VFD: Chìa khóa để tiết kiệm năng lượng và điều khiển động cơ

1.Giới thiệu về Bộ truyền động xoay chiều (Bộ truyền động có tần số thay đổi)

Trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa công nghiệp hiện đại, hiếm có công nghệ nào có tác động sâu sắc như bộ truyền động xoay chiều, thường được gọi là Bộ truyền động biến tần (VFD). Những thiết bị điện tử phức tạp này đã cách mạng hóa cách điều khiển động cơ điện, mang lại mức độ chính xác, hiệu quả và tính linh hoạt chưa từng có. Từ việc tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng trong các nhà máy công nghiệp lớn đến hỗ trợ các chuyển động phức tạp trong hệ thống robot, Ổ đĩa AC là thành phần không thể thiếu của vô số ứng dụng trên đểàn thế giới.

Ổ đĩa AC (VFD) là gì?

Về cốt lõi, bộ truyền động xoay chiều là một thiết bị điện tử công suất điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện xoay chiều bằng cách thay đổi tần số và điện áp của nguồn điện cung cấp cho động cơ. Không giống như các phương pháp điều khiển động cơ truyền thống có thể dựa vào các phương tiện cơ học hoặc công tắc bật/tắt đơn giản, bộ truyền động AC cung cấp khả năng điều chỉnh liên tục và chính xác các thông số vận hành của động cơ.

Thuật ngữ "Ổ đĩa biến tần" (VFD) nêu bật rõ ràng cơ chế điều khiển chính: thay đổi tần số của nguồn điện xoay chiều. Do tốc độ đồng bộ của động cơ xoay chiều tỷ lệ thuận với tần số của điện áp đặt vào và tỷ lệ nghịch với số cực, việc thay đổi tần số cho phép thay đổi tốc độ liên tục. Đồng thời, bộ truyền động điều chỉnh điện áp tỷ lệ với tần số để duy trì từ thông không đổi trong động cơ, đảm bảo hoạt động hiệu quả và chống bão hòa.

Tại sao ổ đĩa AC lại quan trọng?

Tầm quan trọng của bộ truyền động xoay chiều bắt nguồn từ một số ưu điểm quan trọng mà chúng mang lại so với các phương pháp điều khiển động cơ truyền thống:

• Hiệu quả năng lượng: Đây có lẽ là lợi ích đáng kể nhất. Nhiều ứng dụng công nghiệp, chẳng hạn như máy bơm và quạt, thể hiện “mối quan hệ khối” giữa tốc độ và mức tiêu thụ điện năng. Ngay cả việc giảm một chút tốc độ động cơ cũng có thể tiết kiệm năng lượng đáng kể. Bộ truyền động AC cho phép động cơ chỉ chạy nhanh khi cần thiết, cắt giảm đáng kể chi phí sử dụng điện và vận hành.
• Kiểm soát chính xác: Ổ đĩa AC provide unparalleled control over motor speed, acceleration, deceleration, and even torque. This precision is crucial for processes requiring exact movement, such as conveyor systems, machine tools, and robotics.
• Kiểm soát quy trình được cải tiến: Bằng cách điều chỉnh chính xác tốc độ động cơ, bộ truyền động AC góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chất thải và sản lượng ổn định hơn trong các nhà máy sản xuất và chế biến.
• Giảm căng thẳng cơ học: Khả năng khởi động và dừng mềm vốn có của bộ truyền động AC, loại bỏ hiện tượng giật đột ngột và dòng điện khởi động cao liên quan đến khởi động trực tiếp trên mạng (DOL). Điều này làm giảm đáng kể ứng suất cơ học lên động cơ, bánh răng, vòng bi và thiết bị dẫn động, giúp kéo dài tuổi thọ và giảm bảo trì.
• Tuổi thọ động cơ kéo dài: Ngoài việc giảm căng thẳng cơ học, bộ truyền động AC còn cung cấp các tính năng bảo vệ chống quá dòng, quá áp, thiếu điện áp và quá nhiệt, góp phần nâng cao tuổi thọ của động cơ.

Tóm tắt lịch sử và sự phát triển của bộ truyền động xoay chiều

Khái niệm thay đổi tần số để điều khiển tốc độ động cơ AC không phải là mới, nhưng việc triển khai nó trên thực tế còn gặp nhiều thách thức cho đến khi điện tử công suất ra đời. Những nỗ lực ban đầu liên quan đến các bộ máy phát điện động cơ cồng kềnh.

Bước đột phá thực sự đến với sự phát triển của thyristhoặc (SCR) vào giữa thế kỷ 20, cho phép tạo ra các bộ truyền động biến tần điện tử đầu tiên. Tuy nhiên, những bộ truyền động đầu tiên này có kích thước lớn, kém hiệu quả và thường bị hạn chế về khả năng điều khiển.

Những năm 1970 và 1980 chứng kiến ​​những tiến bộ đáng kể với sự ra đời của thyristor ngắt cổng (GTO) và sau đó là Transistor lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT). Đặc biệt, IGBT đã cách mạng hóa công nghệ truyền động AC nhờ tốc độ chuyển mạch cao, tổn thất thấp hơn và dễ điều khiển. Điều này cho phép phát triển các ổ đĩa nhỏ gọn, hiệu quả và phức tạp hơn có khả năng sử dụng các kỹ thuật như Điều chế độ rộng xung (PWM) để tạo ra dạng sóng đầu ra gần hình sin.

Ngày nay, bộ truyền động xoay chiều là thiết bị thông minh, tích hợp cao kết hợp bộ vi xử lý tiên tiến, thuật toán điều khiển phức tạp (như điều khiển véc tơ và điều khiển mô-men xoắn trực tiếp) và khả năng giao tiếp. Chúng tiếp tục phát triển, trở nên nhỏ hơn, mạnh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và ngày càng được tích hợp vào bối cảnh rộng lớn hơn của IoT công nghiệp (Internet of Things) và sản xuất thông minh. Sự phát triển liên tục này nhấn mạnh vai trò quan trọng của chúng trong việc định hình tương lai của tự động hóa công nghiệp và quản lý năng lượng.

2.Ổ đĩa AC hoạt động như thế nào

Để thực sự đánh giá cao sức mạnh và tính linh hoạt của bộ truyền động AC, điều cần thiết là phải hiểu các nguyên tắc cơ bản đằng sau hoạt động của chúng. Mặc dù các thiết bị điện tử bên trong có thể phức tạp nhưng quy trình cốt lõi bao gồm chuyển đổi nguồn điện xoay chiều đầu vào thành DC, sau đó chuyển đổi trở lại thành nguồn điện xoay chiều có tần số, điện áp thay đổi được thiết kế riêng cho động cơ. Sự chuyển đổi này xảy ra trong một số giai đoạn riêng biệt:

Các thành phần cơ bản của bộ truyền động AC

Hầu hết các ổ đĩa AC, bất kể kích thước hay độ phức tạp của chúng, đều có chung một kiến trúc bao gồm bốn giai đoạn chính:

1. Giai đoạn chỉnh lưu: Chuyển đổi nguồn điện xoay chiều có tần số cố định, điện áp cố định thành nguồn DC.
2. DC Bus (hoặc DC Link): Lưu trữ và làm mịn điện áp DC từ bộ chỉnh lưu.
3. Giai đoạn biến tần: Chuyển đổi nguồn DC từ bus trở lại thành nguồn AC có tần số thay đổi, điện áp thay đổi cho động cơ.
4. Mạch điều khiển: "Bộ não" của ổ đĩa, chịu trách nhiệm quản lý tất cả các giai đoạn khác, giám sát đầu vào và thực thi các thuật toán điều khiển.

Giai đoạn chỉnh lưu: Chuyển đổi AC thành DC

Bước đầu tiên trong hoạt động của biến tần AC là chuyển đổi điện áp dòng AC đầu vào thành điện áp DC. Điều này thường đạt được bằng cách sử dụng một chỉnh lưu cầu diode .

• Đối với bộ truyền động một pha, người ta sử dụng bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng với bốn điốt.
• Đối với các bộ truyền động ba pha, bộ chỉnh lưu cầu sáu điốt là phổ biến, chỉnh lưu cả ba pha của nguồn điện xoay chiều đến.

Đầu ra của bộ chỉnh lưu là điện áp DC dao động. Trong khi một số bộ truyền động hiệu suất cao hoặc chuyên dụng có thể sử dụng bộ chỉnh lưu hoạt động phía trước (AFE) (cũng có thể cung cấp năng lượng trở lại lưới điện và giảm sóng hài), bộ chỉnh lưu đi-ốt cơ bản là phổ biến nhất vì tính đơn giản và hiệu quả về mặt chi phí.

Bus DC: Làm mịn điện áp DC

cáco sau bộ chỉnh lưu, điện áp DC xung đi vào xe buýt DC , còn được gọi là liên kết DC. Giai đoạn này chủ yếu bao gồm lớn tụ điện . Những tụ điện này phục vụ một số chức năng quan trọng:

• Làm mịn điện áp DC: Chúng lọc gợn sóng từ DC đã chỉnh lưu, cung cấp điện áp DC tương đối trơn tru và ổn định cho giai đoạn biến tần.
• Lưu trữ năng lượng: Chúng hoạt động như một nguồn dự trữ năng lượng, cung cấp dòng điện tức thời cho biến tần khi tải thay đổi đột ngột và hấp thụ năng lượng tái tạo từ động cơ trong quá trình giảm tốc.
• Tăng điện áp (Tùy chọn): Trong một số thiết kế, đặc biệt đối với các biến tần hoạt động ở điện áp đầu vào thấp hơn, bộ chuyển đổi DC-DC tùy chọn có thể có mặt ở đây để tăng điện áp.

Điện áp trên bus DC thường cao hơn mức đỉnh của điện áp dòng AC đầu vào (ví dụ: đối với đầu vào AC 400V, điện áp bus DC sẽ vào khoảng 540-560V DC).

Giai đoạn biến tần: Chuyển đổi DC thành AC tần số thay đổi

Đây là giai đoạn năng động và quan trọng nhất của bộ truyền động AC. Bộ biến tần lấy điện áp DC ổn định từ bus DC và chuyển đổi trở lại thành nguồn điện xoay chiều với điện áp thay đổi và quan trọng là tần số thay đổi. Biến tần hiện đại chủ yếu sử dụng Transitor lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT) như các thiết bị chuyển mạch điện tử tốc độ cao.

Các IGBT được sắp xếp theo một cấu hình cụ thể (thường là sáu IGBT cho đầu ra ba pha) và được bật và tắt nhanh chóng theo một trình tự chính xác. Bằng cách kiểm soát thời gian và thời lượng của các hành động chuyển đổi này, biến tần có thể tổng hợp dạng sóng AC.

Mạch điều khiển: Bộ não của ổ đĩa

The mạch điều khiển là trí thông minh đằng sau ổ đĩa AC. Nó thường bao gồm một bộ vi xử lý mạnh mẽ hoặc bộ xử lý tín hiệu số (DSP) cùng với bộ nhớ liên quan, cổng đầu vào/đầu ra (I/O) và giao diện truyền thông. Mạch này thực hiện một số chức năng quan trọng:

• Nhận lệnh: Nó diễn giải các lệnh từ người vận hành (thông qua bàn phím, HMI), PLC hoặc các hệ thống điều khiển khác (ví dụ: tham chiếu tốc độ, lệnh khởi động/dừng).
• Giám sát phản hồi: Nó liên tục theo dõi dòng điện, điện áp, nhiệt độ và đôi khi là tốc độ của động cơ (nếu sử dụng bộ mã hóa) để đảm bảo vận hành an toàn và tối ưu.
• Thực hiện các thuật toán điều khiển: Dựa trên tốc độ và mô-men xoắn mong muốn, nó tính toán các kiểu chuyển đổi chính xác cho IGBT trong biến tần.
• Bảo vệ: Nó thực hiện các tính năng bảo vệ khác nhau chống lại các lỗi như quá dòng, quá áp, thấp áp, quá nhiệt và quá tải động cơ.
• Truyền thông: Nó quản lý giao tiếp với các hệ thống bên ngoài bằng nhiều giao thức công nghiệp khác nhau.

