Biến tần gồm những bộ phận nào? Cấu tạo và chức năng

Biến tần xoay chiều thông dụng gồm bốn khối chức năng chính: khối chỉnh lưu, mạch DC trung gian, khối nghịch lưu và bộ điều khiển. Bên cạnh đó là các mạch hỗ trợ như nguồn phụ, mạch kích công suất, mạch đo lường, mạch nạp ban đầu và hệ thống làm mát.

Mỗi bộ phận đảm nhận một nhiệm vụ: tiếp nhận điện từ nguồn, biến đổi và tích trữ năng lượng, tạo điện áp đầu ra hoặc xử lý lệnh điều khiển động cơ.

Hiểu cấu tạo biến tần giúp người sử dụng nhận biết thiết bị, đọc tài liệu và trao đổi thông tin chính xác hơn khi bảo trì hoặc xử lý sự cố. Bài viết dưới đây trình bày từng khối theo ba nội dung: chức năng, đặc điểm nhận biết và những điểm dễ nhầm lẫn.

Mục lục

1. Tổng quan các bộ phận chính của biến tần

2. Khối chỉnh lưu: Tiếp nhận và biến đổi nguồn điện

3. Mạch DC trung gian: Lọc và tích trữ năng lượng

4. Khối nghịch lưu: Tạo điện áp điều khiển động cơ

5. Bộ điều khiển: Xử lý lệnh và giám sát hoạt động

6. Các bộ phận hỗ trợ trong biến tần

7. Cách nhận biết và lưu ý khi kiểm tra

8. Tư vấn, kiểm tra biến tần tại NIHACO

1. Tổng quan các bộ phận chính của biến tần

Hai nhóm chức năng cần phân biệt

Khi tìm hiểu cấu tạo biến tần, có thể chia thành hai nhóm:

• Phần công suất: Tiếp nhận và biến đổi điện năng để cấp cho động cơ.

• Phần điều khiển: Xử lý lệnh, tính toán và giám sát quá trình vận hành.

Trong cấu trúc thông dụng, phần công suất gồm khối chỉnh lưu, mạch DC trung gian và khối nghịch lưu. Bộ điều khiển phối hợp với các mạch đo và mạch kích để điều khiển hoạt động của tầng công suất.

Bộ phận chính	Chức năng	Cách hiểu ngắn gọn
Khối chỉnh lưu	Chuyển điện xoay chiều đầu vào thành điện một chiều	Biến đổi nguồn điện đầu vào
Mạch DC trung gian	Lọc, tích trữ và truyền năng lượng	Liên kết chỉnh lưu với nghịch lưu
Khối nghịch lưu	Tạo điện áp đầu ra điều khiển động cơ	Đóng cắt công suất theo yêu cầu
Bộ điều khiển	Xử lý lệnh và tín hiệu phản hồi	Tính toán, điều phối hoạt động

Bốn khối chức năng không đồng nghĩa bốn bo mạch

Một biến tần có thể tích hợp nhiều chức năng trên cùng bo mạch hoặc module. Ngược lại, một chức năng cũng có thể được phân chia trên nhiều cụm.

Vì vậy, không nên xác định cấu tạo chỉ bằng cách đếm số bo bên trong.

Bài viết tập trung vào biến tần xoay chiều có mạch DC trung gian thông dụng. Các thiết kế chuyên biệt có thể sử dụng cấu trúc khác.

Nếu cần tìm hiểu khái niệm tổng quát, bạn có thể đọc thêm Biến tần là gì?.

2. Khối chỉnh lưu: Tiếp nhận và biến đổi nguồn điện

Khối chỉnh lưu làm nhiệm vụ gì?

Khối chỉnh lưu nằm trên đường công suất phía đầu vào. Nhiệm vụ của khối này là chuyển điện xoay chiều từ nguồn cấp thành điện một chiều để đưa đến mạch trung gian.

Ở biến tần dùng cầu diode, các diode dẫn theo điện áp nguồn để tạo điện áp một chiều còn nhấp nhô. Nguồn điện này tiếp tục được xử lý tại mạch DC trước khi cấp cho khối nghịch lưu.

