Cấu tạo chính của biến tần: Chi tiết từng linh kiện và vai trò trong vận hành

Biến tần (Inverter) là thiết bị điện tử công suất cao, có khả năng thay đổi tần số và điện áp ngõ ra nhằm điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều. Để thực hiện nhiệm vụ phức tạp này, biến tần được cấu thành từ nhiều khối chức năng, mỗi khối đóng vai trò riêng nhưng có mối liên kết chặt chẽ để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định, chính xác và hiệu quả.

Hiểu rõ cấu tạo bên trong của biến tần sẽ giúp người sử dụng, đặc biệt là các kỹ sư vận hành – bảo trì – sửa chữa, có thể chẩn đoán lỗi nhanh chóng, tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Dưới đây là phân tích chi tiết các bộ phận chính tạo nên một biến tần hoàn chỉnh:

1. Bộ chỉnh lưu (Rectifier)

Chức năng chính:

Chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) từ nguồn lưới điện thành dòng điện một chiều (DC) để cung cấp cho các khối mạch phía sau.

Cấu tạo:

Bộ chỉnh lưu thường sử dụng các diode chỉnh lưu (đối với biến tần 1 pha hoặc 3 pha công suất nhỏ) hoặc các thyristor (SCR) đối với biến tần công suất lớn. Số lượng diode phụ thuộc vào loại nguồn vào:

• Biến tần 1 pha: sử dụng 4 diode (cầu chỉnh lưu 1 pha).

• Biến tần 3 pha: sử dụng 6 diode (cầu chỉnh lưu 3 pha).

Lưu ý kỹ thuật:

Trong một số biến tần cao cấp, bộ chỉnh lưu có thể là loại chỉnh lưu có điều khiển – cho phép thay đổi điện áp DC bus nhằm tối ưu hiệu suất. Ngoài ra, một số biến tần tích hợp bộ chỉnh lưu phản hồi (regenerative rectifier) để tái sinh năng lượng dư thừa trở lại lưới điện.

Xem thêm: Nguyên lý và cấu tạo biến tần

2. Tụ điện DC bus (DC link capacitor)

Chức năng chính:

• Lọc nhiễu và làm phẳng điện áp DC từ bộ chỉnh lưu.

• Tích trữ năng lượng tạm thời để cung cấp cho khối nghịch lưu khi có tải biến động.

Cấu tạo:

Tụ điện công suất lớn, thường là tụ hóa nhôm hoặc tụ phim (film capacitor), chịu điện áp cao. Chúng được mắc song song để tăng dung lượng và độ bền, đồng thời có thể gắn thêm điện trở xã tụ.

Vai trò đặc biệt:

DC bus giống như “bình ắc quy tạm thời”, giúp cung cấp năng lượng ổn định cho biến tần. Nếu tụ hỏng hoặc yếu, sẽ gây ra hiện tượng sụt áp DC, ảnh hưởng đến khả năng điều khiển và gây lỗi E - OC (Overcurrent) hoặc UV - Under Voltage.

3. Bộ nghịch lưu (Inverter)

Chức năng chính:

Biến đổi dòng điện một chiều từ khối DC Bus thành dòng xoay chiều 3 pha có tần số và điện áp tùy biến theo yêu cầu điều khiển.

Cấu tạo:

Bộ nghịch lưu sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất cao, phổ biến nhất là:

• IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): đóng cắt nhanh, chịu điện áp và dòng lớn, hiệu suất cao.

• MOSFET công suất cao (thường dùng ở các biến tần tần số cao hoặc công suất nhỏ).

• Driver IGBT: mạch điều khiển đóng cắt IGBT theo xung điều chế (PWM).

Thông thường, mạch nghịch lưu có 6 IGBT hoặc MOSFET tương ứng với 6 nhánh để tạo ra 3 pha xoay chiều. Xung PWM được điều chế theo thuật toán SPWM hoặc SVM để mô phỏng dạng sóng sin.

Vai trò:

Bộ nghịch lưu là trái tim của biến tần. Nó quyết định trực tiếp tốc độ, moment và khả năng phản hồi của động cơ. Khi hoạt động không ổn định, thiết bị có thể rung, gây tiếng ồn hoặc thậm chí hỏng động cơ.

