Thiết kế, chế tạo bộ lưu điện (UPS) dùng cho cửa cuốn

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 điệnđiện 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, nó là động lực thúc đẩy nhằm thỏa mãn và đáp ứng yêu cầu đó. Sau quá trình tìm hiểu về bộ UPS cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy NVV, cùng với sự nỗ lực của cả nhóm chúng em đã hoàn thành được đề tài của mình và về cơ bản đã đáp ứng được yêu cầu của đề tài: Thiết kế, chế tạo bộ lưu điện (UPS) dùng cho cửa cuốn”. Toàn bộ đồ án gồm 3 chương sau: Chương 1: Tổng quan về bộ lưu điện (UPS). Chương 2: Xây dựng và phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật của bộ lưu điện (UPS). Chương 3: Thiết kế mạch và xây dựng các thuật toán điều khiển hệ thống. Ngoài nội dung 3 chương đồ án còn có lời nói đầu, kết luận, phụ lục. Về đề tài thêm cho sinh viên những kiến thức về thực hành mà đề tài này còn được ứng dụng rất rộng: “Thiết kế, chế tạo bộ lưu điện (UPS) dùng cho cửa cuốn’’ Không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết gúp sinh viên có thể vận dụng linh hoat giữa lý thuyết và thực hành cũng như củng cố dải trong cuộc sống đó chính là lý do mà chúng em chọn đề tài này. Trong quá trình thực hiện dù đã có gắng nhưng do thời gian cũng như trình độ vẫn còn hạn chế nên không thể tránh khỏi sai sót và chưa đầy đủ. Em rất mong sự chỉ bảo giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy để đồ án của em được hoàn thiện hơn.

MỤC LỤC

1

DANH MỤC HÌNH VẼ

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, 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, nó là động lực thúc đẩy nhằm thỏa mãn và đáp ứng yêu cầu đó

Sau quá trình tìm hiểu về bộ UPS cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy NVV,

cùng với sự nỗ lực của cả nhóm chúng em đã hoàn thành được đề tài của mình và về

cơ bản đã đáp ứng được yêu cầu của đề tài: Thiết kế, chế tạo bộ lưu điện (UPS) dùng cho cửa cuốn” Toàn bộ đồ án gồm 3 chương sau:

Chương 1: Tổng quan về bộ lưu điện (UPS).

Chương 2: Xây dựng và phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật của bộ lưu điện (UPS).

Chương 3: Thiết kế mạch và xây dựng các thuật toán điều khiển hệ thống Ngoài nội dung 3 chương đồ án còn có lời nói đầu, kết luận, phụ lục.

Về đề tài thêm cho sinh viên những kiến thức về thực hành mà đề tài này còn

được ứng dụng rất rộng: “Thiết kế, chế tạo bộ lưu điện (UPS) dùng cho cửa cuốn’’ Không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết gúp sinh viên có thể vận dụng linh hoat

giữa lý thuyết và thực hành cũng như củng cố dải trong cuộc sống đó chính là lý do

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) 1.1 Khái niệm về bộ UPS

Hình 1.1 Hình ảnh của một UPS UPS (uninterruptible power supply) là nguồn dự phòng trong khoảng thời gian sau khi nguồn chính bị sự cố Nó là thiết bị cung cấp điện năng có khả năng duy trì điện thế ổn định bên cạnh đó UPS còn có thêm một chức năng như chống xung, lọc nhiễu, ổn áp có khả năng quản trị năng lượng cho cả hệ thống.

Cấu trúc chung của một bộ nguồn dự phòng là một mạch nghịch lưu biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều cung cáp cho tải tiêu thụ Nguồn điện một chiều lấy từ ắc quy, tùy theo điều kiện mà ắc quy có thể nạp trực tiếp từ nguồn sau đó đấu nối trực tiếp vào mạng để sứ dụng, hoặc nạp ắc quy từ một nguồn khác trong mạng Tùy vào các cách đấu nối ắc quy với mạng điên mà ta ở các công nghệ UPS khác nhau.

Ở nước ta hiện nay, UPS thường quen được gọi là: cái lưu điện hay bộ lưu điện, cục lưu điện và đang được sử dụng nhiều trong các Ngân hàng và lĩnh vực Tài chính, các công ty Viễn thông, lĩnh vực Công nghệ thông tin (mạng nội bộ, trung tâm

dữ liệu, máy chủ, các thiết bị viễn thông ), trong công ty Dầu khí, Công nghiệp ứng dụng (công nghiệp PLCS, bao bì, thực phẩm) và các ngành khác như siêu thị, điện tử- thiết bị y tế,….Từ việc mang hiệu quả khinh tế cho doanh nghiệp, cùng với nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, việc đầu tư cho hệ thông lưới điện đòi hỏi rất nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng thiếu hụt điện năng và chất lượng điện suy giảm.

