Biến Tần - Inverter

Cấu tạo của Biến tần

Mỗi loại biến tần sẽ cấu tạo khác nhau, tuy nhiên biến tần sẽ có cấu tạo bao gồm các thành phần chính như sau:

• Mạch nguồn: cung cấp điện cho toàn bộ hoạt động của biến tần.
• Mạch điều khiển: nơi thực hiện chức năng là trung tâm điều khiển, lập trình và bảo vệ.
• Mạch chuyển đổi tần số: là mạch chính thực hiện nhiệm vụ biến đổi tần số dòng điện đầu vào thành tần số dòng điện đầu ra (50Hz thành 0 – 400Hz). Mạch chính bao gồm bộ lọc, bộ chỉnh lưu, bộ nghịch lưu IGBT.
• Mạch bảo vệ: bao gồm các thiết bị bảo vệ quá dòng, quá tải, bảo vệ các sự cố điện có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.
• Màn hình  và bàn phím: được sử dụng để thực hiện các thao tác cài đặt giám sát, và điều khiển.

Nguyên lý hoạt động của biến tần

• Nguyên lý hoạt động của biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha/3 pha được điều chỉnh và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi tự điện và bộ chỉnh lưu cầu diode. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của biến tần không phụ thuộc vào tải và có giá trị thấp nhất khoảng 0.96. Điện áp một chiều sẽ được biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. 

• Công đoạn này hiện nay được thực hiện bằng phương pháp điều chế độ rung thông qua IGBT transistor lưỡng cực có cổng cách ly (IGBT). Nhờ tiến bộ của công nghệ bán dẫn và công nghệ vi xử lý, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ và giảm tiếng ồn.

• Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có khả năng thay đổi giá trị tần số và biên độ tuỳ theo bộ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp – tần số sẽ không đổi. Tuy vậy với tải quạt và bơm, điện áp là hàm bậc 4 của tần số. 
• Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần thường rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn tiên tiến, hiện đại nhất hiện nay. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ gần như xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.
• Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp nhiều kiểu điều khiển khác nhau linh hoạt với các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần còn tích hợp cả bộ PID hỗ trợ cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.

Các lợi ích của Biến tần

Ngày nay biến tần không còn là một thiết bị xa xỉ, tốn kém chi phí chỉ dành cho những doanh nghiệp có quy mô và nguồn lực tài chính nữa, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Chúng mang lại những lợi ích vượt trội, vượt xa rất nhiều so với chi phí mà bạn đầu tư ban đầu, bao gồm:

• Thay đổi tốc độ động cơ nhanh chóng,  linh hoạt, đáp ứng yêu cầu khắt khe của doanh nghiệp.
• Tăng hiệu quả và năng suất hoạt động.
• Vận hành êm ái, bền bỉ, mang lại lợi ích lâu dài.
• Tiết kiệm năng lượng, bảo vệ các thiết bị cùng hệ thống.

Chức năng của biến tần

Biến tần là thiết bị điện tử quan trọng trong hệ thống điều khiển động cơ, mang đến nhiều chức năng thiết thực như:

• Điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt bằng cách thay đổi tần số và điện áp đầu vào.
• Tăng khả năng kiểm soát mô-men xoắn, phù hợp với yêu cầu tải ở từng thời điểm.
• Khởi động và dừng mềm, giúp giảm sốc cơ học và bảo vệ các bộ phận cơ khí.
• Đảo chiều quay động cơ một cách dễ dàng mà không cần thay đổi đấu dây.
• Bảo vệ động cơ khỏi các sự cố như quá tải, quá áp, mất pha, hay ngắn mạch.
• Tiết kiệm điện năng bằng cách tối ưu hiệu suất hoạt động theo tải thực tế.
• Giảm dòng khởi động, hạn chế tình trạng sụt áp trên lưới điện.
• Kết nối truyền thông với các hệ thống giám sát và điều khiển trung tâm qua các chuẩn công nghiệp.
• Góp phần kéo dài tuổi thọ động cơ, giảm chi phí bảo trì, thay thế thiết bị.
• Hạn chế tiếng ồn và rung động, tạo môi trường làm việc an toàn và dễ chịu hơn.

