Biến tần Altivar lựa chọn mới cho truyền động điện xoay chiều (variable speed drives)

Biến tần ALTIVARLựa chọn mới cho truyền động điện xoay chiều (Variable Speed Drives)Schneider Electric Vietnam – Vinh Tung – Oct 2010Nội dungNhu cầu điều chỉnh tốc độCấu tạo biến tầnPhương thức điều khiển biến tầnCác chức năng cơ bản của biến tầnĐặc tính cơ, luật điều khiểnCác chức năng biến tần (tiếp) Biến tần trong hệ thống điệnNhu cầu điều chỉnh tốc độCấu tạo biến tầnPhương thức điều khiển biến tầnCác chức năng cơ bản của biến tầnĐặc tính cơ, luật điều khiểnCác chức năng biến tần (tiếp) Biến tần trong hệ thống điệnNhu cầu điều chỉnh tốc độWORLD WIDE MARKET for the AC compact drives = 1,2 Billion $Schneider + Toshiba = 16% of the market shareSchneider is n°1 on the market of the AC compact drivesSource: IMS Research (2006)=S= & ToshibaMarket Shares (in 2006)Nhu cầu điều chỉnh tốc độĐiều khiển thang máy, cơ cấu nâng hạDừng nhanh và chính xácGiảm sốc và chấn động cơ khítTốc độ thang1m/sACCDEC3 s3 sNhu cầu điều chỉnh tốc độĐiều khiển quá trình sản xuấtPhố hợp quá trình sản xuấtDừng nhanh và chính xácGiảm sốc và chấn động cơ khíNhu cầu điều chỉnh tốc độTiết kiệm năng lượng với hệ thống HVAC /bơm quạtTiết kiệm năng lượng  giảm chi phí vận hànhNâng cao chất lượng điều khiển toàn hệ thống Giảm sốc và chấn động cơ khí cho các hệ truyền động50Hz25Hz0Hz50Hz25Hz0HzNhu cầu điều chỉnh tốc độThí dụ: Máy nén (với áp suất đặt 5.5 bar)Tiết kiệm tới 35% điện năngGiảm hao mòn cơ khí do khởi động nhiều lầnTiết kiệm năng lượng với hệ thống HVAC /bơm quạtNhu cầu điều chỉnh tốc độTiết kiệm năng lượng với hệ thống HVAC /bơm quạtATV71 : 0.37 tới 630 kWDriveAltivar 12StarterAltistart 01DriveAltivar 312Cho các ứng dụng đơn giảnCho các ứng dụng phức tạp, thang máy (CT)ATS48 : 4 tới 1200 kWATV21 : 0.75 tới 75 kWATV61 : 0.37 tới 800 kW61Plus : 90 tới 2400 kWCho các ứng dụng bơm/quạt (VT) StarterAltistart 48ALTISTART và ALTIVAR giải pháp cho mọi ứng dụngBiến tần ALTIVARDriveAltivar 61DriveAltivar 71LDriveAltivar 21DriveAltivar 71ATV71L: 3 tới 75 kW71Plus : 90 tới 2000 kWDriveAltivar 61 PlusDriveAltivar 71 PlusStarterAltistart 22ATS01 : 0.37 tới 75 kWATS22 : 4 tới 400 kWATV12 : 0.18 tới 4 kWATV312 : 0.18 tới 15 kWBiến tần ALTIVARNhu cầu điều chỉnh tốc độCấu tạo biến tầnPhương thức điều khiển biến tầnCác chức năng cơ bản của biến tầnĐặc tính cơ, luật điều khiểnCác chức năng biến tần (tiếp) Biến tần trong hệ thống điệnCấu tạo biến tầnCấu tạo biến tầnI>I>I>M~Q1EMC FilterAltivarLVi xử lý/điều khiểnMạch chỉnh lưuMạch một chiều trung gian (DC link)Mạch nghịch lưuPhần điều khiểnCấu tạo biến tầnCấu tạo biến tầnChỉnhlưuMạch một chiềuTrung gianNghịchlưuCấu tạo biến tần PWM (Pulse Width Modulation)tSIULSULItUSLIDRControl circuit0 VĐiện áp ra (PWM)Dòng điện động cơDạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra biến tầnCấu tạo biến tần+Vbus/2-Vbus/2MATV71UVWATV71 luôn có sẵn transitor cho mạch hãm tới công suất 160kW ATV71C16N4PBPAL2L3L1PO (+)PC (-)Mạch hãmCấu tạo biến tần40:1 980 RPMBraking R> UIIIIIIUI 0 để bù lại sụt áp do IR gây ra.F5Điện áp động cơU0UnSF1F2F3F4U1U3U5U2U4Đặc