对工业电机驱动器进行灵活、简单的调试是如何提高可持续性和生产率的

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-07-10

敏捷过程是工业 4.0 工厂和物流运作的标志。有多种应用需要额定功率为 0.12 kW 至 30 kW（0.16 hp 至 40 hp）的电机和变速驱动器 (VSD)。

用于这些应用的 VSD 必须易于安装，额定工作温度范围为 -10°C 至 +60°C。较大型驱动器应包括集成制动斩波器，并且某些应用要求符合 EN 61800-3 的 C1 类电磁兼容性 (EMC) 标准。VSD 必须易用，可在宽电源电压范围内运行，并能自动适应不稳定的电源电压，以确保不间断运行。

许多应用可自动执行简单的运动顺序，且不需要可编程逻辑控制器，但可使用预编程宏或如参数加载器、基本操作面板 (BOP) 或智能访问模块等简单设备进行调试。

最后，这些 VSD 需要运行经济，并具有如在预定运行条件下自动降低磁通量等集成节能功能，此外还能够监控和显示实时能耗。

本文首先介绍 [Siemens]的 [SINAMICS V20]系列 VSD 及其能够加强可持续性和提高生产率的特性。然后，深入探讨预编程宏和诸如参数加载器、BOP 或智能访问模块等设备如何用于实现灵活调试、高效运行和可持续维护。

SINAMICS V20 驱动器开箱即用，无需增加任何模块或外部控制器。集成 BOP 支持现场调试。此外，还可使用通用串行接口来连接 Siemens 的 SIMATIC 可编程逻辑控制器 (PLC)，进行复杂操作。Modbus 接口可连接第三方 PLC 和其他设备。

对于额定功率超过 10 马力的设备，制动电阻器可直接连接制动斩波器，且某些型号还符合 EN 61800-3 的 C1 类 EMC 标准。SINAMICS V20 驱动器的工作温度范围为 -10°C 至 +60°C，额定功率为 0.12 kW 至 30 kW。例如（图 1）：

• 型号为 [6SL32105BB175UV1]的驱动器，额定功率 0.75 kW，采用 230 VAC 单相电源供电
• 型号为 [6SL32105BB230UV1]的驱动器，额定功率 3 kW，采用 230 VAC 单相电源供电
• 型号为 [6SL32105BE322CV0] 的驱动器，额定功率 22 kW，采用 400 VAC 三相电源供电

图 1：SINAMICS V20 驱动器，0.75 kW（左）和 22 kW（右）（非按比例展示）。（图片来源：DigiKey）

SINAMICS 驱动器中的集成控制模式包括：每赫兹伏特 (V/f) 标量、可编程多点 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)。

保持运行模式可自动调节，以补偿不稳定的主电源（图 2）。这种模式下，线路电压波动会得到内部补偿，电机转速会自动降低，以防止意外停机，并在必要时发送错误信息。这种模式尤其适用于楼宇自动化应用，例如水或废水处理厂的泵和风扇以及供暖、通风和空调 (HVAC) 系统。

图 2：SINAMICS V20 在保持运行模式下，即使在出现电源干扰的情况下也能保持电机持续运行。（图片来源：Siemens）

效率最大化

根据不同的应用，可以通过调节电机转速来提高效率，以适应当前的工艺流程。例如，对于水泵等涡轮机械，变速运行可比定速运行节省高达 60% 的能量。

SINAMICS V20 驱动器集成了能量优化控制 (ECO) 模式，可提高效率。在 ECO 模式下，电机磁通量会自动调节至最佳运行点。

这些驱动器可设置为休眠模式，在保持驱动器当前状态的同时切断电机电源。休眠模式可大幅降低能耗，同时将驱动器保持在准备状态，以便在需要时立即重新启动。

利用下面的集成级联和能量平衡功能，可以进一步提高效率：

级联可用于使用多台电机的高输出泵、风扇和压缩机应用中。利用部分或完全受控的电源级联进行相位连接和断开，可在不损失性能的情况下提高系统的整体效率。

使用耦合驱动器进行能量平衡时，可通过共用直流链路进行能量交换。在变频器之间直接进行能量交换，可最大限度地减少整个系统的功率损耗并提高效率。

SINAMICS 驱动器上的 BOP 可显示实时能耗。节能计数器可计算机器运行期间相比定速运行的能耗，使操作员能够对流程进行微调并进一步提高节能效果和可持续性。

加强可持续性

Siemens 发布了 SINAMICS V20 产品环境声明，其中包括基于国际标准化组织 (ISO) 14021 的生命周期影响评估 (LCIA)，即环境标签和声明——自我声明环境声明——第二类环境标签。

该 LCIA 基于 [6SL3210-5BE21-5UV0] 型驱动器编写。这款驱动器的额定功率为 1.5 kW，采用 3 相 380 VAC 至 480 VAC 电源。该 LCIA 考虑了 SINAMICS V20 驱动器的制造、分销、运行、报废停机以及废旧处理和回收带来的影响。最重要的影响来自于驱动器 15 年估计寿命期间的运行。具体分析基于每年 5000 小时的运行时间和三个运行点 (OP)：

• OP1：在 20% 的时间内以 100% 的速度和 100% 的扭矩运行
• OP2：在 70% 的时间内以 50% 的速度和 25% 的扭矩运行
• OP3：在 10% 的时间内以 20% 的速度和 25% 的扭矩运行

