Biến Tần Là Gì?

Biến tần là gì ?

Biến tần là thiết bị có khả năng tùy ý điều chỉnh dòng điện xoay chiều ở tần số ban đầu sang dòng điện xoay chiều ở tần số khác. Điều này giúp biến tần trở thành một thiết bị công nghiệp được sử dụng phổ biến để điều khiển tốc độ động cơ, đảo chiều quay, giảm độ rung, giảm dòng khởi động và tiết kiệm năng lượng.

Cụ thể:

Biến tần có tác dụng để thay đổi tần số, cường độ của dòng điện chạy qua các cuộn dây của động cơ, giúp động cơ quay đúng tốc độ được điều chỉnh theo nhu cầu và không cần sử dụng các hộp số cơ khí. Các linh kiện bán dẫn được lắp đặt bên trong biến tần, mục đích là để đóng ngắt dòng điện và tạo từ trường xoay xung quanh cuộn dây làm quay động cơ. Vì vậy, biến tần có thể thay đổi tốc độ động cơ từ chậm đến nhanh tùy thuộc vào mục đích sử dụng, giúp cho hoạt động của động cơ được hiệu quả hơn.

Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại biến tần như: 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, biến tần trung thế, biến tần chuyên dụng cho bơm, quạt, nâng hạ, cẩu trục, thang máy, hệ thống HVAC và biến tần được thiết kế dành riêng cho năng lượng mặt trời.

Tại sao phải sử dụng Biến tần?

Để thay đổi tốc độ động cơ, có 3 phương pháp như sau: Thay đổi số cực động cơ P, thay đổi hệ số trượt s và thay đổi tần số f của điện áp đầu vào.

Tuy nhiên, hai phương pháp đầu tiên khó thực hiện và không đạt hiệu quả cao. Do đó, phương pháp hiệu quả nhất chính là thay đổi tần số để là cho tốc độ động cơ thay đổi. Biến tần được sử dụng để thay đổi tần số của nguồn cung cấp đặt lên động cơ qua đó thay đổi tốc độ động cơ.

Đa số những biến tần giúp điều chỉnh thay đổi tần số từ 0Hz đến 400Hz ( và những tần số 590HZ hay cao hơn thì chỉ  có một số ít dòng biến tần điều chỉnh được) giúp cho động cơ chạy nhanh hơn so với tần số 50Hz. Các động cơ phổ thông thường được trang bị biến tần, giúp điều chỉnh tần số từ 0 đến 60Hz 

Cấu tạo của Biến tần:

 Mỗi loại biến tần có cấu trúc khác nhau phù hợp với mục đích và yêu cầu kỹ thuật của động cơ. Chúng được thiết kế với các thành phần chính đảm bảo hoạt động ổn định và bền bỉ trong môi trường công nghiệp. Cấu trúc của biến tần thường bao gồm các thành phần chính sau

- Mạch nguồn: cung cấp điện cho toàn bộ biến tần.

- Mạch điều khiển: trung tâm điều khiển của biến tần, thực hiện các chức năng điều khiển, lập trình và bảo vệ.

- Mạch chuyển đổi tần số: là bộ phận quan trọng hay chúng là thành phần chính của biến tần, nhiệm vụ là để biến đổi tần số 50Hz của dòng điện đầu vào thành tần số dòng điện đầu ra điều chỉnh từ 0 đến 400Hz. Mạch chính bao gồm Bộ nghịch lưu IGBT, bộ chỉnh lưu, bộ lọc.

- Mạch bảo vệ: bao gồm các thiết bị bảo vệ quá tải, quá dòng và các sự cố điện khác 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 từ người vận hành.

- Ngoài ra, biến tần cũng có thể được tích hợp với các module truyền thông, bộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, điện trở xả,...

Nguyên lý hoạt động của Biến tần:

- Đầu tiên, biến tần nhận nguồn đầu vào từ nguồn cung cấp điện. Tùy từng loại biến tần, nguồn điện đầu vào có thể là nguồn 1 pha hoặc 3 pha, nhưng nó sẽ ở mức điện áp và tần số cố định (ví dụ nguồn đầu vào 3 pha 380V tần số 50Hz). Nguồn điện này được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Tụ điện có chức năng lưu trữ điện năng của biến tần.

