Bộ Nguồn Cấp Điện Liên Tục (UPS)

Đây là trường hợp của các ứng dụng như trung tâm máy tính, tổng đài điện thoại và rất nhiều các quá trình công nghiệp như các hệ thống điều khiển hoặc giám sát.
Các ứng dụng này đòi hỏi đảm bảo nguồn cấp điện phải đồng thời tiên tục và chất lượng.
Giải pháp dùng bộ lưu điện
Giải pháp cấp điện cho các ứng dụng nhạy với nhiễu nguồn là sử dụng một mạch giao tiếp công suất giữa nguồn lưới và tải nhạy nhiễu, cung cấp điện áp có tính chất:
Không bị ảnh hưởng bởi tất cả các nhiễu trên nguồn lưới và đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng nguồn của tải.
Liên tục ngay cả khi nguồn lưới mất điện, trong một giới hạn cho phép.
Các bộ lưu điện (Uninterruptible Power Supplies – UPS) đáp ứng các yêu cầu về tính liên tục và chất lượng nguồn qua việc:
Cung cấp cho tải với điện áp thoả các yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng, bằng cách sử dụng bộ nghịch lưu (inverter)
Cung cấp nguồn dự phòng độc lập, bằng cách sử dụng ắc quy
Thời gian chuyển mạch để thay thế nguồn lưới hầu như không có, nghĩa là nguồn cung cấp cho tải không hề bị gián đoạn, bằng cách sử dụng các khóa bán dẫn công suất.
Những đặc tính này khiến bộ lưu điện trở thành nguồn cung cấp lý tưởng cho các tải nhạy với nhiễu nguồn, vì chúng bảo đảm chất lượng và tính liên tục của nguồn cáp. bất chấp trạng thái của lưới điện.
Một bộ lưu điện bao gồm các thành phần chính sau:

Bộ chỉnh lưu/nạp điện dùng để tạo ra nguồn DC nạp điện cho ắc quy và cung cấp cho bộ nghịch lưu
Bộ nghịch lưu dùng để cung cấp nguồn điện chất lượng cao, nghĩa là:
Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ nguồn lưới, đặc biệt là các sự cố mất điện thoáng qua
Có độ ổn định tương hợp với các yêu cầu về chất lượng nguồn của tải nhạy nhiễu (ví dụ với bộ Galaxy, độ ổn định biên độ điện áp là ± 0.5% và tần số là ± 1%, so với độ n định ± 10% về điện áp và ± 5% về tần số của nguồn lưới, tương ứng với việc cải thiện chất lượng 20 lần về điện áp và 5 lần về tần số)
Bộ ắc quy, cung cấp đủ thời gian chạy nguồn dự phòng cần thiết (8 phút đến 1 giờ hoặc hơn nữa) nhằm đảm bảo an toàn về người và tài sản theo yêu cầu
Bộ khóa chuyển mạch bằng bán dẫn, để chuyển nguồn cung cấp cho tải từ nguồn lưới sang nguồn dự phòng hoặc ngược lại mà không có bất cứ sự gián đoạn nào.

Các loại bộ UPS bán dẫn
Sự phân loại các bộ lưu điện bán dẫn dựa trên tiêu chuẩn IEC 62040.
Theo tiêu chuẩn này, có ba cấu hình làm việc:
Dự phòng thụ động (còn gọi là ngoại tuyến)
Tương tác với lưới
Biến đổi kép (còn gọi là trực tuyến)
Những cấu hình làm việc như trên liên quan đến việc vận hành chuyển đổi giữa bộ lưu điện và nguồn cấp (kể cả mạng phân phối phía trên bộ UPS).
Tiêu chuẩn IEC 62040 định nghĩa các thuật ngữ sau:
Nguồn sơ cấp: nguồn điện khả dụng liên tục thường được cung cấp bởi công ty điện lực, nhưng đôi khi cũng có thể là nguồn máy phát của người sử dụng.
Nguồn dự phòng: nguồn để thay thế cho nguồn sơ cấp trong trường hợp nguồn sơ cp gặp sự cố.
Nguồn nhánh rẽ: nguồn cung cấp qua nhánh nối vòng
Trong thực tế, bộ UPS được trang bị 2 ngõ vào AC, được gọi là ngõ vào AC thường trực và ngõ vào AC nhánh rẽ trong tài liệu này.
Ngõ vào AC thường trực, ký hiệu trên hình là nguồn vào 1, được cung cấp từ nguồn sơ cấp, nghĩa là được nối bằng cáp tới lộ cấp điện từ nguồn lưới hay hệ thống phân phối điện tư nhân.
Ngõ vào AC nhánh rẽ, ký hiệu trên hình là nguồn vào 2, thường được cấp điện từ nguồn dự phòng, nghĩa là được nối bằng cáp tới một lộ cấp điện từ nguồn dự trữ khác (ví dụ từ nguồn máy phát hay nguồn UPS khác, v.v…)
Khi không có nguồn dự phòng, ngõ vào AC nhánh rẽ được cung cấp từ nguồn sơ cấp (đường cáp thứ hai song song với đường cáp nối tới ngữ vào AC thường trực).
Ngõ vào AC nhánh rẽ được dùng để cung cấp cho nhánh rẽ của bộ UPS, nếu nhánh này hiện hữu. Khi đ
ó, nhánh rẽ được cung cấp từ nguồn sơ cấp hoặc nguồn dự phòng (nếu có nguồn dự phòng).

