Thiết kế bộ UPS phần nghịch lưu

đồ án môn học điện tử công suất thiết kế môn học Trờng đại học bách khoa hà nội khoa điện điện tử công suất môn tự động hoá xncn đề tài đồ án môn học Sinh viên : SHSV : Lớp : Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế UPS phần nghịch lu với thông số: Điện áp nguồn : 220 VAC ,50Hz +10% ; -10% Công suất 15KVA Thời gian lu điện : 10phút Nội dung: - Tính toán lựa chọn thiết bị mạch động lực ( Dùng Transitor IGBT ) - Thiết kế sơ đồ điều khiển van nghịch l-u Các vẽ - Sơ đồ nguyên lý mạch động lực mạch điều khiển Cán hớng dẫn Võ Minh Chính đồ án môn học điện tử công suất Tài liệu tham khảo PGS - TS Nguyễn Trọng Thuần - Điều khiển logic ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000 Điện tử công suất Nguyễn Bính Vi mạch mạch tạo sóng Tống Văn On Master Replacement Guide ( ECG is ISO 9002 register ) Kỹ thuật điện tử - Đỗ Xuân Thụ đồ án môn học điện tử công suất Chơng Giới thiệu ups I Giới thiệu chung Một nguồn điện tốt đảm bảo khả làm việc liên tục có độ tin cậy cao đặc biệt thiết bị, hộ tiêu thụ điện nhạy cảm nh: hệ thống mạng máy tính, đài phát thanh, trạm thông tin liên lạc, hệ thống chiếu sáng sân bay hệ thống quan trọng khác Đối với hệ thống nhạy cảm điện này, việc xảy cố nhỏ gây thiệt hại lớn trị kinh tế Hệ thống lu điện chuyển đổi tĩnh đợc thiết kế để cung cấp cho thiết bị nhạy cảm điện áp ổn định, liên tục, thoát khỏi nhiễu loạn đờng điện nh gián đoạn điện tức thời Hệ thống lu điện với dự trữ lợng pin (ắc quy) tiếp tục cung cấp lợng điện cho tải khoảng thời gian, khoảng thời gian thờng đủ cho ngời dùng thực hành động cần thiết tránh hậu xấu thiết bị Vì vậy, ngày UPS có mặt tất hệ thống điện II Phân loại hệ thống lu điện *Nguyên lý hoạt động thiết bị lu điện UPS thiết bị nguồn, có nguồn đầu vào đợc nối với lới điện, đầu nối với thiết bị tiêu thụ điện Bên trongUPS có ắc quy dùng để dự trữ lợng Khi có điện lới cấp điện thẳng từ điện lới cho thiết bị Khi điện lới đa điện từ ắc quy lên Mục đích hoạt động thiết bị điện không bị gián đoạn Các khâu chức UPS: - Chỉnh lu/ nạp điện - Nghịch lu - ắc quy đồ án môn học điện tử công suất Trong khuôn khổ đề tài thiêt kế phần nghịch lu UPS nên em sâu phần Khối nghịch lu : Cấu tạo van điện tử ( quy luật đóng mở tạo điện áp xoay chiều gần sin có tần số 50Hz ) biến đổi nguồn chiều từ ăc quy cung cấp cho tải UPS khối nghịch lu đợc lắp song song với lới không tham gia vào hoạt động lới ổn định Khi nguồn xảy cố nh điện Thì lúc tải đợc ngắt khỏi lới điện nối tới nghịch lu bắt đầu hoạt động biến đổi điện áp chiều từ ắc quy sang xoay chiều cung cấp cho tải III Sơ đồ cấu trúc nguồn lu điện dự phòng Trong đồ án nhiêm vụ thiết kế nguồn cấp điện dự phòng hoạt động chế độ chờ có khả cung cấp công suất thiết kế 15kVA đảm bảo độ ổn định dòng điện áp thời gian gián đoạn cấp điện nguồn điện lới bị mất, điện áp mức điện áp bình thờng mạng điện 220V/50Hz độ giao