Giới thiệu về các thành phần bên trong và cách đấu dây biến tần VFD
Giới thiệu về các thành phần bên trong và cách đấu dây biến tần VFD
Giới thiệu
Biến tần (VFD) là thiết bị điều khiển điện điều chỉnh tốc độ của động cơ cảm ứng xoay chiều bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp cho động cơ. Nó được sử dụng rộng rãi trong quạt, máy bơm, băng tải, máy công cụ và nhiều ứng dụng công nghiệp khác. VFD cung cấp khả năng điều khiển tốc độ vô cấp và tiết kiệm năng lượng, đồng thời cung cấp chức năng khởi động mềm và bảo vệ quá tải cho động cơ. Để đạt được hoạt động điều chỉnh tốc độ an toàn và đáng tin cậy, các kỹ sư cần hiểu cả các thành phần điện và công suất bên trong của biến tần cũng như cách đấu dây chính xác của mạch chính và các đầu nối điều khiển. Bài viết này giới thiệu các thành phần bên trong chính của biến tần, chức năng của từng nhóm đầu nối và các yêu cầu đấu dây, đồng thời cung cấp các khuyến nghị vận hành theo tiêu chuẩn công nghiệp.
1. Các thành phần bên trong của biến tần
Biến tần (VFD) thường bao gồm bốn bộ phận chính: bộ chỉnh lưu, mạch trung gian DC (bus DC), bộ biến tần và mạch điều khiển, cùng với các thành phần phụ trợ để làm mát, lọc, nạp sơ bộ và bảo vệ.
1.1 Mạch nguồn (chính)
1.1.1 Bộ chỉnh lưu
Bộ chỉnh lưu chuyển đổi nguồn điện xoay chiều tần số cố định đầu vào thành nguồn điện một chiều. Các biến tần đa năng thường sử dụng bộ chỉnh lưu cầu ba pha. Nguồn điện xoay chiều ba pha thường được đưa vào cầu chỉnh lưu thông qua mạng lưới tụ điện giảm xung và điện trở biến đổi, giúp hấp thụ các sóng hài tần số cao và quá áp đột biến từ nguồn điện lưới xoay chiều để bảo vệ biến tần. Đối với nguồn điện ba pha 380V, điện áp ngược tối đa của các thiết bị chỉnh lưu thường là 1200–1600V, và dòng điện chỉnh lưu tối đa khoảng gấp đôi dòng điện định mức của biến tần.
1.1.2 Mạch trung gian DC (Bus DC)
Mạch trung gian DC lọc và làm mịn dòng điện DC xung động do bộ chỉnh lưu tạo ra. Cốt lõi của nó là một dãy các tụ điện phân lớn lưu trữ và làm mịn năng lượng, cung cấp điện áp DC ổn định cho bộ biến tần. Một số bộ điều khiển được trang bị cuộn cảm DC (kết nối qua đầu nối P1) để cải thiện hệ số công suất và giảm sóng hài. Đối với các ứng dụng yêu cầu phanh nhanh hoặc khởi động/dừng thường xuyên, một bộ phanh và điện trở phanh có thể được kết nối với bus DC để tiêu tán năng lượng tái tạo được tạo ra trong quá trình giảm tốc động cơ và ngăn điện áp bus DC tăng quá cao.
1.1.3 Biến tần
Biến tần là mạch lõi của hệ thống truyền động. Nó thường bao gồm sáu thiết bị chuyển mạch nguồn (các hệ thống truyền động hiện đại chủ yếu sử dụng IGBT, Transistor lưỡng cực cổng cách điện) được bố trí theo cầu ba pha. Dưới sự điều khiển của mạch điều khiển, các công tắc mở và đóng theo một trình tự xác định để chuyển đổi nguồn DC trở lại thành đầu ra AC với tần số và điện áp có thể điều chỉnh. Các hệ thống truyền động công suất nhỏ và trung bình thường sử dụng các mô-đun nguồn thông minh tích hợp (IPM) kết hợp các chức năng chỉnh lưu, biến tần, điều khiển, cảm biến và bảo vệ, với tần số chuyển mạch điển hình lên đến 20kHz.
1.2 Mạch điều khiển
Mạch điều khiển nhận lệnh từ bên ngoài và tín hiệu tốc độ tham chiếu, đồng thời phối hợp hoạt động của mạch chính. Nó chủ yếu bao gồm các bộ phận sau:
Bảng điều khiển: dựa trên bộ vi xử lý (CPU/DSP), xử lý tham chiếu tần số, thuật toán điều khiển, quản lý thông số và logic bảo vệ lỗi;
Mạch điều khiển cổng: khuếch đại các tín hiệu điều khiển và chuyển mạch bật/tắt IGBT một cách đáng tin cậy;
Bộ nguồn chuyển mạch: chuyển đổi điện áp bus DC thành nguồn điện áp thấp ổn định cho bo mạch điều khiển và các cảm biến;
Cảm biến dòng điện/điện áp: thường là cảm biến hiệu ứng Hall đo dòng điện đầu ra (thường là hai pha) và điện áp bus DC để điều khiển vòng kín dòng điện và bảo vệ quá dòng/quá áp;
Bàn phím/màn hình: dùng để cài đặt thông số, giám sát tần số và hiển thị lỗi.
