Bài 1: Cần những sản phẩm hỗ trợ nào để tối đa hóa tác động của việc sử dụng VFD và VSD?

Việc sử dụng bộ truyền động tốc độ thay đổi và bộ truyền động tần số thay đổi (VSD/VFD) là cần thiết để tối đa hóa hiệu quả và tính bền vững của hoạt động công nghiệp nhưng vẫn chưa đủ. Để nhận được lợi ích tối đa từ VSD/VFD, cần có các thành phần bổ sung như cáp hiệu suất cao, điện trở hãm, bộ lọc đường dây, cuộn kháng đường dây, cuộn kháng đầu ra...

Hệ thống cáp có mặt khắp nơi và quan trọng. Cáp được chỉ định kém kết nối VSD/VFD với động cơ có thể làm giảm đáng kể hiệu suất hệ thống. Các thành phần khác như điện trở hãm, bộ lọc và cuộn kháng khác nhau tùy theo cách lắp đặt và có thể rất quan trọng để triển khai thành công.

Ví dụ: một số hệ thống hoạt động ở những khu vực cần kiểm soát nhiễu điện từ (EMI) và có thể hưởng lợi từ việc sử dụng bộ lọc đường truyền đáp ứng EN 61800-3 Loại C2. Các ứng dụng cần giảm tốc nhanh sẽ cần điện trở hãm. Cuộn kháng đường dây có thể cải thiện hệ số công suất và tăng hiệu suất, còn cuộn kháng đầu ra có thể cho phép sử dụng cáp dài hơn.

Bài viết này bắt đầu bằng việc xem xét một số cân nhắc khi lựa chọn cáp kết nối động cơ và trình bày các tùy chọn cáp điển hình từ LAPP và Belden. Sau đó, nó xem xét các yếu tố tác động đến việc lựa chọn cuộn kháng đầu ra, điện trở hãm, cuộn kháng đường dây và bộ lọc đường dây, bao gồm các thiết bị đại diện của ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic và Siemens.

Cáp động cơ có nhiều cấu hình khác nhau để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Chúng thường có ba dây dẫn điện chính, thường được cách điện bằng polyetylen liên kết ngang (XLPE). Một số có dây nối đất không cách điện. Có thể có nhiều loại dây tín hiệu khác nhau cũng như nhiều lựa chọn bọc và bọc giấy bạc. Toàn bộ tổ hợp được bọc trong lớp vỏ ngoài bền chắc với môi trường (Hình 1).

Hình 1: Cáp động cơ VFD có nhiều cấu hình khác nhau. (Nguồn ảnh: Belden)

Ngay cả các loại cáp cơ bản như mã bộ phận Belden Basics 29521C 0105000 cũng là các tổ hợp phức tạp gồm dây dẫn, tấm chắn và cách điện. Các loại cáp này có ba dây dẫn bằng đồng 14 AWG (7x22 sợi) được bọc cách điện XLPE và ba dây nối đất bằng đồng 18 AWG (7x26 sợi) không cách điện. Sáu dây này được bao quanh bởi các tấm chắn băng xoắn ốc kép mang lại độ bao phủ 100% và toàn bộ cụm cáp được bọc trong lớp vỏ polyvinyl clorua (PVC) để bảo vệ môi trường.

Cáp Belden Basic phù hợp để sử dụng ở các vị trí nguy hiểm loại 1 phân khúc 2 như được xác định trong Bộ luật điện quốc gia (NEC). Loại 1 dùng để chỉ các phương tiện xử lý khí, hơi và chất lỏng dễ cháy. Phân khúc 2 quy định rõ rằng các vật liệu dễ cháy này thường không hiện diện ở nồng độ đủ cao để có thể bắt lửa.

Một số dòng cáp, như ÖLFLEX VFD 1XL của LAPP, có sẵn có dây tín hiệu và không có dây tín hiệu. Các ứng dụng được hưởng lợi từ việc có dây tín hiệu có thể chuyển sang cáp 701710 của LAPP. Nó bao gồm ba dây dẫn điện, một dây dẫn nối đất và một cặp dây tín hiệu. Dây dẫn điện có kích thước 16 AWG (sợi 26x30) với lớp cách điện XLPE (cộng). Cặp tín hiệu được che chắn riêng lẻ.

