Control de velocidad SIEMENS para motores de media tensión Luis Eduardo Sánchez/ Product Management

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Introducción al SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 • Portafolio de Producto Perfect Harmony • Características del Perfect Harmony • Diseño Integrado • Topología de Celda Multinivel • Disponibilidad alta del proceso(High Process Availability)

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Portafolio de Producto SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

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Innovacion técnica constante y crecimiento Un líder en Innovación industrial 2014 2013

§ Líder mundial con más de 10,000 variadores instalados

§ Gen IV 10kV

2012 2011

§ GenIV 4.8 kV

2010

§ WC III High Availability

2009

§ Reconocimiento de líder del mercado

2008

§ Operación @ 400Hz

2007

§Desarrollo del control de motores de imanes Permanentes § 2000 unidades instaladas

2006 2005

§ Operación de Drives en paralelo 4 unidades

2004

§ 1500 unidades instaladas

§ Primer variador a 6.6kV con tecnología IGBT sin un transformador de salida

2002

§ 1000 unidades instaladas § Presentación del ROBICON Perfect Harmony. Primer variador de tecnología IGBT en media tensión

1996 1994 1995

1997

1998

1999

2000

2003

§ GenIIIe

§ GenIV 6.6 kV & WC III

§ NXGII Control

§ Sistema LNG

2001 § Next Gen. Control (NXG) con opcion de “Fast Cell Bypass”

• Cell Bypass Mechanical : Primer variador con proceso transparente con tolerancia a fallas en la operación.

§ Primer variador con tecnologia IGBT por encima de 10,000 HP (7.5 MW)

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Líder global en variadores de media tensión El referente del mercado cuando de sistemas con variadores de media tensión se trata. • Todo tipo de voltajes desde 1 kV a 12 kV • • • • • • • • •

Amplio rango de potencias desde 150 kW a 85 MW (Potencias más altas bajo pedido) Todos los niveles de respuesta dinámica y desempeño. Operación de un solo motor y multimotor con sistemas de bus DC. No ha sido superado en “retrofits” de motores existentes con variadores en MT. Compatible con sistemas de motores de induccion, sincrónicos, anillos rozantes e imanes permanentes. Valocidades de motor desde 10 hasta 15,000 rpm en el rango de megavatios La más alta disponibilidad con variadores modulares y cell bypass avanzado. Operación intuitiva Excelente servicio post venta a nivel local y soporte en línea (hotline).

El variador indicado para cuaquier aplicación en Media Tensión!!!! Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 5

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Líder global en variadores de media tensión -El factor decisivo en cuanto a experiencia e innovación se trata 1969:

Se introduce al mercado el primer variador de velocidad en media de tensión fuente de corriente con DC link.

1994:

La topología de celdas de ROBICON Perfect Harmony revoluciona la tecnología de variadores en media tensión.

1996:

Pioneros en el uso de variadores fuente de voltaje en el bus DC en trenes de laminación con el Simovert ML

1998:

Pioneros en el uso de IGBT´s de alto voltaje(HV-IGBT´s) para variadores en Media tensión con el Simovert MV

2003:

Primer variador de alta potencia (65MW) en alta velocidada con el Simovert S (LCI) para compresor LNG (Gas natural licuado)

2005:

Primer variador de alta potencia (60/45 MW) con topología de celda ROBICON Perfect Harmony para compresor LNG (Gas natural licuado)

2011/

Operación exitosa de el primer variador sin transformador de entrada regenerativo y que cumple con normativa de redes eléctricas en MT.

2013:

Variadores frente activo (AFE) con la nueva topología M2C

2013:

ROBICON Perfect Harmony se convierte en SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

Una gran experiencia - un mundo de la innovación Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 6

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Siemens Large Drives Portafolio de Productos Variadores en Media tensión Sinamics Sinamics Perfect Harmony Perfect Harmony GH180 GH150 180 kVA – 24.4MVA

Output voltage 2.3 – 11 kV Multi-cell Voltage Source Inverter (VSI) LV IGBT air/ water cooled

Sinamics GM150

Sinamics SM150

4 – 14.4 MVA

1 – 13 MVA (IGBT) 5 – 24 MVA (IGCT)

3.4 – 7.2 MVA (IGBT) 5 – 31.5 MVA (IGCT)

Output Voltage 4.16 – 7.2 kV

Output voltage 2.3 – 4.16 kV

Output voltage 3.3 kV (IGCT & IGBT) 4.16 kV (IGBT)

Multi-cell Voltage Source Inverter (VSI)

LV IGBT Water cooled

Sinamics SM120 CM 4 – 13.3 MVA

Output voltage 3.3 – 7.2 kV

Sinamics GL150

Sinamics SL150

2.8 – 85 MVA per unit (higher power ratings on request)

3 – 40 MVA

Output voltage 1.4 – 10.3 kV

Output voltage 1.5 – 4 kV

M2C/ 3 level NPC / 3-level NPC Voltage 3-level NPC Voltage diode bridge Voltage Load-commutated Source Inverter Source Inverter inverter (LCI) Source Inverter (VSI) (VSI) (VSI) HV IGBT (air/water cooled) IGCT (water cooled)

HV IGBT (air/water cooled) IGCT (water cooled)

LV / HV IGBT water cooled

Thyristor air/water cooled

Cycloconverter

Thyristor air/water cooled

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Visión general del producto - Principios básicos

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Línea de Producto, visión general.

SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

6SR4 202

6SR3 202

6SR3 252

200 to 5600 HP

1750 to 9000 HP

4000 to 19,000 HP

0.15 to 4.3 MW

1.3 to 6.7 MW

3.0 to 14.2 MW

Output Voltage

Output Voltage

Output Voltage

2.3 to 11.0 kV

2.3 to 7.3 kV

2.3 to 8.0 kV

Input Voltage

Input Voltage

Input Voltage

2.4 to 13.8 kV

2.4 to 13.8 kV

2.4 to 13.8 kV

Power Cells:

Power Cells:

40A, 70A, 100A, 140A 200A, 260A at 750V AC

315A, 375A, 500A, 660A at 690V 720A at 630V AC

Air-cooled

Air-cooled

Power Cells: 880A, 1250A at 750V AC Liquid-cooled

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Rango de potencia vs. Corriente de Cell HP (MW)

El portafolio del Perfect Harmony cubre todo el rango de potencias en MT

19,000 (14.9) 12,000 ( 8.9) 9,000 (6.7)

Liquid-cooled

8,000 (6.0 ) 6,500 (4.9) 5,600 (4.2) 4,300 (3.2) 4,100 (3.0)

Air-cooled

3,000 (2.2) 2,100 (1.6) 1,480 ( 1.1) 845 (0.6)

40

70

100

140

200

260

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315

375

500

660

720

880

1250 Cell Current (Amps)

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Base instalada global por mercado

Industria Petroleo y Gas

27%

Mineria

17%

Generacion de Energia

16%

Aguas (PTAP y PTAR)

13%

Cemento

8%

Metales

6%

Quimica

5%

Otros

8%

Industries where high reliability and minimal downtime are critical to operations Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 11

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Inicios 1992

ROBICON Perfect Harmony • Razones para elegir Perfect Harmony • Legislación para Calidad de Potencia • Posibilidad de usar los motores existentes • Fácil integración • Soluciones: •

Cumple con los mas rigurosos estándares de la IEEE519 y mantiene un PF > .96

•

Salida de onda sinusoidal

•

Incluye todos los componentes necesarios para su integración al sistema.

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Características Principales § §

Equipos disponibles de 400 a 43,500 HP / 300 a 32.5 MW Hasta 4 equipos en paralelo para mayor potencia o disponibilidad

§

Bajo Nivel de Armónicos

§

F.P > .96 a diferentes velocidades

§

F.P > 0.97 a velocidades mayores al 20% de la carga

§

Soporta Perturbaciones de la red

§

Motores nuevos o existentes

§

Torque pulsante cercano a 0

§

Alta Disponibilidad

§

Soporta todos los niveles de tensión y motores

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Línea de equipos Corriente de Celda

Voltaje de Salida

6SR4 202 40, 70, 100, 140, 200, 260A @750 V AC 6SR3 202

315, 375, 500, 660A @ 690 V AC 720A at 630 V AC

6SR3 252 880, 1250A @ 750 V AC

6SR4 202

6SR3 202

Potencia Disponible

Hasta 11.0 kV

200 hasta 5600 HP 0.15 hasta 4.3 MW

Hasta 7.3 kV

1750 hasta 9000 HP 1.3 hasta 6.7 MW

Hasta 8.0 kV

4000 hasta 19,000 HP 3.0 hasya 14.2 MW

6SR3 252

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Variador refrigerado por aire

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Sección del transformador refrigerado por aire La sección de entrada y el transfomador son combinadas combined

Terminales de entrada con supresores de picos

Acceso de cables por encima y por debajo Los ventiladore están en la parte superior del gabinete para remover el calor producido en la sección del transformador. Diseño patentado el cual permite múltiples voltajes de entrada hasta 13.8 kV. Mayores voltajes de entrada están disponibles sobre solicitud previa.

Taps @ -5%, 0, +5%

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Sección de Control refrigerado por aire La sección de control incluye: •

Teclado multilenguaje

•

Sistema de control NXGII &

Modulo I/O

NXG PRO •

Módulo de comunicaciones

•

Módulos I/O Análogo y Digital

Grado de protección NEMA 1 - IP 21 en la puerta del gabinete

Control NXGII l con sistema de comunicación por fibra optica con las celdas de potencia

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SINAMICS PERFECT HARMONY Sección de celdas de potencia refrigerado por aire Cerramiento NEMA 1 - IP 21 ventilated

Los ventiladore están en la parte superoir del gabinete para remover el calor producido de la seccion .