động 10%.Thời gian cấp điện trì đợc khoảng 10-15 phút khoảng thời gian cần thiết để khời động máy phát điện dự phòng ắc quy Là nơi tích trữ lợng điện chiều để cấp nguồn cho nghịch lu nguồn điện lới Tham gia cấp điện lu điện dung lợng ắc quy định Bộ nghịch lu Biến đổi điện áp chiều lấy từ nguồn ắc quy thành điện áp xoay chiều 1pha Bộ nghịch lu đợc đấu song song với lới hoạt động nguồn vào có cố Bộ điều khiển nghịch lu Có nhiệm vụ điều khiển thời gian dẫn dòng van nghịch lu để tạo điện áp xoay chiều có độ ổn định cao cấp cho phụ tải đồ án môn học điện tử công suất Khoá chuyển mạch Có chức đóng cắt để chuyển chế độ làm việc hệ thống cung cấp điện áp từ nguồn điện lới sang nguồn điện dự phòng lu điện ngợc lại đồ án môn học điện tử công suất CHƯƠNG II thiết kế mạch lực lƯu điện i Thiết kế mạch lực nghịch lƯu I.1 Lựa chọn sơ đồ nghịch lƯu Trong nguồn lu điện nghịch lƯu thực chức lấy điện từ ắc quy cấp cho thiết bị bị điện nguồn Ngời ta thờng sử dụng hai nghịch lu là: + Nghịch lu nguồn dòng +Nghịch lu nguồn áp Trong khuôn khổ đề tài thiết kế nghịch lu nguồn áp phần mạch lực dùng transistor IGBT nên sâu phần Ngày nay, lu điện nguồn ta thờng sử dụng van bán dẫn sơ đồ nghịch lu transistor IGBT, có nhiều tính u việt nh tốc độ chuyển mạch nhanh Công suất điều khiển yêu cầu nhỏ Việc sử dụng transistor IGBT làm đơn giản đáng kể việc thiết kế biến đổi làm cho kích thớc hệ thống điều khiển ngày thu nhỏ Từ yêu cầu đề tài ta chọn sơ đồ nghịch lu sơ đồ " nghịch lu pha nguồn áp dùng transistor IGBT" Với sơ đồ ta nâng cao đợc chất lợng điện áp đầu cảu nghịch lu phơng pháp điều biến độ rộng xung để vừa điều khiển đợc điện áp giảm nhỏ đợc ảnh hởng sóng hài I.2 Sơ đồ nghịch lu pha nguồn áp dùng transistor IGBT đồ án môn học điện tử công suất II.1.3 Tính chọn van cho nghịch lu Bộ nghịch lu đợc thiết kế để cung cấp cho tải có công suất tối đa 15kVA Giả sử hiệu suất nghịch lu 0,80 công suất vào nghịch lu đồ án môn học điện tử công suất đồ án môn học điện tử công suất CHƯƠNG III thiết kế mạch điều khiển nghịch l u Giới thiệu nguyên tắc điều biến độ rộng xung Điện áp xoay chiều đợc tạo từ nghịch lu điện áp dạng sin nh mong muốn mà có dạng gần hình sin chữ nhật gần nh chữ nhật có chứa nhiều trạng thái làm ảnh hởng đến chất lợng điện áp đầu cấp cho tải Điều mong muốn làm để vừa điều chỉnh đợc điện áp mà giảm nhỏ đợc sở hữu sóng hài bậc thấp Để làm đợc điều có nhiều biện pháp thực nh: sử dụng lọc LC Nh vậy, trọng lợng gía thành thiết bị biến tần cao Vì vậy, phơng pháp "điều biến độ rộng xung PWM(pulse width modulation)" đáp ứng đợc yêu cầu hiệu Điều biến độ rộng xung có nguyên lý sau: Tạo sóng dạng hình sin Um đợc gọi sóng điều biến (xung mẫu) có tần số mong muốn Tạo sóng dạng tam giác biên độ cố định Up đợc gọi sóng mang (tín hiệu tựa) có tần số lớn nhiều tần số sóng điều biến thờng bội ba ( từ ữ 10 kHz) Dùng khâu so sánh tín hiệu Um Up, từ giao điểm sóng ta xác