đề tài: thiết kế bộ nguồn dự phòng ups

Trong rất nhiều ứng dụng đó, thì có sự phát triển trong ứng dụng của bộ nguồn dự phòng UPS .UPS là ứng dụng quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong tất cảcác lĩnh vực liên quan đến vấn

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận án tốt nghiệp này, đầu tiên em xin được gởi lời cảm

ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, các thầy cô giáotrong trường đặc biệt là các thầy cô giáo trong khoa Điện đã tận tình giảng dạytruyền đạt những kiến thức quí báo và tạo những điều kiện để em được học tậptốt trong những năm tháng qua

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Trần Thái Anh Âu đã tậntình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp để em cóthể hoàn thành đề tài này

Xin cảm ơn tất cả các bạn bè, người thân đả giúp đỡ, góp ý cho tôi trong suốtquá trình làm đề tài này

Đà Nẵng, Ngày 05 tháng 06 năm 20

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Bá Quốc Dũng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Đà Nẵng, Ngày tháng năm 2011

Giáo viên hướng dẫn

ThS Trần Thái Anh Âu

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Đà Nẵng, Ngày tháng năm 2011

Giáo viên phản biện

TS Nguyễn Quốc Định

LỜI MỞ ĐẦU

Con người luôn tìm tòi và phát minh ra cái mới góp phần nâng cao năng suất laođộng và tăng cường tiện nghi trong cuộc sống Cùng với nó là sự tiến bộ của khoahọc và công nghệ, đáng chú ý hơn cả là những phát minh vĩ đại trong lĩnh vực điện-điện tử, nó thật sự cần thiết cho cuộc sống của chúng ta Các thiết bị điện tử đượcứng dụng ngày càng rộng rãi và phổ biến trong cuộc sống đã mang lại hiệu quả caotrong lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội

Những thiết bị điện tử này được sử dụng một cách rộng rãi trong đời sống.Nógóp phần vô cùng quan trọng trong sự phát triển của nền kinh tế toàn cầu

Trong rất nhiều ứng dụng đó, thì có sự phát triển trong ứng dụng của bộ nguồn

dự phòng UPS UPS là ứng dụng quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong tất cảcác lĩnh vực liên quan đến vấn đề về năng lượng điện,nhất là các thiết bị yêu cầuđảm bảo cung cấp điện liên tục,trong các nhà máy…UPS còn được dùng làm nguồnđiện cho sử dụng gia đình, điều khiển chiếu sáng…

Với đồ án tốt nghiệp này, em được giao nhiệm vụ “thiết kế bộ nguồn dự phòng

UPS công suất P=500W , điện áp 220V, tần số cơ bản 50 Hz ” nhằm đảm bảo sự

hoạt động của phụ tải trước và sau khi mất điện lưới

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG1.1 Giới thiệu về công nghệ UPS

UPS được viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power System là hệthống nguồn cung cấp liên tục hay đơn giản hơn là bộ lưu trữ điện dự phòngnhằm làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống

1.2 Phân loại

Từ yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất lượng,UPS được phân thành các dòng sản phẩm chính về công nghệ như sau : UPSOffline đơn thuần, UPS Offline công nghệ Line-interactive, UPS Online, UPStĩnh

1.2.1 UPS offline

Khi có nguồn điện lưới UPS sẽ cho điện lưới thẳng tới phụ tải Khi mất điện,tải sẽ được chuyển mạch cấp điện từ ắc quy qua bộ nghịch lưu (inverter) Dạngđiện áp ra của bộ nghịch lưu (inverter) loại này thường là (dạng xung chữ nhật,không sin) Phạm vi áp dụng UPS loại này thường cho các thiết bị đơn giản,công suất nhỏ, ít nhạy cảm lưới điện, đòi hỏi độ tin cậy thấp Đa số các UPSngày nay đều có phần mềm kèm theo giao tiếp với máy tính qua cổng COMhoặc USB Phần mềm này cho phép kiểm soát các trạng thái hoạt động của UPS(Điện áp vào/ra, tải tiêu thụ ) Dưới đây là sơ đồ cơ bản về nguyên lý làm việccủa UPS offline, loại thông dụng nhất trên thị trường hiện nay:

Theo sơ đồ này, ta nhận thấy rằng phương pháp làm việc của nó như sau:

 Nguồn điện lưới đầu vào thông qua một công tắc ngắt mạch "bypass"đến với đường đầu ra

 Nguồn điện từ pin được chuyển đổi thành điện áp xoay chiều với cácthông số phù hợp lưới điện địa phương

 Khi mất điện lưới, hệ thống acquy cung cấp cho mạch điện giao động

để chuyển thành dòng điện xoay chiều tiếp tục cung cấp cho thiết bị tiêu thụ Nhìn qua sơ đồ này chúng ta dễ nhận ra nhược điểm của loại UPS offline:Thời gian chuyển mạch từ khi sự cố điện lưới cho đến khi nguồn ắc quy cungcấp cho thiết bị tiêu thụ Hiểu một cách đơn giản: Công tắc ngắt điện khỏi nguồnlưới để chuyển sang dùng điện từ ắc quy phải đảm bảo khi ngắt hoàn toàn rakhỏi lưới điện mới được phép cung cấp điện từ bộ nghịch lưu

 Ở trạng thái lưới điện ổn định thì nguồn tiêu thụ sử dụng điện trực tiếpcủa lưới điện UPS lúc này chỉ sử dụng một bộ nạp (charger) để nạp điện mộtcách tự động cho ắc quy mà thôi

 Khi điện áp lưới điện không đảm bảo (quá cao, quá thấp) hoặc mấtđiện thì lúc này mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp ra từ ắc quy và bộinverter

Qua nguyên lý được phân tích như trên thì ta thấy rằng thời gian cung cấpđiện cho thiết bị tiêu thụ vì thế mà bị gián đoạn Sự gián đoạn này gây ra việccung cấp nguồn điện không ổn định tại phía các thiết bị tiêu thụ: Một số máytính bị tắt do nguồn máy tính (PSU) thuộc loại chất lượng thường hoặc công suấtthấp, có khả năng tích điện tại tụ đầu nguồn đầu vào thấp so với nhu cầu công

suất của các linh kiện trên máy tính, nên thời gian chuyển mạch của UPS đã gâydừng sự hoạt động của PSU

1.2.2 UPS offline với công nghệ Line interactive

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

Ta thấy rằng sơ đồ mạch của loại UPS này có phần giống như sơ đồ mạchcủa loại UPS offline đơn thuần phía bên trên Phần nhánh ắc quy và inverterkhông thay đổi, chỉ có phía bên nhánh cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụđiện ,ngoài phần công tắc chuyển mạch bypass còn được thông qua một biến áp

tự ngẫu

 Trong trường hợp điện áp cấp vào UPS bình thường, có nghĩa làchúng xấp xỉ thông số đầu ra ở lưới điện địa phương thì mạch UPS hoạt độngnhư khung hình phía trên-bên trái, có nghĩa rằng biến áp tự ngẫu lúc này có sốvòng 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 đảmbảo đúng thông số yêu cầu Trong trường hợp điện áp của lưới điện cao hơn sovới thông số chuẩn thì trường hợp này cũng vậy

