《变频控制技术及应用——基于西门子MM4系列与S120系列驱动产品》深入浅出地介绍了变频控制基础理论，以西门子MM4系列变频器和SINAMICS S120系列驱动器为例介绍了变频驱动产品的应用知识。全书首先介绍了变频控制的基本原理、变频器的基本结构以及变频器的发展和分类，介绍了变频控制中三种典型脉宽调制技术，以及包括高动态性能矢量控制在内的变频调速系统； 然后以西门子MM4系列变频器为例介绍了变频器常用功能和变频器常用的频率术语，分别介绍了MM4系列变频器和SINAMICS S120系列驱动器的构成、参数以及操作面板调试方法，介绍了SINAMICS S120驱动器的基本定位功能，介绍了西门子驱动产品调试工具软件STARTER的使用方法和图形化编程工具DCC，介绍了SINAMICS S120驱动器的通信功能； 最后介绍了变频调速系统的设备选择与安装、三种典型负载变频调速系统设计、MM4系列变频器和SINAMICS S120系列驱动器的应用实例。

《变频控制技术及应用——基于西门子MM4系列与S120系列驱动产品》从理论到实际应用，内容完整、全面、系统性强。变频控制理论内容深度适中，变频驱动产品应用内容与一些院校的实验设备相配套。全书每章安排有习题并配套1000分钟微课视频，非常适合作为本专科院校自动化、电气工程与自动化、机电、电力电子应用等相关专业的理论教学和实践教学用书，也可作为工程技术人员开发和应用变频驱动产品的参考用书。

作为交流电动机的驱动器，西门子公司生产的MM4系列变频器产品得到了广泛应用。随着变频器技术的发展，尤其是机器人技术在各个领域的广泛使用，推动了伺服驱动器产品的不断更新。现在西门子公司又主推SINAMICS S120系列新一代主流驱动器，既能实现交流电动机的矢量控制，也能作为伺服电动机的驱动电源。其采用模块化、可扩展的结构设计，可根据具体的行业应用量身定制，为所有的驱动任务提供了解决方案，已广泛用于各个行业。例如，简易的泵类和风机驱动； 离心机、压力机、挤压机、升降机、输送和运输设备中要求苛刻的独立驱动装置； 纺织机、薄膜机、造纸机以及轧钢设备的多轴驱动； 风力发电设备中的高精度伺服驱动； 机床、包装和印刷设备使用的高动态伺服驱动装置，等等。鉴于交流驱动产品的发展，编者在书中讲解了MM4系列变频器和SINAMICS S120系列驱动产品内容，并讲解了调试工具STARTER的使用和编程环境DCC，以及SINAMICS S120驱动器的通信功能，使教材能够适应交流驱动技术的发展。

“变频器技术”或“交流调速系统”是很多本专科院校自动化及其相关专业开设的一门主干专业课程，用于讲授变频器控制方面的知识，是一门理论性和实践性都较强的综合性课程。通过该课程的理论和实践教学，能够使学生掌握变频调速原理，变频调速系统的组成，交流变频驱动器的内部结构、常用的功能、参数设定及调试步骤，交流调速系统电气设备的选择与安装，变频控制系统设计等知识。该课程的教学，将电气控制技术、PLC控制技术、调速理论等多门课程的内容综合起来，对培养学生掌握自动化系统的设计、安装、调试及设备改造的综合应用能力有很大的帮助，可培养变频调速系统和伺服系统分析、设计和调试的工程技术人员，以满足社会不断增长的需求。

在本书编写过程中，遵守“理论够用，内容系统，注重能力培养，加强应用”的原则，并结合编者多年教学和科研工作经验，编排内容安排如下。

（1） 第1章和第2章讲解变频控制理论，做到够用即可。主要讲解了变频调速原理、变频器的基本电路结构、变频供电后异步电动机的机械特性、异步电动机动态数学模型、矢量控制理论中的坐标变换理论、矢量控制系统和直接转矩控制系统。

（2） 第3章和第4章以MM4为例介绍了变频器常用功能、变频器中常用的频率术语、MM4系列变频器参数以及参数调试步骤和方法。

（3） 第5~10章从SINAMICS S120驱动系统的构成、参数及BOP20的基本操作、STARTER软件介绍及项目组态和基本调试、SINAMICS S120的基本定位功能、SINAMICS编程工具DCC和SINAMICS S120驱动器的通信功能等方面讲解了SINAMICS S120驱动器知识。

