Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) và ứng dụng trong UPS công suất lớn

Bộ tạo xung PWM là thành phần quan trọng trong các bộ lưu điện UPS. Bộ phận này giúp điều khiển dạng sóng và điện áp đầu ra. Nhờ công nghệ PWM, UPS có thể hoạt động hiệu quả, ổn định và phù hợp với nhiều loại tải. Huyndai Việt Thanh sẽ trình bày khái niệm, nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế của PWM.

Bộ tạo xung PWM là gì?

PWM (Pulse Width Modulation) – điều chế độ rộng xung. Đây là một kỹ thuật điều khiển tín hiệu được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực điện tử công suất. Đặc biệt trong các hệ thống chuyển đổi điện năng như UPS. Thay vì thay đổi điện áp đầu vào theo cách tuyến tính, PWM duy trì tần số xung không đổi và điều chỉnh độ rộng của từng xung để kiểm soát điện áp đầu ra trung bình.

Trong hệ thống UPS, PWM được dùng để điều khiển các linh kiện đóng cắt như MOSFET hoặc IGBT. Từ đó tạo ra tín hiệu xung có dạng gần giống với sóng sin sau khi được lọc qua mạch LC. Bằng cách thay đổi chu kỳ hoạt động (duty cycle) – tỷ lệ giữa thời gian xung ở mức cao so với toàn chu kỳ – điện áp đầu ra có thể được điều chỉnh một cách hiệu quả và chính xác.

Ưu điểm của kỹ thuật PWM bao gồm:

• Hiệu suất cao: vì các linh kiện bán dẫn hoạt động theo chế độ đóng/ngắt (on/off). Từ đó tổn hao điện năng thấp hơn so với điều khiển tuyến tính.
• Điều khiển chính xác: dễ dàng điều chỉnh điện áp và dòng bằng mạch logic.
• Dễ tích hợp: phù hợp với các hệ thống điều khiển kỹ thuật số, cho phép thiết kế linh hoạt và mở rộng.

PWM đóng vai trò nền tảng trong hoạt động của UPS hiện đại. Đặc biệt là các dòng UPS online, nơi yêu cầu chất lượng điện đầu ra cao.

Xem thêm:

Transistor công suất: IGBT và MOSFET khác biệt gì

Nguyên lý hoạt động

Trong một bộ lưu điện (UPS), mục tiêu chính là duy trì nguồn điện đầu ra ổn định. Để làm được điều đó, UPS cần chuyển dòng DC thành dòng AC có dạng sóng sin. Bộ tạo xung PWM chính là thành phần cốt lõi trong quá trình này.

Sơ đồ khối hoạt động cơ bản

Một hệ thống UPS dùng PWM thường có ba khối chính:

• Khối nguồn DC: thường là ắc quy hoặc bộ chỉnh lưu chuyển đổi AC thành DC.
• Khối tạo xung PWM và điều khiển: Vi điều khiển hoặc mạch số sẽ tạo ra các tín hiệu PWM dựa trên thuật toán điều chế sóng sin (SPWM – Sine PWM).
• Khối công suất chuyển đổi DC-AC: Sử dụng các transistor công suất để đóng/ngắt dòng điện theo tín hiệu PWM.

Tín hiệu PWM được gửi đến các transistor, điều khiển chúng đóng và ngắt theo thời gian rất ngắn (vài micro giây). Chính sự thay đổi độ rộng xung này sẽ tạo ra dạng điện áp “bậc thang”. Sau đó được lọc qua mạch LC để cho ra dạng sóng gần sin.

PWM điều khiển transistor như thế nào?

Trong mỗi chu kỳ PWM, transistor được kích hoạt để dẫn dòng (bật ON) trong một khoảng thời gian nhất định – gọi là chu kỳ hoạt động (duty cycle). Khi cần điện áp cao, xung sẽ có độ rộng lớn; khi cần điện áp thấp, xung sẽ hẹp lại. Việc đóng/ngắt liên tục này giúp tạo ra điện áp trung bình có thể thay đổi theo thời gian, mô phỏng dạng sin.

Transistor dùng trong UPS thường là:

• MOSFET: thích hợp với tần số cao, hiệu suất tốt ở công suất nhỏ và trung bình.
• IGBT: ưu thế khi làm việc với công suất và điện áp cao, thường dùng trong UPS công nghiệp.