 Trong trường hợp mất điện lưới UPS offline công nghệ Lineinteractive sẽ chuyển các mạch giống như loại UPS thông thường: tức là chúngngắt nhánh đi qua biến áp tự ngẫu và chuyển sang sử dụng nhánh ắc quy vớinghịch lưu

1.2.3 UPS online

Khắc phục hoàn toàn các nhược điểm trên là loại UPS online Hoạt độngtheo nguyên tắc chuyển đổi kép: từ AC sang DC sau đó chuyển ngược DC sang

AC Do đó nguồn điện cung cấp cho tải hoàn toàn do UPS tạo ra đảm bảo ổnđịnh cả về điện áp và tần số Điều này làm cho các thiết bị được cung cấp điệnbởi UPS hầu như cách ly hoàn toàn với sự thay đổi của lưới điện Vì vậy, nguồn

do UPS online tạo ra là nguồn điện sạch (lọc hầu hết các sự cố trên lưới điện),chống nhiễu hoàn toàn Điện áp ra hoàn toàn hình sin Dưới đây là sơ đồ nguyên

lý làm việc đơn giản của nó:

Ở đây, chúng ta thấy rằng việc cấp điện cho thiết bị tiêu thụ là hoàn toàn liêntục khi có sự cố về lưới điện Nguồn điện lưới lúc này không cung cấp điện trựctiếp cho các thiết bị, mà chúng được biến đổi thành dòng điện một chiều tươngứng với điện áp của ắc quy Ở đây trong mạch đã thể hiện sự cung cấp điện từ ắcquy và chính từ lưới điện đến bộ nghịch lưu để biến đổi thành điện áp đầu ra phùhợp với thiết bị sử dụng Như vậy, có thể thấy rằng trong bất kỳ sự cố nào vềlưới điện thì UPS online cũng có thể cung cấp điện cho thiết bị sử dụng màkhông có một thời gian trễ nào Điều này làm cho thiết bị sử dụng rất an toàn, và

ổn định

UPS online sẽ luôn luôn ổn định điện áp đầu ra bởi cũng theo mạch thì điện

áp đầu vào lúc này được biến đổi xuống mức điện áp ắc quy và chúng có côngdụng như một ắc quy có dung lượng lớn vô cùng (nếu không bị sự cố lưới điện),mạch nghịch lưu sẽ đóng vai trò một bộ ổn định điện áp Vì vậy chỉ với các loạiUPS online mới có công dụng ổn áp một cách triệt để

1.2.4 UPS tỉnh

Lưới điện chính

DC/AC

Phụ tải

2 1

- Giới hạn trong vận hành cho phép Icd=2.33Idm

- Cách li về điện

- Bảo dưỡng và vận hành đơn giản,làm việc tin cậy chắn chắn.

- Khả năng phản ứng tức thời trước những dao động biên độ của hệ thốngcung cấp, sử dụng thiết bị vi điều khiển, vi xử lí dựa trên kĩ thuật số

- Biên độ điện áp điều chỉnh trong phạm vi ±0.5% ÷ ±1%, thời gian điềuchỉnh nhanh, kích thước và trọng lượng của hệ nhỏ

1.3 Lựa chọn sơ đồ thiết kế

Từ các ưu điểm và nhược điểm các sơ đồ trên ta chọn sơ đồ UPS offline là

phù hợp với yêu cầu của nhiệm vụ đồ án đề ra

Sơ đồ khối :

* Chức năng của các khối :

- Acquy : Acquy cung cấp điện áp 24VDC cho mạch nghịch lưu và làthiết bị lưu trữ điện áp để cung cấp cho mạch khi mất điện lưới

- Khối chỉnh lưu: Nạp điện cho acquy khi mạch nghịch lưu đang ở chế

độ chờ (khi có điện lưới)

- Khối DC-DC: Khuếch đại điện áp acquy từ 24VDC lên 340VDC cấpcho cầu nghịch lưu

- Khối nghịch lưu: Sử dụng mạch cầu H với van bán dẫn IGBT, đượcđiều khiển bằng chip vi điều khiển PIC18F4331 theo nguyên lý PWM nhằmbiến đổi điện áp một chiều 340VDC thành điện áp xoay chiều 220VAC tần số50hz

* Hoạt động của mạch được mô tả ở lưu đồ thuật trang sau

hình 1.1 Lưu đồ thuật toán mô tả hạt động của UPS

Khi bắt đầu vận hành, vi điều khiển thực hiện kiểm tra điện áp lưới khi đó cóthể xảy ra các trường hợp sau:

- Trường hợp 1: Khi có điện áp lưới vi điều khiển ngắt mạch nghịch lưu rakhỏi lưới, cho phép phần nạp acquy hoạt động để nạp điện cho acquy.

+ Nếu acquy điện áp acquy = 32v (lúc acquy đầy) : Ngắt mạch nạpacquy để bảo vệ acquy không cho phóng điện khi đã đầy

+ Nếu acquy điện áp acquy nằm trong khoản 28v đến 32v: Tiến hànhnạp acquy ở chế độ nạp ổn áp (nạp với điện áp không đổi)

+ Nếu acquy điện áp acquy <= 28v: Tiến hành nạp acquy ở chế độ nạp

ổn dòng (nạp với điện áp không đổi)

- Trường hợp 2: Khi không có điện áp lưới vi điều khiển cho phép mạchnghịch lưu hoạt động, ngắt phần nạp acquy ra khỏi mạch

+ Nếu acquy đủ điện áp cấp cho mạch nghịch lưu(Uacquy >=20.5v):Đóng rơle nối tải với mạch nghịch lưu cấp điện cho tải

+ Nếu acquy không đủ điện áp cấp cho mạch nghịch lưu: Ngắt mạchnghịch lưu nối tải để bảo vệ acquy không cho làm việc khi điện áp acquy giảm thấpdưới giá trị cho phép

* Phần tính toán thiết kế được thể hiện trong các chương sau:

Chương 2: Tổng quan về bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung

Chương 3: Giới thiệu về acquy và một số phương pháp nạp

Chương 4: Tính toán thiết kế phần nghịch lưu áp một pha

Chương 5: Tính toán thiết kế phần nạp acquy

Chương 6: Kết quả đạt được

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ĐIỀU

BIẾN ĐỘ RỘNG XUNG2.1 Sự cần thiết của bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung.

