Tìm hiểu tất tần tật về Relay điều chỉnh điện áp trong UPS

Relay điều chỉnh điện áp là một bộ phận quan trọng trong UPS. Chúng giúp duy trì điện áp đầu ra ổn định khi nguồn điện vào gặp sự cố. Tuy nhỏ gọn nhưng relay đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ thiết bị và đảm bảo hiệu suất hoạt động của UPS. Huyndai Việt Thanh sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về relay ổn áp trong UPS.

Định nghĩa

• Định nghĩa relay ổn áp trong UPS

Relay điều chỉnh điện áp (Voltage Regulation Relay) trong bộ lưu điện (UPS) là một linh kiện điện từ hoặc bán dẫn. Nó có chức năng đóng/ngắt mạch hoặc chuyển đổi các mức điện áp đầu ra. Nhằm đảm bảo điện áp cấp cho tải luôn nằm trong giới hạn an toàn.

Trong các hệ thống UPS, relay ổn áp thường kết hợp với biến áp tự ngẫu (auto-transformer) hoặc bộ chuyển nấc điện áp. Để tự động điều chỉnh khi điện áp nguồn vào bị suy giảm hoặc tăng cao bất thường.

Khác với vai trò đóng/ngắt đơn thuần của relay thông thường. Relay ổn áp không chỉ phản ứng theo tín hiệu đơn lẻ mà còn hoạt động liên tục trong vòng lặp điều khiển điện áp. Đóng vai trò như một thành phần tích cực trong hệ thống ổn áp động.

• Vị trí của relay trong sơ đồ mạch UPS

Relay ổn áp thường được bố trí trong giai đoạn AVR (Automatic Voltage Regulation). Tức là ngay sau đầu vào nguồn điện lưới và trước khi dòng điện đi qua bộ chỉnh lưu (rectifier) hoặc inverter (nghịch lưu).

Trong UPS Offline và Line-Interactive, relay ổn áp nằm ở khối AVR. Nơi chuyển đổi giữa các cuộn dây của biến áp để điều chỉnh điện áp đầu ra trước khi cấp cho tải.

Trong UPS Online, relay điều áp ít phổ biến hơn vì dòng điện đã được chuyển đổi hoàn toàn sang DC và sau đó nghịch lưu lại thành AC ổn định. Tuy nhiên, trong một số thiết kế lai, relay vẫn có thể xuất hiện để điều chỉnh điện áp bypass.

Cấu tạo cơ bản

Thành phần chính

Relay điều chỉnh điện áp có cấu tạo cơ bản gồm ba phần chính:

• Cuộn dây (coil):

Đây là bộ phận tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua. Từ trường này sẽ hút cơ cấu truyền động để đóng hoặc ngắt tiếp điểm. Cuộn dây thường được quấn bằng đồng để tối ưu hóa độ nhạy và giảm tổn hao nhiệt.

• Tiếp điểm (contacts):

Là nơi tiếp xúc giữa hai vật dẫn điện để đóng mạch hoặc ngắt mạch. Có thể là loại đơn (SPST/SPDT) hoặc kép tùy theo thiết kế. Các tiếp điểm cần chịu được dòng cao và có khả năng chống hồ quang khi đóng/ngắt liên tục. Vật liệu tiếp điểm thường là hợp kim bạc hoặc bạc-oxit-cadmiu. Từ đó tăng độ dẫn và giảm hiện tượng đánh lửa hồ quang.

• Cơ cấu truyền động (armature):

Bộ phận cơ khí chuyển động khi chịu tác động từ trường từ cuộn dây. Nó đóng vai trò như cầu nối giữa cuộn dây và tiếp điểm, giúp đóng/ngắt mạch nhanh chóng. Độ bền cơ học và độ phản hồi chính xác của cơ cấu này quyết định tốc độ hoạt động và tuổi thọ relay.

