[Toàn tập] Biến tần là gì? cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng dụng

Ngày nay khi vào bất cứ nhà máy nào ta cũng sẽ bắt gặp rất nhiều biến tần được sử dụng rộng rãi. Vậy biến tần là gì? công dụng của nó thế nào mà lại được sử dụng rộng rãi đến vậy? Cấu tạo nguyên lý hoạt động của nó ra sao? vì sao phải sử dụng biến tần? ưu điểm gì khi sử dụng biến tần.

Lịch sử hình thành máy biến tần

Vào năm 1888 Nikola Tesla đã phát minh động cơ cảm ứng xoay chiều 3 pha đầu tiên, vài thập kỷ sau thì biến tần mới ra đời để giải quyết vấn đề điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều. Tại sao tôi nói là vấn đề, sở dĩ như vậy là vì khi tesla tạo ra động cơ cảm ứng xoay chiều 3 pha tất nhiên nó tốt hơn và đáng tin cậy hơn động cơ 1 chiều của Edison nhưng việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều yêu cầu hoặc thay đổi từ thông hoặc thay đổi số cực trên động cơ. Thậm chí khi động cơ cảm ứng được sử dụng rộng rãi thì sự thay đổi tần số để điều khiển tốc độ vẫn là một nhiệm vụ cực kỳ khó khắn và cấu trúc vật lý của động cơ ngăn cản các nhà sản xuất tạo ra các loại động cơ với nhiều hơn 2 cấp tốc độ.

Biến tần là gì?

Biến tần ( inverter) là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được.

Nói cách khác: Biến tần là 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. Biến tần thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay rô-to (rotor).

Máy Biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến thiên.

Nguyên lý hoạt động của biến tần

–  Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha 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. Nhờ vậy, 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.

 

Sau khi chuyển đổi thành dòng điện một chiều, dòng điện sẽ đi qua một tụ lọc điện áp xoay chiều sau khi đã được chỉnh lưu ( loại bỏ pha âm ) thành điện áp một chiều bằng phẳng.

 

Cuối cùng, điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

Phân loại biến tần thường dùng hiện nay

1.Biến tần AC

Biến tần 1 pha – biến tần 3 pha dùng điện áp AC là loại biến tần phổ biến nhất & được dùng rộng rãi trong công nghiệp . Hầu  như 90% các motor trong nhà máy đều dùng biến tần AC .

2.Biến tần DC

Để điều chỉnh điện áp đầu vào 1 chiều cho động cơ DC thì biến tần DC là một lựa chọn phù hợp nhất . Đây là loại biến tần dùng cho các ứng dụng đơn giản .

3.Biến tần thay đổi nguồn điện đầu vào

Nếu chúng ta có một điện áp 1 pha 220V và có một động cơ 3 pha 220V thì có thể dùng biến tần thay đổi nguồn điện đầu vào để khởi động động cơ .

Tương tự nếu chúng ta có điện áp 1 pha 220V mà muốn điều khiển động cơ 3 pha 380V có công suất lớn hơn 2.2Kw thì cần làm các bước sau đây :

• Mua một biến áp 220V sang 380V – tần số 50Hz , tuỳ theo công suất mà chúng ta chọn loại dòng 10-20 A
• Mua một biến tần 3 pha 380V có công suất lớn hơn công suất động cơ khoảng 20%

Đầu tiên cấp nguồn 220V cho biến áp , từ biến áp ra 380V chúng ta cấp cho biến tần  .Biến tần sẽ có 3 chân đầu vào L1-L2-L3 chúng ta kết nối nguồn 220V vào chân L1/R và L3/T còn chân L2 không sử dụng .

Với cách làm này chúng ta đã có thể điều khiển Motor có công suất lớn với nguồn 220V để điều khiển motor 380V .

Đối với các motor 3 pha nguồn 220V có công suất dưới 2.2Kw thì chúng ta chỉ cần dùng biến tần 1 pha 220V ra 3 pha 220V thì có thể dùng trực tiếp mà không cần sử dụng tới máy biến áp .

