Tụ điện là thành phần thiết yếu trong một Hệ thống UPS (Bộ lưu điện liên tục), thực hiện các chức năng quan trọng như làm mịn, lọc và lưu trữ năng lượng. Một bộ UPS thông thường chứa nhiều loại tụ điện khác nhau, cả trong phần nguồn chính và trên bảng mạch in (PCB).

Tụ điện thường được bọc trong các trụ nhôm hoặc mạ crom, bao gồm hai bề mặt dẫn điện - thường là các tấm kim loại hoặc điện cực - được ngăn cách và cách điện bằng môi trường điện môi. Lượng điện tích mà tụ điện có thể lưu trữ được đo bằng farad và được xác định bởi độ dày của lớp điện môi và diện tích bề mặt của các tấm dẫn điện.

Tụ điện trong phần nguồn của hệ thống UPS có thể được phân loại như sau:

Tụ điện đầu vào AC: Đây là một phần của bộ lọc đầu vào UPS và/hoặc giai đoạn hiệu chỉnh hệ số công suất. Chúng xử lý nguồn điện lưới đầu vào và đóng vai trò quan trọng trong việc làm mịn các xung đột đầu vào, giảm nhiễu phản xạ chuyển mạch và giảm thiểu méo hài.
Tụ điện đầu ra AC: Các tụ điện này là một phần của bộ lọc đầu ra UPS. Chúng giúp kiểm soát dạng sóng của điện áp đầu ra cung cấp cho tải quan trọng và cung cấp công suất phản kháng.
Tụ điện DC: Các tụ điện này là một phần quan trọng của hệ thống chỉnh lưu và lưu trữ năng lượng. Chúng làm phẳng các dao động điện áp (còn được gọi là lọc điện áp cung cấp) và lưu trữ năng lượng trong thời gian ngắn khi chuyển đổi giữa nguồn điện lưới và nguồn pin, đảm bảo nguồn cung cấp liên tục cho các tải quan trọng.

Tất cả tụ điện trong hệ thống UPS đều phải chịu tác động của chuyển mạch tần số cao, tải UPS và ứng suất vật lý/điện từ môi trường vận hành.

Tụ điện có tuổi thọ bao lâu?

Tụ điện, cùng với pin, là một trong những thành phần dễ bị tổn thương nhất trong Hệ thống UPS và dễ bị hỏng theo thời gian. Chúng bị phân hủy khi chất điện phân, giấy và lá nhôm bên trong bị phân hủy về mặt vật lý và hóa học. Các yếu tố như nhiệt độ quá cao hoặc dòng điện cao có thể đẩy nhanh quá trình phân hủy này.

Mặc dù tụ điện được đánh giá tốt có thể hoạt động tới 10 năm trong điều kiện thuận lợi, nhưng thông lệ tốt nhất trong ngành khuyến nghị nên thay tụ điện trong vòng 4 đến 8 năm để tránh nguy cơ hỏng hóc nghiêm trọng. Trong một số trường hợp, tụ điện có thể cần được thay thế sớm nhất là 4 năm, đặc biệt là trong các vai trò hoặc môi trường đòi hỏi khắt khe.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ tụ điện

Một số yếu tố có thể làm giảm tuổi thọ của tụ điện:

Dòng điện quá mức: Tụ điện tiếp xúc với dòng điện cao hơn dung lượng định mức sẽ bị hư hỏng. Mặc dù dòng điện gợn sóng cao đột ngột trong thời gian ngắn có thể vô hại, nhưng tiếp xúc kéo dài có thể gây quá nhiệt và hỏng sớm.
Sử dụng quá mức: Tụ điện càng phải làm việc nhiều thì càng nhanh xuống cấp. Nếu tụ điện thường xuyên lọc nhiễu điện áp hoặc xung điện áp cao, quá trình hao mòn tụ điện sẽ nhanh hơn.
Nhiệt độ quá cao: Nhiệt có thể làm chất điện phân bên trong tụ điện bốc hơi, dẫn đến áp suất bên trong không an toàn. Nhiệt này có thể đến từ các yếu tố bên trong, chẳng hạn như bộ lọc khí bị tắc, hoặc các yếu tố bên ngoài, chẳng hạn như nhiệt độ môi trường cao tại vị trí đặt UPS.