Ảnh hưởng của vật liệu chế tạo

Chất lượng và loại vật liệu được sử dụng trong relay ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tin cậy:

• Tiếp điểm:

Bạc (Ag): dẫn điện tốt, chống ăn mòn nhưng dễ mòn khi đánh hồ quang.

Bạc-Oxit-Cadmium (AgCdO): chống hồ quang tốt, tuổi thọ cao hơn.

Vàng (Au): chỉ dùng trong các relay tín hiệu, không phù hợp với relay tải nặng.

• Cuộn dây:

Đồng tinh luyện (oxygen-free copper): Hiệu suất cao, giảm sinh nhiệt.

Dây phủ sơn cách điện loại chịu nhiệt: Giúp relay hoạt động ổn định trong môi trường UPS liên tục tải.

• Cơ cấu truyền động:

Thép silic hoặc hợp kim từ mềm: Cho độ nhạy cao và phản hồi nhanh.

Lò xo hợp kim chịu lực: Giúp relay phục hồi nhanh, đóng/ngắt chính xác.

Sự kết hợp giữa vật liệu tốt và thiết kế tối ưu là yếu tố then chốt giúp relay hoạt động ổn định trong môi trường yêu cầu cao như hệ thống UPS.

Nguyên lý hoạt động

• Relay phản ứng với biến động điện áp như thế nào?

Relay điều chỉnh điện áp trong UPS không truyền tải điện trực tiếp. Chúng thực hiện nhiệm vụ chuyển mạch giữa các nấc cuộn dây trên biến áp tự ngẫu. Khi điện áp đầu vào thay đổi, mạch cảm biến sẽ báo về bộ điều khiển trung tâm. Từ đó, relay được kích hoạt để chuyển tiếp điểm sang nấc điện áp phù hợp. Nhằm đưa điện áp đầu ra trở lại mức ổn định.

Ví dụ:

Nếu điện áp vào giảm → relay chuyển sang nấc có số vòng nhiều hơn để tăng điện áp.

Nếu điện áp vào tăng → relay chuyển sang nấc nhỏ hơn để giảm điện áp.

• Cách relay duy trì điện áp ổn định

Relay hoạt động bằng cách đóng/mở tiếp điểm, kết nối các điểm điện áp khác nhau trên biến áp. Việc chuyển đổi này xảy ra trong vài mili-giây, đảm bảo nguồn điện đầu ra luôn nằm trong ngưỡng an toàn (thường ±10%).

• Quan hệ với các bộ phận khác trong UPS

Relay làm việc phối hợp với:

• Biến áp tự ngẫu (AVR): cung cấp các mức điện áp khác nhau.
• Mạch cảm biến điện áp: đo điện áp vào.
• Vi điều khiển: phân tích tín hiệu và ra lệnh cho relay chuyển mạch.

Cơ chế này đặc biệt phổ biến trong UPS Line-Interactive. Nơi dạng sóng đầu vào được giữ nguyên, nhưng điện áp được điều chỉnh theo thời gian thực.

Vai trò

Relay điều chỉnh điện áp đóng vai trò trung tâm trong khối AVR. Một thành phần quan trọng của UPS, đặc biệt trong các dòng UPS Line-Interactive.

• Ổn định điện áp đầu ra

Khi nguồn điện lưới dao động, relay giúp chuyển đổi nhanh giữa các nấc cuộn dây trên biến áp. Đảm bảo điện áp đầu ra duy trì ở mức ổn định. Thường trong khoảng ±10% hoặc tốt hơn. Điều này bảo vệ thiết bị khỏi các sự cố. Như sụt áp, quá áp, gây hỏng hóc hoặc giảm tuổi thọ linh kiện điện tử.

• Giảm tần suất chuyển sang chế độ pin

Nếu không có relay ổn áp, bất kỳ biến động nhỏ nào của điện áp cũng có thể khiến UPS phải chuyển sang chế độ dùng pin. Relay giúp xử lý các dao động điện áp nhẹ một cách cơ học. Nhờ đó pin ít bị sử dụng hơn – giúp kéo dài tuổi thọ pin và giảm hao mòn hệ thống.

