Nguyên lý hoạt động của biến tần: Cách thức hoạt động và ứng dụng trong công nghiệp

Biến tần (Inverter) là một thiết bị điện tử công nghiệp có chức năng chuyển đổi và điều khiển nguồn điện cho động cơ điện. Nó cho phép điều chỉnh tần số và điện áp đầu ra để kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn của động cơ. Nhờ vào khả năng này, biến tần giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc của động cơ, tiết kiệm điện năng và giảm chi phí bảo trì. 

1. Chuyển đổi nguồn điện AC thành DC

Nguyên lý hoạt động đầu tiên của biến tần là chuyển đổi nguồn điện xoay chiều (AC) thành nguồn điện một chiều (DC). Quá trình này thực hiện thông qua bộ chỉnh lưu (rectifier), có nhiệm vụ tiếp nhận điện áp xoay chiều từ nguồn cung cấp và sử dụng các linh kiện bán dẫn như diode hoặc thyristor để chuyển đổi dòng điện AC thành dòng điện DC.

• Chỉnh lưu không điều khiển: Sử dụng diode để chỉnh lưu dòng điện, thường áp dụng cho các ứng dụng công suất thấp.

• Chỉnh lưu có điều khiển: Sử dụng thyristor hoặc SCR, cho phép điều chỉnh mức điện áp DC, giúp biến tần có khả năng điều khiển chính xác hơn.

Quá trình chuyển đổi này giúp cung cấp nguồn điện ổn định một chiều cho các mạch công suất phía sau.

2. Lọc nhiễu và làm mượt điện áp DC

Sau khi chỉnh lưu, dòng điện một chiều sẽ vẫn có gợn sóng (ripple) do sự dao động của điện áp AC đầu vào. Để loại bỏ nhiễu này và tạo ra nguồn DC ổn định, biến tần sử dụng mạch lọc DC. Mạch lọc này chủ yếu sử dụng tụ điện và cuộn cảm.

• Tụ điện: Giúp làm phẳng các dao động điện áp, giảm bớt gợn sóng.

• Cuộn cảm: Cung cấp một mạch kín giúp lọc tần số cao và ngăn chặn nhiễu từ nguồn điện.

Lọc DC giúp điện áp đầu ra của biến tần luôn ổn định, từ đó đảm bảo hiệu suất của mạch nghịch lưu và bảo vệ các linh kiện phía sau khỏi sự ảnh hưởng của các dao động điện áp.

Xem thêm: Nguyên lý và cấu tạo biến tần

3. Chuyển đổi DC thành AC với tần số điều khiển

Quá trình quan trọng nhất trong nguyên lý hoạt động của biến tần là chuyển đổi nguồn điện một chiều (DC) thành điện xoay chiều (AC) với tần số và biên độ có thể điều khiển được. Đây là chức năng chính giúp biến tần có thể điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.

Mạch nghịch lưu (Inverter Circuit) là bộ phận thực hiện công việc này. Mạch nghịch lưu sử dụng các linh kiện bán dẫn như IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET, hoặc GTO (Gate Turn-Off Thyristor). Các linh kiện này hoạt động như những công tắc điện tử, đóng/mở nhanh chóng để tạo ra các xung điện, từ đó tạo thành điện áp xoay chiều.

• Chế độ đóng/mở (Switching Mode): Mạch nghịch lưu tạo ra một chuỗi các xung PWM (Pulse Width Modulation), điều khiển độ rộng xung (duty cycle) để điều chỉnh điện áp ngõ ra. Các xung PWM này có thể thay đổi về tần số và biên độ, cho phép điều khiển chính xác cả tần số và điện áp của dòng điện xoay chiều đầu ra.

Điều khiển tần số: 

Tần số của điện áp AC ngõ ra quyết định tốc độ quay của động cơ. Khi tần số thay đổi, tốc độ quay của động cơ cũng thay đổi. Đây là cơ chế cơ bản giúp biến tần điều khiển tốc độ của động cơ.

