Bộ tích điện gia đình

Bộ tích điện gia đình hoạt động như một máy phát điện dự phòng, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho gia đình sử dụng khi bị mất nguồn điện lưới Quốc Gia. Vận hành một cách êm ái do chỉ có các thiết bị điện tử làm việc.




A. MÔ TẢ CHUNG
Bộ tích điện gia đình hoạt động như một máy phát điện dự phòng, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho gia đình sử dụng khi bị mất nguồn điện lưới Quốc Gia. Vận hành một cách êm ái do chỉ có các thiết bị điện tử làm việc.
Nguyên lý vận hành là điện năng sẽ được nạp dự trữ tại ắc qui, khi cần sử dụng thì nguồn năng lượng này sẽ được giải phóng để sử dụng, với đặc điểm này thì bộ tích điện gia đình hoạt động rất êm ái, chỉ nghe tiếng quạt làm mát chạy mà thôi.
Để đáp ứng được yêu cầu chạy được tất cả các thiết bị điện trong gia đình, thì bộ tích điện cần phải có thông số công suất phù hợp với tải, có số lượng ắc qui tương ứng để đảm bảo thời gian cấp điện, đặc tính kỹ thuật của bộ đổi nguồn từ DC sang 220V xoay chiều phải là bộ sin chuẩn, với thông số đầu ra phải giống với thông số lưới điện Quốc Gia, 220V-50Hz.

B. CẤU TẠO BỘ TÍCH ĐIỆN
Gồm 2 thành phần chính: (1) Bộ kích điện 12V lên 220V sin chuẩn và (2) Ắc qui dự trữ năng lượng.
I. Bộ kích điện 12V lên 220V sin chuẩn: Nhiệm vụ chính là biến đổi nguồn điện một chiều (DC) sang nguồn điện xoay chiều 220V, tần số 50Hz. Tùy theo yêu cầu sử dụng mà chúng ta có thể chọn công suất cho phù hợp. Thành phần chính của bộ kích điện này có thể chia làm 2 phần:




I.1. Bộ sạc ắc qui:
Được thiết kế với bộ sạc ắc qui thông minh 3 giai đoạn sạc, tự động nhận biết dung lượng ắc qui thông qua mạch điện tử bằng thuật toán so sánh điện áp và dòng sạc để đưa ra điện áp sạc phù hợp với từng giai đoạn ắc quy nhằm kéo dài tuổi thọ ắc qui.
a. Giai đoạn 1- Trickle charging mode: Sạc với nguồn dòng nhỏ không đổi để sạc ắc quy đã được xả trước đó. Giai đoạn này bảo vệ những ắc quy hư hỏng hoặc ngắn mạch khỏi quá dòng điện. Đèn LED màu đỏ báo ắc quy đang sạc.
b. Giai đoạn 2-Bulk and absortion charging mode: Sạc với điện áp không đổi 14.6VC (Bulk) để sạc một nguồn dòng lớn nhanh chóng sạc đầy ắc quy. Giai đoạn này sẽ sạc tới đầy 80% dung lượng ắc quy. Giai đoạn này phần mềm sẽ tính toán từ thời điểm có nguồn lưới AC cho tới khi ắc quy đầy tới điện áp 13.7VC (tức là nhỏ hơn 0.9V so với lúc nạp 14.6VDC ban đầu). Đèn LED màu đỏ báo ắc quy đang sạc.
c. Giai đoạn 3-Floot charging mode: Sạc thả nổi (Float charge) điều chỉnh ở điện áp cố định ở mức 13.7V để duy trì mức đầy ắc quy và bù đắp năng lượng tổn thất do phản ứng hóa học trong ắc quy. Trong giai đoạn này dòng sặc tiệm cận Zero Ampare, đèn LED chuyển sang màu xanh báo ắc quy đã nạp đầy.



