摘要：隨著西門子新一代Sinamics G150型變頻器應用的不斷廣泛，對之的要求也越來越高。12脈動功率并聯(lián)到新型結構滿足了市場新的要求。本文介紹了12脈動功率并聯(lián)Sinamics G150的軟硬件配置以及調試方法。

關鍵詞：變頻器  12脈動  整流 調試

一、引言：

      1）、西門子新一代變頻器Sinamics G150型變頻器，一經投入市場便受到了客戶熱烈的歡迎。其模塊化的結構，人性化的操作，以及西門子一貫的高質量控制系統(tǒng)，都為它贏得了不少的贊譽。但早期的Sinamics G150型變頻器最大功率僅為800kW，很大程度上限制了它的推廣?，F在Sinamics G150型變頻器通過功率部分的并聯(lián)可將最大功率提升至1500kW,同時通過整流部分的連接實現12脈動運行，有效的降低了諧波的影響。

      2）、深圳市梅林水廠出水泵房改造工程選用了兩臺西門子690V 1000kW Sinamics G150型變頻器。這也是功率并聯(lián)型Sinamics G150在中國的首次應用，其成功的應用為我們開拓了更為廣闊的市場。

二、技術分析：

      由于電力電子器件的非線性和波形非正弦的特點，由電力電子器件組成的電氣傳動裝置的電源側（網側）的電流不僅含有基波，還包含有豐富的諧波。這給電網的運行和效率帶來不良的影響，同時也會對接在該公用電網中的其他用電設備帶來不良的影響甚至危害。

      接入公用電網的諧波會產生很多不良的影響：使電網電壓波形畸變，供電質量下降；引起無功功率增加，降低功率因數；使接在同一電網中的變壓器、交流電機等損耗增大，加速絕緣老化，還會使這些設備的振動和噪聲增加；使接在同一電網的電力電容器可能由于對諧波電流的放大而過流；諧波可能在公用電網中產生并聯(lián)諧振引起過電壓而損壞電網中的其他用電設備；諧波可能引起公用電網中繼電保護設備的誤動作和影響檢測儀表的精度；對鄰近的弱電系統(tǒng)，包括通信系統(tǒng)和電子設備產生干擾。

      對電網而言，變頻器就是一個整流裝置，其網側諧波電流次數

    h=km±1
    k——正整數，k=1,2,3……;
    m——整流器整流脈波數。

     普通變頻器采用三相橋式整流，即m=6，其網側諧波電流次數為5、7、11、13、17、19…，其中5次，7次諧波非常明顯(見圖1)。

圖1  6脈動整流電流諧波

      在電網側，使用一臺3繞組整流變壓器，其副邊兩個繞組有30°的相位差。經過整流器并聯(lián)后在直流側形成12脈動，即m=12。此時其網側諧波電流次數為11，13，23，25……,理論上5，7，17，19諧波應為零。實際上，由于各種非理想因素的存在，如電網電壓不對稱，換向角延遲等，5，7，17，19次諧波仍以較低的值存在（見圖2）。

圖2  12脈動整流電流諧波

三、案例分析：

      3.1 系統(tǒng)概述

      深圳市水務（集團）有限公司梅林水廠是目前深圳市供水規(guī)模最大、工藝最先進的一座自來水廠，主要負責福田區(qū)的供水，日供水能力達到60萬立方米。梅林水廠改造前出水泵房驅動設備均為90年代德國西門子設計并制造，10多年的穩(wěn)定運行使客戶對西門子的產品十分信任，因此此次驅動設備改造客戶再次選擇了西門子，由兩套Sinamics G150變頻器代替舊的Masterdrive早期產品。

      系統(tǒng)電網側為3繞組整流變壓器，其兩個副邊相位差30°。變頻器為Sinamics G150 6SE3710-2GH41-1AA0-Z Z=L08+L26+L55 +L86+G61+M23（見表1），標配進線電抗器，輸出側加裝電動機電抗器。電機為客戶原有單繞組西門子電機。系統(tǒng)配置示意見圖4所示。

圖3  出水泵房總攬

圖4  12脈動并聯(lián)型示意圖

      3.2 調試重點

      12脈動并聯(lián)型G150變頻器有兩套獨立的進線部分，功率單元以及出線部分，兩柜體區(qū)別之處就是只有右側主柜內有控制器CU320，控制面板AOP30以及接線端子模塊TM31。所有的邏輯運算，控制操作，信號采集都由主柜完成。兩個柜體之間的通訊由Sinamics獨有的DRIVE-CLIQ技術電纜完成數據傳輸。

    3.2.1 區(qū)別于調試普通單機G150，12脈動并聯(lián)型G150變頻器在硬件上有幾點需要特別注意

    （1）作為供電電源的12脈沖連接只能使用帶三繞組系統(tǒng)的裂解變壓器或者在變壓器二次側帶兩個電氣上彼此相差30°的繞組系統(tǒng)。最好使用變壓器矢量組Dy5Dd0或Dy11Dd0。

    變壓器還應滿足以下要求：二次側兩個繞組的開路電壓相差最大不得超過額定電壓的0.5%；兩個二次側繞組短路阻抗的偏差必須小于額定值的5%；變壓器的最小短路阻抗應為4%。

    （2）兩柜之間直流母線通過兩個3NH70隔離開關（Q98,Q99）連接，在合閘前必須確保使用隨機配送的專用電纜（W001,W002）將兩柜體直流母線連接，且相序一致。

    （3）主接觸器和主斷路器的閉合輔助觸點在出廠時已經串聯(lián)連接好，并連接到控制單元的數字輸入DI7；同輔助電源DC24V和AC230V一起通過專用插頭（X98,X99）從右側主柜連接到左側從柜。