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Características Principales Sin perdidas de Energía y Capacidad. 100

99

98

97

Percent

96

95

94

93

92

91

90 20

30

40

50

60

70

80

90

100

Percent Load

Perfect Harmony Efficiency

Perfect Harmony Power Factor

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Eficiencia y Factor de potencia § Se produce un constante factor de potencia a partir de la ½ de la velocidad.

100 99 98 97 96 Percent

§ Se excede el factor de potrencia de 0.95

95 94

§ El factor de potencia no se deterioria ni a baja carga ni a baja velocidad

93 92 91 90 20

§ Se obtiene un mayor factor de potencia que con VFD tipo LCI (fuente de correinte)

30

40

50

60

70

80

90

100

Percent Load Perfect Harmony Efficiency

Perfect Harmony Power Factor

§ Se elimina la necesidad de capacitores para correccion de KVAR Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 20

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Características Principales

Gen IV, 1000KVA. 4,16KV Load

VFD Eff. w/o XFMR

VFD Eff. With XFMR

105 %

99.04 %

97.0 %

0.95

100 %

99.05 %

97.2 %

0.95

75 %

99.05 %

97.4 %

0.959

50 %

99.01 %

97.6 %

0.966

25 %

98.65 %

97.2 %

0.96

Power Factor

100% de Velocidad/carga NO SON el punto real de operacion!

Valores medidos en los puntos de operación Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 21

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Componentes Variadores de Velocidad Concepto Perfect Harmony: Sistema Integrado

Componentes

Perfect Harmony

Transformador Aislamiento

Incluido

Filtro de Armónicos

No necesita

Banco Corrección F.P

No necesita

Etapa de Potencia

Incluido

Filtro de Salida Sinusoidal

No necesita

n Topología Sencilla n Sistema

Integrado - Un solo equipo n Rápida Instalación Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 22

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Equipos Totalmente Probados

Características

Beneficios

§ Integración completa en Fabrica

§ Commissioning rápido y seguro en las instalaciones del cliente.

§ Completamente probado en fabrica.

§ Desempeño Probado § Aumenta la disponibilidad del equipo al identificar falla tempranas.

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Sinamics MV Drives

Familia Perfect Harmony Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved.

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Refrigerados por Aire ROBICON Perfect Harmony Gen IV & Gen IIIe Refrigerados por Aire • Equipos disponibles de 400 a 9,000 HP • 300 KW a 6.7 MW • Motores de 2300 a 7200 V • Celdas de 690 & 750V, 40 ~ 720A • Variador de MT mas pequeño del mercado

1000HP / 750 kW @ 4160V 110” high x 66” wide x 42” deep 2.8 m Alto x 1.68 m Ancho x 1.07 m Profundo Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 25

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Refrigerados por Agua

ROBICON Perfect Harmony WC III • 6,000 a 20,000 HP • 5 a 15 MW • 2300 ~ 7200 V Motors • Celdas de 750V, 800 & 1250A

Hasta 4 Equipos en Paralelo. 80,000 HP / 60 MW Refrigerados Agua – Agua ó Agua Aire

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Alto Voltaje HV

ROBICON Perfect Harmony HV • 7,500 a 43,500 HP • 5 a 32.5 MW • 11, 13.2 & 13.8 KV • Refrigerados por Agua • Celdas de 1375V a 500, 800 & 1400 A Hasta 4 Equipos en Paralelo 174,000 HP / 130 MW Refrigerados Agua – Agua ó Agua Aire

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Control Vectorial de Lazo Abierto 400 a 40,000 HP / 300 kW to 30 MW

Control Vectorial de Lazo Abierto § Software grafico para Windows § Autotuning § Alto torque a bajas velocidades sin encoder

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Protocolos de Comunicaciones

Como estándar el equipo cuenta con protocolos: § Modbus RTU y Modbus TCP/IP Se puede equipar con una tarjeta AnyBus que puede soportar los siguientes Protocolos • Modbus y Modbus Plus • Profibus DP • DeviceNet • ControlNet

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Visualización

Monitoreo de Variables Opciones de visualización: §

Input voltage

§

Transformer overload

§

Input voltage harmonics (one at a time)

§

Output power (kW)

§

kW-Hr

§

Input current

§

Output current – RMS

§

Input current harmonics (one at a time)

§

Output voltage – RMS

§

VFD efficiency

§

Motor torque

§

Motor speed (RPM)

§

Motor slip (%)

§

Drive output frequency (Hz)

§

Magnetizing current

§

Torque current

§

Motor flux

§

Input PF

§

Input power (kW)

§

Input reactive power (kVAR)

§

Input kW-Hr

§

Input phase sequence

§

Loss of phase

§

Low voltage

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Topología perfect Harmony GH180 Sinamics MV Drives

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Variador de Frecuencia Potencia de entrada 3Æ

