Toàn tập về biến tần 1 ra 3 pha: nguyên lí, phân loại, cách chọn,..

Biến tần 1 ra 3 pha là thiết bị điện tử công suất cho phép vận hành các động cơ 3 pha từ nguồn điện 1 pha. Đây là giải pháp quan trọng cho các khu vực chỉ có điện 1 pha (thường là khu dân cư hoặc vùng nông thôn) nhưng cần sử dụng thiết bị công nghiệp 3 pha.

Nguyên lý hoạt động và công nghệ

1. Giai đoạn chỉnh lưu: Chuyển đổi điện xoay chiều 1 pha thành điện một chiều
2. Mạch DC-Bus: Làm mượt và ổn định điện áp DC bằng tụ lọc và cuộn cảm
3. Giai đoạn nghịch lưu: Sử dụng công nghệ PWM (Pulse Width Modulation) để tạo ra 3 dòng điện xoay chiều với độ lệch pha 120°
4. Bộ điều khiển: Sử dụng vi điều khiển hoặc DSP để tạo xung điều khiển cho IGBT/MOSFET

Công nghệ điều chế xung có độ rộng (PWM) của các nhà sản xuất hàng đầu như ABB và Siemens đạt tần số sóng mang lên đến 16kHz, giúp tạo ra dạng sóng sin gần như hoàn hảo, theo tài liệu kỹ thuật của các hãng này.

Thành phần và mạch điện chính

1. Cầu chỉnh lưu: Thường sử dụng diode hoặc thyristor
2. DC-link: Gồm tụ điện lớn (thường từ 100μF đến vài nghìn μF) và cuộn cảm
3. Module IGBT: Transistor bipolar cổng cách ly, thành phần chính trong khối nghịch lưu
4. Vi điều khiển: Thường sử dụng ARM Cortex, TI DSP hoặc FPGA
5. Mạch lọc EMI: Giảm nhiễu điện từ
6. Hệ thống làm mát: Quạt hoặc tản nhiệt
7. Giao diện người dùng: Màn hình LCD/LED và bàn phím

Theo tài liệu từ Power Electronics Journal, các IGBT hiện đại trong biến tần có thể đạt tần số đóng cắt lên đến 150kHz và chịu được điện áp đến 1700V.

Tiêu chí lựa chọn

Công suất yêu cầu: Chọn công suất bằng hoặc lớn hơn 1 cấp so với tải

Điện áp đầu ra: Kiểm tra điện áp đầu ra 3 pha là 220V hay 380V

Xem thêm: Sản phẩm biến tần 1 pha ra 3 pha 220V và biến tần biến tần 1 pha ra 3 pha 380V

Dòng khởi động: Dù công suất định mức nhỏ, nhưng có thể cần dòng khởi động rất lớn với các thiết nặng nề như quạt trần cánh dài.  Nếu dòng khởi động lớn, cần chọn biến tần có công  suất cao hơn định mức tới 2 hoặc 3 cấp.

Môi trường hoạt động:

• Nhiệt độ: Thường từ -10°C đến 40°C (VFD giảm công suất khi nhiệt độ >40°C)
• Độ ẩm: Thường <95% không ngưng tụ

Tính năng bảo vệ: bảo vệ quá áp, thấp áp; bảo vệ quá dòng; bảo vệ quá nhiệt; bảo vệ mất pha

Hướng dẫn lắp đặt

1. Vị trí lắp đặt:
   • Đặt trong tủ điện có IP54 trở lên nếu môi trường có bụi/ẩm
   • Đảm bảo không gian thông thoáng xung quanh (thường 100mm về các phía)
   • Tránh nguồn nhiệt và từ trường mạnh
2. Đấu nối nguồn và đất:
   • Sử dụng cáp nguồn đủ tiết diện (tham khảo bảng tiết diện dây theo công suất)
   • Đảm bảo nối đất có điện trở <4 Ohm
   • Sử dụng cầu chì hoặc CB đầu vào phù hợp
3. Đấu nối động cơ:
   • Sử dụng cáp có vỏ bọc (shielded cable) cho đường ra động cơ
   • Giữ khoảng cách giữa cáp điều khiển và cáp động lực
   • Không lắp contactor giữa biến tần và động cơ
4. Giảm nhiễu:
   • Lắp đặt bộ lọc EMI/RFI ở đầu vào
   • Sử dụng cuộn kháng đầu vào nếu nguồn điện không ổn định
   • Sử dụng cuộn kháng đầu ra nếu cáp động cơ dài >50m

