Biến tần là thiết bị điện tử công suất thay đổi tần số và điện áp cấp cho động cơ điện xoay chiều, nhờ đó điều khiển được tốc độ quay của động cơ. Thiết bị này còn được gọi là VFD (Variable Frequency Drive) hoặc inverter. Theo cẩm nang hiệu quả năng lượng cho động cơ điện của EVN, VFD hiện là loại bộ điều khiển tốc độ được dùng rộng rãi nhất trong công nghiệp.
Phần dưới đây giải thích biến tần là gì theo cách dễ hiểu, kèm cấu tạo 3 khối và nguyên lý thay đổi tốc độ. Bài cũng nêu lý do biến tần tiết kiệm điện với bơm, quạt, cách chọn theo tải và 6 thông số cài đặt cơ bản. Các mã thông số lấy ví dụ trên dòng INVT GD20, một dòng biến tần phổ biến ở Việt Nam.
- Chức năng: đổi điện lưới có tần số cố định 50 Hz thành điện xoay chiều có tần số và điện áp thay đổi được, giúp động cơ chạy nhanh hay chậm theo nhu cầu.
- Nguyên lý: chỉnh lưu điện AC thành DC, lọc phẳng bằng tụ điện, sau đó nghịch lưu bằng IGBT theo kỹ thuật PWM thành điện AC mới.
- Tiết kiệm điện: với bơm ly tâm và quạt, công suất tỉ lệ với lập phương tốc độ; giảm 20% tốc độ thì công suất lý thuyết chỉ còn khoảng 51%.
- Cách chọn: đúng điện áp nguồn, dòng ra định mức lớn hơn hoặc bằng dòng định mức của động cơ, khả năng quá tải phù hợp kiểu tải.
Biến Tần Là Gì?
Biến tần là bộ điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số và điện áp của nguồn điện cấp cho động cơ xoay chiều (AC). Động cơ không đồng bộ nối thẳng vào lưới 50 Hz chỉ chạy ở một tốc độ gần như cố định. Khi đi qua biến tần, cùng động cơ đó có thể chạy chậm, chạy nhanh, khởi động êm và dừng theo thời gian cài đặt.
Trong cẩm nang kỹ thuật của EVN, VSD (Variable Speed Drive) là tên gọi chung cho các thiết bị điều chỉnh tốc độ động cơ. VFD là một nhánh của VSD, điều khiển tốc độ thông qua tần số và điện áp nguồn cấp. Ở Việt Nam, người làm kỹ thuật thường gọi VFD là biến tần hoặc inverter.
Biến Tần Công Nghiệp Khác Gì Inverter Điện Mặt Trời?
Biến tần công nghiệp điều khiển động cơ, còn inverter điện mặt trời đổi điện một chiều từ tấm pin thành điện xoay chiều để dùng trong nhà và hòa lưới. Hai thiết bị đều có khối nghịch lưu DC thành AC nên hay bị gọi chung là inverter. Khi hỏi mua, cần nói rõ mục đích: biến tần cho động cơ (VFD) hay inverter hòa lưới, hybrid cho hệ thống điện mặt trời mái nhà.
Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động Của Biến Tần
Biến tần gồm 3 khối công suất chính là chỉnh lưu, mạch DC trung gian và nghịch lưu, cùng một bộ điều khiển. Theo ABB, bộ chỉnh lưu đổi điện AC thành DC và tụ điện ở mạch DC trung gian làm phẳng điện áp. Bộ nghịch lưu sau đó tạo lại điện AC với tần số và điện áp theo yêu cầu.
- Chỉnh lưu: thường là cầu diode, nhận điện lưới 1 pha 220 V hoặc 3 pha 380 V, 50 Hz qua các cực R, S, T và đổi thành điện một chiều.
- Mạch DC trung gian (DC bus): tụ điện lọc phẳng điện áp một chiều. Với nguồn 3 pha 380 V, điện áp DC bus vào khoảng 510–540 V.
- Nghịch lưu: các khóa bán dẫn IGBT đóng cắt hàng nghìn lần mỗi giây theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM), tạo điện áp xoay chiều 3 pha ở các cực U, V, W.
- Bộ điều khiển: vi xử lý nhận lệnh từ bàn phím, tín hiệu analog 0–10 V hoặc 4–20 mA, cảm biến, PLC; đồng thời bảo vệ quá dòng, quá áp, thấp áp và quá nhiệt.
Vì Sao Thay Đổi Tần Số Lại Đổi Được Tốc Độ Động Cơ?
Tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ tỉ lệ thuận với tần số nguồn cấp, theo công thức n = 60 × f / p. Trong đó n là tốc độ (vòng/phút), f là tần số (Hz) và p là số đôi cực của động cơ.
Ví dụ: động cơ 4 cực (p = 2) chạy ở 50 Hz có tốc độ đồng bộ 60 × 50 / 2 = 1.500 vòng/phút. Khi biến tần giảm tần số xuống 40 Hz, tốc độ đồng bộ còn 1.200 vòng/phút. Tốc độ thực tế thấp hơn một chút do độ trượt, nên nhãn động cơ 4 cực thường ghi tốc độ dưới 1.500 vòng/phút, chẳng hạn 1.450 vòng/phút.
Khi giảm tần số, biến tần giảm điện áp theo cùng tỉ lệ để từ thông trong động cơ gần như không đổi, gọi là điều khiển V/f. Động cơ 380 V, 50 Hz có tỉ số 380 / 50 = 7,6 V/Hz, nên ở 25 Hz biến tần cấp khoảng 190 V. Các dòng biến tần có điều khiển vector, chẳng hạn vector vòng hở trên INVT GD20, tính thêm dòng từ hóa và dòng tạo mô-men để giữ lực kéo tốt ở tốc độ thấp.
Vì Sao Biến Tần Giúp Tiết Kiệm Điện?
Biến tần tiết kiệm điện rõ nhất với bơm ly tâm và quạt, vì công suất của các tải này tỉ lệ với lập phương tốc độ quay. Khi cần ít lưu lượng hơn, cách làm cũ là khép bớt van hoặc cửa gió trong lúc động cơ vẫn chạy hết tốc độ. Biến tần giảm thẳng tốc độ động cơ, nên phần điện năng mất ở van và cửa gió được loại bỏ.
| Tốc độ so với định mức | Tần số tương ứng (gần đúng) | Công suất lý thuyết | Mức giảm công suất |
|---|---|---|---|
| 100% | 50 Hz | 100% | 0% |
| 90% | 45 Hz | 72,9% | 27,1% |
| 80% | 40 Hz | 51,2% | 48,8% |
| 70% | 35 Hz | 34,3% | 65,7% |
| 60% | 30 Hz | 21,6% | 78,4% |
| 50% | 25 Hz | 12,5% | 87,5% |
Cẩm nang của EVN ghi nhận việc lắp biến tần cho bơm, quạt có thể giảm 20–60% điện năng tùy chế độ vận hành. ABB ước tính động cơ điện tiêu thụ khoảng 70% điện năng trong công nghiệp và biến tần có thể giúp giảm đến 50% điện năng của động cơ. Mức tiết kiệm này chỉ đạt được khi tải thường xuyên chạy dưới công suất định mức.
Ví dụ: một quạt hút tiêu thụ 15 kW khi chạy 100% tốc độ, hoạt động 8 giờ mỗi ngày. Nếu quy trình chỉ cần 80% lưu lượng, biến tần hạ tần số xuống khoảng 40 Hz và công suất lý thuyết còn 15 × 0,512 ≈ 7,7 kW. Mức tiết kiệm lý thuyết khoảng 7,3 kW × 8 giờ ≈ 58 kWh mỗi ngày, chưa trừ tổn hao.
Khởi Động Mềm, Giảm Dòng Khởi Động
Biến tần giảm dòng khởi động vì động cơ được tăng tốc từ tần số thấp lên dần theo thời gian cài đặt. Khi khởi động trực tiếp (DOL) bằng khởi động từ, dòng khởi động có thể bằng 5–7 lần dòng định mức theo EVN, gây sụt áp lưới và va đập cơ khí lên khớp nối, dây đai, đường ống. Với biến tần, dòng khởi động được giữ trong khả năng quá tải của thiết bị.
Các Loại Biến Tần Phổ Biến Hiện Nay
Biến tần thường được phân loại theo nguồn điện vào, điện áp ra và kiểu tải. Bảng dưới lấy dải điện áp vào của dòng INVT GD20 làm ví dụ; thông số của hãng khác có thể khác. Nếu chưa rõ khác biệt giữa 220 V và 380 V, xem thêm bài điện áp là gì, điện áp pha và điện áp dây.
