Đề tài: Tìm hiểu chi tiết hệ truyền động điện biến tần Siemens MM420

Tài liệu chi tiết về biến tần Siemens M420, trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng thực tế trong hệ truyền động điện.

• Tác giả: Hoàng Văn Công
• Người hướng dẫn: Phạm Văn Cường
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Truyền Động Điện
• Đề tài: Biến tần Siemens M420: Cấu tạo & Nguyên lý hoạt động
• Loại tài liệu: Chuyên đề
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về Biến tần Siemens M420

Biến tần Siemens M420 là thiết bị chuyên dụng biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ tần số f1 sang tần số f2 khác nhau. Đây là một trong những biến tần gián tiếp phổ biến nhất trên thị trường hiện nay. Bộ thiết bị này có khả năng thay đổi tần số lưới điện, từ đó điều chỉnh tốc độ quay của từ trường quay và kiểm soát tốc độ động cơ điện. Biến tần M420 Siemens được thiết kế với cấu trúc gọn gàng, trọng lượng nhẹ và hệ số khuếch đại công suất lớn, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp. Nguyên tắc hoạt động dựa trên việc duy trì tỉ số U/f = const để đảm bảo động cơ nhận được điện áp phù hợp với từng tần số cấp phát.

1.1. Khái niệm và chức năng biến tần

Biến tần là thiết bị điện tử công suất chuyên dụng chuyển đổi dòng điện xoay chiều có tần số cố định thành dòng điện xoay chiều có tần số thay đổi linh hoạt. Chức năng chính là điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện kỹ thuật bằng cách thay đổi tần số điện áp cấp vào. Ngoài ra, biến tần M420 còn có khả năng kiểm soát điện áp đầu ra, bảo vệ động cơ, giảm tiêu thụ điện năng và tăng hiệu suất hoạt động của hệ thống truyền động.

1.2. Phân loại biến tần và vị trí M420

Biến tần được chia thành hai loại chính: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp. Siemens M420 thuộc dòng biến tần gián tiếp sử dụng chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với nghịch lưu điều chế độ rộng xung PWM. Loại biến tần này có ưu điểm hiệu suất cao, mạch điện đơn giản, chi phí thấp và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

II. Cấu tạo chi tiết Biến tần M420 Siemens

Biến tần M420 được cấu tạo từ ba khâu chính trong cải tiến biến tần gián tiếp: khâu chỉnh lưu, khâu lọc và khâu nghịch lưu. Cấu trúc này cho phép thiết bị biến đổi điện xoay chiều thành một chiều rồi lại ngược lại thành xoay chiều với tần số mong muốn. Khâu chỉnh lưu sử dụng diode thường để chuyển đổi AC sang DC mà không cần điều khiển. Khâu lọc bao gồm tụ điện và cuộn cảm LC để làm mịn điện áp một chiều. Cuối cùng, khâu nghịch lưu sử dụng công nghệ điều chế độ rộng xung PWM với các IGBT để tạo ra điện áp xoay chiều với tần số và biên độ điều chỉnh được.

2.1. Khâu chỉnh lưu trong M420

Khâu chỉnh lưu của biến tần M420 sử dụng cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển với 6 diode. Nhiệm vụ chính là chuyển đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp một chiều tương đối ổn định. Điện áp đầu vào có thể là 220V hoặc 380V tùy theo loại M420 được sử dụng. Cầu chỉnh lưu không điều khiển có ưu điểm đơn giản, độ tin cậy cao, giảm thiểu hài và chi phí thấp.

2.2. Khâu lọc và nghịch lưu PWM

Khâu lọc của biến tần Siemens M420 sử dụng bộ lọc LC kết hợp để giảm sóng hài và làm mịn điện áp. Khâu nghịch lưu sử dụng công nghệ PWM với các transistor IGBT, cho phép tạo ra sóng hình sin gần đúng từ xung vuông. Xung điều biến (sin) được so sánh với xung tam giác tần số cao để tạo ra các xung điều khiển IGBT, từ đó tạo ra điện áp xoay chiều có tần số mong muốn.

III. Nguyên lý hoạt động Biến tần M420

Nguyên lý hoạt động biến tần M420 dựa trên ba bước cơ bản: chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu. Bước đầu tiên, điện áp xoay chiều 3 pha từ lưới điện được chỉnh lưu thành điện áp DC ổn định thông qua cầu diode. Bước thứ hai, điện áp DC này được lọc bằng mạng LC để loại bỏ sóng hài và tạo ra điện áp DC mịn. Bước cuối cùng, điện áp DC mịn được biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha có tần số và biên độ thay đổi được thông qua kỹ thuật PWM. Tỉ số U/f được duy trì ở mức không đổi nhằm đảm bảo động cơ kỹ thuật hoạt động với momen từ ổn định và hiệu suất cao.

