Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Và Ứng Dụng Của Biến Tần

Hiện nay, biến tần là một thiết bị điện tử quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Mặc dù phổ biến là vậy, nhưng không phải ai cũng nắm được cấu tạo biến tần như thế nào? Nguyên lý hoạt động ra sao để vận hành, bảo trì cho đúng.

Hãy cùng Nam Phương Việt khám phá cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng của biến tần trong bài viết này nhé.

Nội dung bài viết:

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần 3 pha

Cấu tạo biến tần 3 pha

Bức ảnh trên đây là tổng hợp các thành phần cấu tạo biến tần Yaskawa E1000. Như bạn có thể thấy, cấu tạo biến tần bao gồm các thành phần chính như sau:

Driver Board
Control Board
Board nguồn
Contactor bypass
DC Bus
Màn hình điều khiển

Ngoài ra, biến tần còn có thêm một số bộ phận khác như:

Các cổng vào/ra
Quạt làm mát
Các cổng giao tiếp: Kết nối biến tần với máy tính hoặc các thiết bị điều khiển khác.

Ngay sau đây, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu chi tiết từng bộ phận.

Cấu tạo, chức năng và vai trò của Driver Board

Driver Board (hay còn gọi là mạch điều khiển) là một thành phần vô cùng quan trọng trong cấu trúc của biến tần. Nó đóng vai trò như “bộ não” điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của biến tần.

Một Driver Board điển hình bao gồm các thành phần chính sau:

Vi điều khiển
Mạch tạo xung
Mạch khuếch đại
Mạch bảo vệ
Các linh kiện điện tử khác: Điện trở, tụ điện, diode…

Chức năng chính của Driver Board:

Tạo xung điều khiển có tần số và độ rộng thay đổi để điều khiển các transistor công suất (IGBT) trong bộ nghịch lưu.
Điều chỉnh điện áp và tần số của điện áp ra để đáp ứng yêu cầu của tải.
Bảo vệ biến tần khỏi quá dòng, quá áp, ngắn mạch, quá nhiệt,…
Giao tiếp với các thiết bị khác như PLC, màn hình HMI, cảm biến…

Vai trò chính của Driver Board trong biến tần:

Điều khiển IGBT hoặc MOSFET bật/tắt chính xác để tạo ra sóng điện áp và dòng điện mong muốn, điều chỉnh tần số và điện áp đầu ra.
Cách ly và bảo vệ các linh kiện khỏi quá dòng, quá nhiệt và quá áp.
Chuyển đổi tín hiệu điều khiển chính (MCU hoặc DSP) của biến tần thành các tín hiệu kích thích thích hợp cho các linh kiện IGBT/MOSFET.
Driver board giúp biến tần điều chỉnh động cơ theo các chế độ khác nhau như khởi động, chạy tải nặng, và hãm động cơ.

Driver board có vai trò quyết định đến độ tin cậy, hiệu suất và độ bền của biến tần, vì nó đảm bảo các thành phần công suất hoạt động một cách ổn định và hiệu quả.

Cấu tạo, chức năng của Control Board

Control board là thành phần cốt lõi, chịu trách nhiệm giám sát và điều khiển toàn bộ hoạt động của biến tần. Nó đảm bảo rằng biến tần hoạt động theo cách tối ưu nhất, phù hợp với yêu cầu của động cơ và ứng dụng cụ thể.

Control board có cấu trúc gồm nhiều thành phần điện tử phức tạp, bao gồm:

Vi điều khiển (MCU) hoặc bộ xử lý tín hiệu số (DSP): Thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp để điều chỉnh tần số và điện áp đầu ra của biến tần.
Bộ chuyển đổi tín hiệu: Đọc các tín hiệu từ cảm biến và gửi tín hiệu điều khiển, bao gồm các mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự – số (ADC) và số – tương tự (DAC).
Cảm biến và bộ thu thập dữ liệu: Bao gồm các cảm biến đo dòng điện, điện áp, nhiệt độ và tốc độ, giúp giám sát tình trạng của động cơ và biến tần.
Mạch giao tiếp: Cho phép Control Board kết nối với các thiết bị khác như PLC, màn hình HMI, cảm biến,… thông qua các giao thức truyền thông như RS485, Ethernet,…
Bộ nhớ: Lưu trữ các chương trình điều khiển, dữ liệu cấu hình và các thông số hoạt động của biến tần.