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM)

Kỹ thuật chính được mạch điều khiển sử dụng để tạo ra đầu ra AC có tần số và điện áp thay đổi từ bus DC là Điều chế độ rộng xung (PWM) . Đây là cách nó hoạt động:

1. Điện áp DC cố định: Biến tần nhận được điện áp DC cố định từ bus DC.
2. Chuyển đổi nhanh: IGBT trong biến tần được bật và tắt nhanh chóng ở tần số rất cao (“tần số sóng mang”, thường là vài kilohertz).
3. Độ rộng xung thay đổi: Thay vì thay đổi điện áp DC một cách trực tiếp, mạch điều khiển sẽ thay đổi điện áp DC chiều rộng của các xung thời gian BẬT cho IGBT.
4. Tổng hợp AC:
   • Để tạo ra cao hơn điện áp (trung bình RMS), các xung được làm rộng hơn (IGBT được "BẬT" trong thời gian dài hơn).
   • Để tạo mức thấp hơn điện áp , các xung được làm hẹp hơn.
   • Để tạo ra cao hơn tần số , chuỗi xung được lặp lại nhanh hơn.
   • Để tạo mức thấp hơn tần số , chuỗi xung được lặp lại chậm hơn.

Bằng cách điều chỉnh chính xác độ rộng và tần số của các xung DC này, biến tần tổng hợp một loạt các xung điện áp DC “cắt nhỏ”, khi đưa vào cuộn dây động cơ cảm ứng, sẽ gần giống dạng sóng AC hình sin trơn tru. Độ tự cảm của động cơ hoạt động như một bộ lọc tự nhiên, làm mịn các xung này và cho phép động cơ phản ứng như thể nó đang nhận được sóng hình sin thực sự, mặc dù có một số nội dung hài.

3.Lợi ích chính của việc sử dụng biến tần

Việc áp dụng rộng rãi bộ truyền động xoay chiều không chỉ đơn thuần là một xu hướng công nghệ; đó là kết quả trực tiếp của những lợi ích đáng kể và hữu hình mà chúng mang lại trên nhiều ứng dụng công nghiệp và thương mại. Những lợi thế này thường chuyển trực tiếp sang việc giảm chi phí vận hành, cải thiện năng suất và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

Hiệu quả năng lượng và tiết kiệm chi phí

Đây được cho là lợi ích hấp dẫn nhất của bộ truyền động xoay chiều, đặc biệt đối với các ứng dụng liên quan đến tải mô-men xoắn thay đổi như máy bơm, quạt và máy nén.

• Tiêu thụ năng lượng tối ưu: Không giống như các phương pháp truyền thống nơi động cơ chạy ở tốc độ tối đa bất kể nhu cầu (thường lãng phí năng lượng thông qua van tiết lưu hoặc bộ giảm chấn), bộ truyền động AC cho phép tốc độ động cơ khớp chính xác với yêu cầu tải. Đối với tải ly tâm, mức tiêu thụ điện năng tỷ lệ thuận với lập phương tốc độ ( $P\propto N^3$ ). Điều này có nghĩa là ngay cả việc giảm tốc độ một chút cũng có thể giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Ví dụ, giảm tốc độ động cơ chỉ 20% có thể tiết kiệm năng lượng khoảng 50%.
• Nhu cầu cao điểm giảm: Khả năng khởi động mềm (được thảo luận bên dưới) làm giảm dòng điện khởi động cao liên quan đến khởi động trực tiếp trên mạng (DOL), giúp quản lý chi phí nhu cầu điện cao điểm.
• Ưu đãi của Chính phủ: Nhiều khu vực đưa ra các ưu đãi hoặc giảm giá cho các doanh nghiệp triển khai các công nghệ tiết kiệm năng lượng như bộ điều khiển AC, nâng cao hơn nữa lợi tức đầu tư.

Những khoản tiết kiệm năng lượng này trực tiếp chuyển thành việc giảm đáng kể chi phí vận hành trong suốt tuổi thọ của thiết bị, thường dẫn đến thời gian hoàn vốn rất nhanh cho khoản đầu tư truyền động.

Kiểm soát tốc độ động cơ chính xác

Một trong những chức năng cơ bản của bộ truyền động xoay chiều là khả năng điều khiển chính xác tốc độ quay của động cơ.

• Biến đổi tốc độ vô hạn: Không giống như động cơ nhiều tốc độ hoặc hộp số cơ học cung cấp các bước tốc độ riêng biệt, bộ truyền động AC cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ liên tục, vô cấp từ vòng/phút gần như bằng 0 cho đến và đôi khi vượt quá tốc độ định mức của động cơ.
• Độ chính xác và độ lặp lại: Các bộ truyền động hiện đại, đặc biệt là những bộ truyền động sử dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển véc tơ, có thể duy trì tốc độ với độ chính xác cao, ngay cả trong các điều kiện tải khác nhau. Điều này rất quan trọng đối với các quy trình yêu cầu thời gian và định vị chính xác.

Kiểm soát quy trình được cải tiến

Khả năng kiểm soát chính xác tốc độ động cơ có tác động trực tiếp và sâu sắc đến hiệu suất chung của toàn bộ quy trình.

• Nâng cao chất lượng sản phẩm: Trong các ứng dụng như máy đùn, máy trộn hoặc xử lý lưới, tốc độ ổn định và được kiểm soát sẽ dẫn đến chất lượng sản phẩm đồng đều, ít lỗi hơn và giảm phế liệu.
• Thông lượng được tối ưu hóa: Các quy trình có thể được tinh chỉnh để tối đa hóa tốc độ sản xuất mà không ảnh hưởng đến chất lượng hoặc gây căng thẳng cho thiết bị.
• Giảm tiếng ồn và độ rung: Bằng cách vận hành động cơ ở tốc độ tối ưu, bộ truyền động AC có thể giảm thiểu tiếng ồn và độ rung cơ học, góp phần mang lại môi trường vận hành ổn định và thoải mái hơn.
• Điều khiển vòng kín: Khi được tích hợp với các cảm biến và bộ điều khiển PID (thường được tích hợp trong biến tần), bộ truyền động AC có thể tự động điều chỉnh tốc độ động cơ để duy trì điểm đặt cho các thông số như áp suất, lưu lượng, nhiệt độ hoặc mức chất lỏng.

Giảm căng thẳng cơ học trên động cơ và thiết bị

Việc khởi động trực tiếp động cơ điện tạo ra các ứng suất cơ và điện đáng kể. Ổ đĩa AC giảm thiểu những vấn đề này một cách hiệu quả.

• Khởi động và dừng mềm: Thay vì cấp toàn bộ điện áp ngay lập tức, bộ truyền động AC sẽ tăng dần điện áp và tần số, cho phép động cơ tăng tốc trơn tru. Tương tự, nó có thể giảm tốc độ động cơ một cách trơn tru. Điều này giúp loại bỏ tải sốc đột ngột lên các bộ phận cơ khí (hộp số, khớp nối, dây đai, vòng bi) và bản thân cuộn dây động cơ.
• Giảm gai mô-men xoắn: Khả năng tăng tốc mượt mà tránh các xung mô-men xoắn cao có thể làm hỏng máy móc được điều khiển.

Tuổi thọ động cơ kéo dài

Bằng cách giảm căng thẳng cơ học và cung cấp khả năng bảo vệ toàn diện, bộ truyền động xoay chiều góp phần đáng kể vào tuổi thọ của động cơ điện và các thiết bị liên quan.

• Nhiệt độ hoạt động thấp hơn: Động cơ chạy ở tốc độ tối ưu và dòng điện không tăng quá mức sẽ làm giảm sự sinh nhiệt, đây là yếu tố chính làm suy giảm khả năng cách điện của động cơ.
• Tính năng bảo vệ: Ổ đĩa AC incorporate numerous protective functions such as:
  • Bảo vệ quá dòng: Ngăn chặn thiệt hại từ dòng điện động cơ quá mức.
  • Bảo vệ quá áp/thấp áp: Bảo vệ biến tần và động cơ khỏi dao động điện áp đường dây.
  • Bảo vệ quá tải động cơ: Ngăn chặn động cơ hoạt động vượt quá giới hạn nhiệt của nó.
  • Bảo vệ mất pha: Phát hiện và phản ứng với các pha đầu vào hoặc đầu ra bị thiếu.
  • Phòng chống ứ đọng: Ngăn chặn động cơ bị đình trệ và tiêu thụ dòng điện quá mức.
  • Bảo vệ lỗi nối đất: Phát hiện dòng điện rò rỉ xuống đất.

Những tính năng này ngăn chặn những sự cố thảm khốc, giảm thời gian ngừng hoạt động đột xuất và kéo dài thời gian hoạt động của các tài sản có giá trị.

Khả năng khởi động và dừng mềm

Như đã đề cập, đây là một lợi ích khác biệt và có giá trị cao.

• Tăng tốc mượt mà: Bộ truyền động điều khiển tốc độ động cơ tăng tốc, cho phép tăng tốc độ dần dần và có kiểm soát. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến vật liệu mỏng manh, chất lỏng có thể bị trượt hoặc các hệ thống không mong muốn chuyển động đột ngột.
• Giảm tốc mượt mà: Tương tự, bộ truyền động có thể đưa động cơ đến trạng thái dừng có kiểm soát, ngăn ngừa va đập cơ học và đảm bảo quá trình chuyển đổi suôn sẻ. Điều này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng có quán tính cao hoặc khi cần dừng chính xác.
• Loại bỏ dòng điện khởi động: Động cơ trực tiếp tạo ra dòng điện khởi động rất cao (thường gấp 6-8 lần dòng điện đầy tải) khi khởi động. Bộ truyền động AC loại bỏ điều này bằng cách tăng dần dòng điện, giúp giảm căng thẳng cho hệ thống cung cấp điện, cầu dao và dây cáp.

Tóm lại, lợi ích của bộ truyền động xoay chiều vượt xa khả năng kiểm soát tốc độ đơn giản, bao gồm tiết kiệm năng lượng đáng kể, nâng cao hiệu quả vận hành, giảm bảo trì và kéo dài tuổi thọ thiết bị, khiến chúng trở thành nền tảng của chiến lược quản lý năng lượng và tự động hóa công nghiệp hiện đại.

4.Ứng dụng của biến tần

Tính linh hoạt và nhiều lợi ích của bộ truyền động xoay chiều đã dẫn đến việc chúng được áp dụng rộng rãi trên hầu hết mọi lĩnh vực công nghiệp và thương mại. Khả năng kiểm soát chính xác tốc độ và mô-men xoắn của động cơ khiến chúng không thể thiếu trong việc tối ưu hóa các quy trình, tiết kiệm năng lượng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống trong nhiều ứng dụng đa dạng.

