Biến Tần Là Gì? Cách Chọn Biến Tần Cho Motor Điện, Động Cơ Điện

Trong thế giới công nghiệp ngày nay, việc áp dụng công nghệ tiên tiến không chỉ giúp nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn đóng góp vào việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Một trong những công nghệ đó chính là biến tần, thiết bị không thể thiếu trong việc điều khiển và vận hành các motor điện một cách linh hoạt và hiệu quả. Đặc biệt, trong các hệ thống HVAC, dây chuyền sản xuất tự động hóa, máy cắt CNC, máy bơm công nghiệp, và hệ thống băng tải, biến tần đóng vai trò là trái tim, điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của motor điện một cách chính xác, giúp máy móc hoạt động mượt mà, tiết kiệm điện năng và tăng tuổi thọ thiết bị.

Vậy biến tần là gì và làm sao để chọn đúng biến tần cho motor điện, động cơ điện phù hợp với nhu cầu sử dụng? Bài viết này sẽ đưa bạn đến gần hơn với thế giới của biến tần, giúp bạn hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và ứng dụng của chúng trong thực tế. Chúng tôi tin rằng, việc trang bị kiến thức cần thiết sẽ giúp bạn không chỉ lựa chọn được biến tần ưng ý mà còn mở ra những cơ hội mới để tối ưu hóa quy trình sản xuất, góp phần vào sự phát triển bền vững của doanh nghiệp bạn. 

1. Khái niệm máy biến tần là gì?- Biến tần (inverter) hay còn được gọi tên là là bộ biến đổi tần số, tiếng Anh: Variable Frequency Drive (VFD). Biến tần để làm gì? VFD là một thiết bị có khả năng điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện xoay chiều AC thông qua việc thay đổi tần số của nguồn điện cấp cho động cơ. Vì thế mà biến tần còn có một tên gọi khác, đó chính là bộ điều chỉnh tốc độ động cơ, tức là Variable Speed Drive, viết tắt là VSD.

– Ngoài ra, điện áp được cung cấp cho động cơ của biến tần cũng sẽ thay đổi theo tần số cho nên biến tần đôi khi còn được dùng với tên gọi là bộ biến đổi điện áp tần số (Variable Voltage Variable Frequency Drive), viết tắt là VVVFD.

– Nói cách khác, biến tần chính là thiết bị có khả năng làm thay đổi tần số của dòng điện đặt lên trên cuộn dây bên trong động cơ. Thông qua đó, người ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ vô cấp mà không cần dùng đến các bộ phận hộp số cơ khí. Biến tần thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để giúp đóng – ngắt tuần tự các dòng điện chạy vào các cuộn dây của motor để sinh ra từ trường xoay, từ đó làm quay động cơ.

Vậy, tại sao chúng ta cần phải sử dụng biến tần?

– Từ công thức trên đây, chúng ta thấy để có thể thay đổi được tốc độ của động cơ, có 3 phương pháp: một là thay đổi số cực của động cơ (P), 2 là thay đổi hệ số trượt (s), 3 là thay đổi tần số (f) của điện áp đầu vào.

Trong đó, 2 phương pháp đầu khó thực hiện, đồng thời lại không mang được hiệu quả cao. Công dụng của biến tần được biết đến là thiết bị dùng để thực hiện thay đổi tần số của nguồn cung cấp được đặt lên động cơ, từ đó thay đổi được tốc độ động cơ. Do đó, thay đổi tốc độ của động cơ bằng cách làm thay đổi tần số chính là phương pháp hiệu quả nhất. 

– Biến tần có thể thực hiện thay đổi tần số từ 0Hz – 400Hz, thậm chí còn cao hơn. Chính vì vậy, việc sử dụng biến tần có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn tốc độ bình thường so với chạy ở tần số 50Hz.

2. Cấu tạo biến tần có gì độc đáo?

– Để tìm hiểu về biến tần, ta cần biết rõ cấu tạo, các bộ phận biến tần của chúng. Bên trong biến tần thường có các bộ phận có khả năng nhận điện áp đầu vào cùng với tần số cố định để có thể biến đổi thành loại điện áp có tần số thay đổi nhằm mục đích điều khiển tốc độ động cơ. Các bộ phận chủ yếu của biến tần bao gồm các bộ lọc, bộ chỉnh lưu cũng như bộ nghịch lưu IGBT và mạch điều khiển. 

