Để có thể sử dụng hiệu quả biến tần, việc nắm bắt rõ sơ đồ mạch điện và nguyên lý hoạt động của biến tần là điều cần thiết. Hãy cùng Hoàng Ngân TEC tìm hiểu ngay qua bài viết dưới đây nhé!
Giới thiệu chung về biến tần
Biến tần là một thiết bị chuyển đổi năng lượng sử dụng chất bán dẫn. Thiết bị này chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều được gọi là bộ biến tần DC-AC, mạch chuyển đổi tần số và điện áp xác định bằng cách kết hợp bộ chuyển đổi AC-DC và bộ biến tần DC-AC
Hiện nay có hai cách chính để phân loại bộ biến tần: theo dạng sóng đầu ra và theo ứng dụng. Với biến tần phân theo dạng sóng đầu ra thì gồm 2 loại chính bộ biến tần sóng hình sin, biến tần sóng hình sin biến đổi, bộ biến tần sóng vuông. Ngoài ra, biến tần phân theo ứng dụng gồm bộ biến tần nối lưới, bộ biến tần ngoài lưới, bộ biến tần lai, bộ biến tần độc lập.
Cấu tạo chính bên trong biến tần
Để chuyển đổi điện DC thành điện xoay chiều thì cấu trúc bên trong của biến tần có thể được chia thành nhiều thành phần chính hoạt động cùng nhau.
- Mạch đầu vào: Phần này xử lý nguồn DC đi vào bao gồm các thành phần để lọc, bảo vệ chống đột biến điện và có thể điều chỉnh mức điện áp để phù hợp với yêu cầu của biến tần.
- Mạch điều khiển (Brain): Đây được coi là “bộ não” của biến tần. Nólà một mạch điện tử sử dụng bộ vi xử lý hoặc bộ xử lý tín hiệu số để điều khiển việc chuyển đổi các thiết bị điện tử công suất và đảm bảo điện áp và tần số AC đầu ra ở mức bình thường.
- Mạch điện (Cơ bắp): Đây là nơi diễn ra quá trình chuyển đổi DC sang AC thực sự. Tại đây, người dùng sẽ tìm thấy các công tắc bán dẫn công suất cao như bóng bán dẫn hoặc IGBT (Bóng bán dẫn lưỡng cực có cổng cách điện) giúp bật và tắt nhanh chóng điện áp DC theo một kiểu cụ thể. Biến tần sẽ tạo ra điện áp đầu ra AC bằng cách điều khiển kiểu chuyển mạch này.
- Máy biến áp: Không phải tất cả các bộ biến tần đều có máy biến áp, nhưng một số thì có. Máy biến áp có thể được sử dụng để tăng hoặc giảm mức điện áp của đầu ra AC hoặc để cách ly các mạch đầu vào và đầu ra với nhau.
- Mạch đầu ra: Phần này lọc và làm mịn dạng sóng AC từ mạch điện để tạo ra đầu ra AC sạch và ổn định mà thiết bị của bạn có thể sử dụng.
- Mạch phụ trợ: Mạch này có thể bao gồm các thành phần bổ sung cung cấp nhiều chức năng khác nhau như quạt làm mát, tính năng an toàn và mạch điện để giám sát và liên lạc.
Các đặc tính dạng sóng
Đặc tính dạng sóng của biến tần là hình dang của sóng – phụ thuộc vào sự chuyển đổi và thiết kế biến tần. Hiện tại, biến tần đang gồm ba loại dạng sóng chính.
Sóng hình Sin
Sóng hình Sin là dạng sóng mượt mà và được ưa chuộng nhất, mô phỏng dòng điện xoay chiều từ lưới điện. Sóng hình Sin thường được ứng dụng để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử nhạy cảm như máy tính, TV và thiết bị y tế. So với các dạng sóng khác, sóng hình sin được sản xuất bởi các mạch phức tạp, do đó các bộ biến tần thường đắt tiền hơn.