Máy bơm, quạt và máy nén

Danh mục này đại diện cho một trong những ứng dụng lớn nhất và có tác động lớn nhất đối với bộ điều khiển AC, chủ yếu là do khả năng tiết kiệm năng lượng đáng kể mà chúng mang lại.

• Máy bơm: Trong các nhà máy xử lý nước, hệ thống HVAC và truyền chất lỏng công nghiệp, máy bơm thường hoạt động theo các nhu cầu khác nhau. Thay vì sử dụng van tiết lưu cơ học để giảm lưu lượng (làm lãng phí năng lượng do duy trì tốc độ bơm tối đa), bộ truyền động AC sẽ điều chỉnh tốc độ động cơ máy bơm để cung cấp chính xác lưu lượng hoặc áp suất cần thiết. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể, giảm mài mòn trên van và đường ống, đồng thời điều chỉnh áp suất tốt hơn.
• Người hâm mộ: Tương tự như máy bơm, quạt và máy thổi công nghiệp (ví dụ: trong hệ thống thông gió, bộ xử lý không khí, tháp giải nhiệt) được hưởng lợi rất nhiều từ việc điều khiển tốc độ thay đổi. Bằng cách làm chậm quạt khi cần ít luồng khí hơn, bộ điều khiển AC giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng và độ ồn.
• Máy nén: Trong hệ thống khí nén, bộ truyền động AC có thể khớp công suất đầu ra của máy nén với nhu cầu không khí, ngăn ngừa chu kỳ nạp/dỡ tải hoặc xả khí liên tục, nhờ đó tiết kiệm năng lượng và giảm mài mòn cho các bộ phận của máy nén.

Hệ thống băng tải

Bộ truyền động AC là nền tảng cho hoạt động hiệu quả của hệ thống băng tải trong sản xuất, hậu cần và xử lý vật liệu.

• Bắt đầu/Dừng được kiểm soát: Khởi động và dừng mềm bảo vệ các sản phẩm có giá trị khỏi các chuyển động va đập và giảm căng thẳng cho dây đai, bánh răng và động cơ, kéo dài tuổi thọ thiết bị.
• Tốc độ thay đổi cho thông lượng: Tốc độ có thể được điều chỉnh chính xác để phù hợp với tốc độ sản xuất, các loại sản phẩm khác nhau hoặc các bước quy trình cụ thể. Điều này đảm bảo dòng nguyên liệu trôi chảy và ngăn ngừa tắc nghẽn.
• Cân bằng tải: Trong hệ thống băng tải nhiều động cơ, các bộ truyền động xoay chiều có thể được phối hợp để chia sẻ tải đồng đều, ngăn không cho một động cơ bị quá tải.

Hệ thống HVAC

Hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) trong các tòa nhà thương mại, bệnh viện và cơ sở công nghiệp là những thiết bị tiêu thụ năng lượng lớn. Ổ đĩa AC đóng một vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu quả của chúng.

• Hệ thống thể tích không khí thay đổi (VAV): Bộ truyền động trên quạt cấp và quạt hồi cho phép luồng không khí được kiểm soát chính xác dựa trên nhu cầu của tòa nhà, thay vì lúc nào cũng vận hành quạt ở tốc độ tối đa.
• Máy bơm làm lạnh và tháp giải nhiệt: Tối ưu hóa tốc độ của máy bơm nước lạnh và nước ngưng tụ, cũng như quạt tháp giải nhiệt, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể và cải thiện khả năng điều chỉnh nhiệt độ.
• Cải thiện sự thoải mái: Kiểm soát chính xác luồng không khí và dòng nước góp phần tạo ra môi trường trong nhà ổn định và thoải mái hơn.

Tự động hóa công nghiệp

Bộ truyền động AC là trung tâm của nhiều quy trình sản xuất tự động, cung cấp khả năng điều khiển chuyển động cần thiết để đảm bảo độ chính xác và đồng bộ hóa.

• Máy công cụ: Từ máy CNC đến máy tiện và máy phay, bộ truyền động AC cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ trục chính và định vị trục chính xác.
• Robot: Việc điều khiển các khớp robot rất năng động và chính xác đòi hỏi phải điều khiển động cơ phức tạp, thường được cung cấp bởi các bộ truyền động AC servo chuyên dụng.
• Máy đóng gói: Chuyển động đồng bộ của băng tải, chất độn, máy bịt kín và máy dán nhãn là rất quan trọng đối với dây chuyền đóng gói hiệu quả, tất cả đều được kích hoạt bằng bộ truyền động AC phối hợp.
• Máy dệt: Việc kiểm soát chính xác độ căng của sợi và tốc độ vải là điều cần thiết để đảm bảo chất lượng sản xuất, khiến bộ truyền động AC trở nên vô giá trong lĩnh vực này.

Hệ thống năng lượng tái tạo (Tua bin gió, năng lượng mặt trời)

Công nghệ truyền động xoay chiều là không thể thiếu để khai thác và chuyển đổi các nguồn năng lượng tái tạo thành điện năng có thể sử dụng được.

• Tua bin gió: Trong các tuabin gió có tốc độ thay đổi hiện đại, bộ điều khiển điện xoay chiều (hoặc bộ chuyển đổi) được sử dụng để chuyển đổi đầu ra tần số thay đổi của máy phát (thay đổi theo tốc độ gió) thành tần số lưới cố định (ví dụ: 50 Hz hoặc 60 Hz). Điều này tối đa hóa việc thu năng lượng trong một loạt các điều kiện gió.
• Năng lượng mặt trời (Biến tần PV): Mặc dù thường được gọi là "bộ biến tần", nhưng về cơ bản, các thiết bị này thực hiện chức năng tương tự như giai đoạn biến tần của ổ đĩa AC - chuyển đổi đầu ra DC từ các tấm pin mặt trời thành nguồn điện xoay chiều tương thích với lưới điện. Nhiều loại cũng bao gồm các tính năng theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) để tối ưu hóa việc thu năng lượng.

Xe điện (EV)

Thị trường xe điện đang mở rộng nhanh chóng phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ truyền động AC tiên tiến.

• Biến tần lực kéo: "Bộ điều khiển động cơ" hay "bộ biến tần lực kéo" trong xe điện về cơ bản là một bộ truyền động điện xoay chiều phức tạp. Nó chuyển đổi nguồn DC từ bộ pin thành nguồn điện xoay chiều có tần số thay đổi, điện áp thay đổi để điều khiển động cơ kéo điện.
• Phanh tái sinh: Ổ đĩa AC enable regenerative braking, where the electric motor acts as a generator during deceleration, converting kinetic energy back into electrical energy to recharge the battery, significantly improving efficiency and range.
• Kiểm soát chính xác: Bộ truyền động giúp tăng tốc mượt mà, kiểm soát tốc độ chính xác và cung cấp năng lượng hiệu quả, góp phần nâng cao hiệu suất và trải nghiệm lái của xe điện.

Phạm vi rộng lớn của các ứng dụng này nhấn mạnh vai trò biến đổi của bộ truyền động AC trong việc mang lại hiệu quả, khả năng kiểm soát và đổi mới trong nhiều ngành công nghiệp, biến chúng trở thành nền tảng của truyền tải điện và tự động hóa hiện đại.

5. Chọn ổ đĩa AC phù hợp

Chọn biến tần thích hợp cho một ứng dụng cụ thể là một bước quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, hiệu suất, độ tin cậy và chi phí tổng thể của hệ thống. Sự không khớp giữa ổ đĩa và ứng dụng có thể dẫn đến hiệu suất kém, lỗi sớm hoặc chi phí không cần thiết. Một số yếu tố chính phải được xem xét cẩn thận trong quá trình lựa chọn.

Yêu cầu về điện áp và dòng điện động cơ

Đây là kiểm tra tương thích cơ bản nhất. Xếp hạng điện áp đầu vào và đầu ra của ổ đĩa AC phải tương ứng với nguồn điện và định mức điện áp của động cơ.

• Điện áp đầu vào: Biến tần cần hoạt động bằng nguồn điện một pha hay ba pha? Điện áp đường dây danh định (ví dụ: 230V, 400V, 480V, 690V AC) là gì?
• Điện áp đầu ra: Dải điện áp đầu ra của biến tần phải tương thích với điện áp định mức của động cơ.
• Ampe đầy tải động cơ (FLA): Định mức dòng điện đầu ra liên tục của biến tần phải bằng hoặc lớn hơn cường độ dòng điện đầy tải của động cơ. Người ta thường khuyên nên chọn biến tần có định mức dòng điện cao hơn một chút so với động cơ, đặc biệt đối với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe hoặc những ứng dụng có khả năng quá tải.

Xếp hạng mã lực (xếp hạng kW)

Mặc dù thường được sử dụng làm tiêu chí lựa chọn chính, nhưng chỉ xếp hạng mã lực (HP) hoặc kilowatt (kW) phù hợp không phải lúc nào cũng đủ. Đó là một điểm khởi đầu tốt, nhưng loại hiện tại và ứng dụng quan trọng hơn.

• Trận đấu tiêu chuẩn: Đối với các ứng dụng đa năng, biến tần có cùng mức HP/kW như động cơ thường được chọn.
• Giảm tải: Xin lưu ý rằng một số nhà sản xuất công bố xếp hạng truyền động dựa trên tải "mô-men xoắn không đổi" hoặc "mô-men xoắn thay đổi". Đối với các ứng dụng mô-men xoắn không đổi (ví dụ: băng tải, máy đùn), bộ truyền động có thể cần phải có kích thước quá lớn so với ứng dụng mô-men xoắn thay đổi (ví dụ: quạt, máy bơm) của cùng một động cơ HP. Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ cao) cũng có thể yêu cầu giảm công suất.
• Yếu tố dịch vụ: Hãy xem xét hệ số phục vụ của động cơ. Trong khi bộ truyền động bảo vệ chống quá tải, việc hiểu mức độ quá tải của động cơ vẫn rất quan trọng.

Yêu cầu dành riêng cho ứng dụng (Mô-men xoắn, Phạm vi tốc độ)

Bản chất của tải là điều quan trọng nhất trong việc lựa chọn bộ truyền động. Các ứng dụng khác nhau có đặc tính mô-men xoắn và tốc độ riêng biệt.

• Loại tải:
  • Mô-men xoắn thay đổi: (ví dụ: quạt, máy bơm ly tâm) Yêu cầu mô-men xoắn tăng theo bình phương tốc độ ( $T\propto N^2$ ). Các ứng dụng này thường dễ dàng hơn trên ổ đĩa.
  • Mô-men xoắn không đổi: (ví dụ: băng tải, máy bơm thể tích, máy trộn, máy đùn) Yêu cầu mô-men xoắn vẫn tương đối ổn định trong phạm vi tốc độ. Những ứng dụng này đòi hỏi khắt khe hơn về ổ đĩa.
  • Mã lực không đổi: (ví dụ: trục quay của máy công cụ ở tốc độ cao) Mô-men xoắn giảm khi tốc độ tăng.
• Momen khởi động: Ứng dụng có yêu cầu mô-men xoắn khởi động cao không (ví dụ: băng tải tải nặng)? Một số bộ truyền động phù hợp hơn với nhu cầu mô-men xoắn khởi động cao.
• Phạm vi tốc độ: Tốc độ hoạt động tối thiểu và tối đa cần thiết là bao nhiêu? Ứng dụng có yêu cầu vận hành ở tốc độ rất thấp hoặc thậm chí tốc độ bằng 0 với mô-men xoắn tối đa không?
• Động lực học: Ứng dụng có yêu cầu tăng/giảm tốc nhanh hay khởi động/dừng thường xuyên không? Điều này ảnh hưởng đến yêu cầu phanh và quản lý nhiệt của ổ đĩa.
• Phanh: Phanh động hoặc phanh tái tạo có cần thiết để nhanh chóng dừng hoặc giảm tốc tải có quán tính cao không? Nếu vậy, biến tần phải hỗ trợ các tính năng này và có thể cần đến điện trở hãm bên ngoài hoặc bộ tái tạo.

