Truy tìm nguồn gốc của các doanh nghiệp năng lượng và môi trường của chúng ta
Lịch sử của Biến tần đa năng (Phần 1)

Biến tần là thiết bị kiểm soát tốc độ quay của động cơ. Trong nhiều năm qua, chúng đã trở nên không thể thiếu đối với cơ sở hạ tầng công nghiệp, vì nhu cầu về chúng tiếp tục mở rộng trong quá trình tự động hóa nhiều loại máy móc và thiết bị, bao gồm quạt và máy bơm tiết kiệm năng lượng được sử dụng trong các nhà máy và xí nghiệp, thang máy, cần cẩu, băng tải và máy công cụ. Biến tần cho phép động cơ hoạt động với năng lượng tối thiểu bằng cách kiểm soát số vòng quay cần thiết. Do đó, chúng tiêu biểu cho các sản phẩm góp phần tiết kiệm năng lượng và do đó giúp giảm lượng khí thải CO2. Fuji Electric đã ra mắt dòng biến tần đa năng FRENIC5000 Series vào năm 1976 và kể từ đó đã sản xuất tổng cộng hơn 18 triệu biến tần đa năng (tính đến tháng 3 năm 2023). Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về cách phát minh ra biến tần đa năng và cách chúng phát triển để đáp ứng nhiều nhu cầu khác nhau của thị trường. Đặc biệt, chúng ta sẽ khám phá lịch sử của biến tần từ các phiên bản trước của Fuji Electric Review*, một ấn phẩm liên tục giới thiệu các công nghệ mới nhất của từng thế hệ trong gần 100 năm kể từ khi Fuji Electric thành lập.

＊: Ấn phẩm bắt đầu xuất bản vào năm 1924 với tên gọi là Fuji Electric Journal. Tạp chí hiện được gọi là Fuji Electric Review.

Những năm 1960: Sự ra đời của bộ biến tần

Biến tần lần đầu tiên xuất hiện như một sản phẩm trong Đánh giá điện Fuji từ năm 1966. Trước đó, bộ chỉnh lưu thủy ngân được sử dụng để kiểm soát tốc độ quay của động cơ. Vào những năm 1950, chúng tôi bắt đầu cung cấp nhiều bộ chỉnh lưu này cho các nhà máy cán thép. Đồng thời, người ta nhận ra rằng động cơ DC được sử dụng trong các ứng dụng này có ưu điểm là giúp kiểm soát tốc độ quay dễ dàng. Mặt khác, chúng cũng có nhược điểm là cần bảo dưỡng thường xuyên do chổi than bị mòn và các vấn đề khác.

(Bỏ qua) ... Chúng tôi đã cung cấp nhiều bộ biến tần một pha sử dụng thyristor cho nhiều công ty điện lực, Tokuyama Soda, Ube Industries và các khách hàng khác. Ngoài ra, chúng tôi còn sản xuất một bộ biến tần ba pha 200 V 50 Hz 3 kVA để điều khiển máy bơm nâng nước cho Cục cấp nước của Chính quyền đô thị Tokyo.
Trích từ Tạp chí Fuji Electric Tập 39, Số 1 (1966)

*: Trích dẫn này là bản dịch tiếng Anh từ bản gốc tiếng Nhật (áp dụng tương tự sau này).

Sự phát triển của thyristor đã dẫn đến một số thay đổi lớn trong lĩnh vực chuyển đổi năng lượng. Do đó, các bộ biến tần có khả năng điều khiển đầu ra AC theo bất kỳ tần số mong muốn nào, nhờ các đặc tính chuyển mạch tuyệt vời của chúng, bắt đầu được sử dụng ngày càng nhiều trong các ứng dụng điều khiển động cơ AC. Vì động cơ AC không sử dụng chổi than nên chúng mang lại những lợi thế đáng kể về mặt bảo trì, đặc biệt là trong quá trình vận hành liên tục. Điều này khuyến khích việc sử dụng rộng rãi động cơ AC với bộ biến tần trong các ứng dụng công nghiệp.

