Mục tiêu:
Bài báo cáo sẽ cung cấp cho chúng ta cái nhìn tổng quan về dòng biến tần trung thế dòng Sinamic Perfect Harmony của siemens từ nguyên lý hoạt động cũng như ứng dụng của dòng biến tần này trong công nghiệp. Thông qua đó để giúp người đọc đặc biệt là các kỹ sư có thể biết cách ra mã đặt hàng biến tần để đáp ứng yêu cầu cho ứng dụng của mình.

Nội dung chính gồm 3 phần :

I. Giới thiệu tổng quan về dòng biến tần trung thế và dòng biến tần Sinamic Perfect Harmony Driver

II. Thiết kế và nguyên lý hoạt động của biến tần

III. Ví dụ phân tích thông số của một mã biến tần

Nội dung chi tiết

I. Tổng quan biến tần trung thế

Họ biến tần trung thế

SINAMICS
PERFECT HARMONY
GH180

SINAMICS GM150
(IGBT/IGCT)

SINAMICS SM150
(IGBT/IGCT)

SINAMICS GL150

SINAMICS SL150

Dải công suất

150 kW to 60 MW

700 kW to 17 MW

2.8 MW to 30.6 MW

6 MW to 120 MW

3 MW to 36 MW

Ứng dụng

Phổ thông

Phổ thông

Có độ phức tạp cao

Phổ thông

Có độ phức tạp cao

Loại động cơ

Động cơ đồng bộ và không đồng bộ

Động cơ đồng bộ và không đồng bộ

Động cơ đồng bộ và không đồng bộ

Động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ và không đồng bộ

Trả năng lượng về lưới

Không

Không

Hỗ trợ nhiều động cơ

Không

Không

Không

Không

Công nghệ bán dẫn

LV-IGBT
(cell-type topology)

HV-IGBT/IGCT
(NPC topology)

HV-IGBT/IGCT
(NPC topology)

Thyristor
(LCI topology)

Thyristor
(cycloconverters)

Ứng dụng điển hình

Bơm, quạt, máy nén, máy đúc, máy trộn, máy nghiền, máy khuấy, hệ thống băng tải,  máy ép

Bơm, quạt, máy nén, máy đúc, máy trộn, máy nghiền, máy khuấy

Máy cán, băng tải

Máy nén, bơm quạt, truyền động tàu thủy, lò cao

Máy cán, máy nâng, máy xúc, máy nghiền

 

Nói về biến tần trung thế, siemen là số 1 không bị cạnh tranh trong lĩnh vực này không chỉ cả về dải công suất của sản phẩm cũng như thị phần. Dải công suất của biến tần trung thế là độc nhất trên thế giới.

– Điện áp đầu vào từ 2.3 đến 13.8 KV

– Dải công suất liên tục từ 150KW tới 120MW

Có biến tần cho một động cơ và hệ thống cho nhiều động cơ

– Hệ thống điều chỉnh sóng hái với động cơ đồng bộ vầ không đồng bộ

– Tốc độ động cơ từ 10 tới 15000 vòng/phút ở dải megawat

Dòng biến tần sinamics Perfect harmony Drive

1. Lợi ích khi sử dụng

+ Giảm thiểu chi phí hoạt động

+ Điều khiển quá trình chính xác

+ Giảm thiểu chi phí bảo dưỡng

+ Tăng hiệu quả sản xuất

+ Độ tin cậy cao

+ Giao diện người dùng trực quan

Với những ưu điểm trên làm cho Sinamics Perfect Hamony trở thành sự lựa chọn đáp ứng được độ tin cậy ở mức cao nhất, độ chinh xác, dịch vụ trọn đời.

Ứng dụng nổi bật trong ngành dầu khí, nước sạch, xử lý nước thải và sản xuất giấy.

2. Miêu tả tông quan

Họ biến tần SINAMICS PERFECT HARMONY có đặc trưng cấu tạo tự các Cell điện áp thấp được nối với nhau để tạo nên điện áp trung thế đầu ra của hệ thống. Với thiết kế Cell như thế này, đầu ra của biến tần có thể thay chỉnh định theo dải rộng của điện áp và công suất đầu ra.

SINAMICS PERFECT HARMONY bao gồm hai dòng biến tần là GH150 và GH180. Hai dòng biến tần này ngoài mang những đặc điểm của họ Sinamic Perfect harmorny thì còn có những lợi thế riêng của từng dòng.

Đối với dòng biện tần GH 150 với thiết kế module và khả năng chuyển sang chế độ by pass bất cứ module nào bị lỗi trong quá trình hoạt động và vẫn giữ được điện áp đầu ra, GH 150 mang lại tính sẵn sàng cao nhất cho ứng dụng. Thiết kế molude cũng giúp cho chúng sự linh hoạt mở rộng và khả năng tích hợp. Một số đặc tính độc nhất của nó như là thiết kế máy biến áp rời, khoang điều khiển rời linh hoạt trong lắp đặt tại nhà máy..

