3.2 G120内置式变频器
SINAMICS G120内置式变频器由多种不同的功能单元组成，其中两种必要的单元包括控制单元（Control Unit，CU）和功率模块（Power Module，PM），如图3-1所示。在CU模块正面的铭牌和PM模块侧面的铭牌上标有型号、订货号和版本等信息，在PM模块的铭牌上还标有电压和电流等技术参数。
SINAMICS G120内置式变频器凭借模块化设计，具有选型简便、维修成本低、部件更换快速、扩展简便、集成通信及高度可靠性等优点。由功率模块PM、控制单元CU和作为可选项的操作面板组成的变频器，通常称为标准型变频器，如图3-2所示。
图3-1 G120变频器的基本模块
a）控制单元CU b）功率模块PM
图3-2 标准型变频器组成
在使用时，首先根据所需电动机功率、供电电压以及制动周期，选择最佳功率模块；再根据 I/O 数量以及所需的功能（如安全集成），或者特殊的泵、风机和压缩机功能，来选择最佳的控制单元；最后根据要求选择诸如操作面板或者密封盖板等附加部件。
3.2.1 控制单元CU
SINAMICS G120系列内置式变频器的控制单元CU可以以多种方式对功率模块PM和所接的电动机进行控制和监控，它为变频器提供闭环控制功能，可根据应用的需要进行相应的参数化。对于SINAMICS G120 标准型变频器，控制单元 CU 的型号主要包括 CU230P-2、CU240B-2、CU240E-2和CU250S-2等系列。
（1）CU230P-2系列控制单元
CU230P-2系列控制单元专门设计了用于泵、风机、压缩机和楼宇技术领域的应用，适用于G120P变频器和G120P变频调速柜，符合要求型号的CU230P-2系列控制单元适用于G120L变频器。工艺功能可选择自有功能块（FFB）、4×PID控制器、级联电路、睡眠模式、应急模式及多区控制等。
（2）CU240B-2系列控制单元
CU240B-2系列控制单元针对采用可调速驱动的基本应用，适用于普通机械制造领域的各种应用，例如输送带、混料机和挤出机，无编码器。工艺功能可选择自有功能块（FFB）、1×PID控制器及电动机抱闸等。
（3）CU240E-2控制单元
CU240E-2控制单元针对普通机械制造领域的标准应用，例如传输带、混料机和挤出机，无编码器。工艺功能可选择自有功能块（FFB）、1×PID控制器及电动机抱闸等。
（4）CU250S-2控制单元
CU250S-2控制单元适用于对转速控制有高要求的独立驱动（如挤出机和离心机）以及定位任务（如输送带和升/降机），也可实现无直流耦合的多电动机驱动，例如拉丝机及简易物料输送带。工艺功能可选择自有功能块（FFB）、1×PID控制器及电动机抱闸等。
G120标准型变频器的CU模块的具体型号及相关技术参数见表3-2，其他详细参数可查看硬件手册。
表3-2 G120标准型变频器的 CU模块的具体型号及相关技术参数
（续）
SINAMICS G120标准型变频器提供具有集成的安全功能（Safety Integrated），集成的安全功能类型见表3-3。设备提供的集成的安全功能种类取决于控制单元的类型，不同的控制单元所集成的安全功能见表3-4。
表3-3 集成的安全功能类型
表3-4 控制单元所集成的安全功能
①SBC功能需要安全制动继电器。
②SSM可能只适用于 CU240E-2 DP-F/CU240E-2 PN-F 控制单元（带 PROFIsafe）。
③带扩展安全功能许可证。
SINAMICS G120变频器的控制单元CU在使用时，必须插入MMC存储卡。相应的存储卡插槽位于控制单元的顶部。MMC存储卡中存有变频器的参数设置。
3.2.2 功率模块PM
SINAMICS G120的功率模块PM用于对电动机供电，由控制单元CU里的微处理器进行控制，从而对需要调速的交流电动机进行驱动。SINAMICS G120内置式变频器主要的功率模块型号包括：PM230、PM240、PM240-2 和 PM250，外形尺寸有 FSA、FSB、FSC、FSD、FSE、FSF和FSGX等规格。另外，PM330L功率模块为G120L变频器的功率模块，只准许柜内安装，且只可与CU230P-2 相应型号的控制单元匹配使用，这里不做介绍。
（1）PM230 功率模块
P M230功率模块是按照不进行再生能量回馈设计的，适用于泵、风机和压缩机的驱动，功率因数高，谐波小。它不带内置制动斩波器，最大直流母线电压控制制动斜坡。该功率模块防护等级有IP20、IP20PT、IP55三种，可与CU230P-2、CU240B/E-2等控制单元匹配使用。