5

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: UPS online, UPS ofline, UPS Offline với công nghệ Line Interactive.

1.2 Chức năng và ứng dụng của UPS trong thực tế

1.2.1 Chức năng

Hoạt động giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải nhạy cảm UPS cung cấp năng lượng điện liên tục, chất lượng cao, không phụ thuộc vào 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 từ nhạy cảm.

UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua các khâu trun

g gian: Ắc quy và chuyển mạch tĩnh.

1.2.2 Ứng dụng

Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, y tế, hàng không,viễn thông, ngân hàng là rất lớn Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số lượng máy tính đang 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 vá toàn bộ thiết bị ở một trạng thái nào đó là rất quan trọng và không được phép mất điện UPS trong hàng không được sử dụng thắp sáng đường sân bay.

Bảng 1.1 Ứng dụng của UPS trong thực tế

Ứng dụng chính Thiết bị đuợc bảo vệ

1 Hệ thống máy tính nói

chung + Máy tính, mạng máy tính + Máy in, hệ thống vẽ đồ thị, 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 ra đa, hệ thống

truyền dữ liệu

4 Y tế, công nghiệp + Dụng cụ y tế, thang máy, thiết bị điều khiển chính

xác, thiết bị đo nhiệt,

5 Chiếu sáng + Đường hầm nhà công cộng,đường sân bay

6 Các ứng dụng khác + Máy quét hình,cung cấp năng lượng cho máy bay,

hệ thống thang máy,

1.3 Phân loại UPS

1.3.1 UPS online

Hoạt động theo 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 tọa ra đảm bảo ổn định cả về điện áp và tần số Điều này làm cho các thiết bị được cung vấp điện bởi 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 Ta có thể hình dung sơ đồ khối của 1 bộ UPS loại này như sau:

Hình 1.2 Sơ đồ UPS online

Từ sơ đồ khối ta thấy nguồn lưới điện cung cấp cả điện trực tiếp cho tải tiêu thụ

và đồng thời nạp điện cho acqui Khi điều kiện làm việc ổn định thì nguồn điện đi trực tiếp tới tải, còn khi sảy ra bất kỳ hiện tượng nào làm nguồn điện chập chờn thì acqui luôn luôn được nạp đầy sẽ phóng điện qua bộ nghịch lưu để biến dòng DC thành dòng AC qua máy biến áp nâng lên điện áp phù hợp cấp cho tải

Do vậy đối với loại UPS này thời gian đáp ứng từ khi nguồn chính gặp sự cố là bằng không Loại UPS này rất na toàn cho các thiết bị máy tính, tín hiệu, điều khiển đòi hỏi an toàn, độ chính xác cao, nhạy cảm với sự biến đổi của nguồn điện.

7

Lưới điện Tải

lưu Biến áp

1.3.2 UPS ofline

Khi có nguồn lưới điện thì nó sẽ chạy thẳng tới phụ tải Còn khi mất điện, tải sẽ được chuyển mạch cấp điện từ bộ acqui qua bộ nghịch lưu đến tải Ta có thể trình bày sơ đồ khối loại UPS dạng này như sau:

Hình 1.3 Sơ đồ UPS ofline

Từ sơ đồ khối ta thấy rằng acqui không được nạp liên tục từ nguồn lưới điện

mà phải nạp qua một nguồn khác, do vậy khi nguồn chính có sự cố làm gián đoạn thì phải mất một khoảng thời gian để cho acqui chuyển mạch cung cấp điện cho tải Thời gian chuyển mạch phải nhỏ hơn khoảng 10ms để đảm bảo cấp nguồn liên tục, đây cũng là nhược điểm của loại UPS này, do vậy nó thường được sử dụng với mụch đích trong gia đình hoặc văn phòng nơi các thiết bị điện không quá nhạy cảm với sự biến đổi của nguồn điện.

