Bộ cung cấp nguồn AC
1. Nguồn điện AC là gì?
Nguồn điện xoay chiều là loại nguồn điện được sử dụng để cung cấp nguồn điện xoay chiều (AC) cho tải. Đầu vào nguồn có thể ở dạng AC hoặc DC. Nguồn điện được cung cấp từ ổ cắm trên tường (nguồn điện lưới) và các thiết bị lưu trữ điện khác nhau đôi khi không tương thích với nguồn điện mà tải cần. Để giải quyết vấn đề này, bộ nguồn AC sẽ biến đổi và tinh chỉnh nguồn AC từ nguồn điện thành điện áp, dòng điện và tần số mà thiết bị cần. Nó được thực hiện bằng cách tăng hoặc giảm điện áp, sau đó là lọc. Vì vậy, nguồn điện được cung cấp cho thiết bị một cách chính xác và được kiểm soát.
Bộ nguồn AC cũng có thể điều chỉnh điện áp cung cấp cho tải và/hoặc đưa dòng điện do tải kéo về mức an toàn.
2. Bản chất của dòng điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều (AC) là một dạng điện trong đó dòng điện đổi chiều theo chu kỳ. Kết quả là điện áp cũng thay đổi cực tính theo thời gian. Nó được tạo ra bởi máy phát điện xoay chiều thông qua nguyên lý cảm ứng điện từ; một máy phát điện xoay chiều bao gồm một dây dẫn quay trên các cực từ cố định.
AC là đối diện trực tiếp của dòng điện một chiều trong đó cực tính và hướng không đổi theo thời gian.
Dạng sóng AC
Dạng sóng mô tả cường độ và hướng của dòng điện. Dạng sóng AC thu được bằng cách vẽ các giá trị tọa độ tức thời của dòng điện hoặc điện áp theo thời gian. Phổ biến nhất là dạng sóng hình sin, thường được gọi là sóng hình sin, mặc dù các dạng sóng AC khác như hình tam giác, hình vuông và răng cưa.
Sóng hình sin là sóng liên tục và được biết đến một cách rõ ràng bởi hình chữ S đặc trưng của chúng dao động trên và dưới 0. Trục x của đồ thị của chúng được chia thành các độ biểu thị thời gian, tức là thời gian được biểu thị bằng độ. Mặt khác, trục y tương ứng với điện áp hoặc dòng điện. Một chu kỳ được hoàn thành khi một sóng đã hoàn thành hành trình từ 00 đến 3600.
Sóng hình sin AC được biểu diễn bằng phương trình toán học: A(t) = Amax sin (2πft).
Dựa trên dạng sóng hình sin của AC, các thông số AC sau đã được rút ra:
| Biên độ (Amax) | đề cập đến điện áp hoặc dòng điện tối đa mà dạng sóng AC đạt tới. Nó cũng đề cập đến cường độ của điện áp hoặc dòng điện. Nó được hiển thị trên biểu đồ sóng hình sin dưới dạng các đỉnh cao nhất và thấp nhất tương ứng với tọa độ 900 và 2700 x của biểu đồ. Biên độ sẽ có dấu âm khi đạt tới 2700. Nhưng dấu âm chỉ biểu thị hướng của sóng ngược lại và giá trị của điện áp và dòng điện không nhỏ hơn 0. Giá trị tối đa của điện áp ở dạng sóng AC được gọi là “điện áp cực đại”. |
| Tần số (f) | là số lần chu kỳ sóng lặp lại trong một giây. Hertz (Hz, chu kỳ trên giây) là đơn vị đo tần số. Đây là một trong những thông số quan trọng thường được quy định trong hệ thống điện xoay chiều. |
| Khoảng thời gian (T) | là khoảng thời gian cần thiết để hoàn thành một chu kỳ. Nó bằng 1/f. Sóng tần số cao có chu kỳ ngắn hơn. |
| Điện áp và dòng điện trung bình | lần lượt là giá trị trung bình của tất cả các điện áp và dòng điện tức thời trong một chu kỳ sóng. Đối với sóng hình sin AC, chúng bằng 0 vì sóng dao động trên và dưới 0 một cách đối xứng trừ khi có một DC chồng lên nhau. |
