作者：Jeff Shepard

　　單軸變速驅(qū)動器 (VSD) 在泵、風(fēng)扇、壓縮機、輸送機等工業(yè)應(yīng)用以及研磨機和攪拌機等加工操作中至關(guān)重要。這些應(yīng)用具有簡單的運動序列，需要高效的 VSD，以支持在較短的調(diào)試時間內(nèi)快速、經(jīng)濟地實施基本驅(qū)動功能。

　　它們可能需要各種控制功能，包括標(biāo)量伏特/赫茲 (V/f)、可編程 V/f 多點、自動適應(yīng)磁通以節(jié)省能源的 V2/f，以及自動適應(yīng)磁通電流控制 (FCC)驅(qū)動器輸出到負(fù)載。經(jīng)濟高效的部署和集成是工業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，并可從以下功能中受益：

　　預(yù)配置的應(yīng)用程序選擇

　　尺寸緊湊

　　預(yù)設(shè)通訊參數(shù)

　　將參數(shù)設(shè)置有效傳輸?shù)蕉鄠€單元

　　無線調(diào)試、操作和診斷

　　連接和應(yīng)用宏可簡化 I/O 接線和配置

　　本文介紹了西門子的一系列堅固耐用且節(jié)能的單軸 VFD， 旨在簡化安裝。它還回顧了幾種集成功能，研究基本系統(tǒng)附件和各種更專業(yè)和更先進的附加模塊，以及使用西門子控制器的集成建議。最后回顧了將這些 VFD 集成到符合 EMI 的控制柜和工業(yè)運動系統(tǒng)中的一些注意事項。

　　數(shù)字化電機控制為工業(yè)單軸運動系統(tǒng)帶來了多種好處。用 VSD 代替簡單的機械控制裝置，使系統(tǒng)能夠立即響應(yīng)部分負(fù)載運行的情況，并可降低 50% 或更多的功耗。變速運行還可以最大限度地減少電機和機械部件的磨損，減少維護需求并提高可用性。

　　西門子的SINAMICS V20平臺有九種機架尺寸，功率范圍為 0.12 kW 至 30 kW(0.16 hp 至 40 hp)(圖 1)。示例性 SINAMICS V20 VFD 包括 0.12 kW 6SL3210-5BB11-2UV1(最高 3 kW)、6SL3210-5BB23-0UV1單相 230 V交流輸入型號以及 0.37 kW 6SL3210-5BE32-2UV0(最高 30 kW 三相 480)交流型號。

　　圖 1：SINAMICS V20 變頻器的九種外形尺寸，從 FSAA 到 FSE(0.16 到 40 HP)。 (圖片來源：西門子)

　　效率是使用 SINAMICS V20 驅(qū)動器的主要優(yōu)勢。它們結(jié)構(gòu)緊湊，能有效利用空間;它們支持快速安裝和調(diào)試，有效利用時間和金錢，而且節(jié)能，支持更綠色的地球。其中一些功能包括：

　　V/f、V2/f、FCC、V/f 多點等多種控制模式支持經(jīng)濟運行

　　使用 V/f、V2/f 的 ECO 模式和休眠模式可以增強節(jié)能效果

　　無需外部功率測量設(shè)備即可監(jiān)控節(jié)能情況，并以 kWh、CO2 或貨幣顯示

　　單相或三相市電

　　單相 200 至 240 V AC (–10% / +10%) 也可以連接到三相 120 / 240 V AC電源的兩相

　　三相 380 至 480 V交流(–15% / +10%)

　　預(yù)配置的應(yīng)用宏減少了調(diào)試時間

　　使用標(biāo)準(zhǔn)庫和連接宏預(yù)設(shè)通信參數(shù)加快調(diào)試速度

　　自動適應(yīng)不穩(wěn)定的電源電壓，確保穩(wěn)定運行，防止中斷，并有助于提高生產(chǎn)率

　　在 300 秒的循環(huán)時間內(nèi)，過載能力高達 150%，持續(xù) 60 秒

　　最大輸出電壓為輸入電壓的100%

　　無需電源即可加載參數(shù)，可快速配置多個單元

　　使用帶有 Smart Access Web 服務(wù)器的移動設(shè)備或筆記本電腦進行調(diào)試

　　集成應(yīng)用程序和連接宏

　　綜合功能

　　SINAMICS V20 驅(qū)動器具有多種可加速部署并簡化集成的集成功能，例如用于過程控制任務(wù)的比例積分微分 (PID) 控制器、最大 2 個機架尺寸上的集成制動斬波器以及可實現(xiàn)兩個相等的直流耦合功能。不同尺寸的驅(qū)動器協(xié)同工作以提高節(jié)能效果。 PID 控制器可用于簡單的過程任務(wù)，例如控制相對于設(shè)定點的壓力、液位或流量。

