đồ án kỹ thuật điện lạnh Chức năng của UPS và ứng dụng của nó trong thực tế

Các sự cố về nguồn điện: 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 điện400V-50Hz chẳng hạn

Chương I : Tổng quan về UPS

A Sự cố về nguồn và giải pháp UPS:

Sự cố về nguồn điện nói chung và mất điện nói riêng làm ảnh hưởng rất nhiều đến các hoạt động trong cuộc sống hiện đại, nhất là các thiết bị nhạy cảm hay yêu cầu phải hoạt động liên tục như là máy tính,máy xử lý công nghiệp,thiết bị y tế,viễn thông và các hoạt động thương mại điện tử Việc ngừng trệ ( do sự cố về điện ) sẽ làm chậm giao dịch,mất thông tin, gây tổn hại vê nhiều mặt, mất thời gian để khắc phục và sửa chữa

1 Các sự cố về nguồn điện:

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 bịảnh hưởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong

hệ thống

 Xung nhọn : Là sù tăng lên đột ngột của điện áp trong một khoảng thời gian ngắn Nguyên nhân gây ra là sự đóng cắt của các bộ điều chỉnh nhiệt hoặc các thiết bị đóng cắt dòng lớn Hiện tượng này làm

hư hỏng phần cứng,các thiết bị ngoại vi,board … và làm hư các phần mềm

 Nhiễu điện : Chính là sự nhiễu loạn giữa đường cung cấp và đất,giữa các dòng với nhau, dòng với trung tính Nó gây ra bởi sét đánh, do lỗi dây hay gần các thiết bị thu phát sóng radio … Hiện tượng này làmcho các dữ liệu có thể bị treo hoặc bị phá huỷ

 Tăng áp : Sự tăng đột ngột tức thời đôi khi đến mức gây hư hỏng Hiện tượng này thường xảy ra ngắn và có biên độ rất cao Nguyên nhân gây ra thường là do tắt các máy dùng điện,bị sét đánh hay là phục hồi lại điện sau khi bị mất

 Sụt áp : Điện áp giảm so với giá trị điện áp trung bình tròng vài chu

kỳ Hiện tượng này dễ gặp khi khởi động tải lớn nh là khi khởi động máy điện quay Nó làm cho hệ thống máy tính phải khởi động lại

 Sụt áp do quá tải : Nó cũng giống nh hiện tượng sụt áp nhưng thời gian dài hơn và thường là nguy hiểm hơn Hiện tượng này xảy ra khi nguồn cung cấp không cung cấp đủ cho tải và máy phát ngắt điện toàn

bộ lưới

 Mất điện : Nguồn điện cung cấp bị ngắt hoàn toàn Hiện tượng này xảy ra khi đường dây cung cấp bị lỗi,tai nạn hay bị thiên tai …

 Dạng sóng của nguồn cung cấp không có hình sin

 Tần số của nguồn thay đổi sai khác so với tần số định mức

2 Giải pháp UPS :

Trước những sự cố về nguồn điện không thể tránh được, chúng ta cần phải có một giải pháp sao cho vừa đem lại sự an toàn và tính sử dụng liên tục cho các thiết bị điện,điện tử cần ưu tiên, vừa đảm bảo an toàn cho người

sử dụng

Có nhiều giải pháp cho vấn đề này như sử dụng thêm nguồn dự phòng

và bộ chuyển mạch nhanh nhưng giải pháp này gây tốn kém vì phải sử dụng thêm nguồn thứ hai và vẫn phải cần có thời gian để chuyển mạch trong khi yêu cầu sư dụng đòi hỏi về nguồn :

 Tính liên tục

 Chất lượng của nguồn điện

Bộ nguồn liên tục UPS chính là giải pháp đáp ứng được các yêu cầu

đó Nó cung cấp cho tải với nguồn ổn định và liên tục trong mọi trường hợp

bị sự cố

B Chức năng của UPS và ứng dụng của nó trong thực tế.