I. 2 Bộ nghịch lưu điện áp 12VDC lên 220VAC, sóng sin chuẩn, tần số 50Hz, THD<0.5% với ổn áp đầu ra:
Bộ nghịch lưu là bộ phận quan trọng trong mạch bộ tích điện gia đình, có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. Đối với thiết bị inverter ngày sử dụng mạch nghịc lưu áp:



Để tạo một sóng đầu ra sin chuẩn từ nguồn DC là khó khăn hơn nhiều so với sóng Modified hay Square. Đối với công nghệ hiện đại sử dụng công nghệ bán dẫn và hệ thống điều khiển kỹ thuật số tốc độ cao thì có thể cho ra đời bộ kích điện 12V lên 220V sin chuẩn theo nguyên tắc: Mạch vi xử lý tần số cao sẽ biến đổi nguồn DC thành sóng điện áp AC chuẩn sin 50Hz ở điện áp thấp, vi xử lý sẽ đóng cắt liên tục ở tần số rất cao lên gấp 100 lần cho mỗi chu kỳ AC (tương đương 20.000 trong 1s), tức là trong 1 chu kỳ điện áp AC lưới là 20ms, thì có tới 400 lần đóng cắt của transitor, sau đó một bộ lọc có tính cảm sẽ lọc mịn các đỉnh hình răng cưa của điện áp để làm bằng các điểm nhọn đầu với nhau, tiếp tục điện áp đầu ra AC với tần số 50Hz này sẽ qua máy biến áp nâng áp để cấp nguồn 220VAC-50Hz cho hệ thống tải.



Cũng cần lưu ý thêm rằng, qua phân tích ở ý bên trên, thì sóng sin tạo ra từ thiết bị điện tử sẽ có một độ méo dạng sóng hài (THD- Total Harmonic Distorsion) nhất định, tuy nhiên theo tiêu chuẩn IEC 61000-3-2 cho phép giới hạn THD<0.5% đối với cấp điện áp 400V để đảm bảo vận hành tốt thiết bị điện hạ áp. Bộ kích điện 12V lên 220V sin chuẩn được thiết kế đảm bảo theo tiêu chuẩn IEC.

II. Ăc qui dự trữ năng lượng
Ắc qui sẽ làm nhiệm vụ lưu trữ năng lượng để giải phóng khi cần thiết, công nghệ lưu trữ năng lượng điện cho đến thời điểm này thì ắc qui vẫn là nguồn lưu trữ năng lượng hiệu quả nhất, nhanh nhất, ít tốn kém nhất với nguyên tắc chuyển hóa điện năng thành hóa năng dự trữ, khi sử dụng thì quá trình biến đổi ngược lại với hiệu suất khoảng 70%.




+ Chọn ắc qui phù hợp cho bộ tích điện gia đình để đáp ứng thời gian sử dụng của phụ tải, cần ghi chú thêm là thời gian sử dụng tải trong bao lâu là do việc chúng ta lựa chọn ắc qui, thời gian này không phụ thuộc vào công suất của bộ kích điện.


+ Đối với tổ ắc qui, khi đấu nối nhiều ắc qui, thì mắc nối tiếp hay song song vẫn cho ra 1 lượng điện năng không đổi, vì khi mắc nối tiếp thì ta có dung lượng Ah không đổi nhưng điện áp thay đổi theo cấp số nhân của số lượng ắc qui, còn khi mắc song song thì điện áp không đổi nhưng dung lượng thay đổi theo cấp số nhân của ắc qui. Do đó, A=P x t = U x I x t sẽ không đổi so với 2 cách đấu nối. Việc chọn cách đấu nối nào thì phải tùy vào việc sử dụng, chung qui là dựa vào 3 yếu tố: dễ sử dụng, thiết bị inverter chịu được dòng phía sơ cấp (12VDC hay 24VDC) và yếu tố an toàn.

