Biến tần là gì? Cấu tạo nguyên lý và ứng dụng

Biến tần (Inverter/VFD) là thiết bị điện tử biến đổi tần số và điện áp của dòng điện (thường từ lưới điện 50/60Hz thành tần số có thể điều chỉnh từ 0-400Hz), dùng để điều khiển tốc độ động cơ một cách mượt mà, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ động cơ, và thay thế hộp số cơ khí trong nhiều ứng dụng công nghiệp như bơm, quạt, cẩu trục.

1. Biến tần là gì?

Thiết bị điện tử công suất có khả năng thay đổi tần số và điện áp của nguồn điện xoay chiều (AC) hoặc một chiều (DC).
Thường được gọi là Bộ điều chỉnh tốc độ động cơ (Variable Speed Drive, VSD), AC Drive, VFD (Variable Frequency Drive).

2.Cấu tạo biến tần:

Tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển mà cấu tạo của mỗi loại biến tần sẽ có sự khác nhau. Tuy nhiên về cơ bản, một biến tần sẽ bao gồm các thành phần chính sau:

Mạch nguồn: cung cấp điện năng cho toàn bộ biến tần
Mạch điều khiển: là trung tâm điều khiển của biến tần, có chức năng điều khiển, lập trình và bảo vệ.
Mạch chuyển đổi tần số: mạch chính của biến tần, có chức năng biến đổi tần số dòng điện đầu vào 50Hz thành tần số dòng điện đầu ra điều chỉnh được từ 0 đến 400Hz. Mạch này gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc và bộ nghịch lưu IGBT biến tần.
Mạch bảo vệ: gồm các thiết bị bảo vệ quá tải, bảo vệ quá dòng, bảo vệ các sự cố điện gây ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.
Màn hình – bàn phím: dùng để thực hiện các thao tác giám sát, cài đặt và điều khiển từ người vận hành.

3.Nguyên lý hoạt động của biến tần:

Trải qua 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Biến tần nhận nguồn đầu vào từ nguồn cung cấp điện (có thể là 1 pha hoặc 3 pha nhưng sẽ ở mức điện áp và tần số cố định, ví dụ 3 pha 220V tần số 50Hz). Nguồn điện sau đó được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này do bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện đảm nhận.
Giai đoạn 2: Điện áp 1 chiều sẽ được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ biến đổi IGBT (tranzito lưỡng cực có cổng cách điện) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.

Tần số của tín hiệu đầu ra sẽ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển và các tham số được lập trình sẵn trong biến tần. Do đó, người vận hành có thể cài đặt trước chế độ hoạt động hoặc điều khiển trực tiếp.

Bên cạnh đó, trong quá trình hoạt động, biến tần có thể phát hiện các sự cố quá tải, quá áp, sụt áp, mất pha và đưa ra cảnh báo lỗi.

4.Công thức tính biến tần cho động cơ:

Công suất biến tần có công thức tính toán như sau:

Trong đó: 

• Công suất động cơ: Thể hiện trên bảng thông số động cơ (kW hoặc HP, 1HP = 0.75kW)
• Hệ số dự phòng: Thông thường là 1.1 hoặc 1.2
• Hiệu suất biến tần: Công suất hoạt động thực tế của biến tần sau khi trừ hao hụt, tỷ lệ khoảng 95 – 98%

Ví dụ, động cơ dây chuyền 3 pha 380V có công suất định mức 4HP. Khi đó công suất biến tần tối thiểu của biến tần là: 

Vì vậy chọn công suất là 4 KW trở lên 

Lưu ý mức dư thừa công suất lý tưởng cho biến tần là 10 – 20%, lớn hơn với tải nặng và thấp hơn với tải nhẹ, nhưng không được dưới 0%.

5.ứng dụng của biến tần:

Ứng dụng của biến tần rất đa dạng, chủ yếu là điều khiển tốc độ động cơ để tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa hoạt động trong nhiều ngành công nghiệp (như băng tải, bơm, quạt, máy nén khí, máy dệt, máy đóng gói) và cả trong dân dụng (như máy giặt, hệ thống HVAC, thang máy, hồ bơi). Biến tần thay đổi tần số dòng điện để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ một cách linh hoạt. 

• • Băng tải: Điều chỉnh tốc độ để vận chuyển sản phẩm mượt mà và hiệu quả, kéo dài tuổi thọ thiết bị.
  • Máy bơm và quạt: Điều chỉnh lưu lượng và áp suất nước/gió để phù hợp với nhu cầu, tiết kiệm năng lượng và giảm tiếng ồn.
  • Máy nén khí: Tối ưu hóa lượng khí nén, tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

• Máy móc chế tạo:
  • Máy nghiền, cán, kéo: Điều chỉnh tốc độ để sản xuất chính xác và hiệu quả.
  • Máy dệt, nhuộm, đóng gói: Kiểm soát tốc độ để đảm bảo chất lượng sản phẩm và tự động hóa quy trình.
  • Máy ép phun, máy trộn: Điều chỉnh tốc độ để phù hợp với từng loại nguyên liệu và quy trình sản xuất.

• Thiết bị nâng hạ: Điều khiển tốc độ nâng/hạ chính xác, đặc biệt là thang máy.

• Hệ thống HVAC: Điều khiển quạt, máy nén để điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng không khí. 

• Hệ thống HVAC: Tương tự như trong công nghiệp, giúp tiết kiệm năng lượng và kiểm soát nhiệt độ trong tòa nhà.
• Thang máy: Điều khiển tốc độ di chuyển mượt mà, êm ái, xử lý các tình huống khẩn cấp.
• Hồ bơi: Điều chỉnh tốc độ máy bơm nước cho phù hợp.
• Máy giặt: Điều chỉnh tốc độ vắt.
• Hệ thống năng lượng mặt trời: Hỗ trợ tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
• Cổng tự động: Điều khiển tốc độ đóng/mở cổng.