4. Mạch điều khiển trung tâm (Control Unit)

Chức năng chính:

• Điều khiển đóng cắt các IGBT theo thuật toán.

• Nhận tín hiệu từ cảm biến dòng, điện áp, tần số, nhiệt độ…

• Giao tiếp với người dùng và hệ thống điều khiển tự động (PLC, SCADA…).

Cấu tạo:

• Vi xử lý/Vi điều khiển (MCU hoặc DSP): xử lý tính toán thuật toán điều khiển động cơ (V/f, vector control, DTC…).

• EEPROM hoặc FLASH: lưu thông số cài đặt và chương trình điều khiển.

• ADC – bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số: thu thập thông tin cảm biến.

• Cổng truyền thông: RS485, Modbus, CAN, Profibus… giúp kết nối với hệ thống bên ngoài.

Điểm nổi bật:

Mạch điều khiển chính là nơi thực hiện các thuật toán điều khiển – đây là yếu tố phân biệt biến tần giá rẻ và biến tần cao cấp. Các thuật toán như vector control, DTC, PID... quyết định hiệu suất vận hành và độ ổn định của hệ thống.

5. Mạch bảo vệ (Protection Circuit)

Chức năng chính:

Đảm bảo an toàn cho biến tần và động cơ trong các tình huống sự cố như:

• Quá dòng (OC)

• Quá áp (OV)

• Sụt áp (UV)

• Quá nhiệt (OH)

• Lỗi pha (Phase loss)

• Ngắn mạch

Cấu tạo:

• Cảm biến dòng (Hall sensor hoặc shunt resistor)

• Cảm biến nhiệt (NTC, PTC)

• Bộ so sánh điện áp và mạch logic xử lý sự kiện.

Tính năng quan trọng:

Mạch bảo vệ không chỉ giúp ngắt mạch nhanh chóng khi có sự cố, mà còn lưu lại mã lỗi, thời gian và tình trạng hoạt động – rất hữu ích cho công tác bảo trì và phân tích nguyên nhân lỗi.

6. Mạch giao tiếp người dùng (HMI)

Chức năng chính:

• Hiển thị trạng thái hoạt động.

• Cài đặt thông số điều khiển.

• Hiển thị cảnh báo lỗi và mã lỗi.

Cấu tạo:

• Màn hình LED hoặc LCD.

• Phím điều khiển hoặc bàn phím số.

• Một số biến tần có thể tách rời HMI để lắp đặt từ xa.

Đặc điểm nâng cao:

Nhiều dòng biến tần hỗ trợ kết nối Bluetooth, Wifi hoặc qua app mobile để giám sát và điều khiển biến tần từ xa. Điều này đặc biệt tiện lợi trong các nhà máy có hệ thống giám sát tập trung.

7. Bộ lọc nhiễu và linh kiện phụ trợ

Bộ lọc EMC/EMI (Electromagnetic Compatibility/Interference):
Giảm nhiễu điện từ phát ra từ biến tần, giúp hệ thống tuân thủ tiêu chuẩn an toàn điện từ (CE, UL...).

Cuộn kháng (Line Reactor / DC Choke):
Giảm sóng hài, ổn định điện áp đầu vào, giảm dòng khởi động.

Điện trở hãm (Braking resistor):
Tiêu tán năng lượng dư thừa sinh ra trong quá trình hãm (dừng) động cơ, tránh làm hư tụ điện hoặc IGBT.

Quạt làm mát:
Hầu hết biến tần công suất từ 0.75kW trở lên đều có quạt làm mát cưỡng bức. Nếu quạt hỏng, nhiệt độ tăng sẽ gây lỗi OH.

Tổng kết: Hiểu cấu tạo để vận hành hiệu quả

Việc nắm vững các thành phần này sẽ giúp bạn sửa chữa biến tần hiệu quả hơn:

• Hiểu sâu hơn về nguyên lý vận hành.

• Phân tích lỗi nhanh và chính xác.

• Lựa chọn biến tần phù hợp với ứng dụng.

• Tiết kiệm chi phí sửa chữa và thay thế linh kiện.

Cấu tạo bên trong biến tần có thể phức tạp, nhưng về bản chất gồm 3 khối chính: nguồn vào – trung gian – nguồn ra, mỗi khối có chức năng riêng nhưng liên kết chặt chẽ với nhau.