如何快速地安裝和連接單軸變速驅(qū)動器并將其集成到工業(yè) 4.0 自動化系統(tǒng)中

作者：Jeff Shepard

在泵、風扇、壓縮機、傳送機等工業(yè)應用以及磨機和攪拌機等加工操作中，單軸變速驅(qū)動器 (VSD) 發(fā)揮著至關重要的作用。這些應用具有簡單的運動序列，需要高效的變速驅(qū)動器來幫助快速經(jīng)濟地實現(xiàn)基本驅(qū)動器功能，并縮短調(diào)試時間。

它們可能需要各種控制功能，包括每赫茲伏特 (V/f) 標量、可編程多點型 V/f 曲線、自動調(diào)節(jié)磁通量以節(jié)省能源的 V2/f，以及自動調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出以適應負載的磁通電流控制 (FCC)。經(jīng)濟高效的部署和集成對于工業(yè)系統(tǒng)非常關鍵，并會受益于以下特性：

• 預配置的應用選擇
• 體積小巧
• 預設的通信參數(shù)
• 高效傳輸參數(shù)設置至多臺設備
• 無線調(diào)試、操作和診斷
• 用以簡化 I/O 接線和配置的連接和應用宏

本文介紹了 [Siemens]專為簡化安裝而設計的一系列堅固耐用的高能效單軸變頻驅(qū)動器。此外，文中還回顧了幾種集成功能、探討了基本系統(tǒng)配件以及各種更專業(yè)、更先進的附加模塊，并提供了使用 Siemens 控制器的集成建議。最后，本文闡述了將這些變頻驅(qū)動器 (VFD) 集成到符合 EMI 標準的控制柜和工業(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)帶來了多重優(yōu)勢。用變速驅(qū)動器 (VSD) 替代簡單的機械控制裝置，可讓系統(tǒng)能夠即時響應部分負載運行變化，并將功耗降低 50% 甚至更多。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，提高可用性。

Siemens 的 [SINAMICS V20]平臺有九種框架尺寸，功率范圍從 0.12 kW 到 30 kW（圖 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] 單相 230 V交流電輸入型號，以及 0.37 kW 的 [6SL3210-5BE32-2UV0]到最高 30 kW 的三相 480 V交流電型號。

圖 1：SINAMICS V20 變頻器從 FSAA 到 FSE 的九種框架尺寸（0.16 到 40 HP）。（圖片來源：Siemens）

效率是 SINAMICS V20 驅(qū)動器的一大主要優(yōu)勢。它們外形緊湊，能夠高效利用空間；支持快速安裝和調(diào)試，從而高效地利用時間和資金；能效高，有利于地球環(huán)境保護。其中一些特性包括：

• 多種控制模式（包括 V/f、V2/f、FCC 和 V/f 多點）支持經(jīng)濟高效的運行
  • 利用 V/f、V2/f 的 ECO 模式和休眠模式，可增強節(jié)能效果
  • 無需外部功耗測量設備，即可監(jiān)測節(jié)能效果，并以 kWh、CO2、貨幣為單位顯示
• 單相或三相市電
  • 單相 200 至 240 V 交流電 (-10% / +10%) 也可連接至三相 120/240 V交流電市電的兩相
  • 三相 380 至 480 V 交流電 (–15% / +10%)
• 預配置的應用宏可縮短調(diào)試時間
• 預設的通信參數(shù)，利用標準庫和連接宏來加快調(diào)試速度
• 自動適應不穩(wěn)定的市電電壓，確保穩(wěn)定運行，防止中斷，有助于提高生產(chǎn)率
• 在 300 秒的周期時間內(nèi)，過載能力最高可達 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)，可快速配置多臺設備
• 使用 Smart Access Web 服務器，通過移動設備或筆記本電腦進行調(diào)試
• 集成的應用和連接宏

集成功能

SINAMICS V20 驅(qū)動器具有多種集成功能，可加快部署速度并簡化集成，例如用于過程控制任務的比例積分微分 (PID) 控制器、最大尺寸的兩個框架上的集成制動斬波器，以及直流耦合功能，其支持兩個相同尺寸的驅(qū)動器協(xié)同工作，從而提高節(jié)能效果。PID 控制器可用于簡單的過程任務，如控制壓力、液位或相對于設定點的流速。

