Cách biến tần công nghiệp tạo điện xoay chiều từ thanh cái DC

Biến tần công nghiệp nên được hiểu đúng nhất là một hệ thống chuyển đổi năng lượng, không phải một hộp chỉ đơn giản “chuyển DC thành AC”. Cầu bán dẫn tạo ra dạng sóng điện áp được điều khiển từ một thanh cái DC, trong khi hệ thống điều khiển, bảo vệ, thiết kế nhiệt, cáp, động cơ và tải cơ quyết định liệu dạng sóng đó có tạo ra mô-men hữu ích một cách đáng tin cậy hay không. Hai biến tần có cùng định mức công suất vẫn có thể hoạt động rất khác nhau khi chiều dài cáp, quá trình tái sinh, nhiệt độ trong vỏ hoặc mô-men quán tính của tải thay đổi.

Góc nhìn hệ thống này rất quan trọng vì nhiều sự cố tại hiện trường bị quy cho biến tần nhưng thực ra bắt nguồn từ nơi khác: nguồn DC yếu, thiết kế mạch nạp trước kém, động cơ không phù hợp, ứng suất do sóng phản xạ quá mức, thiếu khả năng hãm hoặc hệ thống nối đất tạo ra đường hồi dòng chế độ chung không được kiểm soát.

Nguồn DC, cầu chuyển mạch, cáp và tải tạo thành một hệ thống điện thống nhất và phải được thiết kế đồng bộ.

Thanh cái DC xác định ranh giới năng lượng

Chuỗi chuyển đổi thường bắt đầu bằng bộ chỉnh lưu, pin, nguồn quang điện hoặc một nguồn DC khác. Một cụm tụ điện giúp ổn định liên kết DC và cung cấp năng lượng ngắn hạn trong các thay đổi tải nhanh. Điện áp thanh cái xác định điện áp cơ bản đầu ra tối đa mà tầng chuyển mạch có thể cung cấp; điện dung, trở kháng nguồn, định mức dòng gợn và điện trở nạp trước ảnh hưởng đến phản ứng của thanh cái khi khởi động và dưới tải quá độ.

Nạp trước giới hạn dòng điện xung kích vốn sẽ chạy vào các tụ điện đã xả. Khi thanh cái đạt mức phù hợp, một công tắc tơ hoặc linh kiện bán dẫn sẽ nối tắt điện trở. Mạch nạp trước bị nối tắt hỏng có thể quá nhiệt, trong khi công tắc tơ đóng quá sớm có thể làm hỏng bộ chỉnh lưu, cầu chì hoặc tụ điện. Vì vậy, khi chạy thử cần theo dõi xu hướng điện áp thanh cái và xác minh thời điểm của các trạng thái nạp trước và nối tắt, thay vì xem trạng thái “biến tần sẵn sàng” là bằng chứng đầy đủ.

Chuyển mạch bán dẫn tổng hợp dạng sóng

Cầu H một pha sử dụng bốn linh kiện được điều khiển để đặt điện áp DC dương hoặc âm lên tải. Cầu ba pha sử dụng ba nhánh. Bộ điều khiển điều chế từng nhánh để thành phần cơ bản có tần số, pha và biên độ theo lệnh. Điều chế độ rộng xung (PWM) không tạo ra sóng sin hoàn hảo tại các đầu cực của cầu; nó tạo ra các xung điện áp mà giá trị trung bình và thành phần cơ bản xấp xỉ đầu ra AC mong muốn.

Mạch điều khiển cổng phải ngăn công tắc phía trên và phía dưới trong cùng một nhánh dẫn đồng thời. Một khoảng thời gian chết được chủ động chèn vào giữa các lần chuyển trạng thái để tránh hiện tượng chập xuyên. Thời gian chết quá ngắn có nguy cơ gây dòng điện phá hủy; quá dài sẽ làm méo đầu ra, đặc biệt ở điện áp thấp và tốc độ thấp. Hệ thống điều khiển hiện đại có thể bù một phần độ méo này, nhưng kết quả vẫn phụ thuộc vào đặc tính chuyển mạch của linh kiện và chiều dòng điện.

Các trạng thái luân phiên của cầu xác lập cực tính, trong khi PWM điều khiển điện áp hiệu dụng và tần số mà tải nhận được.

Tải lọc một phần sóng hài nhưng vẫn chịu tác động của các thành phần khác

Điện cảm của động cơ làm trơn phần lớn dòng điện ở tần số chuyển mạch, vì vậy dòng điện có thể trông tương đối hình sin dù điện áp đầu cực là một chuỗi xung. Điều đó không có nghĩa các thành phần tần số cao vô hại. Các chuyển tiếp điện áp nhanh có thể ghép dòng chế độ chung qua điện dung của động cơ, làm tăng nhiễu điện từ và góp phần gây hư hỏng do dòng điện qua ổ trục. Dây dẫn động cơ dài cũng có thể tạo ra quá điện áp do sóng phản xạ tại các đầu cực động cơ vì cáp hoạt động như một đường truyền thay vì một dây dẫn lý tưởng.

