有源整流单元主从功能优化

1.功能原理

通过此功能可以实现逆变单元的冗余运行。冗余运行只适用于逆变单元、逆变单元和控制单元。在以下应用场合可以采用该功能：

1）提升装置，在紧急模式下设备仍需要继续运行，以便下放负载。

2）造纸机和轧机要求线性驱动仍能以降低的线速度继续运行。

3）输油平台，一旦一台整流单元出现故障，仍需要继续输油，即实现系统的冗余运行。

4）为扩展设备的输出功率，使用不同功率范围的整流单元。

5）供电系统或变压器上存在相位偏移、同一直流母线上存在电压差。

在主从逆变单元的运行中，每个逆变单元都必须由一个单独的控制单元控制。另外还需要一个上级控制器，例如SIMATIC S7，它可以通过PROFIBUS从-从通信传送电流设定值，或者通过TM31模块的模拟信号给出电流设定值。在逆变单元选型合适时，一个逆变单元失效后，整个系统会继续运行，而不会降低输出功率。主装置由控制系统选定，并具有Vdc电压控制（参数p3513=0）、电流控制功能。从装置直接从主装置获得设定值，只具有电流控制功能（参数p3513=1）。

电源侧需要通过隔离变压器实现安全电气隔离，以避免在两台装置之间产生环流。

逆变单元可以通过一个直流断路器与直流母线隔开。

2.基本结构

（1）描述

每个有源逆变单元（ALM）和一个控制单元（CU）、一个电压测量模块（VSM）通过DRIVE-CLiQ连接在一起，构成一条驱动支路。一个逆变单元和一个机柜安装式编码器模块（SMC）或外部编码器模块（SME）构成了一条驱动支路。一个控制单元控制整个驱动系统。一旦其中一个模块出现故障，最多只有该模块所在的支路失效。该故障情况可以通过可读参数r0863.0作为故障信息传送给上位控制器。在上级控制器的用户程序中会对该故障加以分析评估，并发送相应的信号给其余的逆变单元。没有使用上级控制器时，也可以借助各个有源逆变单元中的DCC图分析故障。所有其它支路的功能完全正常，继续运行。

（2）特性

1）主从运行只用于有源逆变单元。

2）一个主装置，最多三个从装置。

3）主装置出现故障时，一个从装置会变为主装置。

4）一个整流支路失效时，其它整流单元会继续运行。

5）各个整流支路应通过电网实现电气隔离，防止由于不同步的触发而形成环流。

6）所有逆变单元都汇入一条共用的DC母排，即DC直流母线。

7）由于ALM不能识别直流母线是否被切断、直流母线熔断器是否熔断，为此必须装入其它的监控部件，即：DC开关的反馈或熔断器反馈触点。

8）上位控制器通过PROFIBUS/PROFINET或模拟数据和CU以及ALM通信。如果不需要使用上位控制器，则必须在硬件上连接控制信号，例如：通过TM31。

9）不同功率的整流支路可以组合在一起。

（3）拓扑结构

拓扑结构和PROFIBUS通信网络如图8-81所示。

图8-81 拓扑结构和PROFIBUS通信网络（带冗余电源模块的主从运行，4条电源支路）

拓扑结构和PROFIBUS通信网络：带冗余的整流单元的主从运行（4条整流支路），主从运行中最多可以采用4个ALM。

（4）整流装置的电气隔离

在上述结构中，除了SINAMICS组件外，还需要实现和电网的电气隔离，避免由于有源整流单元ALM脉冲不同步而形成环流。

有两种电气隔离方案：

1）从装置回路使用各自的隔离变压器。隔离变压器的一次侧应与接地/不接地的电源变压器连接。二次侧不允许接地。

2）主装置和从装置各自连接到三绕组变压器的一个二次侧绕组。其中，只有星形绕组的公共点可以接地。

在采用这两种方案时应注意，每个ALM（从装置1～3个）应使用单独的变压器。其配置方案可以参考，有源整流装置的冗余电源配置。

（5）DC断路器

说明

失效的整流单元在电网侧由电源接触器断开；在直流母线侧由DC断路器断开。整流单元不允许连接到已经充电的直流母线上。在切换到另一个整流支路前，直流母线必须放电。只有DC断路器回路中配置了预充电回路时，才可以将整流单元连接到已经充电的直流母线上。

