Biến tần là gì? Tổng quan về biến tần “Variable Frequency Drive”

VFD (biến tần) là gì?

VFD là từ viết tắt của “Variable Frequency Drive”, thường được gọi là Biến tần. VFD còn có thể được gọi là bộ điều chỉnh dòng xoay chiều (AC drive), bộ điều chỉnh tần số, bộ điều tốc, bộ điều chỉnh tốc độ (VSD – variable speed drive), bộ biến đổi tần số (VFI – variable frequency inverter),… Bất kể tên gọi nào, VFD là một loại bộ điều khiển động cơ truyền động và điều khiển động cơ điện. VFD kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn của động cơ để đáp ứng yêu cầu của ứng dụng bằng cách thay đổi tần số và nguồn điện áp. Tần số được liên kết trực tiếp với RPM của động cơ; tần số càng cao, số RPM càng lớn.

Cấu tạo biến tần VFD

Hai tính năng chính của biến tần là có thể điều chỉnh tốc độ và khả năng khởi động / dừng mềm. Hai tính năng này làm cho VFD trở thành một bộ điều khiển mạnh mẽ để điều khiển động cơ AC. VFD chủ yếu bao gồm bốn phần: chỉnh lưu, liên kết DC trung gian (DC Bus), nghịch lưu và mạch điều khiển.

Chỉnh lưu

Nó chuyển đổi nguồn AC được cấp từ nguồn điện lưới thành nguồn DC. Phần này có thể là một chiều hoặc hai chiều dựa trên ứng dụng được sử dụng giống như hoạt động bốn phần tư của động cơ. Nó sử dụng điốt, SCR, transistor hoặc các thiết bị chuyển mạch điện tử khác.

Nếu nó sử dụng điốt, nguồn DC đầu ra chuyển đổi không điều khiển được trong khi sử dụng SCR, nguồn ra DC sẽ thay đổi khi điều khiển cổng. Cần tối thiểu sáu điốt để chuyển đổi ba pha, vì vậy bộ chỉnh lưu được coi là bộ chuyển đổi sáu xung.

DC Bus

Nguồn DC từ phần chỉnh lưu được đưa vào phần liên kết DC (DC Bus). Phần này bao gồm tụ điện và cuộn cảm để làm phẳng các gợn sóng và tích trữ nguồn DC. Chức năng chính của liên kết DC là nhận, lưu trữ và cung cấp nguồn DC.

Nghịch lưu

Phần này (nghịch lưu – biến tần – inverter) bao gồm các thiết bị chuyển mạch điện tử như transistor, thyristor, IGBT, v.v. Nó nhận nguồn DC từ DC Bus và chuyển đổi thành AC và rồi được đưa đến động cơ. Nó sử dụng các kỹ thuật điều chế như điều chế độ rộng xung để thay đổi tần số đầu ra để điều khiển tốc độ của động cơ.

Mạch điều khiển

Nó bao gồm một bộ vi xử lý và thực hiện các chức năng khác nhau như điều khiển, cấu hình cài đặt, cảnh báo lỗi và thiết lập các giao thức truyền thông giao tiếp. Nó nhận tín hiệu phản hồi từ động cơ như tham chiếu tốc độ hiện tại và theo đó điều chỉnh tỷ lệ điện áp trên tần số (V/Hz) để điều khiển tốc độ động cơ.

Nguyên lý hoạt động của biến tần

Giai đoạn đầu tiên biến tần AC (VFD) đóng vai trò là bộ chuyển đổi (bộ chỉnh lưu). Bộ chuyển đổi bao gồm sáu điốt, tương tự như van một chiều được sử dụng trong hệ thống ống nước. Chúng cho phép dòng điện chỉ chạy theo một chiều hướng; hướng được hiển thị theo như hình mũi tên trong biểu tượng diode. Ví dụ, bất cứ khi nào điện áp pha A (điện áp tương tự như áp suất trong hệ thống ống nước) dương hơn điện áp pha B hoặc C, thì điốt đó sẽ mở và cho phép dòng điện chạy qua. Khi pha B trở nên tích cực dương hơn pha A, thì diode pha B sẽ mở và diode pha A sẽ đóng. Điều này cũng đúng đối với 3 điốt ở phía tích cực âm của Bus. Do đó, nhận được sáu “xung” hiện tại khi mỗi diode mở và đóng. Đây được gọi là “six-pulse VFD”, là cấu hình tiêu chuẩn cho các biến tần hiện tại.