Trong khi đó, GH 180 thì lại có thiết kế module tích hợp máy biến áp có hai thiết kế làm mát bằng không khí hoặc làm mát bằng nước.

 

 

Xin trình bày chi tiết về Biến tần GH 180

SINAMCIS PERFECT HARMONY GH 180 DRIVES có hai phiên bản làm mát bằng không khí và làm mắt bằng chất lỏng. Các phiên bản đáp ứng đầu dải đầu ra khác nhau

     
Dải công suất 180 to 7040 kVA 3500 to 16000 kVA
Điện áp đầu ra 2.4 to 7.2 kV 2.4 to 8.0 kV
Điện áp đầu vào 2.4 to 13.8 kV, 50/60 Hz 2.4 to 13.8 kV (standard), up to 33 kV (optional), 50/60 Hz
Loại làm mát Air-cooled Liquid-cooled
Dòng định mức của cell công suất 40, 70, 100, 140, 200 or 260 A at 750 V 3 AC
315, 375, 500 or 660 A at 690 V 3 AC
720 A at 630 V 3 AC
880 or 1250 A at 750 V 3 AC

 

Ứng dụng

GH 180 thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ tin cậy và chất lượng. Ví dụ như

+ Quạt và bơm công nghiệp

+ Bơm dầu khí, máy nén trong tàu lặn và máy nén tốc độ cao.

+ Quạt cho máy phát

+ Bơm nước sạch và nước thải

+ Ứng dụng đồng bộ nhiều động cơ trong ngành dầu khí

II. Thiết kế và nguyên lý hoạt động của biến tần trung thế :

.Đầu ra của biến tần trung thế là điện áp cao thông qua nhiều cell (biến tần) công suất điện áp thấp mắc nối tiếp. Các cell công suất điện áp thấp được sản xuất trong nhiều năm với số lượng lớn với các mức dòng, áp khác nhau và có thể thay thế được.

Đây là cấu trúc của Biến tần SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 drive (3 cells)

Topology of SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 drive (3 cells)

Đối với điện áp đầu ra cao hơn có thể lên tới 5 (6SR4…) hoặc 6 (6SR3…) cell công suất có thể được nối tiếp với nhau trong một pha. Số lượng cuộn dây thứ cấp của biến áp đầu vào được tích hợp trong biến tần cũng tăng lên theo đó.

Mỗi Một cell công suất có khả năng nhận công suất đầu vào ở 750VAC 3-phase, 50/60 Hz (6SR4…) or 690 V AC (6SR3…) và chuyển công suất đó tới một pha của tải ở tần số thay đổi tới tần số đầu ra max của biến tần.

Máy biến áp

Máy biến áp là một phần tích hợp của biến tần và không thể tách biệt riêng rẽ. Nó được thiết kế công phu trải qua nhiều giai đoạn phát triển để hoạt động một cách hợp lý với SINAMICS PERFECT HARMONY GH 180 drive.

Máy biến áp loại khô thông gió cưỡng bức được thiết kế đặc biệt với loại biến tần riêng có thừ 9 tới 18 cuộn dây thứ cấp hình sao đã được mở rộng. Dòng thứ cấp thường có nhiều sóng hài trong khi dòng sơ cấp lại gần như là hình sin nên máy biến áp này có một số sự điều chỉnh quan trọng về cuộn dây để đáp ứng được tiêu chuẩn IEC 60076-11:2004

IGBTS

IGBTs chính là xương sống của biến tần SINAMICS PERFECT HARMONY GH180. Công nghệ IGBT đã tồn tại hơn một thập kỷ và IGBT được sản xuất với số lượng lớn phục vụ trong mọi ngành công nghiệp. Sự ổn định và tin cậy của IGBT đảm bảo vòng đời lâu hơn và tính sẵn sàng cao.

Cell điện áp thấp

Đối với biến tần SINAMICS PERFECT HARMONY GH180, một họ các cell điện áp thấp được link với nhau để tạo ra điện áp trung thế đầu ra. Cấu hình module này tạo cho biến tần rất nhiều lợi thế về bảo dưỡng, độ tin cậy hoạt động. Quan trọng hơn, biến tần còn nâng cao tính sẵn sàng thông qua lựa chọn cell bypass.

Cấu tạo của cell công suất điển hình

 

Advanced cell bypass

Biến tần SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 được thiết kế để chống lại hỏng hóc mà các biến tần thường không thể giải quyết được bởi vì chức năng dự phòng cell đã được thêm vào hệ thống. Do vậy, cấu hình cell sẽ tối đa thời gian hoạt động và đơn giản hóa sửa chữa.