PWM quyết định chất lượng sóng điện đầu ra

Chất lượng sóng điện đầu ra phụ thuộc trực tiếp vào cách mà PWM được điều chế. Một hệ PWM tốt có thể tạo ra sóng gần sin với độ méo dạng rất thấp. Giúp bảo vệ thiết bị điện khỏi hư hại do sóng méo.

Tóm lại, bộ tạo xung PWM trong UPS quyết định đến hiệu suất, độ tin cậy và độ tương thích của nguồn điện đầu ra với các thiết bị tải. Các dòng UPS cao cấp hiện nay đều tích hợp bộ điều khiển PWM với thuật toán thông minh. Nhằm tạo ra sóng sin chuẩn và giảm thiểu tổn hao năng lượng.

Ứng dụng PWM trong UPS

PWM là công nghệ cốt lõi trong các hệ thống UPS hiện đại. Tùy theo loại UPS — offline, line-interactive, hay online. Vai trò và cách ứng dụng PWM có thể khác nhau, nhưng đều hướng đến mục tiêu chung: Đảm bảo đầu ra ổn định, sạch và đáng tin cậy.

PWM trong các loại UPS

• UPS offline

Loại này chỉ kích hoạt bộ biến đổi khi mất điện. PWM được sử dụng để điều khiển quá trình chuyển đổi từ ắc quy (DC) sang nguồn điện AC. Dòng này chỉ phù hợp cho tải không nhạy cảm như máy tính cá nhân.

• UPS line-interactive

Ở loại này, PWM được dùng nhiều hơn, trong biến tần và bộ sạc ắc quy. Sóng đầu ra có thể là sin mô phỏng hoặc sin gần chuẩn, tùy chất lượng mạch PWM. Dòng UPS này phù hợp với máy trạm, hệ thống camera, máy chủ nhỏ.

• UPS online (double conversion)

Đây là loại ứng dụng PWM ở mức cao nhất. Nguồn điện lưới được chuyển thành DC, rồi chuyển ngược lại thành AC bằng PWM, tạo ra sóng sin chuẩn.

Tín hiệu được điều khiển chính xác qua bộ xử lý DSP hoặc vi điều khiển chuyên dụng. Cho phép kiểm soát chặt điện áp, tần số và độ méo sóng. Loại này lý tưởng cho thiết bị nhạy như thiết bị y tế, máy chủ…

So sánh: UPS có sử dụng PWM và loại không sử dụng PWM

Tiêu chí	UPS không PWM	UPS sử dụng PWM
Dạng sóng đầu ra	Sóng vuông, sin mô phỏng	Sóng sin chuẩn hoặc gần sin
Tương thích với thiết bị nhạy	Kém	Cao
Hiệu suất chuyển đổi	Trung bình	Cao
Điều khiển và ổn định đầu ra	Hạn chế	Chính xác và linh hoạt
Kích thước, độ ồn	Lớn, gây nhiễu	Nhỏ gọn, yên tĩnh hơn

PWM giúp UPS hiện đại hoạt động ổn định hơn, kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm thiểu tiêu hao điện năng.

UPS Hyundai & ECOs sử dụng công nghệ PWM

UPS Hyundai và ECOs do chúng tôi phân phối đều được trang bị bộ điều khiển PWM thế hệ mới, hỗ trợ:

• Chuyển đổi DC-AC chuẩn sóng sin.
• Tương thích tốt với tải nhạy như hệ thống y tế, server, máy CNC, thiết bị viễn thông.
• Hiệu suất chuyển đổi cao (lên đến 95%), giảm nhiệt, tiết kiệm điện năng.
• Mạch điều khiển thông minh, cảnh báo sớm và tự động chuyển chế độ khi mất điện.

Một số mẫu UPS tiêu biểu:

• Hyundai HD-Series 3kVA – 10kVA: Sử dụng IGBT kết hợp PWM để tạo sóng sin chuẩn. Phù hợp cho doanh nghiệp vừa và nhỏ.
• ECOs Online 6kVA – 20kVA: Ứng dụng PWM kỹ thuật số, hỗ trợ kết nối song song. Dùng tốt cho phòng máy, trung tâm dữ liệu.

Liên hệ ngay Huyndai Việt Thanh 0964.160.888 để được tư vấn ngay hôm nay