3.1. Quá trình chỉnh lưu và lọc

Trong biến tần M420, điện áp AC 3 pha đầu vào được 6 diode trong cầu chỉnh lưu chuyển đổi thành DC. Điện áp DC này dao động từ 0 đến giá trị cực đại, do đó khâu lọc LC cần loại bỏ những dao động này. Bộ tụ điện C chịu trách nhiệm giảm sóng hài bậc cao, còn cuộn cảm L giảm dòng điện xung. Sự kết hợp LC tạo ra điện áp một chiều ổn định để cấp vào khâu nghịch lưu.

3.2. Kỹ thuật điều chế PWM

Kỹ thuật PWM trong biến tần Siemens M420 hoạt động bằng cách so sánh xung sin (xung điều biến) với xung tam giác (song mang) tần số cao. Khi xung sin thấp hơn xung tam giác, IGBT tắt; khi xung sin cao hơn, IGBT bật. Tần số xung tam giác quyết định tần số ra của biến tần M420, thường từ 1-16 kHz. Phương pháp này tạo ra dạng sóng xoay chiều gần sin từ xung vuông, giảm sóng hài và nhiễu điện từ.

IV. Ứng dụng và lợi ích Biến tần M420 Siemens

Biến tần M420 Siemens được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau nhờ những ưu điểm vượt trội. Thiết bị có khả năng điều khiển linh hoạt tốc độ động cơ điện kỹ thuật, từ đó giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tuổi thọ động cơ. M420 hỗ trợ phạm vi công suất từ 0,37 kW đến 11 kW với điện áp 380-480V ba pha, hoặc 220-240V tùy phiên bản. Giá thành hạp lý kết hợp với tính năng phong phú làm Siemens M420 trở thành lựa chọn hoàn hảo cho các nhà đầu tư. Thiết bị cũng hỗ trợ các phương thức điều khiển khác nhau, có thể tích hợp vào hệ thống tự động hóa phức tạp.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Biến tần M420 được áp dụng trong hệ thống bơm, quạt, băng tải, nén khí, và các công việc yêu cầu điều chỉnh tốc độ liên tục. Trong các tòa nhà thông minh, M420 điều khiển hệ thống HVAC, thang máy và máy bơm nước. Trong các nhà máy sản xuất, thiết bị này điều chỉnh tốc độ động cơ máy dệt, máy tiện, máy khoan và các thiết bị sản xuất khác. Khả năng duy trì tỉ số U/f không đổi giúp biến tần M420 bảo vệ động cơ và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