+ Việc chọn ắc qui chì-xít hay ắc qui kín khí (thường theo thói quen gọi là ắc qui khô) cho bộ tích điện gia đình tùy thuộc vào yêu cầu của người sử dụng, mỗi loại đều có ưu điểm riêng, ví dụ ắc qui kín khí không cần bảo dưỡng, tiện lợi cho quá trình sử dụng. Ắc qui chì_axit thì cần phải theo dõi lượng ắc xít, nếu hụt phải châm thêm, trong quá trình sử dụng nếu môi trường kín như đặt trong phòng….thì hơi axit thoát ra không tốt cho môi trường. Và giá thành thì loại ắc qui kín khí thường cao hơn khoảng 30%.

+ Trong quá trình vận hành, đặc tuyến vận hành ắc qui là phụ thuộc vào tải, nếu tải tăng từ từ và ổn định thì ắc qui có thời gian làm việc đáp ứng quá trình chuyển đổi hóa năng sang điện năng, một số trường hợp tải tăng cao và đột ngột, thì ắc qui mặc dù đã được nạp đầy nhưng sẽ xảy ra sụt áp (dưới 10VDC) do nội trở tăng đột ngột, lúc này inverter sẽ báo lỗi thấp áp, hiện tượng này bình thường trong quá trình sử dụng power inverter, vấn đề này chỉ cần lắp đặt thêm ắc qui, để hệ thống giữ vững điện áp DC trong mức cho phép để hoạt động.

+ Theo khuyến cáo của nhà sản xuất ắc quy, thông thường chọn dòng sạc cho bộ ắc quy trong khoảng 10%-30% dung lượng của ắc qui, ví dụ: một tổ ắc qui có 2 ắc qui 12VDC-100Ah, nếu mắc song song thì dung lượng tổ là 12VDC-200 Ah, chọn máy sạc 12 VDC với dòng sạc 20A- 60A. Nếu mắc nối tiếp thì dung lượng tổ trên sẽ là 24VDC-100Ah, chọn máy sạc là 24VDC với dòng sạc 10A-30A.


III. Các thành phần khác bao gồm giá đỡ cho bộ inverter và ắc qui, dây dẫn đấu nối….



Bộ phận giá đỡ được gia công bằng thép lổ, được cắt theo kích thước chuẩn, chỉ cần lắp đặt lại với nhau, dùng bulong để cố định lại là có được giá đỡ, bên trên là đỡ bộ kích điện, bên dưới là để ắc qui với qui mô để được 3 bình ắc qui 12V-150Ah.

Dây nối được tính toán để đảm bảo cung cấp cung suất đầu ra, cũng như chịu đựng dòng 1 chiều phía 12VDC.

C. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Bộ tích điện gia đình được dùng để sử dụng cho các thiết bị điện gia đình sẽ được đấu nối tiếp vào khu vực cần sử dụng, nếu nhu cầu sử dụng cho cả gia đình thì việc đấu nối tiếp tại tủ điện tổng là dĩ nhiên.




Ban đầu, ở chế độ vận hành bình thường, điện năng từ lưới điện vào inverter sẽ cấp cho bộ sạc để nạp ắc quy, và đồng thời cung cấp cho tải trong gia đình. Khi sự cố mất điện nguồn lưới, relay kích hoạt khóa chuyển mạch (cắt nguồn lưới, đóng inverter vào) để chuyển qua sử dụng nguồn từ ắc quy, thời gian chuyển mạch khoảng 10ms, hệ thống đèn sẽ chớp nháy trong quá trình quá độ này. Và khi nguồn điện lưới có trở lại, relay sẽ phát hiện và tiến hành quay lại như lúc ban đầu (cắt nguồn ắc quy, đóng lại điện lưới), thời gian này cũng tốn 10ms.