– Ngoài ra, biến tần còn được nhà sản xuất tích hợp thêm 1 số bộ phận khác như: bộ điện kháng 1 chiều, bộ điện kháng xoay chiều, điện trở hãm, bộ phận bàn phím, màn hình hiển thị, các module truyền thông,…

Sơ đồ cấu tạo của các loại biến tần về cơ bản là giống nhau

3. Nguyên lý hoạt động của máy biến tần

– Đầu tiên, nguồn điện của biến tần 3 pha hay 1 pha sẽ được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều sao cho bằng phẳng. Công đoạn này đã được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và 1 chiếc tụ điện. Điện đầu vào có thể là 1 pha hoặc 3 pha, nhưng phải có mức điện áp và tần số cố định, ví dụ như 380V 50Hz.

– Nguyên lý hoạt động của máy biến áp có biến tần như sau: Điện áp 1 chiều ở trên sẽ được biến đổi (gọi là nghịch lưu) thành loại điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Mới đầu, điện áp 1 chiều được tạo ra sẽ được động cơ lưu trữ trong giàn tụ điện. 

Tiếp theo, nguyên lý biến tần còn thông qua quá trình động cơ tự kích hoạt thích hợp, lúc này bộ biến đổi IGBT (viết tắt của từ tranzito lưỡng cực có cổng cách điện) sẽ hoạt động giống như 1 chiếc công tắc bật – tắt cực nhanh để tạo ra dạng sóng đầu ra của biến tần. Từ đó sẽ tạo ra 1 điện áp xoay chiều 3 pha bằng cách điều chế độ rộng xung PWM.

4. Các loại biến tần phổ biến hiện nay

Người ta thường phân loại dựa vào công dụng của biến tần. Có nhiều loại biến tần như: 

– Biến tần đa năng: Biến tần AC, biến tần DC; biến tần 3 pha 220V, biến tần 1 pha 220V, biến tần 3 pha 380V,… 

– Biến tần chuyên dụng: biến tần chuyên dùng cho máy bơm, máy quạt, biến tần chuyên dùng cho hoạt động nâng hạ – cẩu trục, biến tần chuyên dùng cho động cơ thang máy, biến tần chuyên dùng cho máy điều hòa,…

5. Ứng dụng của biến tần

– Do có ưu điểm vượt trội nên biến tần đang được sử dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp và điện dân dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp.

– Dưới đây là một số ứng dụng biến tần phổ biến nhất: trong máy bơm nước, quạt hút/ đẩy, các loại máy nén khí, băng tải, các thiết bị nâng hạ, máy cán kéo, máy ép phun, máy cuốn/ nhả, trong thang máy, hệ thống HVAC, các loại máy trộn, máy quay ly tâm,… nhằm mục đích cải thiện khả năng điều khiển chính xác của các hộp số, có thể thay thế cho việc sử dụng các cơ cấu điều khiển vô cấp truyền thống ở bên trong máy công tác,…

Một số ứng dụng đa dạng của máy biến tần Mitsubishi

6. Cách chọn biến tần cho motor

Motor biến tần là 1 loại motor điện 3 pha có khả năng thay đổi tốc độ theo sự biến đổi tần số.

Ký hiệu của động cơ biến tần là: YVP YVF, Y3VP, Y2VP

Chọn biến tần chúng ta cần phải căn cứ vào các yếu tố sau:

– Thông số động cơ: Động cơ 3 pha thường có các loại thông số 127/220V, 220/ 380V hay 380/ 660V. Trong đó thông dụng nhất phải kể đến động cơ 3 pha 220/ 380V.

– Loại tải: Căn cứ vào đặc tính mô men của từng loại ứng dụng (loại máy móc) người ta sẽ chia ra 3 loại tải của biến tần thường thấy, đó là tải nhẹ, tải trung bình và tải nặng. Lưu ý: Loại biến tần tải nặng sẽ dùng tốt cho các tải thấp hơn cùng công suất nhưng lại gây lãng phí vì giá thành cao hơn. 