Chức năng của Control Board:

Nhận và xử lý tín hiệu điều khiển từ các thiết bị ngoại vi như bàn phím, màn hình HMI, PLC,… và xử lý để tạo ra các lệnh điều khiển cho các phần tử khác của biến tần.
Điều chỉnh tần số và biên độ của điện áp đầu ra để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.
Thực hiện các chức năng bảo vệ như quá dòng, quá áp, quá nhiệt, mất pha,… để bảo vệ biến tần và động cơ khỏi hư hỏng.
Theo dõi và giám sát các thông số hoạt động của biến tần như dòng điện, điện áp, nhiệt độ,… và hiển thị các thông tin này trên màn hình HMI.
Control Board cho phép người dùng cấu hình và thiết lập các thông số hoạt động của biến tần thông qua các phần mềm chuyên dụng.

Cấu tạo và chức năng của Board nguồn

Mạch nguồn đóng vai trò then chốt trong biến tần, cung cấp năng lượng ổn định cho toàn bộ hệ thống hoạt động.

Một board nguồn điển hình trong biến tần thường bao gồm các thành phần chính sau: biến áp, chỉnh lưu, bộ lọc, bộ ổn áp và các linh kiện điện tử khác như điện trở, tụ điện, transistor, IC điều khiển, cầu chì,…

Dưới đây là một mô hình sơ đồ thiết kế của mạch nguồn biến tần:

Chức năng của Board nguồn trong biến tần:

Board nguồn cung cấp nguồn điện một chiều (DC) ổn định cho các mạch điện tử khác trong biến tần, đặc biệt là cho mạch nghịch lưu. Đồng thời nó cũng có các mạch bảo vệ quá dòng, quá áp, ngắn mạch để bảo vệ các thiết bị khác và chính nó.

Riêng biến áp trong board nguồn còn có chức năng cách ly các mạch điện tử bên trong biến tần với nguồn điện lưới, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Cấu tạo và chức năng của Contactor bypass

Contactor bypass là một thành phần quan trọng trong một số loại biến tần, đặc biệt là các biến tần công suất lớn. Cấu tạo Contactor bypass thường bao gồm:

Contactor: Đây là một loại rơ-le điện từ có công suất lớn, được sử dụng để đóng cắt mạch điện chính.
Cuộn dây điều khiển: Khi có tín hiệu điều khiển, cuộn dây sẽ hút các tiếp điểm của contactor lại với nhau, đóng mạch.
Các tiếp điểm: Là các tiếp điểm điện được làm bằng vật liệu dẫn điện tốt, có nhiệm vụ đóng cắt mạch điện.

Chức năng chính của contactor bypass là:

Chức năng chính của Contactor bypass là chuyển mạch dòng điện trực tiếp từ nguồn điện lưới đến động cơ, bỏ qua các thành phần bán dẫn (như IGBT, MOSFET) của biến tần khi động cơ đã đạt đến tốc độ ổn định. Mang lại một số lợi ích:

Tăng hiệu suất hệ thống nhờ giảm tổn thất năng lượng tại các thiết bị bán dẫn
Giảm nhiệt lượng tỏa ra từ biến tần
Giảm nhiễu điện từ (EMI)
Bảo vệ biến tần khỏi các sự cố như quá tải hoặc ngắn mạch ở động cơ.

Lưu ý, Contactor bypass thường được sử dụng trong các trường hợp sau:

Động cơ có công suất lớn
Các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao
Các ứng dụng cần độ tin cậy cao

Cấu tạo và chức năng của DC Bus

DC Bus có nhiệm vụ lưu trữ và phân phối năng lượng DC giữa các giai đoạn chuyển đổi điện năng. Nó đảm bảo sự ổn định và liên tục của dòng điện một chiều (DC) trong biến tần, giúp biến tần hoạt động hiệu quả và ổn định.

DC Bus thường bao gồm các thành phần sau:

Tụ điện DC có nhiệm vụ lưu trữ và làm phẳng dòng điện một chiều sau khi được chỉnh lưu từ dòng điện xoay chiều (AC). Tụ giúp giảm nhiễu và giữ cho dòng điện một chiều ổn định.
Cuộn cảm (Inductor) được sử dụng trong một số thiết kế thanh cái DC để giảm thiểu sóng hài và hạn chế dòng đột biến, giúp lọc nhiễu và các xung điện không mong muốn.
Thanh cái (Busbars) thường làm từ đồng hoặc nhôm, giúp dẫn dòng điện một chiều từ các tụ điện tới các phần tử bán dẫn như IGBT hoặc MOSFET. Nó có vai trò truyền tải dòng điện với mức tổn thất thấp nhất.
Điện trở xả có nhiệm vụ xả hết điện trong các các tụ điện khi biến tần ngừng hoạt động.

