Biến tần: Định nghĩa, Nguyên lý hoạt động và Ứng dụng

Biến tần (VFD) là thiết bị điều khiển tốc độ và mô men xoắn của động cơ AC bằng cách điều chỉnh tần số và điện áp của nguồn điện. VFD cũng có thể điều chỉnh gia tốc và giảm tốc của động cơ trong quá trình khởi động và dừng. VFD bao gồm ba thành phần chính: bộ chỉnh lưu, bộ biến tần và hệ thống điều khiển.

VFD được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như:

Tiết kiệm năng lượng và cải thiện hiệu suất hệ thống
Chuyển đổi năng lượng trong các ứng dụng lai hóa
Điều chỉnh tốc độ hoặc công suất của động cơ theo yêu cầu của quy trình
Cải thiện môi trường làm việc bằng cách giảm tiếng ồn và độ rung
Giảm ứng suất cơ học lên động cơ và kéo dài tuổi thọ của động cơ
Giảm mức tiêu thụ cực đại và giảm kích thước động cơ cần thiết

VFD thường được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến quạt, máy bơm, máy nén, băng tải, máy nghiền, máy xay, thang máy, thang cuốn, v.v. VFD có thể mang lại lợi ích đáng kể so với các loại bộ điều khiển động cơ khác, chẳng hạn như bộ khởi động mềm hoặc bộ tiếp điểm trên toàn tuyến.

Biến tần là gì?

Biến tần được định nghĩa là loại biến tần điều khiển động cơ AC kiểm soát tốc độ và mô men xoắn của động cơ điện bằng cách thay đổi tần số và điện áp của nguồn điện. Tần số của nguồn điện quyết định tốc độ quay của động cơ, trong khi điện áp quyết định mô men xoắn.

VFD có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên cấu trúc của nó, chẳng hạn như biến tần nguồn điện áp (VSI), biến tần nguồn dòng điện (CSI) hoặc biến tần chuyển mạch tải (LCI). VFD cũng có thể được phân loại theo đặc tính tải của nó, chẳng hạn như mô men xoắn thay đổi, mô men xoắn không đổi hoặc công suất không đổi.

Loại VFD phổ biến nhất là biến tần VSI, biến đổi đầu vào AC tần số cố định, điện áp cố định thành đầu ra AC tần số thay đổi, điện áp thay đổi bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu, liên kết DC và bộ biến tần. Bộ chỉnh lưu chuyển đổi đầu vào AC thành DC, liên kết DC làm phẳng đầu ra DC bằng tụ điện và bộ biến tần chuyển đổi đầu ra DC để tạo ra đầu ra AC gần như hình sin bằng cách sử dụng các thiết bị điện tử công suất như IGBT hoặc GTO.

Biến tần sử dụng các kỹ thuật điều chế như điều chế độ rộng xung (PWM), PWM sóng sin (SPWM) và PWM vectơ không gian (SVPWM) để quản lý điện áp và tần số. PWM tạo ra các xung mô phỏng sóng sin. SPWM sử dụng sóng sin và sóng tam giác để tạo xung. SVPWM tối ưu hóa việc chuyển mạch bằng phương pháp dựa trên vectơ đối với điện áp.

Hệ thống điều khiển theo dõi và điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra theo các tín hiệu phản hồi từ động cơ và các điểm đặt mong muốn. Hệ thống điều khiển duy trì tỷ lệ điện áp trên tần số (V/f) không đổi để đảm bảo động cơ hoạt động tối ưu.

Biến tần hoạt động như thế nào?

A variable frequency drive works by changing the frequency and voltage of the power supply to an AC motor according to its load and speed requirements.

Đầu vào AC được đưa vào bộ chỉnh lưu để chuyển đổi thành DC. Đầu ra DC được lọc bởi tụ điện tạo thành liên kết DC. Liên kết DC cung cấp điện cho bộ biến tần bật và tắt ở tần số cao để tạo ra đầu ra AC có tần số và điện áp thay đổi. Đầu ra AC được kết nối với động cơ AC quay với tốc độ tỷ lệ thuận với tần số.

