Ngày nay, biến tần là một thiết bị công nghệ khá phổ biến được ứng dụng trong các hệ thống điện, tự động hóa. Vậy biến tần là gì? Cấu tạo của biến tần như thế nào? Biến tần được hoạt động dựa trên nguyên lý nào? Bài viết dưới đây của Điện Châu Á sẽ giúp các bạn trả lời những câu hỏi trên.
Biến tần là gì?
Biến tần là thiết bị giúp biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều có tần số khác và có thể điều chỉnh được.
Hiểu theo cách khác, biến tần chính là thiết bị có khả năng làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ. Thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, mà không cần sự hỗ trợ của các hộp số cơ khí. Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để có thể đóng cắt tuần tự của dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ. Nhằm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ.
Biến tần có khả năng thay đổi tần số từ 1Hz đến 50Hz hoặc thậm chí lên đến 400Hz đối với các loại động cơ chạy tốc độ cao trong các máy CNC. Nhờ có biến tần, chúng ta hoàn toàn có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn bình thường so với chạy tần số 50Hz.
Biến tần được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Biến tần ngày nay được tích hợp trong hệ thống cung cấp nguồn điện liên tục. Còn gọi là bộ lưu điện UPS.
Cấu tạo của biến tần
Cơ bản, biến tần được tạo nên từ 3 bộ phận chính: Bộ phận chỉnh lưu, bộ phận nghịch lưu và CPU điều khiển.
Bộ phận chỉnh lưu (AC-DC) của máy biến tần có chứa các Diot bán dẫn. Dùng để chuyển đổi nguồn điện nhận vào thành nguồn điện 1 chiều sau khi nắn phẳng.
Bộ phận nghịch lưu (AC-DC) của máy biến tần gồm nhiều công tắc có thể bật/tắt rất nhanh IGBT để đưa nguồn điện trở lại xoay chiều. Đây là bộ phận chính trong việc thay đổi tần số điện áp để đưa vào động cơ hay hệ thống máy của bạn. Tùy theo thứ tự đóng ngắt và kích thước lớn nhỏ của các công tắc.
CPU điều khiển của máy biến tần: CPU tiếp nhận các thông tin từ các bộ phận kể trên và xuất thông tin ra màn hình chính. Từ đó, người điều khiển có thể tiếp nhận thông tin và điều khiển xuất ra nguồn điện thích hợp. Ngoài ra, máy biến tần còn có thể tích hợp nhiều module truyền dữ liệu đến máy tính và các thiết bị khác. Nhờ đó, bạn có thể điều khiển cả hệ thống từ xa.
Nguyên lý hoạt động của biến tần
Nguyên lý hoạt động của biến tần
Nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha sẽ được chỉnh lưu và thành để trở thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện thông qua bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Cũng vì thế, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều sẽ có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị thấp nhất là 0,96.
Sau đó, điện áp một chiều này sẽ được biến đổi nghịch lưu thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này được thực hiện bởi hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ sự phát triển của công nghệ xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể đạt tới dải tần số siêu âm. Điều này giúp giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.
Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều sẽ đi qua bộ diot cầu chỉnh lưu, để biến đổi dòng điện xoay chiều (AC thành DC) thành dòng điện một chiều.
Sau khi biến đổi thành dòng điện một chiều, dòng điện sẽ được đi qua một tụ lọc điện áp xoay chiều. Sau khi đã được chỉnh lưu (loại bỏ pha âm ) thành điện áp một chiều bằng phẳng.
Cuối cùng, dòng điện áp một chiều này sẽ được biến đổi nghịch lưu (DC thành AC) thành điện áp xoay chiều 3 pha. Đối xứng nhau thông qua transistor lưỡng cực có cổng cách lý bằng phương pháp điều chế độ rộng xung.
Phương pháp điều xung PWM ( Pulse Width Modulation ) là phương pháp được điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Một số loại biến tần được sử dụng phổ biến hiện nay
Biến tần AC
Biến tần 1 pha hoặc biến tần 3 pha sử dụng điện áp xoay chiều (AC) là loại biến tần được sử dụng phổ biến hiện nay. Và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Gần 90% các động cơ trong các nhà máy đều sử dụng biến tần AC.
Biến tần AC
Biến tần DC
Biến tần một chiều (DC) được sử dụng cho các ứng dụng đơn giản. Để điều chỉnh điện áp một chiều cho động cơ DC thì người ta thường lựa chọn sử dụng biến tần DC.
Biến tần DC
Biến tần thay đổi nguồn điện đầu vào
Biến tần thay đổi đầu vào được sử dụng trong trường hợp để khởi động động cơ 3 pha 220V mà sử dụng điện áp 1 pha 220V.
Tương tự, khi muốn điều khiển động cơ 3 pha 380V có công suất lớn hơn 2.2Kw bằng điện áp 1 pha 220V thì cần thực hiện các bước sau đây:
Mua một biến áp 220v sang 380V – có tần số 50Hz, tùy thuộc công suất mà chúng ta chọn loại dòng 10-20A.
Mua một biến tần 3 pha 380V có công suất lớn hơn công suất của động cơ khoảng 20%
Đầu tiên cấp nguồn điện 220V cho biến áp, từ biến áp ra 380V chung ta lại cấp cho biến tần. Biến tần sẽ có 3 chân đầu vào L1 – L2 – L3, chúng ta kết nối nguồn 220V vào chân L1/R và L3/T. Còn chân L2 không sử dụng.
Với cách làm này chúng ta có thể điều khiển động cơ có công suất lớn với nguồn điện 220V để điều khiển động cơ 380V.
