Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online: Sơ đồ Và Mạch

Bạn có biết một sự thật đáng sợ: Chỉ cần một tích tắc sụt áp, cả hệ thống dữ liệu tỷ đồng có thể “bốc hơi”? Nhiều kỹ sư vẫn lầm tưởng các loại UPS đều giống nhau, dẫn đến chọn sai thiết bị cho tải nhạy cảm (Critical Load). Hiểu sai về Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online không chỉ gây lãng phí mà còn tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ thiết bị do xung đột nguồn điện.

Đừng lo lắng. Thay vì lý thuyết khô khan, bài viết này của NETTEK sẽ cùng bạn “mổ xẻ” tường tận cấu trúc mạch bên trong. Chúng ta sẽ đi sâu vào dòng chảy năng lượng để thấy tại sao công nghệ này lại đắt tiền nhưng “đắt xắt ra miếng”.

Những điểm chính

• Sơ đồ 4 tầng: Lọc nhiễu EMI -> Chỉnh lưu PFC -> DC Bus -> Nghịch lưu PWM.
• DC Bus (+/- 400V): “Hồ chứa năng lượng” cách ly tuyệt đối điện lưới và tải.
• Công nghệ IGBT: Đóng cắt tần số 20kHz tạo sóng sin chuẩn từng milimet.
• Chuyển mạch 0ms: Bảo vệ tuyệt đối cho nguồn Server Active PFC.
• Case Study NETTEK: Xử lý lỗi tần số máy phát điện tại nhà máy Chip bán dẫn.

Phân tích Sơ đồ khối trong Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online

Hệ thống vận hành dựa trên chu trình khép kín 4 tầng: Lọc nhiễu, Chỉnh lưu (Rectifier), Thanh dẫn một chiều (DC Bus) và Nghịch lưu (Inverter). Để thực sự làm chủ thiết bị, hãy cùng mình đi theo hành trình của các electron qua từng khối chức năng này.

Khối lọc nhiễu đầu vào (Input EMI/RFI Filter)

Ngay cửa ngõ, dòng điện chưa được phép vào mạch chính. Nó phải đi qua “người gác cổng” là bộ lọc L-C.

• Nhiệm vụ: Loại bỏ xung sét (Surge) và nhiễu cao tần (RFI).
• Tại sao cần? Môi trường công nghiệp đầy rẫy nhiễu từ biến tần, máy hàn. Nếu không có khối này, linh kiện bán dẫn bên trong sẽ bị phá hủy tức thì.

Khối Chỉnh lưu & PFC (Rectifier & Power Factor Correction)

Đừng nhầm lẫn! Đây không phải là cầu Diode nắn dòng cổ điển. Trong Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online hiện đại, đây là mạch Boost Converter dùng IGBT.

• Chức năng kép: Vừa biến đổi AC thành DC, vừa sửa lỗi hệ số công suất (PFC).
• Hiệu quả: Nó cưỡng bức dòng điện đầu vào đồng pha với điện áp, đẩy hệ số công suất (PF) lên ~0.99. Nhờ vậy, UPS cực kỳ “thân thiện” với máy phát điện.

Vai trò sống còn của DC Bus (DC Link)

Đây là “trái tim” của hệ thống. DC Bus hoạt động như một hồ chứa năng lượng khổng lồ.

• Điện áp khủng: Điện áp tại đây luôn được duy trì phẳng lì ở mức +/- 360VDC đến +/- 400VDC.
• Bí mật tuổi thọ: Trong khi các dòng giá rẻ dùng tụ nhôm thường, NETTEK sử dụng tụ điện cấp công nghiệp (Industrial Grade) chịu dòng Ripple cao. Điều này quyết định độ bền của UPS.
• Cách ly: Dù điện lưới bên ngoài có méo mó, trồi sụt thế nào, thì khi vào đến DC Bus đều phẳng lặng. Inverter chỉ lấy điện từ đây nên tải hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi lưới điện.

