Chế độ điều khiển V/F là gì? Nguyên lý và ứng dụng trên biến tần

Tìm hiểu chế độ điều khiển V/F, nguyên lý thay đổi đồng thời điện áp và tần số, đặc tính mô-men, torque boost và phạm vi ứng dụng phù hợp trên biến tần

Chế độ điều khiển V/F là gì và hoạt động theo nguyên lý nào?

---

Chế độ điều khiển V/F là gì? Vì sao phải điều chỉnh đồng thời điện áp và tần số?

Chế độ điều khiển V/F là phương pháp điều khiển motor xoay chiều trong đó biến tần thay đổi điện áp V và tần số F theo một tỷ lệ phù hợp nhằm điều chỉnh tốc độ động cơ mà vẫn duy trì từ thông cần thiết. Phương pháp này còn thường được gọi là điều khiển vô hướng hoặc scalar control.

Trong chế độ điều khiển V/F, khi muốn thay đổi tốc độ motor, biến tần sẽ thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ và đồng thời điều chỉnh điện áp tương ứng. Tuy nhiên, nếu chỉ giảm tần số mà vẫn giữ nguyên điện áp, từ thông trong motor có thể tăng quá mức, dẫn đến dòng từ hóa lớn và motor nóng. Ngược lại, nếu điện áp giảm quá nhiều so với tần số, từ thông suy giảm và khả năng tạo mô-men của động cơ cũng giảm theo.

Vì vậy, trong chế độ điều khiển V/F, biến tần sẽ điều chỉnh điện áp tương ứng với tần số để duy trì tỷ lệ V/F tương đối ổn định trong vùng vận hành thông thường

Nhờ nguyên lý tương đối đơn giản, chế độ V/F được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng không yêu cầu kiểm soát mô-men hoặc tốc độ quá chính xác, chẳng hạn bơm, quạt, một số băng tải và máy móc tải ổn định.

Tuy nhiên, V/F không trực tiếp tách riêng và điều khiển các thành phần từ thông – mô-men như phương pháp vector. Vì vậy, khi motor phải làm việc ở tốc độ rất thấp, tải thay đổi mạnh hoặc yêu cầu mô-men cao, khả năng đáp ứng của V/F có thể hạn chế hơn.

Do đó, để hiểu đúng chế độ điều khiển V/F, cần xem đây là phương pháp mà biến tần phối hợp điện áp và tần số để điều chỉnh tốc độ motor trong khi giữ trạng thái từ hóa phù hợp với vùng vận hành.

---

Nguyên lý hoạt động của chế độ điều khiển V/F trên biến tần

Chế độ điều khiển V/F hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi tần số để điều chỉnh tốc độ motor, đồng thời thay đổi điện áp tương ứng để duy trì trạng thái từ hóa phù hợp. Đây là một trong những phương pháp điều khiển cơ bản và phổ biến trên biến tần.

Với motor không đồng bộ, tốc độ của từ trường quay phụ thuộc vào tần số nguồn điện. Vì vậy, khi biến tần giảm tần số đầu ra, tốc độ motor cũng giảm theo. Tuy nhiên, nếu chỉ thay đổi tần số mà giữ nguyên điện áp, đặc tính từ hóa của motor sẽ thay đổi và có thể làm motor vận hành không ổn định.

1. Biến tần thay đổi tần số để điều chỉnh tốc độ motor

Nguồn điện lưới thông thường có tần số cố định. Biến tần sẽ biến đổi nguồn điện đầu vào và tạo ra nguồn AC đầu ra với tần số có thể thay đổi. Khi tần số đầu ra giảm, tốc độ từ trường quay trong stator giảm theo và rotor cũng quay chậm lại. Khi tăng tần số, tốc độ motor tăng.

Đây là phần trực tiếp tạo ra khả năng điều chỉnh tốc độ của biến tần. Tuy nhiên, để motor vẫn tạo được mô-men phù hợp trong quá trình thay đổi tốc độ, điện áp cũng cần được điều chỉnh theo.

2. Điện áp được thay đổi theo tần số để duy trì từ thông

Trong chế độ điều khiển V/F, biến tần thường duy trì tỷ lệ điện áp trên tần số ở mức phù hợp trong vùng làm việc cơ bản. Ví dụ, nếu điện áp và tần số định mức của motor tương ứng với một tỷ lệ nhất định, khi tần số giảm xuống, biến tần cũng giảm điện áp theo tỷ lệ tương ứng.

