CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 1.1 Lý thuyết về biến tần: Biến tần (inverter) là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. *Nguyên lý hoạt động của biến tần: Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng.
Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.1: Mạch chỉnh lưu biến tần Sau khi chuyển đổi thành dòng điện một chiều, dòng điện sẽ đi qua một tụ lọc điện áp xoay chiều sau khi đã được chỉnh lưu (loại bỏ pha âm) thành điện áp một chiều bằng phẳng. KHCN-BM11-QT1-QA1 9 Hình 1.2: Dạng sóng mạch chỉnh lưu biến tần Cuối cùng, điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).3: Sơ đồ mạch nguyên lý của biến tần KHCN-BM11-QT1-QA1 10 Hình 1.4: Dạng sóng ngõ vào ngõ ra của mạch nguyên lý biến tần Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.
Công thức thay đổi tốc độ động cơ của máy biến tần Với công thức : n= 60f/p Trong đó : +n : tốc độ động cơ +f: tần số thay đổi +p : số cặp cực KHCN-BM11-QT1-QA1 11 Trong đó, chúng ta thấy p là một hằng số thông thường bằng 2 thì để thay đổi tốc độ của motor thì chỉ cần thay đổi tần số đầu vào. Biến tần giải quyết được vấn đề này thay đổi từ 0-50 Hz hoặc thậm chí cao hơn với các máy công cụ. Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển.
Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp – tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp.
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.
*Phân loại biến tần thường dùng hiện nay: (1). Biến tần AC: Biến tần 1 pha – biến tần 3 pha dùng điện áp AC là loại biến tần phổ biến nhất & được dùng rộng rãi trong công nghiệp. Hầu như 90% các motor trong nhà máy đều dùng biến tần AC. Biến tần DC: Để điều chỉnh điện áp đầu vào 1 chiều cho động cơ DC thì biến tần DC là một lựa chọn phù hợp nhất.
Đây là loại biến tần dùng cho các ứng dụng đơn giản. Biến tần thay đổi nguồn điện đầu vào: Nếu chúng ta có một điện áp 1 pha 220V và có một động cơ 3 pha 220V thì có thể dùng biến tần thay đổi nguồn điện đầu vào để khởi động động cơ. Tương tự nếu chúng ta có điện áp 1 pha 220V mà muốn điều khiển động cơ 3 pha 380V có công suất lớn hơn 2.2Kw thì cần làm các bước sau đây : • Mua một biến áp 220V sang 380V – tần số 50Hz , tuỳ theo công suất mà chúng ta chọn loại dòng 10-20 A • Mua một biến tần 3 pha 380V có công suất lớn hơn công suất động cơ khoảng 20% KHCN-BM11-QT1-QA1 12 Đầu tiên cấp nguồn 220V cho biến áp , từ biến áp ra 380V chúng ta cấp cho biến tần. Biến tần sẽ có 3 chân đầu vào L1-L2-L3 chúng ta kết nối nguồn 220V vào chân L1/R và L3/T còn chân L2 không sử dụng.
Với cách làm này chúng ta đã có thể điều khiển Motor có công suất lớn với nguồn 220V để điều khiển motor 380V. Đối với các motor 3 pha nguồn 220V có công suất dưới 2.2Kw thì chúng ta chỉ cần dùng biến tần 1 pha 220V ra 3 pha 220V thì có thể dùng trực tiếp mà không cần sử dụng tới máy biến áp. Biến tần chỉnh độ rộng xung Biến tần điều chỉnh độ rộng xung (PWM) là loại biến tần phức tạp nhất. Nó cũng cho phép Motor điện hoạt động hiệu quả hơn.
PWM thực hiện điều này thông qua việc sử dụng các bóng bán dẫn. Các bán dẫn chuyển đổi dòng điện một chiều ở các tần số khác nhau và do đó cung cấp một loạt các xung điện áp cho động cơ động cơ điện. Mỗi xung được chia thành từng phần để phản ứng với điện kháng của động cơ điện và tạo ra dòng điện thích hợp trong động cơ điện. Biến tần Vector – biến đổi độ rộng xung Biến tần vector dòng biến đổi độ rộng xung là một loại biến tần mới.
Chúng sử dụng một loại hệ thống điều khiển thường kết hợp chặt chẽ với động cơ điện một chiều. Các biến tần có một bộ vi xử lý, chúng được kết nối với động cơ điện thông qua một vòng điều khiển kín. Điều này cho phép bộ xử lý có thể kiểm soát chặt chẽ hơn hoạt động của động cơ điện. *Các hãng biến tần dùng phổ biến tại thị trường Việt Nam: (1).
