Danfoss là một trong những tập đoàn công nghiệp lớn nhất của Đan Mạch, doanh thu hàng năm khoảng 22 tỷ cuaron và đội ngũ hiện lên đến 26 ngàn nhân viên trên toàn thế giới. Danfoss mỗi ngày sản xuất khoảng 250 ngàn sản phẩm ở 93 nhà máy đặt tại 25 quốc gia.
Với truyền thống, kinh nghiệm hơn 40 năm và phương châm “Không ngừng hiện đại hoá cuộc sống”, uy tín và chất lượng sản phẩm của Danfoss đã được tin cậy ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp và dân dụng. Danfos sở hữu các công nghệ tiên phong như: thiết bị điều khiển thông minh hệ thống lạnh, khởi động mềm, bộ biến tần, máy nén gas lạnh không CFC và các bộ điều nhiệt thiết bị lạnh gia dụng. TĐHNN giới thiệu với bạn đọc về sản phẩm nổi tiếng nhất của Danfoss cùng những ứng dụng mới của nó trong đời sống, đó là Biến tần.
Vì sao biến tần được ứng dụng rộng rãi?
Trước hết ta điểm qua những hệ thống công nghiệp, nơi biến tần được đưa vào ứng dụng những năm gần đây. Hệ thống băng chuyền, băng tải, cầu trục,… hệ thống điều hoà không khí sử dụng cho: bơm, quạt, tháp giải nhiệt, máy nén, máy thổi khí, hệ chiller,… hệ thống cung cấp nước, xử lý nước thải sử dụng cho bơm cấp nước, bơm điều áp,… hệ thống tự động như chế biến thực phẩm, nước giải khát như: máy trộn, máy khuấy, máy nghiền,… hệ thống điều khiển động cơ thông minh theo nhu cầu lưu lượng, áp suất thực tế…
Biến tần được đánh giá là một công nghệ tiên tiến, mang lại những thay đổi lớn trong các ngành công nghiệp thế kỷ XX. Biến tần đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, dù mới được đưa vào Việt Nam trong một vài năm gần đây nhưng nó đã được các nhà sản xuất công nghiệp ưa chuộng, coi như giải pháp không thể thiếu trong quá trình đổi mới công nghệ hoặc đầu tư mới hệ thống trang thiết bị. Với đặc tính khởi động mềm, dòng khởi động thấp, điều khiển vô cấp tốc độ động cơ, giúp hệ thống khởi động dễ dàng, không va đập, không gây sụt áp lưới điện, giảm sự mài mòn, hỏng hóc, bảo vệ động cơ, dây chuyền, thiết bị và đặc biệt là tiết kiệm điện, biến tần không chỉ giúp tăng tuổi thọ thiết bị mà còn giảm ảnh hưởng đến lưới điện, có thể điều khiển tối ưu theo đúng nhu cầu tiêu thụ, cho phép tiết kiệm điện năng rất lớn.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của biến tần
Nguyên lý làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều một pha hay ba pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn một chiều bằng phẳng. Điện áp một chiều này lại được biến đổi thành điện áp xoay chiều ba pha đối xứng thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm giảm sóng hài bậc cao và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. Hệ thống điện áp xoay chiều ba pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo chế độ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có momen không đổi, tỉ số điện áp tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật điều chỉnh tần số là rất phù hợp. Bộ biến tần làm việc theo nguyên tắc thay đổi tần số (cùng với thay đổi điện áp) nên luôn đảm bảo momen khởi động đủ vượt tải ngay cả khi ở tốc độ rất thấp. Chính vì vậy, không làm sụt áp lưới khi khởi động, đảm bảo các ứng dụng khác không bị ảnh hưởng.
Bản chất tiết kiệm điện năng khi sử dụng biến tần là do đặc tính khởi động của biến tần cho phép khống chế dòng khởi động hợp lý của động cơ, do đó tiết kiệm điện năng khi khởi động. Với những ứng dụng đặc tính tải thay đổi, như băng tải, khi đầy tải, khi non tải. Biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ cho phù hợp với yêu cầu tải thực tế, tối ưu được việc sử dụng điện năng.
Những đặc tính ưu việt của biến tần Danfoss
Biến tần Danfoss được sản xuất đầu tiên năm 1968, đến nay đã trở thành một thương hiệu nổi tiếng toàn cầu và được chứng minh về chất lượng. Biến tần Danfoss đáp ứng được dải công suất rộng, đặc tính momen thay đổi cũng như cố định, phù hợp với tất cả các loại động cơ điện trong công nghiệp. Những thế hệ mới nhất của Biến tần Danfoss ngày nay mang nhiều tính năng mới thông minh, linh hoạt, thân thiện, có độ tin cậy cao và đặc biệt, theo ngôn ngữ của Danfoss thì họ đã “tạo cho biến tần hoạt động đơn giản như trò chơi Lego của trẻ con”.
