Biến tần là gì? Nguyên lý hoạt động của biến tần

Mỗi dòng điện thường sẽ có một mức tần số riêng, viết tắt là Hz, mức tần số này sẽ không thể thay đổi do quá trình việc sản xuất điện luôn cần tính ổn điện để cung cấp tới người dân. Do dó, nếu như có một thiết bị ở tần số khác, bạn sẽ không thể sử dụng được. Chính vì nhu cầu thay đổi tần số Hz của dòng điện, một loại thiết bị được ra đời hòng phục vụ cho mục đích này.

Thiết bị được thiết kế để có thể thay đổi được tần số của dòng điện, biến số không thay đổi, được gọi tên là máy biến tần. Đây là một thiết bị giúp biến đổi tần số dòng điện xoay chiều tại tần số này sang mức dòng điện có tần số khác, theo đúng nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng.

Nhờ thiết bị biến tần mà người ta có thể tiết kiệm điện năng, chống hư hỏng động cơ, hoặc được ứng dụng nhiều trong sản xuất, điều khiến máy móc... Nếu bạn đang tìm hiểu về máy biến tần, hãy cùng Kho Máy Bơm đi vào chi tiết bài viết này.

I - Biến tần là gì?

Biến tần được định nghĩa rất đơn giản, nó đơn giản chỉ là một thiết bị được chế tạo nhằm giúp ta tùy biến được thông số tần số Hz của dòng điện xoay chiều. Dòng điện xoay chiều được sản xuất bởi các công ty điện lực, nó thường mang một tiêu chuẩn dòng số cố định, ví dụ dòng điện của nước ta có tần số 50 Hz, còn tần số dòng điện của Mỹ là 60 Hz. Tùy thuộc vào mối quốc gia sẽ có một tần số dòng điện xoay chiều cố định.

Thông thường, các loại thiết bị điện sẽ được sản xuất cho tần số dòng điện xoay chiều như tiêu chuẩn đã được công bố bởi công ty điện lực. Tuy nhiên, có một số loại thiết bị thì không thể hoạt động cùng tần số, hoặc đôi khi chúng ta cần thay đổi mức tần số của thiết bị điện, nhằm tối ưu hóa hoạt động, cũng có thể là bạn cần thay đổi cho quá trình sản xuất được diễn ra như mong muốn.

Cũng giống như bạn sử dụng tay ga để điều khiển xe máy, mỗi khi vặn tay ga, thông qua đó chúng ta thay đổi lượng xăng bơm vào buồng đốt, nhờ đó điều khiển được tốc độ di chuyển của xe. Biến tần là một thiết bị giúp thay đổi tần số, còn vặn tay ga là thiết bị dùng để thay đổi tốc độ di chuyển của xe máy.

Tóm lại, biến tần sẽ giúp bạn thay đổi tần số dòng điện nhờ vào cuộn dây cảm trong thiết bị, nhờ đó mà bạn có thể dễ dàng tùy biến tần số dòng điện, từ mức 50 Hz thay đổi thành mức mà bạn chọn. Sự thay đổi tần số cũng có thể giúp chúng ta tùy chỉnh tốc độ quay động cơ của một số loại thiết bị điện như quạt, xe điện, máy bơm nước,... nhờ đó mà động cơ hoạt động theo đúng ý đồ của người dùng, đem lại hiệu quả kinh tế cao.

II - Tại sao cần phải sử dụng biến tần?

Ngày nay, các thiết bị điện được sử dụng trong sản xuất rất nhiều, mỗi thiết bị đều hướng tới một mục đích khác nhau, do đó tần số đôi khi cũng sẽ có sự khác biệt. Trong một dây truyền sản xuất hiện đại, bạn không thể nào chỉ sử dụng một loại máy móc, mà sẽ có rất nhiều thiết bị điện, đặc biệt là các loại động cơ chạy điện, vì chúng mang lại hiệu quả sản xuất cao hơn rất nhiều so với động cơ đốt trong.

Thiết bị điện càng nhiều thì tỷ lệ gặp phải một loại motor khác tần số là điều hiển nhiên, không những thế bạn sẽ còn gặp phải những thiết bị sử dụng "quá mức" tần số, ví dụ motor băng truyền quay quá nhanh sẽ không thể nào kiểm soát sản phẩm chạy trên đó được, hoặc đơn giản là không cần máy phải quay nhanh quá mức, vì nó gây ra dư thừa và lãng phí điện năng. Lúc này, thiết bị biến tần là sẽ là "công cụ" giúp tối ưu hóa việc sử dụng máy móc.