Bộ tích điện gia đình ở chế độ hoạt động như một máy biến áp cách ly, nên dòng chạm vỏ rất nhỏ an toàn cho người sử dụng, tuy nhiên vẫn bắt buột nối dây nối đất chung với hệ thống hiện hữu để trường hợp chạm vỏ trục tiếp ở chế độ vận hành lưới điện.
Bộ tích điện này với các dãy công suất 800W – 1500W – 2000W – 3000W này vận hành với tất cả các thiết bị dân dụng: đèn, quạt, tủ lạnh, máy điều hòa, bơm nước….tuy nhiên trong trường hợp vận hành các thiết bị động cơ công suất lớn, nếu dung lượng ắc quy không đủ sẽ xảy ra hiện tượng rung trên motor do sụt áp nhanh (nguyên nhân quá trình chuyển đổi hóa học trong ắc quy gây ra việc tăng điện trở nội lớn gây sụt áp), động cơ không được cung cấp đủ công suất từ inverter. Chúng ta nên vận hành các thiết bị có động cơ khi năng lượng ắc qui đầy trong khoảng thời gian ngắn để tiết kiệm dành cho năng lượng cho chiếu sáng làm việc.

D. LỰA CHỌN BỘ TÍCH ĐIỆN GIA ĐÌNH
Chúng tôi sẽ dựa trên yêu cầu cụ thể của Quý khách để đưa ra lựa chọn ra bộ kích điện phù hợp với phụ tải, và lựa chọn ắc qui đảm bảo cung cấp điện suốt thời gian yêu cầu. Qui trình lựa chọn có thể tóm tắt theo các bước như sau:

1. Lựa chọn bộ kích điện 12V lên 220V, sin chuẩn:
Giới hạn trong bài viết này, chúng tôi chỉ lựa chọn bộ tích điện để phục vụ cho các phụ tải trong gia đình, các phụ tải này bao gồm: đèn, máy quạt, tủ lạnh, máy lạnh, bơm nước, tivi, bếp điện….., do đó yêu cầu trước tiên bộ kích điện phải là loại sin chuẩn (tương đương với nguồn điện lưới), vì chúng ta biết rằng các thiết bị mang tính cảm như các loại động cơ thì nếu hoạt động với điện áp sin không chuẩn, sẽ sinh ra sóng hài, bản chất sóng hài là gây ra dòng điện một chiều trong mạch gây phát nóng hỏng thiết bị điện, đồng thời giảm hiệu suất hoạt động thiết bị.

Tất nhiên bộ kích điện sin không chuẩn (modified sine wave) vẫn có những ưu điểm riêng, vẫn sử dụng được các tải chiếu sang, thiết bị điện tử kỹ thuật số sử dụng xung điện áp để vận hành và đặc biệt là về giá thành, do dó sử dụng bộ kích sin không chuẩn dùng cho việc gì thì chúng tôi sẽ trình bày trong một bài viết khác.

Yếu tố quan trọng của bộ kích điện là thông số công suất, thông số này lựa chọn dựa trên yêu cầu công suất của phụ tải để đảm bảo:

P_kích điện > P_tải trong nhà


Vậy P_kích điện lớn hơn bao nhiêu là hợp lý, vấn đề này xin được giải thích rõ như sau: Phụ tải trong nhà khi hoạt động động xảy ra 1 trường hợp, khi khỡi động thì công suất sẽ cao, thông thường gấp đôi phụ tải liên tục, sau khi khỡi động thì công suất tiến dần đến điểm công suất hoạt động liên tục, là công suất định mức của thiết bị (sau khi chia cho hiệu suất). Và thời gian này thông thường kéo dài khoảng 1s. Có những thiết bị trong gia đình như máy lạnh, bơm nước,…khi khởi động thì công suất có thể lên đến 3 lần công suất định mức và thời gian trong khoảng 30ms.
Tóm lại, chúng ta phải lựa chọn công suất bộ kích điện phải đảm bảo:

+ Công suất liên tục của kích điện phải lớn hơn công suất liên tục của phụ tải.
+ Công suất đỉnh của kích điện phải lớn hơn công suất đỉnh của phụ tải.
+ Thông thường nhà chế tạo để tiết kiệm chi phí sẽ thiết kế công suất đỉnh gấp đôi công suất hoạt động liên tục. Và cho phép quá tải power inverter khoảng 120% trong 1 phút, nhằm đảm bảo để inverter vẫn vận hành bình thường trong trường hợp tải đỉnh cao.