1.3.3 UPS Offline với công nghệ Line Interactive

Khắc phục nhược điểm của UPS Offline thông thường là UPS Offline công nghệ Line Interactive Do sự tích cực hơn trong nguyên lý hoạt động nên chúng lại coa giá thành cao hơn so với UPS thông thường.Như vậy thì UPS Offline công nghệ Line Interactive hơn gì so với UPS Offline thông thường Đó là cái biến áp, biến áp này về bản chất giống biến áp tự ngẫu trước đây Có nghĩa là nếu điện áp của lưới điện thấp hay cao thì chúng ta phải xoay xoay vặn vặn nó Ở đây cũng vậy, mặc dù chúng không được như chiếc ổn áp để có thể tự đọng xoay mà sử dụng các nấc chuyển mạch để thay đổi mức điện áp của nó nhưng cũng có cách để thực hiện việc đó UPS Offline công nghệ Line Interactive này tiến bộ hơn so với UPS Offline truyền thống là ổn áp nhằm điều chỉnh điện áp đầu ra cấp cho cho tải sử dụng luôn ổn định Trường hợp điện áp điện lưới quá cao hoặc quá thấp.

9

Hình 1.4 UPS Offline công nghệ Line Interactive

1.4 Các dải công suất và phạm vi áp dụng

Nhận xét: Nguyên tắc cơ bản nhất để lựa chọn một bộ UPS là công suất của nó phải lớn hơn hoặc tối thiểu là bằng điện năng yêu cầu đối với nó tốt nhất là nên chọn loại UPS có công suât lớn hơn 20% so với điện năng mà tải tiêu thụ Dưới đây

là một số thông số kỹ thuật cần lưu ý khi chọn mua:

VA: vôn-ampe là đơn vị đo lường mức tải mà UPS có thể hỗ trợ, thường gọi là công suất danh định Để tính toán công suất cần thiết, có thể xác định chỉ số VA bằng cách nhân hiệu điện thế (Vôn)-ở Việt Nam là 220V, với cường độ dòng điện (ampe) hay đọc ngay trên nhãn của thiết bị Ta cũng có thể tính bằng cách nhân công suất (watt) với 1.35 hay cao hơn là 1.82, nghĩa là:

AC(VA) = AC (watt) *1.35 (1.1) Hoặc an toàn hơn: AC (VA) = AC (watt) *1.82

Sau khi tính được chỉ số cho từng thiết bị, ta cộng tất cả lại để có được tổng công suất Chỉ số VA của UPS nên cao hơn tổng này khoảng 20%.

Power factor: Gọi là hệ số công suất, là tỉ số giữa công suất thực và công suất biểu kiến hay tải Trị số này nằm trong khoảng 0÷1 UPS làm việc hiệu quả nếu trị số này gần với 1.

Runtime: Khoảng thời gian mà UPS có thể cung cấp điện năng yêu cầu nếu chạy bằng acqui của nó.

Tóm lại tùy từng loại UPS có công suất khác nhau mà sẽ có được thời gian lưu điện khác nhau thông thường khoảng từ 10-20 phút, và thời gian cần thiết để nạp đầy cho ắc qui bên trong UPS cũng khác nhau dao động từ 8-12 giờ.

Dưới đây là một số dải công suât thông dụng:

 Loại bé hơn 1kw

Loại UPS này thích hợp với những thiết bị điện có công suất thấp, đầu ra của mạch nghịch lưu đảm bảo ở mức điện áp 220V – 5A cung cấp cho các thiết bị điện không nhạy cảm với sự biến đổi của điện áp, không yêu cầu về điện áp đầu ra Loại này thường được sử dụng trong hộ gia đình hoặc văn phòng nhỏ.

 Dải công suất từ lớn hơn 1kw- 10kw

Loại UPS này cũng tương tự như loại trên nhưng điện áp đầu ra lớn hơn nên cố thể dùng để bảo vệ tất cả các thiết bị điện trong gia đình hoặc một nhóm máy tính trong một văn phòng Loại này muốn điện áp đầu ra đủ lớn để đảm bảo cung cấp cho tải thì mạch có thể gồm lớn hơn 1 bộ acqui để nạp điện hệ acqui co thể cung cấp điện áp từ 12V-48V Nêu dùng để bảo vệ 1 nhóm máy tinh trong một văn phòng thì

ta nên quan tam đến các chỉ số như power factor, run time.

