Tổng quan về biến tần

1. Khái niệm

Biến tần là thiết bị dùng để thay đổi và điều chỉnh tốc độ động cơ 3 pha thông qua việc thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều 3 pha.

Hình 1. Biến tần

2. Các bộ phận của biến tần

Hình 2. Sơ đồ mạch điện của một biến tần

2.1. Bộ chỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu cầu diode để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành một chiều. Điện áp sau khi chỉnh lưu qua giàn tụ lọc để có điện áp phẳng, ổn định (DC bus) để cung cấp nguồn cho IGBT.

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu

Nguyên lý hoạt động:

Ở chu kì dương (đầu dây phía trên dương, phía dưới âm): dòng điện đi từ cực dương (+) của nguồn Vi đi qua diode D2, sau đó đi qua Rtai rồi đi đến diode D3 về đầu cực âm (-) của nguồn
Ở chu kì âm: điện áp trên cuộn thứ cấp đảo chiều (đầu dây phía trên âm, phía dưới âm): dòng điện đi qua diode D4, sau đó đi qua Rtai, rồi đi đến diode D1 về đầu cực âm (-) của nguồn

2.2. Bộ nghịch lưu (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Để chuyển đổi điện áp một chiều thành xoay chiều. Trong biến tần, IGBT được điều khiển kích mở theo trình tự để tạo xung với các độ rộng khác nhau từ điện áp DC Bus được trữ trong tụ điện.

Hình 4. Bộ nghịch lưu (IGBT)

2.2.1. Mạch nghịch lưu một pha

Chuyển đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều một pha
Các Si trong mạch là các IGBT

Hình 5. Mạch nghịch lưu một pha

Khi công tắc S1 và S4 được bật lên, dòng điện sẽ đi qua theo một hướng nhất định.
Khi công tắc S3 và S2 được bật lên, dòng điện sẽ đi qua theo hướng ngược lại.
Trong trường hợp mà hoạt động của các công tắc này được lặp lại theo một chu kỳ định sẵn trước đó thì hướng đi của dòng điện sẽ thay đổi qua lại để tạo thành dòng điện xoay chiều.

2.2.2. Mạch nghịch lưu ba pha

Chuyển đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều ba pha .
Sử dụng 6 IGBT.

Hình 6. Mạch nghịch lưu ba pha

Trong trường hợp bạn thay đổi thứ tự của sáu công tắc từ S1 đến S6 được BẬT/TẮT, kết quả thu được sẽ là sự thay đổi U-V, V-W và W-U. Bằng cách này, chúng ta có thể thay đổi được chiều quay của động cơ không đồng bộ.
Tuy vậy, bạn cần lưu ý là trong thực tế thì các bộ phận bán dẫn được sử dụng để thay cho các công tắc biến đổi điện áp ở hình minh họa trong bài viết này, những thiết bị bán dẫn này có thể cho phép các công tắc BẬT/TẮT ở tốc độ rất cao.

2.3. Phần điều khiển

Phần điều khiển sẽ kết nối với mạch ngoại vi nhận tín hiệu đưa vào IC chính để điều khiển biến tần theo cấu hình và cài đặt của người sử dụng.

Phần điều khiển bao gồm:

IC chính để xử lý thông tin và điều khiển hoạt động của biến tần.
Ngõ vào analog: nhận tín hiệu điện áp 4 – 20 mA hay điện áp 0 – 10 V
Ngõ vào số: để kích cho biến tần chạy.
Ngõ ra analog: kết nối với thiết bị ngoại vi khác để giám sát hoạt động của biến tần.
Ngõ ra số: xuất tín hiệu chạy, cảnh báo…

2.4. Các phụ kiện biến tần

Bộ kháng điện xoay chiều (AC reactor)

Cuộn kháng AC là cuộn dây được quấn quanh lõi thép. Cuộn kháng AC giúp giảm méo sóng hài, tức là nhiễu trên dòng xoay chiều đầu vào. Ngoài ra, cuộn kháng AC sẽ giảm biên độ đỉnh của cái gai nhọn đầu vào. Giảm song hài sẽ giúp DC Bus ổn định và tăng tuổi thọ của tụ.

Hình 7. Bộ kháng điện xoay chiều

Bộ kháng điện một chiều ( DC reactor)

Cuộn kháng DC khi được gắn vào biến tần trước tụ điện thì phần đầu vào của biến tần như mạch chỉnh lưu có bộ lọc là tụ điện và cuộn dây. Khi gắn cuộn kháng một chiều cho biến tần sẽ giúp nguồn DC Bus được ổn định, năng lượng dự trữ lớn, chống phần sụt áp nguồn đầu vào của biến tần nuôi nguồn cho IGBT khi hoạt động full tải.

Hình 8. Bộ kháng điện một chiều

Điện trở xả (Braking resistor)

Khi động cơ dừng hoặc hãm lúc đó động cơ chuyển thành máy phát có năng lượng lớn. Nếu yêu cầu motor dừng gấp thì nguồn năng lượng này sẽ phải được tiêu thụ bớt. Điện trở hãm sẽ giúp biến tần tiêu thụ nguồn năng lượng đó.

Hình 9. Điện trở xả

3. Nguyên lý hoạt động của biến tần

Hình 10. Cấu trúc của biến tần

Nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng bằng bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện.
Điện áp một chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Ban đầu, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được trữ trong giàn tụ điện. Điện áp một chiều này ở mức rất cao.
IGBT thiết bị này có cổng Cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần. Thông qua trình tự kích hoạt đóng mở IGBT của biến tần, một điện áp Xoay chiều ba pha sẽ được tạo ra bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).
Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số cao nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.

4. Ứng dụng của biến tần trong công nghiệp

Biến tần được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như thang máy, bơm nước, máy đóng gói, máy dệt, máy kéo sợ, máy ép nhựa, băng tải, cầu trục, nồi hơi,…

Hình 11. Ứng dụng của biến tần trong công nghiệp

5. Những lưu ý khi sử dụng biến tần

Tùy theo ứng dụng mà bạn lựa chọn bộ biến tần cho phù hợp.
Đảm bảo điều kiện môi trường lắp đặt như nhiệt độ, độ ẩm, vị trí.
Đọc kỹ hướng dẫn sử dụng.
Nhờ các chuyên gia của hãng cung cấp hướng dẫn lắp đặt, cài đặt để có được chế độ vận hành tối ưu cho ứng dụng của bạn.
Khi biến tần báo lỗi, hãy tra cứu mã lỗi trong tài liệu và tìm hiểu nguyên nhân gây lỗi, chỉ khi nào khắc phục được lỗi mới khởi động lại.
Chắc chắn rằng bộ biến tần của mình đã được nhiệt đới hoá, phù hợp với môi trường khí hậu Việt Nam.
Mỗi bộ biến tần đều có một cuốn tài liệu tra cứu nhanh. Bạn nên ghi chép chi tiết các thông số đã thay đổi và các lỗi mà bạn quan sát được vào cuốn tài liệu này.