Cấu Tạo, Nguyên Lý Và Cách Chọn Biến Tần Cho Motor

Biến tần cho motor là bộ biến đổi tần số (VFD, inverter) chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều bằng cách thay đổi tần số và điện áp cấp vào motor. Lắp biến tần để motor khởi động êm, chạy nhanh chậm theo ý, giảm điện ở bơm và quạt, đồng thời có bảo vệ quá dòng, quá áp, mất pha. Chọn biến tần đúng dựa trên ba thứ: điện áp nguồn có sẵn (1 pha 220V hay 3 pha 380V), dòng định mức trên tem motor và kiểu tải (nhẹ, trung bình hay nặng).

1) Biến tần là gì, vì sao chỉnh được tốc độ motor

Biến tần có nhiều tên gọi: inverter, VFD (Variable Frequency Drive), VSD (Variable Speed Drive) hay VVVF (biến đổi điện áp và tần số). Bản chất là một thiết bị điện tử công suất nhận điện lưới tần số cố định 50Hz rồi tạo ra điện 3 pha có tần số thay đổi, thường từ 0 đến 50Hz, nhiều dòng cho phép tới 400Hz hoặc hơn.

Tốc độ motor không đồng bộ tính theo công thức n = 60 × f × (1 − s) / p, trong đó f là tần số, p là số đôi cực, s là hệ số trượt. Đổi số cực thì phải dùng motor nhiều cấp tốc độ, chỉ có vài nấc cố định. Đổi hệ số trượt (thêm điện trở rotor) chỉ làm được với motor rotor dây quấn và gây tổn hao lớn. Đổi tần số là cách gọn nhất: motor 4 cực chạy 50Hz khoảng 1.450 vòng/phút, hạ xuống 25Hz còn khoảng 720 vòng/phút.

2) Cấu tạo biến tần

• Khối chỉnh lưu: cầu diode biến điện xoay chiều đầu vào (1 pha hoặc 3 pha) thành điện một chiều. Với nguồn 380V, điện áp DC bus khoảng 530–540V; nguồn 220V khoảng 310V.
• Khối lọc DC: dàn tụ hóa lớn làm phẳng điện áp, kèm cuộn kháng DC ở các máy công suất lớn để giảm sóng hài.
• Khối nghịch lưu IGBT: 6 van IGBT đóng cắt với tần số sóng mang 2–16kHz, điều chế độ rộng xung (PWM) tạo điện áp 3 pha có tần số và biên độ thay đổi.
• Mạch điều khiển: vi xử lý, bàn phím, màn hình, các chân tín hiệu vào ra, cổng truyền thông RS485/Modbus.
• Phụ kiện lắp thêm: điện trở hãm (xả năng lượng khi dừng nhanh, tải nâng hạ), cuộn kháng AC đầu vào, bộ lọc EMC, cuộn kháng đầu ra khi cáp motor dài.

3) Nguyên lý hoạt động của biến tần

Điện lưới vào được chỉnh lưu thành DC rồi nạp vào dàn tụ. Từ điện áp DC này, khối IGBT băm thành chuỗi xung có độ rộng thay đổi theo hình sin; cuộn dây motor có điện cảm nên dòng điện qua nó gần như hình sin với tần số do biến tần quyết định. Biến tần giữ tỉ số điện áp trên tần số (V/f) gần như không đổi: ở 50Hz cấp 380V, ở 25Hz cấp khoảng 190V, để từ thông trong motor ổn định, momen không bị tụt.

Các biến tần đời mới có thêm chế độ vector không cảm biến (sensorless vector): biến tần tự đo thông số motor (auto-tuning) rồi tính toán để giữ momen tốt ở tốc độ thấp, hữu ích cho băng tải, máy trộn, máy khuấy chạy chậm mà vẫn nặng tải.

