Biến tần là gì? Công dụng của biến tần | Ưu điểm của biến tần

Biến tần là gì? Biến tần thường được gọi là inverter do thói quen của chúng ta. Một công nghệ biến tần đang rất hot thời gian gần đây và chúng ta thường thấy như máy lạnh inverter và tủ lạnh inverter ở gia đình hoặc cơ quan làm việc. Các thiết bị biến tần có mặt rộng rãi trong các thiết bị điện máy ở trung tâm mua sắm hoặc cửa hàng trực tuyến. Chúng ta mua chúng vì inverter được giới thiệu và quảng cáo là một công nghệ giúp tiết kiệm điện năng.

Nhưng trên thực tế, trong công nghiệp, biến tần mang ý nghĩa khác, và tên chuẩn tiếng Anh của biến tần cũng không phải là Inverter.

Vậy biến tần là gì trong công nghiệp sản xuất? Tác dụng của biến tần là gì? Ưu điểm của biến tần ra sao? thì không phải ai cũng biết. Vậy trong bài viết này, hãy cùng Thái Khương khám phá chủ đề này nhé!

Biến tần là gì

Biến tần là các thiết bị điện tử có thể biến DC (Dòng điện một chiều) thành AC (Dòng điện xoay chiều). Nó cũng có nhiệm vụ là một loại bộ điều khiển động cơ điện bằng cách thay đổi tần số và điện áp cung cấp.

Biến tần còn một số tên gọi khác như AC Drives, VFD (biến tần), bộ điều chỉnh tốc độ động cơ (tiếng anh là Variable Speed Drive, VSD), bộ biến đổi điện áp tần số (Variable Voltage Variable Frequency Drive, VVVFD).

Động cơ điện được tìm thấy trong hầu hết các thiết bị chúng ta sử dụng để làm việc từ các thiết bị điện tử nhỏ, giao thông vận tải, thiết bị văn phòng đến các dây chuyền hệ thống sản xuất quy mô lớn. Việc điều chỉnh tốc độ của động cơ là điều cần thiết để tránh lãng phí năng lượng. Trong các nhà máy, năng lượng và nguyên liệu bị lãng phí có thể gây rủi ro cho việc kinh doanh, do đó biến tần được sử dụng để điều khiển động cơ điện, tăng năng suất và tiết kiệm năng lượng.

Biến tần tiếng anh là gì

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.

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.

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

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 đầu tiên của VFD, là bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi bao gồm sáu điốt, tương tự như van một chiều được sử dụng trong hệ thống ống nước. Chúng cho phép dòng điện chỉ chạy theo một hướng; hướng được hiển thị bằng mũi tên trên kí hiệu của diode.

Ví dụ: Bất cứ khi nào điện áp pha A (điện áp tương tự như áp suất trong hệ thống ống nước) dương hơn điện áp pha B hoặc C, thì điốt đó sẽ mở và cho phép dòng điện chạy qua. Khi pha B trở nên dương cực hơn pha A, thì điốt pha B sẽ mở và điốt pha A sẽ đóng. Điều tương tự cũng đúng cho 3 diode bên phần âm. Vì vậy, chúng ta có 6 xung dòng điện mỗi khi diode mở và đóng. Đây gọi là ” 6 – xung biến tần”, cấu hình chuẩn cho dòng điện biến tần.

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.

Giả sử rằng biến tần hoạt động ở điện áp 480V, đây là điện áp hiệu dụng, đỉnh của nó là 679V. Như bạn có thể thấy, DC bus của biến tần có một điện áp DC với gợn sóng xoay chiều. Điện áp nằm trong khoảng xấp xỉ 580V và 680V.

Nghịch lưu

Giai đoạn này chuyển đổi DC từ bus DC trở lại dạng 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.