Mới đây nhất, ngày 17/12/2010, tại Hà Nội, Danfoss đã tổ chức giới thiệu những thế hệ biến tần mới nhất với hàng loạt những tính năng mới và ưu việt, đáp ứng gần như mọi yêu cầu của sản xuất công nghiệp hiện đại.
l Dãy công suất rộng đến 1400kW, có thể sử dụng cho hầu hết các chủng loại thiết bị điện trong các mỏ hầm lò, lộ thiên và các nhà máy sàng tuyển than, cũng như trong các công trình công nghiệp nặng khác. Điện áp sử dụng 3 x 200-690V.
l Cấp bảo vệ từ IP00 đến IP66 (phù hợp với điều kiện vận hành trong các môi trường khắc nghiệt nhất, có thể đặt ngoài trời).
l Sở hữu những tính năng thông minh như dừng khẩn cấp, tự động điều chỉnh động cơ, tự động phân tích đặc tính, tích hợp sẵn bộ điều khiển logic thông minh, dễ dàng lập trình hoặc gỡ bỏ, ngôn ngữ dễ sử dụng (có 8 ngôn ngữ được tích hợp sẵn và 27 ngôn ngữ có thể nạp vào thông qua máy tính).
l Có công cụ phần mềm hỗ trợ cho PC, có thể thực hiện nhiều công việc như Explorer, lập trình tuỳ chọn, có chức năng osciloscope, có thể lập trình khi máy đang chạy
l Nguyên lý làm việc Chủ – Tớ chính xác và có thể tạo cơ cấu đồng bộ tốc độ.
l Đảm bảo độ dừng chính xác, khởi động và dừng êm, không bị giật, có chức năng dự báo tải, tải nhỏ thì tăng tốc giúp tăng năng suất (ứng dụng tính năng này với các trường hợp cầu trục, tời và thang máy).
l Được tích hợp hệ thống sao lưu động năng, không bị ngắt quãng hoạt động trong quá trình sản xuất, dừng đồng bộ trong trường hợp nguồn điện bị sự cố giúp giảm thiểu rủi ro hư hại nguyên vật liệu và máy móc thiết bị.
l Tương thích với bất kỳ loại động cơ hay ứng dụng nào, ứng dụng công nghệ plug-and-play thông minh, giao diện trực giác hoàn chỉnh, các thông số được quản lý theo trình tự dễ hiểu.
l Hiển thị tới 5 thông số cơ bản dưới nhiều dạng dữ liệu, ký hiệu, đồ thị, biểu tượng quốc tế.
l Sử dụng 5 loại menu để cài đặt và hiển thị theo yêu cầu, có thể lưu lại 10 lỗi gần nhất giúp khâu khắc phục sự cố tìm hiểu nguyên nhân.
l Thiết kế thân thiện với người sử dụng, dễ dàng lắp đặt, cài đặt và vận hành, phù hợp với mọi trình độ quản lý vận hành của công nhân trực tiếp sản xuất. Có thể lắp cạnh nhau, thuận tiện cho việc thiết kế lắp đặt và phù hợp với các khoảng không gian tối thiểu có sẵn, không làm thay đổi kết cấu lớn.
l Được thiết kế có bộ lọc sóng hài, đáp ứng tiêu chuẩn EN 61000-3-2/3-12, tích hợp bên trong bộ lọc DC, có thể sử dụng lắp đặt ở bất kỳ nơi nào, không gây ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của các loại thiết bị điện tử tin học, viễn thông khác trong dây chuyền sản xuất.
l Có chế độ tự động cập nhật thông số động cơ AMA nhằm tối ưu hoạt động của hệ thống. Có bộ điều khiển PID. Có chế độ Sleep mode cho phép tiết kiệm năng lượng. Các chân vào/ra kỹ thuật số, vào/ra tương tự với chức năng lập trình được. Giao thức truyền thông nối tiếp RS485, cho phép truyền thông với PLC hoặc máy tính.
l Có đủ các chức năng bảo vệ cần thiết: Bảo vệ quá nhiệt động cơ bằng điện tử chống quá tải. Giám sát nhiệt độ của bộ tản nhiệt nhằm bảo vệ khi nhiệt độ bộ tản nhiệt tăng tới 800C. Bảo vệ ngắn mạch trên động cơ. Bảo vệ chạm đất, chạm vỏ động cơ. Giám sát mạch trung gian nhằm bảo vệ điện áp DC quá cao hoặc quá thấp. Bảo vệ mất pha động cơ. Bảo vệ mất pha nguồn.
l Ngoài ra các bộ biến tần thế hệ mới còn được tích hợp những tính năng quản lý nhiệt thông minh, có thể chịu nhiệt độ môi trường cao, không cần chọn biến tần lớn hơn tải, giúp tiết kiệm chi phí.
l Biến tần Danfoss ứng dụng được cho tất cả các nguồn điện với dịch vụ đồng nhất trên toàn cầu, dễ dàng đặt hàng và phụ tùng với phương châm “một chủng loại biến tần cho tất cả các vùng lãnh thổ”.
Biến tần công suất lớn và các giải pháp cho sóng hài
Giảm nhẹ sóng hài cho biến tần là một biện pháp kỹ thuật được đặc biệt quan tâm, nhất là khi sử dụng biến tần trong các môi trường có nhiễu. Danfoss bằng những nỗ lực cải tiến công nghệ đã thu được thành công trong việc thiết kế các chủng loại thiết bị này.