Hoặc ví dụ đơn giản và gần gũi nhất chính là các loại máy bơm biến tần, nó giúp thay đổi tốc độ của máy bơm nước, nhờ đó mà điều khiển được tốc độ của motor, điều chỉnh được lưu lượng của dòng chảy. Đối với các động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha công suất lớn thì sẽ rất khó điều khiển nếu không có hệ thống inverter. Chính vì thế mà ta cần sử dụng đến biến tần để cho phép thay đổi tốc độ các loại động cơ điện, quạt hay motor sao cho phù hợp.

Trong một số trường hợp, bạn có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn mức bình thường. Thông thường tần số chung là 50 Hz, biến tần có thể thay đổi mức tần số dao động từ 0Hz lên đề 400 Hz (một số loại biến tần có có thể đạt mức cao hơn), khi thay đổi vượt mức 50Hz, motor sẽ quay nhanh hơn, giúp cho motor hoạt động nhanh hơn, tối đa hóa khả năng vận hành mà nhà sản xuất đưa ra. Biến tần phổ thông sẽ có mức tùy chỉnh dao động từ 0Hz - 60Hz.

III - Cấu tạo của biến tần

Với nhu cầu sử dụng biến tần rất lớn, mỗi nhu cầu sẽ có yêu cầu thuật khác nhau tùy vào mỗi hệ thống điều khiển. Do đó, máy biến tần thường rất đa dạng các chủng loại, mỗi loại thường sẽ có cấu tạo phù hợp với nhu cầu của người sử dụng. Tuy nhiên, về tổng quan có thể xem xét cấu tạo máy biến tần dựa theo sơ đồ căn bản dưới đây.

Hầu như các loại biến tần đều sử dụng theo kiểu thiết kế theo sơ đồ sau. Với thành phần chính của biến tần cơ bản sẽ gồm mạch nguồn và mạch điều khiển. Trong đó, mạch nguồn chính là thiết bị cung cấp điện năng cho biến tần hoạt động, còn mạch điều khiến chính là hệ thống trung tâm, có chắc năng điều khiến biến tần.

Mạch điều khiển là thành phần có vai trò quan trọng bậc nhất trong hệ thống, nó tương tự như chip máy tính, giúp cho máy có khả năng tiếp nhận và xử lý thông tin đầu vào, qua đó thực hiện chức năng điều khiển hay bảo vệ thiết bị.

Ngoài ra trong một thiết bị biến tần sẽ có mạch chuyển đổi tần số. Đây là khu vực chức năng chính của biến tần, giúp thực hiện việc thay đổi tần số dòng điện đầu vào từ 50Hz hoặc 60Hz thành tần số dòng điện đầu ra như mong muốn. Trong cấu tạo của mạch chỉnh tần số sẽ có cấu tạo chi tiết hơn nữa, bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc và bộ lưu nghịch lưu IGBT,...

Nhằm giúp biến tần luôn đảm bảo độ bền bỉ, người ta thêm vào đó mạch bảo vệ, với chức năng bảo vệ thiết bị biến tần khi xảy ra sự cố như tình trạng quá tải, quá nóng, chập điện làm ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của hệ thống.

Một số loại biến tần sẽ có thêm những thiết bị hiển thị như màn hình, và có thêm cả bàn phím để giúp việc vận hành, điều khiến biến tần dễ dàng hơn. Cuối cùng, để biến tần vận hành hiệu quả, có thể tích hợp thêm một số thiết bị khác như  làbộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, module truyền thông, điện trở hãm (điện trở xả),...

IV - Nguyên lý hoạt động của biến tần

Biến hoạt động dựa theo nguyên lý cũng khá là đơn giản. Trước tiên, đầu vào của biến tần là một dòng điện xoay chiều, có thể là 1 pha hoặc 3 pha, sau đó được đưa qua bộ chỉnh lưu để đưa về dòng điện 1 chiều phẳng. Bên cạnh việc đưa về dòng điện 1 chiều, thì nguồn điện cũng được lọc lại nhằm bị gây tình trạng nhiều tín hiệu. Quá trình chuyển đổi từ dòng điện xoay chiều thành dòng chiều phẳng, được thực hiện thông qua bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Sau khi được chuyển đổi, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần sẽ có giá trị ít nhất là 0,96, và giá trị này độc lập so với nguồn cấp tải.