Các cân nhắc về môi trường (Nhiệt độ, độ ẩm, bụi)

Môi trường hoạt động có thể ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ và hiệu suất của ổ đĩa.

• Nhiệt độ môi trường xung quanh: Ổ đĩa thường được xếp hạng để hoạt động trong phạm vi nhiệt độ cụ thể (ví dụ: $0^{\circ }C$ to $40^{\circ }C$ or $50^{\circ }C$ ). Hoạt động trên phạm vi này thường yêu cầu giảm tốc độ ổ đĩa hoặc chủ động làm mát vỏ.
• Độ ẩm: Độ ẩm cao có thể dẫn đến ngưng tụ và ăn mòn. Bộ truyền động nên được lựa chọn với lớp phủ bảo vệ thích hợp hoặc được đặt trong môi trường có điều hòa nhiệt độ.
• Bụi/hạt: Môi trường bụi bặm hoặc bẩn yêu cầu ổ đĩa có xếp hạng IP (Bảo vệ chống xâm nhập) cao hơn hoặc có vỏ bọc kín.
• Rung: Rung động quá mức có thể làm hỏng các bộ phận bên trong.
• Độ cao: Ở độ cao cao hơn, không khí loãng hơn, làm giảm hiệu quả làm mát của ổ đĩa. Giảm tải có thể là cần thiết.

Giao thức truyền thông (Modbus, Ethernet/IP, Profinet, v.v.)

Môi trường công nghiệp hiện đại phụ thuộc rất nhiều vào mạng truyền thông. Bộ truyền động phải tích hợp liền mạch với hệ thống điều khiển hiện có.

• Giao thức chuẩn: Các giao thức truyền thông công nghiệp phổ biến bao gồm Modbus RTU, Modbus TCP/IP, Ethernet/IP, Profinet, DeviceNet, CANopen và PROFIbus.
• Khả năng tương thích của hệ thống điều khiển: Đảm bảo biến tần đã chọn hỗ trợ giao thức được sử dụng bởi hệ thống PLC, HMI hoặc SCADA của bạn. Điều này cho phép điều khiển, giám sát, chẩn đoán và điều chỉnh tham số từ xa.

Các loại bao vây (Xếp hạng Nema / Xếp hạng IP)

Vỏ của ổ đĩa bảo vệ các bộ phận bên trong của nó khỏi môi trường. Mức độ bảo vệ bắt buộc được chỉ định theo xếp hạng NEMA (Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia) ở Bắc Mỹ hoặc xếp hạng IP (Bảo vệ chống xâm nhập) trên phạm vi quốc tế.

• Xếp hạng NEMA: Các xếp hạng phổ biến bao gồm NEMA 1 (mục đích chung, trong nhà), NEMA 12 (kín bụi, chống nhỏ giọt, trong nhà), NEMA 4/4X (chịu thời tiết, chống ăn mòn, trong nhà/ngoài trời), v.v.
• Xếp hạng IP: Chữ số đầu tiên biểu thị khả năng bảo vệ chống lại chất rắn (bụi) và chữ số thứ hai biểu thị khả năng bảo vệ chống lại chất lỏng (nước). Ví dụ: IP20 (bảo vệ ngón tay cơ bản), IP54 (chống bụi, chống tia nước), IP65 (kín bụi, chống tia nước), IP66 (kín bụi, chống tia nước mạnh).

Việc chọn vỏ bọc phù hợp đảm bảo biến tần hoạt động đáng tin cậy ở vị trí dự định và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn. Việc xem xét cẩn thận tất cả các yếu tố này trong quá trình lựa chọn sẽ đảm bảo rằng biến tần hoạt động tối ưu, mang lại những lợi ích mong đợi và mang lại thời gian sử dụng lâu dài, không gặp sự cố.

6. Lập trình và cấu hình

Khi bộ điều khiển AC đã được chọn và lắp đặt về mặt vật lý, bước quan trọng tiếp theo là lập trình và cấu hình nó để phù hợp với các yêu cầu cụ thể của động cơ và ứng dụng. Quá trình này bao gồm việc thiết lập các thông số khác nhau quy định cách bộ truyền động vận hành, cách nó tương tác với động cơ và cách nó giao tiếp với các hệ thống điều khiển bên ngoài. Mặc dù các thông số và giao diện chính xác có thể khác nhau đôi chút giữa các nhà sản xuất (ví dụ: Siemens, ABB, Rockwell, Schneider Electric), nhưng các khái niệm cốt lõi vẫn nhất quán.

Thông số và cài đặt cơ bản

Mỗi bộ truyền động xoay chiều yêu cầu một bộ thông số cơ bản được cấu hình trước khi nó có thể vận hành động cơ một cách an toàn và hiệu quả. Chúng thường bao gồm:

• Điện áp định mức động cơ: Điện áp hoạt động danh nghĩa của động cơ (ví dụ: 400V).
• Dòng định mức động cơ (FLA): Định mức ampe đầy tải của động cơ.
• Tần số định mức của động cơ: Tần số cơ bản của động cơ (ví dụ: 50 Hz đối với Châu Âu, 60 Hz đối với Bắc Mỹ).
• Tốc độ định mức của động cơ (RPM): Tốc độ đồng bộ hoặc định mức của động cơ ở tần số định mức.
• Công suất định mức của động cơ (kW/HP): Đánh giá công suất đầu ra của động cơ.
• Cột động cơ: Số cực từ trong động cơ (thường lấy từ tốc độ và tần số định mức, ví dụ: đối với 50Hz, động cơ 4 cực là 1500 vòng/phút).
• Loại ứng dụng: Việc lựa chọn giữa tải "mô-men xoắn thay đổi" (quạt, máy bơm) hoặc "mô-men xoắn không đổi" (băng tải, máy trộn) thường tối ưu hóa các thuật toán điều khiển bên trong của bộ truyền động và cài đặt bảo vệ.
• Chế độ điều khiển: Điều này xác định cách bộ truyền động điều khiển động cơ. Các chế độ phổ biến bao gồm:
  • V/Hz (Vôn trên Hertz): Chế độ phổ biến nhất và đơn giản nhất, phù hợp cho các ứng dụng đa năng như quạt và máy bơm. Nó duy trì một tỷ lệ không đổi giữa điện áp và tần số.
  • Điều khiển vectơ không cảm biến (SVC) / Vector vòng lặp mở: Cung cấp khả năng kiểm soát mô-men xoắn tốt hơn ở tốc độ thấp hơn và cải thiện khả năng điều chỉnh tốc độ mà không cần bộ mã hóa động cơ.
  • Điều khiển vectơ vòng kín / Điều khiển vectơ thông lượng: Yêu cầu bộ mã hóa trên động cơ để điều khiển tốc độ và vị trí chính xác, thường được sử dụng trong các ứng dụng hiệu suất cao như máy công cụ hoặc robot.
  • Kiểm soát mô-men xoắn trực tiếp (DTC): Một phương pháp điều khiển độc quyền (ví dụ: của ABB) cung cấp phản hồi tốc độ và mô-men xoắn rất nhanh và chính xác, thường không có bộ mã hóa.

Thời gian tăng tốc và giảm tốc

Các thông số này rất quan trọng để động cơ vận hành trơn tru và có kiểm soát cũng như để bảo vệ thiết bị cơ khí.

• Thời gian tăng tốc: Xác định khoảng thời gian để động cơ tăng tốc từ tốc độ 0 (hoặc tốc độ tối thiểu) đến tốc độ mục tiêu. Thời gian tăng tốc dài hơn làm giảm ứng suất cơ học và dòng điện khởi động.
• Thời gian giảm tốc: Xác định khoảng thời gian để động cơ giảm tốc độ từ tốc độ hiện tại xuống tốc độ 0 (hoặc tốc độ tối thiểu). Thời gian giảm tốc dài hơn giúp giảm ứng suất cơ học nhưng có thể cần phanh động nếu tải có quán tính cao và cần dừng nhanh.

Việc đặt thời gian này quá ngắn có thể gây ra dòng điện cao, sốc cơ học và thậm chí là vấp ngã khi lái xe. Việc đặt chúng quá lâu có thể làm chậm quá trình phản hồi của quá trình.

Cài đặt kiểm soát mô-men xoắn

Đối với các ứng dụng trong đó việc điều chỉnh mô-men xoắn là quan trọng, bộ truyền động cung cấp nhiều cài đặt khác nhau:

• Giới hạn mô-men xoắn: Đặt giới hạn mô-men xoắn tối đa và tối thiểu để bảo vệ thiết bị được điều khiển hoặc ngăn ngừa hư hỏng động cơ.
• Tăng mô-men xoắn (V/Hz): Cung cấp mức tăng điện áp nhỏ ở tần số thấp hơn để khắc phục hiện tượng sụt giảm trở kháng vốn có của động cơ, giúp duy trì mô-men xoắn khi khởi động và ở tốc độ thấp, đặc biệt khi tải mô-men xoắn không đổi.
• Bồi thường trượt: Ở chế độ V/Hz, điều chỉnh tần số đầu ra dựa trên độ trượt của động cơ để duy trì tốc độ chính xác hơn dưới các mức tải khác nhau.
• Kiểm soát phanh:
  • Phanh phun DC: Đặt dòng điện một chiều vào cuộn dây động cơ để tạo ra từ trường đứng yên, nhanh chóng đưa động cơ dừng lại. Được sử dụng để dừng nhanh mà không cần điện trở bên ngoài.
  • Phanh động: Tiêu tán năng lượng tái tạo từ động cơ (trong quá trình giảm tốc của tải có quán tính cao) thông qua một điện trở hãm bên ngoài được kết nối với bus DC. Điều này cho phép giảm tốc nhanh hơn và có kiểm soát.
  • Phanh tái sinh: Cung cấp năng lượng tái tạo trở lại nguồn điện chính, thường đạt được bằng các bộ truyền động ngoại vi hoạt động (AFE).

Điều khiển PID

Nhiều ổ đĩa AC hiện đại bao gồm bộ điều khiển Tỷ lệ-Tích phân-Dẫn xuất (PID) tích hợp sẵn. Điều này cho phép bộ truyền động điều chỉnh trực tiếp các biến quy trình mà không cần PLC bên ngoài cho các vòng điều khiển đơn giản.

• Biến quá trình: Biến tần có thể giám sát phản hồi từ cảm biến (ví dụ: bộ chuyển đổi áp suất, đồng hồ đo lưu lượng, cảm biến nhiệt độ) và điều chỉnh tốc độ động cơ để duy trì điểm đặt.
• Điểm đặt: Giá trị mong muốn cho biến quá trình.
• Thông số điều chỉnh (P, I, D): Việc điều chỉnh các thông số này cho phép bộ truyền động phản ứng chính xác và ổn định với những sai lệch so với điểm đặt, ngăn ngừa hiện tượng dao động hoặc phản hồi chậm. Điều này phổ biến trong các ứng dụng máy bơm và quạt, nơi cần duy trì áp suất hoặc lưu lượng không đổi.

Thiết lập giao tiếp

Để tích hợp vào hệ thống điều khiển lớn hơn, việc định cấu hình các tham số truyền thông là điều cần thiết.

