Biến tần – Cấu tạo, Nguyên lý hoạt động và ứng dụng Biến Tần

Biến tần là sản phẩm công nghệ, thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. Bạn muốn tiết kiệm điện năng, chống hư hỏng động cơ, dây chuyền sản xuất, gia tăng khả năng sản xuất hay điều khiển máy móc hoạt động ở tốc độ thích hợp, biến tần có thể giúp bạn làm được điều này một cách dễ dàng.

Máy biến tần là gì?

Biến tần thực chất là thiết bị hoạt động nhờ vào việc thay đổi tần số của dòng điện đi vào động cơ từ thấp đến cao hoặc ngược lại nhằm điều chỉnh tốc độ hoạt động của động cơ mà bạn đang sử dụng đến mức thích hợp. Nói cách khác, máy biến tần có thể hoạt động để cải thiện và thay thế cho các loại hộp số vô cấp trong động cơ của bạn, bạn cứ hình dung như trên 1 chiếc xe tay ga, bạn vặn ga mạnh thì xe chạy nhanh, giảm ga thì xe chạy chậm vậy.

Cấu tạo biến tần

Về cơ bản, máy biến tần được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính : Bộ phận chỉnh lưu, bộ phận nghịch lưu và CPU điều khiển.

Bộ phận chỉnh lưu(AC-DC) : có chứa các Diot bán dẫn nhằm mục đích chuyển đổi nguồn điện nhận vào thành nguồn điện 1 chiều sau khi được nắn phẳng.

Bộ phận nghịch lưu(AC-DC) : gồm nhiều công tắc có thể on/off rất nhanh IGBT để đưa nguồn điện trở về xoay chiều. Đây là bộ phận chính giúp thay đổi tần số điện áp để đưa vào động cơ hay hệ thống máy của bạn, tùy theo thứ tự đóng ngắt và độ lớn nhỏ của các công tắc.

CPU điều khiển : CPU này nhận các thông tin từ các bộ phận trên và xuất ra màn hình chính, từ đây người điều khiển có thể tiếp nhận thông tin và điều khiển nguồn điện thích hợp xuất ra. Ngoài ra, máy biến tần của chúng tôi còn tích hợp nhiều module truyền dữ liệu đến máy tính cũng như các thiết bị khác, từ đó bạn có thể điều khiển cả hệ thống từ xa.

Nguyên lý hoạt động

Máy biến tần hoạt động dựa trên nguyên tắc điều chỉnh tần số(f) của điện áp đầu vào theo công thức:

Trong đó :

f :tần số điện áp đầu vào động cơ

s :hệ số trượt

P :số cực

Thực ra ta có thể thay đổi hệ số trượt(s) và số cực(P) để thay đổi tốc độ động cơ xoay chiều(N) nhưng 2 phương pháp kể trên đều kém hiệu quả và gặp nhiều khó khăn khi thực hiện. Vậy nên, điều chỉnh tần số(f) là phương pháp tốt nhất hiện nay.

Đầu tiên, máy biến tần sẽ nhận dòng điện từ nguồn trực tiếp, có thể là dòng điện 1 pha hoặc 3 pha … Sau đó dòng điện này đi vào các tụ điện và nhờ có bộ chỉnh lưu(AC – DC) sẽ được chuyển thành nguồn điện 1 chiều bằng phẳng. Việc này đòi hỏi nguồn điện đầu vào phải là nguồn có tần số và điện áp cố định, thông thường là 380V và 50Hz. Máy biến tần có khả năng điều chỉnh tần số về 0Hz hoặc tăng lên 400Hz(một số loại đặc biệt có thể điều chỉnh tần số lên đến 590Hz thường được sử dụng trong công nghiệp nặng).

Điện áp sau khi được chỉnh lưu về 1 chiều sẽ được bộ nghịch lưu(DC – AC) biến đổi thành loại 3 pha đối xứng xoay chiều thông qua 1 thiết bị phát xoay chiều được tích hợp. Sau đó, dòng điện tiếp tục đi qua 1 bộ biến đổi IGBT, bộ biến đổi này được trang bị cổng cách điện, các công tắc nhỏ có khả năng on/off rất nhanh tạo ra dạng sóng và đầu ra nguồn điện xoay chiều 3 pha để đưa vào sử dụng.

