Biến tần DC đảm nhận vai trò quan trọng trong việc điều khiển và kiểm soát động cơ một chiều, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn khởi động cao hoặc đảo chiều tốc độ thường xuyên. Tìm hiểu về cấu tạo, chức năng và cách phân biệt biến tần DC và biến tần AC trong bài viết dưới đây của Etinco.
Biến tần DC là gì?
Biến tần DC (Direct Current Variable Frequency Drive), hay còn được gọi là bộ điều khiển động cơ một chiều là thiết bị điện tử có chức năng điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ một chiều (DC motor) thông qua việc thay đổi điện áp mong muốn cung cấp cho phần ứng của động cơ.
Biến tần DC cho phép kiểm soát động cơ chính xác và trơn tru bằng bộ chỉnh lưu thyristor - một bước tiến vượt bậc trong nghiên cứu của các nhà khoa học từ máy phát điện DC. Nhờ đó, biến tần DC ngày nay ngày càng tinh gọn và thông minh, đáp ứng được các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi phản hồi tốc độ nhanh và khả năng tái sinh năng lượng.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần DC
Biến tần DC được cấu thành từ các bộ phận cơ bản sau đây:
- Ngõ vào biến tần: Bộ phận tiếp nhận nguồn điện xoay chiều AC, có thể là 1 pha hoặc 3 pha sau đó nguồn điện này sẽ được biến đổi thành điện áp 1 chiều DC.
- Cầu chỉnh lưu: Nhiệm vụ chính là chuyển đổi điện xoay chiều thành 1 chiều. Số lượng thyristor trong biến tần DC có thể thay đổi phụ thuộc vào điện áp ngõ vào. Đồng thời góc mở của các thyristor cũng sẽ thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ.
- Đơn vị cung cấp trường: Có chức năng tạo ra điện áp DC không đổi để cung cấp cho cuộn dây trường của động cơ DC. Điện áp này được dùng để tạo ra từ trường cần thiết cho hoạt động khởi động động cơ. Trường hợp động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu sẽ không tích hợp thêm bộ phận này.
- Bộ điều chỉnh tốc độ: Nhiệm vụ chính là điều khiển tốc độ của động cơ. Bộ phận này sẽ tính toán và thay đổi góc mở của các thyristor, từ đó điều chỉnh cả điện áp và dòng điện phục vụ cho phần ứng động cơ.
- Mạch đánh lửa: Có khả năng tạo ra xung điện áp để mở các thyristor trong bộ chỉnh lưu vào đúng thời điểm và tương thích với yêu cầu từ bộ điều chỉnh tốc độ. Mạch đánh lửa đóng vai trò thiết yếu trong việc điều chỉnh chính xác điện áp, dòng điện ngõ ra của biến tần.
Có 2 nguyên lý cơ bản quyết định đến hoạt động của biến tần DC.
- Một, đặc trưng của động cơ DC là tốc độ tỉ lệ thuận với điện áp phần ứng và tỉ lệ nghịch với dòng điện kích từ. Bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng, tốc độ động cơ cũng thay đổi theo. Nếu yêu cầu tốc độ mong muốn lớn hơn tốc độ cơ bản, dòng điện kích từ của động cơ phải được giảm xuống.
- Hai, khi giảm dòng điện kích từ, từ thông trong động cơ và suất điện động ngược của phần ứng cũng giảm. Dòng điện kích từ này cũng làm tăng mô-men xoắn của động cơ, qua đó làm tăng tốc độ.
Như vậy về bản chất, nguyên lý hoạt động của biến tần DC dựa trên việc thay đổi góc mở của các thyristor để điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng, từ đó điều chỉnh tốc độ động cơ.
Quá trình trên được thể hiện cụ thể như sau:
- Chuyển đổi nguồn vào: Nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha sau khi đi qua ngõ vào sẽ được chỉnh lưu thành điện áp 1 chiều phù hợp với động cơ DC.
- Điều chỉnh điện áp: Bộ điều chỉnh tốc độ sẽ tiếp nhận yêu cầu về tốc độ mong muốn, sau đó tính toán và căn chỉnh góc mở của các thyristor để điều chỉnh tốc độ thực tế của động cơ.