UPS : Uninterruptible Power Supply : Bộ nguồn liên tục

1 Các chức năng của UPS :

Hoạt động nh mét giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tảinhạy cảm UPS cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục, chất lượngcao, 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 biệtkhi hệ thống cung cấp ngừng hoạt động

 Phạm vi sai sè cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từnhạy cảm

UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua cáckhâu trung gian: Acquy và chuyển mạch tĩnh

2 Ứng dụng của UPS trong thực tế:

Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễnthông, ngân hàng là rất lớn Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 sốlượng 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 ởmột 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 liêu tụccủa đường băng sân 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 liêntục

Ví dụ hệ thống UPS để bàn:

Hệ thống UPS cỡ trung bình (công suất 3-20kVA)

Đánh giá chất lượng UPS :

Chất lượng của UPS được đánh giá dựa theo một số tiêu chuẩn quantrọng như:

 Dạng sóng của điện áp đưa ra từ UPS Thông thường điện áp racủa UPS được điều chình về dạng sin là dạng sóng chuẩn cung cấpcho các thiết bị tiêu thụ Một số UPS chất lượng thấp cho ra cỏcsúng dạng xung vuông

 Khi có sự cố bên trong UPS hoặc khi cần bảo dưỡng sữa chữaUPS, bạn cần một thiết bị chuyển mạch bằng tay để có thể tách rờiUPS ra khỏi thiết bị tiêu thụ mà không làm ảnh hưởng đến thiết bị

đú, đõy cũng là một tiêu chuẩn để đánh giá UPS

 Thời gian cũng như công suất mà UPS có thể đảm bảo cung cõpnguồn liên tục khi có sự cố đối với nguồn cung cấp chính cũng làmột yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng của một UPS

 Ở các UPS hiện đại, nú cũn có khả năng giao tiếp với các thiết bịtiêu thụ (tự động tắt thiết bị khi nguồn cung cấp bị mất trong mộtthời gian quỏ lõu), với người sử dụng đưa ra các cảnh báo về tìnhtrạng của nguồn cung cấp thông qua màn hình hiển thị hoặc các tínhiệu cảnh báo

C Phân loại UPS:

Theo nguyên lý làm việc của UPS ta phân thành các loại dưới đây

- Ăc quy

- Bộ chỉnh lưu/nạp

- Bộ nghịch lưu và bộ lọc

UPS tĩnh có 2 loại chính là : UPS chuyển đổi đơn và UPS chuyển đổi kép ( dựa trên cách thức mà UPS cung cấp cho tải )

a UPS chuyển đổi kép:

Trong loại này,trước tiên nguồn cung cấp sẽ chuyền thành dòng một chiều thông qua bộ chỉnh lưu nạp vào ắc quy Tiếp đó nguồn 1 chiều từ

ắc quy sẽ đc chuyển sang điện áp xoay chiều thông qua sự kết hợp của bộnghịch lưu và bộ lọc

Bộ nghịch lưu này hoạt động liên tục và cung cấp năng lượng cho tải

cả trong trường hợp thường và trường hợp khẩn cấp

Về cấu tạo UPS loại này cho phép mắc nối tiếp 1 nguồn bổ sung vào mạch điện một chiều của nó Ví dụ đầu ra nguồn 1 chiều của UPS được cung cấp bởi một máy phát điện Diesel mắc song song với ắc quy ắc quynày có thể cung cấp năng lượng cho tải liên tục cho đến khi hết năng lượng dự trứ thì máy phát điện sẽ làm việc tiếp tục cung cấp năng lượng cho tải qua bộ nghịch lưu

b UPS chuyển đổi đơn:

Cấu tạo của loại UPS này không có bộ chỉnh lưu/nạp cho ắc quy Chính xác hơn thì bộ nghịch lưu của UPS này có khả năng chuyển đổi hai chiều Khi mà nguồn đang cung cấp thì bộ nghịch lưu đưa năng lượng

từ nguồn nạp vào ắc quy ( nếu cần ) Đến khi nguồn bị ngắt, ắc quy sẽ cung cấp năng lượng cho tải thông qua bộ nghịch lưu Dưới đây là sơ đồ nguyên lý :