Toàn bộ tổ hợp được che chắn bằng băng chắn, băng keo ba lớp (độ che phủ 100%) và dây bện bằng đồng đóng hộp (độ che phủ 85%). Lớp khoác ngoài là chất đàn hồi nhựa nhiệt dẻo (TPE) có công thức đặc biệt có khả năng chống lại các dung dịch khử trùng và thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm, đồ uống, hóa chất và các ngành liên quan.

Ngoài khả năng xử lý nguồn và tín hiệu một cách đáng tin cậy và hiệu quả, cáp VFD cần có khả năng xử lý các xung điện áp cao và mức nhiễu nhiễu điện từ (EMI) do hoạt động ở tần số cao của biến tần. Mặc dù cáp VFD được thiết kế để chứa và quản lý các xung điện áp cao và EMI nhưng chúng cũng có những giới hạn (Hình 2). Đó là khi cuộn kháng tải giảm xung điện áp cao và EMI.

Hình 2: Các xung điện áp cao không được kiểm soát có thể xuyên qua lớp cách điện và dẫn đến hỏng cáp. (Nguồn ảnh: LAPP)

Để thảo luận chi tiết hơn về việc lựa chọn cáp VFD, hãy xem “Chỉ định và sử dụng cáp VFD để cải thiện độ tin cậy, an toàn và giảm lượng khí thải carbon”.

Cuộn kháng tải

Cuộn kháng tải, còn được gọi là cuộn kháng đầu ra, được kết nối gần với đầu ra của biến tần để giảm tác động của các xung điện áp cao và EMI, đồng thời chúng bảo vệ lớp cách điện của dây trong cả cáp và động cơ. VSD/VFD tạo ra đầu ra tần số cao (thường từ 16 đến 20 kHz). Việc chuyển đổi tần số cao dẫn đến thời gian tăng điện áp trong vài micro giây, gây ra các xung điện áp cao có thể vượt quá định mức điện áp đỉnh của động cơ, dẫn đến hư hỏng cách điện.

Tùy thuộc vào loại động cơ được sử dụng, cuộn kháng tải thường được khuyến nghị nếu chiều dài cáp VFD vượt quá 30 m (100 ft.). Có những trường hợp ngoại lệ. Ví dụ: nếu động cơ đáp ứng tiêu chuẩn NEMA MG-1 Phần 31 thì có thể có cáp 90 m (300 ft) mà không cần sử dụng cuộn kháng tải.

Bất kể loại động cơ nào, thường nên sử dụng cuộn kháng tải nếu chiều dài cáp vượt quá 90 m. Nếu khoảng cách vượt quá 150 m, thường nên sử dụng bộ lọc được thiết kế đặc biệt. Trong môi trường nhạy cảm với EMI, việc sử dụng bộ phản ứng tải cho tất cả các ứng dụng thường là phương pháp hay.

Cuộn kháng tải thường được thiết kế để sử dụng với các mô hình truyền động cụ thể. Ví dụ: lò phản ứng tải 3G3AX-RAO04600110-DE của Omron được định mức cho 11 A và 4,6 mH và được thiết kế để sử dụng với động cơ 400 V ba pha 5,5 kW được điều khiển bởi 3G3MX2-A4040-V1 VFD của công ty.

Điện trở hãm và quá tải nhiệt

Ngoài bộ phản ứng tải, điện trở hãm và thiết bị ngắt quá tải nhiệt có thể là những bổ sung cần thiết cho phía đầu ra của VSD/VFD. Điện trở phanh cho phép mô-men phanh tức thời tối đa bằng cách hấp thụ năng lượng phanh. Hầu hết các điện trở hãm đều tiêu tán năng lượng, trong khi một số được sử dụng như một phần của hệ thống phanh tái tạo nhằm thu giữ và tái chế năng lượng.