| Loại biến tần | Nguồn vào (ví dụ GD20) | Ngõ ra | Dùng cho |
|---|---|---|---|
| Biến tần 1 pha vào, 3 pha ra | 1 pha 220 V (−15%) đến 240 V (+10%) | 3 pha 0–220 V | Động cơ 3 pha 220/380 V đấu tam giác, công suất nhỏ, ở nơi chỉ có điện 1 pha |
| Biến tần 3 pha 220 V | 3 pha 220 V (−15%) đến 240 V (+10%) | 3 pha 0–220 V | Máy móc dùng lưới 3 pha 220 V, thường gặp ở thiết bị nhập khẩu |
| Biến tần 3 pha 380 V | 3 pha 380 V (−15%) đến 440 V (+10%) | 3 pha 0–380 V | Phổ biến nhất trong nhà xưởng: bơm, quạt, máy nén khí, băng tải |
Tải Mô-men Không Đổi Và Tải Bơm, Quạt
Tải mô-men không đổi như băng tải, máy nén piston, máy nghiền cần mô-men lớn ngay từ lúc khởi động, còn bơm ly tâm và quạt có mô-men tăng dần theo tốc độ. Nhiều hãng làm riêng model cho tải nặng (heavy duty) và tải nhẹ (normal duty), khác nhau ở khả năng quá tải. Ví dụ, INVT GD20 chịu được 150% dòng định mức trong 1 phút, 180% trong 10 giây và 200% trong 1 giây.
Ứng Dụng Của Biến Tần
Biến tần được dùng cho hầu hết động cơ cần thay đổi tốc độ, khởi động êm hoặc giữ ổn định một đại lượng như áp suất, lưu lượng, nhiệt độ. Các ứng dụng phổ biến gồm:
- Bơm cấp nước, bơm tăng áp: chạy theo cảm biến áp suất bằng chức năng PID, giữ áp lực ổn định khi số vòi sử dụng thay đổi; dùng nhiều ở tòa nhà, chung cư, trạm bơm.
- Quạt, hệ thống HVAC, tháp giải nhiệt: chỉnh lưu lượng gió theo nhiệt độ hoặc chất lượng không khí thay vì đóng mở cửa gió.
- Máy nén khí: điều chỉnh tốc độ theo lượng khí nén sử dụng, hạn chế thời gian chạy không tải.
- Băng tải, máy trộn, máy đùn, máy ép: khởi động êm, đồng bộ tốc độ với dây chuyền, dễ thay đổi năng suất.
- Thang máy, cầu trục, tời: tăng tốc và giảm tốc êm, thường cần điện trở hãm hoặc bộ hãm tái sinh để xử lý năng lượng khi hạ tải.
Cách Chọn Biến Tần Phù Hợp Với Động Cơ
Chọn biến tần theo dòng định mức của động cơ trước, sau đó mới xét điện áp nguồn, kiểu tải, chế độ hãm và môi trường lắp đặt. So sánh theo kW là chưa đủ, vì động cơ nhiều cực, động cơ đã quấn lại hoặc động cơ đời cũ có thể có dòng lớn hơn động cơ 4 cực cùng công suất.
- Điện áp nguồn: xác định lưới 1 pha 220 V hay 3 pha 380 V, đối chiếu điện áp và cách đấu trên nhãn động cơ, ví dụ 220/380 V, Δ/Y.
- Dòng định mức: dòng ra định mức của biến tần phải lớn hơn hoặc bằng dòng định mức ghi trên nhãn động cơ.
- Kiểu tải và khả năng quá tải: tải khởi động nặng như băng tải đầy hàng, máy nghiền, máy nén piston nên chọn model tải nặng hoặc tăng một cấp công suất.
- Chế độ hãm: tải quán tính lớn cần dừng nhanh, tải nâng hạ như cầu trục, thang máy cần điện trở hãm hoặc bộ hãm để tránh lỗi quá áp DC bus.
- Môi trường lắp đặt: nhiệt độ, độ ẩm, bụi, hóa chất quyết định cấp bảo vệ IP và cách làm mát tủ điện; biến tần IP20 phải đặt trong tủ.
- Sóng hài và nhiễu: cẩm nang của EVN khuyến nghị cân nhắc biến tần sóng hài thấp (low THD); có thể bổ sung cuộn kháng hoặc bộ lọc sóng hài.
- Chức năng điều khiển: số ngõ vào, ra số và analog, chức năng PID, chuẩn truyền thông như Modbus RTU qua RS485 nếu cần kết nối PLC, SCADA.
Ví dụ: động cơ bơm ly tâm 7,5 kW, 380 V, nhãn ghi dòng định mức 15 A. Cần chọn biến tần 3 pha 380 V có dòng ra định mức từ 15 A trở lên, đối chiếu trên catalogue của đúng model. Nếu cùng động cơ đó kéo băng tải thường khởi động khi đầy hàng, nên chọn model tải nặng hoặc lên một cấp công suất, chẳng hạn 11 kW.
