TRIẾT LÝ BIẾN TẦN

Nói vài điều để cùng nhau nhìn và đánh giá đúng về cái biến tần – inverter. Có thể bài viết sẽ làm nhiều đồng nghiệp thấy chán vì nó quá đơn giản (!). Nhưng không sao, nó đơn giản, để đọc ai cũng hiểu. Và để rồi có ai đó sẽ thấy ra cái triết lý của nó, mà dùng đúng chỗ.

Nguyên lý biến tần ra đời từ rất lâu. Ngày đầu tạo nguồn tần số thấp này người ta dùng các máy phát quay (kiểu cơ). Nhưng đến những năm 80 thế kỷ trước thì phát triển mạnh do sự xuất hiện của cái IGBT như là một thương phẩm. Bời vì, muốn có biến tần thì phải nhờ băm xung tức là đóng/cắt làm nổi việc đó. Ta hay gọi chúng là những cái “van” hay cái “khóa”. Ngày nay biến tần đã được sử dụng rất nhiều, khi làm nguồn cấp điện cho động cơ. Nó thay thể cho những bộ điều khiển tốc độ yêu cầu cao có công suất từ nhỏ vài chục đến hàng trăm, hàng nghìn KW. Biến tần đã được ứng dụng cả cho những thiết bị trong gia đình như điều hòa không khí, tủ lạnh, máy giặt…

Ngày trước, biến tần được coi như là một thiết bị quý, cao cấp, khó sử dụng nhưng nay thì cái inverter đã quá gần gũi. Bà nội trợ khoe về inverter, người lãnh đạo doanh nghiệp cũng nói tốt cho inverter còn trên mạng quảng cáo thì…thôi rồi! Điều quan trọng là chúng ta hiểu cho đúng biến tần có những đặc điểm gì? Để lựa chọn cho sự án hoặc khi mua sắm.

Nguyên tắc chung tạo nguồn cấp điện hình sin là nhờ nguyên tắc điều chế bề rộng xung (trong kỹ thuật dùng chứ PWM). Phần lớn các bộ biến đổi này đều qua khâu một chiều DC-AC. Nhưng cũng có loại trực tiếp từ xoay chiều AC-AC, đó là biến tần ma trận.

1. THEO TẦN SỐ ĐẦU RA CÓ THỂ PHÂN RA 2 LOẠI BIẾN TẦN:
2. Tạo dòng điện xoay chiều có tần số ổn định:

Loại biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều tần số cố định thường gặp nhất là bộ UPS biến đổi trực tiếp điện áp từ ắc quy thành xoay chiều (một hoặc ba pha) tần số 50 hz. Cùng với nguyên lý này ở những trạm phát điện sức gió hoặc điện mặt trời nó có nhiệm vụ biến đổi để có nguồn xoay chiều phổ biến.

Biến tần để chuyển đổi tần số 50-60 Hz khi muốn sử dụng các thiết bị ở vùng tần số này đến vùng tần số khác (điển hình là tàu thủy khi cập cảng các nước khác)

Biến tần tạo tần số hợp lý để gia nhiệt cỡ kHz (nấu chảy kim loại, chất dẻo, đun nấu,…)

1. Tạo dòng hình sin tần số biến thiên:

Đây chính là loại thiết bị đang được nhắc tới nhiều. Có thể 1 pha hoặc 3 pha và nguồn cung cấp ở ta là nguồn xoay chiều 50 Hz. Đơn giản nhất thì bộ biến đổi này cũng phải có các khâu chính sau đây:

• Chỉnh lưu (gồm 4 hoặc 6 diode): biến đổi điện áp AC-DC;
• Khâu lọc một chiều gồm tụ C và cuộc kháng L (nối kiểu L, kiểu T hay kiểu Z);
• Khâu nghịch lưu (4 hoặc 6 IGBT hoặc nhiều hơn) tạo xoay chiều từ một chiều DC-AC. Nếu là biến tần ma trận thì số van IGBT sẽ nhiều hơn nữa;
• Một khối tạo xung điều khiển đóng/cắt (gọi là driver)
• Có thể có thêm: lọc đầu vào xoay chiều dùng cuộn kháng, bộ biến đổi tạo trả năng lượng lại cho nguồn (biến đổi Z hoặc một bộ biến đổi phụ gồm các IGBT và driver)

2. BIẾN TẦN CHỈ SỬ DỤNG HỢP LÝ CHO NHỮNG MÁY YÊU CẦU TỐC ĐỘ THAY ĐỔI LIÊN TỤC CHẤT LƯỢNG CAO

Đã nói đến tốc độ là phải có động cơ điện. Động cơ nhận nguồn từ biến tần có thể là loại không đồng bộ mà cũng có thể là loại đồng bộ. Khả năng ưu việt của biến tần –  động cơ xoay chiều là điều chỉnh tốc độ từ thấp đến cao –  thậm chí còn cao hơn cả tốc độ định mức ở tần số thiết kế. Chất lượng điều chỉnh rất tốt. Khả năng cho mô men cũng tốt nếu các IGBT được điều khiển bởi những driver có thêm chức năng điều chỉnh véc tơ từ thông không gian cho động cơ một chiều không chổi than – hay động cơ đồng bộ. Loại này có thể dùng cho truyển động sức kéo hay nói chung là cho những máy có yêu cầu mô men lớn ở vùng tốc độ thấp như tàu điện, metro, cầu trục, máy nâng, máy xeo và thiết bị quân sự,… Nó có thể thay thế cho các hệ truyền động điện dùng động cơ điện một chiều. Khi dùng với động cơ không đồng bộ lồng sóc, nó giúp khởi động và dừng máy êm, nhẹ nhàng, chính xác (như thang máy, với máy giặt cũng là tốt) và vùng điều chỉnh tốc độ cũng rộng. Trong công nghiệp chế tạo máy, các hệ thống này đang dần chiếm chỗ nhiều hệ điều tốc truyền thông.