Ứng dụng của biến tần trong hệ thống điện mặt trời

Biến tần (hay còn gọi là inverter) đóng vai trò đặc biệt quan trọng, là thiết bị trung tâm giúp chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ các tấm pin năng lượng mặt trời thành dòng điện xoay chiều (AC) phù hợp với lưới điện và các thiết bị tiêu thụ. Ngoài chức năng chuyển đổi điện năng, biến tần còn tích hợp nhiều công nghệ điều khiển và giám sát hiện đại, giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống. Những ứng dụng cơ bản của biến tần có thể kể đến: 

• Tối ưu hóa sản lượng điện. Các biến tần hiện đại thường tích hợp chức năng MPPT (Maximum Power Point Tracking), giúp dò tìm và duy trì điểm công suất cực đại của từng chuỗi pin mặt trời. Nhờ đó, hệ thống luôn vận hành ở hiệu suất cao nhất, ngay cả khi điều kiện ánh sáng thay đổi theo thời gian trong ngày hoặc có bóng râm che phủ một phần tấm pin.
• Trung tâm giám sát và điều khiển thông minh. Các biến tần năng lượng mặt trời ngày nay thường tích hợp kết nối internet hoặc giao thức truyền thông công nghiệp, cho phép theo dõi dữ liệu từ xa thông qua ứng dụng hoặc phần mềm quản lý. Người dùng có thể dễ dàng kiểm tra sản lượng điện, tình trạng vận hành, cảnh báo lỗi,… từ đó có phương án bảo trì, xử lý kịp thời khi xảy ra sự cố.
• Giúp đồng bộ pha và tần số với điện lưới quốc gia, đảm bảo nguồn điện mặt trời được hòa lưới một cách ổn định và an toàn. Ngoài ra, một số dòng biến tần hybrid còn hỗ trợ lưu trữ năng lượng qua pin lithium, cho phép kết hợp giữa nguồn điện mặt trời, điện lưới và điện dự phòng để cung cấp điện liên tục, ngay cả khi mất điện lưới.
• Về mặt an toàn, biến tần năng lượng mặt trời được trang bị các chức năng bảo vệ như chống quá áp, quá dòng, ngắn mạch, chống đảo chiều dòng điện (anti-islanding) giúp ngắt hệ thống khỏi lưới khi mất điện, bảo vệ người và thiết bị điện trong nhà. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống dân dụng và công nghiệp có kết nối lưới điện quốc gia.

Phân loại các dòng biến tần hiện nay

1. Biến tần sử dụng điện áp xoay chiều (AC)

Biến tần AC là loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay nhờ khả năng điều khiển linh hoạt các động cơ điện xoay chiều – vốn chiếm phần lớn trong công nghiệp. Dòng điện xoay chiều có thể là 1 pha (220V) hoặc 3 pha (380V). Dựa trên đó, biến tần AC được chia tiếp như sau:

• Biến tần 1 pha: Thường sử dụng trong các ứng dụng dân dụng hoặc quy mô nhỏ, nơi chỉ có nguồn điện 1 pha. Loại này thường có đầu vào 220V và đầu ra cũng có thể là 220V hoặc chuyển đổi thành 3 pha 220V để điều khiển động cơ.
• Biến tần 3 pha: Dành cho các ứng dụng công nghiệp, với đầu vào và đầu ra đều là 3 pha 380V. Đây là dòng biến tần chiếm tỷ lệ lớn nhất trên thị trường nhờ khả năng làm việc với tải lớn và ổn định.

2. Biến tần sử dụng điện áp một chiều (DC)

Biến tần DC thường được sử dụng để điều khiển động cơ một chiều – vốn cần kiểm soát dòng điện trực tiếp hơn so với động cơ AC. Những biến tần này thường bao gồm một bộ chỉnh lưu và nghịch lưu riêng biệt để kiểm soát điện áp và dòng điện đầu ra. Đặc điểm nổi bật của biến tần DC là khả năng điều chỉnh chính xác mô-men xoắn ở tốc độ thấp và tốc độ bằng không. Biến tần DC thường được dùng trong các hệ thống nâng hạ, máy in công nghiệp, và các máy có yêu cầu điều khiển mịn và ổn định.

3. Biến tần hạ thế (Low Voltage Inverter)

Đây là loại biến tần sử dụng mức điện áp thấp, phổ biến nhất là các mức: 110V, 220V, 380V. Các hệ thống dân dụng, nhà máy quy mô vừa và nhỏ đều ưu tiên sử dụng loại biến tần này nhờ khả năng lắp đặt dễ dàng, chi phí thấp và tương thích với hệ thống điện phổ thông.

4. Biến tần trung thế (Medium Voltage Inverter)

Biến tần trung thế sử dụng điện áp đầu vào lớn hơn, thường từ 3.3kV đến 11kV, phục vụ cho các hệ thống công nghiệp nặng như nhà máy xi măng, nhiệt điện, luyện kim, khai khoáng hoặc nhà máy cấp nước lớn. Ưu điểm lớn nhất của loại biến tần này là khả năng điều khiển động cơ công suất lớn với hiệu suất cao, đồng thời giảm tổn hao do không phải qua biến áp hạ áp. Tuy nhiên, chi phí đầu tư và bảo trì của biến tần trung thế cũng cao hơn đáng kể, nên chỉ phù hợp với các hệ thống yêu cầu đặc biệt.

