Biến tần là gì – Ứng dụng của biến tần?

Biến tần là gì

Biến tần là một thiết bị để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện. Các thay đổi về tốc độ được thực hiện bởi sự thay đổi tức thời của tần số và điện áp, hoặc sau khi đạt đến giá trị điện áp nhất định, chỉ bằng cách thay đổi tần số.

Ứng dụng của biến tần

Biến tần được sử dụng ở bất cứ nơi nào cần đạt được các tốc độ cố định khác nhau của động cơ điện, hoặc ở nơi cần thực hiện thay đổi chất lỏng hoặc tốc độ quay hoặc điều khiển trực tiếp mô-men xoắn đầu ra.

Được sử dụng để khởi động và dừng có điều khiển mà không có dòng điện hoặc tác động cơ học trong các ứng dụng có quán tính cao (đối với khởi động mềm, có thể sử dụng các bộ phận khởi động mềm rẻ hơn). Khi được khởi động bằng biến tần sẽ giảm đáng kể các cú sốc về dòng điện và mô-men xoắn.

Việc triển khai biến tần không kém phần quan trọng, tạo điều kiện tiết kiệm năng lượng đáng kể, đặc biệt là trong các ứng dụng mà việc kiểm soát tốc độ thay thế nhu cầu van tiết lưu (quạt, máy bơm).

Bằng cách kiểm soát tốc độ công nghệ của mình, bạn cũng có thể tối ưu hóa năng suất và / hoặc cải thiện chất lượng sản xuất. Bạn có thể thấy chi phí thu lại cho bạn gấp nhiều lần trong một khoảng thời gian tương đối ngắn.

Cung cấp hiệu điện thế

Bộ biến tần được thiết kế để điều khiển động cơ điện ba pha. Ở đầu vào, bộ biến tần được cấp nguồn bằng điện áp xoay chiều (một pha hoặc ba pha), điện áp trong các mạch bên trong được điều chỉnh và ở đầu ra, bộ biến tần được chuyển đổi bằng bộ biến tần thành điện áp xoay chiều ba pha ở tần số yêu cầu.

Tùy thuộc vào loại điện áp đầu vào, biến tần có thể được phân loại như sau:

• Biến tần với đầu vào nguồn một pha
  • Trong mạng của chúng tôi, thường là 1AC230 V và đầu ra ba pha cho động cơ, có thể được cấp nguồn bởi 3AC230 V với kết nối delta
    • Chúng tôi khuyên bạn nên kiểm tra tùy chọn này trên nhãn động cơ hoặc trong tài liệu kỹ thuật của nó
  • Một hạn chế có thể là mức tiêu thụ dòng điện tương đối cao từ nguồn cung cấp biến tần một pha ở đầu ra cao hơn (từ khoảng 1,5 kw)
  • Một lợi thế là chi phí biến tần thấp hơn đáng kể
• Biến tần với đầu vào nguồn ba pha
  • Trong mạng của chúng tôi, thường là 3AC400 V, trong một số mạng công nghiệp là 3AC500 V và đặc biệt là 3AC230 V và đầu ra ba pha cho động cơ ở điện áp tương ứng
  • Nhược điểm duy nhất trong trường hợp này là giá mua bộ biến tần cao hơn

Các loại tải

• Tải không đổi
  • Các ứng dụng mà tải trọng không thay đổi theo tốc độ (ví dụ: băng tải, máy công cụ, máy nghiền và máy nghiền, v.v.)
  • Thường được gọi là HO – Tải cao nhất
    
• Tải bậc hai
  • Các ứng dụng có tải tăng bậc hai khi tốc độ tăng (thường là quạt và máy bơm ly tâm)
  • Thường được gọi là LO – Tải thấp nhất
    