3.通信类型

主从整流装置运行中需要CU之间相互通信。此时，有功电流设定值从主装置传送到从装置。

为优化Vdc控制（直流母线电压），通信时的时滞应尽可能短。

（1）PROFIBUS从-从通信

数据直接在CU之间传送，无需通过DP主站。此时需要一个PROFIBUS主站（上位控制器），例如：S7-CPU。PROFIBUS最小可设置的循环时间由PROFIBUS主站的性能决定。

在PROFIBUS上应设置等时同步模式。PROFIBUS循环时间最大不能超过2ms，如果超出该时间，可能会引起控制回路的振荡。为防止一个CU失效同时引起其它整流单元失效，必须屏蔽可能会输出的故障信息F01946“与Publisher的连接中断”。(www.xing528.com)

在p2100[0..19]的某个参数中设置“1946”，并设置p2101[x]=0，便可以锁定故障信息F01946。这样从-从通信中的某个节点失效时，驱动不会停机。

主从整流单元运行时，通常应设置相同的电流控制器周期，特别是整流单元功率不同时。

PROFIBUS节点或驱动的数量增加时，总线循环时间或电流控制器的采样时间也会受到影响。

（2）通过模拟设定值进行通信

除了总线通信外，也可以在控制单元和端子模块31（TM31）之间传送模拟设定值给定。模拟量输入/输出的采样时间在出厂时为4ms，参数为p4099[1/2]TM31输入/输出采样时间。该采样时间必须设为基本采样时间（r0110）的整数倍值。为了实现整流单元的主从运行，整流单元的电流控制器周期必须设置相同的最小分母。模拟量输入/输出的采样时间必须设为和电流控制器周期相同的值，例如：250μs。这样从装置便可以在第二个电流控制器周期中循环接收模拟量设定值。此时死区时间为一个电流控制器周期。

这种方式的优点在于，通信系统的配置不受总线和主站的影响。

缺点是需要额外的硬件（接线），并且每个CU都要配备一个TM31。而且EMC干扰也可能增加。在这种方式下，上位控制器如SIMATIC S7不是必需的。可以选择采用单个CU中的DCC图来实现控制。

4.功能说明

“主从”功能并不是在上位控制器中实现，而是直接在CU的固件和有源整流单元中实现，并通过信号r0108.19=1即“在STARTER中选中了主从功能”加以显示。在该功能模块内，Vdc控制带和电流设定值给定是由ALM控制回路的多路选择器来确定。

所有有源整流单元的设置必须确保，整流单元既可以用作主装置，也可以用作从装置。在整流单元运行时，可以自由地切换主装置和从装置，切换由上级控制器通过参数p3513执行。

主装置可以采用Vdc控制（p3513=0）和电流控制，而从装置只能采用电流控制（p3513=1）。由主装置给定的有功电流设定值I_有功（设定）经过控制单元的通信回路传送到从装置。

如果在有源整流单元（ALM）上为了补偿无功功率而使用了外部无功电流设定值，该值也必须接入，以便传送给从装置。主从运行的设定值只给出了有功电流。在某个ALM失效后，通电时请注意，直流母线电容C_dc不能超出剩下的ALM的最大允许的充电能力的要求，否则可能会使预充电电阻过载。

在运行中可修改参数p3422（C_dc电容）。这样在主从切换时便可以直接通过该参数调节控制，而不再需要调节Vdc控制器的比例增益（p3560）。修改参数p3422后，固件会自动重新计算参数p3560。

主从整流运行的框图如图8-82所示。

图8-82 主从整流运行的框图（3个功率相同的ALM，通信类型PROFIBUS）

功能图

功能模块“主从整流”的工作方式请见功能图8940和8948（参见SINAMICSS120/S150参数手册）。

对功能图的解释

1）电流设定值的连接：参数p3570用于接入电流控制的设定值，即来自主装置的有功电流的设定值。主装置和从装置之间的切换由上位控制器通过参数p3513实现：p3513=0时为采用Vdc控制的主装置，p3513=1时为采用电流控制的从装置；该参数可以在“运行就绪”状态下修改。

