Định nghĩa UPS là gì? Phân loại UPs, nguyên lý hoạt động của UPs

Ở Việt Nam, UPS thường quen được gọi là: cái lưu điện hay bộ lưu điện, cục lưu điện… Các loại UPS thông dụng hiện nay thường bao gồm 3 loại chính theo nguyên lý làm việc của chúng:  UPS offline, UPS offline công nghệ Line interactive và UPS online. Nếu lựa chọn một chiếc UPS thì bạn chọn loại nào? giá tiền của chúng ra sao và sự ảnh hưởng của từng loại UPS đối với thiết bị sử dụng như thế nào…

   Cũng như bắt đầu một bài viết mới mà bạn có thể định viết, tôi bắt đầu tìm các thông tin về chúng tại Internet để xem có cần thiết phải viết ra không – thay vì chỉ cần chỉ ra nơi có bài viết tốt dành cho bạn, và chỉ việc bổ sung các ý kiến khác của mình mà thôi. Tôi bắt đầu đi tìm trên Wikipedia, và thấy một bài cùng tên UPS, thật vui vì phiên bản đó cũng có đối với tiếng Anh (cột bên trái của Wikipedia ở mỗi mục đều có phần dành cho liên kết đến với ngôn ngữ khác trên thế giới), tôi tìm được mục từ Uninterruptible Power System trên phiên bản Wikipedia tiếng Anh[2]. Tất nhiên là tôi lấy một phần kiến thức của chúng cho entry này của mình, và sắp xếp cho chúng bắt đầu từ thế nào mà thôi. Bạn thấy không, tất cả đều rất dễ dàng.

I.  NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

   Trước hết, xin giải thích thêm một chút về năng lượng tích tụ trong UPS như thế nào? Rất nhiều người đã biết rằng bên trong UPS sẽ có các ắc quy để tích điện, có lẽ chỉ cần biết đến thế là biết được nguyên lý làm việc của chúng một cách sơ đẳng nhất: Chuyển điện từ ắc quy sang thành nguồn điện dân dụng của địa phương.

Tích trữ năng lượng bằng ắc quy

   Như vậy, bên trong mỗi UPS đều có ắc quy. Tôi luôn nhìn thấy hai chiếc để có một điện áp khoảng 24Vdc, nhưng một bạn đã comment rằng có loại UPS chỉ sử dụng một chiếc ắc quy 12V mà thôi. Như vậy thì có thể loại UPS này công suất khá thấp hoặc là chúng có loại ắc quy rất tốt để cho phép xuất một dòng điện lớn, bởi vì công suất phát của ắc quy tính theo P (công suất, W) = U ( điện áp, V) x I (dòng điện, A) thì ví dụ như để phát khoảng 200W, với 1 ắc quy 12V phải xuất một dòng điện khoảng 16,6A, nhưng với 2 ắc quy 12V nối tiếp thì chỉ phải xuất ra 8,3A thôi. Để xuất một dòng lớn như 16,6A thì ắc quy phải có các bản cực to và điện môi tốt, các mạch điện lại bị gây tổn thất nhiệt cao nên hiệu suất giảm. Do đó mà tôi nghĩ rằng ai đó thiết kế ra loại UPS dùng một ắc quy có lẽ là … chưa được chuyên nghiệp cho lắm. Biến đổi thành dòng điện xoay chiều

   Và ắc quy cung cấp điện một chiều thì làm thế nào để có thể biến chúng thành xoay chiều? Điều này thì chắc chỉ có ai học điện tử mới hiểu rõ được, nhưng bạn có thể hiểu loáng thoáng rằng có một mạch điện nào dó biến đổi điện một chiều thành các giao động xoay chiều, và các giao động này với tần số và điện áp phù hợp với địa phương mà bạn sử dụng – tức là 220Vac 50Hz hoặc 110Vac 60Hz.

   Có phải tất cả các UPS đều có các nguyên lý hoạt động giống nhau? Không, chúng có các loại sơ đồ nguyên lý khác nhau, chính do đó mà có đến ba loại UPS được phân loại như sau:

II.  PHÂN LOẠI UPS

   UPS loại phổ thông nhất được phân thành các dòng sản phẩm chính về công nghệ như sau: UPS Offline (đơn thuần), UPS Offline với công nghệ Line-interactive, UPS Online. (còn hai loại khác nữa là: UPS tĩnh, UPS quay thì có lẽ rằng chúng không sử dụng các nguyên lý như loại UPS phổ thông dùng trong dân dụng nên ít được nhắc tới, bản thân tôi cũng chưa biết đến chúng)

