如何快速安裝、連接單軸 VSD，以及將其整合至工業 4.0 自動化系統

作者：Jeff Shepard

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2024-03-07

對幫浦、風扇、壓縮機、輸送帶等工業應用，以及研磨與混合等加工作業來說，單軸變速驅動器 (VSD) 的使用不可或缺。這些應用具有簡單的動作順序，因此需要高效的 VSD，才可用快速且經濟效益的方式，在短暫的調試時間內實作基本驅動功能。

可能需要多種控制功能，包括各頻率標量電壓 (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)。符合成本效益的部署與整合是工業系統的關鍵要件，且可透過以下特點受益：

預先配置的應用選擇
緊湊尺寸
預設通訊參數
有效傳輸參數設定至多個單元
無線調試、操作與診斷
連線與應用程式巨集可簡化 I/O 接線和設定

本文將介紹 Siemens 推出的一系列耐用節能型單軸 VFD 產品，可簡化安裝作業。此外也將回顧數種整合功能、探討基本的系統配件與各種更專業的進階附加模組，以及運用 Siemens 控制器的整合建議。最後會說明將這些 VFD 整合到符合 EMI 規範的控制櫃和工業運動系統時的一些考量事項。

數位化馬達控制可讓工業單軸運動系統享有諸多優勢。若用 VSD 取代簡易的機械控制，就可讓系統立即回應部分負載的運作狀況，並可降低 50% 以上的功耗。變速操作亦可將馬達和機械元件的磨損降至最低、減少維護需求並提高可用性。

Siemens 的 SINAMICS V20 平台提供九種框架尺寸選擇，支援的功率範圍為 0.12 kW 至 30 kW (0.16 hp 至 40 hp) (圖 1)。SINAMICS V20 VFD 的範例包括 0.12 kW 6SL3210-5BB11-2UV1 (最高 3 kW)、6SL3210-5BB23-0UV1 單相 230 V_AC 輸入型號，以及 0.37 kW 6SL3210-5BE32-2UV0 (最高 30 kW) 三相 480 V_AC 型號。

圖 1：SINAMICS V20 轉換器提供九種框架尺寸，包括 FSAA 至 FSE (0.16 至 40 HP)。(圖片來源：Siemens)

使用 SINAMICS V20 驅動器的主要優勢就是效率。不止外型精巧且善用空間，更可支援快速安裝與調試，因此能善用時間與金錢，同時注重節能與環保。部分功能包括：

多重控制模式支援經濟型操作，包括 V/f、V²/f、FCC 和 V/f 多點
- 使用適合 V/f、V²/f 的 ECO 模式以及休眠模式，增強節能表現
- 無需外部功率量測設備亦可監測節能狀況，並以 kWh、CO2 或貨幣形式顯示
單相或三相主電源
- 單相 200 至 240 V_AC (-10%/+10%) 亦可連接至三相 120/240 V_AC 主電源的兩個相位
- 三相 380 至 480 V_AC (-15%/+10%)
預先配置的應用程式巨集，可縮短調試時間
採用標準函式庫與連線巨集，以預設通訊參數加速調試作業
自動調適不穩定的主電源電壓，以確保穩定操作、避免中斷，並有助於提高生產力
過載處理能力可在 300 秒的週期時間內達到最高 150% 且持續 60 秒
最高輸出電壓為 100% 輸入電壓
無需電源即可載入參數，讓您快速破至多個單元
透過「智慧存取」(Smart Access) 網路伺服器，使用行動裝置或筆記型電腦進行調試
整合式應用程式與連線巨集

整合功能

SINAMICS V20 驅動器具備數種整合功能，可加速部署並簡化整合作業，例如適用於流程控制任務的比例-積分-微分 (PID) 控制器、最大的兩種框架尺寸上具有整合式制動截波器，也有 DC 耦合功能能讓兩個相同尺寸的驅動器串聯工作，以提升節能效果。PID 控制器可用於簡易的流程任務，例如依據設定點控制壓力、位準或流速。

PID 功能包括適合最佳化操作的自動微調，並可支援馬達分級操作。馬達分級功能可額外控制最多 2 個分級 (串接) 馬達。在此情況下，系統包含由逆變器控制的主要馬達，以及使用接觸器控制的兩個額外馬達，或是由逆變器上數位輸出所控制的啟動器。

