Ảnh hưởng của bo mạch điều khiển đến hiệu suất tổng thể của inverter

Bo mạch điều khiển là một thành phần quan trọng nhất trong bộ nghịch lưu của UPS. Nó đóng vai trò như “bộ não” điều phối toàn bộ quá trình chuyển đổi dòng điện. Bo mạch điều khiển giúp UPS hoạt động ổn định, cấp điện liên tục và chất lượng. Hãy cùng Huyndai Việt Thanh tìm hiểu về bộ phận này nhé.

Cấu tạo

Vi điều khiển (MCU) hoặc Bộ xử lý tín hiệu số (DSP)

Đây là trung tâm xử lý của toàn bộ hệ thống điều khiển. MCU (Microcontroller Unit) hoặc DSP (Digital Signal Processor) đảm nhiệm việc xử lý tín hiệu đầu vào. Chúng thực thi thuật toán điều khiển và phát sinh tín hiệu điều khiển cho bộ nghịch lưu.

• MCU thường được dùng trong các dòng UPS nhỏ hoặc trung bình. Nơi yêu cầu xử lý không quá phức tạp.
• DSP thường được ứng dụng trong các hệ thống công suất lớn hoặc yêu cầu cao về hiệu suất điều khiển

Các bộ vi xử lý này thường tích hợp:

• ADC (Analog-to-Digital Converter) để thu tín hiệu cảm biến.
• Bộ phát PWM nội tích hợp với độ phân giải cao.
• Giao tiếp ngoại vi: SPI, I2C, UART, CAN…
• Mạch đo lường – cảm biến dòng và điện áp

Mạch đo lường có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu quan trọng như:

• Dòng điện tải và dòng vào biến tần.
• Điện áp DC bus và điện áp đầu ra AC.

Các linh kiện thường dùng:

• Cảm biến dòng: sử dụng biến dòng (CT), cảm biến Hall hoặc shunt resistor kết hợp khuếch đại vi sai.
• Cảm biến điện áp: cầu chia điện áp kết hợp mạch lọc RC và buffer khuếch đại trước khi đưa vào ADC.

Tín hiệu đầu ra của các cảm biến được đưa về vi điều khiển/DSP để xử lý. Từ đó xác định trạng thái và đưa ra quyết định điều khiển.

Xem thêm:

Đi ốt chỉnh lưu trong bộ chỉnh lưu của UPS

Tất tần tật về tụ điện lọc trong bộ lưu điện UPS

Mạch giao tiếp (Communication Interface)

Để giao tiếp với hệ thống điều khiển bên ngoài, bo mạch điều khiển tích hợp các cổng giao tiếp

• RS232/RS485: dùng cho truyền thông nối tiếp tầm gần hoặc tầm xa. Nó phổ biến trong công nghiệp.
• CAN bus: dùng trong các hệ thống yêu cầu độ tin cậy và tốc độ cao. Như UPS công suất lớn hoặc hệ thống liên kết nhiều bộ UPS.
• Ethernet: ứng dụng trong UPS có hỗ trợ điều khiển giám sát từ xa (SNMP, Modbus TCP).
• USB/UART: dùng cho lập trình firmware hoặc chuẩn đoán lỗi.

Các mạch này thường bao gồm bộ chuyển mức, IC cách ly (như opto-isolator), và chống nhiễu EMC.

Bộ tạo xung điều khiển (PWM Driver)

Đây là khối mạch trung gian giữa vi điều khiển và các linh kiện công suất (IGBT, MOSFET). Vi điều khiển xuất tín hiệu logic PWM. Nhưng để điều khiển các transistor công suất, cần một mạch đệm có khả năng:

• Tăng dòng điều khiển (drive current) đủ lớn để đóng/cắt nhanh transistor công suất.
• Cách ly tín hiệu điều khiển và công suất bằng opto hoặc biến áp xung.
• Bảo vệ xung điều khiển: lọc nhiễu, chống ngắn mạch cổng gate, hạn chế điện áp gate.

Các IC phổ biến dùng làm driver như IR2110, TLP250, hoặc các bộ driver tích hợp cách ly quang học.

