Nguyên lý hoạt động của biến tần trên tời điện

2. Nguyên lý hoạt động của biến tần trên tời điện

Về cơ bản, biến tần thực hiện quá trình chuyển đổi điện năng qua ba giai đoạn:

Nguồn điện AC → Bộ chỉnh lưu → Mạch trung gian DC → Bộ nghịch lưu → Motor tời điện.

Giai đoạn 1: Chỉnh lưu nguồn điện xoay chiều

Nguồn điện đầu vào được đưa qua bộ chỉnh lưu để chuyển từ điện xoay chiều (AC) thành điện một chiều (DC).

Điện áp DC sau đó đi vào mạch trung gian, thường có tụ điện để làm phẳng điện áp và tích trữ năng lượng.

Đây là bước chuẩn bị để biến tần tạo ra nguồn điện đầu ra có tần số điều chỉnh được.

Giai đoạn 2: Nghịch lưu và điều chỉnh tần số

Sau khi nguồn điện được chuyển thành dòng điện một chiều (DC), bộ nghịch lưu sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất, phổ biến là IGBT, để tạo ra điện áp xoay chiều (AC) có tần số và điện áp điều chỉnh được.

Biến tần thay đổi tần số đầu ra để kiểm soát tốc độ motor. Khi tần số giảm, tốc độ motor giảm; khi tần số tăng, tốc độ motor tăng trong phạm vi cho phép của hệ thống.

Ví dụ, khi cần nâng vật liệu nhanh, biến tần cấp nguồn với tần số phù hợp để motor đạt tốc độ làm việc. Khi tải đến gần vị trí cần dừng, biến tần giảm tần số để motor quay chậm lại, giúp người vận hành căn chỉnh tải chính xác hơn.

Như vậy, biến tần trên tời điện điều chỉnh tốc độ quay của motor, từ đó kiểm soát tốc độ cuốn hoặc nhả cáp trên tang. Việc điều chỉnh này phải phù hợp với đặc tính motor, tải trọng và thiết kế cơ cấu nâng.

Giai đoạn 3: Điều khiển mô-men và tốc độ nâng hạ

Khi nâng vật nặng, motor cần tạo đủ mô-men để thắng mô-men do tải gây ra tại cơ cấu truyền động.

Biến tần điều khiển điện áp, dòng điện và tần số theo phương pháp được thiết lập để đáp ứng yêu cầu mô-men trong phạm vi thiết kế.

Với những hệ thống cần kiểm soát tải tốt ở tốc độ thấp, nhà sản xuất có thể sử dụng phương pháp điều khiển vector hoặc điều khiển vòng kín có phản hồi tốc độ.

Tuy nhiên, không phải biến tần thông thường nào cũng phù hợp với cơ cấu nâng tải theo phương đứng.

3. Biến tần điều khiển quá trình nâng – hạ như thế nào?

Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động thực tế, có thể chia một chu kỳ nâng tải thành ba giai đoạn.

Khi bắt đầu nâng tải

Người vận hành nhấn nút nâng, bộ điều khiển gửi tín hiệu đến biến tần. Ở hệ thống được thiết kế phù hợp, trình tự điều khiển có thể diễn ra như sau:

Nhận lệnh nâng → motor tạo đủ mô-men → mở phanh → tăng tốc theo thời gian cài đặt.

Motor không tăng tốc đột ngột mà chuyển từ tốc độ thấp lên tốc độ làm việc theo đường tăng tốc đã thiết lập.

Nhờ vậy, lực kéo thay đổi có kiểm soát hơn, giúp hạn chế giật tải khi khởi động.

Khi tời đang nâng tải

Trong quá trình vận hành, biến tần duy trì tốc độ theo giá trị cài đặt và phương pháp điều khiển.

Ví dụ, một hệ thống tời điện có biến tần được thiết kế với hai mức tốc độ:

• Tốc độ nhanh: Sử dụng trên phần lớn hành trình nâng.

• Tốc độ chậm: Sử dụng khi tải đến gần vị trí cần đặt.