2. Lựa chọn ắc qui

Ăc qui phải đảm bảo được thời gian vận hành của thiết bị, thông số cơ bản của ắc qui gồm điện áp và dung lượng Ah.
Dãy dung lượng của ắc qui thông thường là 12DC-50Ah, 70Ah, 90Ah, 100Ah, 150Ah, 200Ah, 250Ah, 300Ah.
Đấu nối ắc qui có 2 cách:
- Đấu nối tiếp: sẽ làm tăng điện áp, không tăng Ah.
- Đấu song song: tăng Ah, không tăng điện áp.
- Ví dụ đấu nối 2 ắc qui 12VDC-150Ah, nếu nối tiếp ta sẽ có: 24VDC-150Ah, nếu nối song song ta sẽ có: 12VDC-300Ah. Vậy nối tiếp hay song song không làm thay đổi điện năng dự trữ của hệ thống.

- Bộ tích điện gia đình sử dụng mạch kích ắc qui 12VDC nên sẽ dàng thay đổi, do loại ắc qui 12VDC thông dụng trên thị trường hơn là loại 24VDC, do đó nếu có hư hỏng hoặc cần thay thế thì sẽ dễ dàng hơn.

3. Ví dụ cụ thể để mô tả

3.1 YÊU CẦU CHỦ HỘ: Cần lắp bộ tích điện để cấp điện cho nhà ở 3 tầng để sử dụng khi cúp điện, thời gian cúp điện khoảng 2h.

Phụ tải trong nhà được mô tả như sau:
 


3.2 PHÂN TÍCH:

Chúng ta nhận thấy rằng, đối với lưới điện khu vực thành phố, thì chủ trương giảm mất điện đặt lên hang đầu, thông thường khi cúp điện sửa chữa thì các Điện lực sẽ trả lưới trong vòng 1-2h đồng hồ. Ngoại trừ những vùng xa, tỉnh thành, do khoảng cách xa.



Công suất tính toán lựa chọn P=3100*0.7/0.85 = 2550W (0.7 là hệ số đồng thời, 0.85 là hiệu suất thiết bị), vậy ta lựa chọn bộ kích điện với công suất 3000W sẽ đảm bảo gánh tải cho căn nhà.
Trong bảng 2 trên, ta chú ý đến khu tầng trệt có lò vi sóng 1000W và cuốn 250W (tổng 1250W), đây là 2 thiết bị hoạt động trong thời gian rất ngắn (giả sử trong 5 phút = 0.08h) chỉ mở đóng cửa và lò vi sóng dùng hâm nóng thức ăn.
Ta có đồ thị công suất cho tải như sau:




Điện năng trung bình cần cho gia đình theo đồ thị phụ tải trê A= 2550*0.08+1300*(2-0.08) = 2700Wh

Lựa chọn ắc qui:
Chọn sơ bộ ắc qui 12VDC cấp năng lượng lượng 2700Wh là:
Q_accu = 2700/0.7 = 3850Wh, (0.7 hiệu suất ắc qui).
Dung lượng Ah của ắc qui là: 3800/12=320(Ah), ta sẽ chọn tổ ắc qui gồm 2 ắc qui mắc song song 12VDC-160Ah.

Lựa chọn bộ sạc ắc qui:
Theo khuyến nghị của nhà sản xuất ắc qui, thì dòng sạc tiêu chuẩn khoảng 10%-30% dung lượng bộ ắc qui, vậy với bộ ắc qui 12VDC trên, ta chọn bộ sạc có dòng sạc tiêu chuẩn từ (10%-30% ) x 320(Ah) tương ứng 32A-96A.
Bộ sạc này thông thường sẽ được tích hợp luôn trong bộ kích điện 12V lên 220V, đối với sản phẩm bộ tích điện này thì bộ sạc tiêu chuẩn là 50A, nằm trong tiêu chuẩn tính toán ở trên.

3.3 KẾT LUẬN
Vậy với yêu cầu đầu bài, ta lựa chọn bộ tích điện như sau: bộ kích điện 12V lên 220V sin chuẩn 3000W, 2 bộ ắc qui 12VDC-160Ah, sẽ đảm bảo cấp điện liên tục trong 2h.


