Bộ chuyển đổi tần số đang trở nên phổ biến hơn và được sử dụng rộng rãi hơn trong các ứng dụng. Chúng có khả năng thay đổi tốc độ đầu ra của động cơ mà không cần puli cơ học, do đó giảm số lượng các bộ phận cơ khí và bảo trì tổng thể. Nhưng ưu điểm lớn nhất mà bộ biến tần có được là khả năng tiết kiệm tiền cho người dùng thông qua bản chất kế thừa của nó là tiết kiệm năng lượng bằng cách chỉ tiêu thụ điện năng cần thiết. Câu hỏi chính bây giờ là, Làm thế nào để một bộ biến tần thực hiện được điều này? Câu trả lời đơn giản cho câu hỏi này là chuyển đổi điện năng.
Một bộ biến tần tương tự như động cơ mà nó được gắn vào, cả hai đều chuyển đổi điện năng sang dạng có thể sử dụng được. Trong trường hợp động cơ cảm ứng, công suất điện cung cấp cho nó được biến đổi thành cơ năng thông qua chuyển động quay của rôto và mômen quay mà nó tạo ra thông qua sự trượt của động cơ. Mặt khác, một bộ biến tần sẽ chuyển đổi công suất đầu vào, một điện áp và tần số cố định, thành một điện áp và tần số thay đổi được. Khái niệm tương tự này cũng là cơ sở để thay đổi tốc độ của động cơ mà không cần ròng rọc điều chỉnh hoặc thay đổi bánh răng.
Điện
Công suất điện được định nghĩa như sau:
Công suất (P) = √3 x Điện áp (V) x Dòng điện (I) x Hệ số công suất (PF)
Trong một bộ chuyển đổi tần số lý tưởng, điều sau sẽ đúng:
Power in = Power out
Nhưng vì một bộ biến tần không hiệu quả và cần một lượng điện năng tiêu thụ nhỏ để cung cấp năng lượng cho bộ não của bộ biến tần, nên công suất đầu vào sẽ lớn hơn một chút so với công suất đầu ra. Đối với điều này, chúng tôi sẽ giả định rằng lượng điện tăng thêm này là không đáng kể.
Với hai phương trình này, chúng ta có thể xác định mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của bộ biến tần:
V in x I in x PF in = V out x I out x PF out
Tính đến các phương trình này, hãy sử dụng động cơ 100 mã lực làm ví dụ với các đặc tính sau:
Công suất = 100 mã lực
Tốc độ = 1.785 vòng / phút
Điện áp = 460 V
FLA = 115 A
Hệ số công suất = 0,86
Giả sử rằng động cơ đang chạy ở tần số 60 Hz trên bộ biến tần, tạo ra dòng điện không tải 40 A trên đầu ra của bộ biến tần. Với điều này, người ta sẽ giả định rằng dòng điện đầu vào cũng sẽ giống nhau, 40 A. Tuy nhiên, sử dụng một ampe kế trên đầu vào của bộ biến tần, một người đang đọc gần như bằng không amps! Sao có thể như thế được? Bộ biến tần tạo ra nguồn điện bằng cách nào đó? Câu trả lời đơn giản là không, bộ biến tần không tạo ra điện. Hệ số công suất gây ra "sự khác biệt" này về dòng điện Khi động cơ chạy không tải, hệ số công suất của động cơ có thể được giả định bằng 0, không phải 0,86 86 như đã nêu trên bảng tên. Lý do hệ số công suất không ở mức 0,86 là vì đây là hệ số công suất của động cơ ở mức đầy tải. Ngoài ra, Các tổn thất cơ học (ma sát) và điện (điện trở) trong động cơ ngăn hệ số công suất bằng 0 khi chạy không tải, nhưng chúng ta sẽ giả định những tổn thất này bằng 0 giống như chúng ta đã làm đối với bộ biến tần. Do đó, bạn sẽ có những thứ sau:
P ra = 460V x 40A x 0
P out = 0
Bởi vì công suất đầu ra bằng không, công suất đầu vào cũng sẽ bằng không. Với điện áp đầu vào cố định, hai biến số sẽ là dòng điện và hệ số công suất. Bởi vì dòng điện là cần thiết để tồn tại hệ số công suất, cả dòng điện và hệ số công suất đều bằng 0, có nghĩa là việc đọc dòng điện đầu vào thấp thực sự là chính xác.