Các mức tốc độ phải nằm trong phạm vi cho phép của motor, hộp giảm tốc, phanh và toàn bộ cơ cấu nâng.

Khi dừng hoặc hạ tải

Khi nhận lệnh dừng, biến tần điều khiển motor giảm tốc theo chương trình.

Hệ thống phải phối hợp đóng phanh đúng thời điểm để giữ tải sau khi motor dừng.

Đặc biệt, trong quá trình hạ tải, trọng lực có thể kéo motor hoạt động ở chế độ phát điện. Năng lượng trả về mạch DC cần được xử lý bằng giải pháp phù hợp, chẳng hạn điện trở hãm hoặc bộ tái sinh theo thiết kế.

Nếu không có phương án xử lý năng lượng thích hợp, biến tần có thể báo lỗi quá áp khi giảm tốc hoặc hạ tải.

Lưu ý: Biến tần không thay thế phanh cơ khí. Phanh vẫn phải đảm bảo khả năng giữ tải khi motor dừng hoặc mất điện theo thiết kế của hệ thống.

4. Vì sao biến tần giúp tời điện vận hành êm hơn?

Ở tời khởi động trực tiếp, motor có thể tăng tốc nhanh, khiến lực kéo thay đổi đột ngột và tạo tải trọng động lên cáp, tang cuốn cùng hệ truyền động.

Khi sử dụng biến tần trên tời điện, thời gian tăng tốc và giảm tốc có thể được điều chỉnh để hạn chế sự thay đổi tốc độ quá nhanh.

Điều này mang lại ba lợi ích chính:

• Thứ nhất, hạn chế giật tải: Quá trình tăng tốc có kiểm soát giúp giảm hiện tượng tải bị kéo đột ngột khi bắt đầu nâng.
• Thứ hai, kiểm soát vị trí tốt hơn: Có thể giảm tốc khi tải đến gần vị trí cần đặt, đặc biệt hữu ích khi nâng máy móc hoặc vật liệu dễ va chạm.
• Thứ ba, giảm tác động lên hệ truyền động: Việc hạn chế tăng tốc và dừng đột ngột có thể giảm tải trọng động tác dụng lên bánh răng, trục và các chi tiết cơ khí.

Tuy nhiên, biến tần không loại bỏ hoàn toàn hiện tượng rung lắc. Kết quả còn phụ thuộc vào cách treo tải, độ cứng kết cấu, chiều dài cáp và thông số điều khiển.

5. Những lưu ý khi lắp đặt và cài đặt biến tần cho tời điện

Không nên tự ý lắp biến tần vào một chiếc tời đang sử dụng mà chưa đánh giá khả năng tương thích.

Các vấn đề cần kiểm tra gồm công suất và đặc tính motor, khả năng tạo mô-men ở tốc độ thấp, điều khiển phanh, xử lý năng lượng khi hạ tải và giới hạn tốc độ của cơ cấu nâng.

Đặc biệt, không được tự ý tăng tần số để nâng nhanh hơn hoặc cho rằng lắp biến tần sẽ giúp tời điện nâng được tải trọng lớn hơn mức định mức.

Việc lựa chọn, đấu nối và cài đặt phải tuân theo thiết kế hệ thống và hướng dẫn của nhà sản xuất, đồng thời duy trì đầy đủ các thiết bị bảo vệ như công tắc hành trình, bảo vệ quá tải và phanh giữ tải.

Kết luận

Nguyên lý hoạt động của biến tần trên tời điện là chuyển đổi nguồn điện đầu vào và tạo ra nguồn điện có tần số, điện áp điều chỉnh được để kiểm soát tốc độ và mô-men motor. Khi phối hợp đúng với phanh và hệ truyền động, biến tần giúp quá trình khởi động, nâng, hạ và dừng tải diễn ra có kiểm soát hơn. Tuy nhiên, hiệu quả và độ an toàn phụ thuộc vào việc lựa chọn đúng loại biến tần, thiết kế mạch điều khiển phù hợp và cài đặt theo đặc tính thực tế của cơ cấu nâng.

Xem thêm: Tời điện có biến tần: Tối ưu vận hành trong công trình xây dựng