Làm nghề Điều khiển và Tự động hóa, đặc biệt là trong Điện-Cơ, ai cũng quan tâm đến mấy cái biến này. Đó là những phép biến đổi của Năng lượng. Tại sao lại phải lưu tâm đến chúng? Tại vì, mọi sự biến đổi của năng lượng là nói đến công suất, đến lực, mômen, dòng điện - Nó sẽ liên quan đến cấu tạo của bộ biến đổi, đến động cơ, và chính là kích thước dây, đến cách điện, đến phát nóng, đến chịu va đập và phá hoại v.v… Đó chính là hiệu quả, hiệu suất, tuổi thọ và an toàn tin cậy...
Nếu ai không muốn biết đến chúng thì xin đừng nói là theo nghề ấy! Tôi cũng phải nói vậy tại vì từ chiêm nghiệm nghề nghiệp, nhiều “dị nhân” đã không nhận ra điều đó, nên họ đã coi đóng cắt mạch hàng trăm ampes hàng ngàn volt là chuyện vặt không đáng quan tâm; họ coi một vi mạch mạnh nào đó có thể khiến cho đoàn tàu tăng tốc hoặc giảm tốc, cho một lò nung thép nào đó nóng lên tùy ý. Vì đáng kính thật, các vi mạch ngày nay đã giúp người ta làm được nhiều thứ!
Có thể những dòng dưới đây, các anh/chị đọc được và cho là ấu trĩ. Thì tôi cảm ơn. Vì các Vị đã thấy đủ tầm quan trọng của chúng hay ngược lại?... Nhưng thôi, chúng ta cần nhắc lại đôi điều cho cẩn thận trước khi muốn điều khiển chúng.
Điều chung nhất là ta phải đi từ định luật bảo toàn năng lượng. Bảo toàn công suất từ đầu vào cho đến đầu ra.
Trước hết nói về biến áp
Ta có biến áp xoay chiều và biến áp (BA) một chiều. Về nguyên tắc, chúng có khác nhau. Ở BA xoay chiều; với mục tiêu là để có một điện áp thứ cấp khác đi, người ta dùng luật biến đổi điện – từ. Chuyển điện năng từ cuộn dây sơ cấp sang thứ cấp qua cảm ứng từ. Nếu chỉ vì mục tiêu ấy thì chỉ cần cho sự khác nhau về số vòng dây quấn là xong. Biến áp tự ngẫu thỏa mãn cho ta điều này và áp ra muốn bao nhiêu cũng có. Nhưng chớ lạm dụng: công suất ra thì khác nhau đấy nếu kích thước dây của tự ngẫu không đổi từ đầu đến cuối dây quấn. Nói như vậy để khẳng định rằng: biến áp kiểu này, cho công suất ra tỷ lệ theo điện áp ra.
Nếu dùng BA có công suất ra cũng như công suất vào thì phải là loại có dây quấn sơ/thứ riêng. Tiết diện dây tỷ lệ ngược với điện áp ra yêu cầu. Quá đơn giản!
Với cách tư duy đơn giản như vậy, ta đi đến biến áp một chiều
Phép biến đổi điện áp chỉ có được bằng cách xoay chiều, hoặc ngày nay thì dùng phép điều chế bề rộng xung (ta hay gọi là PWM). Kể cả chỉnh lưu điều khiển. Với loại biến đổi này, các dụng cụ chuyển mạch đóng vai trò quyết định cho công suất ra. Thuở trước, để có những điện áp cao dùng cho các bộ nguồn như hồng ngoại trong các phương tiện chiến đấu ban đêm chẳng hạn, người ta đã phải dùng các rơle rung để biến một chiều thành xoay chiều, sau đó dùng biến áp nâng áp rồi chỉnh lưu trở lại để có được điện áp cao hơn. Nguồn ăc-quy 12V, có thể tạo điện áp một chiều hàng nghìn volt. Ngày nay, việc đóng cắt tạo xoay chiều đã có các transisto chuyển mạch. Áp và dòng trên nó sẽ quyết định công suất ra của bộ thiết bị.