Giả sử rằng biến tần đang hoạt động trên hệ thống điện 480V. Định mức 480V là “rms” (root mean squared). Các cực đại trên hệ thống 480V là 679V. Như bạn có thể thấy, bus VFD có điện áp một chiều với gợn sóng xoay chiều. Điện áp chạy trong khoảng từ 580V đến 680V.

Chúng ta có thể loại bỏ gợn sóng AC trên bus DC bằng cách thêm một tụ điện. Tụ điện hoạt động theo kiểu tương tự như một bể chứa hoặc bộ tích lũy trong hệ thống ống nước. Tụ điện này hấp thụ gợn sóng xoay chiều và cung cấp điện áp một chiều phẳng. Độ gợn sóng AC trên bus DC thường nhỏ hơn 3 Volts. Do đó, điện áp trên bus DC trở thành “xấp xỉ” 650VDC. Điện áp thực tế sẽ phụ thuộc vào mức điện áp của dòng AC cấp cho biến tần, mức độ mất cân bằng điện áp trên hệ thống điện, tải động cơ, trở kháng của hệ thống điện và bất kỳ cuộn kháng hoặc bộ lọc sóng hài nào trên biến tần.

Bộ chuyển đổi cầu diode chuyển đổi AC-sang-DC (bộ chỉnh lưu). Bộ chuyển đổi chuyển đổi từ một chiều trở lại xoay chiều (bộ nghịch lưu), tuy nhiên để phân biệt với bộ chuyển đổi diode, nó thường được gọi là “inverter”. Nó đã trở nên phổ biến trong ngành khi coi bất kỳ bộ chuyển đổi DC-sang-AC nào như một bộ biến tần (inverter) hay AC drive.

Khi chúng ta đóng một trong các chuyển mạch trên cùng trong bộ chuyển đổi, pha đó của động cơ được kết nối với bus một chiều dương và điện áp trên pha đó trở thành dương. Khi chúng ta đóng một trong các chuyển mạch dưới cùng trong bộ chuyển đổi, pha đó được kết nối với bus một chiều âm và trở thành âm. Do đó, chúng ta có thể làm cho bất kỳ pha nào trên động cơ trở nên dương hoặc âm theo ý muốn và do đó có thể tạo ra bất kỳ tần số nào mà chúng ta muốn. Vì vậy, chúng ta có thể làm cho bất kỳ pha nào là cực dương, cực âm hoặc bằng không.

Lưu ý rằng đầu ra từ VFD là dạng sóng “hình chữ nhật”. VFD không tạo ra đầu ra hình sin. Dạng sóng hình chữ nhật này sẽ không phải là lựa chọn tốt cho các hệ thống điều khiển chung, nhưng hoàn toàn phù hợp cho động cơ.

Nếu chúng ta muốn giảm tần số động cơ xuống 30 Hz, thì chúng ta chỉ cần chuyển các transistor đầu ra của biến tần hoạt động chậm hơn. Nhưng, nếu chúng ta giảm tần số xuống 30 Hz, thì chúng ta cũng phải giảm điện áp xuống 240V để duy trì tỷ lệ V / Hz (xem phần trình bày Lý thuyết điều khiển Động cơ bằng VFD để biết thêm về điều này). Làm thế nào chúng ta sẽ giảm điện áp nếu điện áp duy nhất mà chúng ta có là 650VDC?

Đây được gọi là điều chế độ rộng xung (PWM). Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có thể kiểm soát áp suất trong đường nước bằng cách bật và tắt van ở tốc độ cao. Mặc dù điều này sẽ không thực tế cho các hệ thống ống nước, tuy nhiên nó rất khả thi với VFD. Chú ý rằng trong nửa chu kỳ đầu tiên, điện áp BẬT một nửa thời gian và TẮT một nửa thời gian. Như vậy, điện áp trung bình là một nửa của 480V hoặc 240V. Bằng cách tạo xung đầu ra, chúng ta có thể đạt được bất kỳ điện áp trung bình nào trên đầu ra của VFD.

