Biến tần là gì? Phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Mục lục bài viết

Biến tần đang hiện diện trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, nó có chức năng và ứng dụng cao trong nhiều ngành nghề và lĩnh vực. Trong bài viết này, thietbidienhungthinh.com.vn sẽ tổng hợp đầy đủ và chi tiết nhất các thông tin về biến tần theo cách dễ hiểu nhất.

Định nghĩa biến tần là gì?

Theo định nghĩa thông thường, thì biến tần (tên Tiếng Anh là Inverter, AC Drive, VFD…) là bộ thiết bị điện tử chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC) ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác. Định nghĩa này khá phức tạp đối với những người không có kiến thức về kỹ thuật điện tử.

Để cho dễ hiểu, Tự động hóa Hưng Thịnh sẽ diễn giải theo cách đơn giản hơn:

Theo đúng tên gọi của nó, thì biến tần là bộ thiết bị điện tử làm thay đổi tần số của dòng điện, từ đó làm thay đổi tốc độ quay của động cơ.

Tần số là số chu kỳ dạng sóng của dòng điện xoay chiều lặp lại trong một giây, được biểu thị bằng đơn vị hertz (Hz). Tần số 120Hz có nghĩa là hoán đổi 120 lần âm và dương trong 1 giây.

Tần số của dòng điện quyết định tốc độ quay của động cơ, do đó thay đổi được tần số sẽ làm thay đổi tốc độ quay của động cơ. Nếu tần số tăng từ 60Hz lên 120Hz, động cơ sẽ quay nhanh gấp 2 lần.

Tần số của lưới điện US duy trì ở 60 Hz, trong khi ở Châu Âu và Châu Á là 50 Hz.

Để cho dễ hình dung, xin mời bạn đọc tham khảo các ví dụ cơ bản sau đây:

Ví dụ 1: Điều hòa inverter 

Biến tần điều hòa inverter
Biến tần điều hòa inverter

Với điều hòa không có công nghệ inverter, khi bạn bật nhiệt độ là 24 độ C, động cơ máy nén sẽ chạy hết công suất cho đến khi nhiệt độ đạt mức 24 độ C.

Sau đó, động cơ sẽ dừng hẳn, và một thời gian sau khi nhiệt độ trong phòng lớn dần lên chạm mức giới hạn tăng 1 hoặc 2 độ C, động cơ lại tiếp tục chạy lại từ đầu để giảm nhiệt độ xuống mức 24 độ C đã thiết lập ban đầu.

Điều này gây tiêu tốn điện năng do động cơ phải liên tục khởi động lại từ đầu.

Với điều hòa có công nghệ inverter, khi nhiệt độ đạt được mức 24 độ C, biến tần sẽ làm giảm tần số của dòng điện xoay chiều cấp vào máy nén, điều này làm giảm tốc độ quay của động cơ máy nén chứ không tắt hẳn máy nén.

Kết quả là động cơ máy nén lúc nào cũng chạy làm duy trì nhiệt độ trong phòng luôn ở mức 24 độ C, từ đó tiết kiệm điện hơn nhiều so với điều hòa không có inverter.

Ví dụ 2: Biến tần băng tải trong dây chuyền sản xuất.

Trong các nhà máy, với băng tải không có biến tần, băng tải sẽ di chuyển đột ngột làm hàng hóa bên trên bị rơi đổ.

Với băng tải có biến tần, băng tải sẽ di chuyển tăng dần tốc độ khiến cho hàng hóa không bị rơi đổ (nhờ vào bộ điều khiển Pid). Biến tần trong trường hợp này làm thay đổi tần số của dòng điện dẫn tới động cơ, từ đó có thể kiểm soát tốc độ quay của động cơ hay thời gian tăng giảm tốc độ giúp vận chuyển hàng hóa an toàn.

