Biến tần là gì? Tìm hiểu công dụng, cấu tạo, và nguyên lý làm việc

Biến tần là gì? Nó hoạt động như thế nào và mang lại những lợi ích gì cho người sử dụng? Bài viết này Cơ Khí P69 sẽ cung cấp cho bạn những thông tin chi tiết về chúng, giúp bạn hiểu rõ hơn về thiết bị quan trọng này.

1. Biến tần là gì?

Biến tần, hay còn gọi là bộ điều khiển động cơ AC, là thiết bị điện tử với khả năng biến đổi dòng điện xoay chiều AC từ một tần số nhất định sang một tần số khác. Nhờ vậy, nó giúp điều khiển tốc độ, mô-men xoắn và hướng quay của động cơ AC một cách linh hoạt và chính xác, mang lại nhiều lợi ích cho các ứng dụng trong sản xuất và đời sống.

Thiết bị này được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp để kiểm soát tốc độ của động cơ, giảm dòng điện khởi động hoặc đảo ngược hướng quay, hạn chế độ rung và tiết kiệm năng lượng. Biến tần dựa trên các linh kiện bán dẫn để thực hiện đóng cắt dòng điện vào các cuộn dây động cơ giúp tạo ra từ trường xoay điều khiển động cơ quay.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần

2.1 Cấu tạo

Bộ nguồn cấp: Bộ phận này chịu trách nhiệm cung cấp nguồn điện AC từ mạng điện lưới cho toàn bộ hệ thống. Bộ nguồn cấp thường đi kèm với các thiết bị bảo vệ và lọc nhiễu để bảo vệ mạch biến tần và cải thiện chất lượng nguồn điện.

Bộ điều chỉnh điện áp: Bộ điều chỉnh điện áp chuyển đổi điện áp xoay chiều AC từ nguồn điện lưới thành điện áp DC bằng cách sử dụng các diode hoặc thyristor. Thành phần này còn được gọi là bộ chỉnh lưu.

Bộ lọc DC: Bộ lọc DC sử dụng tụ điện và cuộn cảm để làm giảm mức độ nhiễu và tạo ra một dòng điện DC ổn định để cung cấp cho bộ chuyển đổi DC/AC.

Bộ chuyển đổi DC/AC: Hay còn gọi là bộ biến tần đổi số, gồm các linh kiện bán dẫn như MOSFET, IGBT hoặc GTO để chuyển đổi dòng điện DC ổn định thành dòng điện xoay chiều AC với tần số khác nhau.

Bộ điều khiển: Bộ điều khiển là trung tâm của biến tần, bao gồm vi mạch điều khiển, các cảm biến và giao diện người dùng. Bộ điều khiển tiến hành nhận các tín hiệu đầu vào từ các thiết bị ngoại vi, tiếp đó nó xử lý thông tin và tiến hành đưa ra tín hiệu điều khiển cho bộ chuyển đổi DC/AC nhằm giúp điều chỉnh tốc độ, hướng quay và mô-men xoắn của động cơ.

Bộ điều chỉnh mô-men xoắn và tốc độ: Bộ phận này có vai trò điều chỉnh mô-men xoắn và tốc độ của động cơ dựa trên các tín hiệu đầu mà bộ điều khiển cung cấp và các thông tin từ cảm biến đặt trên động cơ.

Ngoài các bộ phận cơ bản trên còn có các thành phần phụ trợ khác như bộ làm mát, bộ bảo vệ quá áp,…

2.2 Nguyên lý hoạt động

Quá trình hoạt động của bộ điều khiển động cơ AC được thực hiện qua bốn giai đoạn:

Chuyển đổi AC sang DC: Biến tần nhận điện áp AC từ mạng điện lưới thông qua bộ nguồn cấp. Sau đó, bộ chỉnh lưu (rectifier) thực hiện chuyển đổi điện áp AC này thành dòng điện DC bằng cách sử dụng các diode hoặc thyristor.

Lọc và ổn định dòng DC: Dòng điện DC sau khi được chuyển đổi từ AC sẽ chứa các thành phần nhiễu. Bộ lọc DC, bao gồm tụ điện và cuộn cảm, được sử dụng để cung cấp một dòng điện DC ổn định cho bộ chuyển đổi DC/AC.