- Điều chỉnh tốc độ động cơ: Trong trường hợp tốc độ mong muốn cao hơn tốc độ thực tế của động cơ, thyristor sẽ được điều chỉnh góc mở nhiều hơn để làm thay đổi giá trị điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ.
- Điều khiển động cơ: Khi điện áp tại phần ứng thay đổi sẽ kéo theo sự thay đổi của dòng điện. Từ trường tạo ra tại đơn vị cung cấp trường có tác dụng khởi động và điều chỉnh tốc độ quay của động cơ.
Cách phân loại biến tần DC
Dựa vào nguồn điện đầu vào, biến tần DC được phân chia thành 2 loại phổ biến gồm: Biến tần DC 1 pha và biến tần DC 3 pha.
- Biến tần DC 1 pha: Sử dụng nguồn điện đầu vào AC 1 pha và bộ chỉnh lưu có 2 thyristor. Bằng cách điều chỉnh góc mở α1, điện áp DC đầu ra và tốc độ động cơ có thể được điều khiển thấp hơn tốc độ cơ bản. Trường hợp muốn điều chỉnh tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ cơ bản, dòng điện kích từ được thay đổi bằng cách điều chỉnh góc mở α2. Loại biến tần này có nhược điểm lớn là dòng điện phần ứng không liên tục ở tốc độ thấp.
- Biến tần DC 3 pha: Sử dụng nguồn điện đầu vào AC 3 pha, có 6 thyristor trong bộ chỉnh lưu, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp có công suất lớn. Loại biến tần này tạo ra gợn sóng nhỏ hơn và dòng điện phần ứng có tính liên tục. So với biến tần DC 1 pha, biến tần DC 3 pha có hiệu suất động cơ tốt hơn nhiều.
Bên cạnh đó, xét ở tiêu chí công nghệ, biến tần DC cũng được phân loại thành: Tiêu chuẩn và kỹ thuật số.
- Biến tần DC Analog: Đây là loại biến tần tiêu chuẩn sử dụng tín hiệu analog để kiểm soát điện áp và dòng điện, cung cấp khả năng điều khiển động cơ một cách linh hoạt theo yêu cầu thực tế.
- Biến tần DC kỹ thuật số: Khác với biến tần DC tiêu chuẩn, biến tần DC kỹ thuật số sử dụng các linh kiện bán dẫn để điều khiển tốc độ quay của động cơ một cách chính xác. Nhờ đó, bộ truyền động DC trở nên linh hoạt và đáp ứng yêu cầu thay đổi tốc độ nhanh hơn. Loại biến tần thông minh này có ưu điểm là thiết kế nhỏ gọn, khả năng chịu tải tốt, bộ phận bán dẫn có tuổi thọ cao và dễ dàng thay thế, phù hợp với các ứng dụng tái sinh năng lượng.
Ứng dụng của biến tần DC
Nhờ ưu điểm vượt trội trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ DC một cách chính xác và linh hoạt, biến tần DC có tính ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như:
- Hệ thống truyền động: Biến tần DC có vai trò quan trọng trong hệ thống cẩu trục, pa-lăng, thang máy, máy cuộn… để kiểm soát tốc độ động cơ, đảm bảo quá trình truyền động diễn ra trơn tru, mượt mà.
- Hệ thống bơm, quạt: Đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ chính xác ở tốc độ thấp, biến tần DC vẫn là lựa chọn tối ưu so với biến tần AC.
- Các loại máy móc hạng nặng (máy nghiền, máy trộn, máy ép, máy cán): Biến tần DC giúp linh hoạt thay đổi tốc độ, đảm bảo độ chính xác trong quy trình vận hành.
- Hệ thống năng lượng tái tạo: Biến tần DC có nhiệm vụ điều khiển động cơ và máy phát điện DC, giúp tối ưu hóa sản lượng điện.
- Hệ thống xe điện: Biến tần DC giúp điều khiển tốc độ động cơ điện và các hệ thống khác.
So sánh biến tần DC và biến tần AC
Biến tần DC và biến tần AC có cùng chức năng của biến tần nói chung là chuyển đổi dòng điện và điều khiển động cơ, tuy nhiên, sự khác biệt lớn nhất của 2 loại biến tần này nằm ở dòng điện đầu vào và đầu ra.
