Biến tần là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng

Các nhà máy sử dụng đa dạng các động cơ, băng chuyền, máy bơm hay quạt phục vụ cho quá trình sản xuất và hoạt động phụ trợ. Trong quá trình đó, cường độ hoạt động của các thiết bị cần được thay đổi linh hoạt để đáp ứng nhu cầu trong nhiều giai đoạn sản xuất.

Trước đây, việc điều chỉnh tần số điện công nghiệp có tải công suất lớn rất khó, chỉ có thể thay đổi tỷ số truyền, đóng cắt ON – OFF, dùng van tiết lưu. Các giải pháp này hiệu quả về kỹ thuật nhưng không tiết kiệm được điện năng. Do đó, biến tần là giải pháp hiện đại thay đổi tần số các thiết bị điện, vừa giúp tăng năng suất, giảm chi phí bảo trì bảo dưỡng động cơ và vừa tiết kiệm điện năng tiêu thụ. Tìm hiểu về cấu tạo, công năng, lợi ích khi sử dụng biến tần trong bài viết sau.

Biến tần là thiết bị gì?

Biến tần hay inverter là thiết bị điện tử có khả năng biến đổi năng lượng điện từ trên dòng điện một chiều DC hoặc xoay chiều AC ở dạng tần số và pha này thành tần số và pha khác. Thông qua đó, tốc độ của động cơ được điều khiển một cách vô cấp từ nhanh tới chậm, không cần sử dụng hộp số cơ khí. Về bản chất, biến tần không sinh ra công suất mà chỉ hiệu chỉnh công suất.

Biến tần có thể là thiết bị điện tử hoàn toàn hoặc có kết hợp mạch điện tử và các hiệu ứng cơ khí. Dựa theo cấp điện áp, có các loại biến tần: 1 pha 220V, 3 pha 220V, 3 pha 380V,… Hiện nay chủ yếu các dòng biến tần là đa năng, bên cạnh các biến tần chuyên dụng cho: bơm, quạt, thang máy, cẩu trục, điều hòa, hệ thống năng lượng mặt trời, hệ thống HVAC, hệ thống sản xuất chuyên dụng,…

Cấu tạo biến tần

Biến tần có các thành phần chính được thiết kế và liên kết để hoạt động dưới một nguyên lý ổn định, bền bỉ trong môi trường công nghiệp. Các thành phần chính trong cấu tạo biến tần bao gồm:

• Mạch nguồn: cung cấp điện năng đầu vào biến tần.
• Mạch điều khiển: trung tâm điều khiển của biến tần, có chức năng điều khiển, lập trình và bảo vệ.
• Mạch chuyển đổi tần số: mạch chính của biến tần, có chức năng biến đổi tần số dòng điện đầu vào thành tần số dòng điện đầu ra mới. Mạch chuyển đổi bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu IGBT.
• Mạch bảo vệ: có chức năng báo hiệu và ngắt mạch khi có sự cố, gồm các thiết bị bảo vệ quá tải, bảo vệ quá dòng, bảo vệ sự cố điện khác ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.
• Màn hình – bàn phím: công cụ để người vận hành thực hiện các thao tác giám sát, cài đặt và điều khiển.

Ngoài ra biến tần còn có các thành phần phụ được tích hợp tùy theo yêu cầu hệ thống: module truyền thông, bộ điện kháng xoay chiều – 1 chiều, điện trở hãm (điện trở xả),…

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của biến tần rất cao nhờ sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất hiện đại, giúp giảm năng lượng tiêu thụ xuống tương đương năng lượng yêu cầu từ hệ thống. Bên cạnh đó, biến tần thế hệ mới được tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển đáp ứng cho nhiều loại phụ tải khác nhau (biến tần đa năng). Biến tần có thể được tích hợp bộ PID tương thích nhiều chuẩn truyền thông, phù hợp để điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.

Xem thêm: So sánh biến tần và khởi động mềm: Chọn giải pháp nào?

Nguyên lý làm việc của biến tần

Nguyên lý làm việc của biến tần được thể hiện qua hai công đoạn chính:

• Công đoạn 1: Chỉnh lưu và lọc nguồn điện xoay chiều 3 pha (hoặc 1 pha) thành nguồn điện 1 chiều bằng phẳng, được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Do đó hệ số cosphi (cosφ) của biến tần có giá trị tối thiểu 0.96, không phụ thuộc vào tải. 
• Công đoạn 2: Điện áp 1 chiều được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng, được thực hiện nhờ hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) với phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

Với tiến bộ của công nghệ bán dẫn và chế tạo biến tần hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể đạt đến dải tần số siêu âm giúp giảm tiếng ồn động cơ và tổn thất trên lõi sắt động cơ.

Tần số tín hiệu đầu ra tùy thuộc theo điện áp điều khiển và các tham số mặc định của biến tần. Người vận hành có thể điều khiển trực tiếp hoặc cài đặt trước chế độ hoạt động cho biến tần.