Hiện nay có rất nhiều bộ nghịch lưu là những bộ nghịch lưu mà dạng sóngcủa dòng điện hoặc điện áp đưa vào bộ nghịch lưu là những xung vuông hoàntoàn hoặc xung có nhảy cấp mà ta định nghĩa chung là những bộ nghịch lưunhảy cấp Bộ nghịch lưu nhảy cấp loại này có những thuận lợi và hạn chế nhấtđịnh trong điều khiển và dạng sóng đầu ra Thuận lợi chủ yếu là vấn đề điềukhiển, trong điều khiển, ở một chừng mực nhất định, thì kết cầu của mạch điềukhiển tương đối đơn giản, thời gian đóng cắt của van bán dẫn được cố định trongmột chu kì Ta thấy ở cả hai bộ nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp thì trongmột nửa chu kì điện áp cơ bản đầu ra thì các van bán dẫn chỉ đóng cắt một lầnduy nhất, có thể nói rằng tần số đóng cắt của van bán dẫn bằng hai lần tần số củasóng cơ bản bộ nghịch lưu,khả năng chuyển mạch của van bán dẫn yêu cầukhông cao, do vậy có thể dùng cho mạch công suất lớn vì các van bán dẫn côngsuất lớn có tốc độ chuyển mạch thấp, các van công suất càng lớn thì tốc độchuyển mạch càng chậm Bên cạnh ưu điểm trên thì bộ nghịch lưu nhảy cấp trênbộc lộ một số nhược điểm, nhược điểm lớn nhất là khả năng sin hoá dòng điệnhoặc điện áp không cao Do đóng cắt cung cấp cho tải những xung vuông nênkhi tải là đông cơ sẽ xuất hiện sóng hài bậc cao không mong muốn Sóng hàixuất hiện làm tổn hao trong mạch tăng lên và độ tinh chỉnh trong điều khiểngiảm Khi tần số đầu ra yêu cầu càng thấp thì sóng hài xuất hiện càng nhiều vàkhi tốc độ cận không thì hai bộ nghịch lưu dạng này mất khả năng kiểm soát tốc

độ, đặc biệt là bộ nghịch lưu nguồn dòng

Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung ra đời khắc phục được nhược điểmcủa hai bộ nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp trên Dạng sóng đầu ra của bộnghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) được điềubiến gần sin hơn, thành phần hài bậc cao được loại trừ đến mức tối thiểu, khảnăng điều khiển thích nghi theo mọi cấp điện áp và mọi tần số trong dải tần sốđịnh mức Bằng phương pháp PWM ta có thể điều khiển được động cơ thích

nghi theo một đường đặc tính cho trước Nhược điểm lớn nhất của bộ nghịch lưuPWM là yêu cầu van bán dẫn cókhả năng đóng cắt ở tần số lớn Tần số thôngthường lớn hơn khoản 15 lần tần số định mức đầu ra của bộ nghịch lưu.

2.2 Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu PWM.

Hai đại lượng cần phải quan tâm khi xem xét về PWM là: sóng mang vàsóng điều biên

+ Sóng mang: Sóng mang là sóng tam giác có tần số rất lớn, có thể đến hàngchục thậm chí hàng trăm kHz

+ Sóng điều biên: Sóng điều biên là sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng

cơ bản đầu ra của bộ nghịch lưu Sóng điều biên chính là dạng sóng mong muốn

ở đầu ra của mạch nghịch lưu

Hình sau biểu diễn điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực Chu kìđóng mở được điều khiển sao cho bề rộng xung của các chu kì là cực đại ở đỉnhsóng hình sin cơ bản

Sóng tín hiệu

t Ud

Hình 2.1 Điện áp ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực

Để ý rằng diện tích của mỗi xung tương ứng gần với diện tích dưới dạngsóng hình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp Các điều hoà của sóngđiều chế theo phương pháp PWM giảm rõ rệt theo phương pháp này Để xácđịnh thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp đúng dạng sóng đầu ra theophương pháp PWM (đơn cực) trong mạch điều khiển người ta tạo ra một sóngsin chuẩn mong muốn và so sánh nó với một dãy xung tam giác được biểu diễntrên hình 2.2 dưới đây Giao điểm của hai sóng xác định thời điểm kích mở vanbán dẫn

hình 2.2 Đồ thị xác định thời

Hình 2.3 : Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh

Khi điện áp điều khiển càng giảm thì bề rộng của xung càng giảm và độtrống xung càng tăng, do vậy điện áp ra giảm Vì vậy có thể điều khiển điện ápđầu ra bằng điện áp điều khiển

Hình 2.3 Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh tạo điểm kích mởvan bán dẫn Phần sóng hình sin nằm phía trên xung tam giác sẽ tương ứng choxung ra có bề rộng b Giảm biên độ sóng hình sin một nửa sẽ có xung có bề rộng

IGBT thấp dẫn IGBT cao dẫn

Một phần sóng sine chẩn

Một phần sóng sine chẩn biên độ giảm 1/2Sóng tín hiệu Sóng mang

X

X/2

a b c

t

Ut

Ud

t

c Xung sin có tần số nhỏ hơn nhiều tần số xung tam giác nên có thể coi nhưtrong một chu kì xung tam giác thì xung hình sin không thay đổi độ lớn, vì vậy

ta có c = b/2

Biên độ của điện áp điều biến ra không đổi nhưng bề rộng xung thay đổi,dovậy điện áp trung bình đầu ra thay đổi và ta có biên độ điện áp sau bộ nghịch lưuthay đổi Cách điều chế tương tự cũng được xem xét cho phần âm của song sinchuẩn Bề rộng a trên hình vẽ ứng với giá trị cực đại của sóng sin Điều đó đồngnghĩa với biên độ cực đại của sóng sin chuẩn không lớn hơn xung tam giác.Quá trình đưa xung có tần số cao vào sẽ tạo ra đóng cắt tần số lớn do vậy sẽlàm tăng các điều hoà bậc cao Nhưng ta có thể dễ dàng lọc ra điều hoà bậc thấp

và tần số cơ bản sin hơn Bên canh đó động cơ là tải điện cảm nên dễ dàng làmsuy giảm các điều hoà bậc cao cả điện áp và dòng điện

