Tất tần tật về cuộn cảm lọc (Inductors) trong bộ chỉnh lưu bộ lưu điện UPS
Trong bộ chỉnh lưu của UPS, cuộn cảm lọc là bộ phận quan trọng. Nó giúp làm mịn dòng điện và giảm nhiễu dù kích thước nhỏ. Nó góp phần đáng kể vào việc đảm bảo chất lượng nguồn điện đầu ra. Huyndai Việt Thanh sẽ giới thiệu vai trò và nguyên lý hoạt động của cuộn cảm lọc trong bài này.
Cấu tạo
Cuộn cảm trong bộ chỉnh lưu UPS được thiết kế để làm mịn dòng điện và lọc nhiễu. Về mặt cấu tạo, cuộn cảm gồm hai thành phần chính là lõi từ và dây quấn.
Lõi từ
Lõi từ là phần trung tâm dẫn từ của cuộn cảm, giúp tăng độ tự cảm và tập trung từ thông. Trong hệ thống UPS, ba loại lõi từ thường được sử dụng:
- Lõi sắt (Iron core): Có độ từ thẩm cao, phù hợp với các ứng dụng công suất lớn. Tuy nhiên, lõi sắt thường đi kèm với tổn hao lõi cao. Chủ yếu được dùng khi yêu cầu độ tự cảm lớn trên một thể tích nhỏ.
- Lõi ferit (Ferrite core): Là vật liệu từ tính hỗn hợp gốm. Nó có khả năng làm việc tốt ở tần số cao, tổn hao lõi thấp. Ferit được sử dụng phổ biến trong các UPS sử dụng mạch chuyển đổi tần số cao.
- Lõi không khí (Air core): Không bị bão hòa từ và không có tổn hao lõi. Có độ tự cảm thấp nên chỉ dùng trong các mạch yêu cầu dòng cao, nhiễu thấp, và tần số rất cao.
Dây quấn
Dây quấn là phần dẫn dòng điện và tạo ra từ trường. Các thông số kỹ thuật của dây quấn ảnh hưởng trực tiếp đến điện cảm, tổn hao và khả năng chịu dòng của cuộn cảm.
- Vật liệu: Thường dùng đồng do có điện trở suất thấp và khả năng dẫn điện tốt. Một số ứng dụng yêu cầu trọng lượng nhẹ có thể sử dụng nhôm, nhưng tổn hao sẽ cao hơn.
- Số vòng dây: Số vòng càng nhiều thì độ tự cảm càng lớn. Nhưng đồng thời làm tăng điện trở và tổn hao nhiệt. Thiết kế số vòng phải cân bằng giữa hiệu suất và khả năng chịu tải.
- Tiết diện dây: Phụ thuộc vào dòng điện làm việc. Dây tiết diện lớn hơn chịu được dòng cao hơn nhưng chiếm nhiều không gian và khó cuốn
Nguyên lý hoạt động
- Cảm ứng điện từ
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, một từ trường biến thiên được tạo ra xung quanh nó. Bất kỳ sự thay đổi nào trong từ thông xuyên qua cuộn dây sẽ sinh ra một suất điện động. Chúng cảm ứng ngược chiều với sự biến đổi dòng điện ban đầu.
Chính đặc điểm này khiến cuộn cảm “chống lại” sự thay đổi đột ngột của dòng điện. Từ đó làm mượt dòng điện đầu ra sau chỉnh lưu.
- Kháng trở với dòng điện xoay chiều
Cuộn cảm thể hiện một loại trở kháng đặc biệt gọi là cảm kháng
Khi tần số tăng, cảm kháng tăng theo. Điều này khiến cuộn cảm trở nên rất hiệu quả trong việc chặn hoặc suy giảm các thành phần nhiễu cao tần thường xuất hiện trong quá trình chỉnh lưu.
- Cuộn cảm lọc tín hiệu nhiễu và làm mượt dòng điện
Sau khi dòng điện xoay chiều (AC) được biến đổi thành dòng điện một chiều (DC), dạng sóng đầu ra không hoàn toàn phẳng mà chứa gợn sóng (ripple) và nhiễu cao tần. Cuộn cảm lọc sẽ làm việc như sau:
- Triệt tiêu nhiễu tần số cao: Với cảm kháng lớn ở tần số cao, cuộn cảm ngăn dòng nhiễu cao tần đi qua. Tương tự như một bộ lọc thông thấp.
- Ổn định dòng DC: Đối với thành phần DC hoặc biến thiên chậm, cảm kháng gần như bằng 0. Do đó dòng điện DC đi qua dễ dàng.
- Giảm gợn sóng dòng: Cuộn cảm tích trữ năng lượng trong từ trường khi dòng điện tăng và giải phóng khi dòng điện giảm. Từ đó làm phẳng biên độ dao động dòng điện.
Chức năng
Giảm gợn sóng dòng điện sau chỉnh lưu
Sau khi dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành một chiều, tín hiệu đầu ra thường chứa thành phần gợn sóng (ripple) – Các dao động điện áp tần số cao chưa được loại bỏ hoàn toàn. Cuộn cảm lọc hoạt động như một bộ lọc thông thấp, giúp:
- Làm mượt dạng sóng dòng điện
- Giảm biến thiên điện áp đầu ra
- Tăng độ ổn định cho nguồn một chiều
Bảo vệ linh kiện phía sau
Cuộn cảm đóng vai trò như một lớp đệm năng lượng. Giúp ngăn các xung điện áp đột biến và nhiễu cao tần truyền đến các linh kiện nhạy cảm như:
- Tụ lọc
- Bộ nghịch lưu (inverter)
- Mạch điều khiển vi xử lý
Cải thiện hệ số công suất
Dòng điện ngõ vào thường bị lệch pha hoặc biến dạng so với điện áp lưới, dẫn đến hệ số công suất thấp.
