Bộ nguồn liên tục có tác dụng gì?

MỘT SỐ LƯU Ý: Bộ nguồn liên tục (UPS) bảo vệ các tải quan trọng khỏi tình trạng mất điện và nhiễu điện. Hệ thống UPS sử dụng năng lượng dự trữ, thiết bị điện tử công suất và các chức năng điều khiển để duy trì tính liên tục của tải. Bộ nguồn liên tục (UPS) cũng có thể cải thiện chất lượng điện năng, tùy thuộc vào cấu trúc mạng và cấu hình. A Hệ thống UPS có thể hỗ trợ tắt máy an toàn, duy trì hoạt động khi máy phát điện thay thế, điều chỉnh điện áp và đảm bảo độ tin cậy của cơ sở hạ tầng quan trọng.

Ⅰ. Bộ lưu điện (UPS) có chức năng gì?

1. Câu trả lời trực tiếp

Hệ thống UPS đảm bảo cung cấp điện cho các thiết bị điện quan trọng khi nguồn điện lưới bình thường bị gián đoạn hoặc không đáp ứng được yêu cầu.

Các chức năng chính của nó bao gồm:

• Cung cấp nguồn năng lượng dự phòng trong trường hợp mất điện.
• Đảm bảo tính liên tục của nguồn điện cho các tải quan trọng.
• Hỗ trợ tắt máy có kiểm soát khi sự cố mất điện kéo dài.
• Điều chỉnh điện áp trong các thiết kế UPS có chức năng điều chỉnh điện áp.
• Nâng cao một số đặc tính về chất lượng điện năng.
• Bù đắp sự cố mất điện lưới và khởi động máy phát điện.
• Giám sát các thông số đầu vào, đầu ra, tải, pin và tình trạng báo động.
• Hỗ trợ các kiến trúc nguồn điện dự phòng cho các hệ thống quan trọng.

NIST định nghĩa UPS là một hệ thống cung cấp nguồn điện dự phòng khi nguồn điện chính bị mất, trong khi IEEE mô tả các hệ thống UPS là cơ sở hạ tầng bảo vệ nguồn điện dành cho các ứng dụng như trung tâm dữ liệu, bệnh viện, hệ thống điều khiển công nghiệp và viễn thông.

2. Những việc mà UPS không làm

Bộ lưu điện (UPS) không phải là giải pháp chung cho mọi vấn đề về điện.

Nó không tự động cung cấp thời gian sao lưu không giới hạn. Nó không thể thay thế máy phát điện trong trường hợp mất điện kéo dài. Nó không thể thay thế các biện pháp nối đất, nối dẫn, bảo vệ mạch điện hoặc hệ thống chống sét được phối hợp đúng cách.

Mức độ bảo vệ thực tế phụ thuộc vào cấu trúc và cấu hình của bộ lưu điện (UPS).

Ví dụ, một bộ UPS chuyển đổi kép trực tuyến cung cấp điện cho tải thông qua bộ biến tần trong điều kiện hoạt động bình thường. Trong khi đó, một bộ UPS dự phòng thường cung cấp điện cho tải thông qua đường dây điện lưới và sẽ chuyển sang sử dụng bộ biến tần khi cần thiết.

Do đó, những nhận định như “tất cả các hệ thống UPS đều đảm bảo thời gian chuyển đổi bằng không” hoặc “tất cả các hệ thống UPS đều cung cấp cùng một mức độ điều chỉnh nguồn điện” đều chưa đầy đủ về mặt kỹ thuật.

Ⅱ. Bộ lưu điện (UPS) hoạt động như thế nào?

1. Kiến trúc điện cơ bản

Một kiến trúc UPS đơn giản hóa có thể được trình bày như sau:

Đầu vào AC → Bộ chỉnh lưu/bộ sạc → Đường dây DC → Bộ biến tần → Tải AC

Một hệ thống lưu trữ năng lượng được kết nối với phía dòng một chiều.

Cấu trúc cụ thể phụ thuộc vào cấu trúc mạng của UPS.

IEEE xác định bộ chỉnh lưu, bộ lưu trữ năng lượng, bộ biến tần và mạch bypass tĩnh là các thành phần cơ bản của nhiều kiến trúc UPS.

Mục đích của kiến trúc này là tách tải quan trọng khỏi ít nhất một số nhiễu có thể xảy ra trên nguồn điện thông thường.

2. Bộ chỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu chuyển đổi nguồn điện xoay chiều đầu vào thành nguồn điện một chiều.

Trong một bộ UPS chuyển đổi kép trực tuyến, bộ chỉnh lưu thường cấp điện cho đường dây DC trong điều kiện hoạt động bình thường.

Sau đó, đường dây DC cấp điện cho bộ biến tần.

Bộ chỉnh lưu cũng có thể sạc ắc-quy thông qua hệ thống sạc của UPS.

Các bộ chỉnh lưu trong UPS hiện đại có thể sử dụng các kỹ thuật hiệu chỉnh hệ số công suất để cải thiện đặc tính dòng điện đầu vào. Hiệu suất đầu vào thực tế phụ thuộc vào thiết kế của UPS.

3. Đường dây DC

Đường dây DC là liên kết điện giữa giai đoạn chuyển đổi đầu vào, hệ thống lưu trữ năng lượng và bộ biến tần.

Trong quá trình vận hành bình thường, năng lượng được truyền từ nguồn điện lưới qua bộ chỉnh lưu đến thanh cái một chiều, sau đó đến bộ biến tần.

Trong trường hợp mất điện, năng lượng được tích trữ trong ắc-quy sẽ cung cấp điện cho đường dây DC.

Điều này cho phép bộ biến tần tiếp tục tạo ra dòng điện xoay chiều cho tải quan trọng.

4. Pin

Pin lưu trữ năng lượng điện để sử dụng trong trường hợp mất điện.

