Biến tần (Variable Frequency Drive – biến tần ) là thiết bị quan trọng trong công nghiệp, giúp điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện bằng cách thay đổi tần số và điện áp của dòng điện đầu ra.
Bài viết này giải thích chi tiết cách biến tần hoạt động thông qua ba giai đoạn chính (chỉnh lưu, lưu trữ/làm mịn, nghịch lưu) và cách các bộ phận trong biến tần phối hợp để đạt được mục tiêu: điều chỉnh tần số và điện áp, từ đó kiểm soát tốc độ động cơ.
Biến tần hoạt động như thế nào? #
Mục tiêu chính của biến tần là kiểm soát tốc độ động cơ điện xoay chiều (AC) bằng cách điều chỉnh tần số và điện áp của dòng điện cung cấp. Tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tần số theo công thức:
Tốc độ động cơ (RPM) = (120 × Tần số) / Số cực từ của động cơ
Ví dụ: Nếu tần số giảm từ 50 Hz xuống 25 Hz, tốc độ động cơ sẽ giảm một nửa. Tuy nhiên, để động cơ hoạt động hiệu quả, điện áp cũng cần được điều chỉnh đồng bộ với tần số theo tỷ lệ Volts per Hertz (V/Hz), tránh quá nhiệt hoặc mất mô-men xoắn.
Biến tần đạt được mục tiêu này thông qua ba giai đoạn: chỉnh lưu, lưu trữ/làm mịn (DC bus), và nghịch lưu. Mỗi giai đoạn sử dụng các bộ phận cụ thể để chuyển đổi và điều chỉnh dòng điện, cuối cùng tạo ra dòng điện đầu ra với tần số và điện áp phù hợp.
Giai đoạn 1: Chỉnh lưu (Rectification) – Chuyển AC thành DC #
Mô tả:
Biến tần nhận dòng điện xoay chiều (AC) từ nguồn điện lưới (thường 50 Hz hoặc 60 Hz, ví dụ: 220V/50Hz ở Việt Nam). Bộ chỉnh lưu sử dụng các diode hoặc thyristor, chuyển đổi dòng AC (luôn đổi chiều) thành dòng điện một chiều (DC).
- Bộ phận chính: Bộ chỉnh lưu ba pha (three-phase bridge rectifier), gồm 6 diode sắp xếp thành cầu, đảm bảo chuyển đổi hiệu quả cho các ứng dụng công nghiệp.
- Vai trò: Tạo ra dòng DC, là nền tảng để biến tần điều chỉnh tần số và điện áp ở các giai đoạn sau. Dòng AC cố định từ lưới không thể thay đổi tần số trực tiếp, nên chuyển thành DC là bước bắt buộc.
- Kết quả: Dòng DC thô, vẫn còn gợn sóng (ripple), được chuyển sang giai đoạn tiếp theo.
Liên quan đến mục tiêu:
Giai đoạn này không trực tiếp điều chỉnh tần số hay điện áp, nhưng cung cấp dòng DC cần thiết để bộ nghịch lưu (giai đoạn 3) tạo ra dòng AC với tần số và điện áp tùy chỉnh.
Giai đoạn 2: Lưu trữ và làm mịn (DC Bus) – Ổn định dòng DC #
Mô tả:
Dòng DC từ bộ chỉnh lưu được đưa vào DC bus, nơi các tụ điện thực hiện vai trò lọc và làm mịn, loại bỏ gợn sóng để tạo ra nguồn điện DC ổn định.
- Bộ phận chính: Tụ điện trong DC bus, hoạt động như “bể chứa” năng lượng, lưu trữ và ổn định dòng DC.
- Vai trò: Đảm bảo dòng DC mượt mà, không bị gián đoạn, để bộ nghịch lưu hoạt động chính xác. Một dòng DC không ổn định sẽ gây ra dòng AC đầu ra không đều, làm động cơ rung hoặc hỏng.
- Kết quả: Dòng DC ổn định, sẵn sàng cho giai đoạn nghịch lưu.
Liên quan đến mục tiêu:
DC bus gián tiếp hỗ trợ điều chỉnh tần số và điện áp bằng cách cung cấp nguồn DC chất lượng cao cho bộ nghịch lưu, nơi thực hiện việc thay đổi tần số và điện áp.
Giai đoạn 3: Nghịch lưu (Inversion) – Tạo dòng AC và điều chỉnh tần số/điện áp #
Mô tả:
Đây là giai đoạn cốt lõi, nơi biến tần chuyển đổi dòng DC từ DC bus trở lại thành dòng điện xoay chiều (AC) với tần số và điện áp có thể điều chỉnh, cung cấp cho động cơ. Bộ nghịch lưu sử dụng transistor lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) và kỹ thuật điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) để đạt được điều này.