Lợi ích của máy biến tần

Bảo vệ động cơ

Khi lắp đặt máy biến tần của chúng tôi, bạn có thể hoàn toàn an tâm về việc máy móc vẫn đang hoạt động hiệu quả. Vì máy biến tần có thể điều khiển tốc độ hoạt động của động cơ một cách linh hoạt, bạn có thể điều chỉnh nó hoạt động không quá 1,5 lần so với phương pháp truyền thống hoặc không quá 4 đến 6 lần dòng định mức. Máy biến tần này là loại thiết bị tối tân nhất hiện nay với hệ thống điện tử để bảo vệ máy móc khi dòng điện quá dòng, hệ thống bảo vệ cao áp cũng như thấp áp.

Giảm hao mòn cho máy móc

Bạn đang sử dụng 1 băng tải, máy bơm hay máy móc công suất lớn ? Khi khởi động động cơ quá nhanh, sức ì hay quán tính theo thời gian sẽ làm phá hỏng phần cơ khí, ổ trục của động cơ. Máy biến tần có thể giúp bạn giải quyết được việc này. Bạn có thể điều chỉnh tần số của dòng điện qua máy biến tần khi khởi động động cơ từ thấp đến cao dần đều để động cơ bền bỉ và hoạt động ổn định sau nhiều năm.

Tiết kiệm điện năng

Máy móc của bạn đang chưa cần chạy hết công suất ? Bạn chỉ cần 1 dòng điện có tần số bằng 1 nữa so với khi tải nặng. Bằng việc giảm tần số của dòng điện đi qua, máy biến tần có thể điều chỉnh công suất máy của bạn về mức thích hợp. Điều này trên thực tế đã được chứng minh trong sản xuất, giảm tiêu thụ điện năng cho máy móc lên đến 30%, bạn có thể giảm được chi phí cho việc sản xuất đáng kể. Đặc biệt là các thiết bị theo loại sử dụng motor như hệ thống quạt gió và máy bơm.

Tăng năng suất sản xuất

Thông thường, động cơ của bạn hoạt động ở 50Hz, 1500v/p nhưng khi có máy biến tần, bạn có thể tăng tần số dòng điện, đẩy nhanh tốc độ hoạt động của máy lên đến 60Hz 1800v/p giúp gia tăng được sản lượng. Trước đây, khi chưa có máy biến tần, người ta thường sử dụng thêm 1 Pully hay mô tơ rùa( mô tơ phụ) để điều chỉnh tốc độ của máy móc, việc này tốn kém thêm chi phí máy móc, vừa tốn công bưng vác thiết bị và hao phí điện năng rất nhiều do 2 loại này chỉ giúp tăng công suất máy bằng cách thêm máy phụ mà không dựa trên nguyên lý dòng điện như máy biến tần. 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%.

Công nghệ tiên phong, sản phẩm tiên phong

Theo dòng cách mạng công nghiệp lần thứ 4, việc thay đổi công nghệ trong sản xuất cũng là một trong nhưng tiêu chí hàng đầu cho doanh nghiệp, và đặc biệt là trong sản xuất. Máy biến tần của chúng tôi được tích hợp nhiều loại module thông tin để truyền tín hiệu đến máy tính giúp cho việc điều khiển và vận hành mọi thiết bị từ xa.

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

Bơm và hệ thống cung cấp nước

Lắp đặt máy biến tần để điều chỉnh lưu lượng nước qua máy bơm cung cấp cho công trình, tòa nhà, các hệ thống thủy lợi, nhà xưởng. Điều chỉnh tốc độ máy bơm cũng chính là điều chỉnh áp lực lên trên đường ống và lượng nước nhận được cho toàn công trình hay tòa nhà cần cung cấp.

Quạt hút và hệ thống thông gió

Tương tự như máy bơm, các quạt hút khói, quạt lò hay hệ thống thông gió cho tòa nhà cũng hoạt động dựa trên mô tơ khi lắp đặt thêm máy biến tần có thể tùy ý điều khiển tốc độ gió làm giảm điện năng tiêu thụ và hiệu suất trên toàn hệ thống được tối ưu.

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.

Cầu trục

Cầu trục chạy tải khá lớn nên khi khởi động sẽ làm sụt áp trên toàn lưới, Tốc độ cầu trục thông thường là cố định, bằng việc sử dụng biến tần ta có thể điều khiển nguồn điện và cầu trục hoạt động vừa phải, an toàn, tiết kiệm.