（2）PM240 功率模块
P M240功率模块是按照不进行再生能量回馈设计的，制动中产生的再生能量通过外接的制动电阻转化为热能进行消耗。P M240 功率模块广泛适用于通用的机械制造领域，它的防护等级为IP20，可与所有类型的控制单元匹配使用。
（3）PM240-2功率模块
P M240-2功率模块是按照不进行再生能量回馈设计的，制动中产生的再生能量通过外接的制动电阻转化为热能进行消耗。P M240 功率模块可穿墙式安装，广泛适用于通用的机械制造领域，它的防护等级有IP 20和IP 54两种，可与所有类型的控制单元匹配使用。
（4）PM250 功率模块
P M250功率模块采用了一种创新的电路设计，它可以与电源进行能量交换。这种创新的电路允许再生的能量回馈到电网，达到节能的目的。P M250 适合的应用场合与 P M240 完全相同，它的防护等级为IP20，可与所有类型的控制单元匹配使用。
SINAMICS G120变频器的功率模块PM的功率参数见表3-5。
表3-5 SINAMICS G120变频器的功率模块PM的功率参数
功率模块P M240-2和P M250支持集成安全功能。外形尺寸为FSGX的功率模块P M240（即功率在160kW以上）仅适用于基本安全功能（STO、SS1 和 SBC）。
控制单元CU与功率模块PM（IP20）的组合使用见表3-6。另外，集成 A 级或 B 级滤波器、防护等级IP55/UL 12型、功率范围0.37～90kW的功率模块PM230是G120P变频器（用于泵、风机及压缩机等）的组成部分。
表3-6 G120变频器控制单元与功率模块的组合
3.2.3 操作面板BOP/IOP
SINAMICS G120变频器的操作面板可以很方便地实现对变频器进行本地操作和监控。操作面板的类型包括基本操作面板（BOP-2）和智能操作面板（IOP），如图3-3所示。
图3-3 变频器G120操作面板
a）基本操作面板（BOP-2）b）智能操作面板（IOP）
（1）基本操作面板（BOP-2）
基本操作面板（BOP-2）采用两行文本显示屏，文本中最多可带有2个过程值。通过基本操作面板上的导航键，可以方便地对变频器进行本地控制。该操作面板可同时显示参数和参数值，方便直观，可提供菜单提示式诊断。变频器的参数可以复制上载到操作面板，并在必要的时候下载到相同类型的变频器中。
对于基本操作面板（BOP-2），可直接安装在控制单元上，也可以通过柜门安装套件安装在开关柜的柜门上（防护等级可达IP 54/UL 12 型）。
（2）智能操作面板（IOP）
智能操作面板（IOP）采用较大的纯文本显示、菜单提示和应用向导，使标准型变频器的调试十分便捷。由于IOP是以纯文本、说明性帮助文本以及参数过滤器显示参数，故无须查看纸质的操作手册中的参数列表，即可基本上完成调试。如果变频器发生故障，则IOP会以纯文本显示故障和报警，进而能够以十分友好的方式排除故障。IOP 使用 INFO 键可显示说明性帮助文本，该操作面板的状态显示屏最多可以显示 4 个图形或数字式过程值，还可以显示过程值的技术单位。
智能操作面板（IOP）不仅可以直接安装在控制单元上，或通过柜门安装套件安装在开关柜的柜门上（防护等级可达IP 54/UL 12 型），还提供手持规格。智能操作面板（IOP）通过手持可方便地实现现场调试。
3.2.4 变频器系统其他部件
为使变频器适用于不同的使用场合和环境条件，SINAMICS G120变频器还有很多可选的部件，例如屏蔽连接套件、DIN导轨安装适配器、进线滤波器、电源电抗器、输出电抗器、正弦滤波器、制动电阻和制动继电器等。
（1）屏蔽连接套件和DIN导轨安装适配器
屏蔽连接套件为电源电缆和电动机电缆提供了理想的屏蔽元件和保护，它由屏蔽板、齿形卡圈和螺钉组成，其安装示意如图3-4所示。
图3-4 屏蔽连接套件及其安装
DIN导轨安装适配器用于将功率模块安装在间隔只有100 mm 的两个导轨之间。
需要注意的是，并不是所有功率模块都配有屏蔽连接套件和导轨适配器。P M230 和P M240-2功率模块本身配有屏蔽连接套件，其他功率模块的屏蔽连接套件是选装部件，需单独订购。与P M240、P M250 和P M260功率模块相配套的屏蔽连接套件以及DIN导轨安装适配器的订货号见表3-7。
表3-7 屏蔽连接套件以及DIN导轨安装适配器的订货号
