VFD là gì? Bộ biến tần thực sự tạo ra khác biệt

Bộ biến tần (VFD) điều khiển động cơ AC bằng cách chuyển đổi nguồn điện lưới tần số cố định thành đầu ra có tần số và điện áp điều chỉnh được. Khả năng này hữu ích khi quy trình cần tăng tốc có kiểm soát, tốc độ thay đổi, điều chỉnh mô-men xoắn hoặc dừng đồng bộ. Đây không phải tự động là thiết bị tiết kiệm năng lượng: kết quả phụ thuộc vào tải, chu kỳ làm việc, mục tiêu điều khiển, động cơ và toàn bộ hệ thống điện.

Trường hợp hiệu quả năng lượng rõ rệt nhất thường là quạt hoặc bơm ly tâm trước đây chạy ở tốc độ tối đa trong khi van điều tiết hoặc van chặn làm tiêu hao công suất dư thừa. Băng tải, máy trộn, máy đùn, tời và máy công cụ có thể cần biến tần để điều khiển quy trình thay vì giảm năng lượng. Kỹ sư nên bắt đầu từ đặc tính tải và yêu cầu vận hành, sau đó mới lựa chọn biến tần.

VFD là một phần của hệ thống động cơ; vận hành đúng phụ thuộc vào nguồn cấp, vỏ tủ, thiết bị bảo vệ, cáp, động cơ, tải, hệ thống điều khiển và các cài đặt chạy thử.

Cách thức chuyển đổi công suất

Một VFD hạ áp thông dụng có ba phần công suất chính. Bộ chỉnh lưu chuyển đổi AC đầu vào thành DC. Liên kết DC sử dụng tụ điện và, tùy thiết kế, cuộn kháng hoặc các linh kiện khác để làm phẳng và lưu trữ năng lượng. Bộ nghịch lưu đóng cắt nhanh các linh kiện bán dẫn để tạo ra đầu ra điều chế độ rộng xung, cung cấp điện áp và tần số cơ bản cần thiết cho động cơ.

Động cơ không nhận được dạng sóng sin lý tưởng như trong phòng thí nghiệm. Các chuyển tiếp điện áp nhanh, điện áp chế độ chung, tần số đóng cắt, điện dung cáp và sóng phản xạ có thể gây ứng suất lên cách điện và ổ bi. Chiều dài cáp động cơ cho phép và nhu cầu sử dụng cuộn kháng đầu ra, bộ lọc dV/dt, bộ lọc hình sin, nối đất trục hoặc ổ bi cách điện phụ thuộc vào biến tần, động cơ, điện áp, cáp, hệ thống nối đất và cách lắp đặt. Hãy sử dụng hướng dẫn ứng dụng của nhà sản xuất thay vì một quy tắc khoảng cách áp dụng chung.

Bộ chỉnh lưu, liên kết DC và bộ nghịch lưu giải thích cả khả năng điều khiển tốc độ của biến tần lẫn nhiều hệ quả đối với chất lượng điện và cách điện động cơ.

Phù hợp phương pháp điều khiển với tải

Điều khiển vôn trên héc (V/Hz) duy trì mối quan hệ gần đúng giữa điện áp và tần số, phù hợp với nhiều ứng dụng quạt và bơm đơn giản. Điều khiển véc-tơ không cảm biến ước tính từ thông và mô-men xoắn của động cơ để cải thiện đáp ứng và hiệu suất ở tốc độ thấp mà không cần bộ mã hóa. Điều khiển véc-tơ vòng kín sử dụng tín hiệu phản hồi khi cần độ chính xác tốc độ, mô-men xoắn ở tốc độ bằng không hoặc đáp ứng động cao. Thuật ngữ sản phẩm có thể khác nhau, vì vậy việc lựa chọn phải dựa trên hiệu suất được công bố chứ không chỉ dựa vào tên chế độ.

Dữ liệu động cơ phải được nhập chính xác. Điện áp, dòng điện, tần số, tốc độ, công suất định mức và đôi khi hệ số công suất hoặc các giá trị khác cho phép biến tần lập mô hình, bảo vệ và điều khiển động cơ. Có thể cần thực hiện quy trình nhận dạng hoặc tự động tinh chỉnh. Hãy thực hiện quy trình này trong các điều kiện do nhà sản xuất quy định, với máy được bảo đảm an toàn cơ khí và trạng thái tải đã được xác định.

