ACS 6000_技术样本(同步电机和异步电机的速度和转矩控制 )

ACS 6000

中压交流传动

3 – 27 MVA

同步电机和异步电机的速度和转矩控制

技术样本

ABB

ACS 6000

中压交流传动

3 - 27 MVA

同步电机和异步电机

的速度和转矩控制

技术样本

3ABD 00010934 版本B

中文

BASED ON：3BHS132322 ZAB E01，Rev. B

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第一章 - 概述 11

1.1简介 11

1.2应用领域 12

1.3模块化设计 13

1.4关键技术 15

1.5用户利益 16

1.6CE 标志 18

第二章 - 传动类型和应用 19

2.1概述 19

2.2ACS 6000 传动类型 19

2.2.1单传动 19

2.2.2多传动 22

2.2.3冗余传动 23

2.2.4双重化传动 23

2.3应用实例 24

2.3.1船舶主推进和辅推进系统应用 24

2.3.2轧机应用 28

2.3.3采矿业应用 32

第三章 - 关键技术 35

3.1概述 35

3.2直接转矩控制 35

3.2.1DTC 原理 35

3.2.2DTC性能 36

3.3IGCT功率半导体器件 38

3.4有源整流单元 39

3.4.1运行原理 39

3.4.2控制原理 40

3.4.3功率因数控制 41

3.4.4优化的脉冲模式 41

3.4.5控制框图 41

3.5二极管供电单元 42

3.6公共直流母线 42

3.6.1原理 42

3.6.2优点 43

ACS 6000 技术样本 1 / 166

第四章 - 变频器配置和硬件 45

4.1概述 45

4.2模块化设计理念 45

4.3配置指导 47

4.3.1必要的应用数据 47

4.3.2配置步骤 47

4.3.3配置规则 47

4.4柜体设计 48

4.4.1机械设计 48

4.4.2电磁兼容性（EMC） 48

4.4.3安全方面 49

4.5母排和接地 49

4.6辅助电源系统 51

4.6.1交流安全电源 51

4.6.2直流安全电源 52

4.6.3无安全电源 53

4.7冷却系统 54

第五章 - 模块描述 55

5.1概述 55

5.2二极管供电单元（LSU） 55

5.2.1概述 55

5.2.2主要组成部分 56

5.2.3电路图 56

5.2.4型号规格 57

5.3有源整流单元（ARU） 57

5.3.1概述 57

5.3.2主要组成部分 58

5.3.3电路图 60

5.3.4型号规格 60

5.4逆变单元（INU） 61

5.4.1概述 61

5.4.2电路图 61

5.4.3型号规格 61

5.5电容组单元（CBU） 62

5.5.1概述 62

5.5.2主要组成部分 62

5.5.3电路图 63

5.5.4型号规格 63

5.6终端单元（TEU） 64

5.6.1概述 64

5.6.2型号规格 64

5.7控制单元（COU） 65 2 / 166 ACS 6000 技术样本

5.7.1概述 65

5.7.2主要组成部分 66

5.7.3型号规格 66

5.8水冷单元（WCU） 67

5.8.1概述 67

5.8.2主要组成部分 68

5.8.3水冷回路 69

5.8.4冷却控制 72

5.8.5型号规格 72

5.9用户接口单元（CIU） 73

5.9.1概述 73

5.9.2主要组成部分 74

5.9.3接口图 74

5.9.4型号规格 74

5.10输入滤波单元（IFU） 75

5.10.1概述 75

5.10.2主要组成部分 75

5.10.3电路图 76

5.10.4型号规格 76

5.11电压限幅单元（VLU） 77

5.11.1概述 77

5.11.2主要组成部分 78

5.11.3电路图 78

5.11.4型号规格 78

5.12电阻制动单元（RBU） 79

5.12.1概述 79

5.12.2主要组成部分 79

5.12.3电路图 80

5.12.4型号规格 80

5.13制动斩波器单元（BCU） 81

5.13.1概述 81

5.13.2主要组成部分 81

5.13.3电路图 81

5.13.4型号规格 81

5.14隔离单元（ISU） 82

5.14.1概述 82

