NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CẤP NGUỒN LIÊN TỤC UPS

LỜI NÓI ĐẦU Sự đời, phát triển nhanh ngày hoàn thiện linh kiện điện tử, đặc biệt vi xử lý tạo thay đổi sâu sắc phát triển mạnh mẽ 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 liệu, chiếu sáng đường hầm, hệ thống giám sát điều khiển xử lý công nghiệp Nhằm đảm bảo tính liên tục chất lượng cung cấp điện cho tải nhạy cảm mà không phụ thuộc trạng thái hệ thống cung cấp, phương pháp sử dụng nguồn dự trữ làm việc tin cậy, đặc biệt nguồn làm việc “giao diện công suất’’ nguồn cung cấp tải Đề tài sâu vào nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cấp nguồn liên tục UPS, cụ thể thiết kế, chế tạo UPS offline Trong giới hạn đồ án môn học nên đề tài chưa thực sâu sắc xác Toàn đề tài chia thành chương sau : Chương 1: Tổng quan cấp nguồn liên tục UPS Chương 2: Tính toán thiết kế mạch lực Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển Chương 4: Mô Chương 5: Thiết lập mạch thực Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Công nghệ tự động, đặc biệt cô giáo Nguyễn Thị Điệp giúp em hoàn thành đề tài thời gian quy định Trong trình tìm hiểu, nghiên cứu thực đề tài em cố gắng trình bày vấn đề hàn điện nói chung Nhưng thời gian nghiên cứu thực đề tài có hạn với kinh nghiệm, kiến thức thân hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót Rất mong đóng góp ý kiến quí thầy cô bạn để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ CẤP NGUỒN LIÊN TỤC UPS 1.1 Đặt vấn đề Có lẽ tất biết thiết bị điện phải có điện chạy Và tuyệt đại đa số cho điện có không không đặt câu hỏi chất lượng nguồn điện Đúng vậy, ta so sánh điện với thiết bị sử dụng thức ăn với người Thức ăn có lúc ngon, lúc dở, có lúc nhiều lúc Thức ăn không chất lượng nguồn gốc đủ thứ bệnh tật, người ta bị ngộ độc thức ăn Vì ta phải tìm cách tăng chất lượng nguồn lượng cho thiết bị Trong thực tế có nhiều tải yêu cầu làm việc chế độ liên tục, ví dụ như: hệ thống máy tính công nghiệp (hệ thống điều khiển số, điều khiển giám sát, rô bốt), hệ thống vô tuyến viễn thông (tổng đài điện thoại, hệ thống đa quân sự), hệ thống chiếu sáng (trong đường hầm, sân bay, nhà công cộng), y tế công nghiệp … Từ đòi hỏi thực tế nguyên nhân đời nguồn cấp điện liên tục UPS UPS có đầu vào nối với lưới điện, đầu nối với tải, thiết bị cần bảo vệ, bên có ắc quy có cố điện bất thường lượng lúc lấy trực tiếp từ ắc quy để đảm bảo cho thiết bị cung cấp lượng cách liên tục 1.2 Các chức UPS UPS viết tắt cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power System hệ thống nguồn cung cấp liên tục hay đơn giản lưu trữ điện dự phòng nhằm làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống Ngoài chức đảm bảo dòng điện liên tục, UPS có thêm chức sau: - Làm tăng chất lượng nguồn điện thông qua việc lọc nắn lại thay đổi đột ngột điện áp - Chống lại tượng tải ngắn mạch - Tự động tắt máy trường hợp nguồn điện dự trữ hết - Theo dõi trạng thái nguồn điện, ghi lại thông tin thay đổi việc cung cấp điện - Đặt thời gian bật tắt cho thiết bị điện Với chức UPS mang lại lợi ích sau cho người sử dụng: - Thứ nhất: bạn hai tay ôm đầu tiếc nuối nguồn điện bị tắt đột ngột công việc dở dang, hiệu làm việc bạn cao công việc không bị ngắt chừng - Thứ hai: thiết bị sử dụng điện bạn có tuổi thọ cao hơn, phải bảo dưỡng hơn, thiết bị sử dụng điện chịu đựng thử thách bị ngắt điện đột ngột 1.3 Cấu trúc UPS Một cấp nguồn liên tục UPS có cấu trúc sau: Hình 1.1: Cấu trúc chung cấp nguồn liên tục UPS Chức khối: * Biến áp vào Hạ áp từ điện áp lưới xuống điện áp thích hợp để đưa vào chỉnh lưu, cách ly lưới hệ thống ups chống ngắn mạch * Chỉnh lưu Tạo điện áp chiều dùng cho việc nạp ắc quy đưa tới nghịch lưu * Lọc chỉnh lưu Giảm độ đập mạch từ điện áp chỉnh lưu đưa đến nghịch lưu nhằm nâng cao chất lương điện áp nghịch lưu * Bộ chỉnh lưu Biến điện áp chiều từ đầu