作者：Jeff Shepard

　　單軸變速驅(qū)動(dòng)器 (VSD) 在泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)、輸送機(jī)等工業(yè)應(yīng)用以及研磨機(jī)和攪拌機(jī)等加工操作中至關(guān)重要。這些應(yīng)用具有簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)序列，需要高效的 VSD，以支持在較短的調(diào)試時(shí)間內(nèi)快速、經(jīng)濟(jì)地實(shí)施基本驅(qū)動(dòng)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(diǎn)、自動(dòng)適應(yīng)磁通以節(jié)省能源的 V2/f，以及自動(dòng)適應(yīng)磁通電流控制 (FCC)驅(qū)動(dòng)器輸出到負(fù)載。經(jīng)濟(jì)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€(gè)單元

　　無線調(diào)試、操作和診斷

　　連接和應(yīng)用宏可簡(jiǎn)化 I/O 接線和配置

　　本文介紹了西門子的一系列堅(jiān)固耐用且節(jié)能的單軸 VFD， 旨在簡(jiǎn)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(jìn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的一些注意事項(xiàng)。

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

　　西門子的SINAMICS V20平臺(tái)有九種機(jī)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(hào)以及 0.37 kW 6SL3210-5BE32-2UV0(最高 30 kW 三相 480)交流型號(hào)。

　　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(dòng)器的主要優(yōu)勢(shì)。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(shí)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(diǎn)等多種控制模式支持經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

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

　　無需外部功率測(cè)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(shí)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(dòng)適應(yīng)不穩(wěn)定的電源電壓，確保穩(wěn)定運(yùn)行，防止中斷，并有助于提高生產(chǎn)率

　　在 300 秒的循環(huán)時(shí)間內(nèi)，過載能力高達(dá) 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(gè)單元

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

　　集成應(yīng)用程序和連接宏

　　綜合功能

　　SINAMICS V20 驅(qū)動(dòng)器具有多種可加速部署并簡(jiǎn)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(gè)機(jī)架尺寸上的集成制動(dòng)斬波器以及可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相等的直流耦合功能。不同尺寸的驅(qū)動(dòng)器協(xié)同工作以提高節(jié)能效果。 PID 控制器可用于簡(jiǎn)單的過程任務(wù)，例如控制相對(duì)于設(shè)定點(diǎn)的壓力、液位或流量。

　　PID 功能包括自動(dòng)調(diào)諧以實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行，并可支持電機(jī)分級(jí)運(yùn)行。電機(jī)分級(jí)允許控制最多 2 個(gè)附加分級(jí)(級(jí)聯(lián))電機(jī)。在這種情況下，系統(tǒng)由由逆變器控制的主電機(jī)和兩個(gè)使用由逆變器上的數(shù)字輸出控制的接觸器或啟動(dòng)器控制的附加電機(jī)組成。

　　FSD 和 FSE 機(jī)架尺寸具有集成制動(dòng)斬波器;對(duì)于其他框架尺寸，可以使用外部制動(dòng)模塊(見下文)。電機(jī)可以采用電氣或機(jī)械制動(dòng)方式。

　　電氣制動(dòng)選項(xiàng)

　　直流制動(dòng)應(yīng)用于定子繞組，產(chǎn)生顯著的制動(dòng)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(dòng)將直流制動(dòng)疊加在再生制動(dòng)上，其中逆變器在制動(dòng)期間將能量再生到直流母線電源中。

　　動(dòng)態(tài)制動(dòng)將再生能量轉(zhuǎn)化為熱量。能耗制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)需要外部制動(dòng)電阻來耗散能量。

　　保持制動(dòng)器的機(jī)械電機(jī)可以通過內(nèi)部邏輯控制，以防止電機(jī)在逆變器關(guān)閉時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　SINAMICS V20 驅(qū)動(dòng)器還包括直流耦合功能，使兩個(gè)同等尺寸的逆變器能夠使用其直流母線連接進(jìn)行電氣耦合。在適用的情況下，直流耦合可以通過允許一個(gè)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(gè)動(dòng)態(tài)制動(dòng)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(duì)能耗制動(dòng)模塊和能耗制動(dòng)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(shí)用性還可以通過添加一些系統(tǒng)附件來增強(qiáng)，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(jì)用于分布式安裝，并具有 UL 1 類外殼防護(hù)等級(jí)。

　　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(kuò)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(jiǎn)化使用智能手機(jī)、筆記本電腦或平板電腦對(duì) 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(jī)測(cè)試

　　監(jiān)控運(yùn)營(yíng)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(gè)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(dòng)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(gè)常見擴(kuò)展模塊的 0.16 HP FSAA SINAMICS V20。 (圖片來源：西門子)

　　更多配件

　　需要時(shí)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(hào)，以及 230 V 未濾波型號(hào))需要外部 EMC 濾波器。例如，型號(hào)6SL32030BE177BA0設(shè)計(jì)用于與 FSA 機(jī)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(duì)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(dòng)模塊(圖 3)來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。 FSD 和 FSE 機(jī)架尺寸具有集成制動(dòng)斬波器，不需要外部模塊。在所有情況下，通過添加外部制動(dòng)電阻(如型號(hào)6SE64004BC050AA0)以耗散電機(jī)產(chǎn)生的再生能量，可以實(shí)現(xiàn)更好的制動(dòng)性能和改進(jìn)的減速度。

　　圖 3：SINAMICS V20 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的制動(dòng)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(kuò)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(gè)數(shù)字輸入和兩個(gè)數(shù)字繼電器輸出。例如，I/O 擴(kuò)展模塊可用于多泵控制應(yīng)用，從而可以使用單個(gè) SIMMICS V20 驅(qū)動(dòng)器控制最多四個(gè)泵。當(dāng)必須控制多個(gè)風(fēng)扇或壓縮機(jī)時(shí)，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(shí)用作參數(shù)加載模塊。

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

　　輸出電抗器(如適用于 FSA 機(jī)架尺寸的型號(hào)6SL3202-0AE16-1CA0)可以減少電機(jī)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(zhǎng)電機(jī)電纜時(shí)，電容充電和放電電流可能會(huì)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(dòng)器設(shè)計(jì)為由 SINAMICS S7-1200或 S7-1500 控制器(如型號(hào)6ES75173FP000AB0)通過 RS485 接口并使用通用串行接口 (USS) 協(xié)議進(jìn)行控制。提供了演示如何使用 SINAMICS V20 對(duì)這些控制器進(jìn)行配置和編程的示例項(xiàng)目。 USS 是默認(rèn)設(shè)置，但 SINAMICS V20 也可以使用 MODBUS RTU 協(xié)議。

　　一臺(tái)主控最多可連接31臺(tái)變頻器。

　　把它們放在一起

　　將上面詳述的組件組裝成一個(gè)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(gè)重要考慮因素時(shí)。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(gè)隔離區(qū)域來實(shí)現(xiàn)，如圖 6 所示。實(shí)施隔離區(qū)域時(shí)的注意事項(xiàng)包括：

　　可以使用接地隔離板或單獨(dú)的金屬外殼來實(shí)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(jìn)出機(jī)柜的通訊網(wǎng)絡(luò)和RS485等信號(hào)線必須采用屏蔽線。

　　圖 6：電磁去耦區(qū)域可以增強(qiáng) 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(qiáng)實(shí)用性。此外，這些驅(qū)動(dòng)器還配有各種附加模塊，以支持高級(jí)系統(tǒng)功能，并且針對(duì)與西門子控制器配合使用進(jìn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。