1.VFD là gì?

VFD là viết tắt của Variable Frequency Drive hay còn gọi là biến tần. Đây là một thiết bị điện tử chuyên dùng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện xoay chiều thông qua việc thay đổi tần số và điện áp đầu vào cấp cho động cơ. Nhờ khả năng thay đổi tần số này, động cơ có thể hoạt động linh hoạt ở nhiều tốc độ khác nhau, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể trong công nghiệp và dân dụng.

Một số tên gọi khác của biến tần (VFD)

Biến tần còn được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau, bao gồm:

• Adjustable Speed Drive (Bộ điều khiển tốc độ)

• Adjustable Frequency Drive (Bộ điều khiển tần số)

• AC Drive (Biến tần dòng xoay chiều)

• Inverter Drive

• Drive

Dù được gọi bằng tên nào, VFD vẫn là một bộ điều khiển chuyên dụng cho động cơ điện, cho phép người dùng dễ dàng thay đổi tốc độ quay và kiểm soát mô-men xoắn nhằm tối ưu hiệu suất vận hành.

2. Cấu tạo biến tần VFD (Variable Frequency Drive)

Biến tần VFD là thiết bị điện tử dùng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ AC bằng cách thay đổi tần số và điện áp cung cấp. Hai tính năng nổi bật của VFD là khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt và khởi động/dừng mềm (soft start/stop), giúp tăng tuổi thọ động cơ và tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

Biến tần VFD bao gồm 4 bộ phận chính:

Bộ chỉnh lưu (Rectifier)

Bộ chỉnh lưu có chức năng chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) từ nguồn điện lưới thành dòng điện một chiều (DC). Tùy vào yêu cầu ứng dụng, bộ chỉnh lưu có thể là loại:

• Một chiều: chỉ cho phép dòng điện đi theo một hướng.

• Hai chiều: cho phép hồi tiếp dòng điện trong các ứng dụng điều khiển động cơ bốn chiều (4-quadrant control).

Các linh kiện sử dụng trong bộ chỉnh lưu gồm điốt, SCR (thyristor điều khiển được), transistor và các thiết bị chuyển mạch điện tử khác. Trong hệ thống điện ba pha, thường cần ít nhất 6 điốt để thực hiện chuyển đổi, gọi là bộ chỉnh lưu 6 xung (six-pulse converter).

Mạch liên kết DC (DC Bus)

Phần DC Bus có nhiệm vụ tiếp nhận nguồn DC từ chỉnh lưu và làm phẳng dòng điện, giúp ổn định điện áp trước khi đưa vào giai đoạn nghịch lưu. Bộ phận này bao gồm: Tụ điện và Cuộn cảm

Bộ nghịch lưu (Inverter)

Bộ nghịch lưu là thành phần chuyển đổi dòng DC trở lại thành dòng AC với tần số và điện áp có thể điều chỉnh. Nhờ đó, tốc độ quay và mô-men xoắn của động cơ có thể được điều khiển một cách linh hoạt.

Các thiết bị chuyển mạch điện tử thường dùng trong bộ nghịch lưu bao gồm: IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), transistor, thyristor, v.v. Bộ nghịch lưu sử dụng công nghệ PWM (Pulse Width Modulation – điều chế độ rộng xung) để tạo ra tín hiệu AC đầu ra phù hợp với yêu cầu của động cơ.

Mạch điều khiển (Control Circuit)

Đây là trung tâm xử lý và điều khiển toàn bộ hoạt động của biến tần. Mạch điều khiển thường tích hợp:

• Vi xử lý để cấu hình tham số, kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn.

• Chức năng giám sát trạng thái hoạt động, cảnh báo lỗi và bảo vệ hệ thống.

• Giao tiếp truyền thông với các thiết bị khác thông qua các giao thức như Modbus, Profibus, Ethernet…

• Mạch điều khiển cũng nhận tín hiệu phản hồi từ động cơ (như tốc độ, dòng điện…) để điều chỉnh tỷ lệ điện áp/tần số (V/Hz), giúp vận hành động cơ một cách chính xác và ổn định.

