Thiết bị cấp nguồn liên tục ups

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘING Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N IẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIỘI~ VI N ĐI N~ỆN ĐIỆN~ỆN ĐIỆN~

Bài t p l n: Thi t b đóng c t và b o vập lớn: Thiết bị đóng cắt và bảo vệ ớn: Thiết bị đóng cắt và bảo vệết bị đóng cắt và bảo vệị đóng cắt và bảo vệắt và bảo vệảo vệệĐ tài: ề tài: Thi t b c p ngu n liên t c UPSết bị đóng cắt và bảo vệị đóng cắt và bảo vệ ấp nguồn liên tục UPSồn liên tục UPSục UPS

Sinh viên th c hi n: Nhóm 2 ực hiện: Nhóm 2 ệ

Lê To nản Lê Văn TứĐ Ti n Đ cỗ Tiến Đức ến Đứcứ Kim Ng c Tùngọc TùngPh m Vi t Hoàng Nguy n Văn Longạm Việt Hoàng Nguyễn Văn Longệt Hoàng Nguyễn Văn Longễn Văn LongLê Hoàng H iản Đào Xuân DuyĐào Đ c Th ngứắng

Gi ng viên hảo vệướn: Thiết bị đóng cắt và bảo vệng d n : TS Hoàng Anhẫn : TS Hoàng Anh

I.Gi iớn: Thiết bị đóng cắt và bảo vệ thi uệ chung về tài: UPS

Vào cuối thể kỷ XX, độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện của các nước công nghiệp phát triển vào khoảng 99.9%, tương ứng với thời gian mất điện trong một năm là 8 giờ mà phổ biến là dạng mất điện trong 1 vài phút Điều này không thành vấn đề với hệ thống chiếu sáng hoặc hệ thống điện cơ(analog) chất lượng điện điện chỉ bao gồm 2 chỉ tiêu quan trọng là điện áp và tần số

Nhưng với nghành hệ thống kỹ thuật số (Digital) vấn đề không đơn giản như vậy Đặc biệt là biệt với các thiết bị trong lĩnh vực công nghệ thông tin được ứng dụng từ công nghệ kỹ thuật số luôn được xem là bước đệm quan trọng trong việc làm gia tăng sản phẩm, giảm thiểu chi phí sản xuất và tạo sự ổn định bền vững cho xã hội Độ tin cậy cung cấp điện của các hệ thống có máy tính cần phải tăng lên rất nhiều, vì mất điện dù chỉ trong một vài mili giây sẽ có nguy cơ mất hết thông tin hoặc làm rối loạn quá trình trao đổi dữ liệu máy tính và các yêu cầu hệ thống kỹ thuật số phải khởi động lại.

Vậy nên đây là lý do UPS (Uninterruptible Power Supply)- hệ thống cung cấp điện liên tục ra đời.

Định nghĩa

Nguồn cung cấp dự trữ điện liên tục (UPS) là thiết bị cung cấp bảo vệ nguồn điện để đảm bảo cho các thiết bị điện tử được kết nối Khi nguồn điện lưới bị gián đoạn hoặc dao động ngoài mức an toàn, thiết bị UPS sẽ ngay lập tức cung cấp nguồn điện dự phòng tích trong ắc – quy hoặc pin (nguồn điện sạch) và bảo vệ đột biến cho các thiết bị nhạy cảm khi cắm điện.

Mặt trước bộ cấp nguồn UPSMặt sau bộ cấp nguồn UPS

Các nhà cung cấp UPS lớn trên thế giới:

1 Eaton Corporation Inc (Mỹ) 2 Emerson Electric Co (MỸ)

3 APC by Schneider Electric (EU) 4 Toshiba UPS Systems (Nhật Bản)

10 Vertiv Group Corp (Ohio, Mỹ)

1 UPS tĩnh.

Sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất làm chức năng chỉnh lưu và nạp ắc quy để tích trữ điện năng khi làm việc bình thường Khi sự cố bộ nghịch lưu làm nhiệm vụ biến đổi điện năng một chiều tích lũy trong tụ điện thành điện năng xoay chiều cung cấp cho các tải ưu tiên (hình 21.3)

Tổng quan:

- Cách ly về điện, khi cần dùng một máy biến áp cách ly - Bảo dưỡng, vận hành đơn giản, làm việc chắc chắn.