Với các hệ thông truyền động điện tự động (thường xuyên yêu cầu tốc độ trơn, vùng rộng, cả đảo chiều, chao mô mem lớn, dừng chính xác…) thì hệ dung biến tần – động cơ xoay chiều ngày nay đang có rất nhiều ưu việt về chất lượng công nghệ, cả về đầu tư và chi phí vận hành (so với các hệ cũ). Ở đây muốn nhắc nhau một điều rằng, nó là một phần của hệ thống điều tốc chất lượng. Điều đó cũng thầm hiểu rằng, đã không điều tốc thì việc có cần thiết đến biến tần hay không lại là điều nên được cân nhắc.

3. BIẾN TẦN LÀ MỘT BỘ BIẾN ĐỔI CÓ TIÊU HAO ĐIỆN NĂNG

Tất cả mạch lực và mạch điều khiển của biến tần đều dùng các linh kiện điện từ. Ưu việt hơn là chúng đều làm việc ở chế độ đóng – cắt (còn gọi là ON/OFF). Vì thế co nên tổn hao trên chúng rất nhỏ. Nhưng dầu sao chung vân phải tiêu thụ một điện năng nhất định. Ví dụ trên mỗi van (diode và IGBT) đều phải chấp nhận một điện áp rơi khoảng 2V khi chúng thông mạch. Các van khi làm việc đều phát nhiệt do tổn hao (vì thế mà nó tản nhiệt). Thông thường, khi tốc độ điều khiển xuống càng sâu tổn thất sẽ càng lớn. Các phần tử thụ động khác như cuộn kháng, tụ lọc điều có tổn thất. Ngoài ra các khối tạo xung điều khiển cũng cần cấp điện năng. Phần điện năng tiêu hao này chủ yếu sinh ra nhiệt trong tủ điện. Phần tổn thất này tuy không tỷ lệ thuận với công suất ra nhưng nó cũng chiếm mất 5-10% giá trị.

4. LÝ GIẢI BIẾN TẦN VÀ TIẾT KIỆM ĐIỆN

Đến đây thì ta có thể nói rằng: sản phẩm biến tần –  động cơ được dùng hợp lý là điều chỉnh tốc độ cho các máy công tác. Nó là sản phẩm có tiêu hao điện năng và đòi hỏi thêm các chi phí đầu tư và vận hành.

Nhưng, nếu để gia nhiệt thì biến tần có thể nhiều ưu việt. Vì nó gia nhiệt trực tiếp bằng tần số. Đó là các lò nấu kim loại kiểu cảm ứng, các lò vi sóng hoặc bếp từ dùng trong gia đình. Chúng không dùng với động cơ điện.

Về cái điều hòa không khí hoặc cái tủ lạnh thì ta nên nhớ rằng, năng lượng làm lạnh ở đây cũng phải qua động cơ điện. Đó là những chiếc máy nén tác nhân làm lạnh. Công suất lạnh được quyết định bởi công suất động cơ điện. Ở những máy lạnh lâu nay (tạm gọi là non-inverter) thì máy nén được nối điện khi nhiệt độ ở “ngưỡng trên” và nó tự động cắt khi đạt đến “ngưỡng dưới”. Hiểu rằng, khi đã vào vùng đạt yêu cầu thì máy nén khí nghỉ hoàn toàn. Còn với loại máy – inverter thì cái động cơ và cái biến tần được nối điện liên tục (có ít nhiều làm thay đổi tốc độ máy nén) để tự động duy trì cho nhiệt độ chỉ dao động trong một phạm vi hẹp. Hay nói cách khác là “ngưỡng trên” và “ngưỡng dưới” rất gần với nhau. Phải thừa nhận là khi có inverter thiết bị chạy êm, nhiệt độ duy trì khá chính xác. Phù hợp với những nơi bảo quản các sản phẩm đòi hỏi chính xác ví dụ trong công nghệ sinh học (như bảo quản nấm, giống, hãm, ấp trứng…). Như vậy thì ta sẽ hiểu ra rằng, trong quá trình vận hành cùng một máy có công suất lạnh như nhau, thì non-inverter chắc chắn sẽ tiêu thụ ít điện năng hơn. Tuy rằng nó cứ “đóng” cứ “cắt” làm ta khó chịu và dòng khởi động có tăng trong vòng dưới 1 giây (tổn thất này không đáng kể vì thời gian quá ngắn). Cho nên, đừng nói máy lạnh – inverter tiết kiệm điện năng (họ nói quá rằng tiết kiệm đến 40 – 60%) nếu máy nén vẫn như nhau. Có một điều chắc chắn nữa là máy – inverter sẽ có hơn (nóng quá, ẩm quá hay lâu ngày không chạy dễ sinh chuyện). Trong khi non – inverter thì sẽ nồi đồng cối đá.

Biến tần – inverter một sản phẩm công nghệ cao có nhiều ưu việt nhưng phải biết sử dụng đúng chỗ và đúng quy cách. Đó là triết lý về nó.