Thăm dò và kiểm tra dạng sóng đầu ra của các thiết bị UPS

Công ty của chúng tôi luôn trang bị nhiều thiết bị UPS (Nguồn điện bất tận) để đảm bảo công việc không bị gián đoạn và tránh mất mát dữ liệu khi có sự cố điện. Chúng tôi luôn tò mò muốn kiểm tra sâu hơn về hoạt động của chúng, nhưng trước đây khá e ngại khi phải kết nối thiết bị đo lường vào nguồn điện áp cao. Có nguy cơ thực sự là thiết bị đo hoặc chính chúng tôi có thể bị hư hại. Bất chấp những rủi ro đó, chúng tôi đã quyết định "bỏ qua" sự cảnh giác để kiểm tra một số UPS xung quanh văn phòng. Có rất nhiều hướng để kiểm tra UPS và chống sụt áp, vì vậy bài viết này sẽ tập trung vào thiết lập thử nghiệm và các kết quả khám phá thú vị.

Thiết lập thử nghiệm

Chúng tôi nói thật này: Đừng thử bất kỳ điều nào trong số này ở nhà.

Sự do dự trước đây của chúng tôi trong việc đo UPS chủ yếu xoay quanh việc kết nối trực tiếp máy hiện sóng Rohde & Schwarz MXO58 trị giá 50.000 USD vào nguồn điện chính. Những người không quen thuộc với máy hiện sóng có thể không biết rằng chân "đất" (ground) của đầu dò được kết nối điện trực tiếp với đất của tất cả các kênh khác của máy hiện sóng và với đất trong ổ cắm tường của bạn. Nó không chỉ là một cách tiện lợi để đề cập đến kết nối âm/tham chiếu của đầu dò, mà nó có thể tạo ra các đường mạch điện không mong muốn nếu bạn không cẩn thận.

Mối lo ngại chính khi đo thiết bị này là tạo ra một đường dòng điện khổng lồ đi qua kết nối nguồn điện, đầu dò, máy hiện sóng và quay trở lại qua bảng kết nối ra ổ cắm. Vòng mạch điện không mong muốn này có thể gây hư hại nghiêm trọng cho bất kỳ thiết bị đo nhạy cảm nào trong vòng lặp trước khi cầu chì hoặc aptomat ngắt dòng đất (GFCI) cắt mạch. Trong khi có thể thực hiện các kết nối an toàn, không có gì đảm bảo rằng dây điện của tòa nhà được kết nối đúng cách hoặc không có chênh lệch điện áp gây ra sự cố. Điều này trở nên phức tạp hơn khi xem xét dây điện UPS và cách nó chuyển đổi giữa cung cấp điện lưới hoặc tín hiệu nguồn pin dự phòng.

Việc này có thể thực hiện an toàn với các đầu dò vi sai điện áp cao như R&S RT-ZHD, nhưng chúng tôi không có thiết bị đó. Thay vào đó, chúng tôi có Chroma 61507, một nguồn AC lập trình có khả năng tạo ra tín hiệu Điện xoay chiều (AC) riêng biệt. Tín hiệu AC được tạo bởi Chroma 61507 được cách ly galvanic khỏi "đất" (earth/ground), cung cấp một nguồn nổi (floating). Việc kết nối chân đất của đầu dò máy hiện sóng với đầu ra trung tính của nguồn AC chỉ đơn giản là tham chiếu nó đến đất và không tạo ra bất kỳ vòng lặp mạch nào.

Để tránh việc cắm đầu dò trực tiếp vào ổ cắm, chúng tôi đã thêm đầu nối Molex Mini-Fit 2x1 vào một dây cáp nguồn. Thiết lập này vẫn đòi hỏi sự thận trọng đáng kể.

Với các kết nối đó được xem xét, thiết lập đơn giản của chúng tôi như dưới đây. Chúng tôi có thể đo đầu vào hoặc bất kỳ đầu ra nào của UPS.