tính V/F 5 điểm(U1:F1 tới U5:F5):cho phép dựng đặc tính V/F thích hợp với đặc tính cơ của tải.Thí dụ: tránh hiện tượng cộng hưởng đặc biệt với các động cơ tốc độ cao. Luật điều khiển V/F 5 điểm (ATV61/71)Luật điều khiểnFrSNguyên lý: chuyển đổi hệ phương trình máy điện, chuyển các đại lượng vô hướng (điện áp, dòng điện, từ thông) thành các véc tơ tương ứng.Trên hệ quy chiếu với véc tơ từ thông, thành lập được hệ phương trình:Từ thông r = K1.IdMômen T = K2.r.IqIdTừ thôngMômenrIqĐộng cơ không đồng bộId, Iq là các thành phần dọc trục và ngang trục của véc tơ dòng điện.Bằng cách điều khiển riêng biệt các thành phần Id, Iq sẽ gián tiếp điều khiển được từ thông và mômen.Điều khiển véc tơ từ thôngLuật điều khiểnĐK véctơ từ thông Luật V/FTự động bù (Rs và s)Bù thường (Đặt U0 ban đầu)T/TnFrSFrS51013100%200 %T/Tn- Điều khiển véctơ có độ chính xác cao hơn, đặc biệt ở tốc độ thấp, và đáp ứng động tốt hơn so với điều khiển vô hướng V/F.Luật V/F có thể dùng cho mô tơ không có thông số (trừ UNS và FRS), mô tơ song song,công suất nhỏ so với biến tần, máy biến áp, v.v.So sánh điều khiển véctơ từ thông và V/FLuật điều khiểnf (Hz)LnPFrSL: Luật V/F, Tải CTn: Điều khiển véc tơ từ thông mạch vòng hở (CT)P: Luật V/F, Tải VTnLd: Tiết kiệm năng lượng(Làm việc như loại P khi không tải và loại n khi có tải)UnSUFrLập trình: Chọn lệnh UFt (trong menu DrC-) Chọn: L V/F P Pump n Sensorless Vector nLD Energy savingCác luật điều khiển cho biến tần ATV312Luật điều khiểnnLdTải mômen không đổi (Constant Torque - CT)Mômen0TLTốc độTốc độ định mức1500 rpm- Thường gặp trong nhiều ứng dụng như băng chuyền, cầu trục, thang máy... Chức năng “Motor tuning” giúp biến tần bù sụt áp, duy trì mômen trong giải tốc độ thấpĐặc tính V/F Mômen được duy trì theo đặc tính V/F tuyến tính (có bù với “Motor tuning”).- Dưới tốc độ định mức (50Hz), điện áp được duy trì không đổi (đạt max)- Mômen của tải không phụ thuộc vào tốc độ quayTL = constanttương ứng PL = TLw = kwTải cơTốc độ định mứcMômenTốc độ1500rpm2000rpm2500rpm3000rpm Các ứng dụng với tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản (trên 50Hz) Các ứng dụng hay gặp: Máy cưa, máy tời/quấn dây, máy kéo... - Mômen của tải tỉ lệ nghịch với tốc độ quaytương ứng PL = TLw = constantTải công suất không đổi (Constant Power - CP)Tải cơMômenTốc độTL Các tải liên quan tới quạt/bơm ly tâm- Mômen của tải tỷ lệ với bình phương tốc độ quay của máy.TL = kw2, tương ứng PL = TLw = kw3 Chỉ cần một mômen nhỏ để khởi độngBiến tần cho ứng dụng VT tiết kiệm năng lượngThí dụ: Ở 1/2 tốc độ (25Hz), bơm tiêu thụ một lượng công suất bằng 1/8 côngsuất định mức (50Hz)!Tải mômen biến thiên (Variable Torque – VT)Tải cơTải bơm trục vítMômen tải tỷ lệ với tốc độ quayTL = kwtương ứng PL = TLw = kw2MômenTốc độ0TLTải mômen biến thiên (Variable Torque – VT)Tải cơ- Tải mômen không đổi CT cần mômen khởi động lớn lúc ban đầu. Dòng khởi động đạt tới hơn 150% định mức trong 1 phút. Nếu động cơ không khởi động được, hoặc dòng khởi động > 150% quá 1 phút, biến tần sẽ “trip”. Biến tần báo lỗi: OLF (Motor Overload) ATV312, ATV71 được thiết kế chuyên dụng cho các