4.2. Lợi ích kinh tế và hiệu suất

Sử dụng biến tần M420 Siemens mang lại nhiều lợi ích kinh tế. Giảm tiêu thụ điện năng lên đến 50% so với điều khiển reostat truyền thống, đặc biệt khi phụ tải không ổn định. Giá mua ban đầu hạp lý, khoảng 4.000-5.600 VNĐ tùy công suất. Chi phí bảo trì thấp vì không có bộ phận cơ khí phức tạp. Biến tần M420 cũng hỗ trợ chế độ bảo hành đầy đủ và dịch vụ khách hàng tốt từ Siemens, giúp giảm rủi ro và tăng độ tin cậy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 :GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN  Giới thiệu chung  Bộ biến tần là một thiết bị biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ tần số f1 sang nguồn điện xoay chiều có tần số f2  Tần số của lưới điện quyết định tốc độ góc quay của từ trường quay do đó thay đổi được tốc độ động cơ  Ở nguồn biến tần cung cấp cho ĐCKĐB yêu cầu của bộ này có khả năng biến đổi tần số và điện áp sao cho tỉ số U/f = const  Phân loại các loại biến tần  Biến tần trực tiếp  Biến tần gián tiếp  Các loại biến tần dùng van được ứng dụng rộng rãi vì có ưu điểm sau:  Kích thước nhỏ nên diện tích lắp đặt không lớn  Trọng lượng nhẹ  Hệ số khuếch đại công suất lớn  Có quán tính nhỏ Biến tần trực tiếp • Là bộ biến đổi mà tần số đươc tạo ra bằng cách đóng cắt thích hợp từng đoạn thích hợp một dòng điện xoay chiều có tần số cao hơn. Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp  Bộ biến tần trực tiếp chức năng chỉnh lưu và nghịch lưu cùng nằm trên một bộ biến đổi Không sử dụng tủ chuyển mạch và chỉ chuyển đổi một lần nên hiệu suất cao  Mạch van khá phức tạp, số lượng van lớn Biến tần được sử dụng với phạm vi điều chỉnh f2<f1 Biến tần gián tiếp • Trong biến tần gián tiếp đầu tiên biến thành một chiều nhờ bộ chỉnh lưu, sau đó qua lọc rồi mới trở thành điện áp xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu. • Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều có cấu trúc khác nhau nhưng về cơ bản có 3 khâu chính:  Khâu chỉnh lưu  Khâu lọc  Khâu nghịch lưu • Bộ biến tần dùng chỉnh lưu có điều khiển • Bộ biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển nhưng có thêm bộ biến đổi xung áp một chiều • Bộ biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu thực hiện điều chế độ rộng xung PWM Chỉnh lưu có điều khiển Biến tần dùng chỉnh lưu có điều khiển bằng tiristor Chỉnh lưu không điểu khiển nhưng có thêm bộ biến đổi điện áp xung Bộ biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển nhưng có thêm bộ biến đổi xung điện áp Chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu thực hiện điều chế độ rộng xung PWM Bộ biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế độ rộng xung PWM Các khâu trong biến tần gián tiếp • Chỉnh lưu Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha Các khâu trong biến tần gián tiếp • Khâu lọc Lọc bằng tụ Lọc bằng cuộn cảm Các khâu trong biến tần gián tiếp Khâu lọc Lọc dùng cả tụ điện C và cuộn kháng L  Do sự tổng hợp của cả 2 loại trên nên biên độ sóng hài càng giảm và điện áp ra tải ít đập mạch hơn. Bộ lọc LC được dùng phổ biến Các khâu trong biến tần gián tiếp • Mạch băm Mạch băm nối tiếp Mạch băm song song Các khâu trong biến tần gián tiếp Sơ đồ mạch băm dùng trong tranzitor Các khâu trong biến tần gián tiếp  Nghịch lưu thực hiện điều chế độ rộng xung PWM  Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp và đưa vào 2 đầu so sánh một xung răng cưa Saw và một điện áp một chiều Ref Khi Saw < Ref thì Output = 0V Khi Saw > Ref thì Output = Uramax Phương pháp tạo ra PWM Các khâu trong biến tần gián tiếp • Biến điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số thay đổi bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM – Khâu phát ra xung sin có tần số quyết định tần số đầu ra.( xung điều biến) – Khâu tạo xung tam giác ( song mang) – Khâu so sánh : so sánh xung sin với xung tam giác có tần số cao.

– Tạo xung đưa vào các chân điều khiển của IGBT BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 3 PHA 1 2 1 3 5 ~220V C0 DC 2 6 4 3 4 Cách chọn biến tần Về mặt kỹ thuật: Chọn theo thông số kĩ thuật mà nhà đầu tư yêu cầu. Chọn theo phương thức,kĩ thuật điều khiển để đáp ứng yêu cầu đặt ra: • Các thông số của động cơ: Pdm,Udm,Idm,cosφ,hiệu suất. • Tính chất của công việc : - Môi trường làm việc - Tính chất phụ tải - Điều khiển độc lập các động cơ khác nhau • Khả năng mở rộng hệ thống,ghép mạng,ghép nối với các thiết bị lập trình. • Sử dụng sản phẩm của các hãng đã quen dùng.