PID 功能包括自動調(diào)整以實現(xiàn)最佳運行，可支持電機分段運行。電機分段最多可控制兩臺額外的分段式（級聯(lián)）電機。在這種情況下，系統(tǒng)包括由變頻器控制的主電機，以及由接觸器或啟動器控制的另外兩臺電機，而接觸器或啟動器則由變頻器上的數(shù)字輸出進行控制。

FSD 和 FSE 框架尺寸配備了集成制動斬波器；對于其他框架尺寸，則提供外置的制動模塊（見下文）。電機可采用電氣或機械制動方式。

• 電氣制動器選項
  • 直流制動作用于定子繞組，產(chǎn)生巨大的制動扭矩。雖然不適合懸掛負載制動，但電流可在旋轉(zhuǎn)停止后讓軸保持靜止。
  • 復合制動將直流制動疊加在再生制動上，在制動過程中，變頻器將能量再生到 DC-link 電源中。
  • 動態(tài)制動將再生能量轉(zhuǎn)化為熱能。實現(xiàn)動態(tài)制動需要一個外部制動電阻器來耗散能量。
• 保持制動的機械電機可通過內(nèi)部邏輯來控制，以防止電機在變頻器關閉時轉(zhuǎn)動。

SINAMICS V20 驅(qū)動器還具有直流耦合功能，可通過 DC-link 連接，讓兩個相同大小的變頻器進行電氣耦合。在適用情況下，直流耦合可以讓一個變頻器使用從另一個變頻器獲取的再生能量，從而降低能源成本。這些變頻器可以共用單個動態(tài)制動系統(tǒng)，從而降低安裝成本。在某些情況下，直流耦合讓我們無需使用動態(tài)制動模塊和動態(tài)制動電阻器。

基本系統(tǒng)配件

除集成功能之外，SIMAMICS V20 變頻器還可添加一些系統(tǒng)配件，如基本操作員面板 (BOP) 和 BOP 接口、Smart Access 模塊和參數(shù)加載器，從而增強實用性（圖 2）：

• SIMAMICS V20 有一個集成控制面板，但在某些應用中，可以通過增加 [BOP] 來實現(xiàn)設備的遠程控制。該 BOP 采用分布式安裝設計，外殼等級為 UL 1 類。
• BOP 使用專用的 [BOP 接口]模塊連接至 SINAMICS V20，該模塊插入變頻器上的擴展端口，并使用 RS232 接口連接至 BOP。
• [Smart Access] 模塊內(nèi)置 Web 服務器，可簡化使用智能手機、筆記本電腦或平板電腦進行的 SINAMICS V20 調(diào)試和操作。該模塊支持的功能包括：
  • 調(diào)試向?qū)?，可加快調(diào)試速度
  • 參數(shù)設置和保存，或恢復出廠設置
  • 電機測試
  • 監(jiān)測運行數(shù)據(jù)
  • 執(zhí)行系統(tǒng)診斷檢查
• [參數(shù)加載器]可將多達 100 個參數(shù)集上傳至 SINAMICS V20，或者從該設備下載參數(shù)集。電池供電的參數(shù)加載器可在驅(qū)動器不加電的情況下使用。

圖 2：0.16 HP FSAA SINAMICS V20 帶有四個通用擴展模塊。（圖片來源：Siemens）

更多配件

必要時可添加線路濾波器。為符合 EN 61800-3 C2 類輻射和傳導發(fā)射標準，SINAMICS V20 變頻器（400 V 濾波和非濾波型號，以及 230 V 非濾波型號）需要外部 EMC 濾波器。例如，[6SL32030BE177BA0] 型號設計用于 FSA 框架尺寸 400 V 變頻器。