Thông qua điều khiển bypass có thể tách riêng từng cell công suất, SINAMICS PERFECT HARMONY GH180  đảm bảo rằng một cell công suất bị lỗi sẽ được tự động bypass trong thời gian ít hơn 500 ms.

Do các cell mắc nối tiếp trong mỗi pha của biến tần, việc bypass một cell sẽ không ảnh hưởng tới dòng đầu ra của thiết bị, tuy nhiên điện áp đầu ra sẽ bị giảm. Thường thì điện áp động cơ yêu cầu tỉ lệ với tốc độ, do đo tốc độ tối đa mà biến tần có thể đáp ứng được sẽ giảm.

Vì thế, việc làm sao để nâng điện áp đầu ra biến tần khi một hoặc nhiều cell bị bypass là rất quan trọng. Sơ đồ dưới đây minh họa một biến tần có 5 cell nối tiếp mỗi pha.

Sơ đồ đơn giản của biến tần 15 cell

Khi 2 cell hỏng và bị bypass ở pha A, thì điện áp đầu ra có xu hướng mất cân bằng

 Biến tần với 2 cell bị bypass ở pha A

Có một phương án tiếp cận là bypass một số lượng đều nhau các cell ở cả 3 pha ngay cả khi các cell ở pha còn lại không bị lỗi. Cách này thì đảm bảo được cân bằng điện áp đầu ra nhưng phải hi sinh công suất đầu ra chỉ còn 60%.

Đầu ra biến tần cân bằng thông qua bypass các cell

       Một cách tiếp cận mới tốt hơn là lợi dụng điểm nối sao của các cell đang thả nổi và chưa nối với điểm trung tính của động cơ. Việc dịch điểm nối sao  khỏi điểm trung tính động cơ và góc pha của điện áp các cell có thể thay đổi tạo nên sự cần bằng điện áp đặt lên động cơ ngay cả khi điện áp của các nhóm cell không cân bằng. Trong sơ đồ để đat được điều đó góc pha của điện áp cell đã phải dịch đi, pha a lệch pha so với B và C là 132.5o thay vì 120 độ như bình thường.

 
Cân bằng điện áp đầu ra biến tần bằng dịch góc pha
 Overview về bo mạch điều khiển

Bo mạch chính tiêu chuẩn bao gồm :

+ 20 đầu vào số 24 V DC or 120 V AC

+ 16 đầu ra số 24 V DC or 120 V AC

+ 3 đầu vào tương tự 4 … 20 mA or 0 … 10 V DC

+ 2 đầu ra tương tự 4 … 20 mA

Overview về panel điều khiển

 

Panel điều khiển của GH 180 có những đặc điểm và chức năng sau :

+ Màn hình LCD hiển thị nhiều dòng cả text và thông số biến tần

+ Hỗ trợ 5 ngôn ngữ : Anh, Đức, Trung, Nga, Bồ đảo nha

+ Led hiển thị trạng thái hoạt động

+ Bàn phím số nhập giá trị

+ Đặt được mật khẩu

Các thông số có thể giám sát được :

+ Input voltage in V
+ Input voltage harmonics (consecutively)
+ Input current in A
+ Input current harmonics (consecutively)
+ Input power factor
+ Input power in kW
+Input reactive power in kVAr
+ Input energy in kWh
+ Input phase sequence
+ Loss of phase
+ Low voltage
+Transformer overload
+ Output power in kW
+ Output energy in kWh
+ Output current in A
+ Output voltage in V
+ Drive efficiency
+ Motor torque in Nm
+ Motor speed in rpm
+ Motor slip in %
+ Drive output frequency in Hz
+ Magnetizing current in A
+ Torque current in A
+ Motor flux in Wb

Các chức năng của biến tần

Điều khiển vòng kín Biến tần được điều khiển bởi thuật toán điều khiển vec tơ không có hoặc có encoder (option)
Tự động điều chỉnh Tự động tính toán tham số động cơ cần thiết cho việc điều khiển động cơ. Điều này được thực hiện thông qua hai giai đoạn. Ở giai đoạn 1, xác định điện trở và điện cảm của động cơ mà không cần quay. Sang giai đoạn 2, tính toán dòng không tải và momen quán tính có yêu cầu động cơ quay.
Tự động khởi động lại Chức năng này khởi động lại biến tần sau khi có lỗi phần công suất hoặc lỗi chung chung nào đó và tăng tốc tới điểm đặt tốc độ hiện tại
Tiết kiệm năng lượng Tiết kiệm năng lượng cho phép giảm tổn thất của động cơ, cải thiện hiệu suất, khi tải động cơ yêu cầu thấp. Biến tần sẽ điều chỉnh từ thông của động cơ phụ thuộc vào từng loại tải động cơ
Khởi động khi động cơ   đang quay Chức năng này cho phép kết nối mềm mại biến tần tới động cơ đang quay.
Chuẩn đoán lỗi Tự chuẩn đoán lỗi phần cứng điều khiển