- Khả năng đáp ứng nhanh do sử dụng thiết bị vi điều khiển - Trọng lượng kích thước nhỏ gọn.

- Biên độ điện áp được điều chỉnh trong phạm vi ± 0,5% hoặc ± 1% - Thời gian điều chỉnh nhanh (ms).

2 UPS quay.

Sử dụng máy điện làm chức năng nghịch lưu (hình 21.4)

Tổng quan:

- Hệ thống phụ tải cách ly với nguồn.

- Trở kháng ra của hệ thống thấp.

- Cần bảo dưỡng kiểm tra thường xuyên.

3 UPS gián tiếp(off- line).

Trong UPS gián tiếp bộ nghịch lưu được nối song song với hệ thống cung cấp nguồn dự phòng Khi vận hành bình thường nguồn cấp điện trực tiếp cho tải qua bộ lọc F mà không qua bộ nghịch lưu (hình 21.5)

Khi xảy ra sự cố ở hệ thống cung cấp, hoặc điện áp hệ thống nằm ngoài giới hạn cho phép , tải sẽ được cấp từ bộ nghịch lưu sau một thời gian chuyển đổi rất ngắn, cỡ 10 ms Khi điện áp hệ thống được phục hồi tải sẽ tự động chuyển về nguồn cung cấp Sơ đồ này có ưu điểm vừa giải quyết được nguồn ổn định cung cấp cho tải vừa có giá thành phù hợp Tuy nhiên việc chuyển đổi vẫn cần 1 khoảng thời giankhông đáp ứng được các tải nhạy cảm như máy tính, tổng đài điện thoại… Sơ đồ này chỉ được sử dụng với công suất nhỏ, dưới 2kVA.

UPS offline với công nghệ Line interactive

Khắc phục nhược điểm của loại UPS offline thông thường là loại UPS offline công nghệ Line interactive Do sự tích cực hơn trong nguyên lý hoạt động nên chúng lại có giá thành cao hơn so với loại UPS offline thông thường.

Ở đây, theo hình ngay phía trên, ta dễ nhận thấy rằng nhánh cung cấp điện trực tiếp cho thiết bị tiêu thụ được thông qua một biến áp tự ngẫu Ta có các trường hợp sau:

• Trong trường hợp điện áp cấp vào UPS bình thường, có nghĩa là chúng xấp xỉ thông số đầu ra ở lưới điện địa phương của bạn thì mạch UPS hoạt động như khung hình phía trên-bên trái có nghĩa rằng biến áp tự ngẫu lúc này có số vòng dây sơ cấp bằng thứ cấp, do đó không có sự can thiệp nào vào điện áp đầu ra - và UPS hoạt động giống như loại UPS offline thông thường.

• Trong trường hợp điện áp của lưới thấp hơn so với điện áp chuẩn, biến áp tự ngẫu sẽ chuyển mạch sang một nấc khác, làm cho điện áp đầu ra đảm bảo đúng thông số yêu cầu Trong trường hợp điện áp của lưới điện cao hơn so với thông số chuẩn thì trường hợp này cũng vậy.

• Trong trường hợp mất điện lưới UPS offline công nghệ Line

interactive sẽ chuyển các mạch giống như loại UPS thông thường: tức là chúng ngắt nhánh đi qua biến áp tự ngẫu và chuyển sang sử dụng nhánh ắc quy với inverter.

Ta thấy rằng loại UPS offline theo công nghệ line interactive này tiến bộ hơn loại UPS offline truyền thống: Chúng có thể ổn định điện áp so với việc không có một chút chức năng ổn áp nào của loại offline truyền thống như đã nói ở trên.

Mở rộng ra ta có thể hiểu rằng chiếc biến áp trong sơ đồ trên hoàn toàn thuộc loại biến áp tự ngẫu thông thường, có nghĩa là chúng chỉ có một cuộn dây và các đầu ra khác nhau Vậy thì chúng chuyển mạch bằng cách nào? Tất nhiên là qua các rơ-le rồi Khi tôi mở một chiếc UPS công nghệ Line-Interactive thì nhận thấy chúng có khoảng 5 chiếc rơ-le, trong đó một chiếc lớn nhất nằm ở phía sau máy, bốn chiếc còn lại trên mạch in Rơ le này do các mạch điện của UPS điều khiển chúng Nếu bạn có một chiếc UPS loại này thì bạn dễ nhận thấy rằng chúng có thể phát ra các tiếng kêu lách tách nhỏ do sự làm việc của các rơle đó.