（4） 第11章介绍了变频调速系统电气设备的选择与安装。

（5） 第12章介绍了三种典型的负载类型，以及三种负载类型变频调速系统设计时首要考虑的问题和设计方法。

（6） 第13章通过六个实例介绍了西门子MM4系列变频器和SINAMICS S120系列驱动器的应用。

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本书可作为本专科院校自动化、电气工程与自动化、机电、电力电子技术应用等相关专业的理论教学、实践教学用书和参考书，对提高学生的变频理论水平、实践能力和科研能力都将有很大帮助，也可作为从事开发、应用交流驱动产品的工程技术人员和研究人员的参考用书。

本书由付丽君、孙金根担任主编，沈阳理工大学吴东升、杨青、野莹莹老师，辽宁省电力有限公司马晓奇教授级高级工程师和崔宇博士参与了编写工作。东北大学闫士杰副教授对编写内容提出了宝贵建议和意见，在此表示衷心感谢。在本书编写过程中，编者参阅了大量文献资料，在此对原作者表示诚挚的敬意和衷心的感谢！

由于编者学识有限，书中难免存在错漏，殷切期待各位读者批评指正。

编者

2020年3月

第1章异步电动机变频调速原理及变频器的电路结构

1.1异步电动机的调速方式

1.2异步电动机变频调速原理

1.3变频器的基本电路结构

1.4变频器主电路结构

1.4.1交—交变频器主电路结构及工作原理

1.4.2交—直—交变频器主电路结构

1.5异步电动机变频供电时的机械特性

1.5.1基频以下变频供电时的机械特性

1.5.2基频以上变频供电时的机械特性

1.6变频器的发展

1.6.1变频器的发展历程

1.6.2变频器的主要发展方向

1.7变频器的分类

小结

习题

第2章异步电动机变频调速系统

2.1逆变器的脉宽调制技术

2.1.1正弦脉宽调制控制技术(SPWM控制技术)

2.1.2电流滞环跟踪控制技术(CHBPWM控制技术)

2.1.3电压空间矢量控制技术(SVPWM控制技术)

