Đề nghị tòa soạn giới thiệu những vấn đề cần lưu ý và những chỉ tiêu chủ yếu của bộ UPS khi thiết kế và lắp đặt UPS tại trung tâm viễn thông tin học?

UPS (Uninterruptible Power System) là thiết bị cung cấp điện năng cho phụ tải một cách liên tục. Khi mạng điện lưới hoạt động bình thường thì UPS dựa vào điện năng mạng lưới, thông qua bộ biến đổi và điều tiết cung cấp điện xoay chiều cho phụ tải một cách ổn định, ít can nhiễu. Khi điện lưới bị mất, UPS sử dụng điện năng tích trữ trong ắcquy, thông qua bộ nghịch biến (invertor, có tài liệu gọi là bộ đảo điện) để cung cấp điện năng xoay chiều cho phụ tải một cách liên tục. Sơ đồ kết cấu một số bộ UPS Căn cứ theo kết cấu nội bộ thiết bị UPS có thể chia ra: UPS dự bị, UPS hỗ động trên dây, UPS biến đổi song song và UPS biến đổi Delta. Hình 1a - Trong UPS dự bị (hình 1a), điện áp mạng lưới qua mạch điều áp Re thông minh rồi qua khóa K đưa tới tải. Khi điện áp lưới bị mất, mạch điều áp điều khiển khóa K chuyển sang mạch b, chuyển điện năng từ bộ ắcquy qua bộ N nạp điện, khi mất điện, ắcquy phóng điện. Dòng điện một chiều qua bộ nghịch biến, thành dòng xoay chiểu để cung cấp cho tải. Hình 1b + Trong UPS kiểu hỗ động trên dây (hình 1b) thì bộ ắcquy luôn nối tới mạch dây cung cấp chính. Khi mất điện lưới, thì khóa K hở mạch, ắcquy qua bộ nghịch biến cấp điện cho tải. Khi có điện lưới, bộ điều áp Re nhận biết được trạng thái này và tự động điều khiển khóa K nối thông. Lúc này ắcquy nạp điện qua bộ nghịch biến. Trong hai kiểu trên, bản thân UPS không gây ra méo dòng điện, nhưng chỉ thích hợp với công suất nhỏ. + UPS biến đổi Delta ( Hình 2). Trong đó bộ biến đổi điện gồm hai bộ AC/DC và DC/AC mắc nối tiếp nhau. Đầu ra của bộ nghịch biến (I) ghép qua biến áp với mạch cấp điện chính, có tác dụng nâng hệ số công suất. UPS kiểu biến đổi Delta có hệ số công suất (power factor) tới 0,99. Khi điện áp lưới mất, thì ắcquy qua bộ nghịch biến II cấp điện cho tải. Hình 2 + UPS kiểu biến đổi kép trên dây (hình 3). Trong đó bộ biến đổi kép gồm bộ nghịch biến AC/DC nối tiếp với DC/AC nhưng bộ biến đổi AC/DC là mạch chỉnh lưu dùng thyristor. Mạch chỉnh lưu này có thể là một pha 50Hz hoặc 3 pha 50Hz. Với bộ chỉnh lưu một pha thì hệ số công suất cỡ 0,6-0,7. Với chỉnh lưu 3 pha thì hệ số công suất tới 0,8-0,85. Hình 3 Bộ UPS được gọi là bộ UPS biến đổi kép vì: khi mạng điện lưới hoạt động bình thường thì điện áp xoay chiều của mạng đổi thành dòng một chiều, nạp cho ắcquy. Tiếp theo bộ nghịch biến DC/AC biến thành dòng xoay chiều cấp cho phụ tải. Khóa K trong bộ UPS này có 2 tác dụng: vừa là mạch đóng mở trạng thái tĩnh, vừa có tác dụng phân dòng khi sửa chữa. Khi bản thân UPS bị sự cố thì khóa K chuyển, nối phụ tải trực tiếp với nguồn điện lưới. Khi cần sửa chữa thì khóa K nối phụ tải ngay với nguồn lưới và tiến hành sửa chữa bộ UPS. Vấn đề nâng cao tính ổn định và độ tin cậy của UPS dung lượng lớn Chúng ta đang trong thời kỳ bùng nổ công nghệ viễn thông - tin học, cứ 2 đến 3 năm lại có công nghệ mới xuất hiện. Số người sử dụng dịch vụ viễn thông tin