Một trong những cuộc tranh luận khoa học nảy lửa nhất của thế kỷ 19 xoay quanh chủ đề về dòng điện một chiều hay dòng điện xoay chiều, cái nào sẽ ưu việt hơn. Nhưng dù cái nào nổi trội hơn đi nữa, thì rõ ràng không thể phủ nhận, chúng đã trở thành nền tảng xuyên suốt mạnh mẽ ngành năng lượng điện của chúng ta ngày hôm nay.
Cuối những năm 1800, nhà khoa học Mỹ tiên phong về lĩnh vực năng lượng điện Thomas Edison (1847-1931) đã thoát ly khỏi lối nghiên cứu truyền thống để chứng minh rằng dòng điện một chiều (DC) là giải pháp cung cấp năng lượng tốt hơn so với dòng điện xoay chiều (AC). Nguyên lý hệ thống điện xoay chiều (AC) được phát triển bởi ông Serbia – cũng là đối thủ của Nikola Tesla (1856-1943). Mặc dù Edison đã dùng rất nhiều cách chứng minh để thuyết phục rằng dòng điện xoay chiều AC là quá nguy hiểm, nhưng hệ thống điện xoay chiều AC do Tesla xây dựng vẫn chiến thắng và tới tận hôm nay, hầu như các thiết bị điện đều được vận hành bởi dòng điện này.
Rắc rối duy nhất ở đây là, mặc dù khá nhiều thiết bị điện được thiết kế ứng dụng với dòng điện AC, thế nhưng, nhiều máy phát điện cỡ nhỏ lại thường chỉ cung cấp dòng điện một chiều DC. Điều này có nghĩa rằng nếu bạn muốn vận hành thiết bị điện nào có sử dụng nguồn AC, trong khi nguồn cung cấp điện cho bạn lại chỉ có bình ắc quy xe hơi (thường có trong các ngôi nhà di dộng ở Mỹ) vốn chỉ cung cấp dòng điện một chiều DC, thì bạn sẽ phải cần đến một thiết bị để chuyển đổi dòng DC thành dòng điện AC, đó chính là máy biến tần.
Chúng ta hãy cùng xem xét kỹ hơn về nguyên lý hoạt động và các ứng dụng tiện ích của máy biến tần đối với cuộc sống con người như thế nào.
1.So sánh sự khác nhau giữa dòng điện một chiều DC và dòng điện xoay chiều AC:
Khi một giảng viên khoa học giảng về nền tảng hoạt động của dòng điện, thì họ lại thường nói về dòng điện trực tiếp DC. Chúng tôi được hiểu rằng, các hạt điện tử electron trong dòng điện hoạt động tựa như một đàn kiến đang dịch chuyển và các hạt electron tương tự như những vật phẩm mà đàn kiến vận chuyển trên lưng. Đó cũng là một sự liên hệ tốt, cơ bản và dễ hình dung. Nhưng để minh họa cụ thể và chính xác thì khi dòng điện vận hành, ví dụ như trong trường hợp là một chiếc đèn pin thông thường với một hệ mạch khép kín đơn giản kết nối với pin, bóng đèn và một chiếc công tắc điều khiển. Khi công tắc bật, hệ mạch từ hở trở nên khép kín và năng lượng từ pin sẽ truyền tới bóng đèn để thắp sáng bóng đèn, cho đến khi tất cả năng lượng của pin – các hạt electron trong pin cạn kiệt hoàn toàn.
Trong các thiết bị điện gia dụng có công suất hoạt động lớn hơn thì cơ chế hoạt động của chúng lại không giống nhau. Nguồn năng lượng cung cấp từ ổ cắm được lắp trong tường nhà bạn cung cấp đến các thiết bị điện là dòng điện xoay chiều (AC). Dòng điện có đặc điểm mà chúng có thể đổi chiều liên tục tới 50-60 lần/giây (hay nói cách khác, chúng xoay chiều ở tần số 50-60 Hz). Điều này ắt sẽ khiến nhiều người cảm thấy khó hiểu rằng làm sao chúng có thể cung cấp năng lượng là các hạt electron đến đầu ra khi mà chúng cứ xoay chiều, đổi hướng liên tục? Nếu các hạt electron xuất phát từ ổ cắm tường nhà bạn, thì chắc chúng chỉ đi được vài milimet trong dây dẫn thôi là đã quay đầu trở lại, như thế thì làm sao chúng có thể thắp sáng chiếc đèn bàn của bạn được nhỉ?
