Ứng dụng điện tử công suất trong lĩnh vực truyền động điện

Bên cạnh đó, việc cung cấp một nguồn điện ổn định là hết sức cần thiết vì nó có ảnh hưởng đếnhoạt động của các thiết bị điện – điện tử và gây ra những hậu quả không thể lườngđược.. MỤC Đ

 Chương 2 : Cơ sở nguồn dự phòng và linh kiện điện tử

 Chương 3 : Giới thiệu mạch các khối chức năng

 Chương 4 : Các sơ đồ inverter của UPS cơ bản

 Chương 5 : Nhận xét về nguồn UPS

 Chương 6 : Ví dụ minh họa

 Chương 7 : Đánh giá

Chương 8 : Một số hình ảnh minh họa về

bộ nguồn UPS

<I> ĐẶT VẤN ĐỀ:

- Điện là nguồn năng lượng không thể thiếu được trong sinh hoạt đời sốnghằng ngày của con người cũng như trong việc sản xuất kinh doanh Hiện nay nước tađang trên đường hiện đại hóa, công nghiệp hóa đất nước Vì thế nguồn cung cấp điệnđược quan tâm hàng đầu

- Thực tế đã có nhiều nhà máy điện có công đủ lớn để đáng ứng cho nhu cầusinh hoạt của người dân và công việc sản xuất của các công ty, xí nghiệp Bên cạnh

đó, việc cung cấp một nguồn điện ổn định là hết sức cần thiết vì nó có ảnh hưởng đếnhoạt động của các thiết bị điện – điện tử và gây ra những hậu quả không thể lườngđược Và quan trọng hơn, việc một số thiết bị đòi hỏi phải cung cấp một nguồn điệnliên tục như máy vi tính để lưu lại dữ liệu khi nguồn điện lưới bị mất Đó là vấn đềcần được quan tâm

<II> MỤC ĐÍCH YÊU CẦU:

- Để đáp ứng nhu cầu cung cấp điện ngày càng cao của các thiết bị điện– điện tử hiện đại, thì đòi hỏi nguồn điện cung cấp phải đạt chất lượng ổn địnhcao cũng như việc trang bị các thiết bị điện dự phòng và đưa vào sử dụng khinguồn điện lưới bị mất hoàn toàn

- Vì vậy, chúng ta cần tìm hiểu cách hoạt động của các thiết bị điện – đện tửđang được sử dụng để cung cấp nguồn điện dự trữ kịp thời Ví dụ như máy vi tính đòihỏi thời gian chuyển đổi từ nguồn điện lưới sang nguồn điện dự trữ phải đủ nhỏ đểtránh mất dữ liệu và những hậu quả khác

<III> GIỚI HẠN ĐỀ TÀI:

- Việc chuyển đổi điện áp từ một chiều (DC) sang xoay chiều (AC) và việcchuyển mạch cấp điện là những phần quan trọng trong bộ nguồn dự phòng, nó đảmbảo cho thiết bị hoạt động bình thường như khi sử dụng nguồn điện lưới ổn định.Trong phạm vi đề tài này, nhóm chỉ thửc hiện trong phạm vi hạn hẹp là dự phòng chonguồn điện 1pha xoay chiều

 Chương 2 : Cơ sở nguồn dự phòng và linh kiện điện tử

 Chương 3 : Giới thiệu mạch các khối chức năng

 Chương 4 : Các sơ đồ inverter của UPS cơ bản

 Chương 5 : Nhận xét về nguồn UPS

 Chương 6 : Ví dụ minh họa

 Chương 7 : Đánh giá

 Chương 8 : Một số hình ảnh minh họa về bộ nguồn UPS

CHƯƠNG2: CƠ SỞ NGUỒN DỰ PHÒNG

VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

<I> Đại cương về các linh kiện bán dẫn:

1. Diode: linh kiện chỉ cho dòng điện đi qua nó theo một chiều nhất định.

+ Cấu tạo và ký hiệu:

2. Trasistor:(BJT): linh kiện chuyển dòng điện từ mộât giá trị nhỏ sang một

giá trị dòng lớn hơn

3. Trasistor trường :linh kiện chuyển từ điện áp khiển nhỏ sang dòng điện

lớn hơn

+ Cấu tạo và ký hiệu:

+ Đặc tính:

4. UJT:

+ Cấu tạo và ký hiệu:

+ Đặc tính:

+ Cấu tạo và ký hiệu:

Đặc tính:

<II> Đại cương về nguồn dự phòng (ups):