3. Nguyên lý hoạt động của biến tần VFD

Biến tần VFD điều khiển tốc độ động cơ AC bằng cách thay đổi tần số và điện áp nguồn cấp. Quá trình hoạt động gồm 4 giai đoạn chính:

Chỉnh lưu (Rectifier)

Chuyển đổi nguồn điện AC đầu vào thành điện áp DC. Bộ chỉnh lưu sử dụng điốt hoặc SCR để tạo ra dòng DC một chiều, là bước đầu tiên trong chuỗi xử lý.

DC Bus

Nguồn DC sau chỉnh lưu được lọc qua tụ điện và cuộn cảm để ổn định điện áp, giảm nhiễu và tích trữ năng lượng trước khi chuyển sang giai đoạn nghịch lưu.

Nghịch lưu (Inverter)

Chuyển nguồn DC ổn định thành nguồn AC có thể thay đổi tần số và điện áp. Sử dụng các linh kiện như IGBT kết hợp kỹ thuật PWM để điều khiển tốc độ động cơ.

Mạch điều khiển

Điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của biến tần, giám sát thông số vận hành, cài đặt cấu hình và xử lý cảnh báo, đồng thời giao tiếp với hệ thống điều khiển ngoài.

4. Ưu điểm khi sử dụng biến tần

Tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành

Trong công nghiệp, hệ thống động cơ chiếm hơn 65% tổng mức tiêu thụ điện và việc tích hợp VFD có thể tiết kiệm đến 70% năng lượng. Ngoài ra, hiệu quả vận hành cao hơn giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

Điều khiển mềm và linh hoạt

Biến tần cho phép động cơ khởi động, dừng và thay đổi tốc độ một cách trơn tru. Nhờ đó, tránh được hiện tượng giật, sốc khi khởi động đặc biệt hiệu quả cho các hệ thống băng tải, băng chuyền bơm hoặc quạt giúp tăng độ ổn định và năng suất làm việc.

Bảo vệ thiết bị, kéo dài tuổi thọ

Biến tần bảo vệ động cơ khỏi các sự cố như quá tải, quá áp, mất pha… giúp khởi động êm ái giúp giảm mài mòn cơ khí lên dây đai, bánh răng, vòng bi… Nhờ vậy, thiết bị hoạt động bền bỉ hơn và giảm chi phí bảo trì, sửa chữa.

5. Nhược điểm của biến tần

Chi phí đầu tư ban đầu cao

So với các phương pháp điều khiển truyền thống (DOL, star-delta…) biến tần có giá thành cao hơn. Tuy nhiên, lợi ích lâu dài về tiết kiệm điện và giảm chi phí bảo trì giúp hoàn vốn nhanh.

Cấu hình và vận hành phức tạp

Việc cài đặt, cấu hình hoặc lập trình biến tần có thể đòi hỏi kiến thức kỹ thuật chuyên sâu, cần sự hỗ trợ từ kỹ sư điện hoặc chuyên gia có kinh nghiệm.

Sóng hài và nhiễu điện

Biến tần có thể tạo ra sóng hài làm ảnh hưởng đến thiết bị điện tử khác trong hệ thống. Do đó, cần bổ sung các bộ lọc sóng hài hoặc giải pháp chống nhiễu phù hợp.

Tỏa nhiệt trong quá trình hoạt động

Biến tần phát sinh nhiệt khi vận hành. Cần đảm bảo hệ thống thông gió và tản nhiệt hiệu quả để đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất hoạt động.

Giảm công suất động cơ (De-rating)

Trong một số trường hợp, động cơ cần được giảm định mức công suất khi sử dụng với biến tần. Việc chọn sai công suất có thể ảnh hưởng đến hiệu quả và độ bền của hệ thống.

Nhiễu điện từ (EMI)

Biến tần có thể phát sinh EMI, ảnh hưởng đến các thiết bị điều khiển lân cận. Việc che chắn và nối đất đúng kỹ thuật là cần thiết để hạn chế rủi ro này.

Bảo trì điện tử

Mặc dù ít hao mòn, nhưng các linh kiện điện tử trong biến tần vẫn cần kiểm tra và bảo trì định kỳ để đảm bảo vận hành ổn định.