Sử dụng các định luật tương tự một cách thận trọng

Đối với quạt hoặc bơm ly tâm có hình học tương tự, vận hành trong vùng phù hợp, lưu lượng xấp xỉ tỷ lệ với tốc độ, áp suất hoặc cột áp tỷ lệ với bình phương tốc độ, còn công suất tỷ lệ với lập phương tốc độ. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ mô tả VFD là loại biến tần tốc độ điều chỉnh phổ biến nhất và cung cấp hướng dẫn về hiệu suất khi tải một phần. Những mối quan hệ này giải thích vì sao giảm tốc độ ở mức vừa phải có thể tạo ra mức giảm công suất lớn.

Kết quả theo quy luật lập phương không bảo đảm tiết kiệm điện cho mọi hệ thống. Cột áp tĩnh, lưu lượng tối thiểu, hiệu suất thiết bị, vị trí van tiết lưu, các máy chạy song song, giới hạn quy trình và tổn hao của chính VFD đều ảnh hưởng đến kết quả. Hãy đo các điểm vận hành hiện tại, xây dựng đường đặc tính hệ thống, xác định lưu lượng tối thiểu và tối đa cần thiết, rồi ước tính năng lượng hằng năm theo đặc tính tải thực tế.

Chọn công suất theo dòng điện, mô-men xoắn và chế độ làm việc

Chọn biến tần dựa trên dòng điện động cơ và chế độ làm việc của ứng dụng, không chỉ dựa trên kilowatt của động cơ. Quạt tải biến thiên có yêu cầu quá tải khác với băng tải có tải, bơm thể tích, máy nghiền hoặc tời. Hãy kiểm tra dòng điện liên tục, khả năng quá tải trong thời gian ngắn, mô-men khởi động, thời gian tăng tốc, nhiệt độ môi trường, độ cao, vỏ tủ, mức giảm định tải theo tần số sóng mang và mọi mức giảm định tải do bộ lọc đầu ra.

Biến tần có thể giới hạn dòng điện trong quá trình tăng tốc, nhưng không thể loại bỏ yêu cầu mô-men xoắn của tải. Thời gian tăng tốc quá ngắn và thiếu thực tế có thể gây giới hạn dòng điện, quá áp khi giảm tốc hoặc ứng suất cơ khí. Tải có quán tính lớn cần một phương án xử lý năng lượng: dừng lâu hơn, điện trở hãm động năng, thanh cái DC chung hoặc bộ chỉnh lưu tái sinh có thể phù hợp. Không sử dụng lệnh dừng thông thường của biến tần thay cho thiết kế dừng khẩn cấp.

Nhà máy có thể so sánh biến tần và thiết bị điều khiển chuyển động tương thích, nhưng mã sản phẩm phải được lựa chọn sau khi xem xét tải và cách lắp đặt có tài liệu chứng minh. Khi PLC phối hợp các điều kiện cho phép, giá trị tốc độ, chế độ và lỗi, nền tảng PLC và PAC nên trao đổi trạng thái rõ ràng thay vì giả định rằng một bit báo đang chạy chứng minh động cơ hoặc quy trình đang hoạt động tốt.

Lập kế hoạch cho phía đầu vào và chất lượng điện

Biến tần dùng bộ chỉnh lưu điốt cơ bản tạo ra dòng điện không hình sin. Đặc tính sóng hài phụ thuộc vào trở kháng nguồn, mức tải máy biến áp, số lượng và mức tải của các biến tần, cuộn kháng đường dây hoặc cuộn cảm DC, bộ lọc thụ động hoặc chủ động và cấu trúc mạch đầu vào. Khi hệ thống có quy mô đáng kể, hãy đánh giá các điều kiện tại điểm đấu nối chung với một nghiên cứu đủ chuyên môn. Biến tần được quảng cáo là ít sóng hài vẫn cần được kiểm tra trong hệ thống thực tế.