Biến tần giúp băng tải hoạt động trơn tru
Biến tần giúp băng tải hoạt động trơn tru

Như vậy về bản chất, dòng điện 1 chiều hoặc dòng điện xoay chiều không có biến tần sẽ làm động cơ quay với 1 tốc độ cố định. Khi có thêm biến tần, biến tần sẽ làm biến đổi tần số của dòng điện 1 chiều hoặc xoay chiều đó thành dòng điện xoay chiều có tần số biến thiên, từ có thể tùy chỉnh tốc độ quay của động cơ theo ý mình.

Tại sao phải sử dụng biến tần?

Nếu không có biến tần, các động cơ khi hoạt động sẽ luôn quay ở 1 tần số nhất định. Điều này sẽ tiêu tốn điện năng một cách lãng phí và gây nguy hại cho các thiết bị điện.

Có nhiều cách để làm thay đổi tốc độ quay của động cơ. Trước tiên chúng ta phải tìm hiểu công thức tính tốc độ quay của động cơ:

N=60f(1-s)/P

Trong đó:

N: Tốc độ quay của động cơ (vòng/phút)

f: Tần số của lưới điện (Hz)

s: Hệ số trượt

P: Số đôi cực từ (thường là 1, 2, 3, 4)

Thông qua công thức này, có thể thấy để thay đổi tốc độ động cơ cần phải thay đổi 1 trong 3 yếu tố: f, s, P.

  • Nếu thay đổi P thì chỉ có thể thay đổi số cặp cực, tuy nhiên nếu muốn tốc độ động cơ giảm đi nhiều thì phải tăng số cặp cực lên quá nhiều làm cho động cơ trở nên phức tạp. Và mỗi lần thay đổi làm cho động cơ bị giật.
  • Nếu thay đổi s thì động cơ sẽ không bị giật, tuy nhiên để điều khiển hệ số trượt s cần phải có thêm bộ điều khiển hệ số trượt, điều này cũng làm cho động cơ trở nên phức tạp hơn.
  • Phương án cuối cùng và cũng là tối ưu nhất, đó là làm thay đổi tần số f. Và biến tần chính là công cụ để thực hiện điều này.

Phân loại biến tần

Phân loại theo cấu tạo

  • Biến tần gián tiếp: Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều thông qua bộ phận chỉnh lưu. Sau đó dòng điện một chiều này lại được chuyển thành điện xoay chiều qua nghịch lưu. Biến tần gián tiếp dùng cho động cơ công suất 0.25kw – 700kw và được chia làm biến tần nguồn áp và biến tần nguồn dòng.
  • Biến tần trực tiếp: Biến tần kết nối trực tiếp với lưới điện thông qua van bán dẫn (không qua khâu trung gian 1 chiều). Điện lưới xoay chiều được trực tiếp biến đổi thành dòng điện xoay chiều có tần số khác bằng 1 van đóng mở duy nhất trong 1 khoảng thời gian nhất định. Biến tần gián tiếp được dùng cho động cơ công suất > 700kw.

Phân loại theo dòng điện

  • Biến tần AC: dùng để điều khiển động cơ điện xoay chiều AC.
  • Biến tần DC: dùng để điều khiển động cơ điện 1 chiều DC.

Phân loại theo sóng đầu ra:

  • Biến tần sóng vuông.
  • Biến tần sóng sin.
  • Biến tần sóng sửa đổi.
Các dạng sóng của biến tần
Các dạng sóng của biến tần

Phân loại biến tần theo loại tải:

  • Biến tần 1 pha: đầu vào là 1 pha 110V hoặc 220V, đầu ra là 3 pha 220v hoặc 380v.
  • Biến tần 3 pha: đầu vào là 3 pha 220V hoặc 480V.

Phân loại biến tần theo kỹ thuật chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) khác nhau:

  • Điều chế độ rộng xung đơn giản (SPWM).
  • Điều chế độ rộng nhiều xung (MPWM).
  • Điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM).
  • Điều chế độ rộng xung hình sin đã sửa đổi (MSPWM).