Trong khi đó, biến tần loại tải nhẹ hơn thì sẽ không thể dùng được cho loại tải nặng hơn cùng công suất. Trong một số trường hợp có thể chọn biến tần loại tải nhẹ hơn có cấp công suất cao hơn để dùng cho tải nặng hơn.

– Đặc điểm của chế độ vận hành: 

+ Chế độ vận hành ngắn hạn: Các loại biến tần có thể điều khiển động cơ tăng tốc, giảm tốc, chạy hay dừng, đảo chiều quay liên tục,… đòi hỏi biến tần phải có khả năng chịu được độ quá tải cao. Nếu cần, có thể phải lắp thêm điện trở xả để bảo vệ cho biến tần không bị cháy.

+ Chế độ vận hành dài hạn: Động cơ thường đạt được tốc độ ổn định trong thời gian tương đối dài sau khi đã khởi động như quạt, máy bơm, băng tải,… 

– Dòng biến tần chuyên dụng: Nhiều hãng chế tạo các loại biến tần chuyên dụng chỉ dùng được cho 1 loại ứng dụng, chẳng như quạt, máy làm nhang, biến tần thang máy,… Do đó, bạn cần chú ý khi lựa chọn sản phẩm, tránh nhầm lẫn.

– Chọn hãng sản xuất: Trên thị trường hiện này có nhiều hãng sản xuất biến tần nhưng khác nhau ở yếu tố chất lượng. Do đó, bạn cần chọn hãng sản xuất biến tần uy tín để có được sản phẩm chất lượng nhất.

7. Sơ đồ đấu dây biến tần

Về cơ bản, nguyên lý máy biến tần của tất cả các thương hiệu đều giống nhau, có chăng chỉ khác nhau về ký hiệu chân còn sơ đồ mạch biến tần tương tự như nhau. Do vậy, các bạn có thể tham khảo sơ đồ sau đây:

Sơ đồ biến tần của máy cắt dây chạy đa năng CNC

Trong đó:

– Các chân biến tần AGND, ACI, AVI, 10V là các chân ngõ vào analog thường dùng để thay đổi tần số và tốc độ motor.

– Cụm  chân biến tần Multi-function input là chân kích RUN và STOP cho phép chạy motor thay vì bấm ở trên bàn phím.

– Chân RA và RB là 2 chân ngõ ra của tiếp điểm relay.

– Chân AO và AGND là tín hiệu ngõ ra của analog 0-10VDC thường dùng để kết nối với 1 bộ hiển thị ngoài nhằm mục đích báo tốc độ motor chạy.

– Chân RS485 được kết nối với máy tính.

– Chân PLC, HMI dùng để điều khiển biến tần, đọc và tiến hành cài đặt các thông số từ xa.

8. Cách sử dụng biến tần

Khi áp dụng các phương pháp điều khiển biến tần, bạn cần lưu ý những vấn đề dưới đây:

– Nên đặt biến tần ở những nơi khô ráo, không có bụi bẩn hay các chất ăn mòn.

– Tủ đặt biến tần cần phải lắp quạt thông gió, nhiệt độ phòng không cao quá 22 độ C.

– Không tự ý thay đổi các thông số kỹ thuật mà hãng sản xuất đã thiết lập từ ban đầu.

– Không chạm tay vào máy biến tần khi máy đang vận hành.

– Không chạm tay vào các linh kiện nằm ở trên bo mạch của biến tần.

– Không để cho các chất kim loại rơi vào trong các bo mạch của máy.

– Nối tiếp đất cho các loại biến tần nhằm tránh hiện tượng rò điện.

– Định kỳ bảo dưỡng biến tần tối đa là 2 năm/ lần.

– Đảm bảo ngắt nguồn điện của động cơ trước khi tiến hành bảo trì.

– Tuyệt đối không tự ý lắp đặt, bảo trì , sửa chữa, bởi cấu tạo của biến tần khá phức tạp nên cần phải có kỹ sư, các chuyên gia có chuyên môn cao thực hiện.

