2.2 S120功率部分組件

SINAMICS S120功率部分組件除了實現基本交直交變頻功能的電源模塊（整流裝置）、直流回路和電動機模塊（逆變裝置）之外，還需要選配系統組件（進線側組件、直流回路組件和輸出側組件），以保證傳動裝置和電動機的正常運行，以及減小傳動裝置對電源的影響。

S120功率部分組件按電氣連接順序依次包括：①進線側組件（進線電抗器、進線濾波器）；②電源模塊；③直流回路組件（制動單元+制動電阻、電容模塊、控制電壓模塊CSM、電壓限制模塊VCM、直流母線適配器等）；④電動機模塊；⑤輸出側組件（輸出電抗器、dv/dt濾波器、正弦濾波器），如圖2-5所示。

2.2.1 進線電抗器

進線電抗器通常串聯在電源和變頻器進線端之間，依靠線圈的感抗來阻礙電流變化，具體有以下幾方面作用。

1. 減少電源浪涌對變頻器的沖擊

變頻器連接到大短路容量的電網（強電網）時，合閘瞬間會產生很大的沖擊電流（浪涌電流），會損壞變頻器，影響其使用壽命。在變頻器前加裝進線電抗器，可以抑制浪涌電流（合閘瞬間，電抗器呈高阻態，相當于開路），并限制電網電壓突變引起的電流沖擊，有效保護變頻器，還能夠減小電源模塊的功率器件和直流回路電容的熱負荷。

2. 降低變頻器產生的諧波電流對電網的干擾

變頻器會產生高次諧波，影響設備正常使用，加裝進線電抗器，可以改善變頻器的功率因數，抑制變頻器回饋電網中的諧波電流，改善電網質量。但是進線電抗器對諧波電流的濾波能力較弱，6脈動整流中產生的5、7次諧波分量較大，進線電抗器可減小5%～10%的5次諧波，2%～4%的7次諧波，對于更高次諧波，電抗器作用更小，與進線濾波器配合使用可以得到更好的濾波效果。

在變頻器配置了RFI（Radio Frequency Interference）進線濾波器的情況下，必須安裝進線電抗器以減小諧波對電網的影響，且進線電抗器必須安裝在進線濾波器與變頻器輸入側之間。原因在于沒有進線電抗器時，此類濾波器無法100%達到濾波效果。

3. 實現變頻器與電網解耦

當多個變頻器連接至同一電網公共接入點時，為抑制電網電壓（因其他負荷變化）產生擾動影響變頻器工作，以及各變頻器之間諧波相互干擾，需在每臺變頻器之前配置各自的進線電抗器，不允許多臺變頻器共用一個進線電抗器。

4. 實現變頻器并聯時的電流平衡

當設備容量比較大時，需要通過變頻器并聯運行來提高輸出功率。每臺變頻器前都需要加進線電抗器，以保證并聯裝置之間的電流平衡，以防止由于不平衡電流造成的某個整流過載。

進線電抗器的選取和連接需要注意以下幾點：

1）進線電抗器的選取需與電源模塊（SLM、BLM、ALM）相匹配，使用不配套的進線電抗器可能損壞電源模塊。如果選用BLM，則需要在進線側（BLM與電網之間）加裝與其功率相對應的相對短路容量為2%的進線電抗器。如果選用SLM，則需要在進線側加裝與其功率相對應的相對短路容量為4%的進線電抗器。

對于書本型非調節型電源模塊（SLM）的正常運行要求使用進線電抗器，但如果使用第三方進線電抗器可能會導致故障或設備損壞。對于裝機裝柜型，在電源進線電感較低的情況下，需要加裝一個進線電抗器。

2）進線電抗器和電源模塊、進線濾波器之間的連接電纜要盡可能短（最長10m），且應使用屏蔽電纜，電纜的屏蔽層必須兩端接地。但是在低頻情況下，進線電抗器與變頻器的連接可不必就近，但仍不能超過100m。注意：對于變頻器配置了符合EN 61800-3的C2類別的進線濾波器，進線電抗器必須就近安裝。

2.2.2 進線濾波器

進線濾波器安裝在電網和進線電抗器之間，用于限制由變頻調速系統產生的150kHz～30MHz的高頻干擾。

變頻器驅動系統中主要存在兩種干擾：低頻干擾和高頻干擾。

1. 低頻干擾（頻率范圍為0～9000Hz）

低頻干擾是由于驅動系統中的非線性元件產生的。整流單元、直流環節、逆變單元中含有大量非線性元件，正弦交流電作用于非線性電路，基波電流會發生畸變從而產生諧波。

減小低頻干擾的手段：①加LHF進線諧波濾波器：主要吸收6脈波整流器的5、7次諧波電流；②增加回路阻抗：加進線電抗器；③改變電路拓撲結構：6脈動整流改成12脈動整流。

濾波效果比較：進線電抗器＜LHF濾波器＜12脈動整流。

2. 高頻干擾（頻率范圍為150kHz～30MHz）

由于逆變器IGBT高速導通、關斷會在調速柜的PE母排上產生高頻漏電流，進線濾波器能夠使高頻噪聲電流流回到變頻器。否則噪聲電流將通過網側PE線疊加在電源上，從而影響連接到公共接入點的所有設備。

降低高頻干擾的手段：①加進線濾波器（無線頻率干擾RFI抑制濾波器或EMC濾波器）；②屏蔽良好接地。上述兩種手段要都做好，才能確保驅動設備產生的干擾大部分限制在驅動系統內部（干擾源），僅很少一部分傳播到電網中去，從而改善整個系統的電磁兼容性。

知識拓展1——【高頻漏電流在電路中的傳導路徑分析】

逆變器IGBT導通、關斷會產生很高的電壓變換率dv/dt，將在逆變器輸出端產生很大的高頻漏電流，如果電動機電纜不帶屏蔽層，漏電流就會隨電纜進入電動機內部，在電動機內部形成軸電流，破壞電動機絕緣。最終，這些高頻漏電流會通過電動機電纜和電動機繞組的分布電容對地泄漏，電流流動方向是按阻抗最低的路徑流動，接地線的阻抗越高，使用者面臨的安全風險越大，如果一個人碰觸了具有破損接地線的設備，漏電流會因人體阻抗小于接地線阻抗而流經人體到達大地。電流總是在閉合回路中流動，因此高頻漏電流絕不是在大地中消失，而是流回源端。所以，必須提供一個有效的路徑，使漏電流回到干擾源——逆變器（或者變頻器）。使用帶屏蔽的電動機電纜，電纜屏蔽層連接變頻柜的PE母排，變壓器二次側及變頻柜內各設備均連接到PE母排，從而形成通路，如圖2-6所示。

若變頻器輸入側沒有安裝EMC濾波器（沒有為高頻漏電流提供一個低阻抗的回流通路），那么所有的高頻漏電流將通過公共地回路流到變壓器的中性點PCC（公共電源接入點），通過三相電源返回變頻器（電磁干擾源）。這樣，由高頻漏電流造成的高頻電壓將會疊加到公共電源接入點PCC，從而影響甚至損壞連接到此公共電源的其他設備和變頻器本身。在該公共接入點的高頻干擾將達到C4的水平。

為減少高頻漏電流對電網電壓的干擾，西門子SINAMICS系列變頻器在電網側提供標配進線濾波器（EMC或RFI濾波器），為高頻噪聲電流提供了一個低阻抗路徑使其返回到干擾源。這樣絕大部分的高頻漏電流通過濾波器流回變頻器內，而電源中的高頻干擾就會大大減小。

