作者：Jeff Shepard

　　单轴变速驱动器 (VSD) 在泵、风扇、压缩机、输送机等工业应用以及研磨机和搅拌机等加工操作中至关重要。这些应用具有简单的运动序列，需要高效的 VSD，以支持在较短的调试时间内快速、经济地实施基本驱动功能。

　　它们可能需要各种控制功能，包括标量伏特/赫兹 (V/f)、可编程 V/f 多点、自动适应磁通以节省能源的 V²/f，以及自动适应磁通电流控制 (FCC)驱动器输出到负载。经济高效的部署和集成是工业系统的关键，并可从以下功能中受益：

　　预配置的应用程序选择

　　尺寸紧凑

　　预设通讯参数

　　将参数设置有效传输到多个单元

　　无线调试、操作和诊断

　　连接和应用宏可简化 I/O 接线和配置

　　本文介绍了西门子的一系列坚固耐用且节能的单轴 VFD， 旨在简化安装。它还回顾了几种集成功能，研究基本系统附件和各种更专业和更先进的附加模块，以及使用西门子控制器的集成建议。最后回顾了将这些 VFD 集成到符合 EMI 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种好处。用 VSD 代替简单的机械控制装置，使系统能够立即响应部分负载运行的情况，并可降低 50% 或更多的功耗。变速运行还可以最大限度地减少电机和机械部件的磨损，减少维护需求并提高可用性。

　　西门子的SINAMICS V20平台有九种机架尺寸，功率范围为 0.12 kW 至 30 kW(0.16 hp 至 40 hp)(图 1)。示例性 SINAMICS V20 VFD 包括 0.12 kW 6SL3210-5BB11-2UV1(最高 3 kW)、6SL3210-5BB23-0UV1单相 230 V交流输入型号以及 0.37 kW 6SL3210-5BE32-2UV0(最高 30 kW 三相 480)交流型号。

　　图 1：SINAMICS V20 变频器的九种外形尺寸，从 FSAA 到 FSE(0.16 到 40 HP)。 (图片来源：西门子)

　　效率是使用 SINAMICS V20 驱动器的主要优势。它们结构紧凑，能有效利用空间;它们支持快速安装和调试，有效利用时间和金钱，而且节能，支持更绿色的地球。其中一些功能包括：

　　V/f、V²/f、FCC、V/f 多点等多种控制模式支持经济运行

　　使用 V/f、V²/f 的 ECO 模式和休眠模式可以增强节能效果

　　无需外部功率测量设备即可监控节能情况，并以 kWh、CO2 或货币显示

　　单相或三相市电

　　单相 200 至 240 V AC (–10% / +10%) 也可以连接到三相 120 / 240 V AC电源的两相

　　三相 380 至 480 V交流(–15% / +10%)

　　预配置的应用宏减少了调试时间

　　使用标准库和连接宏预设通信参数加快调试速度

　　自动适应不稳定的电源电压，确保稳定运行，防止中断，并有助于提高生产率

　　在 300 秒的循环时间内，过载能力高达 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，可快速配置多个单元

　　使用带有 Smart Access Web 服务器的移动设备或笔记本电脑进行调试

　　集成应用程序和连接宏

　　综合功能

　　SINAMICS V20 驱动器具有多种可加速部署并简化集成的集成功能，例如用于过程控制任务的比例积分微分 (PID) 控制器、最大 2 个机架尺寸上的集成制动斩波器以及可实现两个相等的直流耦合功能。不同尺寸的驱动器协同工作以提高节能效果。 PID 控制器可用于简单的过程任务，例如控制相对于设定点的压力、液位或流量。

　　PID 功能包括自动调谐以实现最佳运行，并可支持电机分级运行。电机分级允许控制最多 2 个附加分级(级联)电机。在这种情况下，系统由由逆变器控制的主电机和两个使用由逆变器上的数字输出控制的接触器或启动器控制的附加电机组成。

　　FSD 和 FSE 机架尺寸具有集成制动斩波器;对于其他框架尺寸，可以使用外部制动模块(见下文)。电机可以采用电气或机械制动方式。

　　电气制动选项

　　直流制动应用于定子绕组，产生显着的制动扭矩。虽然不适合保持悬挂负载，但一旦旋转停止，电流可以使轴保持静止。

　　复合制动将直流制动叠加在再生制动上，其中逆变器在制动期间将能量再生到直流母线电源中。

　　动态制动将再生能量转化为热量。能耗制动的实现需要外部制动电阻来耗散能量。

　　保持制动器的机械电机可以通过内部逻辑控制，以防止电机在逆变器关闭时转动。

　　SINAMICS V20 驱动器还包括直流耦合功能，使两个同等尺寸的逆变器能够使用其直流母线连接进行电气耦合。在适用的情况下，直流耦合可以通过允许一个逆变器使用来自另一逆变器的再生能量来降低能源成本。逆变器可以共享单个动态制动系统，从而降低安装成本。在某些情况下，直流耦合可以消除对能耗制动模块和能耗制动电阻的需要。

　　基本系统配件

　　除了集成功能外，SIMAMIICS V20 变频器的实用性还可以通过添加一些系统附件来增强，例如基本操作面板 (BOP) 和 BOP 接口、智能访问模块和参数加载器(图 2)：

　　SIMMICS V20 具有集成控制面板，但某些应用可以通过添加BOP来远程控制设备而受益。 BOP 设计用于分布式安装，并具有 UL 1 类外壳防护等级。

　　BOP 使用专用BOP 接口模块连接到 SINAMICS V20，该模块插入变频器上的扩展端口，并具有用于连接 BOP 的 RS232 接口。

　　智能访问模块具有内置网络服务器，可简化使用智能手机、笔记本电脑或平板电脑对 SINAMICS V20 的调试和操作。该模块支持的功能包括：

　　调试向导可加快调试速度

　　参数设置并保存，或恢复出厂设置

　　电机测试

　　监控运营数据

　　执行系统诊断检查

　　参数加载器最多可以将 100 个参数集上传到 SINAMICS V20 或从设备下载参数集。无需给驱动器通电即可使用电池供电的参数加载器。

　　图 2：显示带有四个常见扩展模块的 0.16 HP FSAA SINAMICS V20。 (图片来源：西门子)

　　更多配件

　　需要时可以添加线路滤波器。为了满足 EN 61800-3 C2 类辐射和传导发射要求，SINAMICS V20 变频器(400 V 滤波和未滤波型号，以及 230 V 未滤波型号)需要外部 EMC 滤波器。例如，型号6SL32030BE177BA0设计用于与 FSA 机架尺寸 400 V 逆变器配合使用。

　　线路电抗器可用于平滑电压峰值或桥接换向骤降。这些电抗器还可以减少谐波对线路电源和转换器的影响。

　　可使用外形尺寸为 FSAA 至 FSC 的6SL32012AD208VA0制动模块(图 3)来实现制动。 FSD 和 FSE 机架尺寸具有集成制动斩波器，不需要外部模块。在所有情况下，通过添加外部制动电阻(如型号6SE64004BC050AA0)以耗散电机产生的再生能量，可以实现更好的制动性能和改进的减速度。

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

　　需要输入或输出的应用可以添加 SINAMICS V20 I/O 扩展模块(图 4)。该模块直接安装在 400 V 系列逆变器上，并提供两个数字输入和两个数字继电器输出。例如，I/O 扩展模块可用于多泵控制应用，从而可以使用单个 SIMMICS V20 驱动器控制最多四个泵。当必须控制多个风扇或压缩机时，该模块也很有用。它具有前后连接，可以与 BOP 接口和智能访问模块等其他配件结合使用。但是，它不能同时用作参数加载模块。

　　图 4：安装在 SINAMICS V20 驱动器正面的扩展模块。 (图片来源：西门子)

　　输出电抗器(如适用于 FSA 机架尺寸的型号6SL3202-0AE16-1CA0)可以减少电机绕组上的电压应力(图 5)。这些输出电抗器还可以减少电容充电和放电电流，当使用长电机电缆时，电容充电和放电电流可能会给逆变器带来压力。

　　图 5：0.5 HP 三相 380 V AC至 480 V AC、6.1A FSA 框架 SINAMICS V20 变频器的输出电抗器。 (图片来源：西门子)

　　集成到更大的系统中

　　SINAMICS V20 驱动器设计为由 SINAMICS S7-1200或 S7-1500 控制器(如型号6ES75173FP000AB0)通过 RS485 接口并使用通用串行接口 (USS) 协议进行控制。提供了演示如何使用 SINAMICS V20 对这些控制器进行配置和编程的示例项目。 USS 是默认设置，但 SINAMICS V20 也可以使用 MODBUS RTU 协议。

　　一台主控最多可连接31台变频器。

　　把它们放在一起

　　将上面详述的组件组装成一个完整的系统可能具有挑战性，特别是当 EMC 合规性是一个重要考虑因素时。隔离潜在干扰源通常是最快且最具成本效益的方法。这可以通过将控制柜和系统的其余部分组织成一系列四个隔离区域来实现，如图 6 所示。实施隔离区域时的注意事项包括：

　　可以使用接地隔离板或单独的金属外壳来实现区域的电磁去耦。

　　SINAMICS V20 位于 B 区，SIMATIC S7-1200 或 S7-1500 控制器位于 C 区。

　　为了提高 EMC 性能，可以在区域的接口处添加滤波器和耦合模块。

　　区域之间的连接电缆必须分开，以防止 EMC 耦合，并且不得位于同一电缆通道或线束中。

　　进出机柜的通讯网络和RS485等信号线必须采用屏蔽线。

　　图 6：电磁去耦区域可以增强 SINAMICS V20 安装的 EMC 性能。 (图片来源：西门子)

　　结论

　　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。它们具有广泛的内置特性和功能。添加基本操作面板、远程访问模块和参数加载器等附件可以增强实用性。此外，这些驱动器还配有各种附加模块，以支持高级系统功能，并且针对与西门子控制器配合使用进行了优化。最后，展示了如何将这些 VFD 集成到符合 EMI 的控制柜和工业运动系统中。