Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp là 2 loại biến tần phổ biến nhất trong các ứng dụng công nghiệp. Để phân biệt được 2 loại biến tần này, bạn hãy theo dõi chi tiết bài viết sau đây của chúng tôi.
Tìm hiểu về biến tần trực tiếp
Khái niệm biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp (còn được gọi là biến tần nguồn điện) là thiết bị trực tiếp biến đổi điện lưới xoay chiều thành nguồn điện xoay chiều ở một tần số khác phù hợp với tải mà không qua bất kỳ khâu trung gian nào liên quan đến điện một chiều. Tương ứng, điện áp tải thông qua biến tần dạng này có giá trị gần bằng với điện áp lưới.
Biến tần trực tiếp thường được lắp đặt cho các loại động cơ công suất cao nên đa phần chỉ có tính ứng dụng tại các nhà xưởng, khu công nghiệp quy mô lớn.
Cấu trúc của biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp có cấu tạo khá đơn giản với 2 thành phần chính:
- Bộ chuyển mạch 2 chiều: Có nhiệm vụ đóng/cắt kết nối giữa các pha của nguồn vào với các pha của tải. Đối với biến tần Cyclo, bộ chuyển mạch thường là Thyristor. Với biến tần Ma trận, bộ phận này sử dụng IGBT để tạo sóng đầu ra tốt hơn.
- Mạch điều khiển: “Bộ não” của biến tần, có khả năng điều khiển chính xác thời gian đóng/ngắt của bộ chuyển mạch 2 chiều để tạo ra điện áp và tần số đầu ra phù hợp với tải.
Ngoài ra, biến tần trực tiếp còn được trang bị thêm bộ tản nhiệt hoặc quạt làm mát để hạn chế tình trạng 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 biến tần trực tiếp. Thông qua bộ chuyển mạch 2 chiều, nguồn điện đầu vào dạng xoay chiều được biến đổi trực tiếp thành nguồn xoay chiều ở một tần số khác mà không cần sự can thiệp của bộ chỉnh lưu để chuyển đổi sang nguồn điện 1 chiều.
Nguyên lý hoạt động này lại có sự khác biệt giữa các loại biến tần trực tiếp:
- Biến tần Cyclo: Bộ chuyển mạch là các Thyristor hoạt động dựa vào việc đóng mở các góc pha, 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 một ma trận các bộ chuyển mạch 2 chiều (thường là các IGBT) có khả năng kết nối trực tiếp các pha của đầu vào với các pha của 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 so với tần số đầu vào.
Ưu, nhược điểm của biến tần trực tiếp
| Ưu điểm | Nhược điểm |
| - Hiệu suất chuyển đổi cao, giảm thiểu chi phí điện năng
- Chất lượng dòng điện nguồn vào tốt, duy trì được hệ số công suất ở mức 0.98, giảm nhu cầu về bộ lọc sóng hài - Loại bỏ được DC bus nên có kích thước và trọng lượng nhỏ gọn - Đáp ứng nhanh 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 bộ phận tụ điện |
- Chi phí đầu tư cao do bộ chuyển mạch 2 chiều thường đắt hơn so với các linh kiện một chiều
- Phức tạp trong quá trình thiết kế, vận hành và bảo trì, đòi hỏi kỹ thuật viên chuyên nghiệp - Chỉ phù hợp với các động cơ công suất lớn do dải tần số đầu ra bị giới hạn - Chất lượng dòng điện đầu ra không hoàn toàn là 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
Trái ngược với biến tần trực tiếp, biến tần gián tiếp (biến tần trung gian) được dùng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều nguồn vào thành điện xoay chiều ở đầu ra qua khâu trung gian là điện một chiều.
Quá trình này gồm 2 bước cơ bản: Điện xoay chiều được chỉnh thành điện 1 chiều ở mạch chỉnh lưu, sau đó điện 1 chiều lại được chuyển thành điện xoay chiều qua mạch nghịch lưu ở tần số và điện áp có thể điều chỉnh, 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 trúc của biến tần gián tiếp
Do có thêm khâu trung gian là biến đổi dòng điện AC thành DC nên biến tần gián tiếp có cấu tạo phức tạp hơn biến tần trực tiếp.
- Mạch điều khiển: Có nhiệm vụ nhận tín hiệu về tần số và tốc độ mong muốn từ người dùng, sau đó tính toán và tạo ra các tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) cung cấp cho bộ nghịch lưu. Mạch điều khiển cũng có khả năng giám sát hoạt động của mạch nghịch lưu và chỉnh lưu.
- Bộ chỉnh lưu: Có chức năng chuyển đổi dòng điện AC từ lưới thành dòng điện 1 chiều DC. Dòng điện DC ở giai đoạn này thường có dạng sóng nhấp nhô.
- DC bus: Gồm tụ điện lớn và cuộn cảm, nhận nhiệm vụ làm phẳng dòng điện DC sau khâu chỉnh lưu, tạo ra một nguồn DC ổn định và ít nhấp nhô hơn để cung cấp cho khâu nghịch lưu.
- Bộ nghịch lưu: Thông qua kỹ thuật điều chế độ rộng xung, dòng điện DC từ DC bus chuyển sang sẽ được nghịch lưu thành dòng AC với tần số và điện áp có thể thay đổi để cấp cho động cơ.
Tương ứng với cấu trúc như 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 biến đổi thành dòng điện một chiều (DC) dạng sóng nhấp nhô.