除標準配置進線濾波器外，變頻器電源模塊（整流單元）中也內含EMC濾波器，可以使高頻漏電流在電源模塊位置就流回變頻器，使電源受到的高頻干擾進一步減小。

變壓器一次側不接地，也是為了防止電磁干擾。如果變壓器一次側也接地，高頻漏電流會流入變壓器一次側的中性點，從而影響連接到此變壓器二次側的系統和設備。

知識拓展2——【屏蔽電纜】

屏蔽電纜是使用金屬網狀編織層把信號線包裹起來的傳輸線，編織層一般是紅銅或者鍍錫銅。金屬網狀編織層在電纜表皮和電纜芯之間，使用時編織層要接地，稱為屏蔽接地。屏蔽層與導線之間有寄生電容，寄生電容對高頻干擾信號就相當于導線，根據金屬對電磁波的反射、吸收和趨膚效應原理（趨膚效應指電流在導體截面的分布隨頻率的升高而趨于導體表面分布，頻率越高，電磁波的穿透能力越強），高頻干擾會直接從內部的導線到達最外側的屏蔽層，再通過屏蔽層傳輸，避免干擾信號進入內層導體產生干擾，同時降低傳輸信號的損耗。

進線濾波器的使用和連接需注意以下幾點：

1. 進線濾波器和進線電抗器協同使用

SINAMICS S120的進線濾波器和進線電抗器協同工作可將電源模塊和功率模塊產生的傳導性干擾限制在EN 61800-3定義的C2類極限值之內。

2. 不同驅動系統中的進線濾波器選擇

SINAMICS S120 AC/AC單軸驅動系統中的功率模塊PM340可以選配內置（模塊型）或外置進線濾波器。SINAMICS S120 DC/AC多軸驅動系統中，書本型電源模塊均可選配外置進線濾波器，裝機裝柜型設備預裝有標配濾波器，裝機裝柜型僅有BLM可選配外置進線濾波器以提高濾波效果。進線濾波器要與電源模塊相匹配，使用不匹配的進線濾波器可能導致系統損壞，另外，可以選擇功率等級相匹配的進線濾波器，不同功率等級的區別在于降低傳導性干擾放射的頻率范圍（或者說降低公共接入點PCC的高頻漏電流大小的程度）。

3. 不同整流裝置對應的進線濾波器允許電纜最大長度限制

由于流過進線濾波器的干擾電流或漏電流隨電纜長度的增加而增大（電纜越長，電纜分布電容越大，i=Cdv/dt漏電流越大），所以隨電纜長度的增加，進線濾波器的干擾抑制能力下降。在采用進線濾波器選件時，為保證干擾等級在C2類別所定義的限值內，電動機電纜長度必須滿足表2-1中的要求。

在SINAMICS S120 AC/AC單軸驅動系統中，一臺電動機由一臺變頻器或一臺整流+逆變單元供電，電動機總電纜長度為電動機與變頻器或逆變單元之間的走線的長度，同時對于較高功率輸出的驅動裝置需要考慮多根電纜并行走線。

在SINAMICS S120 DC/AC多軸驅動系統中，由整流裝置供電的直流母線連接多臺逆變單元，電動機總電纜長度為每個逆變單元與對應電動機之間的電纜長度總和。同時對于較高功率輸出的驅動裝置需要考慮多個電纜并行走線。

4. 進線濾波器要靠近電源模塊連接

進線濾波器和電源模塊的連接電纜要盡可能短（最長10m），且應使用屏蔽電纜，電纜的屏蔽層必須兩端接地。

2.2.3 功率模塊（AC/AC變頻裝置）

AC/AC變頻裝置適用于工業設備中的單軸應用，例如：傳送帶、離心機、電梯和攪拌機等。它的整流部分和逆變部分集成在一起，稱為功率模塊PM340。它適用于無再生反饋的驅動系統，產生的制動能量需通過制動電阻耗散掉。

對于單軸應用，可以使用控制單元（CU310-2）來執行控制功能。對于多軸應用，在已經有控制單元（如CU320-2）的情況下，可以使用一個適配器，通過DRVIE-CLiQ網絡將功率模塊連接到CU320-2控制單元，見表2-2。

功率模塊分為模塊型和裝機裝柜型兩大類。

1. 模塊型功率模塊

模塊型功率模塊的進線電壓為3AC 380～480V（功率范圍為0.37～90kW）和1AC 200～240V（功率范圍為0.12～0.75kW）。其基本特征如下：

1）能夠接TN、IT、TT電網。

2）整流部分為二極管，能量不能回饋電網。

3）具有內置的制動單元，通過外接制動電阻實現電動機的快速制動。

4）有內置進線濾波器和不含內置濾波器兩種規格，可通過PM-IF接口直接連接至控制單元。

5）集成了安全功能“安全扭矩停車”。

對于模塊型功率模塊，當接輸出電抗器時需注意：

1）只能用于矢量和V/f控制模式。

2）最大輸出頻率為150Hz。

3）變頻器的脈沖頻率不能大于4kHz（額定脈沖頻率為4kHz）。

允許電動機電纜的最大長度與功率模塊的大小及是否接輸出電抗器有關，見表2-3。

注意：

為了遵守EN61800-3中對極限值的規定，內置濾波器的PM340功率模塊接帶屏蔽層的電動機電纜線的最大長度為25m。

2. 裝機裝柜型功率模塊

裝機裝柜型功率模塊的進線電壓為3AC 380～480V（功率范圍為110～250kW）。其基本特征如下：

1）能夠接TN、IT、TT電網。

2）整流部分為二極管，能量不能回饋電網。

3）具有內置的制動單元（選件），通過外接制動電阻實現電動機的快速制動。

4）內置溫度傳感器接口（KTY84或PTC），可以通過DRIVE-CLiQ接口連接控制單元。

5）集成了安全功能“安全扭矩停車”。

對于裝機裝柜型功率模塊，額定脈沖頻率為2kHz，若脈沖頻率大于2kHz，則功率模塊的容量會有所下降，其降容系數見表2-4。

允許電動機電纜的最大長度為：①屏蔽線：300m；②非屏蔽：450m。

注意：

為了遵守EN61800-3中對極限值的規定，對于裝機裝柜型功率模塊，當輸入側有濾波器時，接帶屏蔽層的電動機電纜線的最大長度為100m。

PM240-2功率模塊是SINAMICS G120中的一個功率組件，它既可以和G120的控制單元配套使用，也可以通過適配器模塊和S120的控制單元配套使用。

2.2.4 電源模塊（整流單元）

電源模塊（Line Module）又稱整流單元，是一個整流器，由主電源供電，為直流母線集中供電。它根據是否有回饋功能及回饋方式，分為三種類型：基本型電源模塊（BLM）、智能型電源模塊（SLM）、主動型電源模塊（ALM）。

1. 基本型電源模塊（BLM）

基本型電源模塊（BLM）由二極管或晶閘管組成，其電路設計圖如圖2-7所示。BLM分為書本型（20/40/100kW）和裝機裝柜型，都有DRIVE-CLiQ接口。20kW和40kW的書本型BLM采用二極管整流，而100kW的書本型BLM和裝機裝柜型BLM采用晶閘管整流。書本型的供電電壓為3AC 380～480V，裝機裝柜型的供電電壓為3AC 380～480V（功率范圍為200～900kW）以及3AC 500～690V（功率范圍為250～1500kW）。BLM的特點如下：

