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针对紧凑型数控车床和铣床的全新驱动方案
来源:西门子 作者: 浏览次数:0
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2011年,一款高度集成、可广泛应用于常规车床和铣床的驱动器SinamicsS120Combi投放市场。该驱动器集成了电源模块、一个用于驱动主轴电机的电机模块、两到三个用于驱动进给电机的电机模块(后者的功率相对较低)。驱动器有六种型号可选,但其应用几乎可覆盖一半单轴数控机床的应用。
  在全球生产的数控车床和铣床中,几乎有一半的主轴功率在14kW以下。简单的数控车床通常只配备两根几何轴(X轴和Z轴)和一根主轴,因此三个电机模块就可以驱动整台车床。在一些简单车床上有时也会配备一把动力刀具,极个别情况下还会配备伺服刀塔或尾架。总之,在常规车床上六个电机模块足够。
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Sinamics S120 Combi – 集成式驱动器,针对恶劣的工业环境和弱电网设计
简单的铣床通常配备三根几何轴(X轴、Y轴和Z轴)和一根主轴,因此四个电机模块就可以驱动整台铣床。铣床上有时也会配备另外两根几何轴(A轴和C轴),这种情况下六个电机模块就可以满足使用。
  对于常规数控机床而言,将电源模块和三到四个电机模块集成为一个单元,是最佳的驱动方案。该单元还具有扩展性,可以驱动附加的一到两根几何轴(图1)。对于最终用户而言,这种集成式驱动器到底有什么优势呢?
集成式驱动器的优势
  相对于由独立的电源模块和电机模块构成的模块式驱动器,这种针对常规机床结构定制的集成式驱动器更具优势。
  西门子在开发SinamicsS120Combi驱动器时,免去了模块间的接口,优化了驱动器的结构。对于OEM而言,这意味着安装更简单同时不再使用直流母线连接,因此OEM投入控制柜设计的时间得以缩短。
  接口的消失同时还提高了驱动器的耐用性。SinamicsS120Combi集成式驱动器不是简单地将书本型SinamicsS120“打包”在一起,而是在同一块与安装面平行的电路板上以最佳的方式布置所有组件,这些组件可以驱动所有轴。因此,和狭长的模块式组件相比,集成式驱动器中的功率半导体和散热器之间的接触更加紧密。将穿墙式散热器安装在控制柜外部时(即所谓的外部冷却),内部损耗可降至最低,从而无须对控制柜采取额外的内部冷却措施,这种方式可节约成本。
  在SinamicsS120Combi驱动器上,内部损耗占总损耗的15%到19%,而在50毫米宽的书本型S120组件上,内部损耗大约占50%。除了功率半导体和散热器之间的接触更佳外,驱动器的高度和宽度之比几乎和散热器的相同,这种尺寸也使散热效果更佳。
选择适宜的电源电压,降低损耗
  除了内部损耗更低外,SinamicsS120Combi的电源模块采用了经过改良的“智能式”控制,因此驱动器的总功秏也有所降低,尤其是在非满载模式下。和书本型驱动器一样,SinamicsS120Combi也是针对电源电压3AC380V–480V设计的。和3AC200V设备相比,它最多可降低20%的损耗。在最主要的机床使用国中(图2),基本上以3AC380V–480V的电网为主。
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全球电网分布:即使在易波动的电网中,也要确保控制器和驱动器的安全供电
直流母线电压越高,电机上的端电压也越高,因此可进一步降低电机的损耗。和SinamicsS120配套使用的西门子电机可以在所有低于3AC480V的电源电压上运行。
  原先3AC200V设备的变压器不再需要,因此进一步降低了损耗。此外,和书本型设备一样,SinamicsS120Combi也可以将再生电能反馈回电网。
控制柜中占地少、安装简单
  在结构紧凑的机床上,如何节约控制柜中的空间尤其重要。除了改进设备尺寸外(高x宽x深:380毫米x260毫米x304毫米)外,如何尽量节约接线空间也是关键。鉴于该因素,SinamicsS120Combi的功率连接器位于设备正面底部的开孔中,这样功率电缆除了需要保持80mm的通风间距外,在高度上不再有间距要求。另外,由于连接器更易操作,接线也更加方便。设备内甚至还集成有EMC屏蔽端子,免去了外部屏蔽(图3)。