Thiết bị bảo vệ đầu vào và phương tiện ngắt kết nối phải tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất biến tần và các tiêu chuẩn hiện hành. Khả năng chịu dòng ngắn mạch, loại cầu chì hoặc aptomat, kích thước dây dẫn, nối đất và khả năng tản nhiệt của vỏ tủ không phải là những chi tiết có thể hoán đổi. Không đặt tụ bù hệ số công suất ở đầu ra VFD và hãy xác minh cấu hình đầu vào được phép trước khi đóng cắt tụ điện hoặc máy phát ở phía thượng nguồn.

Tích hợp lệnh, an toàn và chẩn đoán

Một giao diện điều khiển đáng tin cậy phân biệt các trạng thái sẵn sàng, đã cho phép, đang chạy, đạt tốc độ, cảnh báo, lỗi, điều khiển cục bộ, truyền thông bình thường và tắt mô-men xoắn an toàn. Lệnh khởi động và đặt lại nên sử dụng các quy trình bắt tay được xác định rõ. Giá trị tham chiếu tốc độ cần có đơn vị, giới hạn, bên quản lý quá trình tăng giảm tốc, cách xử lý dự phòng và cơ chế bảo vệ trước dữ liệu mạng lỗi thời. Hãy quyết định việc mất truyền thông sẽ gây dừng có kiểm soát, giữ tốc độ cuối cùng, chuyển sang giá trị tham chiếu cục bộ hay tuân theo một trạng thái khác đã được xem xét.

Tắt mô-men xoắn an toàn có thể ngăn biến tần tạo mô-men xoắn cho động cơ khi được thiết kế đúng, nhưng không nhất thiết loại bỏ điện áp nguy hiểm, kích hoạt phanh cơ hoặc dừng ngay tải đang trôi theo quán tính. Đánh giá rủi ro máy móc sẽ quyết định các chức năng an toàn, mức hiệu năng, cách dừng, tín hiệu phản hồi và biện pháp cô lập năng lượng cần thiết. Cài đặt tham số không thể thay thế cho việc đánh giá đó.

Chạy thử bằng bằng chứng đo lường

Trước khi vận hành, hãy kiểm tra dữ liệu trên nhãn động cơ, chiều quay, nối đất, phân tách cáp, thiết bị bảo vệ, làm mát, dây điều khiển, mạch an toàn và bản sao lưu tham số. Kiểm tra ở tốc độ thấp trong trạng thái an toàn, sau đó thử tăng tốc, giảm tốc, tốc độ tối thiểu và tối đa, giới hạn dòng điện, các điều kiện cho phép của quy trình, mất giá trị tham chiếu, lỗi truyền thông, quá tải và phản ứng khi dừng khẩn cấp.

Ghi lại điện áp và dòng điện đầu vào, dòng điện động cơ, tốc độ được lệnh và tốc độ thực tế, điều kiện tải, điện áp thanh cái, nhiệt độ và các giá trị quy trình liên quan. Hãy điều tra các lỗi quá dòng, quá áp, chạm đất hoặc quá nhiệt lặp lại thay vì tăng giới hạn cho đến khi cảnh báo biến mất. Lưu bộ tham số cuối cùng cùng với phiên bản firmware, dữ liệu động cơ, lịch sử thay đổi và hướng dẫn khôi phục.

Góc nhìn kỹ thuật

VFD hoạt động hiệu quả khi phù hợp với động cơ và tải, điều khiển quy trình thông qua các trạng thái được xác định rõ và hòa hợp với hệ thống điện mà không tạo ra vấn đề mới về độ tin cậy hoặc an toàn. Đối với tải ly tâm, việc đo vận hành ở mức tải một phần có thể chứng minh mức tiết kiệm năng lượng đáng kể. Đối với tải mô-men xoắn không đổi hoặc tải tái sinh, mô-men xoắn, hãm, đặc tính nhiệt và tính toàn vẹn của điều khiển có thể là yếu tố chi phối. Hãy xem biến tần là một thành phần hệ thống được thiết kế bài bản, không phải một công tắc tơ thông minh hơn; khi đó giá trị của nó sẽ vừa đo lường được vừa dễ bảo trì.