Cũng bằng phép tương tự là đóng cắt, nhưng nếu điều chế được tỷ lệ giữa thời gian đóng và thời gian cắt thì điện áp ra chỉ thấp hơn điện áp vào – Đó là bộ PWM. Còn điều chỉnh góc mở van cho điện áp xoay chiều cũng có được bộ nguồn một chiều. Công suất (cả cos phi) cũng phụ thuộc vào điện áp ra.
Biến tần sẽ được hiểu theo quan niệm công suất thì thể nào đây? Biến tần có thể qua máy điện hoặc qua bộ biến đổi bán dẫn. Ngày xưa, để có dòng điện lớn xoay chiều tần số cao dùng cho tôi, cho nấu- luyện thép, giải pháp duy nhất là qua máy điện. Đó là cách biến đổi năng lượng kiểu điện-cơ-điện. Công suất của thiết bị phụ thuộc vào các động cơ và máy phát. Nói như vậy thì ta cũng đã hiểu ngay rằng, áp và dòng ra phụ thuộc kích thước dây quấn (tất nhiên rất phụ thuộc vào tần số vì nó quyết định tổng trở xoay chiều). Lúc này, do tần số khác nhau mà đặc tính công tác của máy điện sẽ biến đổi đi rất nhiều. Có khi rơi vào vùng phi tuyến hoặc bảo hòa, cực đoan là không làm việc được. Ở một số truyền động điện công suất nhỏ đòi hỏi tốc độ quay cực cao (dùng cho dao cắt xén chẳng hạn), phương pháp dùng động cơ điện lồng sóc với biến tần là rất hiệu quả. Lúc đó tần số sẽ được nâng cao như mong muốn. Nói vậy thôi, cũng có ngưỡng của nó – và đó cũng là lời nhắc cho những ai đang muốn điều khiển chúng.
Ta sẽ nói nhiều hơn về loại truyền động điện này. Tất nhiên, biến tần ngày nay không còn qua dụng cụ điện từ nữa mà là qua điện tử . Khả năng chế tạo những bộ biến đổi tần số có dải rộng, ngày nay không còn khó khăn gì. Nối vào động cơ , trục quay có thể từ lờ đờ cho đến khi cao vút. Nhưng công suất ra trên trục mô-tơ sẽ ra sao đây? Đừng vội nghĩ và nói ngay từ con số định mức ghi trên nhãn máy. Vậy, muốn biết khả năng cho công suất ra của hệ thống thì ta cũng cần biết phương pháp điều khiển chúng là thế nào đã. Luật tương thích động cơ với tải đã dạy chúng ta rằng, khi làm việc ở những tần số khác nhau, tùy theo tính chất của tải hoặc nhu cầu nào đó mà điện áp tương ứng cũng phải được biến đổi theo. Ví dụ, ta vẫn nhắc nhau nhiều về luật biến đổi U/f. Vậy thì ở những tần số thấp, nó đòi hỏi điện áp cũng thấp cơ mà. Trong khi dòng điện là do tiết diện dây quấn động cơ cũng như dòng thuận của các van bán dẫn đã có hạn quyết định rồi. Thế thì, công suất ra chắc chắn phải giảm thấp, không có cách nào khác được. (Đáng ra, để phục vụ cho những lý giải này, tôi phải vẽ ra các đặc tính điện-cơ, điện-từ và điện tử đặc trưng cho dụng cụ và thiết bị. Nhưng tôi lại nghĩ, người đọc chắc đã hiểu rồi, thừa chăng? nên thôi vậy). Có thế nên các bài giảng, người ta vẫn nhắc rằng, khi hệ biến tần-động cơ làm việc ở tốc độ thấp, nên thận trọng về mô-men, công suất và kể cả tính ổn định.
