Biến Tần Là Gì? Cấu Tạo, Nguyên Lý, Lợi Ích Và Ứng Dụng

Biến tần là thiết bị điện tử công suất dùng để điều chỉnh điện áp, tần số và các thông số điều khiển cung cấp cho động cơ điện, qua đó kiểm soát tốc độ, mô-men và trạng thái vận hành của động cơ theo yêu cầu của máy. Khác với cách hiểu đơn giản rằng biến tần chỉ làm nhiệm vụ “đổi tần số”, một bộ biến tần AC hiện đại thực hiện cả quá trình chỉnh lưu, tạo mạch một chiều trung gian, nghịch lưu và điều khiển bán dẫn công suất. Bộ điều khiển có thể sử dụng các thuật toán như V/f, sensorless vector hoặc vector control tùy dòng sản phẩm và ứng dụng.

Quick Review

• Biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số và điện áp cấp cho động cơ theo thuật toán điều khiển.
• Cấu trúc biến tần AC phổ biến gồm bộ chỉnh lưu, mạch DC link, bộ nghịch lưu công suất và mạch điều khiển.
• Biến tần có thể hỗ trợ khởi động mềm, điều chỉnh tốc độ, đảo chiều, giới hạn dòng và các chức năng bảo vệ tùy model.
• Khả năng tiết kiệm điện phụ thuộc nhiều vào loại tải; hiệu quả rõ rệt thường xuất hiện ở các tải biến mô-men như bơm và quạt khi tốc độ được điều chỉnh theo nhu cầu.
• LS ELECTRIC hiện có các dòng như M100, G100, S100, H100/H100+, iS7 và S300 trong danh mục AC Drive.
• Mitsubishi Electric đang phát triển các dòng FREQROL như FR-A800, FR-E800, FR-F800 và thế hệ mới FR-D800.
• Danfoss có hệ sinh thái VLT và thế hệ iC7 với các dòng dành cho tự động hóa, bơm nước, HVACR và các ứng dụng chuyên biệt.

Biến tần là gì?

Trong hệ thống truyền động điện, tốc độ của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện, số cực và độ trượt. Với động cơ cảm ứng, tốc độ đồng bộ được xác định theo công thức:

 

Trong một hệ thống sử dụng nguồn điện 50 Hz cố định, tốc độ động cơ không thể điều chỉnh linh hoạt chỉ bằng cách đóng cắt nguồn. Biến tần tạo ra nguồn điện đầu ra có tần số và điện áp được điều khiển, nhờ đó tốc độ động cơ có thể thay đổi theo yêu cầu của máy.

Tuy nhiên, không nên hiểu rằng mọi động cơ đều có thể chạy ở bất kỳ tần số nào. Giới hạn tốc độ phải được xác định dựa trên động cơ, tải cơ khí, điện áp, phương pháp điều khiển, khả năng làm mát và thông số của chính biến tần.

Cấu tạo của biến tần AC

Một biến tần AC công nghiệp có thể được chia thành bốn khối chức năng chính. Tùy công suất và dòng sản phẩm, thiết bị còn có thêm cuộn kháng DC, bộ lọc EMC/RFI, điện trở hãm, mạch hãm, card truyền thông, ngõ vào encoder hoặc các module chức năng.

1. Bộ chỉnh lưu đầu vào

Nguồn điện xoay chiều đầu vào được đưa qua bộ chỉnh lưu để tạo điện áp một chiều. Cấu trúc chỉnh lưu phụ thuộc thiết kế của biến tần, có thể sử dụng cầu diode hoặc các cấu trúc công suất khác đối với những dòng có yêu cầu đặc biệt về dòng điện đầu vào, sóng hài hoặc khả năng tái sinh.

2. Mạch DC link

Điện áp một chiều sau chỉnh lưu được ổn định và lưu trữ trong mạch DC link. Tụ điện DC bus là thành phần thường gặp trong khối này. Một số biến tần còn có cuộn kháng DC nhằm hỗ trợ giảm gợn dòng và cải thiện đặc tính phía nguồn.

3. Bộ nghịch lưu công suất

Bộ nghịch lưu sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất để đóng cắt điện áp DC bus theo thuật toán điều khiển. Với nhiều biến tần công suất thấp và trung bình, IGBT là linh kiện phổ biến; các thiết kế mới có thể sử dụng công nghệ bán dẫn khác tùy công suất và mục tiêu thiết kế.

