Biến tần DC là gì? Cấu tạo, chức năng và so sánh với biến tần AC

Chu Văn An

Bộ biến tần DC đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn động và điều khiển động cơ DC, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn khởi động cao hoặc đảo chiều tốc độ thường xuyên. Tìm hiểu về cấu tạo, chức năng và cách phân biệt bộ biến tần DC và bộ biến tần AC trong bài viết dưới đây của Trường Chu Văn An.

Biến tần DC là gì?

Biến tần DC (Direct Current Variable Frequency Drive), còn gọi là bộ điều khiển động cơ DC, là một thiết bị điện tử điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ DC thông qua việc thay đổi điện áp mong muốn cung cấp cho phần ứng của động cơ.

Bộ biến tần DC cho phép điều khiển động cơ chính xác và trơn tru bằng bộ chỉnh lưu thyristor – một bước tiến lớn trong nghiên cứu của các nhà khoa học về máy phát điện DC. Nhờ đó mà biến tần này ngày càng tinh gọn và thông minh hơn, đáp ứng được các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi phản ứng nhanh và tái tạo năng lượng.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần DC

Bộ biến tần DC được tạo thành từ các bộ phận cơ bản sau:

• Đầu vào biến tần: Bộ phận nhận nguồn điện xoay chiều, có thể là 1 pha hoặc 3 pha, sau đó nguồn điện này sẽ được chuyển đổi thành điện áp DC 1 chiều.
• Cầu chỉnh lưu: Nhiệm vụ chính là chuyển đổi điện AC thành DC. Số lượng thyristor trong bộ biến tần DC có thể thay đổi tùy thuộc vào điện áp đầu vào. Đồng thời, góc mở của thyristor cũng sẽ làm thay đổi điện áp cấp vào phần ứng động cơ.
• Nhà cung cấp trường học: Có chức năng tạo ra điện áp DC không đổi để cung cấp cho cuộn kích từ của động cơ DC. Điện áp này được sử dụng để tạo ra từ trường cần thiết để khởi động động cơ. Trong trường hợp động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu thì bộ phận này sẽ không được tích hợp.
• Bộ điều chỉnh tốc độ: Nhiệm vụ chính là kiểm soát tốc độ của động cơ. Phần này sẽ tính toán và thay đổi góc mở của thyristor, từ đó điều chỉnh cả điện áp và dòng điện phục vụ phần ứng động cơ.
• Mạch đánh lửa: Có khả năng tạo xung điện áp để mở thyristor trong bộ chỉnh lưu đúng thời điểm và theo yêu cầu từ bộ điều tốc. Mạch đánh lửa đóng vai trò thiết yếu trong việc điều chỉnh chính xác điện áp và dòng điện đầu ra của biến tần.

Có hai nguyên tắc cơ bản quyết định hoạt động của biến tần DC:

• Thứ nhất, đặc tính của động cơ DC là tốc độ tỷ lệ thuận với điện áp phần ứng và tỷ lệ nghịch với dòng điện kích từ. Bằng cách thay đổi điện áp cấp vào phần ứng, tốc độ động cơ cũng thay đổi. Nếu cần tốc độ mong muốn lớn hơn tốc độ cơ bản thì phải giảm dòng kích từ của động cơ.
• Thứ hai, khi dòng điện từ giảm, từ thông trong động cơ và sức điện động ngược của phần ứng cũng giảm. Dòng điện kích từ này cũng làm tăng mô-men xoắn của động cơ, do đó làm tăng tốc độ.

Như vậy về bản chất, nguyên lý hoạt động của biến tần DC dựa trên việc thay đổi góc mở của thyristor để điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng, từ đó điều chỉnh được tốc độ động cơ.

Quá trình trên được thể hiện cụ thể như sau:

• Chuyển đổi nguồn đầu vào: Sau khi đi qua đầu vào, nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha sẽ được chỉnh lưu thành điện áp DC phù hợp với động cơ DC.
• Điều chỉnh điện áp: Bộ điều tốc sẽ nhận được yêu cầu tốc độ mong muốn, sau đó tính toán và căn chỉnh góc mở của thyristor để điều chỉnh tốc độ thực tế của động cơ.
• Điều chỉnh tốc độ động cơ: Trong trường hợp tốc độ mong muốn cao hơn tốc độ thực tế của động cơ, thyristor sẽ được điều chỉnh mở rộng hơn để thay đổi giá trị điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ.
• Điều khiển động cơ: Khi điện áp ở phần ứng thay đổi thì dòng điện cũng thay đổi. Từ trường được tạo ra ở bộ cấp từ trường có tác dụng khởi động và điều chỉnh tốc độ quay của động cơ.

Cách phân loại biến tần DC

Dựa vào nguồn điện đầu vào, bộ biến tần DC được chia thành 2 loại phổ biến là bộ biến tần DC 1 pha và bộ biến tần DC 3 pha.

• Biến tần DC một pha: Sử dụng nguồn điện đầu vào AC 1 pha và bộ chỉnh lưu có 2 thyristor. Bằng cách điều chỉnh góc mở α1, điện áp DC đầu ra và tốc độ động cơ có thể được điều khiển thấp hơn tốc độ cơ bản. Trong trường hợp muốn điều chỉnh tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ cơ bản thì dòng điện kích từ được thay đổi bằng cách điều chỉnh góc mở α2. Loại biến tần một pha này có nhược điểm lớn là dòng điện phần ứng không liên tục ở tốc độ thấp.

