Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 Chƣơng 1: TÌM HIỂU VỀ UPS VÀ ỨNG DỤNG 3 1.1 Giới thiệu chung về UPS 3 1.2 Phân loại UPS : 4 1.3 Ứng dụng của UPS trong thực tế : 9 Chƣơng 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 11 2.1 Thuật toán tạo sóng sin 11 2.2 Các khối mạch sử dụng 17 2.3 Tính toán mạch lọc thông thấp 24 Chƣơng 3: XÂY DỰNG KHÂU ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 30 3.1 Nguyên lý chung của khâu tự động điều chỉnh điện áp : 30 3.2 Xây dựng mô hình toán cho các khâu của mạch nghịch lưu : 30 Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU CÁC MODULE CƠ BẢN CỦA DSPIC33FJ12MC202 37 4.1 Tổng quan về vi điều khiển dsPIC33FJ12MC202: 37 4.2 Cấu trúc vi điều khiển : 38 4.3 Tổ chức bộ nhớ: 40 4.4 Khái quát về các thanh ghi: 41 4.5 Giới thiệu các module cơ bản 43 Chƣơng 5: TÌM HIỂU PHƢƠNG PHÁP HÕA ĐỒNG BỘ 63 5.1. Nhu cầu hòa đồng bộ vào lưới 63 5.2 Các điều kiện hòa đồng bộ 63 5.3 Vòng khóa pha (Phase Locked Loop - PLL) 63 Chƣơng 6: MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐƢỢC 73 KẾT LUẬN 75 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 2 LỜI NÓI ĐẦU Sự 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 sự thay đổi sâu sắc và phát triển mạnh mẽ trong các thiết bị, hệ thống thiết bị điện - điện tử. 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. Hơn nữa, hiện nay năng lượng ngày càng cạn kiệt, nên nhiều nguồn năng lượng mới đã và đang được chú ý, sử dụng nhiều hơn như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, Các nguồn năng lượng có thể nói là vô tận này sẽ giúp tạo ra nguồn điện năng lớn nếu được sử dụng tốt, giảm đáng kể gánh nặng cho thủy điện và nhiệt điện hiện nay đang phải gánh vác. Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên em đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu là: “Thiết kế bộ nghịch lƣu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lƣới”. Em đã cố gắng nghiên cứu và thiết kế dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Hoàng Anh và thầy Nguyễn Thành Khang. Tuy nhiên, do sự hạn chế về nhiều mặt nên chắc chắc đồ án này còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để đề tài này hoàn thiện hơn! Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Chung Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 3 Chƣơng 1: TÌM HIỂU VỀ UPS VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Giới thiệu chung về UPS UPS được viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power Supplier được hiểu như là hệ thống nguồn cung cấp liên tục hay đơn giản hơn là bộ lưu trữ điện dự phòng nhằm làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống. 1.1.1 Cấu trúc chung : Nguồn dự phòng (Acquy hoặc máy phát) Một bộ chỉnh lưu Mạch lọc cho khâu chỉnh lưu Mạch nghịch lưu Mạch điều khiển hoạt động cho các van. 1.1.2 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 người An toàn cho thiết bị nhà xưởng Mục tiêu vận hành kinh tế. Ta cần phải tìm cách loại bỏ tất cả các sự cố. 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: Cung cấp điện liên tục Chất lượng điện cung cấp Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 4 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: 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 số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện nhạy cảm. 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. 1.2 Phân loại UPS : 1.2.1 Phân biệt theo chế độ làm việc a. UPS offline : Hình 1.1 Cấu trúc bộ UPS offline Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 5 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 mà không qua nghịch lưu. Nếu sự cố hệ thống cung cấp điện hoặc điện áp 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. Nhƣợc điểm: Thời gian chuyển mạch từ khi sự cố điện lưới cho đến khi nguồn pin cung cấp cho thiết bị tiêu thụ. Công tắc ngắt điện khỏi nguồn lưới để chuyển sang dùng điện từ pin phải đảm bảo khi ngắt hoàn toàn ra khỏi lưới điện mới được phép cung cấp điện từ bộ inverter bởi nếu không dòng điện cung cấp từ pin sẽ phải cấp cho cả lưới điện địa phương - và cũng như máy phát