- Biến tần AC chuyên dùng để chuyển đổi dòng điện từ nguồn điện 1 chiều (DC) sang dòng điện xoay chiều (AC) nhằm phục vụ cho các ứng dụng dân dụng và thương mại.
- Biến tần DC lại được dùng để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện 1 chiều, cung cấp điện áp cần thiết cho các động cơ DC.
Ngoài ra, sự khác biệt giữa 2 loại biến tần này có thể kể đến:
| Tiêu chí | Biến tần DC | Biến tần AC |
| Nguồn đầu vào | Nguồn điện xoay chiều AC | Nguồn điện 1 chiều DC |
| Nguồn đầu ra | Nguồn điện 1 chiều DC | Nguồn điện xoay chiều AC |
| Loại động cơ | Động cơ DC | Động cơ cảm ứng |
| Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ | Thay đổi điện áp đặt lên phần ứng, từ đó kiểm soát tốc độ động cơ | Kỹ thuật điều chế tần số để thay đổi tần số đầu ra |
| Mô-men xoắn khởi động | Cao hơn | Thấp hơn |
| Biến thể tốc độ | Tốc độ thay đổi có thể không được trơn tru | Cho phép thay đổi tốc độ trơn tru |
| Khả năng chịu quá tải | Kém hơn | Tốt hơn |
| Yêu cầu bảo trì | Cao hơn do có thêm bộ phận chổi than và cổ góp | Thấp hơn |
| Kích thước | Lớn hơn biến tần AC | Nhỏ hơn biến tần DC, phù hợp lắp đặt ở những khu vực có diện tích hạn chế |
| Ứng dụng cụ thể | Máy kéo, máy cuộn, máy gia công… |
Máy bơm ly tâm, hệ thống quạt, băng tải, dây chuyền, hệ thống điện mặt trời… |
Câu hỏi thường gặp về biến tần DC
Câu hỏi 1: Ưu, nhược điểm của biến tần DC là gì?
Trả lời: Biến tần DC là thiết bị điện tử quan trọng đối với các ứng dụng công nghiệp có hệ thống truyền động. Ưu điểm của biến tần này gồm:
- Cho phép điều chỉnh và kiểm soát tốc độ động cơ một cách chính xác và linh hoạt, đáp ứng nhiều quy trình vận hành khác nhau.
- Cho phép đảo chiều quay động cơ dễ dàng, nhanh chóng, thay thế các cơ cấu đảo chiều phức tạp.
- Dễ dàng tích hợp với nhiều hệ thống điều khiển tự động hóa, giúp tối ưu hiệu suất chuyển đổi và tiết kiệm năng lượng.
- Xét về tác dụng lâu dài, trang bị biến tần giúp tiết kiệm chi phí vận hành và đơn giản hóa hệ thống.
Bên cạnh ưu điểm, biến tần DC cũng tồn tại nhiều hạn chế như:
- Chi phí đầu tư cao hơn so với các loại biến áp thông thường.
- Yêu cầu bảo trì cao hơn biến tần AC do động cơ DC sử dụng chổi than và cổ góp.
- Chổi than trong động cơ có nguy cơ tạo ra tia lửa điện nên biến tần DC không phù hợp lắp đặt trong môi trường dễ cháy nổ.
- Nhạy cảm với bụi bẩn, độ ẩm, môi trường khắc nghiệt nên yêu cầu lắp đặt khắt khe hơn.
- Khả năng chịu quá tải kém hơn so với biến tần DC.
- Có thể tạo ra nhiễu điện tử ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử xung quanh.
- Trọng lượng và kích thước lớn hơn biến tần AC nên không phù hợp lắp đặt ở khu vực có không gian hạn chế.
Câu hỏi 2: Những sự cố thường gặp của biến tần DC?
Trả lời: Biến tần DC chịu quá tải kém nên rất dễ gặp các sự cố như: quá dòng, quá áp, quá nhiệt… gây hỏng hóc linh kiện bên trong, thậm chí ảnh hưởng đến động cơ.
