So sánh Biến tần và khởi động mềm: Đặc điểm và ứng dụng

Động cơ thường có nhu cầu năng lượng rất lớn để khởi động và nhanh chóng đạt đến tốc độ tối đa. Khởi động mềm và biến tần đều có thể được sử dụng để giảm dòng vào và hạn chế mô-men xoắn để bảo vệ các thiết bị cơ khí, tránh sụt áp nhà máy và kéo dài tuổi thọ của động cơ bằng cách giảm dòng khởi động của động cơ có công suất lớn hoặc những động cơ yêu cầu khởi động và dừng liên tục. Vậy khi nào nên sử dụng biến tần, khi nào nên sử dụng khởi động mềm?

Khởi động mềm là gì? Nguyên lý hoạt động của bộ khởi động mềm như thế nào?

Khởi động mềm là thiết bị được sử dụng để hỗ trợ quá trình khởi động của động cơ điện AC, giúp bảo vệ động cơ khỏi bị hư hại do dòng điện lớn đột ngột khi khởi động và tránh sụt áp hệ thống lưới điện bằng cách tăng dần điện áp cấp vào động cơ từ một mức điện áp định trước lên đến điện áp định mức (để dừng mềm thì ngược lại).

Nguyên lý hoạt động của bộ khởi động mềm:

Cấu tạo của khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor (SCR) đấu song song ngược. Ở trạng thái ngắt điện, thyristor ngăn không cho dòng điện chạy qua, khi ở trạng thái mở, thyristo mở dần góc kích (góc mở của các van bán dẫn) cho phép dòng điện chạy qua từ từ, động cơ bắt đầu khởi động và tăng tốc dần. Điện áp được điều khiển bằng cách điều khiển góc mở của van. Khi van mở hoàn toàn, điện áp đạt đến giá trị điện áp định mức và lúc đó động cơ sẽ đạt đến tốc độ tối đa cho phép. Vì mô-men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp, dòng điện tỉ lệ với điện áp, mô-men gia tốc và dòng điện khởi động được hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp.

Khi động cơ đạt đến tốc độ định mức, contactor bypass trong khởi động mềm được đóng lại, hệ thống tự động bypass qua điện lưới mà không qua bộ thyristo.

Khởi động mềm thường được sử dụng trong các ứng dụng như:

• Yêu cầu động cơ tăng tốc và tăng momen xoắn từ từ khi khởi động hoặc dừng động cơ
• Hạn chế dòng khởi động cao cho các động cơ lớn để tránh các vấn đề về sụt áp lưới điện hoặc hư hỏng động cơ
• Kiểm soát tốc độ khởi động để tránh mômen xoắn hoặc lực căng đột ngột gây hư hỏng cho các hệ thống cơ khí như băng tải, hệ thống dẫn động bằng dây đai, bánh răng, khớp nối
• Ứng dụng động cơ bơm để tránh tăng áp đột ngột khi bắt đầu bơm, gây búa nước làm vỡ đường ống.

Lợi ích của bộ khởi động mềm:

• Hỗ trợ quá trình khởi động, giảm sụt áp điện lưới
• Bảo vệ động cơ khi có sự cố quá dòng, quá áp, mất pha, lỗi pha đầu vào và đầu ra, non tải, bảo vệ ngắn mạch cho tải, bảo vệ quá tải
• Tăng tuổi thọ động cơ và các chi tiết thiết bị cơ khí

Biến tần là gì? Khởi động bằng biến tần có lợi ích như thế nào?

Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ, qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp không chỉ khi khởi động động cơ mà trong suốt quá trình hoạt động của thiết bị.

Nguyên lý hoạt động của biến tần:

Nguyên lý hoạt động của biến tần khá đơn giản. Trước tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất là 0.96. Sau đó, điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chỉnh chế độ rộng xung (PWM).

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển, từ đó thay đổi tốc độ động cơ theo yêu cầu trong suốt quá trình hoạt động.

Lợi ích của khi sử dụng biến tần:

• Giúp động cơ khởi động êm, giảm mài mòn cơ khí
• Thay đổi tốc độ của động cơ dễ dàng giúp đáp ứng các yêu cầu công nghệ của thiết bị và hệ thống khác nhau
• Đầy đủ các chức năng bảo vệ động cơ như quá dòng, quá áp, mất pha, đảo pha… giúp tăng tuổi thọ động cơ
• Tiết kiệm năng lượng hiệu quả, bảo vệ các thiết bị trong hệ thống
• Tích hợp nhiều chức năng điều khiển khác nhau giúp cải tiến công nghệ và tăng năng suất sản xuất

Vậy khi nào nên sử dụng biến tần, khi nào nên sử dụng khởi động mềm?