định đợc khoảng tác động xung điều khiển thyristor transistor công suất (góc chuyển mạch) Nếu sóng tam giác có tần số lớn độ mịn điện áp đầu cao, chất lợng đảm theo yêu cầu phụ tải Ngời ta chia điều biến độ rộng xung thành loại là: - Điều biến độ rộng xung đơn cực: điện áp tải chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số E - Điều biến độ rộng xung lỡng cực: - điện áp tải chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số E 10 đồ án môn học điện tử công suất I.2 Sơ đồ khối chức khối hệ thống điều khiển nghịch lu pha theo nguyên tắc điều khiển PWM Mạch điều khiển gồm khối nh sau : -Khối 1: Khối tạo điện áp gần hình sin Um ( tần số 50Hz ) Chức khối tạo điện áp hình sin pha có tần số 50Hz biên độ điều chỉnh đợc (gọi sóng điều biến) để đa tới đầu vào so sánh -Khối 2: khối tạo điện áp tam giác Có nhiệm vụ tạo sóng tam giác có biên độ lớn (thờng bội 3) tần số sóng điều biến để đa tới so sánh với sóng điều biến - Khối 3: Khối so sánh Thực việc so sánh tín hiệu sóng điều biến sóng mang, giao điểm sóng , dạng xung gần nh dạng điện áp tải ( nhng điện áp cha đạt tới ngỡng mở Transitor IGBT ) -Khối 4: khối khuyếch đại xung Để đảm bảo cho transistor IGBT đóng mở theo yêu cầu mong muốn , ta phải đa điện áp điều khiển( đủ lớn ) vào cực G nó, nên khuyếch đại xung có chức khuyếch đại tín hiệu điều khiển để đảm bảo cho điện áp đủ lớn theo yêu cầu công nghệ chúng đóng vai trò ngăn cách mạch điều khiển với mạch lực -Khối 4:( khối nguồn ) Tạo nguồn nuôi ổn định đủ công suất cung cấp cho mạch điều khiển 17 đồ án môn học điện tử công suất I.3 Tính toán chọn linh kiện cho mạch điều khiển : I.3.1 Mạch tạo điện áp hình sin pha tần số 50Hz : Sử dụng mạch dao động cầu viên 18 đồ án môn học điện tử công suất I.3.2 Mạch tạo điện áp tam giác tần số cao: (Xung cua ) Các thông số đợc chọn nh sơ đồ Chọn IC1 IC2 àA 741 IC1 đợc nối thành mạch dao động tự phục hồi tạo dạng sóng ca tụ C1 sóng vuông chân IC2 (mắc theo kiểu khuyếch đại không đảo có hệ số khuyếch đại K = )nó có tác dụng nh mạch đệm sóng tụ C1 mạch tải bên Hoạt động mạch nh sau : Tụ điện C1 đợc nạp điện theo hàm mũ phía điện áp dơng ngõ IC1qua R1- RV6 đạt điện áp kích khởi ( xác định phân áp R2 R3 ) lúc ngõ OMRAMP chuyển xuống trạng thái mức thấp tu C1 phóng điện phía điện áp âm IC1 qua R1- RV6 đạt điện áp kích khởi lần thứ (cũng xác định phân áp R2 R3 ) làm cho ngõ OP chuyển trạng thái ban đầu chu kỳ lại đợc lặp lại Thay đổi trị số biến trở RV6 ta hiệu chỉnh đợc tần số mong muốn ( 800Hz đến 8000Hz) 19 đồ án môn học điện tử công suất 20 đồ án môn học điện tử công suất 21 đồ án môn học điện tử công suất 22 đồ án môn học điện tử công suất 23 đồ án môn học điện tử công suất - Khi xung âm đa tới D7 sé bị khoá D8 lúc mở , Mạch khuyếch đại đảo lật trạng thái đặt dơng lên Bazơ Q2 khiến Q2 mở ,dẫn tới Darlington mở đa điện áp mở tới G Transitor IGBT T2 T4 trình đợc điều khiển nh theo thời gian