học tăng nhanh. Việc bố trí các thiết bị điện lực và các thiết bị tin học viễn thông để đáp ứng yêu cầu và khi cần nâng cấp thiết bị thông tin dẫn tới nhiều vấn đề. Hiện nay trong các trung tâm viễn thông tin học lớn dùng các UPS có dung lượng tới 16kVA... Phần lớn các đài đó dùng phương thức cấp điện có dư thừa (dự phòng). Chúng ta có thể nhận thức vấn đề sử dụng nguồn điện UPS tại các phòng máy như sau: Các phòng máy viễn thông chủ yếu sử dụng các server, router... và các thiết bị số trọng yếu khác để quản lý các hộ thuê bao. Các thiết bị này đều do bộ nguồn UPS cung cấp. Nếu như nguồn điện không ổn định, đều ảnh hưởng trực tiếp tới nghiệp vụ. Do đó từ các trạm trên mạng đường trục (xương sống) người ta thường giảm tới mức tối đa các phòng máy cần có độ tin cậy cao. Thông thường các phòng máy viễn thông sử dụng phương thức "cấp điện có dự phòng" qua hệ thống UPS dòng xoay chiều. Độ an toàn của hệ thống nguồn điện UPS phụ thuộc độ tin cậy của thiết bị UPS. Có tài liệu giới thiệu độ tin cậy của thiết bị UPS tới 99,99% nhưng trong thực thế vận hành cho thấy có những hư hỏng xuất hiện tại những khâu trong hệ thống cấp nguồn mà không dự tính hết. Thực tế thấy độ tin cậy của hệ thống nguồn UPS thấp hơn nhiều so với bản thuyết minh do các hãng sản xuất đưa ra. Theo thống kê điều tra cho thấy trên 50% sự cố làm ngừng máy là do con người gây ra. Vì vậy, nâng cao chất lượng mạng viễn thông tin học cần không ngừng nâng cao trình độ người quản lý, không ngừng đổi mới công nghệ, không ngừng đổi mới thiết bị, trong đó có thiết bị cấp nguồn UPS. Vấn đề tiêu chuẩn hóa các thiết bị UPS cần được đặt ra đối với việc quản lý mạng viễn thông tin học để đảm bảo tính tin cậy và tính an toàn của hệ thống. Sự xuất hiện sóng hài trong bộ nghịch biến và tác hại của chúng Như các sơ đồ của thiết bị UPS ta thấy các bộ nghịch biến AC/DC đều dùng các thyristo chỉnh lưu bộ điều khiển pha. Trong mỗi chu kỳ 50Hz của nguồn điện lưới, mỗi thyristo thông điện theo lần lượt. Ta xét một mạch điện 3 pha nửa sóng để làm thí dụ như hình 4. Để đơn giản ta bỏ qua ảnh hưởng điện kháng mạch xoay chiều. Tình huống bình thường, khi Ta thông điện thì xung kích thích thyristo Tb tại a<180o. Lúc này điện áp pha B cao hơn điện áp pha A, xung kích thích Tb làm Ta chịu thêm một điện áp ngược, Ta hoàn toàn bị cắt, dòng điện quá độ chảy qua Tb. Nhưng nếu như xung của Tb bị mất (hoặc tại a>180o) xung mới xuất phát, thì điện áp pha A đã cao hơn pha B, thyristo Tb chịu một điện áp ngược không có khả năng dẫn thông, thì thyristo Ta tiếp tục dẫn thông đến khi điện áp pha A trở thành dương thì có thể hình thành 2 nguồn đoản mạch nguồn vào tạo thành sự đột biến. Do đó dạng điện áp ra không là hình sin như hình 4c. Như vậy, bên cạnh thành phần 50Hz, còn xuất hiện các thành phần sóng hài. Tương ứng với các pha điện áp, dòng điện của các pha cũng không là hình sin như hình 4d. Cần lưu ý là trong mạch nghịch biến này ta không xét đến ảnh hưởng của các phần tử điện kháng. Ta gọi thành phần sóng hài của dòng điện vào là tỷ lệ phần trăm