Ứng dụng thực tế

Trong công nghiệp nhỏ và vừa

1. Máy công cụ: Máy phay, tiện, khoan CNC
2. Máy nén khí: Tiết kiệm 25-40% điện năng so với động cơ không biến tần
3. Máy bơm và quạt công nghiệp: Kiểm soát lưu lượng chính xác
4. Hệ thống làm lạnh: Điều khiển chính xác nhiệt độ

Trong nông nghiệp

• Hệ thống tưới tiêu: Kiểm soát áp suất nước tối ưu, dùng chạy bơm 3 pha công suất lớn khi không có nguồn điện 3 pha
• Máy sấy nông sản: Điều khiển nhiệt độ và tốc độ quạt
• Hệ thống cho ăn tự động: Điều khiển tốc độ và khối lượng
• Máy chế biến nông sản: Điều khiển tốc độ băng tải, dao cắt
• Thông gió, giảm nhiệt: Chỉnh tốc độ quạt dựa vào cảm biến nhiệt độ, đảm bảo ổn định nhiệt độ và tiết kiệm điện

Trong các xưởng sửa chữa

1. Máy nén khí: Duy trì áp suất ổn định
2. Thiết bị nâng hạ: Điều khiển tốc độ và mô-men

Hiệu suất và các chỉ số đánh giá

Chỉ số hiệu suất chính

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng: VFD: Thường đạt 80%

Cân bằng pha:

• Chênh lệch điện áp giữa các pha: Lý tưởng <3%
• Chênh lệch dòng điện giữa các pha: Lý tưởng <5%

Độ méo sóng hài (THD):

• VFD không có bộ lọc: Có thể tạo THD 30-80%
• VFD có bộ lọc: Thường giảm THD xuống <5%
• Rotary: Thường có THD <10%

Hệ số công suất:

• VFD hiện đại: Thường >0.95
• Rotary: Thường 0.7-0.85
• Static: Thường <0.7

Tiêu chuẩn quốc tế

• IEC 61800-3: Tiêu chuẩn về EMC cho hệ thống truyền động điện tử
• IEEE 519: Giới hạn sóng hài trong hệ thống điện
• UL 508C: Tiêu chuẩn an toàn cho thiết bị điều khiển động cơ

Theo ABB Technical Journal, biến tần VFD hiện đại với công nghệ Active Front End có thể đạt hệ số công suất >0.98 và THD <3.5%, vượt xa các yêu cầu của tiêu chuẩn IEEE 519.

Xử lý sự cố thường gặp

Theo Electrical Apparatus Service Association (EASA), 60% sự cố của biến tần VFD liên quan đến vấn đề làm mát và 25% liên quan đến các vấn đề về kết nối.

Xu hướng phát triển

Công nghệ mới trong biến tần 1 ra 3 pha

1. Bán dẫn công suất thế hệ mới:
   • SiC (Silicon Carbide) MOSFET: Giảm 50-80% tổn thất so với IGBT silicon
   • GaN (Gallium Nitride) FET: Cho phép tần số đóng cắt cao hơn, giảm kích thước
2. Thuật toán điều khiển tiên tiến:
   • Điều khiển vector không cảm biến tiên tiến
   • Điều khiển dựa trên AI và deep learning
   • Auto-tuning nâng cao cho động cơ
3. Kết nối IoT và công nghiệp 4.0:
   • Giám sát từ xa qua cloud
   • Dự đoán bảo trì (predictive maintenance)
   • Tự động tối ưu hóa vận hành
4. Thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả:
   • Giảm kích thước 30-50% với công suất tương đương
   • Tăng mật độ công suất (W/cm³)
   • Giảm nhiệt sinh ra nhờ công nghệ mới