1）沒有回饋功能，且直流母線電壓不可調。BLM整流裝置為二極管或晶閘管整流，沒有換向工作能力，因此沒有回饋功能。直流母線電壓不可調節，為進線電壓有效值的1.32（滿載）～1.41（空載）倍。這里直流母線電壓不可調節是指母線電壓會隨著進線電壓變化而變化，不能將直流母線電壓控制在某一穩定值。

2）可選預充電回路。在合閘瞬間，電網電壓沖擊會直接加在電容上，電容越大，容抗越小，會出現電容瞬間短路現象。為避免瞬間沖擊電流對功率器件造成損壞，需要通過預充電回路對電容充電，逐步建立直流母線電壓，充電完成后再將預充電電阻旁路，預充電回路電路圖如圖2-8所示。

20kW和40kW的書本型BLM采用二極管整流，內部集成了預充電回路，通過充電電阻對直流母線充電，充電過程中，預充電電阻以熱能方式消耗能量，因此不能頻繁地分合閘，應間隔3min以上，以避免預充電電阻過熱損壞。100kW的書本型BLM和裝機裝柜型BLM都是晶閘管整流，可通過改變晶閘管導通角對直流母線電容充電，因此不需要預充電電阻和旁路接觸器。

3）必選制動單元和制動電阻。BLM整流裝置不能回饋能量，電動機處于發電狀態產生的再生制動能量，必須通過制動單元和制動電阻消耗掉。20kW和40kW書本型BLM內置了制動單元（具有溫度監控功能），100kW書本型BLM需要外接制動模塊和制動電阻，只能使用100/170kW的MasterDrives系列的制動單元。裝機裝柜型BLM無內置制動單元，如果需要快速制動，需要在外部加裝制動模塊，并且需要將制動電阻連接至制動模塊。

4）實際應用中，在電網和BLM之間必須裝配與BLM功率相匹配的相對短路容量u_k為2%的進線電抗器。

5）裝機裝柜型可最多4個BLM并聯使用。

6）書本型BLM整流模塊既可以用于中性點接地的TN、TT系統，也可以用于中性點不接地的IT供電系統。

2. 智能型電源模塊（SLM）

智能型電源模塊（SLM）由IGBT及反并聯二極管組成，將三相交流電整流成直流電，并能將直流電回饋到電網，但直流母線電壓不能調節，所以又稱非調節型電源模塊，其結構圖如圖2-9所示。SLM分為緊湊書本型、書本型和裝機裝柜型，其中緊湊書本型的高度和深度更小。緊湊書本型的供電電壓為3AC 380～480V（功率范圍為16kW），書本型的供電電壓也為3AC 380～480V（功率范圍為5/10/16/36/55kW），裝機裝柜型的供電電壓為3AC 380～480V（功率范圍為250～800kW）以及3AC 500～690V（功率范圍為450～1400kW）。只有5kW和10kW的SLM沒有DRIVE-CLiQ接口，其余都有。回饋整流裝置特點如下：

1）具有回饋功能，直流母線電壓不可調節。當電動機運行在制動狀態時，直流母線電壓升高，整流裝置中IGBT工作，實現將能量100%回饋電網（相當于逆變器），但回饋的時刻不能人為控制（IGBT是在每個自然換相點導通，120°之后關閉）。5kW和10kW的SLM只可通過端子X22：2信號選擇是否允許回饋，其余SLM可通過參數選擇是否允許回饋。直流母線電壓不可調節，為進線電壓有效值的1.32～1.41倍。（注意：空載時不允許回饋，帶負載時才允許回饋）

2）內含預充電回路。SLM通過二極管整流橋進行整流，具有內部集成的預充電回路，同樣不能頻繁地分合閘，應間隔3min以上。

3）可選制動單元和制動電阻。如果SLM選擇不允許回饋電網，可以選配外置制動單元和制動電阻進行制動；如果允許回饋，則不需要制動單元。SLM的所有類型如果需要快速制動，需要在外部加裝制動模塊，并且需要將制動電阻連接至制動模塊。

4）實際應用中，在電網和SLM之間必須裝配與SLM功率相匹配的相對短路容量u_k為4%的進線電抗器。

5）裝機裝柜型可最多4個SLM并聯使用。

3. 主動型電源模塊（ALM）

主動型電源模塊（ALM）是由IGBT及反并聯二極管組成，將三相交流電整流成直流電，并能將直流電回饋到電網，且對直流母線電壓進行閉環控制，所以又稱調節型電源模塊，其結構圖如圖2-10所示。與BLM和SLM相比，由于ALM能夠對直流母線電壓進行調節，所以即使電網電壓波動，ALM也能保持直流母線電壓的穩定。對于不允許回饋的供電電網，也可以接制動單元和制動電阻來實現制動。

ALM分為書本型和裝機裝柜型，都有DRIVE-CLiQ接口。書本型的供電電壓與SLM一樣，也為3AC 380～480V（功率范圍為16/36/55/80/120kW）。裝機裝柜型的供電電壓為3AC 380～480V（功率范圍為132～900kW）以及3AC 500～690V（功率范圍為560～1400kW）。ALM的特點如下：

1）具有回饋功能，可以對直流母線電壓進行控制。整流裝置中IGBT工作，實現將能量100%回饋電網。ALM模塊在一定范圍的輸入電壓內，可以把母線電壓調節為某一固定值，即使電網電壓有小幅波動，直流母線電壓也能保持穩定。

書本型ALM的直流母線電壓值如下：

當進線電壓為380～400V時，直流母線電壓為600V（ALM模式）；

當進線電壓為400～415V時，直流母線電壓為625 V（ALM模式）；

當進線電壓為416～480V時，直流母線電壓為進線電壓有效值的1.35倍（SLM模式）。

裝機裝柜型ALM的直流母線電壓默認為進線電壓有效值的1.5倍。

2）內含預充電回路。與SLM一樣，供電時通過二極管整流橋進行整流，因此內含預充電回路，同樣不能頻繁地分合閘，應間隔3min以上。

3）可選制動單元和制動電阻。在不允許回饋的電網，可以選配外置制動單元和制動電阻進行制動。ALM的所有類型如果需要快速制動，需要在外部加裝制動模塊，并且需要將制動電阻連接至制動模塊。

4）實際應用中，在電網和ALM之間需裝配與ALM功率相匹配的電源接口模塊AIM。AIM包含：清潔電源濾波器CPF（抑制進線諧波）、進線電抗器、預充電回路、旁路接觸器（FI和GI型是AIM內集成的，HI和JI型需外接）、電源電壓檢測模塊VSM、風扇。

