Biến tần là một loại thiết bị có chức năng biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. Có nhiều tính năng ưu việt, hiệu quả, tiết kiệm điện năng, chống hư hỏng động cơ, dây chuyền sản xuất, gia tăng khả năng sản xuất hay điều khiển máy móc hoạt động ở tốc độ thích hợp.
Khái niệm biến tần là gì?
Biến tần là thiết bị dùng để thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều của nguồn cung cấp đặt lên động cơ, làm thay đổi tốc độ hoạt động của động cơ. Thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ. Có thể điều chỉnh tốc độ động cơ từ chậm đến nhanh tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, giúp cho động cơ hoạt động hiệu quả hơn.
Cấu tạo chung của biến tần
Biến tần thường được cấu tạo bao gồm các thành phần chính sau: - Mạch nguồn: Cung cấp điện năng cho toàn bộ biến tần. - Mạch điều khiển: Là trung tâm điều khiển của biến tần, nơi thực hiện chức năng điều khiển, lập trình và bảo vệ. - Mạch chuyển đổi tần số: Là mạch chính của biến tần, chức năng biến đổi tần số dòng điện đầu vào 50Hz thành tần số dòng điện đầu ra điều chỉnh được từ 0 đến 400Hz. Mạch chính bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu IGBT. - Mạch bảo vệ: Bao gồm các thiết bị bảo vệ quá tải, bảo vệ quá dòng, bảo vệ các sự cố điện có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của hệ thống. - Màn hình - bàn phím: Được sử dụng để thực hiện các thao tác giám sát, cài đặt và điều khiển từ người vận hành. Biến tần có thể được tích hợp: module truyền thông, bộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, điện trở hãm (điện trở xả),...
Sơ đồ mạch điện của biến tần
Nguyên lý hoạt động của biến tần
Nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng và được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng, thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Tần số chuyển mạch xung có thể lên đến dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ, giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp – tần số là không đổi. Với tải bơm và quạt, quy luật này là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp.
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. Biến tần được tích hợp cả bộ PID, phù hợp cho nhiều chuẩn truyền thông, thích hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.
Một số chức năng của biến tần
- Điều khiển tốc độ động cơ: Biến tần giúp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh tần số đầu vào, tăng độ chính xác và linh hoạt trong điều khiển tốc độ máy móc, dây truyền sản xuất. - Đảo chiều quay động cơ: Có thể cài đặt sẵn khi máy chạy hết hành trình, khi gặp sự cố cần phải đảo chiều hoặc điều khiển trực tiếp. - Bảo vệ động cơ: Giám sát và đưa ra cảnh báo hoặc dừng cấp điện cho động cơ khi gặp các sự cố như quá tải, quá áp, sụt áp, mất pha,... tạo ra một hệ thống an toàn khi vận hành. - Giảm dòng khởi động so với phương pháp khởi động trực tiếp, khởi động sao-tam giác nên không gây ra sụt áp hoặc khó khởi động. - Biến tần được tích hợp các module truyền thông giúp dễ dàng điều khiển, giám sát từ trung tâm. - Quá trình khởi động thông qua biến tần từ tốc độ thấp giúp cho động cơ mang tải lớn không phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần cơ khí, ổ trục, tăng tuổi thọ động cơ. - Giúp tiết kiệm năng lượng so với phương pháp chạy động cơ trực tiếp. - Công suất phản kháng từ động cơ rất thấp. Giảm được dòng đáng kể trong quá trình hoạt động, giảm chi phí trong lắp đặt tụ bù, giảm thiểu hao hụt điện năng trên đường dây. - Làm gia tăng tuổi thọ động cơ, giảm chi phí bảo trì động cơ. - Giảm độ ồn và độ rung của động cơ, cải thiện môi trường làm việc.
Phân loại các dòng biến tần theo điện áp
Biến tần AC Biến tần sử dụng điện áp AC hầu hết hơn 85% các loại biến tần hiện nay sử dụng điện áp AC. Phân loại biến tần theo pha. Có loại biến tần 1 pha và biến tần 3 pha đều sử dụng điện áp AC, dùng phổ biến ở trong các nhà máy. Biến tần DC Biến tần DC kiểm soát sự rẽ nhánh của động cơ điện một chiều, động cơ điện một chiều phân chia phần cảm ứng điện và mạch rẽ nhánh. Các thiết bị chuyển mạch đầu ra tạo ra một sóng sin mới cho điện áp của động cơ điện bằng cách nhập một loạt các sóng vuông ở các điện áp khác nhau. Biến tần thường được làm việc với sự hỗ trợ của một tụ điện lớn. Biến tần 1 pha Còn gọi là biến tần 1 pha ra 3 pha. Biến tần 3 pha Biến tần 3 pha sẽ hiểu mặc định điện áp đầu vào là 380V và đầu ra là 380V. Đa phần các loại biến tần ngày nay đều là loại 3 pha
Biến tần điều khiển tốc độ motor Biến tầng dùng để điều khiển tốc độ motor bằng cách thay đổi tần số của dòng điện. Thông qua việc điều chỉnh tần số để điều chỉnh tốc độ động cơ theo ý muốn trong một dải rộng. Việc gắn biến tần cho động cơ 3 pha còn giúp động cơ khởi động mềm hơn, bảo vệ hệ thống điện, giảm sốc cơ khí cho động cơ. Biến tần giúp bảo vệ quả tải, quá áp, quá dòng trong quá trình hoạt động của motor. Biến tần hòa lưới Hay còn gọi là biến tần năng lượng mặt trời, chuyên dùng trong lĩnh vực sản xuất điện năng lượng mặt trời. Khi tấm pin năng lượng mặt trời thu thập năng lượng từ mặt trời và chuyển thành dòng điện 1 chiều. Để các tải có thể sử dụng thì ta phải chuyển dòng điện 1 chiều này thành dòng điện xoay chiều 220V và hòa vào lưới điện. Sử dụng các biến tần hòa lưới (hoặc inverter hòa lưới) để chuyển dòng điện 1 chiều này thành dòng điện xoay chiều và đưa về tải để tiêu thụ. Hoạt động tự động hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời, khi trời tối toàn bộ hệ thống sẽ tự động ngắt và hoạt động khi có nắng trở lại. Biến tần thang máy Trước lúc dừng lại, tốc độ của thang máy sẽ giảm dần cho đến khi dừng lại hẳn, việc thay đổi sẽ được thực hiện liên tục. Việc áp dụng biến tần thang máy dùng để điều khiển tốc độ động cơ, giúp thang máy dừng đúng vị trí mong muốn. Biến tần hạ thế Loại biến tần có đầu vào là 110V, 220V, 380V. Biến tần trung thế Có điện áp đầu vào rất lớn như 3-3.3 kV, 4kV, 6-6.6kV, 10 kV, 11 kV.