của các sóng hài dòng điện trên tổng số dòng điện vào (In/Im)%. Ta thấy (In/Im)% càng thấp cho thấy UPS càng ít gây phức tạp cho mạng điện lưới. Đây cũng là chỉ tiêu chủ yếu mà các hệ thống tiêu chuẩn IEC và IEEC đề cập tới. Sóng hài do bộ UPS gây ra nhiễu tác hại, đặc biệt là khi có nhiều bộ UPS hoạt động. Hình 4 Nếu xét từng bộ UPS thì sóng hài can nhiễu của một bộ UPS không ảnh hưởng tới tự bản thân, nhưng trong một đài viễn thông, hệ thống cấp điện có nhiều bộ UPS cùng loại (đồng nhất) cùng hoạt động, mỗi bộ UPS đều tương đương như một nguồn can nhiễu đối với hệ thống sóng hài bậc cao của dòng điện đều là vô công nhưng ảnh hưởng đến hệ thống cấp điện chung, gây ra các hiện tượng sau: điện áp mạng lưới có biến đổi lạ, can nhiễu mạnh trong hệ thống và thiết bị sử dụng điện khác ảnh hưởng đến sự vận hành của bộ biến áp, máy phát điện, mô tơ, bộ lọc điện điện dung... gây ra các hiện tượng công suất tổn hao tăng, vật cách điện chóng bị lão hóa, vòng quay của môtơ (không đồng bộ) bị giảm thấp, chấn động tăng, tiếng ồn tăng mạnh, có khi rơle tự động cắt điện, máy tính hoặc thiết bị điện tử hoạt động nhầm. Can nhiễu thông qua dây dẫn tín hiệu, dây đo lường mà bức xạ, ảnh hưởng tới độ chính xác của đồng hồ đo điện. Dòng điện vô công xuất hiện, tăng thêm dung lượng mạng lưới và tăng tổn hao mạng. Để cải thiện được hệ số công suất dẫn vào và giảm nhỏ thành phần sóng hài của dòng điện, ta dùng bộ lọc. Dòng điện sóng hài cũng là nguyên nhân chủ yếu gây ra điện áp sai trên mạch "điểm đất không" làm cho các thiết bị điện toán vận hành không bình thường. Lúc này ta phải dùng dây cáp điện có đường kính lớn và dây tiếp đất thật tốt để giảm tác hại trên. Tóm lại, can nhiễu sóng hài xuất hiện trong hệ thống cấp điện dùng nhiều bộ UPS, tại trung tâm thông tin lớn là hiện tượng rất phức tạp. Hy vọng chúng ta phát hiện chính xác và khắc phục nhanh. Tiêu chuẩn quốc tế về UPS đối với các sóng hài Để giải quyết vấn đề ảnh hưởng xấu do sóng hài của UPS tới hệ thống điện lực, các nước đã đề ra tiêu chuẩn quốc gia để bảo đảm chất lượng cho mạng điện lưới. Năm 1992, Mỹ đưa ra tiêu chuẩn IEEE 519, yêu cầu các hộ sử dụng điện hạn chế thành phần sóng hài nhỏ hơn 5%. Trong đó sóng hài thứ 11 nhỏ hơn 4%, sóng hài 11-17 nhỏ hơn 2%, sóng hài 17-23 nhỏ hơn 0,3%. Vào năm đó, Hội điện lực quốc tế IEC đề ra tiêu chuẩn IEC 1000-3-2 "Hạn chế sóng hài đối với thiết bị nối vào mạng hạ áp" tiêu thụ dòng điện nhỏ hơn 16A. Các chỉ tiêu hạn chế dòng điện sóng hài như bảng 1. Bảng 1 IEC 1000-3-2 Sóng hài bậc chẵn n 3 5 7 9 11 13 15 n 39 Imax (A) 2,3 1,14 0,77 0,4 0,3 0,21 0,15x15/n Sóng hài bậc lẻ n 2 4 6 8 n 40 Imax (A) 1,08 0,43 0,3 0,23x8/n IEC1000-3-2 chú ý tới hạn chế các thiết bị có sóng hài dòng điện lớn hơn tiêu chuẩn trên. Năm 1995 IEC lại công bố tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 "Hạn chế thành phần sóng hài dòng điện đối với các thiết bị dùng dòng điện lớn hơn 16A". Tiêu chuẩn này quy định trị số hạn chế sóng hài chia theo tình huống và đẳng cấp. Đối với nhiều thiết bị cùng đặt trong