Tìm hiểu cơ bản về biến tần

Tìm hiểu về biến tần các khái niệm cơ bản, cấu tạo cơ bản của biến tần và các biến tần thông dụng, thịnh hành trong nhà máy các cơ sở sản xuất, ứng dụng của biến tần trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày

I Tổng quan về biến tần

1 Khái niệm

Biến tần hay còn được gọi là bộ biến đổi tần số là một thiết bị điều chỉnh tốc độ quay của động

cơ điện xoay chiều thông qua việc thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ.Vì thế mà biến tần còn có một tên gọi khác là bộ điều chỉnh tốc độ động cơ.Ngoài ra, điện áp cấp cho động cơ của biến tần cũng thay đổi theo tần số nên biến tần đôi khi còn được gọi là bộ biến đổi điện áp tần.Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống,… Vì vậy, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.Điều chỉnh tốc độ cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông,… Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp điều chỉnh tốc độ cơ:

+ Biến đổi tốc độ các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỉ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất

+ Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu

và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử

2 Các bộ phận cơ bản của biến tần

a.Bộ chỉnh lưu (diode)

Bộ chỉnh lưu cầu diode tương tự với các bộ chỉnh lưu thường thấy trong bộ nguồn, trong đó điện

áp xoay chiều được chuyển đổi thành một chiều Điện áp sau khi chỉnh lưu qua giàn tụ lọc để có điện áp phẳng, ổn định(DC bus) để cung cấp nguồn cho IGBT

b Bộ nghịch lưu (IGBT)

Thiết bị IGBT chuyển mạch nhanh và cho hiệu xuất cao Trong biến tần, IGBT được điều khiển kích mở theo trình tự để tạo xung với các độ rộng khác nhau từ điện áp DC Bus được trữ trong tụ điện

Bằng cách sử dụng phương pháp Điều chế Độ rộng Xung PWM, IGBT có thể được kích mở theo trình tự để đầu ra giống với sóng dạng sin được áp dụng trên sóng mang

PWM có thể được sử dụng để tạo đầu ra cho động cơ giống hệt với sóng dạng sin Tín hiệu này được sử dụng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ

c Phần điều khiển

Phần điều khiển sẽ kết nối với mạch ngoại vi nhận tín hiệu đưa vào IC chính để điều khiển biến tần theo cấu hình và cài đặt của người sử dụng

Phần điều khiển bao gồm:

IC chính để xử lý thông tin và điều khiển hoạt động của biến tần

Ngõ vào analog: nhận tín hiệu điện áp 4-20mA hay điện áp 0-10V

Ngõ vào số: để kích cho biến tần chạy

Ngõ ra analog: kết nối với thiết bị ngoại vi khác để giám sát hoạt động của biến tần

Ngõ ra số: xuất tín hiệu chạy, cảnh báo…

d Các phụ kiện của biến tần

 Bộ kháng điện xoay chiều (reactor)

Cuộn kháng AC là cuộn dây được quấn quanh lõi thép Cuộn kháng AC giúp giảm méo sóng hài, tức là nhiễu trên dòng xoay chiều đầu vào Ngoài ra, Cuộn kháng AC sẽ giảm biên độ đỉnh của cái gai nhọn đầu vào, giảm song hài sẽ giúp DC Bus ổn định và tăng tuổi thọ của tụ Cuộn kháng AC1 có thể hoạt động như một bộ lọc để bảo vệ mạch chỉnh lưu đầu vào khỏi nhiễu và

xung nhọn gây ra do bật và tắt các tải điện cảm khác Có vài nhược điểm khi sử dụng bộ điện kháng, như chi phí tăng thêm, cần nhiều không gian pa-nen hơn và đôi khi là giảm hiệu suất Trong các trường hợp hiếm gặp, bộ điện kháng dòng có thể được sử dụng ở phía đầu ra của Biến tần để bù cho động cơ có điện cảm thấp, nhưng điều này thường không cần thiết do hiệu suất hoạt động tốt của công nghệ IGBT

 Bộ điện kháng 1 chiều (DC reactor)

Cuộn kháng DC khi được gắng vào biến tần trước tụ điện thì phần đầu vào của biến tần như mạch mạch chỉnh lưu có bộ lọc là tụ điện và cuộn dây Khi gắn cuộn kháng một chiều cho biến tần sẽ giúp nguồn DC bus được ổn định, năng lượng dự trữ lớn chống phần sụt áp nguồn đầu vào của biến tần nuôi nguồn cho IGBT khi hoạt động full tải Ngoài ra, cuộn kháng một chiều sẽ giảm nhiễu quay về nguồn do biến tần gây ra Cuộn kháng DC thường được lắp đặt giữa bộ chỉnh lưu và tụ điện trên các bộ Biến tần 7,5 kW trở lên Cuộn kháng DC có thể nhỏ và rẻ hơn Cuộn kháng AC

 Điện trở hãm (Braking resistor)