Không giống nh UPS chuyển đổi kép, loại UPS này không thể truyền năng lượng cho tải khi mà nguồn vẫn đang cung cấp Chính vì đặc thù này mà UPS chuyển đổi đơn có hiệu quả kinh tế hơn UPS chuyển đổi kép

Tuy nhiên các tải ưu tiên của UPS này phải chịu được sự thay đổi về nguồn cấp hơn là tảI của UPS chuyển đổi kép

2 UPS quay

Là UPS sử dụng máy điện làm chức năng nghịch lưu

Ví dụ về UPS quay:

3 UPS gián tiếp ( Off – line ) và UPS trực tiếp ( On – line )

a UPS gián tiếp ( Off – line ):

Là loại UPS bộ nghịch lưu khụng chốn trực tiếp vào giữa tải vànguồn cung cấp mà được nối như một mạch cung cấp song song vớinguồn chính và luôn ở trạng thái standby Ở điêu kiện bình thường núkhụng cung cấp nguồn cho tải tiêu thụ mà chỉ hoạt động khi nguồncung cấp chớnh cú sự cố

Khi vận hành bình thường nguồn cấp điện trực tiếp cho tải qua bộlọc F mà qua bộ nghich lưu Khi xảy ra sự cố ở hệ thống cung cấp hoặcđiện áp hệ thống nằm ngoài giới hạn cho phép tải sẽ được từ bộ nghịchlưu sau một thời gian chuyển đổi rất ngắn cỡ 10ms Tuy nhiên sựchuyển mạch này vẫn không đáp ứng được với các loại tải nhạy cảmnhư máy tính, các thiết bị truyền tin… Sơ đồ này thường chỉ áp dụngcho các tải công suất nhỏ dưới 2kVA.

b UPS trực tiếp ( On - line ):

Ở loại UPS này bộ nghịch lưu được chèn vào giữa hệ thống cungcấp và thiết bị tiêu thụ Ở trạng thái làm việc bình thường bộ chỉnh lưucung cõp nguồn để nạp acquy và bộ nghịch lưu Khi nguồn cung cấpxảy ra sự cố (mất nguồn cung cấp hoặc điện áp nằm ngoài giới hạncho phép) bộ nghịch lưu sẽ tiêu thụ điện năng từ acquy và do đó đảmbảo sụ cung cấp liên tục cho tải Toàn bộ nguồn cung cõp cho tải phải

đi qua bộ nghịch lưu do đó đảm bảo việc cung cấp liên tục, chất lượngđiện năng về điện áp, dạng sóng, tần số… không phụ thuộc vào sựbiến động của nguồn cung cấp

Ngoài ra loại UPS này thường còn được cung cấp thêm một côngtắc chuyển mạch tĩnh (static switch) đảm bảo cung cấp điện liên tụctrong trường hợp UPS có vấn đề hoặc cần phải bảo dưỡng, sửa chữa

Sơ đồ UPS này đảm bảo chất lượng điện và độ tin cậy cao nhưng giá thành cao và được ứng dụng với công suất trung bình và lớn trên 40KVA

lập vào UPS sẽ làm tăng độ tin cậy tuy nhiên cũng có thể sửdụng đường vào chung.

b) Bộ chỉnh lưu nạp: Biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp

một chiều cung cấp trực tiếp cho bộ nghịch lưu (trong UPSonline) và nạp thường xuyên cho acquy ( đối với tất cả cácloại UPS)

c) Bộ acquy: Dùng để dự trữ điện năng dùng vào lúc các nguồn

cung cấp chính gặp sự cố ( mất nguồn hay chất lượng nguồngiảm xuống dưới mức cho phép) Dung lượng của acquy sẽquyết định thời gian mà UPS có thể cung cấp nguồn liên tụccho thiết bị sau khi nguồn bị ngắt