Điều này giải thích tại sao dòng điện đầu vào đến bộ biến tần rất thấp khi động cơ hoạt động trong điều kiện không tải. Nhưng những gì về dưới tải? Khái niệm tương tự vẫn được áp dụng khi động cơ bị tải. Ví dụ: giả sử cùng một động cơ hiện đang hoạt động ở một nửa tốc độ, 30 Hz và tạo ra mô-men xoắn danh định đầy đủ của động cơ và vẽ các amps đầy tải của động cơ (FLA). Điều này có nghĩa là công suất điện mà động cơ đang vẽ là:
P ra = √3 x 230V x 115A x 0,86 = 39,4kW
Vì bộ biến tần là bộ chuyển đổi công suất, điều này có nghĩa là dòng điện đầu vào (giả sử hệ số công suất đầu vào 0,89 từ trở kháng đường dây 3%):
I trong = (39,4kW) / (√3 x 460V x 0,89) = 55,6A
Bởi vì bộ biến tần đang hoạt động ở tốc độ một nửa và dưới tải đầy đủ, dòng điện đầu vào nhỏ hơn một nửa dòng điện đầu ra.
| Công suất (kW) | Điện áp (V) | Hiện tại (A) | Tần số (Hz) | Hệ số công suất | |
| Đầu vào | 39.4 | 460 | 55.6 | 60 | 0.89 |
| Đầu ra | 39.4 | 230 | 115 | 30 | 0.86 |
Trong ví dụ này, dòng điện đầu vào nhỏ hơn một nửa đầu ra, do có hệ số công suất cao hơn ở phía đầu vào.
Sự khác biệt về hệ số công suất giữa phía đầu vào và đầu ra của động cơ là điều làm cho nó có thể có dòng điện đầu ra cao hơn dòng điện đầu vào. Giả sử động cơ hiện đang chạy ở chế độ đầy tải và sử dụng cùng các giá trị hệ số công suất, dòng điện đầu vào của bạn bây giờ trở thành:
I trong = (√3 x 460V x 115A x 0,86) / (√3 x 460V x 0,89) = 111A
thấp hơn 4 A so với dòng điện đầu ra.
| Nếu… | Sau đó… |
| PF in <PF out | Tôi vào <tôi ra |
| PF vào = PF ra | I in = tôi ra ngoài |
| PF vào > PF ra | Tôi vào > tôi ra |
Cơ học
Dòng điện mà bộ biến tần tạo ra ở phía đầu vào cũng có thể liên quan đến công suất cơ học mà động cơ đang cung cấp. Mối quan hệ cơ bản đối với công suất động cơ là:
Công suất cơ học ∝ Tốc độ x Mô men xoắn
Điều này có nghĩa là nếu động cơ đang hoạt động ở một nửa tốc độ và tạo ra mô-men xoắn đầy đủ, thì động cơ đang tạo ra một nửa công suất định mức của nó. Do đó, nếu động cơ đang chạy ở tốc độ tối đa và tạo ra một nửa mô-men xoắn, thì động cơ cũng đang tạo ra một nửa công suất định mức của nó.
Vì động cơ có tổn hao nên mối quan hệ giữa công suất điện đi vào động cơ và công suất cơ học là:
Công suất Điện = ( Cơ điện ) / ( Động cơ hiệu quả )
Xem lại ví dụ trên, nếu động cơ đang hoạt động ở tần số 30 Hz, bằng một nửa tốc độ định mức của động cơ và tạo ra mômen xoắn đầy đủ, thì công suất cơ học được tạo ra là 50 mã lực. Giả sử rằng động cơ có hiệu suất 95%, công suất điện cần thiết là:
Công suất Điện = (50HP x 0,746) / 0,95 = 39,3kW
có nghĩa là dòng điện ở phía đầu vào của bộ biến tần sẽ xấp xỉ 55 A. Dòng điện tương tự này cũng sẽ đúng ngay cả khi động cơ đang hoạt động ở tốc độ tối đa và tạo ra một nửa mô-men xoắn.
Bảng 1. Các điểm hoạt động cho các ví dụ *
| Tốc độ động cơ (vòng / phút) | Mô-men xoắn động cơ (ft-lb) | Công suất động cơ (hp) | Công suất đầu vào (kW) | Dòng điện đầu vào (A) |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 100 | 0 | 0 | 0 |
| 900 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 900 | 295 | 50 | 39.3 | 55 |
| 1800 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1800 | 295 | 100 | 78.8 | 111 |
| * Động cơ có công suất 100 mã lực với mô-men xoắn danh định là 295 ft-lb. | ||||
Cuối cùng, bộ biến tần chỉ đơn thuần là một thiết bị chuyển đổi điện năng chuyển đổi điện áp và tần số cố định của nguồn điện vào thành điện áp và tần số đầu ra thay đổi để cung cấp khả năng tốc độ thay đổi mà nó được thiết kế. Hãy ghi nhớ các biến liên quan đến công suất điện (điện áp, dòng điện và hệ số công suất) và mối quan hệ của chúng khi so sánh đầu vào của bộ biến tần với đầu ra của nó. Điều này cũng đúng khi sử dụng công suất cơ học của động cơ (tốc độ và mô-men xoắn) để xác định lượng công suất / dòng điện đầu vào cho bộ biến tần. Xem xét tất cả các biến, người ta có thể ngạc nhiên khi thấy dòng điện đầu vào thấp hơn dòng điện đầu ra.