E. CÁCH LẮP ĐẶT BỘ TÍCH ĐIỆN GIA ĐÌNH
Khi lắp đặt bộ tích điện cấp điện cho cả gia đình thì cần lắp tại đường dây tổng cấp điện, thông thường tại vị trí ngay sau cầu dao tổng của tủ Điện lực. Lựa chọn vị trí khô ráo, ít người qua lại để an toàn, cũng như các thiết bị khác cần thực hiện nối đất an toàn cho thiết bị.



Sau khi lắp đặt, thì bộ tích điện sẽ vận hành ở 2 chế độ:
1. Chế độ sẵn sàng cấp điện khi công tắc POWER ở vị trí ON, nghĩa là bộ tích điện ở chế độ nạp ắc qui và cấp điện cho phụ tải gia đình, khi mất điện lưới thì trong 10ms bộ tích điện sẽ chuyển qua dùng điện từ ắc qui. Khi có điện trở lại thì trong 10ms bộ tích điện sẽ tự động quay lại chế độ nạp ắc qui như ban đầu.
2. Chế độ by_pass: khi công tắc POWER ở vị trí OFF, chế độ này bộ tích điện chỉ nạp ắc qui, tải sẽ được by-pass qua inverter, nghĩa là bộ tích điện không tự động chuyển mạch khi mất điện.
Chúng tôi khuyến nghị nên để công tắc POWER ở vị trí OFF, nếu mất điện xảy ra thì chủ hộ nên chủ động đi đến bậc công tắc POWER nhằm tăng mạnh sự chú ý đến hệ thống điện trong lúc này, để thông báo trong gia đình cắt giảm tải hợp lý.
Các tình huống xảy ra trong quá trình vận hành bộ tích điện:
- Khi vận hành ắc qui còn khoảng 30%, thì những ắc qui thương mại bình thường sẽ xảy ra quá trình sụt áp do nội trở tăng mạnh ở giai đoạn này, có thể giảm bớt tải ở giai đoạn cuối này để bộ inverter không báo lỗi thấp áp. Để tăng tuổi thọ ắc qui thì nhà sản suất khuyến cáo nên nạp lại ắc qui, tuổi thọ ắc qui được tính bằng số lần nạp -xả, số lần này khoảng 500-1200 lần. Trong trường hợp Quý khách mua loại ắc qui tốt cho phép xả sâu thì vẫn vận hành bình thường.
- Sử dụng máy tích điện như một thiết bị tiết kiệm bằng cách chạy những giờ cao điểm vì giờ cao điểm giá bán điện cao hơn những giờ thường, lúc này chúng ta có thể sử dụng năng lượng từ ắc qui.


D. ĐỊA CHỈ LIÊN HỆ:
Trụ sở chính:
Công ty Cổ phần Tư vấn và Thiết bị Điện Tân Trung Nam
174/47 Nguyễn Thiện Thuật – Phường 3 – Quận 3 – TpHCM
Tel: 08–62–92–43–16; Fax: 08–62–92–43–38
Website : www.electric.equipment ;
HP : 0903 111 117 (Mr.Nam)

VPĐD tại Tp.HCM:
4B/5 Cộng Hòa, P4, Tân Bình, TP.HCM
(Ngay vòng xoay Lăng Cha Cả)
Tel: 08-62-92-43-16 ; Fax: 08 –62-92-43-38
HP : 0903 11 11 17 (VũTrungNam)
Email : nam@electric.equipment

VPĐD tại Đà Nẵng:
84 Bùi Lâm – Phường Nại Hiên Đông – Quận Sơn Trà- Tp.Đà Nẵng
(Cách chân cầu Sông Hàn 1.5km về phía núi Sơn Trà)
Tel: 0903 111 117 (VũTrungNam)
Email : nam@electric.equipment
KEYWORDS: http://electric.equipment/tin-tuc/bo-tich-dien-gia-dinh.html