Thiết bị biến tần

Bộ biến tần, còn được gọi là inverter, là thiết bị điện tử hoặc mạch điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện từ dòng điện một chiều (DC) hoặc dòng điện xoay chiều (AC) ở một cấu hình tần số và pha này thành dòng điện xoay chiều với tần số và pha khác.

Điện áp đầu vào, điện áp đầu ra, tần số, và điều chỉnh công suất toàn phần phụ thuộc vào từng thiết bị hoặc mạch điện cụ thể. Bộ biến tần không tạo ra công suất, mà công suất được cấp từ nguồn điện một pha hoặc ba pha.

Một bộ biến tần có thể hoàn toàn là thiết bị điện tử hoặc kết hợp các hiệu ứng cơ khí (như máy điện quay) với mạch điện tử.

Các bộ biến tần tĩnh không có thành phần cơ khí chuyển động trong quá trình chuyển đổi.

Đầu vào

Trong hầu hết các ứng dụng biến tần, điện áp đầu vào là dòng điện một chiều (DC). Các nguồn phổ biến bao gồm:

• Nguồn chỉnh lưu từ điện lưới, dùng để chuyển đổi tần số cho các thiết bị điện;
• Nguồn từ ắc quy có điện áp 12, 24, 36 hoặc 48 V DC, hoặc từ các nguồn năng lượng tái tạo với công suất nhỏ;
• Nguồn năng lượng từ 200 đến 400 V DC, công suất từ vài KW đến vài trăm MW, từ các trang trại năng lượng tái tạo;
• Nguồn từ 200 đến 400 V DC, trao đổi với bộ ắc quy của hệ thống tàu ray điện;
• Hàng trăm ngàn volt, khi biến tần là phần của hệ thống truyền tải điện trực tiếp ở điện áp cao.

Biến đổi trực tiếp từ AC sang AC rất ít khi được áp dụng trong thực tế.

Đầu ra

Đầu ra của bộ biến tần thường được đặc trưng bởi dạng sóng. Dạng sóng lý tưởng nhất là sóng sin, nhưng thực tế do hiệu suất biến đổi mà dạng sóng này khó đạt được. Các dạng sóng phổ biến bao gồm:

• Sóng vuông đảo chiều;
• Sóng vuông đảo chiều với quãng nghỉ;
• Sóng vuông điều biến độ rộng gần giống sóng sin.

Các đầu ra thường được trang bị tụ lọc để làm mượt các gãy khúc trong dạng sóng.

Các ứng dụng

Thiết bị điện tử

Hiện nay, nhiều thiết bị điện tử gia dụng như tủ lạnh, điều hòa nhiệt độ, máy giặt,... đều trang bị công nghệ 'inverter', và các nhà sản xuất thường quảng cáo rằng công nghệ này giúp nâng cao hiệu suất năng lượng.

Các thiết bị này hoạt động bằng cách chỉnh lưu điện lưới và sử dụng biến tần để tạo ra dòng điện với tần số cao hơn 50 Hz, từ đó cải thiện khả năng điều khiển và hiệu suất của mô tơ điện.

Biến tần cũng được áp dụng cho công suất nhỏ, từ vài watt đến vài chục watt, chẳng hạn như chấn lưu điện tử cho đèn huỳnh quang, đèn compact, hoặc làm nguồn cung cấp năng lượng cho các ống huỳnh quang (CCFL), thường được sử dụng làm đèn nền cho màn hình TFT phẳng.

Các UPS

Các UPS là một loại biến tần đặc biệt, được biết đến như là hệ thống nguồn cung cấp liên tục (Uninterruptible Power Supply) hoặc đơn giản là bộ lưu trữ điện dự phòng cho các hệ thống điện toán. UPS biến đổi điện năng từ pin sạc thành điện xoay chiều AC cho các hệ thống này và hoạt động khi mất điện lưới.