Chức năng của DC Bus:

Lưu trữ năng lượng DC
Ổn định và làm mịn dòng điện DC
Cung cấp năng lượng cho IGBT/MOSFET
Bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố như quá dòng, quá áp hoặc ngắn mạch, …
Hạn chế dòng điện đột biến (khi có cuộn cảm)

Cấu tạo và chức năng của mạch chỉnh lưu biến tần

Thành phần cấu tạo tiếp theo trong biến tần có vai trò quan trọng không kém, đó chính là mạch chỉnh lưu. Đây là bộ phận được sử dụng để thay đổi dòng điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha thành dòng điện một chiều (DC).

Thông thường các hãng sẽ sử dụng bộ chỉnh lưu cầu Diode và tụ điện để thay đổi điện áp xoay chiều 3 pha và điện áp 1 pha tạo ra điện áp 1 chiều.

Đầu ra cầu chỉnh lưu thường sử dụng tải điện trở, nhưng trong các ứng dụng thực tế, các tụ điện nắn phẳng sẽ được sử dụng làm tải.

Cấu tạo cơ bản của mạch chỉnh lưu biến tần bao gồm:

Diode: Linh kiện bán dẫn có chức năng cho dòng điện đi qua theo một chiều.
Thyristor: Linh kiện bán dẫn được sử dụng thay thế Diode ở một số loại biến tần, có chức năng đóng ngắt dòng điện.
Điện trở: Hạn chế dòng điện xung kích, bảo vệ các linh kiện điện tử. Nếu mạch giới hạn dòng điện xung kích được sử dụng, giá trị đỉnh của dòng điện 1 chiều sẽ được giảm xuống. Từ đó bảo vệ các linh kiện điện tử ở phía sau.

Chi tiết cấu tạo, bạn đọc xem hình ảnh bên dưới để hiểu rõ hơn nhé.

Thực tế có 2 loại mạch chỉnh lưu được áp dụng cho biến tần:

Mạch chỉnh lưu cầu diode: Mạch này sử dụng bốn diode được mắc theo dạng cầu để biến đổi AC thành DC. Ưu điểm là có cấu tạo đơn giản, chi phí thấp, tuy nhiên lại có hiệu suất hoạt động thấp hơn so với mạch chỉnh lưu SCR.
Mạch chỉnh lưu SCR (Silicon Controlled Rectifier): Mạch này sử dụng thyristor thay vì diode để biến đổi điện áp AC thành điện áp DC. Ưu điểm của mạch SCR là có hiệu suất hoạt động cao, có thể điều chỉnh điện áp DC đầu ra dễ dàng nhưng lại cấu tạo phức tạp hơn và chi phí cao hơn.

Cấu tạo và chức năng của mạch nghịch lưu

Mạch nghịch lưu là mạch chính quan trọng tiếp theo có trong biến tần, mạch này thực hiện chức năng biến đổi dòng điện một chiều lưu trữ tại DC bus thành dòng điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha bằng phương pháp sử dụng các IGBT tạo ra điện năng cho động cơ khởi động, với tần số và điện áp phù hợp với nhu cầu sử dụng.

Các IGBT sẽ đóng tắt cực nhanh để tạo dạng sóng cho dòng điện hoạt động giống như dạng sóng sin, nhưng với tần số và điện áp AC mong muốn cho động cơ.

Giai đoạn này thường sử dụng điều biến độ rộng xung (PWM) để tạo ra điện áp có độ rộng của các xung vuông trong một chu kỳ phù hợp, qua đó điều chỉnh tốc độ động cơ 3 pha. Nói cách khác, PWM bật và tắt tín hiệu điện áp với tốc độ cao, thay vì cung cấp điện áp liên tục. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ phần trăm thời gian bật (duty cycle) của xung, ta có thể kiểm soát nguồn điện năng trung bình được cung cấp cho động cơ.

Thành phần cấu tạo của mạch:

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Linh kiện bán dẫn công suất cao, được sử dụng để đóng ngắt dòng điện một chiều.
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor): Linh kiện bán dẫn công suất cao, được sử dụng trong một số loại biến tần thay vì IGBT.

=> Xem thêm: IGBT là gì?