ứng dụng CTDòngt1 phút100%165%Tải yêu cầu mômen quá tải lớnTải cơ150%Dòngt1 phút100%110%Tải bơm/quạt chỉ cần mômen quá tải nhỏBiến tần ATV21, ATV61 được thiết kế chuyên dụng cho các loại tải bơm/quạt.Cùng cỡ với nhau, ATV61 dùng cho tải bơm/quạt có công suất lớn hơn ATV71.Thí dụ: ATV71 200HP (CT) tương đương vớiATV61 250HP cho tải bơm/quạt (VT)Tải yêu cầu mômen quá tải nhỏTải cơNhu cầu điều chỉnh tốc độCấu tạo biến tầnPhương thức điều khiển biến tầnCác chức năng cơ bản của biến tầnĐặc tính cơ, luật điều khiểnCác chức năng biến tần (tiếp) Biến tần trong hệ thống điệnCác chức năng biến tần (tiếp)Liệt kê một số chức năng thường dùngPreset speeds - tốc độ đặt trướcPID regulator - chứng năng PIDSleep/wake up function - chức năng dừng/chạy tự độngCatch on the fly - bắt tốc độ động cơSkip frequencies - bỏ qua tần số cộng hưởngFault Inhibition - quản lý, giám sát lỗi+/- speed - +/- tốc độReference switching - chuyển kênh tham chiếuCommand switching - chuyển kênh điều khiểnDC Injection - hãm nguồn một chiềuAdjustment of the mod.frequency - chọn tần số đóng cắtAutomatic reset and restart - tự động reset lỗi và khởi động lạiAuto-adaptation of the ramp - tự động điều chỉnh đặc tuyến khởi động/dừngRamp switching - chuyển đặc tuyến khởi động/dừngPersonalized ramps - tùy biến đặc tuyến khởi động/dừngSwitching between motors - điều khiển nhiều động cơ - Các chức năng của ALTIVAR được quản lý trong Menu FUn-Các chức năng biến tần (tiếp)Dùng cho bơm/quạtChức năng tùy biến đặc tuyến tăng/giảm tốcCác chức năng biến tần (tiếp)S rampU rampTùy biếnThực hànhChức năng cộng tham chiếuChú ý: AI2 chấp nhận tín hiệu ± 10V, cho phép thực hiện phép “–” với tín hiệu âm.Chức năng tốc độ đặt trướcCác chức năng biến tần (tiếp)Dùng các đầu vào logic LI cho phép tổ hợp tới 16 tốc độ đặt trước.Chức năng chạy JOGCác chức năng biến tần (tiếp)Chức năng +/- tốc độCác chức năng biến tần (tiếp)+ tốc độChạy nghịchChạy thuậnLI1LIxLIyChạy thuậnChạy nghịchBật nút thứ nhấtDuy trì tốc độBật nút thứ hai+ tốc độTắt các công tắc- tốc độCác chức năng biến tần (tiếp)Chức năng điều khiển PIFbSScalingTốc độđiều khiểnRamp +-PID RegulatorrPG Khuyếch đạirIG Tích phân rDG Đạo hàmHSP LSPTín hiệu phản hồiPIF0-10V0-4-20mATham chiếuFr1AIMàn hìnhMạngChuyển về tham chiếu tốc độACC DECAuto/manuCác chức năng biến tần (tiếp)Chức năng phanh hãm trình tựChức năng phanh hãm trình tự Ứng dụng cho tải nâng hạ hoặc truyền động thẳng, thang máy. Cho phép biến tần điều khiển phanh hãnh của động cơ đồng bộ với việc tạo mômen giữ tải khi bắt đầu làm việc và khi dừng.Tần số làm việc lúc nhả và hãm phanh Biến tần tự động đặt theo hệ số trượt động cơ.Thiết lập thông số đơn giảnChỉ cần đặt dòng tạo mômen phù hợp.Speed referenceM31.5kWR2BrakeEncoderAABBLI4 braking contact brake coilLI1 ascendLI2 descendLI3 Switch config Open loop->Closed loopLI6 SP4LI5 SP2AI1 0-10VFdc highFdc low2211Rest on the groundOpen loop/ Closed loopAI2 4-20mAScaleCác chức năng biến tần (tiếp)Chức năng phanh hãm trình tựThông số duy nhất cần thiết lậpCác chức năng biến tần (tiếp)Chức năng hãm trình tựMột vài thông số chức năngTần số làm