9. So sánh biến tần và các phương pháp điều khiển động cơ khác

Ưu điểm của biến tần

Biến tần cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt và chính xác mà không làm giảm hiệu suất hoạt động. Cụ thể, biến tần sử dụng công nghệ điện tử để thay đổi tần số và điện áp nguồn cấp cho động cơ phù hợp với tốc độ yêu cầu mà không cần sử dụng các thiết bị truyền động cơ khí.So với các phương pháp truyền thống như sử dụng hộp số hoặc thay đổi điện áp trực tiếp, biến tần có những ưu điểm vượt trội:

• Tiết kiệm điện năng tiêu thụ đến 30% nhờ khả năng điều chỉnh chính xác theo tải.
• Tăng tuổi thọ và độ tin cậy của động cơ do hoạt động êm, ít rung động.
• Dễ dàng lập trình điều khiển và tự động hóa quá trình vận hành.

Nhược điểm của các phương pháp truyền thống

Các phương pháp điều khiển động cơ truyền thống như hộp số cơ khí và thay đổi điện áp trực tiếp đều có những hạn chế nhất định:

• Hộp số cơ khí gây mất mát công suất lớn do ma sát, độ bền thấp, tốn kém chi phí bảo trì.
• Thay đổi điện áp trực tiếp gây ra hiện tượng quá dòng khi khởi động và giảm hiệu suất khi vận hành ở tốc độ thấp.

Những nhược điểm này dẫn đến việc lãng phí năng lượng điện và chi phí vận hành cao.

10. Lợi ích cụ thể của việc sử dụng biến tần đối với tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

Tiết kiệm năng lượng

Biến tần giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ đáng kể nhờ khả năng điều chỉnh chính xác tốc độ động cơ theo yêu cầu tải. Thay vì chạy hết công suất như động cơ không điều khiển, biến tần chỉ cung cấp đúng lượng điện cần thiết để vận hành.

Theo các nghiên cứu và thực tế sử dụng, biến tần có thể tiết kiệm từ 20-40% lượng điện tiêu thụ so với động cơ chạy hết công suất. Con số này phụ thuộc vào công suất động cơ, thời gian chạy và mức tải trung bình.

Giảm phát thải khí nhà kính

Do tiết kiệm được lượng điện năng tiêu thụ đáng kể, biến tần góp phần gián tiếp làm giảm lượng khí thải CO2 phát sinh từ quá trình sản xuất điện.

Ước tính mỗi kWh điện tiết kiệm được nhờ biến tần sẽ giúp giảm phát thải 0,5-0,7 kg CO2 ra môi trường. Như vậy, đối với một động cơ công nghiệp trung bình, biến tần có thể giúp giảm hàng tấn khí thải CO2 mỗi năm.

Đóng góp cho mục tiêu phát triển bền vững

Việc sử dụng biến tần để tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải góp phần thực hiện các mục tiêu phát triển bền vững về bảo vệ môi trường và ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu.

Các doanh nghiệp sử dụng biến tần không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn thể hiện trách nhiệm với cộng đồng và môi trường thông qua việc đóng góp cụ thể vào mục tiêu chung của toàn nhân loại.

11. Các vấn đề thường gặp khi sử dụng biến tần và cách khắc phục

Lỗi phần cứng biến tần

Một số lỗi phần cứng thường gặp bao gồm:

– Lỗi mạch điện: do quá tải, chập mạch, hở mạch. Cần kiểm tra và thay thế linh kiện bị lỗi.
– Lỗi bộ nguồn: do tụ điện hỏng, cần thay thế tụ mới.
– Lỗi quạt làm mát: cần vệ sinh hoặc thay quạt mới.

Để khắc phục các lỗi này, cần kiểm tra, xác định nguyên nhân rồi tiến hành sửa chữa hoặc thay thế linh kiện.

Lỗi phần mềm biến tần

Một số lỗi phần mềm hay gặp:

– Lỗi cài đặt thông số: cần kiểm tra lại tất cả các thông số.
– Lỗi truyền thông: do kết nối sai hoặc bị đứt quãng. Kiểm tra cáp, kết nối mạng.
– Lỗi phần mềm: do nhiễu hoặc lỗi bản quyền. Cần cài đặt lại phần mềm.