 Với dải công suất trong khoảng 11 kw – 100kw

Đối với loại UPS công suất cao thì thường chế tạo theo công nghệ UPS online đảm bảo chất lượng đầu ra cao tần số ổn định Do vậy đầu vào cũng sẽ phải cần một điện áp cung lớn để cố thể nâng được áp đầu ra lên cao, giải pháp ở đây là dùng một hệ thống acqui để nạp điện và trong mạch nghịch lưu phải sử dụng các bộ nâng

áp có thể là mạch pushpull hoặc flyback hai loại này có hiệu suất cao mà không nên

sư dụng mạch boots vì mạch này có hiệu thấp UPS loại này phải đảm bảo sóng sin output và yêu cầu thời lượng tải 24/24, thường được đùng để bảo vệ hệ thống dữ liệu, server chuyên dụng, thiết bị viễn thông chuyên dụng, các máy chuyên nghành y tế,….

 Loại UPS có công suất lớn hơn 100kw

Nhìn chung với loại UPS này yêu cầu đầu ra và đầu vào không khác gì so với loại trên, chỉ khác ở chỗ mục đích sử dụng là dùng trong công nghiệp các hệ thống máy CNC, ROBOT,… nơi đòi hỏi nguồn điện phải liên tục và ổn định cao.

1.5 Các chế độ hoạt động của UPS

Hầu hết các UPS đều được thiết kế để cung cấp nguồn cho tải thông qua 3 chế độ: Normal, Battery, Bypass Tùy thuộc điều kiện thực tế UPS tự động sử dụng 1 trong 3 chế độ phù hợp mà không cần sự can thiệp của người vận hành Để đạt được điều này, bộ vi xử lý lôgíc và bộ kiểm soát tinh vi được sử dụng để điều khiển,

11

giám sát, hiển thị chế độ hoạt động của UPS và đảm bảo bất kỳ sự thay đổi chế độ hoạt động của UPS cung cấp nguồn cho tải đều tự động Phần dưới đây thể hiện 3 chế độ hoạt động của UPS Eaton Powerware dưới dạng sơ đồ khối để hiển thị dòng lưu chuyển của nguồn điện ở mỗi chế độ.

1.5.1 Chế độ bình thường (Normal Mode)

Trong chế độ Normal, năng lượng được nhận từ ngõ vào qua bộ chỉnh lưu cung cấp cho Inverter, “Normal Mode” hiện thị trên màn hình có nghĩa là UPS đang hoạt động bình thường, nguồn ngõ vào nằm trong dải chấp nhận của UPS Nguồn ngõ vào được chuyển thành nguồn DC thông qua bộ biến đổi IGBT và cung cấp nguồn DC cho inverter Battery được nạp trực tiếp từ ngõ ra bộ chỉnh lưu thông qua bộ tăng

áp và giảm áp phụ thuộc chủng loại và dung lượng bình ắc quy.

Hình 1.5 Chế độ bình thường

Bộ biến đổi DC nhận nguồn từ ngõ ra của bộ chỉnh lưu và cung cấp nguồn DC thích hợp cho battery Điều kiện nạp ắc quy được giám sát bởi UPS và gửi thông tin tình trạng UPS trên màn hình LCD Battery luôn luôn được nối tới UPS, luôn được nạp điện và sẵn sàng hỗ trợ cho inverter khi mất nguồn vào.

Bộ Inverter nhận nguồn DC đã được điều chế ổn định từ bộ chỉnh lưu sau đó sử dụng IGBT và bộ điều chế độ rộng xung để tạo nguồn AC ổn định ngõ ra.

1.5.2 Chế độ Backup (Battery Mode)

Chế độ battery được sử dụng tự động khi bị mất nguồn ngõ vào, hoặc nguồn ngõ vào bộ chỉnh lưu nằm ngoài đặc tuyến ngõ vào của UPS Trong suốt quá trình bị mất nguồn, bộ chỉnh lưu không có nguồn AC ngõ vào để cung cấp nguồn DC cho

inverter Khi đó bộ chỉnh lưu tắt, năng lượng từ bình ắc quy sẽ cung cấp cho Inverter để Inverter biến đổi thành nguồn AC cung cấp liên tục cho tải Trong chế độ battery UPS sẽ phát ra tiếng báo động bằng âm thanh và đèn báo trên màn hình điều khiển UPS UPS sẽ giữ trạng thái này cho tới khi nguồn ngõ vào có trở lại bình thường.