Nhận biết khối chỉnh lưu

Tùy thiết kế, khối chỉnh lưu có thể sử dụng:

• Các diode công suất riêng lẻ.

• Module cầu chỉnh lưu.

• Module tích hợp chỉnh lưu với những phần công suất khác.

Khi nhận biết, kỹ thuật viên cần đối chiếu mã linh kiện, sơ đồ chân và đường kết nối từ đầu vào nguồn đến mạch DC.

Không phải module công suất nào gắn trên tản nhiệt cũng là IGBT. Hình dáng bên ngoài có thể tương tự nhưng chức năng bên trong khác nhau.

Có phải mọi biến tần đều dùng cầu diode?

Không. Một số hệ truyền động sử dụng tầng nguồn có điều khiển hoặc cấu hình chỉnh lưu tích cực.

Do đó, việc xác định linh kiện và phương pháp kiểm tra phải dựa vào tài liệu của đúng thiết bị. Không áp dụng sơ đồ chỉnh lưu diode cho mọi biến tần.

3. Mạch DC trung gian: Lọc và tích trữ năng lượng

Mạch DC nằm ở đâu?

Mạch DC trung gian, thường gọi là DC link hoặc DC bus, nằm giữa khối chỉnh lưu và khối nghịch lưu.

Đây là phần liên kết năng lượng giữa hai tầng công suất. Tụ điện trên mạch DC giúp hạn chế dao động điện áp và đáp ứng nhu cầu năng lượng trong quá trình đóng cắt.

Các thành phần thường gặp

Tụ điện DC: Đảm nhận vai trò tích trữ năng lượng và lọc điện áp. Tụ có thể được bố trí thành một cụm theo thiết kế.

Thanh dẫn hoặc đường mạch DC: Kết nối các phần công suất và cụm tụ.

Cuộn kháng DC: Có mặt ở một số cấu hình để đáp ứng yêu cầu lọc và đặc tính điện của hệ thống.

Số lượng linh kiện, dung lượng tụ và cách bố trí phụ thuộc dòng máy. Không nên đánh giá chất lượng thiết bị chỉ bằng số tụ hoặc kích thước cụm tụ.

Cách nhận biết cụm tụ DC

Nhiều biến tần sử dụng tụ điện phân hình trụ nên bộ phận này khá dễ quan sát. Tuy nhiên, cũng có thiết kế dùng tụ màng hoặc cấu trúc mạch DC khác.

Khi nhận diện cần đọc thông số trên linh kiện và đối chiếu với vị trí kết nối. Không mặc định mọi tụ lớn bên trong đều có cùng chức năng.

Vì sao ngắt điện rồi vẫn cần thận trọng?

Tụ DC có thể còn tích điện sau khi ngắt nguồn. Màn hình tắt hoặc đèn báo tắt không chứng minh mạch bên trong đã hết điện.

Việc kiểm tra nội bộ cần do người có chuyên môn thực hiện: cô lập các nguồn cấp, chờ theo hướng dẫn đúng model và xác nhận điện áp theo quy trình của nhà sản xuất. Thời gian chờ không giống nhau cho mọi thiết bị.

4. Khối nghịch lưu: Tạo điện áp điều khiển động cơ

Khối nghịch lưu dùng để làm gì?

Khối nghịch lưu sử dụng nguồn một chiều từ mạch DC để tạo điện áp đầu ra cấp cho động cơ.

Trong nhiều biến tần, các linh kiện công suất đóng cắt theo phương pháp điều chế độ rộng xung, gọi là PWM. Quá trình này cho phép điều chỉnh tần số cơ bản và điện áp đầu ra theo yêu cầu điều khiển.

Linh kiện thường gặp trong khối nghịch lưu

IGBT là linh kiện thường được sử dụng trong tầng nghịch lưu của biến tần công nghiệp. Tùy công nghệ và dải công suất, nhà sản xuất có thể lựa chọn giải pháp bán dẫn khác.

Linh kiện có thể ở dạng rời hoặc module, thường được bố trí để truyền nhiệt tới đế tản nhiệt.

