ĐỒ ÁN INVERTER UPS online

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU BỘ NGHỊCH LƯU MẠCH CẦU H SỬ DỤNG CHO BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) Các thiết bị quân sự trên thế giới do đặc tính không cố định và luôn luôn di chuyển nên không thể sử dụng điện lưới như các thiết bị dân dụng khác. Một yếu tố cũng phải được nói đến là yêu cầu các thiết bị này phải gọn nhẹ có tính linh động cao nên các thiết bị này thường sử dụng tần số rất cao (400Hz). Đề tài này chúng ta sẽ nói về một phần của bộ lưu điện UPS online (sẽ được nói rõ ở phần tiếp theo). Thiết bị mà hoàn toàn có thể đáp ứng các yêu cầu trên của các thiết bị quân sự. 1.1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) UPS (Uninterruptible Power Supply) là một thiết bị có thể cung cấp tạm thời điện năng nhằm duy trì sự hoạt động của thiết bị sử dụng điện lưới gặp sự cố (mất điện, sụt giảm điện áp quá thấp, sự cố khác…) trong một khoảng thời gian với công suất giới hạn theo khả năng của nó [2]. UPS có 2 dòng chính là UPS offline và UPS online: UPS offline: Khi nguồn điện lưới còn đáp ứng được, nó sẽ được đưa thẳng tới thiết bị sử dụng. Trường hợp có sự cố về nguồn điện lưới, bộ chuyển mạch sẽ chuyển sang chế độ dùng acquy, dòng điện một chiều từ acquy sẽ được biến đổi thành dòng xoay chiều phù hợp cho thiết bị sử dụng [2]. Ưu điểm: Giá thành rẻ, đơn giản, thích hợp cho các thiết bị công suất nhỏ độ nhạy cảm về điện không cao. Nhược điểm: Công suất nhỏ, không có chức năng ổn áp khi điện điện áp lưới thay đổi, có thời gian chuyển mạch giữa các chế độ là từ 2-10ms nên không thích hợp với các thiết bị nhạy cảm về điện [2]. Ngoài ra, còn có dòng UPS offline công nghệ Line interactive. Dòng này tiên tiến hơn UPS offline thông thường nhờ có chức năng ổn áp và có thể được giám sát bằng máy tính. UPS online: Là dòng cao cấp: Thường có công suất từ 1KVA trở lên. Không có thời gian chuyển mạch (=0) giữa các chế độ, sóng ra luôn luôn là hình Sine (sine wave) chuẩn (kể cả chế độ backup) và mức điện áp là 220V. Thường có kết nối máy tính, có chống sét lan truyền, thường dùng cho thiết bị cao cấp hơn như Server, máy xét nghiệm, ATM, hệ thống điều khiển, Nếu cần thời gian lưu điện dài thì có thể dùng loại acquy ngoài (dòng Offline không có khả năng này). Hệ số công suất thường là 0.7, có cổng kết nối máy tính, quản lý bằng phần mềm Và giá cũng đắt hơn [2]. Mục tiêu của luận văn này là mạch nạp cầu H dùng cho UPS online nên phần tiếp theo chỉ trình bày sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của UPS online. Các loại UPS khác nếu các bạn quan tâm có thể tự tìm hiểu. Giới thiệu sơ lược về UPS online Như đã nói ở trên, dòng UPS online không có thời gian chuyển mạch khi nối lưới và có thể kết nối với acquy ngoài nên được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị quân sự, những thiết bị cần thời gian sử dụng lâu, không có thời gian trể. Dưới đây là nguyên lý làm việc đơn giản của UPS online. Lưu ý: Những ký hiệu trong sơ đồ có thể không quen thuộc đối với các bạn. Hình 1.1 Sơ đồ đơn giản của UPS online (nguồn www.webdien.com) Ở đây, chúng ta thấy rằng việc cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ là hoàn toàn liên tục khi có sự cố về lưới điện. Hãy phân tích sơ dồ dưới góc độ người sử dụng như sau: Nguồn điện lưới lúc này không cung cấp trực tiếp cho các thiết bị mà chúng được biến đổi thành điện một chiều tương ứng với điện áp của acquy. Sơ đồ trên ta thấy được rằng điện từ lưới thông qua bộ sạc (chargeur trên sơ đồ) biến đổi điện xoay chiều (AC) thành điện một chiều (DC) nạp vào acquy (batterie) rồi qua bộ nghịch lưu (onduluer) chuyển ngược lại thành điện xoay chiều phù hợp với điện áp của thiết bị sử dụng. Như vậy, có thể thấy rằng trong bất kỳ sự cố nào về lưới điện thì UPS online cũng có thể cung cấp điện cho thiết bị sử dụng mà không có thời gian trễ nào. Điều này làm cho các thiết bị an toàn và ổn định. UPS online luôn ổn định điện áp đầu ra. Vì vậy không cần phải có một bộ ổn áp để bảo vệ tránh hiện tượng quá điện áp cho thiết bị. • Tần số ra trong bộ UPS online Trong khi các UPS thường có tần số 50Hz thì trong luận văn này tần số ngõ ra của UPS là 400Hz. Sau đây là những ưu khuyết điểm của các thiết bị sử dụng tần số 400Hz so với tần số 50Hz thông thường. Ưu điểm: Các thiết bị sử dụng tần số 400Hz thường là những thiết bị quân sự (xe tăng, máy bay, tàu thủy…) đòi hỏi rất cao về trọng lượng và độ linh hoạt trong các trận chiến. Yêu cầu này có thể thực hiện dể dàng ở tần số 400Hz. Khi ở tần số cao các thiết bị như cuộn cảm, tụ điện, máy biến áp … có thể được giảm nhỏ đi 8 lần so với ở tần số 50Hz thông thường. Vì vậy, các thiết bị sử dụng ở tần số 400Hz sẽ gọn, nhẹ và an toàn hơn đáp ứng tốt cho các thiết bị quân sự. Nhược điểm: Khi hoạt động ở tần số cao sẽ làm tăng các hiệu ứng (hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng gần…) làm tăng điện trở của dây dẫn, gây sụt áp lớn khi truyền dẫn làm giảm hiệu suất sử dụng. [4] Phần tiếp theo chúng ta sẽ bàn về mạch nghịch lưu và nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu từ acquy dùng cầu H. 1.2 GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều dể cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. Tùy theo từng loại mà chúng ta có bộ nghịch lưu áp hay bộ nghịch lưu dòng. Trong đề tài này, chúng ta giới hạn ở bộ nghịch lưu áp. Bộ nghịch lưu áp: Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Có ba loại nghịch lưu áp dành cho từng loại tải tiêu thụ khác nhau. a. Nghịch lưu áp 1 pha Bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha dạng cầu (còn gọi là bộ nghịch lưu dạng chữ H) chứa 4 công tắc và 4 diod mắc đối song. (hình 1.2). Trong dạng này, trị trung bình áp tải phụ thuộc vào thời gian đóng, ngắt các khóa trong mạch. Nhưng phải luôn lưu ý rằng các cặp khóa S1, S3 và S2, S4 không được đóng đồng thời, nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn gây nguy hiểm cho người và thiết bị. Hình 1.2 Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu [6] Ngoài ra, còn có bộ nghịch lưu 1 pha dạng nửa cầu có hoặc không có dùng máy biến áp cách ly phía tải. Ở dạng này, điện áp tải lớn nhất chỉ bằng ½ điện áp nguồn một chiều. Nhưng dạng này tiết kiệm được 2 khóa trong khi phải dùng 4 khóa như dạng cầu. Hình 1.3 Sơ đồ bộ nghịch lưu áp 1 pha nửa cầu không có biến áp (a) và có biến áp (b) [6] b. Nghịch lưu áp 3 pha Bộ nghịch lưu áp 3 pha cấp cho tải 3 pha như động cơ không đồng bộ …Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu áp ba pha trên thực tế chỉ gặp ở dạng mạch cầu. Mạch chứa 6 công tắc S 1 , S 2 , …S 6 và 6 diod đối song D 1 , D 2 , …,D 6 . Tải 3 pha có thể mắc ở dạng hình sao hay tam giác. Hình 1.4 Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu áp 3 pha [6] c. Nghịch lưu áp đa bậc Bộ nghịch lưu áp đa bậc thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn. Phương pháp điều khiển khá phức tạp nên không được nói đến trong đề tài này. 