AIM中的進線電抗器具有升壓功能，可以提升直流母線電壓至進線電壓的1.5～2.0倍。

AIM中的VSM電壓檢測模塊，可以實現回饋電壓的相位控制（功率因數可調），實現功率因數為1。

AIM中已集成了濾波器和電抗器，對于一般的工業場合，用了AIM模塊就不需要再用濾波器；對特殊的場合，還需要加裝濾波器。

5）實際應用中，在電網和ALM之間必須裝配與其功率相匹配的電抗器。對于大于或等于36kW的ALM，必須使用與其相匹配的濾波器。

6）裝機裝柜型可最多4個ALM并聯使用。

各緊湊書本型和書本型電源模塊的詳細接口、技術數據和連接示例見《S120書本型功率單元設備手冊》。

2.2.5 制動單元和制動電阻

直流母線組件中包含制動單元和制動電阻、電容模塊、控制電源模塊CSM、電壓限制模塊VCM、直流母線適配器、24V端子適配器等。

制動單元包括功率電子器件和其控制回路，且總是連接一個外接的制動電阻并聯在直流回路上。其主要有兩方面作用：

1）當S120驅動系統中的電動機工作于發電狀態產生再生制動能量，而這一能量無法通過其他運行在電動機狀態的電機消耗掉，或者無法回饋電網（或回饋能力不夠）時，為控制直流母線的電壓，可以進行短時間的制動運行，通過S120的制動單元和外接的制動電阻將這部分能量消耗掉（當電源模塊使用BLM時）。

2）當電源出現故障掉電時，制動單元和制動電阻能夠使傳動裝置可控停車（當電源模塊使用SLM或ALM時）。

工作方式：當直流母線電壓上升至激活閾值時，制動單元被開啟，接入制動電阻至直流母線，將直流回路的能量轉化為熱能消耗掉。

制動單元相對獨立運行。如需較大的制動功率，可以最多4個制動單元并行連接，但每個制動單元必須連接各自的制動電阻。

制動單元可分為以下幾種：①模塊性（內置式）；②書本型；③裝機裝柜型；④中央制動柜（S120柜機使用）；⑤電動機模塊作為三相制動單元。每種制動單元有對應的制動電阻。

模塊型PM340內置制動單元，單相供電電壓為200～240V（直流母線電壓為DC 240～360V）的P M340有唯一的適配的制動電阻。三相供電電壓為380～480V（直流母線電壓為DC 510～720V）的PM340根據尺寸規格，每個尺寸都有一種適配的制動電阻，見表2-5。

緊湊書本型S120僅有一種規格的制動單元，需選配書本型的制動電阻來使用。選型時要注意，直流母線電容的每個滿載單位為500μF，最多使用一個緊湊書本型制動模塊，最大制動模塊數量見表2-6。

書本型S120也僅有一種規格的制動單元，共有兩種適配的制動電阻。另外，還有兩種書本型制動電阻專門用于20kW和40kW的BLM，這兩種BLM都內置制動單元。100kW的BLM需配置MasterDrives制動單元，還需配置直流母線適配器，且連接電纜要盡可能短。書本型制動單元與制動電阻之間的電纜長度不得超過10m。運行制動單元需要在每個制動模塊的直流母線中有一個最小電容440μF。制動模塊內部的直流母線電容110μF也一同計入總電容（只有直接通過直流母線母排相連的組件，才會計入總電容之中）。

并聯制動模塊時，建議使用緊湊書本型制動模塊6SL3400-1AE31-0AA。由于無法保證模塊間的電氣均衡，需要避免并聯制動模塊6SL3100-1AE31-0AA。

注意：

制動單元和制動電阻的選型，需要參考它們的負載曲線。

裝機裝柜型制動單元分為三個電壓等級，直流母線電壓分別為DC 510～750V（對應電網電壓3AC 380～480V）、DC 675～900V（對應電網電壓3AC 500～600V）、DC 890～1035V（對應電網電壓3AC 660～690V），每個電壓等級下，都有兩種功率規格，每種功率規格下，都有一種適配的制動電阻，見表2-7。制動單元可以安裝在與其尺寸規格相匹配的電源模塊或電動機模塊之中，制動電阻則安裝在控制柜外部或控制室外通風良好的地面上。

注意：

裝機裝柜型的制動單元和制動電阻的選型，需要參考它們的負載曲線。其中它們的工作周期都為90s。

中央制動柜為S120柜機的制動單元，它與裝機裝柜型制動單元類似，分為三個電壓等級。每個電壓等級下，都有兩種功率規格，每種功率規格下，都有一種適配的制動電阻，見表2-8。中央制動柜放置于S120柜機傳動組織中，制動電阻則安裝在柜機外部或配電設備區域之外通風良好的區域。裝機裝柜型制動單元和中央制動柜有兩個激活閾值可調，工廠設定為高閾值。

注意：

中央制動柜制動電阻的選型，需要參考它們的負載曲線。中央制動柜的工作周期都為600s。制動電阻在20min內只允許執行一次制動為15s的負載循環。

當需要更大的峰值制動功率或高持續制動功率，且無高動態響應要求時，可將電動機模塊作為制動斬波器（即三相制動單元）來使用，這種配置的制動響應時間為普通制動單元的兩倍，只適合于對動態響應要求低的場合。電動機模塊作為三相制動單元有兩個激活閾值可調，工廠設定為高閾值。

電動機模塊作為三相制動單元使用時，連接直流母線的方式同普通電動機模塊，如圖2-11所示。同時可以并聯運行，負載側需要接三個相同的制動電阻，星形聯結或三角形聯結均可，每個電阻承擔1/3的總制動功率。電動機模塊與電阻之間的電纜長度至少為10m。

可作為制動斬波器（制動單元的工作原理相當于斬波器）的電動機模塊有：S120逆變柜、500～690V進線的裝機裝柜型電動機模塊和250kW以上的380～480V進線的裝機裝柜型電動機模塊。選擇制動電阻時需要考慮，每個電阻承擔1/3的總制動功率，且電阻值不得低于峰值制動功率的電阻值。

下面對制動單元使用及選型需要注意的問題進行簡要總結：

（1）制動電阻阻值選配不合適

若制動電阻阻值選擇過大，則制動效果較差；若制動電阻阻值選擇過小，則會導致流過制動單元的電流過大，可能導致制動單元損壞。

（2）制動電阻功率選配不合適

若制動電阻功率選擇過小，電阻可能燒毀。最合理的功率選配，要根據電動機回饋時的峰值功率和平均功率計算。

（3）制動電阻連接不合適

制動電阻實際上是斬波工作的，如果接線錯誤，比如直接將制動電阻連接到了直流母線上，則可能導致電阻紅熱甚至燒毀、整流橋損壞及前級開關跳閘等。

（4）制動電阻需要增設溫度保護回路

溫度保護回路要聯鎖到進線開關。當制動回路異常時，能夠及時斷開主回路，防止問題擴大化。

（5）制動電阻選型需考慮峰值功率、平均功率以及90s的重復周期

通常變頻器選型樣本上提供了制動電阻參數，詳細的選型信息請參見S120功能手冊第6.11.2章中的電阻表。制動電阻的阻值需要嚴格一致，功率要根據實際回饋功率選擇，需要考慮制動時的峰值功率、平均功率以及90s的重復周期。

下面以裝機裝柜型為例介紹具體如何選型：

1）計算制動轉矩M_b：

式中，J為總轉動慣量；n為轉速；t_b為制動時間。

2）計算制動功率P_b：

3）計算平均制動功率P_mean：

如果工作周期小于或等于90s，制動功率的平均值要在這個工作周期內定義；

如果工作周期大于90s或制動操作不規則，要選擇其間制動功率平均值最高的90s作為工作周期。

需要的連續制動功率P_DB需要滿足以下條件：

P_DB≥1.125 P_mean

4）檢驗峰值制動功率P_peak是否大于5k倍的連續制動功率P_DB，如圖2-12所示。

如果P_peak≤5k倍的連續制動功率P_DB，則平均制動功率P_mean作為選型的決定因素；

如果P_peak＞5k倍的連續制動功率P_DB，則峰值制動功率P_peak作為選型的決定因素。

其中，裝機裝柜型制動單元的額定功率為持續制動功率，k為與制動單元電壓等級和激活閾值有關的衰減系數。

（6）配置項目時如何配置制動電阻

在配置項目時，驅動對象需要選為“VECTOR”，控制結構選為V/f control，控制方式選為15—Operation with braking resistor（帶制動電阻運行）。另外，需配置斬波器的動作閾值和制動電阻阻值。

