Thiết kế phần điện áp 1 chiều cho bộ UPS

Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 1 ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề bài: Thiết kế phần điện áp 1 chiều cho bộ UPS: - Điện áp nguồn: 220 VAC+10%,-10%. - Công suất: 4 KVA. - Điện áp ra: 110 V - Tần số vào: 60Hz CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KĨ THUẬT I.GIỚI THIÊU UPS hình I.1 1.1.Cung cấp điện cho những tải nhạy cảm Sự cố trong các nguồn năng lượng điện có thể xẩy ra trong quá trình lắp đặt trang thiết bị hoặc ở đầu vào hệ thống (quá tải, nhiễu, mất cân bằng pha, sấm sét, …). Những sự cố này có thể gây ra những hậu quả khác nhau. Về mặt lý thuyết: Hệ thống phân phối năng lượng điện tạo ra một điện áp hình sin với biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (400V-50Hz chẳng hạn). Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 2 Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnh hưởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệ thống. Đối với hệ thống cung cấp điện: Có thể bị sự cố hoặc gián đoạn cung cấp điện vì: ƒ Hiện tượng nhiễm điện ở bầu khí quyển (thường không tránh khỏi). Điều này có thể ảnh hưởng đến đường dây ngoài trời hoặc cáp chôn, chẳng hạn: - Sấm sét làm điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện - Sương giá có thể làm cho đường dây bị đứt ƒ Những hiện tượng ngẫu nhiên, chẳng hạn: - Cành cây rơi gây gắn mạch hoặc đứt dây - Đứt cáp do đào đất - Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp Những thiết bị dùng điện có thể ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp ƒ Lăp đặt công nghiệp, chẳng hạn: - Động cơ gây ra điện áp rơi và nhiễm RF trong quá trình khởi động. - Những thiết bị gây ô nhiễm: lò luyện kim, máy hàn, … gây ra điện áp rơi và nhiễm RF ƒ Những hệ thống điện tử công suất cao ƒ Thang máy, đèn huỳnh quang Những sự cố ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có thể phân thành các loại sau: ƒ Lệch điện áp ƒ Ngừng hoạt động ƒ Tăng đột ngột điện áp ƒ Thay đổi tần số ƒ Xuất hiện sóng hài ƒ Nhiễu tần số cao… Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 3 Sự cố có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là làm gián đoạn việc cung cấp điện, nhất là hệ thống dữ liệu của máy tính. 1.2.Giải pháp dùng UPS Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và hậu quả của nó về phương diện: ƒ An toàn cho con người ƒ An toàn cho thiết bị, nhà xưởng ƒ Mục tiêu vận hành kinh tế Từ đó phải tìm cách loại chúng ra. Có nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau cho vấn đề này, những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của hai tiêu chuẩn sau để đánh giá: ƒ Liên tục cung cấp điện ƒ Chất lượng cung cấp điện Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải nhạy cảm. UPS cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục, chất lượng cao, không phụ thuộc mọi tình trạng của hệ thống cung cấp. UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy ƒ Không bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệt khi hệ thống cung cấp ngừng hoạt động. ƒ Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từ nhạy cảm (chẳng hạn: GALAXY-sai số cho phép của biên độ 5,0± %, tần số 1± %) UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua các khâu trung gian: Acquy và chuyển mạch tĩnh. 1.3 Ứng dụng của UPS trong thực tế Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông, ngân hàng,y tế,hàng không là rất lớn. Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số lượng máy tính đang được sử dụng. Có thể lấy một vài ví dụ về các thiết bị sử dụng UPS, đó là những máy tính, việc truyền dữ liệu và toàn bộ thiết bị ở một trạng thái nào đó là rất quan trọng và không cho phép được mất điện. UPS được sử dụng trong ngành hàng không để đảm bảo sự thắp sáng liên tục của đường băng sân bay. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 4 Ứng dụng chính Thiết bị được bảo vệ 1.Hệ thống máy tính nói chung -Máy tính,mạng máy tính -Máy in,hệ thống vẽ đồ thị,bàn phímvà các thiết bị đầu cuối. 2.Hệ thống máy tính công nghiệp -Bộ điều khiển lập trình,hệ thống điều số,điều khiển giám sát,máy tự động. 3.Viễn thông -Tổng đài điện thoại ,hệ thống truyền dữ liệu,hệ thống rađa. 4.Ytế,công nghiệp Dụng cụ y tế,thang máy,thiết bị điều khiển chính xác,thiết bị đo nhiệt độ,bơm plastic... 5.Chiếu sáng -Đường hầm ,đường băng sân bay, nhà công cộng... 6.Các ứng dụng khác -Máy quét hình,cung cấp năng lượng cho máy bay... Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phòng nó có mặt ở mọi chỗ mọi nơi, những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục. 1.4 Phân loại UPS 1.4.1..Phân loại UPS dựa theo bộ chuyển đổi Hình I.2 a.UPS tĩnh:Sử dụng bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện cung cấp năng lượng. -Giới hạn dòng trong vận hành cho phép Icp=2.33Iđm -Cách li về điện. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 5 -Bảo dưỡng và vận hành đơn giản,làm việc tin cậy cậy chắc chắn. -Khả năng phản ứng tức thời trước những dao động biên độ của hệ thống cung cấp,sử dụng thiết bị điều khiển vi xử lí dựa trên kĩ thật số. -Biên độ điện áp điều chỉnh trong phạm vi sai số ± 0.5% ÷ ± 1%,thời gian điều chỉnh nhanh,kích thước và trọng lượng của hệ nhỏ b.UPS quay Hình I.3 Sử dụng máy điện quay để thực hiện biến đổi năng lựợng, -Inm=Iđm -Hệ thống phụ tải cánh li với nguồn. -Trở kháng ra của hệ thấp. 1.4.2.Phân biệt theo chế độ làm việc a.UPS gián tiếp(offline UPS) HìnhI.4 -Nghịch lưu nối song song với hệ thống cung cấp là nguồn dự trữ phòng tình trạng khẩn cấp. -Trong quá trình vận hành,nguồn lưới được cung cấp trực tiếp đến tải qua bộ lọc F mà không qua nghịch lưu. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 6 -Nếu sự cố hệ thống cung cấp điện hoặc U hệ thống cung cấp điện không nằm trong sai số cho phép thì tải chuyển từ hệ thống cung cấp điện qua nghịch lưu trong thời gian ngắn <10 ms.Khi điện áp hệ thống cung cấp được phục hồi,tải sẽ tự động chuyển về hệ thống cung cấp -Dùng với tải P <2 KVA. -Thời gian chuyển mạch phù hợp với tải nhạy cảm. -Tuy nhiên offline UPS không đáp ứng với phụ tải như máy tính ,tổng đài điện thoại,không điều chỉnh được tần số. b,OnlineUPS HìnhI.5 -Được chèn vào giữa hệ thống cung cấp và tải.Toàn bộ điện năng cung cấp cho tải đều phải qua nghịch lưu do vậy việc cung cấp điện được liên tục trong phạm vi sai số cho phép của f,U. -Không phụ thuộc vào trạng thái cua hệ thống cung cấp điện. -Áp dụng cho tải có công suất trung bình P≥40 KVA. 1.5.Sơ đồ nguyên lí chung của UPS CL: Cung cấp nguồn một chiều cho nghịch lưu và nạp thường trực cho ắcquy AQ: Tạo năng lượng dự trữ cung cấp cho nghịch lưu nếu sảy ra: -Ngừng hoạt động hệ thống cung cấp. -Hệ thống cung cấp có sự cố hoặc chất lượng hệ thống cung cấp không trong giới hạn cho phép. 110 220 ĐK Aq CL NL + _ Hình I.2 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 7 NL:Chuyển đổi DC AC với sai số cho phép chặt chẽ ,chắc chắn hơn hệ thống chính. ĐK: Bao gồm cả hệ thống phản hồi ,điều khiển hoạt động của CL ,NLvà quá trình phóng nạp AQ ,ổn định cung cấp điện theo yêu cầu. Trong phạm vi đồ án này chúng ta nghiên cứu phần CL cung cấp nguồn DC choNL, AQ đồng thời với hệ thống điều khiển quá trình phóng nạp AQ. II)ACQUI 2.1.Khái niệm acqui Ắc qui là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hoá. Ắc qui là một nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày: như động cơ điện, bóng đèn điện, là nguồn nuôi của các linh kiện điện tử... Ắc qui là nguồn cung cấp điện cho các động cơ khởi động. Trong thực tế có nhiều loại ắc qui nhưng phổ biến nhất là hai loại ắc qui chì và ắc qui axit. 2.2. Cấu tao và đặc điểm của các loại ắc qui: Cấu trúc của một ắc qui đơn giản gồm có phân khối bản cực dương, phân khối bản cực âm, các tấm ngăn. Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau. Cấu tạo của một bản cực trong ắc qui gồm có phần khung xương và chất tác dụng trát lên nó. Khung xương của bản cực âm và bản cực dương có cấu tạo giống nhau, chúng được đúc từ chì và chúng được đúc từ chì và có pha thêm 5 ÷ 8 % ăngtimoan ( Sb ) và tạo hình mắt lưới. Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính đúc. Trong thành 2 3 1. VÊu b¶n cùc 2. ChÊt t¸c dông 3. Cèt b¶n cùc Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 8 phần chất tác dụng còn có thêm khoảng 3 % chất nở ( các muối hưu cơ ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện được độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng được tăng thêm . Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc qui đơn được hàn với nhau tạo thành khối bản cực dương, các bản cực âm được hàn với nhau thành khối bản cực âm. Số lượng các bản cực trong mỗi ắc qui thường từ 5 đến 8, bề dầy tấm bản cực dương của ắc qui thường từ 1,3 đến 1,5 mm , bản cực âm thường mỏng hơn 0,2 đến 0,3 mm . Số bản cực âm trong ắc qui thường nhiều hơn số bản cực âm một bản nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực. Tấm ngăn được bố trí giữa các bản cực âm và dương có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực. Tấm ngăn được làm bằng vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy 0,8 đến 1,2 mm và có dạng lượn sóng , trên bề mặt tấm ngăn có các lỗ cho phéo dung dịch điện phân thông qua. 2.3. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui Ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch : nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện, quá trình ắc qui dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện. 3.1. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui axit: Trong ắc qui axit có các bản cực dương là đôixit chì ( PbO2 ), các bản âm là chì ( Pb ), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H2SO4 ) nồng độ d = 1,1 ÷ 1,3 % (- ) Pb ⏐ H2SO4 d = 1,1 ÷ 1,3 ⏐ PbO2 ( + ) Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit : phóng PbO2 + 2H2SO4 + Pb 2PbSO4 + 2H2O nạp Thế điện động e = 2,1 V. 3.2. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui kiềm: Trong ắc qui kiềm có bản cực dương là Ni(OH)3 , bản cực âm là Fe, dung dịch điện phân là: KOH nồng độ d = 20 % ( - ) Fe ⏐ KOH d = 20% ⏐ Ni(OH)3 ( + ) Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui kiềm : phóng Fe + 2Ni(OH)3 Fe(OH)3 + 2Ni(OH)2 nạp Thế điện động e = 1,4 V. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 9 Nhận xét: Từ những điễu đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong các quá trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi ắc qui phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc qui nạp điện nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc qui. 2.4. Các thông số cơ bản của ắc qui: a.. Sức điện động của ắc qui: Sức điện động của ắc qui kiềm và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm Eo = 0,85 + ρ ( V ) trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V ) ρ - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm3 ) ¾Trong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của ắc qui được tính theo công thức: Ep = Up + Ip.rb trong đó : Ep - sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V ) Ip - dòng điện phóng ( A ) Up - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V) rb - điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( Ω ) ¾Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui được tính theo công thức: En = Un - In.rb trong đó : En - sức điện động của ắc qui khi nạp điện ( V ) In - dòng điện nạp ( A ) Un - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi nạp điện ( V ) rb - điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( Ω ) b. dung lượng của ắc qui: _Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng điện của ắc qui cho phụ tải, và được tính theo công thức : Cp = Ip.tp trong đó : Cp - dung dịch thu được trong quá trình phóng ( Ah ) Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp ( A ) tp - thời gian phóng điện ( h ). _Dung lượng nạp của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ắc qui và được tính theo công thức : Cn = In.tn trong đó : Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( Ah ) In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A ) Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 10 tn - thời gian nạp điện ( h ). 