Biến tần là? Tại sao phải dùng biến tần trong sản xuất

Biến tần là gì ?

Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. Biến tần được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp để điều khiển tốc độ động cơ, đảo chiều quay, giảm dòng khởi động, giảm độ rung và tiết kiệm năng lượng.

Hình ảnh: Biến tần IG5A của hãng LS

Nói cách khác:

Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ. Các biến tần có thể điều chỉnh tốc độ động cơ từ chậm đến nhanh tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, giúp cho động cơ hoạt động hiệu quả hơn.

Có nhiều loại biến tần như: Biến tần AC, biến tần DC; biến tần 1 pha 220V, biến tần 3 pha 220V, biến tần 3 pha 380V, biến tần 3 pha 660V, biến tần trung thế... Bên cạnh các dòng biến tần đa năng, các hãng cũng sản xuất các dòng biến tần chuyên dụng: biến tần chuyên dùng cho bơm, quạt; biến tần chuyên dùng cho nâng hạ, cẩu trục; biến tần chuyên dùng cho thang máy; biến tần chuyên dùng cho hệ thống HVAC;...

Trong hệ thống năng lượng mặt trời, biến tần đảm nhiệm vai trò là thiết bị để điều chỉnh điện áp và tần số cho các thiết bị lưu trữ năng lượng hòa vào lưới điện, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Đây là loại biến tần được thiết kế chuyên dụng cho năng lượng mặt trời. Bài viết này chỉ đề cập đến biến tần sử dụng cho động cơ là loại biến tần phổ biến nhất trên thị trường hiện nay.

Tại sao phải sử dụng Biến tần?

Hình ảnh: Công thức về tốc độ động cơ xoay chiều

Từ công thức trên chúng ta thấy để thay đổi được tốc độ động cơ có 3 phương pháp:

1.    Thay đổi số cực động cơ P

2.    Thay đổi hệ số trượt s

3.    Thay đổi tần số f của điện áp đầu vào

Trong đó 2 phương pháp đầu khó thực hiện và không mang lại hiệu quả cao. Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số là phương pháp hiệu quả nhất. Biến tần là thiết bị dùng để thay đổi tần số của nguồn cung cấp đặt lên động cơ qua đó thay đổi tốc độ động cơ.

Biến tần có thể thay đổi tần số từ 0Hz đến 400Hz (một số dòng biến tần điều chỉnh tới 590Hz hoặc cao hơn). Chính vì vậy có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn bình thường so với chạy tần số 50Hz. Đối với các động cơ phổ thông thường cài đặt biến tần cho phép điều chỉnh tần số từ 0Hz - 60Hz.

Cấu tạo của Biến tần:

Mỗi loại biến tần có cấu tạo khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển. Các thành phần chính của biến tần được thiết kế để hoạt động ổn định và bền bỉ trong môi trường công nghiệp. Cấu tạo của biến tần thường bao gồm các thành phần chính sau:

- Mạch nguồn: cung cấp điện năng cho toàn bộ biến tần.

- Mạch điều khiển: là trung tâm điều khiển của biến tần, nơi thực hiện chức năng điều khiển, lập trình và bảo vệ.

- Mạch chuyển đổi tần số: là mạch chính của biến tần, thực hiện chức năng biến đổi tần số dòng điện đầu vào 50Hz thành tần số dòng điện đầu ra điều chỉnh được từ 0 đến 400Hz. Mạch chính bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu IGBT.

- Mạch bảo vệ: bao gồm các thiết bị bảo vệ quá tải, bảo vệ quá dòng, bảo vệ các sự cố điện có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của hệ thống.

- Màn hình - bàn phím: được sử dụng để thực hiện các thao tác giám sát, cài đặt và điều khiển từ người vận hành.

- Ngoài ra biến tần còn có thể được tích hợp: module truyền thông, bộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, điện trở hãm (điện trở xả),...

Hình ảnh: Sơ đồ mạch điện của biến tần.

Nguyên lý hoạt động của Biến tần:

- Đầu tiên, biến tần nhận nguồn đầu vào từ nguồn cung cấp điện. Tùy từng loại biến tần, nguồn điện đầu vào có thể là nguồn 1 pha hoặc 3 pha, nhưng nó sẽ ở mức điện áp và tần số cố định (ví dụ nguồn đầu vào 3 pha 380V tần số 50Hz). Nguồn điện này được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Tụ điện có chức năng lưu trữ điện năng của biến tần.

