Biến tần lưu trữ năng lượng / năng lượng mặt trời: dây cách điện ba lớp dùng ở nguồn phụ, không dùng ở tầng công suất chính

Bộ phận thiết kế biến tần (inverter) quang điện (PV) và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) thường nhận một câu hỏi: "Loại dây cách điện ba lớp (TIW) này có dùng được trong biến tần không?" Cách hỏi này gộp cả chiếc biến tần làm một; câu trả lời trung thực phải phân theo từng tầng. Đường công suất chính (cuộn cảm boost DC/DC, cuộn cảm lọc hòa lưới DC/AC; nhiều mẫu hòa lưới thậm chí không có biến áp cách ly chính) được quấn bằng dây dẫn tiết diện lớn và dây Litz, không phải địa bàn của bất kỳ dây cách điện ba lớp đơn sợi nào; vị trí của dây cách điện ba lớp là chiếc biến áp flyback cách ly cỡ nhỏ trong nguồn phụ / nguồn bias (auxiliary / bias). Bài viết này tách một chiếc biến tần thành vài tầng, giải thích từng tầng dùng linh kiện từ nào và đến tầng nào mới tới lượt TIW, đưa cho kỹ sư nguồn, linh kiện từ, an toàn và mua hàng một đường đối chiếu trung thực. Bài viết chỉ đưa ra định hướng và tiêu chí; mọi giá trị sản phẩm DAH JIN đều "theo tài liệu phê duyệt quy cách".

1. Trước hết, tách một biến tần PV / ESS thành các tầng

Việc của biến tần là chuyển đổi giữa một chiều và xoay chiều: biến tần năng lượng mặt trời chuyển dòng một chiều từ tấm PV thành xoay chiều hòa lưới; hệ thống chuyển đổi công suất (PCS) của lưu trữ năng lượng phải hai chiều, chuyển một chiều của pin thành xoay chiều và chỉnh lưu xoay chiều để sạc lại pin. Về an toàn, cả hai ứng dụng đều theo IEC 62109 (xem §4), mà Part 2 đưa rõ vào phạm vi các biến tần "có thể dùng kết hợp với pin hoặc các dạng lưu trữ năng lượng khác".

Lấy biến tần chuỗi (string inverter) năng lượng mặt trời phổ biến làm ví dụ. Tài liệu ứng dụng của TI về nguồn phụ chia nó thành vài tầng chuyển đổi công suất: tầng thứ nhất là tầng DC/DC, tạo điện áp bus DC ổn định từ dòng một chiều của chuỗi PV; tiếp đó tầng nghịch lưu (DC/AC) chuyển bus DC thành xoay chiều hòa vào lưới. Một tài liệu khác của TI về tô-pô nguồn cho biến tần chuỗi cũng chia thành ba khối công suất lớn — tầng chuyển đổi DC/DC một chiều, tầng DC/DC hai chiều và tầng nghịch lưu DC/AC hai chiều — và chỉ ra rằng ở những chỗ nhạy cảm về chi phí, DC/DC đầu vào phần lớn dùng tô-pô boost (tăng áp) không cách ly.

Trải một chiếc biến tần theo "vị trí linh kiện từ", đại thể là hai đường dưới đây, với nhu cầu linh kiện từ hoàn toàn khác nhau:

• DC/DC đầu vào (boost / MPPT) — Chức năng：Tạo bus DC ổn định từ chuỗi PV hoặc pin；Linh kiện từ điển hình：Cuộn cảm boost / cuộn chặn (dòng lớn, lõi lớn)；Có phải chủng loại TIW đơn sợi?：Không (xem §2)
• Tầng nghịch lưu DC/AC — Chức năng：Chuyển bus DC thành xoay chiều hòa lưới；Linh kiện từ điển hình：Cuộn cảm lọc hòa lưới (thường là LCL, hai cuộn cảm)；Có phải chủng loại TIW đơn sợi?：Không (xem §2)
• Biến áp cách ly chính (nếu dùng tô-pô cách ly) — Chức năng：Cách ly sơ cấp/thứ cấp và điều chỉnh điện áp；Linh kiện từ điển hình：Biến áp công suất lớn dạng quấn dây hoặc phẳng (planar)；Có phải chủng loại TIW đơn sợi?：Không (cuộn dây tiết diện lớn, xem §2)
• Nguồn phụ / nguồn bias (aux / bias) — Chức năng："Nguồn nội bộ" cho điều khiển, cảm biến, lái cổng；Linh kiện từ điển hình：Biến áp flyback cách ly công suất nhỏ；Có phải chủng loại TIW đơn sợi?：Có, vị trí thường gặp (xem §3)