Số lần chuyển mạch nhiều trong một chu kì sóng tam giác dẫn tới tổn hao đổichiều trong thyristor của bộ nghịch lưu lớn Để chọn bộ nghịch lưu có sóng gầnchữ nhật hoặc bộ nghịch lưu PWM phải chú ý đến giá thành bổ sung phần tửchuyển mạch và tổn hao chuyển mạch, song song với điều đó phải tính đến sóng

cơ bản còn lại ở đầu ra

2.3 Sin hoá PWM

Kĩ thuật sin hoá PWM được ứng dụng rất thông dụng trong công nghiệp.Hình 2.2 trình bày nguyên lý cơ bản của PWM, trong đó một sóng mang chuẩnhình tam giác được so sánh với thành phần tần số cơ bản của sóng điều biệnhình sin, điểm giao cắt của chúng đánh dấu điểm chuyển mạch của các phần tửbán dẫn công suất Những loạt xung vuông biến đổi ở đầu ra bộ nghịch lưu đượcđiều biến thành hình sin, và dạng sóng bao gồm một thành phần cơ bản của tần

số điều biến Biên độ của các thành phần cơ bản có thể thay đổi khi tần số vàđiện áp của sóng điều biến thay đổi Xử lý chuỗi Fourier của sóng điện áp đầu rakhá phức tạp, nhưng có thể trình bày theo công thức sau :

ω s

ω s: tần số sóng cơ bản( tần số điều biến)

Фϕ: góc lệch pha đầu ra, phụ thuộc vào độ dương của sóng đầu ra

Hệ số điều biến được định nghĩa là :

m=

V T (2.2)

VP: là biên độ của sóng điều biến

VT: là biên độ của sóng mang

Lý tưởng thì m có thể biến đổi trong khoảng 0 và 1 thì có thể cho ta quan hệtuyến tính giữa điện áp điều tần và điện áp đầu ra Khi giá trị m = 0 thì điên ápđầu ra các xung hình vuông đối xứng với các khoảng trống Khoảng trống đượcđịnh nghĩa là khoảng thời gian khoá của phần tử chuyển mạch Khi giá trị mtiến dần tới 1, độ rộng của khoảng trống gần giữa của nửa chu kì sóng hình singiảm dần, độ rộng của xung điện áp tăng dần Khi sự vận hành của bộ nghịchlưu hoàn hảo, độ rộng xung và khoảng trống đạt tới giá trị nhỏ nhất được duy trìcho chuyển mạch và phục hồi đóng cắt Cũng giống như vậy, khoảng thời giantrễ đóng cắt nhỏ nhất cũng được yêu cầu đối với quá trình đóng mở giữa haiphần tử đóng cắt cao và thấp khi cả hai phần tử này cùng khoá Khoảng thờigian này đưa ra để loại trừ khả năng ngắn mạch van do quá trình trùng dẫn.Dạng sóng đầu ra của PWM bao gồm thành phần sóng hài có tần số sóngmang và sóng hài bậc cao tần số dải tần sóng điều biến Tần số góc của sóng hài

2.4 Nguyên tắc hoạt động bộ nghịch lưu cầu điều biến độ rộng xung đơn cực.

Bộ nghịch lưu PWM đơn cực ( hay còn gọi là bộ khuếch đại chuyển mạch)khuếch đại có hiệu quả tín hiệu đầu vào Vcont Điện áp đầu ra cung cấp cho tải là+VDC , -VDC Tùy thuộc vào khi nào Vcont, -Vcont lớn hơn hay nhỏ hơn sóng tam

giác đặt Vtri Điện áp đầu ra của tải có dạng của Vcont , và các sóng hài bậc caotùy thuộc vào hệ số điều chế mf Ở đây, mf là tỉ số giữa tần số sóng điều chế tamgiác và sóng sin đặt

Hình 2.4: Mô tả dạng sóng điều biên và sóng tam giác

Hình trên minh họa với ma =0,9, với ma là tỉ số biên độ của sóng điều khiển

và biên độ sóng điều biến

Nguyên tắc để hoạt động của 4 khóa của bộ nghịch lưu cầu ( hình 2.5) đượcthực hiên như sau:

Vcon>Vtri, đóng công tắc A+, mở công tắc A- , vì thế điên áp tại a là Va= +Vdc

Vcon<Vtri, mở công tắc A+, đóng công tắc A- , vì thế điên áp tại a là Va= -Vdc-Vcon>Vtri, đóng công tắc B+, mở công tắc B-, vì thế điên áp tại b là Vb= +Vdc-Vcon-Vtri, mở công tắc B+, đóng công tắc B-, vì thế điên áp tại b là Vb= -Vdc

Hình 2.5: Sơ đồ cầu nghịch lưu H

Các Diode ngược mắc song song với các khóa chuyển mạch để xả dòng điệnngược khi các khóa đang khóa

Dạng áp ra của bộ nghịch lưu cầu được thể hiện như hình sau:

U

t

Hình 2.6: Áp ra trên tải ( V tai =V a -V b ) với m a =0

Sóng ra trên tải bao gồm sóng cơ bản và sóng hài bậc cao với dải tần số

ftri ± fcont , 2ftri ± 3fcont , 2ftri ± 5fcont , 2 k f tri ± f cont ,2 k f tri ±3 f cont , 2 k f tri ± 5 f contvàcác sóng khác với k=1,2,3

Ở đây ftri là tần số sóng tam giác, fcont là tần số sóng điều khiển Dạng áp ra củatải được thể hiện trên hình 2.7 với ma= 0.5 và hình 2.7 với ma=1,5

Hình 2.8: Áp ra trên tải( V tai =V a -V b ) khi m a =1.5

Từ hình 2.7 và 2.8 ta thấy khi hệ số ma tăng lên, độ rộng của xung điên áp racủa tải tăng lên về chiều rộng và do đó trị hiệu dụng điện áp tải cũng tăng lên

Bảng2.1.Hệ số điện áp hiệu dụng của các sóng hài với các hệ số ma khác nhau.

Với 2ftri >> fcont

f tri±f cont ,2f tri±3fcont ,2f tri±5 fcont ,

2 k f tri ± f cont ,2 k f tri ±3 f cont , 2 k f tri ± 5 f cont , …

Khi ma <=1, trị hiệu dụng điện áp các sóng hài được tính bằng công thức sau:

Hình 3.9 Thể hiện trị hiệu dụng của các thành phần điện áp cơ bản có tần số

fcont khi thay đổi hệ số điều chế ma Qua đó ta thấy rằng, giá trị hiệu dụng củathành phần cơ bản nằm trong 3 vùng:

+ Trong đoạn tuyến tính ( ma <=1): trị hiệu dụng của thành phần cơbản tỉ lệ với ma theo công thức:

+ Đoạn bảo hòa( ma >1): trị hiệu dụng thành phần cơ bản không tănglên nửa mặc dù tăng ma lên.

