Biến tần : Khái niệm cấu tạo nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Biến tần là một thành tựu công nghệ động điện hiện đại. Nó đã chứng minh vai trò quan trọng của mình trong việc tối ưu hóa hiệu suất và điều khiển linh hoạt của các hệ thống điện. Hãy cùng nhau khám phá chi tiết hơn về biến tần, từ khái niệm cơ bản đến những ứng dụng đa dạng để hiểu rõ hơn về vai trò của nó trong việc nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống điện hiện đại.

Biến tần là gì?

• Biến tần là một thiết bị có khả năng điều chỉnh linh hoạt dòng điện xoay chiều từ một tần số nhất định thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác. Trong lĩnh vực công nghiệp, biến tần được sử dụng phổ biến để kiểm soát tốc độ động cơ, thực hiện đảo chiều quay, giảm dòng khởi động, giảm độ rung và tăng hiệu suất tiết kiệm năng lượng.
• Để diễn giải một cách khác, biến tần thực hiện việc điều chỉnh tần số của dòng điện đưa vào cuộn dây trong động cơ. Từ đó có thể linh hoạt kiểm soát tốc độ quay của động cơ mà không cần sử dụng hộp số cơ khí. Sử dụng các linh kiện bán dẫn, biến tần thực hiện việc mở/đóng tuần tự dòng điện đưa vào cuộn dây của động cơ, tạo ra từ trường xoay để thúc đẩy quay của động cơ.
• Điều này giúp biến tần có khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ từ chậm đến nhanh tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, tăng cường hiệu suất làm việc của động cơ.

Xem thêm :

• Máy phát điện biến tần là gì? Ưu và nhược điểm của máy

Phân loại biến tần

Trên thị trường có đa dạng loại biến tần, bao gồm biến tần AC, biến tần DC, biến tần 1 pha 220V, biến tần 3 pha 220V, biến tần 3 pha 380V, biến tần 3 pha 660V, và biến tần trung thế.
Không chỉ có các dòng biến tần đa năng mà còn xuất hiện các dòng biến tần chuyên dụng nhằm đáp ứng nhu cầu đặc biệt của từng ứng dụng cụ thể. Điển hình như biến tần chuyên dụng cho bơm và quạt, biến tần chuyên dụng cho nâng hạ và cẩu trục, biến tần chuyên dụng cho thang máy, biến tần chuyên dụng cho hệ thống HVAC, và nhiều lựa chọn khác.
Điều này phản ánh sự đa dạng và linh hoạt trong ứng dụng của biến tần, giúp tối ưu hóa hiệu suất và hiệu quả trong từng lĩnh vực sử dụng.

Cấu tạo của biến tần

Mỗi loại biến tần được xây dựng với cấu trúc riêng biệt, được điều chỉnh phù hợp với ứng dụng cụ thể và các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển. Các thành phần chính của biến tần được thiết kế để đảm bảo hiệu suất ổn định và độ bền trong môi trường công nghiệp đòi hỏi sự chịu đựng cao. Cấu trúc cơ bản của biến tần thường bao gồm các thành phần sau:

Mạch nguồn

Chịu trách nhiệm cung cấp nguồn điện cho toàn bộ biến tần. Mạch nguồn đảm bảo ổn định và chất lượng nguồn điện đầu vào.

Mạch điều khiển

Là trung tâm quản lý của biến tần, nơi thực hiện các chức năng điều khiển, lập trình và bảo vệ. Mạch này giữ vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất và an toàn của hệ thống.

Mạch chuyển đổi tần số

Là mạch chủ yếu của biến tần, thực hiện chức năng chuyển đổi tần số dòng điện đầu vào (thường là 50Hz) thành tần số dòng điện đầu ra có thể điều chỉnh từ 0 đến 400Hz. Mạch này bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc và bộ nghịch lưu IGBT.

Mạch bảo vệ

Gồm các thiết bị bảo vệ quá tải, quá dòng và bảo vệ khỏi các sự cố điện có thể ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của hệ thống.

Màn hình - bàn phím

Sử dụng để giám sát, cài đặt và điều khiển biến tần từ phía người vận hành. 