2.5. Đặc tính phóng nạp của ắc qui: a.. Đặc tính phóng acqui Đặc tính phóng của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi . Từ đặc tính phóng của ắc qui như trên hình vẽ ta có nhận xét sau: ¾Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến tp = tgh, sức điện độngđiện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thị không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc qui ( dòng điện phóng ). ¾Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta tiếp tục cho ắc qui phóng điện sau tgh thì sức điện động ,điện áp của ắc qui sẽ giảm rất nhanh .Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ắc qui sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc qui, các giá trị Ep, Up, ρ tại tgh được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắc qui. ắc qui không được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%. ¾Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào, các giá trị sức điện động, điện áp của ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc qui. Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ắc qui (dòng điện phóng và thời gian phóng ). CP = IP.tP Vïng phãng ®iÖn cho phÐp 20 5 10 1,75 1,95 2,11 I (A) E,U (V) 1064 8 t E UP Kho¶ng nghØ Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 11 b.Đặc tính nạp acqui Đặc tính nạp của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức điện động , điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay đổi . Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau : ¾Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = tgh thì sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. ¾Tới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn gọi là hiện tượng" sôi " ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc qui đơn tăng đến 2,4 V . Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7 V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi tuần hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc qui. ¾Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2 ÷ 3 h trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi . Như vậy dung lượng thu được khi ắc qui phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc qui. ¾Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc qui sau khi nạp. 1,95 Cn = In.tn Vïng n¹p chÝnh 5 10 0 2 4 10%C101 6 8 ts 10 12 Vïng n¹p n0 t I (A) U,E (V) 2,4 2 2,7 U TE Kho¶ng nghØ Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 12 ¾Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc qui. Dòng điện nạp định mức đối với ắc qui là In = 0,1C10 . Trong đó C10 là dung lượng của ắc qui mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là In = 0,1C10 thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy. Ví dụ với ắc qui C = 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10% dung lượng ( tức In = 18 A ) thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy. 2.6. Sự khác nhau giữa ắc qui kiềm và ắc qui axit: Cả hai loại ắc qui này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộc loại dung kháng và sức phản điện động. Nhưng chúng còn có một số đặc điểm khác biệt sau : ắc qui axit ắc qui kiềm - Khả năng quá tải không cao, dòng nạp lớn nhất đạt được khi quá tải là Inmax = 20%C10 _Hiện tượng phòng lớn, do đó ắc qui nhanh hết điện ngay cả khi không sử dụng. _Sử dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp đặc biệt ở những nơi có nhiệt độ cao va đập lớn nhưng công suất và quá tải vừa phải. _Dùng trong ôtô, xe máy và các động cơ máy nổ công suất vừa và nhỏ. _Giá thành thấp _Khả năng quá tải rất lớn dòng điện nạp lớn nhất khi đó có thể đạt tới: Inmax = 50%C10 _Hiện tượng tự phóng nhỏ. _Sử dụng ở những nơi có yêu cầu công suất lớn quá tải thường xuyên, được sử dụng với các thiết bị công suất lớn. _Dùng phổ biến trong công nghiệp hàng không, hàng hải và những nơi nhiệt độ môi trường thấp. _Giá thành cao. 2.7.Các phương pháp nạp ắc qui tự động. Có ba phương pháp nạp ắc qui là + Phương pháp dòng điện. + Phương pháp điện áp. + Phương pháp dòng áp. a. Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi. Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại ắc qui, bảo đảm cho ắc qui được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sử chữa cho các ắc qui bị Sunfat hoá. Với phương pháp này ắc qui được mắc nối tiếp nhau và phải thoả mãn điều kiện : Un ≥ 2,7.Naq Trong đó: Un - điện áp nạp Naq - số ngăn ắc qui đơn mắc trong mạch Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 13 Trong quá trình nạp sức điện động của ắc qui tăng dần lên, để duy trì dòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R. Trị số giới hạn của biến trở được xác định theo công thức : n aqn I N0,2U R −= Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc qui đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức. Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 ÷ 0,6 )C10 tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,1C10 b. Phương pháp nạp với điện áp không đổi. Phương pháp này yêu cầu các ắc qui được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3V ÷ 2,5V) cho mỗi ngăn đơn. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian.Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc qui không được nạp no. Vì vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc qui trong quá trình sử dụng. c. Phương pháp nạp dòng áp. Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng được những ưu điểm của mỗi phương pháp. Đối với yêu cầu của đề bài là nạp ắc qui tự động tức là trong quá trình nạp mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương án nạp ắc qui là phương pháp dòng áp. ¾Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoản thời gian tn = 8h tương ứng với 75÷80 % dung lượng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1. Vì theo đặc tính nạp của ắc qui trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời gian 8 h ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 10 h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2 đến 3h. ¾Đối với ắc qui kiềm : Trình tự nạp cũng giống như ắc qui axit nhưng do khả năng quá tải của ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,2C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5C10 . Các quá trình nạp ắc qui tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc qui, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không. 2.8.Tính toán và lựa chọn acqui Căn cứ vào đầu ra của bộ nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện, ta có thể chọn được điện áp đầu vào đặt lên ắcquy.Giả sử ta chọn bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 14 Khi đó điện áp ra dạng xung chữ nhật ,nếu phân tích ra các thành phần của chuỗi Fourier sẽ gồm các thành phần sóng hài với biên độ bằng: U(n)=-2 n nE π π ))cos(1( +− Như vậy điện áp ra tồn tại các thành phần sóng hài bậc lẻ 1,3,5,7...với biên độ bằng .... 5 4, 3 4,4 πππ EEE Để điện áp ra có dạng sin có thể dùng các bộ lọc để lọc bỏ các thành phần sóng hài bậc cao . Giả sử điện áp ra đã được lọc chỉ còn thành phần sóng hài bậc một dạng sin biên độ =π E4 110(V) suy ra E= 4 .110π = 86,4(V). Nếu sử dụng một nguồn 86,4(V) có một ưu điểm là dòng tiêu thụ sẽ nhỏ nhưng kích thước của bộ chỉnh lưu sẽ lớn hơn, cồng kềnh. Để khắc phục điều này ta chỉ sử dụng một nguồn áp trung bình Ed=60(V)DC để cung cấp cho ăcquy và nghịch lưu. Sau khi qua bộ nghịch lưu sẽ sử dụng một máy biến áp để nâng điện áp lên 110V xoay chiều phù hợp với tải. Ắcquy được chọn là loại ắc quy 12V. Như vậy ta cần mắc 60/12=5 ắc quy mắc nối tiếp nhau. *Tính toán dung lượng của ắc quy. Với yêu cầu về công suất của UPS là 4 KVA, Ur = 110(V ) ta cần sử dụng máy biến áp. Nếu coi hiệu suất của máy biến áp là 95% thì hiệu suất phía sơ cấp của máy biến áp nghịch lưu là: Snghịch lưu= 95,0 4 = 4,21(KVA) Ta giả sử bộ nghịch lưu có hiệu suất 0,8 suy ra công suất cung cấp ở đầu vào nghịch lưu = 0,8*4,21 = 3,368(KVA) Dòng điện cần thiết để nạp cho ắc quy là: Id= 60 3368 = 56,13(A) Thông thường khi chọn ăcquy phải chọn dung lượng lớn hơn 2 hoặc 5 lần dung lượng định mức tuỳ thuộc vào loại ắc quy để đảm bảo cho ắc quy không bị hỏng Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 15 Do trong bộ ắc quy có nội trở trong do đó điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu được tính như sau: Ucl=Ud+Ut Trong đó: Ucl: điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu. Ud: điện áp đặt trên hai đầu ắc quy. Ud=60(VDC) Ut: điện áp tổn hao do nội trở của ắc quy. Với loại ăcquy 12V ta tra được nội trở trong của ăcquy là r=0,0015Ω . Vậy nội trở trong của bộ ăcquy là R=0,0015*6*5=0,045(Ω )(Mỗi acqui có 6 ngăn). Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là: Ucl=60 + 56,13*0,045 = 62,53(VDC) Kết luận: -Vì ắc qui là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi ắc qui đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc qui sẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc qui dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho ắc qui. ¾Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc qui đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực của ắc qui bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp. ¾Tuỳ theo loại ắc qui mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau + ắc qui axit : dòng nạp In = 0,1C10 ; nạp cưỡng bức với dòng điện nạp In = 0,2C10 . + ắc qui kiềm : dòng nạp In = 0,2C10; nạp cưỡng bức với dòng điện nạp In = 0,5C10 . ¾ Qua phân tích về yêu cầu kỹ thuật của bộ lưu điện ở trên, em chọn phương án thiết kế bộ chỉnh lưu cho bộ lưu điện loại Offline UPS vì nó khá đơn giản về thiết kế và đáp ứng được những đòi hỏi cơ bản của 1 nguồn điện dự phòng. - Chọn loại ắcquy 12V ( 5 ắcquy mắc nối tiếp nhau ) - Trong đó + Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là: 62,53 V + Dòng điện cần thiết để nạp cho ắcquy là: 56,13 ( A ) Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 16 CHƯƠNG 2 LƯẠ CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH CHỈNH LƯU Do yêu cầu của bài là điện áp một pha nên ta sẽ chọn lựa mạch lực dựa trên một số mạch chỉnh lưu một pha cơ bản : 1. Chỉnh lưu một nửa chu kỳ. Hình 1. Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ. U2 R L T U1 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 17 ở sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ hình 8.1 sóng điện áp ra một chiều sẽ bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anod của van bán dẫn âm, do vậy khi sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ, chúng ta có chất lượng điện áp xấu, trị số điện áp tải trung bình lớn nhất được tính: Udo = 0,45.U2 (8 -1) Với chất lượng điện áp rất xấu và cũng cho ta hệ số sử dụng biến áp xấu: Sba = 3,09.Ud.Id. (8 -2) Đánh giá chung về loại chỉnh lưu này chúng ta có thể nhận thấy, đây là loại chỉnh lưu cơ bản, sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản. Tuy vậy các chất lượng kỹ thuật như: chất lượng điện áp một chiều; hiệu suất sử dụng biến áp quá xấu. Do đó loại chỉnh lưu này ít được ứng dụng trong thực tế.Khi cần chất lượng điện áp khá hơn, người ta thường sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ theo các phương án sau. 2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính. Hình 2. Sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính. Theo hình dạng sơ đồ, thì biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng điện chạy qua. Cho nên ở cả hai nửa chu kỳ sóng điện áp tải trùng với điện áp cuộn dây có van dẫn. Trong sơ đồ này điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kỳ, với tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều. Hình dạng các đường cong điện áp, dòng điện tải (Ud, Id), dòng điện các van bán dẫn I1, I2 và điện áp của van T1 mô tả trên hình 8.3a khi tải thuàn trở và trên hình 8.3b khi tải điện cảm lớn. T2 U1 RU2 U2 T1 L 0 t1 t2 t3 Ud Id I1 I2 t t t t 0 t1 t2 t3 Ud Id I1 I2 t t t t p1 p2 p3 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 18 Hình 3. Các đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện các van và điện áp của Tiristo T1 Điện áp trung bình trên tải, khi tải thuần trở dòng điện gián đoạn được tính: Ud = Udo.(1+cosα)/2. (8 -3). với: - Udo: Điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng Udo = 0,9.U2 α: Góc mở của các Tiristo. Khi tải điện cảm lớn dòng điện, điện áp tải liên tục, lúc này điện áp một chiều được tính: Ud = Udo.cosα (8 -4) Trong các sơ đồ chỉnh lưu thì loại sơ đồ này có điện áp ngược của van phải chịu là lớn nhất Mỗi van dẫn thông trong một nửa chu kỳ, do vậy dòng điện mà van bán dẫn phải chịu tối đa bằng 1/2 dòng điện tải , trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van Ihd = 0,71.Id . So với chỉnh lưu nửa chu kỳ, thì loại chỉnh lưu này có chất lượng điện áp tốt hơn. Dòng điện chạy qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ. Đối với chỉnh lưu có điều khiển, thì sơ đồ hình 8.2 nói chung và việc điều khiển các van bán dẫn ở đây tương đối đơn giản. Tuy vậy việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau, mà mỗi cuộn chỉ làm việc có một nửa chu kỳ, làm cho việc chế tạo biến áp phức tạp hơn và hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn, mặt khác điện áp ngược của các van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhât. 3. Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng 222 UUnv = T4 T1 U2 T3 L T2 R Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 19 Hình 4. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng. Hoạt động của sơ đồ này khái quát có thể mô tả như sau. Trong nửa bán kỳ điện áp anod của Tiristo T1 dương (+) (lúc đó catod T2 âm (-)), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T1,T2 đồng thời, thì các van này sẽ được mở thông để đặt điện áp lưới lên tải, điện áp tải một chiều còn bằng điện áp xoay chiều chừng nào các Tiristo còn dẫn (khoảng dẫn của các Tiristo phụ thuộc vào tính chất của tải). Đến nửa bán kỳ sau, điện áp đổi dấu, anod của Tiristo T3 dương (+) (catod T4 âm (-)), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T3,T4 đồng thời, thì các van này sẽ được mở thông, để đặt điện áp lưới lên tải, với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nửa bán kỳ trước. Chỉnh lưu cầu một pha hình 4 có chất lượng điện áp ra hoàn toàn giống như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính, như sơ đồ hình 2. Hình dạng các đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện các van bán dẫn và điện áp của một van tiêu biểu gần tương tự như trên hình 3a.b. Trong sơ đồ này dòng điện chạy qua van giống như sơ đồ hình 2, nhưng điện áp ngược van phải chịu nhỏ hơn Unv = √2.U2. Việc điều khiển đồng thời các Tiristo T1,T2 và T3,T4 nhiều khi gặp khó khăn cho trong khi mở các van điều khiển, nhất là khi công suất xung không đủ lớn. Để tránh việc mở đồng thời các van như ở trên, mà chất lượng điện áp chừng mực nào đó vẫn có thể đáp ứng được, người ta có thể sử dụng chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng. 4.Chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng 4.1Sơ đồ nguyên lý: Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 20 4.2.Nguyên lí hoạt động: Sơ đồ cầu 1 pha không đối xứng gồm 2 Tiristior đấu Catốt chung và 2 Điốt đấu Anốt chung. Ta có : O1là điểm gốc tínhα cho T1 O2là điểm gốc tínhα cho T2 D2 mở cùng T D1 mở cùng T2 Ở nửa chu kì dương điện áp bắt đầu từ O1 điện áp đặt lên T1> 0 nên tại O1+α phát xung vào T1 thì T1 mở cùng D2 tạo thành mạch vòng kín (+) nguồn → T1 → tải → D2 → (-) nguồn.Lúc này điện áp đặt lên T2< 0 nên T2 khoá. Ở nửa chu kì âm điện áp bắt đầu từ O2 điện áp đặt lên → tải → D1 → (-) nguồn. Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng chảy của Tiristor và của điốt không bằng nhau. - Góc dẫn của điốt là : α+π=λ D - Góc dẫn của Tiristor là : απλ −=T Giá trị trung bình của điện áp tải ∫ +== π α απθθπ )cos1( 2sin21 22 UdUU d Nếu lấy trực tiếp điện áp từ lưới với U =220V,ở chế độ dòng không đổi ta được: 110*41,1 53,62*14,3 *2 * cos1 2 ==+ U U dπα =1,26 Hình III.4 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 21 => α =75 o Dòng trung bình qua Tiristor : π α−π=θπ= ∫ π α 2 IdI 2 1I ddT = 360 75180*13,56 − =16,37(A) Dòng trung bình qua Điốt : ∫ α+π α π α+π=θπ= 2IdI2 1I ddD = 56,13.