  1. UPS OFFLINE

   Được sử dụng nhiều nhất hiện nay có lẽ là các loại UPS offline bởi giá thành của chúng rẻ hơn nhiều so với các loại UPS cùng loại. Nếu bạn đang sử dụng một chiếc UPS thì nhiều khả năng thuộc loại này, có phải rằng tôi đã chủ quan khi nói điều đó? bởi vì tôi biết rằng người đọc blog ở Việt Nam (thông qua sự thống kê của geovisit mà tôi đang dùng trên blog) thường chưa hiểu rõ về các UPS và các loại của chúng nên lựa chọn theo cảm tính và giá rẻ là phần nhiều.

   Dưới đây là sơ đồ cơ bản về nguyên lý làm việc của UPS offline, loại thông dụng nhất trên thị trường hiện nay: (lưu ý rằng hình minh hoạ này có thể chứa các ngôn ngữ không quen thuộc đối với bạn)

Theo sơ đồ này, ta nhận thấy rằng phương pháp làm việc của nó như sau:

• Nguồn điện lưới đầu vào thông qua một công tắc ngắt mạch (được ghi chữ “bypass” trong sơ đồ) đến với đường đầu ra.
•  

  Nguồn điện từ pin được chuyển đổi thành điện áp xoay chiều theo tham số phù hợp với nguồn điện địa phương.

   

• Khi mất điện lưới, hệ thống ắc quy cung cấp cho mạch điện giao động để chuyển thành dòng điện xoay chiều tiếp tục cung cấp cho thiết bị tiêu thụ.
•  

   Nhìn qua sơ đồ này chúng ta dễ nhận ra nhược điểm của loại UPS offline: Thời gian chuyển mạch từ khi sự cố điện lưới cho đến khi nguồn pin cung cấp cho thiết bị tiêu thụ. Hiểu một cách đơn giản thế này: Công tắc ngắt điện khỏi nguồn lưới để chuyển sang dùng điện từ pin phải đảm bảo khi ngắt hoàn toàn ra khỏi lưới điện mới được phép cung cấp điện từ bộ inverter (trên thực tế thì các UPS này có đến hai “công tắc chuyển mạch” kiểu như trên dược điều khiển cùng lúc – trong kỹ thuật thường gọi là “rơ le”) bởi nếu không dòng điện cung cấp từ pin sẽ phải cấp cho cả lưới điện địa phương – và cũng như máy phát điện, hệ thống sẽ hư hỏng vì quá tải.   Tất nhiên là sơ đồ trên chỉ cho bạn thấy một cách nhìn tổng thể, sơ đẳng nhất, ở dưới đây là một sơ đồ có vẻ như sẽ tốt hơn cho bạn hình dung về quá trình làm việc của UPS offline. Tại sao tôi không sử dụng sơ đồ này ngay nhỉ? Ồ, thật đơn giản rằng nếu không có sơ đồ trên thì có lẽ rằng sơ đồ phía dưới đây sẽ trở lên khó hiểu hơn đối với bạn – nhất là những người ít khi nhìn vào các mạch điện hoặc là có am hiểu nhiều về điện-điện tử.

 Ở hình này thể hiện hai trạng thái làm việc của một UPS offline thông thường (không có công nghệ Line interactive):

• Ở trạng thái lưới điện ổn định thì nguồn tiêu thụ sử dụng điện trực tiếp của lưới điện. UPS lúc này chỉ sử dụng một bộ nạp (charger) để nạp điện một cách tự động cho ắc quy mà thôi.
•  
• Khi điện áp lưới điện không đảm bảo (quá cao, quá thấp) hoặc mất điện thì lúc này mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp ra từ ắc quy và bộ inverter.
•  

   Qua nguyên lý được phân tích như trên thì ta thấy rằng thời gian cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ vì thế mà bị gián đoạn. Sự gián đoạn này gây ra việc cung cấp nguồn điện không ổn định tại phía các thiết bị tiêu thụ:   Một số máy tính bị tắt do nguồn máy tính (PSU) thuộc loại chất lượng thường hoặc công suất thấp, có khả năng tích điện tại tụ đầu nguồn đầu vào thấp so với nhu cầu công suất của các linh kiện trên máy tính, nên thời gian chuyển mạch của UPS đã gây dừng sự hoạt động của PSU. Rất nhiều người đã gặp điều này nhưng lại đổ lỗi cho chiếc UPS của họ – và họ có thể mang đi bảo hành rồi lại bị trả lại bởi vì kỹ thuật viên nơi bán đã kiểm tra và thấy chúng chẳng bị làm sao cả   Cũng qua sơ đồ, ta thấy rằng UPS offline không có công dụng ổn áp khi chúng sử dụng điện lưới bình thường – bởi đơn giản khi không có sự cố về lưới điện thì các thiết bị phía sau UPS đơn thuần được nối trực tiếp với lưới điện thông qua rơ le (phần bypass trong sơ đồ trên). Có vẻ như nhiều người cho rằng UPS luôn tích hợp sẵn công dụng ổn áp phải không? Đúng là nó có tính năng ổn áp, nhưng không phải loại UPS offline này – mà là loại UPS online mà bạn sẽ xem ở phần dưới.