Bộ nguồn phụ trợ (Auxiliary Power Supply)

Bo mạch điều khiển cần nhiều mức điện áp khác nhau để cấp cho:

• Vi điều khiển/DSP (3.3V hoặc 5V)
• Mạch cảm biến (±15V hoặc 5V)
• Mạch giao tiếp và PWM driver (thường ±12V hoặc cách ly 15V/15V)

Nguồn này có thể lấy từ:

• Nguồn DC bus qua mạch hạ áp chuyển mạch (buck converter)
• Biến áp cách ly với mạch ổn áp tuyến tính hoặc switching
• Cần bảo đảm cách ly tốt và lọc nhiễu để tín hiệu điều khiển không bị sai lệch.

Chức năng chính

Giám sát điện áp, tần số và dòng điện

Bo mạch điều khiển liên tục thu thập tín hiệu điện áp và dòng điện thông qua:

• Điện áp đầu vào/đầu ra được giám sát để đảm bảo dạng sóng sin có tần số và biên độ ổn định.
• Tần số đầu ra (thường là 50Hz hoặc 60Hz) phải được duy trì chính xác.
• Dòng điện tải được đo để đảm bảo không vượt ngưỡng thiết kế.

Bo mạch sử dụng các bộ ADC có độ phân giải cao kết hợp bộ lọc số để thu nhận và xử lý tín hiệu nhanh trong thời gian thực.

Phát hiện lỗi và bảo vệ hệ thống

Bo mạch điều khiển liên tục thực hiện kiểm tra trạng thái hoạt động và kích hoạt cơ chế bảo vệ khi có bất thường. Một số lỗi phổ biến được giám sát gồm:

• Quá dòng (Overcurrent): Khi dòng điện vượt mức định mức, bộ điều khiển sẽ ngắt xung PWM.
• Quá áp hoặc sụt áp (Overvoltage/Undervoltage): Được phát hiện tại cả đầu ra AC và DC bus. Khi phát hiện, hệ thống sẽ điều chỉnh lại tỷ lệ điều chế.
• Ngắn mạch (Short-circuit): Nếu điện áp đầu ra giảm đột ngột kèm theo dòng tăng vọt, mạch điều khiển sẽ ngắt toàn bộ kênh công suất ngay lập tức.
• Lỗi nhiệt độ: Một số bo mạch còn tích hợp cảm biến nhiệt để phát hiện quá nhiệt tại công suất.

Tất cả các sự kiện lỗi đều được ghi nhận và báo về hệ thống giám sát. Hoặc hiển thị qua LCD/LED, đồng thời lưu trữ nhật ký lỗi (error log).

Điều khiển chuyển đổi chế độ (AC-DC, DC-AC)

Trong các hệ thống UPS online (double conversion), bo mạch điều khiển có nhiệm vụ quản lý trạng thái hoạt động của từng khối chuyển đổi:

• Khi điện lưới ổn định: UPS hoạt động ở chế độ chuyển đổi đôi (AC → DC → AC). Bo mạch điều khiển đồng bộ inverter với tần số lưới để có thể chuyển chế độ sang bypass.
• Khi mất điện: UPS chuyển sang chế độ inverter (DC-AC) hoàn toàn. Bo mạch đảm bảo điện áp đầu ra duy trì ở mức chuẩn và không gây sụt áp.
• Khi trở lại điện lưới: Việc đồng bộ và chuyển lại chế độ bypass được thực hiện mượt mà và tức thời nhờ vào thuật toán đồng pha (synchronization control).

Điều khiển xung PWM cho IGBT/MOSFET

Đây là một trong những chức năng quan trọng nhất. Nó liên quan trực tiếp đến việc tạo ra dạng sóng đầu ra chất lượng cao:

• Bo mạch sử dụng thuật toán điều chế độ rộng xung (PWM) hoặc SVPWM (Space Vector PWM) để điều khiển các switch công suất (IGBT, MOSFET) trong mạch nghịch lưu.
• Thời gian bật/tắt của từng transistor được tính toán cực kỳ chính xác (theo micro giây) để tái tạo sóng sin ở đầu ra. Điều này giúp giảm méo hài tổng (THD), giảm tổn thất và tăng hiệu suất.
• Tần số xung có thể dao động từ 10kHz đến hơn 20kHz tùy vào thiết kế. Nó đòi hỏi vi điều khiển/DSP có tốc độ xử lý cao và độ trễ cực thấp.
• Các tín hiệu PWM được gửi tới driver gate sau khi đã được cách ly quang học hoặc cách ly xung để đảm bảo an toàn và chống nhiễu.

Nguyên lý hoạt động

Quy trình xử lý tín hiệu

• Thu thập tín hiệu từ cảm biến

Các cảm biến dòng và điện áp được đặt tại các điểm quan trọng: Ngõ vào AC, DC bus, đầu ra inverter và tải.