d) Bộ nghịch lưu: Nghịch lưu điện từ acquy hay từ bộ chỉnh lưu

để cung cấp cho thiết bị tiêu thụ Bộ nghịch lưu phải đảm bảo

ổn định tần số, điện áp và công suất cung cấp cho thiết bị

e) Đường song song với chuyển mạch tĩnh: Chuyển đổi tải của

UPS từ bộ nghịch lưu sang hệ thống cung cấp 2 mà không làmgián đoạn cung cấp điện cho tải Việc chuyển đổi này xảy rakhi 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 : Sử dụng công tắc đóng

mở bằng tay để cấp điện cho tải theo hệ thống cung cấp 2 khiyêu cầu bảo dưỡng

g) Máy biến áp cách ly: Được đưa vào với mục đích cách ly tải

với hệ thống cung cấp 2, nó thường được sử dụng khi điển nốiđất của hệ thống vào và ra của UPS là khác nhau

h) Chuyển mạch bằng tay, thiết bị đóng cắt acquy: Dùng để cách

ly các bộ phận trong quá trình bảo dưỡng

2 Các thiết bị khác:

Ngoài các bộ phận chính đã nói ở trên, UPS có thể cũn cú thờm một

số chi tiết khác như sau:

 Thiết bị phân phối và bảo vệ

 Thiết bị cách ly, máy biến áp tạo điện áp phù hợp với tải

 Hệ thống điều khiển, cảnh báo, hiện thị, điều khiển xa UPS còn

có thể được trang bị thêm hệ thống chẩn đoán tự động, tự độngkiểm tra trạng thái của các bộ phận khác Ví dụ kiểm tra trạngthái của acquy…

Chương IIITính toán mạch lực

Dạng điện áp nghịch lưu ra có dạng như sau :

U

Nếu sử dụng nguồn chỉnh lưu có điện áp 468.08 (V) thỡ dũng tiêu thụ lớn

và khó khăn cho việc mắc các ắc quy (các ắc qu 2 *177 250.3( )  V y mắc nối tiếp nhau để nạp ắc quy tốt thì điện áp dặt vào giữa các ắc quy là phải giống nhau ) Do đó ta sẽ cho điện áp ở đầu ra chỉnh lưu là 120V sau đó ta dùng một một máy biến áp chỉnh điện áp thành 468.08 (V) để phù hợp với phần nghịch lưu

Do tổn hao công suất qua các van công suất là không đáng kể nên ta có thể

bỏ qua và do đó ta có thể coi công suất đầu ra nghịch lưu bằng công suất đầuvào Do vậy ta suy ra được công suất ra của phần chỉnh lưu là : Schỉnh lưu = 5.26(KVA)

Ucl là điện áp đầu ra chỉnh lưu

Ud điện áp trên 2 đầu acquy

Ut điện áp tổn hao do nội trở của acquy

Ta tra được điện trở nội của acquy là 0.09 Như vậy nội trở của toàn bộ acquy là 10*0.09 = 0.9()

Như vậy điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là

Ucl = 120 + 43.83 x 0.9 = 159.4(V)

Sơ đồ ta chọn là sơ đồ cầu 1 pha không đối xứng

( Sơ đồ )

Ta thấy điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu Ucl = 159.4 (V) > 100 (V) Như vậy

ta phải dựng mỏy biến áp ở phần đầu vào của chỉnh lưu để chỉnh điện áp lên cho phù hợp với phần chỉnh lưu

1 Chọn van công suất

Ta thấy dòng điện cung cáp cho tải chỉnh lưu là dũng khụng lien tục Công thức cho cầu chỉnh lưu 1 pha là

u

U

V k

Điện áp ngược đặt lên van khi van thông Ulv =knv.U2 = 2 *177 250.3( )  V

( Chọn điều kiện làm mát bình thường Ilv = (10 30)%Iđmv)

Dựa vào các th ông số trên ta chọn diode CR150-060

Với các thông số của diode là

Dựa vào các thông số trên ta chọn được van 2N3422

Với các thông số của van như sau :