Sóng hình sin biến đổi
So với sóng hình Sin, sóng hình Sin biến đổi lại là một làn sóng từng bước bậc thang, đạt được sự tương đồng gần giống nhưng có sự chuyển tiếp sắc nét hơn. Với sóng hình Sin biến đổi chi phí sản xuất sẽ ít tốn kém hơn so với sóng hình Sin vì vậy các sản phẩm biến tần sóng này sẽ rẻ hơn.
Tuy nhiên, thiết bị sẽ không phù hợp hết với các thiết bị điện tử, đặc biệt là những thiết bị có động cơ, có thể hoạt động không hiệu quả hoặc thậm chí khởi động
Sóng vuông
Sóng vuông là dạng sóng đơn giản nhất hoạt động chuyển đổi bật tắt nhanh chóng.Tuy quá trình làm ra sóng ít tốn kém nhất nhưng không được khuyến khích sử dụng chung vì các thiết bị biến tần sử dụng sóng này có thể làm hỏng một số thiết bị điện tử do điện áp thay đổi đột ngột.
Nguyên tắc hoạt động của bộ chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu trong biến tần là giai đoạn đầu tiên và có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện AC (Dòng xoay chiều) đầu vào thành dòng điện DC (Dòng điện một chiều).
Nguyên tắc hoạt động của bộ chỉnh lưu trong biến tần
Cách tạo ra điện áp DC từ lưới điện AC.
Nguyên tắc này được thể hiện một các trực quan qua sơ đồ minh họa về điện áp AC 1 pha sau đây.
Thông thường, điốt chỉ cho phép dòng điện đi qua một chiều và không đi vào chiều kia theo hướng sử dụng điện áp. Do đó, điện áp AC được chuyển đổi (chỉnh lưu) thành điện áp DC, cụ thể khi sử dụng đặc tính này lúc điện áp AC được đưa vào A và B trong mạch chỉnh lưu, điện áp cũng đưa qua tải theo cùng hướng.
Nguyên tắc hoạt động của bộ chỉnh lưu
Bộ nối 6 điốt với đầu vào AC 3 pha được sử dụng để chỉnh lưu sóng từ nguồn điện AC và tạo ra điện áp đầu ra được minh họa cụ thể trong biểu đồ sau.
Nguyên tắc hoạt động của mạch nắn phẳng
Người ta dùng tụ điện để nắn phẳng điện áp đầu ra như sơ đồ sau:
Mạch giới hạn dòng điện nhảy vọt
Tụ điện được nạp nhờ dòng điện xung kích qua mạch điện áp. Điện trở được đưa vào trong mạch nối tiếp để chặn dòng điện xung kích trong thời gian ngắn sau khi nguồn điện được bật lên từ đó hạn chế tình trạng hư hại điốt chỉnh lưu.
Giá trị đỉnh dòng điện có thể được giảm để ngăn mô đun bộ chỉnh lưu bị hư hại khi mạch giới hạn dòng điện xung kích được sử dụng
Dạng sóng dòng điện đầu vào có tải tụ điện
Hầu hết, nguyên tắc phía sau máy chỉnh lưu đều được lý giải bằng tải điện trở. Tuy nhiên trong ứng dụng thực tế, một tụ điện nắn phẳng sẽ được sử dụng làm tải.
Khi điện áp AC cao hơn điện áp DC thì dạng sóng dòng điện đầu trong trường hợp này sẽ xuất hiện. Khi đó, sẽ dẫn tới dạng sóng bị xoắn thay vì sóng hình Sin.