Sau đó, điện áp của dòng được một chiều cũng được biến đôi (nghịch lưu) trở lại thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Quá trình chuyển đổi này được thực hiện thông qua hệ IGBT (viết tắt của cụm từ tiếng anh Insulated Gate Bipolar Transistor) là Transistor có cực điều khiển cách ly là loại linh kiện bán dẫn công suất 3 cực. IGBT còn được biết tới là phương pháp điều chế độ rộng xung (PVM). Công đoạn này có thể giúp tần số chuyển mạch xung đạt lên tới mạch siêu âm, giúp giảm tiếng ồn cho động cơ, đồng thời giảm bớt sự hao hụt năng lượng xảy ra trên lõi động cơ.

Biến tần hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi tần số thông qua sự thay đổi cuộn cảm

Hiểu một cách nôm na, biến tần có thể giúp chuyển từ hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha tại đầu ra, với giá trị tần số được biến đổi vô cấp tùy vào bộ điều khiển, và tần số này có biên độ giới hạn. Thông thường, giữa điện áp và tần số có sự liên hệ mật thiết, và thay đổi tỷ lệ cùng nhau tùy theo chế độ điều khiển. Trong một số loại tải có mô men cố định, thì tỷ lệ giữa điện áp và tần số là không thay đổi. Tuy nhiên, một số loại thiết bị như máy bơm hoặc động cơ quạt, thường sẽ thay đổi theo tỷ lệ hàm căn bậc 4. Chính vì thế, đặc tính của mô men này là hàm bậc hai của tốc độ, do bản chất của mô men này cũng lại là hàm bậc hai của điện áp, qua đó mà tốc độ sẽ phù hợp khi chúng ta tùy chỉnh theo yêu cầu của tải máy bơm hoặc động cơ quạt.

Các thiết bị biến tần hiện đại đã đạt tới mức hiệu suất chuyển đổi rất cao, nhờ có sự phát triển của các loại linh kiện bán dẫn hiệu năng cao, giúp cho hệ thống tiêu thụ điện giảm đáng kể, với lương năng lượng chỉ tiêu tốn ngang ngửa với năng lượng yêu cầu của hệ thống. Bên cạnh đó, biến tần cũng được trang bị thêm các hệ thống điều khiến hiện đại, giúp chúng tương thích với hầu hết các loại tải khác nhau. Không những thế, những loại biến tần hiện đại còn được tích hợp thêm cả bộ PID,  thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, giúp việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA  trở nên thuận lợi hơn.

V - Ứng dụng của biến tần

► Thiết bị bảo vệ động cơ

Thông thường yêu cầu hoạt động của động cơ sẽ thấp hơn so với mức nguồn cấp tải, do đó bạn sẽ chỉ cần nó hoạt động ở mức dưới 75% khả năng hoạt động của động cơ là đủ. Nhờ có bộ biến tần hiện đại, các loại thiết bị máy móc sẽ được bảo vệ trong quá trình hoạt động. Bởi biến tần sẽ giúp điều khiển tốc độ hoạt động của động cơ một cách linh hoạt, tránh tình trạng hoạt động quá tải, giúp động cơ hoạt động bền bỉ hơn. Những loại thiết bị biến tần tối tân nhất hiện nay được hoạt động dựa trên hệ thống điều khiển điện tử, giúp quá quá trình bảo vệ tối ưu hơn, tận dụng được máy hoạt động tốt hơn, bảo vệ khi máy hoạt động quá cao, điều chỉnh khi máy hoạt động dưới mức yêu cầu.

► Bộ giảm hao mòn cho máy móc

Với hệ thống băng tải thông thường, bạn sẽ không bao giờ dùng hết công suất của động cơ, bởi khi đó công việc sẽ không theo kịp, đồng thời công suất sản xuất cũng không thể đáp ưng kịp tốc độ chạy của băng tải. Hơn thế, khi khởi động băng tải, động cơ sẽ chạy rất nhanh, tạo ra sức ì hoặc quán tính, điều này diễn ra thường xuyên sẽ gây hư hỏng các bộ phân cơ khí của băng tải. Biến tần sẽ giúp giải quyết điều này một cách triệt để, bằng cách điều chỉnh lại tần số của dòng điện khi cấp vào thiết bị động cơ, giúp cho quá trình khởi động diễn ra một cách từ tốn, chậm rãi cho tới khi đạt được tốc độ cần thiết. Nhờ đó giúp hệ thống băng tải không bị hư hỏng khi khởi động hoặc tắt máy.