5.15励磁单元（EXU） 82

5.15.1概述 82

5.15.2励磁电路 83

5.15.3主要组成部分 83

5.15.4电路图 85

5.15.5型号规格 85 ACS 6000 技术样本 3 / 166

第六章 - 控制系统和过程接口 87

6.1控制系统硬件 87

6.1.1控制系统结构概述 87

6.1.2AMC3 控制器 88

6.1.3控制系统硬件拓扑 89

6.2控制系统软件 91

6.2.1控制系统软件结构 91

6.2.2操作系统 92

6.2.3电机和整流器控制软件 92

6.2.4故障处理器 92

6.2.5主状态机 93

6.2.6应用程序 93

6.3用户界面 94

6.3.1CDP 312 控制盘 94

6.3.2按钮和指示灯 95

6.3.3PC 工具 95

6.4启动和停机顺序 96

6.4.1本地控制和远程控制 96

6.4.2启动顺序 97

6.4.3停机顺序 98

6.4.4紧急断电顺序 100

6.5接口配置 100

6.5.1概述 100

6.5.2单传动 I/O配置 101

6.5.3多传动 I/O配置 102

6.6现场总线接口 103

6.6.1现场总线类型 103

6.6.2信号 103

6.7硬连接的过程 I/O 106

6.7.1S800 I/O 模块 106

6.7.2信号 108

6.7.3标准信号 108

6.7.4CIW 1可选件 I/O （标准软件） 110

6.7.5AC80控制器控制的 CIW 2可选件 I/O （工程特定

软件） 112

第七章 - 标准控制和保护功能 113

7.1概述 113

7.2电机控制功能 113

7.2.1速度控制特性 113

7.2.2直接转矩控制特性 115

7.3有源整流控制功能 115

7.4应用控制功能 116

4 / 166 ACS 6000 技术样本

7.4.1与电机相关的功能 116

7.4.2与电网相关的功能 116

7.5故障诊断 117

7.6标准保护功能 118

7.6.1概述 118

7.6.2内部保护功能 118

7.6.3外部保护功能 121

7.6.4手动激活的保护功能 121

7.7其它特性 122

7.8用户特定的可选件 122

第八章 - 可选件 123

8.1变频器硬件 123

8.2变频器软件 125

8.3服务和诊断 125

8.4船舶型版本 126

8.5运输、安装和调试 126

8.6培训 127

8.7测试 127

8.8资料文件 127

第九章 - 对系统设备的要求 129

9.1概述 129

9.2主回路断路器 129

9.2.1最大分断时间 129

9.2.2控制接口 129

9.2.3主回路断路器设备 130

9.2.4主回路断路器接线方案 131

9.3用于有源整流单元的主变压器 132

9.3.1变压器绕组 133

9.3.2技术数据 133

9.4用于二极管供电单元的主变压器 134

9.4.1变压器绕组 134

9.4.2技术数据 134

9.5有源整流单元的同步变压器 135

9.5.1同步变压器的要求 135

9.5.2两种可行的连接方案 135

9.6励磁电源 137

9.7同步电机的要求 137

9.7.1绕组 137

9.7.2电机的一般特性 138

9.7.3编码器 138

ACS 6000 技术样本 5 / 166

9.7.4轴承 138

9.7.5励磁 138

9.8异步电机的要求 139

9.8.1绕组 139

9.8.2电机的一般特性 139

9.8.3编码器 139

9.8.4轴承 139

9.9功率电缆的选型 140

9.9.1功率电缆的选型 140

9.9.2用于 ARU 和 INU 的电缆 140

9.9.3用于 LSU的电缆 141

9.9.4用于 BCU的电缆 141

9.10控制电缆 142

第十章 - 安装指导 143

10.1空间要求 143

10.2土建要求 144

10.3机械安装 145

10.4功率电缆的安装、接地和屏蔽 146

10.4.1ARU 至主变压器的电缆连接 146

10.4.2LSU 至主变压器的电缆连接 147

10.4.3电机至逆变器的电缆连接 148

10.4.4设备接地 149

附录A - ACS 6000 技术数据 151

变频器输出/电机连接 151

ARU 输入 152

