Thiết kế bộ chỉnh lưu cho bộ nguồn UPS

dung lượng của ắc qui: _Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp nănglượng điện của ắc qui cho phụ tải, và được tính theo công thức : Cp = Ip.tp trong đó : Cp

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề

b ài:

Thiết kế phần điện áp 1 chiều cho bộ UPS:

- Điện áp nguồn: 220 VAC+10%,-10%

- Công suất: 4 KVA

- Điện áp ra: 110 V

- Tần số vào: 60Hz

C

H Ư Ơ NG 1 CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KĨ THUẬT I.G

I Ớ I THIÊU UPS

hình I.1

1.1.Cung c ấ p đ iện cho nh ữ ng tả i nh ạ y c ả m

Sự cố trong các nguồn năng lượng điện có thể xẩy ra trong quá trình lắp đặt trangthiết bị hoặc ở đầu vào hệ thống (quá tải, nhiễu, mất cân bằng pha, sấm sét, …) Những sự

cố này có thể gây ra những hậu quả khác nhau

Về mặt lý thuyết: Hệ thống phân phối năng lượng điện tạo ra một điện áp hình sinvới biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (400V-50Hz chẳng hạn)

1

Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnh hưởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệ thống.

Đối với hệ thống cung cấp điện: Có thể bị sự cố hoặc gián đoạn cung cấp điện vì:

ƒ Hiện tượng nhiễm điện ở bầu khí quyển (thường không tránh khỏi) Điều này

có thể ảnh hưởng đến đường dây ngoài trời hoặc cáp chôn, chẳng hạn:

- Sấm sét làm điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện

- Sương giá có thể làm cho đường dây bị đứt

ƒ Những hiện tượng ngẫu nhiên, chẳng hạn:

- Cành cây rơi gây gắn mạch hoặc đứt dây

- Đứt cáp do đào đất

- Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấpNhững thiết bị dùng điện có thể ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp

ƒ Lăp đặt công nghiệp, chẳng hạn:

- Động cơ gây ra điện áp rơi và nhiễm RF trong quá trình khởi động

- Những thiết bị gây ô nhiễm: lò luyện kim, máy hàn, … gây ra điện áp rơi và nhiễm RF

ƒ Những hệ thống điện tử công suất cao

ƒ Thang máy, đèn huỳnh quang

Những sự cố ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có thể phânthành các loại sau:

Sự cố có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là làm gián đoạn việccung cấp điện, nhất là hệ thống dữ liệu của máy tính.

1.2.G iả i pháp dùng UPS

Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và hậu quả của nó về phương diện:

ƒ An toàn cho con người

ƒ An toàn cho thiết bị, nhà xưởng

ƒ Mục tiêu vận hành kinh tế

Từ đó phải tìm cách loại chúng ra Có nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau cho vấn

đề này, những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của hai tiêu chuẩn sau để đánh giá:

ƒ Liên tục cung cấp điện

ƒ Chất lượng cung cấp điện

Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải nhạy cảm.UPS cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục, chất lượng cao, không phụ thuộc mọitình trạng của hệ thống cung cấp

UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy

ƒ Không bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệt khi hệthống cung cấp ngừng hoạt động

ƒ Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từ nhạy cảm(chẳng hạn: GALAXY-sai số cho phép của biên độ ± 0,5 %, tần số± 1%)UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua các khâu trunggian: Acquy và chuyển mạch tĩnh

1.3 Ứng dụ ng c ủ a UPS trong t h ực tế

Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông, ngân hàng,ytế,hàng không là rất lớn Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số lượng máy tínhđang được sử dụng Có thể lấy một vài ví dụ về các thiết bị sử dụng UPS, đó là nhữngmáy tính, việc truyền dữ liệu và toàn bộ thiết bị ở một trạng thái nào đó là rất quan trọng

và không cho phép được mất điện UPS được sử dụng trong ngành hàng không để đảmbảo sự thắp sáng liên tục của đường băng sân bay

3

Ứng dụng chính Thiết bị được bảo vệ

1.Hệ thống máy tính nói chung

-Máy tính,mạng máy tính-Máy in,hệ thống vẽ đồ thị,bàn phímvàcác thiết bị đầu cuối

2.Hệ thống máy tính công nghiệp số,điều khiển giám sát,máy tự động.-Bộ điều khiển lập trình,hệ thống điều

3.Viễn thông -Tổng đài điện thoại ,hệ thống truyềndữ liệu,hệ thống rađa.