Chuyển đổi DC sang AC có tần số điều chỉnh: Bước này thực hiện bởi bộ chuyển đổi DC/AC, trong đó các linh kiện bán dẫn như IGBT, MOSFET hoặc GTO được sử dụng để chuyển đổi dòng điện DC ổn định thành dòng điện AC với tần số có thể điều chỉnh.

Điều khiển tốc độ động cơ: Các tín hiệu đầu vào từ các thiết bị ngoại vi và cảm biến trên động cơ được bộ điều khiển tiếp nhận, sau đó tiến hành xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển cho bộ chuyển đổi DC/AC. Dựa vào đó, biến tần tiến hành cung cấp một dòng điện xoay chiều AC với tần số thích hợp để điều chỉnh tốc độ, mô-men xoắn và hướng quay của động cơ, tạo ra một hệ thống điều khiển linh hoạt và hiệu quả.

3. Công dụng của biến tần

Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và dân dụng nhờ vào những lợi ích mà nó mang lại:

Điều chỉnh tốc độ động cơ: Tốc độ của động cơ được biến tần điều chỉnh một cách linh hoạt và chính xác, đáp ứng nhu cầu của nhiều ứng dụng khác nhau. Điều này rất hữu ích trong các ứng dụng cần điều chỉnh tốc độ như băng tải, máy ép, máy khoan, hay trong các hệ thống cần đồng bộ hóa.

Tiết kiệm điện năng: Tiết kiệm điện năng bằng cách điều chỉnh tốc độ động cơ phù hợp với tải, tránh lãng phí năng lượng khi động cơ hoạt động không tải hoặc tải nhẹ.

Bảo vệ động cơ: Bảo vệ động cơ khỏi các hư hỏng do quá tải, quá áp, quá dòng, sụt áp và các vấn đề khác. Bằng cách kiểm soát hiệu quả dòng điện và điện áp đầu ra, thiết bị này giúp kéo dài tuổi thọ và tăng tính ổn định cho động cơ.

Tăng năng suất: Việc điều chỉnh tốc độ động cơ một cách chính xác và tối ưu hóa quy trình sản xuất giúp tăng năng suất lao động. Các quy trình sản xuất có thể được điều chỉnh linh hoạt và phản ứng nhanh chóng theo yêu cầu sản xuất.

Giảm tiếng ồn: Giảm tiếng ồn của động cơ, từ đó tạo ra một môi trường làm việc an toàn và thoải mái hơn cho nhân viên. Đặc biệt, trong các ngành ngành công nghiệp cần yêu cầu yếu tố yên tĩnh như ngành dược phẩm hoặc thực phẩm, việc giảm tiếng ồn là rất quan trọng.

4. Ứng dụng của biến tần

Bộ điều khiển động cơ AC được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, từ dân dụng đến nông nghiệp và hệ thống công trình lớn. Các ứng dụng nổi bật nhất của nó bao gồm:

Bơm và hệ thống cấp nước: Việc lắp đặt biến tần cho máy bơm giúp điều chỉnh lưu lượng nước trong các hệ thống cấp nước cho công trình, tòa nhà hay hệ thống thủy lợi. Từ đó, áp lực và lượng nước cung cấp có thể được kiểm soát linh hoạt và hiệu quả.

Quạt hút và hệ thống thông gió: Được sử dụng để điều chỉnh tốc độ của các quạt hút khói, quạt lò và hệ thống thông gió trong các tòa nhà, nhà máy sản xuất. Việc điều chỉnh tốc độ gió linh hoạt giúp giảm tiêu thụ điện năng và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Máy nén: Lắp đặt thiết bị điều khiển động cơ AC này cho máy nén giúp điều chỉnh hoạt động của máy nén, cung cấp lượng khí phù hợp và giảm tiêu thụ điện năng. Điều này giúp tăng độ bền cho máy và giảm chi phí vận hành.

Băng tải: Được sử dụng để điều chỉnh tốc độ khởi động và dừng của băng tải trong các quy trình sản xuất. Điều này giúp tránh hư hỏng và rơi vỡ hàng hóa do khởi động hoặc dừng quá nhanh.

Cầu trục: Trong các hệ thống cầu trục, biến tần giúp kiểm soát nguồn điện để cầu trục hoạt động một cách an toàn và tiết kiệm năng lượng.