4.Biến tần chỉnh độ rộng xung

Biến tần điều chỉnh độ rộng xung (PWM) là loại biến tần phức tạp nhất. Nó cũng cho phép Motor điện hoạt động hiệu quả hơn. PWM thực hiện điều này thông qua việc sử dụng các bóng bán dẫn. Các bán dẫn chuyển đổi dòng điện một chiều ở các tần số khác nhau và do đó cung cấp một loạt các xung điện áp cho động cơ động cơ điện. Mỗi xung được chia thành từng phần để phản ứng với điện kháng của động cơ điện và tạo ra dòng điện thích hợp trong động cơ điện.

5.Biến tần Vector – biến đổi độ rộng xung

Biến tần vector dòng biến đổi độ rộng xung là một loại biến tần mới. Chúng sử dụng một loại hệ thống điều khiển thường kết hợp chặt chẽ với động cơ điện một chiều. Các biến tần có một bộ vi xử lý, chúng được kết nối với động cơ điện thông qua một vòng điều khiển kín. Điều này cho phép bộ xử lý có thể kiểm soát chặt chẽ hơn hoạt động của động cơ điện.

Các hãng biến tần dùng phổ biến tại thị trường Việt Nam

Biến tần Mitsubishi

Biến tần Mitsubishi (Inverter Mitsubishi) được sản xuất bởi Mitsubishi Electric là thương hiệu nổi tiếng của Nhật Bản. Trong nhiều năm qua biến tần Mitsubishi đã được sử dụng rất phổ biến tại Việt Nam. Do đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật khắt khe trong công nghiệp, chất lượng tốt, hoạt động ổn định nên biến tần Mitsubishi được khách hàng tin tưởng sử dụng trong các dây truyền sản xuất, hệ thống tự động hóa, hệ thống điều khiển trong các nhà máy, tòa nhà,…

Các dòng phổ biến của biến tần Mitsubishi  như: A500, A700, A800 chuyên dùng cho tải nặng như cần cẩu, máy cuốn, thang máy, máy mài, máy công cụ CNC…Biến tần Mitsubishi dòng E500, E700, E800, D700 chuyên dùng cho băng tải, thang máy, máy đóng gói,…Biến tần Mitsubishi dòng F500, F700, F800 tải nhẹ cho quạt, bơm, điều hòa, máy nén khí…

Biến tần Siemens

Biến tần Siemens được sản xuất theo dây chuyền và tiêu chuẩn chất lượng châu Âu. Biến tần Siemens được biết đến với các ưu điểm là giải pháp hữu hiệu nhất cho các giải pháp truyền động đơn giản với chi phí hợp lý, dễ dàng vận hành, bền bỉ, tiết kiệm, và thường có dải công suất  hoạt động từ 0.12kW đến 450kW

Các dòng biến tần Siemens phổ biến như: MM440, MM430, MM420, Sinamics G120, Sinamics G110, Sinamics S120, Sinamics V20…

Biến tần Danfoss

Danfoss được thành lập từ năm 1933 tại Đan Mạch, với bề dày hoạt động hơn 80 năm, Danfoss hiện đang là 1 trong những thương hiệu sản xuất biến tần hàng đầu. Tính đến tháng 3/2016, hãng đã có 61 nhà máy đặt tại 20 quốc gia khác nhau, cung cấp sản phẩm, đặc biệt là biến tần Danfoss cho hơn 100 quốc gia trên thế giới. ưu điểm của biến tần Danfoss là tính ổn định, dễ sử dụng, nhiều chức năng hỗ trợ người dùng và đặc biệt là ít gây nhiễu hơn so với các dòng biến tần khác trên thị trường

Lợi ích của việc sử dụng biến tần:

–  Dễ ràng thay đổi tốc độ động cơ, đảo chiều quay động cơ.

–  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.

–  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.

–  Tiết kiệm năng lượng đáng kể so với phương pháp chạy động cơ trực tiếp.

–  Biến tần thường có hệ thống điện tử bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá áp và thấp áp, tạo ra một hệ thống an toàn khi vận hành.

–  Nhờ nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode và tụ điện nên công suất phản kháng từ động cơ rất thấp, do đó 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.

–  Biến tần được tích hợp các module truyền thông giúp cho việc điều khiển và giám sát từ trung tâm rất dễ dàng.

