Biến tần là gì? Ứng dụng và nguyên lý hoạt động của biến tần

Bộ biến tần, đôi khi gọi là Inverter, là thiết bị điện tử hoặc mạch điện thực hiện biến đổi năng lượng điện từ dòng điện một chiều hoặc dòng điện xoay chiều ở cấu hình tần số và pha này thành dòng điện xoay chiều có cấu hình tần số và pha khác.

1. Giới thiệu về biến tần

Biến tần là một thành phần quan trọng trong các hệ thống công nghiệp ngày nay. Nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ điều khiển tốc độ động cơ điện đến điều khiển điện áp và các hệ thống điện mặt trời.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các khái niệm cơ bản của biến tần, cấu trúc và nguyên lý hoạt động của nó, ứng dụng của nó, cũng như ưu điểm và nhược điểm của nó.

2. Các khái niệm cơ bản

Trước khi đi sâu vào cấu trúc và nguyên lý hoạt động của biến tần, chúng ta cần hiểu các khái niệm cơ bản về tần số và biến tần. Tần số là số lần mà một sự kiện xảy ra trong một khoảng thời gian nhất định. Trong trường hợp của điện, tần số là số lần mà dòng điện hoặc điện áp thay đổi trong một giây.

Biến tần là một thiết bị điện tử được sử dụng để điều chỉnh tần số của một nguồn điện. Khi sử dụng biến tần, người dùng có thể điều chỉnh tần số của nguồn điện đầu vào để tạo ra tần số đầu ra khác nhau.

Các đơn vị đo lường tần số điện áp và dòng điện liên quan đến biến tần bao gồm:

• Hertz (Hz): đơn vị đo lường tần số, tức số lần thay đổi trong một giây.
• Volt (V): đơn vị đo lường điện áp, tức sức ép của dòng điện.
• Ampere (A): đơn vị đo lường dòng điện, tức lượng điện chuyển động qua một điểm trong một giây.

3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

3.1. Cấu tạo của biến tần.

Mỗi loại biến tần có cấu tạo khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển.

Các thành phần chính của biến tần được thiết kế để hoạt động ổn định và bền bỉ trong môi trường công nghiệp. Cấu tạo của biến tần thường 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, nơi thực hiện chức năng điều khiển, lập trình và bảo vệ.
• Mạch chuyển đổi tần số: là mạch chính của biến tần, thực hiện 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 chính bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu IGBT.
• Mạch bảo vệ: bao gồm các thiết bị bảo vệ quá tải, bảo vệ quá dòng, bảo vệ các sự cố điện có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của hệ thống.
• Màn hình – bàn phím: được sử dụng để thực hiện các thao tác giám sát, cài đặt và điều khiển từ người vận hành.
• Ngoài ra biến tần còn có thể được tích hợp: module truyền thông, bộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, điện trở hãm (điện trở xả).

3.2. Nguyên lý hoạt động của biến tần.

Nguyên lý làm việc của bộ biến tần như sau:

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.

Xem thêm bài viết về các thiết bị điều khiển: Tại đây

4. Ứng dụng của biến tần

Biến tần được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ điều khiển tốc độ động cơ điện đến điều khiển điện áp và các hệ thống điện mặt trời.

Trong điều khiển tốc độ động cơ điện, biến tần được sử dụng để điều chỉnh tần số của nguồn điện đầu vào để tăng hoặc giảm tốc độ quay của động cơ. Điều này giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng của động cơ và tăng tuổi thọ của nó.

Trong điều khiển điện áp, biến tần được sử dụng để điều chỉnh tần số của nguồn điện đầu vào để tạo ra một điện áp đầu ra ổn định. Điều này giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng và tăng tuổi thọ của các thiết bị điện tử.

Trong các hệ thống điện mặt trời, biến tần được sử dụng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng sử dụng được trong các hệ thống điện tử.

5. Ưu điểm và nhược điểm

Các ưu điểm của biến tần bao gồm:

• Điều khiển tốc độ động cơ: Biến tần giúp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh tần số đầu vào. Điều này cho phép tăng độ chính xác và linh hoạt trong điều khiển tốc độ của máy móc, dây truyền sản xuất.
• Đảo chiều quay động cơ: có thể cài đặt sẵn khi máy chạy hết hành trình, khi gặp sự cố cần phải đảo chiều hoặc điều khiển trực tiếp.
• Bảo vệ động cơ: biến tần có thiết bị điện tử giám sát và đưa ra cảnh báo hoặc dừng cấp điện cho động cơ khi gặp các sự cố như quá tải, quá áp, sụt áp, mất pha,… tạo ra một hệ thống an toàn khi vận hành.
• Giảm dòng khởi động so với phương pháp khởi động trực tiếp, khởi động sao-tam giác nên không gây ra sụt áp hoặc khó khởi động.
• Biến tần được tích hợp các module truyền thông giúp cho việc điều khiển và giám sát từ trung tâm rất dễ dàng.
• Quá trình khởi động thông qua biến tần từ tốc độ thấp giúp cho động cơ mang tải lớn không phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần cơ khí, ổ trục, tăng tuổi thọ động cơ.
• Sử dụng biến tần giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể so với phương pháp chạy động cơ trực tiếp.
• Nhờ nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode và tụ điện nên công suất phản kháng từ động cơ rất thấp, do đó giảm được dòng đáng kể trong quá trình hoạt động, giảm chi phí trong lắp đặt tụ bù, giảm thiểu hao hụt điện năng trên đường dây.
• Biến tần giúp tăng tuổi thọ động cơ, giảm chi phí bảo trì động cơ do động cơ không bị quá tải và không hoạt động ở công suất tối đa trong suốt thời gian dài.
• Giảm độ ồn và độ rung của động cơ, cải thiện môi trường làm việc và giảm ảnh hưởng đến sức khỏe của người lao động.

Tuy nhiên, biến tần cũng có một số nhược điểm, bao gồm:

• Chi phí cao hơn so với các phương pháp điều khiển truyền thống.
• Không thể sử dụng cho tất cả các loại động cơ điện.
• Không thể tăng điện áp đầu ra.
• Rủi ro dừng đột ngột hệ thống vì sự hư hỏng của biến tần.

6. Tổng kết

Trong nhiều ứng dụng, biến tần là một công nghệ rất quan trọng và hữu ích. Nó có thể giúp tiết kiệm năng lượng, tăng tuổi thọ của các thiết bị điện tử và điều chỉnh được tốc độ quay của động cơ điện. Tuy nhiên, việc lựa chọn loại biến tần phù hợp và cấu hình mạch điện tử đúng cách là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối đa.

Nếu bạn đang tìm hiểu về biến tần, hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn một cái nhìn tổng quan về công nghệ này. Nếu bạn đang cân nhắc sử dụng biến tần trong ứng dụng của mình, hãy tìm hiểu thêm về các loại biến tần khác nhau và tìm kiếm sự tư vấn từ các chuyên gia trong lĩnh vực này để đảm bảo rằng bạn sẽ chọn được loại biến tần phù hợp nhất cho ứng dụng của mình.