Hình 1.6 Chế độ Backup Nếu nguồn ngõ vào lại lỗi trở lại hay không nằm trong đăc tính ngõ vào của chế

độ bình thường, UPS sẽ tiếp tục hoạt động ở chế độ Battery, bình ắc quy sẽ tiếp tục phóng điện cho tới khi không còn năng lượng cung cấp cho tải Bất kể thời điểm nào trong chế độ battery, nếu nguồn ngõ vào có trở lại bình thường, bộ chỉnh lưu sẽ hoạt động trở lại, cung cấp nguồn cho inverter và nạp lại bình ắc quy Lúc này UPS hoạt động ở chế độ NORMAL Tùy thuộc vào tải và khoảng thời gian đã phóng điện của ắc quy, UPS sẽ xác định dòng điện nạp bình ắc quy Tổng thời gian hoạt động ở chế độ battery của UPS phụ thuộc nhiều hệ số, một số hệ như loại Battery, dung lượng bình ắc quy, số dãy bình ắc quy, nhiệt độ môi trường, tuổi thọ bình ắc quy và

sự thay đổi của tải trong quá trình xả bình ắc quy Tải càng lớn thời gian lưu điện càng giảm, tải càng nhỏ thời gian lưu điện càng lâu.

1.5.3 Chế độ Bypass: (Bypas Mode)

Trong chế độ Bypass nguồn ngõ ra của hệ thống được cung cấp trực tiếp từ ngõ vào, trong chế độ này nguồn ngõ ra của hệ thồng không được bảo vệ bởi ảnh hưởng của điện áp và tần số hay mất nguồn nguồn ngõ vào được lọc các sóng hài trước khi tới tải nhưng bình ắc quy không thể hỗ trợ tải trong chế độ bypass Bypass nội

13

bao gồm công tắc chuyển mạch tĩnh, công tắc này được thiết kế cung cấp cho tải bất khi nào inverter không thể cung cấp nguồn cho tải.

Hình 1.7 Chế độ Bypass

Nếu inverter không thể hỗ trợ cho tải, để đảm bảo tải luôn luôn được cung cấp nguồn, UPS sẽ chuyển sang chế độ bypass nội Ngõ ra của hệ thống UPS sẽ chuyển tự động sang bypass nội nếu bất cứ các điều kiện không bình thường xảy ra trên ngõ

ra của hệ thống, nếu ngõ ra của hệ thống UPS vượt ra ngoài tầm điện áp tần số, nếu

hệ thống quá tải hay inverter bị lỗi Thời gian chuyển chế độ đảm bảo tải ngõ ra không bị gián đoạn Sự gián đoạn này nhỏ hơn 15ms (tại 50hz).

1.6 Chất lượng hoạt động của UPS

Chất lượng của UPS được đánh giá dựa theo một số tiêu chuẩn quan trọng như: Dạng sóng của điện áp đưa ra từ UPS Thông thường cho các thiết bị tiêu thụ, một số UPS chất lượng thấp cho dạng xung vuông

Thời gian cũng như công suất mà UPS có thể đảm bảo cung cấp nguồn liên tục khi có sự cố về nguồn cung cấp chính

Chương 2: XÂY DỰNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT BỘ LƯU ĐIỆN (UPS)

2.1 Phân tích chỉ tiêu kỹ thuật

Yêu cầu: Thiết kế, chế tạo bộ lưu điện (UPS) dùng cho cửa cuốn Bộ lưu điện, công suất tải 1000W.

Công suất của tải, đơn vị là W Còn bộ lưu điện UPS có công suất tính theo dòng xoay chiều với đơn vị đo là VA, có thể tham chiếu sang đơn vị đo W bằng cách lấy số

VA nhân hệ số 0,6 Ví dụ: một UPS có công suất 500VA sẽ tương đương 500VA x 0,6=300W Hệ số công suất (Power Factor) của UPS (PF = 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1) Hệ số

PF càng cao thì chất lượng của UPS càng tốt Để tính toán và thiết kế ra UPS có hệ

số PF lớn là rất khó khăn.

Cũng lưu ý thêm là bộ lưu điện UPS cũng là một thiết bị điện nên nó cũng đòi hỏi nguồn điện lưới phải có sự ổn định nhất định và một chú ý nữa là không phải bất cứ thiết bị nào cũng có thể dùng bộ lưu điện UPS đa số các bộ lưu điện UPS hiện có trên thị trường được thiết kế cho máy tính Các thiết bị khác có thể không làm việc hoặc làm hỏng bộ lưu điện UPS.

2.1.1 Công suất

Theo thiết kế công suất của UPS được tính theo công thức:

) Như vậy công suất UPS tương đương là 1430 VA Khi thiết kế cho bộ lưu điện UPS nên tính toán giá trị VA cao hơn từ 20-25% giá trị tổng công suất của những thiết bị khác kết nối vào bộ lưu điện UPS để tránh quá tải Có nghĩa là phải thiết kế UPS có công suất 2000 VA hoặc thấp nhất phải có công suất bằng công suất của tải

là 1500 VA Hầu hết những bộ lưu điện UPS được thiết kế để cung cấp năng lượng điện trong khoảng thời gian 10 phút.

