Biến tần và vai trò của biến tần trong tự động hóa

“Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0” đã tác động lớn đến nền công nghiệp Việt Nam, đặc biệt là “Điều khiển và Tự động hóa”. Với sự đầu tư mạnh mẽ của các nước trong khu vực  châu Á (Nhật Bản, Hàn Quốc, Singapore…) vào các khu công nghệ cao, khu công nghiệp, các nhà máy sản xuất hiện đại với những dây chuyền được tự động hóa cao. Từ đó, dẫn đến các thiết bị máy móc chuyên dụng cho các dây chuyền sản xuất hiện đại được sử dụng ngày càng nhiều. Đối với ngành “Điều khiển và Tự động hóa” thì “Biến tần” là thiết bị đóng vai trò rất quan trọng và không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Hãy cùng tìm hiểu về Biến tần để hiểu rõ hơn tại sao thiết bị này lại đóng vai trò quan trọng đối với ngành “Điều khiển và Tự động hóa”

1. Biến tần là gì?

Theo cách gọi tên: Biến là thay đổi, còn tần là tần số nên có thể hiểu theo một cách đơn giản nhất “biến tần” là thiết bị dùng để thay đổi tần số.

Theo kĩ thuật: Biến tần là một mạch điện hay thiết bị điện tử có chức năng biến đổi tần số của của dòng điện từ tần số này thành tần số khác có thể điều chỉnh được. Tần số điện lưới ở Việt Nam là 50Hz

2. Cấu tạo

Biến tần có cấu tạo gồm các bộ phận chính:

• Mạch chỉnh lưu: chuyển đổi nguồn điện đầu vào điện xoay chiều (AC) thành một chiều (DC).
• Tụ điện nắn phẳng: nơi nắn phẳng điện áp DC đã được chuyển đổi qua mạch chỉnh lưu.
• Mạch nghịch lưu: xuất điện áp AC từ điện áp DC.
• Mạch điều khiển: kiểm soát điều khiển và hoạt động của máy.

3. Nguyên lý hoạt động

Khi cấp nguồn điện AC vào biến tần:

Đầu tiên, dòng điện sẽ đi qua mạch chỉnh lưu và được chỉnh lưu từ AC thành DC nhờ bộ chỉnh lưu cầu Diode.

Sau đó, điện áp DC sẽ được nắn phẳng nhờ các tụ điện nắn phẳng.

Khi đi qua mạch nghịch lưu, bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) của hệ IGBT ( transistor lưỡng cực có cổng cách ly) điện áp DC sẽ được biến đổi thành điện áp AC 3 pha đối xứng.

Tại mạch điều khiển, điện áp AC 3 pha ở đầu ra sẽ được thay đổi giá trị và biên độ tần số theo ý muốn.

* Hệ số công suất Cosphi của biến tần có giá trị thấp nhất là 0.96 và không phụ thuộc vào tải.

* Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp sẽ có quy luật nhất định phụ thuộc vào bộ điều khiển. Đối với tải có momen không đổi thì tỉ số điện áp và tần số là không đổi.

* Trường hợp đặc biệt: đối với quạt và tải bơm thì điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Khi đó, momen sẽ là hàm bậc 2 của tốc độ và điện áp.

Nhờ sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn được chế tạo theo công nghệ hiện đại nên biến tần có hiệu suất chuyển đổi nguồn rất cao và năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu của hệ thống.

4. Các phương pháp điều khiển biến tần

- Năm 1980 biến tần điều khiển dạng v/f được sử dụng lần đầu tiên trong lĩnh vực công nghiệp

- Năm 1990 phương pháp điều khiển Vector không cảm biến được sử dụng nhằm tăng momen xoắn ở tần số thấp.

Một số phương pháp điểu khiển biến tần phổ biến:

5. Phân loại biến tần

Hiện nay biến tần được phân thành 2 loại chính:

• Biến tần AC: là thiết bị biến đổi dòng điện dòng điện xoay chiều 1 pha thành 3 pha hay điện 3 pha ra các mức điện áp và tần số khác nhau. Được sử dụng để điều khiển tố độ động cơ xoay chiều AC.
• Biến tần DC: là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều. Được sử dụng để kiếm soát động cơ điện một chiều.
• Ngoài ra biến tần còn được phân loại theo công suất, ứng dụng, nhà sản xuất…

6. Các loại biến tần phổ biến trên thị trường hiện nay

- Biến tần Siemens: đây là sản phẩm cung cấp bởi tập đoàn Siemens của Đức chuyên hoạt động trong các lĩnh vực điện, điện tử và tự động hóa…. Biến tần Schneider nổi tiếng trên khắp thế giới được sản xuất trên dây chuyền và tiêu chuẩn chất lượng châu Âu. Ưu điểm: chi phí hợp lí, dễ dàng vận hành, độ bền cao.

- Biến tần Schneider: Là sản phẩm cung cấp bởi tập đoàn Schneider của Pháp. Đây là thương hiệu hàng đầu của châu Âu  và thế giới với hơn 170 năm kinh nghiệm trong sản xuất các thiết bị điện công nghiệp. Các sản phẩm của Schneider nổi tiếng với  khả năng vận hành mạnh mẽ, bền bỉ, hoạt động tốt trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt (bụi, độ ẩm, độ ăn mòn cao). Do đó, chi phí của các sản phẩm thương hiệu Schneider thường cao hơn so với các sản phẩm cùng loại của thương hiệu khác.

