Hiểu chi tiết về Biến Tần (Lưu ý khi lựa chọn)

1/ Biến tần là gì?

Biến tần (tên tiếng anh gọi là Inverter) là một thiết bị điện tử được sử dụng để điều khiển tốc độ của động cơ 3 pha không đồng bộ thông qua việc điều khiển tần số điện áp cấp vào cho động cơ. Đây là thiết bị rất quen thuộc trong công nghiệp.

Các loại máy móc công nghiệp: Máy CNC, bơm nước, hệ thống dây chuyển sản xuất, hệ thống nâng chuyển, quạt hút thối công suất lớn,… đều có sử dụng biến tần

Biến tần là gì?

VFD viết tắt của Variable Frequency Drive, có nghĩa là điều khiển đa tần. Chúng được dùng để chạy các động cơ AC với nhiều mức tốc độ khác nhau hoặc tăng tốc từ từ để có một sự kích hoạt động cơ mượt mà. Biến tần hoạt động bằng cách tinh chỉnh tần số của động cơ nhằm điều chỉnh tốc độ quay vòng trên phút. Để thực hiện điều đó, một biến tần chính xác sẽ biến đổi điện áp 2 lần (tóm tắt quá trính đó như sau):

  1. Đầu tiên, chuyển điện áp AC 3 pha về DC, kết hợp với các đi ốt
  2. Sau đó, làm mịn dòng DC bằng tụ điện
  3. Chuyển DC thành AC dùng các transistor như các công tắc. Việc tận dụng các “công tắc” này cho phép biến tần có thể tinh chỉnh tần số cung cấp đến động cơ, đồng nghĩa với việc điều tốc động cơ

nguyên lý hoạt động của VFD

Để dễ hình dung, ta hãy so sánh quá trình hoạt động bên trong biến tần với một hệ thống bơm đơn giản. Đầu tiên là các diode chuyển nguồn điện AC sang DC, giống như 1 van kiểm tra đầu vào của hệ thống nước, chỉ cho phép dòng nước chảy một chiều. Tụ điện đóng vai trò là một bộ lọc nước, lọc dòng điện và nâng cao tính ổn định. Còn các transistor sẽ là các van, bật hoặc tắt dòng chảy năng lượng khi cần thiết. Những điều cơ bản vừa rồi giúp giải thích biến tần điều chỉnh tần số của động cơ thế nào.

hệ thống VFD

Tóm lại: Biến tần hay VFD là viết tắt của Variable Frequency Drive có nghĩa là điều chỉnh bién tần, chúng được dùng trong điều khiển tốc độ động cơ AC. Chúng cũng được ứng dụng trong việc khởi động động cơ một cách từ từ và trơn chu, hay để tránh chịu tải nặng khi khởi động động cơ. Điều này được thực hiện bởi cơ chế điều chỉnh tần số truyền đến động cơ. Một kiểu thiết lập chuyển nguồn AC sang DC và từ DC quay lại AC. Các biến tần được dùng trong hầu hết các ngành công nghiệp. Một kiểu ứng dụng phổ biến nhất là điều chỉnh lượng nước trong một quy trình xử lý nước thủ công hoặc tự động từ bộ điều khiển PLC. Tất nhiên cũng sẽ có rất nhiều hãng biến tần và các tính năng khác nhau, vì thế hãy chắc chắn bạn đã nghiên cứu chúng kỹ càng trước khi sử dụng.

1.1/ Sự ra đời của biến tần?

Bắt nguồn từ nhu cầu điều khiển tốc độ quay của động cơ 3 pha không đồng bộ, người ta đã phân tích từ công thức tính số số vòng qua của động cơ N = [60f x (1-s)]/P

Từ có cho ta thấy muốn điều khiển tốc độ động cơ thì sẽ có 3 cách: Thay đổi tần số điện (f), số điện cực (p) và hệ số trượt (s).

