Nguyên lý hoạt động của biến tần: Cấu tạo, cách điều khiển tốc độ động cơ và ứng dụng thực tế

 

Biến tần là gì?

Biến tần, còn được gọi là VFD – Variable Frequency Drive, là thiết bị điện tử công suất dùng để điều khiển tốc độ, mô-men và chiều quay của động cơ xoay chiều.

Trong thực tế, tốc độ của động cơ không đồng bộ phụ thuộc chủ yếu vào tần số nguồn điện cấp vào động cơ. Vì vậy, bằng cách thay đổi tần số và điện áp đầu ra, biến tần có thể điều chỉnh động cơ chạy nhanh, chạy chậm, tăng tốc hoặc giảm tốc theo yêu cầu của hệ thống.

Biến tần được sử dụng rộng rãi trong:

• Hệ thống bơm nước.
• Quạt hút, quạt thông gió.
• Băng tải sản xuất.
• Máy trộn.
• Máy nén khí.
• Cầu trục và tời nâng.
• Máy đóng gói.
• Hệ thống HVAC.
• Dây chuyền sản xuất tự động.

1. Vì sao biến tần có thể thay đổi tốc độ động cơ?

Tốc độ đồng bộ của động cơ xoay chiều được xác định theo công thức:

$$n = \frac{120 \times f}{P}$$

Trong đó:

• $n$: Tốc độ đồng bộ của động cơ, đơn vị vòng/phút.
• $f$: Tần số nguồn điện, đơn vị Hz.
• $P$: Số cực của động cơ.

Ví dụ, một động cơ 4 cực sử dụng nguồn điện 50 Hz có tốc độ đồng bộ:

$$n = \frac{120 \times 50}{4} = 1500 \text{ vòng/phút}$$

Nếu biến tần giảm tần số xuống 25 Hz, tốc độ đồng bộ sẽ giảm còn khoảng:

$$n = \frac{120 \times 25}{4} = 750 \text{ vòng/phút}$$

Như vậy, khi biến tần thay đổi tần số điện áp cấp cho động cơ, tốc độ động cơ cũng thay đổi tương ứng.

Tốc độ thực tế của động cơ không đồng bộ thường thấp hơn tốc độ đồng bộ một khoảng nhỏ do hiện tượng trượt.

---

2. Cấu tạo cơ bản của biến tần

Một biến tần thông thường gồm bốn khối chính:

1. Khối chỉnh lưu.
2. Mạch trung gian một chiều.
3. Khối nghịch lưu.
4. Mạch điều khiển.

Ngoài ra, biến tần còn có hệ thống bảo vệ, quạt làm mát, bàn phím cài đặt, cổng truyền thông và các đầu vào, đầu ra điều khiển.

---

2.1. Khối chỉnh lưu

Nguồn điện xoay chiều được đưa vào biến tần trước tiên sẽ đi qua khối chỉnh lưu.

Khối chỉnh lưu thường sử dụng:

• Diode công suất.
• Cầu chỉnh lưu.
• Thyristor trong một số thiết kế đặc biệt.

Nhiệm vụ của khối này là biến đổi điện áp xoay chiều AC thành điện áp một chiều DC.

Ví dụ:

• Nguồn vào 1 pha 220 V AC được chỉnh lưu thành điện áp DC.
• Nguồn vào 3 pha 380 V AC cũng được chỉnh lưu thành điện áp DC với mức điện áp cao hơn.

Điện áp sau chỉnh lưu chưa hoàn toàn bằng phẳng mà vẫn còn độ gợn, vì vậy cần được đưa qua mạch trung gian một chiều.

---

2.2. Mạch trung gian DC

Mạch trung gian DC còn được gọi là:

• DC Bus.
• DC Link.
• Mạch một chiều trung gian.

Bộ phận này thường gồm:

• Tụ điện công suất lớn.
• Cuộn kháng DC.
• Điện trở xả.
• Mạch tiền nạp.
• Mạch đo điện áp DC Bus.

Tụ điện có nhiệm vụ làm phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu và tích trữ năng lượng tạm thời.

Cuộn kháng giúp:

• Giảm sóng hài.
• Hạn chế dòng điện đột biến.
• Làm ổn định dòng điện trong mạch.
• Giảm ảnh hưởng từ nguồn điện lên biến tần.

Khi mới cấp nguồn, tụ DC Bus có thể hút một dòng điện rất lớn. Vì vậy, biến tần thường có mạch tiền nạp sử dụng điện trở để hạn chế dòng khởi động.