（2）进线侧电源组件
进线滤波器、进线电抗器、熔断器和断路器为可用于G120变频器基本单元的进线侧电源组件。
①进线滤波器
加装附加的进线滤波器的功率模块可以提高抗射频干扰的等级。进线滤波器实物外观如图3-5和图3-6所示，分别适用于FSA尺寸的P M240和FSGX尺寸的P M240。带有集成电源滤波器的变频器无须外部滤波器。
图3-5 用于PM240 FSA的进线滤波器
图3-6 用于PM240 FSGX的进线滤波器
机座号为FSA/FSB/FSC/FSD/FSE/FSF、防护等级为IP20的PM230电源模块可以供带/不带A级集成式进线滤波器的产品使用。机座号为FSGX的PM240电源模块可以使用外部A级进线滤波器。机座号为FSC的PM250电源模块只供带集成式A级过滤器型产品使用，要想达到B级要求，必须为其额外安装一个B级基本型过滤器。进线滤波器的规格选择取决于所使用的功率模块。
②进线电抗器
进线电抗器可提供过电压保护，抑制电网谐波，并减少整流电路换相时产生的电压缺陷。当系统的故障率高时，需要加装进线电抗器以保护变频器不受过大的谐波电流的干扰，从而防止过载，并将进线谐波限制在允许的值内。适用于FSA尺寸的 P M240-2和适用于FSGX尺寸的P M240进线电抗器实物外观如图3-7和图3-8所示，而机座尺寸为FSD/FSE/FSF的 P M240-2 功率模块中集成了一个直线母线电抗器，不需要进线电抗器。进线电抗器的规格选择取决于所使用的功率模块。
图3-7 适用于PM240-2 FSA的进线电抗器
图3-8 适用于PM240 FSGX的进线电抗器
需要注意的是，在某些功率模块型号和主电源上，如果不使用电源电抗器，可能会损坏变频器以及电气设备或系统中的其他组件。
另外，要符合IEC标准，还必须考虑加装如熔断器和断路器等进线侧部件。
（3）直流母线部件
G120变频器可以选择制动电阻、制动模块和制动继电器作为直流母线部件。
①制动电阻
制动电阻用于消耗直流母线的多余能量，可以使大转动惯量的负载迅速制动。功率模块可以通过集成的制动削波器来控制制动电阻。
由于功率模块P M240和P M240-2集成了制动斩波器，且不具备将再生能量回馈至供电系统的能力，因此需要搭配使用制动电阻。适用于FSD尺寸规格的P M240-2的制动电阻和适用于FSGX尺寸规格的P M240的制动电阻实物外观如图3-9和图3-10所示。对于再生式运行，例如制动转动惯量较大的质量体时，必须连接制动电阻，从而将能量转化为热能。制动电阻的规格选择取决于所使用的功率模块。
图3-9 适用于PM240-2 FSD的制动电阻
图3-10 适用于PM240 FSGX的制动电阻
制动电阻可以安装在功率模块 PM240 和 PM240-2 的侧面，与尺寸FSD/FSE/FSF/FSGX的功率模块配套的制动电阻则应安装在开关柜或控制室外，以便使发散出的热量能够远离功率模块所在的区域，这样可降低空气调节装置的能耗。每个制动电阻均配备了一个温度开关（UL 认证），必须对温度开关进行分析，从而在制动电阻热过载的情形下避免对其造成损害。
②制动模块
为了在掉电时实现驱动的可控停车（例如紧急回退或急停类别1），以及在短暂的再生式运行中限制直流母线电压，需要使用一个制动模块，并为其搭配外部电阻。制动模块独立于变频器控制而自主工作，运行期间，直流母线中的多余电能由外部制动电阻转换为热量。制动模块实物外观如图3-11所示。
图3-11 制动模块
制动模块组件用于配合FSGX尺寸的功率模块PM240，其结构设计针对内置式安装，并通过功率模块的风扇进行冷却，电子器件由直流母线供电。该模块通过供货范围中包含的汇流排套件连接至直流母线。标准配置的制动模块配备1个直流母线接口、1个制动电阻接口、1路数字量输入（禁用制动模块/应答故障）、1路数字量输出（禁用制动模块）、1个DIP开关（用于调节响应阈值）。制动模块硬件接线原理图如图3-12所示。
图3-12 制动模块硬件接线原理图
③制动继电器
制动继电器有一个用于控制电动机抱闸线圈的开关触点（常开触点），西门子订货号为6SL3252-0BB00-0AA0的制动继电器实物外观如图3-13所示。
（4）输出侧电源组件
G120变频器的输出侧电源组件包括输出电抗器、正弦波滤波器等。
①输出电抗器
由于G120变频器内部快速接通的 IGBT 会产生很高的电压急升，使用较长的电动机电缆时，逆变器中的每个换向操作都会对电缆电容进行快速充电。这样，逆变器就会承受巨大的附加电流尖峰。