Ứng dụng của biến tần

1.Bơm nước

Đây là giải pháp ứng dụng phổ biến nhất của biến tần:

1.1.Biến tần cho bơm cấp 2 ( Điều khiển lưu lượng):

– Trong hệ thống truyền thống, áp lực và lưu lượng bơm được điều khiển bởi: Động cơ nhiều tốc độ, van ra/vào hoặc hệ thống hồi lưu. Tất cả các phương pháp này đều hao phí năng lượng nhiều, gây sốc cơ khí, giảm tuổi thọ hệ thống và tăng tổn thất đường ống.

– Biến tần được sử dụng để điều tốc độ của bơm, có thể chạy ở lưu lượng/áp suất tùy chọn, qua đó giúp tăng hiệu suất, tiết kiệm năng lượng. Hệ thống vận hành êm, trơn, giảm chi phí bảo trì, sữa chữa, giảm tổn thất đường ống, tăng tuổi thọ hệ thống.

1.2.Cấp nước cho nhà cao tầng

– Giải pháp truyền thống là bơm nước lên tháp nước trên mái để phân phối cho toàn nhà, điều chỉnh áp lực từng tầng bằng các thiết bị điều hòa và giảm áp. Nhược điểm của hệ thống này là: Tăng kết cấu tòa nhà, tiêu hao năng lượng lớn, tổn hao nhiều bởi các thiết bị giảm áp, yêu cầu cao với hệ thống ống…

– Việc sử dụng biến tần điều khiển động cơ để cung cấp theo đúng yêu cầu của phụ tải sẽ t iết kiệm điện rất lớn và giảm các chi phí  đầu tư do việc không phải xây dựng tháp nước.

1.3.Biến tần cho bơm cấp 1 ( Không điều khiển lưu lượng):

– Bơm cấp 1 thường điều khiển theo phương pháp đóng cắt đơn giản. Thông thường công suất bơm được chọn rất lớn so với nhu cầu của hệ thống. Trong rất nhiều trường hợp bơm thường chạy non tải, áp lực và thất thoát đường ống tăng, gây sốc khi vận hành …Để khắc phục ít nhiều các nhược điểm này người ta thường mở van xả hoặc gọt cánh bơm… các phương pháp này chỉ nhằm khắc phục việc quá áp đường ống mà không khắc phục được các nhược điểm khác.

– Việc sử dụng biến tần điều khiển động cơ cho phép điều khiển áp lực, lưu lượng tùy chọn, khởi động mềm, tối ưu hóa hoạt động của động cơ, tiết kiệm điện năng lượng.

2.Quạt hút/đẩy:

– Các quạt hút đầy sử dụng phổ biến trong công nghiệp: Hút bụi, quạt lò, thông gió ….Để điều khiển lượng gió cần thiết người ta thường sử dụng hệ thống điều khiển động cơ nhiều cấp, các van khống chế … Nhược điểm tương tự như hệ thống bơm.

– Việc sử dụng biến tần điều khiển động cơ cho phép điều khiển áp lực, lưu lượng theo yêu cầu cần thiết, khởi động mềm, tối ưu hóa hoạt động của động cơ, tiết kiệm điện năng lượng.

3.Máy nén khí:

– Chế độ điều khiển cung cấp khí thông thường theo phương thức đóng/cắt. Chế độ này kiểm soát không khí đầu vào qua van cửa vào. Khi áp suất đạt đến giới hạn trên, van cửa vào đóng và máy nén sẽ đi vào trạng thái hoạt động không tải, khi áp suất đạt dưới hạn dưới, van cửa vào mở và máy nén sẽ đi vào trạng thái hoạt động có tải. Công suất định mức của motor được chọn theo nhu cầu max và thông thường được thiết kế dư tải, dòng khởi động lớn, motor hoạt động là liên tục khi không tải làm tiêu tốn một lượng lớn điện năng.

– Chế độ điều khiển tốc độ quay motor bằng biến tần: lượng cung cấp khí chỉ cần đáp ứng đủ lượng khí tiêu dùng., hệ thống cung cấp khí có thể đạt được hiệu quả cao nhất và tiết kiệm điện.