| Điện áp và dòng điện trung bình bình phương (RMS) | là điện áp hoặc dòng điện một chiều tương đương về mặt lý thuyết sẽ tiêu tán cùng một công suất hoặc nhiệt như cùng một điện áp hoặc dòng điện xoay chiều được đo. RMS là thước đo thống kê về độ lớn của các đại lượng khác nhau. Trong dạng sóng hình sin AC, điện áp RMS tương đương với điện áp cực đại chia cho căn bậc hai của 2. Giá trị này được sử dụng để tính điện áp xoay chiều hiệu dụng |
| Độ lệch pha (φ) | đề cập đến độ lệch góc giữa hai dạng sóng. Nó đo khoảng thời gian mà sóng dẫn đầu đi trước sóng trễ. Nó cũng có thể được xác định bằng cách trừ đi các góc tương ứng mà sóng đạt đến đỉnh cao nhất hoặc thấp nhất. |
Ứng dụng của dòng điện xoay chiều
Năng lượng điện ở dạng AC được sản xuất bởi hầu hết các nhà máy điện và được phân phối bởi phần lớn lưới điện. Đây là dạng điện điển hình được cung cấp cho gia đình, doanh nghiệp và các ngành công nghiệp của chúng ta. Điều này là do AC rẻ hơn và hiệu quả hơn nhiều để tạo ra và truyền tải so với DC. Điện áp của nguồn điện xoay chiều có thể được tăng hoặc giảm nhờ máy biến áp để giảm thiểu tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải. Ngoài ra, máy biến áp chỉ hoạt động trên dòng điện xoay chiều vì chúng phụ thuộc vào tính chất đảo chiều của dòng điện xoay chiều.
Các thiết bị điện tử như radio, đèn, động cơ, tivi và các thiết bị gia dụng khác sử dụng trực tiếp nguồn điện xoay chiều để hoạt động. Trong khi đó, nguồn DC được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử tiêu dùng.
Tần số và điện áp của nguồn điện xoay chiều do các nhà máy điện và lưới điện cung cấp cho người dùng cuối khác nhau tùy thuộc vào quốc gia hoặc khu vực. Tại Hoa Kỳ, tần số và điện áp tiêu chuẩn có sẵn từ các ổ cắm trên tường trong nhà và doanh nghiệp của chúng ta lần lượt là 60 Hz và 120 VAC. Tần số và/hoặc điện áp tiêu chuẩn được thiết lập có thể khác khi chúng tôi đến các quốc gia khác.
Nguồn điện xoay chiều ở dạng bộ chuyển đổi và máy biến áp giúp các thiết bị điện của chúng ta tương thích với nguồn điện xoay chiều được cung cấp từ nguồn điện lưới. Sử dụng dạng điện không tương thích (tức là sai tần số hoặc điện áp) có thể gây trục trặc hoặc hỏng hóc cho các thiết bị được kết nối. Điều quan trọng là phải kiểm tra định mức điện áp đầu vào của nguồn điện xoay chiều xem nó có thể hoạt động với nguồn điện ở khu vực của bạn hay không. Nếu không, nó cũng có thể làm hỏng nguồn điện AC và các thiết bị điện được kết nối với nó.
3. Nguồn điện xoay chiều một pha và ba pha
Nguồn điện xoay chiều được phân loại thành nguồn điện một pha và ba pha:
 |
 |
Nguồn điện ba pha
Nguồn điện một pha bao gồm hai dây dẫn mang dòng điện: dây pha và dây trung tính. Dòng điện xoay chiều biến đổi chạy từ dây pha đến tải được kết nối. Sau khi dòng điện đi qua tải sẽ trở về nguồn thông qua dây trung tính. Nó có cấu trúc đơn giản hơn so với nguồn điện ba pha và tiêu thụ ít dây dẫn hơn.
Công suất một pha được biểu diễn bằng sóng hình sin. Một chu kỳ hoàn chỉnh là 3600, và các đỉnh dương và âm lần lượt là 900 và 2700. Do sự tăng giảm của điện áp nên nguồn điện không được cung cấp ở mức không đổi.
Nguồn điện một pha được sử dụng để chạy các thiết bị và thiết bị điện có yêu cầu năng lượng thấp. Nó thường được sử dụng trong không gian dân cư để cung cấp năng lượng cho các thiết bị như quạt, máy làm mát, máy điều hòa không khí nhỏ, đèn và các thiết bị khác. Tuy nhiên, nó không thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị công nghiệp lớn.