Để nhận biết đúng, cần xem mã linh kiện và tài liệu. Một module có thể tích hợp nhiều phần tử bên trong, không nhất thiết chỉ chứa một IGBT.

Phân biệt IGBT, mạch kích và bộ điều khiển

Ba bộ phận này liên quan nhưng đảm nhận nhiệm vụ khác nhau:

Thành phần	Nhiệm vụ
Bộ điều khiển	Tính toán yêu cầu điều khiển
Mạch kích công suất	Tạo tín hiệu điều khiển phù hợp cho linh kiện
IGBT hoặc linh kiện công suất tương ứng	Thực hiện đóng cắt dòng điện

Vì vậy, khi tầng công suất có sự cố, việc kiểm tra không nên chỉ dừng ở linh kiện bị hỏng. Các mạch liên quan cũng cần được đánh giá.

Điện áp đầu ra khác điện lưới thế nào?

Điện áp đầu ra PWM có dạng xung, khác điện áp hình sin của nguồn lưới. Việc đo kiểm cần sử dụng thiết bị và phương pháp phù hợp.

Tìm hiểu cách thiết bị được ứng dụng vào máy tại bài Biến tần dùng để làm gì?.

5. Bộ điều khiển: Xử lý lệnh và giám sát hoạt động

Những công việc của bộ điều khiển

Bộ điều khiển tiếp nhận yêu cầu vận hành và phối hợp các mạch để điều khiển động cơ.

Các nhiệm vụ thường gồm:

• Nhận lệnh chạy, dừng và giá trị đặt.

• Xử lý thuật toán điều khiển.

• Theo dõi tín hiệu phản hồi.

• Quản lý tham số và trạng thái.

• Thực hiện các chức năng giám sát, bảo vệ theo thiết kế.

Tùy model, thiết bị còn có thể hỗ trợ truyền thông, xử lý tín hiệu cảm biến hoặc các chức năng ứng dụng.

Bộ điều khiển khác bàn phím ở điểm nào?

Bàn phím và màn hình là giao diện để người sử dụng nhập thông số, thao tác và xem trạng thái.

Bộ điều khiển thực hiện việc xử lý bên trong. Hai phần có thể kết nối với nhau nhưng không phải một khái niệm.

Do đó, màn hình không sáng chưa đủ để kết luận bộ điều khiển bị hỏng. Cần kiểm tra thêm nguồn cấp, kết nối và phần giao diện.

Vai trò của mạch đo lường

Các tín hiệu dòng điện, điện áp hoặc nhiệt độ giúp thiết bị theo dõi điều kiện làm việc. Dữ liệu đo có thể phục vụ cả điều khiển và bảo vệ.

Loại cảm biến, vị trí đo và cách xử lý phụ thuộc thiết kế. Biến tần có thể sử dụng cảm biến Hall, điện trở shunt hoặc phương án khác; không phải mọi thiết bị đều có cấu trúc đo giống nhau.

6. Các bộ phận hỗ trợ trong biến tần

Nguồn phụ

Nguồn phụ tạo các mức điện áp phục vụ bo điều khiển, mạch kích, quạt và những phần khác.

Đây là bộ phận hỗ trợ hoạt động bên trong, khác với đường công suất chính cấp cho động cơ.

Mạch nạp ban đầu

Khi cấp nguồn, cụm tụ DC cần được nạp điện. Nhiều thiết kế sử dụng mạch hạn chế dòng nạp ban đầu, chẳng hạn điện trở kết hợp relay nối tắt sau giai đoạn nạp.

Điện trở nạp và điện trở hãm không có cùng nhiệm vụ. Cần xác định theo sơ đồ, không chỉ dựa vào hình dáng linh kiện.

Mạch hãm và điện trở hãm

Trong cấu hình hãm bằng điện trở, bộ đóng cắt hãm phối hợp với điện trở để xử lý năng lượng theo thiết kế.

Một số biến tần tích hợp bộ đóng cắt hãm, một số cần bộ ngoài hoặc sử dụng phương án khác. Điện trở hãm cũng có thể là phụ kiện lắp ngoài thiết bị.