4.Băng tải:

– Hệ truyền động băng tải có momen khởi động rất lớn. Biến tần có thể tạo momen khởi động cao nhưng vẫn đảm bảo dòng điện khởi động trong giới hạn cho phép của lưới. Khả năng khởi động và dừng nhẹ nhàng được thực hiện bằng cách điều khiển thời lượng cần thiết để tăng/giảm tốc.

– Cho phép điều chỉnh tốc độ băng tải phù hợp với yêu cầu quy trình sản xuất. -Năng lượng được tiết kiệm khi chạy động cơ ở tốc độ phù hợp với  yêu cầu của tải , hệ số công suất của động cơ cao. Hơn nữa trong trường hợp băng tải có đoạn chạy quán tính (dốc xuống), cơ năng của băng tải có thể chuyển hóa thành năng lượng điện để trả về lưới với biến tần hãm tái sinh.

– Khi nhiều động cơ được sử dụng, tốc độ có thể được đồng bộ và tải có thể được chia sẻ giữa các động cơ.

– Có thể bù trượt tốc độ, phát hiện quá mômen, dò tìm tốc độ cộng với chức năng tăng mômen động cơ khi mômen tải tăng giúp tốc độ băng tải luôn luôn ổn định

– Điều khiển quá trình khởi động và dừng chính xác trên hệ thống băng tải

5.Thiết bị nâng hạ:

– Hệ thống nâng hạ trong XD và CN thường gặp những vấn đề công nghệ mà trong quá trình thiết kế truyền thống chưa đáp ứng tốt: Khó kiểm soát được tốc độ chạy, chỉ chạy ở một tốc độ cố định và thấp. Tăng/ giảm tốc  dễ dẫn đến hiện tượng sốc cơ khí, dừng không chính xác khi tải thay đổi, thiếu an toàn …

– Biến tần có điều khiển định vị, mô-men xoắn và hãm giúp các ứng dụng như cần trục và pa-lăng khả thi bằng cách sử dụng động cơ xoay chiều. Với biến tần giành cho thiết bị nâng hạ có hệ thống hãm tái sinh, tra năng lượng về lưới, an toàn và tiết kiệm.

– Trong hệ thống cẩu trục di chuyển các cấu kiện nặng. Hệ thống điều khiển gồm 2 phần chính: Điều khiển nâng hạ và điều khiển di chuyển dầm cẩu. Điều khiển di chuyển dầm cẩu được thực hiện bởi 02 motor cùng nguồn điện và đóng/cắt đồng thời, đặt ở chân dầm cẩu . Khi các motor hoạt động gây tác hại : Tạo xu hướng bị vặn xoắn dầm;

– Tiêu hao nhiều năng lượng do dòng điện khi khởi động cao, gây sụt áp lưới khi khởi động. -Giải pháp để khắc phục là : “ Sử dụng biến tần để điều khiển 2 motor di chuyển dầm cẩu”. Giải pháp này mang đến những lợi ích thiết thực : Khởi động mềm, chất lượng mạng điện ổn định;

– Tổn hao nhiệt trên dây dẫn giảm.Khắc phục được hiện tượng sụt áp trên lưới điện;

– Quá trình khởi động và dừng tải êm, tiếng ồn giảm, tăng tuổi thọ của motor, kết cấu cơ khí;

– Tăng tính an toàn;

– Tiết kiệm năng lượng.

6.Máy cán kéo:

 7.Máy ép phun:

Để máy biến tần hoạt động an toàn, đạt được tuổi thọ cao nhất, hạn chế các lỗi kỹ thuật hỏng hóc, người dùng cần:

– Tùy theo ứng dụng mà bạn lựa chọn bộ biến tần cho phù hợp, theo cách đó bạn sẽ chỉ phải trả một chi phí thấp mà lại đảm bảo độ tin cậy làm việc

– Bên trong bộ biến tần là các linh kiện điện tử bán dẫn nên rất nhậy cảm với điều kiện môi trường, mà Việt Nam có khí hậu nóng ẩm nên khi lựa chọn bạn phải chắc chắn rằng bộ biến tần của mình đã được nhiệt đới hoá, phù hợp với môi trường khí hậu Việt Nam.

– Bạn phải đảm bảo điều kiện môi trường lắp đặt như nhiệt độ, độ ẩm, vị trí.