Biến Tần Hoạt Động Như Thế Nào? Nguyên Lý, Cấu Tạo Và Cách Điều Khiển Động Cơ

Biến Tần Hoạt Động Như Thế Nào?

Biến tần hoạt động bằng cách biến đổi nguồn điện xoay chiều AC thành điện một chiều DC, sau đó tạo lại nguồn điện xoay chiều AC với tần số và điện áp phù hợp để cấp cho động cơ. Quá trình này thường được mô tả theo chuỗi AC → DC → AC.

Khi thay đổi tần số điện áp đầu ra, biến tần có thể điều chỉnh tốc độ quay của động cơ. Bộ điều khiển bên trong biến tần đồng thời kiểm soát điện áp, tần số và dòng điện theo thuật toán được thiết kế cho từng dòng sản phẩm. Cấu tạo của một biến tần AC thông dụng gồm bộ chỉnh lưu, mạch DC Link, bộ nghịch lưu và mạch điều khiển. Các thương hiệu như Schneider Electric và LS ELECTRIC cung cấp nhiều dòng biến tần phục vụ động cơ công nghiệp, máy móc, bơm, quạt, băng tải và hệ thống tự động hóa.

Biến Tần Là Gì?

Biến tần là thiết bị điện tử công suất dùng để thay đổi tần số và điện áp cấp cho động cơ xoay chiều. Thông qua việc kiểm soát nguồn điện đầu ra, biến tần cho phép điều chỉnh tốc độ, mô-men và quá trình tăng giảm tốc của động cơ. Đối với động cơ xoay chiều, tốc độ đồng bộ của từ trường quay có quan hệ với tần số theo công thức:

Ví dụ, động cơ 3 pha 4 cực có tốc độ đồng bộ khoảng 1.500 vòng/phút tại 50 Hz. Khi tần số giảm xuống 40 Hz, tốc độ đồng bộ giảm còn khoảng 1.200 vòng/phút.

Động cơ không đồng bộ có độ trượt nên tốc độ rotor luôn có sai khác so với tốc độ đồng bộ. Vì vậy, công thức trên được dùng để giải thích quan hệ giữa tần số và tốc độ từ trường, không phải giá trị tốc độ rotor chính xác trong mọi điều kiện tải.

Nguyên Lý Hoạt Động Của Biến Tần

Để hiểu biến tần hoạt động như thế nào, có thể chia quá trình biến đổi điện năng thành ba khối chính: chỉnh lưu, DC Link và nghịch lưu.

Bộ chỉnh lưu AC sang DC

Nguồn điện xoay chiều từ lưới điện được đưa vào bộ chỉnh lưu. Tùy thiết kế, bộ chỉnh lưu sử dụng các linh kiện bán dẫn để biến đổi điện áp AC thành điện áp DC. Ở biến tần sử dụng nguồn 3 pha, nguồn điện thường được đưa vào các đầu vào nguồn tương ứng của thiết bị. Với từng model cụ thể, số pha, điện áp đầu vào và sơ đồ đấu dây phải được kiểm tra theo tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất.

Mạch DC Link

Điện áp sau bộ chỉnh lưu được đưa vào mạch trung gian DC Link. Đây là phần nằm giữa tầng chỉnh lưu và tầng nghịch lưu. Mạch DC Link thường có tụ điện và các phần tử liên quan nhằm tích trữ năng lượng, lọc và ổn định điện áp DC trước khi đưa đến bộ nghịch lưu. Điện áp DC Link cũng là nguồn năng lượng trung gian để tầng công suất tạo ra điện áp AC đầu ra với dạng sóng và tần số theo yêu cầu điều khiển.

Bộ nghịch lưu DC sang AC

Bộ nghịch lưu là phần trực tiếp tạo ra nguồn AC cấp cho động cơ. Các linh kiện công suất như IGBT được đóng cắt với tốc độ cao theo tín hiệu điều khiển. Thông qua phương pháp điều chế phù hợp, biến tần tạo ra điện áp đầu ra có tần số và biên độ được kiểm soát.

Như vậy, nguồn điện đầu vào không được đưa trực tiếp đến motor theo cách thông thường. Nguồn điện trải qua quá trình biến đổi trước khi trở thành điện áp AC đầu ra của biến tần.

Tại Sao Biến Tần Thay Đổi Được Tốc Độ Động Cơ?