4) Phân loại biến tần

a) Theo nguồn vào và nguồn ra

• Biến tần 1 pha 220V vào, 3 pha 220V ra: dùng cho nhà chỉ có điện 1 pha, motor 3 pha phải đấu tam giác 220V (tem 220/380V). Phổ biến tới khoảng 2.2kW, một số hãng làm tới 4kW.
• Biến tần 3 pha 380V vào, 3 pha 380V ra: loại thông dụng nhất cho xưởng, từ 0.75kW đến hàng trăm kW.
• Biến tần 1 pha vào 1 pha ra: dùng riêng cho một số bơm, quạt 1 pha; ít phổ biến và hạn chế với motor có tụ đề.

b) Theo kiểu tải

• Tải nhẹ (quạt, bơm ly tâm): momen tăng theo bình phương tốc độ, chịu quá tải khoảng 110–120% trong 60 giây.
• Tải trung bình và tải nặng (băng tải, máy trộn, máy nén piston, cầu trục, máy ép): cần biến tần chịu 150% trong 60 giây, có loại 200% trong vài giây.

c) Biến tần chuyên dụng

Có dòng biến tần riêng cho bơm (có sẵn PID giữ áp, chế độ ngủ khi không dùng nước), cho quạt và điều hòa, cho thang máy, cho cẩu trục, cho máy làm nhang, cho bơm năng lượng mặt trời. Biến tần chuyên dụng cài đặt ít bước hơn, giá thường mềm hơn biến tần đa năng cùng công suất.

5) Dòng điện, điện áp và cách chọn công suất biến tần

a) Chọn theo điện áp và cách đấu motor

• Motor tem 220/380V, nhà có điện 1 pha: đấu tam giác, dùng biến tần 1 pha 220V vào – 3 pha 220V ra.
• Motor tem 220/380V, xưởng có 3 pha 380V: đấu sao, dùng biến tần 3 pha 380V.
• Motor tem 380/660V (thường từ khoảng 4kW trở lên): đấu tam giác, dùng biến tần 3 pha 380V.
• Motor tem 127/220V (hàng cũ): đấu sao vào biến tần ra 3 pha 220V.

b) Chọn theo dòng định mức

Thợ lâu năm chọn biến tần theo ampe chứ không chỉ theo kW: dòng định mức đầu ra của biến tần phải lớn hơn hoặc bằng dòng ghi trên tem motor. Motor cũ quấn lại, motor 6–8 cực thường có dòng cao hơn motor 4 cực cùng công suất nên hay phải lên biến tần một cấp.

• Dòng trên là trung bình motor 4 cực đầy tải; luôn ưu tiên con số trên tem máy.
• Cáp từ biến tần tới motor dài trên khoảng 50m nên tính thêm cuộn kháng đầu ra.
• Biến tần đặt trong tủ nóng trên 40°C, nơi cao trên 1.000m phải giảm tải theo tài liệu của hãng.

6) Sơ đồ đấu dây biến tần

Ký hiệu chân mỗi hãng khác nhau đôi chút nhưng sơ đồ cơ bản giống nhau. Phần động lực: nguồn vào chân R/S/T (hoặc L/N với 1 pha) qua aptomat, đầu ra U/V/W nối thẳng tới motor, tiếp địa PE nối chung vỏ biến tần và vỏ motor. Tuyệt đối không lắp khởi động từ đóng cắt giữa biến tần và motor khi đang chạy.

• AVI/AI, ACI, 10V, AGND: ngõ vào analog, gắn biến trở 10kΩ hoặc tín hiệu 0–10V, 4–20mA để chỉnh tần số.
• Multi-function input (DI1, DI2…): chân lệnh chạy thuận, chạy nghịch, dừng, chọn cấp tốc độ, nối với nút nhấn hoặc PLC.
• RA, RB, RC: tiếp điểm relay báo lỗi hoặc báo đang chạy.
• AO – AGND: ngõ ra analog 0–10V để gắn đồng hồ hiển thị tốc độ, dòng điện.
• RS485 (A+, B−): truyền thông Modbus với PLC, HMI hoặc máy tính để đọc và cài thông số từ xa.

Dây động lực vào và ra chọn theo dòng biến tần, xem thêm bảng tra tiết diện dây dẫn cho motor.

7) Motor biến tần YVP, YVF và tốc độ theo tần số

Motor biến tần (YVP, YVF) là motor 3 pha rotor lồng sóc thiết kế để chạy dải tần rộng: cuộn dây cách điện tăng cường chịu xung điện áp từ IGBT, có quạt làm mát cưỡng bức chạy bằng motor riêng ở đuôi nên khi chạy chậm 5–10Hz motor vẫn được giải nhiệt đủ. Motor thường tự làm mát bằng quạt gắn trên cốt, chạy dưới khoảng 25–30Hz lâu dài với tải nặng sẽ nóng do quạt quay chậm.