2.2.6 書本型電容模塊與控制電源模塊

電容模塊用于提高直流母線電容，在主電源失電情況下能夠實現短時間供電，實現能量緩沖，以抵抗電源的瞬時故障。電容模塊通過直流母線適配器，直接并聯在集成的直流母線母排上，會通過電源模塊自動進行預充電，單個容量為4000μF，也可以多個并聯使用，選取時注意不能超過電源模塊允許的最大直流母線電容。

控制電源模塊（CSM）可以提供24～28.8V直流電壓輸出，為控制回路提供輔助的電源，輸出電壓可以由集成的電位器調節。CSM通過直流母線適配器并聯在直流母線和電網上，正常運行時CSM由電網供電，在電源斷電時，模塊自動切換到由直流母線供電，以便執行所需的回程運動。CSM常與電容模塊共同使用，以便在電源斷電后為回程運動提供足夠的能量。

CSM和電網電壓、直流母線電壓之間安全電氣隔離，以確保直流母線不會意外放電。因此，即使電源模塊通過接觸器從電網上電氣斷開，CSM仍可以連在電網上。

CSM內部有溫度監控和電壓監控功能：

（1）溫度監控

一旦控制電源模塊溫度過高，便會通過一個反饋觸點發出溫度預警信息。如果在預警時間內，溫度下降到極限值以下，則模塊保持運行，反饋觸點失電。但是如果溫度持續過高，模塊會跳機并重新啟動。

（2）電壓監控

如果輸出電壓超出閾值32V長達20ms，模塊會被關閉，在10s后自動啟動。除此以外，還有過電壓限制硬件元件，它可以防止在出現故障時，輸出電壓大于35V。

CSM可以單獨運行，也可最多10個并聯在一起。在斷電狀態下，通過模塊上方的DIP開關可以切換單獨運行或并聯運行模式。并聯運行時，CSM上的DIP開關必須設為“并聯運行”，且在調節電位器上，必須將所有CSM模塊設置相同的輸出電壓。并聯時，不要使用24V連接器，每個CSM應該用24V端子適配器連接24V直流電。另外，推薦在并聯時使用SITOP冗余模塊（6EP1961-3BA20），每兩個CSM使用一個SITOP冗余模塊。也可以選擇一個帶外部二極管的回路來實現每個CSM之間的解耦。一個CSM失效時，會生成報警信息，并通過反饋觸點X21報告。24V電壓由第二個模塊安全保持。

2.2.7 電壓限制模塊（VCM模塊）

VCM模塊可以擴展總電動機的電纜長度。書本型裝置不加VCM模塊時，總電動機電纜長度不能超過350m（屏蔽）/560m（非屏蔽），選配VCM模塊，電纜總長度可以延長到630m/850m，但必須要考慮降容，降容曲線如圖2-13所示。

VCM電壓限制模塊只能用于TN電網。

VCM模塊要緊挨著整流模塊放置，通過集成的母線端子連接到直流母線上。

2.2.8 書本型直流回路連接組件

書本型的S120電源模塊和電動機模塊采用模塊化設計，它們的直流母線排和24V電源排都位于裝置背面的上部。電源模塊和電動機模塊之間的連接方式有三種：典型連接、模塊并行連接、模塊組并行連接，見表2-9。

1. 典型連接

直流回路由電源模塊提供穩定的直流母線電壓，直流母線排通過母線連接器進行橋接。24V端子適配器用于獲取外部24V電源的控制電路電壓，24V母線排通過跳線連接器進行橋接。通過以上兩種連接器，可將鄰近模塊的24V電源排和直流母線排進行并聯，相鄰的模塊可以緊密地安裝在一起，使得整個驅動系統結構更加緊湊，典型連接中各組件示意圖如圖2-14所示。

24V端子適配器是用于線纜與24V母線之間的轉換。當兩個電動機模塊遠距離或并行連接時，或24V母線的電流超過母線允許的最大容量（通常為20A）時，必須使用24V端子適配器，其圖片和型號見表2-10。

24V短接器是連接兩書本型電動機模塊之間24V母線的連接器，是電源模塊和電動機模塊的標配附件，通常是不需要單獨訂貨的，其圖片和型號見表2-10。

2. 模塊并行連接

電動機模塊通過直流母線適配器連接到母線上。

3. 模塊組并行連接

兩組電動機模塊之間通過直流母線適配器相連接。

直流母線適配器用于裝機裝柜型電源模塊（或電動機模塊）與書本型電動機模塊之間的連接，或兩書本型電動機模塊之間遠距離或多個電動機模塊并行連接，可實現線纜和銅排母線之間的轉換，其圖片和特征見表2-11。

因為書本型的電動機模塊的母排容量為100A或200A，在配置時一定要注意電動機母排上通過的電流不能超過其容量范圍，必要時必須加直流母線適配器，使其并行連接。

2.2.9 電動機模塊（逆變裝置）

電動機模塊（Power Unit/Motor Module）又叫逆變裝置，是一個逆變器，將直流母線電壓通過IGBT逆變橋轉換成頻率和大小可變的交流電，拖動電動機運行。直流母線電壓由電源模塊（整流單元）提供，直流母線可并聯多個逆變單元，各逆變單元都共享直流母線，互相之間可以進行能量交換，如圖2-15所示。也就是說，一臺電動機工作在發電狀態下產生的能量，可以通過逆變單元回饋給直流母線，又通過其他逆變單元供運行于電動狀態的電動機使用。電動機模塊與控制單元之間通過DRIVE-CLiQ接口進行快速數據交換。

電動機模塊分為緊湊書本型、書本型及裝機裝柜型三種，緊湊書本型和書本型又分為單軸電動機模塊（可連接并運行1臺電動機）和雙軸電動機模塊（可連接并運行2臺電動機）。

緊湊書本型單軸電動機模塊的直流母線電壓為DC 510～720V（電網電壓3AC 380～480V），功率范圍為1.6～9.7kW。緊湊書本型雙軸電動機模塊的直流母線電壓為DC 510～720V，功率范圍為2×（0.9～2.7）kW。如果選擇了緊湊型電動機模塊，則電源模塊也必須選擇緊湊型，否則會因安裝尺寸不同而無法安裝。

書本型單軸電動機模塊的直流母線電壓為DC 510～720V，功率范圍為1.6～107kW。書本型雙軸電動機模塊的直流母線電壓為DC 510～720V，功率范圍為2×（1.6～9.7）kW，其中，小功率下的雙軸電動機模塊相比同功率的兩個單軸電動機模塊體積更為緊湊。書本型電動機模塊按冷卻方式不同可分為內部風冷、外部風冷和冷卻板冷卻三種主要方式。書本型電動機模塊的輸出頻率范圍為0～550Hz。