4.Ytế,công nghiệp

Dụng cụ y tế,thang máy,thiết bị điềukhiển chính xác,thiết bị đo nhiệt độ,bơmplastic

5.Chiếu sáng -Đường hầm ,đường băng sân bay,nhà công cộng

6.Các ứng dụng khác -Máy quét hình,cung cấp năng lượngcho máy bay

Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phòng nó có mặt ở mọi chỗ mọi nơi, những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục

1.4 Phân l oạ i UPS

1.4.1 Phân loại UPS dựa theo bộ chuyển đổi

Hình I.2

a.UPS tĩnh:Sử dụng bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện cung cấp năng lượng.

-Giới hạn dòng trong vận hành cho phép Icp=2.33Iđm

-Cách li về điện

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

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

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

1.4.2.Phân biệt theo chế độ làm việc

a.UPS gián tiếp(offline UPS)

HìnhI.4-Nghịch lưu nối song song với hệ thống cung cấp là nguồn dự trữ phòng tình trạngkhẩn cấp

-Trong quá trình vận hành,nguồn lưới được cung cấp trực tiếp đến tải qua bộ lọc F

mà không qua nghịch lưu

5

-Nếu sự cố hệ thống cung cấp điện hoặc U hệ thống cung cấp điện không nằm trongsai số cho phép thì tải chuyển từ hệ thống cung cấp điện qua nghịch lưu trong thời gian ngắn <10 ms.Khi điện áp hệ thống cung cấp được phục hồi,tải sẽ tự động chuyển về hệ thống cung cấp

-Dùng với tải P <2 KVA

-Thời gian chuyển mạch phù hợp với tải nhạy cảm

-Tuy nhiên offline UPS không đáp ứng với phụ tải như máy tính ,tổng đài điệnthoại,không điều chỉnh được tần số

b,OnlineUPS

HìnhI.5-Được chèn vào giữa hệ thống cung cấp và tải.Toàn bộ điện năng cung cấp cho tải đều phải qua nghịch lưu do vậy việc cung cấp điện được liên tục trong phạm vi sai số chophép của f,U

-Không phụ thuộc vào trạng thái cua hệ thống cung cấp điện

-Áp dụng cho tải có công suất trung bình P ≥ 40 KVA

1.5.S ơ đồ nguyên lí chung củ a UPS

NL:Chuyển đổi DC AC với sai số cho phép chặt chẽ ,chắc chắn hơn hệthống chính.

ĐK: Bao gồm cả hệ thống phản hồi ,điều khiển hoạt động của CL ,NLvà quá trìnhphóng nạp AQ ,ổn định cung cấp điện theo yêu cầu

Trong phạm vi đồ án này chúng ta nghiên cứu phần CL cung cấp nguồn DC choNL,

AQ đồng thời với hệ thống điều khiển quá trình phóng nạp AQ

II)ACQUI

2.1.Khái n i ệm acqui

Ắc qui là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hoá

Ắc qui là một nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong côngnghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày: như động cơ điện, bóng đèn điện, là nguồn nuôi của các linh kiện điện tử Ắc qui là nguồn cung cấp điện cho các động cơ khởi động

Trong thực tế có nhiều loại ắc qui nhưng phổ biến nhất là hai loại ắc qui chì và ắcqui axit

2.2 C ấ u tao và đặ c đ iểm c ủ a các l oạ i ắ c qui:

Cấu trúc của một ắc qui đơn giản gồm có phân khối bản cực dương, phân khối bảncực âm, các tấm ngăn Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau.Cấu tạo của một bản cực trong ắc qui gồm có phần khung xương và chất tác

2

3

dụng trát lên nó 1 V Êu b¶n cùc2 C hÊt t¸c dông

3 C èt b¶n cùc

Khung xương của bản cực âm và bản cực dương có cấu tạo giống nhau, chúng được đúc

từ chì và chúng được đúc từ chì và có pha thêm 5  8 % ăngtimoan ( Sb ) và tạo hình mắtlưới Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính đúc Trong thành

7

phần chất tác dụng còn có thêm khoảng 3 % chất nở ( các muối hưu cơ ) để tăng độ xốp,