chỉnh thành điện áp xoay chiều cấp cho tải * Biến áp Tăng điện áp từ nghịch lưu phù hợp với yêu cầu tải * Ắc quy Là nơi tích trữ lượng có điện áp nguồn nơi cung cấp lượng cho tải lưới điện thời gian trì ups phụ thuộc vào dung lượng ắc quy * Điều khiển chỉnh lưu Điều khiển góc mở tiristor mạch chỉnh lưu cho điện áp mạch chỉnh lưu đáp ứng yêu cầu * Điều khiển nghịch lưu Điều khiển thời gian dẫn van để điện áp cấp cho tải không đổi thay đổi nhỏ không đáng kể * Nguồn Cung cấp mức điện áp cho hai điều khiển chỉnh lưu điều khiển nghịch lưu 1.4 Phân loại UPS Từ yêu cầu thiết bị mức độ nguồn điện liên tục chất lượng, UPS phân thành dòng sản phẩm công nghệ sau : UPS Offline đơn thuần, UPS Offline công nghệ Line-interactive, UPS Online 1.4.1 UPS offline Khi có nguồn điện lưới UPS cho điện lưới thẳng tới phụ tải Khi điện, tải chuyển mạch cấp điện từ ắc quy qua nghịch lưu (inverter) Dạng điện áp nghịch lưu (inverter) loại thường dạng xung chữ nhật, không sin Phạm vi áp dụng UPS loại thường cho thiết bị đơn giản, công suất nhỏ, nhạy cảm lưới điện, đòi hỏi độ tin cậy thấp Đa số UPS ngày có phần mềm kèm theo giao tiếp với máy tính qua cổng COM USB Phần mềm cho phép kiểm soát trạng thái hoạt động UPS (Điện áp vào/ra, tải tiêu thụ ) Dưới sơ đồ nguyên lý làm việc UPS offline, loại thông dụng thị trường nay: Hình 1.2: UPS offline Theo sơ đồ này, ta nhận thấy phương pháp làm việc sau: * Nguồn điện lưới đầu vào thông qua công tắc ngắt mạch "bypass" đến với đường đầu * Nguồn điện từ pin chuyển đổi thành điện áp xoay chiều với thông số phù hợp lưới điện địa phương * Khi điện lưới, hệ thống acquy cung cấp cho mạch điện giao động để chuyển thành dòng điện xoay chiều tiếp tục cung cấp cho thiết bị tiêu thụ Hình 1.3: Nguyên lý làm việc UPS offline Nhìn qua sơ đồ dễ nhận nhược điểm loại UPS offline: Thời gian chuyển mạch từ cố điện lưới nguồn ắc quy cung cấp cho thiết bị tiêu thụ Hiểu cách đơn giản: công tắc ngắt điện khỏi nguồn lưới để chuyển sang dùng điện từ ắc quy phải đảm bảo ngắt hoàn toàn khỏi lưới điện phép cung cấp điện từ nghịch lưu * Ở trạng thái lưới điện ổn định nguồn tiêu thụ sử dụng điện trực tiếp lưới điện UPS lúc sử dụng nạp (charger) để nạp điện cách tự động cho ắc quy mà * Khi điện áp lưới điện không đảm bảo (quá cao, thấp) điện lúc mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp từ ắc quy inverter Qua nguyên lý phân tích ta thấy thời gian cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ mà bị gián đoạn Sự gián đoạn gây việc cung cấp nguồn điện không ổn định phía thiết bị tiêu thụ: Một số máy tính bị tắt nguồn máy tính (PSU) thuộc loại chất lượng thường công suất thấp, có khả tích điện tụ đầu nguồn đầu vào thấp so với nhu cầu công suất linh kiện máy tính, nên thời gian chuyển mạch UPS gây dừng hoạt động PSU 1.4.2 UPS offline với công nghệ Line interactive Khắc phục nhược điểm loại UPS offline thông thường loại UPS offline công nghệ Line interactive Do tích cực nguyên lý hoạt động nên chúng lại có giá thành cao so với loại UPS offline thông thường Hình 1.4: UPS offline với công nghệ Line interactive Ta thấy sơ đồ mạch loại UPS có phần giống sơ đồ mạch loại UPS offline đơn phía bên Phần nhánh ắc quy inverter không thay đổi, có phía bên nhánh cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ điện, phần công tắc chuyển mạch bypass thông qua biến áp tự ngẫu * Trong trường hợp điện áp cấp vào UPS bình thường, có nghĩa chúng xấp xỉ thông số đầu lưới điện địa phương mạch UPS hoạt động khung hình phía trên-bên trái, có nghĩa biến áp tự ngẫu lúc có số vòng dây sơ cấp thứ cấp, can thiệp vào điện áp đầu UPS hoạt động giống loại UPS offline thông thường * Trong trường hợp điện áp lưới thấp so với điện áp chuẩn, biến áp tự ngẫu chuyển mạch sang nấc khác, làm cho điện áp đầu đảm bảo thông số yêu cầu Trong trường hợp điện áp lưới điện cao so với thông số chuẩn