biên độ xung từ mạch so sánh gửi tới I.3.5 Khối nguồn nuôi cho điều khiển : b) Tính chọn điện trở shunt phân áp: 24 đồ án môn học điện tử công suất Các khuyếch đại thuật toán dùng mạch điều khiển đợc cung cấp nguồn Vcc = V, điện áp đòi hỏi độ ổn định cao, ta làm mạch ổn áp Chọn vi mạch ổn áp 7809 (đầu điện áp +9 V) 7909 (đầu điện áp -9 V) Sơ đồ mắc nh sau: 25 đồ án môn học điện tử công suất Chơng IV Lựa Chọn acquy I Giới thiệu ắc quy ắc quy thiết bị quan trọng nguồn dự phòng UPS có chức dự trữ lợng điện làm việc dựa nguyên lý điện hoá học ắc quy sản xuất cần phải đảm bảo đợc tính điện nh sau: + Suất điện động lớn, thay đổi phóng hay nạp điện + ắc quy phải làm việc thuận nghịch, nghĩa hiệu suất lợng cao + Dung lợng cho đơn vị trọng lợng đơn vị thể tích phải lớn + Quá trình tự phóng điện nhỏ + Tuổi thọ sử dụng cao ắc quy có nhiều loại khác nhau: ắc quy axít ắc quy kiềm Song thích hợp dùng nguồn UPS công suất lớn ắc quy chì axít có giá thành hạ Cấu tạo ắc quy chì axít gồm cực dơng làm ôxit chì (PbO2) cực âm làm chì (Pb) đợc nhúng dung dịch axít Để tăng diện tích trao đổi cực âm, cực âm đợc cài lợc với cực dơng Mỗi bình ắc quy gồm cực âm dơng nói đợc gọi đơn nguyên hay gọi ngăn Mỗi ngăn ắc quy chì axít cho điện áp hở mạch 2,1 V Dung lợng dòng điện cho phép ngăn ắc quy phụ thuộc vào điện tích hợp chất cực Dung dịch điện môi axít H2SO4 với tỷ trọng D =1,2 ữ 1,3 g/cm3 Khi nạp phóng điện cực xảy phản ứng thuận nghịch nh sau: 26 đồ án môn học điện tử công suất Quá trình phóng điện xảy cực dơng âm khác thành phần hoá học đợc nhúng dung dịch axít sunfuric kết thúc thành phần hoá học hai cực giống Axít Sunfuric tham gia vào phản ứng làm cho dung dịch điện môi dãn dần, phản ứng hoá học yếu dần ắc quy dần khả phóng điện Quá trình nạp điện nhờ dòng điện cỡng vào ắc quy làm cho phản ứng xảy theo chiều ngợc lại với trình phóng điện Kết cực âm cực dơng đợc hoạt hoá mang thành phần hoá học khác nhau, ion SO4kết hợp với H+ làm cho nồng độ dung dịch điện môi tăng lên dung lợng ắc quy lại đợc khôi phục, ngời ta nói ắc quy đợc nạp no Dung lợng ắc quy đợc tính Ampe (Ah) xác định dòng phóng điện khoảng thời gian phóng điện cho trớc nhiệt độ chế độ phóng điện định Dung lợng ắc quy phụ thuộc vào chế độ phóng điện Dới chế độ phóng điện Sâu (hay phóng điện chậm), dòng điện nhỏ, thời gian phóng điện dài dung lợng ắc quy lớn Khi phóng điện với dòng điện lớn, thời gian phóng điện ngắn (thời gian phóng điện nông) dung lợng ắc quy giảm 27 đồ án môn học điện tử công suất Nhiệt độ có ảnh hởng trực tiếp đến dung lợng ắc quy, dung lợng ắc quy thấp nhiệt độ thấp phản ứng hoá học xảy chậm Xong nhiệt độ ảnh hởng đến chế độ phóng điện sâu hay gọi chế độ phóng điện chậm Tuổi thọ ắc quy đợc tính theo số chu kỳ phóng nạp Tuổi thọ ắc quy tăng chế độ phóng điện nhanh giảm chế độ phóng điện chậm hoạt chất chế độ phóng điện chậm đợc sử dụng triệt để Thờng tuổi thọ ắc quy khoảng