Chu Văn An
Nội dung bài viết
Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp là hai loại biến tần phổ biến nhất trong các ứng dụng công nghiệp. Để phân biệt 2 loại biến tần này mời các bạn theo dõi bài viết chi tiết dưới đây của chúng tôi.
Tìm hiểu về biến tần trực tiếp
Khái niệm biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp (hay còn gọi là biến tần nguồn) là thiết bị chuyển đổi trực tiếp nguồn điện lưới AC thành nguồn điện xoay chiều ở tần số khác phù hợp với phụ tải mà không qua bất kỳ công đoạn trung gian nào liên quan đến nguồn điện một chiều. Tương ứng, điện áp tải qua loại biến tần này có giá trị gần bằng điện áp lưới.
Biến tần trực tiếp thường được lắp đặt cho động cơ công suất lớn nên hầu hết chỉ được áp dụng trong các nhà máy, khu công nghiệp quy mô lớn.
Cấu tạo của biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp có cấu tạo khá đơn giản với 2 thành phần chính:
- Công tắc 2 chiều: Có nhiệm vụ đóng/ngắt kết nối giữa các pha nguồn đầu vào và các pha tải. Đối với biến tần Cyclo, cổ góp thường là Thyristor. Với biến tần Matrix, thiết bị này sử dụng IGBT để tạo ra sóng đầu ra tốt hơn.
- Mạch điều khiển: “Bộ não” của biến tần có khả năng điều khiển chính xác thời gian bật/tắt của công tắc 2 chiều để tạo ra điện áp, tần số đầu ra phù hợp với tải.
Ngoài ra, biến tần trực tiếp còn được trang bị bộ tản nhiệt hoặc quạt làm mát nhằm hạn chế sự sinh nhiệt của các linh kiện bán dẫn như Thyristor hay IGBT khi hoạt động ở dòng điện và điện áp cao.
Nguyên lý hoạt động của biến tần trực tiếp
Chuyển mạch điện tử là nguyên lý hoạt động cơ bản của bộ truyền động trực tiếp. Thông qua bộ chuyển đổi 2 chiều, nguồn điện AC đầu vào được chuyển đổi trực tiếp thành nguồn điện xoay chiều ở tần số khác mà không cần sự can thiệp của bộ chỉnh lưu để chuyển đổi thành nguồn điện 1 chiều.
Nguyên lý hoạt động này khác nhau giữa các loại biến tần trực tiếp:
- Biến tần xích lô: Công tắc là Thyristor hoạt động dựa trên góc pha đóng mở, tạo ra dạng sóng đầu ra có tần số thấp hơn dạng sóng đầu vào.
- Biến tần ma trận: Sử dụng công nghệ tiên tiến hơn với ma trận các công tắc 2 chiều (thường là IGBT) có khả năng kết nối trực tiếp các pha đầu vào với các pha đầu ra theo bất kỳ sự kết hợp nào. Từ đây, biến tần ma trận cho phép tạo ra điện áp đầu ra có tần số và biên độ mong muốn, có thể cao hơn hoặc thấp hơn tần số đầu vào.
Ưu điểm và nhược điểm của biến tần trực tiếp
| Lợi thế | Nhược điểm |
| – Hiệu suất chuyển đổi cao, giảm thiểu chi phí điện năng
– Chất lượng dòng điện đầu vào tốt, duy trì hệ số công suất ở mức 0,98, giảm nhu cầu sử dụng các bộ lọc sóng hài – Có thể loại bỏ bus DC nên có kích thước và trọng lượng nhỏ gọn – Đáp ứng nhanh các yêu cầu thay đổi tần số đầu ra, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu thay đổi tải nhanh – Tuổi thọ cao do không có tụ điện |
– Chi phí đầu tư cao do switch 2 chiều thường đắt hơn linh kiện một chiều
– Phức tạp trong thiết kế, vận hành và bảo trì, đòi hỏi kỹ thuật viên chuyên nghiệp – Chỉ phù hợp với động cơ công suất lớn do dải tần đầu ra hạn chế – Chất lượng dòng điện ra không hoàn toàn hình sin, có thể chứa nhiều sóng hài, đặc biệt ở tần số thấp |
Tìm hiểu về biến tần gián tiếp
Khái niệm biến tần gián tiếp
Ngược lại với bộ biến tần trực tiếp, bộ biến tần gián tiếp (bộ biến tần trung gian) được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều đầu vào thành dòng điện xoay chiều ở đầu ra thông qua một bước trung gian của dòng điện một chiều.
