Nhà cung cấp bộ phản hồi lưu ý rằng kể từ khi động cơ cảm ứng tự động xuất hiện, máy phát điện xoay chiều đã trải qua quá trình vận hành biến tần. Thay đổi tốc độ máy phát và điều chỉnh tần số đầu ra của nó. Trước khi bóng bán dẫn tốc độ cao xuất hiện, đây là một trong những cách chính để thay đổi tốc độ động cơ, nhưng do tốc độ máy phát làm giảm tần số đầu ra thay vì điện áp, nên sự thay đổi tần số bị hạn chế.
Do đó, chúng ta hãy xem xét các thành phần của bộ biến tần và xem chúng thực sự hoạt động cùng nhau như thế nào để thay đổi tần số và tốc độ động cơ.
Linh kiện biến tần - bộ chỉnh lưu
Do khó khăn trong việc thay đổi tần số của sóng sin AC ở chế độ AC, nhiệm vụ đầu tiên của bộ biến tần là chuyển đổi dạng sóng thành DC. Để làm cho nó trông giống như AC, việc vận hành DC tương đối dễ dàng. Thành phần đầu tiên của tất cả các bộ biến tần là một thiết bị được gọi là bộ chỉnh lưu hoặc bộ chuyển đổi. Mạch chỉnh lưu của bộ biến tần chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều và chế độ hoạt động của nó gần giống với chế độ của bộ sạc pin hoặc máy hàn hồ quang. Nó sử dụng cầu diode để hạn chế sóng sin AC di chuyển theo một hướng. Kết quả là dạng sóng AC đã được chỉnh lưu hoàn toàn được mạch DC diễn giải thành dạng sóng DC cục bộ. Bộ biến tần ba pha chấp nhận ba pha đầu vào AC độc lập và chuyển đổi chúng thành một đầu ra DC duy nhất.
Hầu hết các bộ biến tần ba pha cũng có thể chấp nhận nguồn điện một pha (230V hoặc 460V), nhưng do chỉ có hai nhánh đầu vào, công suất đầu ra (HP) của bộ biến tần phải được giảm định mức vì dòng điện một chiều được tạo ra bị giảm theo tỷ lệ. Mặt khác, một bộ biến tần một pha thực thụ (bộ biến tần một pha điều khiển động cơ một pha) sử dụng đầu vào một pha và tạo ra đầu ra một chiều tỷ lệ thuận với đầu vào.
Có hai lý do tại sao động cơ ba pha được sử dụng phổ biến hơn các linh kiện đối trọng một pha khi nói đến hoạt động tốc độ thay đổi. Thứ nhất, chúng có dải công suất rộng hơn. Mặt khác, động cơ một pha thường cần một số can thiệp bên ngoài để bắt đầu quay.
Linh kiện biến tần - DC bus
Thành phần thứ hai của bus DC không thể được nhìn thấy trong bất kỳ bộ biến tần nào vì nó không ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của bộ biến tần. Tuy nhiên, nó luôn tồn tại trong các bộ biến tần đa năng chất lượng cao. Bus DC sử dụng tụ điện và cuộn cảm để lọc điện áp "gợn sóng" AC trong nguồn điện DC đã chuyển đổi, sau đó đi vào bộ biến tần. Nó cũng bao gồm một bộ lọc để ngăn ngừa méo hài, có thể được đưa trở lại nguồn điện của biến tần. Các bộ biến tần cũ hơn yêu cầu các bộ lọc đường dây riêng biệt để hoàn thành quá trình này.
Linh kiện biến tần - Biến tần
Phía bên phải của hình minh họa là "nội tạng" của bộ biến tần. Bộ biến tần sử dụng ba bộ transistor chuyển mạch tốc độ cao để tạo ra tất cả các "xung" DC ba pha mô phỏng sóng sin AC. Các xung này không chỉ xác định điện áp của sóng mà còn cả tần số của nó. Thuật ngữ "biến tần" có nghĩa là "đảo ngược", đơn giản là chuyển động lên xuống của dạng sóng được tạo ra. Các bộ biến tần hiện đại sử dụng một kỹ thuật gọi là "điều chế độ rộng xung" (PWM) để điều chỉnh điện áp và tần số.