Bộ nhớ duy trì cho chuẩn đoán lỗi khi sập nguồn

Giám sát IGBT với thông báo riêng rẽ cho từng cell

Hiển thị số Người dùng có thế chọn hiển thị tốc độ, điện áp, dòng điện, công suất vào ra, và hiệu suất trên panel vận hành.
Nút dừng khẩn cấp Tiếp điểm của  nút dừng khẩn cấp có thể kết nối song song tới cầu đấu vì vậy chúng có thể tích hợp vào hệ thống bảo vệ nhà máy.
Giám sát cách điện Một tín hiệu đầu ra được cung cấp theo option để tiến hành bảo vệ
Giám sát vào ra Tín hiệu vào ra cho phép tùy biến người dùng của hệ thống và người dùng có thể giám sát từ xa.
Bảo vệ quá nhiệt Dựa trên tín hiệu đầu ra của biến tần, mô hình động cơ nhiệt sẽ được tính toán. Thuật toán bảo vệ quá nhiệt động cơ ngăn cản quá nhiệt độ vượt quá giới hạn.

 

Phân biệt hai kiểu mã biến tần GH 180

SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 được thiết kế với dải điện áp từ 2.4 tới 6.6KV và dải công suất từ 180 tới 7040 KVA. Các cell công suất sẵn có với các mức dòng định mức từ 40 tới 720 A.

  Mã 6SR4.. Mã 6SR3..
Bán dẫn công suất IGBTs, diodes IGBTs, diodes
Chỉnh lưu lưới 18 tới 30 xung 24 tới 36 xung
Nghịch lưu phía động cơ Truyền động nhiều cấp với IGBT Truyền động nhiều cấp với IGBT
Cell công suất 40,70,100,140,200,260 at 750V 3AC 315,375,500,660 at 690V 3AC ( 720 at 630V 3AC on request)
Dải điện áp đầu vào      KV 2.4 tới 13.8 2.4 tới 13.8
Dung sai điện áp ±10% điện áp định mức bình thường ±10% điện áp định mức bình thường
Tần số đầu vào              Hz 50/60 ± 5% 50/60 ± 5%
Hệ số công suất ≥0.95 nếu trên 10% tải ≥0.95 nếu trên 10% tải
Sóng hài đầu vào ≤5% TDD ≤5% TDD
Điện áp đầu ra               KV 2.4, 3.3, 4.0/4.16, 6.0, 6.6 4.16, 4.8, 6.0, 6.6
Tần số đầu và độ trôi     Hz 0.5 … 330 ± 0.5 %
10 … 167 ở momen định mức (hoạt động ở 2 góc phần tư)
0.5 … 330 ± 0.5 %
10 … 167 ở momen định mức (hoạt động ở 2 góc phần tư)
Vi phân điện áp đầu ra theo thời gian                        V/ms < 3000 < 1000
Dải công suất                kVA 180 … 2970 2200 … 7040
Phương pháp làm mát Cưỡng bức bằng không khí Cưỡng bức bằng không khí
Điều khiển NXGII NXGII
Điều khiển động cơ • Động cơ không đồng bộ
• Động cơ đồng bộ
• Động cơ nam châm vĩnh cửu
• Động cơ rotor dây quấn
• Động cơ không đồng bộ
• Động cơ đồng bộ
• Động cơ nam châm vĩnh cửu
• Động cơ rotor dây quấn

Các Option của biến tần SINAMIC PERFECT HARMONY GH 180

Sau đây là bảng liệt kê các option và mã đặt hàng của dòng biến tần GH 180

III. Ví dụ phân tích thông số của một mã biến tần

Ta lấy ví dụ chọn biến tần trung thế cho dự án Xi măng Yên Bình làm vừa rồi nếu dùng biến tần trung thế siemens thì chọn mã gì ?

Đầu vào :

+ Điện áp cấp 6KV

+ Điện áp động cơ 6KV

+ Công suất 1.6MW

Trước tiên ta tính dòng định mức động cơ

 

Với công suất 1.6MW này thì ta chọn mã đầu 6SR4… vì công suất mã 6SR3… tối thiểu là 2.6 MW với động cơ 6KV

Dựa vào bảng catalog dưới đây

 

Ta chọn mã có dòng định mức động cơ lớn hơn 1cấp là 200 A như bôi vàng ở trên.

Và ta phân tích mã như sau :