Thông qua phương pháp điều chế xung, chẳng hạn PWM, biến tần tạo ra điện áp đầu ra phù hợp để điều khiển động cơ. Tần số đóng cắt, điện áp đầu ra và thuật toán điều khiển phụ thuộc từng dòng biến tần.

4. Mạch điều khiển

Mạch điều khiển tiếp nhận tín hiệu từ bàn phím, biến trở, ngõ vào analog, ngõ vào số, PLC hoặc hệ thống truyền thông. Bộ điều khiển xử lý các giá trị đặt về tốc độ, mô-men, tần số và các điều kiện bảo vệ rồi phát lệnh cho tầng công suất. Các biến tần công nghiệp mới còn hỗ trợ nhiều phương thức kết nối như Modbus, Ethernet công nghiệp hoặc các mạng fieldbus tùy model và module tùy chọn.

 

Nguyên lý hoạt động của biến tần

Có thể hình dung quá trình biến đổi điện năng của một biến tần AC theo chuỗi:

Ví dụ với nguồn 3 pha 380 V – 50 Hz, biến tần không đơn giản đưa trực tiếp nguồn này đến động cơ. Nguồn được chỉnh lưu thành DC, sau đó tầng nghịch lưu tạo điện áp AC đầu ra với tần số và biên độ được điều khiển. Khi người vận hành đặt tốc độ thấp, bộ điều khiển giảm tần số và điều chỉnh điện áp phù hợp. Khi yêu cầu tốc độ tăng, tần số đầu ra được nâng lên trong giới hạn cho phép của động cơ và biến tần.

Ở các dòng biến tần cao cấp, thuật toán điều khiển có thể tính toán trạng thái động cơ để kiểm soát mô-men và tốc độ chính xác hơn. Vì vậy, khi chọn biến tần cho máy có tải nặng, yêu cầu mô-men lớn hoặc thay đổi tải nhanh, không nên chỉ dựa vào công suất kW của động cơ.

Biến tần mang lại những lợi ích gì?

Điều chỉnh tốc độ động cơ

Đây là chức năng cốt lõi của biến tần. Tốc độ động cơ có thể thay đổi theo tín hiệu đặt từ bàn phím, biến trở, tín hiệu analog, PLC hoặc hệ thống điều khiển cấp cao hơn.

Giảm dòng và cơ cấu cơ khí khi khởi động

Biến tần cho phép động cơ tăng tốc theo thời gian cài đặt thay vì đóng điện trực tiếp ở tốc độ bằng 0. Quá trình tăng tốc được kiểm soát giúp hạn chế cú sốc cơ học đối với một số loại máy và giảm yêu cầu về dòng khởi động so với phương pháp khởi động trực tiếp. Mức dòng khởi động và đặc tính tăng tốc cụ thể vẫn phụ thuộc vào công suất động cơ, tải, chế độ điều khiển và thông số cài đặt.

Điều khiển quá trình sản xuất

Đối với băng tải, máy trộn, máy cuốn, máy cán, máy nén, bơm hoặc quạt, tốc độ động cơ có thể được thay đổi theo yêu cầu của quy trình thay vì chỉ chạy ở tốc độ cố định.

Tiết kiệm điện trong một số loại tải

Không nên mặc định rằng cứ lắp biến tần là điện năng tiêu thụ sẽ giảm. Hiệu quả phụ thuộc vào đặc tính tải và cách vận hành. Đối với tải biến mô-men như bơm và quạt, giảm tốc độ thường giúp giảm công suất yêu cầu đáng kể. Trong khi đó, với tải mô-men không đổi như một số băng tải hoặc máy gia công, mức tiết kiệm điện có thể không giống tải bơm và quạt.

Hỗ trợ bảo vệ và giám sát động cơ

Tùy model, biến tần có thể tích hợp các chức năng như bảo vệ quá dòng, quá áp, thấp áp, quá nhiệt, mất pha hoặc giám sát tình trạng vận hành. Các chức năng cụ thể cần kiểm tra trong manual của từng model.