Biến tần Mitsubishi: Biến tần Mitsubishi (Inverter Mitsubishi) được sản xuất bởi Mitsubishi Electric là thương hiệu nổi tiếng của Nhật Bản. Trong nhiều năm qua biến tần Mitsubishi đã được sử dụng rất phổ biến tại Việt Nam. Do đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật khắt khe trong công nghiệp, chất lượng tốt, hoạt động ổn định nên biến tần Mitsubishi được khách hàng tin tưởng sử dụng trong các dây truyền sản xuất, hệ thống tự động hóa, hệ thống điều khiển trong các nhà máy, tòa nhà,… Các dòng phổ biến của biến tần Mitsubishi hư: A500, A700, A800 chuyên dùng cho tải nặng như cần cẩu, máy cuốn, thang máy, máy mài, máy công cụ CNC…Biến tần Mitsubishi dòng E500, E700, E800, D700 chuyên dùng cho băng tải, thang máy, KHCN-BM11-QT1-QA1 13 máy đóng gói,…Biến tần Mitsubishi dòng F500, F700, F800 tải nhẹ cho quạt, bơm, điều hòa, máy nén khí… (2). Biến tần Siemens: Biến tần Siemens được sản xuất theo dây chuyền và tiêu chuẩn chất lượng châu Âu.
Biến tần Siemens được biết đến với các ưu điểm là giải pháp hữu hiệu nhất cho các giải pháp truyền động đơn giản với chi phí hợp lý, dễ dàng vận hành, bền bỉ, tiết kiệm, và thường có dải công suất hoạt động từ 0.12kW đến 450kW Các dòng biến tần Siemens phổ biến như: MM440, MM430, MM420, Sinamics G120, Sinamics G110, Sinamics S120, Sinamics V20… (3). Biến tần Danfoss: Danfoss được thành lập từ năm 1933 tại Đan Mạch, với bề dày hoạt động hơn 80 năm, Danfoss hiện đang là 1 trong những thương hiệu sản xuất biến tần hàng đầu. Tính đến tháng 3/2016, hãng đã có 61 nhà máy đặt tại 20 quốc gia khác nhau, cung cấp sản phẩm, đặc biệt là biến tần Danfoss cho hơn 100 quốc gia trên thế giới. ưu điểm của biến tần Danfoss là tính ổn định, dễ sử dụng, nhiều chức năng hỗ trợ người dùng và đặc biệt là ít gây nhiễu hơn so với các dòng biến tần khác trên thị trường *Lợi ích của việc sử dụng biến tần: Dễ ràng thay đổi tốc độ động cơ, đảo chiều quay động cơ.
Giảm dòng khởi động so với phương pháp khởi động trực tiếp, khởi động sao- tam giác nên không gây ra sụt áp hoặc khó khởi động. Quá trình khởi động thông qua biến tần từ tốc độ thấp giúp cho động cơ mang tải lớn không phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần cơ khí, ổ trục, tăng tuổi thọ động cơ. Tiết kiệm năng lượng đáng kể so với phương pháp chạy động cơ trực tiếp. Biến tần thường có hệ thống điện tử bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá áp và thấp áp, tạo ra một hệ thống an toàn khi vận hành.
Nhờ nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode và tụ điện nên công suất phản kháng từ động cơ rất thấp, do đó giảm được dòng đáng kể trong quá trình hoạt động, giảm chi phí trong lắp đặt tụ bù, giảm thiểu hao hụt điện năng trên đường dây. Biến tần được tích hợp các module truyền thông giúp cho việc điều khiển và giám sát từ trung tâm rất dễ dàng. KHCN-BM11-QT1-QA1 14 *Ứng dụng của biến tần: (1). Biến tần điều khiển lưu lượng cho bơm: Trong hệ thống truyền thống, áp lực và lưu lượng bơm được điều khiển bởi: Động cơ nhiều tốc độ, van ra/vào hoặc hệ thống hồi lưu.
Tất cả các phương pháp này đều hao phí năng lượng nhiều, gây sốc cơ khí, giảm tuổi thọ hệ thống và tăng tổn thất đường ống. Biến tần được sử dụng để điều tốc độ của bơm, có thể chạy ở lưu lượng/áp suất tùy chọn, qua đó giúp tăng hiệu suất, tiết kiệm năng lượng. Hệ thống vận hành êm, trơn, giảm chi phí bảo trì, sữa chữa, giảm tổn thất đường ống, tăng tuổi thọ hệ thống. Biến tần điều khiển bơm nước cấp nước cho nhà cao tầng: Giải pháp truyền thống là bơm nước lên tháp nước trên mái để phân phối cho toàn nhà, điều chỉnh áp lực từng tầng bằng các thiết bị điều hòa và giảm áp.