Tốc độ từ trường quay của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn điện. Khi biến tần thay đổi tần số, tốc độ từ trường quay cũng thay đổi. Với động cơ 4 cực, có thể hình dung:

• 50 Hz → tốc độ đồng bộ khoảng 1.500 vòng/phút.
• 40 Hz → tốc độ đồng bộ khoảng 1.200 vòng/phút.
• 30 Hz → tốc độ đồng bộ khoảng 900 vòng/phút.
• 20 Hz → tốc độ đồng bộ khoảng 600 vòng/phút.

Đây là cơ sở để biến tần điều khiển tốc độ động cơ. Tuy nhiên, tốc độ motor khi chạy tải còn phụ thuộc vào độ trượt, đặc tính động cơ, tải cơ khí và phương pháp điều khiển của biến tần.

Biến Tần Có Phải Chỉ Thay Đổi Tần Số?

Không. Trong quá trình điều khiển, biến tần đồng thời kiểm soát nhiều đại lượng điện khác nhau. Nếu chỉ giảm tần số mà không điều chỉnh điện áp phù hợp, từ thông động cơ có thể thay đổi và ảnh hưởng đến mô-men cũng như khả năng vận hành.

Vì vậy, biến tần thường điều chỉnh điện áp và tần số theo thuật toán điều khiển. Với phương pháp V/f, quan hệ giữa điện áp và tần số được thiết lập theo đặc tính của động cơ và tải. Với điều khiển vector, biến tần có khả năng kiểm soát từ thông và mô-men chi tiết hơn.

Các Phương Pháp Điều Khiển Của Biến Tần

Điều khiển V/f

V/f là phương pháp điều khiển phổ biến trong nhiều ứng dụng động cơ. Biến tần thay đổi điện áp theo tần số để duy trì điều kiện từ thông phù hợp trong vùng vận hành. Phương pháp này phù hợp với nhiều ứng dụng như quạt, bơm, băng tải và máy móc không yêu cầu mức điều khiển mô-men quá cao.

Điều khiển vector

Điều khiển vector sử dụng các thuật toán điều khiển phức tạp hơn để kiểm soát các thành phần liên quan đến từ thông và mô-men. Tùy dòng biến tần, phương pháp điều khiển có thể cho phép motor tạo mô-men tốt hơn ở tốc độ thấp và đáp ứng nhanh hơn khi tải thay đổi. Các chức năng cụ thể cần được kiểm tra theo model. Không nên áp dụng một bảng thông số hoặc phương pháp cài đặt của dòng biến tần này cho dòng khác.

Biến Tần Schneider Hoạt Động Như Thế Nào?

Biến tần Schneider sử dụng cùng nguyên lý chuyển đổi năng lượng AC → DC → AC. Điểm khác biệt giữa các dòng sản phẩm nằm ở công suất, thuật toán điều khiển, chức năng bảo vệ, khả năng truyền thông và nhóm ứng dụng. Schneider Electric phát triển dòng Altivar với nhiều nhóm sản phẩm phục vụ máy móc, HVAC, bơm, quạt và các hệ thống công nghiệp.

• Altivar 12: biến tần công suất nhỏ cho các ứng dụng máy đơn giản.
• Altivar Machine ATV320: dành cho nhiều loại máy móc và hệ thống tự động hóa.
• Altivar Machine ATV340: hướng đến các ứng dụng máy có yêu cầu điều khiển cao hơn.
• Altivar Process: phục vụ các hệ thống quy trình công nghiệp và những ứng dụng như bơm, quạt, máy nén.

Khi chọn biến tần Schneider, cần đối chiếu công suất, dòng điện định mức của motor, điện áp, loại tải, yêu cầu điều khiển và điều kiện lắp đặt.

Biến Tần LS Hoạt Động Như Thế Nào?

Biến tần LS cũng sử dụng quá trình biến đổi AC → DC → AC để điều khiển động cơ. LS ELECTRIC có nhiều dòng sản phẩm phục vụ các mức công suất và ứng dụng khác nhau.

• LS M100: dòng biến tần nhỏ gọn cho các ứng dụng phù hợp với phạm vi thiết bị.
• LS G100: biến tần đa dụng cho nhiều hệ thống động cơ công nghiệp.
• LS S100: dòng biến tần tiêu chuẩn cho nhiều ứng dụng điều khiển motor.
• LS H100: hướng đến nhóm ứng dụng bơm và quạt.
• LS iS7: dòng biến tần có khả năng điều khiển nâng cao cho các ứng dụng công nghiệp.