Phổ biến Ắc quy UPS Các công nghệ bao gồm:

• Ắc-quy chì-axit VRLA.
• Ắc-quy chì-axit bị ngập nước.
• Pin lithium-ion.
• Các công nghệ lưu trữ chuyên dụng khác.

Việc lựa chọn pin không chỉ phụ thuộc vào dung lượng danh định.

Các kỹ sư nên cân nhắc:

• Yêu cầu về tính tự chủ.
• Đặc tính xả.
• Nhiệt độ môi trường.
• Phương pháp sạc.
• Quản lý pin.
• Điều kiện lắp đặt.
• Yêu cầu bảo trì.
• Tuổi thọ dự kiến.
• Chiến lược thay thế.
• Các yêu cầu về an toàn.

Pin lithium-ion có thể mang lại những ưu điểm về mật độ năng lượng, kích thước, vòng đời và đặc tính sạc, nhưng pin VRLA vẫn giữ vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng UPS. Eaton lưu ý rằng cả hai công nghệ này vẫn tiếp tục đáp ứng các yêu cầu ứng dụng khác nhau.

5. Biến tần

Bộ biến tần chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều.

Đối với một bộ UPS chuyển đổi kép hoạt động trực tuyến, bộ biến tần là nguồn điện chính cung cấp cho tải quan trọng.

Hiệu suất của nó ảnh hưởng đến:

• Điện áp đầu ra.
• Tần số đầu ra.
• Chất lượng dạng sóng.
• Độ méo hài.
• Phản ứng động.
• Khả năng tương thích tải.

Một bộ biến tần chất lượng cao đặc biệt quan trọng đối với các tải điện tử và công nghiệp nhạy cảm.

Tuy nhiên, chỉ riêng cụm từ “sóng sin thuần túy” thôi thì chưa đủ để mô tả đầy đủ hiệu suất của bộ biến tần. Các kỹ sư cũng cần đánh giá độ ổn định đầu ra, độ méo hài tổng (THD), phản ứng động, khả năng chịu quá tải và khả năng tương thích với tải được kết nối.

6. Bypass tĩnh

Một mạch bypass tĩnh cung cấp một đường dẫn nguồn dự phòng đi vòng qua hệ thống chuyển đổi chính của UPS.

Nó có thể được sử dụng trong một số trường hợp nhất định:

• Các điều kiện quá tải.
• Sự cố UPS.
• Các hoạt động bảo trì.
• Điều kiện vận hành bất thường.

Hệ thống chuyển mạch dự phòng rất quan trọng đối với tính sẵn sàng, nhưng không nên nhầm lẫn nó với hệ thống dự phòng bằng pin.

Khi tải được chuyển sang chế độ bypass, các đặc tính điện phụ thuộc vào nguồn bypass và hệ thống phân phối của cơ sở.

Ⅲ. Điều gì sẽ xảy ra khi mất điện lưới?

1. Hoạt động bình thường

Trong quá trình hoạt động bình thường, bộ lưu điện (UPS) giám sát nguồn điện đầu vào.

Tùy thuộc vào cấu trúc mạng, công ty điện lực có thể cấp điện trực tiếp cho tải hoặc cấp điện cho hệ thống chuyển đổi UPS.

Đồng thời, pin vẫn sẵn sàng để sử dụng trong trường hợp mất điện.

Hệ thống điều khiển có thể giám sát:

• Điện áp đầu vào.
• Điện áp đầu ra.
• Tần số.
• Mức tải.
• Điện áp ắc-quy.
• Tình trạng pin.
• Chế độ hoạt động.
• Nhiệt độ.
• Các tình huống sự cố.

2. Sự cố về nguồn điện

Khi điện áp hoặc tần số đầu vào vượt ra ngoài phạm vi hoạt động của UPS, hệ thống điều khiển UPS sẽ xác định biện pháp ứng phó phù hợp.

Câu trả lời phụ thuộc vào cấu trúc mạng.

Một bộ UPS dự phòng thường chuyển tải sang bộ biến tần.

Một bộ UPS tương tác với nguồn điện có thể thực hiện điều chỉnh điện áp trước khi chuyển sang sử dụng pin.

Một bộ UPS chuyển đổi kép trực tuyến đã cung cấp điện cho tải thông qua bộ biến tần của nó trong quá trình hoạt động bình thường.

Đó là lý do tại sao cụm từ “thời gian chuyển nhượng” phải được sử dụng trong bối cảnh cụ thể.

Eaton định nghĩa thời gian chuyển đổi là khoảng thời gian cần thiết để một bộ UPS chuyển tải sang chế độ cấp nguồn bằng ắc-quy, trong khi các kiến trúc trực tuyến có sự khác biệt cơ bản do bộ biến tần đã đảm nhận tải ngay từ khi hệ thống hoạt động bình thường.

3. Hoạt động bằng pin

Khi xảy ra sự cố mất điện, pin sẽ cung cấp năng lượng một chiều.

Bộ biến tần chuyển đổi năng lượng đó thành điện xoay chiều.

Thời gian chạy có sẵn phụ thuộc vào:

• Công suất tải thực tế.
• Dung lượng pin.
• Điện áp ắc-quy.
• Hiệu suất của UPS.
• Tình trạng pin.
• Nhiệt độ.
• Đặc tính xả.
• Điện áp cuối xả.
• Sự lão hóa của pin.

Do đó, chỉ dựa vào dung lượng pin tính bằng Ah thôi thì không thể đưa ra dự đoán đáng tin cậy về thời gian hoạt động.

4. Phục hồi dịch vụ công ích

Khi nguồn điện lưới đạt tiêu chuẩn được khôi phục, bộ lưu điện (UPS) sẽ trở lại chế độ hoạt động bình thường tương ứng.