Dispositivo para controlar la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna por medio del control del voltaje y la frecuencia suministrada hacia el motor

Drive

Motor

Maquina

Control

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Topología Inversor celdas multinivel A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 Input from

B3 C3

transformer

Power output

Secondary

of cell

A4 B4 C4 A5 B5 C5

Celda de potencia – integrada a la topologia multi nivel

M Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 33

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Sinamics Perfect Harmony GH180 (Celda de Potencia de 750 V)

Esquemático Típico Perfect Harmony Drive 9 Celdas

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Topología Sinamics Perfect Harmony GH180

Esquemático Típico Perfect Harmony Drive 15 Celdas 6.0~7.2 kV Drive (750 V Cells), or 11 kV Drive (1375 V Cells)

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Topología Diagrama de la celda de potencia Bus DC con condensadores electrioliticos para equipos a aire y condensadores fílmicos apara equipos a agua Inversor monofásico con IGBT´s(Insulated Gate BipolarTransistor)

Entrada de alimentacion desde un secudario del transformador protegiga por fusibles. Rectificador pasivo de 6 pulsos a base de diodos.

La tarje de control de celda controla la parte de potencia y provee diagnóstico.

Inversor fuente de voltaje, tecnología probada Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 36

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Topología

+ V

i

t Voltaje de linea AC (no-rectificada) Voltaje AC aplicado a las 3 fases,

-

Rectificador

Rectificador de onda completa de 6 pulsos.

Voltaje DC (Rectificado) AC es rectificado en DC

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Topología

+ V i

t Voltaje de linea AC (no-rectificada)

-

Rectificador

Voltaje DC (Rectificado)

La onda AC se vuelve negativa, el rectificador de diodos convierte en DC. Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 38

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Topología Diagrama de celda de potencia

+

Entrada desde los secundarios del transformador

El bus DC consiste de condensadores para suavizar el voltaje DC and suministrar potencia al inversor Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 39

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Topología Diagrama de celda de potencia

Entrada desde los secundarios del transformador

Los IGBT´s se encienden y apagan rapidamente para suministrar una forma de onda sinusoidal El IGBT combina un MOSFET(control) con un transistor BJT (switch) Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 40

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Topología Inversion DC a AC

V

Voltaje DC

V

(no-invertido) Inversor t

t

Q1 Q4 on Q2 Q3 off

Voltaje DC (invertido)

PWM (Pulse width modulated waveform) se asemeja a una forma de onda AC Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Source: Modern Power Electronics and AC Drives, Bimal K. Bose

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Topología Inversion DC a AC

V

V

Voltaje DC (no-invertido) Inversor t

t

Q1 Q4 off Q2 Q3 on

Voltaje DC (invertido) Frecuencia y amplitud – proporcional al voltaje de salida

Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Source: Modern Power Electronics and AC Drives, Bimal K. Bose

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Topología Celdas de potencia

Potencia de

A1

A2

A3

B1

B2

B3

C1

C2

C3

Motor

entrada de 3 fases

Voltaje de Media tensión- Una serie de variadores de PWM

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Topology Celdas de potencia A1

A2

A3

A4

B1

B2

B3

B4

C1

C2

C3

C4

Potencia de entrada de

Motor

3 fases

Para incrementar el voltaje las celdas son conectadas en serie Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 44

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SINAMICS PERFCET HARMONY GH180 Forma de onda en media tensión Las celdas se activan en secuencia para proveer una muy suave forma de onda de salida y sin necesidad de filtros de salida se obtiene una casi perfecta onda sinusoidal. Power Cell 1 Power Cell 2 Power Cell 3

Composite of Three Cells

El PWM Multi-nivel reduce los pasos de voltaje Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 45

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Forma de onda en media tensión

Al arrancar ,El Perfect Harmony genera una suave forma de onda sin altos rangos de modulación.

Forma de onda de salida de calidad – sin filtros o condensadores de corrección Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 46

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Frecuencia de Modulación Efectiva Una frecuencia de modulación mayor significa una menor distorsión en la corriente del motor. La frecuencia de modulación efectiva es (la frecuencia de pulsación de una celda es de 600Hz a 1200Hz): • 3 Celdas por fase – 3,600 Hz • 4 Celdas por fase – 4,800 Hz • 5 Celdas por fase – 6,000 Hz • 6 Celdas por fase – 7,200 Hz Con la arquitectura del Perfect Harmony la frecuencia de modulación se mantiene en todo el rango de frecuencia/velocidad.

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Factor Armónicos de Voltaje § US NEMA Standard MG 1-30 define el derateo resultante de la inyección de armónicos hecha por un variador. § El factor de Armónicos de Voltaje (HVF) se calcula basados en la onda de voltaje con armónicos y el calor reflejado por los bobinados del estator que generan armónicos en corrientes inducidos por la onda de tensión distorsionada.. § La norma indica que si el HVF es mayor a 0.03, el motor debe ser derateado por condición térmica. § HVF para Perfect Harmony: • 3 Celdas < 0.020 • 4 Celdas < 0.010 • 5 Celdas < 0.007 • 6 Celdas < 0.005

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Topología Sinamics Perfect Harmony GH180

Un voltaje de 4,160 logrado con celdas de 750 voltios.