Quá trình này bao gồm 2 bước cơ bản: Điện xoay chiều được chuyển thành điện một chiều trong mạch chỉnh lưu, sau đó điện một chiều được chuyển thành điện xoay chiều thông qua mạch biến tần với tần số và điện áp có thể điều chỉnh được, phù hợp với tải tương ứng.
Xem thêm: Biến tần DC là gì? Cấu tạo, chức năng và so sánh với biến tần AC
Cấu tạo của biến tần gián tiếp
Do có thêm một bước trung gian là chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành DC nên bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc phức tạp hơn bộ biến tần trực tiếp.
- Mạch điều khiển: Chịu trách nhiệm nhận tín hiệu tần số và tốc độ mong muốn từ người dùng, sau đó tính toán và tạo ra tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) để cung cấp cho biến tần. Mạch điều khiển còn có khả năng giám sát hoạt động của các mạch biến tần, mạch chỉnh lưu.
- Bộ chỉnh lưu: Có chức năng chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ lưới thành dòng điện một chiều. Dòng điện một chiều ở giai đoạn này thường có dạng sóng nhấp nhô.
- Xe buýt DC: Gồm một tụ điện và cuộn cảm lớn, có nhiệm vụ làm phẳng dòng điện một chiều sau giai đoạn chỉnh lưu, tạo ra nguồn DC ổn định, ít gợn sóng để cung cấp cho giai đoạn nghịch lưu.
- Biến tần: Thông qua kỹ thuật điều chế độ rộng xung, dòng điện một chiều từ bus DC sẽ được đảo ngược thành dòng điện xoay chiều có tần số và điện áp thay đổi để cung cấp cho động cơ.
Tương ứng với cấu trúc trên, nguyên lý hoạt động của biến tần gián tiếp cũng được chia thành các giai đoạn:
- Chỉnh lưu AC thành DC: Dòng điện xoay chiều đầu vào (thường là 3 pha, 50Hz) sau khi đi qua bộ chỉnh lưu sẽ được chuyển đổi thành dòng điện một chiều (DC) ở dạng sóng nhấp nhô.
- Làm phẳng đường DC: Bus DC là bộ phận có nhiệm vụ làm phẳng các sóng nhấp nhô của đường dây DC, tạo ra nguồn DC phẳng và ổn định hơn.
- Biến tần DC – AC: Đây là bước quan trọng nhất trong cơ cấu hoạt động của biến tần gián tiếp. Bằng cách thay đổi độ rộng của xungPWM, nguồn DC sẽ được đảo ngược thành nguồn AC với tần số và điện áp có thể điều chỉnh được.
- Nguồn cấp cho động cơ: Dòng điện xoay chiều từ biến tần sẽ được cung cấp cho động cơ. Biến tần lúc này sẽ điều khiển tốc độ của động cơ thông qua việc điều chỉnh tần số dòng điện đầu vào, đồng thời việc thay đổi điện áp đầu ra sẽ duy trì mô-men xoắn của động cơ.
Phân loại biến tần gián tiếp
Biến tần gián tiếp được chia thành 3 loại cơ bản:
- Biến tần nguồn điện áp (VSI): Điện áp cấp vào thanh cái 1 chiều không đổi nhưng điện áp AC đầu ra có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh thời gian bật/tắt của mạch biến tần.
- Biến tần nguồn hiện tại (CSI): Công tắc bán dẫn trong biến tần của loại biến tần này được nối với đường dây điện. Dòng điện này sau đó đi qua vòng điều khiển dòng điện và cuộn cảm nối tiếp với bus của điện áp DC. Với dòng điện cao, dòng tải không đổi nên điện áp đầu ra của biến tần sẽ phụ thuộc vào tải.
- Biến tần nguồn điện áp điều chế biên độ (CS-PWM-I): Thời gian chuyển mạch ở biến tần không đổi, nhưng điện áp AC đầu ra có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp cấp vào thanh cái DC.