Sau đó, bộ sạc pin sẽ bổ sung lại lượng năng lượng đã tiêu thụ trong thời gian mất điện.

Các sự cố mất điện lặp đi lặp lại có thể gây ra một vấn đề vận hành nghiêm trọng.

Nếu thời gian sạc lại của pin không đủ giữa các lần mất điện, sự cố thứ hai có thể xảy ra với thời lượng pin khả dụng bị giảm dung lượng pin.

Ⅳ. UPS có thể bảo vệ khỏi những sự cố về nguồn điện nào?

1. Mất điện

Chức năng quan trọng nhất là duy trì tính liên tục của tải trong trường hợp mất điện từ lưới điện.

Không có Nguồn điện dự phòng, một sự cố mất điện đột ngột có thể gây ra:

• Tắt máy chủ.
• Mạng bị gián đoạn.
• PLC khởi động lại.
• Dữ liệu bị hỏng.
• Gián đoạn sản xuất.
• Lỗi kết nối.
• Mất công việc chưa được lưu.

Bộ lưu điện (UPS) cung cấp năng lượng dự trữ để các thiết bị quan trọng có thể tiếp tục hoạt động hoặc tắt máy một cách có kiểm soát.

Eaton xác định tính liên tục của nguồn điện và việc tắt hệ thống là hai chức năng cốt lõi của UPS.

2. Sụt áp

Sụt áp là hiện tượng điện áp giảm tạm thời.

Tùy thuộc vào đặc tính của tải, mức độ võng và thời gian diễn ra, một tải nhạy cảm có thể gặp sự cố hoặc ngừng hoạt động.

Một bộ lưu điện tương tác theo dòng (line-interactive UPS) có thể điều chỉnh một số dao động điện áp thông qua cơ chế điều chỉnh điện áp tự động.

Một bộ UPS chuyển đổi kép trực tuyến có thể đảm bảo khả năng kiểm soát đầu ra chính xác hơn do tải được cấp điện thông qua bộ biến tần.

3. Quá áp

Quá áp có thể làm tăng tải điện lên các thiết bị được kết nối.

Một bộ UPS có các chức năng điều chỉnh điện áp và bảo vệ phù hợp có thể giảm thiểu tác động của một số tình trạng điện áp bất thường.

Tuy nhiên, phạm vi bảo vệ chính xác phải được tham khảo từ thông số kỹ thuật của bộ lưu điện (UPS).

4. Sóng đột biến và hiện tượng quá độ

Các hiện tượng tăng áp và dao động tạm thời có thể phát sinh từ:

• Chuyển đổi dịch vụ.
• Chuyển mạch tải lớn.
• Các tình huống sự cố.
• Các sự kiện liên quan đến sét.
• Sự cố điện bên trong.

Thiết bị UPS có thể được trang bị các chức năng chống sét lan truyền và lọc tín hiệu.

Tuy nhiên, không nên coi bộ nguồn dự phòng (UPS) là một hệ thống chống sét hoàn chỉnh.

Một hệ thống lắp đặt được thiết kế đúng cách có thể cần phải kết hợp các biện pháp bảo vệ SPD, nối đất, nối dẫn điện và bảo vệ ở phía thượng nguồn.

5. Biến thiên tần số

Các thiết bị nhạy cảm với tần số có thể bị ảnh hưởng khi nguồn điện nằm ngoài phạm vi cho phép.

Một bộ nguồn dự phòng (UPS) trực tuyến có thể điều chỉnh tần số đầu ra thông qua bộ biến tần của nó, tùy thuộc vào chế độ hoạt động và thiết kế.

Khả năng này giúp công nghệ UPS trở nên khác biệt so với các thiết bị chỉ được thiết kế để điều chỉnh điện áp.

6. Nhiễu điện

Một số hệ thống UPS có thể làm giảm một số dạng nhiễu điện nhất định.

Các nguồn tiềm năng bao gồm:

• Bộ nguồn chuyển mạch.
• Động cơ.
• Biến tần.
• Thiết bị công nghiệp.
• Nhiễu điện từ.

Mức độ lọc phụ thuộc vào cấu trúc mạng và hệ thống lọc.

Do đó, các kỹ sư không nên khẳng định rằng mọi bộ UPS đều có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu điện.

Ⅴ. Giải thích về các cấu trúc mạng UPS

1. Tại sao cấu trúc mạng UPS lại quan trọng

Cấu trúc mạng UPS quyết định đường dẫn nguồn điện bình thường và cách phản ứng trước các sự cố.

Ba kiến trúc thường được đề cập đến là:

• Bộ lưu điện (UPS) ở chế độ chờ hoặc ngoại tuyến.
• Bộ lưu điện tương tác theo dòng (Line-interactive UPS).
• Bộ lưu điện (UPS) chuyển đổi kép trực tuyến.

Các tài liệu của DOE cũng phân biệt các kiến trúc UPS dựa trên các phân loại theo tính phụ thuộc vào điện áp, chẳng hạn như VFD, VI và VFI.

2. Bộ lưu điện (UPS) ở chế độ chờ hoặc ngoại tuyến

Một bộ UPS dự phòng thường cấp điện cho tải thông qua đường dây điện lưới.

Bộ biến tần vẫn hoạt động bình thường cho đến khi xảy ra sự cố nguồn điện khiến hệ thống phải chuyển sang chế độ chạy bằng pin.

Khi xảy ra sự cố mất điện, hệ thống sẽ chuyển tải sang bộ biến tần.

Kiến trúc này thường được sử dụng trong những trường hợp mà chi phí và khả năng bảo vệ cơ bản khỏi sự cố mất điện được coi trọng hơn so với việc điều chỉnh công suất tối đa.