   2. UPS offline VỚI CÔNG NGHỆ LINE INTERACTIVE

   Khắc phục nhược điểm của loại UPS offline thông thường là loại UPS offline công nghệ Line interactive. Do sự tích cực hơn trong nguyên lý hoạt động nên chúng lại có giá thành cao hơn so với loại UPS offline thông thường. (lưu ý rằng hình minh hoạ này có thể chứa các ngôn ngữ không quen thuộc đối với bạn) Bạn có thấy rằng sơ đồ mạch của loại UPS này có vẻ gì đó giống như sơ đồ mạch của loại UPS offline đơn thuần phía bên trên hay không? Chắc là bạn cũng nhận thấy điều này: Phần nhánh ắc quy và inverter không thay đổi, chỉ có phía bên nhánh cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ điện lẽ ra được nối trực tiếp thì lại được nối loằng ngoằng qua những ký hiệu gì đó khó hiểu. Đúng thế thật, tôi nhìn vào đó cũng chẳng biết gì – bởi vì tôi không được học chính thống về điện tử, và do đó tôi đoán bạn cũng như vậy.   Một lát nữa thôi, bạn sẽ nhìn xuống phía dưới và nhìn thấy chúng thật đơn giản: đó là một biến áp. Như vậy thì UPS offline công nghệ line interactive hơn gì so với loại UPS offline thông thường? Tôi nghĩ chính là ở điểm có cái biến áp đó. Biến áp này về bản chất thì giống như các loại biến áp tự ngẫu[6] trước đây mà nhiều người dân Việt Nam đã từng sử dụng (thời điểm trước khi xuất hiện các ổn áp nội địa hiệu LiOA chiếm lĩnh thị trường): Có nghĩa là nếu điện áp của lưới điện thấp hay cao thì chúng ta phải chạy đến chỗ cái biến áp tự ngẫu đó để xoay xoay, vặn vặn nó. Ở đây cũng vậy, mặc dù chúng không được như chiếc “ổn áp” để có thể tự động xoay mà lại sử dụng các nấc chuyển mạch để thay đổi mức điện áp của nó nhưng cũng có các cách để tự động thực hiện việc đó.

 Có nên giải thích sơ qua về một chiếc biến áp không nhỉ? Tôi nghĩ rằng mình đã viết rồi ở đâu đó trên blog này. Vâng, đúng vậy, mặc dù chưa được hoàn thiện như mong muốn, nhưng tôi mời bạn xem qua một bài viết của tôi về cái ổn áp, từ đó bạn sẽ thấy ý nghĩa của nó. Nó đây, với một cái tên khá buồn cười: Ổn áp nghiến răng. (bạn click vào đó thì trình duyệt sẽ mở ra một cửa sổ mới, sau đó quay lại đây để mời bạn đọc tiếp những dòng phía dưới này.   Và giờ đây thì chắc bạn hiểu được rằng điện áp xoay chiều mà ta thường dùng có thể thay đổi bởi biến áp bằng cách thay đổi số vòng dây của cuộn sơ cấp hoặc thứ cấp. Các biến áp tự ngẫu thường là thay đổi số vòng của cuộn dây đầu vào – tức là cuộn sơ cấp – để có thể thay đổi điện áp đầu ra.   Ở đây, theo hình ngay phía trên, ta dễ nhận thấy rằng nhánh cung cấp điện trực tiếp cho thiết bị tiêu thụ được thông qua một biến áp tự ngẫu (sơ đồ trên vẽ thì không chính xác là biến áp tự ngẫu đâu, nhưng ta nên hiểu là biến áp tự ngẫu). Ở đây có các trường hợp sau:

• Trong trường hợp điện áp cấp vào UPS bình thường, có nghĩa là chúng xấp xỉ thông số đầu ra ở lưới điện địa phương của bạn thì mạch UPS hoạt động như khung hình phía trên-bên trái. có nghĩa rằng biến áp tự ngẫu lúc này có số vòng dây sơ cấp bằng thứ cấp, do đó không có sự can thiệp nào vào điện áp đầu ra – và UPS hoạt động giống như loại UPS offline thông thường.
•  
• Trong trường hợp điện áp của lưới thấp hơn so với điện áp chuẩn, biến áp tự ngẫu sẽ chuyển mạch sang một nấc khác, làm cho điện áp đầu ra đảm bảo đúng thông số yêu cầu. Trong trường hợp điện áp của lưới điện cao hơn so với thông số chuẩn thì trường hợp này cũng vậy.
• Trong trường hợp mất điện lưới UPS offline công nghệ Line interactive sẽ chuyển các mạch giống như loại UPS thông thường: tức là chúng ngắt nhánh đi qua biến áp tự ngẫu và chuyển sang sử dụng nhánh ắc quy với inverter.
•  

   Bạn còn thấy chúng có ổn định được điện áp hay không? Rõ ràng rằng loại UPS offline theo công nghệ line interactive này tiến bộ hơn loại UPS offline truyền thống: Chúng có thể ổn định điện áp so với việc không có ột chút chức năng ổn áp nào của loại offline truyền thống như đã nói ở trên. Mở rộng ra một chút với người am hiểu về điện-điện tử bạn có thể hiểu rằng chiếc biến áp trong sơ đồ trên hoàn toàn thuộc loại biến áp tự ngẫu thông thường, có nghĩa là chúng chỉ có một cuộn dây và các đầu ra khác nhau. Vậy thì chúng chuyển mạch bằng cách nào? Tất nhiên là qua các rơ-le rồi. Khi tôi mở một chiếc UPS công nghệ Line-Interactive thì nhận thấy chúng có khoảng 5 chiếc rơ-le, trong đó một chiếc lớn nhất nằm ở phía sau máy, bốn chiếc còn lại trên mạch in. Rơ le này do các mạch điện của UPS điều khiển chúng. Nếu bạn có một chiếc UPS loại này thì bạn dễ nhận thấy rằng chúng có thể phát ra các tiếng kêu lách tách nhỏ do sự làm việc của các rơle đó.

   3. UPS online

   Khắc phục hoàn toàn các nhược điểm trên là loại UPS online, chính vì vậy mà loại UPS này thường có giá bán cao nhất so với các loại trên.   Dưới đây là sơ đồ nguyên lý làm việc đơn giản của nó:

   Ở đây, chúng ta thấy rằng viếc cấp điện cho thiết bị tiêu thụ là hoàn toàn liên tục khi có sự cố về lưới điện.   Hãy thử phân tích sơ đồ dưới góc độ người sử dụng như sau:   Nguồn điện lưới lúc này không cung cấp điện trực tiếp cho các thiết bị, mà chúng được biến đổi thành dòng điện một chiều tương ứng với điện áp của ắc quy. Ở đây trong mạch đã thể hiện sự cung cấp điện từ ắc quy và chính từ lưới điện đến bộ inverter để biến đổi thành điện áp đầu ra phù hợp với thiết bị sử dụng.   Như vậy, có thể thấy rằng trong bất kỳ sự cố nào về lưới điện thì UPS online cũng có thể cung cấp điện cho thiết bị sử dụng mà không có một thời gian trễ nào. Điều này làm cho thiết bị sử dụng rất an toàn, và ổn định.   UPS online sẽ luôn luôn ổn định điện áp đầu ra bởi cũng theo mạch thì điện áp đầu vào lúc này được biến đổi xuống mức điện áp ắc quy và chúng có công dụng như một ắc quy có dung lượng lớn vô cùng (nếu không bị sự cố lưới điện), mạch inverter [3] sẽ đóng vai trò một bộ ổn định điện áp. Vì vậy chỉ với các loại UPS online mới có công dụng ổn áp một cách triệt để.   Nếu như vậy, bạn nhận thấy có cần thiết sử dụng một chiếc UPS cho các máy tính xách tay hay không? Tôi nghĩa là không cần thiết, bởi có vẻ như mỗi chiếc máy tính xách tay có pin còn làm việc tốt thì phần cấp điện chính cho bo mạch chủ và các thiết bị khác làm việc sẽ luôn giống như một chiếc UPS online.