• Đảm bảo tính liên tục và ổn định của nguồn điện

Trong nhiều ứng dụng như thiết bị văn phòng, hệ thống camera, máy chủ… Tính liên tục và ổn định của nguồn điện là bắt buộc. Relay ổn áp là thành phần giúp UPS đáp ứng yêu cầu đó mà không cần chuyển sang chế độ chạy pin hay cắt tải.

Các loại relay phổ biến

Trong các hệ thống UPS, relay ổn áp có thể phân loại theo nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế. Dưới đây là một số loại phổ biến:

• Relay cơ học 

Nguyên lý: Sử dụng từ trường để đóng/ngắt tiếp điểm cơ học.

Ưu điểm: Chịu dòng lớn, dễ thay thế, giá thành thấp.

Nhược điểm: Phản hồi chậm hơn, tiếp điểm dễ mòn nếu đóng/ngắt thường xuyên.

Ứng dụng: UPS dân dụng, UPS văn phòng nhỏ, công suất từ 500VA đến 2kVA.

• Relay bán dẫn

Nguyên lý: Dùng linh kiện bán dẫn để đóng/ngắt mạch.

Ưu điểm: Không có bộ phận cơ học, phản hồi rất nhanh, tuổi thọ cao.

Nhược điểm: Giá cao hơn, dễ hỏng nếu quá áp hoặc sinh nhiệt lớn.

Ứng dụng: UPS công suất lớn, yêu cầu chuyển mạch siêu nhanh và tần suất hoạt động cao.

• Relay vi điều khiển điều khiển

Nguyên lý: Kết hợp với mạch cảm biến và vi điều khiển để tự động đánh giá và điều chỉnh điện áp.

Đặc điểm: Cho phép chuyển nấc mượt mà hơn, tránh gây sụt áp đột ngột khi relay hoạt động.

Ứng dụng: UPS cao cấp, UPS công nghiệp, nơi yêu cầu độ ổn định điện áp cao.

Một số lỗi thường gặp

• Tiếp điểm bị cháy mòn:

Sau thời gian dài đóng/ngắt liên tục, tiếp điểm cơ học có thể bị cháy xém, dẫn đến tăng trở kháng tiếp xúc, gây sụt áp hoặc mất kết nối

Cách kiểm tra:

Dùng đồng hồ vạn năng (multimeter) ở chế độ đo điện trở (ohm) để đo trở kháng giữa các chân tiếp điểm khi relay đóng/mở.

Nếu trở kháng lớn bất thường hoặc tiếp điểm không dẫn điện, relay có thể bị mòn hoặc cháy

• Kẹt relay (dính tiếp điểm):

Do hồ quang điện hoặc cơ cấu truyền động kém linh hoạt, relay có thể bị kẹt ở trạng thái đóng hoặc mở, dẫn đến mất khả năng chuyển nấc điện áp.

• Cuộn dây hỏng hoặc đứt:

Cuộn dây điều khiển bị cháy, đứt hoặc đoản mạch khiến relay không thể nhận tín hiệu điều khiển để chuyển trạng thái.

Cách kiểm tra:

Đo điện trở giữa hai chân cuộn dây điều khiển. Nếu điện trở bằng 0 hoặc vô cực → cuộn dây bị ngắn mạch hoặc đứt.

• Đóng/ngắt không chính xác:

Relay phản ứng sai với tín hiệu điều khiển, dẫn đến điện áp đầu ra dao động, không ổn định.

Hiểu rõ vai trò, cấu tạo và cách hoạt động của relay giúp người dùng và kỹ thuật viên tối ưu hiệu suất vận hành và bảo vệ toàn bộ hệ thống UPS hiệu quả hơn.