Nguồn điện ba pha
Nguồn điện ba pha chủ yếu bao gồm ba dây dẫn mang dòng điện. Mạch trong các bộ nguồn này có thể ở cấu hình wye hoặc delta. Một dây trung tính có mặt trên cấu hình wye.
Hệ thống điện ba pha được biểu diễn bằng ba sóng hình sin, một sóng cho mỗi dây dẫn, với độ lệch pha giữa chúng là 1200. Mỗi pha có tần số và biên độ bằng nhau. Trong hệ thống điện này, điện áp cực đại được sóng đạt tới hai lần trong mỗi chu kỳ hoàn chỉnh và điện áp ròng không bao giờ bằng 0. Do đó, dòng điện ổn định được cung cấp cho tải với tốc độ gần như không đổi. Hiệu suất của nguồn điện ba pha cao hơn đáng kể so với nguồn điện một pha mang cùng tải.
Hệ thống điện ba pha được sử dụng trong các thiết bị công nghiệp nặng có yêu cầu năng lượng lớn. Chúng thường được sử dụng cho máy bơm điện, máy sưởi điện, động cơ và các loại khác. Họ kinh tế hơn để hoạt động.
4. Bộ chuyển đổi AC sang AC
Bộ chuyển đổi AC sang AC biến đổi nguồn AC đầu vào thành tần số, điện áp và pha cần thiết của thiết bị. Các loại bộ chuyển đổi AC sang AC phổ biến như sau:
Bộ chuyển đổi AC sang AC được liên kết DC
Bộ chuyển đổi AC sang AC được liên kết DC sử dụng bộ chỉnh lưu và liên kết DC để chỉnh lưu và làm mịn nguồn AC được cung cấp thành DC trước tiên. Tụ điện liên kết DC kết nối nguồn điện và biến tần, đồng thời hoạt động như một thiết bị lưu trữ năng lượng cân bằng tải giúp điều chỉnh điện áp và ngăn ngừa tăng đột biến điện áp và EMI trong biến tần. Khi dòng điện được chuyển thành DC, biến tần sẽ chuyển đổi trở lại thành AC với tần số và điện áp đầu ra cần thiết. Những bộ chuyển đổi này có hai loại:
- – Bộ chuyển đổi biến tần nguồn hiện tại (CSI)
- – Bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSI)
Cycloconverters
Bộ chuyển đổi Cycloconverters chuyển đổi nguồn điện xoay chiều ở tần số nhất định thành đầu ra AC có tần số thấp hơn. Không giống như loại trước, không có bước chuyển đổi sang DC làm bước trung gian, gây tốn kém và phát sinh nhiều tổn thất hơn.
5. Biến tần nguồn
Bộ biến tần nguồn hoặc bộ biến tần DC sang AC là loại nguồn điện xoay chiều chuyển đổi dòng điện một chiều điện áp thấp đầu vào thành dòng điện xoay chiều hữu ích có thể chạy các thiết bị điện tử AC. Nó được sử dụng trong các nguồn điện di động và khẩn cấp. Bộ biến tần nguồn cho phép bạn sử dụng nguồn DC từ pin, pin nhiên liệu và nguồn năng lượng tái tạo để vận hành phương tiện, thiết bị và các thiết bị điện tử khác cần nguồn AC. Bộ biến tần nguồn ngược lại với bộ chỉnh lưu chuyển đổi dòng điện AC thành DC và thường được sử dụng trong các bộ nguồn DC.
Nguồn DC chạy từ cực âm của nguồn điện (tức là pin) đến tải và cuối cùng quay trở lại pin thông qua cực dương. Bộ biến tần hoạt động bằng cách nhận nguồn DC vào mạch của bộ biến tần và làm cho nó dao động để đảo ngược hướng và tần số. Trong các phiên bản cũ của bộ biến tần nguồn, việc thay đổi hướng của DC đầu vào được thực hiện bằng các bước sau:
- Việc bật tắt DC liên tục để tạo ra dòng điện hình vuông xen kẽ tuần hoàn giữa biên độ 0 và biên độ dương. Để đạt được tần số đầu ra yêu cầu, dòng điện cần phải được chuyển mạch 50 đến 60 lần mỗi giây, tương ứng với 50 Hz và 60 Hz.
