工業馬達驅動器調適的敏捷性和簡易性如何提升永續性和生產力

敏捷流程是工業 4.0 工廠和物流作業的一大特色。許多應用都需要使用額定功率介於 0.12 kW 至 30 kW (0.16 至 40 hp) 之間的馬達和變速驅動器 (VSD)。

這些應用的變速驅動器必須易於安裝，並且額定工作溫度應為 -10°C 至 +60°C。較大的驅動器應包括整合式制動截波器，而某些應用則需要符合 EN 61800‑3 的電磁相容性 (EMC) C1 類要求。變速驅動器需簡單易用，可在廣泛的主電源電壓範圍內操作，並能自動適應不穩定的主電源電壓以確保運作不間斷。

許多應用可以自動執行簡單的動作序列，並且不需要可編程邏輯控制器，但可以使用預先編程的巨集或簡易型元件 (例如，參數載入器、基本操作員面板 (BOP) 或智慧存取模組) 進行調適。

最後，這些變速驅動器需以經濟實惠的方式進行工作，並包括整合式節能功能，例如在預定的工作條件下可自動降低通量，以及能夠監控和顯示即時能耗。

本文會先概述 Siemens 變速驅動器的 SINAMICS V20 系列產品，及可提升永續性和生產力的功能。然後深入探討預先編程的巨集和元件 (例如參數載入器、基本操作員面板或智慧存取模組) 會如何支援敏捷的調適、高效運作和持續維護等作業。

SINAMICS V20 驅動器是開箱即用型產品，無需添加任何模組或外部控制器。整合式基本操作員面板可支援現場調適。此外，通用序列介面可用於連接 Siemens 的 SIMATIC 可編程邏輯控制器 (PLC)，以進行複雜的操作。Modbus 介面可以與第三方 PLC 和其他裝置連接。

對於額定功率超過 10 hp 的單元，制動電阻可直接連接到制動截波器，某些型號符合 EN 61800‑3 的 EMC C1 類要求。SINAMICS V20 驅動器的指定操作溫度為 -10°C 至 +60°C，額定功率範圍則為 0.12 kW 至 30 kW。範例包括 (圖 1)：

• 型號 6SL32105BB175UV1，額定功率為 0.75 kW，以 230 V_AC 單相電力操作
• 型號 6SL32105BB230UV1，額定功率為 3 kW，同樣以 230 V_AC 單相電力操作
• 型號 6SL32105BE322CV0，額定功率為 22 kW，以 400 V_AC 單相電力操作

圖 1：SINAMICS V20 驅動器的範例，0.75 kW (左) 和 22 kW (右) (未按比例顯示)。(圖片來源：DigiKey)

SINAMICS 裝置的整合控制模式，包括標量 V/f、可編程 V/f 多點、可自動調適通量以節省能源的 V²/f，以及可自動依據負載調適驅動輸出的通量電流控制 (FCC)。

「保持執行模式」會自動進行調整以補償不穩定的主電源 (圖 2)。在此模式下，線路電壓波動會在內部進行補償，馬達速度會自動降低以防止意外關斷，並在需要時傳送錯誤訊息。此模式在大樓自動化應用中特別有用，例如水或廢水處理廠中的幫浦和風扇，以及暖通空調 (HVAC) 系統。

圖 2：SINAMICS V20 的「保持執行模式」可支援馬達連續運作，即使在主電源發生干擾的情況下也沒問題。(圖片來源：Siemens)

最大程度提升效率

視應用而定，可藉著調整馬達速度以配合目前流程來提高效率。例如，若是幫浦之類的渦輪機，則相較於定速操作，變速操作可節省高達 60% 的能源。

SINAMICS V20 驅動器具有整合能源最佳化控制 (ECO) 模式，可提高效率。在能源最佳化控制模式下，馬達通量會自動適應最佳操作點。

這些驅動器可以設定為休眠模式，在此模式中，會關閉馬達，同時維持驅動器的當前狀態。休眠模式可大幅降低能耗，同時使驅動器維持在就緒狀態，進而能根據需要立即重新啟動。

使用以下整合式串接和能源平衡功能，可以進一步提高能效：

在使用多個馬達的高輸出幫浦、風扇和壓縮機等應用中，可使用串接功能。使用部分或完全控制的電源串接，進行相位連接和斷開，可以提高整體系統效率，並且不會發生效能損失。

使用耦合驅動器進行能量平衡，可以透過共用直流鏈來交換能量。在變頻器之間直接交換能量，即可將整體系統功率損耗降至最低並提升效率。

SINAMICS 驅動器上的基本操作員面板可以顯示即時能耗。節能計數器可以計算在機器運作期間與定速操作相比的能耗，使操作人員能夠微調製程，並進一步改善節能效果和永續性。

提升永續性

Siemens 已發佈 SINAMICS V20 環境產品宣言 (EPD)，其中包括依據國際標準組織 (ISO) 14021，環境標誌與宣告－自行宣告之環境訴求 (第二類環境標誌) 進行的使用壽命衝擊評估 (LCIA)。

此 LCIA 基於型號 6SL3210-5BE21-5UV0，該產品的額定功率為 1.5 kW，主電源為 3 相 380 V_AC 至 480 V_AC。另外，亦考慮到 SINAMICS V20 驅動器的製造、經銷、作業、停產除役以及處置和回收造成的衝擊。當驅動器操作時間超過了預估的 15 年使用壽命時，極有可能發生最重大的衝擊。該分析的依據是每年 5,000 小時的運作和三個操作點 (OP)：