Biến tần công suất lớn (HPD) là loại biến tần trong dải từ 90kW đến 1.2MW quá tải cao (150%, 60 sec); 110kW đến 1.4MW quá tải thường (110%, 60 sec). Điện áp 380V – 690V, 50 / 60 Hz . Danfoss cung cấp các loại sau: VLT® AutomationDrive; VLT® AQUA Drive và VLT® HVAC Drive. HPD có chung nền tảng phần cứng, tuy dãy công suất khác nhưng đặc tính phần mềm & các tùy chọn ứng dụng giống như dãy công suất nhỏ.
Khi thiết kế HPD, Danfoss đặc biệt cân nhắc các giải pháp chống nhiễu, giao diện với hệ thống, tích hợp tùy chọn biết bị đóng cắt nguồn chính, hiệu suất, bảo vệ xâm hại vào trong và giải nhiệt, bảo vệ ăn mòn bảng mạch PCB và các chi phí lắp đặt, vận hành và bảo trì, chiều dài cáp động cơ, chủng loại và tiết diện dây, tuổi thọ động cơ…
HPD cũng như các biến tần công suất thấp, hiển thị đồ hoạ & chữ số thân thiện với người sử dụng, các ngõ vào/ra tiêu chuẩn linh hoạt để phù hợp nhất với giao diện hệ thống. HPD được thiết kế với hiệu suất cao (>98%) với thế hệ IGBTs mới nhất với tổn thất chuyển mạch thấp hơn, tối ưu hoá tần số chuyển mạch, loại bỏ các cuộn cảm chia tải ngõ ra (các cuộn cảm trên DC-link tổn thất thấp hơn cuộn cảm AC), tổn thất <2%.
HPD được thiết kế chống nước, bụi, các chất khí ăn mòn và nhiệt có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ của biến tần, có thể bảo vệ sự xâm nhập của các chất gây ô nhiễm và kênh làm mát được tách biệt phía sau. Hai luồng không khí làm mát sử dụng quạt riêng biệt & ống dẫn trên mỗi phần điện chính, không khí dẫn vào và ra theo phía sau, 85% nhiệt toả ra bởi biến tần được truyền tản ra phía sau. Do đó chi phí giải nhiệt cho tủ điều khiển thấp hơn, các chất khí gây ô nhiễm ít xâm nhập vào, giảm bảo trì, tuổi thọ biến tần tăng đáng kể, chu kỳ bảo dưỡng dài hơn.
HPD được tích hợp sẵn bảo vệ quá/thấp áp, mất cân bằng và mất pha (tự động giảm tải khi mất pha). Dãy dòng cắt lỗi ngắn mạch cao, khả năng chịu dòng ngắn mạch đến 100kA mà không cần thêm cuộn kháng đầu vào.
Các loại nhiễu thông thường gồm: nhiễu điện từ, nhiễu tần số Radio và nhiễu do sóng hài. HPD của Danfoss sử dụng các kỹ thuật giảm nhẹ sóng hài bằng cách tích hợp sẵn các cuộn cảm AC (DC đã tích hợp sẵn), tích hợp bộ lọc chủ động độc lập AAF005 hoặc sử dụng biến thế lệch pha bên ngoài, lắp thêm tùy chọn thụ động…
Các kỹ thuật giảm nhẹ sóng hài cho biến tần gồm: Lọc thụ động (sử dụng hoặc DC-Inductors, AC-Inductors, chỉnh lưu 12-pulse hay Advanced Harmonic Filters – AHF và lọc chủ động (sử dụng hoặc Active filter – AAF, Low Harmonic Drive (LHD) hay Active Front End with PWM-rectifier – AFE).
Các cuộn cảm AC và DC giúp nạp thêm điện kháng cảm ứng vào trong mạch điện. Điện kháng cảm ứng được nạp vào làm giảm tổng điện kháng gây ra bởi bộ chỉnh lưu và các tụ điện DC. Hệ số chuyển đổi công suất hoặc cosΦ ≈ 1. Điện kháng nạp vào này cũng làm giảm méo bởi lệch pha dòng hài. Tất cả các biến tần Danfoss đều được lắp sẵn cuộn kháng DC trong mạch trung gian. Lý do cần cuộn kháng DC là do sụt áp nhỏ hơn cuộn kháng AC và giúp kéo dài tuổi thọ của tụ DC, đồng thời tạo đặc tính tốt hơn cho điều khiển động cơ, kích thước cũng nhỏ hơn cuôn kháng AC. Sử dụng cuộn kháng DC cho biến tần sẽ tăng tuổi thọ và nâng cao hiệu suất.
Trong quá trình sản xuất, việc điều chỉnh tần số của lưới điện là điều không thể được, nên cho đến nay tại các xí nghiệp, nhà máy thường sử dụng biến tần để điều khiển các hệ thống động cơ. Hiệu quả kinh tế cao khi sử dụng biến tần đã khiến giải pháp công nghệ này được ứng dụng mạnh mẽ và thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà quản lý công nghệ.q