2）电流设定值的选择：电流设定值由一个带4个输入端的多路选择器（X0～X3）（p3571.0～p3571.3）、控制字（XCS）（p3572）选择。因此，在主装置失效时，仍可以选择新的主装置的电流设定值。

3）电流分布系数的选择：为了在负载比例不均衡的情况下，避免直流母线电压控制器动态特性降低，必须在一个整流单元故障或激活时立即更新电流分布系数。电流分布系数由当前有效的整流单元数量和额定数据计算得出。所有生效的整流单元的电流分布系数总和必须始终是100%。可采用含6个输入端（X0～X5）（p3576.0～5）的多路选择器通过控制字（XCS）（p3577）选择电流分布系数。或者可在上位控制系统中计算新的电流分布系数，通过循环PROFI-BUS-PZD报文发送，并直接与模拟量互联输入“整流：附加电流分布系数”（p3579）互联。还有一种方案是通过参数p3516的非循环PROFIBUS参数写入任务对电流分布系数进行更新。不过此时会存在时滞。对于无多路选择器的方案，此系数可用于其它功能。

4）Vdc控制带：在主从整流运行时，如果直流母线的负载突然变化，例如：负载冲击或紧急停止，可能会超出Vdc极限值。因此通过Vdc控制带对直流母线电压进行监控。通过Vdc控制带可以设定一个带回差的特定电压范围，其中，参数p3574.0/1用于设置Vdc电压带的上限和下限；参数p3574.2/3用于设置电压上限和下限的回差。若直流母线电压离开此电压范围，则会产生一个信号。通过分析此信号，从装置从电流控制转换为电压控制。直流母线电压重新回到该范围内时，从装置再次切换至电流控制。此时Vdc控制一直处于“待机”状态并在必要的状况下被重新激活。

5.调试

（1）电源识别和直流母线识别

在STARTER中选中“主从”运行选项前，必须在调试时在每个整流支路上执行电源识别和直流母线识别。在每个整流单元识别结束后会正确设置用于电流控制的电感、用于电压控制的直流母线电容。如果使用了一个DC断路器将整流单元从直流母线上断开，在一个整流单元被切断后，必须重新在所有生效的整流单元上执行直流母线识别，因此必须重新采集直流母线电容。如果没有重新执行识别，发生改变的直流母线电容会影响Vdc控制的动态响应。

说明

直流母线电压设定值的校准为了确保Vdc公差带监控生效，需要将p3510中的主装置和从装置直流母线电压Vdc设定值设为相同的数值。

（2）激活主从功能

“主从”功能可以通过复选框/选项“主从”激活，该选项位于整流单元的STARTER向导中。可以通过参数r0108.19查看CU或有源整流单元（ALM）中的该功能是否生效，生效时r0108.19=1。所有其它必需的参数可以通过相应的整流单元的专家参数表来设置。

说明

在ALM的主从运行中，总线循环时间最大允许为2ms。若总线循环时间更长，则必须大幅削减动态特性（p3560）。此时不再能确保对负载冲击的控制。

总线循环时间增大时，可能会出现直流母线电压振荡，但通过降低动态响应（p3560）还能够对振荡加以控制。而当总线循环时间超出2ms时，便无法确保运行安全。

选择的Vdc设定值p3510必须足够大，确保即使在电源过电压下备用控制器也不会响应，必要时可以提高调制模式的响应阈值，但在过调制时会出现谐波电流和谐波电压。

如果没有采取上述方法，而确实需要调用备用控制器响应时，请务必选择足够大的公差带。

（3）主从切换

一旦运行中某个功率部件失效，上位控制系统可以将任一条整流支路从电流控制（从装置模式）切换到直流母线电压控制（主装置模式），反之亦然，或返回到从装置模式（主装置的参数设置为p3513=0；从装置为p3513=1）。

（4）运行中接入ALM

在主从运行中首先必须将有源整流单元（ALM）作为从装置。

（5）运行中断开ALM

需要在从装置状态下通过OFF2（脉冲禁止）将有源整流装置（ALM）从主从运行组中断开。若主装置由于故障（OFF2响应，脉冲禁止）断开，则必须立即将一个从装置切换作为主装置。

在一个整流主从控制组中不可同时运行两个主装置。