Biến tần là gì? Tác dụng của biến tần

Chúng ta thường hay gọi biến tần là Inverter. Nhưng thực tế, trong tiếng Anh, biến tần có nghĩa chính xác là Variable Frequency Drive. Các tài liệu tiếng Anh thường hay viết tắt cụm từ này là VFD.

Đó là lý do vì sao, khi các bạn muốn tìm kiếm tài liệu về biến tần bằng tiếng Anh mà gõ từ “Inverter” thì sẽ không ra thiết bị như mục đích các bạn muốn tìm.

Vậy biến tần là gì? Tác dụng của biến tần là gì? Ưu điểm của biến tần ra sao? Chúng ta cùng thảo luận nhé!

Biến tần là gì

Biến tần là một thiết bị điện tử chính xác được thiết kế và sử dụng để kiểm soát tốc độ của động cơ cảm ứng AC (một cũng như ba pha) mà không ảnh hưởng đến mức tiêu thụ điện, mô-men xoắn, trở kháng, từ thông,… của động cơ.

Tốc độ động cơ AC được điều khiển theo hai cách – bằng cách kiểm soát điện áp hoặc tần số. Kiểm soát tần số cho phép kiểm soát tốt hơn do mật độ từ thông không đổi so với điều khiển điện áp. Đây là cách làm việc của biến tần. Nó là một thiết bị chuyển đổi năng lượng chuyển đổi điện áp cố định, tần số cố định của nguồn điện đầu vào thành điện áp thay đổi, đầu ra tần số biến đổi để điều khiển động cơ cảm ứng AC.

Nó bao gồm các thiết bị điện tử công suất (như IGBT, MOSFET), bộ điều khiển trung tâm tốc độ cao (như bộ vi xử lý, DSP) và các thiết bị cảm biến tùy chọn tùy thuộc vào ứng dụng được sử dụng.

Hầu hết các ứng dụng công nghiệp yêu cầu tốc độ thay đổi ở điều kiện tải cao điểm và tốc độ không đổi ở điều kiện hoạt động bình thường. Biến tần làm việc ở chế độ vòng kín duy trì tốc độ của động cơ ở mức không đổi, ngay cả trong trường hợp nhiễu loạn đầu vào và tải.

Biến tần tiếng anh là gì

Biến tần thay đổi đại lượng gì của điện

Qua định nghĩa biến tần là gì ở trên, thì chắc hẳn các bạn cũng đã hiểu được biến tần thay đổi đại lượng nào của điện rồi đúng không nào?

Vâng, biến tần có nghĩa là biến đổi tần số điện. Vậy biến tần chủ yếu là thay đổi đại lượng tần số của điện.

Nguyên lý hoạt động của biến tần

Nguyên lý hoạt động của biến tần được chia thành ba giai đoạn chính:

Bộ chuyển đổi đầu vào (giai đoạn chỉnh lưu cầu)
DC Bus (giai đoạn lọc)
Biến tần đầu ra (sử dụng vi điều khiển và IGBT)

Chúng ta cùng đi phân tích từng giai đoạn nhé!

Bộ chuyển đổi đầu vào

Giai đoạn này bao gồm các điốt công suất cao được sắp xếp theo cấu hình cầu thông thường. Nguồn điện xoay chiều được chỉnh lưu thành nguồn DC. Nhưng nguồn DC này vẫn mang sóng hài. Do đó, nó đòi hỏi phải lọc thêm.

DC Bus

Ở đây, nguồn DC qua bước trên được lọc các sóng hài còn lại bằng cách sử dụng cuộn cảm và tụ điện. Giai đoạn này giúp làm cho đầu ra của động cơ hoàn toàn không bị gợn và lý tưởng cho động cơ AC.

Nghịch lưu

Giai đoạn này chuyển đổi DC từ bus DC trở lại AC, nhưng theo một cách rất đặc biệt hình thành nên trái tim hay đúng hơn là bộ não của mạch. Nó bao gồm các vi điều khiển tinh vi được thiết kế và lập trình đặc biệt để thay đổi tần số đầu ra cùng với điện áp tương ứng. Và cũng tạo ra đầu ra ba pha từ đầu vào một pha. Giai đoạn này đặc biệt làm cho biến tần rất độc đáo và lý tưởng nhất để kiểm soát tốc độ động cơ AC.

Biến tần đầu ra

Lệnh từ giai đoạn trên (IC vi điều khiển) được gửi đến IGBT đầu ra (Transitor lưỡng cực cổng cách điện) để chuyển điện áp nhận được từ bus DC thành các bước cắt nhỏ (khá giống với nguyên tắc được sử dụng trong Công tắc Dimmer). Để làm điều này, các IC sử dụng công nghệ PWM và chuyển đổi DC thành các sóng hình sin. Thời gian chuyển mạch của các sóng này càng dài thì điện áp ở đầu ra của động cơ càng cao và ngược lại. Quy trình này thực sự chịu trách nhiệm cho hai chức năng quan trọng – thay đổi điện áp đầu ra mà không lãng phí điện và, đặc biệt, thay đổi tần số đồng thời ở một tốc độ nhất định để giữ cho mô-men xoắn và từ thông không đổi.