Phân loại biến tần theo mức đầu ra:

  • Biến tần 2 bậc.
  • Biến tần đa bậc.

Cấu tạo của biến tần

Sơ đồ cấu tạo của biến tần gián tiếp:

  • Bộ chỉnh lưu: gồm 6 Diode theo chỉnh lưu tự động. Điện áp được đấu nối đầu vào khối chỉnh lưu có thể là 1 pha hoặc 3 pha tùy vào ứng dụng của biến tần.
  • Khối lọc: gồm L và C.
  • Khối nghịch lưu: gồm 6 bộ biến đổi IGBT (trước đây là tranzito) hoạt động như những công tắc tự động bật và tắt với tốc độ cực nhanh để tạo sóng đầu ra.
Sơ đồ cấu tạo của biến tần
Sơ đồ cấu tạo của biến tần 3 pha

Sơ đồ cấu tạo của biến tần trực tiếp:

Biến tần trực tiếp có 2 loại bộ chuyển đổi là Cyclo Converter và bộ chuyển đổi ma trận (Matrix converter). Chúng thường được dùng cho biến tần có công suất cực lớn khoảng vài Megawatt cho đến vài chục Megawatt.

Cấu tạo của biến tần trực tiếp phức tạp hơn nhiều so với biến tần gián tiếp.

Bộ chuyển đổi cyclo

Là bộ chuyển đổi tần số trực tiếp sử dụng thyristor được chia thành 2 chiều âm dương mỗi bên, chúng hoán đổi giữa các pha của nguồn cấp để tạo ra điện áp xoay chiều có tần số thấp.

Biến tần trực tiếp cyclo 1 pha
Biến tần cyclo 1 pha
Biến tần trực tiếp cyclo 1 pha
Biến tần trực tiếp cyclo 1 pha

Bộ chuyển đổi ma trận

Bộ chuyển đổi ma trận sắp xếp các công tắc bán dẫn thành cấu hình ma trận và điều khiển chúng để chuyển đổi điện áp đầu vào AC thành điện áp xoay chiều mong muốn. Vì điện áp AC đầu vào không được chuyển đổi thành DC nên không cần đến tụ điện lưu trữ năng lượng.

Biến tần ma trận
Biến tần ma trận

Nguyên lý hoạt động của biến tần

Trước tiên, lưới điện đưa vào điện áp 3 pha có đồ thị hình Sin với tần số là f như đồ thị dưới đây:

Tần số đầu vào lưới điện 3 pha
Tần số đầu vào lưới điện 3 pha

Sau khi đi qua bộ chỉnh lưu gồm 6 Diode, điện áp DC vẫn bị gợn sóng như hình vẽ dưới đây:

Tần số điện khi đi qua bộ chỉnh lưu
Tần số điện khi đi qua bộ chỉnh lưu

Muốn đầu ra điện áp DC được phẳng hoàn toàn, bộ lọc L và C của biến tần sẽ san phẳng điện áp trở thành điện áp DC chuẩn.

Tần số điện áp sau khi đi qua bộ lọc phẳng
Tần số điện áp sau khi đi qua bộ lọc

Nhưng vì động cơ là không đồng bộ 3 pha nên điện áp đầu ra phải là điện áp 3 pha hình Sin. Chính vì thế điện áp phải đi qua khối thứ 3 đó là khối nghịch lưu.

Khối nghịch lưu gồm 6 IGBT sử dụng phương pháp PWM để điều chế độ rộng xung.

