Mạch điện biến tần: Cấu tạo và nguyên lý sơ đồ chi tiết

Mạch biến tần luôn giữ vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ và vận hành động cơ điện. Nếu tìm hiểu sâu hơn về mạch biến tần, có thể sẽ giúp chúng ta hiểu rõ về cách thức hệ thống này hoạt động, cũng như cách chúng đóng góp vào việc tối ưu hóa năng suất và hiệu suất của các thiết bị động cơ điện. Hãy cùng Schneider Electric khám phá về công nghệ quan trọng này trong bài viết sau.

• Mạch chuyển đổi AC thành DC: Sử dụng bộ phận bán dẫn gọi là Diot.
• Tụ điện ổn áp: Dùng để ổn định điện áp DC từ mạch chuyển đổi.
• Mạch chuyển đổi ngược lại: Được sử dụng nhằm mục đích chuyển đổi điện áp DC thành AC để cấp điện cho động cơ. Dùng bộ phận đóng cắt bán dẫn như IGBT và các bộ phận tương tự.
• Mạch điều khiển: Điều khiển và cài đặt máy biến tần

Để tạo ra điện áp DC từ lưới điện AC, nguyên tắc cơ bản được thực hiện sẽ thông qua quá trình chuyển đổi AC sang DC bằng cách sử dụng mạch chỉnh lưu. Ví dụ điển hình này có thể được minh họa bằng việc sử dụng điều khiển tải điện trở. Trong ví dụ này, điện áp AC 1 pha sẽ được đưa vào mạch chỉnh lưu để biến đổi thành điện áp DC mà điều khiển tải điện trở sử dụng.

Khi xử lý đầu vào AC 3 pha, bộ nối 6 điốt thường sẽ được sử dụng để chỉnh lưu sóng từ nguồn điện AC. Chức năng của bộ nối 6 điốt là biến đổi dòng điện ba pha từ nguồn AC thành điện áp DC hoặc AC được chỉnh lưu. Quá trình đó giúp tạo ra điện áp đầu ra theo yêu cầu, như minh họa trong biểu đồ được trình bày dưới đây.

Nguyên tắc hoạt động của mạch ổn áp thường liên quan đến việc sử dụng tụ điện để làm giảm đáng kể sóng biến đổi của điện áp đầu ra hoặc loại bỏ hoàn toàn loại sóng này. Trong mạch ổn áp, tụ điện sẽ chịu trách nhiệm giữ cho điện áp đầu ra đồng đều nhau mà không bị ảnh hưởng bởi biến đổi và nhiễu từ đầu vào, tạo ra sự ổn định trong điện áp đầu ra như được minh họa trong sơ đồ. Ưu điểm này sẽ giúp cung cấp nguồn điện ổn định và lành mạnh hơn cho các tải cần đầu vào điện áp không biến đổi.

Mạch giới hạn dòng điện nhảy vọt thường được sử dụng để bảo vệ các phần tử của mạch chỉnh lưu khỏi hư hại do dòng điện xung kích gây ra. Trong trường hợp nguồn điện bị gián đoạn hoặc gặp sự cố, mạch này sẽ can thiệp để hạn chế đỉnh dòng điện, ngăn ngừa tổn thất và bảo vệ hệ thống khỏi thiệt hại trực tiếp.

Trong ứng dụng thực tế của máy chỉnh lưu, việc sử dụng tụ điện ổn áp để làm tải là một phương pháp phổ biến hơn việc sử dụng tải điện trở. Khi áp dụng điện áp AC cao hơn điện áp DC, dạng sóng dòng điện đầu vào sẽ thay đổi, tạo ra sự xoắn và không giống hình sin như thường thấy trong những trường hợp sử dụng tải điện trở. Sự thay đổi này có thể được biểu diễn bằng một biểu đồ để minh họa việc áp dụng nguyên lý hoạt động của máy chỉnh lưu khi sử dụng tụ điện ổn áp trong các ứng dụng thực tế.

