摘要：使用SINAMICS S120模块化驱动系统的组件，可以配置一个或多个整流模块提供直流母线给多个电机模块。在使用这样的配置的时候，需要考虑 沿直流母线排列电机模块和直流母线的允许尺寸和拓扑结构。
一、概述
使用SINAMICS S120模块化驱动系统的组件，可以配置一个或多个整流模块提供直流母线给多个电机模块。在使用这样的配置的时候，需要考虑 沿直流母线排列电机模块和直流母线的允许尺寸和拓扑结构。
二、布局要求
2.1 直流母线排列电机模块
SINAMICS S120电机模块可以根据两种基本原则排列在直流母线上：
• 根据功率等级排列
• 根据生产过程中驱动位置排列
2.1.1 根据功率等级排列电机模块
按功率等级从高到低将它们放置在SINAMICS S120电源模块的左侧或右侧。在这种情况下，最高功率等级直接放置在电源模块旁边，最低等级则放在左侧或右侧的最远端。
图1展示了一个示例配置，包括一个装机装柜型的SINAMICS S120电源模块，以及按功率等级从高到低排列在电源模块右侧的S120电机模块，其中包括装机装柜型和书本型。
图1 按功率等级排序示例
推荐按照功率等级排列电机模块，因为相邻电机模块之间机械尺寸和电气等级的差异相对较小，具有许多优点：
• S120装机装柜型或书本型的电机模块可以毫无问题地相邻安装，因为相邻的模块通常具有相似的机械尺寸。在安装大多数类型的电机模块时，只需要在高度和深度方面进行微小的调整即可。
• 为了确保在机柜中引导冷却空气的最佳方式，在装机装柜型和书本型的电机模块之间进行分区，这样比较容易实现。相邻的电机模块具有相似的尺寸和冷却空气要求，从而产生相似的气压。因此，可以采取相对简单的措施来防止机柜内的寄生空气循环。
• 连接的电机模块输出功率越低，直流母线的横截面积就可以越小，这在许多情况下可以大大节省材料成本。然而，需要注意的是要确保S120电源模块的线路侧熔断器或线路侧断路器能够在短路事件发生时保护整个直流母线。
• 如果电机模块发生严重故障（例如由于IGBT或直流电容器损坏），通常只会跳闸该故障电机模块的熔断器。这是因为相邻安装的电机模块具有相似的输出等级。线路中其他电机模块的熔断器保持完好。
2.1.2 根据生产过程中驱动位置排列电机模块
一些工厂操作员要求按照生产过程中驱动位置的顺序，即按照驱动在生产过程中的位置排列电机模块。因此，电源模块被放置在直流母线的开始位置，而电机模块则按照驱动在生产过程中的位置排列，而不考虑它们的机械尺寸和电气等级。
下图显示了一个示例配置，包括一个装机装柜型的SINAMICS S120电源模块，位于直流母线的开始位置，右侧按混合顺序排列的S120装机装柜型和书本型的电机模块。
根据生产过程中驱动顺序排列电机模块通常不会有问题，如果满足以下条件：
• 单个电机模块的输出功率等级相差不超过4到5倍。
• 驱动配置仅由一种类型的电机模块组成，即装机装柜型或者书本型。
当满足这些边界条件时，由于相邻电机模块之间机械尺寸和电气的差异相对较小，与按功率等级排序的实际优势相同。
然而，在单个电机模块的输出功率相差超过5倍或装机装柜型和书本型电机模块以任意顺序混合的配置中，工艺相关的排列具有以下缺点：
• 如果配置中相邻的电机模块具有非常不同的机械尺寸，使得必须调整单个电机模块之间的高度或深度差异，将装机装柜型和书本型的S120电机模块安装在机柜中可能相对耗时。
• 必须在机柜中的装机装柜型和书本型的电机模块之间分隔以确保冷却空气的最佳引导，这可能相对复杂。这是因为相邻的电机模块具有非常不同的尺寸和冷却空气要求，从而在气压方面产生广泛的变化。因此，需要采取复杂的措施来防止机柜内的寄生气流。
• 如果S120电源位于直流母线的一端，功率大的电机模块位于另一端，直流母线的横截面按着大功率来选择。因此，直流母线的材料成本可能相对较高。
• 如果电机模块发生严重故障（例如由于IGBT或直流电容器损坏），则除了有缺陷的电机模块的保险丝外，具有低功率的许多相邻电机模块的保险丝也可能跳闸，因此需要更换大量电机模块的保险丝。
注意：