Thiết bị Thyristor cho máy cán thép. Trích từ Tạp chí Fuji Electric Tập 42, Số 1 (1969)

Nhu cầu về bộ biến tần thyristor ngày càng tăng trong các ứng dụng đòi hỏi nguồn điện xoay chiều ổn định cho máy tính và nhiều dụng cụ đo lường khác nhau. Do đó, hiện nay chúng đang được sử dụng rộng rãi thay cho các máy quay thông thường. Ngoài ra, các bộ biến tần được sử dụng trong các nguồn điện tốc độ thay đổi cho động cơ điện, chẳng hạn như các bộ biến tần được sử dụng với máy kéo sợi, đã trở nên chuẩn hóa để đáp ứng nhu cầu. ... (Bỏ qua) ... Chúng tôi đã cung cấp một số lượng lớn các hệ thống vận hành bằng động cơ sử dụng bộ biến tần tự kích thích, chủ yếu để sử dụng trong các nhà máy kéo sợi.
Trích từ Tạp chí Fuji Electric Tập 44, Số 1 (1971)

Vào thời điểm đó, ngành công nghiệp dệt may là ngành công nghiệp chính của Nhật Bản. Vì sự chảy xệ hoặc cắt vật liệu trong quá trình sản xuất có thể dẫn đến lỗi chất lượng, nên cần phải đồng bộ hóa vòng quay của nhiều động cơ và bộ biến tần thyristor được sử dụng để điều khiển các động cơ này. Các ứng dụng máy tính tận dụng đầu ra ổn định của bộ điều khiển biến tần để ổn định nguồn điện, dẫn đến sự phát triển tiếp theo của các hệ thống điện không bị gián đoạn. Công nghệ biến tần sử dụng thyristor tốc độ cao đã mở rộng đáng kể khả năng vận hành tốc độ thay đổi.

Biến tần thyristor đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau để điều khiển hoạt động của động cơ AC. Tuy nhiên, rất khó để đạt được lợi ích kinh tế ở công suất nhỏ, vì vậy chúng chủ yếu được sử dụng với động cơ trong một số công suất nhất định hoặc cho các ứng dụng mà một biến tần duy nhất được sử dụng để điều khiển nhiều động cơ cùng một lúc.

Những năm 1970: Từ cú sốc dầu mỏ đến bảo tồn năng lượng

Vào những năm 1970, có hai cú sốc dầu mỏ đã tàn phá nền kinh tế thế giới. Các ngành công nghiệp ở Nhật Bản cũng trải qua lạm phát do giá dầu tăng vọt và điều này dẫn đến suy thoái kinh tế. Do đó, việc ổn định nguồn cung cấp năng lượng đã trở thành ưu tiên hàng đầu. Trải nghiệm này đã tạo ra sự quan tâm rộng rãi đến “bảo tồn năng lượng” ở Nhật Bản, vốn ban đầu bắt nguồn từ văn hóa “mottainai”, một từ ngữ tinh tế có nghĩa là “lãng phí do tiêu thụ quá mức”. Cho đến ngày nay, khái niệm này đã khuyến khích bảo tồn năng lượng trong cả doanh nghiệp và gia đình.

Biến tần Thyristor FRENIC 1000VG

Đến giữa những năm 1970, dòng sản phẩm biến tần thyristor của chúng tôi đã mở rộng công suất từ 12,5 kVA đến 200 kVA và nhu cầu đã tăng lên hơn một trăm đơn vị mỗi năm, đặc biệt là trong lĩnh vực ứng dụng dệt may. Biến tần thyristor giúp vận hành động cơ với khả năng kiểm soát tốt hơn, dẫn đến kỳ vọng về công suất nhỏ hơn và chi phí thấp hơn để áp dụng chúng cho nhiều nhu cầu hơn.