据估计，驱动 器运行 15 年将产生 1,059.13 kg CO₂ 当量，而制造过程仅产生 40.6 kg CO₂ 当量，报废、废旧处置和回收利用则回收了相当于 3.6 kg CO₂ 当量的温室气体排放。

在工业 4.0 运营中，快速灵活的调试是最大限度地节约能源和实现可持续发展的一个重要方面。用户可选择多种方法来提高 SINAMICS V20 驱动器的调试速度，以支持快速转换。

使用宏进行敏捷调试

使用快速调试功能，可同时更改四个参数集，包括电机数据、连接宏、应用宏和重要参数。电机数据首先要选择欧洲或北美参数（即 kW 与马力）、额定电压、电流、功率、频率、效率等。

连接和应用宏对敏捷调试尤为重要：

• 连接宏包括将 BOP 识别为唯一控制源或启用 PNP/NPN 终端控制、固定速度、模拟输入、固定频率、外部按钮控制、带模拟设定点的外部按钮、带模拟输入基准的 PID 控制、带固定基准值的 PID 控制、USS 控制和 MODBUS RTU 控制。
• 应用宏的选择包括简单的泵、风扇、压缩机和传送带。例如，简单的泵宏程序中包含的参数有最低频率、控制模式、抑制频率设定点、自动重启和斜坡上升时间。

在快速调试过程中，可对诸如频率设定点、最小和最大频率、斜坡上升和下降时间等个别参数进行定制。除了加快调试速度外，使用集成的快速调试功能还能消除因参数设置不当造成的错误，从而进一步缩短部署时间。

将参数克隆到多个驱动器

参数集一旦确定，就可通过[参数加载器]在 V20 和 SD 卡之间上传和下载。参数加载器和 SD 卡可用于在多个驱动器上克隆参数集。甚至在驱动器交付到工厂车间之前，就可以将参数下载到驱动器上，从而进一步加快整个调试过程并减少技术支持需求。

除了 SD 卡插槽外，V20 参数加载器还预留了两节 AA 尺寸的一次电池空间，可在下载参数时为驱动器供电，而无需连接主电源。V20 参数加载器还有一个微型 USB 接口，可连接外部的 5 VDC 电源，无需使用主电池（图 3）。

图 3：可选配的参数加载器用于将 V20 驱动器参数上载或下载到 SD 卡，并将参数快速克隆到多个驱动器。（图片来源：Siemens）

外部 BOP

可选配的外部 BOP 用于远程控制 V20 变频器。[外部 BOP]专门用于安装在设备机柜外部，并与驱动器上的[接口模块]相连。外部 BOP 和接口模块支持 RS232 连接，可使用长达 3 m 的电缆连接。

正确安装后，外部 BOP 可达到 IP54 和 UL/cUL 1 类外壳等级，可保护操作人员，防止接触危险电压，并保护 V20 驱动器不受污垢和灰尘等固体异物的影响。外部 BOP 采用与 V20 上的集成 BOP 接口相同的接口（图 4）。

图 4：外部 BOP 可在控制柜外 3 m 处控制 V20 驱动器。（图片来源：Siemens）

无线控制

为了提高调试灵活性，用户可以使用 SINAMICS V20 [智能接入]模块（图 5）。智能接入模块直接连接 V20 的前端，是一个集成了 Wi-Fi 功能的网络服务器模块。使用智能接入模块，可通过用户设备（如配有无线网络适配器的笔记本电脑、平板电脑或智能手机）对 V20 驱动器进行基于网络的调试和监控。智能模块可用于任何操作系统和任何支持 HTML5 的网络浏览器，如 Chrome、Internet Explorer (IE) 和 Safari 浏览器。

图 5：智能接入模块为 V20 驱动器的调试、控制、监控和诊断提供 Wi-Fi 连接功能。（图片来源：DigiKey）

使用 SINAMICS V20 智能接入功能，用户能够轻松访问驱动器，尤其有助于在难以进入的区域进行操作。直观的图形用户界面 (GUI) 和调试向导方便用户使用。智能接入功能支持与 BOP 相同的快速设置向导，便于用户快速、轻松地进行调试，具体包括：

• 输入电机数据
• 激活连接宏
• 选择和激活应用宏
• 设置常用参数

通过专门配置，智能接入功能可通过电子邮件发送故障代码，便于直接进行远程监控；智能接入功能还包括许多安全功能，可控制针对数据和控制功能的访问。智能接入功能提供了全面的无线网络功能，具体包括：

• 快速调试
• 转换器参数化
• 电机在 JOG/HAND 模式下运行
• V20 状态监控
• 故障和警报诊断
• 数据备份和恢复

结束语

Siemens SINAMICS V20 驱动器注重可持续性和灵活性。这种驱动器具有多种运行模式和节能功能，可在 0.12 kW 至 30 kW 的各种简单运动应用中最大限度地提高效率。在保持运行模式下，可确保废水和水处理以及楼宇自动化系统中的暖通空调等关键基础设施的持续运行。利用集成 BOP、远程 BOP、通过智能接入模块实现的无线功能以及预编程应用宏和其他工具进行快速调试，会提高调试灵活性。

审核编辑 黄宇