Điểm then chốt nói trước: đường công suất chính (cuộn cảm boost, cuộn cảm lọc LCL, biến áp cách ly chính) không phải chủng loại của dây cách điện ba lớp đơn sợi DAH JIN; vị trí thật sự của TIW là chiếc biến áp cách ly cỡ nhỏ ở hàng cuối. Dưới đây giải thích từng tầng.

2. Vì sao công suất chính không phải chỗ của TIW đơn sợi

Hai sự thật then chốt của tầng công suất chính khiến nó ngay từ đầu đã nằm ngoài tầm với của dây cách điện ba lớp đơn sợi.

Thứ nhất, rất nhiều biến tần hòa lưới hoàn toàn không có biến áp cách ly chính. Biến tần chuỗi không biến áp (transformerless) một pha / ba pha là cách làm phổ biến trong ngành, và tài liệu chỉ rõ loại tô-pô này "không có cách ly galvanic (galvanic isolation)" — nói cách khác, giữa phía PV và phía lưới không hề có biến áp quấn dây cho công suất chính; linh kiện từ của tầng công suất chính chính là cuộn cảm boost và cuộn cảm lọc hòa lưới (bộ lọc LCL thường gặp tự nó đã gồm hai cuộn cảm). Không có biến áp cách ly chính thì câu hỏi "có nên dùng TIW ở cuộn dây công suất chính" cũng không tồn tại.

Thứ hai, cuộn cảm của công suất chính là linh kiện từ công suất dòng lớn, lõi lớn, cách quấn dùng dây dẫn tiết diện lớn. Cuộn dây của cuộn cảm dòng lớn phải cân đối giữa điện trở một chiều và điện trở xoay chiều tần số cao; bốn lựa chọn thực tế trong kỹ thuật là dây đặc, dây Litz, lá đồng phẳng (foil) và lá đồng tạo hình — dây đặc đơn sợi ở tần số cao chỉ dẫn điện ở lớp bề mặt, tổn hao đồng xoay chiều lớn, nên cuộn cảm tần số cao, dòng lớn chuyển sang dây Litz (nhiều sợi nhỏ phân tán dòng) hoặc quấn bằng lá đồng để hạ tổn hao. Định vị thiết kế của dây cách điện ba lớp thì ngược lại: nó là dây tráng men đơn sợi tương đối nhỏ, bọc thêm ba lớp cách điện dày, giá trị nằm ở chỗ dùng một sợi dây đạt được cách điện tăng cường (Reinforced), bỏ được chiều dài đường rò, giúp biến áp nhỏ công suất thấp đến trung bình làm được nhỏ hơn. Đem loại dây đơn sợi nhỏ, cách điện dày này đặt lên cuộn dây dòng lớn của cuộn cảm công suất chính thì cả khả năng tải dòng lẫn tổn hao đồng tần số cao đều không khớp — đây không phải việc thương hiệu hay tài liệu phê duyệt quy cách có thể bù đắp.

Ngay cả khi biến tần dùng tô-pô cách ly, thật sự có một biến áp cách ly chính, thì đó cũng là biến áp công suất lớn với cuộn dây tiết diện lớn, cũng không phải chỗ của TIW đơn sợi. Vì vậy câu trả lời trung thực cho "công suất chính của biến tần năng lượng mặt trời / ESS có cần dùng dây cách điện ba lớp không" là — không. Điều này nhất quán với lập trường của bài "Nguồn cho trung tâm dữ liệu / máy chủ AI" trong cùng loạt bài: công suất chính là địa bàn của dây dẫn tiết diện lớn (Litz / lá đồng / planar), TIW nằm ở một tầng khác.