Tốc độ của động cơ AC được đưa ra bởi:

trong đó Ns là tốc độ đồng bộ tính bằng vòng/phút, f là tần số tính bằng Hz và P là số cực.

Bằng cách thay đổi f, chúng ta có thể thay đổi Ns và do đó kiểm soát được tốc độ của động cơ.

Mô-men xoắn của động cơ AC được đưa ra bởi:

trong đó T là mô men xoắn tính bằng Nm, φ là từ thông tính bằng Wb và I là dòng điện tính bằng A.

Bằng cách thay đổi V/f, chúng ta có thể thay đổi φ và do đó kiểm soát được mô men xoắn của động cơ.

Những lợi ích của biến tần

Sử dụng ổ đĩa tần số thay đổi có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp kiểm soát tốc độ khác, chẳng hạn như:

Tiết kiệm năng lượng

VFD có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng bằng cách điều chỉnh tốc độ và lưu lượng của động cơ theo yêu cầu tải và quy trình. Điều này làm giảm lãng phí năng lượng và cải thiện hiệu suất của hệ thống. Ví dụ, trong các ứng dụng quạt và bơm có tải mô-men xoắn thay đổi, việc giảm tốc độ 20% có thể tiết kiệm năng lượng 50%, theo mối quan hệ giữa tốc độ và công suất theo luật lập phương. VFD cũng có thể cải thiện hệ số công suất của hệ thống bằng cách giảm công suất phản kháng mà động cơ tiêu thụ.

Tăng độ tin cậy

VFD có thể tăng độ tin cậy của động cơ và hệ thống bằng cách cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn mượt mà và chính xác. VFD có thể loại bỏ ứng suất cơ học và các cú sốc do khởi động hoặc dừng động cơ trực tiếp gây ra, có thể làm hỏng các cuộn dây, ổ trục, dây đai, bánh răng và các thành phần khác. VFD cũng có thể bảo vệ động cơ khỏi các lỗi điện như quá áp, thiếu áp, quá dòng, mất cân bằng pha, ngắn mạch, v.v. bằng cách theo dõi và điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra. VFD cũng có thể giảm mức độ tiếng ồn và độ rung của động cơ và hệ thống, có thể cải thiện môi trường làm việc và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

Biến đổi tốc độ

VFD có thể cung cấp nhiều biến thể tốc độ cho các ứng dụng khác nhau yêu cầu kiểm soát tốc độ thay đổi. VFD có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ từ 0 đến trên tốc độ định mức, tùy thuộc vào yêu cầu về tải và quy trình. VFD cũng có thể cung cấp tốc độ “trườn” cho mục đích bảo trì, loại bỏ nhu cầu về các ổ đĩa hoặc thiết bị bổ sung. VFD cũng có thể cho phép khởi động và dừng động cơ mềm, có thể giảm dòng điện khởi động, sụt áp, ứng suất cơ học và hao mòn.

Khởi động mềm

VFD có thể cung cấp khởi động mềm cho động cơ bằng cách tăng dần tần số và điện áp của nguồn điện từ 0 đến giá trị mong muốn. Điều này làm giảm dòng điện khởi động của động cơ, thường gấp sáu đến mười lần dòng điện định mức khi khởi động trực tiếp trực tuyến. Dòng điện khởi động cao có thể gây sụt áp trên mạng lưới cung cấp, ảnh hưởng đến các thiết bị khác được kết nối với nó. Nó cũng có thể gây ra ứng suất cuộn dây, quá nhiệt cuộn dây và hư hỏng lớp cách điện trong động cơ. VFD có thể ngăn ngừa những vấn đề này bằng cách giới hạn dòng điện khởi động ở mức an toàn.

