Biến tần cho động cơ AC và DC: phân biệt AC drive, DC drive, servo và cách chọn đúng thiết bị

Biến tần cho động cơ AC và DC là cụm từ anh em tìm nhiều nhưng dễ gây nhầm lẫn ngay từ tên gọi: biến tần (AC drive) chỉ điều khiển động cơ AC; động cơ DC dùng thiết bị riêng là DC drive; còn nhu cầu chính xác cao thì đáp án hiện nay là servo. Ba nhóm thiết bị này khác nhau ở nguyên lý, ở chi phí vận hành và ở cả chuyện sửa chữa — gọi sai tên là chọn sai thiết bị ngay từ đầu.

Bài này phân biệt rõ ba nhóm thiết bị, đi sâu vào phần DC drive (cấu tạo, bảng so sánh trực diện với AC drive, khi nào còn nên giữ và khi nào nên thay sang AC vector hoặc servo), kèm một ca thực tế từ xưởng. Đây là bài chuyên sâu của HL Auto  — đơn vị sửa biến tần và servo tại Hà Nội, và nói rõ ngay từ đầu: bên mình không sửa DC drive, chỉ tư vấn phương án thay thế.

Cụm từ "biến tần cho động cơ AC và DC" mình thấy anh em tìm khá nhiều, nhưng thực tế nó gộp ba nhóm thiết bị khác nhau vào một tên gọi: biến tần AC, servo driver và DC drive. 

1. Gọi đúng tên: biến tần chỉ dành cho động cơ AC

Biến tần nhận điện lưới, chỉnh lưu thành DC, rồi nghịch lưu bằng IGBT theo phương pháp PWM để tạo ra điện xoay chiều có tần số và điện áp thay đổi được. Đầu ra là AC nên thiết bị này chỉ hợp với động cơ AC. Muốn xem kỹ từng khối bên trong, anh em đọc bài cấu tạo biến tần.

Còn động cơ DC được điều khiển bằng một họ thiết bị khác. Nên khi nói về biến tần cho động cơ AC và DC, mình khuyên anh em tách thành ba nhóm như bảng dưới.

Có một chỗ hay gây nhầm là chữ "DC" trong BLDC (DC không chổi than). Động cơ BLDC thực chất là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, chạy bằng dòng điện ba pha do driver tạo ra, nên driver của nó gần với servo driver hơn là DC drive. Vì vậy khi gặp BLDC, anh em đừng tìm DC drive mà hãy xem driver chuyên dụng của chính động cơ đó.

Anh em mới tìm hiểu từ đầu thì xem trước bài biến tần là gì để nắm khái niệm gốc, rồi quay lại đây phân biệt sâu AC/DC.

2. Biến tần cho các loại động cơ AC

Động cơ không đồng bộ ba pha

Đây là loại động cơ chiếm phần lớn trong nhà máy: bền, rẻ, ít bảo trì. Biến tần gần như sinh ra để chạy loại này, từ bơm, quạt, băng tải cho đến máy nén và máy khuấy. Nguyên lý điều tốc bằng tần số và điện áp mình đã viết riêng trong bài điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần (V/f, vector, torque control).

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Loại này hiệu suất cao, gặp nhiều ở ứng dụng tiết kiệm năng lượng và là nền tảng của servo motor. Không phải biến tần nào cũng điều khiển được: biến tần cần có chế độ điều khiển động cơ PM. Nhiều dòng hiện nay có, nhưng anh em nên kiểm tra tài liệu của hãng trước khi mua.

Động cơ một pha

Động cơ một pha dùng tụ thông thường không hợp với biến tần phổ thông vì biến tần cấp ra ba pha. Cách xử lý hay dùng là thay bằng động cơ ba pha rồi cấp qua biến tần một pha vào, ba pha ra. Công suất nhỏ thì có dòng biến tần chuyên dụng cho động cơ một pha, nhưng cần đọc kỹ catalog.

Sáu điểm cần xem khi chọn biến tần cho động cơ AC

1. Dòng định mức, không chỉ kW. Chọn theo dòng ghi trên nhãn động cơ rồi đối chiếu công suất. Động cơ nhiều cực hoặc đời cũ có thể có dòng cao hơn so với công suất cùng cấp.
2. Kiểu tải. Bơm và quạt có moment giảm theo tốc độ nên làm việc nhẹ nhàng với biến tần. Băng tải, cẩu, máy nén cần moment ổn định nên thường phải chọn dư một cấp hoặc dùng chế độ tải nặng.
3. V/f hay vector. Bơm quạt thông thường dùng V/f là đủ. Cần moment lớn ở tốc độ thấp, hoặc giữ tốc độ chính xác khi tải thay đổi thì dùng vector (không cảm biến hoặc có encoder).
4. Chạy tốc độ thấp kéo dài. Quạt làm mát gắn trên trục motor quay chậm thì làm mát kém. Cần cân nhắc quạt gió ngoài hoặc động cơ chuyên dụng cho biến tần.
5. Cáp động cơ dài. Xung PWM chạy trên cáp dài có thể gây sóng phản xạ, làm tăng áp lên cuộn dây motor. Khi cáp dài nên tham khảo hãng để thêm cuộn kháng hoặc bộ lọc đầu ra.
6. Động cơ cũ. Nên đo cách điện cuộn dây trước khi đấu vào biến tần, vì xung PWM khắc nghiệt hơn nhiều so với điện lưới sin.