trường hợp * Trong trường hợp điện lưới UPS offline công nghệ Line interactive chuyển mạch giống loại UPS thông thường: tức chúng ngắt nhánh qua biến áp tự ngẫu chuyển sang sử dụng nhánh ắc quy với nghịch lưu 1.4.3 UPS online Khắc phục hoàn toàn nhược điểm loại UPS online Hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi kép: từ AC sang DC sau chuyển ngược DC sang AC Do nguồn điện cung cấp cho tải hoàn toàn UPS tạo đảm bảo ổn định điện áp tần số Điều làm cho thiết bị cung cấp điện UPS cách ly hoàn toàn với thay đổi lưới điện Vì vậy, nguồn UPS online tạo nguồn điện (lọc hầu hết cố lưới điện), chống nhiễu hoàn toàn Điện áp hoàn toàn hình sin Dưới sơ đồ nguyên lý làm việc đơn giản nó: Hình 1.5: UPS online Ở đây, thấy việc cấp điện cho thiết bị tiêu thụ hoàn toàn liên tục có cố lưới điện Nguồn điện lưới lúc không cung cấp điện trực tiếp cho thiết bị, mà chúng biến đổi thành dòng điện chiều tương ứng với điện áp ắc quy Ở mạch thể cung cấp điện từ ắc quy từ lưới điện đến nghịch lưu để biến đổi thành điện áp đầu phù hợp với thiết bị sử dụng Như vậy, thấy cố lưới điện UPS online cung cấp điện cho thiết bị sử dụng mà thời gian trễ Điều làm cho thiết bị sử dụng an toàn, ổn định UPS online luôn ổn định điện áp đầu theo mạch điện áp đầu vào lúc biến đổi xuống mức điện áp ắc quy chúng có công dụng ắc quy có dung lượng lớn vô (nếu không bị cố lưới điện), mạch nghịch lưu đóng vai trò ổn định điện áp Vì với loại UPS online có công dụng ổn áp cách triệt để 1.5 Thông số đề tài lựa chọn phương án 1.5.1 Thông số đề tài Thiết kế, chế tạo cấp nguồn liên tục UPS với thông số: Uvào Ura f Thời gian lưu điện 220VAC ±10% 220VAC 50Hz ± 1Hz Công suất I 1kVA 1.5.2 Lựa chọn sơ đồ thiết kế Từ ưu điểm nhược điểm sơ đồ ta chọn sơ đồ UPS offline phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ đồ án đề * Sơ đồ khối : 10 Hình 1.6: Sơ đồ khối thiết kế UPS offline * Chức khối : - Acquy : acquy cung cấp điện áp 12VDC cho mạch nghịch lưu thiết bị lưu trữ điện áp để cung cấp cho mạch điện lưới - Khối chỉnh lưu: nạp điện cho acquy mạch nghịch lưu chế độ chờ (khi có điện lưới) - Khối DC-DC: khuếch đại điện áp acquy từ 12VDC lên 380VDC cấp cho cầu nghịch lưu - Khối nghịch lưu: Sử dụng mạch cầu H với van bán dẫn IGBT, điều khiển chip vi điều khiển dsPIC33FJ16GS504 theo nguyên lý PWM nhằm biến đổi điện áp chiều 380VDC thành điện áp xoay chiều 220VAC tần số 50Hz 11 Sức điện động acquy điện áp không tải cực acquy Điện áp acquy không phụ thuộc vào mức độ nạp điện mà thay đổi theo nồng độ dung dịch Sức điện động tĩnh E0 tính theo công thức thực nghiệm : E0 = 0,85 + γ (V) Với: * γ : Nồng độ dung dịch điện phân + 1500C không lấy theo đơn vị g/cm3 mà tính vôn quy + 1500C * E0 : Sức điện động tĩnh acquy đơn, đo trường hợp acquy không phóng điện Như nồng độ dung dịch thay đổi khoảng (1,07÷1,31) g/cm nên sức điện động tương ứng (1,91÷2,15) V 2.1.5.2 Điện trở Điện trở acquy gồm có điện trở dung dịch điện phân, điện trở cực cách Trị số điện trở nạp xong 0,0014÷0,001 (Ω), phóng điện hoàn toàn 0,02 (Ω) 2.1.5.3 Dung lượng acquy Dung lượng acquy điện lượng acquy nạp đầy đủ phóng liên tục điện áp giảm xuống đến trị số giới hạn quy định (ở nhiệt độ quy định) Lúc điện áp ngăn 1,7 V Dung lượng đo ampe (Ah) Ah dung lượng acquy phóng điện với dòng điện có cường độ 1A thời gian Dung lượng phụ thuộc vào kích thước số lượng cực, tức phụ thuộc vào số lượng chất hoạt tính tiếp xúc với dung dịch chất điện phân, cường độ dòng điện phóng nhiệt độ dung dịch điện phân Cường độ dòng điện phóng lớn dung lượng acquy bé Giảm nhiệt độ dung dịch điện phân xuống 10C (so với nhiệt độ + 300C) dung lượng giảm xuống khoảng 1% Dung lượng acquy lớn số cực ngăn nhiều, điện áp không đổi Khi nạp với dòng điện lớn lúc trình hóa học không thấm sâu vào chất tác dụng chì sunphat tạo thành PbO Pb dung lượng giảm 16 Khi phóng với dòng điện