Máy cán: Trong ngành sản xuất thép và cơ khí, nó được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ máy cán một cách chính xác, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Các loại máy quay ly tâm: Được sử dụng để điều chỉnh tốc độ quay của các loại máy quay ly tâm trong ngành công nghiệp sản xuất nguyên liệu, đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt chất lượng mong muốn.

5. Các loại biến tần phổ thông

5.1 Biến tần cho động cơ 1 pha

Biến tần cho động động cơ 1 pha hay được gọi tắt là biến tần 1 pha là thiết bị thay đổi tần số cho ra dòng điện xoay chiều. Loại này có nguồn điện đầu vào cấp cho biến tần chỉ là dòng điện 1 pha (220V) và đầu ra vẫn là đầu ra 3 pha (380V). Thông thường thì loại 1 pha thường đa số là biến tần có điện áp 220V.

Đa số các loại một pha trên thị trường hiện nay đều có đầu ra 3 pha. Tuy nhiên có một số hãng chỉnh sửa board mạch hoặc sử dụng thêm phụ kiện để làm cho biến tần 3 pha này thành loại có đầu ra 1 pha.

5.2 Biến tần cho động cơ 3 pha

Bộ điều khiển động cơ AC cho động cơ 3 pha còn được gọi là biến tần 3 pha là thiết bị sử dụng nguồn điện đầu vào 3 pha có điện áp 220V hoặc 380V, tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ bị thay đổi thông qua thiết bị này.

Loại 3 pha được ứng dụng rộng rãi và phổ biến hơn so với dòng 1 pha bởi vì nó có thể điều khiển hầu hết các loại động cơ điện chuyên dụng trong công nghiệp như: động cơ không đồng bộ 3 pha, động cơ đồng bộ, động cơ tần số thay đổi, động cơ truyền động trực tiếp, động cơ spindle, động cơ servo không đồng bộ (ASM),…

6. Cách lựa chọn biến tần phù hợp

Để lựa chọn được loại biến tần phù hợp giữa đa dạng các mẫu mã trên thị trường hiện nay, cần xác định rõ nhu cầu, mục đích sử dụng và cân đối chi phí.

Xác định loại động cơ và công suất động cơ: Tìm hiểu rõ loại động cơ bạn sử dụng, bao gồm việc đồng bộ hay không đồng bộ, 1 pha hay 3 pha, DC hay AC, và điện áp hoạt động. Công suất của biến tần phải tương đương hoặc lớn hơn công suất của động cơ để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

Xác định yêu cầu ứng dụng: Xác định rõ ứng dụng của biến tần cần chọn và các yêu cầu cụ thể như tốc độ động cơ, tính năng điều khiển, yêu cầu đồng bộ hệ thống, chuẩn truyền thông và môi trường làm việc. Nếu có yêu cầu đặc biệt về biến tần, cần chọn các loại có tính năng phù hợp với yêu cầu đó.

Lựa chọn theo tải thực tế: Xác định loại tải của máy móc, bao gồm tải nhẹ, tải nặng, tải trung bình, chế độ vận hành và tính liên tục. Chọn loại biến tần phù hợp với loại tải và điều kiện vận hành của nó.

Thuận tiện cho hệ thống có sẵn và người lập trình: Chọn sản phẩm dựa trên hệ thống có sẵn và tính thuận tiện trong việc lập trình và điều khiển. Lựa chọn nhà cung cấp có khả năng hỗ trợ lập trình cho các ứng dụng cụ thể của bạn.

Tuân theo thông số kỹ thuật: Chọn loại biến tần dựa trên thông số kỹ thuật của thiết bị cũ (trong trường hợp thay thế) hoặc dựa trên yêu cầu thiết kế cụ thể của bạn.

7. Các hãng sản xuất biến tần nổi tiếng trên thị trường hiện nay

7.1 Biến tần INVT

INVT là tập đoàn công nghệ hàng đầu thế giới trong lĩnh vực sản xuất thiết bị tự động hóa và năng lượng điện. Với 12 trung tâm nghiên cứu và phát triển INVT đã tạo ra hơn 1300 phát minh và 220 bản quyền phần mềm trong lĩnh vực biến tần và tự động hóa, năng lượng tái tạo.

INVT cung cấp một loạt các dòng biến tần, từ đa năng đến chuyên dụng. Với dải điện áp từ 220V đến 10kV và công suất từ 0.4kW đến 10.000kW, các sản phẩm của họ có khả năng điều khiển động cơ đồng bộ, động cơ không đồng bộ và servo. Đặc biệt, các biến tần này tích hợp nhiều tính năng cao cấp, thông minh, có hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng.