- Lật các tiếp điểm đầu cực bằng cơ cấu để đảo chiều điện áp và dòng điện về biên độ âm.
Thiết lập này tạo ra sóng vuông do sự chuyển đổi đột ngột của DC. Tuy nhiên, sóng vuông có thể không tương thích với các thiết bị điện tử nhạy cảm vì chúng có thể cung cấp nguồn điện ổn định. Các bộ biến tần nguồn hiện đại như sóng hình sin thuần túy và bộ biến tần sóng hình sin đã được sửa đổi hoặc gần như làm cho sự thay đổi dòng điện dần dần.
Pure Sine Wave (PSW) Inverters
Bộ biến tần PSW tạo ra dạng sóng AC có hình sin hoàn hảo tương tự như điện gia dụng tiêu chuẩn, sử dụng các linh kiện điện tử đặc biệt như tụ điện, điện trở và bóng bán dẫn (ví dụ: MOSFET) hoặc bằng bộ dao động cầu Wien. PSW hoạt động hoàn hảo với hầu hết các thiết bị điện tử, bao gồm cả các thiết bị thông minh yêu cầu nguồn điện xoay chiều. Biến tần PSW chạy các thiết bị này một cách trơn tru. Tuy nhiên, nó có thể đắt gấp đôi so với bộ biến tần MSW.
Modified or Quasi Sine Wave (MSW) Inverters
Bộ biến tần MSW tạo ra dạng sóng AC vuông nhưng không có các góc vuông sắc nét và trông giống như sóng hình sin có pixel. Những bộ biến tần này sử dụng các linh kiện điện tử rẻ tiền hơn như điốt và thyristor. Do đó, chúng rẻ hơn bộ biến tần PSW. Bộ biến tần MSW hoạt động tốt với một số thiết bị điện tử đơn giản hơn, ngoại trừ đồng hồ, tủ lạnh, thiết bị có bộ điều khiển vi xử lý, thiết bị y tế và các thiết bị khác.
Nguồn điện được lưu trữ trong pin có điện áp DC thấp, khoảng 12-24 VDC. Trước khi cung cấp điện cho tải thường yêu cầu điện áp xoay chiều cao hơn khoảng 110-240 VAC, trước tiên nó sẽ đi qua một máy biến áp được tích hợp bên trong bộ biến tần nguồn để tăng điện áp.
6. Uninterruptible Power Supply – UPS
Nguồn điện liên tục (UPS) cung cấp nguồn điện dự phòng hoặc khẩn cấp cho tải trong một khoảng thời gian ngắn trong trường hợp nguồn điện chính giảm điện áp hoặc bị hỏng. Nó cũng bảo vệ các thiết bị nhạy cảm khỏi sự dao động điện, tăng và giảm điện áp tức thời, tiếng ồn và méo sóng hài. Nó thường được sử dụng trong máy tính, hệ thống lưu trữ dữ liệu, hệ thống viễn thông, thiết bị công nghiệp và cơ sở chăm sóc sức khỏe; nó có một vai trò quan trọng trong hệ thống chăm sóc sức khỏe vì nó cung cấp năng lượng dự phòng cho các thiết bị hỗ trợ sự sống trong bệnh viện, đặc biệt là ở các đơn vị chăm sóc đặc biệt.
Loại UPS AC đến AC có thể cung cấp nguồn AC đầu ra cho tải. Khi nguồn điện xoay chiều đi vào UPS, trước tiên nó sẽ được chuyển đổi thành DC bằng bộ chỉnh lưu. DC sạc pin để lưu trữ năng lượng được sử dụng để cấp nguồn cho biến tần nếu xảy ra gián đoạn nguồn điện. Như đã thảo luận trước đó, bộ biến tần chuyển đổi nguồn DC thành nguồn AC đầu ra.
Có ba loại UPS:
Online UPS hoặc UPS chuyển đổi kép
Trong hoạt động bình thường của Online UPS, tất cả nguồn điện xoay chiều đến được chuyển đổi thành nguồn DC. Một phần nguồn DC được sử dụng để sạc pin thông qua mạch điều khiển sạc. Pin được kết nối trực tiếp với biến tần. Nguồn DC còn lại được sử dụng để cấp cho biến tần, cung cấp nguồn AC cho tải. Bộ chỉnh lưu và biến tần luôn được kích hoạt. Trong trường hợp mất điện, pin sẽ duy trì dòng điện ổn định khi không cần chuyển sang nguồn điện khác. Do đó, sẽ có độ trễ thời gian bằng không.
