Biến tần DC là gì? Cấu tạo, chức năng và so sánh với biến tần AC

Chu Văn An

Bộ biến tần DC đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn động và điều khiển động cơ DC, đặc biệt 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 qua bài viết sau của KTH ELECTRIC.

Biến tần DC là gì?

Biến tần DC (Direct Current Variable Frequency Drive), còn được gọi là bộ điều khiển động cơ DC, là một thiết bị điện tử điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ DC bằng cách thay đổi điện áp cần thiết cung cấp cho phần ứng động cơ.

Bộ biến tần DC cho phép điều khiển động cơ trơn tru, chính xác bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu thyristor – một bước tiến lớn của các nhà khoa học trong nghiên cứu máy phát điện DC. Vì lý do này, biến tần ngày càng trở nên gọn gàng và thông minh hơn, phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi phản ứng nhanh và tái tạo năng lượng.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần DC

Biến tần DC bao gồm các bộ phận cơ bản sau:

• Đầu vào biến tần: Bộ phận này nhận nguồn điện xoay chiều, có thể là 1 pha hoặc 3 pha, sau đó nguồn điện này sẽ được chuyển đổi thành điện áp DC 1.
• Cầu chỉnh lưu: Nhiệm vụ chính là chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Số lượng thyristor trong bộ biến tần DC có thể thay đổi tùy thuộc vào điện áp đầu vào. Đồng thời, góc mở của thyristor cũng làm thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ.
• Nhà cung cấp trường học: Nó có chức năng tạo ra điện áp DC không đổi để cung cấp cho cuộn dây kích thích của động cơ DC. Điện áp này được sử dụng để tạo ra từ trường cần thiết để khởi động động cơ. Nếu động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu thì bộ phận này sẽ không được tích hợp.
• Bộ điều chỉnh tốc độ: Nhiệm vụ chính là kiểm soát tốc độ của động cơ. Phần này sẽ tính toán và thay đổi góc mở của thyristor để điều chỉnh điện áp và dòng điện của phần ứng động cơ.
• Mạch đánh lửa: Có khả năng tạo xung điện áp theo yêu cầu của bộ điều tốc, đóng cắt các thyristor trong bộ chỉnh lưu vào đúng thời điểm. Mạch đánh lửa đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh chính xác điện áp và dòng điện đầu ra của biến tần.

Hai nguyên tắc cơ bản xác định hoạt động của bộ biến tần DC:

• 1. Đặc điểm của động cơ DC là tốc độ quay tỷ lệ thuận với điện áp phần ứng và tỷ lệ nghịch với dòng điện kích thích. Bằng cách thay đổi điện áp cấp vào phần ứng, tốc độ động cơ cũng thay đổi. Nếu cần tốc độ mong muốn lớn hơn tốc độ cơ bản thì phải giảm dòng điện kích từ của động cơ.
• Thứ hai, khi dòng điện kích thích giảm thì 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, do đó làm tăng tốc độ của nó.

Như vậy về cơ bản, nguyên lý làm việc của biến tần DC là điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng bằng cách thay đổi góc mở của thyristor, từ đó điều chỉnh tốc độ của động cơ.

Quá trình trên như sau:

• Chuyển đổi nguồn đầu vào: Sau khi cấp nguồn điện xoay chiều một pha hoặc ba pha vào, nó sẽ được chỉnh lưu thành điện áp DC phù hợp với động cơ DC.
• Điều chỉnh điện áp: Bộ điều tốc sẽ tiếp nhận yêu cầu tốc độ yêu cầu sau đó tính toán, điều chỉnh góc mở của thyristor để điều chỉnh tốc độ thực tế của động cơ.
• Điều chỉnh tốc độ động cơ: Nếu tốc độ mong muốn cao hơn tốc độ thực tế của động cơ, thyristor sẽ được điều chỉnh để mở nhiều hơn, làm thay đổi giá trị điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ.
• Điều khiển động cơ: Khi điện áp trên phần ứng thay đổi thì dòng điện cũng thay đổi. Từ trường sinh ra ở bộ kích thích có chức năng khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ.

Cách phân loại biến tần DC

Tùy thuộc vào nguồn điện đầu vào, bộ biến tần DC được chia thành hai loại phổ biến: bộ biến tần DC một pha và bộ biến tần DC ba pha.

• Biến tần DC một 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. Nếu bạn muốn điều chỉnh tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ cơ bản, bạn có thể thay đổi dòng điện kích thích bằng cách điều chỉnh góc mở α2. Nhược điểm chính của loại biến tần một pha này là sự gián đoạn của dòng điện phần ứng ở tốc độ thấp.

• Biến tần DC ba pha: Nó sử dụng nguồn điện đầu vào AC ba pha và có 6 thyristor trong bộ chỉnh lưu, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp công suất cao. Loại biến tần ba pha này tạo ra dòng điện phần ứng liên tục và gợn sóng nhỏ hơn. Bộ biến tần DC ba pha có hiệu suất động cơ tốt hơn so với bộ biến tần DC một pha.