III.  CÁC TÍNH NĂNG KHÁC CỦA UPS

   UPS có thể có một số tính năng phụ như sau để giúp người sử dụng có thể an toàn hơn hoặc quản lý điện năng tốt hơn với máy tính.   Chống sét cho đường dây điện thoại hoặc đường Internet.   Bạn có thể nhìn thấy hình minh hoạ đầu tiên của một chiếc UPS có tính năng này. Ở đây bạn nhìn thấy có hai cổng vào/ra để bảo vệ chống sét gây hư hại đến máy tính của bạn: Việc sử dụng đơn giản nhất là thay vì cắm đầu kết nối vào máy tính của bạn (từ ổ cắm trên tường trong các doanh nghiệp hoặc từ modem của bạn đến) thì bạn cắm vào UPS và đầu ra theo cổng phù hợp của UPS này bạn nối vào máy tính.

Tương tác với máy tính thông qua kết nối

Đây là một tính năng cao cấp của các loại UPS cao cấp, không phải mọi loại UPS đều có tính năng này.   Tính năng này cho phép sự tương tác giữa UPS với máy tính của bạn – mà trực tiếp là với hệ điều hành bạn đang sử dụng. Bạn biết rằng mỗi một UPS chỉ có thể cung cấp năng lượng trong một thời gian nhất định mà thôi, do đó sẽ có lúc mà UPS này sẽ hoàn toàn không thể cung cấp điện năng được nữa. Tất nhiên, cho dù chúng cung cấp khoảng thêm 5 phút, cho đến khoảng 20 phút nữa thì ắc quy của nó cũng sẽ hết điện.   Như vậy thì nếu bạn không để ý, khi UPS hết điện sẽ làm cho máy tính của bạn bị ngắt điện và có khả năng là bạn bị mất dữ liệu thành quả của bạn khi làm việc. Có thể rằng điều này sẽ không xảy ra khi mà bạn đang ngồi cạnh máy tính và UPS sẽ báo động bằng còi khi trạng thái lưới điện bị mất để bạn có thể ghi lại thành quả và tắt máy tính an toàn. Nhưng đúng là có những lúc bạn không có ở đó thì máy tính sẽ không tự động được shutdown an toàn.   Nếu như UPS được nói chuyện với máy tính thì lại khác: Hệ điều hành biết trước rằng UPS sắp sửa ngừng cung cấp điện cho nó và lúc này hệ điều hành sẽ tự ra lệnh shutdown máy tính một cách an toàn sau khi tự động ghi lại toàn bộ thành quả đang làm việc.  

Bạn biết rằng: Nguồn điện lưới thì không thể phát tín hiệu được cho máy tính biết được rằng nó sắp bị sự cố[4], và tương tự như vậy thì UPS cũng thế, bởi vì chúng không khác gì nguồn điện lưới: Cũng ba chân cắm vào nguồn máy tính[5]. Vậy thì UPS phải có một cách khác để có thể giao tiếp với máy tính? Bạn có nhìn thấy hình ảnh rất nhiều ý nghĩa ở phía trên về mặt sau của một chiếc UPS hay không (tại sao tôi không chọn một hình ảnh mặt trước UPS một cách đẹp đẽ nhỉ^^), ở đó bạn sẽ thấy một cổng giao tiếp mà người sử dụng quen gọi là cổng COM để có thể nối với máy tính. Hiện nay thì các cổng chập như vậy đã dần biết mất khỏi cấu trúc máy tính cá nhân, chúng được thay thế bằng các cổng USB.   

Qua cổng giao tiếp với máy tính (COM, USB…) tất nhiên là máy tính chẳng thể hiểu được rằng UPS định làm gì cả, lại phải có các phần mềm, các trình điều khiển đi kèm (nếu cần) để hệ điều hành có thể biết được UPS có đã đến thời gian sắp cắt điện để có thể thực hiện các công việc của nó. Các phần mềm này sẽ có các hướng dẫn đi kèm, nếu bạn có nó, bạn sẽ tự cài đặt, thiết lập một cách rất nhanh thôi. Thông báo trạng thái:   Không phải loại UPS nào cũng có các hình thức thông báo trạng thái làm việc của chúng, tuy nhiên những loại UPS có chất lượng cao thì thường có tối thiểu là các đèn LED để thông báo trạng thái làm việc, trạng thái tích điện của ắc quy…   Cá biệt, có các loại UPS có một màn hình tinh thể lỏng nhỏ để hiển thị các thông số làm việc của chúng.

Các ứng dụng chủ yếu của UPS thường là:

- UPS cho công nghiệp
- UPS cho các thiết bị y tế
- UPS cho trung tâm dữ liệu
- UPS cho các tải quan trọng