  • Bộ nguồn liên tục hoạt động theo cấu hình dự phòng thụ động
    Nguyên lý hoạt động

Bộ nghịch lưu được nối song song với ngõ vào AC và ở trong trạng thái dự phòng (xem H. N16).

Chế độ bình thường
Tải được nối với nguồn lưới qua một bộ lọc để hạn chế nhiễu và ồn định điện áp ở mức độ nào đó (theo tiêu chuẩn “các thiết bị phụ trợ… nhằm điều hoà công suất”). Bộ nghịch lưu làm việc trong chế độ dự phòng thụ động.
Chế độ cấp điện dự phòng từ ắc quy
Khi nguồn vào AC thay đổi ngoài mức cho phép của bộ UPS hoặc khi mất nguồn lưới, bộ nghịch lưu và ắc quy được đóng vào nhằm đảm bảo liên tục cấp điện cho tải với thời gian chuyển nguồn rất ngắn (<10 ms).
Bộ UPS tiếp tục làm việc với công suất cung cấp láy từ bộ ắc quy cho đến cuối thời gian lưu điện của ắc quy, hoặc nguồn lưới trở lại bình thường sẽ kích hoạt việc chuyển nguồn cáp cho tải trở lại ngõ vào AC (chế độ bình thường).
Sử dụng
Cấu hình này thực tế là sự thoả hiệp giữa giá thành và việc bảo vệ tải tránh các nhiễu nguồn đến một mức độ chấp nhận được nào đ
ó. Biện pháp này chỉ sử dụng trong trường hợp công suất thấp (< 2 kVA).
Hệ thống này không có công tắc bán dẫn để đóng cắt nguồn, do đó cần một khoảng thời gian nhất định để có thể chuyển nguồn cáp cho tải từ nguồn lưới sang bộ nghịch lưu. Thời gian chuyển này có thể chấp nhận được với một số ứng dụng cá nhân, nhưng không thích hợp đòi với yêu cầu đáp ứng trong ứng dụng là hệ thống phức tạp và nhạy nhiễu (trung tâm máy tính lớn, tổng đài điện thoại, v.v…).
Thêm vào đó, tần số không được ổn định và hệ thống không có nhánh nối vòng.
Lưu ý: Trong chế độ bình thường, công suất cung cấp cho tải không đi qua bộ nghịch lưu, điều này giải thích tại sao chế độ hoạt động này đôi khi còn gọi là chế độ “ngoại tuyến”. Thuật ngữ này đôi khi dẫn tới hiểu lm, vỉ có thể được hiểu là “không cung cấp từ nguồn lưới”, trong khi tải thực tế được nối với nguồn lưới trong chế độ hoạt động bình thường. Đó là lý do tại sao tiêu chuẩn IEC 62040 đề nghị sử dụng thuật ngữ “dự phòng thụ động”.

  • Bộ UPS làm việc với cấu hình tương tác với lưới
    Nguyên lý hoạt động
    Trong cấu hình này bộ nghịch lưu nối song song với ngõ vào AC và ở chế độ dự phòng, nhưng cũng đồng thời nạp điện cho bộ ắc quy. Như vậy, bộ nghịch lưu tương tác với nguồn lưới (chuyển đổi AC/DC) (xem H. N17).

Chế độ bình thường
Tải được cung cấp với nguồn được ổn định bằng cách đấu song song ngõ vào AC với bộ nghịch lưu. Bộ nghịch lưu hoạt động để ổn định điện áp cung cấp cho tải và/hoặc nạp điện cho ắc quy. Tần số ngõ ra bộ nghịch lưu phụ thuộc tần số của ngõ vào AC
Chế độ cấp điện dự phòng từ ắc quy
Khi điện áp ngõ vào AC ở ngoài giới hạn cho phép của bộ lưu điện hoặc nguồn vào AC mất, bộ nghịch lưu và ắc quy dự phòng sẽ đóng vào để đảm bảo cấp nguồn liên tục cho tải. Việc chuyển nguồn không xảy ra gián đoạn nguồn cấp nhờ việc sử dụng contact b
án dẫn cắt nguồn lưới ra khỏi tải để ngăn không cho công suất cung cấp từ bộ lưu điện không chảy ngược về phía nguồn lưới.
Bộ UPS tiếp tục hoạt động cho đến khi hết thời gian lưu điện của ắc quy hoặc khi nguồn lưới trở lại bình thường, sẽ kích hoạt việc chuyển tải trở lại cung cấp từ nguồn lưới (chế độ bình thường).
Chế độ nối vòng
Bộ UPS hoạt động trong cấu hình này có thể trang bị thêm nhánh nối vòng. Nếu một trong các chức năng của bộ UPS có sự cố, tải sẽ được chuyển sang cung cấp bằng ngõ vào AC nhánh nối vòng (ngõ này cung cấp từ nguồn lưới hoặc nguồn dự phòng, tùy cấu hình lắp đặt).