A

Circuito de 9 celdas en servicio.

A3 750 Vac

A2 750 Vac

VAC

VBA

A1 750 Vac

C1 750 Vac

N

120o TYP. B1 750 Vac

B2

C2

750 Vac

750 Vac

C3 750 Vac

C

B3 100% VOLTAGE AVAILABLE

VCB

750 Vac

B

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Topología Sinamics Perfect Harmony GH180

Un voltaje de 6,600 logrado con celdas de 750 voltios. A Circuito de 15 celdas en servicio

A5 750 Vac

A4 750 Vac

A3 750 Vac

A2 750 Vac

VBA

A1

VAC

750 Vac

C1 C2 C3 C4 750 Vac

750 Vac

750 Vac

N

120o TYP. B1 750 Vac

B2

750 Vac

750 Vac

100% VOLTAGE AVAILABLE

C5 750 Vac

B3 750 Vac

B4 750 Vac

B5 750 Vac

C

B

VCB Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 50

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Topología Sinamics Perfect Harmony GH180

Un voltaje de 14,400 logrado con celdas de 1,375 voltios. A A6

Circuito de 18 celdas HV en servicio

1,375 Vac

A5 1,375 Vac

A4 1,375 Vac

A3 1,375 Vac

A2 1,375 Vac

VAC

VBA

A1 1,375 Vac120o

C1 C2 C3 C4

N

1,375 Vac

B2

1,375 Vac

1,375 Vac

1,375 Vac

1,375 Vac

TYP. B1 1,375 Vac

100% VOLTAGE AVAILABLE

C5 C6

C

1,375 Vac

B3 1,375 Vac

B4 1,375 Vac

B5

1,375 Vac

1,375 Vac

B6

1,375 Vac

B

VCB

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Topología Sinamics Perfect Harmony GH180

Hasta 40,000 HP (30 MW)

Celda 1375V

7200V

10,000V

12,000V

14,400V

Hasta 20,000 HP (15 MW)

Celda 750V

4160V

5500V

6900V

7200Vn+1

DIT Primary Winding

DIT (Drive Isolation Transformer)

DIT Secundarios

Induction or Synchronous Motor

VFD Power Cell Groups Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 52

Luis Sánchez / Product Management

Topología ROBICON Perfect Harmony

Altas Potencias / Alta Disponibilidad El equipo estándar permite hasta 4 conexiones en paralelo.

Si alguno de los equipos requiere mantenimiento puede ser desconectado sin parar el proceso.

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Luis Sánchez / Product Management

Calidad de Energía

Sinamics Perfect Harmony GH180

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siemens.com/answers

Garantía de Calidad de Energía ¿Cómo se garantiza la calidad de energía?

Beneficios Perfect Harmony

§ Armónicos cercanos a cero § FP > .96 § Onda de entrada y salida sinusoidal

§ Cumple con todos los requerimientos de la IEEE 519 1992 § No se necesitan filtros sinusoidales ni de armónicos problemáticos. § No necesita banco de corrección de factor de potencia.

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Luis Sánchez / Product Management

Corriente de Entrada de las Celdas.

Rectificadores de 6 Pulsos

2 Rectificadores de 6 Pulsos desfasados 20º

3 Rectificadores de 6 Pulsos desfasados 20º

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Luis Sánchez / Product Management

Corriente de Entrada al Variador – 18 a 48 Pulsos

Line to Line Voltage THD 1.2%

Line Current THD 0.8%

Voltaje y Corriente de Entrada al Variador Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 57

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Compatibilidad Motor Perfect Harmony Sinamics MV Drives

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siemens.com/answers

Beneficios de Compatibilidad con Motores Estándar

El uso de nuevos motores incrementa el costo de implementar un proyecto. El numero de motores existentes de media tensión excede el numero de motores nuevos en 1:40 Los motores existentes pueden ser: • Asíncronos • Sincronos • Rotor Bobinado • Sincronos con Imán Permanente • Alta velocidad

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Luis Sánchez / Product Management

Aislamiento de los Motores

Retrofits? Los motores existentes no cuentan con aislamientos especiales. Los cables existentes no están diseñados para picos de voltaje asociados a comportamientos no sinusoidales. La longitud de los cables puede generar dv/dt del doble de la magnitud. Los armónicos de un comportamiento no sinusoidal generan: • Resonancia en la mecánica del sistema • Calentamiento en el motor • Ruido excesivo • Daños en los rodamientos

Esto no es problema con el Perfect Harmony Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 60