Các phương pháp kiểm soát

• Đặc điểm tuyến tính
  • Phương pháp điều khiển đơn giản nhất, thích hợp cho các ứng dụng không yêu cầu động với tải không đổi
  • Cũng được sử dụng trong điều khiển song song nhiều động cơ thông qua một biến tần duy nhất
  • Sự thay đổi của điện áp và tần số trong trường hợp này là tuyến tính
  • Có sẵn với tất cả các dòng biến tần chúng tôi cung cấp
• Đặc điểm bậc hai
  • Được thiết kế dành riêng cho ổ tải bậc hai
  • Phương pháp này cũng có thể được sử dụng trong điều khiển song song nhiều động cơ có tải bậc hai
  • Có sẵn với tất cả các dòng biến tần chúng tôi cung cấp
• Điều khiển véc tơ không có phản hồi tốc độ
  • Cho các ứng dụng đòi hỏi năng động hơn, không có phản hồi tốc độ từ cảm biến quay trên động cơ điện
  • Ưu điểm là mô-men xoắn cao từ tốc độ rất thấp, điều chỉnh tốc độ nếu có sự thay đổi tải và động lực học tốt hơn
  • Có sẵn với Micromaster 440 và Sinamics G120
• Điều khiển vectơ với phản hồi tốc độ
  • Cho các ứng dụng đòi hỏi năng động hơn, với phản hồi tốc độ từ cảm biến quay trên động cơ điện
  • Biến tần phải được trang bị một bộ mã hóa
  • Ưu điểm là mô-men xoắn danh nghĩa ngay cả ở số vòng quay bằng không, thực tế là tốc độ không phụ thuộc vào tải và động lực học tốt hơn
  • Đây là phương pháp tối ưu để điều khiển động cơ cảm ứng
  • Có sẵn với Micromaster 440 và Sinamics G120 với bộ mã hóa
• FCC với điều khiển hạn chế dòng điện hoạt động
  • Được sử dụng cho công suất động cơ nhỏ được đặc trưng bởi điện trở lớn của cuộn dây stato (thường lên đến 4 kw)
  • Giới hạn dòng điện đỉnh để tránh mất điện do quá tải dòng điện
  • Có sẵn với toàn bộ dòng Micromaster 440 và Sinamics G120
• Đặc điểm đa điểm
  • Được sử dụng trong các trường hợp đặc biệt khi các đặc tính tuyến tính có thể được xác định bởi nhiều điểm độc lập
  • Có sẵn cho tất cả các dòng biến tần được đề cập ở trên
• Điều khiển mô-men xoắn trực tiếp mà không cần phản hồi
  • Được thiết kế cho các ứng dụng trong đó giá trị mô-men xoắn mục tiêu được đặt
  • Tốc độ truyền động được tự động điều chỉnh để mômen quay tương ứng với giá trị yêu cầu (nghĩa là không thể điều khiển độc lập tốc độ và mômen quay cùng một lúc)
  • Có sẵn với Micromaster 440 và Sinamics G120
  • Điều khiển mô-men xoắn trực tiếp với phản hồi
    • Được thiết kế cho các ứng dụng trong đó giá trị mô-men xoắn là mục tiêu nhất định
    • Tốc độ truyền động được tự động điều chỉnh để mômen quay tương ứng với giá trị yêu cầu (nghĩa là không thể điều khiển độc lập tốc độ và mômen quay cùng một lúc)
    • Mô-men xoắn đạt được ngay cả ở số vòng quay bằng không
    • Một cảm biến quay phải được lắp đặt trên động cơ và biến tần phải được lắp với mô-đun mã hóa
    • Có sẵn với Micromaster 440 và Sinamics G120 với bộ mã hóa
• Các phương pháp đặc biệt khác
  • Ví dụ như chế độ ECO, các phương pháp điều khiển bơm đặc biệt cho Micromaster 430, chế độ đặc biệt cho máy dệt với Micromaster 440, v.v.

Tùy chọn kiểm soát vận hành

Tất cả các biến tần cung cấp sự thay đổi tần số từ 0 đến 650 Hz. Đây là nhiều hơn đáng kể so với dải tốc độ cho phép đối với động cơ điện cảm ứng. Do đó, có thể điều chỉnh tốc độ liên tục theo cả hai chiều quay và ở tốc độ tối đa cho phép của đặc tính động cơ cụ thể.

Khi xác định kích thước biến tần, cần tính đến thực tế là động cơ kết hợp với biến tần không đạt được đầy đủ các giá trị công suất nhất định, mà thường thấp hơn mức đó 10-15%. Ngoài ra, khi động cơ giảm tốc, công suất bị giảm; khi nó tăng tốc, mô-men xoắn giảm xuống.