từ 500 ữ 2000 chu kỳ tuỳ thuộc vào ché độ phóng điện cách bảo quản Trong trình phóng điện, điện áp ắc quy thay đổi, không nên để ắc quy phóng điện điện áp thấp 1,8 V/1 đơn nguyên Qúa trình nạp điện điện áp ắc quy thay đổi theo quy luật định Cuối trình nạp điện áp làm việc nó, ngỡng điện áp nạp điện đợc chọn mức sinh khí vừa đủ để trộn vào dung dịch điện môi làm giảm đóng lớp bề mặt điện cực Ngỡng dới điện áp phóng điện phải đảm bảo dung lợng sử dụng lớn nhng giữ đọc tuổi thọ ắc quy yêu cầu Đối với ngỡng điện áp nạp điện ắc quy axít là: Chế độ phóng điện nông: 2,5 ữ 2,54 V/ ngăn ắc quy Chế độ phóng điện sâu: 2,6 ữ 2,65 V/ ngăn ắc quy Đối với ngỡng dới điện áp phóng điện ắc quy chì axít là: Chế độ phóng điện nông: 1,9 V/ ngăn ắc quy Chế độ phóng điện sâu: 1,7 V/ ngăn ắc quy Lựa chọn ắc quy cách ghép nối Nguồn ắc quy đợc tính toán để cung cấp điện áp chiều 220 V thời gian khoảng 10 phút Trên thị trờng ắc quy dùng cho UPS phổ biến loại 12V/20Ah , 12V/7Ah 6V/7Ah để có điện áp 120 V cần phải nối tiếp ắc quy có điện áp bé với 28 đồ án môn học điện tử công suất Số lợng ắc quy đủ để cung cấp điện áp 220V khoảng 20 bình loại 12V/20Ah Các ắc quy đợc đấu nối tiếp với 29 đồ án môn học điện tử công suất kết luận Sau khoảng thời gian nghiên cứu, tìm hiểu thiết kế với hớng thầy Phạm Quốc Hải , đến đồ án em đợc hoàn thành Nội dung đồ án nêu lên đợc hai vấn đề sau: + Nghiên cứu tìm hiểu nguồn dự phòng + Thiết kế nguồn dụ phòng 15 KVA ( phần nghịch lu ) Tuy nhiên trình độ hạn chế, khoảng thời gian làm đồ án ngắn phận thiết kế khâu nguồn dự phòng Do để có tính khả thi thực tế cần phải nghiên cứu thêm bộnguồn dự phòng để từ đa đợc phơng án tối u Cuối em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Võ Minh Chính nguời trực tiếp hớng dẫn thiết kế Em xin trân thành cảm ơn ! 30 31 [...]... này đã nêu lên đợc hai vấn đề chính sau: + Nghiên cứu tìm hiểu về bộ nguồn dự phòng + Thiết kế bộ nguồn dụ phòng 15 KVA ( phần nghịch lu ) Tuy nhiên do trình độ còn hạn chế, khoảng thời gian làm đồ án ngắn bộ phận thiết kế chỉ là những khâu cơ bản của bộ nguồn dự phòng Do đó để có tính khả thi trong thực tế cần phải nghiên cứu thêm về bộnguồn dự phòng để từ đó đa ra đợc phơng án tối u Cuối cùng em xin... H2SO4 với tỷ trọng là D =1,2 ữ 1,3 g/cm3 Khi nạp và phóng điện tại các bản cực xảy ra các phản ứng thuận nghịch nh sau: 26 đồ án môn học điện tử công suất Quá trình phóng điện xảy ra khi các bản cực dơng và âm khác nhau về thành phần hoá học đợc nhúng trong dung dịch axít sunfuric và kết thúc khi thành phần hoá học của hai bản cực giống nhau Axít Sunfuric tham gia vào phản ứng làm cho dung dịch điện môi... ắc quy dùng cho UPS phổ biến là các loại 12V/20Ah , 12V/7Ah và 6V/7Ah để có điện áp 120 V cần phải nối tiếp các ắc quy có điện áp bé với nhau 28 đồ án môn học điện tử công suất Số lợng ắc quy đủ để cung cấp một điện áp 220V là khoảng 20 bình loại 12V/20Ah