1.3 Các thành phần phụ trợ và bảo vệ
Hệ thống làm mát: do các mô-đun IGBT và cầu chỉnh lưu tạo ra lượng nhiệt đáng kể, bộ điều khiển được trang bị quạt làm mát và tản nhiệt để giữ cho các thiết bị nằm trong phạm vi nhiệt độ cho phép;
Bộ lọc và cuộn cảm EMC: triệt tiêu nhiễu điện từ (EMI) và cải thiện dạng sóng dòng điện đầu vào;
Mạch nạp trước/hạn chế dòng khởi động: các tụ điện trên bus DC được nạp thông qua một điện trở hạn chế khi khởi động nguồn lần đầu, và một rơle sẽ bỏ qua điện trở sau khi nạp xong để hạn chế dòng khởi động;
Bộ phận phanh: hoạt động cùng với điện trở phanh để tiêu tán năng lượng tái tạo nhằm hỗ trợ phanh nhanh.
Sơ đồ đấu dây 2 cực của biến tần VFD
Các cực đấu dây của biến tần được chia thành cực đấu dây mạch chính và cực đấu dây điều khiển. Việc xác định chính xác từng cực đấu dây và đấu dây theo đúng thông số kỹ thuật là điều kiện tiên quyết để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định.
2.1 Các đầu nối mạch chính
Bảng dưới đây thể hiện các cực đấu nối thông dụng của mạch điện chính và chức năng của chúng:
Phần cuối | Chức năng |
R, S, T | Các cực đầu vào nguồn điện xoay chiều ba pha |
L, N | Các cực đấu nối nguồn điện cho động cơ một pha 220V. |
U, V, W | Các cực đầu ra AC ba pha, kết nối với động cơ cảm ứng ba pha. |
P+, P- | Các cực đấu nối bus DC dương và âm (dành cho bộ phanh ngoài) |
P+, PB | Các cực đấu nối cho điện trở hãm ngoài |
P+, P1 | Các cực đấu nối cho cuộn cảm DC bên ngoài |
G / PE | Đầu nối tiếp đất |
Yêu cầu đấu dây mạch điện chính:
Chỉ đấu nối nguồn điện đầu vào vào các cực R, S, T (ba pha) hoặc L, N (một pha), và đấu nối động cơ vào các cực đầu ra U, V, W. Tuyệt đối không được đấu nối nguồn điện xoay chiều vào các cực U/V/W, nếu không các linh kiện bên trong bộ điều khiển sẽ bị hư hỏng.
Đầu nối tiếp đất phải được tiếp đất một cách đáng tin cậy. Dây dẫn tiếp đất nên ngắn, dày và có trở kháng thấp, lý tưởng nhất là có kích thước tương đương với dây dẫn nguồn.
Các cực của thanh dẫn DC (P+, P-) và điện trở hãm mang điện áp cao nguy hiểm. Chỉ những người có chuyên môn mới được phép chạm vào chúng, và tuyệt đối không được chạm vào khi đang có điện.
2.2 Các đầu nối điều khiển
Các thiết bị đầu cuối điều khiển nhận các lệnh bên ngoài như khởi động, dừng, tiến/lùi và lựa chọn nhiều tốc độ (đầu vào kỹ thuật số, DI), hoặc tín hiệu tham chiếu tốc độ/tần số (đầu vào tương tự, AI, ví dụ: điện áp 0–10V hoặc dòng điện 4–20mA), và xuất tín hiệu trạng thái hoạt động và lỗi đến PLC hoặc hệ thống máy chủ (đầu ra rơle/transistor, RO). Thông thường cũng có nguồn cấp +24V, một đầu cuối chung COM/0V và một đầu cuối tham chiếu +10V.
2.2.1 Đấu dây đầu vào kỹ thuật số (DI)
Các tín hiệu đầu vào kỹ thuật số thường được điều khiển bằng các tiếp điểm khô. Chế độ đấu dây NPN (hấp thụ) hoặc PNP (nguồn) được chọn bằng tham số. Khi sử dụng nguồn điện 24V bên ngoài, cực âm của nguồn điện bên ngoài cần được nối với cực 0V/COM của bộ điều khiển để thiết lập điện thế chung.
2.2.2 Sơ đồ đấu dây đầu vào tương tự (AI)
Tín hiệu điện áp (0–10V) và tín hiệu dòng điện (0–20mA hoặc 4–20mA) thường dùng chung các cực; loại đầu vào được chọn bằng công tắc DIP và các thông số. Tín hiệu tương tự nên sử dụng cáp xoắn đôi có vỏ bọc chống nhiễu, với lớp vỏ bọc được nối đất ở một đầu để cải thiện khả năng chống nhiễu.
2.2.3 Sơ đồ đấu dây đầu ra rơle/transistor (RO)
Ngõ ra của rơle cung cấp các tín hiệu như đang hoạt động, đạt tốc độ và lỗi. Thông số tiếp điểm điển hình vào khoảng 250VAC/3A hoặc 30VDC/1A; vui lòng tham khảo hướng dẫn sử dụng của từng model cụ thể.
