第2章 S120的系統(tǒng)組件介紹及選型

2.1 S120系統(tǒng)組件組成

SINAMICS S120系統(tǒng)組件如圖2-1所示。

SINAMICS S120驅(qū)動控制系統(tǒng)最基本的功能是實現(xiàn)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，還可以實現(xiàn)基本的位置轉(zhuǎn)速電流三閉環(huán)控制。其控制結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，包括給定環(huán)節(jié)（目標(biāo)設(shè)定值）、偏差比較（目標(biāo)值與實際值做差）、控制器（位置控制器、速度控制器、電流控制器）、執(zhí)行機構(gòu)（PWM脈寬調(diào)制方式的交直交變頻器）、被控對象（電動機）、檢測反饋（電流檢測、編碼器速度檢測、編碼器位置檢測），還包括速度預(yù)控制和轉(zhuǎn)矩預(yù)控制環(huán)節(jié)。

其中，執(zhí)行機構(gòu)由S120的功率部分組件實現(xiàn)，S120的控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)速度控制器、電流控制器和基本位置控制器的功能，復(fù)雜的位置控制則需要SIMOTION控制單元或高端PLC控制器實現(xiàn)。本章即按照變頻器功率部分組件和控制系統(tǒng)組件介紹SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)的組件。

SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)可分為以下兩個大類：AC/AC單軸驅(qū)動系統(tǒng)和DC/AC多軸驅(qū)動系統(tǒng)。下面分別介紹這兩類驅(qū)動系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)。

西門子變頻器均為電壓型交直交變頻器，整流單元用于將電網(wǎng)的三相交流電變成直流，直流部分由電容儲存能量，逆變單元用于將直流變?yōu)椴煌l率的三相交流電。SINAMICS S120 AC/AC單軸驅(qū)動系統(tǒng)是將整流單元和逆變單元集成在一起，適用于單軸的模塊化驅(qū)動系統(tǒng)，如圖2-3所示，由一個控制單元（CU）或控制單元適配器（CUA）、一個功率模塊（PM）構(gòu)成，其系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)如下：

1）電源：用于提供驅(qū)動系統(tǒng)中各模塊用到的24V直流電。

2）控制單元：為驅(qū)動系統(tǒng)的核心，完成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)（或位置轉(zhuǎn)速電流三閉環(huán)）控制，與功率模塊通過DRIVE-CLiQ電纜連接，并傳遞控制信息和狀態(tài)信息；附加系統(tǒng)組件中的端子模塊可用于CU的I/O端子擴展，通信選件板卡可用于擴展通信接口。

3）電源端組件：由電網(wǎng)供電（三相/單相交流電），在進線側(cè)按電氣順序依次連接開關(guān)/刀閘、熔斷器/斷路器、接觸器（電氣隔離時需要）、進線濾波器（可選）、進線電抗器（可選），將符合EMC要求的交流電送入功率模塊。

4）功率模塊：為集成的整流和逆變單元，可實現(xiàn)交直交變換，為電動機提供動力，可以帶或不帶內(nèi)置進線濾波器（EMC濾波器）和內(nèi)置的制動斬波器（制動單元和制動電阻）。

5）編碼器模塊（SM）：將編碼器信號轉(zhuǎn)換成DRIVE-CLiQ可識別的信號，所有電動機必須通過編碼器模塊才能與功率模塊相連，若電動機含有DRIVE-CLiQ接口（內(nèi)含SMI編碼器模塊），則不需要此模塊。

SINAMICS S120 DC/AC多軸驅(qū)動系統(tǒng)中整流單元（電源模塊）和逆變單元（電動機模塊）分開，這樣可將多個逆變單元連接到直流母線上，實現(xiàn)多軸控制，多個逆變單元之間也可以實現(xiàn)能量交換。

DC/AC多軸驅(qū)動系統(tǒng)如圖2-4所示，根據(jù)功率不同，可分為書本型和裝機裝柜型，其系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)略有不同：

1）電源：用于提供驅(qū)動系統(tǒng)中各模塊用到的24V直流電。

2）控制單元：為驅(qū)動系統(tǒng)的核心，完成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)（或位置轉(zhuǎn)速電流三閉環(huán)）控制，與功率模塊通過DRIVE-CLiQ電纜連接，傳遞控制信息和狀態(tài)信息；附加系統(tǒng)組件中的端子模塊可用于CU的I/O端子擴展，通信選件板卡可用于擴展通信接口。

3）電源端組件：由電網(wǎng)供電（三相/單相交流電），在進線側(cè)按電氣順序依次連接開關(guān)/刀閘、熔斷器/斷路器、接觸器（電氣隔離時需要）、進線濾波器（可選）、進線電抗器（必選），將符合EMC要求的交流電送入電源模塊。

4）調(diào)節(jié)型接口模塊（AIM）：與電源模塊ALM配合使用，內(nèi)含濾波器、電抗器、預(yù)充電回路、電源電壓檢測模塊等。

5）電源模塊：是一個整流器，可將三相交流電變?yōu)橹绷麟姡部蓪⒛芰炕仞侂娋W(wǎng)，可以根據(jù)再生回饋能力和能量回饋要求來選擇整流單元。

6）直流母線組件（選件）：用于穩(wěn)定直流母線電壓，包括制動單元和制動電阻、電容模塊和控制電源模塊等。

7）電動機模塊：是一個逆變器，通過PWM脈寬調(diào)制方式將直流母線電壓變?yōu)轭l率大小可調(diào)的交流電，為電動機供電。

8）編碼器模塊（SM）：將編碼器信號轉(zhuǎn)換成DRIVE-CLiQ可識別的信號，所有電動機必須通過編碼器模塊才能與電動機模塊（MM）相連，若電動機含有DRIVE-CLiQ接口，則不需要此模塊（內(nèi)含SMI模塊）。

9）輸出側(cè)組件（用于裝機裝柜型）：能夠在變頻器向電動機供電時減小線路中的諧波成分，保護機電系統(tǒng)安全運行，包括輸出電抗器、dv/dt濾波器、正弦濾波器。書本型S120驅(qū)動系統(tǒng)中僅含輸出電抗器，裝機裝柜型S120驅(qū)動系統(tǒng)中還可包括dv/dt濾波器和正弦濾波器。另外，由于輸出側(cè)組件會影響系統(tǒng)響應(yīng)速度，對于高動態(tài)性能要求的伺服控制，輸出側(cè)組件不宜接入系統(tǒng)。