• Lựa chọn giao thức: Chọn giao thức truyền thông công nghiệp chính xác (ví dụ: Modbus RTU, Ethernet/IP, Profinet).
• Địa chỉ mạng: Gán một địa chỉ duy nhất cho ổ đĩa trên mạng.
• Tốc độ Baud/Tốc độ dữ liệu: Thiết lập tốc độ truyền thông.
• Ánh xạ dữ liệu: Xác định các tham số biến tần nào (ví dụ: tham chiếu tốc độ, tốc độ thực tế, dòng điện, cảnh báo) có thể truy cập được qua mạng và nơi chúng được ánh xạ trong PLC hoặc HMI.

Sử dụng bàn phím, HMI và giao diện phần mềm

Lập trình và cấu hình có thể được thực hiện thông qua các giao diện khác nhau:

• Bàn phím/Màn hình tích hợp: Hầu hết các biến tần đều có bàn phím cục bộ và màn hình LCD nhỏ để nhập và theo dõi các thông số cơ bản. Điều này thuận tiện cho việc vận hành các bộ truyền động đơn lẻ hoặc thực hiện các điều chỉnh nhỏ.
• Giao diện người máy (HMI): Đối với các hệ thống phức tạp hơn, bảng HMI chuyên dụng có thể cung cấp giao diện đồ họa để cài đặt các thông số, trạng thái giám sát và khắc phục sự cố.
• Phần mềm dựa trên PC: Các nhà sản xuất cung cấp các công cụ phần mềm tinh vi kết nối với ổ đĩa qua cổng USB, Ethernet hoặc cổng nối tiếp. Những công cụ này cung cấp:
  • Giao diện đồ họa: Điều hướng và quản lý tham số dễ dàng hơn.
  • Tải lên/tải xuống tham số: Lưu cấu hình và sao chép chúng vào nhiều ổ đĩa.
  • Ghi lại xu hướng: Ghi lại dữ liệu hoạt động theo thời gian để phân tích.
  • Công cụ chẩn đoán: Khả năng xử lý sự cố nâng cao.
  • Pháp sư: Hướng dẫn quy trình thiết lập cho các ứng dụng phổ biến.

Lập trình và cấu hình phù hợp đảm bảo biến tần hoạt động như dự kiến, mang lại hiệu quả tối ưu và tích hợp hoàn toàn vào kiến ​​trúc tự động hóa tổng thể. Đây là một bước quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến sự thành công của ứng dụng.

7.Cài đặt và nối dây

Việc lắp đặt và nối dây đúng cách là điều tối quan trọng để bộ truyền động xoay chiều và động cơ mà nó điều khiển hoạt động an toàn, đáng tin cậy và hiệu quả. Việc bỏ qua các biện pháp thực hành tốt nhất trong giai đoạn này có thể dẫn đến hỏng ổ đĩa, hư hỏng động cơ, các vấn đề về nhiễu điện từ (EMI) và thậm chí là các mối nguy hiểm đáng kể về an toàn. Chúng tôi khuyên bạn nên thực hiện việc lắp đặt bởi nhân viên có trình độ, quen thuộc với các quy định về điện và tiêu chuẩn an toàn.

Biện pháp phòng ngừa an toàn

Trước khi bắt đầu bất kỳ công việc nào trên ổ đĩa AC hoặc mạch điện liên quan của nó, an toàn phải được đặt lên hàng đầu tuyệt đối.

• Ngắt điện và khóa/gắn thẻ: Luôn đảm bảo rằng tất cả các nguồn điện dẫn đến bộ truyền động, động cơ và mạch điều khiển đều bị ngắt kết nối hoàn toàn và được xác minh đã ngắt điện bằng cách sử dụng quy trình khóa/gắn thẻ thích hợp. Điều này ngăn cản việc vô tình tái tạo năng lượng trong quá trình làm việc.
• Chờ xe buýt DC xả: Ngay cả sau khi ngắt nguồn điện, các tụ điện bus DC bên trong ổ đĩa vẫn giữ mức điện tích nguy hiểm trong vài phút (hoặc thậm chí lâu hơn đối với các ổ đĩa lớn hơn). Luôn đợi thời gian phóng điện được chỉ định (kiểm tra hướng dẫn sử dụng biến tần) hoặc xác minh điện áp bằng 0 trên các cực bus DC bằng đồng hồ vạn năng thích hợp trước khi chạm vào bất kỳ bộ phận bên trong nào.
• Thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE): Mang PPE thích hợp, bao gồm kính an toàn, quần áo chống hồ quang (nếu có nguy cơ phóng điện hồ quang) và găng tay cách điện.
• Làm theo hướng dẫn của nhà sản xuất: Luôn tham khảo hướng dẫn lắp đặt cụ thể do nhà sản xuất ổ đĩa AC cung cấp. Những sách hướng dẫn này chứa thông tin quan trọng liên quan đến khoảng hở, cách lắp đặt, cách nối dây và các cảnh báo an toàn dành riêng cho kiểu ổ đĩa đó.
• Tuân thủ các quy tắc điện: Tất cả hệ thống dây điện và lắp đặt phải tuân thủ các quy tắc và quy định về điện của địa phương, quốc gia và quốc tế (ví dụ: NEC ở Hoa Kỳ, tiêu chuẩn IEC ở Châu Âu).

Nối đất đúng cách

Nối đất hiệu quả có lẽ là khía cạnh quan trọng nhất của việc lắp đặt ổ đĩa AC để đảm bảo an toàn và hiệu suất.

• Nối đất an toàn (Trái đất bảo vệ): Khung của biến tần và khung động cơ phải được kết nối đúng cách với mặt đất có trở kháng thấp. Điều này bảo vệ nhân viên khỏi bị điện giật trong trường hợp lỗi cách điện. Sử dụng dây dẫn nối đất có kích thước phù hợp theo quy định và hướng dẫn sử dụng ổ đĩa.
• Nối đất tần số cao: Do chuyển mạch tần số cao (PWM) của bộ truyền động xoay chiều, dòng điện tần số cao có thể chạy qua đường dẫn trên mặt đất. Việc sử dụng cáp động cơ có vỏ bọc có kết nối tốt 360 độ của tấm chắn với đầu nối đất của biến tần và đầu nối đất của động cơ là điều cần thiết. Điều này giúp ngăn chặn EMI và hướng dòng điện ở chế độ chung ra khỏi thiết bị và nhân viên nhạy cảm.
• Nối đất chuyên dụng: Người ta thường khuyên nên có các dây dẫn nối đất chuyên dụng cho biến tần, tách biệt với các mạch điều khiển nhạy cảm khác để giảm thiểu khả năng ghép nhiễu.

Dây đầu vào và đầu ra

Các kết nối nguồn đến và từ bộ truyền động AC đòi hỏi sự chú ý cẩn thận đến kích thước dây dẫn, cách điện và định tuyến.

• Công suất đầu vào (Phía đường dây):
  • Kết nối nguồn điện AC đến với các đầu vào của biến tần (L1/R, L2/S, L3/T).
  • Đảm bảo định cỡ dây phù hợp dựa trên định mức dòng điện đầu vào của biến tần và chiều dài cáp, tuân thủ các giới hạn sụt áp.
  • Lắp đặt bảo vệ quá dòng thích hợp (cầu chì hoặc bộ ngắt mạch) phía trước biến tần theo khuyến nghị của nhà sản xuất và mã địa phương.
  • Xem xét sử dụng cuộn kháng đường dây hoặc máy biến áp cách ly nếu chất lượng nguồn điện đến kém hoặc nếu biến tần cần được bảo vệ khỏi nhiễu loạn đường dây.
• Công suất đầu ra (Phía động cơ):
  • Kết nối trực tiếp các cực đầu ra của biến tần (U, V, W) với các cực của động cơ.
  • Điều quan trọng là KHÔNG lắp đặt công tắc tơ hoặc cầu dao giữa đầu ra biến tần và động cơ trừ khi được thiết kế đặc biệt cho đầu ra có tần số thay đổi. Làm như vậy có thể gây hư hỏng ổ đĩa.
  • sử dụng Cáp động cơ định mức VFD (được che chắn, điện dung thấp) để chạy dài hơn vài mét. Các loại cáp này được thiết kế để chịu được các xung điện áp tần số cao (dV/dt) do đầu ra xung tạo ra và giảm thiểu sóng phản xạ cũng như EMI.
  • Đảm bảo kích cỡ dây phù hợp với dòng điện đầy tải của động cơ.

Dây động cơ

Việc kết nối đúng cách các cuộn dây động cơ là rất quan trọng để quay và hoạt động chính xác.

• Loại kết nối động cơ: Đảm bảo động cơ được kết nối với điện áp chính xác (Star/Wye hoặc Delta) theo bảng tên và điện áp đầu ra của biến tần. Ví dụ: động cơ 400V có thể được kết nối tam giác trên nguồn 400V hoặc kết nối sao trên nguồn 690V. Các kết nối không khớp có thể dẫn đến động cơ quá nóng hoặc hoạt động kém.
• Xoay vòng: Xác minh hướng quay của động cơ. Nếu không chính xác, chỉ cần hoán đổi bất kỳ hai trong ba pha đầu ra (U, V, W) từ biến tần sang động cơ.
• Dây nối bộ mã hóa/phản hồi (nếu có): Nếu sử dụng chế độ điều khiển vòng kín (ví dụ: để điều khiển tốc độ hoặc vị trí chính xác), hãy kết nối cáp phản hồi bộ mã hóa động cơ hoặc bộ phân giải với các đầu cuối điều khiển của biến tần theo hướng dẫn của nhà sản xuất. Các loại cáp này thường được che chắn và yêu cầu đi dây cẩn thận để tránh nhiễu.

Xử lý nhiễu điện từ (EMI)

Ổ đĩa AC, do chuyển đổi tần số cao, có thể tạo ra EMI đáng kể, có thể làm gián đoạn các thiết bị điện tử nhạy cảm gần đó. Giảm thiểu EMI là một khía cạnh quan trọng của việc cài đặt tốt.

• Cáp được bảo vệ: Như đã đề cập, hãy sử dụng cáp động cơ có vỏ bọc (dây đầu ra) và cáp điều khiển/phản hồi có vỏ bọc. Đảm bảo các tấm chắn được kết thúc đúng cách ở cả hai đầu (kết thúc 360 độ với mặt đất của ổ đĩa và mặt đất của động cơ/cảm biến).
• Tách dây:
  • Đi cáp nguồn (đầu vào và đầu ra) riêng biệt với cáp điều khiển và cáp truyền thông. Duy trì khoảng cách tách biệt tối thiểu (ví dụ: 20-30 cm trở lên).
  • Tránh chạy song song cáp nguồn và cáp điều khiển trong cùng một ống dẫn hoặc khay cáp. Nếu băng qua, hãy làm như vậy ở góc 90 độ.
• Lõi Ferrite: Trong một số trường hợp, lõi ferrite có thể được kẹp xung quanh cáp đầu ra động cơ hoặc cáp điều khiển để giúp giảm nhiễu tần số cao.
• Lò phản ứng dòng/Bộ lọc EMI: Bộ phản kháng đường dây đầu vào có thể làm giảm độ méo sóng hài trên đường dây điện đầu vào và giúp lọc một số EMI. Bộ lọc EMI chuyên dụng (được tích hợp vào ổ đĩa hoặc bên ngoài) có thể tiếp tục giảm phát thải dẫn truyền và bức xạ.
• Bao vây thích hợp: Gắn ổ đĩa vào vỏ kim loại được nối đất đúng cách. Đảm bảo tiếp xúc điện tốt giữa tất cả các bề mặt kim loại của vỏ.