Cách chọn biến tần Về mặt kinh tế: Siemens MM420-0.75KW/1HP • Tùy vào túi tiền của 4.400 VNĐ nhà đầu tư mà ta chọn sản phẩm Siemens MM420-1.5KW/2HP của hãng danh 5.660 VNĐ tiếng được hỗ trợ đầy đủ chế độ bảo hành, chăm sóc ABB ACS55 0.000 VNĐ khách hàng hay những sản phẩm giá rẻ nhưng vẫn ABB ACS150 1.5KW-3P đáp ứng được bài 4.000 VNĐ toán kỹ thuật. Chương 2: Tìm Hiểu Biến Tần MM420 – Siemens • Ưu điểm nổi bật:  Nhiều tính năng điều khiển linh hoạt.  Giá thành hạ MM420 là lựa chọn hoàn hảo với người sử dụng Các thông số MM420 • Công suất: – 0,37 – 11 kW : điện áp 3 pha 380 – 480V – 0,12 – 5,5 kW : điện áp 3 pha 220 – 240V – 0,12 – 3 kW : điện áp 1 pha 220 – 240V • Điện áp ra : – 1 pha 220V – 3 pha 220V – 3 pha 380V Các thông số MM420 • Tần số vào : 47 – 63Hz • Tần số ra : 0 – 650Hz • Cosφ >= 0,95 • Hiệu suất chuyển đổi : 96 – 97 % • Khả năng quá tải : 1,5Idm trong 60s ở mỗi 300s • Dòng khởi động thấp hơn dòng điện vào định mức Các thông số MM420 • Các phương pháp điều khiển : – Tuyến tính V/f , Bình phương V/f , Đa điểm V/f ,V/f do người dùng lập trình • Điều chế độ rộng xung : – 16kHz ở 220V 1 pha hoặc 3 pha – 4kHz ở 400V 3 pha – 2 – 16kHz ( bước chỉnh 2 kHz) • Đầu vào số: – 3 đầu vào số lập trình được, cách ly Các thông số MM420 • Đầu vào tương tự: 1 – Chuẩn 0 – 10V – Có thể dùng như đầu vào số thứ 4 • Đầu ra Rơle : 1 – 30VDC – 5A : tải trở – 250VAC – 2A : tải cảm • Đầu ra tương tự : 1 – Chuẩn 0 - 20mA Các thông số MM420 • Cổng giao tiếp : Chuẩn RS485 , giao thức USS • Hãm : – 1 chiều – Hỗn hợp • IP : 20 • Nhiệt độ làm việc : -10 – 50oC • Nhiệt độ bảo quản : -40 – 70oC • Độ ẩm : <95% Các thông số MM420 • Chức năng bảo vệ : – Thấp áp, quá áp, quá tải, chạm đất, ngắn mạch – Quá nhiệt động cơ, quá nhiệt biến tần • Kích thước : Cỡ vỏ Cao Rộng Sâu kg A 173 73 149 1 B 202 149 172 3,3 C 245 185 195 5,0 Sơ đồ khối Cấu tạo • A/D : Bộ chuyển đổi tương tự - số • D/A : Bộ chuyển đổi số - tương tự • CPU : Bộ xử lý • LCD : Màn hình hiển thị • Truyền thông : kết nối mạng công nghiệp qua chuẩn RS 485 • Chỉnh lưu : Chỉnh lưu cầu dùng Diode • Nghịch lưu: Dùng van bán dẫn IGBT Sơ đồ đấu dây mạch động lực Sơ đồ đấu dây mạch điều khiển Giao diện • Các thông số cài đặt được hiển thị qua giao diện màn hình LCD • Cài đặt bằng cách ấn các phím chức năng bên dưới màn hình Chức năng các phím Cài đặt • Có 3 phương pháp cài đặt chủ yếu : – Cài đặt mặc định – Cài đặt nhanh – Cài đặt ứng dụng Cài đặt mặc định • Cài đặt mặc định là những cài đặt khi xuất xưởng sao cho nó có thể vận hành mà không cần phải cài đặt thêm bất kỳ một thông số nào nữa. – Các nguồn lệnh : P0700 = 2 : đầu vào số – Nguồn điểm đặt P1000 = 2 (Đầu vào tương tự – Chế độ làm mát động cơ P0335 = 0 – Giới hạn dòng điện P0640 = 150% – Tần số nhỏ nhất P1080 = 0 Hz – Tần số lớn nhất P1082 = 50 Hz – Thời gian tăng tốc P1120 = 10 s – Thời gian giảm tốc P1121 = 10 s – Chế độ điều khiển P1300 = 0 Cài đặt nhanh • Bộ biến tần tương thích với động cơ nhờ sử dụng chức năng cài đặt thông số nhanh, và các thông số kĩ thuật quan trọng sẽ được cài đặt.

• Cài đặt nhanh không cần được thực hiện nếu thông số định mức của động cơ ghi trong bộ biến tần FU (ví dụ động cơ tiêu chuẩn 1LA 4 cực của Siemens) thích hợp với thông số định mức ghi trên nhãn của động cơ đang nối vào biến tần. Vận hành • Phương pháp vận hành dùng các phím ấn trên mặt biến tần • Kiểm tra: – Đấu dây có đúng không? – Kiểm tra ngắn mạch hoặc chạm đất trên đường dây và thiết bị ngoại vi không? – Kiểm tra các tiếp điểm – Kiểm tra mạch điều khiển thiết bị ngoại vi Vận hành • Vận hành theo chế độ mặc định – Nối nguồn điện cho biến tần – Khởi động biến tần – Theo dõi đại lượng ( tần số) hiển thị trên màn hình LCD (50Hz) – Ấn nút trên để cho động cơ quay tiến hay lùi Vận hành • Lặp lại các bước trên nhưng lần này dùng bàn phím để thay đổi các giá trị cài đặt theo thông số của nhà sản xuất CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN Ứng dụng • Cầu trục Ứng dụng • Hệ thống bơm nước Ứng dụng • Trong các băng tải Ưu, nhược điểm của việc sử dụng biến tần  Ưu điểm: 1. Có thể điều khiển tốc độ động cơ theo ý muốn trong một dãi rộng theo phương pháp thay đổi tần số. Tiết kiệm được điện năng một cách tối đa nhất… 3.

Thời gian sử dụng lâu dài , ổn định, thiết bị có độ bền tương đối cao.