Tiếp theo, hãy nói về IGBT. IGBT là viết tắt của "transistor lưỡng cực cổng cách điện", là linh kiện đóng vai trò chuyển mạch (hoặc xung) của bộ biến tần. Transistor (thay thế cho đèn điện tử chân không) đóng hai vai trò trong thế giới điện tử của chúng ta. Nó có thể hoạt động như một bộ khuếch đại và tăng tín hiệu, hoặc có thể hoạt động như một công tắc bằng cách bật và tắt tín hiệu. IGBT là một phiên bản hiện đại cung cấp tốc độ chuyển mạch cao hơn (3000-16000 Hz) và giảm sinh nhiệt. Tốc độ chuyển mạch cao hơn có thể cải thiện độ chính xác của mô phỏng sóng AC và giảm tiếng ồn của động cơ. Việc giảm nhiệt sinh ra đồng nghĩa với việc bộ tản nhiệt nhỏ hơn, do đó bộ biến tần chiếm ít diện tích hơn.
Dạng sóng PWM của bộ biến tần
Dạng sóng được tạo ra bởi bộ biến tần PWM so với sóng sin AC thực. Đầu ra của bộ biến tần bao gồm một chuỗi xung hình chữ nhật với chiều cao cố định và độ rộng có thể điều chỉnh.
Trong trường hợp cụ thể này, có ba bộ xung - một bộ rộng ở giữa và một bộ hẹp ở đầu và cuối phần dương và âm của chu kỳ AC.
Tổng diện tích của các xung bằng với điện áp hiệu dụng của sóng AC thực. Nếu bạn muốn cắt bỏ các phần xung phía trên (hoặc phía dưới) dạng sóng giao tiếp thực tế và lấp đầy phần trống bên dưới đường cong bằng chúng, bạn sẽ thấy chúng gần như khớp hoàn hảo. Chính bằng cách này, bộ biến tần có thể điều khiển điện áp của động cơ. Tổng độ rộng xung và độ rộng khoảng trống giữa chúng xác định tần số của dạng sóng mà động cơ nhìn thấy (do đó gọi là PWM hoặc điều chế độ rộng xung). Nếu xung là liên tục (tức là không có khoảng trống), tần số vẫn sẽ chính xác, nhưng điện áp sẽ lớn hơn nhiều so với sóng sin AC thực.
Tùy theo điện áp và tần số yêu cầu, bộ biến tần sẽ thay đổi độ cao và độ rộng của xung, cũng như độ rộng khoảng trống giữa hai xung. Một số người có thể thắc mắc dòng điện xoay chiều 'giả' này (thực chất là dòng điện một chiều) vận hành động cơ cảm ứng xoay chiều như thế nào.
Suy cho cùng, dòng điện xoay chiều có cần phải "tạo ra" dòng điện và từ trường tương ứng trong rô-to động cơ không? Vậy, dòng điện xoay chiều (AC) tự nhiên sẽ tạo ra cảm ứng vì nó liên tục thay đổi hướng, trong khi dòng điện một chiều (DC) sẽ không hoạt động bình thường sau khi mạch được kích hoạt.
Tuy nhiên, nếu bật và tắt DC, nó có thể cảm nhận dòng điện. Đối với những người lớn tuổi hơn, hệ thống đánh lửa trên ô tô (trước khi có đánh lửa bán dẫn) từng có một tập hợp các điểm trong bộ chia điện. Mục đích của các điểm này là dẫn điện từ "xung" ắc quy đến các cuộn dây (biến áp). Điều này tạo ra một điện tích trong cuộn dây và sau đó tăng điện áp lên mức cho phép bugi đánh lửa. Xung DC rộng trong hình trên thực tế được tạo thành từ hàng trăm xung riêng lẻ, và chuyển động đóng mở của đầu ra biến tần cho phép xảy ra hiện tượng cảm ứng DC.
Điện áp hiệu dụng
Một yếu tố làm cho dòng điện xoay chiều trở nên phức tạp là nó liên tục thay đổi điện áp, từ 0 đến điện áp dương cực đại, rồi lại trở về 0, rồi đến điện áp âm cực đại, rồi lại trở về 0. Làm thế nào để xác định điện áp thực tế được áp dụng vào mạch? Hình minh họa bên dưới là sóng sin 60Hz, 120V. Nhưng cần lưu ý rằng điện áp cực đại của nó là 170V. Nếu điện áp thực tế của nó là 170V, làm sao chúng ta có thể gọi nó là sóng 120V?
Một yếu tố làm cho dòng điện xoay chiều trở nên phức tạp là sự thay đổi điện áp liên tục của nó, từ 0 đến điện áp dương cực đại, rồi trở về 0, rồi đến điện áp âm cực đại, rồi lại trở về 0. Làm thế nào để xác định điện áp thực tế được áp dụng vào mạch?