Thông số cài đặt, đầu vào điều khiển, sơ đồ đấu dây và chức năng truyền thông khác nhau theo từng model. Khi lập trình biến tần LS cần sử dụng đúng manual của sản phẩm.

Biến Tần Nhận Tín Hiệu Điều Khiển Từ Đâu?

Biến tần có thể nhận lệnh vận hành và giá trị tần số từ nhiều nguồn.

• Bàn phím: người vận hành nhập lệnh trực tiếp trên keypad.
• Ngõ vào số: nhận tín hiệu RUN/STOP, thuận/nghịch hoặc các chức năng được lập trình.
• Ngõ vào analog: nhận tín hiệu điều khiển như 0–10 V hoặc 4–20 mA tùy model.
• PLC: gửi lệnh điều khiển và giá trị đặt đến biến tần.
• Truyền thông: trao đổi dữ liệu giữa biến tần và hệ thống điều khiển theo giao thức được thiết bị hỗ trợ.

Nhờ các phương thức này, biến tần có thể được tích hợp vào tủ điện tự động hóa cùng PLC, HMI, cảm biến và các thiết bị điều khiển khác.

Biến Tần Có Những Chức Năng Gì?

Tùy dòng sản phẩm, biến tần có thể cung cấp nhiều chức năng liên quan đến điều khiển và giám sát động cơ.

• Điều chỉnh tốc độ motor.
• Cài đặt thời gian tăng tốc.
• Cài đặt thời gian giảm tốc.
• Điều khiển chiều quay.
• Giới hạn tần số thấp nhất và cao nhất.
• Giám sát dòng điện đầu ra.
• Giám sát tần số và tốc độ.
• Phát hiện lỗi và cảnh báo.
• Kết nối PLC và HMI.
• Hỗ trợ truyền thông công nghiệp tùy model.
• Cung cấp các chức năng bảo vệ theo thiết kế của từng dòng biến tần.
  Công Nghệ biến tần – Nguyên lý hoạt động của công nghệ biến tần

Biến Tần Được Ứng Dụng Ở Đâu?

Biến tần xuất hiện trong nhiều hệ thống có động cơ cần điều chỉnh tốc độ hoặc kiểm soát quá trình vận hành.

• Bơm nước: điều chỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu lưu lượng hoặc áp suất của hệ thống.
• Quạt công nghiệp: kiểm soát tốc độ quạt theo chế độ vận hành.
• Băng tải: thay đổi tốc độ vận chuyển sản phẩm.
• Máy nén: điều khiển tốc độ motor theo yêu cầu của hệ thống.
• Máy sản xuất: điều chỉnh tốc độ động cơ theo từng công đoạn.
• Hệ thống tự động hóa: kết nối biến tần với PLC, HMI và các thiết bị đo lường.
  Ứng Dụng Biến Tần Cho Băng Tải: Nguyên Lý Và Cách Lựa Chọn
  Ứng dụng Biến Tần Danfoss FC-302 Cho Ứng Dụng Lò Hơi
  Ứng Dụng Biến Tần Trong Tòa Nhà Và Khách Sạn – Hệ HVAC
  Ứng dụng biến tần trong thực tiễn sản xuất

Biến Tần Có Giúp Tiết Kiệm Điện Không?

Biến tần có khả năng giảm điện năng tiêu thụ trong một số hệ thống, nhưng mức tiết kiệm phụ thuộc vào đặc tính tải và phương thức vận hành. Đối với tải bơm và quạt, khi tốc độ giảm, công suất yêu cầu có thể giảm đáng kể theo đặc tính của tải. Khi hệ thống thường xuyên phải điều chỉnh lưu lượng hoặc áp suất, việc điều khiển tốc độ bằng biến tần có thể mang lại hiệu quả năng lượng so với phương thức điều khiển bằng van hoặc damper trong những cấu hình phù hợp.

Không nên mặc định rằng cứ lắp biến tần là điện năng tiêu thụ sẽ giảm. Với tải có mô-men không đổi hoặc hệ thống luôn chạy gần tốc độ định mức, mức thay đổi điện năng cần được đánh giá theo đặc tính vận hành cụ thể.

Giải Pháp Tiết Kiệm Điện Bằng Biến Tần

 

Cách Chọn Biến Tần Cho Động Cơ

Để chọn biến tần phù hợp, các thông tin trên nhãn motor và yêu cầu của máy cần được đối chiếu với thông số của biến tần.

