Thiết kế phần nguồn một chiều cho bộ UPS

Lời nói đầu: Sù ra đời, phát triển nhanh và ngày càng hoàn thiện của các linh kiện điện tử, đặc biệt là vi xử lý đã tạo ra sù thay đổi sâu sắc và phát triển mạnh mẽ trong các thiết bị, hệ thống thiết bị điện - điện tử, chẳng hạn như: máy tính, thiết bị điều khiển khả trình, tổng đài điện thoại, truyền dữ liệu, chiếu sáng đường hầm, những hệ thống giám sát điều khiển và xử lý công nghiệp. Nhằm đảm bảo tính liên tục và chất lượng cung cấp điện cho những tải nhạy cảm mà không phụ thuộc trạng thái hệ thống cung cấp, phương pháp duy nhất là sử dụng bộ nguồn dự trữ làm việc tin cậy, đặc biệt là những bộ nguồn làm việc như một “giao diện công suất’’ giữa nguồn cung cấp và tải. Để đi sâu vào tìm hiểu, nghiên cứu về bộ nguồn dự trữ, ta hãy nghiên cứu về thiết bị chỉnh lưu trong đó. Bộ phận chỉnh lưu là một phần quan trọng của bộ nguồn liên tục. Trong giới hạn chỉ là một đồ án môn học nên đề tài cũng chưa thực sự sâu sác và chính xác Vì trình độ và thời gian có hạn, chắc chắn đề tài còn nhiều thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của quí thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Nhân đây em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Tự Động Hóa, đặc biệt là thầy TRẦN TRỌNG MINH đã giúp em hoàn thành đề tài này đúng thời gian qui định. - 1 - - 1 - Đồ án môn học : Điện Tử công suất Sinh viên : Đỗ Quốc Huy Líp : Tự động hoá 3 Đề 26 : thiết kế phần nguồn 1 chiều cho bé UPS nhóm : 11 Điện áp nguồn : 220 V. Điên áp ra : 36 V. Dòng điện tải : 36 A. Hệ số đập mạch : 0,05. - 2 - - 2 - Môc lục Chương I : Tổng quan về bộ UPS 3 Chương II : Tính toán và lựa chọn bộ ắc qui cho UPS 9 Chương III: Phân tích tính toán và lựa chọn mạch chỉnh lưu 16 Chương IV: Tính toán thiết kế mạch lực 25 Chương V : Nguyên lý điều khiển hệ thống chỉnh lưu 29 - 3 - - 3 - Chương I Tổng quan về bộ nguồn liên tục UPS (Uninterruptible power system) 1.Sự cố nguồn năng lượng điện 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 vơi biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (400V-50Hz chẳng hạn). 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: - 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 - Những hiện tượng ngẫu nhiên, chẳng hạn: Cành cây rơi gây ngắn 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 - Lắp 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 hàn3.* … gây ra điện áp rơi và nhiễm RF - Những hệ thống điện tử công suất cao - Thang máy, đèn huỳnh quang - 1 - - 1 - Những sự cố ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có thể phân thành các loại sau: - Lệch điện áp - Ngừng hoạt động - Tăng đột ngột điện áp - Thay đổi tần số - Xuất hiện sóng hài - Nhiễu tần số cao… 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. 2.Giải pháp dùng UPS Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và hậu quả của nó về phương diện: - An toàn cho con người - An toàn cho thiết bị, nhà xưởng - 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: - Liên tục cung cấp điện - Chất lượng cung cấp điện 3.Những chức năng của UPS Hoạt động nh mét 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 Không bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệt khi hệ thống cung cấp ngừng hoạt động. Phạm vi sai sè cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từ nhạy cảm (chẳng hạn: GALAXY-sai sè 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. Sơ đồ cấu trúc của một bộ UPS nh sau : - 2 - - 2 - -Chc nng ca cỏc khi : 1. Bin ỏp vo: - H