Bộ biến tần cho phép bạn điều chỉnh động cơ như sau:

1. Kiểm soát liên tục
2. Điều khiển ở các tần số đã đặt (đối với bộ biến tần đơn giản lên đến ba tần số cố định, đối với dòng cao hơn sáu tần số cố định trở lên)

Phương thức hoạt động

Biến tần có thể được điều khiển theo một số cách khác nhau:

• Điều khiển thủ công bằng bảng điều khiển
  • Cần phải mua một bảng điều khiển bổ sung cho mặt trước của biến tần
  • Bảng điều khiển được trang bị màn hình LCD đơn sắc và các nút để khởi động, dừng, tăng hoặc giảm giá trị, đảo chiều, bước và lập trình biến tần

• Điều khiển bằng tay hoặc tự động thông qua điều khiển bên ngoài với cổng kết nối
  
  • Biến tần có nguồn điện áp điều khiển DC24V riêng cho đầu vào kỹ thuật số, vì vậy không có gì dễ dàng hơn việc kết nối các công tắc
  • Đầu vào kỹ thuật số (0/1) có thể được thiết lập để gọi chức năng bạn yêu cầu khi kết nối (ví dụ: bắt đầu / dừng ở bất kỳ hướng nào, đảo ngược, kích hoạt dừng nhanh, tần số cố định đặt trước ở bất kỳ hướng nào, đặt lại sự cố, tăng hoặc giảm tần số, kích hoạt bước, v.v.)
  • Với đầu vào tương tự, tốc độ sau đó có thể được điều khiển bằng chiết áp hoặc nguồn tương tự khác (điện áp 0-10 V, đối với dòng biến tần cao hơn cũng có dòng điện 0-20 ma hoặc 4-20 ma)
    • Đầu vào tương tự có thể được hiệu chỉnh theo phạm vi yêu cầu
    • Đối với đầu vào tương tự, nguồn DC10 V có sẵn cho biến tần
    • Tất cả các đầu vào này cũng có thể được sử dụng để kết nối các công tắc tự động (cảm biến đầu cuối và vị trí, v.v., để chuyển đổi đầu vào kỹ thuật số hoặc các thành phần đo lường khác nhau với đầu ra tương tự để điều khiển tốc độ thông qua đầu vào tương tự)

• Điều khiển từ xa bằng PLC hoặc hệ thống điều khiển khác
  • Biến tần có thể được điều khiển thông qua các giao thức điều khiển khác nhau trên các bus tiêu chuẩn (Profibus, Profinet, giao diện nối tiếp, v.v.)
  • Các tùy chọn giao tiếp qua các xe buýt tiêu chuẩn hóa khác nhau giữa các dòng; một số có thể được tích hợp trực tiếp trong biến tần, những người khác yêu cầu mua các giao diện truyền thông

• Điều khiển tự động thông qua phản hồi
  • Một phương pháp điều khiển rất phổ biến khác là điều khiển tốc độ thông qua phản hồi để đạt được và duy trì giá trị mục tiêu cần thiết
    • Một bộ điều khiển PID tích hợp được sử dụng cho mục đích này
  • Ví dụ trong thực tế:
    • Hãy tưởng tượng một hệ thống cấp nước mà bạn muốn duy trì áp suất không đổi (số lượng cần thiết)
    • Bởi vì có lượng nước hấp thụ khác nhau từ hệ thống tại các thời điểm khác nhau, bạn cần dẫn động máy bơm để phản ứng linh hoạt với những thay đổi của áp suất hệ thống (lượng thực tế)
    • Do đó, bạn tích hợp một cảm biến áp suất với đầu ra 0-10 V (hoặc 0-20 ma) vào hệ thống
    • Bạn hướng tín hiệu này đến biến tần và kích hoạt điều khiển thông qua phản hồi (chênh lệch tối thiểu giữa số lượng yêu cầu và thực tế)
    • Bạn tinh chỉnh các giá trị cần thiết ở đầu vào biến tần, do đó tự động điều chỉnh biến tần theo các điều kiện tức thời
      • Phương pháp này, trong số những thứ khác, là một cách rất hiệu quả để tiết kiệm chi phí điện và chúng tôi khuyên bạn nên triển khai nó thay cho van tiết lưu và các phương pháp tương tự.
      • Kiểm soát phản hồi không giới hạn ở việc kiểm soát áp suất, mà về cơ bản cũng liên tục kiểm soát bất kỳ giá trị mục tiêu nào (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, trọng lượng, tốc độ, mô-men xoắn, v.v.) Có thể bị ảnh hưởng bởi tốc độ động cơ trong ứng dụng và được đo trong thời gian thực ( với đầu ra từ các phép đo dưới dạng tín hiệu điện áp hoặc dòng điện)

Các phương pháp lập trình điều khiển

Biến tần có thể lập trình được, nghĩa là khách hàng có thể điều chỉnh các tính năng của biến tần cho phù hợp với nhu cầu của họ.