- Biến tần Panasonic: Đối với người tiêu dùng Việt Nam thì thương hiệu Panasonic đến từ Nhật Bản đã quá quen thuộc. Các sản phẩm của Panasonic có chất lượng và công nghệ không thua kém gì các đối thủ khác trên thị trường. Một số ưu điểm nổi trội: cho phép nhiều ứng dụng điều khiển khác nhau, có màn hình điều khiển hiển thị các thông số, tích hợp nhiều chức năng bảo vệ (có thể cài đặt mật khẩu).

- Biến tần Mitsubishi: Một thương hiệu khác đến từ Nhật Bản đã và đang chiếm được niềm tin của người tiêu dùng. Các sản phẩm của Mitshubishi đa dạng về thiết kế và chức năng như:

• FR-A800: là sản phẩm tiết kiệm năng lượng được phát triển chuyên dùng cho quạt và máy bơm
• FR-D700: là sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn dẫn động dạng nhỏ của tốc độ biến thiên hiện đại

Đặc biệt: biến tần của Mitshubishi có thể điều khiển và khắc phục sự cố bằng máy tính.

Ngoài ra còn rất nhiều biến tần của các nhà sản xuất khác nhau ở thị trường Việt Nam như: Hitachi, LS, Vicruns, Dorn, Yaskawa, Omron, Vem, Danfoss…

7. Vai trò của biến tần đối với tự động hóa

• Bảo vệ động cơ và giảm hao mòn cơ khí: động cơ khởi động trực tiếp thường sẽ gặp các vấn đề sốc điện và hao mòn khi động cơ đóng mở liên tục. Vấn đề này có thể khắc phục bằng việc sử dụng biến tần. Biến tần có thể thay đổi tốc độ động cơ dễ dàng, giúp cho quá trình khởi động từ tốc độ thấp giúp cho động cơ có tải lớn không phải khởi động đột ngột và đóng mở liên tục.
• Tiết kiệm điện và bảo vệ các thiệt bị điện trong cùng hệ thống: Khi các thiết bị có tải lớn khởi động trực tiếp lượng điện tiêu thụ sẽ tăng lên nhiều lần, đồng thời gây sụt áp cho các thiết bị trong cùng hệ thống. Biến tần giúp cho dòng khởi động thấp hơn định mức, tiết kiệm lượng điện khoảng 20-30% so với khởi động trực tiếp và tránh được tình trạng sụt áp cho các thiết bị điện khác.
• Tăng năng suất và chất lượng sản phẩm: Biến tần giúp động cơ chạy nhanh hơn, giảm bớt các phụ kiện cồng kềnh kém hiệu quả.
• Đáp ứng các yêu cầu của công nghệ hiện đại: Biến tần đáp ứng các yêu cầu của những ứng dụng cần đồng bộ tốc độ hay điều khiển lưu lượng, áp suất của các ngành giấy, dệt, in, khí nén….

8. Những lưu ý khi sử dụng biến tần

• Lựa chọn sản phẩm phù hợp với nhu cầu sử dụng để tiết kiệm chi phí đầu tư mà vẫn mang lại hiệu quả cao nhất
• Vị trí lắp đặt phải phù hợp với nhiệt độ, độ ẩm và yêu cầu định mức của máy như: lắp đặt trong tủ có không gian rộng, thông gió tốt, nhiệt độ từ lí tưởng là 22-30 độ, không có chất ăn mòn, bụi bẩn…
• Đọc kĩ hướng dẫn trước khi lắp đặt và sử dụng để có thể vận hành máy một cách tối ưu nhất. Không tự ý thay đổi thông số kĩ thuật mặc định của máy.
• Khi máy báo lỗi cần cho máy dừng hoạt động để tìm hiểu nguyên nhân và khắc phục lỗi, chỉ khi nào khắc phục xong lỗi mới cho máy hoạt động trở lại.
• Bảo dướng máy theo định kì 1-2 năm 1 lần tùy vào công suất và các điều kiện hoạt động.

9. Hướng dẫn khắc phục một số lỗi thường gặp khi sử dụng biến tần

Biến tần không hiển thị đèn sau khi cấp nguồn

Nguyên nhân:

• Điện áp đầu vào không phù hợp
• Cầu chỉnh lưu, điện trở sạc và nguồn switching bị hư hỏng

Cách khắc phục:

• Kiểm tra và cấp lại nguồn điện đầu vào cho phù hợp
• Kiểm tra đèn “Charge” có sáng hay không, nếu đèn tắt cần kiểm tra cầu chỉnh lưu và điện trở sạc tụ, nếu đèn sáng thì kiểm lại nguồn cấp switching.

Biến tần dừng hoạt động đột ngột

Nguyên nhân:

• Dây điều khiển bị lỏng hoặc đứt làm cho tín hiệu lệnh chạy của biến tần bị ngắt
• Máy gặp lỗi: khi máy gặp lỗi sẽ tự động dừng hoạt động và đèn báo lỗi “Trip” sẽ sáng lên

Cách khắc phục:

• Kiểm tra dây điều khiển lệnh chạy của máy, nếu bị lỏng cần siết chặt lại
• Tham khảo bảng mã lỗi để khắc phục

Nhiệt độ của mô tơ tăng cao khi sử dụng biến tần

Nguyên nhân:

• Quá trình cài đặt và đấu nối mô tơ bị sai
• Mô tơ chạy ở tần số quá thấp ( dưới 30Hz)
• Mô tơ bị kẹt hoặc hư hỏng

Cách khắc phục:

• Kiểm tra lại thông số cài đặt và đấu nối dây
• Tăng tần số chạy của mô tơ
• Kiểm tra mô tơ có bị kẹt hay hư hỏng không.