7.2 Biến tần Siemens

Siemens là nhà sản xuất đến từ Đức, là đơn vị hàng đầu về công nghệ truyền động điện. Đồng thời, Siemens cũng là đơn vị tiên phong trong các giải pháp về tự động hóa, truyền động học, cơ sở hạ tầng và lĩnh vực phần mềm. Với công nghệ chuyển đổi tần số SINAMICS, biến tần Siemens có thể sử dụng cho từng ứng dụng trong tự động hóa – điện áp thấp, điện áp trung bình hay DC. Loại biến tần này có thể sử dụng để điều khiển động cơ đồng bộ cũng như động cơ cảm ứng tùy theo đặc tính của máy.

Các dòng biến tần tiêu chuẩn Siemens được sản xuất trên dây chuyền và tiêu chuẩn chất lượng châu Âu, có độ tin cậy cao. Với các mẫu mã đa dạng có thể điều khiển tác vụ từ cơ bản đến trung bình, thiết kế phần cứng và chức năng được sắp xếp hợp lý nên đây là một trong các hãng biến tần được ứng dụng nhiều trong các nhà máy xí nghiệp.

7.3 Biến tần Schneider Electric

Schneider Electric là tập đoàn toàn cầu có trụ sở tại Pháp, đây cũng là đơn vị tiên phong trong hoạt động số hóa quản lý năng lượng và tự động hóa với mục tiêu phát triển bền vững và hiệu quả. Thương hiệu này đã có hành trình hơn 180 năm hình thành và phát triển.

Biến tần schneider có khả năng tiết kiệm điện một cách đáng kể cùng với hiệu suất chuyển đổi nguồn cao nhờ có sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất cao được chế tạo theo công nghệ hiện đại, vì thế mà năng lượng tiêu thụ của nó chỉ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu của hệ thống.

7.4 Biến tần Danfoss

Danfoss có trụ sở tại Đan Mạch, hoạt động từ năm 1933 và tích lũy được hơn 80 năm kinh nghiệm trong ngành công nghiệp. Hiện nay, Danfoss đã trở thành một trong những thương hiệu hàng đầu về biến tần được sử dụng và tin dùng trên hơn 100 quốc gia trên thế giới.

Hãng biến tần này thường đánh giá cao bởi tính ổn định, dễ sử dụng và nhiều chức năng hỗ trợ. Đặc biệt, biến tần Danfoss còn được biết đến với việc giảm thiểu nhiễu trong quá trình hoạt động. Ứng dụng của biến tần Danfoss không chỉ trong công nghiệp mà còn mở rộng nhiều lĩnh vực khác như nông nghiệp, xây dựng, hệ thống thông gió và điều hòa không khí.

7.5 Biến tần Mitsubishi

Mitsubishi Electric, một thương hiệu uy tín của Nhật Bản, đã khẳng định vị thế của mình trong ngành sản xuất biến tần. Trải qua nhiều năm phát triển, biến tần Mitsubishi đã trở thành một trong những lựa chọn phổ biến và được tin dùng tại Việt Nam. Được biết đến với khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe trong ngành công nghiệp, sản phẩm của Mitsubishi Electric luôn đảm bảo chất lượng tốt và hoạt động ổn định.

Với những ưu điểm vượt trội, biến tần Mitsubishi đã trở thành một giải pháp tin cậy trong việc điều khiển dây chuyền sản xuất, hệ thống tự động hóa và điều khiển trong các nhà máy và tòa nhà. Sự tin tưởng của khách hàng được củng cố thông qua sự hiệu quả và độ tin cậy của sản phẩm này trong các ứng dụng công nghiệp.

Hy vọng với những kiến thức P69 vừa chia sẻ, bạn đã có thể hiểu rõ hơn về biến tần và lựa chọn được loại sản phẩm phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình.

CÔNG TY CỔ PHẦN ĐẦU TƯ P69

• Nhà máy sản xuất: Km 18, đường Đại Lộ Thăng Long, Khu CN Thạch Thất Quốc Oai, Hà Nội
• Số điện thoại: 0966686969 | Hotline: 0989188982
• Email: kd1@cokhip69.com.vn
• Website: https://cokhip69.com.vn