Điện trở hãm tiêu tán được đánh giá cho các ứng dụng cụ thể. Điện trở hãm Schneider Electric VW3A7755 8 Ω có thể tiêu tán công suất lên tới 25 kW, trong khi điện trở hãm Delta Electronics BR300W100 100 Ω được định mức ở mức 300 W.

Các ứng dụng của điện trở hãm được xác định bằng cách sử dụng phần trăm tiêu tán năng lượng (ED%). ED% được xác định đảm bảo điện trở có thể tiêu tán nhiệt sinh ra trong quá trình phanh một cách hiệu quả. ED% được xác định liên quan đến mức tiêu tán cực đại, khoảng thời gian phanh (T1) và thời gian chu kỳ tổng thể (T0) trong Hình 3.

Hình 3: Định nghĩa phần trăm tiêu tán năng lượng (ED%). (Nguồn ảnh: Delta Electronics)

Tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của phanh, ED% được chỉ định để đảm bảo có đủ thời gian để bộ phanh và điện trở phanh tiêu tán nhiệt sinh ra do phanh. Nếu điện trở phanh nóng lên do tản nhiệt không đủ, điện trở của nó tăng lên, làm giảm dòng điện và mô-men phanh hấp thụ.

Điện trở hãm có thể được xác định bằng nhiều chu kỳ tiêu tán khác nhau như:

• Phanh nhẹ, trong đó lực phanh được giới hạn ở mức 1,5 lần mô-men xoắn danh định (Tn) trong 0,8 giây sau mỗi 40 giây. Được sử dụng với các máy có quán tính hạn chế, như máy ép phun
• Phanh trung bình, trong đó lực phanh được giới hạn ở 1,35 Tn trong 4 giây cứ sau 40 giây. Được sử dụng với các máy có quán tính cao, như máy ép bánh đà và máy ly tâm công nghiệp
• Phanh gấp trong đó lực phanh bị giới hạn ở 1,65 Tn trong 6 giây và Tn trong 54 giây sau mỗi 120 giây. Được sử dụng với các máy có quán tính rất cao, thường kèm theo chuyển động thẳng đứng; như tời, cần cẩu

Ngoài điện trở hãm, hầu hết các hệ thống đều có bộ phận quá tải nhiệt được kết nối với điện trở hãm để đề phòng an toàn, như rơle quá tải nhiệt ABB Control TF65-33. Bộ phận quá tải nhiệt bảo vệ điện trở và hệ thống truyền động khỏi bị phanh quá thường xuyên hoặc quá mạnh. Khi phát hiện quá tải nhiệt, biến tần sẽ tắt. Việc tắt chức năng phanh chỉ có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng cho bộ truyền động.

Bảo vệ đầu vào ổ đĩa

Bộ kháng dòng và bộ lọc trên đầu vào biến tần lần lượt giới hạn sóng hài tần số thấp và EMI tần số cao (Hình 4). Cuộn kháng đường dây giúp giảm hiện tượng méo hài của nguồn điện đầu vào AC do mạch điều khiển gây ra. Chúng có thể đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng phải đáp ứng các yêu cầu của IEEE-519, “Điều khiển hài hòa trong hệ thống điện”. Lò phản ứng đường dây cũng giúp loại bỏ các nhiễu loạn trên nguồn điện lưới như đột biến, tăng đột biến và quá độ, tăng độ tin cậy vận hành và ngăn chặn tình trạng ngừng hoạt động do quá áp.

Hình 4: Bộ lọc đường dây hạn chế EMC tần số cao, trong khi bộ kháng đường dây hạn chế sóng hài tần số thấp. (Nguồn ảnh: Siemens)

Ví dụ về cuộn kháng dòng bao gồm cuộn cảm DV0P228 2 mH được định mức cho 8 A, là một phần của dòng truyền động ba pha Minas và các phụ kiện của Panasonic và cuộn cảm 6SL32030CE132AA0 2,5 mH của Siemens được định mức cho các ổ đĩa lên đến 1,1 kW có dòng điện lên tới 4 A. dòng điện đầu vào và hoạt động từ 3 pha 380 VAC -10% đến 480 VAC +10% công suất.