Ưu điểm và nhược điểm của biến tần gián tiếp
| Lợi thế | Nhược điểm |
|
|
So sánh biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp
Về cơ bản, ngoài chức năng chính là điều khiển tốc độ động cơ, bộ biến tần trực tiếp và gián tiếp có sự khác biệt ở nhiều tiêu chí. Bảng phân loại dưới đây sẽ làm rõ sự khác biệt giữa 2 loại biến tần.
| Tiêu chuẩn | Biến tần trực tiếp | Biến tần gián tiếp |
| Các thao tác cơ bản | Chuyển đổi trực tiếp nguồn điện đầu vào AC thành nguồn điện đầu ra AC | Trải qua bước trung gian là chuyển đổi nguồn vào AC – DC, sau đó chuyển đổi nguồn DC thành nguồn ra AC |
| Kết cấu | Đơn giản hơn, gồm 2 thành phần chính: Công tắc 2 chiều và mạch điều khiển | Phức tạp hơn với cấu trúc bao gồm: mạch điều khiển, mạch chỉnh lưu, bus DC và mạch biến tần |
| Hiệu suất chuyển đổi | Cao hơn do có ít giai đoạn chuyển đổi hơn và ít thành phần lưu trữ năng lượng hơn | Thấp hơn, có tổn thất năng lượng ở các tầng chỉnh lưu, bus DC và biến tần |
| Chi phí | Cao hơn | Thấp hơn |
| Tính linh hoạt | Thấp hơn do dải tần đầu ra hạn chế | Cao hơn, tần số và biên độ điện áp đầu ra có thể được điều chỉnh linh hoạt |
| Khả năng đáp ứng | Nhanh hơn vì không qua trung gian | Chậm hơn |
| BẢO TRÌ | Cấu trúc đơn giản hơn, thuận tiện cho việc bảo trì | Yêu cầu bảo trì cao hơn |
| Tiêu thụ năng lượng | Ngắn | Cao |
| Chất lượng điện áp đầu ra | Thấp hơn | Cao hơn |
| Tuổi thọ | Cao hơn | Thấp hơn, vì tụ điện bus DC là thiết bị nhạy cảm |
| Ứng dụng cụ thể | Thích hợp cho động cơ công suất lớn trong các nhà máy, xí nghiệp có quy mô lớn. Tuy nhiên, bộ biến tần ma trận được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi độ chính xác và hiệu suất cao, chẳng hạn như robot, máy công cụ, v.v. | Có sẵn rộng rãi hơn, phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng cơ bản liên quan đến động cơ |
Câu hỏi thường gặp về biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp
Câu 1: Biến tần trực tiếp hay biến tần gián tiếp, loại nào phổ biến hơn?
Hồi đáp: Biến tần gián tiếp hiện nay được ưa chuộng hơn so với biến tần trực tiếp, do:
- Bộ biến tần gián tiếp có dải tần điện áp đầu ra rộng hơn bộ biến tần trực tiếp, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp, dân dụng hoặc thương mại.
- Biến tần gián tiếp rẻ hơn biến tần trực tiếp
- Do được sản xuất hàng loạt nên biến tần gián tiếp không yêu cầu kỹ thuật lắp đặt, vận hành, bảo trì nghiêm ngặt, linh kiện cũng dễ dàng thay thế, sửa chữa.
Câu 2: Tại sao biến tần trực tiếp có hiệu suất chuyển đổi cao hơn biến tần gián tiếp?
Hồi đáp: Do có cấu trúc đơn giản hơn nên bộ biến tần trực tiếp giảm thiểu các bước chuyển đổi trung gian và hạn chế tổn thất trên các bộ phận, từ đó tăng hiệu suất chuyển đổi so với bộ biến tần gián tiếp.
Như vậy chúng tôi đã giúp các bạn so sánh Biến tần trực tiếp và Biến tần gián tiếp – 2 loại Biến tần cơ bản trong hệ thống điện công nghiệp. Việc lựa chọn hai loại biến tần này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: yêu cầu hệ thống, đặc tính của động cơ, chi phí lắp đặt,… Nếu bạn chưa chắc chắn về chuyên môn của biến tần, chúng tôi khuyên bạn nên nhờ đến sự hỗ trợ của các kỹ sư điện để đảm bảo biến tần tương thích với hệ thống và động cơ.
Các kiến thức khác liên quan đến biến tần, bạn có thể đọc thêm tại: https://etinco.vn/tin-tuc/kien-thuc/kien-thuc-bien-tan/
Nội dung được phát triển bởi đội ngũ truongchuvananhue.edu.vn với mục đích chia sẻ và tăng trải nghiệm khách hàng. Mọi ý kiến đóng góp xin vui lòng liên hệ tổng đài chăm sóc: 1900 0000 hoặc email: hotro@truongchuvananhue.edu.vn