如何快速地安装和连接单轴变速驱动器并将其集成到工业 4.0 自动化系统中

作者：Jeff Shepard

在泵、风扇、压缩机、传送机等工业应用以及磨机和搅拌机等加工操作中，单轴变速驱动器 (VSD) 发挥着至关重要的作用。这些应用具有简单的运动序列，需要高效的变速驱动器来帮助快速经济地实现基本驱动器功能，并缩短调试时间。

它们可能需要各种控制功能，包括每赫兹伏特 (V/f) 标量、可编程多点型 V/f 曲线、自动调节磁通量以节省能源的 V²/f，以及自动调节驱动器输出以适应负载的磁通电流控制 (FCC)。经济高效的部署和集成对于工业系统非常关键，并会受益于以下特性：

• 预配置的应用选择
• 体积小巧
• 预设的通信参数
• 高效传输参数设置至多台设备
• 无线调试、操作和诊断
• 用以简化 I/O 接线和配置的连接和应用宏

本文介绍了 [Siemens]专为简化安装而设计的一系列坚固耐用的高能效单轴变频驱动器。此外，文中还回顾了几种集成功能、探讨了基本系统配件以及各种更专业、更先进的附加模块，并提供了使用 Siemens 控制器的集成建议。最后，本文阐述了将这些变频驱动器 (VFD) 集成到符合 EMI 标准的控制柜和工业运动系统中的一些注意事项。

数字化电机控制为工业单轴运动系统带来了多重优势。用变速驱动器 (VSD) 替代简单的机械控制装置，可让系统能够即时响应部分负载运行变化，并将功耗降低 50% 甚至更多。变速运行还可以最大限度地减少电机和机械部件的磨损，减少维护需求，提高可用性。

Siemens 的 [SINAMICS V20]平台有九种框架尺寸，功率范围从 0.12 kW 到 30 kW（图 1）。典型的 SINAMICS V20 VFD 包括 0.12 kW 的 [6SL3210-5BB11-2UV1] 到最高 3 kW 的 [6SL3210-5BB23-0UV1] 单相 230 V交流电输入型号，以及 0.37 kW 的 [6SL3210-5BE32-2UV0]到最高 30 kW 的三相 480 V交流电型号。

图 1：SINAMICS V20 变频器从 FSAA 到 FSE 的九种框架尺寸（0.16 到 40 HP）。（图片来源：Siemens）

效率是 SINAMICS V20 驱动器的一大主要优势。它们外形紧凑，能够高效利用空间；支持快速安装和调试，从而高效地利用时间和资金；能效高，有利于地球环境保护。其中一些特性包括：

• 多种控制模式（包括 V/f、V²/f、FCC 和 V/f 多点）支持经济高效的运行
  • 利用 V/f、V²/f 的 ECO 模式和休眠模式，可增强节能效果
  • 无需外部功耗测量设备，即可监测节能效果，并以 kWh、CO2、货币为单位显示
• 单相或三相市电
  • 单相 200 至 240 V 交流电 (-10% / +10%) 也可连接至三相 120/240 V交流电市电的两相
  • 三相 380 至 480 V 交流电 (–15% / +10%)
• 预配置的应用宏可缩短调试时间
• 预设的通信参数，利用标准库和连接宏来加快调试速度
• 自动适应不稳定的市电电压，确保稳定运行，防止中断，有助于提高生产率
• 在 300 秒的周期时间内，过载能力最高可达 150%，持续 60 秒
• 最大输出电压为输入电压的 100%
• 无需电源即可加载参数，可快速配置多台设备
• 使用 Smart Access Web 服务器，通过移动设备或笔记本电脑进行调试
• 集成的应用和连接宏

集成功能

SINAMICS V20 驱动器具有多种集成功能，可加快部署速度并简化集成，例如用于过程控制任务的比例积分微分 (PID) 控制器、最大尺寸的两个框架上的集成制动斩波器，以及直流耦合功能，其支持两个相同尺寸的驱动器协同工作，从而提高节能效果。PID 控制器可用于简单的过程任务，如控制压力、液位或相对于设定点的流速。

PID 功能包括自动调整以实现最佳运行，可支持电机分段运行。电机分段最多可控制两台额外的分段式（级联）电机。在这种情况下，系统包括由变频器控制的主电机，以及由接触器或启动器控制的另外两台电机，而接触器或启动器则由变频器上的数字输出进行控制。

FSD 和 FSE 框架尺寸配备了集成制动斩波器；对于其他框架尺寸，则提供外置的制动模块（见下文）。电机可采用电气或机械制动方式。

• 电气制动器选项
  • 直流制动作用于定子绕组，产生巨大的制动扭矩。虽然不适合悬挂负载制动，但电流可在旋转停止后让轴保持静止。
  • 复合制动将直流制动叠加在再生制动上，在制动过程中，变频器将能量再生到 DC-link 电源中。
  • 动态制动将再生能量转化为热能。实现动态制动需要一个外部制动电阻器来耗散能量。
• 保持制动的机械电机可通过内部逻辑来控制，以防止电机在变频器关闭时转动。

SINAMICS V20 驱动器还具有直流耦合功能，可通过 DC-link 连接，让两个相同大小的变频器进行电气耦合。在适用情况下，直流耦合可以让一个变频器使用从另一个变频器获取的再生能量，从而降低能源成本。这些变频器可以共用单个动态制动系统，从而降低安装成本。在某些情况下，直流耦合让我们无需使用动态制动模块和动态制动电阻器。