Các ứng dụng điển hình bao gồm:

• Máy tính để bàn.
• Thiết bị làm việc tại nhà.
• Các thiết bị mạng nhỏ.
• Tải điện tử không quan trọng.

3. Bộ lưu điện tương tác theo dòng (Line-Interactive UPS)

Một bộ UPS tương tác theo dòng điện thường duy trì đường dẫn nguồn dựa trên nguồn điện lưới đồng thời thực hiện các chức năng điều chỉnh điện áp.

Chức năng điều chỉnh điện áp tự động có thể khắc phục một số tình trạng điện áp đầu vào mà không cần liên tục sử dụng năng lượng từ pin.

Điều này khiến các hệ thống tương tác đường dây trở nên hữu ích trong những trường hợp xảy ra dao động điện áp nhưng ứng dụng lại không yêu cầu cấu trúc đầy đủ của một bộ UPS trực tuyến.

Các ứng dụng điển hình bao gồm:

• Thiết bị mạng.
• Các phòng máy chủ nhỏ.
• Hệ thống CNTT văn phòng.
• Thiết bị viễn thông.
• Một số hệ thống điều khiển công nghiệp được lựa chọn.

4. Bộ lưu điện (UPS) chuyển đổi kép trực tuyến

Một bộ nguồn liên tục (UPS) trực tuyến sử dụng kiến trúc chuyển đổi kép:

AC → DC → AC

Bộ chỉnh lưu chuyển đổi nguồn điện xoay chiều (AC) thành nguồn điện một chiều (DC).

Sau đó, bộ biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) có thể điều khiển được.

Tải trọng quan trọng thường được cấp điện từ bộ biến tần.

Do đó, khi mất điện lưới, tải không cần phải thực hiện quá trình chuyển đổi thông thường từ nguồn điện lưới sang bộ biến tần.

Kiến trúc này được xem xét rộng rãi cho các ứng dụng quan trọng như:

• Trung tâm dữ liệu.
• Điều khiển công nghiệp.
• Cơ sở hạ tầng y tế.
• Viễn thông.
• Tự động hóa quy trình.
• Các hệ thống CNTT quan trọng.

5. So sánh các cấu trúc mạng UPS

Sự so sánh này mang tính khái niệm.

Hiệu suất thực tế phải được kiểm chứng dựa trên tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất và các tiêu chuẩn có liên quan.

Ⅵ. UPS và máy phát điện: Tại sao chúng lại hoạt động song song với nhau

1. Các chức năng khác nhau

Máy UPS và máy phát điện giúp giải quyết các vấn đề về nguồn điện khác nhau.

Bộ nguồn dự phòng (UPS) cung cấp khả năng duy trì nguồn điện nhanh chóng trong thời gian ngắn.

Máy phát điện cung cấp năng lượng trong thời gian dài.

Một máy phát điện thường cần thời gian để khởi động và ổn định.

Bộ nguồn UPS giúp lấp đầy khoảng thời gian này.

Kiến trúc này đặc biệt quan trọng đối với các cơ sở không thể chấp nhận sự gián đoạn nhưng cũng không cần phải hoạt động hoàn toàn bằng pin trong suốt thời gian mất điện kéo dài.

2. Kiến trúc điển hình

Một cơ sở quan trọng có thể sử dụng:

Dịch vụ tiện ích → UPS → Tải trọng quan trọng

với một máy phát điện cung cấp nguồn điện dự phòng ở thượng nguồn:

Thiết bị điện / Máy phát điện → UPS → Tải trọng quan trọng

Một trình tự điển hình là:

1. Mất điện lưới.
2. Hệ thống UPS phát hiện tình trạng bất thường.
3. Năng lượng từ pin cung cấp cho tải trọng quan trọng.
4. Máy phát điện khởi động.
5. Máy phát điện đã đạt đến điều kiện vận hành chấp nhận được.
6. Việc phân phối điện trong cơ sở được thực hiện theo thiết kế.
7. UPS tiếp tục bảo vệ hàng hóa.

Trình tự cụ thể phụ thuộc vào hệ thống ATS, máy phát điện, bộ lưu điện (UPS) và kiến trúc phân phối điện của cơ sở.

3. Thời gian hoạt động của UPS không giống với thời gian hoạt động của máy phát điện

Các bộ pin UPS thường được thiết kế dựa trên thời gian duy trì nguồn điện cần thiết thay vì tổng thời gian của một đợt mất điện kéo dài từ lưới điện.

Hướng dẫn về hệ thống UPS của Eaton nêu rõ rằng nhiều hệ thống tiêu chuẩn cung cấp thời gian dự phòng ngắn từ pin nội bộ, trong khi các mô-đun pin bổ sung có thể kéo dài thời gian hoạt động khi cần thiết.

Do đó, câu hỏi kỹ thuật nên là:

Cơ sở này yêu cầu thời gian đi qua là bao lâu?

thay vì:

Pin nên dùng được bao nhiêu giờ?

Ⅶ. Làm thế nào để xác định công suất của bộ lưu điện (UPS)?

1. Bắt đầu từ tải trọng

Bước đầu tiên là xác định từng tải cần được bảo vệ.

Bản ghi:

• Điện áp.
• Giai đoạn.
• Hiện tại.
• kW.
• kVA.
• Hệ số công suất.
• Dòng điện khởi động.
• Đặc tính hài.
• Hồ sơ hoạt động.

2. Hiểu về kW và kVA

Các hệ thống UPS thường được định mức bằng VA hoặc kVA.

Mối quan hệ giữa công suất biểu kiến và công suất thực là:

kW = kVA × Hệ số công suất

Ví dụ:

Một tải 100 kVA hoạt động với hệ số công suất là 0,9 có:

100 × 0,9 = 90 kW

Tuy nhiên, chỉ riêng phép tính này thôi thì chưa đủ để xác định công suất định mức chính xác của bộ lưu điện (UPS).