LSU 输入 153

辅助电源 154

EXU 电源 155

环境要求 155

降容输出 156

运输和储存 156

冷却 156

防护等级 158

语言 158

附录B - 适用规范和标准 159

概述 159

设计和制造遵循的国际标准 159

6 / 166 ACS 6000 技术样本

EMC 标准 160

船舶型 ACS 6000遵循的标准 161

附录C - ACS 6000 产品型号 163

产品型号的限制 163

ACS 6000 技术样本7 / 166

8 / 166 ACS 6000 技术样本

缩写列表

AC80 高级控制器

AF100 高级现场总线协议（ABB 总线系统）

AI 模拟输入

AMC 应用及电机控制器

AMCOS 应用及电机控制器操作系统

AO 模拟输出

ARU 有源整流单元

ASE 抗饱和装置

BCU 制动斩波单元

BOD 转折二级管

CBU 电容组单元

CCB 变频控制板

CDP312 控制盘

CHU 充电单元

CIU 用户接口单元

CIW 用户接口单元（集成在WCU内）

COU 控制单元

CVMI 电流和电压测量接口板

CWU 冷却水控制单元（控制装置集成在WCU内）

DC_NP DC 中性点

DDCS 分布式传动控制系统（通讯协议）

DI 数字输入

DIU 放电单元

DO 数字输出

DTC 直接转矩控制

ECB 励磁电路断路器

EMC 电磁兼容性

EXU 励磁单元

FCB 功能图编辑器

FCI 现场总线通讯接口

FIR FILTER 受限激励响应滤波器

FSCD 快速短路检测板

GCT 门极换流晶闸管

GDR 门极驱动板

GTO 门极关断晶闸管

GUSP 门极驱动电源板

HVD 高压分配板

ACS 6000 技术样本9 / 166

IFU 输入滤波单元

IGBT 绝缘栅极双极性晶体管

IGCT 集成门极换流晶闸管

IM 感应电机

INT 接口板

INU 逆变单元

IRU 输入电抗单元

ISU 隔离单元

LSU 二极管供电单元

MCB 主电路断路器

NTAC 脉冲编码器接口模块

PAI 脉冲放大接口板

PE 保护地

PFF 功率前馈控制

PG 功率地

PPCS 功率组件通讯系统（通讯协议）

PUB PPCS分配单元

PWM 脉冲宽度调制

RBU 电阻制动单元

S800 输入/输出接口板

SM 同步电机

TEU 终端单元

UPS 不间断电源

VLU 电压限幅单元

WCU 水冷单元

10 / 166 ACS 6000 技术样本

第一章 - 概述

1.1 简介

本技术样本描述了ACS 6000主要的电气特性，机械特性和环境特性，

ACS 6000是专用于兆瓦级应用场合的模块化中压传动。样本概括了ACS

6000的杰出的优点：

? 最优的性能

? 高效率

? 无与伦比的利用率

主要阐明在船舶领域和工业传动领域，如何配置感应式电机和同步电机

传动系统以实现其最优性能。该样本还描述了变频器的可选件以及提供

了帮助您选择最匹配的电机-变频组合方案的信息。还提供了一些有关安

装的有用信息。

图 1-1 ACS 6000, 典型的船舶应用配置

ACS 6000 技术样本11 / 166

第一章 - 概述

1.2 应用领域

ACS 6000为船舶领域和工业领域中压传动应用提供最优解决方案。

ACS 6000 变速传动的功率范围从3MVA 至 27 MVA ，输出频率从 0 至

75 Hz （双重化传动可达250 Hz）。ACS 6000具有广泛的应用领域，例

如：

船舶业

? 主推进系统

? 辅推进系统

石油和天然气工业

? 压缩机

? 泵

冶金和采矿业

? 轧机

? 矿井提升机

? 传送带

? 挤压机和矿石研磨机

一般工业领域

? 可变速的风机和泵

? 抽水蓄能传动

12 / 166 ACS 6000 技术样本

第一章 - 概述

1.3 模块化设计

ACS 6000是作为一组模块来设计的。这些模块根据所需的输出功率，电

机配置和工艺需求进行配置。

根据具体的应用，存在四种不同的传动类型（图 1-2）：

? 单传动

用于同步电机或异步电机

? 多传动

用于多台同步电机、多台异步电机或它们二者的组合

? 冗余传动

用于双绕组电机

? 双重化传动

用于由变频器向绕组两端供电的电机

以下是 ACS 6000 的模块：

? 二极管供电单元（LSU）