Cuộn cảm lọc giúp làm trơn dòng điện ngõ vào, từ đó:
- Giảm dòng phản kháng
- Tăng hệ số công suất (Power Factor)
- Giảm tổn thất công suất vô ích trong hệ thống
Giảm tổn hao năng lượng
Dòng điện có nhiều nhiễu và dao động tần số cao gây tổn hao nhiệt và hiệu ứng bề mặt (skin effect) trong dây dẫn. Việc lọc bỏ thành phần cao tần không cần thiết giúp:
- Giảm tổn hao năng lượng trên đường truyền
- Tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống UPS
- Giảm nhiệt độ hoạt động của thiết bị, tối ưu tản nhiệt
Các loại cuộn cảm lọc
Bảng so sánh các loại cuộn cảm lọc theo kiểu lõi từ
| Loại lõi | Cấu tạo đặc trưng | Ưu điểm | Nhược điểm |
| Lõi EI (EI Core) | Gồm các lá thép kỹ thuật điện (silicon steel) xếp thành hình chữ E và chữ I. Ghép lại thành mạch từ kín. | – Dễ chế tạo, phổ biến trong công nghiệp truyền thống.
– Có thể chịu được dòng DC tốt. – Dễ thay thế và lắp đặt, chi phí sản xuất thấp. |
– Tổn hao lõi tương đối lớn do dòng điện xoáy và tổn hao từ trễ.
– Từ trường rò rỉ cao, có thể ảnh hưởng đến các mạch xung quanh. – Dễ tạo tiếng ồn cơ học ở tần số thấp. |
| Lõi hình xuyến (Toroidal Core) | Lõi hình tròn khép kín, dây quấn bao quanh đều theo chu vi, thường làm từ bột sắt ép hoặc ferit. | – Hiệu suất từ cao, từ thông phân bố đều nên tổn hao từ rất thấp.
– Từ trường rò rỉ gần như bằng 0, giúp giảm nhiễu EMI đáng kể. – Ít rung động cơ học, hoạt động êm ái. |
– Quá trình quấn dây phức tạp, khó chế tạo bằng máy móc thông thường.
– Giá thành cao hơn nhiều so với lõi EI. – Khó sửa chữa khi hư hỏng do cuốn vòng kín. |
| Lõi E-core (E-E hoặc E-C Core) | Gồm hai nửa lõi hình chữ E ghép lại. Thường sử dụng vật liệu ferit, phù hợp cho mạch tích hợp tần số cao. | – Tối ưu cho các mạch điện tử switching tần số cao.
– Thiết kế nhỏ gọn, dễ tích hợp trên bo mạch in (PCB). – Có nhiều cấu hình tuỳ chỉnh theo yêu cầu thiết kế. |
– Từ thông tập trung ở khe hở không đều → tổn hao nếu thiết kế không chuẩn.
– Ít phù hợp với các mạch dòng lớn. – Khó kiểm soát hiện tượng bão hòa nếu không tính toán kỹ. |
Các thông số kỹ thuật cần quan tâm
Độ tự cảm (Henrys – H hoặc mH)
- Là đại lượng cho biết khả năng chống lại sự thay đổi dòng điện qua cuộn cảm.
- Độ tự cảm càng lớn thì khả năng lọc nhiễu và làm mượt dòng càng tốt.
- Tuy nhiên, độ tự cảm quá cao sẽ làm chậm phản hồi dòng. Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống.
Dòng định mức và dòng bão hòa
- Dòng định mức: là giá trị dòng điện tối đa mà cuộn cảm có thể làm việc liên tục mà không bị nóng lên quá mức.
- Dòng bão hòa: là mức dòng tại đó lõi từ bắt đầu bão hòa. Làm giảm độ tự cảm đáng kể.
→ Nên chọn cuộn cảm có dòng bão hòa lớn hơn ít nhất 20–30% so với dòng làm việc thực tế.
Điện trở DC (DCR)
- Là điện trở thuần của dây quấn khi dòng điện một chiều đi qua.
- DCR càng thấp thì tổn hao nhiệt càng ít → Cuộn cảm hoạt động hiệu quả và ít nóng.
Nhiệt độ làm việc
- Là dải nhiệt độ mà cuộn cảm có thể hoạt động ổn định.
- Nhiệt độ cao làm giảm tuổi thọ cuộn dây và có thể gây chảy lớp cách điện.
→ Cần đảm bảo cuộn cảm phù hợp với môi trường nhiệt độ trong UPS.
Hệ số tổn hao (DCR hoặc ESR)
- Gồm điện trở DC (DCR) và điện trở tương đương (ESR) khi làm việc ở tần số cao.
- ESR ảnh hưởng đến khả năng lọc nhiễu tần số cao và tổn hao tổng thể của cuộn cảm.
→ ESR thấp giúp hiệu suất cao hơn và ít sinh nhiệt.