在SINAMICS产品系列中（与其前身产品SIMOVERT MASTERDRIVES相比），小功率电机模块由于邻近大功率电机模块的短路而受损的风险不存在。这种行为的原因是不仅SINAMICS电机模块，而且SINAMICS馈电器（Basic Line Module、Smart Line Module和Active Line Module）都有自己的DC链接电容器（与SIMOVERT MASTERDRIVES产品系列不同）。
因此，响应高功率电机模块的短路而产生DC母线电势的极性反转的风险现在实际上已经不存在。不再可能通过DC链接电势的极性反转将高功率电机模块的瞬态短路电流强制通过相邻低功率电机模块的反向二极管。在SINAMICS驱动器上不再需要在DC母线上提供保护二极管。因此，这些二极管不可作为SINAMICS驱动器的组件提供。
在DC母线本身发生短路的情况下，必须始终假定所有连接的电机模块的DC保险丝将跳闸，无论电机模块的功率评级如何。
2.2直流母线允许的尺寸和拓扑结构
SINAMICS S120 模块化驱动系统设计成为整套驱动系统。因此，直流母线允许的尺寸，包括连接的电机模块，受到一定限制。因此，所有连接到直流母线的组件（电源模块、电机模块、制动模块）应尽可能靠近彼此，以创建最紧凑的驱动配置。
通常直流母线最长可达52m至75m，可视为非关键性的。在直流母线尺寸介于约 75 m 和 150 m 之间的情况下，需要仔细检查边界条件。在这种情况下，通常需要进行技术澄清。超过约 150 m 的直流母线尺寸以及星形拓扑结构，其中多个直流母线系统在多个 100 m 的跨度上网络连接，是不允许的。这是因为在此类配置中，无法排除不良相互作用和相关系统问题的可能性。
在由ALM供应的直流配置中，可以最有效地将相互作用最小化，这应该是尺寸处于边界的情况下的首选选项。下面显示了用于多电机驱动系统的驱动配置的允许排列示例。在所有情况下，直流母线由 S120 电源模块供应，该电源可以由最多四个相同的 S120 电源模块并联连接。在这些典型配置中，电机模块按建议的功率等级顺序沿直流母线排列。示例 1 显示了直流母线的典型线性排列，其中 S120 电源模块位于左端，电机模块按输出功率等级递减顺序位于进给的右侧。
示例1所示的布置适用于低至中等输出功率范围的配置。更高的输出功率，需要把S120电源模块放置在中央，电机模块按功率大小排列，这样可以减少母线的截面积。如图2所示。
对于在几 MW 的高功率输出需要非常长的直流母线，最好将分成两个背靠背的配置。此外，如果 S120 电源位于一侧的中心，并直接连接到另一个侧的直流母线中心，则可以实现非常有利的母线截面尺寸。如图3。
还可以选择两个相反布局的排列方式，如示例 4 所示。例如，将一列变换器紧靠在一侧墙，将另一列变频器紧靠对面的墙。
一些应用场合两段变频器中间的距离较远，需要通过长直流母线或直流电缆进行连接，如图所示在例5中。
此类应用的两段变频器之间的距离不应超过大约75m。如果两段变频器的距离在大约75m和150m之间，配置的时候需要考虑一些因素。需要注意的是使用低感直流母线或直流电缆，以消除两段变频器之间可能出现的振荡风险。这种振荡有可能由这两段变频器中的电容和直流母线的电感形成，这种振荡电路的谐振频率有可能是驱动配置激发，比如电机模块的脉冲频率。低电感通过将正负极排或电缆并联尽可能的靠近在一起。此外，为了将振荡风险降至最低，最好使用ALM电源模块。
注：对于SINAMICS S120多电机驱动器，母线和电缆的长度有三个重要的限制：
• 限制直流母线的长度，以消除系统中不良振荡的风险。
• 限制每个电机电缆长度，这样就限制了由电机电缆电容引起的漏电流，从而防止电机模块因过流而跳闸。
• 限制总电缆长度，即直流母线下的所有电机模块到电机电缆的总长度。这是为了防止通过电机电缆产生的总的漏电流通过进线电抗器或者电源和电源模块本身返回到直流母线，导致S120电源模块过载。严格来说，在计算允许的总电缆长度时，还应考虑直流母线的长度。然而，在实践中，与电机电缆的总长度相比，直流母线的长度微不足道，因此可以忽略直流母线长度。
来源：西门子工业支持中心一点号
