VFD (biến tần) là gì?
VFD là từ viết tắt của “Variable Frequency Drive”, thường được gọi là biến tần. VFD còn có thể được gọi là bộ điều chỉnh dòng xoay chiều (AC drive), bộ điều chỉnh tần số, bộ điều tốc, bộ điều chỉnh tốc độ (VSD – variable velocity drive), bộ biến đổi tần số (VFI – variable frequency inverter),… Bất đề cập tên gọi nào, VFD là 1 loại bộ điều khiển động cơ truyền động và điều khiển động cơ điện. VFD kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn của động cơ để đáp ứng đề nghị của ứng dụng bằng phương pháp thay đổi đổi tần số và nguồn điện áp. Tần số được hợp tác quản lý sở hữu RPM của động cơ; tần số càng cao, số RPM càng lớn.
Cấu tạo biến tần VFD
2 tính năng chính của biến tần là có thể điều chỉnh tốc độ và khả năng khởi động / giới hạn mềm. 2 tính năng này làm cho cho VFD trở nên 1 bộ điều khiển mạnh mẽ để điều khiển động cơ AC. VFD chủ yếu bao gồm 4 phần: chỉnh lưu, hợp tác DC trung gian (DC Bus), nghịch lưu và nguồn điều khiển.
Chỉnh lưu
Nó chuyển đổi nguồn AC được cấp từ nguồn điện lưới thành nguồn DC. Phần này có thể là 1 chiều hoặc 2 chiều dựa trên ứng dụng được dùng giống như hoạt động 4 phần tư của động cơ. Nó dùng điốt, SCR, transistor hoặc những thiết bị chuyển nguồn điện tử khác.
Trường hợp nó dùng điốt, nguồn DC đầu ra chuyển đổi ko điều khiển được trong lúc dùng SCR, nguồn ra DC sẽ thay đổi đổi lúc điều khiển cổng. Cần tối thiểu 6 điốt để chuyển đổi cha pha, vì vậy bộ chỉnh lưu được coi là bộ chuyển đổi 6 xung.
DC Bus
Nguồn DC từ phần chỉnh lưu được đưa vào phần hợp tác DC (DC Bus). Phần này bao gồm tụ điện và cuộn cảm để làm cho phẳng những gợn sóng và tích trữ nguồn DC. Chức năng chính của hợp tác DC là nhận, lưu trữ và phân phối nguồn DC.
Nghịch lưu
Phần này (nghịch lưu – biến tần – inverter) bao gồm những thiết bị chuyển nguồn điện tử như transistor, thyristor, IGBT, v.v. Nó nhận nguồn DC từ DC Bus và chuyển đổi thành AC và rồi được đưa tới động cơ. Nó dùng những kỹ thuật điều chế như điều chế độ rộng xung để thay đổi đổi tần số đầu ra để điều khiển tốc độ của động cơ.
Ổ điều khiển
Nó bao gồm 1 bộ vi xử lý và thực hành những chức năng khác nhau như điều khiển, cấu hình cài đặt, cảnh báo lỗi và thiết lập những giao thức truyền thông giao tiếp. Nó nhận tín hiệu phản hồi từ động cơ như tham chiếu tốc độ hiện tại và theo ấy điều chỉnh tỷ lệ điện áp trên tần số (V/Hz) để điều khiển tốc độ động cơ.
Nguyên lý hoạt động của biến tần
Giai đoạn trước tiên biến tần AC (VFD) đóng vai trò là bộ chuyển đổi (bộ chỉnh lưu). Bộ chuyển đổi bao gồm 6 điốt, tương tự động như van 1 chiều được dùng trong hệ thống ống nước. Chúng cho phép dòng điện chỉ chạy theo 1 chiều hướng; hướng được hiển thị theo như hình mũi tên trong biểu tượng diode. Thí dụ, bất cứ lúc nào điện áp pha A (điện áp tương tự động như áp suất trong hệ thống ống nước) dương hơn điện áp pha B hoặc C, thì điốt ấy sẽ mở và cho phép dòng điện chạy qua. Lúc pha B trở nên hăng hái dương hơn pha A, thì diode pha B sẽ mở và diode pha A sẽ đóng. Điều này cũng đúng đối sở hữu 3 điốt trên phía hăng hái âm của Bus. Do ấy, nhận được 6 “xung” hiện tại lúc từng diode mở và đóng. Đây được gọi là “six-pulse VFD”, là cấu hình tiêu chuẩn cho những biến tần hiện tại.