詳細的產品型號和選型可見《SINAMICS S120簡易選型》手冊，表2-12給出了書本型電動機模塊的型號及其最大脈沖頻率。

裝機裝柜型電動機模塊支持的直流母線電壓有兩種：第一種為DC 510～720V（電網電壓3AC 380～480V），功率范圍為110～800kW；另一種為DC 675～1035V（電網電壓3AC 500～690V），功率范圍為75～1200kW。裝機裝柜型按冷卻方式不同可分為內部風冷和水冷兩種方式，其功率等級、外形和應用場合都不同。裝機裝柜型電動機模塊的輸出頻率范圍為0～300Hz。

不同類型的電動機模塊可以工作在同一條直流母線上。裝機裝柜型最多可允許4個電動機模塊并聯使用（矢量控制方式）。允許并聯的電動機模塊數量主要由電源模塊的直流電容值（驅動組合的最大直流母線電容）和所帶電動機模塊的直流電容值決定：并聯在直流母線上的組件都帶有一個直流母線電容（電容值大小分別代表所能提供的能量或消耗的能量），各電動機模塊的直流母線電容之和（消耗的能量）不能超過電源模塊的電容值大小（提供的能量）。

各緊湊書本型和書本型電動機模塊的詳細接口、技術數據和連接示例見《SINAMICS S120書本型功率單元設備手冊》。

電動機模塊參數中有幾個重要的參數會影響變頻器的輸出，需要重點理解。

知識拓展3——【電動機模塊幾個會影響變頻器輸出的重要參數】

1. 脈沖頻率（對變頻器輸出電壓和輸出電流的影響）（參考《常用變頻器功能手冊》張燕賓編著）

脈沖頻率，即IGBT器件的開關頻率或載波頻率，是主動型電源模塊和電動機模塊中的重要參數。脈沖頻率對輸出電壓和輸出電流都有影響。

（1）脈沖頻率對輸出電壓的影響

變頻器的輸出電壓的波形，都是經過PWM調制后的系列脈沖波。PWM調制的基本方法是：各脈沖的上升沿和下降沿都是由正弦波和三角波的交點決定的。在這里，正弦波稱為調制波，三角波稱為載波。三角波的頻率就稱為載波頻率。輸出電壓脈沖序列的頻率必等于載波頻率，也就對應著IGBT的開關頻率，即變頻器的脈沖頻率，如圖2-16所示。

IGBT的通斷都有一個時間，死區δ_t是不工作的時間，死區大了，必將減小變頻器的輸出電壓。載波頻率越大，則每個周期內交替導通的次數越多，總的死區（∑δ_t）越大，變頻器的輸出電壓就越小，如圖2-17所示。

（2）脈沖頻率對輸出電流的影響

繞組的線匝之間、輸出線的導線之間都存在分布電容。載波頻率越高，分布電容的容抗越小，通過分布電容的漏電流就越大，增加了IGBT的負擔，削弱了IGBT的負載能力。另外，IGBT每開關一次都有開關損耗，載波頻率越高，總的開關損耗就越大，也會削弱IGBT的負載能力。所以，載波頻率（脈沖頻率）越高，電流連續采樣的時間越短，雖然變頻器的動態性能會提高，但總的開關損耗會增大，允許的輸出電流會越小。若脈沖頻率過高，則變頻器需要降低輸出電流，即電流降容，如圖2-18所示。

從表2-12中可以看到，書本型電動機模塊（單雙軸）在無降容情況下的額定脈沖頻率為4kHz，降容情況下的最大脈沖頻率可達到16kHz，脈沖頻率可在p1800參數中進行設置。而書本型電源模塊ALM的額定脈沖頻率為8kHz。

2. 降容特性

在某些情況下，需要降低變頻器的負荷，或負荷不變選擇更高功率的變頻器，這就是降容。降容分為兩種：電流降容和電壓降容。

（1）電流降容

需要電流降容的情況有四種：①脈沖頻率過高；②環境溫度過高；③模塊安裝海拔過高；④輸出頻率過低接近0。

（2）電壓降容

需要電壓降容的情況有一種：模塊安裝海拔過高。

前文提到的脈沖頻率過高需要電流降容就是其中一種情況，脈沖頻率變大時，動態性能雖提高，但開關損耗加大，使用壽命降低。如果脈沖頻率設置在額定脈沖頻率以下，設備還可以達到100%帶載；如果超過額定脈沖頻率，帶載能力會降低。允許輸出電流變為額定電流×降容系數，降容系數從降容曲線圖中可得到。

不僅電動機模塊存在降容問題，電源模塊同樣存在降容問題，電動機模塊與電源模塊的環境溫度與電流降容曲線、安裝海拔與電流降容曲線、安裝海拔與電壓降容曲線關系相同。電動機模塊還涉及脈沖頻率、輸出頻率與電流降容的問題，見表2-13。

輸出頻率與輸出電流的降容曲線中需要注意以下四點：

1）只有在輸出頻率＜10Hz時需要電流降容。

2）當頻率＜10Hz時運行的時間分量超出實際總時間的2%時，需要注意電流降容。

3）在工作周期中也不能超過圖中給出的電流大小。

4）頻率快速從0變為10Hz時無須注意降容（例如：定位應用中）。

從環境溫度與輸出電流的降容曲線可以看出，環境溫度在0～+40℃時，無須降容；環境溫度從40～55℃時，每增加1℃，輸出電流就降低2.67%。

當環境溫度和安裝海拔都增大時，要同時考慮環境溫度、安裝海拔與輸出電流降容曲線，修正降容系數。例如：電動機模塊在環境溫度為55℃（降容系數為60%）和安裝海拔為3000m（降容系數為75%）情況下使用，則修正后的降容系數為100×（0.6×0.75）=45%。

3. 過載能力（工作周期曲線）

SINAMICS S120逆變裝置具有應對顛覆轉矩的過載能力。如果出現較大的浪涌負載，那么在選型時就必須將其考慮在內。因此，在對過載有要求的場合，必須選擇相應的基準負載電流作為所需負載的工作電流。了解了電動機模塊的過載能力，可以根據實際設備的過載特點進行選型。下面給出了書本型電動機模塊的三種過載曲線和裝機裝柜型電動機模塊的輕過載和重過載曲線。

（1）書本型電動機模塊的過載曲線

1）具有初始負載的工作周期（用于伺服驅動）。

電動機運行在額定電流I_n下，電流為I_max的時間只能是0.25s，之后必須回到額定電流，距離下一次過載必須超過10s（由硬件參數決定），如圖2-19所示。

2）具有初始負載的S6工作周期（工作周期600s，用于伺服驅動）。

設備不工作在額定電流下，而是工作在0.7倍額定電流下（不滿載），過載的話可以過載到I_S6最長4min，之后要回到0.7倍額定電流下，下一次過載要10min之后，如圖2-20所示。

3）不具有初始負載的工作周期（用于伺服驅動）。

平時不工作，一工作就過載，過載最長2.65s，下一次在10s之后，如圖2-21所示。

其中I_n、I_S6、I_max分別對應產品參數中的額定電流、間歇工作電流、峰值電流，見表2-14。

（2）裝機裝柜型電動機模塊的過載曲線

裝機裝柜型電動機模塊的過載分為輕過載和重過載（過載曲線可查詢《裝機裝柜型功率部件》）。

1）輕過載定義：以基準負載電流 I_L為準，允許持續60s的110%過載或持續10s的150%過載，如圖2-22所示。

2）重過載定義：以基準負載電流I_H為準，允許持續60s的150%過載或持續10s的160%過載，如圖2-23所示。

圖中I_rated是額定電流，實線是在額定電流以下的基本負載電流。假設額定電流為10A，最大電流為18A，輕過載中的基本負載電流為9A，重過載中的基本負載電流為6A。輕過載和重過載如果都過載到18A時，輕過載是過載18/9=2倍。重過載是過載18/6=3倍。所以輕過載和重過載指的不是能提供的最大電流變了，而是重過載的基本負載電流比輕過載更小，使得過載倍數更大（不是以額定電流判斷，而是以基本負載電流判斷）。