6. Phân loại biến tần (VFD)

Biến tần (VFD – Variable Frequency Drive) được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, tùy vào ứng dụng và nhu cầu cụ thể của doanh nghiệp. Dưới đây là các tiêu chí phân loại phổ biến nhất hiện nay:

Kích thước

Phân khúc thị trường biến tần VFD (Variable Frequency Drive) được phân chia thành năm nhóm kích thước, dựa trên công suất định mức (tính theo kW hoặc HP). Cụ thể: Siêu nhỏ (Micro), Nhỏ (Small), Trung bình (Medium), Lớn (Large), Rất lớn (Extra-large)

Trong các báo cáo phân tích thị trường, các dòng biến tần từ siêu nhỏ đến trung bình thường được sử dụng trong công nghiệp nhẹ và ứng dụng thương mại. Biến tần công suất cao tập trung vào các sản phẩm tầm trung đến rất lớn, phục vụ cho các ngành công nghiệp nặng như luyện kim, dầu khí, xử lý nước thải, sản xuất xi măng…

Phân khúc	Công suất (kW)	Công suất (HP)
Siêu nhỏ	< 5	< 6
Nhỏ	5 – 40	6 – 50
Trung bình	41 – 200	51 – 250
Lớn	201 – 600	251 – 750
Rất lớn	> 600	> 750

Chế độ điều khiển của biến tần VFD

Biến tần VFD (Variable Frequency Drive) có thể hoạt động với các chế độ điều khiển khác nhau, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ và đáp ứng nhu cầu điều khiển tốc độ chính xác trong các ứng dụng công nghiệp. Một trong các chế độ điều khiển phổ biến là Volts / Hertz (V / Hz), là phương pháp điều khiển truyền thống, giúp duy trì tỷ lệ giữa điện áp và tần số không đổi. Tuy nhiên, chế độ này có một số hạn chế:

Ở tốc độ thấp, điện áp thấp sẽ dẫn đến dòng điện từ hóa thấp, gây mất mát mô-men xoắn.

Điều khiển V / Hz không thể điều chỉnh chính xác sự thay đổi độ trượt giữa rôto và stato khi có sự thay đổi về tần số và tải.

Điện áp đầu vào của biến tần VFD

Điện áp đầu vào là một yếu tố quan trọng trong việc phân loại biến tần VFD. Công suất cung cấp thay đổi đáng kể theo điện áp, do đó việc phân loại biến tần dựa trên phạm vi điện áp là cần thiết. Các phạm vi điện áp phổ biến của VFD bao gồm:

• 115V đến 240V
• 380V đến 400V
• 460V đến 480V
• 560V đến 690V

Cấu hình Bus DC trong biến tần

Trong các ứng dụng yêu cầu nhiều biến tần hoạt động đồng thời (như băng tải hoặc sản xuất sợi tổng hợp), việc sử dụng một bộ nguồn DC lớn duy nhất (DC Bus) sẽ giúp giảm chi phí và cải thiện khả năng tái tạo năng lượng phanh. Cấu hình này giúp tối ưu hóa hiệu quả năng lượng và giảm sự cần thiết phải sử dụng nhiều biến tần độc lập.

Phần cứng, phần mềm và dịch vụ của biến tần VFD

Thị trường biến tần VFD không chỉ bao gồm các thiết bị phần cứng mà còn có phần mềm và dịch vụ hỗ trợ, giúp đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và quản lý dự án của người dùng:

Phần cứng VFD: Các thiết bị VFD độc lập có các tính năng lập trình sẵn, hoặc có thể lập trình lại để phù hợp với nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

Phần cứng ngoại vi: Các sản phẩm này bao gồm các thành phần hệ thống điều khiển, vỏ, hệ thống cáp, bộ lọc sóng hài và các phụ kiện khác có giá trị thấp hơn so với biến tần chính.

Dịch vụ hỗ trợ: Người dùng VFD ngày càng tìm kiếm các nhà cung cấp cung cấp dịch vụ hỗ trợ kèm theo như đào tạo, cài đặt, bảo hành, bảo trì và phát triển phần mềm tùy chỉnh.

