第2章 S120的系统组件介绍及选型

2.1 S120系统组件组成

SINAMICS S120系统组件如图2-1所示。

SINAMICS S120驱动控制系统最基本的功能是实现转速电流双闭环控制，还可以实现基本的位置转速电流三闭环控制。其控制结构如图2-2所示，包括给定环节（目标设定值）、偏差比较（目标值与实际值做差）、控制器（位置控制器、速度控制器、电流控制器）、执行机构（PWM脉宽调制方式的交直交变频器）、被控对象（电动机）、检测反馈（电流检测、编码器速度检测、编码器位置检测），还包括速度预控制和转矩预控制环节。

其中，执行机构由S120的功率部分组件实现，S120的控制单元能够实现速度控制器、电流控制器和基本位置控制器的功能，复杂的位置控制则需要SIMOTION控制单元或高端PLC控制器实现。本章即按照变频器功率部分组件和控制系统组件介绍SINAMICS S120驱动系统的组件。

SINAMICS S120驱动系统可分为以下两个大类：AC/AC单轴驱动系统和DC/AC多轴驱动系统。下面分别介绍这两类驱动系统组件结构。

西门子变频器均为电压型交直交变频器，整流单元用于将电网的三相交流电变成直流，直流部分由电容储存能量，逆变单元用于将直流变为不同频率的三相交流电。SINAMICS S120 AC/AC单轴驱动系统是将整流单元和逆变单元集成在一起，适用于单轴的模块化驱动系统，如图2-3所示，由一个控制单元（CU）或控制单元适配器（CUA）、一个功率模块（PM）构成，其系统组件结构如下：

1）电源：用于提供驱动系统中各模块用到的24V直流电。

2）控制单元：为驱动系统的核心，完成转速电流双闭环（或位置转速电流三闭环）控制，与功率模块通过DRIVE-CLiQ电缆连接，并传递控制信息和状态信息；附加系统组件中的端子模块可用于CU的I/O端子扩展，通信选件板卡可用于扩展通信接口。

3）电源端组件：由电网供电（三相/单相交流电），在进线侧按电气顺序依次连接开关/刀闸、熔断器/断路器、接触器（电气隔离时需要）、进线滤波器（可选）、进线电抗器（可选），将符合EMC要求的交流电送入功率模块。

4）功率模块：为集成的整流和逆变单元，可实现交直交变换，为电动机提供动力，可以带或不带内置进线滤波器（EMC滤波器）和内置的制动斩波器（制动单元和制动电阻）。

5）编码器模块（SM）：将编码器信号转换成DRIVE-CLiQ可识别的信号，所有电动机必须通过编码器模块才能与功率模块相连，若电动机含有DRIVE-CLiQ接口（内含SMI编码器模块），则不需要此模块。

SINAMICS S120 DC/AC多轴驱动系统中整流单元（电源模块）和逆变单元（电动机模块）分开，这样可将多个逆变单元连接到直流母线上，实现多轴控制，多个逆变单元之间也可以实现能量交换。

DC/AC多轴驱动系统如图2-4所示，根据功率不同，可分为书本型和装机装柜型，其系统组件结构略有不同：

1）电源：用于提供驱动系统中各模块用到的24V直流电。

2）控制单元：为驱动系统的核心，完成转速电流双闭环（或位置转速电流三闭环）控制，与功率模块通过DRIVE-CLiQ电缆连接，传递控制信息和状态信息；附加系统组件中的端子模块可用于CU的I/O端子扩展，通信选件板卡可用于扩展通信接口。

3）电源端组件：由电网供电（三相/单相交流电），在进线侧按电气顺序依次连接开关/刀闸、熔断器/断路器、接触器（电气隔离时需要）、进线滤波器（可选）、进线电抗器（必选），将符合EMC要求的交流电送入电源模块。

4）调节型接口模块（AIM）：与电源模块ALM配合使用，内含滤波器、电抗器、预充电回路、电源电压检测模块等。

5）电源模块：是一个整流器，可将三相交流电变为直流电，也可将能量回馈电网，可以根据再生回馈能力和能量回馈要求来选择整流单元。

6）直流母线组件（选件）：用于稳定直流母线电压，包括制动单元和制动电阻、电容模块和控制电源模块等。

7）电动机模块：是一个逆变器，通过PWM脉宽调制方式将直流母线电压变为频率大小可调的交流电，为电动机供电。

8）编码器模块（SM）：将编码器信号转换成DRIVE-CLiQ可识别的信号，所有电动机必须通过编码器模块才能与电动机模块（MM）相连，若电动机含有DRIVE-CLiQ接口，则不需要此模块（内含SMI模块）。

9）输出侧组件（用于装机装柜型）：能够在变频器向电动机供电时减小线路中的谐波成分，保护机电系统安全运行，包括输出电抗器、dv/dt滤波器、正弦滤波器。书本型S120驱动系统中仅含输出电抗器，装机装柜型S120驱动系统中还可包括dv/dt滤波器和正弦滤波器。另外，由于输出侧组件会影响系统响应速度，对于高动态性能要求的伺服控制，输出侧组件不宜接入系统。