  • Nếu thay đối số điện cực (P) thì chỉ có thể thay đổi được vài cấp tốc độ động cơ và mỗi lần tốc độ động cơ thay đổi sẽ dẫn đến hiện tượng giật động cơ
  • Nếu thay đổi hệ số trượt (s) thì cần phải có mạch điều chỉnh hệ số trượt (tương đối phức tạp)
  • Chính vì vậy việc điều khiển tần số (f) là cách đơn giản nhất để điều khiển tốc độ của động cơ 3 pha không đồng bộ.

Dựa vào cách thay đổi tần số lưới điện sẽ dễ dàng thay đổi được tố độ động cơ nên biến tần đã được ra đời từ đây…!

1.2/ Tại sao cần phải sử dụng biến tần?

  • Có thể thay đổi tần số lưới điện từ đó thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng nhất (Trong khi lưới điện đang sử dụng có tần số f = 50/60 Hz)
  • Không cần phải dùng các mạch khởi động hình sao hay tam giác
  • Dễ dàng khởi động các tải công suất lớn
  • Việc khởi động sẽ có tốc độ ban đầu la chậm và tăng dân lên mức nhanh giúp đảm bảo không làm giật động cơ hay hư hỏng các bộ phận cơ khí, kết cấu máy móc
  • Tiết kiệm điện năng
  • Bảo vệ hệ thống khi gặp những trường hợp: quá tải, quá dòng, quá áp

2/ Phân loại biến tần

Có nhiều cách phân loại: Dựa theo công suất, dựa theo loại điện áp cấp vào hoặc dựa vào các hãng sản xuất. Cách được nhiều người lựa chọn nhất là dựa theo công suất

  1. Biến tần trực tiếp: Dành cho động cơ có công suất rất lớn
  2. Biến tần gián tiếp: Dành cho động cơ công suất thấp hơn (Dãy công suất từ dưới 1kW – 700kW)

Trên thực tế sẽ gặp chủ yếu loại biến tần gián tiếp vì với dãy công suất hỗ trợ như vậy là đã bao quát toàn bộ những động cơ được sử dụng trong công nghiệp

Biến tần trực tiếp có giá rất cao và rất ít được sử dụng (Có thể một người làm chuyên về điện công nghiệp sẽ chẳng bao giờ gặp được loại này)

2.1/ Phân loại biến tần điện áp

Dựa vào lưới điện sử dụng thì có thể chia làm 2 loại: Biên tần 1 pha và biến tần 3 pha

  • Đầu vào 1 pha có 2 loại: 110V và 220v
  • Đầo vào 3 pha có 2 loại: 200V và 380V

Việc chia ra nhiều loại pha điện áp để phù hợp với những mục đích khác nhau: Đầu vào 1 pha sử dụng cho cho loại động cơ công suất nhỏ (dưới 15kW) và phù hợp với lưới điện của từng quốc gia

3/ Cấu tao biến tần

Nhìn chung biến tần có kích thước tương đối nhỏ gọn và đơn giản. Nên việc sử dụng cũng không có quá nhiều khó khăn chỉ việc lắp vào và thiết lập vài thông kỹ thuật cho phù hợp. Cấu tạo bên trong một biến tần gồm 3 khối cơ bản:

  1. Khối chỉnh lưu: Bao gồm 6 diot chỉnh lưu 3 pha (chỉnh lưu tự động)
  2. Khối lọc: Gồm cuộn dây (L) và tụ điện (C)
  3. Khối nghịch lưu: 6 con IGBT và 6 Diot mắt song song với IGBT

sơ đồ khối

(Note: Trước đây khối nghịch lưu được dùng bằng những con Transistor, kể từ khi IGBT ra đời nó đã thay thế Transistor vì rất nhiều ưu điểm vượt trội)

Lưu ý: Đầu vào của biến tần gồm 1 pha và 3 pha (Nên khi mua cần phải lưu ý sử dụng loại đầu vào nào?)