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ ACQUY VÀ MỘT SỐ

PHƯƠNG PHÁP NẠP ACQUY3.1 Acquy

Acquy là một dụng cụ điện dùng để biến đổi điện năng của dòng điện một chiềuthành hóa năng (khi nạp điện) và ngược lại biến đổi hóa năng thành điện năng (khiphóng điện)

Năng lượng điện được sử dụng trong đời sống sản xuất và sinh hoạt có hai dạng:điện xoay chiều và điện một chiều

Điện xoay chiều được sản xuất ra từ các máy phát điện xoay chiều hay từ bộbiến đổi áp một chiều thành xoay chiều Còn điện một chiều được sản xuất ra từnhiều nguồn khác nhau, ví dụ từ các máy phát điện một chiều, từ các bộ biến đổixoay chiều thành một chiều, hoặc từ bộ nguồn hóa học như Pin, Acquy

Acquy là nguồn điện một chiều được sử dụng khá rộng rãi bởi tính chất linh hoạt

và thuận tiện của nó, một số ứng dụng có thể kể đến của Acquy như là:

Cung cấp điện cho hệ thống điều khiển như: báo cháy, báo sự cố, đèn, còi, cácbảng điều khiển, các cơ cấu tự dùng quan trọng…

Chúng còn là nguồn điện dự phòng để cung cấp đóng cắt máy cắt, khởi độngmáy phát khi bị mất điện toàn bộ trong nhà máy hay khi điện lưới bị sự cố

Khi cần có nguồn điện khẩn cấp trong một khu vực xác định chẳng hạn nhưcung cấp hệ thống chiếu sáng cho một khu thương mại mà nhu cầu điện năng trongkhu vực đó có yêu cầu tương đối cao, hoặc cung cấp nguồn cho hệ thống máy tính

có yêu cầu cao về cung cấp điện thì có thể sử dụng các bộ acquy làm nguồn điện dựphòng

Có thể thấy Acquy có nhiều ứng dụng rất quan trọng ở cả quy mô sản xuất côngnghiệp lẫn cả trong đời sống sinh hoạt của xã hội

Acquy được xem là nguồn thao tác tin cậy nhất vì sự làm việc của chúng khôngphụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài và đảm bảo cho các thiết bị làm việc tốt ngay

cả khi mất điện toàn bộ trong lưới điện chính của nhà máy hoặc của trạm Ưu điểmcủa acquy là khả năng cho phép quá tải ngắn hạn lớn, điều này đặc biệt cần thiết khikhởi động đóng cắt các máy cắt lớn có sự nhảy vọt về dòng điện

3.1.1 Phân loại Acquy

Theo cấu tạo thì acquy được chia làm hai loại :

Acquy kiềm có hiệu suất làm việc thấp, điện trở nội khá lớn, độ bền và tuổi thọcủa acquy kiềm cao hơn 4÷5 lần so với acquy axít, nhưng giá thành của nó gấp 2 ÷

3 lần acquy axít, ngoài ra nó không độc hại cho môi trường

3.1.2 Cấu tạo của acquy

3.1.2.1 Cấu tạo của acquy axít chì:

Các bộ phận chủ yếu của acquy axít chì là: Vỏ acquy, các tấm cực dương và âm,nắp và cầu tiếp

3.1.2.1.2 Tấm bản cực và khối bản cực

Các tấm cực làm bằng hợp kim chì và antimony Antimony (6 ÷8%) có tác dụnglàm tăng độ cứng cho các tấm cực Các tấm cực có xương dọc và ngang tạo thànhnhững ô chất hoạt tính được nhồi vào các ô đó và tham gia trực tiếp vào các quátrình hóa học trong thời gian nạp và phóng điện Chất hoạt tính của tấm cực dương

là điôxít chì, của tấm cực âm là chì xốp Chất hoạt tính được chế tạo có nhiều lỗrỗng nhỏ li ti Để tăng thêm diện tích tiếp xúc giữa chúng với dung dịch điện phân

Để tăng số lượng chất hoạt tính cùng tham gia đồng thời vào các quá trình hóahọc và giảm bớt sức cản trong các acquy được lắp nhiều tấm cực cùng tên được nốisong song với nhau tạo thành một chùm cực, mỗi chùm cực đặt vào một ngăn Các tấm cực dương trong chùm cực phải ít hơn các tấm âm một tấm, vì các tấmcực dương được đặt vào giữa các tấm cực âm, bố trí như vậy sẽ đảm bảo sử dụngđược cả hai mặt của các tấm cực dương Nếu trong phản ứng hóa học mà chỉ mộtmặt tấm cực dương tham gia thì tấm cực sẽ chóng bị hỏng

3.1.2.1.3 Tấm cách

Tấm cách được lắp lồng vào giữa các tấm cực khác tên để ngăn ngừa các tấmcực chạm vào nhau làm ngắn mạch Tấm cách là một tấm lót chế tạo bằng nhựaxốp, thủy tinh hay gỗ Để các quá trình hóa học được tiến hành bình thường khi nạp

và phóng, dung dịch điện phân phải thấm qua được các tấm cách

3.1.2.1.5 Dung dịch điện phân

Dung dịch điện phân là hỗn hợp axít sunphuric (H2SO4) và nước cất (H2O) được

pha theo một tỷ lệ nhất định

3.1.2 Nguyên lý làm việc của acquy

Acquy là nguồn điện một chiều hóa học dựa trên quá trình điện hóa biến đổithuận nghịch khi acquy nạp điện thì điện năng sẽ biến thành hóa năng, còn khiacquy phóng điện thì hóa năng biến thành điện năng

Vì có tổn thất năng lượng nên khi acquy phóng điện thì năng lượng không trả lạiđầy đủ năng lượng mà acquy đó nhận được khi nạp điện

3.1.2.1 Nguyên lý làm việc của acquy axit chì

Nếu chúng ta nhúng hai tấm cực vào axít sunphuric loãng, lúc này trên các tấmcực sẽ sinh ra một lớp chì sunphat (PbSO4) Nếu cho dòng điện một chiều chạy vào

một tấm cực và chạy ra ở tấm kia thì trên một tấm cực sẽ sản sinh ra một lớp chìôxit (PbO2) gọi là cực dương và tấm kia thì sản sinh ra một lớp chì nguyên chất xốp(Pb) gọi là cực âm, đó là quá trình nạp điện

Nếu ngưng nạp điện và đấu dây dẫn vào hai tấm cực, nếu để cho nó phóng điệnthì hai tấm cực sẽ dần hoàn nguyên thành chì sunphat ban đầu và sự phóng điệncũng sẽ đi đến kết thúc Nếu tiếp tục nạp điện thì vẫn tạo thành PbO2 và chì xốp(Pb) Quá trình biến đổi như sau:

3.1.3.1.1 Quá trình phóng điện

Khi acquy phóng điện, dòng điện về cực dương còn ion SO4-2 đi ngược chiềudòng điện về cực âm Khi đó phản ứng hóa học xảy ra ở các cực là :

 Phản ứng hóa học ở cực dương : PbO2 + 2H+ + H2SO4 + 2e → PbSO4 + 2H2O

Muốn nạp điện ta nối cực dương của acquy vào cực dương của nguồn DC, nốicực âm của acquy vào cực âm của nguồn DC.

Trong dung dịch dòng điện sẽ đi từ cực dương sang cực âm do đó các ion H+ sẽ

đi về cực âm và các ion SO42- đi về cực dương Các phản ứng hóa học xảy ra nhưsau :

 Phản ứng hóa học ở cực dương :

PbSO4 + 2H2O - 2e → PbO2 + 2H+ + H2SO4

 Phản ứng hóa học ở cực âm : PbSO4 + 2e → Pb + SO42-

 Phương trình phản ứng tổng hợp khi nạp điện : PbSO4 + 2H2O + H2SO4 → PbO2 + 2H2SO4 + 2H2OTrong quá trình nạp điện, khi đã hình thành các cực thì phản ứng hóa học chậmlại Nếu vẫn tiếp tục nạp thì dòng điện nạp sẽ phân tích nước thành H2 và O2 bay lênnên acquy sủi bọt, do đó nước cạn dần, nồng độ dung dịch điện phân tăng lên Vìvậy, trong quá trình nạp điện phải đổ thêm nước cất vào

Hình 3.2: Sơ đồ nạp điện acquy axít.

Khi acquy phóng điện thì quá trình hóa học ngược lại, nồng độ dung dịch điệnphân giảm xuống, điện trở trong của acquy tăng lên

Acquy có thể phóng điện khi đấu nó với phụ tải bên ngoài Nhưng cũng có thể

tự phóng điện Khi phóng điện quá mức sẽ tạo thành các tinh thể chì sunphat màutrắng, không dẫn điện ngăn cản các tấm cực với dung dịch điện phân, ta gọi hiện

tượng này là sunphat hóa.

3.1.3 Các thông số cơ bản của acquy

Acquy axit được đặc trưng bởi sức điện động, dung lượng, dòng điện nạp, dòngđiện phóng và điện trở trong

3.1.3.1 Sức điện động của acquy

Sức điện động của acquy là điện áp không tải trên cực acquy Điện áp của acquykhông phụ thuộc vào mức độ nạp điện mà thay đổi theo nồng độ dung dịch

Sức điện động tĩnh E0 được tính theo công thức thực nghiệm :

3.1.2.3 Dung lượng của acquy

Dung lượng của một acquy là điện lượng của một acquy đã được nạp đầy đủ vàđược phóng liên tục cho đến khi điện áp giảm xuống đến trị số giới hạn quy định (ởnhiệt độ quy định) Lúc này điện áp mỗi ngăn chỉ còn 1,7 V

Dung lượng đo bằng ampe giờ (Ah) Ah là dung lượng của acquy có thể phóngđiện với dòng điện có cường độ 1A trong thời gian một giờ Dung lượng phụ thuộcvào kích thước và số lượng các tấm cực, tức là phụ thuộc vào số lượng chất hoạttính tiếp xúc với dung dịch chất điện phân, cường độ dòng điện phóng và nhiệt độcủa dung dịch điện phân

Cường độ dòng điện phóng càng lớn thì dung lượng acquy càng bé Giảm nhiệt

độ dung dịch điện phân xuống 10C (so với nhiệt độ + 300C) thì dung lượng sẽ giảmxuống khoảng 1% (Hình 2.3)

Dung lượng của acquy càng lớn thì số tấm cực trong mỗi ngăn càng nhiều,nhưng điện áp vẫn không đổi

Hình 3.3: Sự phụ thuộc dung lượng bộ acquy vào nhiệt độ chất điện phân khi

dòng điện phóng là 180A.

Khi nạp với dòng điện quá lớn lúc này các quá trình hóa học không thấm sâuvào chất tác dụng và các chì sunphat đều tạo thành PbO2 và Pb khi đó dung lượng

sẽ giảm

Hình 3.4: Sự phụ thuộc dung lượng bộ acquy vào cường độ dòng phóng khi

nhiệt độ dung dịch chất điện phân là 25 0 C.

Khi phóng với dòng điện lớn thì tốc độ phản ứng nhanh, các lỗ trên bề mặt chấttác dụng sẽ bị sunphat chì bịt lại và tỷ trọng chất điện phân giảm làm cho dunglượng phóng của acquy giảm đi (Hình 2.4)

3.1.2.4 Tỷ trọng dung dịch điện phân

Tỷ trọng dung dịch điện phân là một yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến tuổithọ sử dụng của acquy Nói chung tỷ trọng (ở 250C) khi rót vào acquy là 1,23, ở

cuối lần nạp đầu tiên là 1,25.

Nếu tỷ trọng quá cao thì tấm cực dễ bị sunphat hóa, tấm ngăn dễ bị hỏng, đặcbiệt là tấm ngăn bằng gỗ Các acquy có tỷ trọng dung dịch điện phân quá cao thìchất hoạt tính trên tấm cực rất dễ bị mủn và chảy xuống dưới như bùn nhão

Nếu tỷ trọng quá thấp thì lúc đầu có ảnh hưởng đến dung lượng của acquy, dầndần làm cho acquy không tích trữ điện Mở ra xem ta thấy chất hoạt tính trên tấmcực bị bong ra từng mảng nhỏ Đó là tỷ trọng quá thấp ảnh hưởng đến chất hoạt tínhlàm cho nó tiếp thu sự nạp điện kém và khi khởi động thì acquy lại phóng ra dòngđiện lớn gây nên cong vênh bản cực

3.1.4 Đặc tính nạp và phóng điện của acquy

3.1.4.1 Đặc tính nạp điện cho acquy

Khi nạp điện cho acquy, dùng dòng điện bằng 10% dung lượng của acquy, nạp

trong 5 giờ, nếu thời gian đó không đủ thì giảm cường độ dòng điện và tiếp tục nạp2÷3 giờ Hiện tượng chứng tỏ acquy đã được nạp đầy điện là dung dịch điện phântrong mỗi ngăn sủi tăm mạnh (dung dịch điện phân có hiện tượng như sôi lên) Tỷtrọng dung dịch điện phân và điện áp trong vòng 3 giờ vẫn giữ ổn định

Nếu tỷ trọng ở cuối thời kỳ nạp không tương ứng với tỷ trọng tiêu chuẩn thì phảiđiều chỉnh bằng cách cho thêm nước cất hoặc dung dịch điện phân có tỷ trọng cao hơnvào

Trong quá trình nạp điện, nhiệt độ acquy sẽ tăng lên, nhất là đối với acquy mới.Thời gian để tồn kho lâu thì tấm cực bị oxi hóa càng nghiêm trọng dẫn đến điện trởtrong càng lớn, trong quá trình nạp nhiệt độ tăng lên càng nhanh Nếu nhiệt độ quácao thì sẽ làm cho chất hoạt tính trên tấm cực bị mềm và bong ra Do đó, đối vớiacquy mới trong quá trình nạp với dòng nhỏ và xem xét nếu nhiệt độ tăng lên quá

450C thì phải cắt ngay mạch điện, đợi nhiệt độ giảm xuống đên 350C trở xuống mớitiếp tục nạp

Mức độ nạp điện Tỷ trọng dung dịch điện phân Điện áp (V)

Bảng 3.1: Mối quan hệ giữa tỷ trọng dung dịch điện phân và điện áp.

