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SIEMENS  西門子變頻器器技術參數

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西門子在“2014中國工業博覽會”現場發布了SinamicsV20變頻器全新E尺寸模塊。該模塊的功率可達30kW，適用于風機、水泵、壓縮機、輸送設備、攪拌機、石材切割等大功率應用場合，并具有重過載和輕過載的雙重模式，可以實現小功率變頻器驅動大電機，有效降低客戶的采購成本。

西門子V20變頻器介紹西門子V20變頻器是西門子于2012年推出的一款適合基本應用的變頻器，由西門子中、德、英三國工程師共同設計研發，并在西門子數控（南京）有限公司生產。憑借調試過程快捷、易于操作、穩定可靠及經濟高效等優勢，面市兩年間，西門子V20變頻器已經成為風機水泵、物料輸送類及加工類設備等行業客戶對驅動產品的，可以為他們提供簡易、經濟的驅動解決方案。此前，西門子V20變頻器有4種外形尺寸可供選擇，功率為15kW。E尺寸模塊的推出使西門子V20變頻器適用的功率提升到30kW。該模塊繼承西門子20變頻器可靠性高、故障率低等特點，結構設計更優化，且發布前在多個進行應用測試，并得到了認可。西門子根據幾十個和地區客戶需求的調研結果，對所有SinamicsV20變頻器的軟件功能進行了全面的升級。增加了故障數據記錄功能，使客戶在處理故障報警的時候追蹤到故障發生時刻的內部信息，更加清楚故障發生的原因，能夠有的放矢地解決技術問題，減少故障處理時間。在新的軟件版本中，調試工程師無需做記錄，也可以方便地查看自己修改的參數，調試變得更加簡單順手。這些改進使SinamicsV20家族能更好地滿足客戶的需求。西門子V90變頻器介紹：

西門子V90伺服驅動系統作為SINAMICS驅動系列家族的新成員，與SIMOTICS S-1FL6 結合，組成的伺服驅動系統，實現位置控制、速度控制和扭矩控制。通過優化的設計，SINAMICS V90確保了的伺服控制性能，經濟實用、穩定可靠。西門子V90 單軸伺服驅動器V90 設計用于運動控制以滿足一般的伺服應用，充分考慮了機床制造商和系統集成商所面臨的成本和市場挑戰。V90 支持即插即用式調試，伺服性能充分優化，與 SIMATIC PLC 快速集成，具有值得信賴的可靠性。與全新的 SIMOTICS S-1FL6 伺服電機配套使用，形成的伺服系統。V90 支持內部設定值位置控制、外部脈沖位置控制、速度控制和扭矩控制，整合了脈沖輸入、模擬量輸入/輸出、數字量輸入/輸出以及編碼器脈沖輸出接口。通過實時自動優化和自動諧振抑制功能，可以自動優化為一個兼顧高動態性能和平滑運行的系統。此外，脈沖輸入支持 1 MHz，充分保證了高精度定位。西門子 V90特點：1成本低：集成所有控制模式：外部脈沖位置、內部設定值位置、速度和轉矩控制；2、全功率驅動標配內置制動電阻；3、集成抱閘繼電器。2伺服性能優異：自動優化功能使設備獲得更高的動態性能；2、自動抑制機械諧振頻率；3、1 MHz 的高速脈沖輸入；4、20 位分辨率的值編碼器；5、優化的系統性能：3 倍過載能力、電機低扭矩紋波以及驅動與電機的整合；3使用方便：快速便捷的伺服優化和機械優化；2、簡單易用的 SINAMICS V-ASSISTANT 調試工具；3、兼容 PLC 和運動控制器的雙通道脈沖設定值；4、通用 SD 卡參數復制；5、電機電纜連接器可旋轉，支持多角度旋轉，可快速鎖緊/釋放；4運用廣泛：1、裝卸機：如碼垛機；2、包裝機：如貼標機、枕式包裝機；3、自動組裝機；4、刀具切換機；5、印刷機：如絲網印花機；6、纏繞機；7、金屬成型機：如折彎機等。XMZ 西門子G120模塊化變頻器產品系列推出兩款新型功率模塊和一款新型控制單元。作為對整體系統加強的一部分，西門子全新推出的模塊包括新一代PM240-2 FSA和PM230 IP20功率模塊，這兩款模塊均在可實現更高功率密度的全新硬件平臺上研發。