2.2转速开环恒压频率比控制的变频调速系统

2.3异步电动机矢量控制系统

2.3.1异步电动机动态数学模型

2.3.2矢量控制理论中的坐标变换和坐标变换阵

2.3.3异步电动机在两相同步旋转坐标系下的动态数学模型

2.3.4异步电动机在两相静止坐标系下的动态数学模型

2.3.5异步电动机按转子磁链定向旋转坐标系下的动态数学模型

2.3.6按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统

2.4直接转矩控制系统

2.4.1直接转矩控制的基本思路

2.4.2异步电动机按定子磁链定向旋转坐标系下的数学模型

2.4.3直接转矩控制系统的构成

小结

习题

第3章西门子MM4系列变频器介绍

3.1MM4系列变频器类型

3.2MM4系列变频器的基本构成

3.3MM4系列变频器参数介绍

3.3.1MM4系列变频器的参数类型

3.3.2MM4系列变频器参数说明

3.3.3MM4系列变频器的参数组

3.3.4信号互联BICO参数

3.4MM4系列变频器的控制方式

3.5用BOP修改MM4系列变频器参数的操作方法

3.6MM4系列变频器常用的频率术语及参数

3.7MM4系列变频器的基本功能

3.7.1频率给定功能

3.7.2可编程的V/f特性曲线功能

3.7.3多段速功能

3.7.4多种控制方式选择功能

3.7.5转矩提升功能

3.7.6加减速曲线设定功能

3.7.7停车和制动功能

3.7.8自动再启动和捕捉再启动功能

3.7.9参数静态识别和动态优化功能

3.7.10PID功能

3.7.11保护功能

小结

习题

第4章MM4系列变频器的参数调试

4.1MM4系列变频器的外部端子参数设定

4.1.1数字量输入参数配置

4.1.2继电器输出参数配置

4.1.3模拟量输入参数配置

4.1.4模拟量输出参数配置

4.2MM4系列变频器参数调试步骤

4.3MM4系列变频器基本功能参数调试

小结

习题

第5章SINAMICS S120驱动系统构成

5.1SINAMICS系列驱动器介绍

5.2SINAMICS S120单轴驱动器

5.3SINAMICS S120多轴驱动器

5.3.1SINAMICS S120多轴驱动器控制单元CU3202

5.3.2SINAMICS S120多轴驱动器的电源模块

5.3.3SINAMICS S120多轴驱动器的电动机模块

5.4典型SINAMICS S120多轴驱动系统的基本构成

5.5SINAMICS S120驱动器主要的附加系统组件

5.5.1操作面板

5.5.2I/O端子插板和端子模块

5.5.3通信板

5.5.4DRIVECLiQ集线器模块

5.5.5编码器转换模块

5.5.6CF卡

小结

习题

第6章SINAMICS S120参数及BOP20的基本操作

6.1SINAMICS S120系列驱动器参数简介

6.2BOP20设置的基本参数

6.2.1控制单元参数的设置

6.2.2驱动单元参数的设置

6.3BOP20的基本操作

6.3.1BOP20显示与按键功能

6.3.2BOP20参数访问及修改操作方法

6.3.3BOP20故障与报警显示

6.3.4BOP20基本功能操作

6.3.5采用BOP20控制电动机运行时参数的简单设置

小结

习题

第7章STARTER软件介绍及项目组态和基本调试功能

7.1SINAMICS S120调试软件介绍

7.2SINAMICS S120项目的创建及组态

7.2.1设置通信接口

7.2.2创建驱动项目

7.2.3配置驱动对象

7.2.4项目配置的保存与下载

7.3STARTER软件对驱动对象参数的设置功能

7.4STARTER软件的调试功能

7.4.1控制面板

7.4.2设备跟踪记录

7.4.3函数发生器

7.5电动机数据辨识与驱动系统数据动态优化

小结

习题

第8章SINAMICS S120基本定位功能

8.1SINAMICS S120基本定位功能的激活

8.2SINAMICS S120位置控制中的长度单位LU

8.3SINAMICS S120驱动系统中机械轴的分类

8.4SINAMICS S120的基本定位器(EPOS)