4 UPS trực tiếp(on-line)

Trong UPS trực tiếp bộ nghịch lưu được chèn vào giữa hệ thống cung cấp và tải (hình 21.6) Toàn bộ điện năng cung cấp cho tải phải qua bộ nghịch lưu do đó việc cung cấp điện đảm bảo liên tục, chất lượng điện năng về điện áp, dạng sóng, tần số là do bộ nghịch lưu quyết định mà không phụ thuộc vào nguồn cung cấp Hệ thống còn có bộ chuyển đổi mạch tĩnh đảm bảo cung cấp điện trong trường hợp cần bảo dưỡng sửa chữa bộ chỉnh lưu- nghịch lưu và ắc quy Sơ đồ này đảm bảo chất lượng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện cao nhưng giá thành cao và được ứng dụng với công suất trung bình và lớn, trên 40 kVA.

a) Đường dây vào.

Có hai đường vào độc lập từ hệ thống cung cấp :

- Hệ thống cung cấp 1 (HTCC1) : đường vào bình thường cung cấp cho chỉnh lưu-nạp.

- Hệ thống cung cấp 2 (HTCC2) : cung cấp cho chuyển mạch tĩnh (theo by-pass).

Bộ nghịch lưu được đồng bộ về tần số với HTCC2 Chuyển mạch tĩnh cho phép tải được chuyển tức thời qua đường by-pass lúc cần thiết Nên nối UPS với hệ thống cung cấp 2 độc lập để tăng độ tin cậy, tuy nhiên cũng có thể sử dụng đường vào chung.

b) Bộ chỉnh lưu nạp (1).

Biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để : - Cung cấp cho bộ nghịch lưu.

- Nạp thường xuyên cho ăcquy c) Bộ ắc quy (2).

Dự trữ điện năng để cấp điện cho bộ nghịch lưu nếu :

- Hệ thống cung cấp mất điện.

- Sự cố làm giảm chất lượng điện áp cung cấp d) Bộ nghịch lưu (3).

Nghịch lưu điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu hoặc từ ắc quy thành điện áp xoay chiều ba pha với sai số cho phép.

e) Đường song song với chuyển mạch tĩnh (4).

Chuyển đổi tải của UPS từ bộ nghịch lưu sang hệ thống cung cấp 2 mà không làm gián đoạn cung cấp điện cho tải Việc chuyển đổi này xảy ra khi nghịch lưu ngừng hoạt động vì các lý do :

- Bảo dưỡng - Quá tải.

- Sự cố bên trong.

f) Đường cung cấp đóng cắt bằng tay (5).

Sử dụng công tắc đóng-mở bằng tay để cấp điện cho tải theo hệ thống cung cấp 2 khi yêu cầu bảo dưỡng.

g) Máy biến áp cách ly (6) (tùy chọn).

Dùng mục đích cách ly tải với hệ thống cung cấp 2, nó thường được sử dụng khi hệ thống nối đất đầu vào và đầu ra UPS khác nhau.

h) Chuyển mạc h bằng tay, thiết bị đóng cắt ắc quy (7), (8), (9), (10) Dùng để cách ly các bộ phận trong quá trình bảo dưỡng.

2 Các thông số cơ bản của UPS.

- Hệ thống cung cấp thông thường : 400 V ± 10%, 50 Hz ± 5%, ba pha - Hệ thống cung cấp dự trữ (HTCC2, đường by-pass).

a) Bộ chỉnh lưu- nạp.

- Điện áp nạp đảm bảo cho ắcquy được nạp đầy, phụ thuộc vào loại ắc quy sử dụng.

với dòng điện cung cấp cho nghịch lưu ở công suất định mức khi ắc quy đã nạp đầy.

Ví dụ GALAXY 400 kVA thời gian lưu 10 phút có dòng điện I = 647 A.