6 Thông Số Cài Đặt Biến Tần Cơ Bản
Cài đặt biến tần cơ bản gồm 6 nhóm thông số: dữ liệu động cơ, kênh lệnh chạy, nguồn đặt tần số, giới hạn tần số, thời gian tăng giảm tốc và tự dò thông số động cơ. Bảng dưới lấy mã thông số của INVT GD20 làm ví dụ; mỗi hãng, mỗi dòng máy có mã và giá trị mặc định khác nhau.
| Thông số | Ý nghĩa | Mã trên INVT GD20 |
|---|---|---|
| 1. Thông số động cơ | Công suất, điện áp, dòng, tần số và tốc độ định mức theo nhãn động cơ; dùng cho bảo vệ quá tải và thuật toán điều khiển | Nhóm P02 |
| 2. Kênh lệnh chạy | Chạy, dừng bằng bàn phím, cực điều khiển hoặc truyền thông Modbus | P00.01 |
| 3. Nguồn đặt tần số | Đặt tốc độ bằng bàn phím, biến trở, tín hiệu analog, đa cấp tốc độ, PID hoặc truyền thông | P00.06 (lệnh A), P00.07 (lệnh B) |
| 4. Giới hạn tần số | Tần số ra lớn nhất, giới hạn trên và giới hạn dưới của tần số chạy | P00.03, P00.04, P00.05 |
| 5. Thời gian tăng, giảm tốc | Thời gian chạy từ 0 Hz lên tần số ra lớn nhất và ngược lại; đặt quá ngắn dễ gây lỗi quá dòng khi tăng tốc, quá áp khi giảm tốc | P00.11, P00.12 |
| 6. Tự dò thông số động cơ | Biến tần tự đo điện trở, điện cảm của động cơ để điều khiển vector chính xác hơn | P00.15 |
Trình Tự Cài Đặt Biến Tần Khuyến Nghị
- Khi đã cắt nguồn, kiểm tra đấu dây: nguồn vào các cực R, S, T (hoặc L, N với biến tần 1 pha), động cơ vào các cực U, V, W. Đấu nhầm nguồn lưới vào cực U, V, W sẽ làm hỏng biến tần.
- Cấp nguồn, khôi phục cài đặt gốc nếu biến tần đã qua sử dụng, rồi nhập thông số trên nhãn động cơ.
- Chọn kênh lệnh chạy và nguồn đặt tần số theo cách vận hành thực tế.
- Đặt giới hạn tần số, thời gian tăng tốc và giảm tốc phù hợp với tải.
- Chạy tự dò thông số động cơ. GD20 có tự dò động (quay trục) và tự dò tĩnh; tự dò động thường yêu cầu tách động cơ khỏi tải, cần làm đúng hướng dẫn của hãng.
- Chạy thử ở tần số thấp, kiểm tra chiều quay, dòng điện, tiếng ồn, độ rung rồi mới tăng dần lên tần số làm việc.
Lưu Ý An Toàn Khi Lắp Đặt Và Vận Hành Biến Tần
An toàn với biến tần bắt đầu từ một nguyên tắc: tụ điện DC bus vẫn còn điện áp nguy hiểm một thời gian sau khi cắt nguồn. Các lưu ý dưới đây giúp giảm nguy cơ điện giật, cháy và hỏng động cơ:
- Chỉ mở nắp, đấu dây sau khi cắt nguồn và chờ đủ thời gian xả tụ ghi trên nhãn cảnh báo; với GD20, điện áp DC bus phải giảm dưới 36 V.
- Nối đất vỏ biến tần và vỏ động cơ vào cực PE; dùng cáp động cơ có lớp chống nhiễu khi hãng khuyến nghị.
- Không lắp tụ bù hệ số công suất ở ngõ ra U, V, W và không đóng cắt contactor giữa biến tần và động cơ khi biến tần đang chạy.
- Động cơ tự làm mát bằng quạt gắn trục sẽ nóng hơn khi chạy tốc độ thấp trong thời gian dài; cần quạt làm mát độc lập hoặc đặt giới hạn tần số dưới.
- Cáp giữa biến tần và động cơ dài hơn mức hãng cho phép cần cuộn kháng ngõ ra hoặc bộ lọc để bảo vệ cách điện động cơ.
- Biến tần có dòng rò tần số cao qua tụ lọc nhiễu và cáp, có thể khiến thiết bị chống dòng rò tác động ngoài ý muốn; chọn loại phù hợp theo khuyến cáo của hãng và tham khảo thêm nguyên nhân aptomat nhảy liên tục.