Câu trả lời lại rất đơn giản. Hãy tưởng tượng dây dẫn của bóng đèn kết nối với ổ cắm-nguồn năng lượng- chứa đầy ắp các hạt electron. Khi bạn bật công tắc, tất cả các hạt electron liền rung chuyển và phóng thẳng tới dây tóc bóng đèn với vận tốc khủng khiếp. Tại đây, chúng chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt, đốt cháy dây tóc và khiến bóng đèn phát sáng. Các hạt electron không phải nhất thiết phải đổi hướng, chạy theo vòng tròn để vận chuyển năng lượng, mà chúng chỉ “xoay chiều tại vị trí” trong mạch AC mà thôi, rất đơn giản.
2.Vậy máy biến tần là gì?
Một trong những đóng góp của nhà khoa học Ông Tesla (và cũng là đối tác kinh doanh của ông George Westinghouse, người sáng lập công ty điện lực Westinghouse) đó là hầu như các thiết bị điện có trong gia đình của chúng ta hiện nay, đều được thiết kế để ứng dụng với dòng điện xoay chiều AC. Các máy móc khác cần dòng điện một chiều DC để vận hành thì lại cần phải bổ sung thêm linh kiện đi-ốt, để chuyển đổi dòng điện từ AC thành dòng DC.
Máy biến tần sẽ đảm đương công việc hoán chuyển ấy. Và cũng rất dễ dàng để hiểu được cơ chế hoạt động của máy biến tần.
Giả sử bạn có pin, bóng đèn và công tắc đang đóng để khép kín mạch điện, cho phép dòng điện một chiều DC vận hành luôn luôn theo một hướng, giống như chiếc xe đua trên đường đua vậy. Bây giờ, nếu bạn tháo pin ra và xoay ngược nó lại, chuyện gì sẽ xảy ra? Nếu giả thiết này là phù hợp, thì rõ ràng, năng lượng của pin vẫn còn, mạch đèn pin vẫn còn hoạt động, chỉ có điều là bạn không thể nhận thấy bất cứ dấu hiệu phát sáng nào của bóng đèn. Nhưng sự thật rằng, dòng điện đã chạy theo chiều ngược lại so với chiều đã lắp pin ban đầu.
Thế nhưng, giả sử như bàn tay của bạn có khả năng nhanh như chớp để có thể xoay đảo cục pin giữa hai chiều liên tục tới 50-60 lần trong 1 giây, thì bóng đèn vẫn sẽ phát sáng. Ngạc nhiên chưa? Đây cũng chính xác là những gì mà một máy biến tần cơ học truyền thống đã làm để biến đổi dòng điện, chúng chuyển đổi dòng điện một chiều DC thành dòng điện xoay chiều AC tại tần số 50-60 Hz.
Tất nhiên không phải các loại máy biến tần mà bạn mua ở cửa hàng điện tử đều hoạt động bằng cách xoay pin như thế này, mặc dù với một số máy, tác động cơ học là cần thiết. Chúng sẽ bật tắt công tắc điện ở tốc độ cao để đảo chiều dòng điện. Các loại máy biến tần có cơ chế hoạt động như vậy thường được nhận biết bằng các bước tần sóng vuông tại đầu ra. Dòng điện có thể chảy trong một chiều hoặc chiều ngược lại hoặc được hoán đổi giữa hai chiều trong một thời điểm tích tắc.
Thế nhưng, hình thức đảo chiều đột ngột như vậy là khá “thô bạo” đối với một số thiết bị điện. Trong dòng điện xoay chiều AC thông thường, dòng điện xoay chiều dần dần hoán đồi từ hướng này sang hướng khác, biểu hiện thành một biều đồ có các bước sóng hình sin như sau:
Máy biến tần điện được cải tiến có thể được ứng dụng để chuyển hóa điện từ DC sang AC theo dạng thức sóng này. Cụ thể, chúng sử dụng cuộn cảm và tụ điện để làm dòng điện tại đầu ra tăng lên và giảm từ từ thay vì đột ngột. Và cứ thế, bật-tắt các sóng vuông tại đầu ra để chúng hoán đổi, tăng giảm dần dần, chúng có được một máy biến tần cơ bản.