độ bền của lớp chất tác dụng Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện được độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng được tăng thêm Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc qui đơn được hàn với nhau tạo thành khối bản cực dương,các bản cực âm được hàn với nhau thành khối bản cực âm Số lượng các bản cực trongmỗi ắc qui thường từ 5 đến 8, bề dầy tấm bản cực dương của ắc qui thường từ 1,3 đến 1,5

mm , bản cực âm thường mỏng hơn 0,2 đến 0,3 mm Số bản cực âm trong ắc qui thườngnhiều hơn số bản cực âm một bản nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng củacác bản cực Tấm ngăn được bố trí giữa các bản cực âm và dương có tác dụng ngăn cách

và tránh va đập giữa các bản cực Tấm ngăn được làm bằng vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy0,8 đến 1,2 mm và có dạng lượn sóng , trên bề mặt tấm ngăn có các lỗ cho phéo dung dịchđiện phân thông qua

2.3 Quá trình biến đổ i n ă ng l ượng trong ắ c qui

Ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch : nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện, quá trình ắc qui dự trữ năng lượng đượcgọi là quá trình nạp điện

3.1 Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui axit:

Trong ắc qui axit có các bản cực dương là đôixit chì ( PbO2 ), các bản âm là chì( Pb ), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H2SO4 ) nồng độ d = 1,1  1,3 %

(- ) Pb  H2SO4 d = 1,1  1,3  PbO2 ( + )

Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit :

phóngPbO2 + 2H2SO4 + Pb 2PbSO4 + 2H2O

nạpThế điện động e = 2,1 V

3.2 Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui kiềm:

Trong ắc qui kiềm có bản cực dương là Ni(OH)3 , bản cực âm là Fe, dung dịchđiện phân là: KOH nồng độ d = 20 %

hậ n xét: Từ những điễu đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong các quá trình phóng

nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi Khi ắc qui phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần Khi ắc qui nạp điện nồng độ dung dịch điện phân tăng dần Do đó ta

có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc qui

2.4 Các thông s ố c ơ bả n c ủ a ắ c qui:

a Sức điện động của ắc qui:

Sức điện động của ắc qui kiềm và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịchđiện phân Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm

Eo = 0,85 + 〉 ( V )

trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V )

〉 - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm3 )

¾Trong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của ắc qui được tính theo côngthức:

Ep = Up + Ip.rb

trong đó : Ep - sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V )

Ip - dòng điện phóng ( A )

Up - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V)

rb - điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( ∧ )

¾Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui được tính theo công thức:

En = Un - In.rb

trong đó : En - sức điện động của ắc qui khi nạp điện ( V )

In - dòng điện nạp ( A )

Un - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi nạp điện ( V )

rb - điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( ∧ )

b dung lượng của ắc qui:

_Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp nănglượng điện của ắc qui cho phụ tải, và được tính theo công thức :

Cp = Ip.tp

trong đó : Cp - dung dịch thu được trong quá trình phóng ( Ah )

Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp ( A )

tp - thời gian phóng điện ( h )

_Dung lượng nạp của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượngcủa ắc qui và được tính theo công thức :

Cn = In.tn

trong đó : Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( Ah )

In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A )

9

tn - thời gian nạp điện ( h ).

Từ đặc tính phóng của ắc qui như trên hình vẽ ta có nhận xét sau:

¾Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến tp = tgh, sức điện độngđiện áp, nồng độdung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thịkhông lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc qui ( dòng điện phóng )

¾Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột Nếu ta

tiếp tục cho ắc qui phóng điện sau tgh thì sức điện động ,điện áp của ắc qui sẽ giảm rất nhanh Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ắc qui saunày Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc qui, các giá trị Ep, Up, 〉

tại tgh được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắc qui ắc qui không được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%

¾Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào, các giá trị sức điện động,điện áp của ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồiphục hay khoảng nghỉ của ắc qui Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phóngđiện của ắc qui (dòng điện phóng và thời gian phóng )

b Đ ặ c tính nạ p acqui

Đặc tính nạp của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức điện động , điện

áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay

I (A) U,E (V)

2,7 2,4

2 1,95

là thời gian nạp no, nó có tác dụng cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi tuần hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc qui

¾Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2  3 h trong suốt thời gian đóhiệu điện thế trên các bản cực của ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi Như vậy dung lượng thu được khi ắc qui phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết

để nạp no ắc qui

¾Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc qui, nồng độ dung dịch điệnphân giảm xuống và ổn định Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc qui sau khinạp

11

¾Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc qui Dòngđiện nạp định mức đối với ắc qui là In = 0,1C10 .

