UPS là gì và hoạt động như thế nào?

MỘT SỐ LƯU Ý: Một nguồn điện liên tục (UPS) là một thiết bị điện cung cấp nguồn điện dự phòng cho các tải quan trọng khi nguồn điện lưới bị mất. Hướng dẫn này giải thích cách thức hoạt động của một Hệ thống UPS giải thích cách thức hoạt động, so sánh các kiến trúc dự phòng, tương tác theo dòng và trực tuyến, đồng thời giúp các kỹ sư lựa chọn giải pháp phù hợp nguồn điện liên tục dành cho các trung tâm dữ liệu, lĩnh vực y tế và tự động hóa công nghiệp. Dù bạn cần các giải pháp cơ bản Hệ thống bảo vệ nguồn điện UPS dành cho thiết bị văn phòng hoặc một chiếc máy bền bỉ Hệ thống UPS công nghiệp Đối với các nhà máy sản xuất, việc nắm vững cấu trúc mạng, thời lượng hoạt động của pin và các tiêu chuẩn IEC 62040 sẽ đảm bảo không có thời gian ngừng hoạt động và độ tin cậy lâu dài.

Ⅰ. Nguồn điện liên tục (UPS) là gì?

Bộ lưu điện (UPS) là một thiết bị điện. Thiết bị này được lắp đặt giữa mạng lưới điện công cộng và các thiết bị quan trọng của bạn. Thiết bị này chứa các ắc-quy. Ngoài ra, nó còn chứa các mạch điện tử công suất. Khi mạng lưới điện bị mất điện, thiết bị này sẽ ngay lập tức cung cấp điện cho tải của bạn.

Thiết bị này không chỉ có chức năng bù đắp sự cố mất điện mà còn có khả năng ổn định nguồn điện, lọc sóng hài, điều chỉnh điện áp và triệt tiêu các dao động đột ngột. Chính nhờ chức năng kép này mà bộ lưu điện (UPS) trở thành thiết bị không thể thiếu. Hệ thống bảo vệ nguồn điện UPS giúp ngăn ngừa tổn thất tài chính. Đồng thời, nó cũng giúp ngăn ngừa các rủi ro về an toàn.

Tiêu chuẩn IEC 62040-3 quy định các yêu cầu đối với hệ thống UPS. Tiêu chuẩn này bao gồm các khía cạnh về an toàn, tương thích điện từ (EMC) và hiệu suất. Việc tuân thủ tiêu chuẩn này đảm bảo thiết bị của bạn đáp ứng các tiêu chí nghiêm ngặt. Các tiêu chí này bao gồm khả năng điều chỉnh điện áp và thời gian chuyển mạch.

Ⅱ. Hệ thống UPS hoạt động như thế nào?

A Hệ thống UPS sử dụng bốn khối chính. Đó là bộ chỉnh lưu, ắc-quy, bộ biến tần và công tắc chuyển mạch.

Trong điều kiện hoạt động bình thường, bộ chỉnh lưu chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Đường dây DC này sạc cho ắc-quy và đồng thời cấp nguồn cho bộ biến tần. Bộ biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) trở lại thành dòng điện xoay chiều (AC), tạo ra sóng sin thuần túy. Độ méo hài tổng (THD) duy trì ở mức dưới 3%.

Khi nguồn điện lưới bị ngắt, bộ chỉnh lưu sẽ ngừng hoạt động. Ắc-quy xả điện vào thanh cái DC. Bộ biến tần tiếp tục cung cấp điện. Trong chế độ trực tuyến, quá trình chuyển đổi này diễn ra tức thì. Bộ biến tần luôn là đường dẫn hoạt động.

Công tắc chuyển mạch tĩnh (static bypass switch) cung cấp một đường dẫn dự phòng an toàn. Nếu bộ biến tần gặp sự cố, công tắc này sẽ chuyển tải sang nguồn điện lưới. Quá trình này diễn ra trong vòng 4–8 mili giây. Thiết bị của bạn vẫn tiếp tục hoạt động.

Các thiết kế hiện đại áp dụng công nghệ sạc thông minh. Chúng tích hợp chức năng bù nhiệt độ. Ngoài ra, chúng còn thực hiện các bài kiểm tra pin tự động. Những tính năng này giúp kéo dài tuổi thọ của pin VRLA. Pin VRLA thường có tuổi thọ từ 3–5 năm. Các loại pin lithium-ion có thể đạt tuổi thọ từ 8–15 năm.