Máy biến tần cũng có thể được kết hợp cùng với máy biến áp, mục đích là để chuyển đổi dòng điện một chiều DC tại đầu vào có mức điện áp khác với mức điện áp của dòng điện xoay chiều AC tại đầu ra (có thể cao hơn hoặc thấp hơn) nhưng năng lượng đầu ra phải luôn luôn nhỏ hơn năng lượng đầu vào. Nguyên nhân bởi tuân theo nguyên lý bảo toàn năng lượng, máy biến tần và máy biến áp không thể cung ứng mức năng lượng đầu ra nhiều hơn mức năng lượng đầu vào, hơn nữa, một lượng năng lượng có thể đã tiêu hao khi dòng điện chạy qua nhiều thiết bị điện trong mạch trước khi kịp tải tới đầu ra.
Trong thực tế thì hiệu quả năng suất tải điện của máy biến tần thường luôn trên 90%, mặc dù theo nguyên lý cơ bản chúng ta đều biết rằng một phần nhỏ năng lượng đã bị hao hụt ở đâu đó.
3.Máy biến tần hoạt động ra sao?
Vừa rồi, chúng ta vừa có cái nhìn tổng quan cơ bản về cách hoạt động máy biến tần và bây giờ, chúng ta hãy tìm hiểu nó một cách cụ thể và chi tiết hơn.
Tưởng tượng bạn là một bộ nguồn có dòng điện một chiều DC và rồi một thiết bị điện nào đó mà bạn đang đảm nhận không ngừng đòi hỏi phải cung cấp dòng điện xoay chiều AC cho chúng, vậy bạn sẽ phải làm như thế nào? Khi dòng điện của bạn chỉ chạy theo một hướng, cùng với một chiếc công tắc mạch được bổ sung?
Khi bật – tắt công tắc điện, với một tốc độ rất nhanh sẽ tạo ra các xung mạch ngược chiều trong dòng điện một chiều – yếu tố đầu tiên của dòng điện xoay chiều. Tuy nhiên, để tạo ra một dòng điện xoay chiều AC thứ thiệt, bạn cần một bộ chuyển đổi mạch có khả năng giúp bạn đảo chiều ngược lại hoàn toàn và lặp đi lặp lại tới 50-60 lần/giây. Hình dung cụ thể hơn, bạn là một bộ nguồn ắc-quy có khả năng hoán đảo chiều dòng điện chạy tới chạy lui cực nhanh liên tục hơn 3000 lần mỗi phút. Đó chính là yếu tố quan trọng mà bạn cần.
Về cơ bản, loại máy biến tần kiểu cũ thường được kết nối với một máy biến áp điện. Nếu bạn hiểu biết về máy biến áp điện, bạn sẽ biết rằng chúng sử dụng hai sợi dây thứ cấp và sơ cấp quấn đều quanh một lõi sắt để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều AC từ mức cao xuống một mức thấp hơn và ngược lại.
Trong máy biến tần cơ học, kể cả với động cơ điện hay một số loại thiết bị tự động khác, chỉ đơn giản bằng việc đảo ngược chiều tiếp xúc, chúng sẽ đảo ngược chiều của dòng điện đầu vào tới lui trong cuộn sơ cấp và đồng thời cung cấp dòng điện xoay chiều trong cuộn thứ cấp. Vì thế, chúng cũng không quá khác biệt so với kiểu máy biến tần lý tưởng mà tôi vừa đề cập ở trên.
Thật ra, các bộ phận ngắt-chuyển đổi mạch trong máy biến tần có kiểu thức hoạt động gần giống như chuông cửa điện. Khi nguồn điện được kết nối, chúng làm bộ chuyển đổi mạch bị nhiễm từ, kéo bộ chuyển đổi mạch hoạt động, chúng mở-ngắt mạch trong thời gian rất ngắn. Từ trường sẽ kéo bộ phận chuyển đổi mạch đến một vị trí nhất định, khởi động chúng rồi lại thả ra và cứ thế lặp đi lặp lại.