Các tiêu chí lựa chọn các dòng biến tần
Việc lựa chọn biến tần thích hợp với mỗi loại ứng dụng sẽ đảm bảo độ bền, độ ổn định, hiệu suất của hệ thống. - Điện áp của biến tần: Chọn biến tần có điện áp đầu vào phù hợp với điện áp của hệ thống. Chọn biến tần có điện áp đầu ra phù hợp với điện áp của động cơ. - Thông số của động cơ: Động cơ 3 pha 380/660V đấu tam giác để sử dụng nguồn 3 pha 380V dùng biến tần vào 3 pha 380V ra 3 pha 380V. Động cơ 3 pha 220/380V đấu sao để sử dụng nguồn 3 pha 380V dùng biến tần vào 3 pha 380V ra 3 pha 380V. Động cơ 3 pha 220/380V đấu tam giác để sử dụng nguồn 3 pha 220V có thể dùng 2 loại biến tần như trên. Động cơ 3 pha 127/220V đấu sao để sử dụng nguồn 3 pha 220V có thể dùng 2 loại biến tần. Nếu có nguồn vào 3 pha 220V thì chọn biến tần vào 3 pha 220V ra 3 pha 220V. Nếu chỉ có nguồn 1 pha thì chọn biến tần vào 1 pha 220V ra 3 pha 220V (biến tần loại này chỉ có công suất nhỏ tới vài kW). Động cơ 3 pha thường có các loại 127/220V, 220/380V, 380/660V, thông dụng nhất là động cơ 3 pha 220/380V. Khi chọn biến tần cần chú ý 3 thông số trong bảng thông số động cơ là điện áp, công suất và dòng điện. - Loại tải của ứng dụng: Biến tần tải nặng hơn dùng tốt cho tải thấp hơn cùng công suất nhưng sẽ gây lãng phí vì giá cao hơn. Biến tần loại tải nhẹ hơn không thể dùng được cho loại tải nặng hơn cùng công suất. Một số trường hợp có thể chọn biến tần loại tải thấp hơn có cấp công suất cao hơn để dùng cho tải nặng hơn. Khi chọn biến tần cùng loại tải với ứng dụng, chọn công suất biến tần tối thiểu bằng công suất động cơ.
- Căn cứ vào đặc tính momen của mỗi loại ứng dụng (loại máy) chia thành 3 loại tải của biến tần + Tải nặng: các ứng dụng cẩu trục, nâng hạ, máy cán, máy nghiền,... chọn dòng biến tần tải nặng. + Tải trung bình: các ứng dụng như máy công cụ, máy ly tâm, băng tải, bơm áp lực,... chọn dòng biến tần tải trung bình. + Tải nhẹ: các ứng dụng như bơm, quạt chọn dòng biến tần tải nhẹ. - Đặc điểm vận hành: + Chế độ vận hành ngắn hạn: biến tần điều khiển động cơ tăng tốc, giảm tốc, chạy, dừng, đảo chiều quay liên tục đòi hỏi biến tần có khả năng chịu quá tải cao, có thể phải lắp thêm điện trở xả để bảo vệ biến tần không bị cháy. + Chế độ vận hành dài hạn: động cơ thường đạt tốc độ ổn định trong thời gian tương đối dài sau khi khởi động như quạt, băng tải, bơm... + Trong điều kiện vận hành khắc nghiệt, đòi hỏi phải chọn biến tần có khả năng chịu được quá tải cao, môi trường nhiệt độ cao hơn - Module được tính hợp sẵn: Một số tính năng có thể được tính hợp sẵn trong một số loại biến tần, hoặc phải lắp thêm module ngoài như: + Màn hình - Bàn phím (bảng điều khiển) + Module truyền thông + Bộ lọc EMC + Điện trở xả được tích hợp sẵn, hoặc bộ điều khiển cho điện trở thắng (Breaking Unit) - Biến tần đa năng hay biến tần chuyên dụng: Biến tần đa năng có thể dùng được cho nhiều ứng dụng như các dòng biến tần IG5A của LS, Mini của Fuji, D740 của Mitsubishi, GD200A của INVT. Dòng biến tần chuyên dụng chỉ cần sử dụng cho một loại ứng dụng như quạt, thang máy, máy làm nhang, .. giúp tối ưu hiệu suất và giá thành.