Ⅲ. Các loại hệ thống UPS

Các kỹ sư phân loại các thiết bị UPS thành ba cấu trúc. Mỗi cấu trúc mang lại sự cân bằng khác nhau giữa khả năng bảo vệ và chi phí.

1. Bộ lưu điện dự phòng (ngoại tuyến)

Ở chế độ chờ, tải nhận điện trực tiếp từ lưới điện. Biến tần ở trạng thái không hoạt động. Pin được sạc duy trì.

Khi mất điện, rơle sẽ chuyển đổi tải. Bộ biến tần sẽ kích hoạt trong vòng 2–10 mili giây. Thời gian trễ này là chấp nhận được đối với các văn phòng tại nhà. Tuy nhiên, nó không phù hợp với các thiết bị nhạy cảm.

Các thiết bị dự phòng có thiết kế nhỏ gọn. Chúng hoạt động hiệu quả. Hiệu suất của chúng thường đạt mức 95–98%. Ngoài ra, chúng còn có giá thành thấp hơn. Tuy nhiên, chúng không có chức năng điều chỉnh điện áp. Khả năng lọc của chúng cũng rất hạn chế.

2. Bộ lưu điện tương tác theo dòng

Một thiết bị tương tác theo dòng được trang bị bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR). Thiết bị này sử dụng một máy biến áp có các điểm lấy dòng. Bộ AVR có chức năng điều chỉnh tình trạng điện áp thấp và điện áp cao. Quá trình này diễn ra mà không cần sử dụng pin.

Khi lưới điện bị mất hoàn toàn, bộ biến tần sẽ đảm nhận tải. Quá trình chuyển đổi diễn ra trong vòng 2–4 mili giây. Cấu trúc này đạt được sự cân bằng giữa khả năng bảo vệ và hiệu suất. Hiệu suất dao động trong khoảng từ 90–96%.

Các thiết bị này phù hợp với máy chủ của các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMB). Chúng cũng hoạt động hiệu quả trong các phòng thiết bị mạng. Tuy nhiên, chúng không thể cách ly tải. Chúng không điều chỉnh sự lệch tần số. Ngoài ra, chúng cũng không lọc được nhiễu mạnh.

3. Bộ lưu điện chuyển đổi kép trực tuyến

MỘT UPS trực tuyến được coi là tiêu chuẩn vàng. Bộ chỉnh lưu và bộ biến tần hoạt động liên tục. Tải luôn nhận điện từ bộ biến tần. Tải không bao giờ tiếp xúc trực tiếp với nguồn điện lưới thô.

Dòng điện xoay chiều (AC) đầu vào được chuyển đổi thành dòng điện một chiều (DC). Ắc-quy được duy trì ở chế độ sạc nổi trên đường dây DC. Bộ biến tần tái tạo dòng điện xoay chiều (AC) sạch. Kiến trúc này mang lại ba ưu điểm chính:

• Không mất thời gian chuyển đổi
• Cách ly hoàn toàn khỏi các sự cố trên lưới điện
• Điều chỉnh điện áp chính xác trong phạm vi ±1–2%

Sự cân bằng nằm ở hiệu suất và chi phí. Các thiết kế truyền thống đạt hiệu suất 80–90%. Các thiết bị IGBT hiện đại không sử dụng biến áp đạt hiệu suất 96–99% ở chế độ tiết kiệm năng lượng. Một UPS trực tuyến chi phí ban đầu cao hơn. Tuy nhiên, tổng chi phí sở hữu lại nghiêng về phía cấu trúc mạng trực tuyến. Điều này đặc biệt đúng khi chi phí do thời gian ngừng hoạt động gây ra là rất cao.

Ⅳ. Những lợi ích chính của hệ thống bảo vệ nguồn UPS

Hệ thống UPS mang lại những lợi ích có thể đo lường được. Hệ thống bảo vệ nguồn điện UPS không chỉ đơn thuần là kết nối tạm thời khi mất điện.