Cần lưu ý rằng sóng sin 60Hz, 120V có điện áp cực đại là 170V. Nếu điện áp thực tế của nó là 170V, làm sao chúng ta có thể gọi nó là sóng 120V?
Trong một chu kỳ, nó bắt đầu ở 0V, tăng lên 170V, rồi lại giảm xuống 0. Nó tiếp tục giảm xuống -170, rồi lại tăng lên 0. Diện tích của hình chữ nhật màu xanh lá cây có ranh giới trên là 120V bằng tổng diện tích của phần dương và phần âm của đường cong.
Vậy 120V là mức trung bình? Được rồi, nếu chúng ta tính trung bình tất cả các giá trị điện áp tại mỗi điểm trong toàn bộ chu kỳ, kết quả sẽ xấp xỉ 108V, vì vậy nó không thể là đáp án. Vậy tại sao giá trị này được VOM đo ở 120V? Nó liên quan đến cái mà chúng ta gọi là "điện áp hiệu dụng".
Nếu bạn muốn đo nhiệt lượng tỏa ra bởi dòng điện một chiều chạy qua một điện trở, bạn sẽ thấy rằng nhiệt lượng này lớn hơn nhiệt lượng tỏa ra bởi dòng điện xoay chiều tương đương. Điều này là do dòng điện xoay chiều (AC) không duy trì giá trị không đổi trong suốt chu kỳ. Nếu được tiến hành trong điều kiện được kiểm soát trong phòng thí nghiệm, người ta thấy rằng một dòng điện một chiều cụ thể tạo ra nhiệt lượng tăng 100 độ, dẫn đến giá trị AC tương đương tăng 70,7 độ hoặc giá trị DC tăng 70,7%.
Vậy giá trị hiệu dụng của AC bằng 70,7% giá trị hiệu dụng của DC. Ta cũng thấy rằng giá trị hiệu dụng của điện áp AC bằng căn bậc hai của tổng bình phương các điện áp trong nửa đầu của đường cong. Nếu điện áp đỉnh là 1 và cần đo các điện áp khác nhau từ 0 độ đến 180 độ, điện áp hiệu dụng sẽ là điện áp đỉnh từ 0-707 độ. 0,707 lần điện áp đỉnh 170 độ trong hình bằng 120V. Điện áp hiệu dụng này còn được gọi là điện áp RMS hoặc điện áp RMS.
Do đó, điện áp đỉnh luôn bằng 1,414 điện áp hiệu dụng. Dòng điện xoay chiều 230V có điện áp đỉnh là 325V, trong khi dòng điện xoay chiều 460V có điện áp đỉnh là 650V. Ngoài việc thay đổi tần số, ngay cả khi điện áp không phụ thuộc vào tốc độ hoạt động của động cơ xoay chiều, bộ biến tần cũng phải thay đổi điện áp. Hai sóng sin xoay chiều 460V. Đường cong màu đỏ là 60Hz và đường cong màu xanh là 50Hz. Cả hai đều có điện áp đỉnh là 650V, nhưng 50Hz rộng hơn nhiều. Bạn có thể dễ dàng thấy rằng diện tích trong nửa đầu của đường cong 50Hz (0-10ms) lớn hơn nửa đầu của đường cong 60Hz (0-8,3ms). Hơn nữa, vì diện tích dưới đường cong tỷ lệ thuận với điện áp hiệu dụng nên điện áp hiệu dụng của nó cao hơn. Khi tần số giảm, sự gia tăng điện áp hiệu dụng trở nên nghiêm trọng hơn.
Nếu động cơ 460V được phép hoạt động ở mức điện áp cao hơn này, tuổi thọ của chúng có thể bị giảm đáng kể. Do đó, bộ biến tần phải liên tục thay đổi điện áp "đỉnh" so với tần số để duy trì điện áp hiệu dụng không đổi. Tần số hoạt động càng thấp, điện áp đỉnh càng thấp và ngược lại. Bây giờ bạn đã hiểu rõ nguyên lý hoạt động của bộ biến tần và cách điều khiển tốc độ động cơ. Hầu hết các bộ biến tần cho phép người dùng cài đặt tốc độ động cơ thủ công thông qua công tắc đa vị trí hoặc bàn phím, hoặc sử dụng cảm biến (áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, mức chất lỏng, v.v.) để tự động hóa quy trình.