• 操作點 1：20% 的時間以 100% 速度和 100% 扭矩運轉
• 操作點 2：70% 的時間以 50% 速度和 25% 扭矩運轉
• 操作點 3：10% 的時間以 20% 速度和 25% 扭矩運轉

驅動器運作 15 年內預估會產生 1,059.13 kg 的二氧化碳當量，而製造作業僅產生 40.6 kg 的二氧化碳當量，且除役、處置和回收則可再捕獲一些相當於 -3.6 kg 當量的溫室氣體排放。

在工業 4.0 作業中，快速靈活的調適是達到最佳節能和永續性的關鍵。使用者有多種選擇來加速 SINAMICS V20 驅動器的調適，以支援快速切換。

利用巨集進行敏捷調適

快速調適功能可同時變更四個參數集，包括馬達資料、連接巨集、應用程式巨集和重要參數。馬達資料從選取歐洲或北美參數 (即 kW 還是 hp)、額定電壓、電流、功率、頻率、效率等開始。

連接和應用程式巨集是敏捷調適的關鍵要件：

• 連接巨集包括辨認基本操作員面板為唯一的控制源，或啟用來自 PNP/NPN 端子的控制、固定速度、類比輸入、固定頻率、外部按鈕控制、含類比設定點的外部按鈕、含類比輸入參考的 PID 控制、含固定值參考的 PID 控制、USS 控制和 MODBUS RTU 控制。
• 應用程式巨集的選項包括簡易幫浦、風扇、壓縮機和輸送帶。例如，簡易型幫浦巨集中所含的參數包括最小頻率、控制模式、抑制頻率設定點、自動重新啟動和上升時間。

在快速調適過程中可以客製化個別的參數，例如頻率設定點、最小和最大頻率，以及上升和下降時間。除了可以加速調適外，使用整合式快速調適功能還可以消除因參數設定不正確所造成的錯誤，進一步縮短部署時間。

將參數複製到多個驅動器

只要確定好參數集，參數載入器即可在 V20 和 SD 卡之間上傳及下載參數集。參數載入器和 SD 卡可在多個驅動器之間複製參數集。甚至在驅動器交付到廠區之前，即可將參數下載到驅動器，進而進一步加速整個調適過程，並減少技術支援的需要。

除 SD 卡插槽外，V20 參數載入器還有一個空間可容納兩個 AA 大小的一次電池，這些電池可在參數下載期間為驅動器供電，而無須連接到主電源。V20 參數載入器還具備 Micro USB 介面，可連接到外部 5 V_DC 電源供應器，因此無需使用一次電池 (圖 3)。

圖 3：選配的參數載入器可將 V20 驅動器參數上傳或下載到 SD 卡，並可將參數快速複製至多個驅動器。(圖片來源：Siemens)

外部 BOP

選配的外部基本操作員面板可用於遠端控制 V20 變頻器。外部基本操作員面板專用於安裝在設備機櫃外部，且可與連接至驅動器的介面模組相連結。外部基本操作員面板和介面模組支援 RS232 連線，並可使用長達 3 m 的纜線進行連結。

只要安裝得當，外部基本操作員面板可提供 IP54 和 UL/cUL Type 1 的外殼防護等級，為工作人員提供危險電壓的防護，並防止髒污和灰塵等固體異物進入 V20 驅動器。外部基本操作員面板複製了 V20 的整合式基本操作員面板介面 (圖 4)。

圖 4：外部基本操作員面板可對控制櫃外的 V20 驅動器進行控制，最遠可達 3 m。(圖片來源：Siemens)

無線控制

如需在調適中達到最極致的靈活性，使用者可採用 SINAMICS V20 Smart Access 模組 (圖 5)。Smart Access 模組可直接連接到 V20 的正面，是一個具有整合式 Wi-Fi 連線的 Web 伺服器模組。透過具備無線網路配接器的筆記型電腦、平板電腦或智慧型手機等使用者裝置，此模組可支援對 V20 驅動器進行 Web 式調適和監控。此外，其亦可用於任何作業系統和任何支援 HTML5 的 Web 瀏覽器，如 Chrome、Internet Explorer (IE) 和 Safari。

圖 5：此 Smart Access 模組提供 Wi-Fi 連線能力，可用於對 V20 驅動器進行調適、控制、監控和診斷。(圖片來源：DigiKey)

即使在難以存取的區域，SINAMICS V20 Smart Access 也能讓您輕鬆存取驅動器。藉助直觀的圖形使用者介面 (GUI) 和調適精靈，使用將更加方便。Smart Access 支援與 BOP 相同的快速設定精靈，可讓您快速輕鬆地進行調適，包括：

• 輸入馬達資料
• 啟動連線巨集
• 選取並啟動應用程式巨集
• 可設定常用參數

Smart Access 可設定為透過電子郵件傳送故障程式碼，以便直接進行遠端監控，並且其還包括了多種安全功能，可控制對資料和控制功能的存取。Smart Access 提供全方位的 Web 式無線功能，包括：

• 快速調適
• 轉換器參數化
• JOG/HAND 模式下的馬達運作
• V20 狀態監控
• 故障和警報診斷
• 資料備份和還原

結論

Siemens 的 SINAMICS V20 驅動器設計重點在於永續性和靈活性。這些驅動器具有多種操作模式和節能功能，可最大程度提升 0.12 kW 至 30 kW 間的各種簡易動作應用的效率。「保持執行模式」可確保重要基礎設施的持續運作，例如大樓自動化系統中的廢水和水處理以及暖通空調。透過使用整合式基本操作員面板、遠端基本操作員面板、具備 Smart Access 模組的無線連線能力，以及預先編程的應用程式巨集和其他工具，可以達成多種快速調適的方法，進而滿足靈活性的要求。