1. Sơ đồ khối và ý nghĩa của các khối chức năng:

+ Sơ đồ khối:

+ Ýù nghĩa của sơ đồ khối:

o Khối chỉnh lưu: chuyển từ điện xoay chiều sang điện áp một chiều cung cấp chocác khối phía sau (mạch nạp,bộbiến đổi,bộ diều khiển) và là nguồn nạp điện choacquy lưu điện Đây là một trong những thành phần quan trọng quyết định tính ổnđịnh cũng như hiệu quả cung cấp điện

oKhối nạp và bảo vệ accu:

CHỈNH LƯU

MẠCH NẠP VÀ BẢO VỆ ACCU

BỘ ĐỔI ĐIỆN

BỘ ĐIỀU KHIỂN

dòng điện nạp, đồng thời phải nạp lại điện nếu acquy thiếu điện.

o Khối accu: Một trong những thành phần quan trọng cấu tạo nên bộ lưu điện lànguồn điện lưu trử Chính nó quyết định một số đặc tính kỹ thuật của UPS( thời gianlưu điện, dòng điện,công suất ) Thường người ta thường sử dụng acquy,hay pin đểlưu trử điện một chiều.Nguồn này sẽ được nạp thường xuyên bởi mạch nạp Để nângcao độ tin cậy cung cấp điện người ta thường dùng nhiều acquy,hay pin mắc songsong với nhau để tăng công suất của nguồn

o Khối đổi điện: Đặc điểm của một số thiết bị là phải hoàn tất một số công đoạnnhất định trong thời gian mất điện.Ta phải tiến hành cấp nguồn dự phòng trong khoảnthời gian ngắn đó Một trong những vấn đề quan tâm là đa số các thiết bị trong côngnghiệp,cũng như dân dụng hiện nay điều sử dụng nguồn điện xoay chiều có tần số 50-60hz Nguồn điện này rất khó lưu trử,trong khi điện một chiều lại dễ dàng trongchuyện này.Cho nên cần phải có bộ chuyển đổi điện áp một chiều ra xoay chiều đápứng được yêu cầy đó

o Bộ điều khiển: Đây cũng là một mạch điện tử (có thể bằng tay) chuyên dùngđểđiều khiển việc chuyển đổi giửa việc sử dụng trực tiếp lưới điện với viện sử dụngđiện áp ra bởi bộ biến đồi điện áp một chiều xoay chiều

o Tải: là thiết bị tiêu thụ điện năng cần có điện hầu như liên tục

2. Yêu cầu của bộ nguồn UPS:

o Điện áp ra phải ổn định

o Tần số ra gần dạng sine nhất(thành phần bậc một), và ít sóng hài bậc cao nhất

o Ít can nhiểu thiết bị điện cũng như hệ thống vô tuyến điện

o Công suất và dòng ra đáp ứng được phụ tại tiêu thụ điện

o Công suất tiêu tốn thấp nhất

o Tuồi thọ càng lâu càng tốt

o Thời gian lưu điện cấp cho thiết bị

CHƯƠNG 3:GIỚI THIỆU MẠCH CÁC

KHỐI CHỨC NĂNG

Sô đồ chỉnh lưu cầu 1 pha

pha

áp làm việc của diode Thông thường, đối với các nguồn chỉnh lưu có điện áp nhỏ,dòng điện nhỏ thì việc chỉnh lưu mắc theo sơ đồ sao một pha là hợp lý Điện áp rathường nằm trong các mức 12\24\36\48V, tùy theo dung lượng của UPS

- Dạng sóng điên áp :

-Mạch chỉnh lưu toàn kỳ bốn Diode

D1,D2,D3,D4,được cung cấp nguồn xoay chiều từ

lưới điện 220V có tần số f = 50 Hz, hạ áp xuống

phía thứ cấp U2 như hình

Nguyên lý hoạt động của mạch :

– Giả sử bán kỳ đầu dương : Dòng điện đi từ A qua

D1, qua phụ tải R, qua D3 và trở về B Vậy trong

bán kỳ này D1,D3 dẫn, còn D2 và D4 ngắt

Bán kỳ sau : Dòng điện đi từ B qua D2 qua R và qua

D4 trở về A

R R

u R

u

I

L L

m L

DC

DC

u

9 0

Xung điều khiền được đặc trưng

bởi các thông số sau:

T

to n to f f

+VC C

Sơ đồ phát xung vuông sử dụng IC

NE555

2 Các thông số của xung:

- Xung điều khiển ở đây là tín hiệu điều khiển bôn phận lái trong khối biến đổidc\ac.Một xung điều khiển phải đãm bảo độ ổn định cao (tần số không đổi,biên độ ổnđịnh, không bị nhiểu bởi tín hiệu bên ngoài).Theo nguyên tắc có thể điều khiển trựctiếp bằng sóng sine nhưng như thế sẽ phát sinh những nhược điểm không thể chấpnhận được(tổn hao quá cao, hiệu suất thấp, phát nóng cao ).Cho nên trong thực tếngười ta thường sử dụng xung vuông để điều khiển.Xét về mặt này có nhiều lợi íchnhư tổn hao trong linh kiện bán dẩn thấp(chế độ bảo hoà), dể dàng trong việc tạo raxung vuông( sóng sine có tần số cao hơn) Thông thường thì nguồn acquy sẽ cấpđiện khi nguồn chính mất điện và không phụ thuôc vào nguồn acquy lưu điện khi cóđiện Sau đây là một số sơ đồ phát xung điều khiển.:

3 Các sơ đồ phát xung vuông:

Sơ đồ phát xung vuông dùng dao đông đa hài :

Ưu điểm: đơn giản rẻ tiền, dễ chế tạo, tốn ít linh kiện

Tần số dao đông của mạch là:

) (

Sơ đồ phát xung vuông sử dụng IC NE555

Ưu điểm: mạch đơn giản làm việc ổn định

Sơ đồ phát xung vuông sử dụngIC 7404

Sơ đồ phát xung vuông sử dụng IC số:

Tần số của mạch là:

1 1

f 

4 Sơ đồ phát sóng sine dùng op-amp:

Sơ đồ phát sóng sine dùng cuộn cảm:

sóng vuông Trong nhiều thiết bị

điện tử nếu sử dụng điện áp này

ảnh hướng rất lớn đến tính chất của

thiết bị( máy biến áp, vi tính, đông

cơ 3 pha) Chính vì thế người ta

tiến hành điều chế tín hiệu xung

này thành các xung nhỏ hơn để điều

khiển điện áp bộ UPS có dạng gần

sine nhất

- Thông thường thì người ta

tiến hành điều chế xung này bằng

cách điều chế độ rộng xung

(PWM), tức là tiến hành băm xung

vuông tạo được ở trên Phương pháp này rất phức tạp nhưng hiệu quả rất cao , ưu

điểm là đạt được chỉ tiêu cung cấp điện

- Một trong nhưng phương pháp được làm nhiều nhất là tiến hành tạo ra một

dạng sóng sine chuẩn, đồng thời tạo ra một sóng tam giác So sánh dạng sóng tam

giác với sóng sine tạo được ở trên bằng vi mạch (op-amp) sẽ tạo ra được xung điều

khiển.Đạng sóng của xung điều khiển không còn là dạng vuông nữa mà là một chuồi

xung vuông có độ rộâng khác nhau

- Trên thực tế thì, người ta chỉ chia ra làm 5 xung lẽ trong nửa chu kỳ điện áp

Do dó mà xung điều khiển chỉ cần 5 xung cho mỗi chu kỳ

<III> KHỐI ỔN ÁP:

- Do acquy làm việc ở cấp điện áp 12\24\36\48 V nên điện áp nhanh chống

giảm nhanh, khi đó bo nguồn dự phòng sẽ không đủ áp ra Vì vậy thường thì người ta

sử dụng thêm mạch ổn áp với mức điện áp ồn định thấp hơn điện áp của acquy.Sau

đây là một số mạch ổn áp thông dụng :

Điều khiểnH

Điều khiểnL

d



<IV> KHỐI BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP:

- Đây là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống lưu điện.Chúng ta không thể dựphòng được điện xoay chiều nhưng điện 1 chiều thì có thề và rất dể dàng.Một bộ phận

có thể chuyển đổi được từ dc sang ac là mộtgiải pháp khá khả thi

Cơ sở lý thuyết:

Sơ đồ đẩy kéo 2 trasistor :

T1 và T2 luân phiên nhau dẩn điện trong

mỗi chu kỳBán kỳ đầu : T1 dần, T2 khôngdẫn , dòng vào cuộn cuộn n1 trên từ đầu có chấm đến đầu không chấm

gian từ 0 đến

MAS S

12V 24V

22F /25V

100F / 50V

biến thiên tuyến tính từ Imin đến

Imax trong thời gian từ

2

T

đếnT

W T

V W

W T dt

V

T

V

1 2 2

2 2 2

1

2 0

2

2 2

1 1

- Về nguyên lý,tính chất mạnh như sơ đồ 2 trasistor, chỉ khác ở đây khi kíchxung ta phải kích đồng thời 2 cặp mosfet tương ứng (TR1,TR’

