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Sinamics S120 Combi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。集成式驱动器的开发背景
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14 kW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。
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)。
图1 Sinamics S120 Combi –集成式驱动器，针对恶劣的工业环境和弱电网设计
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Sinamics S120 Combi 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。Sinamics S120 Combi 集成式驱动器不是简单地将书本型Sinamics S120“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Sinamics S120 Combi 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，Sinamics S120 Combi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，Sinamics S120 Combi 也是针对电源电压3 AC 380 V – 480 V设计的。和3 AC 200 V 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3 AC 380 V – 480 V的电网为主。
图2 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Sinamics S120 配套使用的西门子电机可以在所有低于3 AC 480 V 的电源电压上运行。
原先3 AC 200 V 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，Sinamics S120 Combi 也可以将再生电能反馈回电网。nextpage
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[1] x 260 毫米 x 304 毫米)外，如何尽量节约接线空间也是关键。 鉴于该因素，Sinamics S120 Combi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 80 mm 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)。
图3 紧凑耐用的驱动器，集成了EMC屏蔽端子
Sinamics S120 Combi 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)。
图4 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
Sinamics S120 Combi 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290 m3/h，大大高于实际要求的 160 m3/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 °C 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Sinamics S120 Combi 设备也是为高温环境设计的。因此，在控制柜内温度达到 55°C时，设备仍可运行。在温度达到45 °C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。
Sinamics S120 Combi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3 AC 415 V TT 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，Sinamics S120 Combi 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Sinamics S120 Combi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Sinamics S120 Combi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(Servo Voltage Stabilizer，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±100 V调节一天内的电压差。 在Sinamics S120 Combi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，Sinamics S120 Combi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，Sinamics S120 Combi 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S120 Combi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
Sinamics S120 Combi基本配置可驱动三根到四根进给轴，有六种型号供货（下表）。
Sinamics S120 Combi集成式驱动器的六种型号表
所有型号的尺寸相同[1, 2]。
西门子提供18 A以下的紧凑书本型S120 扩展模块。额定整流功率为16 kW 或20 kW，可为扩展模块提供足够裕量。
Sinamics S120 Combi可与Sinumerik 828D 和 840D sl BASIC数控系统完美配合应用。