Khối Nghịch lưu (Inverter)

Từ dòng DC phẳng, Inverter sẽ “băm” xung để tái tạo lại dòng AC sạch 100%.

• Khác biệt: Ở UPS Offline, Inverter chỉ chạy khi mất điện. Còn với Online, Inverter chạy liên tục 24/7 (Continuous Duty).
• Kết quả: Điện áp đầu ra luôn ổn định <1%, sạch nhiễu. Bạn có thể xem thêm sự khác biệt tổng quan tại bài viết [Bộ lưu điện UPS Online] của chúng tôi.

Bảng so sánh: Tại sao UPS Online vượt trội?

Để bạn dễ hình dung, hãy xem bảng so sánh mức độ “Stress” linh kiện và chất lượng điện năng:

Tiêu chí	UPS Offline / Line Interactive	UPS Online (Double Conversion)
Thời gian chuyển mạch	4ms – 10ms (Có độ trễ)	0ms (Tuyệt đối)
Dạng sóng đầu ra	Sin mô phỏng (Vuông/Bậc thang)	Sin chuẩn (Pure Sine Wave)
Ổn áp/Ổn tần	Thấp (Phụ thuộc lưới)	Tuyệt đối (Cách ly hoàn toàn)
DC Bus Voltage	Thấp (12V/24V/48V)	Cao (+/- 400VDC)
Ứng dụng	PC, Thiết bị văn phòng	Server, Y tế, Công nghiệp, Core Network

Vai trò của IGBT và PWM trong Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online

IGBT kết hợp với thuật toán PWM tần số 20kHz giúp tái tạo sóng sin chuẩn mịn như điện lưới, đảm bảo độ méo hài THD < 2%.

Tại sao điện áp đầu ra lại “mịn” như lụa? Đó là nghệ thuật của sự điều khiển.

Công nghệ điều chế độ rộng xung (PWM)

Vi xử lý DSP (Digital Signal Processor) không đóng ngắt kiểu “On/Off” thô thiển.

• Cơ chế: DSP so sánh sóng mang tam giác (Carrier Wave – 20kHz) với sóng sin mẫu. Giao điểm sẽ quyết định độ rộng xung.
• Kết quả: Chuỗi xung vuông biến thiên qua bộ lọc đầu ra sẽ thành sóng Pure Sine Wave hoàn hảo.

Sức mạnh của IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

NETTEK luôn ưu tiên IGBT thay vì MOSFET cho các dòng công suất lớn.

• Đặc tính: IGBT chịu được áp cao (của BJT) và đóng cắt cực nhanh (của MOSFET).
• Mạch dập xung (Snubber Circuit): Để bảo vệ IGBT khỏi các xung điện áp gai (Spike) khi đóng cắt tốc độ cao, các mạch Snubber R-C-D được tích hợp kỹ lưỡng. Đây là chi tiết nhỏ nhưng thể hiện đẳng cấp thiết kế.

Đồng bộ pha PLL (Phase Locked Loop)

Trong Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online, mạch PLL cực kỳ quan trọng. Nó giúp Inverter luôn “bám” theo pha của điện lưới Bypass. Khi cần chuyển mạch bảo trì, quá trình diễn ra êm ái, không một tia lửa điện.

Cơ chế Chuyển mạch tĩnh trong Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online

Sử dụng cặp SCR đấu song song ngược, Static Switch đảm bảo chuyển sang điện lưới Bypass trong <4ms khi Inverter gặp sự cố.

Câu hỏi là: “Nếu chính UPS bị hỏng thì sao?”. Đừng lo, cơ chế Bypass thông minh sẽ xử lý việc này.

Chuyển mạch khi mất điện lưới (Battery Mode)

1. Rectifier ngắt: Mất nguồn vào DC Bus.
2. Pin xả: Ắc quy (qua mạch DC/DC Booster) lập tức bơm điện vào DC Bus.
3. Inverter: Vẫn lấy điện từ DC Bus như bình thường.
4. Kết quả: Thời gian chuyển mạch là 0ms. Server không hề hay biết điện lưới đã mất. Đây là yếu tố sống còn cho các thiết bị chạy nguồn Active PFC, chi tiết xem tại [bộ lưu điện ups online cho server].