Phương pháp này còn được gọi là pump áp ở tần số cao. Tần số này càng lớn thì điện áp đầu ra càng mịn. Điện áp đầu ra sau khi đi qua bộ nghịch lưu sẽ có dạng hình Sin như dưới đây:

Tần số điiện áp qua bộ nghịch lưu
Tần số điiện áp qua bộ nghịch lưu

Thông thường, một động cơ có hai chế độ làm việc:

  • Chế độ máy phát: Động cơ đóng vai trò như một máy phát sẽ phát điện áp ngược lại vào điện lưới, lúc này 6 chiếc Diode mắc song song với IGBT trong bộ chỉnh lưu giúp điện áp được lưu thông và quay trở lại tụ C và tích điện tại đây. Nếu không có 6 chiếc Diot này thì năng lượng điện sẽ không được giải phóng và đi vào IGBT làm chết IGBT.
  • Chế độ động cơ: Lượng điện áp đi vào bộ chỉnh lưu thông qua IGBT sẽ cấp hết vào động cơ để tiêu thụ hết lượng điện đó.

Tham khảo cách cài đặt biến tần.

Biến tần có ứng dụng gì trong các ngành công nghiệp?

Biến tần ngày nay đã trở nên rất phổ biến không chỉ với các thiết bị điện gia dụng mà còn trong các ngành công nghiệp do các tác dụng hữu ích của nó.

Lợi ích của biến tần trong công nghiệp

1. Làm tăng năng suất hoạt động của thiết bị máy móc

Biến tần vừa cung cấp nguồn điện liên tục cho các thiết bị điện công nghiệp vừa làm tăng khả năng chịu tải của nguồn điện, từ đó làm tăng năng suất của dây chuyền sản xuất và tăng doanh thu cho ngành.

2. Giúp giảm thiểu thời gian chết trong hoạt động sản xuất

Do tính năng tích trữ được nguồn điện, khi xảy ra sự cố mất điện, biến tần vẫn có thể tiếp tục cấp điện cho các thiết bị điện tránh cho việc sản xuất bị đình trệ. Việc cung cấp điện áp liên tục cũng giúp bảo vệ các thiết bị điện khỏi bị hư hại cháy nổ.

3. Dễ dàng lắp đặt thay thế thiết bị máy móc công nghiệp

Nhờ có biến tần công nghiệp, công việc thay thế bảo trì các thành phần máy móc mà không cần tắt toàn bộ hệ thống. Các biến tần cũng có thể hoán đổi cho nhau khi đang sử dụng. Điều này giúp hoạt động sản xuất không bị ngừng trệ.

4. Tự động hóa quy trình sản xuất

Một lợi ích to lớn mà biến tần mang lại là có thể điều khiển được tốc độ của máy móc để không bị dừng hoặc chạy đột ngột, điều này giúp cho dây chuyền sản xuất diễn ra một cách tự động theo cài đặt từ trước trên biến tần. Sự tự động hóa cũng làm tiết kiệm chi phí nhân công cũng như làm giảm rủi ro không đáng có liên quan đến con người và máy móc. Xem lại ví dụ 2 về biến tần trong băng tải.

Sử dụng biến tần như một giải pháp hữu ích trong các ngành công nghiệp

Giải pháp ứng dụng của biến tần trong công nghiệp
Giải pháp ứng dụng của biến tần trong công nghiệp

Nhờ các lợi ích kể trên, biến tần đã được ứng dụng làm giải pháp trong rất nhiều ngành công nghiệp như: Dệt nhuộm, khai thác mỏ, thực phẩm, thủy sản, bơm cấp nước, nhựa, chế biến gỗ, ngành giấy, xây dựng, xi măng, mía đường, ngành in, chế tạo máy, thép, thiết bị nâng hạ,…

Các giải pháp sử dụng biến tần giúp tự động hóa cho các ngành công nghiệp khiến cho hoạt động sản xuất trở nên đơn giản và tiết kiệm hơn trước rất nhiều.

Ngoài ra, biến tần cũng được ứng dụng nhiều trong cuộc sống, ngay trong các đồ điện gia dụng trong gia đình như điều hòa, máy giặt, hay các UPS (tích điện).

