性比较
3.2 有源整流单元及其独立运行
SINAMICS 有源整流单元设计做为 SINAMICS 驱动系统的整流单元。因此，必须将它连接到三相电网上。它通过集成在有源接口装置 AIM 中的电压检测模块 VSM，测量电源电压的幅值和相位，使其与电源电压和频率同步，并控制直流母线电压恒为参数设定值。
由于 SINAMICS 有源整流单元没有电源频率发生器或电源电压控制器，目前，SINAMICS 有源整流单元不能独立运行。因此，目前SINAMICS 有源整流单元不适于需要产生独立的本地电源系统的应用场合。此类应用包括：
• 产生本地电源系统的风力发电厂
• 产生本地电源系统的应急柴油发电机组
• 产生船载供电电源系统的船舶轴带发电机
注：
有源整流单元没有电源频率发生器，对于空载运行状态的有源整流单元，如果在发出停车命令之前断开主接触器或断路器，将导致其临界运行状态。原因如下：
如果驱动系统处于空载运行状态，没有有功能量的流动。当电源断开后，直流母线电压会慢慢降低，有源整流单元会一直工作，直至直流母线的电压达到欠压跳闸阈值。在这种运行状态下，内部电源会或多或少地由ALM中的洁净电源滤波器产生，但很快这种电源的频率会偏离原电源频率。从而在有源型整流单元高中产生很高的谐振电压，进而损坏功率单元。因此，有源整流单元必须在断开电源之前先用OFF命令停机。
上述现象只会在空载运行的情况下发生。在带有部分负载或满载时直流母线电压会迅速改变，在内部电源频率变为临界值之前，直流母线电压就已达到欠压或过压的跳闸值（取决于能量的流向）。网侧电源电压的变化和骤降一般影响不大（因为电压通常不会降到零），此时有源整流单元能始终保持与电源频率同步。
3.3 整流单元的混合运行（公共直流母线方式混合运行）
当整流功率显著高于回馈功率时，可在同一电源系统下由不同的整流单元配合为公共直流母线供电，这是SINAMCIS一大优点。如果只为较低的回馈功率选择相对较贵的整流/回馈单元，选择相对便宜的整流单元与之并联提供电动运行时较高的整流功率，就可减少成本。下面介绍允许的和不允许的整流单元组合。
整流回馈单元和基本整流单元的混合运行。由于这两个整流单元产生几乎相同的直流母线电压，所以原则上可以使用这种组合。这种应用需考虑直流母线电压的幅值及与 PE 电位相关的时间特性。仍需考虑下述补充条件：
• 需要通过进线电抗器抑制环路电流从而使整流回馈单元和基本整流单元保持电流平衡
• 整流回馈单元和基本整流单元并联的数目
• 必须考虑电流的降额，这取决于并联的模块数目
由于这种组合仍处于开发和测试的最后阶段，所以目前还未得到认证。对这种组合进行认证后，将发布详细说明。
有源整流单元和基本整流单元的混合运行。由于这两个整流单元产生不同的直流母线电压，所以原则上不可混合使用。一方面，这两种整流单元工作原理不同，意味着，即使输入电压一致，它们的直流母线电压也会相差很大。结果功率无法平均分配。另一方面，两个整流单元的 PE 电位相关的直流母线电压时间特性不同，这将产生很大的环路电流。 唯有将它们的输入端去耦才可解决此问题，为此，需用独立的隔离变压器且设计相匹配的变压器变比来为其中的一个整流单元供电。 但是，这个方法所需费用相对较高，有悖初衷。
有源整流单元和整流回馈单元的混合运行。由于两个整流单元都可用于四象限运行，这种组合既不可能也没意义。 根据应用的要求，合理的选择是仅用有源整流单元或仅用整流回馈单元。从工作原理上讲，这种混合运行也会遇到与有源整流单元和基本整流单元混合运行时相同的问题。
4. 结语
本文以西门子SINAMICS S120 为例，介绍了不同整流单元，基本整流单元，整流回馈单元和有源整流单元，研究三种不同整流单元的特性，再分析各整流单元独立运行和混合运行的特点，对于根据需求正确选用变频器具有指导意义。
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