Trong quá trình hoạt động, biến tần có thể gặp sự cố quá tải, mất pha, quá áp, sụt áp,… Khi đó biến tần đưa ra cảnh báo lỗi hoặc ngừng cấp điện cho động cơ nếu phát hiện lỗi nghiêm trọng có thể gây hư hỏng hệ thống.

Lợi ích khi sử dụng biến tần

Công thức tính tốc độ động cơ như sau:

Có thể thấy tốc độ động cơ phụ thuộc vào 3 yếu tố, đồng thời là 3 phương pháp thay đổi tốc độ động cơ:

• Hệ số (p) cặp cực động cơ
• Hệ số (s) trượt
• Tần số (f) của điện áp đầu vào

So với 2 phương pháp còn lại, thay đổi tần số là hiệu quả nhất để thay đổi tốc độ động cơ. Biến tần là thiết bị tối ưu nhất cho phương pháp này.

So sánh với chi phí đầu tư và vận hành, giá trị mà biến tần đem lại cho hệ thống vượt xa rất nhiều, đặc biệt là hệ thống sản xuất quy mô lớn, cấu trúc phức tạp hay hệ thống công nghiệp đặc thù. Khi sử dụng biến tần, nhà máy sẽ nhận được những lợi ích sau:

• Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh tần số dòng đầu vào.
• Đảo chiều quay động cơ khi máy chạy hết hành trình hoặc khi gặp sự cố.
• Bảo vệ động cơ khi quá tải, quá áp, sụt áp, mất pha,…
• Giảm thiểu dòng khởi động, hạn chế gây sụt áp.
• Hỗ trợ điều khiển và giám sát động cơ từ xa.
• Hạn chế động cơ mang tải lớn phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng cơ khí và tăng tuổi thọ, giảm chi phí bảo trì.
• Tiết kiệm năng lượng tới 40% so với phương pháp khởi động trực tiếp.
• Công suất phản kháng từ động cơ được giảm thiểu, từ đó giảm ngược dòng đáng kể khi hoạt động, giảm chi phí cho tụ bù, giảm hao hụt điện năng.
• Giảm độ ồn và mức rung động cơ, cải thiện chất lượng môi trường công nghiệp và sức khỏe của người lao động.

Xem thêm: Kinh nghiệm chọn biến tần cho động cơ theo công suất

Ứng dụng của biến tần

Biến tần được ứng dụng rộng rãi trong hoạt động của nhiều ngành công nghiệp, trong các thiết bị điện tử, hệ thống vận hành, thiết bị điện năng,…

Trong thiết bị điện tử

Nhiều thiết bị điện tử gia dụng hiện nay đều sử dụng bộ biến tần 1 pha (hay inverter) như tủ lạnh, điều hòa, máy giặt, TV,… Các thiết bị này vận hành dựa trên việc chỉnh lưu điện lưới và biến tần tạo dòng điện có tần số trên 50Hz giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của mô tơ điện. 

Biến tần cũng xuất hiện trong các thiết bị công suất nhỏ (tới vài chục W) như chấn lưu điện tử cho bóng đèn huỳnh quang, đèn compact hay nguồn cung cấp năng lượng cho các ống huỳnh quang (CCFL) (dùng làm đèn nền cho màn hình phẳng TFT).

Trong các UPS

UPS (Uninterruptible Power Supply) hay hệ thống nguồn cung cấp liên tục, bộ lưu trữ điện dự phòng cho các hệ thống điện toán là một nhóm các biến tần. Các UPS biến đổi điện DC của pin sạc lên điện AC cho các hệ thống và kích hoạt khi mất điện lưới. Dòng điện từ các UPS có thể không có dạng sóng sin, không ổn áp và không có thời gian cấp điện hạn chế, tùy theo loại acquy sử dụng.

Trong thiết bị điện năng

Biến tần là thành phần cần thiết cho mọi nhà máy điện năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời, điện thủy triều,.. Đây là phương tiện đổi các nguồn điện nói trên thành điện xoay chiều công nghiệp và hòa lưới. 

Đặc trưng của các dòng điện nguyên khai từ nguồn năng lượng tái tạo là công suất và điện áp không ổn định. Để hòa các năng lượng này lên lưới điện cần các biến tần có hệ thống pin sạc làm đệm, chuyển đổi lên điện lưới 3 pha. Riêng với biến tần hòa lưới bắt buộc có hệ thống kiểm soát dạng xung, pha và điện áp để đáp ứng việc chuyển năng lượng lên lưới.

Inverter cho hệ thống điện mặt trời áp mái thường có công suất vài kW, biển đổi lên điện áp 110V AC hoặc 220V AC, 1 pha hoặc 3 pha. Mặt khác, inverter cho các nhà máy điện năng lượng tái tạo công suất vài MW, biến đổi nguồn điện nguyên khai thành điện 3 pha hòa lưới.

Trong công nghiệp

Trong các ngành công nghiệp, biến tần là thiết bị lõi của tủ điện biến tần với chức năng điều khiển linh hoạt, ổn định hoạt động của động cơ, hạn chế rủi ro quá tải, quá áp, sụt áp,… Tủ điện biến tần kiểm soát dòng khởi động động cơ, tốc độ quay, áp suất, cường độ hoạt động,…

Hệ thống cấp nước nhà cao tầng:

• Trước đây, nước được bơm tăng áp lên mái và phân phối xuống từng tầng qua thiết bị điều hòa – giảm áp, gây tốn kém chi phí và hiệu quả thấp.
• Lắp đặt biến tần giúp loại bỏ nhu cầu xây dựng tháp mái, tối ưu hóa hoạt động bơm và tiết kiệm điện năng.

Quạt hút hoặc đẩy:

• Loại quạt công nghiệp được ứng dụng phổ biến trong hút bụi, thông gió, thổi lò.
• Biến tần điều khiển áp lực, lưu lượng theo yêu cầu, khởi động mềm và tối ưu hóa hiệu suất động cơ, giảm tiêu thụ điện năng.

Hệ thống nén khí:

• Phương pháp điều khí truyền thống đóng/cắt van cửa vào để kiểm soát áp suất. Khi áp suất đạt giới hạn trên, van cửa vào đóng và máy nén hoạt động không tải. Ngược lại khi áp suất đạt giới hạn dưới, van cửa vào mở và máy nén hoạt động có tải.
• Biến tần 3 pha giúp điều chỉnh áp suất đầu ra ổn định, giảm thời gian động cơ chạy không tải và tiết kiệm điện năng.

Hệ thống nâng – hạ:

• Biến tần điều khiển chính xác vị trí, mô-men xoắn và phanh hãm trong cần trục, palăng với động cơ xoay chiều.
• Biến tần cho cần trục có tích hợp hệ thống hãm tái sinh, tra năng lượng về lưới, an toàn và hiệu quả kinh tế.

Những thương hiệu biến tần hàng đầu 

Tại thị trường Việt Nam, các hãng dẫn đầu về công nghệ biến tần đều tới từ châu Âu, theo sau là các thương hiệu tới từ Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc hay Đài Loan. 

Một số thương hiệu biến tần châu Âu tiêu biểu: ABB với dòng biến tần ACS dẫn đầu thế giới, Siemens với dòng biến tần 6SL hay Schneider với dòng biến tần ATV,…

So về mức độ kinh tế, biến tần tới từ Nhật Bản có chất lượng không thua kém châu Âu nhưng giá thành tốt hơn, độ bền cao. Một số thương hiệu biến tần Nhật Bản nổi tiếng là Mitsubishi, FuJi, Panasonic, Hitachi, Yaskawa,… 

Bên cạnh đó, thương hiệu biến tần INVT từ Trung Quốc cũng được đánh giá có chất lượng tương đồng các thương hiệu trên. Ngoài ra, thị trường còn có các dòng biến tần giá rẻ hơn từ Hàn Quốc (LS Electric) hay Đài Loan (Delta, Shihlin).

Những lưu ý khi vận hành biến tần

Trong quá trình sử dụng biến tần, người vận hành cần lưu ý một số vấn đề sau:

• Căn cứ vào các bộ phận, giai đoạn, công đoạn sản xuất để xác định công suất động cơ, làm tiền đề lựa chọn biến tần phù hợp, tránh lãng phí chi phí đầu tư.
• Các linh kiện trong biến tần rất nhạy cảm với môi trường bên ngoài nên cần lưu ý bảo quản, vận hành an toàn, đúng kỹ thuật.
• Cần tính toán kết hợp biến tần với các phương thức khởi động động cơ khác sao cho quá trình vận hành trơn tru, tối ưu hiệu suất và chi phí.

Việc lắp đặt, cài đặt và vận hành biến tần thường đơn giản trong hầu hết các trường hợp. Biến tần có thể được cài đặt trực tiếp qua bảng điều khiển hoặc từ xa qua máy tính.

• Trường hợp 1: Ứng dụng đơn giản

Biến tần điều khiển động cơ cho các thiết bị như bơm, quạt, băng tải, máy khuấy,… với chương trình vận hành cơ bản. Chỉ cần cài đặt các chức năng như bật/tắt bằng nút nhấn, chạy thuận/nghịch, điều chỉnh tốc độ bằng biến trở hoặc cài đặt thời gian tăng/giảm tốc.

• Trường hợp 2: Ứng dụng chuyên dụng

Biến tần điều khiển động cơ cho máy móc chuyên dụng như máy sản xuất nhựa, máy công cụ, máy giặt,… với yêu cầu vận hành đặc thù và phản hồi vòng kín. Việc cài đặt thông số đòi hỏi hiểu biết sâu về thiết bị, thường do nhà sản xuất máy thực hiện. Khi thay thế biến tần mới, cần kỹ thuật viên chuyên môn để cấu hình lại.

• Trường hợp 3: Hệ thống tự động hóa cao

Biến tần kết nối truyền thông trong hệ thống điều khiển giám sát từ xa qua PLC, máy tính công nghiệp tại các nhà máy lớn như nhà máy xi măng, hóa dầu, ô tô. Yêu cầu người vận hành phải có trình độ cao và am hiểu hệ thống.

Tiếp tục theo dõi các bài viết khác về biến tần và các thiết bị khác trong tủ điện tại: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/kien-thuc-tu-dien/