Momen định mức tham khảo của motor biến tần 4 cực trong dải 5–50Hz (vùng momen không đổi): 0.75kW khoảng 4,7Nm (dòng 2A), 1.5kW khoảng 9,5Nm (3,7A), 2.2kW khoảng 14Nm (5,1A), 4kW khoảng 25,4Nm (8,7A), 5.5kW khoảng 35Nm (11,4A), 7.5kW khoảng 47,7Nm (15,3A), 11kW khoảng 70Nm (22,1A), 15kW khoảng 95,5Nm (30,1A). Trên 50Hz là vùng công suất không đổi, momen giảm tỉ lệ nghịch với tần số. Loại motor chạy dải 50–100Hz có giá cao hơn do yêu cầu cân bằng động và bạc đạn tốc độ cao.

8) Ứng dụng của biến tần

Biến tần cho máy bơm nước giữ áp ổn định ở nhà cao tầng, khách sạn, hệ tưới; biến tần cho quạt hút, quạt thông gió chuồng trại; biến tần cho động cơ giảm tốc kéo băng tải, máy trộn, máy khuấy, máy cán; biến tần cho máy nén khí trục vít; biến tần cho cẩu trục, palăng, thang máy; biến tần cho máy dệt, máy se sợi, máy làm nhang, máy ép viên; biến tần 1 pha ra 3 pha 220V để chạy motor 3 pha ở nhà dân chỉ có điện 1 pha. Ở bơm và quạt, giảm tốc độ 20% có thể giảm khoảng 45–50% điện năng nhờ quan hệ công suất bậc ba theo tốc độ.

9) Ưu điểm và nhược điểm khi dùng biến tần

• Ưu điểm: dòng khởi động chỉ khoảng 1,2–1,5 lần định mức thay vì 5–7 lần khi đóng trực tiếp; chỉnh tốc độ vô cấp; dừng mềm hạn chế va đập nước (búa nước) ở đường ống bơm; bảo vệ motor quá dòng, quá áp, thấp áp, mất pha; tiết kiệm điện rõ ở tải bơm, quạt; giảm mòn bánh răng, dây curoa, khớp nối nhờ tăng tốc từ từ.
• Nhược điểm: giá đầu tư cao hơn khởi động từ; sinh sóng hài, nhiễu lên lưới và các thiết bị đo đạc gần đó; cần tủ thoáng, sạch; motor tự làm mát chạy chậm lâu dài bị nóng; cáp motor dài dễ sinh quá áp đầu cực, hỏng cách điện cuộn dây đời cũ.

10) Lưu ý khi lắp đặt và vận hành biến tần

• Đặt biến tần ở chỗ khô, ít bụi, tránh nắng mưa và hơi hóa chất; nhiệt độ quanh biến tần thường cho phép tới khoảng 40°C, trên đó phải giảm tải.
• Tủ điện có quạt hút gió và lọc bụi, chừa khoảng trống trên dưới biến tần ít nhất 10–15cm cho gió lưu thông.
• Tiếp địa chắc chắn cho vỏ biến tần và vỏ motor; dây tín hiệu đi riêng, dùng cáp có vỏ chống nhiễu.
• Sau khi cắt điện, đợi đèn báo DC bus tắt (thường 5–10 phút) mới mở nắp, vì tụ còn tích điện vài trăm volt.
• Vệ sinh tản nhiệt, kiểm tra quạt làm mát biến tần mỗi 6–12 tháng; tụ DC thường xuống cấp sau khoảng 5–7 năm chạy liên tục.

Các bước cài đặt cơ bản: nhập thông số tem motor (công suất, điện áp, dòng, tần số, tốc độ), chọn nguồn lệnh chạy (bàn phím hay chân DI), chọn nguồn tần số (bàn phím, biến trở, analog), cài thời gian tăng tốc và giảm tốc, cài tần số lớn nhất và nhỏ nhất, chạy auto-tuning nếu dùng chế độ vector, cuối cùng chạy thử không tải rồi có tải. Các hãng biến tần phổ biến ở Việt Nam gồm ABB, Danfoss, Siemens, Schneider, Mitsubishi, Yaskawa, Delta, Inovance, INVT.