Bộ lọc đường truyền

Cần có bộ lọc đường truyền để hỗ trợ khả năng tương thích điện từ (EMC) và cung cấp khả năng bảo vệ EMI trong hầu hết các ứng dụng. Tùy thuộc vào môi trường cụ thể, hai loại bộ lọc EMI, Loại A và Loại B, được sử dụng tương ứng trong môi trường công nghiệp và thương mại (xây dựng). Loại B yêu cầu mức lọc cao hơn Loại A vì môi trường thương mại (văn phòng, hành chính, v.v.) thường bao gồm các hệ thống điện tử nhạy cảm hơn với EMI.

Các tiêu chuẩn EMC liên quan bao gồm EN 55011, nêu chi tiết các giới hạn phát thải đối với thiết bị công nghiệp, khoa học và y tế và IEC/EN 61800-3, liên quan cụ thể đến bộ truyền động tốc độ có thể điều chỉnh.

VFD/VSD có sẵn có bộ lọc đường dây tích hợp và không có bộ lọc đường dây tích hợp. Nếu chúng có bộ lọc thì đó có thể là loại A hoặc loại B. Tùy thuộc vào môi trường và các yếu tố lắp đặt như độ dài cáp, ngay cả ổ đĩa có bộ lọc tích hợp cũng có thể yêu cầu lọc bổ sung. Ổ đĩa được xếp hạng để hoạt động trong môi trường loại A cũng có thể được sử dụng trong môi trường loại B với việc bổ sung bộ lọc tùy chọn.

IEC/EN 61800-3 xác định các yêu cầu EMC dựa trên môi trường và các danh mục. Các tòa nhà dân cư được xác định là môi trường thứ nhất và các công trình lắp đặt công nghiệp được kết nối với mạng phân phối điện áp trung thế thông qua máy biến áp của chúng là môi trường thứ hai.

Bốn loại được xác định trong EN 61800-3 bao gồm:

• C1 cho hệ thống truyền động có điện áp định mức < 1000 V để sử dụng không giới hạn trong môi trường đầu tiên
• C2 cho hệ thống truyền động cố định có điện áp danh định < 1000 V để sử dụng trong môi trường thứ hai và có thể sử dụng trong môi trường thứ nhất
• C3 dành cho hệ thống truyền động có điện áp danh định < 1000 V để sử dụng riêng trong môi trường thứ hai
• Yêu cầu đặc biệt C4 đối với hệ thống truyền động có điện áp danh định ≥ 1000 V và dòng điện danh định ≥ 400 A trong môi trường thứ hai

Các bộ lọc đường truyền chung có sẵn, nhưng giống như bộ phản ứng đường truyền, bộ lọc đường truyền thường được thiết kế để sử dụng với các dòng ổ đĩa cụ thể. Ví dụ: bộ lọc đường dây VW3A4708 của Schneider Electric được định mức là 200 A (Hình 5). Nó được thiết kế cho các bộ điều khiển servo Altivar VSD và Lexium của công ty. Nó được xếp hạng cho điện áp nguồn từ 200 VAC đến 480 VAC và có chỉ số bảo vệ IP20. Xếp hạng EN 61800-3 của nó phụ thuộc vào chiều dài cáp động cơ:

• Loại C1 sử dụng cáp có vỏ bọc dài tới 50 m
• Loại C2 sử dụng cáp có vỏ bọc dài tới 150 m
• Loại C3 sử dụng cáp có vỏ bọc dài tới 300 m

Hình 5: Bộ lọc đường dây 200 được định mức cho điện áp nguồn từ 200 VAC đến 480 VAC. (Nguồn ảnh: Schneider Electric)

Kết luận

VSD và VFD là những hệ thống quan trọng để tối đa hóa hiệu quả hoạt động công nghiệp và giảm thiểu phát thải khí nhà kính. Các bộ truyền động này yêu cầu một số thành phần hỗ trợ để đảm bảo lắp đặt hiệu quả và đáng tin cậy, đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế liên quan, bao gồm cáp VFD, cuộn kháng đầu ra, điện trở hãm, cuộn kháng tải và bộ lọc đường truyền.

Minh Trí (Theo digikey)