Hầu hết người dùng chắc chắn muốn điều chỉnh, chẳng hạn như phạm vi tốc độ tối thiểu và tối đa, điều chỉnh tốc độ tăng tốc và giảm tốc, đặt phương pháp điều khiển, đặt chức năng của đầu vào và đầu ra điều khiển, v.v. Tất cả những điều này và nhiều thứ khác các tham số có thể tùy chỉnh theo yêu cầu của bạn.

Để lập trình biến tần, hãy sử dụng bảng điều khiển bổ trợ hoặc giao diện giao tiếp bổ trợ để giao tiếp PC với phần mềm Siemens Starter hoặc Siemens Drive Monitor.

Về nguyên tắc, cấu hình cơ bản của biến tần là bắt buộc (để đưa nó vào hoạt động nhanh chóng ). Tại đây, các giá trị trên bảng tên của động cơ được chuyển vào bộ nhớ biến tần và một số thông số truyền động cơ bản (tần số tối thiểu và tối đa, chế độ điều khiển, v.v. Bước này là cần thiết để biến tần hoạt động bình thường và các chức năng bảo vệ được tích hợp trong biến tần.

Giá trị mặc định của nhà máy trong biến tần phù hợp với động cơ cảm ứng 4 cực có cùng công suất được xác định cho biến tần. Việc kiểm soát khởi động / dừng, đảo chiều và thiết lập lại sự cố được cài đặt trước cho các đầu vào kỹ thuật số; điều khiển tốc độ liên tục được thiết lập cho đầu vào tương tự. Các đặc tính tuyến tính cũng được đặt trước.

Sau khi thiết lập cơ bản, nhiều tham số có thể lập trình có thể được điều chỉnh cho phù hợp với các thuộc tính ổ đĩa yêu cầu.

Sử dụng trong các hệ thống tự động

Biến tần có thể hoạt động rất tốt như một phần của hệ thống tự động ở mọi cấp độ. Các ứng dụng đơn giản có thể được giải quyết dễ dàng bằng cách cài đặt một biến tần sử dụng các đầu vào và đầu ra điều khiển có thể lập trình được.

Các tác vụ phức tạp hơn đòi hỏi logic phức tạp hơn hoặc hoạt động theo thời gian có thể được giải quyết thành công bằng cách tích hợp bộ biến tần vào PLC (bộ điều khiển logic có thể lập trình, chẳng hạn như hệ thống điều khiển Siemens Simatic hoặc Logo).

Tính năng bảo vệ

Biến tần hiện đại được trang bị một loạt các tính năng bảo vệ không chỉ để bảo vệ chính chúng mà còn để bảo vệ động cơ. Phổ biến nhất bao gồm:

• Bảo vệ chống đoản mạch (nối đất và giữa các pha)
• Bảo vệ quá tải cho động cơ và biến tần, v.v.
• Điều khiển nhiệt độ cuộn dây động cơ thông qua phản hồi từ cảm biến nhiệt độ trong cuộn dây
  • Trong loạt phim mới nhất, cũng có một tính năng “tích hợp an toàn” tùy chọn, đơn giản hóa đáng kể việc thiết kế và sản xuất hệ thống truyền động bằng cách tích hợp các chức năng giới hạn mô-men xoắn an toàn, giới hạn tốc độ an toàn, phanh an toàn hoặc kiểm soát phanh an toàn

Tính năng EMC (tương thích điện từ)

Bởi vì, về nguyên tắc, bộ biến tần là nguồn gây nhiễu chính trong nguồn điện, có thể thích hợp sử dụng bộ biến tần có bộ lọc chống nhiễu. Chúng tôi cũng cung cấp một số mức công suất nhất định của biến tần trong phiên bản có bộ lọc chống nhiễu tích hợp.

Đối với các mức công suất khác, cần có bộ lọc bên ngoài. Bộ lọc loại A (thường cho khu vực công nghiệp – mạng riêng biệt) hoặc bộ lọc loại B (thường cho khu dân cư – mạng công cộng) đều có sẵn.

Để đáp ứng các yêu cầu nhất định của tiêu chuẩn, có thể cần kết nối biến tần với động cơ bằng cách sử dụng cáp có vỏ bọc, chiều dài của chúng có thể bị giới hạn.