- Tiếp theo, điện áp 1 chiều trong tụ điện sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này được thực hiện thông qua quá trình tự kích hoạt thích hợp, 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) sẽ 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 tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển và các tham số được lập trình sẵn trong biến tần. Người vận hành có thể cài đặt trước chế độ hoạt động hoặc điều khiển trực tiếp biến tần.

- Thông qua quá trình hoạt động, biến tần sẽ cảnh báo những sự cố về quá tải như tăng áp, sụt áp, lệch pha, . .. biến tần chỉ ra thông báo những lỗi nhẹ và có thể dừng cấp lại động cơ nếu có những lỗi nặng nhằm không gây tổn hại đến hệ thống.

biến đổi tần số điện áp qua biến tần 

Lợi ích của việc sử dụng Biến tần:

- Điều khiển tốc độ động cơ: Biến tần giúp điều khiển tốc độ động cơ thông qua việc thay đổi tần số động cơ. Việc này giúp tăng độ chính xác và linh động việc điều khiển tốc độ của máy móc và dây chuyền sản xuất.

- Đảo chiều quay động cơ: có thể thiết lập sẵn khi máy chạy suốt lộ trình hoặc khi có sự cố cần phải đảo chiều để điều khiển trực tiếp.

- Bảo vệ động cơ: biến tần có hệ thống tự động giám sát và phát ra thông báo để ngừng cấp vào động cơ khi xảy phải sự cố như quá tải, tăng áp, sụt áp hay lệch pha, . .. đưa ra một hệ thống bảo vệ khi vận hành.

- Giảm dòng khởi động so với cách khởi động truyền thống và khởi động sao-tam giác mà không gây ra sụt tải hoặc mất khởi động.

- Biến tần được tích hợp các module cảm biến giúp thực hiện việc điều khiển và giám sát ở xa một cách nhanh chóng.

- Sử dụng biến tần giúp tiêu hao ít hơn so với cách chạy động cơ truyền thống.

- Do cơ chế hoạt động chuyển đồng tuyến giữa diode và dòng điện do đó công suất phát từ động cơ sẽ thấp hơn do vậy giảm được dòng năng lượng trong quá trình hoạt động và giảm chi phí trong lắp tụ bù và giảm thiểu thất thoát năng lượng trên đường dây.

- Giảm độ ồn và độ rung của động cơ giúp cải thiện điều kiện lao động và giảm tác hại đối với sức khoẻ của người lao động. 

Ứng dụng Biến tần

Với ưu thế nổi trội của biến tần được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp và thương mại, chủ yếu là sản xuất công nghiệp. Dưới đây là các ứng dụng thực tế không thể nào thiếu vắng biến tần: Bơm thuỷ lực, quạt kéo/nâng, máy sục hơi, băng tải, máy đẩy hạ, máy cán sợi, thiết bị ép rửa, máy hút/phun, thang máy, hệ thống HVAC, thiết bị điều khiển và cơ cấu quay ly tâm giúp tăng cường khả năng điều khiển của các thiết bị và thay thế hoàn toàn việc sử dụng hệ thống điều khiển nhiều cấp bên trong phòng làm việc, . ..

Hướng dẫn chọn Biến tần

 Việc lựa chọn biến tần phù hợp cho từng ứng dụng là điều rất quan trọng để đảm bảo độ bền, độ ổn định và hiệu suất của hệ thống. Việc chọn biến tần sai loại sẽ có tác động đến hoạt động của hệ thống, như không chạy được hoặc lãng phí công suất. Để chọn được biến tần phù hợp, cần căn cứ vào những yếu tố sau đây:

1/ Điện áp của biến tần

- Điện áp đầu vào của biến tần phải phù hợp với nguồn điện áp của hệ thống điện. Ví dụ: Nguồn điện của hệ thống là điện 3 pha 380V thì đầu vào của biến tần cũng phải là điện áp 3 pha 380V.

- Điện áp đầu ra của biến tần phải phù hợp với điện áp các máy móc sử dụng điện năng.

2/ Thông số của động cơ:

Chú ý đến 3 thông số của động cơ là điện áp, công suất và dòng điện để chọn biến tần phù hợp. Các loại động cơ thường có điện áp khác nhau, ví dụ như động cơ 3 pha 220/380V là thông dụng nhất 

Động cơ 3 pha hiện có các loại 1 27/2 20V, 2 20/3 80V và 380/660 V. Tần đấy phổ biến nhất là động cơ 3 pha 2 20/3 80V.