2.1.2 Thời gian dự phòng của UPS

Không nên hy vọng bộ lưu điện UPS thông thường sẽ lưu điện áp để PC của chạy

cả ngày, hầu hết các kỹ sư thiết kế cung cấp cho thời gian dự phòng khoảng từ 10 tới 20 phút Bản chất của bộ lưu điện UPS là cho phép lưu lại những gì mà đang làm việc khi bị mất nguồn điện lưới và tránh sự hỏng hóc hệ thống phần cứng cũng như

thiết lập phần mềm ứng dụng Thời gian dự phòng phụ thuộc vào thời gian sử dụng của ắc quy và công suất của tải.

Thời gian sử dụng ac quy phụ thuộc vào dung lượng của accu và công suất của tải Công thức tính như sau:

) Trong đó:

T: Là thời gian (giờ) cần dùng khi mất điện

Ah: Dung lượng ắc quy

V: Điện áp ắc quy (Volt)

P: Công suất tải (W)

PF: Hệ số công suất của UPS

Công suất càng lớn thời gian sử dung càng giảm Muốn tăng thời gian dự phòng của UPS ta chọn thông số của ac quy Ah và V cao.

2.2 Xây dựng và tính toán cho UPS

2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát

Hình 2.1 Sơ đồ khối chung của UPS Chỉnh lưu AC/DC: Thông qua biến áp nó sẽ hạ áp từ điện áp lưới xuống điện áp thích hợp đưa vào bộ chỉnh lưu Chỉnh lưu tạo ra điện áp một chiều dùng cho việc nạp ắc quy và đưa tới bộ nghịch lưu Thông thường sau khi qua bộ chỉnh lưu tín hiệu điện sẽ được lọc để tranh nhiễu, nhằm nâng cao chất lượng.

Ắc quy: Là nơi tích trữ năng lượng khi có điện áp nguồn và là kho cung cấp năng lượng cho các phụ tải khi lưới điện bị mất Thời gian duy trì của UPS phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng của ắc quy Trên thị trường ắc quy dùng cho UPS phổ biến nhất là loại 12V/7Ah, 12V/5Ah và 6V/7Ah Khi thiết kế tùy theo điện áp mà

ta có thể mắc nối tiếp các ắc quy để được điện áp nguồn 24V÷48V Việc sử dụng nguồn cung cấp điện áp cao sẽ giảm được dòng tiêu thụ và tăng hiệu suất của nguồn UPS song nó làm tăng kích thước của nguồn.

Mạch nạp ắc quy: Dùng để điều khiển việc nạp ắc quy Khi có điện ắc quy nạp, khi đầy phản hồi tín hiệu ngắt nạp.

Khóa chuyển mạch (công tắc tĩnh): có chức năng đóng hoặc cắt để chuyển chế

độ làm việc của hệ thống cung cấp điện áp từ nguồn điện lưới sang nguồn dự phòng

và ngược lại.

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Nguồn điện không gián đoạn UPS thường gồm mạch chỉnh lưu, bộ nghịch biến,

ắc quy, tổ máy phát điện và công tắc tĩnh Mạch chỉnh lưu là nguồn cung cấp một chiều cho máy nghịch biến Ăc quy để lưu trữ điện năng Khi nguồn điện xoay chiều

ở mạng điện lưới bình thường, máy chỉnh lưu ngoài việc cung cấp công suất một chiều cho máy nghịch biến, còn nạp điện cho ăcquy Khi nguồn điện thành phố bị

ngắt, ăcquy lại cung cấp một chiều cho máy nghịch biến Khi nguồn điện lưới bị ngắt quá lâu, do dung lượng của ắcquy có hạn, nên không đáp ứng yêu cầu của phụ tải Khi đó, tổ máy phát điện được khởi động để đảm bảo việc cung ứng điện không bị ngắt quãng Nếu máy nghịch biến gặp sự cố, qua công tắc tĩnh, có thể tự động chuyển tiếp phụ tải từ máy nghịch biến sang nguồn điện lưới.

2.3 Lựa chọn và tính toán mạch chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng luợng dòng điện một chiều Chỉnh lưư là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi trong thực tế Sơ đồ cấu trúc của một bộ chỉnh lưu như sau:

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong đó:

BA: Biến áp làm 2 nhiệm vụ, chuyển đổi từ điện áp quy chuẩn của lưới điện U1 (điện áp cuộn sơ cấp) sang điện áp U2 (điện áp cuộn thứ cấp) thích hợp yêu cầu của tải, biến đổi số pha của nguồn lưới sang yêu cầu số pha của mạch van.