Kỹ sư cũng cần xem xét:

• Khả năng điều chỉnh hệ số công suất của UPS.
• Giá trị định mức quá tải.
• Tải trọng tạm thời.
• Kế hoạch mở rộng trong tương lai.
• Dự phòng.
• Nhiệt độ hoạt động.
• Cấu hình pin.

3. Tránh chọn kích thước quá lớn

Một rất UPS công suất lớn không có nghĩa là nó tự động trở thành một bộ lưu điện (UPS) tốt hơn.

Việc chọn kích thước quá lớn có thể dẫn đến:

• Tỷ lệ sử dụng tải thấp.
• Chi phí vốn cao hơn.
• Hoạt động kém hiệu quả hơn.
• Còn nhiều công suất chưa được sử dụng.

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đặc biệt lưu ý rằng hiệu suất của UPS thay đổi tùy theo mức tải và các hệ thống có tải nhẹ có thể lãng phí một phần đáng kể năng lượng đầu vào. DOE cũng khuyến nghị nên xem xét Hệ thống nguồn điện liên tục mô-đun (UPS) các kiến trúc hệ thống trong đó các hệ thống hoạt động ở mức dưới điều kiện thiết kế hoặc dự kiến sẽ có sự mở rộng trong tương lai.

4. Tạo điều kiện cho sự phát triển trong tương lai

Một trung tâm dữ liệu hoặc nhà máy đang mở rộng có thể sẽ phải chịu tải trọng trong tương lai lớn hơn đáng kể so với tải trọng hiện tại.

Các kỹ sư có thể xem xét:

• Bộ lưu điện mô-đun.
• Hệ thống UPS song song.
• Dự phòng N+1.
• Hệ thống pin có thể mở rộng.
• Các mô-đun nguồn bổ sung.

Kiến trúc mô-đun có thể giúp công suất tăng lên cùng với mức tải.

Ⅷ. Làm thế nào để tính thời gian hoạt động của UPS?

1. Năng lượng cơ bản của pin

Một phép tính lý thuyết đơn giản như sau:

Năng lượng pin ≈ Điện áp pin × Dung lượng pin

Ví dụ, một cụm ắc-quy có điện áp danh định 240 V và dung lượng 100 Ah sẽ có:

240 × 100 = 24.000 Wh

hoặc khoảng:

24 kWh năng lượng lưu trữ danh định

Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là có sẵn 24 kWh tại tải AC.

2. Thời gian chạy thực tế

Một ước tính đơn giản là:

Thời gian hoạt động ≈ Năng lượng pin có thể sử dụng × Hiệu suất UPS ÷ Công suất tải

Kết quả này chỉ là một giá trị gần đúng về mặt kỹ thuật.

Thời gian chạy thực tế bị ảnh hưởng bởi:

• Tốc độ xả của pin.
• Nhiệt độ pin.
• Tuổi thọ pin.
• Cấu trúc hóa học của pin.
• Hiệu suất của UPS.
• Điện áp ngắt DC.
• Đặc tính tải.
• Cấu hình pin.

Do đó, cần sử dụng các đường cong thời gian hoạt động do nhà sản xuất cung cấp để hoàn thiện thiết kế.

3. Ví dụ

Giả sử:

• Dung lượng danh định của pin: 24 kWh.
• Tỷ lệ phần có thể sử dụng ước tính: 80%.
• Hiệu suất chuyển đổi của UPS: 90%.
• Công suất: 10 kW.

Một ước tính đơn giản hóa sẽ như sau:

24 × 0,80 × 0,90 ÷ 10 = 1,728 giờ

Đây không phải là thời gian chạy được đảm bảo.

Kết quả thực tế có thể khác nhau vì dung lượng pin không phải là một nguồn năng lượng cố định trong mọi điều kiện xả.

Ví dụ này nhằm minh họa phương pháp tính toán chứ không phải để đưa ra một giá trị hiệu suất chung.

Ⅸ. Hiệu suất và mức tiêu thụ năng lượng của UPS

1. Hiệu suất phụ thuộc vào điều kiện vận hành

Hiệu suất của UPS thay đổi tùy theo điều kiện vận hành.

Các yếu tố quan trọng bao gồm:

• Tỷ lệ tải.
• Chế độ hoạt động.
• Điều kiện đầu vào.
• Hệ số công suất.
• Thiết kế bộ chuyển đổi.
• Yêu cầu về làm mát.

DOE khẳng định rõ ràng rằng hiệu suất của UPS thay đổi tùy theo mức tải và các hệ thống hoạt động ở mức tải nhẹ có thể mất đi một phần đáng kể năng lượng đầu vào do tổn thất trong UPS.

2. Tại sao việc vận hành ở tải một phần lại quan trọng

Hãy xem xét một cơ sở lắp đặt công suất UPS lớn hơn đáng kể so với nhu cầu hiện tại của cơ sở đó.

Bộ nguồn UPS có thể hoạt động ở mức công suất thấp so với công suất định mức trong nhiều năm.

Tùy thuộc vào thiết kế của bộ lưu điện (UPS), điều này có thể làm giảm hiệu suất.

Do đó, Lựa chọn UPS cần phải có sự cân bằng giữa:

• Tải hiện tại.
• Tăng trưởng trong tương lai.
• Hiệu quả.
• Dự phòng.
• Chi phí vốn.
• Chiến lược bảo trì.

3. UPS dạng mô-đun

Các hệ thống UPS mô-đun có thể giải quyết thách thức này.

Công suất có thể được triển khai theo từng mô-đun thay vì lắp đặt toàn bộ công suất dự kiến ngay từ ngày đầu tiên.

Cách tiếp cận này có thể nâng cao hiệu suất sử dụng công suất và đơn giản hóa quá trình mở rộng.