2.3 Các quy tắc và biện pháp phòng ngừa khi đấu dây
Nối đất đáng tin cậy: thiết lập kết nối nối đất trực tiếp giữa bộ điều khiển và động cơ để tránh nhiễu điện từ (EMI) và nhiễu xuyên âm dòng điện tần số cao do nối đất kém.
Cáp chống nhiễu: Nên sử dụng cáp chống nhiễu cho cáp đầu vào và đầu ra động cơ, với điều kiện lớp chống nhiễu phải được nối đất đúng cách.
Tách biệt dây nguồn và dây điều khiển: Dây điều khiển và dây truyền thông không được đi sát và song song với dây nguồn (trên 50V). Nếu việc đi song song là không thể tránh khỏi, hãy giữ khoảng cách càng xa càng tốt (khuyến nghị khoảng 50mm trở lên), và giao nhau ở góc 90° tại những điểm bắt buộc.
Tách riêng dây dẫn đầu vào và đầu ra: giữ cho dây cáp đầu vào của bộ điều khiển tách biệt với dây cáp đầu ra của động cơ để ngăn chặn nhiễu tần số cao PWM truyền vào tín hiệu điều khiển.
An toàn: Tắt nguồn điện đầu vào và chờ cho các tụ điện trên đường dây DC xả hết điện trước khi đấu dây hoặc bảo trì.
3 Câu hỏi thường gặp (FAQ)
Câu 1: Có thể đấu nối nguồn AC vào các cực U, V, W không? Không. R/S/T (hoặc L/N) là các cực đầu vào nguồn và U/V/W là các cực đầu ra của động cơ; đấu nối ngược chiều sẽ làm hỏng bộ điều khiển.
Câu 2: Các cực P+ và P- trên bus DC dùng để làm gì? P+/P- là các cực dương và âm trên bus DC dùng để kết nối bộ hãm phanh ngoài; có thể kết nối điện trở hãm giữa P+ và PB.
Câu 3: Nên sử dụng tín hiệu tham chiếu tương tự trong khoảng 0–10V hay 4–20mA? Cả hai đều được chấp nhận; sự lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu về thiết bị đo lường và điều khiển tại hiện trường, và loại tín hiệu đầu vào cũng như phạm vi tương ứng phải được thiết lập trong các thông số.
Câu 4: Tại sao cần cáp chống nhiễu cho biến tần? Tín hiệu đầu ra của động cơ là điện áp PWM tần số cao; cáp chống nhiễu giúp triệt tiêu nhiễu điện từ (EMI) và ngăn chặn nó làm ảnh hưởng đến tín hiệu điều khiển và các thiết bị khác.
Câu 5: Tại sao phải đợi cho đến khi tụ điện xả hết điện trước khi đấu dây? Các tụ điện phân trên đường dây DC lưu trữ năng lượng điện áp cao và vẫn tích điện sau khi tắt nguồn; việc đợi cho đến khi tụ điện xả hết điện là cần thiết để tránh bị điện giật.
4. Kết luận
Biến tần (VFD) bao gồm bốn bộ phận chính — bộ chỉnh lưu, mạch trung gian DC, bộ biến tần và mạch điều khiển — cùng với các thành phần phụ trợ để làm mát, lọc, nạp sơ bộ và bảo vệ. Việc xác định chính xác các cực mạch chính (R/S/T, U/V/W, P+/P-, PB, P1, G) và các cực điều khiển (DI, AI, RO, +24V/COM, v.v.) và tuân thủ các quy tắc đấu dây như nối đất đáng tin cậy, che chắn và tách biệt dây nguồn và dây điều khiển là chìa khóa để đảm bảo hoạt động an toàn, ổn định và tuổi thọ cao của biến tần.
5 Tài liệu tham khảo
[1] Elecfans, "Bốn thành phần chính và nguyên lý hoạt động của VFD", http://www.elecfans.com/d/1864805.html
[2] Shanghai Jinxin, "Giải thích chi tiết về cấu trúc mạch chính của VFD", https://www.jinxinservice.com/maintainance/2518.html
[3] Shanghai Jinxin, "Cách sử dụng các đầu nối của VFD", http://www.jinxinservice.com/maintainance/2421.html
[4] Trung tâm hỗ trợ công nghiệp Siemens, "Sơ đồ đấu dây MM430" và "Phương pháp đấu dây đầu vào kỹ thuật số", https://www.ad.siemens.com.cn
[5] Eaton, Ghi chú ứng dụng AP040076EN "Các phương pháp thực hành tốt nhất về đấu dây VFD", 2014
[6] ABB, Ghi chú kỹ thuật 138 "Thực tiễn đấu dây biến tần đóng gói tại Bắc Mỹ"
[7] Phase Technologies, "Cấu trúc VFD của bộ truyền động", https://www.phasetechnologies.com/support/educational
[8] Nhiều sách hướng dẫn sử dụng VFD khác nhau (định nghĩa đầu cuối mạch chính: R/S/T, U/V/W, P+/P-, PB, P1, G)
|
| 