Không phải biến tần nào cũng giống nhau

Biến tần có thể được phân loại theo điện áp nguồn, công suất, phương pháp điều khiển và mục đích sử dụng. Một số dòng hướng đến máy móc đa dụng; một số dòng được thiết kế riêng cho bơm, quạt, HVAC, thang máy, cẩu trục hoặc các hệ thống yêu cầu điều khiển động cơ có độ chính xác cao.

Vì vậy, việc chọn biến tần không nên chỉ dựa vào thông số “bao nhiêu kW”. Các yếu tố cần kiểm tra gồm:

• Điện áp nguồn cấp cho biến tần.
• Điện áp và dòng định mức của động cơ.
• Công suất động cơ.
• Loại tải và mô-men tải.
• Yêu cầu quá tải trong quá trình vận hành.
• Dải tốc độ cần sử dụng.
• Có cần điện trở hãm hoặc khả năng tái sinh hay không.
• Tín hiệu điều khiển: analog, digital, PLC hoặc truyền thông.
• Yêu cầu về EMC, môi trường, nhiệt độ và cấp bảo vệ.
• Yêu cầu về encoder hoặc điều khiển vector có phản hồi.

Các dòng biến tần LS ELECTRIC cần biết

Danh mục LS ELECTRIC đã thay đổi đáng kể so với thời điểm bài viết cũ được xây dựng. Tài liệu sản phẩm của LS hiện liệt kê các dòng như M100, G100, S100, H100, iS7, L100 và S300, cùng các giải pháp khác theo từng ứng dụng.

M100 – biến tần kích thước nhỏ

M100 thuộc nhóm Micro Drive, hướng đến các ứng dụng điều khiển động cơ công suất nhỏ và yêu cầu thiết bị nhỏ gọn.

G100 – biến tần đa dụng

G100 thuộc nhóm General Drive, phù hợp với nhiều ứng dụng máy móc công nghiệp cần điều khiển tốc độ và mô-men ở mức đa dụng.

S100 – thế hệ thay thế cho iG5A

S100 thuộc nhóm Standard Drive của LS ELECTRIC. Trang sản phẩm LS ghi rõ thiết kế S100 được tối ưu về kích thước so với sản phẩm trước đó là iG5A. Vì vậy, khi cập nhật bài viết cũ, không nên tiếp tục đặt LS iG5A làm hình ảnh đại diện cho một dòng sản phẩm mới.

H100/H100+ – dòng cho bơm và quạt

H100 được định hướng cho các ứng dụng fan và pump. Đây là nhóm ứng dụng cần quan tâm đến chế độ tải biến mô-men, điều khiển áp suất/lưu lượng và khả năng vận hành theo nhu cầu của hệ thống.

iS7 và S300

iS7 thuộc nhóm Premium Drive, trong khi S300 là dòng High Performance mới hơn trong danh mục LS ELECTRIC. Hai nhóm này hướng đến các hệ thống cần khả năng điều khiển cao hơn so với biến tần đa dụng cấp cơ bản.

Biến tần Mitsubishi Electric: FREQROL

Mitsubishi Electric sử dụng thương hiệu FREQROL cho nhóm biến tần. Danh mục hiện tại gồm FR-A800, FR-A800 Plus, FR-F800, FR-E800, FR-D800 và FR-CS80 cùng các dòng, thiết bị liên quan.

FR-E800

FR-E800 là dòng biến tần nhỏ gọn, có nhiều tùy chọn và khả năng kết nối mạng công nghiệp. Mitsubishi Electric công bố các phiên bản FR-E800 hỗ trợ nhiều giao thức Ethernet công nghiệp tùy model, trong đó có CC-Link IE TSN, CC-Link IE Field Network Basic, Modbus/TCP, PROFINET và EtherNet/IP.

FR-A800

FR-A800 thuộc nhóm biến tần hiệu suất cao của Mitsubishi Electric, hướng đến các hệ thống máy móc cần khả năng điều khiển mạnh hơn và nhiều chức năng hơn.

FR-F800

FR-F800 được định hướng cho các ứng dụng tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là hệ thống bơm và quạt.