Hình vẽ minh họa cơ chế hoạt động cơ bản của máy biến tần: Dòng điện một chiều DC sẽ truyền vào cuộn sơ cấp (hình vẽ zig zắc màu hồng đậm ở bên trái) của máy biến áp hình tròn (vòng tròn nâu), thông qua một đĩa quay tròn (mô tả bằng hình tròn có 4 phần màu đỏ và xanh) với các kết nối phức tạp khác.
Khi đĩa quay, dòng điện một chiều sẽ liên tục được chuyển hướng và dẫn tới cuộn sơ cấp thông qua dây dẫn, và máy biến áp nhận được dòng điện xoay chiều AC như là nguồn năng lượng đầu thay vì dòng điện một chiều DC ban đầu. Đây là bước chuyển tiếp quan trọng trong máy biến áp với cuộn thứ cấp có nhiều vòng dây (hình zig zắc màu vàng ở bên phải máy biến áp) hơn là cuộn sơ cấp. Bởi vì số vòng dây quấn trong cuộn thứ cấp có vai trò làm tăng mức điện áp dòng điện AC tại đầu ra, để chúng lớn hơn nhiều so với mức điện áp của dòng điện AC tại đầu vào ban đầu. Bên cạnh đó, tốc độ quay của đĩa sẽ điều chỉnh tần sóng của dòng AC tại đầu ra.
Minh họa này chỉ đơn giản là mô tả lại các khái niệm chung của máy biến tần, chứ thật ra, hầu hết máy biến tần không hoạt động theo kiểu thức này. Nếu một máy biến tần hoạt động theo mô thức này thì chúng sẽ cho sản xuất ra các biên dạng sóng vuông và rất thô tại đầu ra và điều này thì không có lợi cũng như tích cực mấy đối với thiết bị điện.
4.Các loại máy biến tần:
Nếu bạn cho rằng, máy biến tần chỉ đơn giản là chuyển đổi ngắt-mở mạch của dòng điện mọt chiều DC hoặc lật tới lật lui để dòng điện của chúng đảo chiều, thì những gì bạn “thu nhặt” được chỉ là sự thay đổi đột ngột của chiều dòng điện: tất cả truyền theo một hướng, rồi tất cả chạy theo một hướng khác ngược lại, rồi lại truyền lặp lại hướng cũ, cứ thế liên tục. Và khi vẽ một biểu đồ biểu thị cho cường độ dòng điện (hoặc điện áp) trong một quãng thời gian và chúng ta sẽ có những biểu đồ sóng hình vuông.
Mặc dù những máy biến tần biến đổi điện theo kiểu dạng thức ấy nhưng về mặt kỹ thuật, dòng điện xoay chiều không giống hoàn toàn như dòng điện xoay chiều trong sinh hoạt hằng ngày tại nhà của chúng ta, chúng biến đổi theo một biểu đồ hình sin có các bước sóng đều và nhiều hơn thế nữa. Nói chung, các thiết bị điện gia dụng lớn như lò sưởi, đèn sợi đốt, tủ lạnh…cũng không quá “quan tâm” đến việc nguồn năng lượng mà mình nhận có biểu đồ hay bước sóng hình gì, ra sao, mà thứ chúng quan tâm nhất chính là năng lượng: có một nguồn năng lượng đủ lớn, mạnh và liên tục. Khi đó, cho dù dòng điện xay chiều có đồ thị hình sóng vuông đi chăng nữa thì cũng chẳng ảnh hưởng gì. Mặt khác, các thiết bị điện tử cũng nhận được “làn sóng sin” mạnh mẽ, đầy ắp năng lượng được chuyển hóa liên tục hơn.
Điều này cũng lý giải tại sao máy biến tần lại có 2 loại chính: máy biến tần tạo sóng sin chuẩn (true/pure sine wave inverters ) với bước sóng thường được rút ngắn tới PSM và máy biến tần sóng sin giả (modified/quasi sine wave inverters) có bước sóng rút ngắn tới MSW.
Giống như tên gọi của mình, máy biến tần kết hợp với máy biến áp (thường được tạo hình khung tròn, nhìn giống chiếc bánh donut) và bộ mạch điện để chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều với các bước sóng sin được chuyển hóa sao cho giống như các bước sóng sin tiêu chuẩn mà các thiết bị điện gia dụng của chúng ta muốn.