Máy cán

Trong sản xuất thép và cơ khí các loại máy cán cần đạt độ chính xác khi cho ra thành phẩm việc điều chỉnh chính xác tốc độ của động cơ giúp bạn có thể đưa ra được các sản phẩm có tính chính xác cao, nâng cao chất lượng sản phẩm.

Hệ thống HVAC

Hệ thống này bao gồm tất cả các thiết bị điều khiển nhiệt độ và thông gió cũng bao gồm máy nén và quạt … Sử dụng biến tần làm giảm tiêu hao điện năng, ổn định trong vận hành.

Máy trộn, khuấy, các loại máy sử dụng quay ly tâm

Trong công nghiệp sản xuất nguyên liệu, bạn cần điều chỉnh độ quay cho con quay để cho ra các sản phẩm hợp lý. Điều khiển tốc độ trộn bột, trộn bê tông. Và hàng ngàn công dụng khác của biến tần nữa

Khi nào nên sử dụng biến tần, khi nào nên sử dụng khởi động mềm

Để lựa chọn được phương pháp khởi động phù hợp cho ứng dụng của bạn, cần xác định rõ nhu cầu, mục đích sử dụng và cân đối mức đầu tư để đạt được hiệu quả tối ưu. Hãy xem bảng so sánh giữa biến tần và khởi động mềm dưới đây để có đánh giá khách quan hơn trước khi đưa ra lựa chọn nên khởi động mềm hay sử dụng biến tần:

Như vậy, đặc điểm chung của khởi động mềm và biến tần là đều được dùng để điều khiển động cơ (chủ yếu là tốc độ) một cách mềm mại và tiết kiệm năng lượng, tuy nhiên trong khi khởi động mềm chỉ sử dụng để làm “mềm” quá trình khởi động hoặc dừng máy thì biến tần cho phép điều khiển được tốc độ động cơ trong suốt quá trình hoạt động, đảo chiều quay động cơ và còn nhiều tính năng điều khiển linh hoạt khác. Điều này không chỉ giúp đáp ứng công nghệ trong nhiều trường hợp mà còn giúp tiết kiệm năng lượng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Video về máy biến tần

Sử dụng biến tần thay thế servo drive để điều khiển động cơ servo được không?

Khi nào cần sử dụng biến tần để thay thế Drive động cơ servo?

Nhu cầu muốn sử dụng biến tần thay thế servo drive thường xuất hiện khi drive bị hư hỏng nhưng nhà cung cấp không có sẵn hàng để thay thế hoặc dòng drive cũ đó đã ngưng sản xuất, khách hàng phải dừng máy lâu để chờ đợi hoặc buộc phải thay thế nguyên cả hệ thống Servo rất tốn kém. Cũng có trường hợp, một số đơn vị nhập động cơ servo cũ (không có drive) với giá rất rẻ và muốn tìm kiếm dòng biến tần phù hợp có thể điều khiển được các động cơ servo này để cung cấp ra thị trường. Trong thực tế, đây là nhu cầu không hề nhỏ và được rất nhiều nhà chế tạo máy cũng như các nhà sản xuất quan tâm.

Hiện nay trên thị trường đã có một số dòng biến tần cao cấp đa năng được tích hợp tính năng đặc biệt để có thể điều khiển tốt động cơ servo, giải quyết bài toán tiết kiệm chi phí cho nhà máy khi servo drive hư hỏng.

Có phải biến tần nào cũng có khả năng điều khiển được động cơ servo?

Câu trả lời là: Không. Để có thể thay thế drive của động cơ servo, biến tần buộc phải có những tính năng đặc biệt phù hợp với cơ chế hoạt động của động cơ servo.

Xét về cấu tạo, động cơ Servo là loại động cơ đồng bộ PM với rotor được chế tạo bằng nam châm vĩnh cửu, rotor quay đồng tốc với từ trường xoay của stator và hoạt động nhờ hệ thống hồi tiếp vòng kín. Khi động cơ vận hành thì góc và tốc độ rotor sẽ được hồi tiếp liên tục từ encoder về mạch điều khiển trên servo drive, từ đó điều chỉnh tốc độ xoay từ trường, tăng giảm tốc độ động cơ để có thể đồng bộ tốt với rotor. Do đó, để điều khiển động cơ servo, điều quan trọng cốt lõi là cần một bộ điều khiển có khả năng điều khiển hồi tiếp vòng kín.

Các dòng biến tần thông thường hiện nay đa số là biến tần vòng hở dùng để điều khiển động cơ 3 pha không đồng bộ. Nếu sử dụng các loại biến tần này gắn vào động cơ servo thì sẽ xảy ra trường hợp động cơ chạy giật, rung và phát ra tiếng động lớn. Khi tăng tần số lên thì động cơ bắt đầu nóng và biến tần có thể báo quá dòng. Một số trường hợp chạy được thì động cơ cũng rất yếu.

Để có thể thay thế cho servo drive điều khiển động cơ servo, biến tần cần có những yêu cầu sau:

• Có khả năng điều khiển hồi tiếp vòng kín cao cấp với giải thuật Vec-tơ chuyên dụng cho các dòng động cơ PM.
• Nhận được tín hiệu điều khiển từ Controller và đọc được tín hiệu encoder của hệ thống servo hiện tại.

Sử dụng biến tần thay thế servo drive có ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của động cơ servo?

Nếu chọn đúng loại thích hợp thì biến tần có thể thay thế hoàn toàn servo drive để điều khiển động cơ servo mà không ảnh hưởng gì đến khả năng điều khiển và hoạt động của động cơ servo cũng như hoạt động của hệ thống hiện tại.

Hiện nay trên thị trường có dòng biến tần GD35 và siêu biến tần GD350  của INVT có thể thay thế servo drive để điều khiển xuất sắc động cơ servo. Hai dòng biến tần này cho phép động cơ servo chạy êm, chính xác vị trí, không sinh nhiệt lớn, việc chạy/dừng hoặc tăng tốc/giảm tốc được đáp ứng tốt.

GD35 là dòng biến tần vòng kín cao cấp, điều khiển vòng kín đặc biệt chính xác cho tất cả các loại động cơ AM và PM, hỗ trợ nhiều tín hiệu xung encoder như Encoder ABZ, Resolver, Sin/Cos, dải tần số lên đến 400kHz, đồng thời được tích hợp các chức năng điều khiển đặc biệt: tốc độ, vị trí, mô-men, tốc độ/mô-men, vị trí/tốc độ, vị trí/mô-men; cho độ chính xác, điều khiển kích từ xuất sắc, đảm bảo thời gian tăng tốc và giảm tốc cực nhanh với độ tin cậy cao.

Những dòng biến tần Delta phổ biến

Biến Tần Delta CFP2000

Biến tần Delta CFP2000 là dòng biến tần Delta thế hệ mới, được thiết kế đặc biệt cho hệ thống HVAC, bơm, quạt, hệ thống xử lý nước. CFP2000 được thiết kế với tiêu chuẩn bảo vệ khép kín IP55 giảm tác hại của khói bụi, các hạt cứng và đạt được cấp độ bảo vệ trống nước tốt nhất. Bên cạnh đó CFP2000 còn có nhiều tính năng nổi bật, tích hợp tính năng làm đơn giản hóa việc cài đặt, hiệu suất cao hơn.

Thông số kỹ thuật biến tần CFP2000

• Biến tần Delta CFP2000 có khả năng điều khiển nhiều bơm
• Đối với các model có tiêu chuẩn IP55 tích hợp công tắc cấp nguồn chính cho biến tần, với công tắc nguồn người dùng có thể đóng cắt điện một cách dễ dàng
• Tích hợp lọc nhiễu EMC
• Tích hợp DC Reactor làm giảm sóng hài
• Biến tần CFP2000 là thiết bị tích hơp EMC Filter và DC Choke, với thiết kế này không gian tủ điện có thể được tiết kiệm khá nhiều cho các các thiết bị khác
• Với tiêu chuẩn phủ mạch (PCB) 3 lớp, giúp biến tần có tuổi thọ cao hơn đạt Tiêu chuẩn bảo vệ IP55 và IP41
• Tích hợp chức năng lựa chọn ứng dụng và khởi động nhanh đơn giản hóa việc cài đặt,thiết lập, tiết kiệm thời gian cài đặt tham số biến tần
• Chức năng Flying Start cho phép tải có quán tính lớn có thể khởi động một cách trơn tru mà không có lỗi xảy ra
• Khi tạm thời tắt nguồn (trong khoảng 5 s) và khởi động lại thì chức năng Seach Speed sẽ làm cho động cơ tiếp tục chạy mà không cần dừng lại hẳn giúp tiết kiệm thời gian khởi động
• Tích hợp chế độ cháy ( Fire Mode ), trong chế độ này biến tần được ép chạy ở tốc độ cài đặt trước trong điều kiện có khói lửa cho đến khi hư hỏng hoặc mất nguồn cấp
• Tích hợp chức năng PLC với bộ nhớ 10k step + thời gian thực Real time clock ( RTC)
• Tích hợp Braking Unit để lắp điện trở xả đối với công suất từ 0.7 Kw đến 37 Kw
• Tích hợp truyền thông Modbus và Bacnet MS/TP
• Có thể mở rộng thêm card truyền thông Profibus DP, DeviceNet, Modbus TCP, Ethernet/IP, CANopen

