1. Ý nghĩa của biến tần

Trong những năm qua, số lượng máy điều hòa gia dụng được cung cấp ra thị trường có mức tăng trưởng đáng kể. Thị trường Việt Nam là một trong những thị trường có mức tăng trưởng cao nhất ở vùng Đông Nam Á. Trong gia đình, trong các khách sạn, điều hòa tiêu thụ lượng điện lớn nhất trong tổng lượng điện tiêu thụ. Do đó, việc sản xuất các máy điều hòa có hiệu suất năng lượng cao mang ý nghĩa quyết định đến tiết kiệm năng lượng cho các hộ dùng điện.

Để tiết kiệm năng lượng cho máy điều hòa người ta dùng nhiều biện pháp khác nhau như: tăng hiệu suất máy nén, cải tiến dàn ngưng hoặc dàn bay hơi. Những biện pháp này cũng có hiệu quả nhưng thực tế không giảm được đáng kể tiêu hao năng lượng.

Công nghệ biến tần cũng được phát minh từ lâu và đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trước đây, giá thành các thiết bị biến tần tương đối cao do đó người ta chỉ sử dụng trong những trường hợp đặc biệt. Trong những năm gần đây, do sự phát triển của khoa học kỹ thuật, biến tần được sử dụng trong nhiều trường hợp, trong đó ứng dụng cho máy điều hòa gia dụng.

Năm 2010 tỷ lệ máy điều biến tần chỉ chiếm khoảng 10% trong số các máy điều hòa được bán trên thị trường.  Năm 2011 đã tăng lên  20 % và đến năm 2014 tỷ lệ này đã khoảng 30% và năm 2018 ỷ lệ này đã trên 40%. Như vậy, máy điều hòa biến tần ngày càng được đón nhận trên thị trường và là xu hướng tiết kiệm năng lượng hiệu quả nhất trong thời gian sắp tới.

Sử dụng máy điều hòa biến tần tiết kiệm năng lượng do nguyên nhân sau:

Năng suất của máy điều hòa luôn luôn thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ trong nhà và nhiệt độ ngoài trời. Trước kia, để duy trì nhiệt độ trong phòng người ta dùng bộ điều chỉnh ON-OFF. Khi nhiệt độ trong phòng đạt được nhiệt độ yêu cầu (Thí dụ đặt 25 độ) thì thiết bị tự động ( role nhiệt) ngắt máy điều hòa, máy nén ngừng chạy. Khi nhiệt độ trong phòng tăng lên một chỉ số nhất định, máy điều hòa làm việc trở lại. Như vậy, máy điều hòa chỉ duy trì một khoảng nhiệt độ trong phòng và khi đã chạy là chạy với 100% tải. Phương pháp này không tiết kiệm năng lượng vì mỗi lần khởi động lại máy là một lần tiêu hao năng lượng đáng kể và máy luôn luôn chạy ở công suất điện tối đa.

Máy điều hòa không khí gia dụng cũng như máy điều hòa không khí trong công nghiệp  năng suất lạnh không phải là một trị số cố định. Năng suất lạnh ghi trên máy chỉ là năng suất lạnh danh định, tức là năng suất lạnh ở một điều kiện nhiệt độ môi trường và nhiệt độ trong phòng nhất định. Ví dụ, người ta lấy năng suất lạnh ở điều kiện: nhiệt độ môi trường là 35°C và nhiệt độ trong phòng là 24°C. Như vậy ta có máy 9000Btu/h, 12000Btu/h hay 18000 Btu/h nghĩa là năng suất lạnh của máy với điều kiện nhiệt độ bên ngoài 35°C và nhiệt độ trong phòng là 24°C Khi nhiệt độ trong phòng hoặc nhiệt độ môi trường thay đổi, năng suất lạnh của máy cũng thay đổi theo. Khi nhiệt độ môi trường tăng thì năng suất lạnh của máy giảm và ngược lại. Còn nhiệt độ trong phòng tăng lên, năng suất lạnh của máy sẽ tăng và  ngược lại.

Trong thực tế, nhiệt độ môi trường trong năm, trong tháng trong ngày thay đổi liên tục. Mùa hè có nhiệt độ rất cao, mùa xuân, mùa thu có nhiệt độ vừa phải. Bản thân trong một ngày nhiệt độ buổi sáng, trưa, chiều, tối cũng khác nhau. Như vậy, chỉ xét theo điều kiện môi trường, năng suất lạnh của máy điều hòa cũng thay đổi trong từng giờ, từng ngày và trong các mùa khác nhau. Còn nhiệt độ trong phòng theo điều kiện tiện nghi cho con người. Thông thường cần phải duy trì trong khoảng từ 22°C-26°C và càng ổn định càng tốt. Như vậy, năng suất lạnh của máy điều hòa phải thay đổi để đáp ứng nhu cầu làm lạnh khi nhiệt độ môi trường luôn luôn thay đổi.

Do đó, trong những năm gần đây để tiết kiệm năng lượng cho máy điều hòa nhiệt độ người ta sử dụng công nghệ biến tần (inverter).

Ta biết rằng tốc độ quay của động cơ điện phụ thuộc vào tần số dòng điện. Bình thường tần số dòng điện là 50Hz. Như vậy tốc độ động cơ khi thay đổi đôi cực chỉ có thể thay đổi một cách bậc thang, ví dụ 1450 vòng/phút hoặc 2900 vòng / phút…..Khi động cơ đã có sẵn, số vòng quay của nó không thay đổi.

Khi tần số dòng điện thay đổi thì tốc độ động cơ cũng thay đổi theo và nếu tần số thay đổi một cách từ từ thì tốc độ động cơ cũng thay đổi một cách mềm. Lưu lượng môi chất (ga) đi qua dàn nóng và dàn lạnh phụ thuộc vào tốc độ của động cơ. Khi lưu lượng môi chất thay đổi thì năng suất lạnh cũng thay đổi theo, lưu lượng càng lớn thì năng suất càng lớn và ngược lại. Như vậy, sử dụng động cơ biến tần, người ta có thể điều chỉnh được năng suất lạnh của máy một cách từ từ, không nhảy cấp. Sử dụng động cơ biến tần ngoài việc có thể điều chỉnh năng suất lạnh một cách tùy ý, giữ nhiệt độ trong phòng ổn định mà có một ưu điểm rất cơ bản là tiết kiệm năng lượng khi sử dụng máy điều hòa. Tiết kiệm năng lượng nó thể hiện trong các vấn đề sau:

- Công suất điện tiêu hao cho động cơ thay đổi theo nhu cầu sử dụng lạnh nghĩa là khi lạnh cần nhiều thì điện tiêu tốn nhiều nhưng khi lạnh cần ít thì điện năng tiêu hao cũng giảm theo

- Động cơ không phải khởi động và dừng liên tục, do đó không tiêu hao điện khi khởi động

-Tuổi thọ của máy cũng được nâng cao

2. Nguyên lý làm việc

Nguyên lý của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Biến tần được phân họ dựa trên nguyên lý chuyển đổi công suất điện vào với tần số lưới thành công suất điện ra với tần số phù hợp theo yêu cầu cấp cho tải. Ta có hai họ biến tần sau :

- Biến tần gián tiếp: Điện lưới xoay chiều được chuyển thành điện một chiều qua phần chỉnh lưu trên thanh cái một chiều sau đó điện một chiều này lại được chuyển thành điện xoay chiều cấp cho tải qua nghịch lưu.

- Biến tần trực tiếp: Điện lưới xoay chiều được trực tiếp biến đổi thành điện xoay chiều tần số khác để cấp cho tải (không cần qua khâu trung gian là điện một chiều).

2.1. Biến tần gián tiếp

Biến tần gián tiếp gồm các loại sau:

- Biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung (VS-PWM-I): Điện áp trên thanh cái một chiều là không đổi, điện áp xoay chiều đầu ra được thay đổi bằng cách thay đổi thời gian đóng/ cắt các khóa chuyển mạch ở bộ nghịch lưu.

- Biến tần nguồn áp điều chế biên độ (CS-PWM-I): Thời gian đóng cắt của các khóa chuyển mạch của bộ nghịch lưu là không đổi, điện áp xoay chiều đầu ra được thay đổi bằng cách thay đổi điện áp trên thanh cái một chiều thông qua việc thay đổi thời gian đóng cắt của các khóa chuyển mạch trong phần chỉnh lưu.

Các khóa bán dẫn trong phần nghịch lưu được nối với một nguồn dòng. Nguồn dòng này được thực hiện qua mạch vòng điều khiển dòng và các cuộn cảm mắc nối tiếp với thanh cái điện áp một chiều. Do dòng cấp cho tải là không đổi nên điện áp đầu ra của biến tần không phụ thuộc vào biến tần mà phụ thuộc vào tải.

2.2. Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp gồm hai loại sau:

a) Biến tần Cyclo: Dùng các bộ chuyển mạch hai chiều được làm từ các thyristor điều khiển đóng mở theo góc pha và hoán đổi giữa các pha của nguồn để tạo ra điện áp xoay chiều tần số thấp cấp cho mỗi pha của tải.

b) Biến tần ma trận: Dùng các chuyển mạch hai chiều tần số đóng cắt cao bằng IGBT để tạo nên ma trận chuyển mạch giữa ba pha vào của nguồn vào ba pha ra cấp cho tải. Tần số và điện áp ra cấp cho tải được điều khiển qua trạng thái đóng cắt của các khóa chuyển mạch trong ma trận chuyển mạch.

Bảng 1 và hình dưới đây chỉ rõ mối qua hệ giữa tần số dòng điện f, số vòng quay của động cơ n và năng suất lạnh Q₀ của máy  điều hòa.

Bảng 1. Mối quan hệ giữa f, n, Q₀

Nhìn vào bảng và đồ thị trên, ta có thể thấy rõ năng suất lạnh của máy thay đổi rất nhiều khi tần số dòng điện thay đổi.