Tính năng của biến tần là gì

Biến tần có các tính năng quan trọng sau:

Bảo vệ quá dòng, đặc biệt hữu ích trong khi điều khiển động cơ có quán tính cao.
Mô-men xoắn không đổi đảm bảo phạm vi điều khiển tốc độ rộng hơn, cho phép kiểm soát hiệu quả năng lượng.
VFD hoạt động như một rào cản các nhiễu điện áp đầu vào như sóng hài, gợn sóng, độ trễ, … và cản trở chúng đi vào động cơ.

Tác dụng của biến tần

Tại sao không thể thay biến tần bằng các thiết bị đơn giản khác? Chúng ta cùng thảo luận về tác dụng của biến tần nhé.

Tốc độ cơ bản của bất kỳ động cơ điện xoay chiều tỷ lệ nghịch với số cực của stato và tỷ lệ thuận với tần số điện áp cung cấp. Do đó, để thay đổi tốc độ của động cơ điện xoay chiều, chúng ta cần thay đổi tần số hoặc số cực của stato. Vì số cực của stato cho mỗi động cơ là cố định. Vậy bằng cách thay đổi tần số của điện áp cung cấp, tốc độ của động cơ có thể được thay đổi.

Tuy nhiên, việc chỉ thay đổi tần số ở điện áp không đổi (120V hoặc 230V) làm cho trở kháng tương đương của động cơ giảm, dẫn đến từ thông lớn hơn và khiến động cơ bắt đầu tạo ra dòng điện cực lớn nguy hiểm. Do đó, điều bắt buộc là điện áp cung cấp cũng giảm đi tương ứng cùng với tần số ở một tỷ lệ cố định cụ thể. Không làm điều này sẽ làm cho từ thông của động cơ bão hòa và động cơ bị hỏng. Thay đổi tần số và điện áp tương ứng cũng đảm bảo mô-men xoắn không đổi vì từ trường trong các khe hở không khí là không đổi.

Biến tần có tác dụng gì?

Mục đích của biến tần được dành riêng để kiểm soát tốc độ của động cơ điện xoay chiều bằng cách tuân thủ nghiêm ngặt các thông số trên. Ở đây, tốc độ của động cơ được thay đổi bằng cách thay đổi cường độ của điện áp đầu vào cũng như tần số ở tỷ lệ không đổi và do đó động cơ có thể duy trì mô-men xoắn không đổi ngay cả ở tốc độ thấp hơn.

Tần số (hertz) liên quan trực tiếp đến tốc độ của động cơ (RPM). Nói cách khác, tần số càng nhanh, tốc độ RPM càng nhanh. Nếu một ứng dụng không yêu cầu động cơ điện chạy ở tốc độ tối đa, biến tần có thể được sử dụng để giảm tần số và điện áp để đáp ứng các yêu cầu của tải động cơ điện. Khi các yêu cầu về tốc độ động cơ của ứng dụng thay đổi, biến tần có thể chỉ cần tăng hoặc giảm tốc độ động cơ để đáp ứng yêu cầu tốc độ.

Biến tần 1 pha

Biến tần 1 pha là thiết bị dùng cho điện nguồn cấp là 1 pha 220V, có thể biến đổi đầu ra thành 3 pha 220V hoặc 380V. Dùng để điều khiển các motor 3 pha ở khu vực không có điện 3 pha.

Biến tần 3 pha là gì

Biến tần 3 pha là loại phổ biến nhất trong ngành công nghiệp. Hầu như nhà máy sản xuất nào cũng có dùng đến biến tần 3 pha. Chúng có nguồn cấp là 3 pha và ngõ ra là 3 pha để điều khiển động cơ.

Biến tần năng lượng mặt trời

Biến tần năng lượng mặt trời hay còn gọi là inverter. Chúng là thiết bị chuyển đổi nguồn điện. Trong hệ thống năng lượng mặt trời. Chúng có nhiệm vụ biến đổi nguồn DC từ các tấm pin thành nguồn AC tiêu chuẩn để sử dụng trong sinh hoạt.