Nói biến tần, ngoài mục đích cho luyện kim, nguồn xoay chiều, phát sóng trung cao tần thì đa phần là cho truyền động điện. Nhờ có những dụng cụ bán dẫn ngày nay có tính năng rất tốt nên tổn hao ít, chuyển mạch nhanh. Nhưng dẫu sao thì dòng qua chúng cũng phải chịu tổn thất. Nhiều tổn thất lắm: qua mặt ghép p-n, qua các cuộn kháng, qua các tụ, nhiều khi còn phải qua biến áp và cuộn chặn, tụ lọc, qua tiếp xúc, dây dẫn v.v… Cũng dễ hiểu là khi làm việc ở tần số càng thấp, tổn hao sẽ càng lớn. Tất nhiên ở vùng tần số cao so với định mức của động cơ thì cũng sẽ xuất hiện nhiều vấn đề cho động cơ và cho truyền động điện. Muốn cho một động cơ có khả năng làm việc cho mọi vùng tần số mà các anh/chi yêu cầu thì chắc kích thước của nó phải to lắm.
Vậy nên thông điệp đưa ra để nhắc nhau rằng: hệ biến tần-động cơ có nhiều ưu việt, trong công nghiệp được dùng ngày càng nhiều; nhưng đừng quá lạm dụng. Chúng sẽ gặp những rắc rối ở những vùng tần số nào đó hoặc tải của chúng có những đòi hỏi nào đó. Và cũng vì thế mà khẳng định là tổn thất trong hệ thống sẽ kèm theo. Giá trị tổn thất sẽ khác nhau ở những vùng tần số khác nhau. Ngoài việc tăng tính phức tạp cho truyền động điện, tăng giá đầu tư và chi phí vận hành, phải chịu thêm tổn thất biến đổi là những điều mà cần cân nhắc khi lựa chọn.
Việc điều chỉnh tốc độ truyền động điện trước đây đã dùng nhiệu hệ biến đổi chỉnh lưu-một chiều. Ở đó, khi điện áp thấp để có tốc độ chậm, công suất hệ thống rõ ràng đã giảm thấp. Có chăng nó duy trì được mô-men quay của trục.
Biến tốc cơ-cơ (gọi là hộp tốc độ, hộp số) lại có những đặc điểm riêng. Việc biến đổi tốc độ được thông qua các cặp bánh răng. Vì số cặp bị giới hạn, nên không thể vô cấp như truyền động điện được. Nhưng thay vào đó thì từ trục này qua trục kia, công suất ra được giữ không đổi (tất nhiên cũng có tổn thất nhưng rất nhỏ). Quan hệ đơn giản là số răng càng nhiều để giảm tốc độ của trục thì đường kính trục càng lớn để cho mô-men chịu được tăng lên. Cho nên, khi làm việc động cơ điện kéo chỉ cần cho một tốc độ không đổi và công suất cấp là định mức. Công suất đó được coi luôn không đổi cho đến trục ra của hộp tốc độ (ta hay gọi là hộp giảm tốc). Ở đó, tốc độ thì được giảm đến mức yêu cầu. Còn mô-men thì tăng theo chiều ngược lại. Vậy nên, tuy là cồng kềnh, số cấp tốc độ ra có hạn nhưng ở nhiều máy công tác, hộp tốc độ vẫn được sử dụng hiệu quả (máy cán thép, máy bơm v.v…), chưa thay thế được.
Điều chỉnh tốc độ là một trong những vấn đề luôn được xem xét nhiều trong điều khiển truyền động điện. Để làm được việc này vậy là ta có nhiều cách như trên đã kể. Và cũng nhắc nhau rằng, trước hết nên hiểu cho kỹ là điều khiển máy gì, loại tải có đặc điểm gì, yêu cầu các vùng công tác có gì khác nhau rồi mới lựa chọn giải pháp dùng biến nào: máy (bộ) biến áp,bộ (máy) biến tần, hay hộp biến tốc