ở công suất định mức khi ắc quy đang nạp, do vậy

Icharge>Ifloating

b) Bộ ắc quy có nhiều loại - Ắc quy axit (ắc quy chì) - Ắc quy kiềm (ắc quy Fe-Ni) Thông số cơ bản của ắcquy gồm :

- Dung lượng (Ampe-giờ) là điện năng mà ắc quy có thể lưu giữ : A = I.t

- Thời gian lưu là thời gian mà ắc quy có thể cung cấp ở giá trịdòng định mức khi có sự cố trong nguồn cung cấp (thường 10 phút, 15 phút, 30 phút).

- Điện áp thường trực là điện áp khi ắc quy được nạp đầy Các phương pháp vận hành của ắcquy :

- Nạp : Ắc quy tiêu thụ dòng nạp từ bộ chỉnh lưu Giá trị dòng điện nạp phụ thuộc vào chế độ nạp, do nhà chế tạo quy định.

Nạp thường trực : trong trường hợp này ắcquy tiêu thụ dòng nạp thấp - Phóng : Ắcquy cấp điện cho bộ nghịch lưu cho đến giá trị điện áp tối thiểu thì ngừng phóng.Khi đạt tới điện áp này ắcquy được cắt ra

một cách tự động để tránh bị tổn hại bản cực Dòng phóng điện cực đại lúc kết thúc phóng điện.

c) Bộ nghịch lưu.

- Công suất định mức là Công suất biểu kiến đầu ra (kVA) mà nghịch lưu có thể cung cấp cho tải tuyến tính với hệ số công suất cosφ = 0,8 Ví dụ GALAXY 200 kVA, công suất tác dụng định mức là : d) Sai số cho phép với điện áp.

Sai số biên độ thông thường ± 0,5% hoặc ± 1%, sai số tần số ± 1% Với kỹ thuật điều biến độ rộng xung PWM được áp dụng trong bộ nghịch lưu, cho phép những sự thay đổi này được điều chỉnh gần như tức thời với những khả năng : đáp ứng tần số, đáp ứng điện áp và sự phản ứng với dao động tải.

tính và dây tiếp đất

3 pha với dây trung tính và

dây tiếp đất

Dòng điện hiệu dụng danh định 16 ̴ 96A (không tính

Tần số danh định 50Hz/ 60Hz

Tải không tuyến

Chuyển từ chế độ điện lưới trực tiếp sang chế độ làm việc bình thường và ngược lại

0 mili giây

Tự động chuyển chế độ làm

tải

IV.Một số so sánh giữa UPS sử dụng bánh đà và ắc quy

1 UPS sử dụng bánh đà.

Bánh đà là một thiết bị cơ khí tích trữ năng lượng dưới dạng momen động lượng của một khối quay Trong quá trình sạc, bánh đà được quay bởi một động cơ Trong quá trình xả, động cơ tương tự hoạt động như một máy phát điện sản xuất điện từ năng lượng quay của bánh đà Trong trường hợp của một bánh đà UPS, chức năng phổ biến nhất của nó là chuyển đổi động năng mà nó lưu trữ để tạo ra nguồn điện một chiều Nó cũng cung cấp điều hòa năng lượng và thời gian chạy trong các trường hợp mất điện

2 So sánh UPS sử dụng bánh đà và ắc quy.

Hệ thống UPS ắc quy cung cấp năng lượng điện thông qua phản ứng hóa học xảy ra bên trong ắc quy, không giống như hệ thống bánh đà sử dụng động năng Các hệ thống UPS ắc quy thường được các trung tâm dữ liệu ưa chuộng vì chúng có thể cung cấp nguồn điện lâu hơn nhiều so với UPS bánh đà Độ dài chính xác của thời gian khả dụng

sẽ phụ thuộc nhiều vào tuổi của pin, mức độ duy trì của nó, v.v

nhưng để tham khảo, một bộ lưu điện pin có thể cung cấp hơn 5 phút năng lượng so với một UPS bánh đà chỉ có thể cung cấp ít hơn một phút năng lượng dự phòng.

Mặc dù bộ lưu điện ắc quy cung cấp nguồn điện lâu hơn khi cần thiết, nhưng không phải không có nhược điểm Pin UPS phải được bảo trì thường xuyên Điều này bao gồm kiểm tra trực quan, đảm bảo làm mát và thông gió đầy đủ, làm sạch và nhiều hơn nữa để đảm bảo rằng chúng sẽ hoạt động đúng trong trường hợp cần thiết Ngoài ra, pin UPS có tuổi thọ ngắn hơn các hệ thống UPS bánh đà Điều này là do các hóa chất trong pin giảm dần theo thời gian và cuối cùng dẫn đến hỏng pin Vì lý do này, pin UPS không chỉ được bảo trì thường xuyên mà còn được kiểm tra thường xuyên để đảm bảo rằng chúng vẫn hoạt động và có khả năng cung cấp năng lượng.