線路電抗器可用于平滑電壓峰值或橋接換相跌落。這些電抗器還能減少諧波對線路供電和變頻器的影響。

制動可使用 [6SL32012AD208VA0]制動模塊（圖 3）來實現(xiàn)，該模塊框架尺寸為 FSAA 至 FSC。FSD 和 FSE 框架尺寸帶有集成制動斬波器，無需外部模塊。在所有情況下，均可通過增加外部制動電阻器（例如 [6SE64004BC050AA0] 型號）來耗散電機產(chǎn)生的再生能量，從而實現(xiàn)更好的制動性能和減速。

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

對于需要輸入或輸出的應用，可以增加 SINAMICS V20 [I/O 擴展]模塊（圖 4）。該模塊直接安裝在 400 V 系列變頻器上，提供兩個數(shù)字輸入和兩個數(shù)字繼電器輸出。例如，該 I/O 擴展模塊可用于多泵控制應用，讓單個 SIMAMICS V20 驅(qū)動器能夠控制多達四個泵。當需要控制多個風扇或壓縮機時，該模塊也能派上用場。其前后都有接口，可與 BOP 接口和 Smart Access 模塊等其他配件結合使用。但是，該模塊不能同時用作參數(shù)加載器模塊。

圖 4：安裝在 SINAMICS V20 驅(qū)動器前部的擴展模塊。（圖片來源：Siemens）

輸出電抗器（如用于 FSA 框架尺寸的 [6SL3202-0AE16-1CA0] 型號）可降低電機繞組上的電壓應力（圖 5）。這些輸出電抗器還能減小電容充放電電流，在使用長電機電纜時，充放電電流會對變頻器造成壓力。

圖 5：用于 0.5 HP 三相 380 V交流電至 480 V 交流電 、6.1A FSA 框架 SINAMICS V20 驅(qū)動器的輸出電抗器。（圖片來源：Siemens）

集成到更大的系統(tǒng)中

SINAMICS V20 驅(qū)動器設計由 SINAMICS [S7-1200]或 S7-1500 控制器（如 [6ES75173FP000AB0] 型號）通過 RS485 接口并使用通用串行接口 (USS) 協(xié)議進行控制。我們提供了示例項目，演示如何對用于 SINAMICS V20 的這些控制器進行配置和編程。USS 是默認設置，但 SINAMICS V20 也可以使用 MODBUS RTU 協(xié)議。

一個主控制器最多可連接 31 個 VFD。

全部整合在一起

將上述組件組裝成為一個完整的系統(tǒng)可能具有挑戰(zhàn)性，其中 EMC 合規(guī)性是一個尤其重要的考慮因素。隔離潛在干擾源通常是最快、最經(jīng)濟高效的方法。如圖 6 所示，可將控制柜和系統(tǒng)的其余部分分為一系列四個隔離區(qū)。實施隔離區(qū)的注意事項包括：

• 各個隔離區(qū)的電磁去耦可使用接地隔離板或單獨金屬外殼來實現(xiàn)。
  • SINAMICS V20 位于 B 區(qū)，SIMATIC S7-1200 或 S7-1500 控制器位于 C 區(qū)。
• 為改進 EMC 性能，可在隔離區(qū)的接口處添加濾波器和耦合模塊。
• 連接各個隔離區(qū)的電纜必須分開，以防止 EMC 耦合，且不得位于同一電纜通道或線束中。
• 進出機柜的通信網(wǎng)絡和信號電纜（如 RS485）必須屏蔽。

圖 6：電磁去耦區(qū)可以提高 SINAMICS V20 設備的 EMC 性能。（圖片來源：Siemens）

總結

SINAMICS V20 變頻器用途廣泛，結構緊湊，支持各種單軸變速工業(yè)應用。它們具有豐富多樣的內(nèi)置特性和功能。通過增加基本操作員面板、遠程訪問模塊、參數(shù)加載器等配件，可以增強實用性。此外，這些變頻器還可與各種附加模塊結合使用，以支持高級系統(tǒng)功能，并且它們針對 Siemens 控制器進行了優(yōu)化。最后，本文闡述如何將這些 VFD 集成到符合 EMI 標準的控制柜和工業(yè)運動系統(tǒng)中。

審核編輯 黃宇