lớn tốc độ phản ứng nhanh, lỗ bề mặt chất tác dụng bị sunphat chì bịt lại tỷ trọng chất điện phân giảm làm cho dung lượng phóng acquy giảm 2.1.5.4 Tỷ trọng dung dịch điện phân Tỷ trọng dung dịch điện phân yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng acquy Nói chung tỷ trọng (ở 250C) rót vào acquy 1,23, cuối lần nạp 1,25 Nếu tỷ trọng cao cực dễ bị sunphat hóa, ngăn dễ bị hỏng, đặc biệt ngăn gỗ Các acquy có tỷ trọng dung dịch điện phân cao chất hoạt tính cực dễ bị mủn chảy xuống bùn nhão Nếu tỷ trọng thấp lúc đầu có ảnh hưởng đến dung lượng acquy, làm cho acquy không tích trữ điện Mở xem ta thấy chất hoạt tính cực bị bong mảng nhỏ Đó tỷ trọng thấp ảnh hưởng đến chất hoạt tính làm cho tiếp thu nạp điện khởi động acquy lại phóng dòng điện lớn gây nên cong vênh cực 2.1.6 Đặc tính nạp phóng điện acquy 2.1.6.1 Đặc tính nạp điện cho acquy Khi nạp điện cho acquy, dùng dòng điện 10% dung lượng acquy, nạp giờ, thời gian không đủ giảm cường độ dòng điện tiếp tục nạp 2÷3 Hiện tượng chứng tỏ acquy nạp đầy điện dung dịch điện phân ngăn sủi tăm mạnh (dung dịch điện phân có tượng sôi lên) Tỷ trọng dung dịch điện phân điện áp vòng giữ ổn định Nếu tỷ trọng cuối thời kỳ nạp không tương ứng với tỷ trọng tiêu chuẩn phải điều chỉnh cách cho thêm nước cất dung dịch điện phân có tỷ trọng cao vào Đối với acquy để tồn kho lâu, bắt đầu nạp điện, điện áp tương đối cao, acquy bị sụt áp nhiều điện trở gây nên, acquy thực nạp đủ điện, sau thời gian nạp điện, song song với phục hồi (hoàn nguyên) ôxit, điện trở giảm dần, điện áp nạp điện giảm xuống cách tương ứng Từ sau điện áp không ngừng tăng lên theo tăng lên liên tục tỷ trọng dung dịch điện phân nạp kết thúc Trong trình nạp điện, nhiệt độ acquy tăng lên, acquy Thời gian để tồn kho lâu cực bị oxi hóa nghiêm trọng dẫn đến điện trở lớn, trình nạp nhiệt độ tăng lên nhanh Nếu nhiệt độ cao làm cho chất hoạt tính cực bị mềm bong Do đó, acquy 17 trình nạp với dòng nhỏ xem xét nhiệt độ tăng lên 450C phải cắt mạch điện, đợi nhiệt độ giảm xuống đên 350C trở xuống tiếp tục nạp Các acquy sau nạp đầy, trình cất giữ tự phóng điện liên tục, vật liệu chế tạo acquy không khiết để thời gian dài làm cho axít sunphuric lắng xuống gây nên Nếu dung dịch điện phân có tạp chất rơi vào tượng tự phóng điện nghiêm trọng Kết sinh chì sunphat cực dung dịch chất điện phân Nếu để thời gian dài không nạp điện lại chì sunphat kết tinh lại biến đổi nhiệt độ, tạo nên tinh thể chì sunphat lớn khó hòa tan, chúng bám vào bề mặt cực làm cho bề mặt cực bị sunphat hóa Do đó, cần phải định kỳ nạp điện bổ sung, làm cho acquy giữ trạng thái nạp điện hoàn toàn 2.1.6.2 Đặc tính phóng điện acquy Các acquy sau nạp điện, lần đầu cần phóng điện theo chế độ phóng điện 10 giờ, dung dòng điện nạp ban đầu để tiếp tục nạp điện Nếu lần thứ hai acquy phóng 90% dung lượng định mức sử dụng Mục đích việc nạp phóng điện để làm cho chì sunphat sản sinh cực âm dương mới, để tồn kho chuyển biến thành chất hoạt tính, phục hồi độ xốp cực, tăng diện tích tiếp xúc với dung dịch điện phân, làm cho acquy phóng dung lượng định mức Tùy theo điều kiện cụ thể để định có cần phóng điện cho acquy hay không Nếu cần dùng acquy sau nạp điện lần đầu, điều kiện cho phép tốt nên vào quy định xưởng chế tạo để nạp phóng điện tuần hoàn cho acquy Có phát huy lực acquy làm cho acquy phát dung lượng định mức 2.1.7 Các phương pháp nạp acquy 2.1.7.1 Phương pháp nạp acquy với dòng điện không đổi Nạp acquy theo phương pháp dòng điện không đổi, yêu cầu phải nguyên trị số dòng điện nạp Dòng điện nạp tính theo công thức : 18 Sức điện động Eaq acquy trình nạp dần tăng lên Vì muốn giữ dòng điện nạp điện áp thiết bị nạp cần phải tăng lên Tăng Un cách nối nối tiếp biến trở với acquy Giai đoạn nạp gần kết thúc biểu thị thoát khí Khi acquy đạt 2,4 V với phân tử Để giảm bớt bốc khí acquy nạp kinh tế cần giảm dòng điện nạp cho