- Làm phẳng dòng DC: DC Bus là bộ phận đảm nhận việc san phẳng các sóng nhấp nhô của dòng DC, tạo ra một nguồn DC phẳng và ổn định hơn.
- Nghịch lưu 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 các xung PWM, nguồn DC sẽ được nghịch lưu thành nguồn AC với tần số và điện áp có thể điều chỉnh.
- Cấp điện cho động cơ: Dòng điện AC từ bộ nghịch lưu sẽ được cấp cho động cơ. Biến tần lúc này sẽ điều khiển tốc độ của động cơ thông qua việc điều chỉnh tần số của dòng điện đầu vào, trong khi đó, việc thay đổi điện áp đầu ra sẽ duy trì được 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 áp (VSI): Điện áp đặt lên thanh cái 1 chiều không đổi nhưng điện áp xoay chiều đầu ra có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh thời gian đóng/ngắt khóa chuyển mạch của mạch nghịch lưu.
- Biến tần nguồn dòng (CSI): Khóa bán dẫn ở bộ nghịch lưu của loại biến tần này được nối với một dòng nguồn. Dòng này sau đó đi qua vòng điều khiển dòng và cuộn cảm mắc nối tiếp với thanh cái của điện áp DC. Với những dòng cao, dòng điện tải là không đổi nên điện áp đầu ra của biến tần sẽ phụ thuộc vào tải.
- Biến tần nguồn áp điều chế biên độ (CS-PWM-I): Thời gian đóng ngắt của khóa chuyển mạch tại bộ nghịch lưu không đổi nhưng điện áp xoay chiều đầu ra có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt lên thanh cái một chiều.
Ưu, nhược điểm của biến tần gián tiếp
| Ưu điểm | Nhược điểm |
|
|
So sánh biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp
Cơ bản, ngoài chức năng chính là điều khiển tốc độ động cơ, 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 nhau giữa 2 loại biến tần.
| Tiêu chí | Biến tần trực tiếp | Biến tần gián tiếp |
| Hoạt động cơ bản | Chuyển đổi trực tiếp nguồn điện đầu vào AC thành nguồn điện đầu ra AC | Trải qua 1 khâu trung gian là chuyển đổi nguồn vào AC - DC, sau đó từ nguồn DC chuyển đổi thành nguồn ra AC |
| Cấu trúc | Đơn giản hơn, gồm 2 thành phần chính là: bộ chuyển mạch 2 chiều và mạch điều khiển | Phức tạp hơn với cấu trúc gồm: mạch điều khiển, mạch chỉnh lưu, DC bus và mạch nghịch lưu |
| Hiệu suất chuyển đổi | Cao hơn do ít khâu chuyển đổi và ít linh kiện lưu trữ năng lượng | Thấp hơn, có tổn thất năng lượng tại các khâu chỉnh lưu, DC bus và nghịch lưu |
| Chi phí | Cao hơn | Thấp hơn |
| Độ linh hoạt | Thấp hơn do dải tần số đầu ra bị giới hạn | Cao hơn, có thể linh hoạt điều chỉnh tần số và biên độ điện áp đầu ra |
| Khả năng phản hồi | Nhanh hơn do không có khâu trung gian | Chậm hơn |
| Bảo trì | Cấu trúc đơn giản hơn, thuận lợi cho việc bảo trì | Yêu cầu bảo trì cao hơn |
| Tiêu tốn năng lượng | Thấp | Cao |
| Chất lượng điện áp đầu ra | Thấp hơn | Cao hơn |
| Tuổi thọ | Cao hơn | Thấp hơn, do tụ điện DC bus là thiết bị nhạy cảm |
| Ứng dụng cụ thể | Phù hợp với các động cơ công suất cao trong các nhà máy, xí nghiệp quy mô lớn. Tuy nhiên, biến tần ma trận lại được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt yêu cầu tính chính xác và hiệu suất cao, như: robot, máy công cụ… | Phổ biến rộng rãi hơn, phù hợp với đa dạng các ứng dụng cơ bản trong ngành công nghiệp và dân dụng có liên quan đến động cơ |
Câu hỏi thường gặp về biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp
Câu hỏi 1: Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp, loại nào phổ biến hơn?
Trả lời: Biến tần gián tiếp hiện phổ biến hơn biến tần trực tiếp, nguyên nhân là bởi:
- Biến tần gián tiếp có dải tần số điện áp đầu ra rộng hơn biến tần trực tiếp, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp, dân dụng hoặc thương mại hơn.
- Biến tần gián tiếp có chi phí rẻ hơn so với biến tần trực tiếp
- Do được sản xuất hàng loạt nên biến tần gián tiếp không yêu cầu khắt khe về kỹ thuật lắp đặt, vận hành, bảo trì, các linh kiện cũng dễ thay mới và sửa chữa.
Câu hỏi 2: Tại sao biến tần trực tiếp có hiệu suất chuyển đổi cao hơn biến tần gián tiếp?
Trả lời: Do có cấu trúc đơn giản hơn nên biến tần trực tiếp giảm thiểu được khâu chuyển đổi trung gian và hạn chế tổn thất trên các linh kiện, từ đó tăng hiệu suất chuyển đổi so với biến tần gián tiếp.
Như vậy chúng tôi đã giúp 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 2 loại biến tần này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: yêu cầu hệ thống, tính chất của động cơ, chi phí lắp đặt,... Nếu không chắc chắn yếu tố chuyên môn về biến tần, chúng tôi khuyến nghị 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 tìm đọc tại: https://etinco.vn/tin-tuc/kien-thuc/kien-thuc-bien-tan/