由于支持穿墻式安裝，這兩款新型功率模塊可以實現創新的冷卻解決方案。CU240E-2控制單元支持自動化以太網標準的Profinet通信選型。這有利于實時執行基于以太網的創新系統設計。西門子G120模塊化變頻器系統的性能顯著增強。PM240-2 FSA功率模塊基于新型硬件平臺開發，與以前的1.5kW LO的功率密度相比，該平臺可在外形尺寸FSA中實現高達3kW LO的功率密度。其穿墻式安裝適用于創新的冷卻概念，能夠適用于對控制柜散熱有嚴格要求的應用。西門子還在這個新一代功率模塊設計中配備了緊湊的集成濾波器。

西門子G120變頻器介紹：西門子在G120系列的平臺上深入研發出CU240E-2控制單元。除了現有的Profibus DP、RS485、USS和Modbus RTU通信接口之外，CU240E-2控制單元還將提供適用于Profinet通信版本的新型控制單元。Profinet是Profibus DP現場總線的增強標準，在工業通信方面有更大的靈活性、效率和更高的性能。例如，現場總線和以太網通信可同時實現高數據速率傳播。Profinet可實現高性能應用的快速數據交換。該控制單元也可以通過介質冗余實現替代通信通道，提高工廠在通信線路故障過程中的利用率。該控制單元可與所有G120功率模塊配套使用，并標配STO（安全轉矩截止）安全功能，F型則配備擴展的安全功能 SS1（安全停車1）和SLS（安全限速）。集成的USB接口使調試變得輕松。西門子G120變頻器系列是適應于整個工業和商業應用領域的通用變頻器。它普遍適用于包括機械、汽車、紡織、印刷、包裝和化工行業，以及材料處理等重要領域。針對其模塊化西門子G120變頻器系列，西門子驅動技術集團又新推兩款新型功率模塊和一款新型控制單元。關于西門子在中國：西門子是電子電氣工程領域的企業，主要業務集中在工業、能源、醫療、基礎設施與城市四大業務領域。140年來，西門子以其創新的技術、的解決方案和產品堅持不懈地與中國開展全面合作，并以不斷的創新、出眾的品質和令人信賴的可靠性得到廣泛認可。在2011財年（2010年10月1日到2011年9月30日），西門子在中國的總營收達到63.9億歐元（不包括歐司朗和西門子IT解決方案和服務集團）。今天，西門子在中國擁有約30,000名員工，建立了16個研發中心、65家運營企業和65個地區辦事處，已經發展成為中國經濟不可分割的一部分，并竭誠與中國攜手合作，共同致力于實現可持續發展。西門子工業業務領域:作為供應商之一，為工業客戶提供創新環保的產品與解決方案。憑借完整的自動化技術與工業軟件、扎實的行業市場專業以及以技術為基礎的服務，工業業務領域幫助客戶提高生產力、效率和靈活性。西門子工業業務領域能夠提供的自動化技術、工業控制和驅動技術以及工業軟件，能夠滿足生產企業的所有需求，涵蓋整個價值鏈——從產品設計和開發，到產品生產、銷售和服務。同時，還能針對客戶*的市場和需求，提供專門的綜合定制服務，以使客戶獲益化。通過采用的軟件和自動化技術，能夠縮短產品投放市場時間高達50%，同時大幅降低生產企業的能源和污水處理成本。因此，憑借其節能產品和解決方案，西門子工業業務領域能夠大大提高客戶的市場競爭力，并為環境保護事業做出重要貢獻。工業業務領域由工業自動化集團、驅動技術集團、客戶服務以及冶金技術部構成。西門子工業業務領域驅動技術集團:西門子工業業務領域驅動技術集團是電氣和機械裝設備整個驅動鏈的供應商。為客戶提供創新、可靠、高效和高質量的產品、系統、解決方案。 驅動技術集團廣泛服務于制造和流程工業以及建筑和能源領域等行業市場。該集團用其的產品和解決方案幫助客戶提高生產率，能源利用率以及產品生產的可靠性。

一、引言