Giả sử rằng biến tần đang hoạt động trên hệ thống điện 480V. Định mức 480V là “rms” (root imply squared). Những cực đại trên hệ thống 480V là 679V. Như bạn có thể thấy, bus VFD có điện áp 1 chiều sở hữu gợn sóng xoay chiều. Điện áp chạy trong khoảng từ 580V tới 680V.
Chúng ta có thể loại bỏ gợn sóng AC trên bus DC bằng phương pháp thêm 1 tụ điện. Tụ điện hoạt động theo kiểu tương tự động như 1 bể chứa hoặc bộ tích lũy trong hệ thống ống nước. Tụ điện này hấp thụ gợn sóng xoay chiều và phân phối điện áp 1 chiều phẳng. Độ gợn sóng AC trên bus DC thường bé hơn 3 Volts. Do ấy, điện áp trên bus DC trở nên “xấp xỉ” 650VDC. Điện áp thực tế sẽ phụ thuộc vào mức điện áp của dòng AC cấp cho biến tần, mức độ mất cân bằng điện áp trên hệ thống điện, tải động cơ, trở kháng của hệ thống điện và bất kỳ cuộn kháng hoặc bộ lọc sóng hài nào trên biến tần.
Bộ chuyển đổi cầu diode chuyển đổi AC-sang-DC (bộ chỉnh lưu). Bộ chuyển đổi chuyển đổi từ 1 chiều trở lại xoay chiều (bộ nghịch lưu), tuy nhiên để phân biệt sở hữu bộ chuyển đổi diode, nó thường được gọi là “inverter”. Nó đã trở nên phổ cập} trong ngành lúc coi bất kỳ bộ chuyển đổi DC-sang-AC nào như 1 bộ biến tần (inverter) hay AC drive.
Lúc chúng ta đóng 1 trong những chuyển nguồn trên cùng trong bộ chuyển đổi, pha ấy của động cơ được kết nối sở hữu bus 1 chiều dương và điện áp trên pha ấy trở nên dương. Lúc chúng ta đóng 1 trong những chuyển nguồn dưới cùng trong bộ chuyển đổi, pha ấy được kết nối sở hữu bus 1 chiều âm và trở nên âm. Do ấy, chúng ta có thể làm cho cho bất kỳ pha nào trên động cơ trở nên dương hoặc âm theo ý muốn và do ấy có thể tạo ra bất kỳ tần số nào mà chúng ta muốn. Vì vậy, chúng ta có thể làm cho cho bất kỳ pha nào là cực dương, cực âm hoặc bằng ko.
Lưu ý rằng đầu ra từ VFD là dạng sóng “hình chữ nhật”. VFD ko tạo ra đầu ra hình sin. Dạng sóng hình chữ nhật này sẽ ko bắt buộc là lựa chọn phải chăng cho những hệ thống điều khiển chung, nhưng hoàn toàn thích hợp cho động cơ.
Trường hợp chúng ta muốn giảm tần số động cơ xuống 30 Hz, thì chúng ta chỉ cần chuyển những transistor đầu ra của biến tần hoạt động chậm hơn. Nhưng, giả dụ chúng ta giảm tần số xuống 30 Hz, thì chúng ta cũng bắt buộc giảm điện áp xuống 240V để duy trì tỷ lệ V / Hz (xem phần trình bày Lý thuyết điều khiển Động cơ bằng VFD để biết thêm về điều này). Khiến thế nào chúng ta sẽ giảm điện áp giả dụ điện áp duy nhất mà chúng ta có là 650VDC?
Đây được gọi là điều chế độ rộng xung (PWM). Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có thể kiểm soát áp suất trong đường nước bằng phương pháp bật và tắt van trên tốc độ cao. Dù rằng điều này sẽ ko thực tế cho những hệ thống ống nước, tuy nhiên nó siêu khả thi sở hữu VFD. Chú ý rằng trong nửa chu kỳ trước tiên, điện áp BẬT 1/2 thời kì và TẮT 1/2 thời kì. Như vậy, điện áp trung bình là 1/2 của 480V hoặc 240V. Bằng phương pháp tạo xung đầu ra, chúng ta có thể đạt được bất kỳ điện áp trung bình nào trên đầu ra của VFD.