FR-D800 – thế hệ mới của dòng FR-D

Đây là điểm cần cập nhật quan trọng so với bài viết cũ. Mitsubishi Electric đã phát hành FR-D800 vào tháng 1/2025 và xác định đây là thế hệ kế nhiệm FR-D700 và FR-F700PJ.Mitsubishi đã công bố kế hoạch ngừng sản xuất FR-D700 và FR-F700PJ. Tuy nhiên, tính đến tháng 9/2026, đây là quá trình chuyển đổi chứ chưa phải hai dòng đã ngừng hoàn toàn: hãng dự kiến tiếp tục nhận đơn đến cuối tháng 1/2027, trong khi dịch vụ sửa chữa và bảo trì được công bố đến cuối tháng 1/2034. Thời điểm dừng có thể sớm hơn đối với một số model nếu linh kiện không còn đáp ứng.

Do đó, nếu cần thay thế một biến tần Mitsubishi thuộc FR-D700 hoặc FR-F700PJ trong hệ thống cũ, nên kiểm tra model tương đương thuộc FR-D800 thay vì mặc định mua lại dòng cũ.

Biến tần Danfoss: VLT và thế hệ iC7

Danfoss có danh mục biến tần khá rộng. Các dòng VLT vẫn bao gồm những sản phẩm chuyên dụng như VLT AutomationDrive FC 301/FC 302, VLT HVAC Drive FC 102 và VLT AQUA Drive FC 202.

VLT AutomationDrive FC 301/FC 302

FC 301 và FC 302 hướng đến điều khiển tốc độ cho động cơ không đồng bộ và động cơ nam châm vĩnh cửu. FC 302 thuộc nhóm có khả năng điều khiển động lực cao hơn và phù hợp với các hệ thống máy công nghiệp yêu cầu điều khiển chính xác.

VLT AQUA Drive FC 202

FC 202 được thiết kế cho hệ thống bơm và xử lý nước, nước thải. Danfoss cung cấp các chức năng dành cho điều khiển bơm, chống chạy khô, kiểm soát đường ống và các chế độ vận hành liên quan đến hệ thống nước.

VLT HVAC Drive FC 102

FC 102 được định hướng cho HVAC, đặc biệt là hệ thống bơm và quạt trong các công trình và hệ thống quản lý tòa nhà.

Danfoss iC7

Danh mục Danfoss hiện đã có thế hệ iC7 với các dòng iC7-Automation, iC7-Marine, iC7-Hybrid, iC7-Aqua và iC7-HVACR. Đây là nền tảng mới, kết hợp phần cứng và phần mềm theo từng nhóm ứng dụng.

Vì vậy, bài viết cũ chỉ đề cập đến biến tần Danfoss theo cách chung chung là chưa đủ. Khi lựa chọn sản phẩm, cần xác định ứng dụng trước rồi mới chọn dòng VLT hoặc iC7 phù hợp.

Ứng dụng của biến tần trong hệ thống điện

Biến tần được sử dụng trong nhiều hệ thống truyền động điện có nhu cầu thay đổi tốc độ hoặc kiểm soát quá trình.

• Bơm: điều chỉnh tốc độ theo áp suất, lưu lượng hoặc nhu cầu sử dụng.
• Quạt: điều khiển lưu lượng gió và giảm công suất khi nhu cầu giảm.
• Băng tải: thay đổi tốc độ vận chuyển sản phẩm.
• Máy nén: điều chỉnh tốc độ theo nhu cầu của hệ thống.
• Máy trộn: kiểm soát tốc độ và thời gian vận hành.
• Cầu trục và thiết bị nâng: yêu cầu kiểm soát tốc độ, mô-men và quá trình tăng giảm tốc.
• Máy cuộn, máy cán: kiểm soát tốc độ và phối hợp nhiều động cơ.
• HVAC: điều khiển bơm, quạt và các cơ cấu truyền động.
• Máy sản xuất: kết hợp PLC, cảm biến và mạng truyền thông để xây dựng hệ thống điều khiển tự động.

Dưới đây là các công cụ – tiện ích hỗ trợ sử dụng, cài đặt Biến tần

 

 

Chọn biến tần theo công suất có đủ không?

Không. Công suất động cơ chỉ là một trong những thông số đầu vào khi chọn biến tần. Ví dụ, hai động cơ cùng công suất 15 kW nhưng một động cơ kéo băng tải và một động cơ chạy quạt có thể cần lựa chọn biến tần khác nhau. Loại tải, dòng định mức, yêu cầu quá tải, thời gian tăng tốc, tốc độ thấp, phương pháp hãm và môi trường lắp đặt đều ảnh hưởng đến việc chọn model.