Biến tần Delta VFD-CP2000

• Tích hợp PLC Delta (10K) cho phép người vận hành thực hiện điều khiển phân tán và điều khiển tập trung khi kết nối vào vào hệ thống mạng.
• Chức năng lịch cho phép người dùng tạo thủ tục PLC, ON/OFF theo thứ tự, tiết kiệm thời gian.
• Thiết kế dạng modular, chắc chắn với khả năng chịu va đập mạnh và chịu nhiệt cao, tiện lợi trong việc bảo dưỡng, sửa chữa, cũng như việc gắn thêm các module mở rộng.

• Tích hợp 2 chuẩn truyền thông MODBUS và BACnet tốc độ cao. Phương pháp truyền thông đa dạng để đáp ứng nhu cầu khách hàng đa điều khiển. Ngoài ra, có thể chọn các giao thức truyền thông khác như: Profibus-DP, DeviceNet, Modbus TCP và Ethernet/IP bằng các card tùy chọn
• Đặc biệt thiết kế lớp phủ PCB để tăng cường khả năng chịu môi trường.
• Thiết kế tản nhiệt tốt. Có khả năng hoạt động ở nhiệt độ 50°C và tự động điều chỉnh giá trị định mức đầu ra để biến tần làm việc liên tục.
• Điều khiển Sensorless Vector (SVC) đáp ứng kịp thời tải mô-men xoắn tăng / giảm, đáp ứng yêu cầu cho tải thay đổi đồng thời tăng cường hiệu suất động cơ.
• Đáp ứng đường cong 3-step V/F được sử dụng trong môi trường mô-men xoắn điều chỉnh hoàn toàn điện áp đầu vào và đạt được hiệu suất lớn nhất, chức năng này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng máy bơm và người hâm mộ.
• Tuân theo tiêu chuẩn an toàn quốc tế: CE. UL. cUL.

Biến tần Delta VFD-EL-W

Biến tần Delta VFD-EL-W thuộc dòng biến tần đa chức năng, kích thước nhỏ gọn. kế thừa ưu điểm của hệ thống làm mát hiệu quả cao, rất thích hợp với kiểu lắp đặt sát nhau trên thanh ray (side by side) giúp tiết giảm không gian lắp đặt trong tủ điện. Series biến tần này có thể phù hợp cho hầu hết các ứng dụng công suất nhỏ, đơn giản

Biến tần Delta VFD-EL có công suất từ 0.2 Kw ~ 3.7 Kw. Có tần số ngõ ra từ 0.1 đến 600 Hz, tích hợp sẵn bộ lọc EMI trong biến tần. giúp bảo vệ thiết bị hoàn hảo khỏi các nhiễu gây ra từ lưới điện, biến tần Delta dòng VFD-EL tích hợp phương pháp điều khiển V/F,tự động tăng moment và bù trượt. ​

Chú Ý : biến tần Delta VFD-EL không phù hơp cho các ứng dụng yêu cầu lắp điện trở xả, do không tích hợp sẵn bộ hãm Braking unit

• Tự động tăng moment và bù trượt.Moment khởi động 150 % tại 5.0 Hz.
• Khả năng chịu quá tải của biến tần VFD-EL là  150% trong 60s.
• Điều khiển 15 cấp tốc độ.
• Chia sẻ DC Bus dễ dàng
• Biến tần Delta VFD-EL hỗ trợ truyền thông RS485

Ứng dụng của biến tần Delta VFD-EL

Biến tần VFD-EL thiết kế cho dãy công suất nhỏ, ứng dụng đơn giản. Phù hợp cho Băng tải, ngành chế biến thực phẩm,máy chế biến gỗ, máy gia công cơ khi, bơm, quạt, máy dặt công nghiệp, máy dệt….

Đặc biệt biến tần Delta VFD-EL sử dụng trong các hệ thống bơm điều áp, giúp duy trì ổn định áp suất đường ống theo yêu cầu