Điều khiển điện áp: 

Biến tần cũng có thể điều chỉnh biên độ điện áp ngõ ra. Khi điện áp tăng, mô-men xoắn của động cơ sẽ tăng theo, giúp động cơ có thể làm việc với tải lớn hơn. Ngược lại, khi giảm điện áp, mô-men xoắn giảm và động cơ sẽ hoạt động nhẹ nhàng hơn.

4. Điều chế độ rộng xung (PWM)

Một trong những công nghệ quan trọng nhất trong nguyên lý hoạt động của biến tần là Pulse Width Modulation (PWM) – Điều chế độ rộng xung. PWM là phương pháp tạo ra các xung điện có độ rộng thay đổi, giúp điều khiển độ lớn và tần số của điện áp đầu ra.

• Xung PWM có chu kỳ lặp lại cố định nhưng độ rộng của mỗi xung có thể thay đổi. Khi xung có độ rộng lớn, điện áp ngõ ra sẽ lớn, và khi xung có độ rộng nhỏ, điện áp ngõ ra sẽ giảm.

• Điều này giúp điều chỉnh chính xác điện áp và tần số ngõ ra, từ đó điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ một cách mượt mà.

Ưu điểm của PWM:

• Giảm thiểu độ méo sóng trong điện áp ngõ ra, giúp điện áp đầu ra gần với sóng hình sin.

• Tăng hiệu quả làm việc của biến tần, giảm hao phí năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất của động cơ.

5. Điều khiển tốc độ và mô-men xoắn động cơ

Biến tần cho phép điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ bằng cách thay đổi tần số và điện áp của dòng điện xoay chiều. Sự thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động của động cơ.

• Điều khiển tốc độ: Tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha phụ thuộc vào tần số của dòng điện xoay chiều. Khi tần số thay đổi, tốc độ quay của động cơ cũng thay đổi tương ứng. Do đó, bằng cách thay đổi tần số của dòng điện ngõ ra, biến tần có thể điều chỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu công việc.

• Điều khiển mô-men xoắn: Mô-men xoắn của động cơ là lực xoay tác động lên trục động cơ. Biến tần có thể điều khiển mô-men xoắn bằng cách điều chỉnh điện áp và tần số của dòng điện, giúp động cơ tăng hoặc giảm sức kéo tùy thuộc vào điều kiện tải.

6. Quản lý và bảo vệ

Biến tần có một hệ thống điều khiển thông minh, không chỉ giúp điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn mà còn bảo vệ thiết bị khỏi các sự cố không mong muốn như quá tải, quá áp, quá dòng, và nhiệt độ quá cao. Các tính năng bảo vệ này rất quan trọng trong việc duy trì độ bền và tuổi thọ của biến tần và động cơ.

• Quá dòng và quá áp: Biến tần sẽ tự động ngắt khi phát hiện tình trạng quá dòng hoặc quá áp để tránh hư hỏng linh kiện.

• Bảo vệ nhiệt: Biến tần sẽ ngừng hoạt động nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn an toàn, bảo vệ các linh kiện bên trong khỏi hư hại.

7. Giao diện người dùng và cài đặt

Cuối cùng, biến tần còn có các giao diện người dùng, thường là màn hình LCD hoặc các phím chức năng giúp người dùng có thể dễ dàng cài đặt các tham số như tần số, điện áp, bảo vệ quá tải, cũng như theo dõi các thông số vận hành như tốc độ động cơ, dòng điện tiêu thụ và các mã lỗi khi xảy ra sự cố.

Kết luận

Biến tần là một thiết bị điện tử mạnh mẽ, với nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình chuyển đổi nguồn điện từ AC sang DC và sau đó chuyển lại thành AC có thể điều chỉnh được. Các mạch điều khiển và điều chế xung PWM đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tần số và điện áp, giúp kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn của động cơ. Ngoài ra, biến tần còn tích hợp nhiều tính năng bảo vệ giúp tăng cường độ bền và bảo vệ thiết bị trong quá trình vận hành.

Hy vọng bài viết này đã giúp bạn hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của biến tần và những lợi ích mà nó mang lại trong các ứng dụng công nghiệp và trong quá trình tìm hiểu sửa biến tần.