• Biến tần DC 3 pha: Sử dụng nguồn điện xoay chiều 3 pha đầu vào, trong bộ chỉnh lưu có 6 thyristor, thích hợp cho các ứng dụng công nghiệp công suất cao. Loại biến tần 3 pha này tạo ra gợn sóng nhỏ hơn và dòng điện phần ứng liên tục. So với biến tần DC một pha, biến tần DC 3 pha có hiệu suất động cơ tốt hơn nhiều.

Ngoài ra, xét về tiêu chí công nghệ, bộ biến tần DC còn được phân thành: Tiêu chuẩn và kỹ thuật số.

• Biến tần DC tương tự: Đây là biến tần tiêu chuẩn sử dụng tín hiệu analog để điều khiển điện áp và dòng điện, mang lại khả năng điều khiển linh hoạt động cơ theo yêu cầu thực tế.
• Biến tần DC kỹ thuật số: Khác với các bộ biến tần DC tiêu chuẩn, bộ biến tần DC kỹ thuật số sử dụng các linh kiện bán dẫn để điều khiển chính xác tốc độ quay của động cơ. Nhờ đó, bộ truyền động DC trở nên linh hoạt và đáp ứng yêu cầu thay đổi tốc độ nhanh hơn. Loại biến tần thông minh này có ưu điểm là thiết kế nhỏ gọn, khả năng chịu tải tốt, linh kiện bán dẫn có tuổi thọ cao và dễ dàng thay thế, thích hợp cho các ứng dụng tái tạo năng lượng.

Ứng dụng biến tần DC

Nhờ những ưu điểm vượt trội trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ DC chính xác và linh hoạt, bộ biến tần DC có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như:

• Hệ thống truyền động: Biến tần DC đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cầu trục, tời nâng, thang máy, máy quấn dây… để điều khiển tốc độ động cơ, đảm bảo quá trình truyền tải được thông suốt, êm ái.
• Hệ thống bơm và quạt: Đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ chính xác ở tốc độ thấp, bộ biến tần DC vẫn là lựa chọn tối ưu so với bộ biến tần AC.
• Máy móc hạng nặng (máy nghiền, máy trộn, máy ép, máy cán): Biến tần DC giúp thay đổi tốc độ linh hoạt, đảm bảo độ chính xác trong quy trình vận hành.
• Hệ thống năng lượng tái tạo: Biến tần DC có nhiệm vụ điều khiển động cơ DC và máy phát điện, giúp tối ưu hóa công suất đầu ra.
• Hệ thống xe điện: Bộ biến tần DC giúp kiểm soát tốc độ của động cơ điện và các hệ thống khác.

Đọc thêm: Biến tần trung thế: Cấu tạo, phân loại và ứng dụng

So sánh biến tần DC và biến tần AC

Bộ biến tần DC và bộ biến tần AC có chức năng biến tần chung giống nhau là chuyển đổi dòng điện và điều khiển động cơ, tuy nhiên, điểm khác biệt lớn nhất giữa hai loại bộ biến tần này nằm ở dòng điện đầu vào và đầu ra.

• Bộ biến tần AC chuyên dùng để chuyển đổi điện từ dòng điện một chiều (DC) sang dòng điện xoay chiều (AC) để phục vụ các ứng dụng dân dụng và thương mại.
• Bộ biến tần DC được sử dụng để chuyển đổi nguồn AC thành nguồn DC, cung cấp điện áp cần thiết cho động cơ DC.

Ngoài ra, có thể kể đến sự khác biệt giữa 2 loại biến tần này:

Câu hỏi thường gặp về biến tần DC

Câu 1: Ưu nhược điểm của biến tần DC là gì?

Hồi đáp: Bộ biến tần DC là thiết bị điện tử quan trọng cho các ứng dụng công nghiệp có hệ thống truyền động. Ưu điểm của biến tần này bao gồm:

• Cho phép điều chỉnh, kiểm soát tốc độ động cơ chính xác, linh hoạt, đáp ứng nhiều quy trình vận hành khác nhau.
• Cho phép bạn đảo chiều quay của động cơ một cách dễ dàng và nhanh chóng, thay thế các cơ chế đảo chiều phức tạp.
• Dễ dàng tích hợp với nhiều hệ thống điều khiển tự động hóa, giúp tối ưu hiệu suất chuyển đổi và tiết kiệm năng lượng.
• Xét về hiệu quả lâu dài, việc trang bị biến tần giúp tiết kiệm chi phí vận hành và đơn giản hóa hệ thống.

Bên cạnh những ưu điểm, bộ biến tần DC cũng còn nhiều hạn chế như:

• Chi phí đầu tư cao hơn máy biến áp thông thường.
• Yêu cầu bảo trì cao hơn bộ biến tần AC vì động cơ DC sử dụng chổi than và cổ góp.
• Chổi than trong động cơ có nguy cơ tạo ra tia lửa điện nên bộ biến tần DC không thích hợp lắp đặt trong môi trường dễ cháy nổ.
• Nhạy cảm với bụi bẩn, độ ẩm và môi trường khắc nghiệt nên yêu cầu lắp đặt khắt khe hơn.
• Khả năng chịu quá tải kém so với bộ biến tần DC.
• Có thể tạo ra nhiễu điện tử ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử xung quanh.
• Trọng lượng và kích thước lớn hơn bộ biến tần AC nên không phù hợp để lắp đặt ở những khu vực có không gian hạn chế.

Câu 2: Biến tần DC thường gặp những vấn đề gì?

Hồi đáp: Biến tần DC có khả năng chịu quá tải kém nên dễ gặp các vấn đề như: quá dòng, quá áp, quá nhiệt… gây hư hỏng linh kiện bên trong, thậm chí ảnh hưởng đến động cơ.