Dấu hiệu hỏng tụ điện

Các kỹ sư dịch vụ có thể xác định các lỗi tiềm ẩn của tụ điện thông qua một số chỉ báo trong quá trình bảo trì UPS định kỳ:

Rò rỉ dầu: Dầu rò rỉ làm tăng nhiệt độ và trở kháng bên trong tụ điện.
Sự biến dạng: Do nhiệt độ quá cao hoặc rò rỉ chất lỏng bên trong.
Dây điện bị cháy xém: Dòng điện quá mức có thể làm hỏng các dây kết nối với tụ điện, có thể phát hiện bằng hình ảnh nhiệt.
Nắp van bị cháy nhô ra: Điều này cho thấy ứng suất bên trong và có thể dẫn đến hỏng nếu phần nhô ra bị gãy.
Nhiệt độ tăng: Theo dõi nhiệt độ là chìa khóa. Nhiệt độ bên trong tăng lên, có thể phát hiện bằng nhiệt kế hoặc máy ảnh nhiệt, cho thấy tụ điện đang bị hỏng.
Giảm điện dung: Theo thời gian, cấu trúc bên trong của tụ điện sẽ bị suy giảm, khiến điện dung của tụ điện giảm xuống mức không thể chấp nhận. Điều này có thể được đo bằng đồng hồ đo điện dung, có sẵn trong hầu hết các đồng hồ vạn năng kỹ thuật số chất lượng cao.

Điều gì xảy ra khi tụ điện bị hỏng?

Hỏng tụ điện thường được chia thành hai loại:

Lỗi mở: Tụ điện ngừng hoạt động nhưng không có dấu hiệu hư hỏng rõ ràng. Loại hỏng hóc này có thể không được phát hiện, mặc dù nó vẫn ảnh hưởng đến hiệu suất của UPS.
Lỗi ngắn mạch: Tụ điện bị rò rỉ vật liệu điện môi, có thể gây hư hỏng rõ ràng và thậm chí có thể phát ra tiếng nổ lách tách. Sự cố này nghiêm trọng hơn, vì chất điện phân có tính dẫn điện và ăn mòn, có khả năng làm hỏng các linh kiện xung quanh.

Trong một số trường hợp, tụ điện có thể hỏng dần, mất đi khả năng chịu đựng mà không có dấu hiệu rõ ràng nào.

Một số tụ điện, đặc biệt là loại tụ điện phân, có van hoặc nắp xả áp suất tích hợp để cho phép xả áp suất bên trong một cách có kiểm soát khi xảy ra sự cố. Tuy nhiên, điều này vẫn có thể dẫn đến nhiệt độ tăng cao và nguy cơ rò rỉ chất điện phân.

Hậu quả của việc tụ điện bị hỏng trong UPS

Ảnh hưởng của sự cố tụ điện lên UPS phụ thuộc vào loại sự cố và cấu hình của tụ điện (dù nối tiếp hay song song). Trong các hệ thống có nhiều tụ điện, một sự cố có thể không ảnh hưởng ngay lập tức đến hiệu suất, vì các tụ điện còn lại có thể bù đắp cho chức năng bị mất. Tuy nhiên, ngay cả một tụ điện bị hỏng cũng có thể làm giảm hiệu suất của UPS, làm giảm khả năng lọc, tăng nhiễu và méo hài, giảm khả năng lưu trữ năng lượng và thậm chí làm hỏng chuỗi ắc quy.

Trong những trường hợp nghiêm trọng, lỗi tụ điện nghiêm trọng có thể buộc UPS phải chuyển sang chế độ bypass, khiến tải trọng quan trọng không được bảo vệ.

Hậu quả cụ thể của việc tụ điện AC bị hỏng bao gồm:

Biến dạng biến tần tăng
Sự bất ổn của hệ thống, đặc biệt là trong các cấu hình song song
Sự cố hỏng hóc đột ngột kèm theo tiếng ồn và khói, có khả năng làm hỏng các bộ phận khác của UPS
Thời gian ngừng hoạt động không theo lịch trình
Tăng chi phí bảo trì và sửa chữa
Nguy cơ cháy nổ do tụ điện bị hỏng

Phần kết luận

Tụ điện rất quan trọng đối với hoạt động hiệu quả của Hệ thống UPS, đóng vai trò lọc, lưu trữ năng lượng và duy trì sự ổn định điện áp. Theo thời gian, hiệu suất của chúng có thể giảm sút do nhiệt độ, dòng điện quá mức và sử dụng quá mức. Việc bảo trì thường xuyên và thay thế tụ điện kịp thời có thể giúp ngăn ngừa các sự cố đáng kể và đảm bảo hệ thống UPS hoạt động liên tục, đáng tin cậy.