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 工廠和物流運作的標志。有多種應用需要額定功率為 0.12 kW 至 30 kW（0.16 hp 至 40 hp）的電機和變速驅(qū)動器 (VSD)。

用于這些應用的 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)動器應包括集成制動斬波器，并且某些應用要求符合 EN 61800-3 的 C1 類電磁兼容性 (EMC) 標準。VSD 必須易用，可在寬電源電壓范圍內(nèi)運行，并能自動適應不穩(wěn)定的電源電壓，以確保不間斷運行。

許多應用可自動執(zhí)行簡單的運動順序，且不需要可編程邏輯控制器，但可使用預編程宏或如參數(shù)加載器、基本操作面板 (BOP) 或智能訪問模塊等簡單設備進行調(diào)試。

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

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

SINAMICS V20 驅(qū)動器開箱即用，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)，進行復雜操作。Modbus 接口可連接第三方 PLC 和其他設備。

對于額定功率超過 10 馬力的設備，制動電阻器可直接連接制動斬波器，且某些型號還符合 EN 61800-3 的 C1 類 EMC 標準。SINAMICS V20 驅(qū)動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)動器，額定功率 22 kW，采用 400 VAC 三相電源供電

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

SINAMICS 驅(qū)動器中的集成控制模式包括：每赫茲伏特 (V/f) 標量、可編程多點 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)。

保持運行模式可自動調(diào)節(jié)，以補償不穩(wěn)定的主電源（圖 2）。這種模式下，線路電壓波動會得到內(nèi)部補償，電機轉速會自動降低，以防止意外停機，并在必要時發(fā)送錯誤信息。這種模式尤其適用于樓宇自動化應用，例如水或廢水處理廠的泵和風扇以及供暖、通風和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)。

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

效率最大化

根據(jù)不同的應用，可以通過調(diào)節(jié)電機轉速來提高效率，以適應當前的工藝流程。例如，對于水泵等渦輪機械，變速運行可比定速運行節(jié)省高達 60% 的能量。

SINAMICS V20 驅(qū)動器集成了能量優(yōu)化控制 (ECO) 模式，可提高效率。在 ECO 模式下，電機磁通量會自動調(diào)節(jié)至最佳運行點。

這些驅(qū)動器可設置為休眠模式，在保持驅(qū)動器當前狀態(tài)的同時切斷電機電源。休眠模式可大幅降低能耗，同時將驅(qū)動器保持在準備狀態(tài)，以便在需要時立即重新啟動。

利用下面的集成級聯(lián)和能量平衡功能，可以進一步提高效率：

級聯(lián)可用于使用多臺電機的高輸出泵、風扇和壓縮機應用中。利用部分或完全受控的電源級聯(lián)進行相位連接和斷開，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)動器進行能量平衡時，可通過共用直流鏈路進行能量交換。在變頻器之間直接進行能量交換，可最大限度地減少整個系統(tǒng)的功率損耗并提高效率。

SINAMICS 驅(qū)動器上的 BOP 可顯示實時能耗。節(jié)能計數(shù)器可計算機器運行期間相比定速運行的能耗，使操作員能夠?qū)α鞒踢M行微調(diào)并進一步提高節(jié)能效果和可持續(xù)性。

加強可持續(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準化組織 (ISO) 14021 的生命周期影響評估 (LCIA)，即環(huán)境標簽和聲明——自我聲明環(huán)境聲明——第二類環(huán)境標簽。

該 LCIA 基于 [6SL3210-5BE21-5UV0] 型驅(qū)動器編寫。這款驅(qū)動器的額定功率為 1.5 kW，采用 3 相 380 VAC 至 480 VAC 電源。該 LCIA 考慮了 SINAMICS V20 驅(qū)動器的制造、分銷、運行、報廢停機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)動器 15 年估計壽命期間的運行。具體分析基于每年 5000 小時的運行時間和三個運行點 (OP)：

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

據(jù)估計，驅(qū)動 器運行 15 年將產(chǎn)生 1,059.13 kg CO? 當量，而制造過程僅產(chǎn)生 40.6 kg CO? 當量，報廢、廢舊處置和回收利用則回收了相當于 3.6 kg CO? 當量的溫室氣體排放。

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

使用宏進行敏捷調(diào)試

使用快速調(diào)試功能，可同時更改四個參數(shù)集，包括電機數(shù)據(jù)、連接宏、應用宏和重要參數(shù)。電機數(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、帶模擬設定點的外部按鈕、帶模擬輸入基準的 PID 控制、帶固定基準值的 PID 控制、USS 控制和 MODBUS RTU 控制。
• 應用宏的選擇包括簡單的泵、風扇、壓縮機和傳送帶。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、抑制頻率設定點、自動重啟和斜坡上升時間。

在快速調(diào)試過程中，可對諸如頻率設定點、最小和最大頻率、斜坡上升和下降時間等個別參數(shù)進行定制。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)設置不當造成的錯誤，從而進一步縮短部署時間。

將參數(shù)克隆到多個驅(qū)動器

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 卡可用于在多個驅(qū)動器上克隆參數(shù)集。甚至在驅(qū)動器交付到工廠車間之前，就可以將參數(shù)下載到驅(qū)動器上，從而進一步加快整個調(diào)試過程并減少技術支持需求。

除了 SD 卡插槽外，V20 參數(shù)加載器還預留了兩節(jié) AA 尺寸的一次電池空間，可在下載參數(shù)時為驅(qū)動器供電，而無需連接主電源。V20 參數(shù)加載器還有一個微型 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)動器參數(shù)上載或下載到 SD 卡，并將參數(shù)快速克隆到多個驅(qū)動器。（圖片來源：Siemens）

外部 BOP

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

正確安裝后，外部 BOP 可達到 IP54 和 UL/cUL 1 類外殼等級，可保護操作人員，防止接觸危險電壓，并保護 V20 驅(qū)動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，是一個集成了 Wi-Fi 功能的網(wǎng)絡服務器模塊。使用智能接入模塊，可通過用戶設備（如配有無線網(wǎng)絡適配器的筆記本電腦、平板電腦或智能手機）對 V20 驅(qū)動器進行基于網(wǎng)絡的調(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)動器，尤其有助于在難以進入的區(qū)域進行操作。直觀的圖形用戶界面 (GUI) 和調(diào)試向?qū)Х奖阌脩羰褂谩Ｖ悄芙尤牍δ苤С峙c BOP 相同的快速設置向?qū)?，便于用戶快速、輕松地進行調(diào)試，具體包括：

• 輸入電機數(shù)據(jù)
• 激活連接宏
• 選擇和激活應用宏
• 設置常用參數(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，便于直接進行遠程監(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)絡功能，具體包括：

• 快速調(diào)試
• 轉換器參數(shù)化
• 電機在 JOG/HAND 模式下運行
• V20 狀態(tài)監(jiān)控
• 故障和警報診斷
• 數(shù)據(jù)備份和恢復

結束語

Siemens SINAMICS V20 驅(qū)動器注重可持續(xù)性和靈活性。這種驅(qū)動器具有多種運行模式和節(jié)能功能，可在 0.12 kW 至 30 kW 的各種簡單運動應用中最大限度地提高效率。在保持運行模式下，可確保廢水和水處理以及樓宇自動化系統(tǒng)中的暖通空調(diào)等關鍵基礎設施的持續(xù)運行。利用集成 BOP、遠程 BOP、通過智能接入模塊實現(xiàn)的無線功能以及預編程應用宏和其他工具進行快速調(diào)試，會提高調(diào)試靈活性。

審核編輯 黃宇