11) Câu hỏi thường gặp về biến tần cho motor

a) Người sắp mua biến tần cần hỏi gì, xác minh gì

• Cần mang theo thông tin gì khi đi hỏi mua biến tần? Chụp tem motor (công suất, điện áp, dòng, số cực), cho biết nguồn điện đang có là 1 pha 220V hay 3 pha 380V, motor kéo tải gì (bơm, quạt, băng tải, máy trộn, cẩu). Chỉ nói "biến tần 2.2kW" thì người bán dễ đưa loại tải nhẹ trong khi máy của bạn là máy trộn bê tông cần tải nặng.
• Xem gì trên tem biến tần? Tem đầu vào (Input) ghi số pha, điện áp, dòng vào; tem đầu ra (Output) ghi điện áp, dải tần số và quan trọng nhất là dòng ra định mức. Nhiều biến tần ghi hai mức: dòng tải nặng (HD) và dòng tải nhẹ (ND). So dòng ra với dòng tem motor để xác nhận đủ công suất.
• Biến tần 1 pha ra 3 pha có chạy được motor 3 pha 380V không? Chạy được nếu motor có tem 220/380V và bạn đổi cầu đấu sang tam giác. Motor tem 380/660V thì cuộn dây chỉ chịu 380V khi đấu tam giác, cấp 220V sẽ yếu, dòng cao; trường hợp này dùng biến tần 1 pha vào 3 pha 380V ra (loại có mạch nâng áp) hoặc kéo điện 3 pha.
• Làm sao nhận ra biến tần không đúng như quảng cáo? Biến tần ghi 7.5kW mà khối lượng, kích thước nhỏ hơn hẳn máy cùng công suất của các hãng phổ biến, tản nhiệt mỏng, quạt nhỏ, dòng ra trên tem thấp hơn 15A ở 380V là dấu hiệu bị nâng công suất. Hỏi rõ thời gian bảo hành, tài liệu tiếng Việt hoặc tiếng Anh có bảng mã lỗi.
• Giá biến tần khoảng bao nhiêu? Theo giá trung bình thị trường Việt Nam, biến tần 0.75–2.2kW hàng phổ thông khoảng từ một đến vài triệu đồng, hàng thương hiệu Nhật, châu Âu cao hơn khoảng 1,5–3 lần. Mức chênh đến từ chất lượng IGBT, tụ, khả năng chịu quá tải, độ ổn định ở tốc độ thấp và hỗ trợ kỹ thuật.

b) Người đã mua biến tần: lắp cho đúng, dùng cho tiết kiệm điện

• Đấu nguồn vào nhầm chân U/V/W có sao không? Có, đây là lỗi làm nổ IGBT gần như ngay lập tức. Nguồn luôn vào R/S/T (hoặc L/N), motor ra U/V/W. Trước khi đóng điện lần đầu, đọc lại nhãn in cạnh hàng đấu dây và đo kiểm bằng đồng hồ.
• Cài thông số nào trước tiên? Nhập đúng thông số tem motor, đặc biệt dòng định mức để biến tần bảo vệ quá tải chính xác. Tiếp đó cài thời gian tăng tốc: bơm, máy trộn nhỏ 5–10 giây; quạt cánh lớn 20–60 giây; cài tần số tối thiểu 20–25Hz với bơm để tránh chạy không lên nước.
• Muốn đảo chiều motor qua biến tần thì làm gì? Chỉ cần đổi lệnh chạy nghịch (nút REV hoặc chân DI chạy nghịch) hoặc đổi tham số chiều quay. Không cần đổi dây U/V/W, cũng không cần khởi động từ đảo chiều như mạch cũ.
• Làm sao cho biến tần chạy tiết kiệm điện? Với bơm, quạt chọn đường đặc tính V/f bậc hai hoặc chế độ tiết kiệm năng lượng; dùng PID giữ áp với bơm tăng áp thay vì chạy cố định 50Hz. Giảm từ 50Hz xuống 45Hz đã tiết kiệm khoảng 25% điện ở tải quạt, bơm.
• Biến tần báo lỗi quá dòng (OC) khi khởi động thì xử lý ra sao? Tăng thời gian tăng tốc, kiểm tra tải có bị kẹt, tăng nhẹ torque boost nếu tải nặng lúc đầu. Nếu báo OC ngay khi bấm chạy dù tải nhẹ, tháo dây motor ra chạy thử biến tần không tải; vẫn lỗi là hỏng module IGBT, hết lỗi thì đo cách điện motor và cáp.