　　目前我國變頻器生產廠家所生產的變頻器大都是采用普通的V/f控制方式，只有為數不多的幾家對外宣稱采用了基于無速度的矢量控制技術。在國外品牌中基本上已經做到了開環、閉環、無速度控制三位一體的控制思想，尤其值得關注的是ABB公司的DTC控制方法在產品中已經有成功的應用。國內學術界在變頻調速系統的研究方面已經做了很多相應的工作，取得了一定的成果，但是相對于國外來說工程化的實踐和積累還有一定的差距。如何將理論化的知識轉化到我國現有工業化產品實踐，提高我國變頻調速產品的性能和質量，是一個比較迫切的值得研究的問題。本文試圖從控制策略和調制技術兩個方面對目前的V/f控制和實現技術進行比較說明，供大家交流和探討。
　　通常V/f變頻器的系統結構是由控制、調制、主回路三個部分組成，其中控制部分和脈寬調制部分全部由軟件算法實現。這種控制方式是針對交流電機穩態模型得出的，不依賴電機參數及其變化，因而控制簡單，容易實現。但是調速范圍比較窄，僅適用于風機、水泵等對調速性能要求不高的負載。為了提高系統低速時候的帶載能力和系統的動態性能，滿足實際工業現場的需要，必須對現有的控制方法和脈寬調制策略進行相應的改進和提高。下面針對其中幾個關鍵的技術分別進行討論。
二、控制策略中的若干技術
　　1. 補償技術
　　補償技術在開環控制中是的。它包括力矩補償、滑差補償和死區效應補償。在低頻時定子電阻的壓降相對于變頻器輸出電壓來說已經不能忽略，必須進行補償，否則輸出電壓不夠，電機在低頻時不動或者轉速明顯下降。滑差補償主要是針對電機在負載較大時實際輸出轉速會低于設定的轉速而設計的。這兩種補償方法在實現中可以采用簡單的固定值進行補償，改進的方法有利用三相電機電流進行計算補償，不過只是根據電流幅值的補償，實際上該方法是標量補償;更為精確的補償方法是將三相電機交流電流進行矢量分解，同時將電機的損耗參與計算，這樣的補償效果更好。但是這種方法計算比較復雜，同時對電機的部分參數有一定的依賴性，在實現過程中存在一些困難。
　　死區效應補償技術在開環控制中占有很重要的作用，它能有效的提高輸出電流波形的平滑度和減小諧波，同時能夠提高輸出電壓的有效值和減小電機電流的振蕩。特別是在要求的環境下，人為的提高載波頻率，如果沒有死區補償，在低頻時電機即使空載也可能不能運行。目前比較常用的死區補償技術有電流過零點直接補償法，基于定子磁場定向的電流分解方法，死區電壓脈沖寬度補償方法，無電流傳感的死區時間預測補償方法等。電流過零點判斷的補償方法簡單易于實現，但是由于電流波形中噪聲成分大，同時負載的波動和外界的任何干擾都會引起過零點的判斷失誤，過零點有一個死區平臺影響低頻補償效果，特別是載波頻率比較高時尤為顯著。基于定子磁場定向的方法不直接判斷電流過零點，而是將定子電流在旋轉坐標系中分解得到電流矢量角和死區電壓矢量之間的關系進行相應的補償，如果該方法和死區電壓脈沖寬度補償相結合，效果更為突出。相位角預測的死區時間補償方法是一種省掉電流傳感器的固定補償方法，該方法首先對電流相位角進行預測，然后對死區時間做出相應的補償，預測的角度可以根據變頻器輸出容量的不同在軟件中設置，或者由外部修改設定。
　　該方法的優點是可以省掉電流傳感器，降低成本和系統體積，但是補償沒有根據外部負載變化而相應調整，因而精度和動態性能也會相應的降低。
　　2. 電流振蕩抑制技術
　　交流電機在PWM方式供電的條件下在電機輕載或者空載的時候由于某些原因電機會在一個比較寬的頻率段系統會出現局部不穩定現象，這時電流幅值波動很大，輸出頻率也會有一定改變，電流的振蕩有可能會導致系統因為過電流而誤觸發報警，使系統不能穩定可靠的工作。引起振蕩的原因是多方面的，比較普遍的觀點是電機和變頻器在能量交換過程中引起的，它的出現也和死區效應有很大的關系。對死區效應進行補償后可以有效的減少振蕩的幅度，但是還不能從根本上抑制振蕩。一種有效的方法是當振蕩發生時，相應改變實際輸出的頻率或者電壓，通過電流形成一個簡單的負反饋系統，達到抑制振蕩的目的。但是這種方法也有一定的局限性。由于不同電機的振蕩頻率范圍是不一樣的，從5Hz～30Hz左右變化，而采用電流的幅值控制，只是一個標量，這就使得控制的效果不佳，系統的魯棒性降低。如果將定子電流進行分解，直接控制影響能量交換的磁通勵磁電流分量，抑制效果就會有較大的提高。更為精確有效的方法是采用智能控制的方法，但是算法復雜，在通用的V/f控制平臺上實現比較困難。