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP: Có nhiều loại điều khiển bộ nghịch lưu áp. Có thể kể đến như phương pháp điều khiển theo biên độ, phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế theo mẫu, phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM), phương pháp điều rộng, phương pháp điều chế vector không gian, …Các phương pháp trên nhằm mục tiêu duy nhất là cho điện áp đầu ra có dạng càng gần sin càng tốt. Thông thường dạng sóng tạo ra có 2 loại: tạo ra sóng sin mô phỏng và true sin (thuần sin). Một sóng sin mô phỏng có dạng sóng gần với sóng vuông nhưng có giai đoạn chuyển đổi nên gần với sóng hình sin. Hình dạng của các dạng sóng được vẽ trong Hình 1.5 dưới đây. Sóng sin mô phỏng có thể được tạo dể dàng bằng cách chuyển đổi bởi 3 mức tần số xác định. Do đó, giá thành rẻ. Tuy nhiên không phải thiết bị nào cũng có thể sử dụng loại nghịch lưu này. Hình 1.5 Các dạng sóng: sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin (SINE WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE) [5] Để tạo ra dạng sóng true sin thì cũng có nhiều phương pháp. Tuy nhiên, trong đề tài này ta chọn phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM) vì các ưu điểm của nó như:  Tín hiệu ra gần đúng với tín hiệu sin chuẩn (true sin)  Lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều  Có thể kết hợp với vi điều khiển để đơn giản quá trình điều khiển  Giá thành không quá đắt  Giải thuật tính toán cũng không quá phức tạp Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM) Trong các bộ biến đổi nguồn và động cơ PWM được sử dụng một cách rộng rãi. Sự thay đổi của độ rộng xung trong tín hiệu PWM được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và biến đổi nguồn. Tín hiệu PWM có thể được tạo ra khi sử dụng các bộ vi điều khiển hoặc các bộ tạo tín hiệu chuyên dụng. Tín hiệu PWM tương tự sử dụng bộ so sánh hai tín hiệu vào, gồm tín hiệu chuẩn và tín hiệu sóng mang để tạo ra tín hiệu dựa trên sự sai khác. Tín hiệu chuẩn phải có dạng sin tần số cùng với tần số yêu cầu ở đầu ra, trong khi tín hiệu sóng mang ở dạng sóng răng cưa hay tam giác và thường có tần số lớn hơn tần số chuẩn. Khi tín hiệu sóng mang lớn hơn tín hiệu chuẩn, đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ nhất (mức thấp) còn ngược lại đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ hai (mức cao). Quy trình này được mô tả trong hình 1.6. Trong đó, tín hiệu sóng mang (xung tam giác) có màu đỏ, tín hiệu sin chuẩn có màu đen. Sau khi qua bộ so sánh xuất ra tín hiệu ở bên dưới để đóng ngắt các khóa trong bộ nghịch lưu (ở đây là các khóa trong mạch cầu H sẽ được nói ở phần tiếp theo). Hình 1.6 Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM [7] Cần phải nói thêm rằng, trong thực tế ngày nay người ta thường dùng vi điều khiển để tạo tín hiệu PWM thay cho cách trước đây là tạo ra sóng mang và sóng chuẩn rồi đem so sánh với nhau. Sử dụng vi điều khiển có nhiều ưu điểm: Độ ổn định cao, do mạch dao động của vi điều khiển sử dụng thạch anh. Tần số tín hiệu PWM cao: có thể đạt tới vài MHz Khả nănng điều khiển chính xác, sai số đầu ra có thể đạt đến 1% Có thể cùng một lúc tạo nhiều tín hiệu PWM Ngoài ra, ta còn có thể sử dụng các cổng còn lại của vi điều khiển để thực hiện các chức năng khác như giám sát, điều khiển, hiển thị… Để khuếch đại tín hiệu PWM để tránh nhiễu cho các khóa người ta thường sử dụng transistor hoặc các linh kiện chuyển mạch khác (ở đây ta dùng IC ULN2804). Các cấu hình cầu hoặc bán cầu đã được nói ở trên thường được sử dụng trong