Kéo dài tuổi thọ máy và ít bảo trì hơn

Sử dụng VFD có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của máy và cắt giảm chi phí bảo trì. VFD có thể ngăn bụi, độ ẩm và sự ăn mòn ảnh hưởng đến động cơ và hệ thống bằng cách giữ chúng sạch sẽ và khô ráo. VFD cũng có thể ngăn các kết nối lỏng lẻo, cáp bị lỗi và các thành phần bị hỏng gây ra lỗi điện hoặc sự cố hiệu suất bằng cách kiểm tra và thay thế chúng thường xuyên. VFD cũng có thể giảm hao mòn của động cơ và hệ thống bằng cách cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn mượt mà và chính xác. VFD cũng có thể theo dõi và chẩn đoán tình trạng của động cơ và hệ thống bằng cách sử dụng khả năng kết nối mạng và chẩn đoán.

Hệ số công suất cao

VFD có thể cải thiện hệ số công suất của hệ thống bằng cách giảm công suất phản kháng mà động cơ tiêu thụ. Công suất phản kháng là công suất được sử dụng để tạo từ trường hoặc tích điện cho tụ điện trong động cơ nhưng không đóng góp vào công việc hữu ích. Công suất phản kháng được đo bằng kVAR và làm tăng công suất biểu kiến của hệ thống, được đo bằng kVA. Hệ số công suất là tỷ số giữa công suất hữu dụng, được đo bằng kW, với công suất biểu kiến và cho biết hệ thống sử dụng công suất hiệu quả như thế nào. Hệ số công suất thấp có nghĩa là cần nhiều dòng điện hơn để cung cấp một lượng công suất nhất định, làm tăng tổn thất và chi phí. Hệ số công suất cao có nghĩa là cần ít dòng điện hơn để cung cấp một lượng công suất nhất định, làm giảm tổn thất và chi phí.

VFD có thể cải thiện hệ số công suất của hệ thống bằng cách giảm công suất phản kháng mà động cơ tiêu thụ theo hai cách:

Bằng cách điều chỉnh điện áp và tần số của nguồn điện để phù hợp với yêu cầu về tải và tốc độ của động cơ, làm giảm dòng điện từ hóa và do đó làm giảm công suất phản kháng.
Bằng cách bao gồm tụ điện trong liên kết DC của VFD, cung cấp khả năng bù công suất phản kháng và duy trì hệ số công suất cao ở phía đường dây của VFD. Điều này loại bỏ nhu cầu về các cụm tụ điện đắt tiền bổ sung.

Ứng dụng của biến tần là gì?

Biến tần được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng khác nhau đòi hỏi phải kiểm soát tốc độ của động cơ AC. Một số ứng dụng phổ biến là:

Quạt: VFD có thể điều khiển tốc độ và luồng khí của quạt theo yêu cầu về nhiệt độ, áp suất hoặc độ ẩm. Điều này có thể tiết kiệm năng lượng, giảm tiếng ồn, cải thiện sự thoải mái và kéo dài tuổi thọ của quạt.
Máy bơm: VFD có thể điều khiển tốc độ và lưu lượng của máy bơm theo yêu cầu về nhu cầu hoặc mức độ. Điều này có thể tiết kiệm năng lượng, giảm hao mòn, ngăn ngừa búa nước và cải thiện khả năng kiểm soát quy trình.
Máy nén: VFD có thể điều khiển tốc độ và áp suất của máy nén theo yêu cầu về tải và quy trình. Điều này có thể tiết kiệm năng lượng, giảm hao mòn, ngăn ngừa đột biến và cải thiện khả năng kiểm soát quy trình. VFD cũng có thể cung cấp khả năng khởi động và dừng mềm cho máy nén, có thể giảm dòng điện khởi động, sụt áp, ứng suất cơ học và hao mòn. VFD cũng có thể theo dõi và chẩn đoán tình trạng của máy nén và hệ thống bằng cách sử dụng khả năng kết nối mạng và chẩn đoán.

Biến tần