Thông thường biến tần điều khiển động cơ chạy, khi động cơ dừng hoặc hãm lúc đó động cơ chuyển thành máy phát có năng lượng lớn Nhất là tải đứng và tải dạng thế năng, năng lượng này được trả về DC bus Thông thường biến tần sẽ điều khiển thời gian hãm của motor hợp lý để không xảy ra tình trạng quá tải Nếu yêu cầu motor dừng gấp thì nguồn năng lượng này sẽ phải được tiêu thụ bớt Điện trở hãm sẽ giúp biến tần tiêu thụ nguồn năng lượng đó.Khi điện án DC bus tăng cao đến một trị số nhất định, biến tần sẽ kích dẫn transistor để điện áp DC bus qua điện trở hãm Điện trở biến đổi điện năng thành nhiệt năng.Nếu không có điện trở, mỗi lần giảm tốc hay hãm, biến tần có thể báo lỗi do quá áp trên DC Bus

II Nguyên lí hoạt động của biến tần

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 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) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và 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 Theo lý thuyết, 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 Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4 Điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này 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 Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống

+ Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA

III Phân hoại biến tần

Biến tần chia làm 2 loại: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp

1 Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp hay còn gọi là biến tần phụ thuộc là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới Tuy nhiên, loại biến tần này có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp Loại biến tần này hiện nay ít được

sử dụng

2 Biến tần gián tiếp

Biến tần gián tiếp hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều dùng bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay thành dòng điện một chiều sau đó lại dùng bộ nghịch lưu biến đổi dòng điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều Khâu trung gian một chiều đóng vai trò một khâu tích lũy năng lượng dưới dạng nguồn áp dùng tựu điện hoặc nguồn dòng dùng cuộn cảm tạo ra một khâu cách ly nhất định giữa phụ tải và nguồn điện áp lưới Biến tần gián tiếp được cấu tạo từ bộ chỉnh lưu, khâu lọc trung gian và bộ chỉnh lưu

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp chia làm 2 loại sử dụng nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng:

+ Biến tần giáp tiếp nguồn dòng

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điệp áp 1 chiều nguồn dòng, dạng của dòng điện tải trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng áp trên tải phụ thuộc là tùy thuộc vào các thông

số của tải quy định

+ Biến tần gián tiếp nguồn áp

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp 1 chiều là nguồn áp(điện trở nguồn bằng 0) Dạng của điện áp trên tải tùy thuộc vào dạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải quy định Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dòng điện và điện

áp sin hơn, dải biến thiên tầng số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn

IV Ưu và nhược điểm

1 Nhược điểm

Để sử dụng và vận hành biến tần đúng cách hiệu quả thì người sử dụng, lắp đặt nhất thiết phải có kiến thức nhất định

Chi phí đầu tư ban đầu cao

Để khởi động hoặc dừng động cơ điện không đồng bộ với công suất vừa và lớn thường thì dùng phương pháp khởi động trực tiếp nên sẽ gây giảm áp trên đường dây rất lớn

Biến tần tốc độ quay của động cơ điện cảm ứng chỉ được điều khiển theo từng cấp (hữu cấp); thông thường thì mỗi động cơ chỉ có thể thay đổi được một trong những dãy tốc độ đồng bộ Cần phải bảo trì, bảo dưỡng máy biến tần định kỳ nếu không muốn máy gây ra các lỗi 2 năm/lần

2 Ưu điểm

Máy biến tần là thiết bị có khả năng làm thay đổi tần số dòng điện vì vậy nên dễ dàng thay đổi tốc độ quay của động cơ một cách linh hoạt và hiệu quả

Máy biến tần tiết kiệm được tối đa năng lượng

Máy biến tần hoạt động một cách ổn định ít khi bị hư hỏng

Khi bị hư hỏng thì bạn cũng có thể trục tiếp khắc phục được hoặc chi phí sửa chữa biến tần không quá cao

Sử dụng máy biến tần trong sản xuất nâng cao được tuổi thọ của các thiết bị bởi quá trình khởi động và dừng động cơ êm dịu, giúp cho tuổi thọ của động cơ và các bộ phận cơ khí ổn định và kéo dài hơn

Giảm chi phí sản xuất và giảm giá thành sản phẩm

Có thể điều khiển trực tiếp momen của động cơ

Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống

Biến tần có thể làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau nhờ hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần có kết cấu đơn giản

Có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau

Các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc (dệt, băng tải …)

Đầy đủ các chức năng bảo vệ động cơ: Quá dòng, quá áp, mất pha, đảo pha …

Có thể kết nối mạng với hệ thống điều khiển trung tâm

Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn

Dễ dàng kết nối với hệ điều khiển tự động

V Ứng dụng

Biến tần được ứng dụng ngày càng phổ biến để điều khiển tốc độ cho tất cả các máy móc trong các ngành, đặc biệt trong công nghiệp và xây dựng: Máy nghiền, máy cán, kéo, máy tráng màng, máy tạo sợi, máy nhựa, cao su, sơn, hóa chất, dệt, nhuộm, đóng gói, chế biến gỗ, băng chuyền, cần trục, tháp giải nhiệt , thiết bị nâng hạ, máy nén khí, bơm và quạt

Hình ảnh biến tần điều khiển 3 bơm chạy luân phiên và ổn định áp suất

Hình ảnh biến tần điều khiển quạt lò hơi

Giới thiệu chung về ứng dụng của biến tần

Biến tần cho máy nén khí

Video biến tần ứng dụng trong dệt may