Trong đó C10 là dung lượng của ắc qui mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là In

= 0,1C10 thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy

Ví dụ với ắc qui C = 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10% dunglượng ( tức In = 18 A ) thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy

2.6 S ự k h ác nhau g i ữa ắ c qui k i ề m và ắ c qui axit:

Cả hai loại ắc qui này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộc loại dungkháng và sức phản điện động Nhưng chúng còn có một số đặc điểm khác biệt sau :

- Khả năng quá tải không cao, dòng

nạp lớn nhất đạt được khi quá tải là

Inmax = 20%C10

_Hiện tượng phòng lớn, do đó ắc

qui nhanh hết điện ngay cả khi

không sử dụng

_Sử dụng rộng rãi trong đời sống,

công nghiệp đặc biệt ở những nơi có

nhiệt độ cao va đập lớn nhưng công

suất và quá tải vừa phải

_Dùng trong ôtô, xe máy và các

động cơ máy nổ công suất vừa và

nhỏ

_Giá thành thấp

_Khả năng quá tải rất lớn dòng điện nạp lớn nhất khi đó có thể đạttới: Inmax = 50%C10

_Hiện tượng tự phóng nhỏ

_Sử dụng ở những nơi có yêu cầu công suất lớn quá tải thường xuyên,được sử dụng với các thiết bị công suất lớn

_Dùng phổ biến trong công nghiệphàng không, hàng hải và những nơinhiệt độ môi trường thấp

a Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi.

Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại

ắc qui, bảo đảm cho ắc qui được no Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sử chữa cho các ắc qui bị Sunfat hoá.Với phương pháp này ắc qui được mắc nối tiếp nhau và phải thoả mãn điều kiện :

Un ≥ 2,7.Naq

Trong đó: Un - điện áp nạp

Naq - số ngăn ắc qui đơn mắc trong mạch

Trong quá trình nạp sức điện động của ắc qui tăng dần lên, để duy trì dòng điệnnạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R Trị số giới hạn của biến trở đượcxác định theo công thức :

n

Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc qui đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức Để khắc phục nhượcđiểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổihai hay nhiều nấc Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng (0,3  0,6 )C10 tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi Dòngđiện nạp ở nấc thứ hai là 0,1C10

b Phương pháp nạp với điện áp không đổi.

Phương pháp này yêu cầu các ắc qui được mắc song song với nguồn nạp Hiệuđiện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3V  2,5V) cho mỗi ngăn đơn.Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảmtheo thời gian.Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc qui không được nạp no Vì vậy nạpvới điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc qui trong quá trình sử dụng

c Phương pháp nạp dòng áp.

Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên Nó tận dụng được

những ưu điểm của mỗi phương pháp

Đối với yêu cầu của đề bài là nạp ắc qui tự động tức là trong quá trình nạp mọiquá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì tachọn phương án nạp ắc qui là phương pháp dòng áp

¾Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trongkhoản thời gian tn = 8h tương ứng với 7580 % dung lượng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1 Vì theo đặc tính nạp của ắc qui trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều vềtải cho thiết bị nạp Sau thời gian 8 h ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế

độ ổn áp Khi thời gian nạp được 10 h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2 đến 3h

¾Đối với ắc qui kiềm : Trình tự nạp cũng giống như ắc qui axit nhưng do khảnăng quá tải của ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,2C10hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5C10

Các quá trình nạp ắc qui tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn

áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc qui, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không

2.8.Tính toán và l ự a c họ n acqui

Căn cứ vào đầu ra của bộ nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện, ta có thể chọn đượcđiện áp đầu vào đặt lên ắcquy.Giả sử ta chọn bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

13

Khi đó điện áp ra dạng xung chữ nhật ,nếu phân tích ra các thành phần của chuỗiFourier sẽ gồm các thành phần sóng hài với biên độ bằng:

Ắcquy được chọn là loại ắc quy 12V Như vậy ta cần mắc 60/12=5 ắc quy mắc nốitiếp nhau

*Tính toán dung lượng của ắc quy.

Với yêu cầu về công suất của UPS là 4 KVA, Ur = 110(V ) ta cần sử dụng máy biến

áp Nếu coi hiệu suất của máy biến áp là 95% thì hiệu suất phía sơ cấp của máy biến ápnghịch lưu là:

Do trong bộ ắc quy có nội trở trong do đó điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu đượctính như sau:

Trong đó:

Ucl=Ud+Ut

Ucl: điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu

Ud: điện áp đặt trên hai đầu ắc quy Ud=60(VDC)

Ut: điện áp tổn hao do nội trở của ắc quy

Với loại ăcquy 12V ta tra được nội trở trong của ăcquy là r=0,0015 ∧ Vậy nội trởtrong của bộ ăcquy là R=0,0015*6*5=0,045( ∧ )(Mỗi acqui có 6 ngăn)

Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là:

Ucl=60 + 56,13*0,045 = 62,53(VDC)

K

ết l uận:

-Vì ắc qui là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi

ắc qui đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc qui sẽ tự động dângnên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc qui dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng Vì vậy trongvùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho ắc qui

¾Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn địnhdòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nước Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyểnchế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc qui đã thực sự

no Khi điện áp trên các bản cực của ắc qui bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tựđộng giảm về không, kết thúc quá trình nạp

¾Tuỳ theo loại ắc qui mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau

+ ắc qui axit : dòng nạp In = 0,1C10 ; nạp cưỡng bức với dòng

điện nạp In = 0,2C10 .+ ắc qui kiềm : dòng nạp In = 0,2C10; nạp cưỡng bức với

dòng điện nạp In = 0,5C10

¾ Qua phân tích về yêu cầu kỹ thuật của bộ lưu điện ở trên, em chọn phương ánthiết kế bộ chỉnh lưu cho bộ lưu điện loại Offline UPS vì nó khá đơn giản về thiết kế vàđáp ứng được những đòi hỏi cơ bản của 1 nguồn điện dự phòng

- Chọn loại ắcquy 12V ( 5 ắcquy mắc nối tiếp nhau )

- Trong đó

+ Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là: 62,53 V

+ Dòng điện cần thiết để nạp cho ắcquy là: 56,13 ( A )

15

CHƯƠNG 2 LƯẠ CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH CHỈNH LƯU

Do yêu cầu của bài là điện áp một pha nên ta sẽ chọn lựa mạch lực dựa trên một số mạch chỉnh lưu một pha cơ bản :

1 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ.

ở sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ hình 8.1 sóng điện áp ra một chiều sẽ bị gián đoạntrong một nửa chu kỳ khi điện áp anod của van bán dẫn âm, do vậy khi sử dụng sơ đồchỉnh lưu một nửa chu kỳ, chúng ta có chất lượng điện áp xấu, trị số điện áp tải trung bìnhlớn nhất được tính:

2 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính.

T1

U2 R

L U1

U2 T2

Hình 2 Sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính

Theo hình dạng sơ đồ, thì biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giốnghệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng điện chạy qua Cho nên ở cả hai nửachu kỳ sóng điện áp tải trùng với điện áp cuộn dây có van dẫn Trong sơ đồ này điện áptải đập mạch trong cả hai nửa chu kỳ, với tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện ápxoay chiều Hình dạng các đường cong điện áp, dòng điện tải (Ud, Id), dòng điện các vanbán dẫn I1, I2 và điện áp của van T1 mô tả trên hình 8.3a khi tải thuàn trở và trên hình8.3b khi tải điện cảm lớn

p2 t3 p3 t1 t2 t3

I1 t

t I2

I2

17

Hình 3 Các đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện các

van và điện áp của Tiristo T1Điện áp trung bình trên tải, khi tải thuần trở dòng điện gián đoạn được tính:

So với chỉnh lưu nửa chu kỳ, thì loại chỉnh lưu này có chất lượng điện áp tốt hơn.Dòng điện chạy qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ Đối với chỉnh lưu

có điều khiển, thì sơ đồ hình 8.2 nói chung và việc điều khiển các van bán dẫn ở đâytương đối đơn giản Tuy vậy việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau, màmỗi cuộn chỉ làm việc có một nửa chu kỳ, làm cho việc chế tạo biến áp phức tạp hơn vàhiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn, mặt khác điện áp ngược của các van bán dẫn phải chịu

Hình 4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng.

Hoạt động của sơ đồ này khái quát có thể mô tả như sau Trong nửa bán kỳ điện ápanod của Tiristo T1 dương (+) (lúc đó catod T2 âm (-)), nếu có xung điều khiển cho cả haivan T1,T2 đồng thời, thì các van này sẽ được mở thông để đặt điện áp lưới lên tải, điện áptải một chiều còn bằng điện áp xoay chiều chừng nào các Tiristo còn dẫn (khoảng dẫn củacác Tiristo phụ thuộc vào tính chất của tải) Đến nửa bán kỳ sau, điện áp đổi dấu, anodcủa Tiristo T3 dương (+) (catod T4 âm (-)), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T3,T4đồng thời, thì các van này sẽ được mở thông, để đặt điện áp lưới lên tải, với điện áp mộtchiều trên tải có chiều trùng với nửa bán kỳ trước