Dòng điện AC từ UPS có thể không phải dạng sin, có thể không ổn định về điện áp và thời gian cấp điện bị giới hạn, tùy thuộc vào loại ắc quy sử dụng. Lựa chọn UPS cần cân nhắc các yếu tố sau:

1. Thời gian kích hoạt của biến điện phải đủ ngắn để đảm bảo rằng điện năng lưu trữ trong các tụ điện của thiết bị chưa bị suy giảm đến mức thấp nhất.
2. Điện năng từ pin sạc phải đủ để hệ thống thực hiện các chức năng cần thiết, chẳng hạn như lưu dữ liệu và tắt máy đối với hệ máy tính gia đình, hoặc kích hoạt máy phát điện dự phòng đối với hệ thống tiêu thụ điện lớn.

Thiết bị điện năng

Biến tần hiện là phần không thể thiếu trong các nhà máy điện năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng mặt trời, gió, sóng và thủy triều. Nó chuyển đổi các nguồn năng lượng này thành điện xoay chiều công nghiệp và hòa vào lưới điện.

Dòng điện từ các nguồn năng lượng này thường không ổn định về công suất và điện áp. Do đó, để hòa lưới điện công nghiệp, các biến tần thường đi kèm với hệ thống pin sạc để thực hiện chuyển đổi lên điện 3 pha tiêu chuẩn của lưới điện. Các biến tần có nhiều loại khác nhau về công suất, điện áp vào, điện áp ra và số pha. Biến tần hòa lưới yêu cầu có hệ thống kiểm soát dạng xung, pha và điện áp để đảm bảo việc chuyển năng lượng lên lưới thành công.

Biến tần cho hệ thống điện mặt trời lắp mái thường có công suất từ vài kW, chuyển đổi sang AC 220 V hoặc 110 V, với 1 pha hoặc 3 pha.

Các biến tần dùng cho các trang trại năng lượng mặt trời và gió chuyển đổi nguồn điện nguyên thủy thành điện 3 pha phù hợp với lưới, có công suất lên đến vài MW. Sau đó, điện được nâng cao áp bằng biến áp để phù hợp với lưới truyền tải điện địa phương.

Ứng dụng trong công nghiệp

• Trước đây, việc cấp nước cho các tòa nhà cao tầng thường sử dụng phương pháp bơm nước lên mái và sau đó phân phối xuống từng tầng bằng các thiết bị điều áp. Phương pháp này vừa tốn kém chi phí vừa kém hiệu quả.
• Việc lắp đặt bộ biến tần giúp loại bỏ nhu cầu xây dựng tháp mái, tiết kiệm chi phí và cải thiện hiệu quả hệ thống cấp nước.

• Quạt hút và đẩy thường được ứng dụng trong các thiết bị công nghiệp như: Hút bụi, thổi lò, thông gió, và nhiều ứng dụng khác.
• Biến tần là giải pháp lý tưởng trong các hệ thống này, giúp điều chỉnh áp lực, khởi động mềm và lưu lượng theo yêu cầu, tối ưu hóa hiệu suất của động cơ và tiết kiệm điện năng.

• Chế độ điều khiển khí nén thường là đóng – mở, nơi không khí đầu vào được kiểm soát qua van. Khi áp suất đạt mức cao, van đóng và máy nén chuyển sang chế độ không tải; khi áp suất giảm xuống dưới mức thấp, van mở và máy nén hoạt động trở lại.
• Công suất của motor thường được thiết kế lớn hơn nhu cầu thực tế, dẫn đến dòng khởi động cao và tiêu tốn nhiều năng lượng khi motor hoạt động không tải.

• Biến tần có thể điều khiển vị trí, mô-men xoắn và chức năng hãm cho các ứng dụng như cần cẩu và palăng, sử dụng động cơ xoay chiều. Những bộ biến tần này thường có chức năng hãm tái sinh, truyền năng lượng trở lại lưới, đảm bảo an toàn và tiết kiệm.

• Bedford, B. D. (1964). Nguyên lý Mạch Biến Tần. Hoft, R. G. et al. New York: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-06134-4.
• Mazda, F. F. (1973). Điều Khiển Thyristor. New York: Halsted Press Div. of John Wiley & Sons. ISBN 0-470-58116-6.
• Dr. Ulrich Nicolai, Dr. Tobias Reimann, Prof. Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Sổ Tay Ứng Dụng Các Module Công Suất IGBT và MOSFET, Tập 1, ISLE Verlag, 1998, ISBN 3-932633-24-5 Phiên bản PDF Lưu trữ ngày 2012-03-02 tại Wayback Machine