Xin lưu ý rằng bộ lọc bên ngoài không khả dụng cho các biến tần mà phiên bản có bộ lọc bên trong khả dụng. Do đó, trước khi mua hàng, hãy cân nhắc kỹ lưỡng để lựa chọn phương án nào.

Tính năng giao tiếp

Có thể mua một loạt các giao diện giao tiếp cho biến tần (bao gồm các bảng điều khiển đơn giản và mở rộng để vận hành thủ công), cùng với các giao diện giao tiếp trên Profibus, Profinet, AS-Interface, CAN-Open, giao tiếp nối tiếp và một mô-đun mã hóa cho phản hồi từ cảm biến quay, v.v …

Trong một số dòng biến tần, các giao diện được chọn được tích hợp; trong các loạt phim khác, các giao diện này cần được mua như một phụ kiện riêng biệt.

Các tính năng bổ sung

• Cuộn cảm mạng đầu vào (giao hoán)
  • Được sử dụng để giảm phản hồi vào mạng bằng cách giảm méo hài lớn hơn và để kéo dài tuổi thọ của tụ điện biến tần
• Đầu ra cuộn cảm động cơ
  • Giảm tải ứng suất trên cuộn dây động cơ
  • Đồng thời, chúng làm giảm dòng điện dung, điều này cũng gây căng thẳng cho các bộ phận nguồn của biến tần bằng cách sử dụng cáp dài
  • Việc sử dụng chúng yêu cầu cấu hình biến tần phù hợp, cụ thể là tần số chuyển đổi
  • Điện áp đầu ra là hình chữ nhật
• Điện trở phanh
  • Dùng để hãm nhanh các ổ có quán tính lớn hơn
  • Năng lượng trở lại trong quá trình phanh động cơ nhanh chóng được bức xạ bởi điện trở dưới dạng nhiệt thải
    • Chỉ khả dụng cho Micromaster 440 và Sinamics G120 với PM240
• Bộ lọc mạng bổ trợ
  • Được sử dụng để đạt được loại triệt nhiễu cao hơn
• Bộ lọc xoang
  • Hạn chế độ dốc của dòng điện áp và điện dung
  • Thay thế cuộn cảm đầu ra (động cơ)
  • Sử dụng tương tự như cuộn cảm động cơ, nhưng hiệu quả cao hơn
  • Điện áp đầu ra là hình sin
  • Nhược điểm là chi phí mua lại cao hơn

Tóm lược

Khi bạn chọn một biến tần, tất nhiên chúng tôi sẽ hỗ trợ bạn nếu cần, nhưng điều cần thiết là bạn phải nắm rõ một số thông tin cơ bản trước khi đặt hàng:

1. 1. Nguồn điện – hãy cân nhắc xem bạn đang chọn bộ biến tần với nguồn điện đầu vào một pha hay ba pha (chỉ tối đa 3 kw; trên 3 kw, các bộ biến tần luôn được cấp điện ở ba pha)
   2. Nguồn – thông tin cơ bản cần thiết về công suất biến tần là cần thiết để chọn đúng biến tần
   3. Loại ứng dụng – điều cần thiết để lựa chọn dòng biến tần phù hợp; đối với các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu động, một trong các dòng biến tần cơ bản là đủ, đối với các ứng dụng đòi hỏi cao hơn, cần chọn bộ biến tần dòng Micromaster 440 hoặc Sinamics G120
   4. Phương pháp điều khiển – đối với các ứng dụng đơn giản, một loạt bộ biến tần cơ bản là đủ; đối với các ứng dụng yêu cầu điều khiển vectơ hoặc một số phương pháp điều khiển phức tạp hơn, cần có dòng Micromaster 440 hoặc Sinamics G120 cao hơn
   5. Phương pháp hoạt động – làm rõ cách bạn muốn điều khiển biến tần (bằng tay, thông qua bảng điều khiển hoặc thông qua giao diện truyền thông)
   6. Yêu cầu phục hồi năng lượng – nếu bạn muốn tiết kiệm chi phí vận hành thiết bị của mình và đây là thiết bị mà quán tính lớn hơn được hãm khá thường xuyên, hãy chọn biến tần cung cấp khả năng phục hồi năng lượng (Sinamics G120 với bộ nguồn PM250 hoặc PM260)
   7. Các tính năng của biến tần – xác minh các yêu cầu của bạn về số lượng đầu vào kỹ thuật số và tương tự, giao diện truyền thông, khả năng kết nối điện trở phanh và các thiết bị tùy chọn khác