Kế hoạch duy trì hoạt động kinh doanh Một sự cố mất điện kéo dài 20 mili giây có thể làm hỏng cơ sở dữ liệu. Nó có thể khiến các máy ảo bị treo. Bộ lưu điện (UPS) cung cấp thời gian dự phòng. Điều này cho phép tắt máy một cách trơn tru. Nó cũng giúp bù đắp khoảng thời gian cho đến khi máy phát điện khởi động.

Tuổi thọ phần cứng Sự sụt áp gây áp lực lên các bộ nguồn. Hiện tượng này cũng làm hỏng các tụ điện. Thiết bị này giúp ổn định dạng sóng. Điều này giúp giảm hiện tượng thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại. Tuổi thọ của thiết bị được kéo dài thêm 15–30%.

Tuân thủ các quy định về an toàn Các bệnh viện phải bảo trì thiết bị hỗ trợ sự sống. Tiêu chuẩn IEC 60601-1 và NFPA 99 quy định phải đảm bảo nguồn điện liên tục. Hệ thống chuyển đổi kép trực tuyến đáp ứng các quy định này. Một Hệ thống UPS công nghiệp cũng cung cấp tài liệu kiểm toán.

Khả năng quan sát hoạt động Các nền tảng hiện đại sử dụng SNMP và Modbus. Chúng truyền dữ liệu vào phần mềm BMS hoặc DCIM. Phân tích dự báo giúp chuyển đổi công tác bảo trì từ phản ứng sang chủ động. Nhờ đó, bạn có thể tránh được các sự cố bất ngờ.

Ⅴ. Ứng dụng trong công nghiệp

Trung tâm dữ liệu Các cơ sở hạ tầng quy mô siêu lớn sử dụng kiến trúc UPS mô-đun. Một đơn vị mô-đun cho phép dự phòng theo tỷ lệ N+1 hoặc 2N. Điều này giúp đạt được mức thời gian hoạt động theo tiêu chuẩn Tier III/IV. Thị trường trung tâm dữ liệu toàn cầu sẽ đạt $10,43 tỷ vào năm 2028.

Tự động hóa công nghiệp Các tủ PLC và máy CNC đòi hỏi nguồn điện sạch. Chúng cần độ méo hài tổng (THD) dưới 3%. Một hệ thống dựa trên biến áp Hệ thống UPS công nghiệp đảm bảo tính cách ly. Thiết bị này còn có khả năng chịu quá tải 150% trong 60 giây. Dải điện áp đầu vào rộng giúp xử lý các nhiễu loạn trong nhà máy.

Chăm sóc sức khỏe Các hệ thống MRI và CT không thể chấp nhận sự chậm trễ. Ngay cả 4 mili giây cũng có thể gây ra hiện tượng nhiễu hình. UPS trực tuyến Các thiết bị được trang bị biến áp cách ly đảm bảo nguồn điện sạch. Thời lượng hoạt động của pin từ 30 đến 120 phút cho phép tắt máy một cách có trật tự.

Viễn thông Các trạm gốc và hệ thống tín hiệu đường sắt cần có chỉ số MTBF cao. Chúng phải đạt mức trên 100.000 giờ. Ngoài trời Hệ thống bảo vệ nguồn điện UPS Các tủ này sử dụng vỏ bảo vệ đạt tiêu chuẩn IP55. Chúng cũng sử dụng pin có dải nhiệt độ hoạt động rộng.

Ⅵ. Cách lựa chọn hệ thống UPS phù hợp

Hãy làm theo danh sách kiểm tra của kỹ sư này.

Bước 1: Tính toán tải trọng thực tế Cộng tổng công suất (watt) của tất cả các thiết bị. Áp dụng hệ số quy đổi từ 1,2 đến 1,5 lần. Lưu ý phải điều chỉnh giảm công suất VA theo hệ số công suất. Các tải IT thường có hệ số công suất từ 0,8 đến 0,9. Các tải động cơ có hệ số công suất từ 0,6 đến 0,7.

Bước 2: Xác định các yêu cầu về thời gian chạy Xác định mục tiêu sao lưu của bạn. Bạn có cần khả năng duy trì hoạt động trong thời gian chờ (ride-through) không? Tính năng này đảm bảo thời gian khởi động máy phát điện từ 5–15 phút. Bạn có cần đảm bảo tính liên tục trong hoạt động không? Tính năng này đảm bảo thời gian hoạt động từ 1–4 giờ. Hay bạn chỉ cần tính năng tắt máy một cách trơn tru?