Sau khi tụ đã được nạp đến mức phù hợp, relay hoặc contactor bên trong biến tần sẽ đóng để bỏ qua điện trở tiền nạp.

---

2.3. Khối nghịch lưu

Khối nghịch lưu là bộ phận quan trọng nhất trong quá trình tạo ra điện áp đầu ra cho động cơ.

Khối này thường sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất như:

• IGBT.
• MOSFET trong các biến tần công suất nhỏ.
• Module công suất tích hợp.

Các IGBT được đóng và ngắt với tốc độ rất cao theo tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý.

Thông qua quá trình đóng cắt, điện áp một chiều DC được biến đổi thành điện áp xoay chiều AC có:

• Tần số thay đổi được.
• Điện áp thay đổi được.
• Thứ tự pha thay đổi được.
• Dạng sóng phù hợp để điều khiển động cơ.

Quá trình biến đổi này được thực hiện bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.

---

2.4. Mạch điều khiển

Mạch điều khiển được xem là “bộ não” của biến tần.

Mạch điều khiển có nhiệm vụ:

• Nhận lệnh chạy và dừng.
• Nhận tín hiệu đặt tốc độ.
• Tính toán tần số đầu ra.
• Điều khiển các IGBT.
• Kiểm soát quá trình tăng tốc và giảm tốc.
• Giám sát dòng điện, điện áp và nhiệt độ.
• Phát hiện lỗi.
• Thực hiện chức năng bảo vệ động cơ.
• Kết nối với PLC, HMI hoặc SCADA.

Tín hiệu đặt tốc độ có thể đến từ:

• Bàn phím trên biến tần.
• Biến trở.
• Tín hiệu analog 0–10 V.
• Tín hiệu analog 4–20 mA.
• Tín hiệu xung.
• PLC.
• HMI.
• Mạng truyền thông Modbus, PROFINET, EtherNet/IP hoặc CANopen.

---

3. Nguyên lý hoạt động của biến tần

Quá trình hoạt động của biến tần có thể tóm tắt theo sơ đồ:

Nguồn AC → Chỉnh lưu → DC Bus → Nghịch lưu PWM → Động cơ

Cụ thể, biến tần hoạt động qua các bước sau.

---

Bước 1: Nhận nguồn điện xoay chiều

Biến tần nhận nguồn điện đầu vào, phổ biến là:

• 1 pha 220 V.
• 3 pha 220 V.
• 3 pha 380 V.
• 3 pha 400 V.
• 3 pha 690 V trong một số hệ thống công suất lớn.

Điện áp và công suất biến tần phải được lựa chọn phù hợp với động cơ và nguồn điện thực tế.

---

Bước 2: Chỉnh lưu AC thành DC

Nguồn điện xoay chiều đi qua cầu diode và được chỉnh lưu thành điện áp một chiều.

Ở giai đoạn này, tần số 50 Hz hoặc 60 Hz của nguồn đầu vào không còn được sử dụng trực tiếp để cấp cho động cơ.

Đây là lý do biến tần có thể tạo ra một tần số đầu ra khác với tần số nguồn điện.

---

Bước 3: Làm phẳng điện áp DC

Điện áp sau chỉnh lưu được đưa vào tụ điện DC Bus để làm phẳng và ổn định.

Mạch DC Bus đóng vai trò như một kho năng lượng trung gian trước khi điện áp được biến đổi trở lại thành xoay chiều.

---

Bước 4: Tạo điện áp xoay chiều bằng PWM

Bộ vi xử lý điều khiển các IGBT đóng ngắt ở tần số cao.

Thay vì tạo trực tiếp một dạng sóng hình sin hoàn chỉnh, biến tần tạo ra chuỗi xung điện áp có độ rộng khác nhau.

Phương pháp này được gọi là:

PWM – Pulse Width Modulation, hay điều chế độ rộng xung.

Độ rộng các xung được tính toán sao cho giá trị trung bình của điện áp đầu ra gần giống với dạng sóng hình sin.

Động cơ có đặc tính điện cảm nên dòng điện chạy qua cuộn dây thường có dạng gần hình sin hơn dạng điện áp xung do biến tần tạo ra.

---

Bước 5: Thay đổi tần số và điện áp đầu ra

Khi người vận hành thay đổi giá trị tốc độ, biến tần sẽ điều chỉnh:

• Tần số đầu ra.
• Điện áp đầu ra.
• Chu kỳ đóng ngắt IGBT.
• Mô-men điều khiển.
• Thời gian tăng tốc và giảm tốc.