使用输出电抗器，可以通过电抗器的电感对电缆电容进行缓慢充电，降低附加电流尖峰的高度。即输出电抗器用于降低电压上升率和电流尖峰值，允许连接更长的电动机电缆。部分输出电抗器的实物如图3-14和图3-15所示。
图3-13 制动继电器
图3-14 PM230 FSA和PM240-2FSA的输出电抗器
输出电抗器的规格选择取决于所使用的功率模块。使用输出电抗器时必须注意以下几点：允许的最大输出频率为150Hz（PM240）或200Hz（PM230 和PM240-2），允许的最大脉冲频率为4 kHz；输出电抗器应尽可能靠近功率模块安装。
②正弦滤波器
位于变频器输出端的正弦滤波器既能限制电动机绕组上的电压上升率，也能限制峰值电压，可为电动机提供接近正弦波的电压，因此无须特殊电缆，即可连接标准电动机。正弦滤波器不用于P M230和P M240-2功率模块。
适用于FSGX尺寸规格功率模块P M240 FSGX的正弦波滤波器如图3-16所示。
图3-15 PM240 FSGX的输出电抗器
图3-16 适用PM240 FSGX的正弦滤波器
正弦滤波器与输出电抗器一样，允许连接更长的电动机电缆，最大电动机电缆长度可增加到300 m。此外，由于轴承电流显著降低，故可以在G120变频器上运行带标准绝缘或不带绝缘轴承的标准电动机。
正弦滤波器在电磁兼容性方面也起到积极作用，因而从电磁兼容的角度，当电动机电缆较短时，不再绝对强制要求使用屏蔽型电动机电缆。
应用正弦滤波器，电动机上由变频器造成的额外损耗和噪声也都明显降低，电动机的噪声等级因此与直接在电网上运行时差不多。
使用正弦滤波器时必须注意以下几点：运行时脉冲频率只允许在4～8 kHz之间，而功率在110kW以上的功率模块（根据铭牌）只允许4 kHz的脉冲频率；变频器功率降低5%；电压位于380～480 V之间时，变频器的最大输出频率为150Hz；正弦滤波器不可以空转，连接了电动机后方可运行和调试；无须输出电抗器。
3.2.5 选型、配置和调试软件
对于SINAMICS G120 标准型变频器，可以使用电子选型、配置和调试软件工具进行硬件选型、配置和调试。
(1) Drive Technology Configurator (DT Configurator)
该软件工具作为选型指南，集成在西门子交互式产品样本中，包含在西门子离线版网上商城（DVD 光盘）中，含有超过100000多个驱动技术产品。使用Drive Technology Configu-rator 软件，可以从丰富的驱动产品中选择最合适的变频器和电动机。
(2) DT Configurator
DT Configurator软件工具可以免安装、直接在线使用。通过地址www.siemens.com/dt-configurator，即可访问西门子网上商城中的 DT Configurator软件工具。
（3）SIZER for Siemens Drives 选型工具
SIZER for Siemens Drives选型工具可方便地实现对 SINAMICS 及MICROMASTER 4 系列驱动的选型。该软件可选择执行驱动任务所需的硬件组件和固件组件，涵盖了整个驱动系统的选型设计。
（4）Drive ES软件
Drive ES软件是一种配置系统，可以组态、分析、诊断和启动西门子运动控制单元，通过该系统可将西门子驱动技术以简便、省时且经济高效的方式集成在SIMATIC自动化系统中，涉及通信、选型和数据维护。Drive ES软件包含Drive ES Basic 和Drive ES PCS等多个版本。
（5）STARTER调试工具
变频器调试软件 STARTER可使用菜单帮助向导实现变频器的调试、优化和诊断，不仅可以用于SINAMICS变频器，还可以用于MICROMASTER4系列等变频器。
（6）SINAMICS Startdrive 调试工具
SINAMICS Startdrive调试工具作为选件集成在TIA博途中，用于 SINAMICS 系列驱动的配置、调试及诊断。通过 SINAMICS Startdrive 可使用 SINAMICS G110M、SINAMICS G120、SINAMICS G120C、SINAMICS G120D和SINAMICS G120P 系列变频器应对各种驱动任务。此调试工具在TIA博途软件平台中使PLC、HMI 和驱动纳入统一的共同工作环境。