Luis Sánchez / Product Management

Garantías de Compatibilidad de Perfect Harmony

§ No hay esfuerzo en los aislamiento por ruidos de modo común. • Se adapta a motores existentes. § El total de torque pulsante inducido es menor al 1% a cualquier velocidad dada. § No induce calentamiento adicional en el motor. • Puede ser usado con seguridad en motores con FS =1.0 • Factor Armónicos de Voltaje < 0.02, Limite MG1= 0.03 § No existen problemas de dV/dT • No genera esfuerzos en los aislamientos del motor

Esto no es problema con Perfect Harmony Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 61

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Calidad en el voltaje de salida proteje el motor Evite costosos filtros de salida § SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 no requiere de filtros a la salida para producir una buena onda de salida. § Saltos de Voltaje dV/dt: < 3000 V/µs para drives 6SR4 < 1000 V/µs para drives 6SR3 § Factor de voltajes en armonicos: < 0.02

§ No hay restricciones en el largo del cable - Máxima distancia del cable – 22 millas (35 kilometros) - Cuando el cable exceda los 6,500 pies (2 kilometros), un cálculo del sistema de salida debe de ser completado para asegurar que un filtro no es requerido para proteger los cables *1.0 or higher service factor required

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Cancelación de Armónicos en la Salida de Voltaje

PWM Multi-nivel CELL 1

CELL 2

CELL 3

COMPOSITE

Harmonic Cancellation in Output Voltage Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 63

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Salida Voltaje/Corriente

9 Niveles línea - neutro (4 celdas por fase)

Motor Voltage

Motor Current

Línea – Línea 17 niveles Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 64

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Salida Voltaje/Corriente

Ondas @ 60 Hz y 30 Hz

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Torque de Arranque

150% Corriente de Motor @ 1.6 Hz

Motor Current

Motor Voltage (Vln)

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Torque Pulsante

Motor Speed #Cells/phase Cell Fsw 1F 2F 4F 6F 12F Transition Frequency

Torque Pulsante Rated Torque 100%

52 Hz 5 Cells 600 Hz 52 Hz 104 Hz 208 Hz 312 Hz 624 Hz 3,000 Hz

Worst Case Upper Limit

1%

0.2%

1F 2F

4F

6F

Multiples of Motor Frequency F

12F

Hz Transition Frequency #Cells/phase x Cell Fsw

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Resultados de Bancos de Prueba

Aumento Temperatura / Armonicos - ROBICON Perfect Harmony Recirc Pump Motor 2B Temperature Rise (Based on 3 hour Averages) 60

50

Temp Rise (OF)

40

30 MG Set VFD 20

10

0

-10 400

500

600

700

800

900

1000 1100 Speed (RPM)

1200

1300

1400

1500

1600

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Resultados de Bancos de Prueba

Motor operado desde un generador vs. Perfect Harmony GH180 § Cada sistema contaba con un sistema de vibración BentleyNevada § Datos de vibración con M-G y VFD comparador: No hubo impacto en los niveles de vibración desde el VFD.

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Sistema Alta Disponibilidad Perfect Harmony

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Alta Disponibilidad Perfect Harmony

cell bypass avanzado

Alto nivel

Allows SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 to automatically bypass any failed power cell and resume normal operation in 250 ms

Control de estrategia ProToPS™

De redundancia

Disponibilidad alta del proceso

Todos combinados: - Alta disponibilidad

Perdidas momentaneas de energía

operación sobre extendidos bajos voltajes

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Los Cinco Pilares de la Disponibilidad

Características: § Bypass de Celdas Avanzado § La falla de una celda no dispara el VFD. § ProToPS™ Control Strategy § Nivel jerárquico de alarmas = tiempo para reaccionar § Operación en bajo voltaje extendido § Si existe presencia de voltaje se mantiene la operación. § Operación con perdida de tensión § Las fallas solo duran unos ciclos. Se mantiene la tensión hasta por 5 ciclos. § No hay puntos críticos de falla – Redundancia. Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 72

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Cell Bypass

Contactor de Cell Bypass adicional

Bypass Automático en menos de 450ms Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 73

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Cell Bypass

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Luis Sánchez / Product Management

Cell Bypass Para tener en cuenta… % speed / motor voltage % voltage VFD output / available motor voltage

Percent of Original Voltage / Speed Available after One Failure

100% 100% speed 4.8 kV motor

100% speed 6 kV motor

100% speed 7.2 kV motor

93% speed* 4 kV motor

90%

92% / 7,636 VII 87.5% / 4,860 VII

80%

90% / 6,248 VII

83% / 3,467 VII

70% 3 / 4,160 VII

4 / 5,554 VII

5 / 6,942 VII

§ El % de voltaje disponible es calculado basados en la máxima salida de voltaje del variador, que es mayor al voltaje nominal del motor. § Un motor a tensión menor que la nominal puede mantener la velocidad requerida por la aplicación, aumentando la corriente de estator, lo cual se hace automáticamente hasta alcanzar el limite de corriente programado.