　　PID 功能包括自動調(diào)諧以實現(xiàn)最佳運行，并可支持電機分級運行。電機分級允許控制最多 2 個附加分級(級聯(lián))電機。在這種情況下，系統(tǒng)由由逆變器控制的主電機和兩個使用由逆變器上的數(shù)字輸出控制的接觸器或啟動器控制的附加電機組成。

　　FSD 和 FSE 機架尺寸具有集成制動斬波器;對于其他框架尺寸，可以使用外部制動模塊(見下文)。電機可以采用電氣或機械制動方式。

　　電氣制動選項

　　直流制動應(yīng)用于定子繞組，產(chǎn)生顯著的制動扭矩。雖然不適合保持懸掛負(fù)載，但一旦旋轉(zhuǎn)停止，電流可以使軸保持靜止。

　　復(fù)合制動將直流制動疊加在再生制動上，其中逆變器在制動期間將能量再生到直流母線電源中。

　　動態(tài)制動將再生能量轉(zhuǎn)化為熱量。能耗制動的實現(xiàn)需要外部制動電阻來耗散能量。

　　保持制動器的機械電機可以通過內(nèi)部邏輯控制，以防止電機在逆變器關(guān)閉時轉(zhuǎn)動。

　　SINAMICS V20 驅(qū)動器還包括直流耦合功能，使兩個同等尺寸的逆變器能夠使用其直流母線連接進行電氣耦合。在適用的情況下，直流耦合可以通過允許一個逆變器使用來自另一逆變器的再生能量來降低能源成本。逆變器可以共享單個動態(tài)制動系統(tǒng)，從而降低安裝成本。在某些情況下，直流耦合可以消除對能耗制動模塊和能耗制動電阻的需要。

　　基本系統(tǒng)配件

　　除了集成功能外，SIMAMIICS V20 變頻器的實用性還可以通過添加一些系統(tǒng)附件來增強，例如基本操作面板 (BOP) 和 BOP 接口、智能訪問模塊和參數(shù)加載器(圖 2)：

　　SIMMICS V20 具有集成控制面板，但某些應(yīng)用可以通過添加BOP來遠(yuǎn)程控制設(shè)備而受益。 BOP 設(shè)計用于分布式安裝，并具有 UL 1 類外殼防護等級。

　　BOP 使用專用BOP 接口模塊連接到 SINAMICS V20，該模塊插入變頻器上的擴展端口，并具有用于連接 BOP 的 RS232 接口。

　　智能訪問模塊具有內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，可簡化使用智能手機、筆記本電腦或平板電腦對 SINAMICS V20 的調(diào)試和操作。該模塊支持的功能包括：

　　調(diào)試向?qū)Э杉涌煺{(diào)試速度

　　參數(shù)設(shè)置并保存，或恢復(fù)出廠設(shè)置

　　電機測試

　　監(jiān)控運營數(shù)據(jù)

　　執(zhí)行系統(tǒng)診斷檢查

　　參數(shù)加載器最多可以將 100 個參數(shù)集上傳到 SINAMICS V20 或從設(shè)備下載參數(shù)集。無需給驅(qū)動器通電即可使用電池供電的參數(shù)加載器。

　　圖 2：顯示帶有四個常見擴展模塊的 0.16 HP FSAA SINAMICS V20。 (圖片來源：西門子)

　　更多配件

　　需要時可以添加線路濾波器。為了滿足 EN 61800-3 C2 類輻射和傳導(dǎo)發(fā)射要求，SINAMICS V20 變頻器(400 V 濾波和未濾波型號，以及 230 V 未濾波型號)需要外部 EMC 濾波器。例如，型號6SL32030BE177BA0設(shè)計用于與 FSA 機架尺寸 400 V 逆變器配合使用。