lúc acquy nạp điện xong dòng điện nạp vào khoảng 40% trị số dòng điện nạp cho phép cực đại Với: Uc - điện áp thiết bị nạp M - số phần tử mắc nối tiếp 2V - điện áp tính cho phần tử acquy In - cường độ dòng điện nạp Nạp acquy theo phương pháp dòng điện không đổi tùy ý chọn dòng điện nạp Nhược điểm phương pháp thời gian nạp phải liên tục, cần kiểm tra điều chỉnh dòng điện nạp Nạp acquy với dòng điện không đổi tiện lợi nạp acquy dùng, nạp acquy mới, sửa chữa acquy bị sunphat hóa 2.1.7.2 Phương pháp nạp acquy với điện áp không đổi Các acquy mắc song song, điện áp thiết bị nạp tự động điều chỉnh kiểm tra Vôn mét Điện áp thiết bị nạp thường phải tương ứng với số phần tử acquy nạp, dự tính điện áp phần tử 2,4V, để dòng điện chung mạch không vượt dòng điện cực đại cho phép thiết bị Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý đặc tính nạp acquy theo phương pháp điện áp không đổi 19 Dòng điện nạp cực đại mạch phụ thuộc vào công suất cực đại thiết bị mức độ phóng điện acquy Dòng điện nạp tính theo công thức: Lúc đầu dòng điện nạp lớn hiệu điện điện áp thiết bị nạp điện sức điện động Eaq acquy lớn Sau thời gian nạp Eaq tăng lên, dòng điện nạp giảm dần tới trị số Ở mạch nhánh có mắc diode để tránh không cho dòng điện acquy phóng sang thiết bị nạp sang acquy nạp điện Ưu điểm phương pháp trình nạp acquy, cường độ dòng điện nạp thường xuyên giảm xuống tới gần giá trị Như vậy, cải thiện biến sunphat chì (PbSO4) thành PbO2và Pb lớp sâu acquy không bị nạp đầy Do tự động giảm cường độ dòng điện nên không cần biến trở điều chỉnh, tạo khí cuối giai đoạn ít, nên tránh phá hủy chất tác dụng cực ăn mòn mặt lưới cực dương Có thể mắc bình có dung lượng khác để nạp Dòng điện nạp điều chỉnh tự động, cường độ dòng điện lớn acquy có dung lượng lớn (do sức điện động acquy nhỏ hơn) Sau 4÷5h nạp, dung lượng acquy đạt 80÷90% dung lượng định mức, thời gian nạp ngắn nên việc kiểm tra acquy dễ dàng Nhược điểm phương pháp không điều chỉnh dòng điện nạp acquy, đồng thời tiến hành nạp acquy với dòng điện cần thiết sửa chữa cực bị sunphat hóa 2.1.7.3 Nạp acquy theo phương pháp hỗn hợp Phương pháp nạp acquy tổng hợp phương pháp ứng dụng hai phương pháp trên, dòng điện không đổi điện áp không đổi trình nạp Lúc bắt đầu nạp thường nạp với dòng điện không đổi lớn, có tác dụng cải thiện cực bị sunphat hóa dung lượng acquy nạp lớn (80÷90%) Sau nạp theo phương pháp áp không đổi, dòng điện nạp tự động giảm, cuối trình trì dòng điện nạp ổn định khoảng 20% dòng điện nạp cực đại cho phép thời gian dài cho chất điện phân ngấm sâu vào chất tác dụng (các cực) bảo 20 đảm cho acquy đầy điện hoàn toàn, việc kiểm tra điều khiển trình nạp điện cho acquy tự động hóa 2.1.8 Lựa chọn phương pháp nạp + Vì tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động acquy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp dòng điện acquy dâng nên không kiểm soát làm sôi acquy dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng Vì vùng nạp ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho acquy + Khi dung lượng acquy dâng lên đến 80% lúc ta tiếp tục giữ ổn định dòng nạp acquy sôi làm cạn nước Do đến giai đoạn ta lại phải chuyển chế độ nạp acquy sang chế độ ổn áp Chế độ ổn áp giữ acquy thực no Khi điện áp cực acquy với điện áp nạp lúc dòng nạp tự động giảm không, kết thúc trình nạp Từ phân tích trên: - Ta tiến hành nạp acquy với dòng điện nạp không đổi: In = 0.1*5 = 0.5 A - Để đáp ứng yêu cầu công nghệ hiệu kinh tế ta chọn phương pháp nạp acqui hỗn hợp dòng áp - Với số lượng acquy chiếc, ta nạp điện cho acquy theo phương pháp hỗn hợp dòng áp: mắc thành dãy gồm có acquy nối nối tiếp 2.2 Phần nạp acquy 2.2.1 Giải pháp thực Hình 2.2: Sơ đồ khối nạp ắc quy 21 Bộ nạp ắc quy chia làm phần chính: - Phần mạch động lực - Phần mạch điều khiển Phần động lực: Phần động lực gồm khối biến áp lực pha, hạ điện áp xoay