Chúng có thể được sử dụng để cung cấp đúng loại năng lượng, thậm chí từ nguồn AC chuyển sang nguồn DC, cho bất kỳ thiết bị điện nào, kể cả tivi, máy tính, máy chơi trò chơi điện tử, radio và loa thùng. Mặt khác, với máy biến tần tạo sóng sin giả, sử dụng các phụ kiện thông thường (hệ thống điện dung, đi-ốt và các linh kiện đơn giản khác…) để tạo ra một biên dạng xung vuông được “uốn cong” (tuy nhiên vẫn còn ở dạng thô hơn so với sóng sin thực). Và trong khi chúng giải quyết tốt được vấn đề cung cấp đúng loại năng lượng cho các thiết bị điện có công suất lớn, chúng cũng sẽ không gây ra bất kỳ bất ổn nào cho các bộ phận linh kiện điện tử có công suất nhỏ bên trong (cho dù kể cả bộ điều khiển hay bộ vi xử lý).
Ngoài ra, các biên dạng sóng vuông được “uốn cong” đó sẽ truyền tải nhiều năng lượng cho thiết bị tổng thể hơn là một biên dạng sóng hình sin thuần túy (có diện tích lớn hơn so với một đường cong nhưng lại bé hơn nhiều so với một hình vuông). Vì thế, chúng cũng đem đến nguy cơ tiềm ẩn là làm nóng máy biến tần MSW. Nhưng về mặt tích cực thì máy biến tần tạo sóng sin giả này lại có giá thành rẻ một chút so với máy biến tần tạo sóng sin chuẩn và đồng thời cũng thường xuyên làm việc hiệu quả hơn (Đây cũng là yếu tố quan trọng nếu bạn muốn vận hành thứ gì đó mà không có ắc-quy với một mức năng lượng cho phép, vì nó sẽ giúp thiết bị dùng được lâu hơn).
Ngoài ra, cũng có nhiều loại máy biến tần hoạt động độc lập với lưới điện do được thiết kế cùng bộ ắc-quy. Những loại khác (được biết đến như bộ đổi nguồn hòa điện lưới hoặc máy biến tần hòa lưới điện) thì được thiết kế đặc biệt hơn để có thể cùng tham gia kết nối với lưới điện bất cứ lúc nào (đặc trưng của loại máy biến tần hòa lưới điện này là chúng sẽ thông qua bộ phận, giống như tấm pin năng lượng mặt trời mà tải đúng mức điện áp của lưới điện trả lại vào lưới điện chung.
Điều đó cũng không tệ nếu điều bạn quan tâm nhất chính là giữ cho nguồn năng lượng của mình luôn đủ mạnh và không bị tiêu hao trong quá trình chuyển đổi dòng điện. Tuy nhiên, cũng đừng trông mong quá nhiều vào máy biến tần hoạt động độc lập với lưới điện rằng bạn sẽ có một nguồn điện dự phòng khi bị mất điện. Nguyên nhân là bởi khi bạn mất kết nối với lưới điện chủ và bạn cũng không có nguồn điện nhân tạo nào đấy (ví dụ như những tấm năng lượng mặt trời sẽ “vô dụng” vào ban đêm chẳng hạn), thế là máy biến tần cũng ngưng hoạt động vì không có dòng điện để hoán đổi. Và như thế, bạn “tay trắng vẫn hoàn tay trắng” mà không hề có được chút năng lượng nào. Vì thế, đừng trông mong gì nhiều vào máy biến tần sẽ hoạt động như bộ ắc-quy, cho dù có là máy biến tần độc lập với lưới điện đi chăng nữa.
Cũng chính vì lý do này mà một số người sử dụng loại máy biến tần hai mốt hay máy biến tần lưỡng chiều (birectional inverters), loại máy mà có thể vừa hoạt động độc lập với lưới điện lại vừa có khả năng hòa vào lưới điện (mặc dù không phải là cả hai việc như thế cùng một lúc). Do đó mà loại máy biến tần lưỡng chiều này cồng kềnh hơn và cũng có giá thành đắt đỏ hơn.
5.Máy biến tần có hình dạng ra sao?