基本系统配件

除集成功能之外，SIMAMICS V20 变频器还可添加一些系统配件，如基本操作员面板 (BOP) 和 BOP 接口、Smart Access 模块和参数加载器，从而增强实用性（图 2）：

• SIMAMICS V20 有一个集成控制面板，但在某些应用中，可以通过增加 [BOP] 来实现设备的远程控制。该 BOP 采用分布式安装设计，外壳等级为 UL 1 类。
• BOP 使用专用的 [BOP 接口]模块连接至 SINAMICS V20，该模块插入变频器上的扩展端口，并使用 RS232 接口连接至 BOP。
• [Smart Access] 模块内置 Web 服务器，可简化使用智能手机、笔记本电脑或平板电脑进行的 SINAMICS V20 调试和操作。该模块支持的功能包括：
  • 调试向导，可加快调试速度
  • 参数设置和保存，或恢复出厂设置
  • 电机测试
  • 监测运行数据
  • 执行系统诊断检查
• [参数加载器]可将多达 100 个参数集上传至 SINAMICS V20，或者从该设备下载参数集。电池供电的参数加载器可在驱动器不加电的情况下使用。

图 2：0.16 HP FSAA SINAMICS V20 带有四个通用扩展模块。（图片来源：Siemens）

更多配件

必要时可添加线路滤波器。为符合 EN 61800-3 C2 类辐射和传导发射标准，SINAMICS V20 变频器（400 V 滤波和非滤波型号，以及 230 V 非滤波型号）需要外部 EMC 滤波器。例如，[6SL32030BE177BA0] 型号设计用于 FSA 框架尺寸 400 V 变频器。

线路电抗器可用于平滑电压峰值或桥接换相跌落。这些电抗器还能减少谐波对线路供电和变频器的影响。

制动可使用 [6SL32012AD208VA0]制动模块（图 3）来实现，该模块框架尺寸为 FSAA 至 FSC。FSD 和 FSE 框架尺寸带有集成制动斩波器，无需外部模块。在所有情况下，均可通过增加外部制动电阻器（例如 [6SE64004BC050AA0] 型号）来耗散电机产生的再生能量，从而实现更好的制动性能和减速。

图 3：用于 SINAMICS V20 电机驱动器的制动模块（图片来源：DigiKey）

对于需要输入或输出的应用，可以增加 SINAMICS V20 [I/O 扩展]模块（图 4）。该模块直接安装在 400 V 系列变频器上，提供两个数字输入和两个数字继电器输出。例如，该 I/O 扩展模块可用于多泵控制应用，让单个 SIMAMICS V20 驱动器能够控制多达四个泵。当需要控制多个风扇或压缩机时，该模块也能派上用场。其前后都有接口，可与 BOP 接口和 Smart Access 模块等其他配件结合使用。但是，该模块不能同时用作参数加载器模块。

图 4：安装在 SINAMICS V20 驱动器前部的扩展模块。（图片来源：Siemens）

输出电抗器（如用于 FSA 框架尺寸的 [6SL3202-0AE16-1CA0] 型号）可降低电机绕组上的电压应力（图 5）。这些输出电抗器还能减小电容充放电电流，在使用长电机电缆时，充放电电流会对变频器造成压力。

图 5：用于 0.5 HP 三相 380 V交流电至 480 V 交流电 、6.1A FSA 框架 SINAMICS V20 驱动器的输出电抗器。（图片来源：Siemens）

集成到更大的系统中

SINAMICS V20 驱动器设计由 SINAMICS [S7-1200]或 S7-1500 控制器（如 [6ES75173FP000AB0] 型号）通过 RS485 接口并使用通用串行接口 (USS) 协议进行控制。我们提供了示例项目，演示如何对用于 SINAMICS V20 的这些控制器进行配置和编程。USS 是默认设置，但 SINAMICS V20 也可以使用 MODBUS RTU 协议。

一个主控制器最多可连接 31 个 VFD。

全部整合在一起

将上述组件组装成为一个完整的系统可能具有挑战性，其中 EMC 合规性是一个尤其重要的考虑因素。隔离潜在干扰源通常是最快、最经济高效的方法。如图 6 所示，可将控制柜和系统的其余部分分为一系列四个隔离区。实施隔离区的注意事项包括：

• 各个隔离区的电磁去耦可使用接地隔离板或单独金属外壳来实现。
  • SINAMICS V20 位于 B 区，SIMATIC S7-1200 或 S7-1500 控制器位于 C 区。
• 为改进 EMC 性能，可在隔离区的接口处添加滤波器和耦合模块。
• 连接各个隔离区的电缆必须分开，以防止 EMC 耦合，且不得位于同一电缆通道或线束中。
• 进出机柜的通信网络和信号电缆（如 RS485）必须屏蔽。

图 6：电磁去耦区可以提高 SINAMICS V20 设备的 EMC 性能。（图片来源：Siemens）

总结

SINAMICS V20 变频器用途广泛，结构紧凑，支持各种单轴变速工业应用。它们具有丰富多样的内置特性和功能。通过增加基本操作员面板、远程访问模块、参数加载器等配件，可以增强实用性。此外，这些变频器还可与各种附加模块结合使用，以支持高级系统功能，并且它们针对 Siemens 控制器进行了优化。最后，本文阐述如何将这些 VFD 集成到符合 EMI 标准的控制柜和工业运动系统中。

审核编辑 黄宇