Nguyên lý biến tần tạo ra điện áp và tần số thay đổi để điều khiển động cơ AC xem chi tiết ở bài nguyên lý hoạt động của biến tần.

3. Biến tần hay servo khi cùng điều khiển động cơ AC

HLAuto sửa cả hai, và mình thấy anh em hay nhầm giữa hai loại này vì đều chạy động cơ AC. Khác biệt nằm ở mục tiêu điều khiển: biến tần lo chuyện tốc độ, servo lo chuyện vị trí và đáp ứng.

Quy tắc mình hay dùng khá đơn giản. Hệ thống chỉ cần chạy nhanh chậm theo yêu cầu và tiết kiệm điện thì chọn biến tần. Hệ thống cần "đi đến đúng vị trí, đúng thời điểm" thì chọn servo. Khi anh em đã dùng servo mà gặp lỗi encoder, quá tải hay lệch vị trí, tham khảo trang sửa servo motor và driver.

4. Chọn đúng thiết bị trong 5 bước

Từ kinh nghiệm tư vấn, mình gom lại thành năm bước để anh em đối chiếu nhanh trước khi mua hoặc thay thiết bị.

1. Đọc nhãn động cơ và xác định loại động cơ. Đọc nhãn để biết động cơ là AC không đồng bộ, đồng bộ nam châm vĩnh cửu, servo hay DC chổi than. Ghi lại điện áp, dòng định mức, công suất, tốc độ và số cực.
2. Xác định yêu cầu điều khiển của tải. Làm rõ hệ thống cần điều chỉnh tốc độ, giữ moment hay định vị. Ghi chú tải có cần giữ moment ở tốc độ thấp, đảo chiều hoặc hãm thường xuyên hay không.
3. Chọn loại thiết bị. Điều tốc và tiết kiệm điện chọn biến tần. Định vị chính xác chọn servo. Hệ thống đang dùng động cơ DC thì cân nhắc thay bằng động cơ AC và biến tần vector.
4. Chọn công suất, chế độ tải và phụ kiện. Chọn theo dòng định mức của động cơ, rồi chọn chế độ tải nhẹ hoặc tải nặng phù hợp. Bổ sung điện trở xả, cuộn kháng, bộ lọc hoặc card encoder khi tải và cáp yêu cầu.
5. Cài tham số và kiểm tra khi chạy thực tế. Nhập thông số động cơ, chạy tự học nếu có, rồi chạy thử với tải thực. Dùng đồng hồ kẹp dòng đo dòng chạy tải, theo dõi nhiệt độ động cơ và biến tần trước khi bàn giao.

Ba sai lầm mình hay gặp khi chọn thiết bị

• Chọn theo kW mà bỏ qua dòng điện. Biến tần đủ kW nhưng thiếu dòng sẽ báo quá dòng ngay khi tải nặng.
• Dùng V/f cho tải cần giữ moment ở tốc độ thấp. Băng tải nghiêng, cẩu, máy cuộn là ví dụ điển hình, cần vector và thường phải có phanh cơ.
• Muốn "gắn biến tần" vào động cơ DC có sẵn. Điều này không làm được, anh em cần thay cả động cơ như mục 6 bên dưới.

Toàn bộ các loại biến tần phổ biến trên thị trường và cách phân loại theo hãng/ứng dụng, anh em xem ở bài riêng về các loại biến tần phổ biến trước khi chốt thiết bị.

5. DC drive: nói gọn để anh em hiểu đúng

DC drive điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ DC. Muốn chạy trên tốc độ định mức thì giảm dòng kích từ. Moment tỷ lệ với dòng phần ứng nên điều khiển moment khá trực tiếp, và đó là lý do DC từng thống trị các ứng dụng cần moment tốt ở tốc độ thấp.

Cấu tạo DC drive: chỉnh lưu thyristor, phần ứng và kích từ

DC drive có cấu tạo đơn giản hơn biến tần về nguyên lý: một bộ chỉnh lưu thyristor điều khiển (cầu SCR) biến điện áp AC thành DC có điện áp thay đổi được để cấp cho phần ứng của động cơ DC — đổi điện áp phần ứng là đổi tốc độ. Song song với đó, mạch kích từ cấp dòng DC cho cuộn kích từ để tạo từ trường. Không có tầng nghịch lưu IGBT, không có PWM: đó là lý do DC drive bền và chắc ở thời của nó, nhưng toàn bộ hệ phụ thuộc vào chổi than và cổ góp của động cơ DC — hai chi tiết mài mòn theo thời gian.

Đổi lại, động cơ DC có chổi than và cổ góp cần bảo trì định kỳ, giá động cơ thường cao hơn động cơ AC cùng công suất, và không thích hợp với môi trường nhiều bụi hoặc dễ cháy nổ. Khi so sánh chi phí, anh em nên tính cả động cơ, bảo trì chổi than và thời gian dừng máy, chứ đừng chỉ nhìn giá bộ điều khiển.