Các acquy sau khi nạp đầy, trong quá trình cất giữ có thể tự phóng điện liên tục,

do vật liệu chế tạo acquy không được thuần khiết và để trong thời gian dài làm choaxít sunphuric lắng xuống gây nên Nếu trong dung dịch điện phân có tạp chất rơivào thì hiện tượng tự phóng điện càng nghiêm trọng Kết quả là sinh ra chì sunphat

ở trên tấm cực và trong dung dịch chất điện phân Nếu để trong một thời gian dàikhông nạp điện lại thì các chì sunphat đó sẽ kết tinh lại do sự biến đổi của nhiệt độ,tạo nên tinh thể chì sunphat lớn và khó hòa tan, chúng bám vào bề mặt tấm cực làmcho bề mặt tấm cực bị sunphat hóa Do đó, cần phải định kỳ nạp điện bổ sung, làmcho acquy luôn giữ được trạng thái nạp điện hoàn toàn

3.1.4.2 Đặc tính phóng điện của acquy

Các acquy mới sau khi nạp điện, lần đầu cần được phóng điện theo chế độphóng điện 10 giờ, rồi dung dòng điện nạp ban đầu để tiếp tục nạp điện Nếu tronglần thứ hai acquy có thể phóng ra 90% dung lượng định mức thì có thể sử dụngđược Mục đích của việc nạp và phóng điện này là để làm cho chì sunphat sản sinh

ra trên các tấm cực âm và dương mới, khi để tồn kho được chuyển biến thành chấthoạt tính, phục hồi độ xốp của tấm cực, tăng diện tích tiếp xúc với dung dịch điệnphân, làm cho acquy có thể phóng ra dung lượng định mức

Tùy theo điều kiện cụ thể để quyết định có cần phóng điện cho acquy haykhông Nếu cần dùng acquy ngay sau khi nạp điện lần đầu, nhưng nếu điều kiện chophép thì tốt nhất nên căn cứ vào quy định của xưởng chế tạo để nạp và phóng điệntuần hoàn cho acquy Có như vậy mới phát huy được năng lực của acquy và làm

cho acquy phát ra dung lượng định mức.

Hình 3.6: Đặc tính phóng điện của acquy.

3.1.4.3 Tình trạng làm việc không bình thường của acquy

Những hư hỏng thường gặp nhất của acquy là: Các tấm cực bị sunphat hóa,acquy tự phóng điện nhanh, bị ngắn mạch, dung dịch điện phân bị rò rỉ các đầu cực bịoxi hóa

 Các tấm cực bị sunphat hóa là sự hình thành các lớp tinh thể củasunphát chì màu trắng ở các tấm cực Vì thường xuyên nạp điện thiếu, bảo quảnacquy với dung dịch điện phân không được nạp điện đầy đủ, acquy phóng điện quáthời lượng cho phép, lượng dung dịch điện phân ít hoặc tỷ trọng dung dịch điệnphân cao gây ra sự sunphat hóa ở các tấm cực Các tấm cực bị sunphat hóa sẽ khôngtham gia vào phản ứng hóa học làm dung lượng của acquy giảm

 Hiện tượng tự phóng điện là do bị chập mạch ở các đầu cực củaacquy do bề mặt nắp bị ướt, dung dịch điện phân tràn lên, do bụi bẩn rơi trên nắp

 Bị chập mạch bên trong do chất kết tủa hoặc do hỏng các tấm ngăn

 Độ tinh khiết của vật liệu làm acquy không đạt yêu cầu, dung dịch

bị bẩn, có lẫn tạo chất

 Cong vênh hoặc hỏng các bản cực

- Do nạp quá lâu khi acquy đã nạp no hoặc do dòng điện quá lớn.

- Do nồng độ và nhiệt đô dung dịch quá cao làm giảm độ bền cơ của tấm cực

- Bị han rỉ các tấm cực do nạp quá hoặc có nhiều tạp chất trong chất tác dụng

- Do va đập cơ khí

3.2 Các phương pháp nạp acquy

3.2.1 Phương pháp nạp acquy với dòng điện không đổi

Nạp acquy theo phương pháp dòng điện không đổi, yêu cầu phải giữa nguyên trị

số dòng điện nạp Dòng điện nạp tính theo công thức :

Giai đoạn nạp gần kết thúc thì biểu thị bằng sự thoát khí Khi đó acquy đã đạt 2,4

V với mỗi phân tử Để giảm bớt sự bốc khí ở acquy và nạp kinh tế hơn cần giảmdòng điện nạp sao cho lúc acquy nạp điện xong dòng điện nạp vào khoảng 40% trị

số dòng điện nạp cho phép cực đại

3.2.2 Phương pháp nạp acquy với điện áp không đổi

Các acquy được mắc song song, điện áp thiết bị nạp được tự động điều chỉnh và

kiểm tra bằng Vôn mét Điện áp của thiết bị nạp thường phải tương ứng với số phần

tử acquy được nạp, dự tính điện áp của mỗi phần tử là 2,4V, để dòng điện chungtrong mạch không vượt quá dòng điện cực đại cho phép của thiết bị

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý và đặc tính nạp acquy theo phương pháp điện áp

không đổi.

Dòng điện nạp cực đại trong mạch phụ thuộc vào công suất cực đại của thiết bị

và mức độ phóng điện của acquy Dòng điện nạp có thể tính theo công thức:

Ưu điểm của phương pháp này là trong quá trình nạp acquy, cường độ dòng điệnnạp thường xuyên giảm xuống tới gần giá trị 0

Như vậy, cải thiện sự biến sunphat chì (PbSO4) thành PbO2và Pb ở các lớp sâunhất và acquy không bị nạp quá đầy

Do sự tự động giảm cường độ dòng điện nên không cần biến trở điều chỉnh,ngoài ra sự tạo khí ở cuối giai đoạn rất ít, nên tránh được sự phá hủy chất tác dụngcủa các tấm cực và sự ăn mòn mặt lưới của các tấm cực dương

Có thể mắc các bình có dung lượng khác nhau để nạp Dòng điện nạp đó đượcđiều chỉnh tự động, cường độ dòng điện lớn nhất đối với acquy có dung lượng lớn

(do sức điện động acquy nhỏ hơn).