chiều 220VAC mạng điện xuống mức phù hợp với điện áp sử dụng để nạp ắc quy, khối chỉnh lưu có nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp chiều nạp cho ắc quy Khối chỉnh lưu có điều khiển thực theo sơ đồ chỉnh lưu thyristor cầu pha không đối xứng.Việc điều khiển góc mở thyristor nửa chu việc thay đổi thời điểm đưa xung kích cực G cửa thyristor, từ dẫn đến thay đổi điện áp Sau phân tích đánh giá chỉnh lưu, từ ưu nhược điểm sơ đồ chỉnh lưu, nhiệm vụ chỉnh lưu chủ yếu nạp cho acquy Để phù hợp với thực tế nguồn điện sinh hoạt ta lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển Từ yêu cầu đề tài có: 22 Bộ nguồn chỉnh lưu chiều cấp điện để sạc cho acquy cung cấp cho phụ tải Điện áp thứ cấp máy biến áp: Từ công thức: 2.3 Tính toán phần nghịch lưu pha 2.3.1 Sơ đồ khối Hình 2.4: Sơ đồ khối nguồn nghịch lưu pha Bộ nguồn nghịch lưu thiết kế với công suất 1kVA, điện áp 220VAC, 50Hz 2.3.2 Nguyên lý hoạt động Các khối hoạt động sau: - Acquy bình 36V - Khối chỉnh lưu/nạp nạp điện cho acquy - Khối DC-DC nâng điện áp acquy từ 36V lên 380VDC cấp cho cầu nghịch lưu 23 - Khối nghịch lưu sử dụng mạch cầu H với van bán dẫn IGBT, điều khiển chip vi điều khiển dsPIC33FJ16GS504 theo nguyên lý PWM Điện áp chiều 380VDC biến đổi thành điện áp xoay chiều 220VAC Trong điều kiện làm việc bình thường, phụ tải cung cấp điện từ lưới điện Công tắc đóng, công tắc ngắt (là tiếp điểm Rơle) Bộ UPS làm việc chế độ chờ Khi điện lưới, công tắc ngắt đồng thời công tắc đóng, phụ tải đấu vào UPS Vì thời gian cấp điện từ acquy có hạn, cần ngắt tải khởi động máy phát điện để cung cấp cho tải trước thời gian mà acquy không khả cung cấp nhằm đảm bảo cung cấp điện liên tục cho tải 2.3.3 Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung 2.3.3.1 Đặt vấn đề Hiện có nhiều nghịch lưu nghịch lưu mà dạng sóng dòng điện điện áp đưa vào nghịch lưu xung vuông hoàn toàn xung có nhảy cấp mà ta định nghĩa chung nghịch lưu nhảy cấp Bộ nghịch lưu nhảy cấp loại có thuận lợi hạn chế định điều khiển dạng sóng đầu Thuận lợi chủ yếu vấn đề điều khiển, điều khiển, chừng mực định, kết cầu mạch điều khiển tương đối đơn giản, thời gian đóng cắt van bán dẫn cố định chu kì Ta thấy hai nghịch lưu nguồn dòng nguồn áp nửa chu kì điện áp đầu van bán dẫn đóng cắt lần nhất, nói tần số đóng cắt van bán dẫn hai lần tần số sóng nghịch lưu,khả chuyển mạch van bán dẫn yêu cầu không cao, dùng cho mạch công suất lớn van bán dẫn công suất lớn có tốc độ chuyển mạch thấp, van công suất lớn tốc độ chuyển mạch chậm Bên cạnh ưu điểm nghịch lưu nhảy cấp bộc lộ số nhược điểm, nhược điểm lớn khả sin hoá dòng điện điện áp không cao Do đóng cắt cung cấp cho tải xung vuông nên tải đông xuất sóng hài bậc cao không mong muốn Sóng hài xuất làm tổn hao mạch tăng lên độ tinh chỉnh điều khiển giảm Khi tần số đầu yêu cầu thấp sóng hài xuất nhiều tốc độ cận không hai nghịch lưu dạng khả kiểm soát tốc độ, đặc biệt nghịch lưu nguồn dòng Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung đời khắc phục nhược điểm hai nghịch lưu nguồn dòng nguồn áp Dạng sóng đầu nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) điều biến gần sin hơn, thành phần hài bậc cao loại trừ đến mức tối thiểu, khả điều khiển thích nghi theo cấp điện áp tần số dải tần số định mức Bằng phương pháp PWM ta điều khiển động thích nghi theo đường đặc tính cho trước Nhược điểm lớn nghịch lưu PWM yêu cầu van bán dẫn có khả đóng cắt tần số lớn Tần số thông thường lớn khoảng 15 lần tần số định mức đầu nghịch lưu 24 2.3.3.2 Nguyên lý hoạt động nghịch lưu PWM Hai đại lượng cần phải quan tâm xem xét PWM là: sóng mang sóng điều biên + Sóng mang: Sóng mang sóng tam giác có tần số lớn, đến hàng chục chí hàng trăm kHz + Sóng điều biên: Sóng điều biên sóng hình sin có tần số tần số sóng đầu nghịch lưu Sóng điều biên dạng sóng mong muốn đầu mạch nghịch lưu Hình sau biểu diễn