Máy biến tần có thể được thiết kế với hình dạng rất lớn và nặng, đặc biệt kích cỡ sẽ càng lớn và nặng hơn nếu chúng được thiết kế để hoạt động độc lập với lưới điện vì có bộ ắc-quy bên trong. Đồng thời, khi hoạt động, máy biến tần cũng sinh rất nhiều nhiệt, do đó chúng luôn phải có bộ tản nhiệt đủ công suất để luôn luôn làm mát, bình ổn nhiệt độ của máy thông qua vai trò của các cánh quạt thép.
Loại biến tần nhỏ nhất có kích thước chỉ bằng một nửa chiếc đài phát thanh gắn trong xe hơi. Thật thú vị làm sao khi bạn có thể gắm vào chốt cắm của chiếc bật lửa thuốc lá để tạo ra dòng điện AC có thể dùng để sạc cho máy tính xách tay hoặc điện thoại di động.
Cũng như các thiết bị điện khác nhau về mức năng lượng tiêu thụ mà máy biến tần tùy theo đó mà khi sản xuất sẽ chênh lệch nhau về công suất hoạt động. Thông thường, để đảm bảo an toàn điện, bạn sẽ cần máy biến tần có mức công suất định mức cao hơn ¼ so với mức công suất tối đa của thiết bị điện mà bạn muốn chuyển đổi dòng điện để vận hành. Điều đó dẫn đến một hệ quả trong thực tế là một số thiết bị điện như tủ lạnh, tủ cấp đông hay bóng đèn huỳnh quang có mức tiêu thụ điện ở mức cực đại ngay khi vừa mới được bật công tắc.
Trong khi biến tần có thể cung cấp công suất cực đại trong thời gian ngắn. Và một điểm quan trọng khác cũng cần được lưu ý, đó là các máy biến tần không được thiết kế để hoạt động với mức công suất cực đại trong thời gian dài để đảm bảo an toàn về điện.
6.Nguồn cung cấp điện liên tục là gì?
Một ứng dụng rất phổ biến cho các máy biến tần khi cần được cung cấp năng lượng khẩn cấp để duy trì hoạt động, có tên gọi là nguồn cung cấp điện liên tục (uninterruptible power supplies) hoặc nguồn năng lượng liên tục (uninterruptible power sources). Chúng còn có ký hiệu viết tắt là UPS. Nếu nguồn năng lượng cho các thiết bị điện gia dụng bất ngờ bị cúp đột ngột, thì bạn có thể sẽ phải cần đến UPS như nguồn năng lượng dự phòng. Nhưng chúng hoạt động như thế nào với máy biến tần?
Một thiết bị UPS điển hình sẽ tích trữ năng lượng ở dạng bình ắc-quy, có thể sạc lại để sử dụng (một số thiết bị UPS lưu trữ năng lượng dưới dạng cơ học sử dụng vô lăng quay với tốc độ rất nhanh bằng một động cơ điện). Khi mạch điện hoạt động bình thường, với máy biến áp và bộ chỉnh lưu trong mạch, bình ắc-quy UPS sẽ từ từ tích trữ năng lượng là dòng điện một chiều DC, được tạo ra bởi dòng điện xoay chiều AC.
Nếu nguồn năng lượng đầu vào trong mạch bị mất, nguồn năng lượng DC trong ắc-quy sẽ tiếp tục được chuyển hóa tiếp thành dòng điện xoay chiều AC để cung cấp nguồn năng lượng hoạt động cho thiết bị của bạn. Vì vậy, khi các ứng dụng UPS được kết nối với năng lượng xoay chiều AC kia, thì chúng lại tiếp tục chuyển hóa thành DC và tích trữ vào ắc – quy và cứ thế xoay vần cho đến khi chúng cạn sạch năng lượng tích trữ và không còn gì để tiếp tục chuyển hóa.
Một nguồn cung cấp năng lượng liên tục UPS sẽ được kết hợp cùng bộ chống sốc điện và bộ phận tối ưu hóa điện áp (voltage optimization equipment) để tạo ra nguồn năng lượng hoàn hỏa thực thụ có thể tự động linh hoạt, ổn định, tăng áp và hạ áp theo đúng chu trình.
Theo tbe.vn