Hình ảnh dưới đây miêu tả chính xác nhất về bộ nghịch lưu biến tần.

Có hai loại mạch nghịch lưu chính được sử dụng trong biến tần:

Mạch hình H: Sử dụng 6 IGBT hoặc MOSFET được mắc theo dạng H để biến đổi điện áp DC thành điện áp AC. Loại mạch này có cấu tạo đơn giản, hiệu suất hoạt động cao nhưng tạo ra nhiều nhiễu.
Mạch PWM (Pulse Width Modulation): Sử dụng IGBT hoặc MOSFET được điều khiển bởi tín hiệu PWM để bật và tắt theo một chu kỳ nhất định. Loại mạch này tạo ra ít nhiễu hơn so với mạch hình H nhưng cấu tạo phức tạp hơn và hiệu suất hoạt động thấp hơn.

Cấu tạo và chức năng của bộ phận hãm

Bộ phận hãm phanh của biến tần có chức năng chính là làm chậm hoặc dừng động cơ một cách an toàn và hiệu quả. Khi động cơ cố chạy chậm hoặc dừng, quán tính của tải sẽ khiến động cơ hoạt động như một máy phát điện và tạo ra năng lượng động học. Năng lượng này cần được giải phóng để động cơ có thể dừng lại. Nếu không có bộ phận hãm phanh, năng lượng động học này sẽ khiến bộ truyền động bị quá điện áp và ngừng hoạt động. Một phần điện áp được chuyển đổi thành nhiệt năng trong động cơ, có thể dẫn đến quá nhiệt, hư hỏng động cơ và giảm tuổi thọ thiết bị.

Bộ hãm được cấu tạo từ các bộ phận chính sau:

Điện trở hãm (điện trở xả): Biến đổi năng lượng động học của động cơ thành nhiệt năng.
Tụ điện hãm: Lưu trữ năng lượng điện được giải phóng từ động cơ trong quá trình hãm phanh.
Diode hãm: Ngăn dòng điện chảy ngược từ tụ điện hãm về động cơ.
Công tắc hãm: Điều khiển quá trình hãm phanh bằng cách kết nối hoặc ngắt kết nối điện trở hãm với động cơ.
Bộ điều khiển hãm phanh: Điều khiển thời gian và lực hãm phanh phù hợp với từng trường hợp cụ thể.

Có hai phương pháp hãm phanh chính được sử dụng trong biến tần:

Hãm bằng điện trở
Hãm tái sinh

=> Xem thêm: Điện trở xả biến tần là gì?

Cấu tạo và chức năng hệ thống làm mát

Trong quá trình vận hành và hoạt động của hầu hết các linh kiện điện tử, thiết bị đều sinh ra nhiệt. Và nếu không được làm mát sẽ làm giảm hiệu suất của thiết bị cũng như giảm tuổi thọ của sản phẩm.

Chính vì vậy mà trong các máy biến tần sẽ luôn có hệ thống làm mát có chức năng tản nhiệt cho các linh kiện này. Hệ thống tản nhiệt gồm có:

Quạt gió: Cung cấp luồng khí để lưu thông trong biến tần, giúp tản nhiệt cho các linh kiện điện tử.
Bộ tản nhiệt: Hấp thụ nhiệt từ các linh kiện điện tử và truyền dẫn ra môi trường xung quanh.
Cảm biến nhiệt độ: Giám sát nhiệt độ bên trong biến tần và điều khiển tốc độ quạt gió phù hợp.
Cổng thoát khí: Giúp luồng khí nóng thoát ra khỏi biến tần.

Ngoài ra, hệ thống làm mát còn có thể bao gồm một số linh kiện khác như:

Bộ lọc bụi: Ngăn bụi bẩn xâm nhập vào biến tần, giúp bảo vệ các linh kiện điện tử.
Hệ thống giám sát: Giám sát tình trạng hoạt động của hệ thống làm mát và cảnh báo người sử dụng khi có sự cố.