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đặc biệt chỉ ra rằng hệ thống UPS mô-đun là một lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng có tiềm năng mở rộng trong tương lai hoặc hoạt động liên tục ở mức công suất thấp hơn công suất thiết kế.

Ⅹ. UPS so với bộ ổn áp

1. Sự khác biệt cơ bản

Chức năng chính của một bộ lưu điện (UPS) là đảm bảo nguồn điện liên tục và dự phòng bằng năng lượng tích trữ.

A ổn áp chủ yếu cung cấp Điều chỉnh điện áp.

Điện áp bộ ổn định thường không thể cung cấp nguồn điện dự phòng bằng pin khi mất điện.

Một bộ UPS có thể thực hiện chức năng điều chỉnh điện áp, nhưng khả năng này phụ thuộc vào cấu trúc của nó.

2. So sánh kỹ thuật

Sự phân biệt này rất quan trọng trong các cơ sở công nghiệp.

Một địa điểm có biến động điện áp nghiêm trọng nhưng nguồn điện lưới vẫn ổn định có thể cần phải điều chỉnh điện áp.

Một cơ sở thường xuyên bị mất điện có thể cần một bộ lưu điện (UPS).

Một địa điểm gặp cả hai vấn đề này có thể cần phải lắp đặt các thiết bị bảo vệ nguồn điện được phối hợp với nhau.

BKPOWER hiện đã có các bài viết kỹ thuật riêng biệt giải thích sự khác biệt giữa UPS và bộ ổn áp.

Ⅺ. Hệ thống UPS được sử dụng ở đâu?

1. Trung tâm dữ liệu

Các trung tâm dữ liệu sử dụng hệ thống UPS để bảo vệ các tải trọng quan trọng về CNTT và hạ tầng.

Các thiết bị được bảo vệ điển hình bao gồm:

• Máy chủ.
• Lưu trữ.
• Bộ chuyển mạch mạng.
• Hệ thống an ninh.
• Hệ thống điều khiển.
• Thiết bị giám sát quan trọng.

Một bộ lưu điện (UPS) cũng có thể giúp duy trì nguồn điện trong khoảng thời gian từ khi mất điện lưới đến khi máy phát điện sẵn sàng hoạt động.

Đối với các cơ sở có tính sẵn sàng cao, hệ thống UPS có thể là một phần của kiến trúc nguồn điện dự phòng N+1 hoặc các kiến trúc dự phòng khác.

2. Tự động hóa công nghiệp

Tự động hóa công nghiệp có thể dễ bị ảnh hưởng bởi các sự cố mất điện ngắn hạn.

Các loại tải trọng điển hình bao gồm:

• PLC.
• Hệ thống SCADA.
• Máy tính công nghiệp.
• Cảm biến.
• Mạng điều khiển.
• Thiết bị đo lường.
• Hệ thống điều khiển quá trình.

Tùy thuộc vào đặc tính của tải, một sự gián đoạn ngắn có thể dẫn đến việc bộ điều khiển bị khởi động lại hoặc quá trình bị gián đoạn.

Tác động kinh tế có thể lớn hơn nhiều so với chi phí năng lượng do chính sự cố mất điện gây ra.

3. Chăm sóc sức khỏe

Các cơ sở y tế có các tải điện với các mức độ quan trọng khác nhau.

Các hệ thống UPS có thể hỗ trợ các tùy chọn sau:

• Điện tử y tế.
• Hệ thống CNTT.
• Thiết bị giám sát.
• Hệ thống thông tin liên lạc.
• Thiết bị điều khiển.

Thiết kế thực tế của bộ lưu điện (UPS) phải tuân thủ các yêu cầu về điện và an toàn áp dụng cho hệ thống lắp đặt đó.

UL Solutions xác định các lĩnh vực ứng dụng của UPS bao gồm chăm sóc sức khỏe, trung tâm dữ liệu, phòng máy chủ, viễn thông và các tổ chức tài chính.

4. Viễn thông

Các hệ thống viễn thông phụ thuộc vào tính sẵn sàng cao.

Hệ thống UPS có thể bảo vệ:

• Thiết bị mạng.
• Thiết bị thông tin liên lạc.
• Hệ thống truyền dẫn dữ liệu.
• Hệ thống điều khiển.

Thời lượng pin và Giám sát từ xa đặc biệt quan trọng đối với các cơ sở phân tán.

5. Tài chính và Công nghệ thông tin doanh nghiệp

Các tổ chức tài chính và hệ thống CNTT của doanh nghiệp có thể rất dễ bị ảnh hưởng bởi sự cố mất điện.

Một bộ lưu điện (UPS) có thể hỗ trợ:

• Máy chủ.
• Cơ sở hạ tầng mạng.
• Lưu trữ.
• Hệ thống thông tin liên lạc.
• Hệ thống giao dịch.

Kiến trúc cần thiết phụ thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng.

Ⅻ. Cách chọn bộ lưu điện (UPS) phù hợp

1. Xác định tải trọng giới hạn

Đừng bắt đầu bằng việc chọn một mẫu UPS.

Hãy bắt đầu bằng việc xác định những thiết bị thực sự cần được bảo vệ.

Phân loại tải thành:

• Rất quan trọng.
• Quan trọng.
• Không quan trọng.

Điều này có thể giúp tránh tình trạng dự trữ công suất UPS không cần thiết.

2. Xác định các yêu cầu về điện

Thu thập:

• Điện áp đầu vào.
• Điện áp đầu ra.
• Cấu hình pha.
• Tần số.
• kW.
• kVA.
• Hệ số công suất.
• Dòng điện khởi động.
• Đặc tính hài.

3. Chọn cấu trúc mạng

Đây là một khung cơ bản.

Việc lựa chọn cuối cùng phải dựa trên các yêu cầu thực tế về điện và vận hành.