ỏp t in ỏp li 110v dựng np cho c quy. -Cỏch ly gia h thng v li ,chng ngn mch ngun 2. Chnh lu : to ra in ỏp 1 chiu dựng cho vic np c quy v a ti b nghch lu. 3. Lc chnh lu : San phng in ỏp ra t b chnh lu a n b nghch lu nhm nõng cao cht lng in ỏp ra u ra nghch lu. 4. Nghch lu : bin in ỏp mt chiu ly t u ra ca nghch lu thnh in ỏp xoay chiu tn s f = 50 Hz cp cho ti. Nu s dng ngun UPS cho ti cú tớnh cht in cm thỡ tng, to dao ng (b nghch lu) phi to ra in ỏp bc thang sao cho s bc thang cng nhiu cng tt dng in ỏp ra ging hỡnh sin. Nu in ỏp cp cho ti mang tớnh cht in dung thỡ dng in ỏp ca mch dao ng ra ch cn dng xung vuụng. 5. Bin ỏp ra : tng in ỏp t in ỏp ra b nghch lu ti in ỏp ra ti phự hp theo yờu cu ca ti. 6. Mch np c quy : Dựng iu khin vic np c quy. Khi cú in c quy l ni tớch tr nng lng. Khi ú di s iu khin ca mch iu khin np thỡ c quy c np. Khi in ỏp trờn c quy tng n mt mc no ú thỡ mch iu khin s ct vic np c quy. 7. c quy : l ni tớch tr nng lng khi cú in ỏp ngun 110V v l kho cung cp nng lng cho cỏc ph ti khi li in b mt. Thi gian duy trỡ in ca UPS ph thuc rt nhiu vo dung lng ca c quy. Trờn th trng c quy dựng cho UPS ph bin nht l loi 12 V/7 Ah v 6 V/7 Ah. Khi thit k tựy theo in ỏp m ta cú th mc ni tip cỏc c - 3 - - 3 - BIếN áP VàO BIếN áP RA CHỉNH LƯU LọC NGHịCH LƯU Bộ NạP ắC QUI Đ/K NGHịCH LƯU ĐIềU KHIểN CHỉNH LƯU NGUồN 1 2 3 4 5 6+7 8 9 10 LƯớI TảI quy để được điện áp nguồn yêu cầu. Việc sử dụng nguồn cấp có điện áp cao sẽ giảm được dòng tiêu thụ và tăng hiệu suất của nguồn UPS song nó xẽ làm tăng kích thước của nguồn. 8. Điều khiển chỉnh lưu : Điều khiển góc mở của các thyristor trong mạch chỉnh lưu sao cho điện áp ra sau chỉnh lưu ổn định theo yêu cầu. 9. Điều khiển nghịch lưu : Điều khiển thời gian dẫn của các van hợp lý sao cho điện áp cung cấp cho tải là không đổi hoặc thay đổi rất nhỏ. Mạch điều khiển này đóng vai trò quan trọng nh một bộ ổn áp hoạt động song song với bộ nghịch lưu. 10. Nguồn : dùng để cung cấp các mức điện áp khác nhau cho 2 bộ điều khiển chỉnh lưu và nghịch lưu. chương 2: TÝnh toán và lựa chọn bộ ắcqui cho nguồn ups: I. Giới thiệu chung về ăcquy và các chế độ nạp: A. Giới thiệu chung về ắc qui: - 4 - - 4 - Ăc-qui là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, như bóng đèn, làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử…. Các tính năng cơ bản của ăc-quy: -Sức điện động lớn, Ýt thay đổi khi phóng nạp điện. -Sự tự phóng điện bé nhất. -Năng lượng điện nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà ăc-quy phóng ra . -Điện trở trong của ăc-quy nhỏ. Nó bao gồm điện trở của các bản cực ,điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực. Thường trị số điện trở trong của ăc-quy khi đã nạp điện đầy là 0.001Ω đến 0.0015Ω và khi ăc-quy phóng điện hoàn toàn là 0.02Ω đến 0.025Ω. Có hai loại ăc-quy là: ăc-quy a-xit (hay ăc-quy chì) và ăc-quy kẽm (ăc-quy sắt kền hay ăc-quy cadimi-kền). Trong đó ăc-quy a-xit được dùng phổ biến và rộng rãi hơn. 1. Cấu tạo của Ăcqui: Các bộ phận chủ yếu của ăc-quy a-xit gồm: -Các lá cực dương làm bằng Pb 2 được ghép song song với nhau thành một bộ chùm cực dương. -Các lá cực âm làm bằng Pb được ghép song song với nhau thành một bộ chùm cực âm. Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ nhau theo kiểu cài rănglược, sao cho cứ lá cực âm rồi đến một lá cực dương . -Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng chập mạch giữa các điện cực khác dấu. - 5 - - 5 - -Vỏ bình điện ăcquy thường làm bằng cao su cứng (êbonit) đúc thành hinh hộp , chịu được khí nóng lạnh, va chạm mạnh và chịu a-xit. Dưới đáy bình có các đế cao để dắt các lá cực lên, khi mùn của chất hoạt động rụng xuống thì đọng dưới rãnh đế như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa các điện cực do mùn gây ra. Nắp đậy ăc-quy cũng làm vỏ cao su cứng, nắp có các lỗ để đổ dung dịch điện phân vào bình và đầu cực luồn qua . Nút đậy để dung dịch khỏi đổ ra. -Cầu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ăc-quy này với cực dương của ngăn ăc-quy tiếp theo. 2. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc quy . ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch : nó tich 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. 2.1. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui axit. Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc qui axit có dung dich điện phân là axit H2SO4 nồng độ d = 1,1 ÷ 1,3 % bản cực âm là Pb và bản cực dương là PbO2 có dạng : (- ) Pb  H 2 SO 4 d = 1,1 ÷ 1,3  PbO 2 ( + ) Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit : phóng PbO 2 + 2H 2 SO 4 + Pb 2PbSO 4 + 2H 2 O nạp Thế điện động e = 2,1 V. 2.2. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui kiềm. Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc qui kiềm có dung dich điện phân là KOH nồng độ d = 20 % bản cực âm là Fe và bản cực dương là Ni(OH) 3 có dạng : ( - ) 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 - 6 - - 6 - Thế điện động e = 1,4 V. Nhận xét : Từ những điễu đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong quả 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. 3. Các đặc tính cơ bản của ắc qui . Sức điện động của ắc qui chì 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/cm 3 ) Trong quá trình phóng điện sức điện động của ắc qui được tính theo công thức : Ep = Up + Ip.r b 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) r b - điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( Ω ) Trong quá trình nạp sức điện động En của ắc qui được tính theo công thức : En = Un - In.r b 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 ) r b - điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( Ω ) Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng 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 ) tn - thời gian nạp điện ( h ). 3.1. Đặc tính phóng của ắc qui. - 7 - - 7 - [...]... b cquy Nh ó núi trờn, ỏcquy l ngun in cho nghch lu c lp ngun in ỏp - u ra ca UPS nờn in ỏp ỏcquy s ph thuc vo in ỏp u ra ca UPS Dng in ỏp ra ca b nghch lu c lp ngun in ỏp cú dng: Ta cú: U= = 1 2 4 2 Ed 0 /3 0 2 / 3 Ed 2 Ed 2 2 ( ) d + / 3 ( 3 ) d 3 2 2 3 Ed = U=0,47*Ed Vi U=36V=> Ed=36/0,47 = 77V Ta chn Ed=120VDC cung cp cho cquy v nghch lu Sau khi qua bộ nghch lu s s dng mt mỏy bin ỏp h in... c qui l + Phng phỏp dũng in + Phng phỏp in ỏp + Phng phỏp dũng ỏp 5.1 Phng phỏp np c qui vi dũng in khụng i õy l phng phỏp np cho phộp chn c dũng np thớch hp vi mi loi c qui, bo m cho c qui c no õy l phng phỏp s dng trong cỏc xng bo dng sa cha np in cho c qui hoc np s cha cho cỏc c qui bi Sunfat hoỏ Vi phng phỏp ny c qui c mc ni tip nhau v phi tho món iu kin : Un 2,7.Naq Trong ú: Un - in ỏp np Naq... gian phúng in cho phộp tng ng vi mi ch phúng in ca c qui ( dũng in phúng ) - T thi gian tghtr i dc ca th thay i t ngt Nu ta tip tc cho c qui phúng in sau tgh thỡ sc in ng ,in ỏp ca c qui s gim rt nhanh Mt khỏc cỏc tinh th sun phỏt chỡ (PbSO4) to thnh trong phn ng s cú dng thụ rn rt khú ho tan ( bin i hoỏ hc) trong quỏ trỡnh np in tr li cho c qui