Nguyên lý hoạt động của biến tần

Đầu tiên, biến tần tiếp nhận nguồn đầu vào từ nguồn cung cấp điện. Tùy thuộc vào loại biến tần, nguồn điện đầu vào có thể là nguồn 1 pha hoặc 3 pha, nhưng chúng đều ở mức điện áp và tần số cố định (ví dụ: nguồn đầu vào 3 pha 380V tần số 50Hz). Để tạo điều kiện cho quá trình biến đổi, nguồn điện này trải qua giai đoạn chỉnh lưu và lọc để chuyển thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Tụ điện đồng thời có nhiệm vụ lưu trữ và cung cấp điện năng cho biến tần.
Tiếp theo, điện áp 1 chiều trong tụ điện được chuyển đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Quá trình này được thực hiện thông qua việc tự kích hoạt bởi bộ biến đổi IGBT (viết tắt của tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) để tạo ra một điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.
Tần số của tín hiệu đầu ra sẽ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển và các tham số được lập trình sẵn trong biến tần. Người vận hành có thể thực hiện cài đặt trước chế độ hoạt động hoặc điều khiển trực tiếp biến tần.
Trong quá trình vận hành, biến tần tự động phát hiện và cảnh báo về các sự cố như quá tải, quá áp, sụt áp, mất pha... Nếu phát hiện các lỗi nhẹ, biến tần thông báo cảnh báo và có thể tiếp tục hoạt động. Tuy nhiên, nếu gặp phải các lỗi nghiêm trọng, biến tần có thể tự động ngừng cấp điện cho động cơ, từ đó ngăn chặn nguy cơ hư hại cho hệ thống.

Lợi ích của việc sử dụng biến tần

• Kiểm soát tốc độ động cơ: Biến tần đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh tần số đầu vào. Điều này mang lại độ chính xác và linh hoạt cao trong việc điều khiển tốc độ của máy móc và dây truyền sản xuất.
• Đảo chiều quay động cơ: Khả năng cài đặt sẵn của biến tần khi máy chạy đến hết hành trình làm cho quá trình đảo chiều hoặc điều khiển trực tiếp trở nên dễ dàng và linh hoạt.
• Bảo vệ động cơ: Biến tần được trang bị thiết bị điện tử giám sát, cảnh báo và tự động dừng cấp điện khi gặp sự cố như quá tải, quá áp, sụt áp, mất pha, tạo ra một hệ thống an toàn trong quá trình vận hành.
• Giảm dòng khởi động: Biến tần giảm dòng khởi động so với phương pháp khởi động trực tiếp hoặc khởi động sao-tam giác, không gây sụt áp hoặc khởi động khó khăn.
• Tích hợp Module truyền thông: Các module truyền thông tích hợp vào biến tần giúp dễ dàng điều khiển và giám sát từ trung tâm.
• Khởi động từ tốc độ thấp: Quá trình khởi động thông qua biến tần từ tốc độ thấp giúp động cơ không phải chịu đựng cú sốc khởi động đột ngột, giảm rủi ro hư hại cho phần cơ khí và ổ trục, cũng như tăng tuổi thọ động cơ.
• Tiết kiệm năng lượng: Sử dụng biến tần giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể so với việc chạy động cơ trực tiếp.
• Hiệu suất cao và giảm chi phí: Nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode và tụ điện giúp giảm chi phí lắp đặt tụ bù và hạn chế hao hụt điện năng trên đường dây.
• Tăng tuổi thọ động cơ và giảm chi phí bảo trì: Biến tần giúp động cơ không bị quá tải và không hoạt động ở công suất tối đa trong thời gian dài, từ đó tăng tuổi thọ động cơ và giảm chi phí bảo trì.
• Giảm Ồn và Rung: Biến tần giảm độ ồn và độ rung của động cơ, cải thiện môi trường làm việc và giảm ảnh hưởng đến sức khỏe của người lao động.