Biến tần thang máy

Biến tần thang máy là loại biến tần chuyên dùng để điều khiển tốc độ di chuyển của các motor trong hệ thống thang máy. Biến tần thang máy được kết nối với các cảm biến và mạch điều khiển để xử lý các tình huống đột ngột xảy ra như: kẹt cửa thang, quá tải,…

Ưu điểm của biến tần

Có rất nhiều lý do tại sao biến tần là một lựa chọn phổ biến cho người tiêu dùng nơi các bộ điều khiển khác có sẵn. Lý do quan trọng nhất cho sự phổ biến của biến tần là khả năng tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí thiết lập ban đầu. Biến tần cung cấp hiệu quả cao về mặt tiêu thụ năng lượng khác với bất kỳ thiết bị điều khiển nào trong cùng phân khúc. Do đó, trong trường hợp các nhà máy và nhà máy lớn cần động cơ mã lực lớn hơn, biến tần cung cấp mức tiêu thụ điện năng thấp, do đó làm giảm lượng hóa đơn năng lượng và mang lại khả năng tiết kiệm chi phí.

Biến tần giới hạn dòng khởi động trong điều kiện khởi động và dừng động cơ, điều này cũng làm giảm tải xâm nhập trên đường dây nguồn, cũng như là một lá chắn an toàn cho các động cơ đắt tiền.

Biến tần có chi phí bảo trì hệ thống thấp.

Có các tùy chọn để kết nối nhiều động cơ có thể được điều khiển bằng biến tần duy nhất, điều này giúp giảm thêm chi phí thiết lập hệ thống.

Nhược điểm của biến tần là gì

Mặc dù có những ưu điểm trên, nhưng biến tần có một vài nhược điểm như:

Hạn chế chính của hệ thống biến tần là đầu tư thiết lập ban đầu. Đối với một nhà máy nơi có nhiều động cơ mã lực cao cần được kiểm soát bằng biến tần, đòi hỏi chi phí đầu tư cao.

Ngoài ra, biến tần gây ra nóng động cơ.

Nhược điểm lớn khác của biến tần là đường dây nguồn chính bị xáo trộn mạnh với sự méo mó, đường truyền không rõ nét. Do đó, các thiết bị khác được kết nối trong cùng một đường dây điện cũng bị cản trở trong điều kiện hoạt động.

Tuy nhiên, sự tiến bộ của ngành công nghiệp bán dẫn hiện đại đã cải thiện cao việc xây dựng các hệ thống biến tần hiện đại. Trong kỷ nguyên vi xử lý hiện đại, biến tần được trang bị tất cả các loại bảo vệ như thiếu điện áp, quá áp, bảo vệ quá tải nhiệt, … với các thiết bị điều khiển thích hợp.

Cách chọn biến tần sao cho phù hợp

Để chọn biến tần phù hợp cho một ứng dụng cụ thể, cần phải hiểu rõ về tải. Các loại động cơ khác nhau tạo ra các loại mô-men xoắn khác nhau. Trong một số ứng dụng mô-men xoắn không đổi là cần thiết trong khi trong các ứng dụng khác, mô-men xoắn cần phải được kiểm soát. Ngoài ra, tải trên động cơ là yếu tố quyết định đặc điểm kỹ thuật của động cơ, chủ yếu là để phân loại công suất.

Vậy để chọn biến tần phù hợp cho ứng dụng, chúng ta cần đánh giá hoặc xem xét những điều sau đây:

Công suất của động cơ
Chi phí đầu tư
Môi trường hoạt động của biến tần và động cơ
Loại một pha hoặc ba pha
Biến tần điều khiển 1 động cơ hay nhiều động
Có yêu cầu tính năng bổ sung nào không?

Ứng dụng của biến tần

Biến tần hiện nay được sử dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất của nhà máy. Chúng ta cùng thảo luận một vài ứng dụng tiêu biểu như:

Biến tần điều khiển động cơ làm mát nhà xưởng theo tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ. Trong trường hợp này, quạt làm mát sẽ bật khi nhiệt độ không khí của nhà máy đạt đến điểm đặt nhiệt độ cao. Khi đạt đến điểm đặt, quạt làm mát sẽ chạy chậm lại để duy trì nhiệt độ không khí trừ khi nó giảm xuống dưới điểm đặt nhiệt độ thấp, biến tần sẽ tắt động cơ quạt hoặc chạy chậm lại. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ tiếp tục tăng và vượt qua điểm đặt nhiệt độ cao, quạt sẽ cần phải quay nhanh hơn. Đó là lý do vì sao cần đến một biến tần điều khiển. Nếu ứng dụng chỉ bật hoặc tắt quạt dựa trên nhiệt độ và không thay đổi tốc độ, thì khởi động mềm sẽ là lựa chọn tốt hơn.
Biến tần điều khiển băng tải
Biến tần trong máy đóng gói
Biến tần điều khiển thang máy, thang cuốn,…

Như vậy, qua bài viết này. Chúng ta cũng đã nắm được các khái niệm biến tần là gì, hiểu được nguyên lý hoạt động của biến tần. Và đặc biệt, chúng ta biết được tác dụng của chúng, ưu nhược điểm cũng như các ứng dụng của chúng trong công nghiệp.

Các bạn giúp mình chia sẻ bài viết này đến rộng rãi bạn đọc nhé! Cảm ơn!