Ví dụ:

• 10 Hz: động cơ chạy chậm.
• 25 Hz: động cơ chạy khoảng một nửa tốc độ định mức.
• 50 Hz: động cơ chạy gần tốc độ định mức.
• Trên 50 Hz: động cơ có thể chạy vượt tốc độ cơ bản nếu được nhà sản xuất cho phép.

Không nên tùy ý nâng tần số quá cao vì có thể gây:

• Quá tốc động cơ.
• Giảm mô-men.
• Nóng ổ bi.
• Rung cơ khí.
• Hư hỏng máy.
• Giảm tuổi thọ động cơ.

---

4. Nguyên lý điều khiển V/F

V/F là phương pháp điều khiển phổ biến và tương đối đơn giản.

V là điện áp, F là tần số.

Khi giảm tần số đầu ra, biến tần cũng giảm điện áp đầu ra theo tỷ lệ tương ứng. Mục đích là duy trì từ thông trong động cơ ở mức phù hợp.

Ví dụ, động cơ có thông số:

• Điện áp định mức: 380 V.
• Tần số định mức: 50 Hz.

Tỷ lệ V/F là:

$$\frac{380}{50} = 7,6 \text{ V/Hz}$$

Khi chạy ở 25 Hz, điện áp đầu ra lý tưởng theo tỷ lệ có thể vào khoảng:

$$25 \times 7,6 = 190 \text{ V}$$

Nếu chỉ giảm tần số mà vẫn giữ điện áp quá cao, động cơ có thể bị bão hòa từ và nóng lên.

Nếu điện áp quá thấp so với tần số, mô-men động cơ sẽ giảm.

Điều khiển V/F phù hợp với:

• Bơm.
• Quạt.
• Băng tải đơn giản.
• Máy trộn.
• Ứng dụng không yêu cầu mô-men chính xác cao.

---

5. Nguyên lý điều khiển vector

Điều khiển vector là phương pháp điều khiển động cơ có độ chính xác cao hơn V/F.

Biến tần sẽ tính toán và điều khiển riêng:

• Thành phần tạo từ thông.
• Thành phần tạo mô-men.

Nhờ đó, biến tần có thể điều khiển mô-men tốt hơn, đặc biệt ở tốc độ thấp.

Điều khiển vector thường có hai dạng:

Vector không cảm biến

Không sử dụng encoder gắn trên động cơ. Biến tần ước lượng tốc độ và vị trí rotor dựa trên dòng điện, điện áp và mô hình động cơ.

Ưu điểm:

• Dễ lắp đặt.
• Chi phí thấp hơn.
• Không cần dây encoder.

Vector vòng kín

Sử dụng encoder hoặc cảm biến tốc độ để phản hồi tốc độ thực tế về biến tần.

Ưu điểm:

• Điều khiển tốc độ chính xác.
• Mô-men tốt ở tốc độ rất thấp.
• Phù hợp với cầu trục, thang máy, máy cuốn và dây chuyền đồng bộ.

---

6. Biến tần đảo chiều động cơ như thế nào?

Động cơ 3 pha thay đổi chiều quay khi thứ tự pha thay đổi.

Biến tần có thể thay đổi trình tự điều khiển các IGBT để đảo thứ tự pha đầu ra.

Nhờ đó, động cơ có thể quay:

• Thuận.
• Nghịch.

Người dùng không cần dùng hai contactor đảo chiều như mạch điều khiển truyền thống.

Tuy nhiên, cần cài đặt thời gian giảm tốc phù hợp trước khi đảo chiều. Không nên đảo chiều đột ngột khi động cơ đang chạy ở tốc độ cao vì có thể gây:

• Quá dòng.
• Quá áp DC Bus.
• Sốc cơ khí.
• Hư hộp số.
• Đứt khớp nối hoặc băng tải.

---

7. Quá trình tăng tốc và giảm tốc

Biến tần không cấp ngay tần số tối đa cho động cơ mà tăng dần theo thời gian cài đặt.

Ví dụ:

• Tần số đặt: 50 Hz.
• Thời gian tăng tốc: 10 giây.

Biến tần sẽ tăng tần số từ 0 lên 50 Hz trong khoảng 10 giây.

Tương tự, khi dừng, biến tần giảm tần số từ 50 Hz về 0 theo thời gian giảm tốc.

Việc tăng giảm tốc mềm giúp:

• Giảm dòng khởi động.
• Hạn chế sụt áp nguồn.
• Giảm rung giật cơ khí.
• Tăng tuổi thọ động cơ.
• Bảo vệ hộp số và khớp nối.
• Hạn chế hiện tượng búa nước trong hệ thống bơm.

---

8. Điều gì xảy ra khi động cơ giảm tốc?