Ứng dụng biến tần

Do những lợi ích nổi bật mà nó mang lại, biến tần đang trở thành một công nghệ phổ biến không chỉ trong lĩnh vực công nghiệp mà còn trong các ứng dụng dân dụng. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến mà không thể thiếu sự áp dụng của biến tần:

• Bơm nước: Biến tần được tích hợp trong hệ thống bơm nước để điều chỉnh hiệu suất và tiết kiệm năng lượng theo nhu cầu thực tế.
• Quạt hút/đẩy: Sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ của quạt, giúp tối ưu hóa luồng không khí và tiết kiệm điện năng.
• Máy nén khí: Biến tần giúp kiểm soát áp suất và tốc độ của máy nén khí, tăng hiệu quả và giảm mức tiêu thụ năng lượng.
• Băng tải: Ứng dụng biến tần trong hệ thống băng tải để linh hoạt kiểm soát tốc độ chuyển động và giảm độ mệt mỏi cho thiết bị.
• Thiết bị nâng tạ: Sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ nâng hạ, cung cấp sự chính xác và an toàn trong quá trình vận hành.
• Máy cán kéo: Biến tần được tích hợp để kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn của máy cán kéo, tăng hiệu suất làm việc.
• Máy ép phun: Ứng dụng biến tần giúp kiểm soát áp lực và tốc độ của máy ép phun, tối ưu hóa quá trình sản xuất.
• Máy cuốn/nhả: Sử dụng biến tần để linh hoạt kiểm soát tốc độ cuốn và nhả, đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
• Thang máy: Biến tần được tích hợp trong hệ thống thang máy để điều chỉnh tốc độ di chuyển và giảm độ rung.
• Hệ thống HVAC: Biến tần được sử dụng để điều khiển quạt và máy lạnh, tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
• Máy trộn: Ứng dụng biến tần trong máy trộn để điều chỉnh tốc độ quay và tạo ra sản phẩm đồng đều.
• Máy quay ly tâm: Sử dụng biến tần để kiểm soát tốc độ quay và đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
• Cải thiện khả năng điều khiển của hộp số: Biến tần giúp cải thiện khả năng điều khiển của hộp số, tăng độ chính xác và linh hoạt.
• Thay thế hệ thống điều khiển vô cấp truyền thống trong máy công tác: Sử dụng biến tần như một giải pháp hiệu quả hơn và linh hoạt hơn so với cơ cấu điều khiển vô cấp truyền thống trong máy công tác.

Những ứng dụng này thể hiện sự đa dạng và ưu việt của biến tần trong việc nâng cao hiệu suất và hiệu quả của các hệ thống công nghiệp.

Hướng dẫn chọn biến tần

Điện áp của biến tần

Lựa chọn biến tần với điện áp đầu vào phù hợp với hệ thống, ví dụ, nếu hệ thống có nguồn điện 3 pha 380V, chọn biến tần đầu vào 3 pha 380V. Đối chiếu điện áp đầu ra của biến tần với điện áp của động cơ.

Thông số của động cơ

Chọn biến tần dựa trên thông số của động cơ. Lưu ý điện áp, công suất, và dòng điện trong bảng thông số động cơ.

Loại tải của ứng dụng

Phân loại tải thành tải nhẹ, tải trung bình, và tải nặng dựa trên đặc tính momen của ứng dụng. Chọn dòng biến tần phù hợp với loại tải, với ví dụ như biến tần LS dòng IP5A, H100 cho tải nhẹ, Fuji dòng eHVAC cho tải trung bình, Mitsubishi dòng A800 cho tải nặng.

Đặc điểm vận hành

Xác định chế độ vận hành, ngắn hạn hay dài hạn, để chọn biến tần với khả năng chịu quá tải và môi trường nhiệt độ phù hợp.

Module được tính hợp sẵn

Xem xét tính năng tích hợp trong biến tần như màn hình, bàn phím, module truyền thông, điện trở xả, và bộ lọc EMC.

Biến tần đa năng hay biến tần chuyên dụng

Quyết định giữa biến tần đa năng, ví dụ như LS IG5A, Mini của Fuji, và biến tần chuyên dụng dành cho một ứng dụng cụ thể, như biến tần Lift của Fuji cho thang máy.

Chọn hãng sản xuất

Đánh giá yếu tố chi phí đầu tư và chọn hãng sản xuất phù hợp với nhu cầu. Ví dụ, INVT, Delta, Frecon cho phân khúc giá thấp; LS, Fuji, Schneider cho phân khúc giá trung bình; Mitsubishi, ABB, Siemens cho phân khúc giá cao.