Biến tần (inverter) là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Biến tần là gì?

Bộ biến tần (inverter) hay bộ kích điện hay máy kích điện đều là những tên gọi khác nhau của một thiết bị có khả năng chuyển đổi điện áp một chiều (DC – Direct Current) thành dòng điện áp xoay chiều (AC – Alternating Current). Trong hầu hết các trường hợp, điện áp DC đầu vào thường thấp hơn điện áp AC đầu ra, dòng DC qua biến tần được kích điện lên sao cho điện áp đầu ra AC bằng với điện áp của lưới điện tùy thuộc vào mạng điện của quốc gia đó. Như ở Mỹ và Nhật Bản chỉ sử dụng điện áp 110V, còn ở Việt Nam chúng ta thì sử dụng điện áp 220V.

Biến tần có thể được tạo ra như một thiết bị độc lập phục vụ cho các ứng dụng như năng lượng mặt trời hoặc hoạt động như một công cụ kích điện cho một nguồn pin sạc dự phòng nào đó.

Ngoài ra, biến tần có cấu hình khác là khi nó đóng vai trò là một phần của một mạch lớn hơn, chẳng hạn như các bộ cấp nguồn PSU (hạ thế) hay UPS.

Có nhiều loại biến tần được phân loại khác nhau dựa trên hình dạng của của kiểu sóng chuyển đổi. Chúng có cấu hình mạch điện, hiệu quả, ưu và nhược điểm khác nhau.

Tìm hiểu thêm vềcác loại biến tần phổ biến hiện nay

Một bộ kích điện cung cấp một điện áp xoay chiều AC từ các nguồn điện DC và rất hữu ích trong việc cung cấp năng lượng cho phần lớn các thiết bị điện – điện tử. Ngoài ra, chúng rất cần thiết và được sử dụng rất nhiều cho thời nay, bởi giai đoạn này chúng ta đang dần chuyển đổi mạnh mẽ việc sử dụng nguồn điện truyền thống (nhiên liệu hóa thạch) sang nguồn điện từ năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, gió, nước…) để giảm thiểu ô nhiễm môi trường cũng như tiết kiệm các nguồn tài nguyên không thể tái tạo.

Nguyên lý hoạt động cơ sở của biến tần

Các mạch cơ sở bao gồm bộ tạo dao động, mạch điều khiển, trình điều khiển cho các thiết bị nguồn, thiết bị chuyển mạch và máy biến áp.

Quá trình chuyển đổi năng lượng được lưu trữ trong nguồn DC như pin lưu trữ, pin năng lượng mặt trời, các bộ chỉnh lưu… thành dòng điện xoay chiều được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị chuyển mạch được bật và tắt liên tục, sau đó đẩy mạnh lên bằng việc sử dụng máy biến áp. Mặc dù vẫn có một số cấu hình biến tần không có máy biến áp, tuy nhiên loại này thì ít được sử dụng rộng rãi.

Điện áp đầu vào DC được bật và tắt bởi các thiết bị nguồn như MOSFET hoặc bóng bán dẫn điện và các xung được cấp cho cuộn dây sơ cấp của máy biến áp. Điện áp thay đổi trong cuộn dây sơ cấp sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều ở cuộn thứ cấp. Máy biến áp cũng hoạt động như một bộ khuếch đại trong đó nó làm tăng điện áp đầu ra theo tỷ lệ được xác định. Trong hầu hết các trường hợp, điện áp đầu ra được tăng từ mức 12V tiêu chuẩn được cấp bởi pin lên mức 110V hoặc 220V.

Dưới đây là sơ đồ mô tả đơn giản một biến tần đẩy DC sang AC:

Các dạng sóng đầu ra của biến tần

Biến tần được phân loại theo dạng sóng đầu ra của chúng với 3 loại phổ biến là sóng vuông, sóng hình sin thuần và sóng sin biến đổi.

Sóng vuông đơn giản và rẻ hơn, tuy nhiên nó có chất lượng điện năng thấp hơn so với hai loại kia. Sóng hình sin biến đổi sẽ cung cấp chất lượng điện năng tốt hơn (tổng độ méo sóng THD ~ 45%) và phù hợp với hầu hết các thiết bị điện tử. Chúng có các xung hình chữ nhật với các “điểm chết” ở giữa nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm (THD khoảng 24%).

Biến tần sóng hình sin thuần có dạng sóng tốt nhất với THD thấp nhất chỉ khoảng 3%. Tuy nhiên, nó là loại đắt nhất và thường được sử dụng trong các ứng dụng như thiết bị y tế, âm lập thể, máy in laser… Chúng cũng được sử dụng trong các bộ biến tần hòa lưới dùng cho các hệ thống điện mặt trời

Ứng dụng của inverter

Inverter được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ những chiếc xe nhỏ cho đến các ứng dụng gia đình/văn phòng và cả những hệ thống điện lưới lớn.

• Các bộ nguồn cung cấp năng lượng liên tục (UPS).
• Sử dụng như một thiết bị độc lập.
• Ứng dụng mạnh mẽ trong ngành công nghiệp năng lượng mặt trời.