Chúng ta có thể loại bỏ gợn sóng AC trên bus DC bằng cách thêm một tụ điện. Tụ điện hoạt động theo kiểu tương tự như một bể chứa trong hệ thống ống nước. Tụ điện này hấp thụ gợn sóng xoay chiều và cung cấp điện áp một chiều. Độ gợn sóng AC trên bus DC thường nhỏ hơn 3V. Do đó, điện áp trên bus DC trở thành “xấp xỉ” 650VDC. Điện áp thực tế sẽ phụ thuộc vào mức điện áp của dòng AC cấp cho biến tần, mức độ mất cân bằng điện áp trên hệ thống điện, tải động cơ, trở kháng của hệ thống điện và bất kỳ cuộn kháng hoặc bộ lọc sóng hài nào trên biến tần.

Khi chúng ta đóng một trong các công tắc trên cùng trong biến tần, pha đó của động cơ được kết nối với bus một chiều dương và điện áp trên pha đó trở thành dương. Khi chúng ta đóng một trong các công tắc dưới cùng của bộ chuyển đổi, pha đó được kết nối với bus một chiều âm và trở thành âm. Do đó, chúng ta có thể làm cho bất kỳ pha nào trên động cơ trở nên dương hoặc âm cực theo ý muốn và do đó có thể tạo ra bất kỳ tần số nào mà chúng ta muốn.

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.

Lưu ý rằng đầu ra từ VFD là dạng sóng “hình chữ nhật“. VFD không tạo ra đầu ra hình sin. Dạng sóng hình chữ nhật này sẽ không phải là lựa chọn tốt cho hệ thống phân phối điện mục đích chung, nhưng hoàn toàn phù hợp cho động cơ.

Nếu chúng ta muốn giảm tần số động cơ xuống 30Hz, thì chúng ta chỉ cần chuyển các bóng bán dẫn đầu ra của biến tần chậm hơn. Nhưng, nếu chúng ta giảm tần số xuống 30Hz, thì chúng ta cũng phải giảm điện áp xuống 240V để duy trì tỷ lệ V/Hz. Làm thế nào chúng ta sẽ giảm điện áp nếu điện áp duy nhất mà chúng ta có là 650VDC?

Đây được gọi là điều chế độ rộng xung hoặc PWM. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có thể kiểm soát áp suất trong đường nước bằng cách bật và tắt van ở tốc độ cao. Mặc dù điều này sẽ không thực tế cho các hệ thống ống nước, nhưng nó hoạt động rất tốt đối với VFD. Chú ý rằng trong nửa chu kỳ đầu tiên, điện áp BẬT một nửa thời gian và TẮT một nửa thời gian. Như vậy, điện áp trung bình là một nửa của 480V hoặc 240V. Bằng cách tạo xung đầu ra, chúng ta có thể đạt được bất kỳ điện áp trung bình nào trên đầu ra của VFD.

Tính năng của biến tần

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.

Công 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 dùng để làm 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.

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

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
• Tiết kiệm năng lượng
• Loại bỏ các thành phần truyền động cơ khí đắt tiền
• Tăng tuổi thọ động cơ
• Giảm nhiễu loạn đường dây điện
• Giảm nguy cơ hư hỏng động cơ trong quá trình khởi động và dừng

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,…

• Các ứng dụng quạt và bơm được hưởng lợi đáng kể từ bộ biến tần. Vượt trội hơn so với bộ điều khiển bật/tắt, sử dụng bộ biến tần có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng từ 20% đến 50% bằng cách kiểm soát chuyển động quay của động cơ. Do đó các dòng máy bơm ngày nay đều dùng biến tần để kiểm soát như: Hệ thống máy bơm pccc, máy bơm ly tâm, máy bơm bánh răng, máy bơm trục vít, bơm piston, máy khuấy, máy trộn…

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 điểm cũng như các ứng dụng của chúng trong công nghiệp.

Thái Khương là đơn vị cung cấp bơm, và hiện nay, biến tần cũng là thiết bị dùng để điều khiển bơm ưu việt và không thể thiếu. Các bạn có nhu cầu tư vấn về và chọn giải pháp điều khiển bơm? Hãy liên hệ ngay với Thái Khương để được trợ giúp nhé!