8.4.1SINAMICS S120基本定位中的极限功能

8.4.2SINAMICS S120基本定位中的点动功能

8.4.3SINAMICS S120基本定位中的回零功能

8.4.4SINAMICS S120基本定位中的程序步功能

8.4.5SINAMICS S120基本定位的直接设定值输入/MDI功能

8.5SINAMICS S120中的位置控制器

8.6SINAMICS S120基本定位中的监视功能

小结

习题

第9章SINAMICS 驱动器的编程工具DCC

9.1工艺包装载到驱动器

9.2DCB库文件导入到DDC编辑器

9.3DCC编程及基本规则 

9.3.1DCC图表介绍 

9.3.2DCC编辑器中图表和功能块的插入

9.3.3DCC中功能块的参数声明及互联方法

9.3.4DCC中图表的复制

9.3.5分配图表执行组和采样时间及DCC功能块处理顺序的调整

9.4DCC程序在线监控及动态显示

小结

习题

第10章SINAMICS S120驱动器的通信功能

10.1SINAMICS S120驱动器与HMI的直接通信

10.2PROFIdrive通信协议

10.3SINAMICS S120驱动器的报文类型

10.3.1标准报文

10.3.2制造商专用报文

10.4SINAMICS S120驱动器与SIMATIC S7300 PLC之间通信

10.4.1运动控制工程项目的硬件组态

10.4.2周期性通信与非周期性通信

小结

习题

第11章变频调速系统电气设备的选择与安装

11.1变频器的选择

11.1.1根据负载的特性选择变频器

11.1.2变频器容量的选择

11.1.3变频器箱体结构选用

11.2变频器外围设备及其选择

11.3变频器的安装

11.3.1变频器的安装环境要求

11.3.2变频器的安装方式

10.4变频器的接线

小结

习题

第12章变频调速系统设计

12.1生产机械的负载特性

12.1.1恒转矩负载特性

12.1.2平方降转矩负载特性

12.1.3恒功率负载特性

12.2生产机械对调速系统电气性能指标要求

12.3变频供电时对异步电动机的影响

12.4变频调速时异步电动机的有效转矩线

12.5恒转矩负载的变频调速

12.5.1控制方式的选择

12.5.2改变低频性能与提高电动机转矩控制性能

12.5.3提高恒转矩负载的变频调速范围

12.6恒功率负载的变频调速

12.6.1恒功率负载下的电动机容量选择问题

12.6.2降低电动机容量的方法

12.7平方降转矩负载的变频调速

12.7.1V/f控制特性曲线的选择与节能效果

12.7.2风机的变频调速

12.7.3水泵的变频控制

小结

习题

第13章MM4和SINAMICS S120驱动产品应用实例

13.1MM440变频器在电梯上的应用

13.1.1系统概述

13.1.2系统组成和基本原理

13.1.3变频器参数的设定

13.2MM430变频器在恒压供水中的应用

13.2.1恒压供水变频调速系统的节能原理

13.2.2恒压供水变频调速系统

13.3MM440变频器在离心机中的应用

13.3.1常规电器实现的电杆生产离心机变频调速系统

13.3.2利用BICO功能实现的电杆生产离心机变频调速系统

13.4SINAMICS S120驱动器在拧紧机定位控制中的应用

13.4.1拧紧机自动装配工艺

13.4.2拧紧机定位控制系统的组成

13.4.3拧紧机定位控制系统的软件设计

13.5SINAMICS S120在深海光电复合缆双绞车控制系统中的应用

13.5.1光电复合缆双绞车机构及功能

13.5.2驱动及控制系统构成

13.5.3控制策略设计

13.6SINAMICS S120在铸造起重机中的应用

13.6.1铸造起重机电力拖动调速系统简介

13.6.2铸造起重机控制单元与通信结构的方案

13.6.3铸造起重机采用SINAMICS S120变频调速系统的优点

小结

习题

参考文献

本书配套微课视频

序号

位置

(节)

视 频 内 容

时长

（分:秒:毫秒）

1

1.1

异步电动机的调速方式

9:57:00

2

1.2

异步电动机变频调速原理

20:50:00

3

1.3

变频器主电路基本构成

18:30:00

4

1.3

变频器控制电路的构成

8:37:00

5

1.4.1

交—交变频器主电路结构及工作原理

12:09:00

6

1.4.2

交—直—交变频器主电路结构

12:59:00

7

1.5

异步电动机变频供电时的机械特性

18:08:00

8

2.1.1

正弦脉宽调制控制技术

33:48:00

9

2.1.2

电流滞环跟踪PWM控制技术

9:19:00

10

2.1.3

电压空间矢量定义

12:25:00

11

2.1.3

逆变器开关状态及电压空间矢量

13:46:00

12

2.1.3

电压与磁链空间矢量的关系

16:48:00

13

2.1.3

线性组合法

18:26:00

14

2.2

转速开环恒压频率比控制的变频调速系统

7:01:00

15

2.3.1

异步电动机动态数学模型的性质

11:35:00

16

2.3.1

磁链方程

18:01:00

17

2.3.1

电压转矩运动方程

14:21:00

18

2.3.2

坐标变换基本思路

15:17:00

19

2.3.2

坐标变换的原则

14:22:00

20

2.3.2

坐标变换阵的推导

12:42:00

21

2.3.3

异步电动机在两相同步旋转坐标系下的动态数学模型

11:15:00

22

2.3.4

异步电动机在两相静止坐标系下的动态数学模型

3:52:00

23

2.3.5

异步电动机按转子磁链定向旋转坐标系下的动态数学模型

15:33:00

24

2.3.6

按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统

19:39:00

25

2.4

直接转矩控制系统

11:33:00

26

3.1

MM4系列变频器类型

3:33:00

27

3.2

MM4系列变频器的基本构成

16:37:00

28

3.3.1

MM4系列变频器的参数类型

5:28:00

29

3.3.2

MM4系列变频器参数说明

8:54:00

30

3.3.4

信号互联BICO参数

9:18:00

31

3.4

MM4系列变频器的控制方法

11:45:00

续表

序号

位置

(节)

