BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) LÀ GÌ?
Ở Việt Nam, UPS thường quen được gọi là: cái lưu điện hay bộ lưu điện, cục lưu đi
ện... Các loại UPS thông
dụng hiện nay thường bao gồm ba 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 ti
ền 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 v
ề 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 ch
ỉ 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, th
ật
vui vì phiên bản đó cũng có đối với tiếng Anh (cột bên trái của Wikipedia ở mỗi mục đều có phần d
ành cho liên
kết đến với ngôn ngữ khác trên thế giới), tôi tìm được mục từ Uninterruptible Power System trên phiên b
ản
Wikipedia tiếng Anh[2]. Tất nhiên là tôi lấy một phần kiến thức của chúng cho entry này của mình, và s
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 bi
ết
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 vi
ệc 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 th
ấy 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 th
ể
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 v
ì
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 đ
ể phát
khoảng 200W, với 1 ắc quy 12V phải xuất một dòng điện khoảng 16,6A, nhưng với 2 ắc quy 12V nối tiếp th
ì
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 đi
ện môi tốt,
các mạch điện lại bị gây tổn thất nhiệt cao nên hiệu suất giảm. Do đó mà tôi ngh
ĩ 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 ch
ắc
chỉ có ai học điện tử mới hiểu rõ được, nhưng bạn có thể hiểu loáng thoáng rằng có một mạch điện nào dó bi
ến
đổi điện một chiều thành các giao động xoay chiều, và các giao động này với tần số và điện áp phù h
ợp 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 nguy
ên
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 nh
ư sau: UPS Offline (đơn
thuần), UPS Offline với công nghệ Line-interactive, UPS Online. (còn hai loại khác nữa là: UPS t
ĩnh, UPS quay
thì có lẽ rằng chúng không sử dụng các nguyên lý như loại UPS phổ thông dùng trong dân dụng nên ít đư
ợc
nhắc tới, bản thân tôi cũng chưa biết đến chúng)
1. UPS offline
Ở hình này thể hiện hai trạng thái làm việc của một UPS offline thông thư
ờng (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 ch
ỉ
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 m
ạch 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 m
à
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 thư
ờng 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 th
ời
gian chuyển mạch của UPS đã gây dừng sự hoạt động của PSU. Rất nhiều người đã gặp điều này nhưng l
ại 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 ki
ểm
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 thư
ờng
- bởi đơn giản khi không có sự cố về lưới điện thì các thiết bị phía sau UPS đơn thuần đư
ợc nối trực tiếp với
lưới điện thông qua rơ le (phần bypass trong sơ đồ trên). Có vẻ như nhiều ngư
ời 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 lo
ại 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 v
ới loại UPS offline thông
thường. (lưu ý rằng hình minh hoạ này có thể chứa các ngôn ngữ không quen thuộc đ
ối 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 b
ên
trên hay không? Chắc là bạn cũng nhận thấy điều này: Phần nhánh ắc quy và inverter không thay đ
ổi, chỉ có
phía bên nhánh cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ điện lẽ ra được nối trực tiếp thì lại đư
ợc 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 đư
ợc 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 v
ậy
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 nhi
ều
người dân Việt Nam đã từng sử dụng (thời điểm trư
ớc 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 ph
ải 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 chi
ếc "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 c
ũng 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 trê
n blog
này. Vâng, đúng vậy, mặc dù chưa được hoàn thiện như mong muốn, nhưng tôi mời bạn xem qua một bài vi
ết
của tôi về cái ổn áp, từ đó bạn sẽ thấy ý nghĩa của nó. Nó đây, với một cái tên khá buồn cư
ời: Ổn áp nghiến
răng. (bạn click vào đó thì trình duyệt s
ẽ 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 th
ể 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 v
òng
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 đư
ợc
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 l
à
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 lư
ới
điện địa phương của bạn thì mạch UPS hoạt động như khung hình phía trên-bên trái. có ngh
ĩa 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 đi
ện áp
đầu ra - và UPS hoạt động giống như loại UPS offline thông thường.
Trong trường hợp điện áp của lưới thấp hơn so v
ới 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 trư
ờng 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 nh
ư
loại UPS thông thường: tức là chúng ngắt nhánh đi qua biến áp tự ngẫu và chuy
ển sang sử dụng nhánh
ắc quy với inverter.
Bạn còn thấy chúng có ổn định được điện áp hay không? Rõ ràng r
ằng loại UPS offline theo công nghệ line
interactive này tiến bộ hơn lo
ại 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 ngư
ời am
hiểu về điện-điện tử bạn có thể hiểu rằng chiếc biến áp trong sơ đồ trên hoàn toàn thu
ộc 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 m
ạch
bằng cách nào? Tất nhiên là qua các rơ-le rồi. Khi tôi mở một chiếc UPS công nghệ Line-Interactive thì nh
ận
thấy chúng có khoảng 5 chiếc rơ-le, trong đó một chiếc lớn nhất nằm ở phía sau máy, bốn chiếc còn lại tr
ên
mạch in. Rơ le này do các mạch điện của UPS điều khiển chúng. Nếu bạn có một chiếc UPS loại này thì b
ạn 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 thư
ờng 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 th
ành 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 c
ũng 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 đư
ợc biến đổi
xuống mức điện áp ắc quy và chúng có công dụng như một ắc quy có dung lượng lớn vô cùng (n
ếu không bị sự
cố lưới điện), mạch inverter [3] sẽ đóng vai trò một bộ ổn định điện áp. Vì v
ậy 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 d
ụng 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 ph
ần 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 ho
ặc 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 th
ấy 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 c
ắm
đầu kết nối vào máy tính của bạn (từ ổ cắm trên tường trong các doanh nghiệp hoặc từ modem của bạn đến) th
ì
bạn cắm vào UPS và đầu ra theo cổng phù hợp của UPS này bạn nối vào máy tính. Tương tác v
ới máy tính
thông qua kết nối Đây là m
ột 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 b
ạn
đang sử dụng. Bạn biết rằng mỗi một UPS chỉ có thể cung cấp năng lượng trong một thời gian nhất định m
à
thôi, do đó sẽ có lúc mà UPS này sẽ hoàn toàn không thể cung cấp điện năng được nữa. Tất nhi
ên, 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 l
à
bạn bị mất dữ liệu thành quả của bạn khi làm việc. Có thể rằng điều này sẽ không xảy ra khi mà b
ạn 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 t
ắt
máy tính an toàn. Nhưng đúng là có những lúc bạn không có ở đó thì máy tính sẽ không tự động đư
ợc shutdown
an toàn.
Nếu như UPS được nói chuyện với máy tính thì lại khác: Hệ điều hành biết trư
ớc 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 t
ự 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 đư
ợc rằng nó sắp bị sự
cố[4], và tương tự như vậy thì UPS cũng thế, bởi vì chúng không khác gì nguồn điện lư
ới: 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 th
ấy
hình ảnh rất nhiều ý nghĩa ở phía trên về mặt sau của một chiếc UPS hay không (tại sao tôi không ch
ọn một
hình ảnh mặt trước UPS một cách đẹp đẽ nhỉ^^), ở đó bạn sẽ thấy một cổng giao tiếp mà ngư
ời sử dụng quen
gọi là cổng COM để có thể nối với máy tính. Hiện nay thì các cổng chập như vậy đã d
ần biết mất khỏi cấu trúc
máy tính cá nhân, chúng được thay thế bằng các cổng USB.