sau ny Thi im tgh gi l gii hn phúng in cho phộp ca c... in ng cho nờn khi c qui úi m ta np theo phng phỏp in ỏp thỡ dũng in trong c qui s t ng dõng nờn khụng kim soỏt c s lm sụi c qui dn n hng húc nhanh chúng Vỡ vy trong vựng np chớnh ta phi tỡm cỏch n nh dũng np cho c qui Khi dung lng ca c qui dõng lờn n 80% lỳc ú nu ta c tip tc gi n nh dũng np thỡ c qui s sụi v lm cn nc Do ú n giai on ny ta li phi chuyn ch np c qui sang ch n ỏp Ch n ỏp c gi cho n khi... I1 =150 (mA) Dũng lm vic ca Baz : IB3 =IC3 / =150/50 =3(mA) Ta thy rng vi loi Tiristo ó chn cú cụng sut iu khin khỏ bộ Uk = 2 (V), Ik = 0,04 (A), Nờn dũng colecto Baz ca Tranzito Tr3 khỏ bộ, trong trng hp ny ta cú th khụng cn Tranzito T 2 m vn cú cụng sut iu khin Thyristor Chn ngun cp cho bin ỏp xung: E= + 12 ( V) ta phi mc thờm in tr R10 ni tip vi cc emitor ca Tr 3 mc ớch hn ch in ỏp t vo bin ỏp xung... - in ỏp trờn c quy tng dn cho n khi gn np y v U 0 = in ỏp ngng ca iot n ỏp D3 Lỳc ny T2 cú dũng iu khin T2 thụng Dũng in qua T1 s gim dn ti giỏ tr nh hn dũng t duy trỡ nờn T1 khoỏ - Khi c quy phúng in in ỏp gim dn ti khi U 0 gim nh hn in ỏp ngng ca D3 T2 mt dũng iu khin v b khúa li T1 m c quy li t ng np - Cn phi hiu chnh khi cho thit b hot ng ln u bng cỏch thay i R7 cho n khi khụng cú dũng chy... T1 dng (+) (lỳc ú catod T2 õm (-)), nu cú xung iu khin cho c hai van T1,T2 ng thi, thỡ cỏc van ny s c m thụng t in ỏp li lờn ti, in ỏp ti mt chiu cũn bng in ỏp xoay chiu chng no cỏc Tiristor cũn dn (khong dn ca cỏc Tiristor ph thuc vo tớnh cht ca ti) n na bỏn k sau, in ỏp i du, anod ca Tiristor T3 dng (+) (catod T4 õm (-)), nu cú xung iu khin cho c hai van T3,T4 ng thi, thỡ cỏc van ny s c m thụng,... in rũ: Ir = 2 (mA) - St ỏp ln nht ca Thyristor trng thỏi dn l : U = 1,7 (V) dU - Tc bin thiờn in ỏp : dt = 30(V/s) - Thi gian chuyn mch : tcm = 40(vs) - Nhit lm vic cc i cho phộp :Tmax = 110 oC V)Bo v van a) Bo v quỏ dũng in cho van Aptomat dựng úng ct mch ng lc, t ng lc, bo v khi quỏ ti v ngn mch thyristor, ngn mch u ra b bin i, ngn mch th cp mỏy bin ỏp, ngn mch ch nghch lu Chn 1 aptomat cú... I=1,1*Idm=1,1*.8=0.88(A) Chn cu chỡ loi 1(A) b)Bo v quỏ in ỏp cho van Bo v quỏ in ỏp do quỏ trỡnh úng ct cỏc thyristor c thc hin c bng cỏch mc R-C song song vi T Khi cú s chuyn mch, cỏc in tớch t trong cỏc lp bỏn dn phúng ra ngoi to dũng in ngc trong khong thi gian ngn S bin thiờn nhanh chúng ca dũng in ngc gõy ra sc in ng cm ng rt ln trong cỏc in cm lm cho quỏ in ỏp gia ant v catt ca thyristor Khi cú mch R-C... ngun Nh vy u ra ti im D cú dng xung vi phn õm rt hp õy l tớn hiu iu khin cho mh to xung rng ca trờn - 20 - - 20 - KTT U1C Khõu so sỏnh U1D so sỏnh Udk vi in ỏp rng ca xỏc nh gúc iu khin Tớn hiu iu khin t u ra ca U1D c ct b phn õm nh mch cú in tr hn ch v diot D5 c a n mch chia xung dựng JK o trig U2A to nờn xung iu khin cú rng 180 cho mi na chu o kỡ tip theo cú rng 180 c bm nh vi xung tn s cao to nờn . : thiết kế phần nguồn 1 chiều cho bé UPS nhóm : 11 Điện áp nguồn : 220 V. Điên áp ra : 36 V. Dòng điện tải : 36 A. Hệ số đập mạch : 0,05. - 2 - - 2 - Môc lục Chương I : Tổng quan về bộ UPS. suất’’ giữa nguồn cung cấp và tải. Để đi sâu vào tìm hiểu, nghiên cứu về bộ nguồn dự trữ, ta hãy nghiên cứu về thiết bị chỉnh lưu trong đó. Bộ phận chỉnh lưu là một phần quan trọng của bộ nguồn liên. áp của bộ ắcquy Như đã nói ở trên, ácquy là nguồn điện cho nghịch lưu độc lập nguồn điện áp - đầu ra của UPS nên điện áp ácquy sẽ phụ thuộc vào điện áp đầu ra của UPS. Dạng điện áp ra của bộ nghịch