trường. Các cấu hình cầu sử dụng 4 linh kiện chuyển mạch và thường được gọi là cầu H (H Brigde) do hình dạng của nó. 1.3MẠCH CẦU H Mạch cầu H là một mạch chuyển mạch tạo bởi 4 linh kiện sắp xếp theo hình chữ H. Bằng cách điều khiển các công tắc trong mạch ta có thể tạo điện áp dương, âm và 0V trên tải. Mạch cầu H cơ sở được thể hiện qua hình 1.7 Hình 1.7 Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc [8] Quan hệ giữa tình trạng hoạt động của các linh kiện trong mạch và điện áp trên tải được mô tả trong bảng 1. Lưu ý là các trường hợp khác đã được loại trừ ví dụ ngắn mạch. Q1 Q2 Q3 Q4 Áp trên tải Dẫn Tắt Tắt Dẫn Dương Tắt Dẫn Dẫn Tắt Âm Dẫn Dẫn Tắt Tắt 0V Tắt Tắt Dẫn Dẫn 0V Bảng 1.1 Sơ đồ trạng thái đóng ngắt các khóa trên mạch cầu H 1.2.4 CÁC BỘ LỌC TẦN SỐ Các bộ lọc có nhiều dạng với ưu-nhược điểm khác nhau. Ví dụ các bộ lọc số có cấu hình đơn giản và có thể được thiết lập bất kỳ tần số nào. Nếu yêu cầu chỉ là lọc thông thấp/cao/băng với tần số xác định, các bộ lọc tích cực dạng này có thông số kỹ thuật rất cao và có suy hao không đáng kể. Các bộ lọc này thường được cấu tạo dựa trên các khuếch đại thuật toán (Op-amp) hay các linh kiện lô-gic. Tuy nhiên, các bộ lọc này có giá thành cao, và không có khả năng lọc tín hiệu điện áp cao. Để thực hiện lọc điện áp cao trong các bộ nghịch lưu, người ta thường sử dụng các bộ lọc thụ động. Các bộ lọc này có giá thành thấp và dễ triển khai trong thực tế. 1.2.5 TÓM GỌN SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH Sau đây là sơ đồ khối của bộ nghịch lưu dùng cầu H cho UPS online Hình 1.8 Sơ đồ khối mạch nghịch lưu acquy dùng cầu H GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACQUY 1. Giới thiệu chung về acquy Acquy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch. Nó tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Dòng MẠCH LÁI MOSFET VI ĐIỀU KHIỂN MÁY BIẾN ÁP MẠCH ĐO DÒNG VÀ ÁP KHUẾCH ĐẠI ACQUY 24V BỘ LỌC TẦN SỐ THẤP MẠCH CẦU H SỬ DỤNG MOSFET TẢI TẠO XUNG PWM PHÓNG ĐIỆN KÍCH MOSFET ĐIỆN AC TÍN HIỆU HỒI TIẾP ÁP ACQU Y DÒNG QUA ACQUY ÁP TẢI điện trong bình acquy tạo ra do phản ứng điện phân giữa vật liệu trên bản cực và dung dịch H 2 SO 4. Hiện nay chúng ta có nhiều loại acquy, nhưng có 2 loại cơ bản là acquy axit và acquy kiềm. Bình acquy được làm từ nhiều tế bào acquy (cell), ta gọi đó là những acquy đơn, được đặt trong 1 vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng. Mỗi acquy đơn có điện thế khoảng 2V. Acquy 12V có 6 acquy đơn mắc nối tiếp. Muốn có điện thế cao hơn ta mắc nối tiếp nhiều acquy lại với nhau. Trên nắp mỗi acquy đơn có đặt nắp thông hơi, với mục đích: • Để đậy kín acquy, khi cần thêm nước thì mở ra thêm nước vào. • Khi nạp thì người ta mở nắp này để chất khí hình thành có khí thoát ra. Dung dịch điện phân là H 2 SO 4 , nồng độ dung dịch có ảnh hưởng lớn đến sức điện động của acquy, thể hiện trong sơ đồ sau: + - Hình 2.1. Cấu tạo acquy [...]... so sánh (Compare Mode)  1 Timer/Counter 16 bit với bộ Prescaler độc lập, chế độ so sánh và chế độ Capture  Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động riêng biệt  4 kênh điều chỉnh độ rộng xung PWM  Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự - số ADC 8 kênh độ phân giải 10 bit  Giao tiếp nối tiếp 2 dây  Giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ USART lập trình được 3.2 Mô tả chân và các tính năng của Hình 3 - Sơ đồ chân... của acquy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của acquy cho phụ tải, được tính theo công