MV: Mạch van là các bán dẫn được lắp với nhau theo kiểu nào đó.

Lọc: Mạch lọc, nhằm đảm bảo cho điện áp hơặc dòng điện cấp cho tải là bằng phẳng theo đúng yêu cầu.

Phân loại:

+ Theo số pha cấp cho mạch van: Một pha, hai pha, sáu pha.

+ Theo van bán dẫn: Chỉnh lưu không điều khiển, có điều khiển, bán điều khiển + Theo sơ đồ mắc các van với nhau: Sơ đồ hình tia, sơ đồ hình cầu.

19

2.3.1 Mạch chỉnh lưu Tiritor hai nửa chu kỳ

Hình 2.3 Mạch chỉnh lưu Tiritor hai nửa chu kỳ Điện áp trên tải:

Dòng điện trên tải: Id =

Điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van: Uim = 2,83U2 (2.6)

Dạng điện áp:

Hình 2.4 Điện áp ra chỉnh lưu Tiritor hai nửa chu kỳ Nguyên lý hoạt động:

α÷π: T1 thông Ut = U21, It = IT1

α+ π ÷2π: T2 thông Ut = U22, It = IT2

α+2π ÷3π: T1 thông Ut = U21, It = IT1

Mạch chỉnh lưu có điều khiển 1 pha 2 nửa chu kỳ có điểm trung tính có cấu tạo đơn giản, dễ dàng đấu nối, ít kênh điều khiển, điện áp và dòng điện liên tục trong suốt quá trình làm việc Mạch thường được sử đụng trong những mạch có công suất vừa và nhỏ.

21

2.3.2 Mạch chỉnh cầu một pha đối xứng

Hình 2.5 Mạch chỉnh cầu một pha đối xứng Điện áp trên tải:

Ut = U2 d = U2 d = U 2 [cosα – cos(π+α)]

Trong đó α: Góc mở của van

U 2 : Điện áp cuộn thứ cấp

Sinα, sinθ, cosα là các hàm lượng giác

θ: là biến gán giá trị từ α÷π

(2.7 )

Dòng điện trên tải:

Id =

(2.8 ) Dòng điện qua van:

It =

(2.9 )

Dạng điện áp ra:

Hình 2.6 Điện áp ra chỉnh cầu một pha đối xứng Nguyên lý hoạt động:

α÷π: T1, T2 thông Ud = U21, Id = IT1 = IT3

α+ π ÷2π: T2 thông Ud = U22, Id = IT2 = IT4

α+2π ÷3π: T1 thông Ud = U21, Id = IT1 = IT3

Mạch chỉnh cầu một pha đối xứng có cấu tạo phức tạp hơn mạch chỉnh lưu có điều khiển 1 pha 2 nửa chu kỳ có điểm trung tính Mạch sử dụng nhiều kênh điều khiển hơn, điện áp và dòng điện liên tục trong suốt quá trình làm việc Mạch thường được sử đụng trong những mạch có công suất vừa và nhỏ.

2.3.3 Chỉnh lưu điều khiển hình tia ba pha

Hình 2.7: Mạch chỉnh lưu điều khiển tia ba pha

23

Điện áp trên tải:

Ud= U2.d = U 2. cosα = U 2 cosα

Trong đó: α góc mở của van

Sinα, sinθ là các hàm lượng giác

(2.10)

Dạng điện áp ra:

Hình 2.8 Dạng điện áp ra chỉnh lưu điều khiển hình tia ba pha

Nguyên lý hoạt động:

t0÷t1: T3 thông Ud = Uc, Id = IT3

t1÷t2: T1 thông Ud = Ua, Id = IT1

t2 ÷t3: T2 thông Ud = Ub, Id = IT2

t3÷t4: T3 thông Ud = Uc, Id = IT3

Mạch chỉnh lưu điều khiển tia ba pha có cấu tạo phức tạp, muốn mạch hoạt động cần mắc biến áp để đưa điểm trung tính ra tải mỗi van chỉ làm việc trong 1/3 chu kỳ vì vậy dòng điện chạy qua van nhỏ Mạch sử dụng nguồn 3 pha nên công suất tăng lên rất nhiều, dòng điện tải đến vài trăm ampe.

