Biến tần là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

Biến tần được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: hệ thống bơm – quạt, băng tải, máy nén khí, HVAC, thang máy, máy CNC, và các dây chuyền tự động hóa công nghiệp. Ngoài khả năng điều chỉnh tốc độ, biến tần còn tích hợp nhiều tính năng bảo vệ như: quá dòng, quá áp, mất pha, quá nhiệt, giúp tăng tuổi thọ cho cả động cơ và hệ thống.

Biến tần là gì?​

Biến tần (Inverter hoặc VFD – Variable Frequency Drive) là thiết bị điện dùng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện xoay chiều (AC) thông qua việc thay đổi tần số và điện áp nguồn cấp. Đây là giải pháp điều khiển hiện đại, giúp tiết kiệm năng lượng, giảm hao mòn cơ khí và nâng cao hiệu quả vận hành của máy móc.

Cấu tạo biến tần VFD​

Hai tính năng chính của biến tần là có thể điều chỉnh tốc độ và khả năng khởi động / dừng mềm. Hai tính năng này làm cho VFD trở thành một bộ điều khiển mạnh mẽ để điều khiển động cơ AC. VFD chủ yếu bao gồm bốn phần: chỉnh lưu, liên kết DC trung gian (DC Bus), nghịch lưu và mạch điều khiển.

• Khối Chỉnh lưu

Nó chuyển đổi nguồn AC được cấp từ nguồn điện lưới thành nguồn DC. Phần này có thể là một chiều hoặc hai chiều dựa trên ứng dụng được sử dụng giống như hoạt động bốn phần tư của động cơ. Nó sử dụng điốt, SCR, transistor hoặc các thiết bị chuyển mạch điện tử khác.

Nếu nó sử dụng điốt, nguồn DC đầu ra chuyển đổi không điều khiển được trong khi sử dụng SCR, nguồn ra DC sẽ thay đổi khi điều khiển cổng. Cần tối thiểu sáu điốt để chuyển đổi ba pha, vì vậy bộ chỉnh lưu được coi là bộ chuyển đổi sáu xung.

• DC Bus

Nguồn DC từ phần chỉnh lưu được đưa vào phần liên kết DC (DC Bus). Phần này bao gồm tụ điện và cuộn cảm để làm phẳng các gợn sóng và tích trữ nguồn DC. Chức năng chính của liên kết DC là nhận, lưu trữ và cung cấp nguồn DC.

• Khối Nghịch lưu

Phần này (nghịch lưu – biến tần – inverter) bao gồm các thiết bị chuyển mạch điện tử như transistor, thyristor, IGBT, v.v. Nó nhận nguồn DC từ DC Bus và chuyển đổi thành AC và rồi được đưa đến động cơ. Nó sử dụng các kỹ thuật điều chế như điều chế độ rộng xung để thay đổi tần số đầu ra để điều khiển tốc độ của động cơ.

• Mạch điều khiển

Nó bao gồm một bộ vi xử lý và thực hiện các chức năng khác nhau như điều khiển, cấu hình cài đặt, cảnh báo lỗi và thiết lập các giao thức truyền thông giao tiếp. Nó nhận tín hiệu phản hồi từ động cơ như tham chiếu tốc độ hiện tại và theo đó điều chỉnh tỷ lệ điện áp trên tần số (V/Hz) để điều khiển tốc độ động cơ.

Nguyên lý hoạt động của biến tần​

Giai đoạn đầu tiên biến tần AC (VFD) đóng vai trò là bộ chuyển đổi (bộ chỉnh lưu). 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 chiều hướng; hướng được hiển thị theo như hình mũi tên trong biểu tượng 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 tích cực dương hơn pha A, thì diode pha B sẽ mở và diode pha A sẽ đóng. Điều này cũng đúng đối với 3 điốt ở phía tích cực âm của Bus. Do đó, nhận được sáu “xung” hiện tại khi mỗi diode mở và đóng. Đây được gọi là “six-pulse VFD”, là cấu hình tiêu chuẩn cho các biến tần hiện tại.

Ưu điểm khi sử dụng biến tần​

1- Giảm mức tiêu thụ năng lượng và chi phí năng lượng

Bạn có thể cắt giảm chi phí năng lượng bằng cách điều khiển động cơ bằng VFD, cho phép bạn điều chỉnh tốc độ của thiết bị điều khiển động cơ với yêu cầu tải. Hệ thống động cơ điện tiêu thụ hơn 65% điện năng tiêu thụ trong ngành công nghiệp ngày nay. Tối ưu hóa hệ thống điều khiển động cơ với VFD có thể giảm tiêu thụ năng lượng trong cơ sở tới 70%

2- Điều khiển động cơ mềm và hiệu quả

VFD hoạt động trơn tru hơn cho phép băng tải và dây đai có thể loại bỏ hiện tượng giật khi khởi động, cho phép thông lượng cao hơn.

3- Kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm bảo trì

VFD tối ưu hóa việc kiểm soát tần số và điện áp của động cơ, VFD cung cấp khả năng bảo vệ tốt hơn cho động cơ của bạn khỏi các vấn đề như quá tải nhiệt điện, bảo vệ pha, dưới điện áp, quá áp, v.v. Khởi động tải bằng VFD bảo vệ động cơ hoặc động cơ tải từ “cú sốc tức thì” trên đường bắt đầu; khởi động trơn tru giúp loại bỏ mức độ mòn lớn của đai, bánh răng và ổ trục. Và lợi ích bổ sung là giảm và / hoặc loại bỏ búa nước thông qua các chu kỳ tăng tốc và giảm tốc mượt mà.