Để biến đổi điện áp DC thành AC, một phương pháp phổ biến được sử dụng đó chính là dùng các bộ chuyển mạch, trong đó các công tắc sẽ được kích hoạt theo một thứ tự nhất định để tạo ra dạng sóng dòng điện xoay chiều. Ví dụ, trong trường hợp điện áp AC 1 pha, bốn công tắc S1 đến S4 sẽ được sử dụng để tạo ra dạng sóng này. Khi các cặp công tắc S1 và S4 hoặc S2 và S3 được bật lên, dòng điện sẽ chuyển hướng qua đèn, tạo ra dạng sóng dòng điện xoay chiều. Việc lặp lại chu kỳ hoạt động của các công tắc này sẽ tạo ra hiệu ứng dòng điện xoay chiều hiệu quả, từ đó cung cấp điện áp AC từ nguồn điện áp DC tốt hơn.

Có thể thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều bằng cách điều chỉnh khoảng thời gian BẬT và TẮT của các công tắc S1 và S4. Nếu bạn thay đổi thời gian mà các công tắc được BẬT/TẮT, sẽ ảnh hưởng đến tần số của dòng điện xoay chiều tạo ra. Cụ thể, khi BẬT công tắc S1 và S4 trong 0,5 giây, sau đó BẬT công tắc S2 và S5 trong 0,5 giây tiếp theo, bạn sẽ tạo ra một chu kỳ dòng điện xoay chiều tương đương với tần số 1 Hz. Từ đó có thể kết luận, việc thay đổi thời gian BẬT/TẮT của các công tắc sẽ dẫn đến kết quả thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều được tạo ra.

Để thay đổi điện áp đầu ra, bạn có thể điều chỉnh tỷ lệ thời gian BẬT/TẮT của các công tắc, thông qua việc thay đổi thời gian chu kỳ t0. Bằng việc sử dụng thời gian chu kỳ ngắn hơn để BẬT/TẮT điện áp, bạn có thể thay đổi điện áp (trung bình) đầu ra. Khi tỷ lệ thời gian BẬT/TẮT của các công tắc S1 và S4 giảm một nửa, điện áp (trung bình) đầu ra sẽ trở thành nửa cường độ của điện áp nguồn ban đầu. Điều này cũng áp dụng được trong trường hợp tăng hoặc giảm điện áp (trung bình) bằng phương pháp điều chỉnh tỷ lệ thời gian BẬT/TẮT. Cách thức này thường được ưu tiên thực hiện thông qua phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM) và hiện nay khá phổ biến trong máy biến tần và bộ phận điện tử khác.

Cách nghịch lưu với điện áp AC 3 pha thường sẽ được thực hiện thông qua việc thay đổi thứ tự của sáu công tắc BẬT/TẮT trong mạch biến tần 3 pha. Quyết định thay đổi thứ tự này sẽ ảnh hưởng đến các pha điện áp U-V, V-W và W-U, và từ đó thay đổi hướng quay của động cơ hữu hiệu hơn. Trong thực tế, những bộ phận bán dẫn, chẳng hạn như IGBT (cổng cực cách điện tản nhiệt), thường sẽ được sử dụng để thay thế các công tắc. Điều này cho phép các công tắc BẬT/TẮT hoạt động với tốc độ rất cao, tạo ra sự linh hoạt và chính xác trong việc điều chỉnh điện áp cũng như tần số của nguồn điện đầu ra nhằm điều khiển động cơ theo yêu cầu hiệu quả.

Qua bài viết trên, chúng ta đã có cái nhìn tổng quan về mạch biến tần và vai trò quan trọng của chúng trong việc điều chỉnh tốc độ và vận hành của động cơ điện. Mạch biến tần không chỉ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện, mà còn góp phần vào việc tiết kiệm năng lượng và gia tăng tuổi thọ của thiết bị động cơ. Đồng thời, sự hiểu biết về công nghệ này cũng sẽ giúp chúng ta áp dụng và bảo trì các hệ thống điện một cách hiệu quả hơn trong thực tế.