Cấu Tạo Biến Tần: Phân Tích Sơ Đồ Khối, IGBT và Mạch Điều Khiển

Cấu Tạo Biến Tần: Phân Tích Sơ Đồ Khối, IGBT và Mạch Điều Khiển

Khi tìm hiểu về cấu tạo biến tần (VFD), rất nhiều kỹ thuật viên và kỹ sư thường gặp khó khăn trong việc kết nối giữa lý thuyết sơ đồ khối và thực tế linh kiện bên trong.

Bài viết này sẽ giúp bạn “nhìn xuyên thấu” bên trong một chiếc biến tần công nghiệp. Chúng ta sẽ đi sâu phân tích 4 khối chức năng chính: Mạch chỉnh lưu, Tụ điện DC, IGBT và Bo mạch điều khiển. Đây là kiến thức nền tảng bắt buộc để bạn có thể chẩn đoán lỗi, sửa chữa hoặc lựa chọn thiết bị chính xác.

Tổng Quan Nguyên Lý và Sơ Đồ Khối Biến Tần

Về cơ bản, Biến tần là thiết bị dùng để thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây động cơ, từ đó điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp.

Công thức tính tốc độ động cơ cơ bản là:

n = (60 x f) / p

(Trong đó: n là tốc độ vòng/phút, f là tần số Hz, p là số cặp cực từ).

Để làm được điều này, biến tần không biến đổi trực tiếp AC sang AC. Thay vào đó, nó sử dụng quy trình chuyển đổi năng lượng gián tiếp theo sơ đồ khối sau:

Nguồn AC xoay chiều -> Chỉnh lưu thành DC -> Lọc phẳng DC -> Nghịch lưu ra AC biến tần.

Cấu trúc phần cứng được chia làm 2 phần tách biệt:

• Mạch động lực (Power Circuit): Chịu dòng điện lớn, điện áp cao (nơi chứa Diode, Tụ, IGBT).
• Mạch điều khiển (Control Circuit): Chịu dòng nhỏ, xử lý tín hiệu (CPU, Driver).

Phân Tích Chi Tiết Các Khối Chức Năng Chính

Dưới đây là chi tiết các linh kiện “đắt tiền” nhất và hay hỏng nhất mà dân kỹ thuật cần nắm rõ.

Khối Chỉnh Lưu (Rectifier) – Cửa Ngõ Năng Lượng

Đây là nơi dòng điện lưới đi vào đầu tiên.

• Cấu tạo: Với biến tần công suất nhỏ và trung bình, khối này là một Cầu Diode 3 pha. Với biến tần công suất lớn, người ta dùng Thyristor (SCR) để điều khiển dòng nạp.
• Chức năng: Biến đổi điện áp xoay chiều (AC) từ lưới điện thành điện áp một chiều (DC) nhấp nhô.
• Thông số kỹ thuật quan trọng: Điện áp DC sau khi chỉnh lưu luôn cao hơn điện áp vào.
• Vdc = 1.35 x Vin (Ví dụ: Điện lưới 380V thì điện áp DC Bus đo được sẽ khoảng 510V đến 540V DC).

Tuyến Dẫn DC Link và Tụ Điện (Capacitor)

• Cấu tạo: Gồm các Tụ hóa lớn mắc song song/nối tiếp và cuộn kháng DC (DC Reactor).
• Chức năng: Tụ điện đóng vai trò như một “hồ chứa nước”, giúp san phẳng điện áp DC sau chỉnh lưu để cung cấp năng lượng ổn định cho IGBT hoạt động.
• Lưu ý sửa chữa: Tụ điện là linh kiện có tuổi thọ giới hạn. Khi tụ bị “khô” (giảm dung lượng), biến tần thường báo lỗi Thấp áp (UV) hoặc làm nổ IGBT do điện áp không ổn định.

Khối Nghịch Lưu (Inverter) và Công Nghệ IGBT

Đây là “trái tim” của biến tần và là linh kiện có giá trị cao nhất (chiếm 30-40% giá thành).

• IGBT là gì? Viết tắt của Insulated Gate Bipolar Transistor. Đây là linh kiện bán dẫn công suất lớn, hoạt động như những công tắc đóng ngắt tốc độ siêu nhanh (vài nghìn lần mỗi giây).
• Nguyên lý PWM: CPU điều khiển IGBT đóng mở liên tục để băm điện áp một chiều 540V thành các xung vuông. Nhờ tính chất cảm kháng của động cơ, dòng điện sẽ được “làm trơn” thành dạng sóng sin nhân tạo.
• Hư hỏng thường gặp: IGBT rất dễ chết nếu bị quá nhiệt (hỏng quạt), ngắn mạch đầu ra (motor chạm vỏ) hoặc mất tín hiệu điều khiển.

Mạch Nạp Mềm (Pre-charge Circuit)

Đây là bộ phận ít người để ý nhưng gây ra rất nhiều lỗi “mất nguồn” khó hiểu.

• Cấu tạo: Gồm một Điện trở mồi và một Contactor (Khởi động từ) hoặc Relay.
• Nguyên lý: Khi mới bật điện, dòng điện đi qua điện trở để nạp từ từ cho tụ (tránh nổ cầu chì). Khi tụ đầy, Contactor đóng lại để dẫn dòng điện chính. Nếu bạn bật biến tần mà không nghe tiếng “Tách” của Contactor đóng, khả năng cao mạch này đã hỏng.

Mạch Điều Khiển (Control Unit) – Bộ Não Số Hóa

Mạch điều khiển được cách ly hoàn toàn với mạch động lực để đảm bảo an toàn.

• Vi xử lý (CPU): Sử dụng các chip tốc độ cao (như DSP của Texas Instruments) để thực hiện các thuật toán phức tạp như Vector Control, PID.
• Mạch Driver (Kích IGBT): Đây là cầu nối giữa CPU và IGBT. Nó sử dụng các Opto quang (Optocoupler) để cách ly điện áp cao. Nếu IGBT nổ, thường sẽ kéo theo mạch Driver này chết theo.
• Cảm biến dòng và áp: Giúp CPU giám sát hoạt động. Nếu dòng điện tăng vọt, cảm biến sẽ báo về CPU để ngắt IGBT ngay lập tức, báo lỗi OC (Quá dòng).

Bảng Tổng Hợp Các Lỗi Thường Gặp Theo Cấu Tạo

Hiểu cấu tạo giúp bạn khoanh vùng lỗi nhanh chóng:

Kết Luận

Cấu tạo biến tần là một hệ thống phức tạp nhưng logic. Việc nắm vững chức năng của từng khối Chỉnh lưu – Tụ DC – Nghịch lưu IGBT sẽ giúp bạn tự tin hơn rất nhiều trong việc vận hành, bảo trì và sửa chữa thiết bị.

Xem chi tiết sản phẩm: Tại đây

Xem thêm các bài viết khác: Tại đây