3. Vị trí của dây cách điện ba lớp: biến áp flyback của nguồn phụ / nguồn bias

Ngoài công suất chính, mỗi chiếc biến tần đều có một bộ "nguồn nội bộ". Tài liệu ứng dụng của TI định nghĩa rất rõ: nguồn phụ "được thiết kế để cấp điện cho các linh kiện điều khiển, chuỗi tín hiệu, cảm biến và mạch lái cổng", và nó "thường ở dạng bộ điều khiển flyback cách ly, chuyển điện áp của bus DC hoặc lưới AC (hoặc cả hai)" thành dạng cần thiết để duy trì hoạt động của các linh kiện bên trong; thiếu nguồn này, điện tử của cả máy không được cấp điện và toàn hệ thống sẽ ngừng hoạt động. Tài liệu cũng chỉ rõ các linh kiện như mạch lái cổng "phải có điện áp bias đúng mới lái được các khóa công suất đúng cách".

Hai đặc điểm của nguồn phụ này quyết định vị trí của TIW: công suất nhỏ, nhưng phải cách ly an toàn giữa sơ cấp và thứ cấp. Nhỏ đến đâu? Thiết kế tham chiếu nguồn phụ mà TI trích dẫn trong cùng tài liệu có đầu vào 350 V đến 1500 V, đầu ra chỉ cỡ 150 W — so với tầng công suất chính từ vài kilowatt đến vài trăm kilowatt, đây chỉ là một lát mỏng. Và thứ nó dùng chính là biến áp cách ly cỡ nhỏ dạng quấn dây (flyback): để đạt cách điện tăng cường trên loại biến áp nhỏ này bằng một loại dây quấn duy nhất, dây cách điện ba lớp chính là cách làm thường gặp trong ngành — tài liệu cấu tạo biến áp flyback của bên thứ ba và nghiên cứu về nguồn phụ của biến tần PV đều chỉ ra TIW được dùng ở cuộn thứ cấp của biến áp flyback khi cần cách ly tăng cường sơ cấp/thứ cấp. Đây mới là cấp ứng dụng mà bốn loại dây cách điện ba lớp của DAH JIN (TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F) thật sự tương ứng.

Ở tầng này, căn cứ trực tiếp mà DAH JIN có thể cung cấp là một bộ điều kiện chứng nhận cố định, chứ không phải tuyên bố "đã được dùng trong một chiếc biến tần nào đó": cả bốn loại đều nằm trong phạm vi đánh giá IEC 62368-1 Annex J của VDE 40008834 Anlage 200; các giá trị cụ thể như điện áp làm việc, điện áp đỉnh, tần số thử nghiệm đều theo tài liệu phê duyệt quy cách và chứng chỉ VDE; đường kính dây 0.10–1.00 mm (TLW-B7S là dây bện 7 sợi, sợi đơn 0.10–0.30 mm); cấp chịu nhiệt 130(B), TLW-F là Class F (155 °C). Cách làm ở phía thiết kế là lấy điểm làm việc thực tế của biến áp flyback nguồn phụ / bias của mình, đối chiếu với các điều kiện Annex J ghi trong tài liệu phê duyệt quy cách — nằm trong điều kiện thì có thể chọn, bất kỳ hạng mục nào vượt quá thì cần đánh giá riêng. Bài viết này không tính ngược điểm làm việc của biến áp từ điện áp chuỗi PV hay bus DC, cũng không khẳng định dây cách điện ba lớp DAH JIN đã được dùng trong bất kỳ biến tần cụ thể nào. Ranh giới giữa cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của hệ thống cách điện, xem thêm Cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của hệ thống cách điện.