Đặc biệt với tải có quán tính lớn hoặc yêu cầu giảm tốc nhanh, cần kiểm tra khả năng hãm và năng lượng tái sinh. Khi đó có thể cần điện trở hãm, bộ hãm hoặc giải pháp tái sinh tùy cấu hình hệ thống.

Những thông tin nên có trước khi mua biến tần

• Model và công suất động cơ.
• Điện áp định mức động cơ.
• Dòng định mức trên nhãn động cơ.
• Tần số định mức.
• Loại tải: bơm, quạt, băng tải, máy nén, nâng hạ, máy gia công…
• Dải tốc độ cần điều khiển.
• Yêu cầu điều khiển tốc độ hay mô-men.
• Có cần đảo chiều hay không.
• Có cần điện trở hãm hay không.
• Tín hiệu điều khiển và giao thức truyền thông cần sử dụng.
• Điều kiện nhiệt độ, bụi, độ ẩm và vị trí lắp đặt.

Các thông tin này giúp xác định đúng dòng biến tần trước khi chọn mã hàng cụ thể. Với những ứng dụng đặc biệt, cần đối chiếu datasheet và manual của nhà sản xuất thay vì chỉ chọn theo bảng công suất.

 

Điện Hạ Thế cung cấp biến tần LS, Mitsubishi và Danfoss

Điện Hạ Thế cung cấp các sản phẩm biến tần của LS ELECTRIC, Mitsubishi Electric và Danfoss, phục vụ các hệ thống điều khiển động cơ trong công nghiệp, máy móc, bơm, quạt, HVAC, băng tải và các ứng dụng truyền động khác. Khi cần chọn biến tần, khách hàng nên cung cấp công suất động cơ, điện áp, dòng định mức, loại tải và yêu cầu điều khiển. Từ các thông tin này có thể xác định dòng sản phẩm và kiểm tra mã biến tần phù hợp trước khi đặt hàng.

Liên hệ Ms Nhung – 0907 764 966 để trao đổi về biến tần LS, Mitsubishi, Danfoss và các thiết bị điện công nghiệp khác tại Điện Hạ Thế.

Bảng giá các dòng biến tần mà Điện Hạ Thế Cung Cấp

Câu hỏi thường gặp về biến tần

1. Biến tần có làm động cơ chạy nhanh hơn 50 Hz không?

Có thể, nếu biến tần và động cơ cho phép vận hành ở tần số cao hơn tần số định mức. Tuy nhiên không nên tự động đặt tần số trên 50 Hz vì tốc độ tối đa còn phụ thuộc thiết kế động cơ, giới hạn cơ khí, điện áp, khả năng làm mát và đặc tính tải. Khi vượt tần số cơ sở, mô-men và công suất khả dụng cũng cần được xem xét theo đặc tính của động cơ và biến tần.

2. Có phải biến tần nào cùng công suất kW cũng thay thế được cho nhau?

Không. Hai biến tần cùng công suất có thể khác nhau về điện áp nguồn, dòng đầu ra, khả năng quá tải, phương pháp điều khiển, loại tải, chức năng hãm, ngõ vào/ra và giao thức truyền thông. Khi thay thế biến tần, nên đối chiếu cả dòng định mức của động cơ và yêu cầu của máy, không chỉ dựa vào số kW.

3. LS iG5A, Mitsubishi FR-D700 và các dòng cũ có còn sử dụng được không?

Điều này phụ thuộc model và tình trạng hệ thống. Với LS, iG5A thuộc thế hệ cũ và S100 là dòng được LS phát triển với thiết kế kế tiếp, vì vậy khi xây dựng hệ thống mới nên kiểm tra các dòng LS hiện hành thay vì mặc định chọn iG5A. Với Mitsubishi, FR-D700 và FR-F700PJ đang trong lộ trình ngừng sản xuất, nhưng theo thông báo của Mitsubishi, việc nhận đơn được duy trì đến cuối tháng 1/2027 và dịch vụ sửa chữa được công bố đến cuối tháng 1/2034. Khi thay thế một thiết bị cũ, cần kiểm tra model kế nhiệm và khả năng tương thích trước khi đặt hàng.

Bài Viết Liên Quan

 

---