Nguyên tắc hoạt động của bộ nghịch lưu
Bốn công tắc, S1 đến S4 được nối với nguồn điện áp DC, các công tắc S1 và S4 được ghép với nhau và các công tắc S2 và S3 cũng tương tự. Khi các cặp công tắc được bật, tắt, dòng điện đi qua đèn như trong biểu đồ:
Khi đó, các công tắc S1 và S4 được bật lên, dòng điện đi qua đèn theo hướng A và ông tắc S2, S3 được bật lên, dòng điện đi qua đèn theo hướng B. Hướng đi của dòng điện sẽ thay đổi qua lại để tạo ra dòng điện xoay chiều nếu hoạt động của các công tắc này lặp lại theo một chu kỳ có sẵn
Cách thay đổi tần số
Tần số thay đổi khi bạn thay đổi khoảng thời gian BẬT và TẮT các công tắc S1 và S4.
Nếu bạn bật công tắc S1 và S4 trong 0,5 giây và sau đó BẬT công tắc S2 và S5 trông 0,5 giây liên tục qua lại thì bạn sẽ tạo ra một dòng điện xoay chiều ngược hướng dòng điện đó trong 1 giây, tương đương với tần số 1 Hz khi đó tần số thay đổi khi thời gian thay đổi.
Cách thay đổi điện áp
Bằng cách thay đổi bằng cách thay đổi tỷ lệ thời gian BẬT/TẮT các công tắc qua việc thay đổi thời gian chu kỳ t0 sang thời gian chu kỳ ngắn hơn để BẬT/TẮT điện áp thì điện áp có thể thay đổi
Tần số cho các xung ngắn này được nhắc đến dưới dạng tần số sóng mang (carrier frequency). Nếu tỷ lệ thời gian BẬT/TẮT của các công tắc S1 và S4 bị giảm một nửa thì điện áp (trung bình) đầu ra trở thành điện áp AC tương đương với E/2, hoặc một nửa điện áp DC,E.
Hạ tỷ lệ thời gian “bật” và để nâng điện áp (trung bình) và nâng tỷ lệ thời gian “bật” để hạ thấp điện áp (trung bình)
Độ rộng xung tỷ lệ BẬT/TẮT sẽ được điều khiển để thay đổi điện áp. Phương thức điều khiển dạng này được nhắc đến dưới dạng điều biến độ rộng xung (PWM) và sử dụng rộng rãi trong các máy biến tần và bộ phận điện tử khác.
Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển
Mạch điều khiển của biến tần là bộ não vận hành, chịu trách nhiệm lấy đầu vào DC và chuyển đổi thành đầu ra AC được điều khiển, thực hiện các bước cơ bản để duy trì và kiểm soát tốc độ quay của động cơ điện. Đầu tiên, cảm biến như cảm biến dòng, cảm biến điện áp và mã tachomet thu thập dữ liệu về trạng thái và hoạt động của động cơ. Thông qua bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC), dữ liệu này được chuyển đổi thành dạng số sẽ được bộ vi xử lý có thể xử lý.
- Để đưa ra quyết định về tần số và điện áp cần thiết để duy trì tốc độ quay mong muốn thì bộ vi xử lý sẽ tiếp tục xử lý dữ liệu và thực hiện các tính toán. Tín hiệu PWM được tạo ra thông qua bộ tạo tín hiệu PWM, và sau đó được đưa vào bộ chuyển đổi tần số (inverter) để điều khiển đầu ra.
- Bệnh cạnh đó, nhằm tránh quá dòng, quá áp, và các tình huống bất thường khác bộ bảo vệ giám sát điều kiện hoạt động của động cơ, bảo vệ hệ thống. Tạo nên một hệ thống tự động thông minh và hiệu quả thì giao diện người sử dụng cung cấp phương tiện cho người điều khiển tương tác với biến tần, cấu hình thiết lập, và theo dõi trạng thái của động cơ.
Mong rằng thông qua bài viết trên bạn đã nắm rõ sơ đồ và nguyên lý làm việc mạch của biến tần. Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc nào vui lòng liên hệ Hoàng Ngân TEC để được giải đáp nhanh nhất nhé!
Tham khảo thêm các bài viết về biến tần:
Trả lời