4. Hệ thống an toàn: IEC 62109 nhìn cách ly thế nào

An toàn của biến tần thành phẩm theo IEC 62109. Part 1 (yêu cầu chung) quy định việc bảo vệ thiết bị chuyển đổi điện năng PV trước các nguy hiểm về điện giật, năng lượng, cháy, cơ khí, bao gồm hệ thống cách điện (chính / phụ / tăng cường) cùng chiều dài đường rò và khe hở không khí tương ứng với cấp điện áp và độ nhiễm bẩn (pollution degree), áp dụng tới 1500 V phía DC và 1000 V phía AC; Part 2 (yêu cầu riêng cho biến tần) nêu rõ bao gồm biến tần hòa lưới và biến tần độc lập, đồng thời đưa vào trường hợp "có thể dùng kết hợp với pin hoặc các dạng lưu trữ năng lượng khác" — PCS của lưu trữ năng lượng vì thế cũng nằm trong hệ thống này.

Ở đây cần phân biệt rõ hai cấp độ (chỉ nói khái quát, chi tiết theo nguyên văn tiêu chuẩn): IEC 62109 là tiêu chuẩn an toàn của biến tần thành phẩm, quyết định cả máy cần cấp cách ly nào và nằm ở hàng rào nào; tài liệu phê duyệt quy cách của TIW là đánh giá cách ly ở cấp vật liệu (dây), được đánh giá theo hệ thống UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (CNTT / nghe nhìn) và IEC 60601-1 (y tế, theo tài liệu phê duyệt quy cách). Hai thứ không cùng cấp độ, cũng không thể thay thế cho nhau. Cách làm đúng ở phía thiết kế là: thành phẩm đạt IEC 62109, và khi một biến áp flyback nguồn phụ / bias nào đó cần đạt cách ly tăng cường ở cuộn dây, chọn một dây cách điện ba lớp mà các điều kiện ghi trong tài liệu phê duyệt quy cách bao trùm điểm làm việc đó, như một trong những phương tiện để đạt cách ly tăng cường. Còn phải dùng cấp cách ly nào, tương ứng điện áp chịu đựng và khoảng cách bao nhiêu, do việc phân cấp IEC 62109 của thành phẩm quyết định, không suy ngược từ catalogue dây. Các giá trị tương ứng của DAH JIN đều theo tài liệu phê duyệt quy cách, bài viết không liệt kê lại.

5. Tiêu chí kỹ thuật: phân tầng trước, rồi mới nói đến dây

Kết luận một trang cho kỹ sư nguồn / linh kiện từ, theo thứ tự "trước hết xác định linh kiện thuộc tầng nào, rồi mới bàn có dùng TIW hay không":

1. Đường công suất chính (cuộn cảm boost, cuộn cảm lọc hòa lưới LCL, và biến áp cách ly chính nếu có): dùng dây dẫn tiết diện lớn — chỗ tần số cao, dòng lớn dùng dây Litz hoặc quấn lá đồng để hạ tổn hao đồng; mẫu không biến áp thậm chí không có biến áp cách ly chính. Tầng này không phải chủng loại của dây cách điện ba lớp đơn sợi, không cần và cũng không nên nghĩ tới TIW.
2. Biến áp cách ly cỡ nhỏ (flyback) của nguồn phụ / nguồn bias: đây mới là biến áp cách ly dạng quấn dây, cũng là vị trí của dây cách điện ba lớp. Muốn chọn TIW, hãy lấy điện áp làm việc, điện áp đỉnh và tần số thử nghiệm thực tế của biến áp đó, đối chiếu với các điều kiện chứng nhận Annex J ghi trong tài liệu phê duyệt quy cách (và đường kính dây trong khoảng 0.10–1.00 mm, sợi của TLW-B7S trong khoảng 0.10–0.30 mm) — nằm trong điều kiện thì có thể chọn, bất kỳ hạng mục nào vượt quá thì cần đánh giá riêng.
3. Không tính ngược, không ngoại suy: không tính ngược điểm làm việc của biến áp từ điện áp chuỗi PV hay bus DC; với ứng dụng y tế, Annex L (2 MOOP / 2 MOPP) có một bộ điều kiện riêng và chỉ gắn với TLW-BB và TLW-B7S, giá trị cũng theo tài liệu phê duyệt quy cách. Nhánh phân loại đầu tiên khi chọn loại (B 130 °C vs F 155 °C) xem hướng dẫn chọn dây cách điện ba lớp.