điện, hệ thống sẽ hư hỏng vì quá tải. UPS offline không có công dụng ổn áp khi chúng sử dụng điện lưới bình thường - bởi đơn giản khi không có sự cố về lưới điện thì các thiết bị phía sau UPS đơn thuần được nối trực tiếp với lưới điện thông qua rơ le. b. UPS online Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 6 Hình 1.2 Cấu trúc UPS online 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 của hệ thống cung cấp điện. Áp dụng cho tải có công suất trung bình P 40 KVA. 1.2.2 Phân loại UPS dựa theo bộ chuyển đổi Hình 1.3 Cấu trúc UPS tĩnh a. UPS tĩnh: Sử dụng bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện cung cấp năng lượng. Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 7 Giới hạn dòng trong vận hành cho phép I cp =2.33I đm . Cách li về điện. 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 M G DK M G Power Output FL Hình 1.4 Cấu trúc UPS quay Trong đó: M: Động cơ G: Máy phát FL: Flywheel (Bánh đà) Sử dụng máy điện quay để thực hiện biến đổi năng lựợng. Một bộ UPS quay hoạt động nhờ vào quán tính cao của bánh đà khối lượng lớn (Flywheel energy storage) để cung cấp năng lượng trong trường hợp có sự cố điện ngắn hạn. Bánh đà hoạt động như 1 bộ đệm chống lại sự tăng hay giảm đột ngột Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 8 của nguồn cung cấp vì những sự cố ngắn hạn đó không thể ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ quay của bánh đà khối lượng lớn. Đây là 1 trong những dạng thiết kế cổ điển nhất trong lịch sử ngành điện. Có thể coi UPS quay là một bộ UPS online vì nó hoạt động cả trong điều kiện bình thường. Tuy nhiên, nó chỉ bảo vệ hệ thống tải trong khoảng thời gian từ 10 đến 20 giây trước khi bánh đà quay chậm xuống dưới mức cho phép và đầu ra bị ngắt. Một hệ thống UPS quay tiêu biểu bao gồm các thành phần sau: 1 động cơ kéo 1 máy phát điện đồng bộ (Máy phát và động cơ được liên kết về mặt cơ khí nhờ hệ thống li hợp, đai truyền .v.v.) Trục quay máy phát được gắn với 1 bánh đà khối lượng lớn. Khi hệ thống xảy ra sự cố ngắn hạn, động cơ bị ngắt điện. Bánh đà tiếp tục quay (do quán tính lớn), do đó tiếp tục kéo máy phát và cung cấp điện cho đầu ra. 1.2.3 Sơ đồ nguyên lí chung của UPS : NL ĐK CL AQ + - Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí chung của UPS Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 9 CL: Cung cấp nguồn một chiều cho nghịch lưu và nạp thường trực cho acquy AQ: Tạo năng lượng dự trữ cung cấp cho nghịch lưu khi xảy ra: - Ngừng hoạt động hệ thống cung cấp. - Hệ thống cung cấp có sự cố hoặc chất lượng hệ thống cung cấp không nằm trong giới hạn cho phép. 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, NL và quá trình phóng nạp AQ, ổn định cung cấp điện theo yêu cầu. 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 đều 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. Ứng dụng chính Thiết bị đƣợc bảo vệ 1. Hệ thống máy tính nói chung - Máy tính, mạng máy tính - Máy in, hệ thống vẽ đồ thị và các thiết bị đầu cuối. 2. Hệ thống máy tính công nghiệp Bộ điều khiển lập trình, hệ thống điều khiển số, điều khiển giám sát, máy tự động. 3. Viễn thông Tổng đài điện thoại, hệ thống truyền dữ liệu, hệ thống rađa. Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 10 4. Y tế, công nghiệp Dụng cụ y tế, thang máy, thiết bị đo nhiệt độ, thiết bị điều khiển chính xác 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. Bởi tầm quan trọng của UPS, đồ án của em có mục tiêu thiết kế bộ UPS vừa có khả năng chạy độc lập (nghịch lưu), đồng thời có khả năng kết nối với lưới điện (hòa đồng bộ). [...]... 4.s 2,129 2,54.10 8.s 2 2, 2.106 1 SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 34 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới Hình 3.7 Biểu đồ bode SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 35 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới Hình 3.8 Sơ đồ khối mô phỏng matlab Hình 3.9 Kết quả mô phỏng SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 36 ... Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới Sử dụng một tín hiệu sin chuẩn giao với sóng tam giác qua bộ so sánh ta sẽ có được sóng điều biến Hai tín hiệu sóng sin chuẩn đặt lệch pha nhau góc 1800 Hình 2.8 Sơ đồ mô phỏng trên PSim Hình 2.9 Dạng sóng tín hiệu điều biến đầu ra (trƣớc lọc) SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 16 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng. .. bằng một nguồn điện áp nối với cực gate của linh kiện thay vì là dòng điện trong các bộ nghịch lưu sử dụng transitor như trước đây Vì vậy cách sử dụng loại linh kiện này làm cho việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 17 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới Ngày nay đã có nhiều cải tiến trong việc sản xuất, MOSFET có thể hoạt động ở tần... TBĐ-ĐT1-K51 23 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới Mạch dùng 4 cách ly quang 6n137 được nuôi bằng nguồn 5V, đầu vào các cách ly quang là các xung PWM đưa vào từ mạch điều khiển nhờ J2, 4 chân ra 7 sẽ đưa vào mạch lái để lái MOSFET 2.3 Tính toán mạch lọc thông thấp 2.3.1 Sự cần thiết của mạch lọc thông thấp Khi thiết kế mạch nghịch lưu ta mong muốn điện áp đầu ra có tần số là... điều chỉnh điện áp : Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 3.2 Xây dựng mô hình toán cho các khâu của mạch nghịch lƣu : 3.2.1 Xây dựng mối quan hệ giữa độ rộng xung d (Duty Cycle) và điện áp đầu ra : Hình 3.2 Mô hình cầu H Suy ra sơ đồ mạch có dạng đơn giản như sau : SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 30 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới Hình 3.3 Biến đổi Laplace Tổng trở... các khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu ba pha qua mạch cách ly và mạch lái SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 21 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới Hình 2.14 Mạch điều khiển Mạch gồm nguồn 3,3V cấp vào chân VDD và chân AVDD của vi điều khiển, bộ tạo xung dao động thạch anh 7,37MHz được nối vào chân 9 và chân 10 Chân đọc tín hiệu phản hồi ADC được nối vào chân 2 Các chân... biên độ sóng mang 3.2.3 Sơ đồ khối mô tả vòng kín của bộ nghich lƣu : Hình 3.6 Sơ đồ vòng kín SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 33 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới Để xác định các hệ số của khâu điều chỉnh Kp, Kd ta sử dụng tiêu chuẩn Nyquist áp dụng cho hàm truyền hệ hở 3.2.4 Tiêu chuẩn Nyquist : Hàm truyền hệ hở: Gh ( s )  Gh ( j ) (K p (K p K d s ) VDC 1 Gu.. .Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới Chƣơng 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 2.1 Thuật toán tạo sóng sin 2.1.1 Phƣơng pháp tạo sóng điều biến : Có hai phương pháp để tạo ra sóng điều biến : 1 Phương pháp sử dụng sóng sin cao tần : Được mô tả bằng hình vẽ sau : Hình 2.1 Phƣơng pháp sóng sin cao tần Nguyên lý : sử dụng sóng sin có tần số cao cho giao với sóng sin... ta chọn B = 0,4 T : L = 2,54 mH Vật liệu lõi : Ferrite Hệ số dạng sóng : Kf = 4,44 ( Dạng sóng hình sin) Hệ số lấp đầy: Ku = 0,4 Mật độ dòng điện: J = 700 A/cm2 SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 27 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới Theo những thông số định mức trên, ta tiến hành lắp đặt nối tiếp 2 cuộn kháng có thông số giống nhau Khi đó sụt áp trên mỗi cuộn là... bằng nước dòng làm việc cho phép có thể tới 90%.Iđm  Ivan = 10 10 Iđm = 4,5 = 5 (A) 9 9 SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 18 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới Vì van hoạt động ở chế độ có cánh tản nhiệt làm mát nên ta chọn MOSFET IRFP460 (với các thông số VDSS = 500V, ID = 20A, RDS(on) = 0.27 ) Hình 2.11 Sơ đồ Mạch lực Sử dụng 4 Mosfet IRF460, cho phép dòng điện tải . vừa có khả năng chạy độc lập (nghịch lưu) , đồng thời có khả năng kết nối với lưới điện (hòa đồng bộ) . Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới . của UPS Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 9 CL: Cung cấp nguồn một chiều cho nghịch lưu và nạp thường trực cho. kiện hòa đồng bộ 63 5.3 Vòng khóa pha (Phase Locked Loop - PLL) 63 Chƣơng 6: MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐƢỢC 73 KẾT LUẬN 75 Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới SVTH: