作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-07-10

敏捷過程是工業(yè) 4.0 工廠和物流運(yùn)作的標(biāo)志。有多種應(yīng)用需要額定功率為 0.12 kW 至 30 kW（0.16 hp 至 40 hp）的電機(jī)和變速驅(qū)動(dòng)器 (VSD)。

用于這些應(yīng)用的 VSD 必須易于安裝，額定工作溫度范圍為 -10°C 至 +60°C。較大型驅(qū)動(dòng)器應(yīng)包括集成制動(dòng)斬波器，并且某些應(yīng)用要求符合 EN 61800-3 的 C1 類電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)。VSD 必須易用，可在寬電源電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，并能自動(dòng)適應(yīng)不穩(wěn)定的電源電壓，以確保不間斷運(yùn)行。

許多應(yīng)用可自動(dòng)執(zhí)行簡單的運(yùn)動(dòng)順序，且不需要可編程邏輯控制器，但可使用預(yù)編程宏或如參數(shù)加載器、基本操作面板 (BOP) 或智能訪問模塊等簡單設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

最后，這些 VSD 需要運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，并具有如在預(yù)定運(yùn)行條件下自動(dòng)降低磁通量等集成節(jié)能功能，此外還能夠監(jiān)控和顯示實(shí)時(shí)能耗。

本文首先介紹 [Siemens]的 [SINAMICS V20]系列 VSD 及其能夠加強(qiáng)可持續(xù)性和提高生產(chǎn)率的特性。然后，深入探討預(yù)編程宏和諸如參數(shù)加載器、BOP 或智能訪問模塊等設(shè)備如何用于實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)試、高效運(yùn)行和可持續(xù)維護(hù)。

SINAMICS V20 驅(qū)動(dòng)器開箱即用，無需增加任何模塊或外部控制器。集成 BOP 支持現(xiàn)場調(diào)試。此外，還可使用通用串行接口來連接 Siemens 的 SIMATIC 可編程邏輯控制器 (PLC)，進(jìn)行復(fù)雜操作。Modbus 接口可連接第三方 PLC 和其他設(shè)備。

對于額定功率超過 10 馬力的設(shè)備，制動(dòng)電阻器可直接連接制動(dòng)斬波器，且某些型號還符合 EN 61800-3 的 C1 類 EMC 標(biāo)準(zhǔn)。SINAMICS V20 驅(qū)動(dòng)器的工作溫度范圍為 -10°C 至 +60°C，額定功率為 0.12 kW 至 30 kW。例如（圖 1）：

• 型號為 [6SL32105BB175UV1]的驅(qū)動(dòng)器，額定功率 0.75 kW，采用 230 VAC 單相電源供電
• 型號為 [6SL32105BB230UV1]的驅(qū)動(dòng)器，額定功率 3 kW，采用 230 VAC 單相電源供電
• 型號為 [6SL32105BE322CV0] 的驅(qū)動(dòng)器，額定功率 22 kW，采用 400 VAC 三相電源供電

圖 1：SINAMICS V20 驅(qū)動(dòng)器，0.75 kW（左）和 22 kW（右）（非按比例展示）。（圖片來源：DigiKey）

SINAMICS 驅(qū)動(dòng)器中的集成控制模式包括：每赫茲伏特 (V/f) 標(biāo)量、可編程多點(diǎn) V/f 曲線、自動(dòng)調(diào)節(jié)磁通量以節(jié)省能源的 V2/f，以及自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸出以適應(yīng)負(fù)載的磁通電流控制 (FCC)。

保持運(yùn)行模式可自動(dòng)調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償不穩(wěn)定的主電源（圖 2）。這種模式下，線路電壓波動(dòng)會得到內(nèi)部補(bǔ)償，電機(jī)轉(zhuǎn)速會自動(dòng)降低，以防止意外停機(jī)，并在必要時(shí)發(fā)送錯(cuò)誤信息。這種模式尤其適用于樓宇自動(dòng)化應(yīng)用，例如水或廢水處理廠的泵和風(fēng)扇以及供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)。

圖 2：SINAMICS V20 在保持運(yùn)行模式下，即使在出現(xiàn)電源干擾的情況下也能保持電機(jī)持續(xù)運(yùn)行。（圖片來源：Siemens）

效率最大化

根據(jù)不同的應(yīng)用，可以通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來提高效率，以適應(yīng)當(dāng)前的工藝流程。例如，對于水泵等渦輪機(jī)械，變速運(yùn)行可比定速運(yùn)行節(jié)省高達(dá) 60% 的能量。

SINAMICS V20 驅(qū)動(dòng)器集成了能量優(yōu)化控制 (ECO) 模式，可提高效率。在 ECO 模式下，電機(jī)磁通量會自動(dòng)調(diào)節(jié)至最佳運(yùn)行點(diǎn)。

這些驅(qū)動(dòng)器可設(shè)置為休眠模式，在保持驅(qū)動(dòng)器當(dāng)前狀態(tài)的同時(shí)切斷電機(jī)電源。休眠模式可大幅降低能耗，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)器保持在準(zhǔn)備狀態(tài)，以便在需要時(shí)立即重新啟動(dòng)。

利用下面的集成級聯(lián)和能量平衡功能，可以進(jìn)一步提高效率：

級聯(lián)可用于使用多臺電機(jī)的高輸出泵、風(fēng)扇和壓縮機(jī)應(yīng)用中。利用部分或完全受控的電源級聯(lián)進(jìn)行相位連接和斷開，可在不損失性能的情況下提高系統(tǒng)的整體效率。

使用耦合驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行能量平衡時(shí)，可通過共用直流鏈路進(jìn)行能量交換。在變頻器之間直接進(jìn)行能量交換，可最大限度地減少整個(gè)系統(tǒng)的功率損耗并提高效率。

SINAMICS 驅(qū)動(dòng)器上的 BOP 可顯示實(shí)時(shí)能耗。節(jié)能計(jì)數(shù)器可計(jì)算機(jī)器運(yùn)行期間相比定速運(yùn)行的能耗，使操作員能夠?qū)α鞒踢M(jìn)行微調(diào)并進(jìn)一步提高節(jié)能效果和可持續(xù)性。

加強(qiáng)可持續(xù)性

Siemens 發(fā)布了 SINAMICS V20 產(chǎn)品環(huán)境聲明，其中包括基于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 14021 的生命周期影響評估 (LCIA)，即環(huán)境標(biāo)簽和聲明——自我聲明環(huán)境聲明——第二類環(huán)境標(biāo)簽。

該 LCIA 基于 [6SL3210-5BE21-5UV0] 型驅(qū)動(dòng)器編寫。這款驅(qū)動(dòng)器的額定功率為 1.5 kW，采用 3 相 380 VAC 至 480 VAC 電源。該 LCIA 考慮了 SINAMICS V20 驅(qū)動(dòng)器的制造、分銷、運(yùn)行、報(bào)廢停機(jī)以及廢舊處理和回收帶來的影響。最重要的影響來自于驅(qū)動(dòng)器 15 年估計(jì)壽命期間的運(yùn)行。具體分析基于每年 5000 小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間和三個(gè)運(yùn)行點(diǎn) (OP)：

• OP1：在 20% 的時(shí)間內(nèi)以 100% 的速度和 100% 的扭矩運(yùn)行
• OP2：在 70% 的時(shí)間內(nèi)以 50% 的速度和 25% 的扭矩運(yùn)行
• OP3：在 10% 的時(shí)間內(nèi)以 20% 的速度和 25% 的扭矩運(yùn)行

據(jù)估計(jì)，驅(qū)動(dòng) 器運(yùn)行 15 年將產(chǎn)生 1,059.13 kg CO? 當(dāng)量，而制造過程僅產(chǎn)生 40.6 kg CO? 當(dāng)量，報(bào)廢、廢舊處置和回收利用則回收了相當(dāng)于 3.6 kg CO? 當(dāng)量的溫室氣體排放。

在工業(yè) 4.0 運(yùn)營中，快速靈活的調(diào)試是最大限度地節(jié)約能源和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。用戶可選擇多種方法來提高 SINAMICS V20 驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試速度，以支持快速轉(zhuǎn)換。

使用宏進(jìn)行敏捷調(diào)試

使用快速調(diào)試功能，可同時(shí)更改四個(gè)參數(shù)集，包括電機(jī)數(shù)據(jù)、連接宏、應(yīng)用宏和重要參數(shù)。電機(jī)數(shù)據(jù)首先要選擇歐洲或北美參數(shù)（即 kW 與馬力）、額定電壓、電流、功率、頻率、效率等。

連接和應(yīng)用宏對敏捷調(diào)試尤為重要：

• 連接宏包括將 BOP 識別為唯一控制源或啟用 PNP/NPN 終端控制、固定速度、模擬輸入、固定頻率、外部按鈕控制、帶模擬設(shè)定點(diǎn)的外部按鈕、帶模擬輸入基準(zhǔn)的 PID 控制、帶固定基準(zhǔn)值的 PID 控制、USS 控制和 MODBUS RTU 控制。
• 應(yīng)用宏的選擇包括簡單的泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)和傳送帶。例如，簡單的泵宏程序中包含的參數(shù)有最低頻率、控制模式、抑制頻率設(shè)定點(diǎn)、自動(dòng)重啟和斜坡上升時(shí)間。

在快速調(diào)試過程中，可對諸如頻率設(shè)定點(diǎn)、最小和最大頻率、斜坡上升和下降時(shí)間等個(gè)別參數(shù)進(jìn)行定制。除了加快調(diào)試速度外，使用集成的快速調(diào)試功能還能消除因參數(shù)設(shè)置不當(dāng)造成的錯(cuò)誤，從而進(jìn)一步縮短部署時(shí)間。

將參數(shù)克隆到多個(gè)驅(qū)動(dòng)器

參數(shù)集一旦確定，就可通過[參數(shù)加載器]在 V20 和 SD 卡之間上傳和下載。參數(shù)加載器和 SD 卡可用于在多個(gè)驅(qū)動(dòng)器上克隆參數(shù)集。甚至在驅(qū)動(dòng)器交付到工廠車間之前，就可以將參數(shù)下載到驅(qū)動(dòng)器上，從而進(jìn)一步加快整個(gè)調(diào)試過程并減少技術(shù)支持需求。

除了 SD 卡插槽外，V20 參數(shù)加載器還預(yù)留了兩節(jié) AA 尺寸的一次電池空間，可在下載參數(shù)時(shí)為驅(qū)動(dòng)器供電，而無需連接主電源。V20 參數(shù)加載器還有一個(gè)微型 USB 接口，可連接外部的 5 VDC 電源，無需使用主電池（圖 3）。

圖 3：可選配的參數(shù)加載器用于將 V20 驅(qū)動(dòng)器參數(shù)上載或下載到 SD 卡，并將參數(shù)快速克隆到多個(gè)驅(qū)動(dòng)器。（圖片來源：Siemens）

外部 BOP

可選配的外部 BOP 用于遠(yuǎn)程控制 V20 變頻器。[外部 BOP]專門用于安裝在設(shè)備機(jī)柜外部，并與驅(qū)動(dòng)器上的[接口模塊]相連。外部 BOP 和接口模塊支持 RS232 連接，可使用長達(dá) 3 m 的電纜連接。

正確安裝后，外部 BOP 可達(dá)到 IP54 和 UL/cUL 1 類外殼等級，可保護(hù)操作人員，防止接觸危險(xiǎn)電壓，并保護(hù) V20 驅(qū)動(dòng)器不受污垢和灰塵等固體異物的影響。外部 BOP 采用與 V20 上的集成 BOP 接口相同的接口（圖 4）。

圖 4：外部 BOP 可在控制柜外 3 m 處控制 V20 驅(qū)動(dòng)器。（圖片來源：Siemens）

無線控制

為了提高調(diào)試靈活性，用戶可以使用 SINAMICS V20 [智能接入]模塊（圖 5）。智能接入模塊直接連接 V20 的前端，是一個(gè)集成了 Wi-Fi 功能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊。使用智能接入模塊，可通過用戶設(shè)備（如配有無線網(wǎng)絡(luò)適配器的筆記本電腦、平板電腦或智能手機(jī)）對 V20 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行基于網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試和監(jiān)控。智能模塊可用于任何操作系統(tǒng)和任何支持 HTML5 的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，如 Chrome、Internet Explorer (IE) 和 Safari 瀏覽器。

圖 5：智能接入模塊為 V20 驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試、控制、監(jiān)控和診斷提供 Wi-Fi 連接功能。（圖片來源：DigiKey）

使用 SINAMICS V20 智能接入功能，用戶能夠輕松訪問驅(qū)動(dòng)器，尤其有助于在難以進(jìn)入的區(qū)域進(jìn)行操作。直觀的圖形用戶界面 (GUI) 和調(diào)試向?qū)Х奖阌脩羰褂?。智能接入功能支持與 BOP 相同的快速設(shè)置向?qū)?，便于用戶快速、輕松地進(jìn)行調(diào)試，具體包括：

• 輸入電機(jī)數(shù)據(jù)
• 激活連接宏
• 選擇和激活應(yīng)用宏
• 設(shè)置常用參數(shù)

通過專門配置，智能接入功能可通過電子郵件發(fā)送故障代碼，便于直接進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；智能接入功能還包括許多安全功能，可控制針對數(shù)據(jù)和控制功能的訪問。智能接入功能提供了全面的無線網(wǎng)絡(luò)功能，具體包括：

• 快速調(diào)試
• 轉(zhuǎn)換器參數(shù)化
• 電機(jī)在 JOG/HAND 模式下運(yùn)行
• V20 狀態(tài)監(jiān)控
• 故障和警報(bào)診斷
• 數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)

結(jié)束語

Siemens SINAMICS V20 驅(qū)動(dòng)器注重可持續(xù)性和靈活性。這種驅(qū)動(dòng)器具有多種運(yùn)行模式和節(jié)能功能，可在 0.12 kW 至 30 kW 的各種簡單運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中最大限度地提高效率。在保持運(yùn)行模式下，可確保廢水和水處理以及樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的暖通空調(diào)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)運(yùn)行。利用集成 BOP、遠(yuǎn)程 BOP、通過智能接入模塊實(shí)現(xiàn)的無線功能以及預(yù)編程應(yīng)用宏和其他工具進(jìn)行快速調(diào)試，會提高調(diào)試靈活性。

審核編輯 黃宇