Khi giảm tốc nhanh, động cơ có thể hoạt động như một máy phát điện.

Năng lượng cơ học từ tải được đưa ngược về DC Bus, làm điện áp DC tăng cao.

Nếu năng lượng tái sinh quá lớn, biến tần có thể báo lỗi quá áp.

Để xử lý, hệ thống có thể sử dụng:

• Tăng thời gian giảm tốc.
• Điện trở hãm.
• Bộ hãm.
• Bộ tái sinh năng lượng.
• Phanh cơ khí trong các hệ thống nâng hạ.

Điện trở hãm có nhiệm vụ chuyển năng lượng điện dư thừa thành nhiệt năng.

Các ứng dụng thường cần điện trở hãm gồm:

• Cầu trục.
• Tời nâng.
• Máy ly tâm.
• Máy cuốn.
• Băng tải dốc.
• Tải có quán tính lớn.

---

9. Biến tần tiết kiệm điện như thế nào?

Biến tần không phải lúc nào cũng giúp tiết kiệm điện. Hiệu quả tiết kiệm phụ thuộc vào đặc tính tải và chế độ vận hành.

Biến tần mang lại hiệu quả rõ rệt đối với tải bơm và quạt ly tâm.

Theo định luật tải ly tâm:

• Lưu lượng tỷ lệ với tốc độ.
• Áp suất tỷ lệ với bình phương tốc độ.
• Công suất tỷ lệ với lập phương tốc độ.

Điều này có nghĩa là khi giảm tốc độ quạt hoặc bơm, công suất tiêu thụ có thể giảm đáng kể.

Ví dụ, thay vì để động cơ luôn chạy 100% tốc độ rồi điều chỉnh lưu lượng bằng van, có thể dùng biến tần giảm trực tiếp tốc độ bơm theo nhu cầu thực tế.

Tuy nhiên, với băng tải hoặc tải mô-men không đổi, mức tiết kiệm điện có thể không lớn như tải bơm và quạt. Lợi ích chính trong trường hợp này là điều khiển tốc độ, khởi động mềm và bảo vệ thiết bị.

---

10. Các chức năng bảo vệ của biến tần

Biến tần thường được tích hợp nhiều chức năng bảo vệ như:

• Quá dòng.
• Quá áp.
• Thấp áp.
• Quá tải động cơ.
• Quá nhiệt.
• Mất pha.
• Chạm đất.
• Ngắn mạch đầu ra.
• Kẹt động cơ.
• Lỗi truyền thông.
• Mất tín hiệu analog.
• Lỗi encoder.
• Lỗi quạt làm mát.

Khi xảy ra bất thường, biến tần sẽ dừng đầu ra và hiển thị mã lỗi.

Cần tra đúng mã lỗi theo tài liệu của nhà sản xuất trước khi thực hiện reset.

Không nên reset liên tục khi chưa xác định nguyên nhân vì có thể làm hư:

• IGBT.
• Động cơ.
• Cáp động lực.
• Thiết bị cơ khí.
• Điện trở hãm.

---

11. Tín hiệu điều khiển biến tần

Biến tần có thể được điều khiển bằng nhiều phương pháp.

Điều khiển bằng bàn phím

Người vận hành nhập tần số và nhấn RUN trực tiếp trên biến tần.

Phương pháp này phù hợp khi:

• Chạy thử.
• Kiểm tra động cơ.
• Hệ thống đơn giản.

Điều khiển bằng đầu vào số

Các chân digital input có thể được cài đặt để thực hiện:

• Chạy thuận.
• Chạy nghịch.
• Dừng.
• Reset lỗi.
• Chọn nhiều cấp tốc độ.
• Chuyển chế độ Local/Remote.

Điều khiển bằng tín hiệu analog

Biến tần nhận giá trị đặt tốc độ từ:

• 0–10 V.
• 4–20 mA.
• Biến trở.

Tín hiệu analog thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển áp suất, lưu lượng hoặc mức.

Điều khiển qua truyền thông

PLC hoặc hệ thống SCADA có thể điều khiển biến tần qua:

• Modbus RTU.
• Modbus TCP.
• PROFINET.
• PROFIBUS.
• EtherNet/IP.
• CANopen.

Thông qua truyền thông, hệ thống có thể đọc và ghi:

• Lệnh chạy.
• Tần số đặt.
• Tần số thực tế.
• Dòng điện.
• Điện áp.
• Công suất.
• Mô-men.
• Trạng thái hoạt động.
• Mã lỗi.