Ưu điểm lúc dùng biến tần
1- Giảm mức tiêu thụ năng lượng và chi phí tổn năng lượng
Trong trường hợp ứng dụng ko cần chạy trên tốc độ cao nhất}, bạn có thể cắt giảm chi phí tổn năng lượng bằng phương pháp điều khiển động cơ bằng VFD, cho phép bạn điều chỉnh tốc độ của thiết bị điều khiển động cơ sở hữu đề nghị tải. Hệ thống động cơ điện tiêu thụ hơn 65% điện năng tiêu thụ trong ngành công nghiệp ngày nay. Tối ưu hóa hệ thống điều khiển động cơ sở hữu VFD có thể giảm tiêu thụ năng lượng trong cơ sở tới 70%. Bên cạnh ra, dùng VFDs có thể nâng cao chất lượng siêu phẩm và giảm chi phí tổn chế tạo. Những lợi ích này lúc hài hòa lại sẽ hoàn vốn đầu tư cho những VFD.
2- Điều khiển động cơ mềm và hiệu quả
Vận hành động cơ của bạn trên tốc độ hiệu quả nhất cho ứng dụng của bạn có thể giảm lỗi, do ấy nâng cao mức chế tạo và nâng cao doanh thu. Thí dụ, những VFD hoạt động trơn tru hơn cho phép băng tải và dây đai có thể loại bỏ hiện tượng giật lúc khởi động, cho phép thông lượng cao hơn.
3- Kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm bảo trì
Đảm bảo kiểm soát động cơ tối ưu sẽ giúp thiết bị hoạt động thời gian dài hơn và giảm thời kì chết do bảo trì. Vì VFD tối ưu hóa việc kiểm soát tần số và điện áp của động cơ, VFD phân phối khả năng bảo vệ phải chăng hơn cho động cơ của bạn khỏi những vấn đề như quá tải nhiệt điện, bảo vệ pha, dưới điện áp, quá áp, v.v. Khởi động tải bằng VFD bảo vệ động cơ hoặc động cơ tải từ “cú sốc tức thì” trên đường khởi đầu; khởi động trơn tru giúp loại bỏ mức độ mòn lớn của đai, bánh răng và ổ trục. Và lợi ích bổ sung là giảm và / hoặc loại bỏ búa nước thông qua những chu kỳ tăng cường và giảm tốc mượt mà.
Phân loại biến tần (VFD)
Kích thước
Tầm khúc thị trường VFD được chia thành 5 phạm vi kích thước được xác định bởi công suất (KW hoặc HP) của VFD. Trong lúc nghiên cứu thị trường toàn cầu về VFD bao gồm những VFD siêu bé, bé và tầm trung, thì nghiên cứu thị trường về VFD công suất cao bao gồm VFD tầm trung, lớn và siêu lớn.
Nhiều VFD có dải công suất hoạt động siêu rộng. Thí dụ, 1 số nhà chế tạo phân phối 1 biến thể của cùng 1 kiểu VFD hoạt động từ dải tới cao. Những nhà chế tạo có thể phân phối 1 loạt những siêu phẩm được chia thành nhiều tầm khúc. Vì những mô dường như vậy có thể trải dài những phân đoạn kilowatt khác nhau, chúng tôi đã phân loại những VFD này vào 1 phân đoạn thích hợp nhất của chúng để hạn chế tính lặp lại.
Kích thước KW HP Siêu bé < 5 < 6 Bé 5 – 40 6 – 50 Trung bình 41 – 200 51 – 250 Lớn 201 – 600 251 – 750 Siêu lớn > 600 > 750
Chế độ điều khiển
Volts / Hertz (Hz), chế độ điều khiển động cơ cổ xưa, ngăn sự bão hòa từ trường của động cơ bằng phương pháp duy trì tỷ lệ V / Hz ko đổi. Trên tốc độ thấp, điện áp thấp phân phối dòng điện từ hóa ít hơn, dẫn tới mất mô-men xoắn. 1 hạn chế khác là điều khiển V / Hz ko đúng sở hữu sự thay đổi đổi độ trượt giữa rôto và stato sở hữu tần số và tải. Những nhà phân phối những siêu phẩm truyền tải điện cơ sở hữu biến tần, thường phân phối bánh răng và dây đai để đáp ứng những đề nghị về mô-men xoắn tốc độ thấp.
Những chế độ điều khiển khắc phục được những hạn chế của điều khiển V / Hz là điều khiển vectơ từ thông vòng kín và điều khiển vectơ ko cảm biến vòng hở. Có trước đây, 1 cảm biến, chẳng hạn như bộ encoder trên trục động cơ, phân phối 1 thước đo độ trượt để kiểm soát tốc độ. Có loại thứ 2, cảm biến dòng điện tích hợp sẵn (ko có cảm biến bên bên cạnh) phân phối thông tin để điều khiển. Trong cả 2 trường hợp, VFD bù cho nhu cầu dòng điện từ hóa và trượt dựa trên mô hình phần mềm nội bộ về đặc tính của động cơ, nhưng phản hồi là từ bộ encoder bên bên cạnh hoặc cảm biến dòng tích hợp. Những chế độ này đề nghị điều chỉnh những hiệu ứng, chẳng hạn như độ trễ thời kì của tải có quán tính cao. Những VFD tự động động điều chỉnh giải quyết đề nghị này mà ko cần can thiệp thủ công.
Điện áp đầu vào
Điện áp đầu vào là đặc điểm dễ phân biệt của VFD vì công suất được phân phối thay đổi đổi đáng đề cập theo điện áp. Do ấy, việc phân loại VFD theo điện áp trong nghiên cứu này xem xét những phạm vi chính: 115V tới 240V, 380V tới 400V, 460V tới 480V và 560V tới 690V.
Cấu hình Bus
VFD chuyển đổi đầu vào AC thành DC để tạo ra điện áp và tần số đầu ra cần thiết. Đối sở hữu những ứng dụng liên quan tới 1 số lượng lớn biến tần (chẳng hạn như băng tải hoặc chế tạo sợi tổng hợp), có những biến tần được thiết kế cho 1 bộ nguồn DC lớn duy nhất, được gọi chung là Bus DC hay DC Bus. Điều này làm cho giảm chi phí tổn và dùng năng lượng phanh tái tạo phải chăng hơn so sở hữu truyền động độc lập. Việc phân đoạn này giúp hiểu rõ hơn về đồ thị dùng cấu hình bus.
Hartware, phần mềm và dịch vụ
Tầm khúc thị trường VFD về hartware (hartware VFD và hartware ngoại vi), phần mềm và dịch vụ (bao gồm những tương trợ dự án và MRO / phụ tùng và dịch vụ khác) để cực nhọc} phải chăng hơn so sở hữu những siêu phẩm khác trên thị trường. “Hartware VFD” là những VFD dưới dạng thiết bị độc lập. Nó bao gồm những tính năng và chức năng được lập trình trước, cũng như những tùy thuộc} chọn có thể lập trình.
Nhiều nhà phân phối ko bán VFD lập trình sẵn mà chỉ làm cho hartware. Những siêu phẩm khác được bán sở hữu VFD được gọi là hartware và phụ kiện ngoại vi lúc giá trị của chúng bé so sở hữu giá trị của VFD. Hartware và phụ kiện ngoại vi có thể bao gồm những thành phần hệ thống điều khiển, vỏ, hệ thống cáp và những hạng phần, chẳng hạn như bộ lọc sóng hài ko có trong biến tần. Tuy nhiên, hartware và phụ kiện ngoại vi ko bao gồm những mặt hàng được bán riêng, chẳng hạn như thiết bị đóng cắt, PAC, PLC, động cơ hoặc những thành phần cơ khí, chẳng hạn như bánh răng, ly hợp và phanh.
Lúc khách hàng dùng VFD, họ tập trung vào tính năng cốt lõi, họ ngày càng tin tưởng vào những nhà phân phối VFD có phân phối dịch vụ dính kèm. Bên cạnh những dịch vụ tập huấn, cài đặt và vận hành, khách hàng mong đợi trách nhiệm về bảo hành, bảo dưỡng đơn lẻ hoặc quản lý key dự án, kỹ thuật ứng dụng và vươn lên là phần mềm tùy thuộc} chỉnh để điều chỉnh VFD theo nhu cầu của riêng họ. Người dùng VFD cũng mong đợi những chương trình bảo trì và nâng cấp do nhà phân phối tương trợ để bảo vệ khoản đầu tư của họ.
Những hãng chế tạo biến tần VFD phổ cập}
Những hãng chế tạo, phân phối biến tần VFD được biết tới trên thị trường việt nam như:
- Đức: Siemens, Rexroth, Lenze
- Đan nguồn: Danfoss
- Nhật bản: Mitsubishi, Yaskawa, Fuji, Omron, Panasonic, Hitachi, Toshiba, Nidec
- Thụy sỹ: ABB
- Pháp: Schneider
- Mỹ: Allen Bradley (rockwell), Emerson, Parker, Sew-Eurodrive
- Israel: Unitronics
- Hàn quốc: LS
- Đài mortgage: Delta, Shihlin,
- Trung quốc: INVT, Kinco, Sinovo, Goodwe, Growatt, Sungrow, Inovance, Veichi, Gtake, Frecon, V&T, Powtran, Sinee, Delixi, Senlan, Enc, Zoncn, Sunfar, Sumo,..