6 / 8,330 VII

Original Number of Power Cells Per Phase / VFD Output Voltage Available with All Cells Working *Centrifugal pump/compressor application.

100% de la Corriente de Salida esta Siempre Disponible. Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 75

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Cell Bypass

Desbalance Voltaje Línea - Línea Vac = Vba < Vcb

A A3 A2

Balanceo Voltaje Línea - Línea

VAC

A1

132.5

o

132.5

Vac = Vba = Vcb

95

o

C3

C5

B2 B3

C4

C

VBA

B1

C1 C2

o

B4 B5

VCB

B

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Cell Bypass avanzado § Celdas defectuosas no aparan el VFD § Protege contra falla de cualquier componente de la celda § Permite el continuar con el proceso con una interrupción que es menor a 250 ms § No importa que componente ha falla en la celda § Incrementa la confiabilidad y disponibilidad del VFD

contactor de Bypass

Tecnologia patentada de Siemens (patente numero 5,986,909) Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 77

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Cell Bypass avanzado SINAMICS PERFECT HARMONY Drive de 15 celdas

Voltaje

A1 B1 C1

§ Todas las celdas en uso.

Linea-linea balanceado

§ 100% of máximo voltaje disponible.

VAC = VBA = VCB

A2

A

B2

A5 C2

A4

A3 B3

A3 C3

A2

A4

VAC

VBA

B4

A1 120° TYP.

C4

C1 N B1

A5

C2 B5

B2

C3

B3

C4

C5

C

C5

B4 VCB

B5

B

M Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 78

Luis Sánchez / Product Management

Cell Bypass avanzado SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Drive de 15 celdas

Voltaje Linea-linea desbalanceado

A1 B1 C1 A2

§ 2 celdas en bypass, 13 celdas en us0.

VAC ≠ VBA ≠ VCB

§ A87% de las celdas estan en uso

B2

A5 C2

A4

A3 B3

A3

§ Voltaje de salida es desbalanceado § Sistema continua operacional con 13 celdas

C3

A2

A4

VAC

VBA

B4

A1 120° TYP.

C4

C1 N B1

A5

C2 B5

B2

C3

B3

C4

C5

C

C5

B4 VCB

B5

B

M Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 79

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Cell Bypass avanzado SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Drive de 15 celdas

Voltaje

A1 B1 C1 A2

Linea-linea balanceado VAC = VBA = VCB

§ Punto neutro cambiado para balancear salida §Provee una mayor potencia de salida A

B2

A3

Tecnología patentada de Siemens

C2

A2

A3 B3 C3

A1

VAC 132.5°

A4

132.5° B1

C1

B4

C2

C4

95

B5

C4 C5

C

B2 B3

C3

A5

VBA

B4 B5

C5 VCB

B

M Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 80

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Cell Bypass avanzado: Cambio de punto de neutro Los resultados

Para tener en cuenta… § Porcentaje del voltaje disponible es basado en el maximo voltaje de salida el cual es mas grande que el voltaje del motor

Disponible después de una falla

Porcentaje del voltaje original

100

Con cambio de neuto 90

80

§ Motor operando a menor voltaje puede mantener la velocidad requerida incrementando la corriente del estator, la cual es automaticamente suministrada por el VFD.

sin cambio de neutro

70

100% de la corriente de salida

60 3

4

5

6

7

8

siempre es disponible!!

Número original de celdas por fase

Tecnología patentada de Siemens

Con el cambio del neutro mas voltaje es disponible para el motor Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 81

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Redundancia en la Electrónica de Potencia

6 Celdas por fase. Ejemplo: 6,900 V Motor Celdas Disponibles Va-Vb-Vc

Máximo Voltaje Disponible.

6-6-6

8,330

6-6-5

7,635

6-6-4, 6-5-5, 5-5-5

6,942

6-6-3, 6-5-4, 5-5-4

6,248

6-6-2, 6-5-3, 6-4-4, 5-5-3, 5-4-4, 4-4-4

5,553

6-6-1, 6-5-2, 6-4-3, 5-5-2, 4-4-3

4,860

6-5-1, 6-4-2, 6-3-3, 5-5-1, 5-4-2, 4-4-2, 43-3, 3-3-3

4,165

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Redundancia en la Electrónica de Potencia

4 Celdas por fase. Ejemplo: 4,160 V Motor Celdas Disponibles Va-Vb-Vc

Máximo Voltaje Disponible.

4-4-4

5,554

4-4-3

4,860

4-4-2, 4-3-3, 3-3-3

4,165

4-4-1, 4-3-2, 3-3-2

3,470

4-3-1, 4-2-2, 3-3-1, 3-2-2, 2-2-2

2,777

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ProToPS™

Estrategia de control § Protección del proceso versus protección VFD § Le permite al operario tomar decisiones de como responder ante una posible situación de disparo. § Permite tiempo para hacer una transición lenta en el proceso. Ajuste carga. § Indicaciones bajo un orden jerárquico: • Alarmas – Elemento fallado que no impacta el proceso • Alarma Proceso – Indicación para ajustar la carga • Alarma Disparo – VFD inicia un proceso de disparo si ninguna acción se toma.