FSD 與 FSE 框架尺寸具有整合式制動截波器；其他框架尺寸則具有一個外部制動模組 (參見下文)。馬達可用電氣或機械方式制動。

電氣制動選項
- DC 制動適用於定子繞組，可產生巨大的制動扭力。雖然不適合用於保留已暫停的負載，只要停止轉動，電流就可讓軸心保持不動。
- 複合式制動可在再生煞車之上疊加 DC 制動，因此在制動期間逆變器會將能源再生至直流鏈電源。
- 動態制動會將再生能源轉換為熱能。實作動態制動需要使用外部制動電阻來耗散能量。
可使用內部邏輯來控制維持制動的機械馬達，以免馬達在逆變器關閉時轉動。

SINAMICS V20 驅動器還包含 DC 耦合功能，可讓兩個相同尺寸的逆變器透過直流鏈連接達到電氣耦合。在適用情況下，DC 耦合能讓一個逆變器運用來自其他逆變器的再生能源，藉此降低能源成本。逆變器可共用單一動態制動系統，可減少安裝成本。在某些情況下，DC 耦合可省去動態制動模組以及動態制動電阻。

基本的系統配件

除了整合功能外，更可添加數種系統配件來增強 SIMAMICS V20 逆變器的實用性，例如基本操作面板 (BOP) 和 BOP 介面、智慧存取模組以及參數載入器 (圖 2)：

SIMAMICS V20 具有整合式控制面板，但某些應用若添加遠端控制單元用的 BOP 就更具優勢。BOP 專為分散式安裝所設計，且符合 UL Type 1 外殼等級。
可使用專用的 BOP 介面模組插進逆變器的擴充埠，就可將 BOP 連接到 SINAMICS V20，且此模組具有 RS232 介面，可接至 BOP。
智慧存取模組內建網路伺服器，可使用智慧型手機、筆記型電腦或平板電腦，簡化 SINAMICS V20 的調試與操作。此模組支援的功能包括：
- 可加速調試的調試精靈
- 參數設定與儲存，或是恢復出廠設定
- 馬達測試
- 監測操作資料
- 執行系統診斷檢查
參數載入器可將最多 100 個參數組上傳至 SINAMICS V20，或從該單元下載參數組。無需啟動驅動器電源，亦可使用電池供電的參數載入器。

Siemens 的 0.16 HP FSAA SINAMICS V20 圖片 圖 2：此為 0.16 HP FSAA SINAMICS V20，配有四個常見的擴充模組。(圖片來源：Siemens)

整合到更大型的系統

SINAMICS V20 驅動器經過專門設計，可透過 RS485 介面使用通用序列介面 (USS) 通訊協定，由 SINAMICS S7-1200 或 S7-1500 控制器 (如型號 6ES75173FP000AB0) 進行控制。範例專案可展示如何使用 SINAMICS V20 對這些控制器進行配置及編程。USS 為預設設定，但 SINAMICS V20 亦可使用 MODBUS RTU 通訊協定。

一個主控控制器可連接最多 31 個 VFD。

組合各個項目

將上述元件裝配至完整系統並不簡單，尤其是在講究 EMC 合規性的應用上。通常來說，隔離潛在干擾源是最快速且最具成本效益的作法。若要實行此作法，可將控制櫃與系統的其他部分整理成一連串四個獨立區域，如圖 6 所示。實作隔離區時有以下考量事項：

使用接地隔離板或獨立金屬外殼，達到區域電磁解耦。
- SINAMICS V20 位於區域 B，SIMATIC S7-1200 或 S7-1500 控制器位於區域 C。
為提升 EMC 效能，可在區域介面上添加濾波器和耦合模組。
各區域間的連接纜線必須隔開，以免 EMC 耦合，且這些纜線不得位於相同的纜線通道或線束。
進出機櫃的通訊網路與訊號纜線 (例如 RS485) 必須加以屏蔽。

電磁解耦區域可增強 EMC 效能示意圖 圖 6：電磁解耦區域可增強 SINAMICS V20 設備的 EMC 效能。(圖片來源：Siemens)

結論

SINAMICS V20 轉換器用途廣泛、體型精巧，且支援各種單軸變速工業應用，更內建豐富的特點與功能。只要添加基本操作面板、遠端存取模組和參數載入器等配件，就可增進實用性。此外，這些驅動器支援多種附加模組，可支援進階系統功能，且經過最佳化，可搭配 Siemens 控制器使用。最後，本文也說明如何將這些 VFD 整合到符合 EMI 規範的控制櫃與工業運動系統。