Nguyên tắc có thể biểu diễn đơn giản: V/F ≈ hằng số

Mục tiêu của việc này là duy trì từ thông trong motor gần với mức thiết kế. Nếu tần số giảm nhưng điện áp vẫn quá cao, từ thông có thể tăng quá mức, làm dòng từ hóa lớn và motor dễ nóng. Ngược lại, nếu điện áp giảm quá nhiều so với tần số, từ thông yếu đi và khả năng tạo mô-men của motor cũng giảm.

Vì vậy, biến tần phải phối hợp cả hai đại lượng thay vì chỉ điều chỉnh riêng tần số.

3. Ở tốc độ thấp, biến tần có thể cần bù điện áp

Khi motor chạy ở tần số thấp, điện áp đầu ra cũng giảm. Lúc này, ảnh hưởng của điện trở cuộn dây stator trở nên rõ hơn so với khi motor chạy ở tốc độ định mức.

Nếu vẫn duy trì một đường V/F tuyến tính hoàn toàn, điện áp thực tế tạo từ thông có thể không đủ, khiến mô-men ở tốc độ thấp giảm.

Để khắc phục, nhiều biến tần có chức năng torque boost hoặc bù điện áp ở tần số thấp. Thiết bị sẽ tăng thêm một phần điện áp trong vùng tốc độ thấp để giúp motor duy trì khả năng tạo mô-men tốt hơn.

Tuy nhiên, mức bù cần phù hợp với tải. Nếu cài quá cao, motor có thể tăng dòng và nóng; nếu quá thấp, motor có thể hụt mô-men.

4. Khi vượt tần số định mức, điện áp thường không thể tăng tiếp

Trong chế độ điều khiển V/F, từ vùng tốc độ thấp đến tần số định mức, biến tần có thể tăng đồng thời cả điện áp và tần số theo đường đặc tính đã cài đặt. Nhưng khi điện áp đầu ra đã đạt giới hạn của nguồn và biến tần, nếu tiếp tục tăng tần số thì điện áp không thể tiếp tục tăng tương ứng.

Khi đó, tỷ lệ V/F giảm và từ thông trong motor cũng giảm. Motor có thể tiếp tục quay ở tốc độ cao hơn nhưng khả năng tạo mô-men không còn giống vùng tốc độ cơ bản. Đây thường được gọi là vùng suy giảm từ thông.

Vì vậy, việc chạy motor trên tần số định mức cần được xem xét dựa trên khả năng cơ khí của motor và yêu cầu mô-men của tải, không nên mặc định rằng cứ tăng tần số là motor có thể tăng tốc vô hạn.

 

---

Đặc tính vận hành, ưu điểm và giới hạn của chế độ điều khiển V/F

Điều khiển V/F được sử dụng rộng rãi vì cấu trúc điều khiển tương đối đơn giản, dễ cài đặt và phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp phổ thông. Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính tải, dải tốc độ làm việc và mức yêu cầu về mô-men.

Vì vậy, để đánh giá một hệ thống có phù hợp với V/F hay không, cần nhìn vào ba yếu tố chính: khả năng điều chỉnh tốc độ, khả năng đáp ứng mô-men và mức độ thay đổi của tải trong quá trình vận hành.

1. V/F phù hợp với các tải có đặc tính tương đối ổn định

Ưu điểm lớn của chế độ điều khiển V/F là biến tần không cần mô hình hóa quá sâu trạng thái điện từ của motor nên việc cài đặt tương đối đơn giản. Chỉ cần thiết lập đúng thông số cơ bản và đường đặc tính điện áp – tần số, hệ thống đã có thể điều chỉnh tốc độ motor trong một phạm vi tương đối rộng.

Điều này đặc biệt phù hợp với các ứng dụng như:

• Bơm nước.
• Quạt công nghiệp.
• Một số băng tải tải ổn định.
• Máy khuấy tải không biến động mạnh.
• Các cơ cấu không yêu cầu định vị chính xác.

Với bơm và quạt, tải thường không đòi hỏi mô-men rất lớn ngay tại tốc độ thấp. Vì vậy, điều khiển V/F có thể đáp ứng tốt yêu cầu thay đổi tốc độ theo lưu lượng, áp suất hoặc nhu cầu sản xuất.

Ngoài ra, do cấu trúc điều khiển đơn giản, việc cài đặt và đưa hệ thống vào vận hành thường thuận lợi hơn so với các chế độ vector yêu cầu nhiều thông số motor hơn.