1)va ø(TR2,TR’

2)Thông thường thì các trasis tor được thay thế bằng các linh bán dẩn như IGBT vàMOSFET bời nhửng đặc tính đặc biệt mà trasistor không có ( tổn hao nhỏ, đáp ứngnhanh, điều khiển bằng điện áp, trở kháng đầu vào)

- Một số phụ tải đặc biệt ( máy biến áp , động cơ điện ) yêu cầu điện áp radạng sine Như đã nói ở trên ta có thể sử dụng biện pháp băm xung điều khiển Điềunày dẫn đến điện áp ra trên tải có dạng như hình vẻ.Ứng với mỗi bán kỳ điện áp ra, tatiến hành phát một chuổi xung có độ rông khác nhau trong đó có một xung

Cuộn Dây Biến Aùp

1.

M

áy biến áp:

Sự gia tăng nhiệt độ của biến áp

-Nhiệt độ của biến áp tăng cao hơn nhiệt độ của mơi trường là

do phụ thuộc vào tổn hao lõi, tổn hao dịng và bề mặt tản nhiệt

của biến áp Khơng khí thổi qua biến áp cĩ thể làm giảm sự

gia tăng nhiệt độ đáng kể

-Để tính tốn sự gia tăng nhiệt độ người ta dựa vào một số

đường đặt tính kinh nghiệm của điện trở nhiệt trên tiết diện bề

mặt tản nhiệt

-Điện trở nhiệt Rt

-Sự gia tăng nhiệt độ: dT

-Tổn hao cơng suất: P

dT = P.Rt

Đường đặc tính điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt đối với tổng diện tích bề mặtđược minh hoạ ở hình sau :

Tổn hao lõi với tần số và mật độ từ cảm.

-Hầu hết các biến áp sử dụng lõi ferrite Ferrites là vật liệu gốm sắt từ Cấutrúc của nĩ gồm hổn hợp oxit sắt với Mn, kẽm oxit.Tổn hao dịng điện xốy của

mW/cm) đối với tần số và mật độ từ cảm.

Hình dạng lõi ferrite

-Lõi ferrite được sản suất với kích cở tương đối nhỏ

-Hình dạng lõi khác nhau như: Loiõ hình chén, lõi RM, EE, PQ, UU, UI,EI.-Lõi hình chén (hình hộp) được sử dụng ở mức công suất thấp hơn 125W

-Các dạng lõi khác nhau của biến áp công suất

Nên ta có: Po =

cma

b e max

D

A.A.f.B.0005.0

có biên độ lớn nhất

Acquy của UPS

Bộ lọc như hình vẻ thích hợp với sóng điều hòa bậc thấp Nhánh nối tiếp L1C 1 và nhánh song song L2C 2 có cộng hưởng với tần số xoay chiều cơ bản ra

Ơû tần số cơ bản tổng trở mạch nối tiếp 0 , những tăng có giới hạn ở tần số cao Tổng trở của mạch song song bằng ở tần cơ bản , giảm đi ở tần số cao

2 2 1

1

0

1 1

C L C

- Trong thời kỳ dự phòng tương đối ngắn của Acquy thì

dung lượng có thể dùng của nó chỉ bằng một phần nhỏ dung

lượng Acquy tiêu chuẩn Một loại Acquy nào đó chỉ thích hợp

sử dụng trong thời kỳ xả điện ngắn, chỉ có sau khi xét đến các

nhân tố trên thì mới có thể chọn được Acquy tốt nhất Dung

lượng của Acquy là khả năng tích điện của Acquy Thông

Dạng Sóng Điện

Mạch lọc cơ bản

Trong đó:

S : Là công suất hiện tại của nguồn UPS

n : Hiệu suất của bộ chuyển đổi

E : Là điện áp xả hết điện của Acquy

Cos : Hệ số công suất phụ tải, thường lấy = 0,8

<VI> BỘ ĐIỀU KHIỂN:

- Phần tử lấy mẫu dùng để theo dõi điện áp ra và đổi nó thành một mứcđiện áp bằng với điện áp chuẩn khi điện áp ra đúng khi có sự thay đổi của điện

áp ra làm cho điện áp hồi tiếp lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp chuẩn Hiệu số củađiện áp chuẩn và điện áp lấy mẫu dùng để điều khiển ổn áp làm cho nó đáp ứngthích hợp, làm điện áp ra đúng theo yêu cầu Phần tử lấy mẩu được dùng trongphần lớn ổn áp dùng IC là cầu chì áp R1 / R2

PHẦN

TỬ CHUẨN

KHUẾCH ĐẠI SAI BIỆT

- Điện áp hồi tiếp được xác định bằng tỷ số mà không trị tuyệt đối, do đó sựthay đổi R1 và R2 sao cho R1 / R2 = hằng số, sẽ không ảnh hưởng đến ổn ápdùng IC Quan tâm chính là bố trí các điện trở này trong IC sao cho ảnh hưởngcủa chúng đến ổn áp là nhỏ nhất.

