作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-07-10

敏捷過程是工業 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運行，并能自動適應不穩定的電源電壓，以確保不間斷運行。

許多應用可自動執行簡單的運動順序，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試。

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

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

SINAMICS V20 驅動器開箱即用，無需增加任何模塊或外部控制器。集成 BOP 支持現場調試。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]的驅動器，額定功率 3 kW，采用 230 VAC 單相電源供電
• 型號為 [6SL32105BE322CV0] 的驅動器，額定功率 22 kW，采用 400 VAC 三相電源供電

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

SINAMICS 驅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、自動調節磁通量以節省能源的 V2/f，以及自動調節驅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節，以補償不穩定的主電源（圖 2）。這種模式下，線路電壓波動會得到內部補償，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 (HVAC) 系統。

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

效率最大化

根據不同的應用，可以通過調節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省高達 60% 的能量。

SINAMICS V20 驅動器集成了能量優化控制 (ECO) 模式，可提高效率。在 ECO 模式下，電機磁通量會自動調節至最佳運行點。

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

利用下面的集成級聯和能量平衡功能，可以進一步提高效率：

級聯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進行相位連接和斷開，可在不損失性能的情況下提高系統的整體效率。

使用耦合驅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的功率損耗并提高效率。

SINAMICS 驅動器上的 BOP 可顯示實時能耗。節能計數器可計算機器運行期間相比定速運行的能耗，使操作員能夠對流程進行微調并進一步提高節能效果和可持續性。

加強可持續性

Siemens 發布了 SINAMICS V20 產品環境聲明，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)，即環境標簽和聲明——自我聲明環境聲明——第二類環境標簽。

該 LCIA 基于 [6SL3210-5BE21-5UV0] 型驅動器編寫。這款驅動器的額定功率為 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% 的時間內以 100% 的速度和 100% 的扭矩運行
• OP2：在 70% 的時間內以 50% 的速度和 25% 的扭矩運行
• OP3：在 10% 的時間內以 20% 的速度和 25% 的扭矩運行

據估計，驅動 器運行 15 年將產生 1,059.13 kg CO? 當量，而制造過程僅產生 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 4.0 運營中，快速靈活的調試是最大限度地節約能源和實現可持續發展的一個重要方面。用戶可選擇多種方法來提高 SINAMICS V20 驅動器的調試速度，以支持快速轉換。

使用宏進行敏捷調試

使用快速調試功能，可同時更改四個參數集，包括電機數據、連接宏、應用宏和重要參數。電機數據首先要選擇歐洲或北美參數（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進行定制。除了加快調試速度外，使用集成的快速調試功能還能消除因參數設置不當造成的錯誤，從而進一步縮短部署時間。

將參數克隆到多個驅動器

參數集一旦確定，就可通過[參數加載器]在 V20 和 SD 卡之間上傳和下載。參數加載器和 SD 卡可用于在多個驅動器上克隆參數集。甚至在驅動器交付到工廠車間之前，就可以將參數下載到驅動器上，從而進一步加快整個調試過程并減少技術支持需求。

除了 SD 卡插槽外，V20 參數加載器還預留了兩節 AA 尺寸的一次電池空間，可在下載參數時為驅動器供電，而無需連接主電源。V20 參數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：可選配的參數加載器用于將 V20 驅動器參數上載或下載到 SD 卡，并將參數快速克隆到多個驅動器。（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 驅動器。（圖片來源：Siemens）

無線控制

為了提高調試靈活性，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（如配有無線網絡適配器的筆記本電腦、平板電腦或智能手機）對 V20 驅動器進行基于網絡的調試和監控。智能模塊可用于任何操作系統和任何支持 HTML5 的網絡瀏覽器，如 Chrome、Internet Explorer (IE) 和 Safari 瀏覽器。

圖 5：智能接入模塊為 V20 驅動器的調試、控制、監控和診斷提供 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動器，尤其有助于在難以進入的區域進行操作。直觀的圖形用戶界面 (GUI) 和調試向導方便用戶使用。智能接入功能支持與 BOP 相同的快速設置向導，便于用戶快速、輕松地進行調試，具體包括：

• 輸入電機數據
• 激活連接宏
• 選擇和激活應用宏
• 設置常用參數

通過專門配置，智能接入功能可通過電子郵件發送故障代碼，便于直接進行遠程監控；智能接入功能還包括許多安全功能，可控制針對數據和控制功能的訪問。智能接入功能提供了全面的無線網絡功能，具體包括：

• 快速調試
• 轉換器參數化
• 電機在 JOG/HAND 模式下運行
• V20 狀態監控
• 故障和警報診斷
• 數據備份和恢復

結束語

Siemens SINAMICS V20 驅動器注重可持續性和靈活性。這種驅動器具有多種運行模式和節能功能，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中的暖通空調等關鍵基礎設施的持續運行。利用集成 BOP、遠程 BOP、通過智能接入模塊實現的無線功能以及預編程應用宏和其他工具進行快速調試，會提高調試靈活性。

審核編輯 黃宇