2. Khả năng giữ mô-men và tốc độ sẽ hạn chế hơn khi tải thay đổi mạnh

Điểm giới hạn của chế độ điều khiển V/F nằm ở việc biến tần chủ yếu điều khiển motor dựa trên quan hệ điện áp – tần số đặt trước.Thiết bị không trực tiếp kiểm soát mô-men với mức độ chi tiết như phương pháp vector.

Khi tải tăng đột ngột, motor có thể bị giảm tốc nhẹ trước khi đạt trạng thái cân bằng mới. Với các hệ thống yêu cầu giữ tốc độ rất chặt, sự thay đổi này có thể trở thành hạn chế.

Tình trạng này thường rõ hơn ở các tải như:

• Máy nghiền.
• Máy ép.
• Băng tải tải nặng.
• Máy khuấy nguyên liệu đặc.
• Cơ cấu thường xuyên khởi động khi đã có tải.

Trong những trường hợp này, nếu motor phải tạo mô-men lớn ở tốc độ thấp hoặc tải thay đổi liên tục, điều khiển vector thường có lợi thế hơn vì khả năng kiểm soát mô-men tốt hơn.

Vì vậy, lựa chọn V/F không nên chỉ dựa vào việc “motor có cùng công suất với biến tần”. Cần xem xét motor sẽ làm việc ở tốc độ nào, tải có thay đổi mạnh hay không và mức mô-men thực tế cần duy trì.

3. V/F có giới hạn rõ rệt khi motor chạy ở tốc độ rất thấp

Khi tần số giảm sâu, điện áp đầu ra cũng giảm theo. Ở vùng này, ảnh hưởng của điện trở cuộn dây và khả năng làm mát của motor trở nên đáng kể hơn.

Nếu tải vẫn yêu cầu mô-men cao nhưng motor chạy rất chậm trong thời gian dài, hệ thống có thể gặp các vấn đề như:

• Motor hụt mô-men.
• Dòng điện tăng.
• Tốc độ không ổn định khi tải thay đổi.
• Motor nóng do quạt làm mát quay chậm.
• Biến tần phải bù điện áp nhiều hơn.

Torque boost có thể hỗ trợ trong một mức nhất định, nhưng không nên xem đây là cách để biến một tải nặng thành tải phù hợp với V/F.

Nếu ứng dụng thường xuyên yêu cầu mô-men lớn ngay từ tốc độ thấp, nên đánh giá lại chế độ điều khiển hoặc cấu hình truyền động thay vì chỉ tiếp tục tăng mức bù điện áp.

Khi nào nên ưu tiên chế độ V/F? Có thể đánh giá nhanh theo đặc tính ứng dụng:

Nhìn chung, chế độ điều khiển V/F phù hợp khi mục tiêu chính là điều chỉnh tốc độ đơn giản, tải tương đối ổn định và không yêu cầu kiểm soát mô-men quá chính xác. Đây là lý do chế độ này vẫn được sử dụng rộng rãi trong bơm, quạt và nhiều hệ truyền động phổ thông.

Ngược lại, với các máy có tải nặng, tải biến đổi liên tục hoặc cần mô-men tốt ở tốc độ thấp, việc lựa chọn chế độ điều khiển cần được cân nhắc kỹ hơn. Khi đó, điều khiển vector có thể phù hợp hơn so với V/F.

---

Thiên Hổ cung cấp biến tần cho nhiều ứng dụng điều khiển motor công nghiệp

Khi lựa chọn biến tần, ngoài công suất motor cần xem xét đặc tính tải, dải tốc độ, yêu cầu mô-men và chế độ điều khiển phù hợp để hệ thống vận hành ổn định.

Thiên Hổ cung cấp các dòng biến tần ARINCO cho nhiều ứng dụng như bơm, quạt, băng tải, máy khuấy, máy nghiền và các hệ truyền động công nghiệp. Nguồn hàng tại cả miền Bắc và miền Nam giúp đáp ứng nhanh nhu cầu thay thế hoặc triển khai hệ thống mới.

Liên hệ Thiên Hổ để được tư vấn biến tần theo đúng tải, đúng chế độ điều khiển và yêu cầu vận hành thực tế

• Đọc thông số kỹ thuật trên biến tần: 5 chỉ số cần hiểu trước khi mua
• Biến tần cho máy khuấy trộn thực phẩm: Case Study ARINCO AV68 15kW
• Biến tần ARINCO phù hợp với những ứng dụng nào? Hướng dẫn lựa chọn chi tiết