Bước tiến hóa tiếp theo của thiết lập này sẽ là đo đồng thời đầu vào và đầu ra của UPS, nhưng chúng tôi nghĩ rằng chưa xem xét hết tất cả những điều có thể sai sót và không muốn mạo hiểm điều đó ngay lúc này.

Các mẫu UPS để kiểm tra

Rải rác khắp văn phòng là mẫu APC BN1500M2-CA phổ biến, báo cáo tồn kho của chúng tôi ghi nhận 28 chiếc và tôi đã lấy vài chiếc để thử nghiệm này. Tôi cũng "mượn" một chiếc APC BE750G và một chiếc Eaton SMART1500PSRTNC, tương ứng là các lựa chọn rẻ hơn và đắt hơn trong kho của chúng tôi.

Chúng được kiểm tra ở các trạng thái sạc khác nhau, và như chúng ta sẽ thấy trong phần kiểm tra, một trong các đơn vị BN1500M2-CA đang ở trạng thái hư hỏng nghiêm trọng. Ngoài ra, thật không may là các nhà sản xuất UPS dường như đang cố gắng giảm thiểu số lượng nút bấm và chỉ truyền thông về pin, nguồn điện, đầu ra và trạng thái thông qua các ký hiệu bí ẩn. Chúng tôi đang chờ đợi việc phát hiện ra "tảng đá Rosetta" về các ký hiệu UPS, nhưng hiện tại chúng tôi thường xuyên phải tham khảo sổ hướng dẫn để hiểu xem chúng đang cố gắng nói gì.

Kết quả thử nghiệm sơ bộ

Việc kiểm tra này không nhằm trả lời một câu hỏi cụ thể, mà là khám phá các trạng thái và đầu ra khác nhau của UPS. Trừ khi có ghi chú khác, các thử nghiệm được thực hiện với đầu vào 115 Vac hoặc 120 Vac và không có tải nào được áp dụng.

Đối với những người chưa quen thuộc với máy hiện sóng và các hình ảnh dạng sóng dưới đây, trục x đại diện cho thời gian, trong khi trục y đại diện cho điện áp đo được. Hãy chú ý đến các con số màu xanh ngọc dọc theo đáy của hình ảnh vì phạm vi thời gian có thể khác nhau giữa các lần chụp. Đường gợn sóng màu xanh ngọc là điện áp được đo bởi đầu dò máy hiện sóng.

Tôi cũng đã thêm một số chú thích màu đỏ, hy vọng chúng hữu ích!

Eaton SMART1500PSRTNC

Bắt đầu với Eaton SMART1500PSRTNC, đây là UPS tương tác đường dây (line-interactive) có khả năng tạo ra dạng sóng sine đầy đủ. Tương tác đường dây có nghĩa là nó liên tục giám sát nguồn điện đầu vào không chỉ để phát hiện sự cố mất điện mà còn để thực hiện các điều chỉnh nhỏ trong khi lọc nguồn điện đầu vào.

Trong khi một số UPS rẻ hơn tạo và xuất ra sóng sine mô phỏng (còn được gọi là "sửa đổi"), các UPS có đầu ra sóng sine đầy đủ sẽ tạo ra chính xác một sóng sine mượt mà để khớp với tín hiệu điện áp AC mà thiết bị của bạn mong đợi. Đồ thị dưới đây cho thấy sóng sine thuần túy và sóng sine mô phỏng.

Hầu hết các thiết bị gia dụng cơ bản sẽ hoạt động không gặp vấn đề gì với nguồn điện sóng sine mô phỏng, nhưng thiết bị nhạy cảm có thể hoạt động thất thường, tạo ra tiếng vo ve, hoặc chỉ kém hiệu quả hơn một chút.

Khi được cắm điện và bật lên, UPS sẽ truyền nguồn điện lưới sang các đầu ra, như trong hình chụp dưới đây. Đây là tín hiệu sinusoidal rất đẹp (sóng sine thuần túy) được tạo bởi nguồn AC Chroma 61507.

UPS sẽ chuyển từ chế độ nguồn điện lưới sang chế độ nguồn pin khi bị rút phích cắm khỏi tường. Quá trình này đã được ghi lại một vài lần với kết quả được hiển thị dưới đây.