7. Lợi ích của biến tần (VFD) trong công nghiệp

Biến tần (VFD – Variable Frequency Drive) là thiết bị quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp nhờ khả năng tối ưu hóa hoạt động của động cơ và mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Dưới đây là các lợi ích nổi bật mà Biến Tần mang lại:

Tiết kiệm năng lượng

Biến Tần là giải pháp hiệu quả để tiết kiệm năng lượng. Thay vì vận hành động cơ ở tốc độ tối đa liên tục, Biến Tần điều chỉnh chính xác tốc độ động cơ phù hợp với nhu cầu sử dụng, giúp giảm thiểu điện năng tiêu thụ.

Khởi động và dừng linh hoạt

Khác với phương pháp vận hành động cơ tốc độ cố định, biến tần mang đến khả năng khởi động và dừng động cơ một cách mượt mà, không gây chấn động đột ngột. Nhờ đó, tuổi thọ thiết bị được kéo dài, đồng thời chi phí bảo trì cũng giảm đáng kể.

Điều khiển tốc độ chính xác 

Biến tần cung cấp khả năng điều khiển tốc độ động cơ rất chính xác, điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ ổn định và chính xác. Ví dụ, trong các dây chuyền băng tải, biến tần giúp kiểm soát chính xác tốc độ của băng tải, đảm bảo vận chuyển sản phẩm một cách tối ưu mà không gây hư hỏng hoặc sai sót.

Kiểm soát quy trình tốt hơn

Khả năng điều khiển chính xác tốc độ động cơ của Biến Tần giúp cải thiện quá trình sản xuất. Trong các ngành như xử lý hóa chất, biến tần có thể điều chỉnh tốc độ bơm để đảm bảo lưu lượng chất lỏng ổn định, giúp duy trì chất lượng sản phẩm đồng nhất.

Giảm thiểu dao động Mô-Men xoắn

Biến Tần giúp giảm thiểu dao động mô-men xoắn mà động cơ gặp phải trong quá trình hoạt động. Điều này mang lại sự truyền tải mô-men xoắn mượt mà hơn, giúp cải thiện hiệu suất của máy móc và giảm thiểu áp lực lên các thành phần cơ khí, từ đó kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

8. Ứng dụng của biến tần (VFD) trong các ngành công nghiệp

Biến tần (VFD – Variable Frequency Drive) là thiết bị điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ AC, giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống và tiết kiệm năng lượng. Dưới đây là các ứng dụng phổ biến của Biến Tần:

Vận chuyển vật liệu: Biến tần được sử dụng phổ biến trong các hệ thống băng tải để điều khiển tốc độ di chuyển của vật liệu, giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành.

Sản xuất: Trong các máy công cụ, biến tần đảm bảo kiểm soát tốc độ chính xác trong các quá trình như cắt, khoan và gia công, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm và năng suất lao động.

Hệ thống HVAC (sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí): Biến tần trong các hệ thống HVAC, giúp kiểm soát nhiệt độ hiệu quả hơn và giảm thiểu việc sử dụng năng lượng.

Hóa chất và dầu khí: Biến Tần được dùng để điều khiển các bơm, đảm bảo lưu lượng chất lỏng chính xác trong các quy trình sản xuất.

Xử lý nước và nước thải: Biến Tần trong các hệ thống xử lý nước và nước thải giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng dựa trên nhu cầu thực tế, giúp giảm chi phí vận hành.

Tự động hóa tòa nhà: Biến tần được sử dụng để điều khiển các quạt thông gió và bơm trong các tòa nhà, giúp cải thiện sự thoải mái cho người sử dụng và tiết kiệm năng lượng.

Năng lượng tái tạo: Trong các hệ thống năng lượng tái tạo, biến tần được sử dụng trong các tuabin gió để kiểm soát tốc độ của máy phát điện, tối ưu hóa quá trình phát điện dựa trên điều kiện gió.

9. Các lỗi thường gặp trên biến tần (VFD) và mẹo khắc phục sự cố

Biến Tần (VFD) là thiết bị quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, giúp điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ AC. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, biến tần có thể gặp phải một số sự cố.

Lỗi tiếp địa (Ground Fault)

Lỗi: Sự cố về nối đất của biến tần hoặc động cơ.