Các ắc quy đợc đấu nối tiếp với nhau 29 đồ án môn học điện tử công suất kết luận Sau khoảng thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và thiết kế với sự hớng... suất Chơng IV Lựa Chọn acquy I Giới thiệu về ắc quy ắc quy là thiết bị quan trọng trong bộ nguồn dự phòng UPS có chức năng dự trữ năng lợng điện làm việc dựa trên nguyên lý điện hoá học ắc quy sản xuất ra cần phải đảm bảo đợc các tính năng về điện nh sau: + Suất điện động lớn, ít thay đổi khi phóng hay nạp điện + ắc quy phải làm việc thuận nghịch, nghĩa là hiệu suất năng lợng cao + Dung lợng cho một... là tạo điện áp hình sin một pha có tần số 50Hz và biên độ có thể điều chỉnh đợc (gọi là sóng điều biến) để đa tới đầu vào của bộ so sánh -Khối 2: khối tạo điện áp tam giác Có nhiệm vụ tạo một sóng tam giác có biên độ lớn hơn (thờng là bội 3) tần số của sóng điều biến để đa tới bộ so sánh cùng với sóng điều biến - Khối 3: Khối so sánh Thực hiện việc so sánh 2 tín hiệu sóng điều biến và sóng mang, tại... dần khả năng phóng điện Quá trình nạp điện nhờ một dòng điện cỡng bức vào ắc quy làm cho phản ứng xảy ra theo chiều ngợc lại với quá trình phóng điện Kết quả là các cực âm và cực dơng đợc hoạt hoá và mang các thành phần hoá học khác nhau, các ion SO4kết hợp với 2 H+ làm cho nồng độ dung dịch điện môi tăng lên dung lợng của ắc quy lại đợc khôi phục, ngời ta nói ắc quy đợc nạp no Dung lợng của ắc quy... là một hàm chu kì lẻ Khai triển Fourier của nó chỉ chứa các thành phần sóng sinus Biên độ của sóng hài đợc tính theo công thức: 11 12 đồ án môn học điện tử công suất 13 đồ án môn học điện tử công suất 14 đồ án môn học điện tử công suất 15 16 đồ án môn học điện tử công suất I.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối trong hệ thống điều khiển nghịch lu một pha theo nguyên tắc điều khiển PWM Mạch điều khiển... để có tính khả thi trong thực tế cần phải nghiên cứu thêm về bộnguồn dự phòng để từ đó đa ra đợc phơng án tối u Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Võ Minh Chính nguời đã trực tiếp hớng dẫn thiết kế Em xin trân thành cảm ơn ! 30 31 ... cho một đơn vị trọng lợng và một đơn vị thể tích phải lớn + Quá trình tự phóng điện nhỏ + Tuổi thọ sử dụng cao ắc quy có rất nhiều loại khác nhau: ắc quy axít hoặc ắc quy kiềm Song thích hợp dùng nguồn UPS công suất lớn vẫn là ắc quy chì axít do có giá thành hạ Cấu tạo cơ bản của ắc quy chì axít gồm các bản cực dơng làm bằng ôxit chì (PbO2) và bản cực âm làm bằng chì (Pb) đợc nhúng trong dung dịch axít... khiến Q2 mở ,dẫn tới Darlington 2 mở đa điện áp mở tới G của Transitor IGBT T2 và T4 và quá trình cứ đợc điều khiển nh vậy theo thời gian và biên độ xung từ mạch so sánh gửi tới I.3.5 Khối nguồn nuôi cho bộ điều khiển : b) Tính chọn các điện trở shunt và phân áp: 24 đồ án môn học điện tử công suất Các khuyếch đại thuật toán dùng trong mạch điều khiển đợc cung cấp nguồn Vcc = 9 V, điện áp này đòi hỏi độ