Phần phẳng và sau đó gợn sóng ở giữa hình ảnh là độ trễ và quá trình chuyển đổi giữa khi tín hiệu nguồn điện lưới bị cắt và tín hiệu nguồn pin được kích hoạt.

Trong một trường hợp, UPS có thể phục hồi nhanh chóng và thậm chí khớp pha với tín hiệu chính (kết quả là một chu kỳ khoảng 16 ms), nhưng trong thử nghiệm khác, UPS chậm hơn một chút. Điều này chứng minh ít nhất một phần tính biến thiên khi kiểm tra UPS. Kết quả có thể khác nhau tùy thuộc vào vị trí (khi nào) tín hiệu đầu vào bị cắt và loại tải được kết nối.

Kiểm tra theo hướng ngược lại, cắm UPS vào để chuyển từ nguồn pin sang nguồn điện lưới, chúng tôi đã ghi lại tín hiệu dưới đây. Có thể giả định rằng các kết quả này sẽ nhất quán hơn vì UPS có thể kiểm soát khi nào chuyển sang nguồn điện thay thế. Điều này cho thấy một sóng sine gần như liên tục và việc chuyển đổi có thể sẽ không được "nhận thấy" bởi thiết bị kết nối.

Lưu ý rằng tín hiệu sinusoid do UPS tạo ra có một quá độ/gợn mỗi khi nó đi qua 0 V. Đây là điều chúng tôi cũng quan sát thấy khi kiểm tra các đơn vị APC. Điều này ngăn nó trở thành một bản sao hoàn hảo của sóng sine, nhưng có thể nó sẽ không có ảnh hưởng lớn đến thiết bị kết nối.

APC BE750G

Một mẫu máy kém ấn tượng hơn (dễ hiểu vì nó rẻ hơn nhiều) là APC BE750G. Nó có một số kết nối được điều khiển chính và các ổ cắm khác chỉ được bảo vệ chống sụt áp, nhưng như chúng ta sẽ thấy, tín hiệu đầu ra không đẹp bằng.

Bắt đầu với UPS được cắm điện và ở chế độ chờ, UPS đã bị ngắt kết nối và nguồn dự phòng pin được kích hoạt. Phần phẳng của dạng sóng ở giữa một lần nữa là nơi UPS không cung cấp bất kỳ điện năng nào, và sau đó là sóng khối hình răng cưa ở bên phải là sóng sine mô phỏng được tạo bởi UPS.

Điều này là dễ hiểu và mong đợi ở mức giá thấp hơn nhiều của mẫu này, nhưng nó thật sự mê hoặc khi nhìn vào. Ngoài tín hiệu rất hình khối, UPS có thể chuyển đổi tương đối nhanh.

Lưu ý rằng trong khi sóng sine mô phỏng khác biệt khá nhiều so với sóng sine thuần túy, nó vẫn sẽ có chu kỳ (độ dài chu kỳ) khoảng 16,6 ms để đáp ứng tần số 60 Hz.

Thiết bị công suất cao được cắm vào UPS sẽ có điều kiện và lọc nguồn điện đầu vào riêng để xử lý sóng sine mô phỏng không lý tưởng, nhưng nó sẽ không hiệu quả bằng và những thay đổi đột ngột về điện áp và dòng điện có thể tạo ra rung động, tiếng ồn và nhiệt bổ sung.

Chuyển đổi theo hướng ngược lại, cắm UPS vào trong khi nó đang hoạt động ở chế độ pin, chúng ta có thể thấy quá trình chuyển đổi mượt mà hơn một chút và sự phục hồi của sóng sine được tạo bởi Chroma 61507.

Chúng tôi cũng đo điểm khi UPS được bật khi trước đó không được cắm vào (chỉ dùng nguồn pin). Nó nhảy thẳng vào tín hiệu sóng sine mô phỏng.

APC BN1500M2-CA

Nhìn vào mẫu APC BN1500M2-CA tương tác đường dây, chúng tôi đã kiểm tra một mẫu đơn nhưng phải mang thêm một mẫu dự phòng vì kết quả không mong muốn.

