Trong thời đại tự động hóa ngày càng phát triển, biến tần (inverter) trở thành thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống điều khiển công nghiệp và dân dụng. Biến tần giúp điều chỉnh tốc độ động cơ, tiết kiệm điện, bảo vệ thiết bị và nâng cao hiệu suất và kéo dài tuổi thọ hệ thống. Vậy biến tần là gì, cấu tạo ra sao và ứng dụng thực tế thế nào? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.
Biến tần (Trong tiếng anh là: Inverter) là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng điện từ dòng điện xoay chiều ở cấu hình tần số và pha này thành dòng điện xoay chiều có cấu hình tần số và pha khác. Nói cách khác, biến tần là thiết bị dùng để thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều, từ tần số này thành tần số khác có thể điều chỉnh được.
Hình 1: Biến tần là gì?
Để hiểu thêm về biến tần là gì? Hãy cùng tham khảo hình ảnh và thông số kỹ thuật của sản phẩm Biến tần LS LSLV0008M100-1EOFNS 1 pha 220VAC 0.75kW tại đây.
Điều chỉnh tốc độ động cơ: Biến tần thay đổi tần số và điện áp cấp cho động cơ, giúp kiểm soát tốc độ quay một cách linh hoạt.
Đảo chiều quay của động cơ: Chức năng này có thể cài đặt sẵn khi máy chạy hết hành trình, khi gặp sự cố cần phải đảo chiều hoặc điều khiển trực tiếp.
Tiết kiệm điện năng: Giảm tiêu thụ điện bằng cách chỉ cung cấp công suất đúng với nhu cầu tải thực tế.
Bảo vệ động cơ: Hạn chế dòng khởi động lớn, bảo vệ quá tải, quá áp, thấp áp, mất pha, ngắn mạch.
Kéo dài tuổi thọ thiết bị: Giảm hao mòn cơ khí nhờ khởi động mềm và dừng êm.
Tăng năng suất và tự động hóa: Biến tần có thể tích hợp với PLC, HMI... để kiểm soát quá trình tự động chính xác.
Cấu tạo của biến tần (Inverter) gồm các khối chính sau, mỗi phần đóng vai trò chuyển đổi và điều khiển dòng điện một cách hiệu quả:
Mạch chỉnh lưu (Rectifier) là bộ phận đầu tiên trong biến tần, có chức năng chuyển đổi điện xoay chiều 1 pha (220V) hoặc 3 pha (380V) thành điện một chiều (DC), sử dụng các linh kiện như diode hoặc thyristor (SCR
Mạch lọc (Filter/DC Link) trong biến tần giúp làm phẳng và ổn định điện áp DC sau chỉnh lưu, gồm tụ điện và cuộn cảm, có tác dụng giảm nhiễu và duy trì điện áp ổn định cho giai đoạn nghịch lưu.
Mạch nghịch lưu (Inverter) chuyển điện áp DC thành AC với tần số và điện áp điều chỉnh được, sử dụng IGBT hoặc MOSFET và kỹ thuật PWM để điều khiển tốc độ và mô-men động cơ.
Bộ điều khiển trung tâm (Control Unit) dùng CPU và mạch logic để xử lý tín hiệu từ HMI, PLC, bàn phím và điều khiển toàn bộ hoạt động biến tần.
Khối giao tiếp (Communication) cho phép biến tần kết nối với PLC, SCADA, HMI qua các giao thức như Modbus, Profibus, Ethernet...
Hình 2: Cấu tạo của biến tần
Nguyên lý hoạt động của biến tần khá đơn giản, bao gồm các công đoạn như sau:
Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt và tụ điện. Giá trị hệ số công suất cosphi không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất bằng 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Ngày nay, nhờ sự tiến bộ về công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn hao trên lõi sắt động cơ.
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ thuộc vào bộ điều khiển. Trên lý thuyết, mối quan hệ giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp – tần số là không đổi. Tuy nhiên, với tải bơm và quạt, điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ, phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp.
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.
Ngoài ra, hiện nay, biến tần đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau và phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay, biến tần có tích hợp cả bộ PID hay tích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.
Hình 3: Nguyên lý hoạt động của biến tần
Nhờ những ưu điểm nổi bật, biến tần ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong cả công nghiệp và dân dụng. Vậy ứng dụng của biến tần trong công nghiệp như thế nào? Hãy cùng khám phá ngay sau đây:
Biến tần cho cầu trục (hoặc cẩu trục): điều khiển động cơ nâng hạ, di chuyển ngang/dọc bằng cách điều chỉnh tần số và điện áp. Nó giúp vận hành mượt mà, khởi động/dừng êm, bảo vệ động cơ khỏi quá tải, tiết kiệm điện và tăng độ an toàn cho hệ thống.
Biến tần cho máy bơm nước: điều chỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu thực tế, giúp tiết kiệm điện, khởi động/dừng êm, ổn định áp suất và bảo vệ máy. Ứng dụng trong cấp nước sinh hoạt, tưới tiêu, PCCC, hệ HVAC, tháp giải nhiệt…
Biến tần cho quạt thông gió: giúp điều chỉnh tốc độ quạt theo nhu cầu thực tế, tiết kiệm điện, giảm tiếng ồn, tăng tuổi thọ thiết bị và dễ dàng tự động hóa hệ thống thông gió.
Biến tần cho máy ép nhựa: giúp điều khiển chính xác tốc độ motor, tiết kiệm điện, tăng độ ổn định chu kỳ ép, giảm hao mòn và nâng cao hiệu suất sản xuất.giúp điều khiển chính xác tốc độ motor, tiết kiệm điện, tăng độ ổn định chu kỳ ép, giảm hao mòn và nâng cao hiệu suất sản xuất.
Hình 4: Ứng dụng của biến tần
Kết luận
Biến tần không chỉ là công cụ điều khiển tốc độ động cơ, mà còn là giải pháp toàn diện để tiết kiệm năng lượng, bảo vệ thiết bị và nâng cao năng suất trong sản xuất. Với cấu tạo hiện đại, nguyên lý hoạt động thông minh và ứng dụng đa dạng từ bơm nước, quạt gió đến cầu trục và máy ép nhựa, biến tần đang ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực công nghiệp hiện đại. Việc đầu tư vào hệ thống có tích hợp biến tần chính là bước tiến vững chắc trong chiến lược tối ưu hóa và tự động hóa quy trình sản xuất.