视 频 内 容

时长

（分:秒:毫秒）

32

3.5

用BOP修改MM4系列变频器参数的操作方法

4:36:00

33

3.6

MM5系列变频器常用的频率术语及参数

10:33:00

34

3.7.1

频率给定功能

6:22:00

35

3.7.3

多段速功能

7:31:00

36

3.7.5

转矩提升功能

5:36:00

37

3.7.6

加减速曲线设定功能

5:26:00

38

3.7.7

停车和制动功能

8:45:00

39

3.7.8

自动再启动和捕捉再启动功能

3:38:00

40

3.7.9

参数静态识别和动态优化功能

12:24:00

41

4.1

MM4系列变频器的外部端子参数设定

18:46:00

42

4.2

MM4系列变频器参数调试步骤

9:33:00

43

4.3

MM4系列变频器基本功能参数调试(1)例41和例43

15:22:00

44

4.3

MM4系列变频器基本功能参数调试(2)例46

26:21:00

45

5.1

SINAMICS系列驱动器介绍

11:42:00

46

5.2

SINAMICS S120单轴驱动器

4:55:00

47

5.3.1

SINAMICS S120多轴驱动器控制单元CU3202

12:15:00

48

5.3.2

SINAMICS S120多轴驱动器的电源模块

31:38:00

49

5.3.3

SINAMICS S120多轴驱动器的电动机模块

7:02:00

50

5.4

典型SINAMICS S120多轴驱动系统的基本构成

13:01:00

51

5.5

SINAMICS S120驱动器主要的附加系统组件

10:53:00

52

6.1

SINAMICS S120系列驱动器参数简介

17:23:00

53

7.1

SINAMICS S120调试软件介绍

3:26:00

54

7.2

SINAMICS S120项目的创建及组态

31:56:00

55

7.3

STARTER软件对驱动对象参数的设置功能

16:17:00

56

7.4

STARTER软件的调试功能

7:35:00

57

7.5

电动机数据辨识与驱动系统数据动态优化

11:46:00

58

8.1

SINAMICS S120基本定位功能的激活

9:40:00

59

8.2

SINAMICS S120位置控制中的长度单位LU

6:23:00

60

8.3

SINAMICS S120驱动系统中机械轴的分类

5:19:00

61

8.4.1

SINAMICS S120基本定位中的极限（Limit）功能

6:09:00

62

8.4.2

SINAMICS S120基本定位中的点动（Jog）功能

12:33:00

63

8.4.3

SINAMICS S120基本定位中回零（Homing）功能

25:58:00

64

8.4.4

S120基本定位中程序步（Traversing Blocks）功能

22:31:00

65

8.4.5

S120基本定位的直接设定值输入与MDI功能

14:52:00

66

8.5

SINAMICS S120中的位置控制器

4:02:00

67

8.6

SINAMICS S120基本定位中的监视功能

6:46:00

68

9.1

工艺包装载到驱动器

3:05:00

续表

序号

位置

(节)

视 频 内 容

时长

（分:秒:毫秒）

69

9.3.3

DCC中功能块的参数声明及互联方法

9:24:00

70

9.3.5

分配执行组和采样时间及功能块处理顺序的调整

3:36:00

71

9.4

DCC程序在线监控及动态显示

3:26:00

72

10.1

SINAMICS S120驱动器与HMI的直接通信

8:43:00

73

10.3

SINAMICS S120驱动器的报文类型

14:54:00

74

10.4.1

运动控制工程项目的硬件组态

19:07:00

75

10.4.2

周期性通信与非周期性通信(1)周期性通信

6:33:00

76

10.4.2

周期性通信与非周期性通信(2)非周期性通信

21:32:00

77

11.1.2

变频器容量的选择

13:04:00

78

12.3

变频供电时对异步电动机的影响

5:07:00

79

12.4

变频调速时异步电动机的有效转矩线

3:17:00

80

12.5.3

提高恒转矩负载的变频调速范围

19:43:00

81

12.6

恒功率负载的变频调速

28:17:00

82

12.7.1

Vf控制特性曲线的选择与节能效果

8:40:00

83

13.1

MM440变频器在电梯上的应用

10:55:00

84

13.3.1

常规电器实现的电杆生产离心机变频调速系统

6:21:00

85

13.3.2

利用BICO功能实现电杆生产离心机变频调速系统

15:26:00

86

13.4

SINAMICS S120驱动器在拧紧机定位控制中的应用

9:50:00

书中系统地对知识进行讲解，从理论到实践形成一个比较完整的体系。

内容组织上依次展开，先从变频控制理论开始介绍，然后介绍西门子MM4系列和S120系列驱动产品的构成以及如何使用，非常适合教师开展教学。

按“西门子杯”中国智能制造挑战赛离散行业运动控制方向内容要求编写S120系列驱动器内容，有助于引导和帮助学生备战比赛，也可作为培训机构的培训教程。

作者多年从事电力拖动自动控制系统方面的教学工作，编写的内容系统性强。

付丽君，副教授，硕士研究生导师，一直从事电气传动方面的教学与科研工作20余年。先后主讲《电力拖动自动控制系统》《变频控制技术》《电机的DSP控制》等专业课。辽宁省本科精品资源共享课《电力电子技术》主要成员。主编和参编教材3部，发表了多篇科研与教研论文。多次指导大学生参加“西门子杯”中国智能制造挑战赛比赛，曾获得全国一等奖、省级特等奖和一等奖等奖项。

孙金根，副教授，硕士研究生导师，从事电气技术工作30余年，高校从教20余年。先后主讲《电力电子技术》《电气控制与PLC》《工厂供电》等课程。辽宁省本科精品资源共享课《电力电子技术》项目主持人及主讲人，本课程已在辽宁省本科教学平台和学习强国平台辽宁频道上线。近年来，完成多项西门子驱动器应用的工程项目；发表多篇科研和教改论文；参编教材4部；发明专利3项。