việc lúc nhả brLDòng bơm tạo mômen IbrThời gian nhả phanh brtTần số lúc hãm bEnThời gian phanh bó bEtCác chức năng biến tần (tiếp)Chức năng quản lý công tắc hành trìnhCác chức năng biến tần (tiếp)Chức năng tự động khởi động lạiCác chức năng biến tần (tiếp)Tương thích các chứ năngNhu cầu điều chỉnh tốc độCấu tạo biến tầnPhương thức điều khiển biến tầnCác chức năng cơ bản của biến tầnĐặc tính cơ, luận điều khiểnCác chức năng biến tần (tiếp) Biến tần trong hệ thống điệnBiến tần trong hệ thống điệnBiến tần trong hệ thống điệnSóng hài, nhiễu điện từ và ảnh hưởng của chúngSóng hài và nhiễu điện từBiến tần sinh ra sóng hài bậc cao, nhiễu dạng truyền dẫn, và nhiễu phát xạ vào không gian.HarmonicsElectro-magnetic Interference EMICác sóng hài bậc cao và nhiễu cao tần xuất hiện cả ở phía nguồn của biến tần và phía động cơ.Nguyên nhân là do tác dụng của bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu với phương pháp điều biến độ rộng xung điệu áp DC thành AC với dv/dt lớn (PWM).Harmonics: tần số từ 150 Hz tới 1KHzNhiễu cao tần EMI: từ 10 KHz tới 1 GHzUBiến tần trong hệ thống điện Ảnh hưởng của sóng hàiLàm tăng dòng điện (tới 50%), gây quá tải cho nguồn, cáp, máy biến áp.Dòng điện bị méo dạng, làm giảm hệ số công suất của nguồn.Tăng khả năng gây ra cộng hưởng trong mạch có nối tụ điện.Gây nhiễu cho các thiết bị điện khác trong mạng.Sóng hài và ảnh hưởng của sóng hàiBiến tần trong hệ thống điệnGiải pháp giảm sóng hàiDòng điện thực tế tới biến tần:Hệ số công suất thực tế đầu vào:Cuộn khángLine chokeDC chokeBộ lọc LCLọc tích cựcCuộn kháng line chokeBộ lọc LCDC chokeLine chokeTHDI = 150%Irms = 45AKhông dùng kháng lọcTHDI = 40%Irms = 28A - 60%Dùng kháng lọc 3%Cuộn kháng làm dòng điện gần hình sin hơn và làm giảm sóng hài bậc cao.Biến tần trong hệ thống điệnGiải pháp giảm sóng hàiP (kW) 15kW 75kW 500kW Optional Inductance 3%ATV312ATV71ATV71Optional Inductance 3%ATV71Built-in inductance 3%Irms reduction 60%THD giảm công suất và mômen)Một số tiêu chuẩn (vd. IEEE519 US) đòi hỏi thiết bị tạo ra mức sóng hài rất nhỏCó thể làm giảm mức độ sóng hải ở mức tổng thể, hoặc lắp đặt cho từng thiết bị có sinh ra sóng hàiBộ lọc LC cho phép đưa mức THDI từ 16% tới 10%, và có thể tới 5% khi dùng kết hợp với cuộn khángSchneider có giải pháp này từ công suất 0.75kW tới 500kWBộ lọc LC RFIFilterBiến tần trong hệ thống điệnGiải pháp giảm nhiễu điện từTuân thủ việc đấu nối, đi dây trong tài liệu hướng dẫn lắp đặt biến tầnDùng bộ lọc RFI (còn gọi là bộ lọc EMC) làm giảm nhiễu truyền dẫn và nhiễu phát xạCó nhiều mức lọc khác nhau. Việc sử dụng bộ lọc mức nào tùy thuộc vào yêu cầu của tiêu chuẩn phải tuân theo và vào độ dài cáp, kiểu cáp đấuNhiễu điện từ phía cáp động cơ có thể giảm thiểu bằng cách sử dụng cáp bọc kim, nối đất và tuân thủ việc đấu nối hướng dẫn trong tài liệuRFI filterHigh frequency leakage current (generated principally by the stray capacitance)Lọc RFIDòng điện tần số cao (khép mạch qua các tụ điện rò)Dùng cáp bọc kim là bắt buộc để tuân thủ với tiêu chuẩn EMCBiến tần trong hệ thống điệnThiết bị Lọc nhiễu làm việc như thế nào Our drives are minimum