Sau 4÷5h nạp, dung lượng acquy đã đạt 80÷90% dung lượng định mức, do thờigian nạp ngắn nên việc kiểm tra từng acquy dễ dàng hơn

Nhược điểm của phương pháp này là không điều chỉnh được dòng điện nạp đốivới mỗi acquy, do đó không thể đồng thời tiến hành nạp đối với mỗi acquy với dòngđiện cần thiết và sửa chữa các tấm cực đã bị sunphat hóa

3.2.3 Nạp acquy theo phương pháp hỗn hợp

Phương pháp nạp acquy tổng hợp là phương pháp ứng dụng của hai phươngpháp trên, đó là dòng điện không đổi và điện áp không đổi trong quá trình nạp.Lúc bắt đầu nạp thường nạp với dòng điện không đổi lớn, có tác dụng cải thiệncác tấm bản cực đã bị sunphat hóa và dung lượng acquy được nạp khá lớn(80÷90%) Sau đó nạp theo phương pháp áp không đổi, dòng điện nạp sẽ tự độnggiảm, cuối quá trình có thể duy trì một dòng điện nạp ổn định khoảng 20% dòngđiện nạp cực đại cho phép trong thời gian dài cho chất điện phân ngấm sâu vào chấttác dụng (các tấm cực) bảo đảm cho acquy đầy điện hoàn toàn, việc kiểm tra và điềukhiển quá trình nạp điện cho acquy có thể tự động hóa

3.3 Lựa chọn phương pháp nạp:

+ Vì tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi

acquy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong acquy sẽ dângnên không kiểm soát được sẽ làm sôi acquy dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng Vì vậytrong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho acquy

+ Khi dung lượng acquy dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn địnhdòng nạp thì acquy sẽ sôi và làm cạn nước Do đó đến giai đoạn này ta lại phảichuyển chế độ nạp acquy sang chế độ ổn áp Chế độ ổn áp được giữ cho đến khiacquy đã thực sự no Khi điện áp trên các bản cực của acquy bằng với điện áp nạpthì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp

Do vậy đối với acquy axit ta nạp với các dòng điện nạp:

+ Dòng nạp ổn định In = 10% C10

+ Dòng nạp cưỡng bức In= (0.3)C10

Từ các phân tích ở trên:

- Ta tiến hành nạp acquy với dòng điện nạp không đổi:

Lưới điện chính

DC/AC

Phụ tải

2 1

Hình 4.1 Sơ đồ khối Bộ nguồn nghịch lưu một pha

Bộ nguồn nghịch lưu thiết kế với công suất 500W, điện áp ra 220VAC,50Hz

4.2 Nguyên lý hoạt động

Các khối sẽ hoạt động như sau:

- Acquy bình 24V

- Khối chỉnh lưu/nạp nạp điện cho acquy

- Khối DC-DC nâng điện áp acquy từ 12V lên 340VDC cấp cho cầunghịch lưu

- Khối nghịch lưu sử dụng mạch cầu H với van bán dẫn IGBT, đượcđiều khiển bằng chip vi điều khiển PIC18F4331 theo nguyên lý PWM Điện ápmột chiều 340VDC được biến đổi thành điện áp xoay chiều 220VAC

Trong điều kiện làm việc bình thường, phụ tải được cung cấp điện từ lướiđiện chính Công tắc 1 đóng, công tắc 2 ngắt (là các tiếp điểm của Rơle) BộUPS làm việc trong chế độ chờ

Khi mất điện lưới, công tắc 1 ngắt đồng thời công tắc 2 đóng, phụ tải đượcđấu vào bộ UPS Vì thời gian cấp điện từ acquy là có hạn, do đó cần ngắt tải

hoặc khởi động máy phát điện để cung cấp cho tải trước thời gian mà acquykhông còn khả năng cung cấp nhằm đảm bảo sự cung cấp điện liên tục cho tải.

Hình 4.2 Sơ đồ cầu nghịch lưu một pha.

Các IGBT được điều khiển bằng các module PWM từ chip vi điều khiển PIC18F4331

Kết nối lần lượt như sau:

- PWM1 điều khiển IGBT A+

- PWM0 điều khiển IGBT

A PWM3 điều khiển IGBT B+

- PWM2 điều khiển IGBT

B-Chọn phương pháp điều khiển nghịch lưu là PWM đơn cực, với hệ số điều biếnbiên độ : ma = 0,93

Chọn tần số sóng mang fpwm = 50KHz, do đó hệ số điều biến tần số bằng:

mf = 50000/50 = 1000

Giá trị tức thời cực đại điện áp ra là: Uab _max=220 √ 2=311.12V

Suy ra điện áp một chiều Udc cấp cho cầu nghịch lưu là:

_ ax

ab m dc

Trong đó: ΔU là sụt áp trên van bán dẫn Cho mỗi van có ΔUU là sụt áp trên van bán dẫn Cho mỗi van có ΔU là sụt áp trên van bán dẫn Cho mỗi van có ΔUUV = 3,5V => sụt áptrên 2 van khi dẫn theo một chiều là: ΔU là sụt áp trên van bán dẫn Cho mỗi van có ΔUU= 7V.

Một số ưu nhược điểm của BJT, MOSFET và IGBT:

 BJT (Bipolar Junction Transistor): Tranzito lưỡng cực công suất dẫn dòngđiện theo một chiều khi có dòng ba-zơ thích hợp Dòng điện định mức từ0,5-500A và có thể lớn hơn Điện áp định mức từ 30-1200V Thời gianchuyển mạch chậm, từ 0,5-100 uS Chức năng chủ yếu là biến đổi DC-DC.Phối hợp với diode trong các bộ nghịch lưu Ngày nay nó được thay thếbằng FET và IGBT

 Tranzito hiệu ứng trường FET (Field Effect Transisitor): Dẫn dòng điệnmáng khi đặt điện áp cổng thích hợp Các FET công suất hầu hết làMOSFET, có nối song song một diode ngược Dòng điện định mức từ 1-

100 A Điện áp từ 30-1000 V Thời gian chuyển mạch rất nhanh từ 50-200

nS Chủ yếu dùng để biến đổi DC-DC và nghịch lưu

 Tranzito lưỡng cực cổng cách ly IGBT (Insualate Gate Bipolar Transistor):

Là loại FET đặc biệt có chức năng của BJT và được điều khiển cổng bằngFET IGBT nhanh hơn và dễ dàng sử dụng hơn BJT cùng công suất Dòngđiện định mức từ 10-600 A Điện áp định mức từ 600-1700 V IGBT được

sử dụng hầu hết trong các bộ nghịch lưu có công suất lớn hơn 1kW

Với công suất thiết kế của bộ UPS là 500 W, có thể chọn van đóng cắt làMOSFET hoặc IGBT Ta chọn van đóng cắt là IGBT

Theo (1) ta có:

Udc = 334,5V

P = 500W

=> I=(500/334,5)/2 = 0,75A