Việc tuân thủ các nguyên tắc lắp đặt và nối dây này đảm bảo biến tần hoạt động an toàn, đáng tin cậy và mang lại hiệu suất tối ưu đồng thời giảm thiểu các vấn đề tiềm ẩn liên quan đến chất lượng điện và khả năng tương thích điện từ.

8. Bảo trì và khắc phục sự cố

Ngay cả khi được lựa chọn và lắp đặt đúng cách, bộ truyền động AC, giống như bất kỳ thiết bị điện tử nào, đều yêu cầu bảo trì thường xuyên và thỉnh thoảng khắc phục sự cố để đảm bảo độ tin cậy lâu dài và hiệu suất tối ưu của chúng. Bảo trì chủ động có thể ngăn ngừa thời gian ngừng hoạt động tốn kém, trong khi xử lý sự cố có hệ thống giúp nhanh chóng xác định và giải quyết các vấn đề khi chúng phát sinh.

Kiểm tra và vệ sinh thường xuyên

Một lịch trình nhất quán về kiểm tra trực quan và làm sạch là nền tảng cho tuổi thọ của ổ AC.

• Kiểm tra trực quan:
  • Bên ngoài: Kiểm tra sự tích tụ bụi bẩn, đặc biệt là xung quanh các cánh tản nhiệt và lỗ thông hơi. Tìm kiếm các dấu hiệu quá nhiệt như dây điện hoặc linh kiện bị đổi màu, có mùi khét hoặc nhựa bị cong vênh.
  • Bên trong (khi ngắt điện an toàn): Kiểm tra tụ điện xem có bị phồng hoặc rò rỉ không (dấu hiệu hỏng hóc). Kiểm tra các kết nối lỏng lẻo, ăn mòn trên các thiết bị đầu cuối hoặc hệ thống dây điện bị hỏng. Tìm kiếm sự xâm nhập của côn trùng hoặc động vật gặm nhấm.
• Vệ sinh:
  • Loại bỏ bụi: Bụi bẩn đóng vai trò cách nhiệt, cản trở quá trình tản nhiệt và có khả năng gây quá nhiệt. Sử dụng khí nén khô, sạch, áp suất thấp (không dầu) để thổi bụi ra khỏi tản nhiệt, quạt làm mát và các bộ phận bên trong. Tránh hướng không khí trực tiếp vào bảng mạch vì có thể làm hỏng các bộ phận nhạy cảm.
  • Người hâm mộ: Kiểm tra quạt làm mát xem có hoạt động bình thường, có tiếng ồn quá mức hoặc hư hỏng vật lý không. Làm sạch cánh quạt và đảm bảo đường dẫn khí không bị cản trở. Thay thế quạt ồn ào hoặc hỏng hóc kịp thời.
  • Bộ lọc: Nếu vỏ hoặc ổ đĩa có bộ lọc không khí, hãy vệ sinh hoặc thay thế chúng thường xuyên theo khuyến nghị của nhà sản xuất. Bộ lọc bị tắc hạn chế nghiêm trọng luồng không khí.
• Kiểm tra môi trường: Xác minh rằng nhiệt độ, độ ẩm và độ thông gió xung quanh bên trong vỏ ổ đĩa nằm trong giới hạn do nhà sản xuất chỉ định. Đảm bảo các cửa bao vây được đóng kín đúng cách.

Kiểm tra điện áp và mức hiện tại

Việc giám sát thường xuyên các thông số điện cung cấp thông tin chuyên sâu về tình trạng hoạt động và tình trạng hoạt động của ổ đĩa.

• Điện áp đầu vào: Xác minh điện áp dòng AC đầu vào ổn định và nằm trong dung sai chỉ định của biến tần. Sự dao động có thể gây ra những chuyến đi phiền toái hoặc hư hỏng.
• Điện áp và tần số đầu ra: Giám sát điện áp và tần số đầu ra của biến tần ở các tốc độ động cơ khác nhau. Điều này xác nhận biến tần đang cung cấp công suất mong đợi cho động cơ.
• Động cơ hiện tại: So sánh dòng điện thực tế của động cơ với định mức ampe đầy tải (FLA) của động cơ và định mức dòng điện đầu ra của biến tần.
  • Dòng điện quá mức có thể cho thấy động cơ bị quá tải, sự cố cơ học với thiết bị được dẫn động hoặc lỗi bên trong động cơ hoặc bộ truyền động.
  • Dòng điện không cân bằng giữa các pha có thể chỉ ra các vấn đề về cuộn dây động cơ hoặc các vấn đề về thành phần nguồn điện đầu ra trong bộ truyền động.
• Điện áp xe buýt DC: Giám sát điện áp bus DC (nếu có thể truy cập thông qua màn hình hoặc phần mềm của biến tần). Số đọc bất thường có thể chỉ ra các vấn đề với bộ chỉnh lưu, tụ điện liên kết DC hoặc phanh tái tạo.
• Biến dạng sóng hài: Mặc dù nâng cao hơn, hãy cân nhắc việc kiểm tra định kỳ độ méo sóng hài trên đường dây nguồn đầu vào, đặc biệt là trong các hệ thống lắp đặt có nhiều ổ đĩa. Sóng hài quá mức có thể ảnh hưởng đến các thiết bị khác trên cùng một đường dây.

Bảo trì vòng bi (Động cơ)

Mặc dù không phải là một phần của quá trình bảo trì ổ trục, nhưng việc bảo dưỡng vòng bi động cơ đúng cách sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tình trạng chung của hệ thống truyền động.

• Bôi trơn: Tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất động cơ về lịch trình bôi trơn vòng bi và loại mỡ. Bôi mỡ quá nhiều hoặc thiếu mỡ có thể dẫn đến hư hỏng vòng bi sớm.
• Phân tích rung động: Đối với các ứng dụng quan trọng, phân tích rung động định kỳ có thể phát hiện sớm các dấu hiệu hao mòn hoặc lệch trục của vòng bi, cho phép chủ động thay thế trước khi xảy ra hỏng hóc nghiêm trọng.
• Kiểm tra tiếng ồn: Lắng nghe những tiếng động bất thường từ động cơ, điều này thường cho thấy có vấn đề về ổ trục.

Khắc phục sự cố thường gặp

Khi xảy ra lỗi, cách tiếp cận có hệ thống là chìa khóa để khắc phục sự cố hiệu quả. Hầu hết các ổ đĩa đều cung cấp mã chẩn đoán hoặc thông báo trên màn hình của chúng.

• "Không hiển thị" / Không có nguồn:
  • Kiểm tra nguồn điện đến (cầu dao, cầu chì, điện áp).
  • Kiểm tra nguồn điện điều khiển nếu tách rời.
  • Kiểm tra hư hỏng bên trong (ví dụ: đứt cầu chì trong ổ đĩa).
• "Chuyến đi quá dòng":
  • Nguyên nhân: Động cơ quá tải, liên kết cơ học, đoản mạch trong động cơ hoặc cáp, tăng/giảm tốc nhanh, điều chỉnh truyền động không chính xác.
  • hành động: Kiểm tra tải động cơ, kiểm tra thiết bị dẫn động, kiểm tra cách điện động cơ, tăng thời gian tăng tốc/giảm tốc, kiểm tra các thông số động cơ.
• "Chuyến đi quá điện áp":
  • Nguyên nhân: Tải quán tính cao giảm tốc quá nhanh (điện áp tái tạo vượt quá giới hạn bus DC), điện áp đường dây đầu vào quá mức.
  • hành động: Tăng thời gian giảm tốc, lắp đặt điện trở hãm động (nếu cần), kiểm tra điện áp đường dây đầu vào, xem xét cuộn kháng đường dây.
• "Chuyến đi điện áp thấp":
  • Nguyên nhân: Nguồn điện đầu vào bị chùng xuống, mất điện tạm thời.
  • hành động: Kiểm tra điện áp đường dây đầu vào, kiểm tra chất lượng nguồn điện.
• "Chuyến đi quá tải động cơ" / "Chuyến đi nhiệt":
  • Nguyên nhân: Động cơ chạy liên tục trên dòng định mức, làm mát động cơ không đủ, thông số động cơ không chính xác.
  • hành động: Giảm tải, kiểm tra quạt động cơ, đảm bảo thông gió động cơ, xác minh cài đặt FLA động cơ trong biến tần.
• "Chuyến đi sự cố chạm đất":
  • Nguyên nhân: Sự cố cách điện trong cuộn dây hoặc cáp động cơ, độ ẩm.
  • hành động: Động cơ và cáp Megger (kiểm tra cách điện).
• "Lỗi quạt truyền động":
  • Nguyên nhân: Quạt làm mát bị hỏng, luồng khí bị chặn.
  • hành động: Vệ sinh hoặc thay quạt, dọn sạch vật cản.
• Động cơ không chạy / Không có đầu ra:
  • Nguyên nhân: Đấu dây không chính xác, vấn đề về tín hiệu điều khiển (không khởi động/dừng), thiếu tham chiếu tần số, biến tần ở trạng thái "lỗi".
  • hành động: Kiểm tra tất cả hệ thống dây điện, xác minh đầu vào điều khiển, kiểm tra mã lỗi đang hoạt động.

9. Tính năng và công nghệ nâng cao

Trong khi chức năng cốt lõi của biến tần xoay chiều liên quan đến tần số và điện áp khác nhau để điều khiển động cơ, các biến tần hiện đại kết hợp nhiều tính năng và công nghệ tiên tiến giúp nâng cao hiệu suất, hiệu quả và khả năng tích hợp của chúng. Những cải tiến này cho phép kiểm soát phức tạp hơn, tiết kiệm năng lượng nhiều hơn và liên lạc liền mạch trong các hệ thống công nghiệp phức tạp.

Phanh tái sinh

Bộ truyền động AC truyền thống tiêu tán năng lượng dư thừa được tạo ra trong quá trình giảm tốc của tải quán tính cao dưới dạng nhiệt trong các điện trở hãm bên ngoài (hãm động). Phanh tái tạo cung cấp một giải pháp thay thế tiết kiệm năng lượng hơn nhiều.

• Nó hoạt động như thế nào: Thay vì chuyển đổi động năng của động cơ thành nhiệt, các bộ truyền động tái tạo (thường sử dụng bộ chỉnh lưu "Active Front End") chuyển năng lượng này trở lại thành năng lượng điện và cấp trực tiếp vào lưới điện AC chính. Động cơ hoạt động hiệu quả như một máy phát điện trong quá trình giảm tốc.
• Lợi ích:
  • Tiết kiệm năng lượng đáng kể: Đặc biệt trong các ứng dụng thường xuyên khởi động/dừng hoặc tải có quán tính cao (ví dụ: máy ly tâm, quạt lớn, thang máy, cần cẩu), phanh tái tạo giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng.
  • Giảm nhiệt: Loại bỏ nhu cầu về điện trở hãm cồng kềnh và sinh nhiệt, đơn giản hóa việc quản lý nhiệt.
  • Hệ số công suất cao hơn: Các bộ điều khiển phía trước hoạt động thường cung cấp hệ số công suất thống nhất, giảm công suất phản kháng lấy từ lưới điện.
  • Giảm sóng hài: Mặt trước hoạt động cũng làm giảm đáng kể hiện tượng méo sóng hài được đưa trở lại nguồn điện.