Sử dụng
Cấu hình này không hoàn toàn thích hợp để ổn định nguồn cấp cho các cho các tải nhạy nhiễu có công suất trung bình và lớn vì việc ổn định tần số là không thể thực hiện được. Vì vậy nó thường chỉ được dùng cho các tải có công suất nhỏ.

  • Bộ UPS với cấu hình biến đổi kép
    Nguyên lý hoạt động
    Bộ nghịch lưu giữa ngõ vào AC và tải.
    Chế độ bình thường
    Trong chế độ bình thường, dòng cung cấp cho tải đi qua bộ chính lưu và bộ nghịch lưu của bộ UPS, thực hiện biến đổi kép (AC-DC-AC), và tên gọi cấu hình cũng xuất phát từ đây.
    Chế độ cấp điện dự phòng từ ắc quy
    Khi điện áp ngõ vào AC biến đổi ngoài phạm vì cho phép của bộ UPS, hoặc nguồn lưới có sự cố, bộ nghịch lưu sử dụng công suất cung cấp từ nguồn ắc quy để đảm bảo cấp
    điện liên tục cho tải. Bộ lưu điện tiếp tục làm việc cho đến khi hết thời gian lưu điện của ắc quy, hoặc khi nguồn lưới trở lại bình thường, kích hoạt việc chuyển công suất cung cấp cho tải lúc này sang phía nguồn lưới (chế độ bình thường).
    Chế độ rẽ nhánh
    Bộ UPS hoạt động trong cấu hình này thường có trang bị công tắc bán dẫn nối vòng (xem
    Hình N18)


Tải có thể được chuyển sang cung cấp bằng nguồn nhánh rẽ (cung cấp từ nguồn lưới hoặc nguồn dự phòng, tùy theo cách lắp đặt) trong những trường hợp sau đây
Bộ UPS hư hỏng
Dòng tải tăng vọt (dòng khởi động thiết bị hoặc dòng sự cố)
Tải đạt công suất đỉnh
Tuy nhiên, sự hiện diện của nhánh rẽ có nghĩa là tần số ngõ vào và ngõ ra của nhánh rẽ là như nhau, và nếu mức điện áp ngõ vào và ngõ ra nhánh rẽ khác nhau, cần lắp thêm biến áp trên nhánh rẽ
.
Với một số loại tải, tần số của bộ lưu điện phải đồng bộ với tần số nguồn ở ngõ vào nhánh rẽ để đảm bảo việc cấp điện liên tục cho tải. Hơn nữa, khi bộ lưu điện hoạt động trong chế độ rẽ nhánh, nhiễu phía nguồn AC ngõ vào có thể ảnh hưởng trực tiếp lên tải vì bộ nghịch lưu lúc này không hoạt động.
Lưu ý: Một nhánh rẽ khác, thường gọi là nhánh rẽ để bảo trì, sử dụng khi bảo dưỡng hệ thống. Nhánh này thường được đóng cắt bằng tay.
Sử dụng
Trong cấu hình này, thời gian cần thiết để chuyển mạch tải sang phía bộ nghịch lưu là không đáng kể do cấu hình sử dụng các khoá bán dẫn.
Ngoài ra, điện áp và tần số ngõ ra không phụ thuộc vào điều kiện của điện áp ngõ vào, nghĩa là bộ UPS khi thiết kế cho mục đích này có thể hoạt động với tần số của bộ biến đổi.
Trong thực tế, đây là cấu hình chính được sử dụng cho công suất trung bình và cao (từ 10kVA trở lên). Phần còn lại của chương này sẽ chỉ khảo sát cấu hình vừa đề cập.
Lưu ý: cấu hình bộ lưu điện kiểu này thường được gọi là cấu hình “trực tuyến”, có nghĩa là tải liên tục được cung cấp từ bộ nghịch lưu, bất kể điều kiện của nguồn AC ngõ vào. Thuật ngữ này có thể gây ra hiểu lầm là tải được “cung cấp trực tiếp từ lướỉ” trong khi thực chất tải được cung cấp công suất từ hệ thống chỉnh lưu / nghịch lưu của bộ UPS.

Đó là lý do tiêu chuẩn IEC 62040 đề nghị thuật ngữ “biến đổi kép “.

Bản đồ chỉ đường:

Language »