2.3.4 Chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối xứng

Hình 2.9 Mạch chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối xứng

Giá trị tung bình của điện áp trên tải:

Dòng điện trên tải:

) Dạng điện áp ra:

Hình 2.10 Dạng điện áp ra chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối xứng

Nguyên lý hoạt động:

Sơ đồ cầu cho phép sử dụng nửa số van là Tiritor và nửa số van là Diode vì đó làm giảm nửa giá thành thiết bị bến đổi, sơ đồ điều khiển cũng trở nên đơng giản Khi t = α phát xung điều khiển mở van T1 Trong khoảng thời gian t = α, T1 và D2 cho phép dòng chạy qua Khi điện áp U2 bắt đầu đổi dấu thì D1 mở ngay, T1 khóa, dòng id = Id chuyển sang từ T1 sang D1 Lúc này D1, D2 cùng cho dòng chạy qua, Ud=0.

Khi t = α+π phát xung mở T2 dòng id = Id chạy qua D1 và T2 Trong sơ đồ này góc dẫn dòng của Diode và Tiritor không bằng nhau.

- Góc dẫn dòng của Diode λD = π+α

- Góc dẫn dòng của Tiritor λD = π-α

Sơ đồ cầu 1 pha không đối xứng đơn giản, dễ dàng đấu nối Do sử dụng 2 Diode thay cho 2 Tiritor nên giá thành rẻ Mạch thường được sử dụng trong các mạch công suất vừa và nhỏ

2.3.5 Chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha

Hình 2.11 Mạch chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha Điện áp trên tải: Ud = Udo.cosα = 2,43cosα (2.19

27

Hình 2.12 Dạng điện áp ra chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha

Nguyên lý hoạt động:

Mỗi thysistor được phát 2 xung điều khiển

Xung thứ nhất xác định góc mở α

Xung thứ hai đảm bảo thông mạch tải

Mạch chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 thường được sử dụng rộng rãi trong thực tế, mạch cho ra chất lượng điện áp bằng phẳng, dòng điện chạy liên tục trong quá trình làm việc Mạch chỉnh lưu này thường được áp dụng trong những mạch công suất lớn vì dòng điện chạy trong mỗi van chỉ chạy 1/3 chu kỳ.

2.3.6 Chỉnh lưu sử dụng cầu Diode

Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu sử dụng cầu Diode Nguyên lý hoạt động:

Đây là mạch chỉnh lưu cả chu kỳ thường dùng 4 Diode mắc theo hình cầu Ở chu

kỳ dương (đầu dây phía trên dương, phía dưới âm) dòng điện đi qua Diode D1, qua Rtải rồi qua Diode D4 về đầu dây âm Ở chu kỳ âm, điện áp trên cuộn thứ cấp đảo chiều (đầu dây ở trên âm, ở dưới dương) dòng điện đi qua D2, qua Rtải, qua D3 về đầu dây âm.

Điện thế đỉnh Vd ngang qua hai đầu Rt là:

) Ðiện thế đỉnh phân cực nghịch VRM ở mỗi Diode là:

VRM=Vd+VD=Vm-VD

Trong đó: VD điện áp sụt trên Diode đối với Si là 0,7 và Ge là 0,3

Vm điện áp đỉnh sin qua biến áp

Vd Điện thế đỉnh ngang qua hai đầu Rt

(2.24 )

) Dạng điện áp ra:

29

Hình 2.14 Dạng điện áp ra của chỉnh lưu sử dụng cầu Diode

Sơ đồ cầu 1 pha đơn giản, dễ dàng đấu nối, giá thành rẻ Thiết kế mạch trở lên

rễ ràng, mạch thường được sử dụng trong các mạch công suất vừa và nhỏ.

Trong các sơ đồ chỉnh lưu chúng ta thấy dùng sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối xứng, chỉnh lưu đối xứng, chỉnh lưu chỉnh lưu sử dụng cầu Diode cho chúng ta chất lượng điện áp và dòng điện áp tốt với mạch sử dụng nhiều kênh điều khiển nên việc thiết kế mạch phức tạp, mạch sử dụng nhiều Tiritor nên giá thành cao không kinh tế.

Do công suất của bộ nguồn UPS không cao thích hợp với sơ đồ chỉnh lưu chỉnh lưu sử dụng cầu Diode Sơ đồ có những yêu điểm sau:

+ Mạch đơn giản, kông cần điều khiển

+ Đưa ra dải điện áp một chiều tốt

+ Lấy điện trực tiếp từ nguồn 220V, 50Hz