Để lựa chọn được phương pháp khởi động phù hợp cho ứng dụng của bạn, cần xác định rõ nhu cầu, mục đích sử dụng và cân đối mức đầu tư để đạt được hiệu quả tối ưu. Hãy xem bảng so sánh giữa biến tần và khởi động mềm dưới đây để có đánh giá khách quan hơn trước khi đưa ra lựa chọn nên khởi động mềm hay sử dụng biến tần:

Biến tần Khởi động mềm Có thể thay đổi tốc độ động cơ linh hoạt, đảo chiều động cơ không chỉ khi khởi động, dừng động cơ mà suốt quá trình hoạt động của thiết bị Chỉ có tác dụng tăng tốc hoặc giảm tốc trong quá trình khởi động và dừng động cơ để làm khởi động hoặc dừng “mềm”, không thể đảo chiều động cơ Điều chỉnh thời gian tăng giảm tốc linh hoạt hơn, dải điều chỉnh rộng giúp việc khởi động động cơ cực kỳ êm ái Khoảng điều chỉnh thời gian tăng giảm tốc hẹp, khởi động nặng nề hơn, đặc biệt với động cơ lớn việc khởi động khá khó khăn Nhiều chức năng bảo vệ động cơ và hệ thống cơ khí hơn Ít chức năng bảo vệ động cơ, chỉ có các chức năng bảo vệ cơ bản Có thể khởi động bao nhiêu lần tùy ý trong ngày và trong vòng đời thiết bị mà không ảnh hưởng đến động cơ và hệ thống cơ khí Tùy công suất động cơ và tùy nhà máy có thể bị giới hạn số lần khởi động Thay đổi tốc độ động cơ bằng các thay đổi tần số nên không ảnh hưởng đến mô-men khởi động Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp nên khiến mô-men khởi động yếu, cần lưu ý đến yếu tố tải khi lựa chọn khởi động mềm Một biến tần có thể sử dụng để điều chỉnh tốc độ và “dừng mềm” cho nhiều động cơ Một khởi động mềm chỉ sử dụng cho một động cơ duy nhất Kích thước lớn hơn và chiếm nhiều không gian hơn Nhỏ gọn hơn nếu so sánh với biến tần cùng công suất Giá thành cao hơn Giá thành thấp hơn

Như vậy, đặc điểm chung của khởi động mềm và biến tần là đều được dùng để điều khiển động cơ (chủ yếu là tốc độ) một cách mềm mại và tiết kiệm năng lượng, tuy nhiên trong khi khởi động mềm chỉ sử dụng để làm “mềm” quá trình khởi động hoặc dừng máy thì biến tần cho phép điều khiển được tốc độ động cơ trong suốt quá trình hoạt động, đảo chiều quay động cơ và còn nhiều tính năng điều khiển linh hoạt khác. Điều này không chỉ giúp đáp ứng công nghệ trong nhiều trường hợp mà còn giúp tiết kiệm năng lượng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Biến tần có kích thước lớn hơn và tốn chi phí đầu tư hơn so với khởi động mềm, đặc biệt là trong các ứng dụng công suất lớn. Do đó, nếu ứng dụng của bạn chỉ yêu cầu giới hạn dòng điện trong quá trình khởi động, lưới điện ổn định, không yêu cầu thay đổi tốc độ động cơ, và điều kiện làm việc không có yêu cầu khắt khe nào khác, bộ khởi động mềm có thể là một giải pháp hiệu quả. Tuy nhiên, mặc dù chi phí đầu tư biến tần ban đầu có thể đắt hơn nhưng trong nhiều trường hợp có thể giúp tiết kiệm năng lượng tới 50%, do đó có thể tiết kiệm chi phí vận hành trong suốt vòng đời của thiết bị.

Tóm lại, việc lựa chọn giữa một bộ khởi động mềm hay biến tần thường phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể, yêu cầu hệ thống và chi phí (cả chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vòng đời của hệ thống). Lựa chọn sai thiết bị có thể gây lãng phí và gây hư hại cho động cơ và cả hệ thống thiết bị khác trong nhà máy, do đó người sử dụng nên cân nhắc tất cả các yếu tố trước khi quyết định, hoặc có thể gọi ngay cho các chuyên gia của DAT để được tư vấn các giải pháp hiệu quả nhất.