摘要：隨著西門子新一代Sinamics G150型變頻器應(yīng)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(jié)構(gòu)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(diào)試方法。

關(guān)鍵詞：變頻器  12脈動  整流 調(diào)試

一、引言：

      1）、西門子新一代變頻器Sinamics G150型變頻器，一經(jīng)投入市場便受到了客戶熱烈的歡迎。其模塊化的結(jié)構(gòu)，人性化的操作，以及西門子一貫的高質(zhì)量控制系統(tǒng)，都為它贏得了不少的贊譽(yù)。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(xiàn)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(xiàn)12脈動運(yùn)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(yīng)用，其成功的應(yīng)用為我們開拓了更為廣闊的市場。

二、技術(shù)分析：

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

      接入公用電網(wǎng)的諧波會產(chǎn)生很多不良的影響：使電網(wǎng)電壓波形畸變，供電質(zhì)量下降；引起無功功率增加，降低功率因數(shù)；使接在同一電網(wǎng)中的變壓器、交流電機(jī)等損耗增大，加速絕緣老化，還會使這些設(shè)備的振動和噪聲增加；使接在同一電網(wǎng)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(wǎng)中產(chǎn)生并聯(lián)諧振引起過電壓而損壞電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備；諧波可能引起公用電網(wǎng)中繼電保護(hù)設(shè)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(shè)備產(chǎn)生干擾。

      對電網(wǎng)而言，變頻器就是一個整流裝置，其網(wǎng)側(cè)諧波電流次數(shù)

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

     普通變頻器采用三相橋式整流，即m=6，其網(wǎng)側(cè)諧波電流次數(shù)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(wǎng)側(cè)，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(jīng)過整流器并聯(lián)后在直流側(cè)形成12脈動，即m=12。此時其網(wǎng)側(cè)諧波電流次數(shù)為11，13，23，25……,理論上5，7，17，19諧波應(yīng)為零。實際上，由于各種非理想因素的存在，如電網(wǎng)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(wù)（集團(tuán)）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(jìn)的一座自來水廠，主要負(fù)責(zé)福田區(qū)的供水，日供水能力達(dá)到60萬立方米。梅林水廠改造前出水泵房驅(qū)動設(shè)備均為90年代德國西門子設(shè)計并制造，10多年的穩(wěn)定運(yùn)行使客戶對西門子的產(chǎn)品十分信任，因此此次驅(qū)動設(shè)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(chǎn)品。

      系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)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(biāo)配進(jìn)線電抗器，輸出側(cè)加裝電動機(jī)電抗器。電機(jī)為客戶原有單繞組西門子電機(jī)。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(diào)試重點(diǎn)

      12脈動并聯(lián)型G150變頻器有兩套獨(dú)立的進(jìn)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(cè)主柜內(nèi)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(yùn)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(dú)有的DRIVE-CLIQ技術(shù)電纜完成數(shù)據(jù)傳輸。

    3.2.1 區(qū)別于調(diào)試普通單機(jī)G150，12脈動并聯(lián)型G150變頻器在硬件上有幾點(diǎn)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(cè)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(yīng)滿足以下要求：二次側(cè)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(cè)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(yīng)為4%。

    （2）兩柜之間直流母線通過兩個3NH70隔離開關(guān)（Q98,Q99）連接，在合閘前必須確保使用隨機(jī)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(diǎn)在出廠時已經(jīng)串聯(lián)連接好，并連接到控制單元的數(shù)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(cè)主柜連接到左側(cè)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(nèi)冷卻風(fēng)機(jī)用變壓器的抽頭必須根據(jù)實際電網(wǎng)電壓調(diào)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(shè)定。

    （6）對于12脈動饋電電源，且連接到單繞組系統(tǒng)電機(jī)時，若變頻器輸出側(cè)到電動機(jī)之間的電纜距離比較短，則必須加裝輸出側(cè)電動機(jī)電抗器以實現(xiàn)兩臺逆變器的負(fù)載平衡。不同電壓，功率等級的變頻器對電動機(jī)電纜的最小長度要求也不相同（見表2）。若所連接的電機(jī)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(jī)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(jī)電抗器。

3.2.2 系統(tǒng)軟件調(diào)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(jī)為單繞組系統(tǒng)，故參數(shù)P7003（繞組系統(tǒng)）必須設(shè)置為“0”（單繞組系統(tǒng)）。邊緣調(diào)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(diǎn)經(jīng)過串聯(lián)連接到主柜控制單元CU320的數(shù)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(xiàn)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(cè)加裝了電動機(jī)電抗器，故需設(shè)置參數(shù)P230=1激活。

      這些參數(shù)都需要在電機(jī)辨識開始前設(shè)置，否則可能會造成變頻器的損壞。

      3.3 選件調(diào)試

      梅林水廠G150變頻器包含選件L08電動機(jī)電抗器，L26主斷路器，L55抗冷凝加熱器，L86電動機(jī)PT100估算單元，G61用戶端子TM31擴(kuò)展，M23防護(hù)等級IP23。其中L08電動機(jī)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(dú)提供并控制，當(dāng)變頻器長時間停機(jī)時可以打開加熱器保持柜內(nèi)空氣干燥，避免結(jié)露發(fā)生。

    （2）L86電動機(jī)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(jìn)行監(jiān)控。通過參數(shù)設(shè)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(jù)實際情況分別設(shè)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(jù)實際情況設(shè)定報故障溫度。這樣，估算單元可以實時監(jiān)控電機(jī)定子和軸承的溫度，并在溫度到達(dá)設(shè)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(shè)置參數(shù)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(kuò)展   
         
      G150型變頻器標(biāo)配1個用戶端子模塊TM31，當(dāng)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(dú)有的DRIVE-CLIQ技術(shù)，使模塊擴(kuò)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(hù)等級IP23

      G150變頻器標(biāo)配防護(hù)等級為IP20,通過選件M23在柜頂和柜體下部進(jìn)風(fēng)口加裝防塵罩和濾網(wǎng)將柜體防護(hù)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(diǎn)分析：

（1）第一次上電且完成電機(jī)辨識后，主接觸器分?jǐn)嗟耐瑫r變頻器報故障F07300(主接觸器反饋信號丟失)。經(jīng)過分析和察看相關(guān)參數(shù)發(fā)現(xiàn)參數(shù)P0861（串聯(lián)主接觸器反饋信號的監(jiān)控時間）默認(rèn)設(shè)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(jī)速度到達(dá)300轉(zhuǎn)/分后變頻器能輸出一個開關(guān)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(shè)置參數(shù)P2155(速度極限2)為299,參數(shù)P2140(速度極限2的滯環(huán))為0.01,參數(shù)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(shè)定值時為1)。當(dāng)電機(jī)速度大于300轉(zhuǎn)/分時TM31模塊的DO11輸出高電平觸發(fā)閥門打開，實現(xiàn)客戶要求。（見圖8）

圖8  速度極限2功能圖

五、結(jié)束語：

      12脈動并聯(lián)型Sinamics G150既有效的減少了變頻器對電網(wǎng)側(cè)的諧波影響，又?jǐn)U大了柜體的功率,彌補(bǔ)了低版本G150功率較低的缺憾。隨著控制軟件版本和調(diào)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(xiàn)。

      深圳梅林水廠2臺12脈動并聯(lián)型Sinamics G150投產(chǎn)近1年時間，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定?！办o音，高效，節(jié)能”的特點(diǎn)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(nèi)的第一次應(yīng)用，為今后的市場開拓奠定了堅實的基礎(chǔ)。