Hơn nữa, pin UPS có số chu kỳ xả giới hạn Mặc dù nó có thể sạc lại, nhưng nếu nó thường xuyên được xả và sau đó được sạc lại, nó sẽ làm giảm công suất và tuổi thọ dự kiến của nó theo thời gian Đối với các hệ thống UPS của bánh đà, đây không phải là vấn đề (mặc dù cần lưu ý rằng bánh đà chỉ có thể xả một số lần giới hạn trong một khung thời gian ngắn, nhưng nhiều lần xả trong một khoảng thời gian dài không phải là vấn đề) Ngoài ra, pin UPS chứa các vật liệu nguy hiểm phải được xử lý an toàn và chính xác khi không còn cần thiết Điều này có nghĩa là pin UPS yêu cầu các phương pháp xử lý đặc biệt mà hệ thống UPS của bánh đà không yêu cầu.

• Vì có những ưu điểm và nhược điểm đối với cả hệ thống UPS bánh đà và ắc quy, có thể lựa chọn hệ thống UPS lai sử dụng cả pin và bánh đà Ví dụ, trong một trung tâm dữ liệu, khi có sự cố, bánh đà sẽ phản ứng trước và trong hầu hết các trường hợp sẽ không bao giờ chuyển tải sang pin Bởi vì pin hiếm khi được sử dụng, chi phí pin ban đầu và thay thế thấp hơn Bánh đà và pin đóng vai trò dự phòng cho nhau, làm cho hệ thống tổng thể trở nên đáng tin cậy hơn.

V.Ứng dụng

- Giúp ngăn chặn các sự cố về nguồn điện:

Sự cố về nguồn điện lưới có thể xảy ra bất cứ lúc nào với bất cứ ai, nhất là tại những khu vực ngoại thành hoặc những nơi có đường dây điện không ổn định,… Để loại trừ hoàn toàn các vấn đề liên quan tới sự cố về điện đóchúng ta dùng bộ lưu điện UPS, nó sẽ kéo dài thời gian sử dụng điện qua đó có thể lưu lại các quá trình đang xử lý dở tránh việc bị mất thông tin, dữ liệu khi hệ thống bị dừng một cách đột ngột.

- Giúp bảo vệ các thiết bị điện khi nguồn điện không ổn định:

Ngoài các sự cố liên quan tới mất điện, ngắt điện thì bộ lưu điện cũng có tính năng như một chiếc ổn áp giúp bạn ổn định nguồn điện tốt hơn sẽ giảm thiểu tối đa việc bị cháy cầu chì hoặc cháy một số thiết bị điện cũng như gây hỏng hóc cho nguồn điện khi nhu cầu sử dụng trở nên quá tải.

Ví dụ:

Các xưởng công nghiệp thường hoạt động với lượng máy móc lớn, tiêu thụ điện năng một cách thường xuyên, liên tục Vì thế, bộ lưu điện công nghiệp được sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vực này, nhằm giúp lưu trữ điện năng và duy trì hoạt động của các thiết bị máy móc không bị gián đoạn, hỏng hóc.

Trong y khoa, bộ lưu điện đóng vai trò khá quan trọng Nó được ứng dụng trong các thiết bị máy móc như phân tích siêu âm, xét nghiệm, chụp X- quang… nhằm giúp cho máy hoạt động không gián đoạn, kịp thời lưu lại hình ảnh, dữ liệu của người bệnh một cách dễ dàng, tiện lợi.

Trong giao thông sử dụng bộ lưu điện UPS cho hệ thống đèn giao thông là một giải pháp tối ưu cho hệ thống đèn giao thông hoạt động liên tục nhằm điều tiết giao thông một cách tốt nhất.

Ngoài ra, bộ lưu điện UPS còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành nghề, lĩnh vực khác nhau: Ngành viễn thông, thiết bị mạng, IT; Ngành công nghiệp, tự động hóa, điều khiển PLC, dây chuyền sản xuất; Ngành