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ProToPS™

Transformador:

1. Alarma Proceso – T_xfmr > 170°C 2. Alarma Disparo – T_xfmr > 190°C 3. Disparo VFD – solo si:

XFMR Alarma Proceso & XFMR Alarma Disparo Ambas por mas de 5 min.

Protección del proceso de un sensor o medida defectuosa.

Perdida un Elemento de Refrigeración: 1. Alarma – Perdida un Ventilador 2. Alarma Disparo – Perdida de todos los ventiladores o de la unidad de control. 3. Disparo VFD – solo si: Todos los ventiladores fallan & XFMR Alarma Proceso & Alarma Temperatura celda

Tiempo para corregir las fallas

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Disponibilidad Tensión de Entrada Tensión de Entrada Nominal +/- 10% : § 100% de la potencia disponible. Tensión de Entrada de 90% a 65%: § La potencia de salida es limitada linealmente del 100% al 90% de la tensión de entrada hasta el 50% @ 65% de la tensión de entrada. § La mayor tensión disponible será entregada al motor. § La potencia de salida es reducida en función del torque disponible en el motor. § El variador puede operar de manera continua en este modo. La tensión cae por debajo del 65%: § El VFD se mantiene por al menos 5 ciclos. § Durante este periodo se mantiene se mantiene el voltaje en el motor. § Si el voltaje de entrada no se reestablece antes de que el voltaje del bus dc se descargue, el VFD se disparara.

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Disponibilidad Tensión de Entrada

Pérdida de Tensión por 5 ciclos @ 100% Voltaje

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Opciones Redundantes con ROBICON Perfect Harmony

Opciones Disponibles Elemento del Sistema

Posibilidad de Falla

Nivel Redundancia

Potencia

Ninguna

N+1 Celdas

VFD Control

Ninguna

Doble Control

Refrigeración

Ninguna

Requiere una segunda falla crítica

Control Refrigeración

Ninguna

Requiere una segunda falla crítica

Filtro Entrada

Ninguna

No Requiere

Filtro Salida

Ninguna

No Requiere

Transformador Salida

Ninguna

No Requiere

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

Diseño Integrado Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved.

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Un sistema integrado (IDS) en un mundo ideal Red alimentacion § 0 armónicos § factor de potencia “unitario”

Variador de Frecuancia § Tolerante a las fallas con componentes N+1 § Tamaño pequeño § Fácil de reparar § Que sea de alta eficiencia

Motor Estandar § Que no se caliente por culpa de los armónicos § Que no se deteriore su aislamiento § Que no haya corrientes de focault en sus rodamientos

Carga § Torque suave § Pulsaciones no significantes Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 90

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Conjunto Estandar Componentes del SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

Componentes de un VFD convencional 1. 2. 3. 4. 5.

1

Filtro de armónicos Corrector de factor de potencia Transformador de aislamiento Inversor Filtro de Motor

2

3

4

5

1. Transformador de aislamiento que cancela armónicos 2. Inversor produce forma de onda sinusoidal

vs.

1

2

An integrated VSD system… A single line-up has it all Small footprint inherent to design – Lower installed cost Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 91

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Caracteristicas y beneficios del producto SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

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siemens.com/answers

SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Beneficios

• Diseño Integrado, menos componentes, tamaño pequeño y bajo costo de instalación

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ROBICON Perfect Harmony Voltaje de Entrada Limpia SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

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siemens.com/answers

Calidad de Energia a la entrada Caracteristicas

Voltage* Current*

§ Armónicos cercanos a cero en la entrada del transformador § Onda sinusoidal limpia § Cumple con todas los requerimientos de IEEE 519-1992 para distorsión de voltaje y corriente § Elimina el uso de costosos filtros de armónicos para su eliminanción § No se necesita correcion de FP o costosos condesadores de bus adicionales

ROBICON Perfect Harmony, 1000 HP / 750 kW VSD, 1100 kVA, 5.75% Impedance Source

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Luis Sánchez / Product Management

Voltaje de salida ajustable Forma de onda @ 100% de velovidad en el SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 96

Luis Sánchez / Product Management

Voltaje de salida ajustable Forma de onda @ 50% velocidad en el SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

Waveforms remain high quality at lower speeds due to Multi-level PWM output Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 97

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SINAMICS PERFECT HARMONY GH180

Topología de celdas multi-nivel

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siemens.com/answers

SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Portaflio de topologías

SINAMICS tiene muchas topologías Restricted © Siemens AG 2016 All rights reserved. Page 99

Luis Sánchez / Product Management

SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 Benefits • Diseño Integrado, menos componentes, tamaño pequeño y bajo costo de instalación • Calidad de energía a la entrada limpia– distorsión armonica baja