4. Xác định thời gian chạy

Xác định xem bộ nguồn dự phòng (UPS) có được thiết kế để:

• Hỗ trợ tắt máy có kiểm soát.
• Khởi động máy phát điện cầu.
• Duy trì quy trình trong một khoảng thời gian đã định.
• Cung cấp dịch vụ sao lưu mở rộng.

Thời gian hoạt động cần được tính toán dựa trên tải trọng và đối chiếu với dữ liệu của nhà sản xuất.

5. Đánh giá tính dự phòng

Đối với các cơ sở quan trọng, cần xem xét:

• N.
• N+1.
• 2N.
• Các kiến trúc phân tán dự phòng.

Kiến trúc phù hợp phụ thuộc vào các yêu cầu về tính sẵn sàng của cơ sở.

6. Rà soát các tiêu chuẩn có liên quan

Tiêu chuẩn IEC 62040-1 quy định các yêu cầu an toàn đối với hệ thống UPS.

Tiêu chuẩn IEC 62040-3 quy định về hiệu suất và thử nghiệm của bộ lưu điện (UPS).

Ấn phẩm tổng hợp IEC 62040-1 hiện hành áp dụng cho các hệ thống UPS có bộ lưu trữ năng lượng thuộc phạm vi quy định và thiết lập các yêu cầu an toàn.

Đối với các ứng dụng tại Bắc Mỹ, tiêu chuẩn UL 1778 cung cấp một khung tiêu chuẩn quan trọng cho việc đánh giá và chứng nhận an toàn hệ thống nguồn điện liên tục (UPS). UL Solutions mô tả UL 1778 là Tiêu chuẩn dành cho Hệ thống Nguồn Điện Liên Tục.

Các yêu cầu tuân thủ cụ thể phụ thuộc vào thị trường mục tiêu, điều kiện lắp đặt, cấu tạo sản phẩm và các yêu cầu kỹ thuật của dự án.

ⅩⅢ. Những sai lầm thường gặp khi lựa chọn UPS

1. Chỉ chọn dựa trên kVA

kVA là yếu tố quan trọng, nhưng đó không phải là toàn bộ quy trình lựa chọn.

Các kỹ sư cũng nên đánh giá:

• kW.
• Hệ số công suất.
• Dòng điện khởi động.
• Tải hồ sơ.
• Khả năng chịu quá tải.
• Tăng trưởng trong tương lai.
• Dự phòng.

2. Giả định rằng tất cả các hệ thống UPS đều có thời gian chuyển đổi bằng không

Đây là một trong những hiểu lầm kỹ thuật phổ biến nhất.

Một bộ lưu điện (UPS) loại dự phòng hoặc tương tác đường dây thường cần thực hiện chuyển đổi giữa các đường dẫn nguồn trong một số trường hợp sự cố nhất định.

Một bộ UPS chuyển đổi kép trực tuyến thường cấp điện cho tải thông qua bộ biến tần của nó.

Do đó, kiến trúc quyết định ý nghĩa và tầm quan trọng của thời gian truyền dữ liệu.

3. Giả sử bộ lưu điện (UPS) thay thế máy phát điện

Thông thường, bộ nguồn dự phòng (UPS) được thiết kế để duy trì nguồn điện trong thời gian ngắn, trừ khi hệ thống pin mở rộng được thiết kế chuyên biệt.

Máy phát điện có thể đảm bảo nguồn năng lượng được cung cấp trong thời gian dài hơn nhiều.

Đối với cơ sở hạ tầng quan trọng, hai công nghệ này thường bổ sung cho nhau.

4. Bỏ qua tình trạng pin

Dung lượng danh định của pin không đảm bảo rằng lượng năng lượng có thể sử dụng được sẽ luôn như nhau trong mọi điều kiện.

Nhiệt độ, tuổi thọ, tốc độ xả và cấu hình pin đều có ảnh hưởng.

5. Chọn UPS có công suất quá lớn

Việc thiết kế công suất quá lớn có thể làm tăng chi phí đầu tư và có thể làm giảm hiệu suất vận hành ở mức tải thấp.

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đặc biệt khuyến nghị nên xem xét các yếu tố về tải và kiến trúc mô-đun khi đánh giá hiệu suất năng lượng của hệ thống UPS.

6. Coi bộ lưu điện (UPS) là toàn bộ hệ thống bảo vệ

Thông thường, một bộ lưu điện (UPS) nên được xem như một thành phần trong kiến trúc cấp nguồn tổng thể.

Các lớp khác có thể bao gồm:

• Bảo vệ chống sét.
• Nối đất.
• Sự gắn kết.
• Bảo vệ mạch.
• Hệ thống máy phát điện.
• Dự phòng trong hệ thống phân phối.
• Giám sát.
• Kiểm soát môi trường.
• Bảo vệ pin.

ⅩⅣ. Điều gì làm nên độ tin cậy của hệ thống UPS?

1. Kiến trúc điện đúng chuẩn

Độ tin cậy bắt đầu từ thiết kế hệ thống.

Các yếu tố quan trọng cần lưu ý bao gồm:

• Cấu trúc mạng phù hợp.
• Dung tích chính xác.
• Cấu hình pin.
• Kiến trúc bypass.
• Phối hợp công tác bảo vệ.
• Thiết kế hệ thống phân phối.

2. Quản lý nhiệt

Các thiết bị điện tử nguồn UPS sinh ra nhiệt.

Điều kiện nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của các linh kiện và hiệu suất của pin.

Do đó, phòng đặt hệ thống UPS cần có thiết kế môi trường phù hợp.

3. Quản lý pin

Việc quản lý pin cần bao gồm:

• Giám sát.
• Cách sạc đúng cách.
• Quản lý nhiệt độ.
• Kiểm tra định kỳ.
• Các phương pháp kiểm tra phù hợp.
• Việc thay thế theo kế hoạch.