Unmax =600(V) Ikmax=100(mA)

Iđmmax =125(A) Irò =7.5(mA)

max

pikT pikD

2 Tính toán máy biến áp

Máy biến áp mà ta chọn là máy biến áp 1 pha 1 trụ

Tính cho chế độ nặng nề nhất của máy biến áp

Udmax= 159.4(V)

Idmax = 43.83(A)

159.4

177.11( ) 0.9

d u

2 Điện áp pha sơ cáp của máy biến áp : U1 = 220(V)

3.Điện áp thứ cỏp mỏy biến áp

Phưong trình cân bằng điện áp khi tải :

U docos  min U d  U v U dn U ba  Udiod

do u

Q K m S ba f

Q

KQ : hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát chọn KQ = 6

m : Số trụ của máy biến áp , m =1

f : tần số của nguồn điện xoay chiều f = 50Hz

* Tớnh toỏn dây quấn

10 Số vòng dây sơ cỏp mỏy biến áp :

12 Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp

Với dây dẫn bằng đồng ta chọn J1 = J2 = 2.75(A/mm2 )

13 Tiết diện dây dẫn sơ cấp của máy biến áp

2 2

31 11.27( ) 2.75

* Kết cấu dây quấn sơ cấp :

15 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp :

1.1

1

*0.95 40 0.47

g e

21.Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp là a01 = 1 cm

22 Đường kính trong của ống cách điện sơ cấp

D t1 d Fe 2a01  2S01  10 2*1 2*0.1 11.8(    cm) 23.Đường kính trong của cuộn sơ cấp

* Kết cấu dây quấn thứ cấp

32 Tính sơ bộ vòng dây trên một lớp của cuộn dây thứ cấp :

2

1.2 2

20.28

*0.95 32 0.59

123 3.84 32

W n W

1

1 1

56.74 0.02133* 0.12( )

10.10

l R s

2

2 2

64.96 0.02133* 0.12( )

11.3

l R

ba ba

R I U

X I U

nm ba

3.8

nr nx

U U nm

Với IpikT là đỉnh xung dòng điện lớn nhất của Thyristor.

IpikD là đỉnh xung dòng điện lớn nhất của Diode

3 Tính toán các phần tử bảo vệ

1 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ

(Hình vẽ )

2 Bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn

Khi van làm việc thỡ cú dũng chạy qua van nờn cú tổn hao công suất ∆P, tổn ha công suất này được biểu hiện dưới dạng nhiệt , làm nóng cá van công suất Mặt khác đối với một van bán dẫn thì chỉ làm việc được dưới một nhiệt độ nhất định được gọi là nhiệt độ cho phép Tcp nếu quá nhiệt độ đó van sẽ bị hỏng Để van bán dẫn làm việc an toàn thì ta phải chọn và thiết kế hệ thông tản nhiệt một cách hợp lý

 Tính toán cánh tản nhiệt

+ Tổn thất công suất trên 1 Thyristor ∆P U I. lv  1.8*31 55.8  (W)+ Diện tích bề mặt tỏa nhiệt I qt  1.1I lv 1.1*31 34.1( )  A

m *

m

P S





trong đó P là tổn hao công suất

3.Bảo vệ quỏ dũng cho van

Để bảo vệ quỏ dũng ta dựng cỏc phần tử bảo vệ là Aptomat , Cầu dao , cầu chì Áptomat dùng để bảo vệ quá tải , ngắn mạch đầu ra bộ nghịch lưu

+ Chọn ỏptomat cú

4 Bảo vệ quá điện áp cho van

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với các Thyristor Khi có sự chuyển mạch các điện tích tụ trong các lớp bán dẫn sẽ phóng ra ngoài tạo dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anot và Katot của Thyristor Khi có R-C mắc song song vào thyristor tạo mạch vòng trong quá trình chuyển mạch nên

Thyristor không bị quá điện áp

Người ta thương chọn R1 = (5  30) C1 = (0.25  4) F