　　3. 簡單磁通矢量控制方法
　　普通的V/f控制是建立在穩態電機模型上的，忽略了定子電阻壓降，因而對電機動態過程中的狀態不能控制，由于是開環控制，對負載的波動或者電機參數變化不敏感，動態性能不高。簡單磁通矢量控制方法是在普通V/f控制的基礎上對電機電流進行了控制，具體表現在通過把變頻器輸出的電流進行矢量分解計算得到力矩電流分量和勵磁電流分量，然后調節電壓使電機電流和負載力矩相匹配，從而改善低速力矩特性。該方法在6Hz時可以提供200％的額定力矩。矢量計算所用到的一些電機參數預先存放在控制器的RAM中，針對某一型號電機這些參數基本上是常數。
　　4. 基于無速度傳感的矢量控制技術
　　對于高性能的交流調速控制系統，速度閉環是的，轉速閉環需要實時的電機轉速，目前速度反饋量的檢測多是采用光電脈沖編碼器、旋轉變壓器或測速發電機。速度傳感器價格比較昂貴，明顯增加了系統的硬件成本;對環境的適應能力不強，不利于使用在高溫或者振動的場合;信號傳輸距離受到限制不能在長距離的線路中可靠的工作。因此研究無速度傳感器交流調速系統，對提高系統的可靠性、環境的適應性、進一步擴大交流調速系統的應用范圍具有重要意義，已經成為國內外學術界和工程界近年來的研究熱點。
　　無速度傳感器控制的終目標是同時對電機轉速、轉子磁鏈以及電機參數進行精確的估計。對電機轉速和磁鏈的估算方法有好多種，基于理想模型的觀測和估計方法有:開環磁鏈估算和帶補償的磁鏈估算;模型參考自適應法（MRAS）;閉環觀測器法。基于非理想特性的方法有:利用齒諧波信號的轉速辨識方法;旋轉高頻注入轉子凸極檢測法;漏感脈動檢測法;dq阻抗差異定向法;飽和凸極檢測方法。對電機參數的檢測有離線式檢測和在線式檢測兩種方法。
　　無速度傳感矢量控制技術在實現中有幾個特別值得關注的方面，它們對系統控制性能和控制精度有著十分重要的影響。這幾個方面是:
　　（1） 電流及電壓信號的檢測和信號處理技術
　　其中信號的處理技術主要是對檢測到的電流電壓信號如何進行有效精確的濾波，既能重現有效信號同時不產生幅值衰減和相位滯后。比較實用的方法有簡化的擴展卡爾曼濾波器，形態濾波器等。
　　（2） 定子電阻的在線調整問題
　　定子電阻阻值在電機運行時隨著溫度升高有很大的變化，大變化可以達到額定值的150％，如何在運行中在線檢測定子電阻，同時調整相應的控制量，對系統性能的影響是很重要的。
　　（3） 死區效應的補償技術
　　（4） 建立精確的動態電機模型問題
　　在線或者離線測得的電機參數只是在某一時刻得到的，如果參數在運行中發生變化，電機的模型也應該相應的改變，以達到的控制效果。目前實用研究中使用的較多的是模型參考自適應的方法。
　　（5） 逆變器模型的重構問題
　　這個技術主要是針對在極限情況下0Hz運行時提出的。這種情況下功率器件的飽和壓降和集電極電流的時間關系都要加以考慮。
三、PWM調制策略的若干技術
　　早期的PWM調制方法基本上是通過硬件電路模擬產生，主要以正弦波脈寬調制為主，后來發展到模擬和數字電路混和控制，當前的調制技術基本上是通過軟件算法直接實現的。軟件實現有著非常明顯的優勢:程序編寫靈活，修改方便，在相同的硬件條件下可以實現多種調制策略，同時維護方便，抗擾性強。從初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦;從效率，轉矩脈動少，再到消除噪音等，PWM控制技術的發展經歷了一個不斷創新和不斷*的過程。PWM控制技術從控制思想上分，可分為四類，即等寬PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法。近幾年新近提出的不連續的SVPWM方法和隨機PWM方法在這里作為重點加以介紹。
　　1. SPWM法