Chế độ Bypass tự động (Static Bypass)

Khi Inverter quá tải hoặc lỗi (Fault), vi xử lý kích hoạt SCR (Thyristor).

• Tốc độ: SCR dẫn điện gần như tức thời (<4ms), nhanh hơn rơ-le cơ khí gấp trăm lần.
• An toàn: Tải được chuyển sang lưới điện trơn tru, không bị gián đoạn nguồn cấp.

Ứng dụng Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online xử lý lỗi tần số

NETTEK đã áp dụng chế độ Frequency Converter để “cứu” một nhà máy bán dẫn khỏi cảnh dừng dây chuyền do máy phát điện trồi sụt.

Thách thức (Dự án thực tế)

Một nhà máy Chip tại Bắc Ninh dùng máy phát điện cũ. Bộ điều tốc (Governor) kém khiến tần số dao động mạnh 48Hz – 52Hz. UPS cũ (Line Interactive) liên tục nhảy “cạch cạch” qua lại giữa chế độ ắc quy và điện lưới, khiến ắc quy chai chỉ sau 6 tháng.

Giải pháp kỹ thuật

Kỹ sư NETTEK đã triển khai UPS Online 30kVA kích hoạt chế độ Frequency Converter (Biến tần).

• Cơ chế: Mạch Rectifier nắn toàn bộ điện áp đầu vào (bất kể tần số bao nhiêu) thành DC phẳng. Sau đó, Inverter tái tạo lại điện áp đầu ra chuẩn 50Hz ±0.1Hz.
• Lưu ý: Chế độ này sẽ ngắt đường Bypass để tránh xung đột pha.

Kết quả

Dây chuyền hoạt động êm ru bất chấp máy phát điện bên ngoài đang “rồ ga”. Đây là minh chứng rõ nhất cho sự ưu việt của Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online trong môi trường khắc nghiệt.

Câu hỏi thường gặp về Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online

Tại sao quạt của UPS Online kêu to hơn UPS thường?

Do mạch hoạt động liên tục (Double Conversion), nhiệt lượng tỏa ra từ IGBT và Rectifier rất lớn. Quạt phải quay tốc độ cao (>45dB) để giải nhiệt, đảm bảo linh kiện không bị già hóa nhiệt.

Điện áp DC Bus cao vậy có nguy hiểm không?

Có, điện áp +/- 400VDC rất nguy hiểm. Tuy nhiên, trong thiết kế của NETTEK, khu vực này được cách ly kỹ lưỡng (Galvanic Isolation) và có mạch xả tụ tự động khi tắt máy để đảm bảo an toàn cho kỹ thuật viên.

UPS Online có dùng làm biến tần cho động cơ được không?

Tuyệt đối không. Dù Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online có nét giống Biến tần (VFD), nhưng UPS là nguồn áp (Voltage Source), còn VFD điều khiển momen/tốc độ. Dùng sai sẽ làm nổ IGBT do dòng phản kháng (Back EMF) từ động cơ.

Kết luận

Tóm lại, Nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện UPS Online là đỉnh cao của kỹ thuật điện tử công suất, kết hợp giữa phần cứng IGBT mạnh mẽ và thuật toán điều khiển DSP tinh vi. Hiểu rõ sơ đồ khối và vai trò của DC Bus giúp bạn tự tin chọn đúng giải pháp, bảo vệ an toàn tuyệt đối cho các thiết bị y tế (tham khảo thêm tại [bộ lưu điện ups cho thiết bị y tế]) và hệ thống Server đắt tiền.

Đừng để sự thiếu hiểu biết kỹ thuật làm gián đoạn kinh doanh của bạn. Hãy liên hệ ngay với NETTEK qua số 0979.300.098 để được tư vấn giải pháp nguồn chuyên sâu nhất!