Chỉnh lưu cầu một pha hình 4 có chất lượng điện áp ra hoàn toàn giống như chỉnhlưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính, như sơ đồ hình 2 Hình dạng các đường cong điện

áp, dòng điện tải, dòng điện các van bán dẫn và điện áp của một van tiêu biểu gần tương

tự như trên hình 3a.b Trong sơ đồ này dòng điện chạy qua van giống như sơ đồ hình 2,nhưng điện áp ngược van phải chịu nhỏ hơn Unv = √2.U2

Việc điều khiển đồng thời các Tiristo T1,T2 và T3,T4 nhiều khi gặp khó khăn chotrong khi mở các van điều khiển, nhất là khi công suất xung không đủ lớn Để tránh việc

mở đồng thời các van như ở trên, mà chất lượng điện áp chừng mực nào đó vẫn có thể đápứng được, người ta có thể sử dụng chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng

4.Chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng

4.1Sơ đồ nguyên lý:

→(-) nguồn.Lúc này điện áp đặt lên T2< 0 nên T2 khoá.

Ở nửa chu kì âm điện áp bắt đầu từ O2 điện áp đặt lên → tải → D1 → (-)nguồn

Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng chảy của Tiristor và của điốt không bằng nhau

1 + cos 〈 = *U d

2 *U 2 = 3,14 * 62,53 =1,26

1,41*110

20

=> 〈 =75 oDòng trung bình qua Tiristor :

Nhận xét : Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 1 pha không đối xứng có cấu tạo đơn giản,

gọn nhẹ , dễ điều khiển , tiết kiệm van Thích hợp cho các máy có công suất nhỏ và vừa

- Mạch lực và sơ đồ điều khiển đơn giản

- Việc nạp ắc quy không có yêu cầu cao về chất lượng điện áp

- Lấy điện trực tiếp từ nguồn điện 220V,60Hz

- Công suất của bộ nguồn UPS không lớn (4KVA) thích hợp với sơ đồ chỉnh lưubán điều khiển 1 pha.

I.1.Tính chọn van thyristor

Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, điều kiện toả nhiệt,điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính như sau :

Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu :

Ung max = 2U 2= 1,41.220=310,2(V)

Chọn điều kiện làm mát của van bằng quạt nên:

Điện áp ngược của van cần chọn :

Iđm =ki Ilv =(22,5).28,06A

Để an toàn ta chọn Iđm= 2,5 28,06 = 70,15A

Từ các thông số Unv ,Iđmv ta chọn 2 Thysistor kí hiệu S8012MH có các thông sốsau :

- Điện áp ngược cực đại của van: Un = 600 (V)

- Dòng điện định mức của van: Iđm = 80 (A)

- Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 415 (A)

- Dòng điện của xung điều khiển: Iđk = 50 (mA)

- Điện áp của xung điều khiển: Uđk = 2,5 (V)

- Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là : ⊗U = 1,9 (V)

- Tốc độ biến thiên điện áp : dU

= 500 (V/s)dt

- Thời gian chuyển mạch : tcm = 50(s)

- Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax = 125 oC

23

2.Tính toán chọn Điốt công suất

Dòng điện chỉnh lưu cực đại chảy qua điốt là:

Imax = 0.7Id =70,15.0,75 = 56,6 (A)Điện áp ngược lớn nhất mà Điốt phải chịu :

Unmax= 2 U2 =310,2 (V)

Từ các thông số trên ta chọn 2 Điôt KY719 có các thông số sau:

- Điện áp ngược của van: Un = 360(V)

- Dòng điện định mức của van: Iđm = 60(A)

- Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 400(A)

- Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của điốt : ⊗U =1,1(V)

- Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax = 150 oC

Tính toán chọn thiết bị bảo vệ van thyristor công suất

Trong quá trình van hoạt động thì van phải được làm mát để van không bị pháhỏng về nhiệt vì vậy ta đã tính toán chế độ làm mát cụ thể cho van rồi Tuy nhiên, vancũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng áp quá lớn.Nhưng vì dòngchỉ tăng khi qua thyistor trong thời gian rất ngắn 1  3s nên van có thể chịu được.

Để

tránh hiện tượng quá áp trên van dẫn đến hỏng van ta phải có những biện pháp thíchhợp để bảo vệ van Biện pháp bảp vệ van thường dùng nhất là mắc mạch R, C songsong van để bảo vệ quá áp và mắc nối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng dòng