4. 調制方式

S120中的主動型電源模塊由IGBT及反并聯二極管組成，具有回饋能力，只需對電壓進行控制，因此采用的是PWM脈沖寬度調制這種電壓調制方式。電動機模塊的調制方式有兩種：

1）脈沖邊沿調制：只在上升沿和下降沿進行調制，中間部分不調制（IGBT不關斷），變頻器的輸出電壓相對大，如圖2-24所示。

2）空間矢量調制：在整個波形范圍內都進行調制，變頻器的輸出電壓相對小，如圖2-25所示。

當工作于空間矢量調制方式時：最大輸出電壓=0.70倍的直流母線電壓；當工作于脈沖邊沿調制方式時：最大輸出電壓=0.74倍的直流母線電壓。

2.2.10 輸出電抗器

在講進線濾波器時提到過電動機模塊中的快速開關器件IGBT迅速導通、關斷會產生高dv/dt的共模電壓，從而產生高頻傳導性干擾，對系統內的其他設備都會產生影響。不僅如此，高dv/dt的共模電壓還會在電動機上產生軸電流和過電壓現象，導致電動機絕緣失敗，降低電動機使用壽命。因此，輸出側組件（輸出電抗器、dv/dt濾波器、正弦濾波器）都是從不同方面降低變頻器高開關頻率導致的電壓和電流尖峰對電動機絕緣的損傷。

輸出電抗器主要起到抑制電動機端電壓變化率dv/dt和減小長電動機電纜引起的額外電流峰值兩方面作用。

1. 抑制電動機端電壓變化率dv/dt

不帶輸出電抗器的系統中，逆變器輸出電壓的dv/dt典型值為（3～6kV）/μs，它沿著電纜以幾乎不變的dv/dt到達電動機端子，產生的電壓反射使電壓尖峰可達直流母線電壓的兩倍，如圖2-26a所示。與正弦波電網供電相比，此時的電動機繞組要在兩方面承受電壓沖擊，非常陡的電壓變化率dv/dt和非常高的因反射引起的電壓尖峰V_PP。

安裝輸出電抗器后，電抗器的電感和電纜的電容形成的振蕩電路可將逆變器輸出電壓的dv/dt典型值降至1kV/μs。電纜電容越大（即電纜越長），電壓變化率就降低得越多。對于長屏蔽電纜，電壓變化率可降到僅幾百伏/μs，如圖2-26b所示。但是，電抗器的電感和電纜的電容形成的振蕩電路只有很小的阻尼，仍會出現嚴重的電壓過沖，因此電抗器對電動機端子處由反射產生的電壓尖峰V_PP的作用很小。

由于輸出電抗器只降低電壓變化率dv/dt，而不降低電壓尖峰V_PP，所以，與不帶輸出電抗器的系統相比，電動機繞組所承受的電壓沖擊沒有本質的差異。因而，對于電源電壓在500～690V之間、非特殊絕緣設計的電動機，使用輸出電抗器來改善電動機電壓沖擊是不合適的，只能通過帶VPL的dv/dt濾波器或正弦波濾波器來改善。

盡管降低電壓變化率可以減小電動機軸電流，但仍需要在電動機非驅動端加裝絕緣軸承。

2. 減小長電動機電纜引起的額外電流峰值

電動機電纜存在分布電容。所謂分布電容，就是指由非電容形態形成的一種分布參數，實際上任何兩個絕緣導體之間都存在電容，例如導線之間、導線與大地之間，都是被絕緣層和空氣介質隔開的，所以都存在著分布電容。分布電容的數值不僅會因為電纜的不同而存在差異，也會因為電纜的敷設方式、工作狀態和外界環境因素而不同，這需要在設計時綜合考慮。通常情況下，電纜單位長度的電容值很小。

電纜長度較短時，分布電容的實際影響可以忽略不計，如果電纜很長時，就必須考慮它的不利影響。較長的電動機電纜其分布電容明顯增大，在IGBT每次通斷時都會在電動機電纜的分布電容上產生充放電，從而在變頻器實際輸出的電動機負載電流上又附加了充放電電流尖峰。這些電流尖峰的幅值與電纜的分布電容以及變頻器輸出的電壓上升率dv/dt成正比，對應關系為：I_peak=C_cable×dv/dt。變頻器規定了不同型號的最大電動機電纜長度，如果超出了允許的最大電動機電纜長度，將可能造成變頻器的過電流故障。

安裝輸出電抗器后，電抗器的電感減緩了電纜分布電容改變極性的速度，從而減小了電流峰值。因此，合理選用輸出電抗器或兩個輸出電抗器串聯可使允許的電纜電容值更大，從而允許連接更長的電動機電纜。

SINAMICS S120書本型及裝機裝柜型裝置基本配置時所允許的最大電動機電纜長度見表2-15和表2-16。

SINAMICS S120書本型及裝機裝柜型裝置帶輸出電抗器時所允許的最大電動機電纜長度見表2-17和表2-18。

3. 使用輸出電抗器時的注意事項

對于書本型逆變單元，使用輸出電抗器時需注意：

1）最高環境溫度為40℃。

2）考慮散熱問題，安裝輸出電抗器就必須限制脈沖頻率和輸出頻率。允許使用的最高脈沖頻率為4kHz。最大允許輸出頻率為120Hz。

3）使用輸出電抗器只可采用“矢量”和“V/f控制”模式。

4）最大電流限值為2倍的額定電流。

5）輸出電抗器應緊鄰變頻器或逆變器。輸出電抗器和變頻器或逆變器的輸出端之間的電纜長度不應超過5m。

對于裝機裝柜型逆變單元，使用輸出電抗器時需要注意：

1）如果將兩個電抗器串聯，可能需要一個附加柜。

2）最大脈沖頻率限制為出廠值的2倍，即出廠值為2kHz時，最大脈沖頻率為4kHz；出廠值為1.25kHz時，最大脈沖頻率為2.5kHz。最大輸出頻率被限制為150Hz。

3）輸出電抗器的壓降約為1%。

4）輸出電抗器和變頻器或逆變器的輸出端之間的電纜長度不應超過5m。

5）調試時，應設置參數p0230=1選擇輸出電抗器類型，并在參數p0233中輸入電抗器的電感值，以確保在矢量控制模式下對電抗器影響的最佳補償。

6）輸出電抗器可以用于接地系統（TN/TT）和非接地系統（IT）中。

2.2.11 帶VPL的dv/dt濾波器

1. 帶VPL的dv/dt濾波器的結構和分類

帶VPL的dv/dt濾波器用于裝機裝柜型S120驅動系統。帶VPL（Voltage Peak Limiter）電壓峰值限制器的dv/dt濾波器由兩部分組成，即dv/dt電抗器和峰值電壓抑制器。其結構框圖如圖2-27所示。其中，dv/dt電抗器可達到與輸出電抗器相同的效果。帶VPL的dv/dt濾波器包括標準型和緊湊型兩種結構，其中緊湊型結構非常緊湊，但是濾波效果稍差。