Ưu điểm khi sử dụng biến tần

1- Giảm mức tiêu thụ năng lượng và chi phí năng lượng

Trong trường hợp ứng dụng không cần chạy ở tốc độ tối đa, bạn có thể cắt giảm chi phí năng lượng bằng cách điều khiển động cơ bằng VFD, cho phép bạn điều chỉnh tốc độ của thiết bị điều khiển động cơ với yêu cầu tải. Hệ thống động cơ điện tiêu thụ hơn 65% điện năng tiêu thụ trong ngành công nghiệp ngày nay. Tối ưu hóa hệ thống điều khiển động cơ với VFD có thể giảm tiêu thụ năng lượng trong cơ sở tới 70%. Ngoài ra, sử dụng VFDs có thể nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất. Những lợi ích này khi kết hợp lại sẽ hoàn vốn đầu tư cho các VFD.

2- Điều khiển động cơ mềm và hiệu quả

Vận hành động cơ của bạn ở tốc độ hiệu quả nhất cho ứng dụng của bạn có thể giảm lỗi, do đó tăng mức sản xuất và tăng doanh thu. Ví dụ, các VFD hoạt động trơn tru hơn cho phép băng tải và dây đai có thể loại bỏ hiện tượng giật khi khởi động, cho phép thông lượng cao hơn.

3- Kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm bảo trì

Đảm bảo kiểm soát động cơ tối ưu sẽ giúp thiết bị hoạt động lâu hơn và giảm thời gian chết do bảo trì. Vì VFD tối ưu hóa việc kiểm soát tần số và điện áp của động cơ, VFD cung cấp khả năng bảo vệ tốt hơn cho động cơ của bạn khỏi các vấn đề như quá tải nhiệt điện, bảo vệ pha, dưới điện áp, quá áp, v.v. Khởi động tải bằng VFD bảo vệ động cơ hoặc động cơ tải từ “cú sốc tức thì” trên đường bắt đầu; khởi động trơn tru giúp loại bỏ mức độ mòn lớn của đai, bánh răng và ổ trục. Và lợi ích bổ sung là giảm và / hoặc loại bỏ búa nước thông qua các chu kỳ tăng tốc và giảm tốc mượt mà.

Phân loại biến tần (VFD)

Kích thước

Phân khúc thị trường VFD được chia thành năm phạm vi kích thước được xác định bởi công suất (KW hoặc HP) của VFD. Trong khi nghiên cứu thị trường toàn cầu về VFD  bao gồm các VFD siêu nhỏ, nhỏ và tầm trung, thì nghiên cứu thị trường về VFD công suất cao bao gồm VFD tầm trung, lớn và siêu lớn.

Nhiều VFD có dải công suất hoạt động rất rộng. Ví dụ, một số nhà sản xuất cung cấp một biến thể của cùng một kiểu VFD hoạt động từ dải  đến cao. Các nhà sản xuất có thể cung cấp một loạt các sản phẩm được chia thành nhiều phân khúc. Vì các mô hình như vậy có thể trải dài các phân đoạn kilowatt khác nhau, chúng tôi đã phân loại các VFD này vào một phân đoạn thích hợp nhất của chúng để tránh tính lặp lại.

Chế độ điều khiển

Volts / Hertz (Hz), chế độ điều khiển động cơ truyền thống, ngăn sự bão hòa từ trường của động cơ bằng cách duy trì tỷ lệ V / Hz không đổi. Ở tốc độ thấp, điện áp thấp cung cấp dòng điện từ hóa ít hơn, dẫn đến mất mô-men xoắn. Một hạn chế khác là điều khiển V / Hz không đúng với sự thay đổi độ trượt giữa rôto và stato với tần số và tải. Các nhà cung cấp các sản phẩm truyền tải điện cơ với biến tần, thường cung cấp bánh răng và dây đai để đáp ứng các yêu cầu về mô-men xoắn tốc độ thấp.

Các chế độ điều khiển khắc phục được những hạn chế của điều khiển V / Hz là điều khiển vectơ từ thông vòng kín và điều khiển vectơ không cảm biến vòng hở. Với trước đây, một cảm biến, chẳng hạn như bộ encoder trên trục động cơ, cung cấp một thước đo độ trượt để kiểm soát tốc độ. Với loại thứ hai, cảm biến dòng điện tích hợp sẵn (không có cảm biến bên ngoài) cung cấp thông tin để điều khiển. Trong cả hai trường hợp, VFD  bù cho nhu cầu dòng điện từ hóa và trượt dựa trên mô hình phần mềm nội bộ về đặc tính của động cơ, nhưng phản hồi là từ bộ encoder bên ngoài hoặc cảm biến dòng tích hợp. Các chế độ này yêu cầu điều chỉnh các hiệu ứng, chẳng hạn như độ trễ thời gian của tải có quán tính cao. Các VFD tự động điều chỉnh giải quyết yêu cầu này mà không cần can thiệp thủ công.