12-脉波二极管整流器

? 有源整流单元（ARU）

6-脉波自换流电压型变流器

? 逆变单元（INU）

6-脉波自换流电压型逆变器

? 电容组单元（CBU）

直流回路电容

? 终端单元（TEU）

功率电缆的接线终端部分

? 控制单元（COU）

控制系统（总是集成在TEU单元中）

? 水冷单元（WCU）

? 客户接口单元（CIU）

附加的 I/O接口

? 输入滤波单元（IFU）

用于ARU的谐波滤波器（根据供电网络要求配置）

? 电压限幅单元（VLU）

动态直流电压限幅电路

? 电阻制动单元（RBU）

集成制动电阻的直流斩波器

? 制动斩波单元（BCU）

与外部制动电阻配合使用的直流斩波器。

ACS 6000 技术样本13 / 166

第一章 - 概述

? 隔离单元（ISU）

仅用于冗余传动中的 2个 CBU的隔离

? 励磁单元（EXU）

6-脉波晶闸管桥或交流功率控制器

相关模块的详细描述（如24-脉波整流器），请参阅第五章 -模块描述。

单传动 - 二极管供电单元

多传动 - 有源整流单元

双重化传动 - 二极管供电单元

冗余传动 - 二极管供电单元

图 1-2 基本配置的典型示例

14 / 166 ACS 6000 技术样本

第一章 - 概述

1.4 关键技术

以下所列出的是ACS 6000不同于市场上其他品牌变频器的突出特性：DTC

直接转距控制使得在中压传动领域能够实现最高的转距和速度控制性

能。DTC控制理论能够实现：

? 转矩响应时间比传统的磁通矢量或脉宽调制控制方式快10倍。

? 最小的转矩纹波

? 精确的静态速度和转矩控制

IGCT

集成化门极换流晶闸管IGCT是专为中压变频器开发的功率半导体开关器

件。基于非常成熟的GTO （门极关断晶闸管）技术开发的IGCT，使变频

器的设计从根本上降低了复杂程度，提高了效率和可靠性。

IGCT 集IGBT （绝缘门极双极性晶体管）的高速开关特性和GTO（门极

关断晶闸管）的高阻断电压和低导通损耗特性于一体。

ARU

有源整流单元允许四象限运行，这使得在整个功率范围内正反两个转向

上都可实现再生制动。

ARU在整个运行范围内将功率因数控制为1 ，即使在低速范围也是如此。

ARU能随时补偿连接到同一电网的其他负载产生的无功功率。

ARU 通过使用预定义的优化的脉冲模式，降低和消除主电网上的谐波。

LSU

二极管供电单元是按两象限运行设计的，在整个运行范围内，可保持功

率因数为0.95 。

公共直流母线

多组整流器和逆变器都可以连到同一直流母线上。允许多个传动负载连

接到一台变频器上。

某一电机制动产生的能量可以通过直流母线传递到其他逆变器上，而不

必由整流器担负。

ACS 6000 技术样本15 / 166

第一章 - 概述

1.5 用户利益

最大利用率

高可靠性和短暂的维修时间使ACS 6000具有最大的利用率。

ACS 6000 的高可靠性源自于：

? 成熟的技术：

ACS 6000采用的IGCT技术是基于成熟的GTO技术。并且IGCT已在

中压变频领域内成功的应用了5年的时间。

? 最低的元器件数量：

IGCT 的快速开关能力无需缓冲电路。因而所需的功率元件数目更

少，运行的可靠性更高。

? 无熔断器设计：

由于采用无熔断器设计，避免使用不可靠的熔断器，因而提高了整体

可靠性。

ACS 6000 短暂的维修时间源自于：

? 诊断系统：

综合自诊断监视系统产生精确的故障信息，给出故障类型和故障位

置。因而可以对故障进行快速而准确的定位，降低了故障查找的时

间。

? 功率电路的简化：

功率电路的简化和硬件的模块化设计，不仅形成极高的利用率而且为

最小停机时间的维护和维修概念打下了基础，例如：一相模块的更换

时间不到一个小时。

卓越的性能

卓越的性能源自于快速而精确的过程控制和低能量耗耗。

基于DTC技术的快速而精确的过程控制保证了高而稳定的产品质量、最

小的原材料损耗以及最小的机械磨损。DTC 可以实现：

? 无超调的高动态响应时间

? 精确的静态速度和转矩控制。

? 平滑的输出电流波形实现最小的转矩纹波

低能量损耗源自于：

? 最小的无功消耗

由于采用ARU 或 LSU，传动无功功率的消耗可以忽略不计。供电系

统仅需按有功功率消耗进行设计。无需无功功率补偿装置。

? 多传动拓扑结构

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