• Công suất động cơ kW hoặc HP.
• Điện áp định mức.
• Dòng điện định mức.
• Tần số định mức.
• Tốc độ định mức.
• Loại tải.
• Mô-men yêu cầu.
• Dải tốc độ cần điều khiển.
• Khả năng quá tải của biến tần.
• Phương pháp điều khiển cần sử dụng.
• Điều kiện nhiệt độ và môi trường lắp đặt.
• Yêu cầu kết nối PLC, HMI hoặc truyền thông.

Công suất motor không phải là thông số duy nhất để chọn biến tần. Trong nhiều ứng dụng, dòng điện định mức và đặc tính tải cần được đối chiếu kỹ với khả năng của biến tần.

Biến Tần Khác Gì So Với Khởi Động Mềm?

Biến tần có khả năng điều chỉnh tần số để kiểm soát tốc độ động cơ trong quá trình vận hành. Trong khi đó, khởi động mềm chủ yếu kiểm soát điện áp trong quá trình khởi động và dừng nhằm giảm dòng khởi động và tác động cơ khí. Nếu hệ thống chỉ cần giảm tác động khi motor khởi động nhưng động cơ vẫn vận hành ở tốc độ cố định, khởi động mềm có thể phù hợp. Nếu cần thay đổi tốc độ động cơ trong quá trình chạy, biến tần là thiết bị được thiết kế cho chức năng này.

Một Hệ Thống Biến Tần Cơ Bản Gồm Những Gì?

Một hệ thống điều khiển motor bằng biến tần có thể gồm nhiều thiết bị tùy yêu cầu thiết kế.

• MCCB hoặc thiết bị bảo vệ đầu vào.
• Biến tần.
• Động cơ 3 pha.
• Nút nhấn hoặc công tắc điều khiển.
• PLC hoặc HMI nếu hệ thống tự động hóa.
• Cảm biến nếu cần điều khiển theo áp suất, lưu lượng, nhiệt độ hoặc đại lượng khác.
• Thiết bị lọc nhiễu hoặc cuộn kháng khi thiết kế yêu cầu.

Sơ đồ đấu dây cụ thể phụ thuộc vào model biến tần, nguồn điện, động cơ và phương thức điều khiển. Không nên sử dụng sơ đồ của một model khác để đấu nối.

Điện Hạ Thế Cung Cấp Biến Tần Schneider Và LS

Điện Hạ Thế cung cấp các dòng biến tần Schneider và LS phục vụ hệ thống điều khiển động cơ, tủ điện công nghiệp, máy móc và tự động hóa. Các nhóm sản phẩm có thể lựa chọn gồm biến tần Schneider Altivar, biến tần LS M100, G100, S100, H100, iS7 và những dòng sản phẩm khác tùy yêu cầu của hệ thống. Khi cần báo giá hoặc lựa chọn biến tần, khách hàng có thể cung cấp công suất motor, điện áp, dòng định mức, loại tải, yêu cầu tốc độ và phương thức điều khiển. Với hệ thống đang sử dụng biến tần cũ, model trên tem thiết bị giúp việc đối chiếu sản phẩm thay thế chính xác hơn.

Điện Hạ Thế cũng cung cấp các thiết bị điện công nghiệp liên quan như MCCB, MCB, contactor, relay nhiệt, PLC và các thiết bị phục vụ tủ điện điều khiển.

Liên hệ: Ms Nhung – 0907 764 966

Website: www.dienhathe.com

Câu Hỏi Thường Gặp Về Biến Tần

Biến tần hoạt động theo nguyên lý nào?

Biến tần chuyển đổi nguồn AC đầu vào thành DC thông qua bộ chỉnh lưu, sau đó dùng bộ nghịch lưu để tạo lại nguồn AC với điện áp và tần số có thể điều khiển. Việc thay đổi tần số giúp điều chỉnh tốc độ động cơ.

Biến tần Schneider và LS có dùng cho động cơ 3 pha không?

Có. Schneider Electric và LS ELECTRIC đều có nhiều dòng biến tần dành cho động cơ 3 pha. Việc lựa chọn model cần dựa trên điện áp, dòng điện, công suất, loại tải và yêu cầu điều khiển của động cơ.

Chọn biến tần có phải chỉ dựa vào công suất động cơ?

Không. Ngoài công suất, cần kiểm tra dòng điện định mức, điện áp, loại tải, khả năng quá tải, dải tốc độ, phương pháp điều khiển và điều kiện lắp đặt. Với từng ứng dụng, các thông số này cần được đối chiếu với tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất.