Biến tần là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách lựa chọn

Biến tần là gì? Đây là câu hỏi mà nhiều người trong ngành công nghiệp và kỹ thuật thường thắc mắc. Biến tần không chỉ là một thiết bị quan trọng giúp điều chỉnh tốc độ động cơ, mà còn giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả. Trong bài viết này, A.I Tech sẽ cùng bạn tìm hiểu chi tiết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của biến tần, cũng như những yếu tố quan trọng cần lưu ý khi lựa chọn biến tần phù hợp nhé!

Biến tần là gì?

Biến tần (Inverter) là một thiết bị dùng để thay đổi tần số của dòng điện một chiều (DC) hoặc dòng điện xoay chiều (AC) ở tần số và pha này thành dòng điện xoay chiều có tần số và pha khác, từ đó điều khiển tốc độ và momen xoắn của động cơ xoay chiều.

Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ hệ thống động cơ khỏi các sự cố cơ học khi hoạt động.

Cấu tạo biến tần

Cấu tạo của một bộ biến tần tiêu chuẩn thường bao gồm 4 bộ phận chính: bộ chỉnh lưu (rectifier), tụ lọc (filter capacitor), bộ nghịch lưu (inverter), và mạch điều khiển (Control Circuit).

• Bộ chỉnh lưu:Chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều thông qua các diode hoặc thyristor. Từ đó tạo ra một nguồn điện DC ổn định để cung cấp cho các bộ phận điều khiển bên trong biến tần.
• Tụ lọc: Lọc các thành phần nhiễu không mong muốn, giúp tạo ra điện áp một chiều ổn định.
• Bộ nghịch lưu: Sẽ chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều với tần số và điện áp phù hợp, giúp điều khiển tốc độ động cơ theo mong muốn. 
• Mạch điều khiển: Là bộ phận trung tâm, sử dụng các thuật toán điều khiển như PWM (Pulse Width Modulation) hoặc điều khiển vector để thay đổi tần số và điện áp đầu ra. Bộ điều khiển này giúp duy trì ổn định tốc độ và momen xoắn của động cơ theo yêu cầu của hệ thống.

Nguyên lý hoạt động của biến tần là gì?

Biến tần hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh tần số và điện áp của dòng điện xoay chiều để điều chỉnh tốc độ và momen của động cơ.Quá trình hoạt động của biến tần bao gồm 4 bước sau:

• Bước 1. Dòng điện AC đầu vào được chuyển đổi thành dòng điện DC thông qua bộ chỉnh lưu và tụ lọc. Quá trình này sẽ tạo ra dòng điện một chiều ổn định để điều chỉnh tần số trong các bước tiếp theo.
• Bước 2. Sau khi dòng xoay chiều đã được chuyển thành dòng một chiều, biến tần sử dụng kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM) để điều chỉnh tần số và điện áp đầu ra. PWM tạo ra các xung điện với độ rộng thay đổi liên tục, từ đó điều khiển được tốc độ của động cơ.
• Bước 3: Thông qua việc thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều đầu ra, biến tần có thể tăng hoặc giảm tốc độ động cơ một cách linh hoạt mà không cần phải sử dụng hộp số hoặc các phương pháp cơ học khác.
• Bước 4. Các cảm biến tốc độ và cảm biến dòng điện sẽ gửi tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển, giúp biến tần điều chỉnh theo thông số được thiết lập trên thực tế, để duy trì ổn định và tối ưu hóa hiệu suất vận hành của động cơ và các hệ thống thiết bị tự động hóa.

Các chế độ điều khiển của biến tần

Biến tần thường hỗ trợ nhiều chế độ điều khiển để phù hợp với các loại tải và yêu cầu cụ thể của hệ thống. Các chế độ điều khiển chính bao gồm:

• Chế độ điều khiển V/F (Voltage/Frequency): Đây là chế độ điều khiển cơ bản và phổ biến nhất, sử dụng cho các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao về momen xoắn và tốc độ. Mục tiêu là duy trì tỉ lệ điện áp/tần số không đổi, giúp điều chỉnh tốc độ của động cơ trong dải từ 0Hz đến Fmax.
• Chế độ điều khiển vector vòng hở: Chế độ này dựa vào dòng điện hồi tiếp từ động cơ để tạo ra vector từ trường giả lập, từ đó điều chỉnh các thông số như điện áp và tần số để kiểm soát tốc độ và momen xoắn.
• Chế độ điều khiển vector vòng kín: Chế độ này sử dụng cảm biến encoder để phản hồi tín hiệu tốc độ, cho phép điều chỉnh các thông số nhằm đảm bảo hiệu suất cao nhất để kiểm soát tốc độ và momen.
• Chế độ điều khiển Torque: Bao gồm Torque vòng hở và Torque vòng kín. Chế độ này tập trung vào việc điều chỉnh momen xoắn động cơ để đạt lực kéo mong muốn mà không làm thay đổi công suất. Torque vòng kín cung cấp độ chính xác cao hơn nhờ sử dụng cảm biến đo momen tại trục động cơ.

Biến tần có bao nhiêu loại?

Biến tần có nhiều loại khác nhau, được phân loại dựa trên loại dòng điện, số pha, và mục đích sử dụng gồm: Biến tần AC, biến tần DCB, biến tần 1 pha, 3 pha (220V – 380V), các dòng biến chuyên dụng cho băng tải, bơm, quạt, thang máy, cẩu trục hoặc hệ thống điều hòa…

Biến tần dùng để làm gì? Các công dụng của biến tần

Biến tần không chỉ đơn thuần là thiết bị điều khiển tốc độ động cơ mà còn mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho hệ thống sản xuất và tự động hóa, lẫn các thiết bị dân dụng. Dưới đây là một số công dụng chính của biến tần:

Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ: Cho phép kiểm soát tốc độ quay của động đơ, điều chỉnh theo từng giai đoạn vận hành mà không cần dừng hẳn thiết bị. Điều này rất hữu ích trong các hệ thống băng tải, máy dệt, và máy sản xuất, khi yêu cầu thay đổi tốc độ liên tục theo từng công đoạn. Với biến tần, người vận hành cũng có thể cài đặt chương trình đảo chiều tự động khi thiết bị đạt đến giới hạn hành trình hoặc gặp sự cố.

Giảm dòng khởi động và bảo vệ động cơ: Khi khởi động động cơ theo phương pháp trực tiếp, dòng khởi động có thể gấp 6-7 lần dòng định mức, gây sụt áp đột ngột và ảnh hưởng đến các thiết bị khác trong cùng hệ thống.Nhưng khi sử dụng biến tần, động cơ sẽ khởi động từ từ với tốc độ thấp, sau đó tăng dần tần số đầu ra để đạt tốc độ yêu cầu, giúp bảo vệ động cơ.

Bảo vệ toàn diện cho hệ thống: Trong các trường hợp như quá tải, quá áp, sụt áp, mất pha, hay ngắn mạch, biến tần sẽ lập tức ngắt hoạt động để tránh hư hỏng cho thiết bị. Điều này giúp đảm bảo sự an toàn cho toàn bộ hệ thống, giảm thiểu thời gian dừng máy và chi phí bảo trì.

Hỗ trợ tiết kiệm điện: Trong các hệ thống bơm và quạt, tốc độ động cơ thường tỷ lệ thuận với lưu lượng đầu ra, nhưng lượng tiêu thụ điện năng lại tỷ lệ theo lũy thừa ba của tốc độ. Do đó, chỉ cần giảm tốc độ một chút, năng lượng tiêu thụ có thể giảm đến 50%. Và biến tần sẽ điều chỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu thực tế, giúp tiết kiệm đáng kể so với phương pháp điều khiển van hoặc van tiết lưu truyền thống.

Có thể kết nối và điều khiển được từ xa: Các máy biến tần hiện nay được tích hợp các module truyền thông như Modbus, Profibus, hoặc Ethernet, cho phép giám sát và điều khiển từ xa thông qua các hệ thống SCADA hoặc phần mềm chuyên dụng, giúp tối ưu hóa được hoạt động vận hành.

Cách chọn biến tần phù hợp cho hệ thống tự động hóa là gì

Để chọn biến tần tối ưu cho hệ thống tự động hóa, cần cân nhắc một số yếu tố quan trọng sau:

• Biến tần phải có công suất và dòng điện tương ứng hoặc cao hơn từ 10-20% so với công suất định mức của động cơ để đảm bảo hoạt động ổn định và tránh tình trạng quá tải.
• Hãy lựa chọn biến tần dựa trên loại tải: tải nhẹ (bơm, quạt) nên chọn biến tần tiêu chuẩn; tải nặng (máy nén khí, cần cẩu) cần biến tần có khả năng chịu quá tải tốt và điều chỉnh momen xoắn linh hoạt.
• Nên ưu tiên loại biến tần cần có khả năng điều khiển từ xa và hỗ trợ các giao thức truyền thông (Modbus, Ethernet) để tích hợp dễ dàng vào hệ thống SCADA hoặc PLC.
• Bạn cũng cần xác định môi trường hoạt động để chọn biến tần có khả năng chống bụi, chống ẩm hoặc chịu nhiệt tốt nhằm đảm bảo độ bền và hiệu suất của thiết bị.

Lời kết

Như vậy với những chia sẻ trong chủ đề Biến tần là gì, có thể thấy đây là một thiết bị, một giải pháp toàn diện cho việc điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống động cơ trong ngành công nghiệp. Không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng, bảo vệ động cơ mà còn cải thiện hiệu suất vận hành của toàn bộ hệ thống. 

Nếu bạn đang tìm kiếm các giải pháp chuyển đổi số, tối ưu cho hệ thống tự động hóa của mình, hãy liên hệ với A.I Tech nhé!