Ngoài ra, xét từ góc độ tiêu chuẩn kỹ thuật, bộ biến tần DC còn được chia thành: loại tiêu chuẩn và loại kỹ thuật số.

• Biến tần DC tương tự: Đây là bộ biến tần tiêu chuẩn sử dụng tín hiệu analog để điều khiển điện áp và dòng điện, mang lại khả năng điều khiển linh hoạt động cơ theo yêu cầu thực tế.
• Biến tần DC kỹ thuật số: Không giống như bộ biến tần DC tiêu chuẩn, bộ biến tần DC kỹ thuật số sử dụng các thành phần bán dẫn để điều khiển chính xác tốc độ của động cơ. Do đó, bộ truyền động DC trở nên linh hoạt và có thể 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, tuổi thọ linh kiện bán dẫn cao và dễ dàng thay thế nên phù hợp cho các ứng dụng tái tạo năng lượng.

Ứng dụng của biến tần DC

Nhờ những ưu điểm vượt trội trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ DC một cách chính xác và linh hoạt nên bộ biến tần DC được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, như:

• Hệ thống truyền động: Biến tần DC đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cầu trục, tời nâng, thang máy, máy quấn dây… để điều khiển tốc độ động cơ và đảm bảo quá trình truyền động trơn tru, thông suốt.
• Hệ thống bơm và quạt: Đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ chính xác ở tốc độ thấp, bộ biến tần DC vẫn là lựa chọn tốt nhất so với bộ biến tần AC.
• Máy móc hạng nặng (máy nghiền, máy trộn, máy ép, máy cán): Bộ chuyển đổi tần số DC thay đổi tốc độ linh hoạt để đảm bảo tính chính xác của quy trình vận hành.
• Hệ thống năng lượng tái tạo: Bộ biến tần DC điều khiển động cơ và máy phát điện DC, giúp tối ưu hóa công suất đầu ra.
• Hệ thống xe điện: Bộ biến tần DC giúp kiểm soát tốc độ của động cơ điện và các hệ thống khác.

Tìm hiểu thêm: Biến tần trung thế: Cấu tạo, phân loại và ứng dụng

So sánh Biến tần DC và Biến tần AC

Bộ biến tần DC và bộ biến tần AC có chức năng biến tần chung giống nhau là chuyển đổi dòng điện và điều khiển động cơ, nhưng điểm khác biệt lớn nhất giữa hai bộ biến tần này là dòng điện đầu vào và đầu ra.

• Bộ biến tần AC được thiết kế đặc biệt để chuyển đổi năng lượng điện từ dòng điện một chiều (DC) sang dòng điện xoay chiều (AC) để phục vụ các ứng dụng dân dụng và thương mại.
• Bộ biến tần DC được sử dụng để chuyển đổi nguồn AC thành nguồn DC để cung cấp điện áp cần thiết cho động cơ DC.

Ngoài ra, sự khác biệt giữa hai loại biến tần này cũng có thể kể đến:

Câu hỏi thường gặp về biến tần DC

Câu 1: Ưu điểm và nhược điểm của biến tần DC là gì?

hồi đáp: Bộ biến tần DC là thiết bị điện tử quan trọng cho các ứng dụng công nghiệp có hệ thống truyền động. Ưu điểm của biến tần này bao gồm:

• Tốc độ động cơ có thể được điều chỉnh và kiểm soát chính xác, linh hoạt để đáp ứng nhiều quy trình vận hành khác nhau.
• Cho phép bạn đảo chiều quay của động cơ một cách dễ dàng và nhanh chóng, thay thế các cơ chế đảo chiều phức tạp.
• Dễ dàng tích hợp với nhiều hệ thống điều khiển tự động giúp tối ưu hiệu suất chuyển đổi và tiết kiệm năng lượng.
• Về lâu dài, việc sở hữu một bộ biến tần có thể giúp tiết kiệm chi phí vận hành và đơn giản hóa hệ thống.

Ngoài những ưu điểm, bộ biến tần DC còn có nhiều hạn chế như:

• Chi phí đầu tư cao hơn so với máy biến áp truyền thống.
• Vì động cơ DC sử dụng chổi than và cổ góp nên yêu cầu bảo trì cao hơn bộ biến tần AC.
• Có nguy cơ phát ra tia lửa điện từ chổi than trong động cơ nên bộ biến tần DC không phù hợp để lắp đặt trong môi trường dễ cháy nổ.
• Nhạy cảm với bụi bẩn, độ ẩm và môi trường khắc nghiệt, yêu cầu lắp đặt khắt khe hơn.
• So với biến tần DC, khả năng quá tải kém.
• Có thể gây nhiễu điện ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử xung quanh.
• Trọng lượng và kích thước lớn hơn bộ biến tần AC nên không phù hợp để lắp đặt ở những khu vực có không gian hạn chế.

Câu hỏi 2: Biến tần DC thường gặp những vấn đề gì?

hồi đáp: Biến tần DC có khả năng chịu quá tải kém nên dễ gặp các vấn đề như: quá dòng, quá áp, quá nhiệt… gây hư hỏng linh kiện bên trong thậm chí ảnh hưởng đến động cơ.