Bước 3: Phù hợp cấu trúc mạng với mức độ quan trọng

• Dùng tại nhà hoặc văn phòng nhỏ (SOHO): Chế độ chờ hoặc chế độ tương tác trực tiếp
• Máy chủ SMB: Chế độ tương tác theo dòng với AVR
• Trung tâm dữ liệu hay lĩnh vực y tế: UPS trực tuyến chuyển đổi kép
• Môi trường khắc nghiệt: Dựa trên mô hình Transformer Hệ thống UPS công nghiệp với lớp phủ bảo vệ

Bước 4: Kiểm tra các tiêu chuẩn Đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn IEC 62040-1, IEC 62040-2 và IEC 62040-3. Đối với khu vực Bắc Mỹ, hãy áp dụng tiêu chuẩn UL 1778. Các dự án hàng hải có thể cần chứng nhận của ABS hoặc DNV.

Bước 5: Đánh giá tổng chi phí sở hữu (TCO) Cần tính đến tổn thất hiệu suất. Cần tính đến chi phí thay pin và hệ thống làm mát. Công nghệ chuyển đổi kép lithium-ion có chi phí ban đầu cao hơn 40%. Tuy nhiên, tuổi thọ pin 10 năm và kích thước nhỏ gọn của nó thường giúp giảm tổng chi phí sở hữu (TCO). Lựa chọn phù hợp Hệ thống UPS cân bằng giữa chi phí và mức độ bảo vệ.

Giải pháp BKPOWER

BKPOWER sản xuất các thiết bị có công suất từ 1 kVA đến 1.500 kVA. Các thiết bị của chúng tôi tuân thủ các tiêu chuẩn IEC 62040 và CE/ROHS. Chúng tôi cung cấp dịch vụ cho các trung tâm dữ liệu, ngành đường sắt và các nhà máy dược phẩm.

Của chúng tôi UPS trực tuyến Thiết bị tháp chuyển đổi kép cung cấp đầu ra sóng sin thuần túy. Thiết bị này có khả năng điều chỉnh điện áp ±1%. Hệ thống dự phòng song song N+X hỗ trợ tối đa 6 thiết bị. Nhờ hệ thống điều khiển DSP và logic tương thích với máy phát điện, thiết bị này là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng quan trọng.

Khám phá toàn bộ Hệ thống UPS phạm vi. Xem Bộ lưu điện công nghiệp thông số kỹ thuật dành cho các ứng dụng đòi hỏi công suất cao.

Nguồn tham khảo

1. Loạt tiêu chuẩn IEC 62040 — Các tiêu chuẩn của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) về an toàn, tương thích điện từ (EMC) và thử nghiệm hiệu suất của bộ lưu điện (UPS)
   https://webstore.iec.ch/publication/66912
2. IEEE 446 — Hướng dẫn thực hành về hệ thống điện khẩn cấp và dự phòng cho các ứng dụng công nghiệp và thương mại
   https://standards.ieee.org/standard/446-1995.html
3. Tiêu chuẩn NFPA 110 — Tiêu chuẩn về hệ thống điện khẩn cấp và dự phòng (Hiệp hội Phòng cháy Chữa cháy Quốc gia)
   https://www.nfpa.org/codes-and-standards/all-codes-and-standards/list-of-codes-and-standards/detail?code=110
4. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ — Hướng dẫn về chất lượng và độ tin cậy nguồn điện dành cho các cơ sở quan trọng
   https://www.energy.gov/eere/femp/power-quality-and-reliability
5. Tài liệu chính thức về sản phẩm BKPOWER — Thông số kỹ thuật của bộ lưu điện tần số công nghiệp
   https://bkpowers.com/products/ups-system/ifups/
6. Tài liệu chính thức về sản phẩm BKPOWER — Thông số kỹ thuật của hệ thống UPS mô-đun
   https://bkpowers.com/products/ups-system/mups/
7. Tài liệu chính thức về sản phẩm BKPOWER — Dòng sản phẩm hệ thống UPS đầy đủ
   https://bkpowers.com/products/ups-system/

Câu hỏi thường gặp