( 360 75180 + ) =39,7 (A) π α−=θπ= ∫ π α 1IdI 1I d 2 d2 = 42,87 (A) Mặt khác ta có khi điện áp nguồn có sự dao động trong khoảng 220-25%-:-220+10% tức là trong khoảng 165 V-:-242 V thì tính toán tương tự như trên ta thấy α có sự thay đổi trong khoảng 48 0 -:- 81,5o Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 22 Nhận xét : Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 1 pha không đối xứng có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ , dễ điều khiển , tiết kiệm van . Thích hợp cho các máy có công suất nhỏ và vừa. *Kết luận: Qua phân tích 3 phương án trên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng với những ưu điểm sau: - Sử dụng 2 van thyristor, 2 điốt, tiết kiệm hơn nên giảm giá thành cho bộ biến đổi. - Mạch lực và sơ đồ điều khiển đơn giản. - Việc nạp ắc quy không có yêu cầu cao về chất lượng điện áp - Lấy điện trực tiếp từ nguồn điện 220V,60Hz . Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 23 - Công suất của bộ nguồn UPS không lớn (4KVA) thích hợp với sơ đồ chỉnh lưu bán điều khiển 1 pha. I.1.Tính chọn van thyristor Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, điều kiện toả nhiệt,điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính như sau : Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu : Ung max = 22U = 1,41.220=310,2(V). Chọn điều kiện làm mát của van bằng quạt nên: Điện áp ngược của van cần chọn : Ung = KdtU . Ungmax =1,7 . 310,2 = 527,34 (V) KdtU - hệ số dự trữ điện áp ,chọn KdtU =1,7 . Dòng lớn nhất qua van: Ilv = 2 Id = 2 13,56 = 28,06 (A) Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt; quạt đối lưu không khí ,với điều kiện đó dòng định mức của van cần chọn : Iđm =ki Ilv =(2÷2,5).28,06A Để an toàn ta chọn Iđm= 2,5 .28,06 = 70,15A Từ các thông số Unv ,Iđmv ta chọn 2 Thysistor kí hiệu S8012MH có các thông số sau : - Điện áp ngược cực đại của van: Un = 600 (V) - Dòng điện định mức của van: Iđm = 80 (A) - Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 415 (A) - Dòng điện của xung điều khiển: Iđk = 50 (mA) - Điện áp của xung điều khiển: Uđk = 2,5 (V) - Dòng điện rò: Ir = 3 (mA) - Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là : ΔU = 1,9 (V) - Tốc độ biến thiên điện áp : dt dU = 500 (V/s) - Thời gian chuyển mạch : tcm = 50(μs) - Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax = 125 oC Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 24 2.Tính toán chọn Điốt công suất Dòng điện chỉnh lưu cực đại chảy qua điốt là: Imax = 0.7Id =70,15.0,75 = 56,6 (A) Điện áp ngược lớn nhất mà Điốt phải chịu : Unmax= 2 U2 =310,2 (V). Từ các thông số trên ta chọn 2 Điôt KY719 có các thông số sau: - Điện áp ngược của van: Un = 360(V) - Dòng điện định mức của van: Iđm = 60(A) - Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 400(A) - Dòng điện rò : Ir = 0,01(mA) - Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của điốt : ΔU =1,1(V) - Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax = 150 oC Tính toán chọn thiết bị bảo vệ van thyristor công suất Trong quá trình van hoạt động thì van phải được làm mát để van không bị phá hỏng về nhiệt vì vậy ta đã tính toán chế độ làm mát cụ thể cho van rồi. Tuy nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng áp quá lớn.Nhưng vì dòng chỉ tăng khi qua thyistor trong thời gian rất ngắn 1÷3s nên van có thể chịu được. Để tránh hiện tượng quá áp trên van dẫn đến hỏng van ta phải có những biện pháp thích hợp để bảo vệ van. Biện pháp bảp vệ van thường dùng nhất là mắc mạch R, C song song van để bảo vệ quá áp và mắc nối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng dòng. Các thiết bị bán dẫn nói chung cũng như Thyristor rất nhạy cảm với điện áp và tốc độ biến thiên điện áp ( dt du ) đặt lên nó . Ti R C Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 25 Các nguyên nhân gây nên quá áp thì chia thành hai loại : - Nguyên nhân bên ngoài : Do cắt đột ngột mạch điện cảm,do biến đổi đột ngột cực tính của nguồn, khi cầu chảy bảo vệ đứt hoặc khi có sấm sét. - Nguyên nhân bên trong ( nội tại ) : Khi van chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá, do sự phân bố không đều điện áp trong các van mắc nối tiếp. Ở đây ta quan tâm đến việc bảo vệ quá điện áp do các nguyên nhân bên trong gây ra. Nguyên nhân quá điện áp trên van là do sự suất hiện dòng điện ngược chảy qua mỗi van khi nó chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá. Dòng điện ngược này suy giảm rất nhanh do vậy sẽ suất hiện sự quá điện áp dt diLU qda = Để khắc phục hiện tượng quá điện áp này ta dùng mạch R-L-C nhưng do mạch đã có tính chất điện cảm nên ta chỉ cần dùng mạch R-C đấu song song như hình vẽ. Theo kinh nghiệm Chọn :R = 100Ω ; C= 0,5 μF Khi van khóa dòng điện ngược sẽ chuyển từ van sang mạch bảo vệ CHƯƠNG 3 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 26 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN. 1. Thyristor chỉ mở cho dòng chảy qua khi thoả mãn hai điều kiện : UAK > 0 IG > 0 Khi thyristor chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển không còn tác dụng. Thyristor chỉ trở về trạng thái khoá nếu dòng điện IA < IH. ( IH : dòng điện duy trì ) Chức năng của mạch điều khiển : + Điều chỉnh được vị trí xung trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên A-K của thyristor. + Tạo ra được các xung đủ diều kiện mở thyristor, độ rộng xung tx được tính theo biểu thức: dtdi It Hx / = di/dt : tốc độ biến thiên dòng tải. 2.Cấu trúc mạch điều khiển thyristor. UAK : điện áp điều khiển ( điện áp một chiều ). Ut : điện áp tựa ( đồng bộ với điện áp A-K của thyristor ). Hiệu điện áp | Uđk - Ut | đưa vào khâu so sánh. a. Trigơ: đầu ra nhận được một chuỗi xung chữ nhật. b. Khâu tạo xung. c. Khâu khuếch đại xung. d. Khâu biến áp xung. Thay đổi Uđk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được góc α 3. Nguyên tắc điều khiển. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 27 Có hai nguyên tắc: a. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Uđk + Ut đưa đến đầu vào của một khâu so sánh, bằng cánh làm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung tức là điều chỉnh được góc α . Khi Uđk = 0 ta có α = 0 Khi Uđk 0 Quan hệ giữa α và Uđk như sau : maxt dk U Uπα = Ta lấy Uđkmax = Utmax. b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. Nguyên tắc này dùng hai điện áp : Điện áp động bộ Ut vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng π/2. ( Nếu UAK = Asinω t thì Ut = Bcosω t ). UAK có thể điều khiển được theo hai hướng dương và âm. Ut + Uđk được đưa đến đầu vào khâu so sánh. Khi Ut + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh. Uđk + Bcosα = 0 ⇒ α = arccos( -Uđk/B ). Thường lấy B = Uđkmax. Khi Uđk = 0 thì α = π /2. Nguyên tắc này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu chất lượng cao. Nhận xét: Yêu cầu của điều áp xoay chiều ba pha có thể dùng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính vì nó đơn giản và đáp ứng được yêu cầu mạch lực. Điều khiển thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả theo giản đồ hình dưới đây: Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 28 Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của thyristor, để có thể điều khiển được góc mở α của thyristor trong vùng điện áp+anod, ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi là điện áp tựa hay điện áp răng cưa Urc. Như vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương anod. Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc=Uđk), trong vùng điện áp dương anod, thì phát xung điều khiển Xđk. Thyristor được mở tại thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điện bằng 0). II. SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lý điều khiển ở trên, mạch điều khiển bao gồm các khối cơ bản trên hình vẽ sau: Nhiệm vụ của các khối trong sơ đồ điều khiển. Tạo điện áp tựa Khối so sánh Tạo dạng xung vuông Dao động tạo xung vuông Khuyếch đại và tạo xung đầu ra Tiristo Tạo điện áp điều khiển Tạo tín hiệu Uđk o Khối đồng pha Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 29 -Khối đồng pha: có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của thyristor. -Khối tạo điện áp điêù khiển:điện áp điều khiển là điện áp một chiều tổng hợp tín hiệu dòng điện đưa vào khối so sánh cùngvới điện áp đồng pha. -Khối so sánh :có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk=Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại. Khối so sánh ảnh hưởng rất lớn tới sai lệch tín hiệu tĩnh của hệ thống. Khối này thường được thiết kế bằng vi mạch hoặc bán dẫn nên kích thước nhỏ gọn ,độ tin cậy cao ,giá thành hạ. -Khối tạo xung :có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor.Bao gồm :khâu sửa xung sửa chữa hình dạng xung cho phù hợp kinh tế nhất, khâu khuếch đại và tạo xung đầu ra tạo xung có biên độ và độ rộng cần thiết để mở thyristo chắc chắn. Đầu ra có thể đưa trực tiếp tới Ti hoặc gián tiếp qua biến áp xung ,tranzito quang để cách li với mạch động lực III..TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung. d10 T2T1 d9 +15V D6 d7 MBAX d8 R12 a.Tính biến áp xung : Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 30 *Trong sơ đồ trên : - Điện trở R11 hạn chế dòng qua transitor - D6 chống quá áp trên transitor - D9,D7 ngăn xung âm vào cực điều khiển - D10,D8 giảm quá áp trên trên tiếp giáp G-K khi thyristor phân cực ngược * Tác dụng của biến áp xung: - Biến áp xung có nhiệm vụ tạo xung điều khiển và cách ly mạch điều khiển và mạch lực - Biến áp xung là loại biến áp đặc biệt ,trong đó điện áp đặt lên phía sơ cấp có dạng xung chữ nhật mà không phải là điện áp hình sin , tần số làm việc của biến áp xung có thể vài trăm Hz đến hàng trăm kHz - Sơ đồ tương đương : sBiến áp xung có số vòng dây rất ít ( w <= 100) , do đó điện trở thuần của cuộn dây rất nhỏ có thể bỏ qua , điện cảm tản của cuộn dây cũng có thể bỏ qua - Các đại lượng trên sơ đồ: r : điện trở trong của nguồn điện áp E : nguồn điện áp xung chữ nhật N= w1/w2 : tỷ số biến của máy biến áp R’= R/N2 : điện trở tải tương đương I’= N.i2 : dòng tải tương đương U’ = U /N : điện áp tương đương trên tải Lμ = (μ a wt2 S) / l : điện cảm từ hoá biến áp xung μ a = μ . μ 0 : độ từ thẩm tuyệt đối μ 0= 4Π 10 -7 H/m S : tiết diện mạch từ , l chiều dài trung bình của mạch từ. Chọn tỷ số của biên áp xung N=2 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 31 Ta biết điện áp thứ cấp của biến áp xung: U2 = Ug = 2,5 V Điện áp cuộn sơ cấp biến áp xung U1 = U2.N = 2,5 . 2 = 5(V). Dòng điện thứ cấp của biến áp xung I2 = Ig = 50 mA Dòng điện cuộn sơ cấp của biến áp xung I1 = I2/N = 50/2 = 25 m A Độ từ thẩm :μ = 6000 A/m Lõi sắt dùng vật liệu ferit , diện tích lõi S = 1 cm2 Độ từ hoá : BS = 0,45 tesla ta biết U1 = w1Δ φ /Δ t = w1Δ φ /tx = w1 Bs.S/tX suy ra : w1= SB tU s x .. .1 tx: chiều dài của xung 44 10.1.45,0 10.400.5 4 6 1 ≈= − − W vòng Số vòng cuộn thứ cấp BAX là: 22 2 441 2 === N ww vòng mật độ dòng điện J = 2 A/mm2 tiết diện dây quấn sơ cấp 21 0125,02 025,01 mm J IS === Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 32 đường kính của dây quấn sơ cấp 211 126.0 0125,0.44 mmSd =Π=Π= tiết diện dây quấn thứ cấp 222 025,02 05,0 mm J IS === tiết diện dây quấn thứ cấp 222 17.0 025,0.44 mmSd =Π=Π= b-Tính khâu khuếch đại xung: Ta có : Ug = 2.5 V Ig = 50 mA Như vậy: U2 = 2,5 V , I2 = 50 mA. điện áp bên sơ cấp của biến áp xung : U1 = N. U2 = 2 . 2,5 = 5 V I1 = I2/ N = 50/2 = 25 mA Chọn bóng T3 với các thông số : UCE = 35 V ICE = 3 A 10=β giá trị của R20 R20 = )(280025,0 512 1 12 Ω=−=− I UE Dòng điện qua cực bazơ của T3 : IBT3 = mA IICT 2 25 50 3 1 3 3 === ββ Dòng qua emitơ của T2 cũng chính là dòng bazơ của T3: IET2 = IBT3 = 2mA 2. Khâu đồng pha Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 33 1 Uv D2 MBA D1 R0 *Điện áp đồng pha ta chọn là - 15 ÷ + 15 dòng điện I = 100 mA D1, D2 ta chọn loại 1001 có các thông số U = 220 V I = 1 A * Hoạt động của sơ đồ: Trong nửa chu kỳ đầu điện áp đặt lên D1 là ngược và điện áp đặt lên D2 là thuận , điện áp là điện áp cuộn w22 ,trong nửa chu kỳ tiếp theo D1 phân cực thuận còn D2 phân cực ngược điện áp ra là điện áp của cuộn w21 như vậy điện áp ra lấy phần phần âm của điện áp nguồn. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 34 3. Khâu dịch điện áp: R 2 -12V R 1 +12V 2 R 3V R 1+15V 4. Khâu đồng bộ tạo điện áp răng cưa. * Sơ đồ : 1 1 2 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 35 VR2 R4 C1 3 -12V +12V R6 R5D3 nếu dòng qua tụ có giá trị không đổi thì điện áp trên tụ thay đổi theo quy luật tuyến tính : UC = IC.t / C . Do đó IC/C =UC/t =6.103 .Từ đó dòng qua tụ có gia trị là: IC = C.6.103 Chọn tụ C =0,22uF IC =1,32mA => R5 =Un/UC = 12/(1,32.10-3) = 9 KΩ Chọn R5 =9KΩ Trong khoảng 9ms còn lại ;dòng qua tụ C bằng dòng qua điện trở VR2+R4 . Ta phải chọn gía trị dòng điện sao cho tụ C phóng điện về đến 0 V sau đúng 9ms . Trong khoảng thời gian này điện áp C thay đổi theo quy luật 2 3 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 36 UC = 6V – (IC/C)/9.10-3 =>IC = 0,15.10-3 mA =>VR2+R4 = 12/0,15.10-3 = 80KΩ Để hiệu chỉnh được điện áp trên t ụ C đ úng =0V sau 9ms thì : R4 = 51 KΩ ; VR1 =51 KΩ 4- Khâu so sánh. * sơ đồ *nguyên lý hoạt động : Điện áp răng cưa được đưa vào cực không đảo của khâu so sánh , còn điện áp điều khiển được đưa vào cực đảo của khâu này , như vậy đây là khâu so sánh không đảo : khi Urc < Udk thì Ura ≈ - E1 khi Urc > Udk thì Ura ≈ + E1 khi Urc = Udk thì khâu so sánh lật trạng thái của đầu ra. Chọn điện trở hạn chế đầu vào R7 = R27 = 15 kΩ Khuếch đại thuật toán ta chọn loại TL 084 với nguồn nuôi Vcc = VE 121 ±=± So sánh điện áp điều khiển với điện áp răng cưa ta được chuỗi xung vuông liên tiếp 3 4 R7 R10 Udk Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 37 5. Tính chọn cổng AND . * ký hiệu và bảng chân lý : 3 4 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 38 * ta chọn cổng AND họ CMOS loại IC 4081 với thông số Vdd=12V Nhiệt độ làm việc : - 400 đến 800 C Công suất tiêu thụ p = 2,5 nW/ 1cổng 6. Tính chọn bộ tạo xung chùm :Ta sử dụng vi mạch 555 * sơ đồ R8 C2 R9 D5 6 -12V +12V Với tần số mong muốn f = 10 kHz ta phải chọn R = 100 Ω; C2=0,7 μF Tần số được tính theo biểu thức RC.693,0.2 1f = = 10000Hz Từ đó T0 = 0,1(ms) Ta điều chỉnh để R8=R9=R. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 39 CHƯƠNG IV MẠCH PHẢN HỒI I-Mạch phản hồi dòng: RS R23 -12V -12V +15V R22 VR4 +12V R25 R24 +12V R26 Dòng điện cần ổn định gây lên sụt áp trên điện trở sun Rs,ta giả sử sụt áp là 3(V) qua khâu khuyếch đại được đưa đến IC2 và qua IC2 ta có hàm biến đổi: Uđk=(Uđ+Uht)*K (K là hệ số khuyêch đại) Nếu dòng nạp tăng lên suy ra US tăng thì Uht tăng khi đó Uđk được tăng lên làm α tăng theo dẫn đến Ud giảm, suy ra dòng nạp giảm tới giá trị cần ổn định. Giả sử IC1 có hệ số khuyếch đại là 5 ta chọn các giá trị như sau R22=R23=1k,R24 =5k. +V=18V,R26= 1k.(Hệ số khuyếch đại K=2) Với giá trị chọn như vậy sẽ đảm bảo không ảnh hưởng tới mạch và an toàn cho IC Tl084 được chọn. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 40 II- Mạch phản hồi áp: +12VR19 R15 R17 -12V -12V R20 +15V R14 R16 +12V R18 VR3 Nguyên lí giống hệt như mạch phản hồi dòng điện nhưng chỉ khác là ta lấy điện áp phản hồi từ chiết áp.Vậy chọn: R16=R17=1k,R16 =5k. +V=18V, R20=1k Sụt áp ta chọn là 2,4 (V)suy ra chọn R14=117k,R15=3k. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 41 III. Mạch điều khiển và dạng điện áp: +12VR19 R29 RS R23 -12V -12V -12V R28 +12V +15V R22 VR4 +12V R25 R24 R15 R17 -12V R27+12V R26 NOT R21 -12V - 2,4V + ~220V D1 T1 d2 RS T2 + e- R15 R14 -12V +12V R8 1 Uv R20 +15V R3 R14 R16 +12V R18 VR3 +15V D2 VR1 R2 R6 D3 -12V 2 R5 Udk R73 -12V MBA R1 D1 VR2 +12V R4 C2C1 +12V R9 d10 R11 D4 5 4 7 T2T1 d9 +15V D6 D5 6 -12V +12V d7 MBAX d8 AND R12 R13 x Y Z R0 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 42 IV. Đồ thị quá trình điều khiển: 7 6 5 4 3 2 1 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 43 KẾT LUẬN Qua một thời gian làm việc với sự nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của các thầy, đặc biệt là được thầy Võ Minh Chính hướng dẫn trực tiếp, tới nay em đã hoàn thành đồ án môn học của mình . Qua quá trình làm việc, em đã nắm vững hơn phần lý thuyết đã học trong nhà trường và có thêm sự hiểu biết nhiều trong thực tế. Tuy nhiên do nội dung công việc hoàn toàn mới mẻ, tầm hiểu biết còn hạn chế nên đồ án môn học này không tránh khỏi thiếu sót. Em mong các thầy chỉ bảo giúp đỡ để em hoàn thành tốt hơn nữa nhiệm vụ của mình. Em xin chân thành cảm ơn. Hà Nội ngày 04 tháng 12 năm 2004 Sinh viên thực hiện Lê Phương Mục lục Trang Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 44 Chương1. Công nghệ và yêu cầu kĩ thuật 2 I. UPS 1. Vấn đề cung cấp điện cho những tải nhạy cảm 2 2.Giải pháp dùng UPS 3 3. Ứng dụng UPS 4 4.Phân loại UPS. 5 5.Sơ đồ nguyên lý hoạt động UPS 7 II Acqui 7 1.Khái niệm 7 2.Cấu tạo và đặc điểm 8 3.Quá trình biến đổi năng lượng 8 4.Thông số cơ bản 9 5.Đặc tính phóng nạp của acqui 11 6.Sự khác nhau giữa acqui axit và acqui kiềm 13 7.Các phương pháp nạp acqui 13 8.Tính toán dung lượng acqui 14 Chương2. Lựa chọn và tính toán mạch chỉnh lưu 18 I.Chỉnh lưu nửa chu kì 18 II.Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính 18 III.Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn 20 IV.Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển 20 Chương3.Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 28 I.Nguyên lí thiết kế mạch điều khiển. 28 II.Sơ đồ khối mạch điều khiển . 30 III.Tính toán mạch điều khiển 31 Chương 4. Mạch phản hồi 40 I.Mạch phản hồi dòng điện 40 II.Mạch phản hồi điện áp 41 III. Sơ đồ mạch đIều khiển 42 IV. Đổ thị quá trình điêu khiển 43 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 45 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 46