Mình nói rõ để anh em khỏi mất công: HLAuto không sửa DC drive. Bên mình tập trung vào biến tần cho động cơ AC và servo, nên với hệ thống DC cũ, hướng tư vấn là phương án thay thế ở mục dưới.

6. Khi nào nên thay DC drive bằng biến tần AC vector

Biến tần vector hiện đại điều khiển moment và tốc độ khá sát, kết hợp động cơ AC không có chổi than nên nhiều dây chuyền đã chuyển từ DC sang AC. Nhưng đây là việc thay cả hệ truyền động, anh em cần cân nhắc mấy điểm sau.

• Phải thay động cơ. Động cơ DC chổi than không chạy được với biến tần, nên cần động cơ AC phù hợp (hoặc động cơ chuyên dụng cho biến tần) kèm biến tần vector.
• Moment ở tốc độ rất thấp. Tải cần giữ moment gần tốc độ 0 thường phải dùng biến tần vector vòng kín có encoder, và có phanh cơ nếu giữ tải treo.
• Dải tốc độ trên định mức. Động cơ DC giảm kích từ để chạy nhanh, động cơ AC cũng có vùng giảm từ thông nhưng moment giảm theo tốc độ. Cần tính lại theo yêu cầu thực tế của tải.
• Hãm và đảo chiều. Tải quán tính lớn cần điện trở xả hoặc bộ tái sinh (regen). Cái này nên tính từ đầu vì ảnh hưởng đến kích thước tủ và chi phí.
• Tín hiệu điều khiển cũ. Tốc độ đặt analog, tacho, encoder của hệ DC cần được ánh xạ sang ngõ vào biến tần. Nếu hệ thống có PLC và màn hình HMI, cần kiểm tra lại cách trao đổi tín hiệu.
• Tủ điện và đấu nối. Biến tần ba pha đầu ra, cáp và nhiễu khác hẳn mạch DC, cần tính lại bố trí và chống nhiễu.

Bên mình có thể tư vấn lựa chọn biến tần và động cơ phù hợp khi anh em đang phân vân thay thế. Biến tần mới thuộc nhóm hãng bên mình phân phối, trong đó đẩy mạnh T-Drive, Inovance, Yaskawa và INVT; riêng KDE là hãng bên mình từng phân phối độc quyền, hiện vẫn còn một số máy đang bán, xem thêm tại trang biến tần.

Giữ hay thay DC drive: nhìn vào tình trạng thực tế

Giữ lại DC drive khi board còn linh kiện thay thế, động cơ DC còn tốt (cổ góp chưa mòn sâu, chổi than còn hàng) và hệ thống chưa cần đồng bộ với dây chuyền mới — lúc này bảo trì định kỳ là đủ. Nên thay cả cụm — động cơ AC + biến tần vector, hoặc servo nếu cần độ chính xác — khi board cháy mà không còn linh kiện, cổ góp/chổi than mòn nặng phải tiện lại nhiều lần, hoặc nhà máy đang nâng cấp hệ thống điều khiển chung. Thay cả cụm cũng là lúc bỏ được toàn bộ khâu bảo trì chổi than về sau.

Một ca gần đây tại Bắc Giang cho thấy phía AC/servo cũng có những lỗi "nhỏ mà đắt": servo Veichi báo lỗi C90 — lỗi tín hiệu encoder. Kiểm tra tại xưởng, nguyên nhân không nằm ở động cơ hay driver mà ở dây tín hiệu encoder bị đứt; hàn lại dây là máy chạy lại bình thường, chi phí khoảng 1 triệu đồng, xử lý trong 1 ngày. Hệ vòng kín sống nhờ tín hiệu phản hồi — trước khi kết luận hỏng cả bộ servo, hãy kiểm tra kỹ phần dây và đầu nối encoder.

7. Lỗi thường gặp và khi nào cần nhờ sửa

Biến tần AC

Biến tần báo lỗi lặp lại sau khi đã kiểm tra tải, cáp và động cơ, hoặc đã chạm tới board công suất, thì anh em nên gửi thiết bị đi kiểm tra. Xem thêm dịch vụ sửa biến tần của HLAuto với quy trình chẩn đoán, test tải và bảo hành rõ ràng.

Servo driver

Các nhóm lỗi servo hay gặp là lỗi encoder (cáp, đầu nối, nhiễu), quá tải khi kẹt cơ khí hoặc tuning chưa phù hợp, quá dòng ở tầng công suất, quá áp bus khi giảm tốc mà thiếu điện trở xả, và sai lệch vị trí quá lớn. Thông tin chi tiết nằm ở trang sửa servo motor và driver.

DC drive

Bên mình không nhận sửa DC drive. Nếu hệ thống của anh em đang dùng DC và thiết bị đã hỏng, hướng thực tế nhất là cân nhắc thay bằng biến tần vector và động cơ AC như mục 6.

Câu hỏi thường gặp về biến tần cho động cơ AC và DC