UPS trực tuyến được sử dụng trong các thiết bị điện tử nhạy cảm, trong đó việc mất điện trong vài mili giây có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của thiết bị. Tuy nhiên, do có nhiều chuyển đổi năng lượng nên tổn thất điện năng cao. UPS trực tuyến yêu cầu pin lớn có tuổi thọ ngắn hơn do sạc liên tục.
Offline UPS hoặc Standby UPS
Trong hoạt động bình thường của UPS trực tuyến, một phần chính của nguồn điện xoay chiều đến được cung cấp cho tải trong khi phần còn lại được chuyển đổi thành nguồn DC được sử dụng để sạc pin. Trong trường hợp mất điện, công tắc truyền tĩnh sẽ chuyển nguồn điện cho tải từ biến tần. Biến tần chỉ được kích hoạt trong những trường hợp như vậy, làm trì hoãn dòng điện xoay chiều đến tải. Những độ trễ chuyển đổi này có thể mất tới 5-25 mili giây.
Do đó, UPS ngoại tuyến chỉ được sử dụng cho các thiết bị điện tử không quan trọng, chẳng hạn như máy tính cá nhân, có thể chịu được sự dao động điện rất ngắn. Vì có ít chuyển đổi năng lượng hơn nên tổn thất điện năng cũng ít hơn.
Line-Interactive UPS
UPS tương tác đường dây cung cấp đầu ra điện áp được điều chỉnh thông qua việc sử dụng máy biến áp tự động có điện áp thay đổi và bộ lọc. Nó phản ứng với các điều kiện quá điện áp hoặc thấp áp mà không cần chạm vào nguồn điện DC trong pin. Nguồn DC được lưu trữ trong pin chỉ được tiêu thụ khi mất điện kéo dài hơn.
Máy biến áp tăng hoặc giảm điện áp xoay chiều đến giá trị mà thiết bị cần. Chúng được tích hợp vào các loại nguồn điện xoay chiều khác để điều chỉnh điện áp. Máy biến áp tự ngẫu, được tìm thấy trong UPS tương tác đường dây, là một loại máy biến áp bao gồm một cuộn dây dẫn đơn được quấn trong một lõi. Nó không tốn kém và có kích thước nhỏ gọn. Mặt khác, máy biến áp cách ly được sử dụng để cấp nguồn điện xoay chiều cho một thiết bị nhưng không làm tăng hoặc giảm điện áp. Nó được sử dụng để bảo vệ thiết bị khỏi nhiễu điện và tăng vọt điện áp. Cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có số vòng dây bằng nhau.
7. Bộ chuyển đổi AC sang AC và nguồn điện có thể lập trình
Bộ chuyển đổi AC sang AC
Bộ chuyển đổi AC sang AC là nguồn điện giúp giảm điện áp của dòng điện xoay chiều ở tần số cụ thể từ nguồn điện chính. Nó được sử dụng để biến đổi nguồn điện xoay chiều để cung cấp cho tải yêu cầu điện áp thấp hơn.
Nó còn được gọi là máy biến áp cắm trên tường, va chạm trên tường, khối nguồn, bộ điều hợp trên tường hoặc mụn cóc trên tường. Các thành phần của bộ chuyển đổi AC sang AC được chứa bên trong một vỏ nhựa nhỏ. Để tạo ra dòng điện, chúng phải được kết nối với nguồn điện chính bằng cách cắm các cực của chúng vào ổ cắm trên tường.
Nguồn điện có thể lập trình
Bộ nguồn có thể lập trình là bộ nguồn để bàn cung cấp điện cho tải và có thể điều khiển từ xa điện áp, tần số và dòng điện đầu ra. Chúng có khả năng cung cấp cả nguồn AC và DC. Hoạt động từ xa của các bộ nguồn này được thực hiện nhờ giao diện analog hoặc kỹ thuật số và các máy vi tính tích hợp để điều khiển và giám sát việc cung cấp điện cho thiết bị. Nguồn cung cấp năng lượng có thể lập trình thường được sử dụng trong chế tạo chất bán dẫn, quá trình phát triển tinh thể và máy phát tia X.