4/ Nguyên lý hoạt động

Cơ chế hoạt động của biến là biến dòng điện AC (1 pha hoặc 3 pha) thành điện DC (phẳng) sau đó chuyển ngược lại thành AC đối xứng và tiến hành băm xung để đạt được điện áp AC – 3 pha đầu ra có tần số mong muốn

B1: Điện áp khi đi vào biến tần có dạng đồ thị hàm Sin
B2: Sau khi đi qua khối chỉnh lưu đồ thị sẽ chuyển sang dạng hình gợn sóng
B3: Điện áp tiếp tục đi qua bộ lọc L hoặc C sẽ được chuyển thành dạng phẳng hoàn toàn (Điện DC chuẩn)
B4: Khi đi qua khối nghịch lưu sẽ sử dụng phương pháp PWM (Băm xung hay băm áp), băm áp với tần số cao (Tần số càng cao thì điện áp đầu ra càng “mịn” sẽ gần giống với điện áp đầu vào)

băm xung

Note: Sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã giúp tạo ra những dãy tần số siêu âm, việc này sẽ giúp động cơ giảm tiếng ồn ở mức tối đa và tăng tuổi thọ cho động cơ

4.1/ Khi động cơ trở thành máy phát điện

Trên khối nghịch lưu có 6 con diot, chúng sẽ phát huy chức năng khi động cơ trở thành máy phát: Khi động cơ làm việc ở chế độ máy phát (Tải còn quán tính) thì dòng điện sẽ phát ngược lại từ động cơ trở về biến tần, nên cần phải giải phóng toàn bộ lượng điện năng được tạo ra

Điện áp sẽ đi ngược lại vào trong biến tần và đi qua 6 con diot sau đó tích ở tụ điện. Việc dùng diot mắc song song là giúp bảo vệ những con IGBT

Ngoài ra trên thực tế: người ta còn sử dụng điện trở xả nhằm biến toàn bộ lượng điện năng được sinh ra từ động cơ (khi ở trạng thái máy phát) thành nhiệt năng để bảo bệ biến tần

Điện trở xả vỏ nhôm
Điện trở xả cho biến tần

5/ Vậy biến tần dùng để làm gì?

Một ứng dụng phổ biến nhất trong công nghiệp là điều chỉnh tốc độ của động cơ bơm nước trong dây chuyền xử lý nước. Loại dây chuyền này thường đòi hòi một lưu lượng dòng chảy ổn định đi xuyên suốt toàn bộ quá trình. Tuy nhiên, nếu lượng nước cấp vào thấp hơn, người vận hành cần điều chỉnh lại tốc độ của toàn bộ quá trình, và điều này có thể thực hiện được nhờ biến tần. Việc giám sát và điều chỉnh dòng nước đều trở nên dễ dàng khi có biến tần. Một sự thật hữu ích khác về biến tần là chúng có thể được điều khiển thông qua PLC. Sử dụng các giao thức điều khiển cơ bản được mô tả ở phần trước, như RS232 hay RS485, các PLC có quyền giám sát và điều khiển tốc độ động cơ, thông qua biến tần. Điều này giúp quy trình sản xuất như xử lý nước trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn nhiều. Và cách thiết lập này có thể được ứng dụng trong bất kỳ bài toán nào cần sự tự động hóa.

ứng dụng VFD trong thực tế

6/ Lưu ý khi chọn mua biến tần

Khi lựa chọn biến tần ngoài việc tìm những hãng sản xuất chất lượng thì cần phải có kiến thức về kỹ thuất để chọn đúng loại đáp ứng được cho nhu cầu

Lưu ý 1: Công suất biến tần tối thiểu phải lớn hơn công suất của động cơ (Nên chọn công suất biến tần lớn hơn 20% công suất động cơ)

Lưu ý 2: Điện áp sử dụng là 1 pha hay 3 pha

biến tần công nghiệp

Bài viết liên quan