► Tăng năng suất sản xuất

Đối với một số động cơ có hiệu năng cao, bạn có thể tận dụng biến tần để nâng tần số biến tần lên cao hơn so với nguồn cấp 50 Hz thông dụng, thông qua đó động cơ được đẩy tốc độ lên mức cao hơn, có thể lên tới 400Hz tùy vào điều kiện hoạt động cho phép của động cơ. Trước khi có sự xuất hiện của biến tần, để nâng hiệu năng của máy móc, người ta phải sử dụng thêm một Pully hay mô tơ rùa( mô tơ phụ) để điều chỉnh tốc độ của máy móc. Điều này gây tiêu tốn thêm nhiều chi phí, bởi phải đầu tư thêm thiết bị đắt tiền, và cách này cũng gây tiêu tốn công sức và hao tốn nhiều điện năng. So với việc sử dụng nguồn điện trực tiếp, sử dụng máy biến tần có thể giúp gia tăng khả năng sản xuất lên đến 20%.

► Ứng dụng của máy biến tần trong sản xuất và đời sống

Do ưu điểm vượt trội nên biến tần được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp và dân dụng, đặc biệt là trong công nghiệp. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến không thể thiếu biến tần: Bơm nước, quạt hút/đẩy, máy nén khí, băng tải, thiết bị nâng hạ, máy cán kéo, máy ép phun, máy cuốn/nhả, thang máy, hệ thống HVAC, máy trộn, máy quay ly tâm, cải thiện khả năng điều khiển của các hộp số, thay thế cho việc sử dụng cơ cấu điều khiển vô cấp truyền thống trong máy công tác,...

► Bơm và hệ thống cung cấp nước

Máy bơm thường có mức công suất hoạt động cố định mà nhà sản xuất đưa ra. Nếu muốn điều chỉnh lại lưu lượng nước của máy bơm để phục vụ cho các công trình, tòa nhà, khách sạn, dân sinh hoặc hệ thống thủy lợi... bạn sẽ cần tới một bộ điều chỉnh lưu lượng. Đó chính là hệ thống biến tần, giúp thay đổi tần số cấp vào máy, qua đó điều chỉnh áp lực máy bơm, điều chỉnh được lưu lượng cần thiết theo đúng nhu cầu sử dụng.

► Máy nén

Hoạt động cung cấp khí vào bên trong của máy nén theo cơ chế đóng ngắt. Khi áp suất  chạm ngưởng trên, van bơm vào tự động đóng(motor vẫn hoạt động) nhưng máy nén lại chạy không tải và khi áp suất giảm xuống ngưởng dưới, van tự động mở ra, lúc này máy nén hoạt động có tải. Việc máy nén được cấu tạo để luôn hoạt động ở mức tối đa không cần thiết và motor vẫn quay khi máy nén chạy không tải làm tiêu tốn một lượng điện năng rất lớn. Việc lắp đặt biến tần giúp bạn điều khiển được hoạt động của máy nén cho về mức cung cấp 1 lượng khí vừa đủ cần thiết giúp giảm hao phí điện năng và tăng độ bền của máy nén.

► Băng tải

Việc khởi động hoặc dừng băng tải quá nhanh sẽ làm hư hỏng ổ trục cũng như dễ gây rơi vỡ hàng hóa. Khi có máy biến tần bạn sẽ điều khiển được điều này. Ngoài ra, đối với các băng tải khi hoạt động sẽ có độ dốc, lúc này băng tải chạy theo quán tính, với biến tần có bộ hảm tái sinh RBU bạn có thể chuyển hóa cơ năng từ việc trượt của băng tải thành điện năng sau đó chuyển về lưới điện để tái sử dụng nhằm giảm điện năng hao phí.

VI - Phân loại biến tần

Biến tần có nhiều loại, nếu chia theo nguồn điện đầu vào ta có 2 loại cơ bản là: Biến tần cho động cơ 1 pha và biến tần cho động cơ 3 pha. Trong đó, biến tần cho động cơ 3 pha được sử dụng rộng rãi hơn.

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... Bên cạnh các dòng biến tần đa năng, các hãng cũng sản xuất các dòng biến tần chuyên dụng: biến tần chuyên dùng cho bơm, quạt; biến tần chuyên dùng cho nâng hạ, cẩu trục; biến tần chuyên dùng cho thang máy; biến tần chuyên dùng cho hệ thống HVAC;...