Sự ra đời của bộ biến tần transistor

Biến tần AC tốc độ thay đổi ngày càng trở thành trụ cột của các biến tần tốc độ thay đổi ngày nay và xu hướng này đã tạo cảm hứng cho nhiều sự phát triển và cải tiến khác nhau trong năm qua. ... (Bỏ qua) ... Chúng tôi đã phát triển một dòng biến tần điều khiển bằng điện áp (FRENIC5000) có bóng bán dẫn mang lại lợi thế kinh tế ở công suất nhỏ từ 2 kVA đến 12,5 kVA và đáp ứng nhu cầu của ngành dệt may thông qua các giải pháp mất điện tức thời độc quyền của chúng tôi.
Trích từ Tạp chí Fuji Electric Tập 50, Số 1 (1977)

Biến tần đa năng đầu tiên 5 kVA (ra mắt năm 1976)

Vào năm 1976, chúng tôi đã giới thiệu Dòng FRENIC5000 của mình như một dòng sản phẩm sử dụng bóng bán dẫn công suất và mang lại lợi ích của công suất nhỏ và chi phí thấp hơn. Bộ biến tần sử dụng mạch chuyển mạch bán dẫn để kiểm soát điện áp và tần số đầu ra. Chu kỳ chuyển mạch ngắn hơn (tức là tần số cao) làm giảm điện dung dòng điện và dung lượng tụ điện, dẫn đến thu nhỏ kích thước. Dòng FRENIC5000 đã giảm thành công kích thước của bộ biến tần bằng cách sử dụng bóng bán dẫn trong các thành phần bán dẫn để đạt được tốc độ chuyển mạch nhanh hơn thyristor. Dòng sản phẩm này đáp ứng nhu cầu về chi phí thấp hơn, một điều rất được mong đợi, đặc biệt là ở các công suất nhỏ. Việc sử dụng bóng bán dẫn để phát triển một loạt các bộ biến tần công suất nhỏ là một bước tiến lớn trong những gì có thể được coi là sự ra đời của các bộ biến tần đa năng.

Lịch sử của bộ biến tần transistor được đặc trưng bởi sự mở rộng công suất, hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn. Hiện nay, hiệu suất của chúng so với chi phí đã được đón nhận nồng nhiệt, cho phép chúng mở ra kỷ nguyên sử dụng rộng rãi. Bộ biến tần là cần thiết để thay đổi hiệu quả tốc độ của động cơ AC một cách vô cấp. Bộ biến tần thyristor theo thông lệ là lựa chọn phổ biến, nhưng phạm vi công suất nhỏ của chúng đã khiến việc sử dụng thực tế trở nên khó khăn về mặt kinh tế. Tuy nhiên, sự phát triển của các bóng bán dẫn công suất cho các ứng dụng công suất cao và sự phát triển của các bộ biến tần tiết kiệm sử dụng các bóng bán dẫn công suất này đã góp phần tạo ra các bộ truyền động tốc độ thay đổi trong lĩnh vực động cơ điện công suất nhỏ.
Trích từ Tạp chí Fuji Electric Tập 58, Số 4 (1985) “Triển vọng cho Bộ biến tần Transistor” (tóm tắt một phần)

Sau cú sốc dầu mỏ, nhiều ngành công nghiệp khác nhau bắt đầu xem xét đến việc tiết kiệm năng lượng. Trong bối cảnh này, các bộ biến tần FRENIC5000 Series đã đáp ứng nhu cầu tiết kiệm năng lượng bằng cách điều khiển quạt, máy thổi và máy bơm ở nhiều tốc độ khác nhau. Ngoài thiết kế chức năng nhỏ gọn và nhẹ, chúng còn trở nên phổ biến như các bộ biến tần đa năng mà bất kỳ ai cũng có thể vận hành, nhờ vào các mạch an toàn và mạch vận hành tự động.

(Tiếp theo)