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紧凑耐用的驱动器,集成了 EMC 屏蔽端子
SinamicsS120Combi针对外部冷却方式进行了改良,但是在必要时它也可以整个安装在控制柜内部,使用配套的安装框架即可安装。外部冷却的优点是控制柜内只残留15%到19%的损耗热量,大部分热量散发到控制柜外部。因此控制柜冷却装置的功率可大大降低,通常一个简单的换热器足够,而不再需要空调装置(图4)。
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Sinamics S120 Combi 安装方式:控制柜内部或外部,取决于可用空间和冷却方案
仅86毫米高的风扇模块位于设备顶部。和加固板组合使用可为OEM提供全套的外部冷却方案,OEM无需再设计更多固定板。
面向条件恶劣车间的设计
  SinamicsS120Combi是针对恶劣的生产环境开发的。散热片之间的间距更宽,可以防止受到灰尘、冷却剂和润滑剂的污染。风扇位于设备顶部,因此不再会附着凝结在散热片上的润滑剂。风扇出风量可达290m3/h,大大高于实际要求的160m3/h。这种大风量风扇一方面可吹去散热片上的异物,另一方面也可以更有效地降低设备顶部和顶部之间的温差,从而延长设备寿命。风扇是针对高温环境设计的,即使在70℃的高温下寿命仍可达35000个小时。风扇防护等级为IP54,电子元器件为硬质浇注料。轴承采用Nirosta滚珠轴承,即使在充满润滑剂油雾的环境下也能可靠工作。风扇功能由驱动器监控,在风扇失灵时驱动器会发出预警提示用户,此时用户仍能继续加工。
  除了风扇外,整台SinamicsS120Combi设备也是为高温环境设计的。因此,在控制柜内温度达到55℃时,设备仍可运行。在温度达到45℃时甚至不会出现降容。内部风扇同样受到监控,防止设备内部出现热源,避免电解电容器提前变干。
  SinamicsS120Combi的所有电路板都喷有保护漆,确保设备在高湿环境和有害气体环境下仍坚固耐用。
在恶劣电网中仍能运行
  除了环境条件外,在一些主要的机床使用国家中(比如:中国和印度),电网质量也很关键。印度采用的是3AC415VTT电网,即不设保护地的电网,最佳保护是通过剩余电流保护开关实现的。针对此条件,SinamicsS120Combi具有低放电电流的设计。同时在此类环境下,电源滤波器可能会降低生产效率,因此SinamicsS120Combi的设计还应该适应没有滤波器的运行。此外,印度还经常停电(一天停电10次属于正常现象)、单相电压骤降或三相电压骤降,而能否迅速恢复电源对于整流IGBT的自振荡二极管非常关键。因此SinamicsS120Combi上采用了非常坚固耐用的自振荡二极管。另外,电源模块的控制经过优化,只有出现危急硬件的故障时,电源模块才会关闭。因此,设备可在两相电源上短暂运行,而不会立即关闭。
  在亚洲,电网电压的剧烈波动通常是用稳压器(ServoVoltageStabilizer,SVS)来稳定的。稳压器实际上是一台马达式自耦变压器,可以用±100V调节一天内的电压差。在SinamicsS120Combi设计之初,就考虑了和该设备的组合。其功能也在印度的稳压器上得到实际验证。
集成设计,但不失灵活性
  在一些常规标准车床和铣床上,有时需要不止两个电机模块。因此,SinamicsS120Combi上保留了久经验证的直流母线连接,可以备连接最多两个S120书本型紧凑电机模块。因此,SinamicsS120Combi集成式驱动器也继承了模块式书本型S120的部分灵活性。
  连接S120书本型紧凑电机模块时,该模块整个安装在控制柜内部,即使S120Combi的散热器安装在控制柜外部。在小型电机模块上,损耗功率的影响非常小。
六种型号供货
  SinamicsS120Combi基本配置可驱动三根到四根进给轴,有六种型号供货(图5),所有型号的尺寸相同,西门子提供18A以下的紧凑书本型S120扩展模块。额定整流功率为16kW或20kW,可为扩展模块提供足够裕量。此外,SinamicsS120Combi可与Sinumerik828D和840DslBASIC数控系统完美配合应用。

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