　　SPWM法從電動機供電電源的角度出發，著眼于如何產生一個可調頻調壓的三相對稱正弦波電源。具體方法是以一個正弦波作為基準波（稱為調制波），用一列等幅的三角波（稱為載波）與基準正弦波相交，由它們的交點確定逆變器的開關模式。為了提高逆變器的輸出電壓幅值，針對SPWM法，人們提出了準優化 PWM法，即三次諧波疊加法。在正弦波中注入一定比例的三次諧波后，調制波的幅值大大降低，在調制波沒有過調制的情況下，可使基波幅值超過三角波幅值，實現調制系數大于1的調制。在這種調制方式下，大調制比可提高到1.15左右，相應直流母線電壓的利用率大可提高15％。
　　2. SVPWM法
　　磁鏈追蹤型PWM法又稱為電壓空間矢量脈寬調制（SVPWM），與SPWM法不同，它是從電動機的角度出發的，著眼點在于如何使電動機獲得圓磁場。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁鏈因為基準，用逆變器不同開關模式所產生的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓，由追蹤的結果決定出逆變器的開關模式，形成PWM波。逆變器的開關模式有8個空間電壓矢量，其中V0、V7為零電壓矢量。SVPWM不僅使得電機轉矩脈動降低，電流波形畸變減小，而且與 SPWM技術相比直流母線電壓利用率有很大提高，在這種調制模式下直流母線電壓的利用率大可提高15％，并易于數字實現。
　　3. 不連續的SVPWM策略（DHPWM）
　　不連續的SVPWM方法是近幾年提出的一種新穎的電壓空間矢量脈寬調制策略，國外文獻稱為不連續的SVPWM策略（DHPWM），國內有些文章稱為混和型調制策略（HPWM）或低開關損耗模式調制。對于連續PWM調制方法，三相調制波都位于其對應載波的峰值之間，因此，所有的連續PWM調制方法，其逆變器的開關損耗都是相同的，且與負載電流的相角無關。降低開關損耗較簡單的方法就是使開關器件不動作，或者在一個周期中盡量少動作。傳統的SVPWM方法中零矢量（V0和V7）的位置在脈寬生成中是對稱存在的，零矢量的導通時間相等，而且位置是固定的，不能改變。如果保持有效導通矢量的時間不變，這樣合成的空間電壓矢量有效值不會受到影響，同時改變零矢量V0和V7在脈寬分配中的位置，使開關動作的次數減少，這就是不連續的SVPWM方法。
　　零矢量的分配和位置不同就會有不同的調制效果。如果在三個相鄰矢量所夾扇區固定選用一個適當的零矢量，可使每一組在一個周期內有120°的扇區內不開關。每相不開關范圍是連續的120°的區域，因而導致上下橋臂的開關損耗不，波形畸變比SVPWM要大很多。如果在相鄰的60°區間選用不同的零矢量，這樣有三種零矢量的分配方案。實際應用中應該盡量使每相開關器件在負載電流較小的區間內開關，安排大的負載電流在不開關的扇區內,這樣不僅可以減少開關次數,同時還可以有效降低開關器件的大開關電流，從而使開關損耗小。該方法可以將開關次數減少到原來SVPWM的1/3，的降低了開關損耗，同時由于插入零矢量的位置改變了逆變器的續流過程，對抑制電流波形的振蕩和失真也有一定的效果。在工程中對該方法調制時的死區效應補償技術的實現存在一定的困難，一種行之有效的方法是在每個扇區內對有效導通主矢量的補償。
　　4. 隨機脈寬調制技術（RPWM）
　　在變頻器供電的交流傳動系統中,噪聲問題以來一直受到人們的關注，在某些低噪聲的場所變頻器和電機所發出的噪聲令人難以忍受。變頻器噪聲主要由逆變器所采用的脈寬調制方法所致。在一般的PWM方法中，逆變器的功率開關是以“確定的”方式通斷的,這種控制方式雖然可以很好地抑制電壓波形中的低次諧波,但卻將產生某些幅值很大的高次諧波,這些諧波主要集中在一倍和兩倍的載波頻率附近,它們將產生明顯的噪聲和振動。近年來出現的隨機脈寬調制（RPWM） 為解決逆變器的噪聲問題提供了一種全新的思路。隨機PWM的基本思想是用一種隨機的開關策略代替常規PWM中固定的開關模式,以使逆變器輸出電壓的諧波頻譜均勻地分布在一個較寬的頻率范圍內,達到抑制噪聲和機械振動的目的。