Không mặc định mọi biến tần đều có sẵn hoặc dùng được cùng một bộ phụ kiện hãm.

Hệ thống làm mát

Đế tản nhiệt, đường gió và quạt giúp đưa nhiệt ra khỏi thiết bị. Một số dòng nhỏ có thể không dùng quạt; những dòng khác có phương án làm mát riêng.

Khi bảo trì, cần quan tâm bụi bẩn, tình trạng quạt, đường lưu thông khí và nhiệt độ môi trường.

Cổng kết nối

Các nhóm kết nối thường gồm nguồn vào, động cơ, tín hiệu điều khiển và truyền thông. Một số thiết bị có thêm kết nối DC hoặc phụ kiện.

Tên chân, chức năng và giới hạn điện phải được đối chiếu theo tài liệu của đúng model.

7. Cách nhận biết và lưu ý khi kiểm tra

Đọc mã thiết bị trước khi nhận diện linh kiện

Trước tiên cần xác định hãng, model, điện áp và dải công suất. Những thông tin này giúp tìm đúng tài liệu và tránh nhầm giữa các phiên bản có hình thức tương tự.

Khi quan sát linh kiện, nên đối chiếu đồng thời mã linh kiện, vị trí kết nối và chức năng trên sơ đồ.

Dùng ký hiệu đầu nối để tham khảo đúng cách

Nhóm đầu nối	Ký hiệu thường gặp	Điều cần lưu ý
Nguồn đầu vào	R/S/T hoặc L1/L2/L3	Đối chiếu điện áp và số pha
Động cơ đầu ra	U/V/W hoặc U2/V2/W2	Không nhầm với đầu vào nguồn
Mạch DC	P/N, +/− hoặc ký hiệu riêng	Có thể còn điện áp sau khi ngắt nguồn
Tín hiệu điều khiển	DI, AI, COM hoặc tên riêng	Kiểm tra chức năng và mức điện cho phép

Bảng chỉ giúp nhận diện nhóm ký hiệu, không thay thế sơ đồ đấu nối.

Không xác định hư hỏng chỉ bằng hình thức

Linh kiện cháy, phồng hoặc đổi màu là dấu hiệu cần kiểm tra, nhưng bên ngoài bình thường không chứng minh linh kiện còn tốt.

Tương tự, một mã quá dòng, thấp áp hay quá nhiệt có thể liên quan đến nhiều nguyên nhân. Cần kết hợp mã lỗi với thời điểm phát sinh, tình trạng tải và kết quả đo kiểm.

Giữ lại thông tin trước khi sửa chữa

Khi thiết bị gặp sự cố, nên ghi lại:

• Mã lỗi và điều kiện xuất hiện.

• Ảnh nhãn thiết bị.

• Thông tin động cơ, loại máy.

• Các thay đổi hoặc lần sửa chữa gần đây.

• Tham số hiện tại nếu có thể sao lưu đúng cách.

Những dữ liệu này giúp quá trình kiểm tra có cơ sở hơn.

Tham khảo thêm các nguyên nhân gây hư hỏng biến tần.

8. Tư vấn, kiểm tra biến tần tại NIHACO

NIHACO tiếp nhận nhu cầu kiểm tra, sửa chữa, cài đặt và thay thế biến tần cho hệ thống máy công nghiệp.

Khi liên hệ, khách hàng nên gửi ảnh nhãn thiết bị, mã lỗi, thông số động cơ và mô tả thời điểm xảy ra bất thường: lúc cấp nguồn, khởi động, chạy tải hay giảm tốc.

Phương án xử lý cần dựa trên tình trạng thực tế của thiết bị và yêu cầu vận hành của máy. Trường hợp thay thế biến tần, cần đối chiếu cả thông số điện, đặc tính tải và phương thức điều khiển.

Bạn có thể tham khảo:

• • Dịch vụ sửa chữa biến tần tại Hải Phòng.

  • Danh mục biến tần Delixi.

  • Dịch vụ thiết kế, lắp đặt tủ điện.

Công ty Cổ phần Tự động hóa NIHACO
Hotline: 093 888 3515
Website: nihaco.com.vn