- Tiếp theo, điện áp 1 chiều trong tụ điện sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này được thực hiện thông qua quá trình tự kích hoạt thích hợp, bộ biến đổi IGBT (viết tắt của tranzito lưỡng cực 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) sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.

- Tần số của tín hiệu đầu ra sẽ tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển và các tham số được lập trình sẵn trong biến tần. Người vận hành có thể cài đặt trước chế độ hoạt động hoặc điều khiển trực tiếp biến tần.

- Trong quá trình hoạt động, biến tần sẽ phát hiện các sự cố như quá tải, quá áp, sụt áp, mất pha,... biến tần đưa ra cảnh báo các lỗi nhẹ và có thể ngừng cấp điện cho động cơ nếu phát hiện các lỗi nghiêm trọng để tránh gây hư hại cho hệ thống.

Hình ảnh: Biến đổi điện áp/tần số qua biến tần

Lợi ích của việc sử dụng Biến tần:

- Điều khiển tốc độ động cơ: Biến tần giúp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh tần số đầu vào. Điều này cho phép tăng độ chính xác và linh hoạt trong điều khiển tốc độ của máy móc, dây truyền sản xuất.

- Đảo chiều quay động cơ: có thể cài đặt sẵn khi máy chạy hết hành trình, khi gặp sự cố cần phải đảo chiều hoặc điều khiển trực tiếp.

- Bảo vệ động cơ: biến tần có thiết bị điện tử giám sát và đưa ra cảnh báo hoặc dừng cấp điện cho động cơ khi gặp các sự cố như quá tải, quá áp, sụt áp, mất pha,... tạo ra một hệ thống an toàn khi vận hành.

- Giảm dòng khởi động so với phương pháp khởi động trực tiếp, khởi động sao-tam giác nên không gây ra sụt áp hoặc khó khởi động.

- Biến tần được tích hợp các module truyền thông giúp cho việc điều khiển và giám sát từ trung tâm rất dễ dàng.

- Quá trình khởi động thông qua biến tần từ tốc độ thấp giúp cho động cơ mang tải lớn không phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần cơ khí, ổ trục, tăng tuổi thọ động cơ.

- Sử dụng biến tần giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể so với phương pháp chạy động cơ trực tiếp.

- Nhờ nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode và tụ điện nên công suất phản kháng từ động cơ rất thấp, do đó giảm được dòng đáng kể trong quá trình hoạt động, giảm chi phí trong lắp đặt tụ bù, giảm thiểu hao hụt điện năng trên đường dây.

- Biến tần giúp tăng tuổi thọ động cơ, giảm chi phí bảo trì động cơ do động cơ không bị quá tải và không hoạt động ở công suất tối đa trong suốt thời gian dài.

- Giảm độ ồn và độ rung của động cơ, cải thiện môi trường làm việc và giảm ảnh hưởng đến sức khỏe của người lao động.

Ứng dụng Biến tần:

Do ưu điểm vượt trội nên biến tần được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp và dân dụng, đặc biệt là trong công nghiệp. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến không thể thiếu biến tần: Bơm nước, quạt hút/đẩy, máy nén khí, băng tải, thiết bị nâng hạ, máy cán kéo, máy ép phun, máy cuốn/nhả, thang máy, hệ thống HVAC, máy trộn, máy quay ly tâm, cải thiện khả năng điều khiển của các hộp số, thay thế cho việc sử dụng cơ cấu điều khiển vô cấp truyền thống trong máy công tác,...

Hình ảnh: Một số ứng dụng của biến tần Mitsubishi

Hướng dẫn chọn Biến tần:

Lựa chọn biến tần phù hợp với ứng dụng cụ thể là rất quan trọng để đảm bảo độ bền, độ ổn định và hiệu suất của hệ thống. Trong nhiều trường hợp chọn sai biến tần khi hoạt động có thể bị lỗi không chạy được, chọn biến tần quá dư công suất gây lãng phí.

Chọn biến tần cần phải căn cứ vào các yếu tố sau:

1/ Điện áp của biến tần:

- Chọn biến tần có điện áp đầu vào phù hợp với điện áp của hệ thống. Ví dụ: hệ thống có nguồn điện 3 pha 380V thì phải chọn biến tần đầu vào 3 pha 380V.

- Chọn biến tần có điện áp đầu ra phù hợp với điện áp của động cơ.

2/ Thông số của động cơ:

Hình ảnh: Thông số động cơ được ghi trên mác gắn ở thân động cơ

Khi chọn biến tần cần chú ý 3 thông số trong bảng thông số động cơ là điện áp, công suất và dòng điện.