Các tấm năng lượng mặt trời cũng sử dụng biến tần để chuyển đổi đầu ra dòng điện một chiều của tấm pin mặt trời thành dòng điện xoay chiều tần số phù hợp với lưới điện thương mại hoặc thiết bị điện trong gia đình, được gọi là biến tần hòa lưới.

Cách lựa chọn biến tần phù hợp

Khi lựa chọn mua biến tần, bạn cần lưu ý các điều sau:

1. Thông số điện áp đầu vào của biến tần

Biến tần có 2 loại đầu vào là đầu vào 1 pha với điện áp 1pha 110V hoặc 220V, và đầu vào 3 pha có điện áp 3 pha 220V hoặc 480V.

Tùy vào ứng dụng của biến tần mà sử dụng đầu vào khác nhau, với động cơ có dải công suất dưới 15kw nên sử dụng đầu vào 1 pha, với động cơ dải công suất lớn >15kw nên sử dụng đầu vào 3 pha.

2. Thông số công suất của biến tần

Khi lựa chọn biến tần, nên sử dụng loại biến tần có công suất >= 20% công suất tải động cơ. VD: Công suất của động cơ 10kw thì biến tần phải có công suất thấp nhất là 2kw.

3. Chất lượng của biến tần

Quá trình cài đặt hoặc sử dụng biến tần có thể phát sinh ra lỗi, nguyên nhân lỗi biến tần có thể gây ra từ các thông số, thao tác lắp đặt hoặc cũng có thể do chất lượng của chính biến tần đó.

Do đó khi chọn mua biến tần, các bạn nên chọn nhà cung cấp uy tín, có thương hiệu, hoạt động lâu năm trong ngành.

Tham khảo bài viết cách lựa chọn biến tần phù hợp.

Các hãng biến tần phổ biến hiện nay

Hãng biến tần phổ biến hiện nay
Hãng biến tần phổ biến hiện nay

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất biến tần khác nhau như LS, INVT, Siemens, Mitsubishi, Schneider, Panasonic, ABB… Mỗi hãng biến tần đều có ưu và nhược điểm riêng, tùy vào nhu cầu sử dụng và ngân sách mà hãy lựa chọn biến tần phù hợp với ngành của bạn.

Theo Tự động hóa Hưng Thịnh, đơn vị cung cấp giải pháp biến tần lâu năm cho biết có hai hãng biến tần tốt nhất cũng như có độ phổ biến cao nhất tại Việt Nam hiện nay là INVT và Siemens.

Nếu bạn có ngân sách hạn chế và muốn sử dụng biến tần chất lượng tốt có thể cân nhắc lựa chọn INVT, Siemens. Riêng dòng Siemens sẽ thích hợp với dải công suất nhỏ hơn.

Với tầm giá cao hơn chút có thể lựa chọn LS hay Mitsubishi.

Tham khảo bài viết so sánh các hãng biến tần tốt nhất hiện nay.

Kết luận

Như vậy, Tự động hóa Hưng Thịnh đã giới thiệu đến bạn đọc những kiến thức cơ bản về biến tần theo cách đơn giản nhất.

Nếu bạn đang có nhu cầu tìm hiểu các kiến thức về biến tần, hãy theo dõi các bài viết trên trang web của chúng tôi để cập nhật các thông tin mới nhất.

Hưng Thịnh

Hưng Thịnh

Với hơn 15 năm hoạt động trong lĩnh vực cung cấp vật tư thiết bị điện công nghiệp và dịch vụ Sửa chữa – Cứu hộ cho các nhà máy, khu công nghiệp. Công ty Tự động hóa Hưng Thịnh trở thành nhà phân phối chính của hãng Biến tần INVT, Biến tần Siemens – Tích hợp giải pháp tự động hóa.

Chia sẻ bài viết

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on email

Bạn đang cần tư vấn?

Đăng ký nhận thông tin và giải pháp miễn phí

Scroll to Top