Riêng đối với các động cơ 3 pha nguồn 220V có công suất dưới 2.2Kw. Thì chúng ta chỉ cần dùng loại biến tần 1 pha 220V ra 3 pha 220V thì đã có thể dùng trực tiếp mà không cần sử dụng máy biến áp.
Biến tần thay đổi nguồn điện đầu vào
Biến tần điều chỉnh độ rộng xung
Biến tần điều chỉnh độ rộng xung (PWM) là loại biến tần có cấu tạo phức tạp nhất. Nó cũng là loại biến tần cho phép động cơ điện hoạt động hiệu quả hơn. PWM thực hiện điều này dựa trên việc sử dụng các bóng bán dẫn. Các bóng bán dẫn giúp chuyển đổi dòng điện một chiều ở các tần số khác nhau. Nhờ đó cung cấp một loạt các xung điện áp cho động cơ điện. Mỗi xung điện sẽ được chia thành từng phần riêng để phản ứng với điện kháng của động cơ điện và tạo ra dòng điện thích hợp trong dòng điện.
Biến tần điều chỉnh độ rộng xung PMW
Biến tần Vector – biến đổi độ rộng xung
Biến đổi vector – biến đổi độ rộng xung là một loại biến tần được sản xuất trong thời gian gần đây. Chúng sử dụng một loại hệ thống điều khiển có khả năng kết hợp chặt chẽ với động cơ điện một chiều. Các biến tẩn có một bộ vi xử lý riêng, chúng được kết nối với động cơ điện thông qua một vòng điều khiển khép kín. Nhờ điều này, mà bộ xử lý có thể kiếm chặt chẽ hơn hoạt động của động cơ điện.
Lợi ích của máy biến tần
Giúp bảo vệ động cơ
Máy biến tần giúp người dùng an tâm về sự hoạt động của máy móc. Máy biến tần có thể điều khiển tốc độ 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 gấp 4-6 lần nếu sử dụng máy biến tần dòng định mức. Máy biến tần là thiết bị tích hợp với các hệ thống điện tử để bảo vệ máy móc khi dòng điện quá dòng, hay hệ thống bảo vệ cao áp, thấp áp.
Giảm hao mòn cho máy móc
Khi bạn sử dụng máy móc có công suất lớn như băng tải, máy bơm,… Việc khởi động động cơ quá nhanh sẽ tạo ra sức ì hoặc quán tính. Điều này nếu xảy ra trong thời gian dài sẽ làm phá hỏng phần cơ khí và ổ trục của động cơ. Nhờ máy biến tần, bạn có thể giải quyết tình trạng này. Khi điều chỉnh tần số của dòng điện qua máy biến tần khi khởi động động cơ từ thấp dần đến cao dần đều, các động cơ sẽ bền bỉ và hoạt động ổn định sau nhiều năm.
Tiết kiệm điện năng
Bằng việc giảm tần số của dòng điện chạy qua, máy biến tần có thể điều chỉnh công suất máy móc của bạn về mức thích hợp, khi bạn chưa cần sử dụng hết công suất của máy.Trong thực tế, thông qua các hoạt động sản xuất đã chứng minh, máy biến tần có thể giảm tiêu thụ điện năng của máy móc lên đến 30%. Điều này cũng giúp giảm chi phí sản xuất.
Tăng năng suất sản xuất
Nếu như bình thường động cơ của bạn hoạt động ở tần số 50Hz, 1500 vòng trên phút. Thì khi sử dụng máy biến tần, bạn có thể tăng tần số dòng điện, giúp tăng tốc độ hoạt động của động cơ lên 60Hz, 1800 vòng/ phút. Điều này sẽ giúp bạn tăng sản lượng. Trong các hoạt động sản xuất thực tế đã chứng minh, khi sử dụng máy biến tần có thể giúp tăng năng suất sản xuất lên tới 20.
Một số ứng dụng của máy biến tần
Ứng dụng trong bơm và hệ thống cấp nước
Việc lắp đặt máy biến tần sẽ giúp điều chỉnh lưu lượng nước qua các máy bơm, khi cung cấp cấp cho công trình, tòa nhà, hệ thống thủy lợi. Điều chỉnh tốc độ máy bơm cũng là điều chỉnh lượng nước nhận cho những nơi cần cung cấp.
Ứng dụng cho quạt hút và hệ thống thông gió
Quá trình cung cấp khí vào bên trong của máy nén được hoạt động theo cơ chế đóng ngắt. Khi áp suất đạt ngưỡng trên, van bơm tự động đóng, nhưng máy nén lại không kịp chạy tải. Ngược lại, khi áp suất giảm xuống ngưỡng dưới, van tự động mở, lúc này máy nén hoạt động có tải. Nghĩa là máy nén sẽ luôn hoạt động ở mức tối đa, điều này là hoàn toàn không cần thiết. Việc lắp đặt máy biến tần sẽ giúp bạn điều khiển hoạt động của máy nén về mức cung cấp lượng khí vừa đủ. Giúp giảm hao phí điện năng và tăng độ bền của máy.
Ứng dụng trong cầu trục
Bằng việc sử dụng biến tần, người dùng có thể điều khiển nguồn điện và cầu trục hoạt động vừa phải, an toàn. Hạn chế sụt áp trên toàn lưới khi khởi động.
Bài viết trên đây của Điện Châu Á đã giải đáp các câu hỏi như biến tần là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy biến tần. Cũng như đưa ra các thông tin về các loại máy biến áp phổ biến, lợi ích và ứng dụng của máy biến tần. Hy vọng các bạn sẽ có thể lựa chọn loại máy biến tần phù hợp với nhu cầu của bản thân.