5. Biến tần năng lượng mặt trời (Solar Inverter)

Trong các hệ thống điện mặt trời, biến tần có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp DC từ các tấm pin thành AC để hòa vào lưới hoặc sử dụng tại chỗ. Loại biến tần này được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong điều kiện điện áp thay đổi theo thời gian trong ngày. Tùy theo công suất hệ thống và loại pin sử dụng, các biến tần năng lượng mặt trời có thể làm việc với điện áp đầu vào DC từ vài trăm đến hơn một ngàn volt và điện áp đầu ra AC có thể là 220V hoặc 380V.

6. Biến tần công suất cao cho các ứng dụng đặc biệt

Một số biến tần công nghiệp cao cấp được thiết kế để hoạt động trong môi trường có yêu cầu điện áp đầu vào rất lớn (ví dụ như biến tần 6kV, 10kV, 11kV) và phải tương thích với các chuẩn hệ thống SCADA hoặc DCS trong nhà máy. Các dòng biến tần này thường tích hợp tính năng điều khiển vector hoặc điều khiển mô-men, hỗ trợ dừng khẩn cấp, hồi tiếp năng lượng về lưới, và bảo vệ thiết bị theo thời gian thực.

Hướng dẫn lựa chọn các loại biến tần

Để lựa chọn được loại biến tần phù hợp cho doanh nghiệp của bạn, cần xác định rõ nhu cầu mục đích sử dụng và mức ngân sách đầu tư. Sau đây là 1 số nguyên tắc cơ bản:

• Chọn biến tần phù hợp với công suất và loại động cơ: Bạn cần đủ kiến thức về loại động cơ mình sử dụng cần loại biến tần gì? 1 pha hay 3 pha, đồng bộ hay không đồng bộ, điện áp bao nhiêu. Công suất của biến tần thường phải lớn hơn công suất của động cơ.
• Chọn biến tần theo yêu cầu: Ứng dụng cụ thể của biến tần là gì? Tốc độ yêu cầu là bao nhiêu, điều kiện môi trường làm việc cụ thể như nào, ….
• Chọn biến tần theo tải thực tế: Đây là một lưu ý đặc biệt quan trọng. Bạn cần xác định máy móc thuộc loại tải nhẹ hay nặng hay trung trình? Vận hành liên tục hay không liên tục để từ đó đưa ra được quyết định phù hợp.
• Chọn biến tần theo thông số kỹ thuật yêu cầu
• Chọn biến tần thuận tiện cho người lập trình
• Chọn biến tần phù hợp với mức ngân sách đầu tư mà vẫn đảm bảo chất lượng, chế độ bảo hành tốt nhất.

Các thương hiệu biến tần phổ biến tại Việt Nam hiện nay

• Biến tần xuất xứ châu Âu: Một số loại biến tần mang thương hiệu châu Âu đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam bao gồm: Biến tần ABB (Thụy Sỹ), biến tần Siemens (Đức), Biến tần SCHNEIDER (Pháp),…Đây là những sản phẩm nổi tiếng trên toàn cầu, đạt tiêu chuẩn chất lượng tốt nhất.
• Biến tần xuất xứ Nhật Bản: Các biến tần xuất xứ Nhật Bản như Mitsubishi, Fuji, Yaskawa, Panasonic, Toshiba,…được ưa chuộng sử dụng tại nước ta, tuy mức giá thành cao nhưng chất lượng tốt và hoạt động bền bỉ với nhiều loại có chức năng chuyên dụng.
• Biến tần xuất xứ Hàn Quốc: Biến tần LS có giá thành thấp hơn các biến tần sản xuất từ châu Âu hay Nhật Bản nhưng vẫn cơ bản đảm bảo được nhiều yêu cầu của người tiêu dùng tại Việt Nam.
• Biến tần xuất xứ Trung Quốc: Trước đây nhiều mặt hàng Trung Quốc bị đánh đồng là hàng giá rẻ, kém chất lượng. Nhưng ngày nay với sự phát triển của khoa học, công nghệ, biến tần Trung Quốc có mức giá thành cạnh tranh và được đánh giá không thua kém các hãng khác. Nổi tiếng nhất có các hãng như: INVT, Sumo, Alpha, Sinee,…chính là lời giải cho bài toán của nhiều người tiêu dùng còn băn khoăn về vấn đề ngân sách đầu tư.