帶VPL的濾波器可以將電壓變化率和峰值電壓限制為以下范圍：

（1）標準型VPL的dv/dt濾波器

電壓變化率dv/dt＜500V/μs；

對于V_Line＜575V，電壓峰值V_PP（典型值）＜1000V；

對于660V＜V_Line＜690V，電壓峰值V_PP（典型值）＜1250V。

（2）緊湊型VPL的dv/dt濾波器

電壓變化率dv/dt＜1600V/μs；

對于V_Line＜575V，電壓峰值V_PP（典型值）＜1150V；

對于660V＜V_Line＜690V，電壓峰值V_PP（典型值）＜1400V。

逆變器輸出端和電動機端子處的電壓v（t）如圖2-28所示。

因此，對于電源電壓為500～690V的電動機，使用dv/dt濾波器加VPL是減少電動機繞組電壓應力的合適方法，此時可以不采取特殊絕緣措施，軸電流也會顯著減小。使用該濾波器，SINAMICS變頻器可以接入690V電網驅動標準絕緣且不帶絕緣軸承的標準電動機。這適用于西門子電動機和第三方電動機。

SINAMICS S120裝機裝柜型設備配帶VPL的dv/dt濾波器時所允許的最大電動機電纜長度見表2-19。

2. 使用帶VPL的dv/dt濾波器的注意事項

在確定額定功率后，使用帶VPL的濾波器需要增加柜子，柜子尺寸見樣本。

帶緊湊VPL型的dv/dt濾波器不需要增加柜子。

S120裝機裝柜型安裝帶VPL的dv/dt濾波器或帶緊湊VPL的dv/dt濾波器時需要靠近變頻器或者逆變器的輸出，電纜不允許超過5m。

考慮散熱問題，安裝帶VPL的dv/dt濾波器就必須限制脈沖頻率和輸出頻率：

1）最大脈沖頻率限制為出廠值的2倍，即出廠值為2kHz時，最大脈沖頻率為4kHz；出廠值為1.25kHz時，最大脈沖頻率為2.5kHz。

2）最大輸出頻率被限制為150Hz。

3）最小連續輸出被限制為下列值：

① 使用帶VPL的dv/dt濾波器是0Hz；

② 使用帶緊湊VPL的dv/dt濾波器是10Hz（允許輸出頻率＜10Hz最長5min，隨后＞10Hz運行周期最少5min）；

③ 使用帶VPL的dv/dt濾波器對設備的調制模式沒有限制，即可使用脈沖邊緣調制，輸出電壓能達到輸入電壓值。

帶VPL的dv/dt濾波器的壓降約為1%。

調試時，應設置參數p0230=2，選擇帶VPL的dv/dt濾波器，以確保在矢量控制模式下實現對濾波器的最佳補償。

在接地系統（TN/TT）和非接地系統（IT）中均可使用帶VPL的dv/dt濾波器。

2.2.12 正弦波濾波器

正弦波濾波器用于裝機裝柜型S120驅動系統。它是一種LC低通濾波器，是最為復雜的濾波器解決方案。在降低電壓上升速率dv/dt和峰值電壓V_PP方面，正弦波濾波器比帶VPL的dv/dt濾波器更為有效。但是，使用正弦波濾波器對脈沖頻率設置以及逆變器的電流和電壓都有比較苛刻的約束。正弦波濾波器原理圖如圖2-29所示。

正弦波濾波器僅允許逆變器輸出的基波分量通過，因此，施加到電動機端的電壓近似為正弦波，僅帶有極小的諧波含量。使用正弦波濾波器時逆變器輸出端和電動機端子處的電壓v（t）示意圖如圖2-30所示。

正弦波濾波器可以非常有效地將電動機繞組上的電壓變化率dv/dt和峰值電壓V_PP限制為下列值：

1）電壓變化率dv/dt?50V/μs。

2）電壓峰值V_PP＜1.1××V_Line。

因此，電動機繞組承受的電壓沖擊實際上與直接連接到電網的情況相同，并可顯著減少軸承電流。因此，使用這種濾波器時，SINAMICS變頻器可驅動標準絕緣和不帶絕緣軸承的標準電動機。這既適用于西門子電動機也適用于第三方電動機。

由于電動機電纜上的電壓變化率非常低，正弦波濾波器能有效地改善其電磁兼容性，無須通過使用屏蔽電動機電纜達到所需的EMC標準。

由于施加在電動機上的電壓不是脈沖形式，所以與變頻器相關的電動機中的雜散損耗和附加噪聲大大降低，電動機的噪聲等級基本等同于電源直接供電的電動機。

可用的正弦波濾波器：

1）在380～480V電壓范圍內，變頻器額定輸出功率為110kW、132kW、160kW、200kW、250kW，脈沖頻率為4kHz。

2）在500～600V電壓范圍內，變頻器額定輸出功率為110kW、132kW，脈沖頻率為2.5kHz。

SINAMICS S120裝機裝柜型裝置帶正弦波濾波器時所允許的最大電動機電纜長度見表2-20。

在裝機裝柜型裝置的技術數據列表中所列出的最大電動機電纜長度，通常是指在標準配置的情況下，驅動單電動機時可連接的電動機電纜的最大連接截面積及并聯的根數，見表2-21。

使用正弦波濾波器的附加條件如下：

1）正弦波濾波器應緊鄰變頻器或逆變器。正弦波濾波器和變頻器或逆變器的輸出端之間的電纜長度不應超過5m。

2）考慮到正弦波濾波器的諧振頻率，脈沖頻率必須設定為4kHz（380～480V）或2.5kHz（500～600V）兩種固定值，此時，調速裝置需降容使用，變頻器允許的輸出電流要降容至表2-22中提供的數值。

3）此外，空間矢量調制（Space Vector Modulation，SVM）模式是唯一允許的調制模式，不允許使用脈沖邊沿調制。

因此，基本整流單元或回饋整流單元供電的S120逆變單元的輸出電壓被限制為輸入電壓的85%（380～480V）或83%（500～600V）。被驅動電動機會更早進入弱磁運行。由于變頻器無法提供電動機的額定電壓，僅當電動機超過額定電流運行時才能輸出額定功率。

通過有源整流單元供電的S150和S120逆變單元，有源整流單元的升壓整流工作原理可提高直流母線電壓，因此即使是在空間矢量調制模式時，施加到電動機的電壓也可達到進線電源電壓值。

4）最大輸出頻率被限制為150Hz。

5）調試時，必須通過參數p0230選擇正弦波濾波器。

6）對于SINAMICS S120變頻器系列的正弦波濾波器，必須設置參數p0230=3，以確保所有與正弦波濾波器相關的參數正確。

對于第三方的正弦波濾波器，必須設置參數p0230=4，功率單元過載反應只可選擇不帶“降低脈沖頻率”的反應（p0290=0或1）且設置調制模式為無過調制的空間矢量模式（p1802=3）。另外，正弦波濾波器的工藝參數p0233和p0234必須設置，最大頻率或者最大速度（p1082）和脈沖頻率（p1800）也必須根據正弦波濾波器設置。

7）在接地系統（TN/TT）和非接地系統（IT）中均可使用正弦波濾波器。

8）正弦波濾波器只能用在矢量模式和V/f模式，無法用在伺服模式。電動機側輸出電抗器和諧波器的屬性比較見表2-23。