Tín hiệu analog thu được sẽ đi qua mạch lọc. Nó khuếch đại và chuyển đổi ADC (Analog-to-Digital Converter) để đưa vào vi điều khiển/DSP.

Tần số lấy mẫu thường ở mức 10 kHz – 50 kHz. Nhằm đảm bảo độ chính xác cao và khả năng theo dõi tín hiệu biến đổi nhanh.

• Xử lý số liệu qua bộ vi xử lý

Vi điều khiển (MCU) hoặc bộ xử lý tín hiệu số (DSP) sử dụng thuật toán điều khiển. Như PID, vector điều khiển hoặc SPWM/SVPWM để xử lý số liệu đầu vào.

Ngoài ra, khối điều khiển còn thực hiện các thuật toán giám sát lỗi. Như quá áp, mất cân bằng pha, sụt áp đầu ra hoặc ngắn mạch, với độ nhạy cao.

• Xuất tín hiệu điều khiển phù hợp

Sau khi xử lý, hệ thống xuất ra chuỗi tín hiệu điều khiển dưới dạng xung PWM (Pulse Width Modulation).

Các xung này được điều chế theo độ rộng phù hợp để điều khiển các transistor công suất (IGBT hoặc MOSFET) trong bộ nghịch lưu.

Tín hiệu PWM có thể được gửi trực tiếp hoặc thông qua các mạch cách ly/quang cách ly để đảm bảo an toàn điện.

Điều khiển PWM cho bộ nghịch lưu

• Tạo dạng sóng sin giả lập từ dạng sóng vuông

Trong UPS, mục tiêu là tạo đầu ra hình sin để tương thích với lưới điện và thiết bị tải.

Tín hiệu PWM được điều chế theo dạng sóng sin tham chiếu. Nghĩa là mỗi chu kỳ sóng vuông được chia thành nhiều xung nhỏ có độ rộng thay đổi.

Kết quả là, khi tín hiệu PWM được đưa qua bộ lọc LC. Đầu ra thu được là dạng sóng sin tương đối mượt, với THD (Total Harmonic Distortion) thấp.

• Điều chỉnh tần số và điện áp đầu ra

Bo mạch điều khiển có khả năng tự điều chỉnh tần số và điện áp bằng cách thay đổi hệ số điều chế (modulation index) và chu kỳ xung PWM.

Trong trường hợp tải biến động nhanh hoặc có tính phản kháng cao, thuật toán điều khiển sẽ bù công suất tức thời để giữ đầu ra ổn định.

Lưu ý khi thay thế và sửa chữa

• Sử dụng đúng loại bo mạch tương thích

Mỗi dòng UPS sử dụng bo mạch điều khiển riêng, thiết kế phù hợp với kiến trúc mạch, công suất và thuật toán điều khiển cụ thể.

Cần kiểm tra mã model, phiên bản firmware và số hiệu phần cứng (hardware ID) trước khi thay thế.

Sử dụng bo mạch không tương thích có thể dẫn đến lỗi điều khiển, mất đồng bộ inverter, hoặc gây hư hỏng các linh kiện công suất.

• Đảm bảo an toàn điện trước khi thao tác

Ngắt hoàn toàn nguồn điện AC và DC trước khi tháo lắp. Không chỉ ngắt nguồn ngoài, mà cần kiểm tra nguồn nội bộ như acquy hoặc bus DC.

Xả tụ điện (nhất là tụ DC bus) bằng điện trở xả chuyên dụng. Một số tụ có thể giữ điện áp trên 300VDC sau khi tắt máy, rất nguy hiểm.

Đeo găng tay cách điện và sử dụng thiết bị đo kiểm để xác nhận điện áp đã về 0V.

• Thực hiện bởi kỹ thuật viên có chuyên môn

Các thao tác tháo/lắp bo mạch cần tuân thủ quy trình ESD (chống tĩnh điện). Tránh làm hỏng linh kiện SMD.

Kỹ thuật viên cần hiểu rõ sơ đồ mạch, điểm test tín hiệu và trình tự khởi động UPS sau thay thế.

Không tự ý lập trình lại vi điều khiển hoặc thay đổi cấu trúc tín hiệu PWM nếu không có tài liệu kỹ thuật chính hãng.

 

Trên đây là những thông tin về bo mạch điều khiển của UPS, nếu quý khách cần tư vấn thêm hãy liên hệ hotline 0359.375.112 để được hỗ trợ.