Để khắc phục các lỗi phần mềm, cần kiểm tra kỹ từng bước và đảm bảo tương thích, tính ổn định của hệ thống.

Vấn đề tương thích thiết bị

Một số vấn đề tương thích thường gặp:

– Sai thông số kỹ thuật động cơ, không phù hợp biến tần.
– Điện áp đầu vào biến tần không ổn định.
– Tiếng ồn, rung động bất thường do không tương thích.

Để khắc phục, cần kiểm tra kỹ thông số, điều kiện lắp đặt và vận hành thực tế, điều chỉnh các thông số cho phù hợp.

Như vậy, để sử dụng biến tần hiệu quả và ổn định, người dùng cần chú ý khắc phục các lỗi và vấn đề tương thích phổ biến nêu trên.

12. Tương lai của công nghệ biến tần và xu hướng phát triển

Xu hướng tích hợp công nghệ thông minh

Công nghệ biến tần đang được tích hợp nhiều tính năng thông minh dựa trên công nghệ IoT, AI và Big Data để nâng cao khả năng giám sát, điều khiển và tối ưu hóa hoạt động.

Một số xu hướng có thể kể đến:

– Tích hợp cảm biến, mạng truyền thông để giám sát từ xa
– Sử dụng AI và machine learning để phân tích dữ liệu, tự động điều chỉnh thông số
– Kết nối đám mây (cloud) để lưu trữ và phân tích dữ liệu lớn

Cơ hội mới cho quản lý năng lượng

Với sự hỗ trợ của công nghệ thông minh, biến tần sẽ cho phép giám sát và điều khiển mọi thông số hoạt động của động cơ một cách tự động, liên tục và chính xác hơn.

Điều này mở ra cơ hội lớn trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, giảm thiểu lãng phí và tiết kiệm chi phí vận hành đáng kể. Các nhà máy và doanh nghiệp có thể dễ dàng áp dụng các giải pháp quản lý năng lượng thông minh dựa trên hệ thống biến tần tiên tiến.

Triển vọng phát triển mạnh mẽ

Với những xu hướng và cơ hội nêu trên, biến tần thông minh hứa hẹn sẽ có sự tăng trưởng mạnh mẽ trong thời gian tới. Thị trường biến tần dự báo sẽ đạt quy mô hàng chục tỷ USD vào năm 2025, với tốc độ tăng trưởng hàng năm trên dưới 10%.

Đây chắc chắn là xu hướng tất yếu để đáp ứng nhu cầu điều khiển và quản lý năng lượng hiệu quả, thông minh trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0.

13. Các tiêu chuẩn an toàn và chứng nhận cần biết khi sử dụng biến tần

Các tiêu chuẩn an toàn quốc tế

Một số tiêu chuẩn an toàn quốc tế cần biết đối với biến tần bao gồm:

– **ISO 13849**: Tiêu chuẩn về hệ thống điều khiển liên quan đến an toàn máy móc.
– **IEC 61800**: Tiêu chuẩn quốc tế về hệ thống truyền động điện.
– **UL 508A**: Tiêu chuẩn của Mỹ về biến tần công nghiệp.

Các tiêu chuẩn này quy định nghiêm ngặt về độ an toàn điện, nhiệt, cơ học, phần mềm và khả năng chống cháy nổ.

Chứng nhận an toàn quan trọng

Một số chứng nhận quan trọng cần tìm hiểu khi mua biến tần:

– Chứng nhận CE: Chứng nhận sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn Châu Âu.
– Chứng nhận UL: Chứng nhận an toàn sản phẩm của Mỹ.

Lợi ích của việc lựa chọn sản phẩm được chứng nhận

– Đảm bảo sự tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn quốc tế.
– Giảm thiểu rủi ro và tăng độ tin cậy cho hệ thống.
– Nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.

Do đó, khi lựa chọn biến tần, người dùng cần ưu tiên các sản phẩm đã được cấp chứng nhận bởi các tổ chức uy tín để đảm bảo chất lượng và sự an toàn tối ưu.