=> Xem thêm: Các lỗi biến tần và cách khắc phục chi tiết

Nguyên lý hoạt động của biến tần ba pha

Nguyên lý hoạt động của biến tần ba pha có thể tóm gọn thành các bước sau:

Chỉnh lưu AC sang DC: Biến tần sử dụng một cầu chỉnh lưu (thường là cầu diode hoặc cầu thyristor) để chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ điện lưới thành dòng điện một chiều (DC). Quá trình này tạo ra một nguồn điện DC thô, nhưng vẫn có sóng gợn (ripple) trong dòng điện.
Lọc và làm mịn điện áp DC: Sau khi dòng điện AC được chỉnh lưu thành DC, nó sẽ đi qua một mạch DC Bus bao gồm các tụ điện lớn và cuộn cảm. Tại đây, dòng điện DC được loại bỏ các gợn sóng và nhiễu, để tạo ra một nguồn điện một chiều ổn định hơn trước khi được đưa vào bộ biến đổi kế tiếp.
Nghịch lưu từ DC sang AC: Giai đoạn này, nguồn điện DC ổn định sẽ được chuyển đổi lại thành dòng điện xoay chiều (AC), nhưng lần này là dòng điện có tần số và điện áp có thể thay đổi. Quá trình này được thực hiện thông qua IGBT hoặc MOSFET. Chúng bật và tắt liên tục theo thuật toán PWM (Điều chế độ rộng xung) để tạo ra dạng sóng điện áp xoay chiều ba pha. Tần số bật tắt của IGBT/MOSFET quyết định tần số của dòng điện xoay chiều đầu ra, và độ rộng của xung điều chế quyết định điện áp đầu ra.

Nói chung, điều khiển động cơ là quá trình diễn ra phức tạp bên trong biến tần, sử dụng các mạch chỉnh lưu, mạch lọc, nghịch lưu và có sự can thiệp của bộ điều khiển để điều tiết tốc độ bật / tắt của các linh kiện công suất để tạo ra một dòng điện để động cơ hoạt động theo mục đích của người dùng.

=> Xem thêm: Nguyên lý hoạt động của biến tần chi tiết từ A đến Z

Ứng dụng của biến tần trong công nghiệp

Biến tần là một thiết bị thông minh và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng, phổ biến như:

Hệ thống thang máy và băng tải: tạo ra dòng điện để điều khiển tốc độ và momen xoắn, tạo chuyển động chính xác, êm ái và an toàn cho động cơ của hệ thống thang máy và băng tải. Biến tần giúp khởi động – dừng động cơ một cách êm ái, qua đó giảm thiểu hao mòn cơ học và kéo dài tuổi thọ thiết bị.
Hệ thống bơm và quạt: biến tần ba pha được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng và áp suất của bơm, quạt một cách chính xác, đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng của người dùng.
Hệ thống sản xuất công nghiệp: được sử dụng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn đối với các động cơ như: Động cơ máy tiện, phay, bào, máy dệt, nhuộm, in, máy nghiền, trộn, v.v.
Hệ thống năng lượng mặt trời: được sử dụng để biến đổi điện áp một chiều (DC) từ tấm pin năng lượng mặt trời thành điện áp xoay chiều (AC) ba pha hòa vào nguồn điện lưới hoặc sử dụng cho các thiết bị điện.
Xe điện và xe nâng điện: đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển động cơ của xe điện và xe nâng điện, giúp điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn động cơ một cách linh hoạt

Ngoài ra, biến tần ba pha còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như:

Hệ thống xử lý nước thải
Hệ thống khai thác khoáng sản
Hệ thống tự động hóa tòa nhà
Máy móc nông nghiệp

=> Xem thêm: Biến tần dùng để làm gì?

Địa chỉ mua biến tần chính hãng, giá tốt

Chúng ta vừa cùng nhau tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của biến tần. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả và hiệu suất vận hành của hệ thống sản xuất thì việc lựa chọn các máy biến tần chính hãng từ các thương hiệu uy tín là điều nên làm. Bạn có thể tham khảo các hãng biến tần nổi tiếng như biến tần Yaskawa, Nidec, V&T, Siemens,…

Tại Việt Nam, Nam Phương Việt là một trong những doanh nghiệp hàng đầu chuyên phân phối các dòng biến tần chính hãng từ thương hiệu Yaskawa, V&T, Siemens,… Với hơn 14 năm hoạt động trong lĩnh vực tự động hóa, cùng đội ngũ kỹ sư nhiều năm kinh nghiệm, chúng tôi tự tin sẽ mang lại sự hài lòng cho bạn và doanh nghiệp của bạn.

Nếu có nhu cầu mua biến tần hoặc cần giải đáp kỹ thuật, hãy liên hệ với chúng tôi qua số hotline 0903 803 645.

Nam Phương Việt rất vui lòng được tiếp đón bạn!

=> Xem thêm: Bộ Lọc Trong Biến Tần Dùng Để Làm Gì? Giải Thích Dễ Hiểu