Động cơ 3 pha thường có các loại 127/220V, 220/380V, 380/660V. Trong đó thông dụng nhất là động cơ 3 pha 220/380V.

- Động cơ 3 pha 127/220V đấu sao để sử dụng nguồn 3 pha 220V có thể dùng 2 loại biến tần. Nếu có nguồn vào 3 pha 220V thì chọn biến tần vào 3 pha 220V ra 3 pha 220V. Nếu chỉ có nguồn 1 pha thì chọn biến tần vào 1 pha 220V ra 3 pha 220V (biến tần loại này chỉ có công suất nhỏ tới vài kW).

- Động cơ 3 pha 220/380V đấu tam giác để sử dụng nguồn 3 pha 220V có thể dùng 2 loại biến tần như trên.

- Động cơ 3 pha 220/380V đấu sao để sử dụng nguồn 3 pha 380V dùng biến tần vào 3 pha 380V ra 3 pha 380V.

- Động cơ 3 pha 380/660V đấu tam giác để sử dụng nguồn 3 pha 380V dùng biến tần vào 3 pha 380V ra 3 pha 380V.

3/ Loại tải của ứng dụng:

Căn cứ vào đặc tính momen của mỗi loại ứng dụng (loại máy) người ta chia ra 3 loại tải của biến tần là tải nhẹ, tải trung bình và tải nặng.

- Tải nhẹ: các ứng dụng như bơm, quạt chọn dòng biến tần tải nhẹ. Ví dụ biến tần LS là dòng IP5A, H100, biến tần Fuji là dòng eHVAC.

- Tải trung bình: các ứng dụng như máy công cụ, máy ly tâm, băng tải, bơm áp lực,... chọn dòng biến tần tải trung bình. Ví dụ biến tần Fuji là dòng Mini, Ace; biến tần INVT là dòng GD20.

- Tải nặng: các ứng dụng như cẩu trục, nâng hạ, máy cán, máy nghiền,... chọn dòng biến tần tải nặng. Ví dụ biến tần Fuji là dòng Mega, biến tần Mitsubishi là dòng A800.

Khi chọn biến tần cùng loại tải với ứng dụng thì chọn công suất biến tần tối thiểu bằng công suất động cơ.

Lưu ý: biến tần tải nặng hơn dùng tốt cho tải thấp hơn cùng công suất nhưng sẽ gây lãng phí vì giá cao hơn. Trong khi biến tần loại tải nhẹ hơn thì không thể dùng được cho loại tải nặng hơn cùng công suất. Trong một số trường hợp có thể chọn biến tần loại tải thấp hơn có cấp công suất cao hơn để dùng cho tải nặng hơn.

4/ Đặc điểm vận hành:

Chế độ vận hành cũng quyết định rất quan trọng tới việc lựa chọn biến tần.

- Chế độ vận hành ngắn hạn: biến tần điều khiển động cơ tăng tốc, giảm tốc, chạy, dừng, đảo chiều quay liên tục đòi hỏi biến tần có khả năng chịu quá tải cao, có thể phải lắp thêm điện trở xả để bảo vệ biến tần không bị cháy.

- Chế độ vận hành dài hạn: động cơ thường đạt tốc độ ổn định trong thời gian tương đối dài sau khi khởi động như quạt, bơm, băng tải,... 

- Trong điều kiện vận hành khắc nghiệt đòi hỏi phải chọn biến tần có khả năng chịu được quá tải cao, môi trường nhiệt độ cao hơn như các dòng Mega, VG của Fuji, A800 của Mitsubishi.

5/ Module được tính hợp sẵn:

Một số tính năng có thể được tính hợp sẵn trong một số loại biến tần, hoặc phải lắp thêm module ngoài như:

- Màn hình - Bàn phím (bảng điều khiển)

- Module truyền thông

- Điện trở xả được tích hợp sẵn, hoặc bộ điều khiển cho điện trở thắng (Breaking Unit)

- Bộ lọc EMC

6/ Biến tần đa năng hay biến tần chuyên dụng:

Biến tần đa năng là loại biến tần cơ bản có thể dùng được cho nhiều ứng dụng như các dòng biến tần IG5A của LS, Mini của Fuji, D740 của Mitsubishi, GD200A của INVT. 

Ngoài biến tần đa năng, một số hãng chế tạo các dòng biến tần chuyên dụng chỉ dùng cho 1 loại ứng dụng như quạt, máy làm nhang, thang máy,... Loại biến tần này có đặc điểm là tối ưu về hiệu suất và giá thành so với sử dụng biến tần đa năng.