    （4）從主柜控制單元CU320的X102到從柜功率單元CIB板的X400之間的DRIVE-CLIQ電纜（W003）必須連接，且必須確保該電纜的走線不會受到電力電纜的干擾。

    （5）功率柜內冷卻風機用變壓器的抽頭必須根據實際電網電壓調節(jié)到合適的檔位，且主從兩個功率柜的變壓器抽頭必須是相同的設定。

    （6）對于12脈動饋電電源，且連接到單繞組系統(tǒng)電機時，若變頻器輸出側到電動機之間的電纜距離比較短，則必須加裝輸出側電動機電抗器以實現兩臺逆變器的負載平衡。不同電壓，功率等級的變頻器對電動機電纜的最小長度要求也不相同（見表2）。若所連接的電機有兩個電位上完全隔離的繞組，則兩部分逆變器的輸出直接接到電機這兩個繞組上。這兩個磁耦合的繞組作用就像一臺平衡電抗器，因而不需要附加的電動機電抗器。

3.2.2 系統(tǒng)軟件調試時也有一些需要特別注意的地方

    （1）梅林水廠出水泵電機為單繞組系統(tǒng)，故參數P7003（繞組系統(tǒng)）必須設置為“0”（單繞組系統(tǒng)）。邊緣調制功能不可以激活。

    （2）主斷路器和主接觸器的閉合輔助觸點經過串聯(lián)連接到主柜控制單元CU320的數字輸入DI7。故必須激活返回信號的監(jiān)控功能P0860=CU:r722.7,以實現監(jiān)測主從兩個柜體主斷路器和主接觸器是否同時動作。

    （3）梅林水廠變頻器出線側加裝了電動機電抗器，故需設置參數P230=1激活。

      這些參數都需要在電機辨識開始前設置，否則可能會造成變頻器的損壞。

      3.3 選件調試

      梅林水廠G150變頻器包含選件L08電動機電抗器，L26主斷路器，L55抗冷凝加熱器，L86電動機PT100估算單元，G61用戶端子TM31擴展，M23防護等級IP23。其中L08電動機電抗器和L26主斷路器在上文中已有介紹。

    （1）L55抗冷凝加熱器。

      深圳作為沿海城市決定了變頻器的使用環(huán)境濕度較高，為了避免潮濕空氣對變頻器電路板和功率器件的損壞，選擇抗冷凝加熱器是一個明智之舉。電加熱器的電源由客戶單獨提供并控制，當變頻器長時間停機時可以打開加熱器保持柜內空氣干燥，避免結露發(fā)生。

    （2）L86電動機PT100估算單元（見圖7）。

圖7  PT100估算單元

      PT100估算單元可以對最多6個溫度傳感器進行監(jiān)控。通過參數設置，測量通道被分成兩組。第一組連接2個傳感器信號：定子1和軸承1，并根據實際情況分別設定報警溫度。第二組連接3個傳感器信號：定子2軸承2和定子3，同樣根據實際情況設定報故障溫度。這樣，估算單元可以實時監(jiān)控電機定子和軸承的溫度，并在溫度到達設定值時觸發(fā)外部報警1（A7850）或外部故障1（F7860）。

      同時這個估算單元還有兩個模擬量輸出端口，通過設置參數可選擇某個通道的實際溫度值以0/4～20mA和0/2～10V信號發(fā)送到上位監(jiān)控系統(tǒng)。

    （3）G61用戶端子TM31擴展   
         
      G150型變頻器標配1個用戶端子模塊TM31，當輸入輸出端口不夠時可通過選件G61來增加一個TM31。Sinamics系列獨有的DRIVE-CLIQ技術，使模塊擴展變得十分簡單，只需用DRIVE-CLIQ電纜連接原有模塊和新模塊。

    （4）M23防護等級IP23

      G150變頻器標配防護等級為IP20,通過選件M23在柜頂和柜體下部進風口加裝防塵罩和濾網將柜體防護等級提高到IP23，有效的減少了灰塵對變頻器的影響，降低故障率。

四、難點分析：

（1）第一次上電且完成電機辨識后，主接觸器分斷的同時變頻器報故障F07300(主接觸器反饋信號丟失)。經過分析和察看相關參數發(fā)現參數P0861（串聯(lián)主接觸器反饋信號的監(jiān)控時間）默認設置為100ms,更改P0861為200ms后再次測試，變頻器可正常停車，故障F07300排除。

（2）由于水廠的特殊工藝，客戶要求電機速度到達300轉/分后變頻器能輸出一個開關量信號以觸發(fā)出水閥門。通過Messages and Monitoring 功能中的 Speed messages 模塊，設置參數P2155(速度極限2)為299,參數P2140(速度極限2的滯環(huán))為0.01,參數P4041(TM31模塊DO11)為r2197.2(實際速度的絕對值大于速度極限2的設定值時為1)。當電機速度大于300轉/分時TM31模塊的DO11輸出高電平觸發(fā)閥門打開，實現客戶要求。（見圖8）

圖8  速度極限2功能圖

五、結束語：

      12脈動并聯(lián)型Sinamics G150既有效的減少了變頻器對電網側的諧波影響，又擴大了柜體的功率,彌補了低版本G150功率較低的缺憾。隨著控制軟件版本和調試軟件Starter的不斷升級，G150具備了更多更直觀的功能，令客戶各種各樣的要求輕松實現。

      深圳梅林水廠2臺12脈動并聯(lián)型Sinamics G150投產近1年時間，設備運行穩(wěn)定?！办o音，高效，節(jié)能”的特點也受到了用戶的肯定和好評。作為12脈動并聯(lián)型Sinamics G150在國內的第一次應用，為今后的市場開拓奠定了堅實的基礎。