Mẫu đầu tiên chúng tôi kết nối cho thấy sóng sinusoid đẹp khi được kết nối với nguồn. Đây là tín hiệu sinusoid sạch được cung cấp bởi nguồn điện lưới (trong trường hợp của chúng tôi là nguồn AC).

Khi UPS bị ngắt kết nối và phải tạo tín hiệu riêng của nó, chúng tôi thấy kết quả như dưới đây. Về lý thuyết, UPS này phải xuất ra sóng sine thuần túy.

Đôi khi các nguồn điện có thể hoạt động thất thường khi được bật mà không có tải kết nối, điều mà tôi nghĩ có thể là trường hợp ở đây. Tôi đã kết nối một bộ sạc USB-C 60 W nhưng nó chỉ làm giảm đỉnh của tín hiệu một chút. Rõ ràng không phải là vấn đề duy nhất.

Tôi chưa thử gỡ lỗi kỹ lưỡng chiếc UPS này, nhưng có vẻ như vấn đề vượt xa việc chỉ cần thay pin mới.

Trong khi không được cắm vào, các quá trình chuyển đổi sang và từ chế độ nguồn pin (rút phích cắm và cắm phích cắm) được hiển thị trong các hình chụp dưới đây.

Kiểm tra mẫu thứ hai (Xin lỗi vì sự gián đoạn)

Sử dụng một mẫu khác, chúng tôi có thể thấy quá trình chuyển đổi tương đối mượt mà và sinusoid thích hợp khi UPS bị rút phích cắm. Lưu ý rằng UPS này cũng có một quá độ/gợn sau khi đi qua 0 V. Dưới đây là hai ví dụ về quá trình chuyển đổi từ UPS đang được cắm điện sang bị rút phích cắm.

UPS này không thể duy trì pha của tín hiệu nguồn điện đầu vào, và thời gian của điện áp không ổn định/không bằng không dường như khoảng 10 ms. Đây là ở mức ranh giới nơi hầu hết các nguồn ATX có thể duy trì đầu ra ở tải đầy đủ. Chúng tôi sẽ phải kiểm tra điều đó sometime...

Chuyển đổi từ đầu ra pin sang đầu ra nguồn điện lưới (cắm UPS vào) thậm chí còn mượt mà hơn. Gần như không có sự gián đoạn nào. Rất ít khả năng thiết bị kết nối sẽ tắt nguồn hoặc thậm chí phản ứng với sự thay đổi này. Tôi không thể đảm bảo rằng đây sẽ là một kết quả nhất quán, nó có thể đã hơi "may mắn" về thời điểm.

Bật UPS trong khi nó đang bị rút phích cắm thậm chí còn thú vị hơn khi nhìn thấy, tạo ra sinusoid và tăng dần độ lớn trong vài trăm mili-giây.

Vì tôi đã lấy bộ sạc 60 W ra, tôi cũng đã cắm nó vào UPS này. Nó có vẻ làm giảm đỉnh của đầu ra sinusoid được tạo ra (so sánh các hình ảnh trong băng trượt dưới đây). Điều này sẽ yêu cầu thêm thử nghiệm với tải được áp dụng vì tôi không mong đợi nó có tác động lớn như vậy.

Các hướng khám phá có thể thực hiện

Chỉ với việc khám phá được giải thích ở trên, có nhiều hướng khác nhau có thể được khai thác. Chúng tôi dự định xem xét sâu hơn về thời gian chuyển đổi, chất lượng dạng sóng/sóng hài, kiểm tra tải, cách chúng xử lý sự cố quá áp và cuối cùng là các nguồn ATX (máy tính) bắc cầu khoảng trống như thế nào.

Ngoài những điều đó, hãy cho chúng tôi biết nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào mà chúng tôi có thể xem xét hoặc cố gắng trả lời. Nếu có đủ quan tâm đến chủ đề này thì có thể có cơ sở kinh doanh để mua thêm đầu dò hoặc thiết bị!