Ví dụ khi chọn biến tần cho thang máy ta sử dụng biến tần Lift của Fuji được thiết kế riêng cho thang máy, biến tần Lift được tích hợp đầy đủ các module mở rộng cho ứng dụng thang máy và đảm bảo hiệu suất tốt nhất.

7/ Chọn hãng sản xuất:

Yếu tố này liên quan đến chi phí đầu tư. Trên thị trường có nhiều hãng sản xuất biến tần. Hầu như các hãng đều có đủ loại biến tần đáp ứng được các yêu cầu sử dụng thực tế trong công nghiệp. Khác nhau ở yếu tố chất lượng (như độ ổn định, độ bền, hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt) do công nghệ sản xuất và khác nhau ở xuất xứ, thương hiệu làm cho giá thành cũng chênh lệch đáng kể.

- Phân khúc biến tần giá trung bình: Sinee, Fuji...

- Phân khúc biến tần giá cao: Yaskawa, ABB, Nidec Control Techniques, Siemens, ...

Sử dụng Biến tần có khó không?

Lắp đặt, cài đặt và vận hành biến tần trong phần lớn các trường hợp rất đơn giản. Biến tần thường được cài đặt qua bảng điều khiển (gồm bàn phím và màn hình hiển thị), một số trường hợp có thể cài đặt từ xa qua máy tính.

Hình ảnh: Bảng điều khiển màn hình LED biến tần Fuji, Bảng điều khiển màn hình LCD biến tần Schneider

Trường hợp 1: Sử dụng biến tần là một thiết bị độc lập điều khiển động cơ cho các ứng dụng như bơm, quạt, máy cuốn, máy khuấy, băng tải, cẩu trục,... có chương trình vận hành đơn giản. Đây là trường hợp phổ biến nhất ở các nhà máy, xưởng sản xuất tại Việt Nam với mức độ tự động hóa chưa cao.

Hình ảnh: Biến tần điều khiển bàn cưa

Lắp đặt mới hoặc thay thế biến tần rất đơn giản, cài đặt biến tần dễ dàng qua bàn phím và màn hình hiển thị. Không cần bạn phải là chuyên viên kỹ thuật cũng có thể thao tác được. Mặc dù hầu hết tài liệu hướng dẫn sử dụng biến tần là tiếng Anh, nhiều ký hiệu cũng như thuật ngữ chuyên môn không dễ đọc hiểu nhưng bạn có thể không cần quan tâm đến chúng. Bạn sẽ được các kỹ thuật viên của nhà cung cấp hướng dẫn từng bước cài đặt và vận hành trực tiếp hoặc qua điện thoại rất đơn giản.

Các ứng dụng này thường chỉ cần cài đặt một số chức năng cơ bản như: bặt tắt bằng nút nhấn, điều khiển động cơ chạy thuận nghịch, thay đổi tốc độ bằng biến trở, thay đổi các cấp tốc độ, đặt thời gian tăng giảm tốc,... Nếu bạn là người mua biến tần tự lắp đặt thì bạn hoàn toàn có thể tự cài đặt các chức năng này thông qua sự hướng dẫn của kỹ thuật viên qua điện thoại, hoặc bạn có thể yêu cầu kỹ thuật viên cài đặt biến tần cho bạn trước khi giao hàng.

Trường hợp 2: Biến tần điều khiển động cơ cho máy chuyên dụng như máy sản xuất nhựa, máy giặt, máy công cụ,... những loại máy có chương trình vận hành đặc thù, phức tạp, có phản hồi vòng kín, biến tần được điều khiển từ bộ xử lý trung tâm của máy mà chỉ có bên chế tạo ra máy đó mới hiểu rõ. Vấn đề ở đây là kỹ thuật viên sẽ không biết phải cài đặt thông số gì cho biến tần để máy hoạt động tạo ra sản phẩm đúng yêu cầu. Khi biến tần của những máy này bị hỏng cần thay thế biến tần mới thì việc cài đặt thường không dễ thực hiện.

Trường hợp 3: Sử dụng biến tần kết nối truyền thông trong hệ thống điều khiển giám sát từ xa thông qua PLC, máy tính công nghiệp thường gặp trong các nhà máy lớn có mức độ tự động hóa cao như xi măng, hóa dầu, ô tô,... thường đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ cao và am hiểu hệ thống mới có thể thực hiện được.