- Bộ phận chính:
- IGBT: Các transistor này bật/tắt nhanh để tạo ra dòng AC từ dòng DC. Tốc độ bật/tắt và thời gian mỗi xung quyết định tần số và điện áp của dòng AC đầu ra.
- Bộ điều khiển (microcontroller/DSP): Lập trình và điều khiển IGBT, đảm bảo tần số và điện áp đầu ra phù hợp với yêu cầu tốc độ động cơ.
- Cách PWM hoạt động:
- PWM tạo ra các xung điện áp có độ rộng thay đổi, mô phỏng sóng sin. Bằng cách điều chỉnh tần số bật/tắt của IGBT (từ vài kHz đến hàng chục kHz) và độ rộng xung, biến tần thay đổi tần số (0 Hz đến vài trăm Hz) và điện áp đầu ra.
- Ví dụ: Để động cơ chạy ở tốc độ thấp, biến tần giảm tần số xuống 20 Hz và điện áp xuống (theo tỷ lệ V/Hz, ví dụ: 160V nếu tỷ lệ là 8 V/Hz). Để tăng tốc, biến tần tăng tần số lên 60 Hz và điện áp lên 480V.
- Vai trò: Tạo dòng AC với tần số và điện áp chính xác, trực tiếp kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.
- Kết quả: Động cơ nhận dòng AC phù hợp, chạy mượt mà ở tốc độ mong muốn, tiết kiệm năng lượng và giảm căng thẳng cơ học.
Liên quan đến mục tiêu:
Bộ nghịch lưu (với IGBT và PWM) là bộ phận chính chịu trách nhiệm điều chỉnh tần số và điện áp. Nó quyết định tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số và duy trì hiệu suất động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp theo tỷ lệ V/Hz.
Tỷ Lệ V/Hz: Chìa Khóa Điều Chỉnh Tần Số và Điện Áp #
Để động cơ hoạt động hiệu quả ở mọi tốc độ, biến tần duy trì tỷ lệ điện áp trên tần số (V/Hz) cố định. Ví dụ, với nguồn điện 3 pha 400V/50Hz, tỷ lệ V/Hz là 8 V/Hz. Khi biến tần thay đổi tần số, điện áp cũng thay đổi tương ứng:
- Tần số 25 Hz: Điện áp giảm xuống 200V (25 × 8 = 200V) để động cơ chạy chậm mà không quá nhiệt.
Bộ phận thực hiện: Bộ điều khiển trong bộ nghịch lưu tính toán và điều chỉnh tỷ lệ V/Hz dựa trên yêu cầu tốc độ, đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và hiệu quả.
Minh họa thực tế #
Hãy tưởng tượng bạn điều khiển một máy bơm nước:
- Khi nhu cầu nước thấp (ban đêm), biến tần giảm tần số xuống 20 Hz và điện áp xuống 160V. Máy bơm quay chậm, tiết kiệm điện và giảm hao mòn.
- Khi nhu cầu nước cao (ban ngày), biến tần tăng tần số lên 50 Hz và điện áp lên 400V. Máy bơm quay nhanh, đáp ứng đủ lưu lượng nước.
Bộ phận then chốt: Bộ nghịch lưu, với IGBT và PWM, thực hiện việc thay đổi tần số/điện áp, giúp máy bơm đạt tốc độ mong muốn.
Tóm tắt #
Tóm Tắt Cách biến tần Điều Chỉnh Dòng Điện Đầu Ra #
- Chỉnh lưu: Bộ chỉnh lưu (diode/thyristor) chuyển AC thành DC, cung cấp nguyên liệu cho quá trình điều chỉnh.
- Làm mịn: DC bus (tụ điện) ổn định dòng DC, đảm bảo chất lượng cho bộ nghịch lưu.
- Nghịch lưu: Bộ nghịch lưu (IGBT, PWM, bộ điều khiển) tạo dòng AC với tần số và điện áp biến đổi, trực tiếp điều chỉnh tốc độ động cơ.
- Tỷ lệ V/Hz: Bộ điều khiển trong bộ nghịch lưu duy trì tỷ lệ V/Hz, đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả ở mọi tốc độ.
Bộ phận đạt mục tiêu điều chỉnh tần số và điện áp: #
- Bộ nghịch lưu (IGBT và PWM): Tạo dòng AC với tần số và điện áp tùy chỉnh.
- Bộ điều khiển: Lập trình và giám sát tỷ lệ V/Hz, đảm bảo tốc độ động cơ chính xác và hiệu suất tối ưu.