thức: CP = IP.tP Trong đó: CP: dung lượng thu được trong quá trình phóng điện (Ah) IP: dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tP Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng phóng và dòng điện sinh ra được: 3.3 Dung lượng nạp Dung lượng nạp của acquy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ... được đặt tên là từ R0 đến R31 Chúng có đặc điểm : • Được truy cập trực tiếp trong các instruction • Các toán tử, phép toán thực hiện trên các thanh ghi này chỉ cần một xung Clock • Tệp thanh ghi được kết nối trực tiếp với bộ xử lý trung tâm, CPU chip • Chúng là nguồn chứa các số hạng trong các phép toán và cũng là đích chứa kết quả  Các thanh ghi vào ra (thanh ghi I/O hay còn gọi là vùng nhớ I/O) là... phóng của acquy Đặc tính phóng của acquy là đồ thì biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không đổi Trong khoảng thời gian phóng từ t p = 0 đến tp = tgh, sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần Tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thì không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng... nắp, áp suất chân không trong bình 21 ± 1.33 Kpa (160 ± 10 mmHg) − Khi đặt nghiêng bình acquy một góc 450 so với vị trí làm việc, điện dịch không được chảy ra ngoài − Nhựa gắn kín nắp bình acquy phải đồng nhất, chịu được axit, không thấm nước và chịu được sự thay đổi nhiệt độ từ (-30) ÷ 600C − Khả năng khởi động ban đầu: (chỉ áp dụng cho acquy tích điện khô)Trong vòng 60 ngày kể từ ngày sản xuất, acquy... sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần Tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thì không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định Từ thời điểm tgh trở đi độ dốc các đồ thị thay đổi đột ngột Nếu tiếp tục cho acquy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của acquy sẽ giảm rất nhanh; mặt khác, các tinh thể PbSO4 tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô, rắn rất... chúng sẽ là nguồn dòng nếu các điện trở nối lên nguồn dương được kích hoạt Các chân của Port A ở vào trạng thái có điện trở cao khi tín hiệu Reset ở chế độ tích cực hoặc ngay cả khi không có tín hiệu xung đồng hồ Port A cung cấp các đường địa chỉ/dữ liệu vào/ra hoạt động theo kiểu đa hợp kênh khi dùng bộ nhớ SRAM ở bên ngoài  PortB,D : tương tự như PortA  PortC (PC7…PC0): tương tự như PortA Nhưng nếu... AREF : Là chân chuyển đổi tín hiệu analog cho bộ chuyển đổi A/D  AVCC : Là chân nguồn cho Port A và cho bộ chuyển đổi A/D Nó có thể tự kết nối với nguồn chính ngay cả khi ADC không được sử dụng 3.3 Sơ đồ khối Atmega16 có tập lệnh phong phú về số lượng với 32 thanh ghi làm việc đa năng Toàn bộ 32 thanh ghi đều được nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép truy cập 2 thanh ghi độc lập bằng... trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: Trình dịch Assembly như AVR studio của Atmel, Trình dịch C như win AVR, CodeVisionAVR C, ICCAVR C - CMPPILER của GNU… Trình dịch C đã được nhiều người dụng và đánh giá tương đối mạnh, dễ tiếp cận đối với những người bắt đầu tìm hiểu AVR, đó là trình dịch CodeVisionAVR C Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng và có nhiều hàm có sẵn nên việc lập trình tốt hơn 3.4 Cấu... các giá trị sức điện động, điện áp acquy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của acquy sau khi phóng 3.5 Đặc tính nạp Đặc tính nạp của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dùng điện nạp không đổi Trong khoảng thời gian nạp từ t = 0 đến t = ts,