c) Các lỗi thường mắc khi dùng biến tần và cách chỉnh sửa

• Lắp khởi động từ hoặc CB giữa biến tần và motor, đóng cắt khi biến tần đang xuất điện: dễ gây xung áp, báo lỗi hoặc cháy IGBT. Cách sửa: dùng lệnh dừng của biến tần trước, chỉ cắt mạch đầu ra khi biến tần đã dừng hẳn; khóa liên động bằng tiếp điểm relay của biến tần nếu bắt buộc phải có công tắc tơ đầu ra.
• Không đấu điện trở hãm cho tải quán tính lớn: khi dừng nhanh quạt lớn, máy ly tâm, cẩu hạ hàng, biến tần báo quá áp DC bus (OV). Cách sửa: tăng thời gian giảm tốc, hoặc gắn điện trở hãm đúng giá trị ohm và công suất theo tài liệu của biến tần.
• Chạy motor thường ở tần số thấp kéo dài: motor nóng, mùi vecni, cuối cùng là cháy cuộn dù dòng đo được không vượt tem. Cách sửa: giới hạn tần số tối thiểu khoảng 25–30Hz với tải nặng, lắp quạt làm mát cưỡng bức, hoặc dùng hộp giảm tốc để motor chạy gần 50Hz.
• Chọn biến tần theo kW mà quên dòng: motor 6 cực 5.5kW dòng khoảng 12,6A nhưng biến tần 5.5kW tải nặng có thể chỉ cho 13A, sát ngưỡng nên hay nhảy quá tải. Cách sửa: thay biến tần lên một cấp hoặc chọn theo dòng tải nặng có dư 10%.
• Để dây tín hiệu đi chung máng với cáp động lực: tốc độ dao động, biến trở chỉnh không ăn, cảm biến áp báo sai. Cách sửa: tách dây tín hiệu ra máng riêng, dùng cáp chống nhiễu nối đất một đầu, lắp lõi ferit ở đầu ra nếu cần.

d) Dành cho sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước về biến tần

• Những khái niệm nào cần nắm trước? Tốc độ đồng bộ, hệ số trượt, quan hệ V/f, momen không đổi và công suất không đổi, momen bậc hai của bơm quạt, dòng khởi động, cách đấu sao – tam giác, cấp cách điện F, chỉnh lưu, PWM, IGBT, sóng hài. Có những khái niệm này thì đọc tài liệu biến tần hãng nào cũng hiểu.
• Nên tìm hiểu thiết bị nào trước khi học biến tần? Học motor 3 pha rotor lồng sóc và mạch khởi động từ, sao – tam giác trước. Sau đó mới tới biến tần điều khiển V/f, rồi tới vector, servo. Bài so sánh rotor dây quấn và rotor lồng sóc giúp hiểu vì sao biến tần thay thế được cách khởi động bằng điện trở rotor ngày trước.
• Thứ tự thực hành hợp lý? Đấu một biến tần nhỏ 0.75kW với motor 0.75kW, chạy bằng bàn phím; tiếp theo điều khiển bằng nút nhấn qua chân DI và biến trở; rồi cài nhiều cấp tốc độ; sau đó PID với cảm biến áp 4–20mA; cuối cùng là Modbus RS485 với PLC.
• Tự kiểm chứng bằng đồng hồ đo thế nào? Đo điện áp đầu ra biến tần bằng đồng hồ thường sẽ ra số sai lệch do xung PWM; dùng đồng hồ có chức năng đo VFD hoặc đọc giá trị trên màn hình biến tần. Ampe kìm đo dòng motor ở 50Hz, 40Hz, 30Hz với tải bơm sẽ thấy dòng giảm nhanh khi tần số giảm, đúng như định luật bậc ba.
• Đọc thêm ở đâu cho có hệ thống? Thư mục kỹ thuật motor điện có các bài nền tảng về motor, dây dẫn, tụ điện, khớp nối. Đọc kèm tài liệu hướng dẫn của một hãng biến tần cụ thể, so từng tham số với kiến thức lý thuyết là cách học nhanh nhất.

Nội dung liên quan:

Biến Tần Điều Khiển Tốc Độ Motor 3 Pha, Lợi Ích, Khái Niệm

Motor Điện 3 Pha Xuất Khẩu Châu Âu, Cấu Tạo, Ký Hiệu, Tiêu Chuẩn Thiết Kế

Động Cơ Parma, Thương Hiệu Bán Chạy Nhất Việt Nam, Quy Mô Tập Đoàn

Cách Đấu Điện Motor 1 Pha, Đấu tụ, Đảo Chiều Tùy Ý

Giá Motor 3 Pha Hitachi Toshiba Mitsu Nhật, ABB, Siemens Đức, Giá Quấn Lại Motor Toàn Quốc