Kiểm soát véc tơ không cảm biến

Mặc dù điều khiển V/Hz cơ bản phù hợp với nhiều ứng dụng nhưng nó có thể gặp khó khăn với việc điều khiển mô-men xoắn chính xác và hiệu suất ở tốc độ thấp. Điều khiển vectơ không cảm biến (SVC), còn được gọi là Điều khiển vectơ vòng lặp mở, mang lại sự cải tiến đáng kể mà không cần bộ mã hóa động cơ vật lý.

• Nó hoạt động như thế nào: SVC sử dụng các mô hình toán học phức tạp của động cơ và các phép đo thời gian thực về dòng điện và điện áp của động cơ để ước tính từ thông và tốc độ rôto của động cơ. Bằng cách điều khiển từ thông và các thành phần dòng điện tạo ra mô-men xoắn một cách độc lập (tương tự như cách điều khiển động cơ DC), nó đạt được khả năng điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn chính xác.
• Lợi ích:
  • Kiểm soát mô-men xoắn được cải thiện: Mô-men xoắn khởi động tốt hơn và kiểm soát mô-men xoắn ổn định hơn trên phạm vi tốc độ rộng hơn, đặc biệt là ở tốc độ thấp.
  • Điều chỉnh tốc độ nâng cao: Giữ tốc độ chính xác hơn trong các điều kiện tải khác nhau so với V/Hz.
  • Loại bỏ bộ mã hóa: Giảm độ phức tạp của hệ thống dây điện, chi phí và các điểm hỏng hóc tiềm ẩn liên quan đến bộ mã hóa gắn trên động cơ.
  • Thích hợp cho: Băng tải, máy trộn, máy đùn và các ứng dụng khác yêu cầu hiệu suất tốt hơn V/Hz nhưng không có yêu cầu về độ chính xác cao nhất.

Kiểm soát mô-men xoắn trực tiếp (DTC)

Kiểm soát mô-men xoắn trực tiếp (DTC) là phương pháp điều khiển độc quyền, tiên tiến chủ yếu được liên kết với các bộ truyền động ABB. Nó thể hiện sự khác biệt đáng kể so với điều khiển vector và điều khiển truyền thống.

• Nó hoạt động như thế nào: DTC trực tiếp điều khiển từ thông và mô-men điện từ của động cơ bằng cách chọn trạng thái chuyển đổi biến tần tối ưu dựa trên lỗi từ thông và mô-men xoắn theo thời gian thực. Nó bỏ qua sự cần thiết của bộ điều biến truyền thống và bộ điều chỉnh hiện tại.
• Lợi ích:
  • Phản hồi cực nhanh: Cung cấp phản ứng từ thông và mô-men xoắn cực nhanh, dẫn đến hiệu suất rất năng động.
  • Độ chính xác cao: Đạt được khả năng kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn chính xác, thường không cần bộ mã hóa, khiến nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.
  • Độ bền: Ít nhạy cảm hơn với sự thay đổi thông số động cơ và dao động điện áp.
  • Thích hợp cho: Các ứng dụng hiệu suất cao như máy giấy, máy phát điện tua-bin gió, điều khiển tời và cần cẩu cũng như động cơ đẩy trên biển.

Giao thức truyền thông nâng cao

Ngoài giao tiếp nối tiếp cơ bản (như Modbus RTU), các ổ đĩa AC hiện đại còn hỗ trợ nhiều giao thức Ethernet và fieldbus công nghiệp tiên tiến, cho phép tích hợp liền mạch vào các kiến trúc tự động hóa phức tạp.

• Ethernet công nghiệp:
  • Ethernet/IP: Được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa Rockwell.
  • Profinet: Phổ biến trong môi trường Siemens.
  • EtherCAT: Được biết đến với tốc độ cao và tính quyết định, thường được sử dụng trong điều khiển chuyển động.
  • Modbus TCP/IP: Một giao thức dựa trên Ethernet mở, được áp dụng rộng rãi.
• Xe buýt trường:
  • PROFIbus: Một fieldbus trưởng thành và mạnh mẽ, vẫn được sử dụng rộng rãi.
  • Thiết bịNet: Một fieldbus khác được thiết lập để điều khiển rời rạc.
  • CÓ THỂ mở: Phổ biến trong các hệ thống nhúng và một số máy móc nhất định.
• Lợi ích:
  • Tích hợp liền mạch: Dễ dàng kết nối với PLC, HMI, hệ thống SCADA và các thiết bị sàn nhà máy khác.
  • Giám sát và điều khiển từ xa: Cho phép điều chỉnh các thông số từ xa, theo dõi trạng thái thời gian thực và chẩn đoán lỗi từ phòng điều khiển trung tâm.
  • Trao đổi dữ liệu: Tạo điều kiện trao đổi dữ liệu vận hành phong phú, hỗ trợ phân tích và chiến lược bảo trì dự đoán.
  • Cải thiện chẩn đoán: Báo cáo lỗi nhanh hơn và chi tiết hơn.

Chức năng PLC tích hợp

Nhiều ổ đĩa AC hiện đại hiện nay có khả năng Bộ điều khiển logic lập trình (PLC) tích hợp, thường được gọi là "PLC mềm" hoặc "trí thông minh dựa trên ổ đĩa".

• Nó hoạt động như thế nào: Một công cụ logic nhỏ có thể lập trình được được nhúng trong mạch điều khiển của biến tần. Người dùng có thể lập trình các chuỗi logic đơn giản, chức năng định giờ và các hoạt động có điều kiện trực tiếp trong bộ điều khiển, thường sử dụng các ngôn ngữ lập trình PLC tiêu chuẩn (ví dụ: logic bậc thang, sơ đồ khối chức năng).
• Lợi ích:
  • Giảm các thành phần bên ngoài: Đối với các ứng dụng đơn giản, nó có thể loại bỏ nhu cầu về một PLC nhỏ, riêng biệt bên ngoài, tiết kiệm chi phí và không gian bảng điều khiển.
  • Phản hồi nhanh hơn: Logic được thực thi trực tiếp trong ổ đĩa có thể có thời gian phản hồi nhanh hơn vì nó tránh được sự chậm trễ trong giao tiếp.
  • Kiểm soát phân tán: Cho phép nhiều kiến trúc điều khiển phân tán hơn, nơi trí thông minh được trải rộng khắp hệ thống.
  • Tăng cường quyền tự chủ: Biến tần có thể thực hiện các nhiệm vụ điều khiển cơ bản một cách độc lập, ngay cả khi giao tiếp PLC chính tạm thời bị gián đoạn.
  • Ứng dụng ví dụ: Dàn máy bơm đơn giản, điều khiển quạt dựa trên nhiệt độ, trình tự cơ bản cho một đoạn băng tải nhỏ.

Các tính năng nâng cao này cùng nhau vượt qua các giới hạn mà bộ điều khiển AC có thể đạt được, biến chúng từ bộ điều khiển tốc độ đơn giản thành các khối xây dựng thông minh, nối mạng và tiết kiệm năng lượng của tự động hóa công nghiệp hiện đại.

10. Cân nhắc về an toàn

Làm việc với bộ truyền động xoay chiều liên quan đến điện áp cao, dòng điện đáng kể và máy móc di chuyển, gây ra nhiều mối nguy hiểm về điện và cơ khí. Do đó, việc tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình và tiêu chuẩn an toàn không chỉ đơn thuần là một khuyến nghị mà còn là một mệnh lệnh quan trọng. Ưu tiên an toàn để bảo vệ nhân viên, ngăn ngừa hư hỏng thiết bị và đảm bảo tuân thủ các yêu cầu quy định.

Tiêu chuẩn an toàn điện

Việc tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn điện liên quan là nền tảng để vận hành biến tần AC an toàn. Các tiêu chuẩn này quy định các quy trình lắp đặt, nối dây, nối đất và vận hành thích hợp.

• Mã quốc gia và quốc tế:
  • NEC (Bộ luật điện quốc gia - NFPA 70): Ở Bắc Mỹ, NEC cung cấp các hướng dẫn về lắp đặt điện an toàn, bao gồm cả những hướng dẫn liên quan đến điều khiển động cơ và truyền động.
  • Tiêu chuẩn IEC (Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế): Trên toàn cầu, các tiêu chuẩn IEC khác nhau là rất quan trọng. Ví dụ, dòng sản phẩm IEC 61800 đặc biệt đề cập đến các hệ thống truyền động điện có tốc độ có thể điều chỉnh được.
  • Quy định của địa phương: Luôn xác minh và tuân thủ các quy định về điện cụ thể của địa phương cũng như các quy định quốc gia ở Hà Lan hoặc bất kỳ nơi lắp đặt nào.
• Khuyến nghị của nhà sản xuất: Luôn tham khảo và tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc an toàn cũng như hướng dẫn lắp đặt được cung cấp trong sổ tay hướng dẫn sử dụng biến tần. Chúng thường bao gồm các cảnh báo, thông số kỹ thuật và yêu cầu nối dây cụ thể dành riêng cho thiết bị.
• Nhân sự có trình độ: Chỉ những nhân viên được đào tạo, có trình độ và được ủy quyền mới được lắp đặt, vận hành, bảo trì hoặc khắc phục sự cố bộ truyền động AC. Những cá nhân này phải có sự hiểu biết thấu đáo về các mối nguy hiểm về điện, quy trình khóa/gắn thẻ và các tiêu chuẩn an toàn liên quan.

Bảo vệ đèn flash hồ quang

Tia hồ quang là hiện tượng điện nguy hiểm có thể xảy ra khi dòng điện rời khỏi đường đi dự kiến và truyền qua không khí đến dây dẫn khác hoặc chạm đất. Điều này có thể dẫn đến sự giải phóng đột ngột một lượng nhiệt, ánh sáng và áp suất khổng lồ, dẫn đến bỏng nặng, thương tích hoặc tử vong. Bộ truyền động AC, với điện áp cao và khả năng xảy ra lỗi, có thể là nguồn gây ra nguy cơ phóng điện hồ quang.

• Đánh giá rủi ro flash hồ quang: Tiến hành đánh giá rủi ro sự cố hồ quang điện để xác định các mối nguy hiểm tiềm ẩn, xác định mức năng lượng sự cố và thiết lập các biện pháp làm việc an toàn và yêu cầu PPE phù hợp.
• Nhãn cảnh báo: Đảm bảo thiết bị được dán nhãn phù hợp với các biển cảnh báo đèn hồ quang cho biết mức độ nguy hiểm và PPE cần thiết.
• PPE được xếp hạng hồ quang: Nhân viên làm việc trên hoặc gần thiết bị điện có điện, bao gồm cả bộ truyền động AC, phải đeo thiết bị bảo hộ cá nhân có khả năng chống hồ quang (AR) thích hợp như được xác định trong quá trình đánh giá rủi ro.
• Công việc không còn năng lượng: Bất cứ khi nào có thể, hãy ngắt điện và xác minh mức năng lượng bằng 0 trước khi thực hiện bất kỳ công việc nào. Nếu công việc phải được thực hiện trên thiết bị đang mang điện, hãy tuân thủ các quy trình và giấy phép làm việc được cấp điện nghiêm ngặt.

Hệ thống dừng khẩn cấp

Hệ thống dừng khẩn cấp (E-stop) chắc chắn và dễ tiếp cận là rất quan trọng để tắt nhanh động cơ và lái xe trong các tình huống nguy hiểm.