C3 even if the drive is more than 400A to comply with industrial practices. Most of the ranges are also available without filters.Môi trường 1 ”Tòa nhà dân dụng”Môi trường 2 “Công nghiệp”C1ATV12 up to 2.2kWATV312 up to 15kWATV71 up to 500kW Optional class B filterC2ATV312 and ATV71 up to 4kW ATV71 5.5kW to 500kW ATV312 5.5kW to 15kW C3 Built-in class B Built-in class A gr2 Built-in class A gr1 Built-in class ABiến tần trong hệ thống điệnSchneider OfferBiến tần trong hệ thống điệnQuá áp trên cực động cơ: nguyên nhân và giải pháp+ VDC bus512V0 V- VDC busĐiện áp ra (PWM)dV/dt 2 tới 10kV/µSDòng điện động cơgần hình sinBật/tắt các IGBTs tạo ra biến thiên điện áp rất lớn (dV/dt)Quá ápdV/dtl cableQuá áp trên cực động cơThường tới 2 x V bus DCVd: U lưới =400Vac- Chế độ động cơ Û = 400x x2 = 1132V- Chế độ máy phát (hãm) Û = 785x2 = 1570VĐôi khi điện áp có thể tăng lên lớn hơn 2 Vdc ...+ Vdc- VdcQuá áp gây ra do phản xạ sóng dv/dt và do sự phối hợp trở kháng giữa động cơ và cáp nối biến tần động cơĐộ lớn của quá áp và dv/dt phụ thuộc vào độ dài cáp cũng như kỹ thuật PWMBiến tần trong hệ thống điệnQuá áp trên cực động cơ: nguyên nhânBiến tần trong hệ thống điệnQuá áp trên cực động cơ: giải phápGiải pháp giảm quá ápGiới hạn đỉnh xung của quá áp Giảm dv/dtBiện pháp thực hiện Dùng biến tần có chức năng giới hạn đỉnh xung quá áp (< 2VDC) Sử dụng bộ lọc dv/dt (Motor choke) Dùng các bộ lọc LR hoặc LC Dùng bộ lọc hình SINMotor chokeBiến tần trong hệ thống điệnQuá áp trên cực động cơ: giải phápTime [s]Time [s]+ 2Vdc+ 2VdcChức năng không được bậtQuá áp lớn hơn 2VdcSUL chức năng được bậtSử dụng biến tần có chức năng hạn chế quá điện áp trên cực động cơBiến tần ATV71: Biến tần trong hệ thống điệnQuá áp trên cực động cơ: giải phápBiến tần trong hệ thống điệnQuá áp trên cực động cơ: giải phápBảng: Chiều dài cáp tương ứng với các giá trị SOPBiến tần trong hệ thống điệnQuá áp trên cực động cơ: giải phápSử dụng bộ lọc dv/dtBộ lọc LCBộ lọc hình SINMotor chokeInductanceInductanceTới 15kW 480vTừ 18kW 480vChức năng hạn chế mềmInductanceBọc kimKhông bọc kim50 mChức năng hạn chế mềm100 m150 m300 mChức năng hạn chế mềmChức năng hạn chế mềmInductanceCáp10 mSinus600mSinusBiến tần trong hệ thống điệnChiều dài cáp cho phépDòng điện rò (Earth Leakage Current)UBiến tần trong hệ thống điệnBiến tần sinh ra dòng điện rò với 2 nguồn chính:dV/dt của điện áp động cơ tạo dòng rò khép mạch qua các tụ kí sinh xuống đất.Các bộ lọc RFI cũng tạo nguồn dòng rò qua các tụ nối đất của chúng.RFI filterDifferential breakerbearingsDòng rò tần số thấp (tạo bởi các bộ lọc EMC)Dòng rò tần số cao (đi qua các tụ kí sinh)Đường đi của dòng điện ròBiến tần trong hệ thống điệnTác hại của dòng điện ròBiến tần trong hệ thống điệnTác hạiẢnh hưởng tới các thiết bị chống dòng rò (RCD)Dòng rò có thể gây hư hỏng ổ bi của động cơMột số giải phápKhông sử dụng các bộ lọc EMC nếu không bắt buộc đặc biệt với nguồn một pha Để giảm dòng rò phía động cơ:Dùng kháng lọc để giảm dv/dtKhông dùng cáp bọc kim nếu không bắt buộcGiảm tần số đóng cắt của biến tầnGiảm chiều dài cáp nối biến tần động cơ tới mức có thể