- Động cơ 3 pha 1 27/2 20V đấu làm sao có thể sử dụng nguồn 3 pha 220V có thể dùng 2 loại biến tần. Nếu có nguồn vào 3 pha 220V có thể chọn biến tần vào 3 pha 220V ra 3 pha 220V. Nếu chỉ có nguồn 1 pha có thể chọn biến tần vào 1 pha 220V ra 3 pha 220V (biến tần loại a chỉ có công suất chưa đầy vài kW) .

- Động cơ 3 pha 2 20/3 80V đấu sao khi sử dụng nguồn 3 pha 220V có thể dùng 2 loại biến tần nói trên.

- Động cơ 3 pha 2 20/3 80V đấu tam giác khi sử dụng nguồn 3 pha 380V dùng biến tần vào 3 pha 380V ra 3 pha 380V.

- Động cơ 3 pha 380/660 V đấu tứ giác thì sử dụng nguồn 3 pha 380V dùng biến tần vào 3 pha 380V ra 3 pha 380V. 

3/ Loại tải của ứng dụng:

Dựa vào tính chất momen của từng loại ứng dụng (loại máy) người dùng phân ra 3 loại tải của biến tần là tải nhẹ, tải trung bình và tải nặng.

- Tải nhẹ: những ứng dụng về bơm, quạt chọn dòng biến tần tải nhẹ. Dòng biến tần LS là dòng IP5A hoặc H100 và biến tần Fuji là dòng eHVAC.

- Tải trung bình: Các loại máy có độ tải trung bình như các loại máy gia công sản xuất, băng tải, máy li tâm, bơm áp lực, . .. chọn dòng biến tần áp trung bình. Ví dụ biến tần Fuji là dòng Mini hoặc Ace và biến tần INVT là dòng GD 20.

- Tải nặng: những ứng dụng về cần cẩu tháp như nâng hạ, máy cán, trạm nghiền, . .. chọn dòng biến tần tải nặng. Ví dụ biến tần Fuji là dòng Mega và biến tần Mitsubishi là dòng J 800.

Khi chọn biến tần giữa loại tải với ứng dụng thì chọn công suất biến tần ít nhất là công suất động cơ.

Trong khi biến tần tải nặng hơn dùng được với tải thấp hơn có công suất nhưng sẽ gây lãng phí do giá cao hơn. Trong khi biến tần loại tải nhẹ hơn lại không dùng được với loại tải nặng hơn có công suất. Có một vài trường hợp chọn biến tần loại tải thấp nhưng có công suất cao để sử dụng cho tải nặng.

4/ Điều kiện vận hành

Chế độ vận hành cũng ảnh hưởng khá lớn trong việc chọn biến tần.

- Chế độ vận hành liên tục của biến tần điều khiển động cơ tăng tốc, giảm tốc, chạy và phanh hoặc đảo chiều quay đều yêu cầu biến tần có khả năng chịu đựng quá tải cao và có thể phải gắn các điện trở vào nhằm đảm bảo biến tần không bị hư hỏng.

- Chế độ vận hành liên tục đòi hỏi động cơ phải duy trì tốc độ cao trong vòng khá lâu từ khi khởi động đến quạt, bơm, băng tải, . ..

- Do môi trường vận hành khốc liệt cần phải chọn biến tần có khả năng chịu đựng được quá tải cao trong điều kiện áp suất cao hơn như các dòng Mega và VG của Fuji và A800 của Mitsubishi. 

5/ Module được tích hợp sẵn

Các chức năng có thể được tích hợp sẵn trong các loại biến tần nhất định hoặc phải lắp đặt các module khác như:

- Bảng điều khiển- màn hình

- Module emc

- Điện trở nạp được tích hợp sẵn, hoặc điều khiển theo điện trở thắng (Breaking Unit)

- Hệ thống điều khiển EMC

6/ Biến tần đa năng hay biến tần chuyên dụng:

Biến tần đa năng là loại biến tần căn bản có thể dùng được trên mọi ứng dụng như những dòng biến tần IG5A của LS, Mini của Fuji hay D740 của Mitsubishi hay GD200A của INVT.

Ngoài biến tần đa năng thì một số hãng sản xuất những dòng biến tần chuyên biệt cũng dùng được 1 loại ứng dụng như quạt, máy đốt hương hay thang máy, . .. Loại biến tần đa năng có nhược điểm là tối ưu hoá được hiệu suất và giá thành so với sử dụng biến tần đa năng.