Câu Hỏi Thường Gặp
Lắp Biến Tần Có Tiết Kiệm Điện Không?
Có, nếu tải thường xuyên chạy dưới công suất định mức, điển hình là bơm và quạt đang điều tiết bằng van hoặc cửa gió. Với tải luôn chạy 100% tốc độ, biến tần gần như không tiết kiệm thêm vì bản thân thiết bị cũng có tổn hao vài phần trăm. Lợi ích khi đó chủ yếu là khởi động êm và bảo vệ động cơ.
Biến Tần 1 Pha Ra 3 Pha Dùng Cho Động Cơ Nào?
Biến tần 1 pha vào, 3 pha ra dùng cho động cơ 3 pha có điện áp dây 220 V, tức động cơ nhãn 220/380 V đấu tam giác (Δ). Loại này hữu ích ở xưởng nhỏ, hộ kinh doanh chỉ có điện 1 pha nhưng cần chạy máy 3 pha công suất nhỏ. Không đấu động cơ theo hình sao (Y) 380 V vào ngõ ra 220 V, vì động cơ sẽ thiếu mô-men.
Động Cơ 1 Pha Có Dùng Biến Tần Được Không?
Phần lớn động cơ 1 pha có tụ đề, công tắc ly tâm không phù hợp với biến tần thông thường. Ở tốc độ thấp, công tắc ly tâm đóng lại cuộn đề, còn tụ điện chịu xung PWM nên dễ quá nhiệt, hỏng. Giải pháp phổ biến là thay bằng động cơ 3 pha 220/380 V và dùng biến tần 1 pha vào, 3 pha ra.
Biến Tần Và Inverter Có Phải Là Một?
Không hoàn toàn. Inverter là tên gọi mạch nghịch lưu đổi điện một chiều thành xoay chiều, còn biến tần công nghiệp gồm cả chỉnh lưu, DC bus, nghịch lưu và bộ điều khiển động cơ. Vì có khối nghịch lưu nên biến tần hay được gọi là inverter. Inverter điện mặt trời hay bộ kích điện dự phòng cũng là inverter nhưng không dùng để điều khiển tốc độ động cơ.
Vì Sao Biến Tần Báo Lỗi Quá Áp Khi Dừng Động Cơ?
Biến tần báo lỗi quá áp khi giảm tốc vì động cơ và tải quán tính lớn lúc đó chạy như máy phát, đẩy năng lượng ngược về DC bus làm điện áp tăng cao. Cách xử lý thường gặp là tăng thời gian giảm tốc, chọn chế độ dừng tự do nếu quy trình cho phép, hoặc lắp điện trở hãm, bộ hãm theo hướng dẫn của hãng. Mã lỗi cụ thể khác nhau giữa các dòng máy.
Có Nên Cho Động Cơ Chạy Trên 50 Hz Không?
Có thể, nhưng cần kiểm tra kỹ. Trên 50 Hz, biến tần không tăng điện áp vượt định mức nên động cơ vào vùng công suất không đổi, mô-men giảm dần khi tần số tăng. Với bơm và quạt, tăng 10% tốc độ làm công suất cần thiết tăng khoảng 33%, dễ gây quá tải; tốc độ cũng phải nằm trong giới hạn cơ khí của động cơ, ổ bi và cánh quạt.
Kết Luận
Biến tần là thiết bị thay đổi tần số và điện áp để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều. Thiết bị giúp khởi động êm, giảm dòng khởi động và tiết kiệm điện rõ rệt với bơm, quạt chạy non tải. Khi chọn, hãy bắt đầu từ dòng định mức của động cơ, điện áp nguồn và kiểu tải, sau đó mới tới chức năng điều khiển. Cài đặt đúng 6 nhóm thông số cơ bản và tuân thủ quy định xả tụ DC bus là hai việc cần làm trước tiên để biến tần chạy ổn định, an toàn.
Đọc tiếp trên Power TIPS: Điện áp là gì? Điện áp pha, điện áp dây và điện áp bước.
Nguồn Tham Khảo
- EVN – Cẩm nang công nghệ hiệu quả năng lượng cho động cơ điện (PDF)
- ABB – What is a variable speed drive?
- INVT – Hướng dẫn sử dụng biến tần Goodrive20 (GD20), bản tiếng Việt (PDF)
Ảnh đại diện: Sergey Buzun, Wikimedia Commons, giấy phép CC BY-SA 3.0.
2 Replies to “Biến Tần Là Gì? Nguyên Lý, Ứng Dụng, Cách Chọn Và Cài Đặt Cơ Bản”