Điện áp đầu vào

Điện áp đầu vào là đặc điểm dễ phân biệt của VFD  vì công suất được cung cấp thay đổi đáng kể theo điện áp. Do đó, việc phân loại VFD  theo điện áp trong nghiên cứu này xem xét các phạm vi chính: 115V đến 240V, 380V đến 400V, 460V đến 480V và 560V đến 690V.

Cấu hình Bus

VFD  chuyển đổi đầu vào AC thành DC để tạo ra điện áp và tần số đầu ra cần thiết. Đối với các ứng dụng liên quan đến một số lượng lớn biến tần  (chẳng hạn như băng tải hoặc sản xuất sợi tổng hợp), có những biến tần được thiết kế cho một bộ nguồn DC lớn duy nhất, được gọi chung là Bus DC hay DC Bus. Điều này làm giảm chi phí và sử dụng năng lượng phanh tái tạo tốt hơn so với truyền động độc lập. Việc phân đoạn này giúp hiểu rõ hơn về đồ thị sử dụng cấu hình bus.

Phần cứng, phần mềm và dịch vụ

Phân khúc thị trường VFD về phần cứng (phần cứng VFD và phần cứng ngoại vi), phần mềm và dịch vụ (bao gồm các hỗ trợ dự án và MRO / phụ tùng và dịch vụ khác) để cạnh tranh tốt hơn so với các sản phẩm khác trên thị trường. “Phần cứng VFD” là các VFD  dưới dạng thiết bị độc lập. Nó bao gồm các tính năng và chức năng được lập trình trước, cũng như các tùy chọn có thể lập trình.

Nhiều nhà cung cấp không bán VFD lập trình sẵn mà chỉ làm phần cứng. Các sản phẩm khác được bán với VFD  được gọi là phần cứng và phụ kiện ngoại vi khi giá trị của chúng nhỏ so với giá trị của VFD. Phần cứng và phụ kiện ngoại vi có thể bao gồm các thành phần hệ thống điều khiển, vỏ, hệ thống cáp và các hạng mục, chẳng hạn như bộ lọc sóng hài không có trong biến tần. Tuy nhiên, phần cứng và phụ kiện ngoại vi không bao gồm các mặt hàng được bán riêng, chẳng hạn như thiết bị đóng cắt, PAC, PLC, động cơ hoặc các thành phần cơ khí, chẳng hạn như bánh răng, ly hợp và phanh.

Khi người dùng sử dụng VFD, họ tập trung vào tính năng cốt lõi, họ ngày càng tin tưởng vào các nhà cung cấp VFD có cung cấp dịch vụ dính kèm. Ngoài các dịch vụ đào tạo, cài đặt và vận hành, người dùng mong đợi trách nhiệm về bảo hành, bảo dưỡng đơn lẻ hoặc quản lý key dự án, kỹ thuật ứng dụng và phát triển phần mềm tùy chỉnh để điều chỉnh VFD theo nhu cầu của riêng họ. Người sử dụng VFD cũng mong đợi các chương trình bảo trì và nâng cấp do nhà cung cấp hỗ trợ để bảo vệ khoản đầu tư của họ.

Các hãng sản xuất biến tần VFD phổ biến

Các hãng sản xuất, cung cấp biến tần VFD được biết đến trên thị trường việt nam như:

1. Đức: Siemens, Rexroth, Lenze
2. Đan mạch: Danfoss
3. Nhật bản: Mitsubishi, Yaskawa, Fuji, Omron, Panasonic, Hitachi, Toshiba, Nidec
4. Thụy sỹ: ABB
5. Pháp: Schneider
6. Mỹ: Allen Bradley (rockwell), Emerson, Parker, Sew-Eurodrive
7. Israel: Unitronics
8. Hàn quốc: LS
9. Đài loan: Delta, Shihlin,
10. Trung quốc: INVT, Kinco, Sinovo, Goodwe, Growatt, Sungrow, Inovance, Veichi, Gtake, Frecon, V&T, Powtran, Sinee, Delixi, Senlan, Enc, Zoncn, Sunfar, Sumo,..