　　線路電抗器可用于平滑電壓峰值或橋接換向驟降。這些電抗器還可以減少諧波對線路電源和轉(zhuǎn)換器的影響。

　　可使用外形尺寸為 FSAA 至 FSC 的6SL32012AD208VA0制動模塊(圖 3)來實現(xiàn)制動。 FSD 和 FSE 機架尺寸具有集成制動斬波器，不需要外部模塊。在所有情況下，通過添加外部制動電阻(如型號6SE64004BC050AA0)以耗散電機產(chǎn)生的再生能量，可以實現(xiàn)更好的制動性能和改進的減速度。

　　圖 3：SINAMICS V20 電機驅(qū)動器的制動模塊。 (圖片來源：DigiKey)

　　需要輸入或輸出的應(yīng)用可以添加 SINAMICS V20 I/O 擴展模塊(圖 4)。該模塊直接安裝在 400 V 系列逆變器上，并提供兩個數(shù)字輸入和兩個數(shù)字繼電器輸出。例如，I/O 擴展模塊可用于多泵控制應(yīng)用，從而可以使用單個 SIMMICS V20 驅(qū)動器控制最多四個泵。當(dāng)必須控制多個風(fēng)扇或壓縮機時，該模塊也很有用。它具有前后連接，可以與 BOP 接口和智能訪問模塊等其他配件結(jié)合使用。但是，它不能同時用作參數(shù)加載模塊。

　　圖 4：安裝在 SINAMICS V20 驅(qū)動器正面的擴展模塊。 (圖片來源：西門子)

　　輸出電抗器(如適用于 FSA 機架尺寸的型號6SL3202-0AE16-1CA0)可以減少電機繞組上的電壓應(yīng)力(圖 5)。這些輸出電抗器還可以減少電容充電和放電電流，當(dāng)使用長電機電纜時，電容充電和放電電流可能會給逆變器帶來壓力。

　　圖 5：0.5 HP 三相 380 V AC至 480 V AC、6.1A FSA 框架 SINAMICS V20 變頻器的輸出電抗器。 (圖片來源：西門子)

　　集成到更大的系統(tǒng)中

　　SINAMICS V20 驅(qū)動器設(shè)計為由 SINAMICS S7-1200或 S7-1500 控制器(如型號6ES75173FP000AB0)通過 RS485 接口并使用通用串行接口 (USS) 協(xié)議進行控制。提供了演示如何使用 SINAMICS V20 對這些控制器進行配置和編程的示例項目。 USS 是默認(rèn)設(shè)置，但 SINAMICS V20 也可以使用 MODBUS RTU 協(xié)議。

　　一臺主控最多可連接31臺變頻器。

　　把它們放在一起

　　將上面詳述的組件組裝成一個完整的系統(tǒng)可能具有挑戰(zhàn)性，特別是當(dāng) EMC 合規(guī)性是一個重要考慮因素時。隔離潛在干擾源通常是最快且最具成本效益的方法。這可以通過將控制柜和系統(tǒng)的其余部分組織成一系列四個隔離區(qū)域來實現(xiàn)，如圖 6 所示。實施隔離區(qū)域時的注意事項包括：

　　可以使用接地隔離板或單獨的金屬外殼來實現(xiàn)區(qū)域的電磁去耦。

　　SINAMICS V20 位于 B 區(qū)，SIMATIC S7-1200 或 S7-1500 控制器位于 C 區(qū)。

　　為了提高 EMC 性能，可以在區(qū)域的接口處添加濾波器和耦合模塊。

　　區(qū)域之間的連接電纜必須分開，以防止 EMC 耦合，并且不得位于同一電纜通道或線束中。

　　進出機柜的通訊網(wǎng)絡(luò)和RS485等信號線必須采用屏蔽線。

　　圖 6：電磁去耦區(qū)域可以增強 SINAMICS V20 安裝的 EMC 性能。 (圖片來源：西門子)

　　結(jié)論

　　SINAMICS V20 變頻器用途廣泛、結(jié)構(gòu)緊湊，支持各種單軸變速工業(yè)應(yīng)用。它們具有廣泛的內(nèi)置特性和功能。添加基本操作面板、遠(yuǎn)程訪問模塊和參數(shù)加載器等附件可以增強實用性。此外，這些驅(qū)動器還配有各種附加模塊，以支持高級系統(tǒng)功能，并且針對與西門子控制器配合使用進行了優(yōu)化。最后，展示了如何將這些 VFD 集成到符合 EMI 的控制柜和工業(yè)運動系統(tǒng)中。