* Khuếch Đại Sai Biệt:

- Khuếch đại sai biệt là để so sánh điện áp hồi tiếp với điện áp chuẩn Nócũng khuếch đại mức sai biệt để lái mạch điều khiển để đưa điện áp về mức đặttrước

- Nếu ta có điện áp chuẩn ổn định và phần tử lấy mẫu chính xác thìkhuếch đại mức sai biệt là yếu tố chính xác định hiệu xuất của ổn áp Các tham

số sau đây sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của ổn áp do những biến đổi trongnguồn cung cấp, tải và các điều kiện nhiệt độ bên ngoài

 Sự thay đổi điện áp offset với nhiệt độ:

- Kỹ thuật xét ở trên bổ chính cho điện áp offset của mạch khuếch đại vàcho một ổn áp chính xác, không chỉ ở một nhiệt độ xác định Trong phần lớn các khuếch đại, sự thay đổi điện áp offset với nhiệt độ thì tỷ lệ với mức offset ban đầu Việc điều chỉnh lại phần tử lấy mẫu điện áp ra không làm giảm điện

áp offset mà đơn thuần làm trung hòa nó ở một nhiệt độ xác định Ơû một nhiệt

độ khác thì điện áp offset thay đổi và như vậy xuất hiện sai số ở ổn áp Các IC

ổn áp đơn tinh thể dùng một kỹ thuật mà chủ yếu khử offset trong các mạch khuếch đại IC Với điện áp offset tối thiểu thì sự trôi theo nhiệt độ sẽ ít có hậu quả

 Những biến đổi của điện áp nguồn:

Các tỷ số triệt cách chung và tỷ số triệt nguồn cấp điện của mạch khuếch đại làcác ảnh hưởng chính đến sai số của ổn áp Trong một khuếch đại lý tưởng, điện

áp ra chỉ là hàm của điện áp vào vi sai Thực tế điện áp ra cách chung của ngõvào cũng ảnh hưởng đến điện áp ra Điện áp cách chung là điện áp vào trungbình so với “đất ảo” của mạch khuếch đại

VCC : Điện áp cấp điện dương cho khuếch đại

VEE : Điện áp cấp điện âm cho khuếch đại

Vậy điện áp cách chung VCM là :

Tùy theo mạch ta có các loại điều khiển sau:

- Mạch điều khiển nối tiếp

- Mạch điều khiển song song

- Mạch điều khiển xung

Bất cứ sai biệt nào của phần tử điều khiển được bổ chính bằng hồi iếp từ phần

tử lấy mẫu Các phần tử điều khiển ảnh hưởng trực tiếp đến các tham số củamạch ổn áp như công suất tiêu tán, hiệu suất của mạch

Từ các mạch điều khiển trên ta có điện áp ngõ ra

+ Mạch nối tiếp:

Mạch Vo = VI – Rs IL

VI : Điện áp vào

Iload : Dòng điện tải

Is : Dòng điện qua điều khiển

ton: Thời gian xung mở

toff : Thời gian xung tắt

Rs : Tổng trở thành phần điều khiển

CHƯƠNG4: CÁC SƠ ĐỒ INVERTER

CỦA UPS CƠ BẢN

CHƯƠNG5: NHẬN XÉT VỀ NGUỒN UPS

– Trong những thập niên trước do khoa học kỹ thuật chưa phát triển mạnh thì việc biến đổi qua lại giữa dc\ac vàac\dc rất khó khăn và hầu như không làm được.Với sự phát triền mạnh cụa điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng cũng có thể xem làmột bước lớn trong hiện đại hóa sản suất UPS thật sự chiếm được cảm tình của nhiều nhà đầu tư bởi những ưu điểm sau:

1 Giá thành rẻ hơn việc lắp thêm máy biến áp dự phòng

2 Lắp đặt dể dàng do kích thước tương đối nhỏ

3 Tồn hao thấp