• Thiết kế và thực hiện: Mạch dừng điện tử phải được thiết kế có chức năng điều khiển liên quan đến an toàn, thường yêu cầu các bộ phận dự phòng và giám sát để đảm bảo độ tin cậy (ví dụ: tuân thủ ISO 13849 về an toàn máy hoặc IEC 62061).
• Điểm dừng điện tử có dây cứng: Các nút E-stop thường phải được nối dây cứng để ngắt trực tiếp nguồn điện điều khiển của biến tần hoặc sử dụng đầu vào an toàn chuyên dụng, bỏ qua logic phần mềm để đảm bảo tắt máy ngay lập tức và đáng tin cậy.
• Ngắt kết nối ngay lập tức: Việc dừng khẩn cấp sẽ ngắt kết nối nguồn điện với động cơ và ngăn chặn mọi chuyển động tiếp theo.
• Vị trí và khả năng tiếp cận: Các nút dừng điện tử phải được đánh dấu rõ ràng, dễ nhận biết và được đặt ở vị trí chiến lược trong tầm tay của người vận hành và nhân viên ở những khu vực có máy móc.

Thủ tục khóa/gắn thẻ cách ly

Lockout/Tagout (LOTO) là một quy trình an toàn bắt buộc được sử dụng để đảm bảo rằng máy móc nguy hiểm được tắt đúng cách và không thể khởi động lại trước khi hoàn thành công việc bảo trì hoặc phục vụ.

• Mục đích: Ngăn chặn việc tái cấp điện vô tình hoặc trái phép cho thiết bị trong quá trình bảo dưỡng hoặc bảo trì.
• Thủ tục:
  1. Chuẩn bị: Thông báo cho nhân viên bị ảnh hưởng.
  2. Tắt máy: Tắt máy hoặc thiết bị.
  3. Cách ly: Ngắt kết nối tất cả các nguồn năng lượng (điện, thủy lực, khí nén, v.v.). Đối với ổ đĩa AC, điều này có nghĩa là ngắt kết nối nguồn điện chính.
  4. Ứng dụng khóa/gắn thẻ: Áp dụng khóa và thẻ cho tất cả các thiết bị cách ly năng lượng. Thẻ cho biết ai đã khóa thiết bị và tại sao.
  5. Giải phóng năng lượng dự trữ: Giải phóng hoặc hạn chế một cách an toàn mọi năng lượng được lưu trữ. Đối với biến tần AC, điều này đặc biệt có nghĩa là xác minh tụ điện bus DC đã phóng điện đến mức điện áp an toàn.
  6. Xác minh: Cố gắng vận hành các nút điều khiển để xác nhận rằng máy sẽ không khởi động. Xác minh điện áp bằng 0 tại điểm làm việc.
• Đào tạo: Tất cả nhân viên tham gia vào quy trình LOTO phải được đào tạo và ủy quyền đầy đủ.

Bằng cách siêng năng thực hiện các cân nhắc về an toàn này, các rủi ro liên quan đến vận hành bộ truyền động AC có thể được giảm thiểu đáng kể, thúc đẩy môi trường làm việc an toàn hơn và đảm bảo tuổi thọ của cả nhân viên và thiết bị.

11.Xu hướng tương lai trong công nghệ truyền động xoay chiều

Sự phát triển của công nghệ truyền động xoay chiều là liên tục, được thúc đẩy bởi những tiến bộ trong điện tử công suất, xử lý kỹ thuật số và kết nối. Khi các ngành công nghiệp thúc đẩy hiệu quả, trí thông minh và khả năng tích hợp cao hơn, bộ truyền động AC đang chuyển đổi từ bộ điều khiển động cơ biệt lập thành các bộ phận được kết nối mạng, rất phức tạp của hệ sinh thái tự động hóa tiên tiến. Một số xu hướng chính đang định hình tương lai của công nghệ truyền động xoay chiều.

Tăng cường tích hợp với IoT (Internet of Things)

Sự phổ biến của Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) đang tác động sâu sắc đến các ổ đĩa AC, cho phép chúng trở nên kết nối và giàu dữ liệu hơn.

• Kết nối nhúng: Các ổ đĩa trong tương lai sẽ ngày càng có nhiều cổng Ethernet tích hợp và hỗ trợ nhiều giao thức IIoT khác nhau (ví dụ: OPC UA, MQTT), đơn giản hóa việc tích hợp vào các hệ thống đám mây và doanh nghiệp rộng hơn.
• Khả năng tính toán biên: Ổ đĩa đang trở nên "thông minh hơn" ở biên, có khả năng xử lý dữ liệu cục bộ thay vì gửi tất cả dữ liệu thô lên đám mây. Điều này cho phép đưa ra quyết định nhanh hơn, giảm độ trễ và yêu cầu băng thông thấp hơn cho các phân tích cơ bản.
• Giám sát và điều khiển từ xa: Khả năng kết nối nâng cao tạo điều kiện giám sát từ xa hiệu suất của biến tần và động cơ, cho phép khắc phục sự cố bên ngoài, điều chỉnh tham số và tối ưu hóa vận hành. Điều này đặc biệt có giá trị đối với tài sản hoặc cơ sở được phân phối.
• Phân tích dữ liệu và trực quan hóa: Ổ đĩa sẽ đóng góp vào các nhóm dữ liệu lớn, cung cấp thông tin cho các nền tảng phân tích để xác định xu hướng hiệu suất, phân tích mức tiêu thụ năng lượng và tối ưu hóa quy trình.

Ổ đĩa thông minh với bảo trì dự đoán

Tận dụng khả năng của IIoT, bộ điều khiển AC đang phát triển để trở thành người tham gia chủ động trong các chiến lược bảo trì dự đoán, chuyển từ sửa chữa phản ứng sang can thiệp dự đoán.

• Cảm biến tích hợp: Các bộ truyền động trong tương lai có thể kết hợp các cảm biến bên trong phức tạp hơn hoặc tích hợp liền mạch với các cảm biến bên ngoài (ví dụ: độ rung, nhiệt độ, âm thanh) trên động cơ và thiết bị được dẫn động.
• Giám sát tình trạng: Bộ truyền động sẽ thu thập và phân tích dữ liệu thời gian thực như phân tích dấu hiệu dòng điện động cơ (MCSA), kiểu rung, nhiệt độ cuộn dây và nhiệt độ ổ trục.
• Phát hiện bất thường: Các thuật toán tích hợp và khả năng học máy sẽ phân tích dữ liệu này để phát hiện những điểm bất thường hoặc sai lệch nhỏ so với mô hình hoạt động thông thường cho thấy lỗi thiết bị sắp xảy ra.
• Cảnh báo và chẩn đoán: Khi phát hiện sự bất thường, ổ đĩa có thể tạo cảnh báo tự động cho nhân viên bảo trì, cung cấp thông tin chẩn đoán chi tiết và thậm chí đề xuất hành động khắc phục, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến và tối ưu hóa lịch bảo trì.
• Cặp song sinh kỹ thuật số: Dữ liệu từ các ổ đĩa thông minh sẽ đưa vào các mô hình tài sản song sinh kỹ thuật số, cho phép mô phỏng các điều kiện vận hành khác nhau và dự đoán thời gian sử dụng hữu ích còn lại.

Cải thiện hiệu quả năng lượng

Mặc dù các bộ truyền động AC hiện tại đã có hiệu suất cao nhưng hoạt động nghiên cứu và phát triển đang diễn ra vẫn tiếp tục đẩy mạnh các giới hạn của việc tối ưu hóa năng lượng.

• Chất bán dẫn có dải rộng: Việc sử dụng ngày càng nhiều các vật liệu bán dẫn mới như Silicon Carbide (SiC) và Gallium Nitride (GaN) sẽ dẫn đến các ổ đĩa có tổn thất chuyển mạch thấp hơn, mật độ năng lượng cao hơn và hiệu suất cao hơn. Những vật liệu này cho phép tần số chuyển mạch cao hơn và hoạt động ở nhiệt độ cao hơn.
• Thuật toán điều khiển nâng cao: Việc cải tiến liên tục các thuật toán điều khiển động cơ (ví dụ: những tiến bộ hơn nữa trong ước tính từ thông, điều khiển thích ứng) sẽ mang lại hiệu quả cao hơn nữa từ động cơ ở các mức tải và tốc độ khác nhau.
• Giải pháp chất lượng điện tích hợp: Các bộ truyền động trong tương lai có thể tích hợp liền mạch hơn khả năng lọc sóng hài chủ động và hiệu chỉnh hệ số công suất, cải thiện chất lượng điện năng tổng thể của các hệ thống lắp đặt công nghiệp.
• Khả năng tương thích của lưới DC: Khi các ngành công nghiệp cân nhắc việc chuyển sang lưới điện siêu nhỏ DC, các bộ truyền động có khả năng đầu vào DC nguyên bản sẽ trở nên phổ biến hơn, loại bỏ tổn thất chuyển đổi AC-DC tại điểm kết nối.

Khả năng giao tiếp không dây

Việc giảm sự phụ thuộc vào kết nối có dây để điều khiển và thu thập dữ liệu sẽ nâng cao tính linh hoạt và đơn giản hóa việc cài đặt.

• Tích hợp Fieldbus không dây: Ổ đĩa sẽ ngày càng cung cấp Wi-Fi, Bluetooth tích hợp hoặc các tiêu chuẩn truyền thông công nghiệp không dây khác (ví dụ: Wireless HART, ISA100 Wireless, mạng không dây công nghiệp độc quyền) để lập trình, giám sát và thậm chí cả điều khiển cơ bản trong các ứng dụng ít quan trọng hơn.
• Mạng lưới: Khả năng hình thành mạng lưới tự phục hồi giữa các ổ đĩa và các thiết bị khác sẽ cải thiện độ tin cậy và khả năng mở rộng của hệ thống tự động hóa không dây.
• Vận hành từ xa: Khả năng không dây có thể tạo điều kiện cho việc vận hành từ xa an toàn hơn và hiệu quả hơn ở những địa điểm nguy hiểm hoặc khó tiếp cận.

Chức năng PLC tích hợp

Xu hướng tích hợp logic PLC trực tiếp vào bộ biến tần sẽ ngày càng mở rộng, khiến bộ truyền động trở nên tự chủ và linh hoạt hơn.

• Sức mạnh xử lý nâng cao: Ổ đĩa sẽ có bộ xử lý mạnh hơn có khả năng thực hiện các chương trình PLC phức tạp hơn.
• Lập trình tiêu chuẩn hóa: Việc áp dụng rộng rãi hơn các môi trường lập trình IEC 61131-3 trực tiếp trong ổ đĩa sẽ giúp các kỹ sư điều khiển tận dụng chức năng này dễ dàng hơn.
• Chức năng mô-đun: Biến tần có thể cung cấp các khối phần mềm mô-đun cho các ứng dụng cụ thể (ví dụ: trình tự bơm, điều khiển quạt với các chế độ đốt), giảm công sức lập trình.
• An ninh mạng: Khi các ổ đĩa trở nên kết nối và thông minh hơn, các tính năng an ninh mạng mạnh mẽ (ví dụ: khởi động an toàn, liên lạc được mã hóa, kiểm soát truy cập) sẽ trở thành tiêu chuẩn để bảo vệ khỏi các mối đe dọa mạng và truy cập trái phép.

Tương lai của công nghệ truyền động xoay chiều hướng tới các thiết bị tự động, kết nối và thông minh cao không chỉ điều khiển động cơ với độ chính xác và hiệu quả chưa từng có mà còn đóng vai trò then chốt trong bối cảnh rộng lớn hơn của các nhà máy thông minh, bảo trì dự đoán và hoạt động công nghiệp bền vững.