Biện pháp khắc phục phải phù hợp với cơ chế gây ra vấn đề. Cáp động cơ có bọc chống nhiễu và liên kết 360 độ đúng cách sẽ tạo đường hồi tần số cao được kiểm soát. Cuộn kháng dV/dt có thể giảm tốc độ tăng điện áp; bộ lọc sóng sin tác động mạnh hơn và có thể phù hợp với dây dẫn rất dài hoặc động cơ có khả năng chịu cách điện hạn chế. Cuộn kháng đầu ra, cuộn kháng chế độ chung, ổ trục cách điện hoặc thiết bị nối đất trục giải quyết các phần khác nhau của vấn đề và không nên xem chúng là những phụ kiện có thể thay thế lẫn nhau.

Điều khiển mô-men phụ thuộc vào nhiều yếu tố hơn tần số

Đối với động cơ không đồng bộ, chiến lược vôn trên héc cơ bản thay đổi điện áp theo tần số để duy trì từ thông hữu ích. Điều khiển véc-tơ ước tính hoặc đo từ thông, đồng thời tách dòng tạo mô-men khỏi dòng từ hóa, qua đó cải thiện đáp ứng ở tốc độ thấp và khả năng loại bỏ nhiễu. Động cơ nam châm vĩnh cửu yêu cầu biến tần phải biết chính xác các đặc tính điện của động cơ và vị trí rôto đủ chính xác cho chế độ điều khiển được chọn.

Dữ liệu trên nhãn động cơ, tần số cơ bản, dòng định mức, thời gian tăng tốc, tốc độ tối thiểu và phương pháp làm mát là các đầu vào khi chạy thử, không phải thủ tục giấy tờ. Quy trình tự điều chỉnh hoặc nhận dạng có thể cải thiện mô hình động cơ nội bộ, nhưng không thể khắc phục động cơ thiếu công suất, cơ cấu bị kẹt hoặc ước tính mô-men quán tính tải không chính xác. Kỹ sư nên so sánh tốc độ đặt, tốc độ thực, dòng điện, mô-men ước tính và điện áp thanh cái trong các chu kỳ đại diện.

Tái sinh làm thay đổi hướng dòng năng lượng

Trong quá trình giảm tốc hoặc khi tải kéo vượt, động cơ có thể hoạt động như máy phát và trả năng lượng về thanh cái DC. Bộ chỉnh lưu điốt thường không thể đưa năng lượng đó trở lại nguồn, vì vậy điện áp thanh cái tăng lên. Bộ băm hãm và điện trở chuyển phần dư thành nhiệt; bộ chỉnh lưu tích cực có thể trả năng lượng về lưới; thanh cái DC chung có thể chia sẻ năng lượng đó với các trục khác đang hoạt động ở chế độ động cơ. Lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào năng lượng của chu kỳ, thời gian hãm, yêu cầu của lưới điện và chế độ tải nhiệt, chứ không chỉ phụ thuộc vào công suất cực đại của động cơ.

Các lần lỗi quá điện áp lặp lại trong quá trình giảm tốc nên dẫn đến việc tính toán năng lượng. Kéo dài thời gian giảm tốc có thể chấp nhận được, nhưng cũng có thể che giấu thiết kế hãm không đủ hoặc làm ảnh hưởng đến năng suất máy. Hãy xác minh điện trở, năng lượng xung, công suất trung bình, thông gió của vỏ và chức năng bảo vệ quá nhiệt.

Chạy thử toàn bộ phạm vi vận hành

Một kế hoạch kiểm tra hữu ích bao gồm khởi động nguội, sản xuất bình thường, tăng tốc tối đa, giảm tốc có kiểm soát trong trường hợp khẩn cấp, cơ cấu bị dừng hoặc kẹt, mất pha khi phù hợp và điều kiện nhiệt độ vỏ cao nhất dự kiến. Kiểm tra mức giảm công suất của biến tần theo nhiệt độ môi trường và độ cao. Ở tốc độ động cơ thấp kéo dài, cần nhớ rằng quạt gắn trên trục có thể làm mát kém hơn dù biến tần vẫn tiếp tục tạo ra mô-men cao.

Cài đặt bảo vệ phải phối hợp với cầu chì hoặc aptomat phía nguồn và với khả năng chịu nhiệt của động cơ. Cần lưu giữ các bản ghi lỗi chạm đất, quá dòng, quá điện áp thanh cái và quá nhiệt cùng với các giá trị vận hành xung quanh thời điểm xảy ra sự kiện. Bằng chứng đó giúp phân biệt vấn đề ứng dụng với tầng công suất đang hỏng.

Có thể xem các thiết bị liên quan tại Truyền động & Điều khiển chuyển động, trong khi các lựa chọn về nguồn điều khiển và nguồn DC được sắp xếp tại Nguồn cấp điện.

Góc nhìn kỹ thuật

Câu hỏi lựa chọn đúng không phải là “Biến tần này có tạo ra điện áp AC cần thiết không?” mà là “Hệ thống nguồn–bộ chuyển đổi–cáp–động cơ–tải có thể kiểm soát năng lượng trong mọi trạng thái bất thường dự kiến và có thể xảy ra một cách hợp lý hay không?” Cấu trúc PWM rất quan trọng, nhưng các hệ thống lắp đặt đáng tin cậy thường đạt được nhờ thiết kế nghiêm ngặt về cáp, làm mát, năng lượng hãm, tính phù hợp của động cơ, phối hợp bảo vệ và bằng chứng chẩn đoán.