---

12. Những lưu ý khi lựa chọn và lắp đặt biến tần

Lựa chọn đúng công suất

Cần căn cứ vào:

• Công suất động cơ.
• Dòng điện định mức.
• Loại tải.
• Chế độ quá tải.
• Tần suất khởi động.
• Điều kiện môi trường.
• Nhiệt độ tủ điện.
• Yêu cầu hãm.
• Tín hiệu điều khiển.

Không nên chỉ lựa chọn biến tần dựa vào công suất kW mà bỏ qua dòng điện định mức.

Lắp đặt đúng môi trường

Biến tần cần được lắp tại vị trí:

• Thông thoáng.
• Ít bụi.
• Không có nước.
• Không có khí ăn mòn.
• Không quá nóng.
• Có khoảng cách tản nhiệt phù hợp.

Tách dây động lực và dây tín hiệu

Dây từ biến tần đến động cơ có nhiều thành phần nhiễu cao tần.

Vì vậy cần:

• Tách dây động lực khỏi dây analog.
• Không đi chung máng với dây cảm biến.
• Sử dụng cáp chống nhiễu khi cần.
• Tiếp địa đúng kỹ thuật.
• Hạn chế chiều dài cáp động cơ.
• Lắp cuộn kháng hoặc bộ lọc khi cần thiết.

Không đóng ngắt contactor đầu ra thường xuyên

Không nên đóng hoặc ngắt contactor giữa biến tần và động cơ khi biến tần đang phát điện áp đầu ra.

Thao tác này có thể gây:

• Quá dòng.
• Phóng điện tiếp điểm.
• Lỗi biến tần.
• Hư IGBT.

Nên dừng biến tần trước khi chuyển đổi kết nối đầu ra.

---

13. Ví dụ hoạt động của biến tần trong hệ thống bơm nước

Trong hệ thống cấp nước, cảm biến áp suất gửi tín hiệu 4–20 mA về biến tần hoặc PLC.

Biến tần so sánh áp suất thực tế với áp suất cài đặt.

Khi áp suất thấp:

• Biến tần tăng tần số.
• Động cơ bơm quay nhanh hơn.
• Lưu lượng và áp suất tăng.

Khi áp suất cao:

• Biến tần giảm tần số.
• Bơm quay chậm lại.
• Hệ thống giảm tiêu thụ điện.

Khi áp suất đạt giá trị đặt, biến tần duy trì tốc độ phù hợp để giữ áp suất ổn định.

Đây là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của điều khiển PID tích hợp trong biến tần.

---

14. Ưu điểm của biến tần

Việc sử dụng biến tần mang lại nhiều lợi ích:

• Điều chỉnh tốc độ linh hoạt.
• Khởi động và dừng mềm.
• Hạn chế dòng điện khởi động.
• Giảm va đập cơ khí.
• Điều khiển mô-men.
• Đảo chiều thuận tiện.
• Tích hợp bảo vệ động cơ.
• Kết nối PLC, HMI và SCADA.
• Tiết kiệm năng lượng với tải phù hợp.
• Hỗ trợ tự động hóa dây chuyền sản xuất.

---

15. Hạn chế của biến tần

Bên cạnh ưu điểm, biến tần cũng có một số hạn chế:

• Sinh nhiễu điện từ.
• Tạo sóng hài về phía nguồn.
• Yêu cầu lắp đặt và tiếp địa đúng kỹ thuật.
• Có thể làm nóng động cơ khi chạy tốc độ thấp trong thời gian dài.
• Cần cài đặt đúng thông số động cơ.
• Có thể phát sinh quá áp khi giảm tốc nhanh.
• Chi phí đầu tư cao hơn mạch khởi động trực tiếp.
• Cần nhân sự có kiến thức để vận hành và xử lý lỗi.

---

Kết luận

Nguyên lý hoạt động của biến tần dựa trên quá trình chuyển đổi điện năng theo ba giai đoạn chính:

Chỉnh lưu AC thành DC → Làm phẳng trên DC Bus → Nghịch lưu DC thành AC bằng PWM.

Bằng cách điều chỉnh tần số và điện áp đầu ra, biến tần có thể kiểm soát tốc độ, mô-men và chiều quay của động cơ.

Để hệ thống hoạt động ổn định, cần lựa chọn biến tần đúng công suất, cài đặt chính xác thông số động cơ, bố trí tủ điện hợp lý và tuân thủ các yêu cầu về chống nhiễu, tản nhiệt và an toàn điện.

VIETNES cung cấp giải pháp tư vấn, thiết kế và thi công tủ điện biến tần, điều khiển PLC, HMI, SCADA và hệ thống tự động hóa theo yêu cầu của từng dự án.