Nguyên nhân: Nối đất không chặt, dây nối đất bị hỏng, hoặc lỗi nối đất bên trong động cơ.

Khắc phục: Kiểm tra kỹ tất cả các điểm nối đất và đảm bảo dây nối đất không bị hỏng. Đảm bảo nối đất động cơ đúng cách với sự trợ giúp của thợ điện chuyên môn.

Lỗi quá dòng (Drive Overcurrent Fault)

Lỗi: Động cơ tiêu thụ dòng điện lớn hơn mức định mức của biến tần.

Nguyên nhân: Quá tải cơ học trên động cơ (ví dụ: ổ trục bị kẹt, băng tải bị tắc), cài đặt biến tần không đúng với thông số động cơ, hoặc cuộn dây động cơ bị lỗi.

Khắc phục: Kiểm tra các phần cơ khí để phát hiện bất kỳ sự cố nào như ổ trục bị kẹt hoặc băng tải tắc. Đảm bảo cài đặt biến tần khớp với dữ liệu trên bảng tên động cơ (điện áp, dòng điện, công suất).

Lỗi điện áp thấp (Undervoltage Fault)

Lỗi: Điện áp AC đầu vào của biến tần thấp hơn mức tối thiểu cần thiết để hoạt động.

Nguyên nhân: Biến động điện áp nguồn hoặc kết nối lỏng lẻo trong hệ thống dây nguồn.

Khắc phục: Kiểm tra điện áp nguồn và đảm bảo nó đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của biến tần. Vặn chặt tất cả các kết nối trong hệ thống dây nguồn.

Lỗi điện áp cao (Overvoltage Fault)

Lỗi: Điện áp AC đầu vào của Biến Tần cao hơn điện áp tối đa cho phép.

Nguyên nhân: Điện áp nguồn tăng đột ngột hoặc bộ điều chỉnh điện áp trong biến tần bị lỗi.

Khắc phục: Kiểm tra điện áp nguồn để đảm bảo không vượt quá mức cho phép. Nếu gặp phải sự cố điện áp tăng đột ngột, tham khảo thợ điện để xác định nguyên nhân.

Lỗi truyền thông (Communication Error)

Lỗi: Sự cố về truyền thông giữa biến tần và các hệ thống điều khiển khác (ví dụ: PLC, encoder).

Nguyên nhân: Cài đặt truyền thông không chính xác (tốc độ baud, giao thức), cáp truyền thông bị lỏng hoặc hỏng.

Khắc phục: Kiểm tra lại cài đặt truyền thông trong cả biến tần và hệ thống điều khiển để đảm bảo chúng tương thích. Kiểm tra cáp truyền thông để phát hiện các sự cố như bị hỏng hoặc kết nối lỏng.

10. Các hãng sản xuất biến tần VFD phổ biến

Biến tần VFD (Variable Frequency Drive) là thiết bị quan trọng trong các ngành công nghiệp, giúp điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện. Trên thị trường Việt Nam, nhiều hãng sản xuất biến tần VFD uy tín và chất lượng, đến từ các quốc gia khác nhau. Dưới đây là một số hãng sản xuất biến tần VFD phổ biến:

Đức: Siemens, Rexroth, Lenze

Đan Mạch: Danfoss

Nhật Bản: Mitsubishi, Yaskawa, Fuji, Omron, Panasonic, Hitachi, Toshiba, Nidec

Thụy Sĩ: ABB

Pháp: Schneider

Mỹ: Allen Bradley (Rockwell), Emerson, Parker, Sew-Eurodrive

Israel: Unitronics

Hàn Quốc: LS

Đài Loan: Delta, Shihlin

Trung Quốc: INVT, Kinco, Sinovo, Goodwe, Growatt, Sungrow, Inovance, Veichi, Gtake, Frecon, V&T, Powtran, Sinee, Delixi, Senlan, Enc, Zoncn, Sunfar, Sumo…

Các câu hỏi thường gặp về biến tần VFD

1. VFD là gì?
2. VFD được phân loại như thế nào?
3. Có những hãng sản xuất biến tần (VFD) phổ biến nào?