4. Giám sát và Giao tiếp

Các hệ thống UPS hiện đại có thể cung cấp:

• Điện áp đầu vào.
• Điện áp đầu ra.
• Tần số.
• Tỷ lệ tải.
• Tình trạng pin.
• Trạng thái báo động.
• Thời lượng dự kiến.

Kết nối mạng cho phép các nhà điều hành cơ sở giám sát hệ thống từ xa.

5. Bảo trì

Không nên coi UPS là một hệ thống cơ sở hạ tầng không cần bảo trì.

Tùy thuộc vào thiết kế hệ thống, công tác bảo trì có thể bao gồm:

• Kiểm tra ắc-quy.
• Kiểm tra tụ điện.
• Kiểm tra hệ thống làm mát.
• Kiểm tra kết nối.
• Kiểm tra hệ thống báo động.
• Bảo trì phần mềm hệ thống hoặc hệ thống giám sát.
• Dịch vụ bảo dưỡng phòng ngừa.

ⅩⅤ. Các giải pháp UPS của BKPOWER

Dòng sản phẩm UPS hiện tại của BKPOWER bao gồm UPS tần số công nghiệp, UPS tần số cao, UPS lắp giá, UPS mô-đun, UPS tương tác đường dây, ắc-quy UPS và tủ chứa ắc-quy. Dòng sản phẩm mô-đun của hãng bao gồm các hệ thống chuyển đổi kép trực tuyến ba pha với nhiều cấu hình công suất khác nhau.

BKPOWER cũng xuất bản các tài liệu kỹ thuật về cấu trúc UPS, thời gian hoạt động, hệ số công suất của UPS, cách lựa chọn UPS công nghiệp, cũng như mối quan hệ giữa UPS và việc ổn định điện áp.

Đối với một dự án kỹ thuật, quá trình lựa chọn nên tập trung vào:

• Tải trọng thực tế.
• kW và kVA.
• Hệ số công suất.
• Kiến trúc một pha hoặc ba pha.
• Yêu cầu về tính tự chủ.
• Chất lượng dịch vụ công ích.
• Độ nhạy tải.
• Dự phòng.
• Điều kiện môi trường.
• Công nghệ pin.
• Kế hoạch mở rộng trong tương lai.
• Các tiêu chuẩn áp dụng.

Đối với các ứng dụng công nghiệp, có thể đánh giá các kiến trúc UPS trực tuyến và UPS tần số công nghiệp dựa trên đặc tính tải, môi trường điện và mức độ sẵn sàng cần thiết.

ⅩⅥ. Kết luận kỹ thuật cuối cùng

Vậy thì, Bộ lưu điện (UPS) có chức năng gì?

Câu trả lời ngắn gọn là:

Hệ thống UPS đảm bảo nguồn điện liên tục cho các tải quan trọng khi nguồn điện thông thường bị mất hoặc không đáp ứng được yêu cầu.

Câu trả lời từ góc độ kỹ thuật mang tính toàn diện hơn.

Một bộ UPS kết hợp các yếu tố sau:

• Chuyển đổi năng lượng.
• Lưu trữ năng lượng.
• Công nghệ biến tần.
• Hệ thống điều khiển.
• Chuyển đổi.
• Bảo vệ.
• Giám sát.

Hiệu suất của nó phụ thuộc vào cấu trúc mạng, tải, cấu hình pin, chế độ hoạt động và kiến trúc hệ thống.

Đối với một máy tính đơn giản, bộ lưu điện (UPS) chế độ chờ hoặc chế độ tương tác trực tiếp có thể cung cấp mức độ bảo vệ đủ.

Đối với trung tâm dữ liệu hoặc hệ thống điều khiển công nghiệp, có thể xem xét sử dụng bộ lưu điện (UPS) chuyển đổi kép trực tuyến vì bộ biến tần cung cấp điện liên tục cho tải trong quá trình vận hành bình thường.

Đối với một cơ sở phải ngừng hoạt động trong thời gian dài, bộ lưu điện (UPS) có thể hoạt động kết hợp với máy phát điện.

Đối với một địa điểm có tình trạng điện áp bất ổn nghiêm trọng nhưng rủi ro mất điện hạn chế, bộ ổn áp có thể giải quyết một khía cạnh khác của vấn đề điện năng.

Do đó, không nên chỉ dựa vào thông số kVA để lựa chọn bộ lưu điện (UPS) phù hợp.

Các kỹ sư cần đánh giá:

• Công suất tải (kW).
• Tải kVA.
• Hệ số công suất.
• Cấu hình pha.
• Điện áp và tần số.
• Đặc tính dòng điện khởi động.
• Thời gian chạy bắt buộc.
• Công nghệ pin.
• Hiệu quả.
• Kiến trúc bypass.
• Dự phòng.
• Điều kiện môi trường.
• Các tiêu chuẩn an toàn và hiệu suất áp dụng.

Tiêu chuẩn IEC 62040-1 quy định các yêu cầu về an toàn đối với bộ lưu điện (UPS), trong khi tiêu chuẩn IEC 62040-3 quy định các yêu cầu về hiệu suất và thử nghiệm của bộ lưu điện (UPS).

Cách tiếp cận đáng tin cậy nhất là coi UPS như một phần của một kiến trúc bảo vệ nguồn điện quan trọng, chứ không chỉ đơn thuần là một hộp chứa pin.

Cách tiếp cận này cho phép các kỹ sư kết hợp các yếu tố như tính liên tục của nguồn điện, chất lượng nguồn điện, năng lượng pin, tích hợp máy phát điện, tính dự phòng, hiệu suất và quản lý vòng đời thành một thiết kế thống nhất.

Tổng hợp thông tin liên quan

Nguồn tham khảo

Câu hỏi thường gặp