một đài thì nên xét chúng vào một chỉnh thể. Hệ số sóng hài dòng điện (In/Im)% như bảng 2. Bảng 2. IEC 1000-3-4 n (lẻ) 3 5 7 9 11 13 15 17 tới 31 33 (In/Im)% 21,6 10,7 7,2 3,8 3,1 2 0,7 1,2 0,7 0,6 n (chẵn) thì (In/Im)% 0,8n hoặc 0,6n Một số biện pháp nâng cao chất lượng bộ UPS và giảm sóng hài Từ các cấu trúc của UPS đã giới thiệu ở trên ta thấy UPS dùng 2 bộ nghịch biến như hình 3 có ưu điểm và thích hợp với nguồn dung lượng lớn làm việc tại các trung tâm thông tin và tin học lớn. a) Dùng mạch chỉnh lưu 12 van: Với mạng lưới 3 pha ta có thể dùng mạch van chỉnh lưu thì hệ số công suất vào cao tới 0,8 và thành phần sóng hài thấp hơn 30%. Nếu dùng mạch 12 van chỉnh lưu thì hệ số công suất vào cao tới 0,85 và thành phần sóng hài thấp hơn 12% khi đủ tải và không quá 25% khi nhẹ tải. b) Phối hợp với các bộ lọc không nguồn (thụ động) Dùng bộ lọc mạch cộng hưởng LC mắc song song với phụ tải có thể khử bớt sóng hài bậc cao. Bộ lọc thụ động này sản sinh ra dòng điện dung tính đối với sóng 50Hz nên một phần nào đó có thể bù lại thành phần dòng cảm tính của dòng vào bộ chỉnh lưu. Kết quả là hệ số công suất được nâng lên. Khi thiết kế các tham số bộ lọc chủ yếu tại tình huống mãn tải, Khi nhẹ tải (hoặc không tải) thì hệ số phụ tải (phụ tải có tính điện dung) bị giảm thấp rất nhiều so với tính toán. Lúc này có thể áp dụng một số phương pháp điều tiết như dùng bộ lọc có thêm thiết bị tự động cắt khỏi mạng khi UPS bị nhẹ tải. c) Phối ghép với bộ lọc tích cực (bộ lọc có nguồn) Hình 5 Sơ đồ ghép như hình 5. Bộ lọc tích cực gồm các modun và các mạch logic thực hiện việc đo kiểm dạng sóng dòng điện vào của UPS, lọc bỏ thành phần sóng cơ bản 50Hz, còn lại các thành phần sóng qua mạch chỉnh lưu dùng IGBT (Thyristo 2 cực cổng biến đổi tốc độ nhanh) hồi tiếp về mạch vào để giảm bớt các thành phần hài. Bộ lọc tích cực này hoạt động tức thời, hiệu chỉnh những biến đổi của dạng sóng và nâng cao được hệ số công suất. Hiệu quả của bộ lọc tích cực rất tốt. Khi UPS đầy đủ tải, thành phần sóng hài của dòng điện vào của bộ UPS có dùng bộ lọc tích cực, có thể nhỏ hơn 4%, hệ số công suất có thể đạt 0,95. Khi UPS có nửa tải hoặc không tải, thành phần sóng hài thấp hơn 8%. Bộ lọc số tích cực đồng thời kết hợp với kỹ thuật hiệu chỉnh hệ số công suất PFC (power factor control) theo kỹ thuật số DSP thì có thể giảm được thành phần sóng hài dưới 3%. Do sự hạn chế về tính năng và công suất của các phụ tùng linh kiện của bộ lọc số tích cực nên dung lượng của UPS dùng bộ lọc này thường chỉ tới 30kVA. Kết luận Các trung tâm viễn thông, tin học hoạt động với yêu cầu về độ an toàn rất cao. Tương ứng, hệ thống cấp điện, UPS tất nhiên phải hoạt động với độ tin cậy rất cao bảo đảm cấp điện 24 giờ liên tục. Khi thiết kế và lắp đặt thiết bị UPS ta nên lưu ý một số điểm: - Chọn kiểu mạch UPS thích hợp và thỏa mãn tiêu chuẩn IEC-1000-3-2 và IEC-1000-3-4. - Dùng mạch nắn 6 van hoặc 12 van có ghép nối với bộ lọc thụ động. Cần lưu ý khi nhẹ tải có dùng điện kháng bổ sung. - Dùng bộ lọc tích cực kết hợp với kỹ thuật xử lý số.