Ví dụ khi chọn biến tần cho thang máy ta sử dụng biến tần Lift của Fuji được phát triển riêng biệt với thang máy và biến tần Lift được tích hợp vào những module dành riêng ứng dụng thang máy và có hiệu suất cao nhất. 

7/ Chọn hãng sản xuất

Yếu tố có ảnh hưởng đối với chi phí vốn. Trên thế giới có nhiều hãng sản xuất biến tần. Hầu hết mỗi hãng sản xuất có nhiều loại biến tần thoả mãn được những nhu cầu sử dụng cụ thể trong công nghiệp. Khác nhau do yếu tố kỹ thuật (về độ tin cậy, độ ổn định khi hoạt động trong môi trường phức tạp) của quá trình sản xuất và khác nhau do bao bì và thương hiệu khiến cho giá thành cũng chênh đáng kể.

- Phân khúc biến tần giá thấp có thể nhắc đến như: INVT, Delta, Frecon v.v. ..

- Phân khúc biến tần giá trung bình như LS, Fuji, Schneider, . ..

-Loại biến tần giá cao: ABB, Siemens,mitsubishi . .. 

Sử dụng Biến tần có khó khăn không?

 Lắp đặt, cài đặt và vận hành biến tần trong hầu hết mọi trường hợp đều đơn giản. Biến tần thông thường có thể cài đặt trên hệ thống điều khiển (bao gồm máy tính và bảng điều khiển) trong một vài trường hợp có thể cài đặt ở ngoài thông qua máy tính.

Trường hợp 1: Sử dụng biến tần là một hệ thống tự điều khiển động cơ với những chức năng về động cơ như cánh quạt, máy hút, máy trộn, băng chuyền, cần cẩu trục, . .. vận hành theo quy trình đơn giản. Đây là trường hợp thông dụng nhất tại một số công ty và cơ sở chế tạo ở Việt Nam với độ tự động khá cao.

Lắp đặt mới hoặc thay biến tần khá đơn giản, cài đặt biến tần đơn giản thông qua máy tính và bảng điều khiển. Không cần bạn phải là nhân viên kĩ thuật cũng có ao tác được. Mặc dù phần lớn văn bản hướng dẫn sử dụng biến tần là tiếng Anh và nhiều ký tự cũng các từ ngữ chuyên ngành không dễ dàng đọc được tuy nhiên bạn có thể không cần chú ý vào chúng. Bạn sẽ được những kỹ thuật viên của nhà sản xuất hướng dẫn các thao tác cài đặt và vận hành tại chỗ hoặc thông qua điện thoại di động một cách đơn giản.

Các phần mềm trên thông thường chỉ cần cài đặt các tính năng đơn giản sau như bặt dừng qua nút bấm, điều khiển động cơ vận hành thuận nghịch, điều chỉnh vận tốc qua biến trở, điều chỉnh số vòng và thiết lập giờ xe tăng tốc, . .. Nếu bạn là khách hàng mua biến tần về lắp đặt thì bạn cũng có thể dễ dàng cài đặt những tính năng trên theo đúng hướng dẫn của kỹ thuật viên thông qua điện thoại di động, thậm chí bạn còn yêu cầu kỹ thuật viên cài đặt biến tần giúp bạn mỗi lần giao nhận hàng.

Trường hợp 2: Biến tần điều khiển động cơ các máy công nghiệp như máy làm giấy, máy giặt, tủ lạnh, . .. là chiếc máy có quy trình vận hành phức tạp và khép kín, có phản ứng vòng tròn khép kín và biến tần được điều khiển bởi bộ vi xử lý trung tâm của máy mà chỉ có bên sản xuất chiếc máy ấy mới biết rõ. Mà khó ở chỗ là kỹ thuật viên sẽ không cần phải cài đặt thêm chi tiết vào biến tần khi máy đã cho ra đời theo như nhu cầu. Hoặc biến tần của các máy trên đã hư hỏng cần thay biến tần mới thì quá trình cài đặt cũng không dễ dàng hơn.

Trường hợp 3: Sử dụng biến tần trong việc truyền tải thông qua các thiết bị điều khiển theo dõi tầm xa qua máy tính công nghiệp hay PLC thường thấy tại những công ty sản xuất có trình độ chuyên môn hoá cao về dệt may, hoá chất và điện tử công nghiệp. .. và yêu cầu nhân viên sử dụng phải có tay nghề cao và hiểu biết công nghệ mới có thể sử dụng thành công.