điện áp đầu nghịch lưu PWM đơn cực Chu kì đóng mở điều khiển cho bề rộng xung chu kì cực đại đỉnh sóng hình sin Hình 2.5: Điện áp nghịch lưu PWM đơn cực Để ý diện tích xung tương ứng gần với diện tích dạng sóng hình sin mong muốn hai khoảng mở liên tiếp Các điều hoà sóng điều chế theo phương pháp PWM giảm rõ rệt theo phương pháp Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp dạng sóng đầu theo phương pháp PWM (đơn cực) mạch điều khiển người ta tạo sóng sin chuẩn mong muốn so sánh với dãy xung tam giác biểu diễn hình Giao điểm hai sóng xác định thời điểm kích mở van bán dẫn 25 Hình 2.6: Đồ thị xác định thời điểm kích mở van Hình 2.7: Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh Khi điện áp điều khiển giảm bề rộng xung giảm độ trống xung tăng, điện áp giảm Vì điều khiển điện áp đầu điện áp điều khiển 26 Hình giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh tạo điểm kích mở van bán dẫn Phần sóng hình sin nằm phía xung tam giác tương ứng cho xung có bề rộng b Giảm biên độ sóng hình sin nửa có xung có bề rộng c Xung sin có tần số nhỏ nhiều tần số xung tam giác nên coi chu kì xung tam giác xung hình sin không thay đổi độ lớn, ta có c = b/2 Biên độ điện áp điều biến không đổi bề rộng xung thay đổi,do điện áp trung bình đầu thay đổi ta có biên độ điện áp sau nghịch lưu thay đổi Cách điều chế tương tự xem xét cho phần âm song sin chuẩn Bề rộng a hình vẽ ứng với giá trị cực đại sóng sin Điều đồng nghĩa với biên độ cực đại sóng sin chuẩn không lớn xung tam giác Quá trình đưa xung có tần số cao vào tạo đóng cắt tần số lớn làm tăng điều hoà bậc cao Nhưng ta dễ dàng lọc điều hoà bậc thấp tần số sin Bên canh động tải điện cảm nên dễ dàng làm suy giảm điều hoà bậc cao điện áp dòng điện Số lần chuyển mạch nhiều chu kì sóng tam giác dẫn tới tổn hao đổi chiều thyristor nghịch lưu lớn Để chọn nghịch lưu có sóng gần chữ nhật nghịch lưu PWM phải ý đến giá thành bổ sung phần tử chuyển mạch tổn hao chuyển mạch, song song với điều phải tính đến sóng lại đầu 2.3.3.3 Sin hoá PWM Kĩ thuật sin hoá PWM ứng dụng thông dụng công nghiệp Hình 2.6 trình bày nguyên lý PWM, sóng mang chuẩn hình tam giác so sánh với thành phần tần số sóng điều biện hình sin, điểm giao cắt chúng đánh dấu điểm chuyển mạch phần tử bán dẫn công suất Những loạt xung vuông biến đổi đầu nghịch lưu điều biến thành hình sin, dạng sóng bao gồm thành phần tần số điều biến Biên độ thành phần thay đổi tần số điện áp sóng điều biến thay đổi Xử lý chuỗi Fourier sóng điện áp đầu phức tạp, trình bày theo công thức sau : m : hệ số điều biến ωs : tần số sóng bản( tần số điều biến) Ф : góc lệch pha đầu ra, phụ thuộc vào độ dương sóng đầu 27 Hệ số điều biến định nghĩa : VP: biên độ sóng điều biến VT: biên độ sóng mang Lý tưởng m biến đổi khoảng cho ta quan hệ tuyến tính điện áp điều tần điện áp đầu Khi giá trị m = điên áp đầu xung hình vuông đối xứng với khoảng trống Khoảng trống định nghĩa khoảng thời gian khoá phần tử chuyển mạch Khi giá trị m tiến dần tới 1, độ rộng khoảng trống gần nửa chu kì sóng hình sin giảm dần, độ rộng xung điện áp tăng dần Khi vận hành nghịch lưu hoàn hảo, độ rộng xung khoảng trống đạt tới giá trị nhỏ trì cho chuyển mạch phục hồi đóng cắt Cũng giống vậy, khoảng thời gian trễ đóng cắt nhỏ yêu cầu trình đóng mở hai phần tử đóng cắt cao thấp hai phần tử khoá Khoảng thời gian đưa để loại trừ khả ngắn mạch van trình trùng dẫn Dạng sóng đầu PWM bao gồm thành phần sóng hài có tần số sóng mang sóng hài bậc cao tần số dải tần sóng điều biến Tần số góc sóng hài tính theo công thức : 2.3.3.4 Nguyên tắc hoạt động nghịch lưu cầu điều biến độ rộng xung đơn cực Bộ nghịch lưu PWM đơn cực ( hay gọi khuếch đại chuyển mạch) khuếch đại có hiệu tín hiệu đầu vào V cont Điện áp đầu cung cấp cho tải +V DC , -VDC Tùy thuộc vào Vcont, -Vcont lớn hay nhỏ sóng tam giác đặt V tri Điện áp đầu tải có dạng V cont , sóng hài bậc cao tùy thuộc vào hệ số điều chế mf Ở đây, mf tỉ số tần số sóng điều chế tam giác sóng sin đặt Nguyên tắc khuếch đại so sánh giá trị ±Vcont với sóng tam giác Vtri Nguyên tắc minh họa hình sau: 28 Hình 2.7: Mô tả dạng sóng điều biên sóng tam giác Hình minh họa với ma =0,9, với ma tỉ số biên độ sóng điều khiển biên độ sóng điều biến Nguyên tắc để hoạt động khóa nghịch lưu cầu ( hình 2.5) thực hiên sau: Vcon>Vtri, đóng công tắc A+, mở công tắc A- , điên áp a Va= +Vdc VconVtri, đóng công tắc B+, mở công tắc B-, điên áp b Vb= +Vdc -VconVtri, mở công tắc B+, đóng công tắc B-, điên áp b Vb= -Vdc 29 Hình 2.8: Sơ đồ cầu nghịch lưu H Các Diode ngược mắc song song với khóa chuyển mạch để xả dòng điện ngược khóa khóa Dạng áp nghịch lưu cầu thể hình sau: Hình 2.9: Áp tải ( Vtai=Va -Vb) với ma=0 30 [...]... bảo sự cung cấp điện liên tục cho tải 2.3.3 Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung 2.3.3.1 Đặt vấn đề Hiện nay có rất nhiều bộ nghịch lưu là những bộ nghịch lưu mà dạng sóng của dòng điện hoặc điện áp đưa vào bộ nghịch lưu là những xung vuông hoàn toàn hoặc xung có nhảy cấp mà ta định nghĩa chung là những bộ nghịch lưu nhảy cấp Bộ nghịch lưu nhảy cấp loại này có những thuận lợi và hạn chế nhất định trong... cung cấp điện từ lưới điện chính Công tắc 1 đóng, công tắc 2 ngắt (là các tiếp điểm của Rơle) Bộ UPS làm việc trong chế độ chờ Khi mất điện lưới, công tắc 1 ngắt đồng thời công tắc 2 đóng, phụ tải được đấu vào bộ UPS Vì thời gian cấp điện từ acquy là có hạn, do đó cần ngắt tải hoặc khởi động máy phát điện để cung cấp cho tải trước thời gian mà acquy không còn khả năng cung cấp nhằm đảm bảo sự cung cấp. .. còn là nguồn điện dự phòng để cung cấp đóng cắt máy cắt, khởi động máy phát khi bị mất điện toàn bộ trong nhà máy hay khi điện lưới bị sự cố Khi cần có nguồn điện khẩn cấp trong một khu vực xác định chẳng hạn như cung cấp hệ thống chiếu sáng cho một khu thương mại mà nhu cầu điện năng trong khu vực đó có yêu cầu tương đối cao, hoặc cung cấp nguồn cho hệ thống máy tính có yêu cầu cao về cung cấp điện... với thực tế nguồn điện sinh hoạt ta lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển Từ yêu cầu của đề tài chúng ta có: 22 Bộ nguồn chỉnh lưu một chiều cấp điện để sạc cho acquy và cung cấp cho phụ tải Điện áp thứ cấp của máy biến áp: Từ công thức: 2.3 Tính toán phần nghịch lưu 1 pha 2.3.1 Sơ đồ khối Hình 2.4: Sơ đồ khối bộ nguồn nghịch... yêu cầu càng thấp thì sóng hài xuất hiện càng nhiều và khi tốc độ cận không thì hai bộ nghịch lưu dạng này mất khả năng kiểm soát tốc độ, đặc biệt là bộ nghịch lưu nguồn dòng Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung ra đời khắc phục được nhược điểm của hai bộ nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp trên Dạng sóng đầu ra của bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) được điều biến gần... chiều hay từ bộ biến đổi áp một chiều thành xoay chiều Còn điện một chiều được sản xuất ra từ nhiều nguồn khác nhau, ví dụ từ các máy phát điện một chiều, từ các bộ biến đổi xoay chiều thành một chiều, hoặc từ bộ nguồn hóa học như pin, acquy Acquy là nguồn điện một chiều được sử dụng khá rộng rãi bởi tính chất linh hoạt và thuận tiện của nó, một số ứng dụng có thể kể đến của acquy như là: Cung cấp điện... dòng điện acquy cung cấp có trị số lớn, bên cạnh đó acquy axít bị hạn chế về độ bền và thời gian sử dụng Acquy kiềm có hiệu suất làm việc thấp, điện trở nội khá lớn, độ bền và tuổi thọ của acquy kiềm cao hơn 4÷5 lần so với acquy axít, nhưng giá thành của nó gấp 2 ÷ 3 lần acquy axít, ngoài ra nó không độc hại cho môi trường 2.1.3 Cấu tạo của acquy 2.1.3.1 Cấu tạo của acquy axít chì Các bộ phận chủ yếu của... quá trình nạp với dòng nhỏ và xem xét nếu nhiệt độ tăng lên quá 450C thì phải cắt ngay mạch điện, đợi nhiệt độ giảm xuống đên 350C trở xuống mới tiếp tục nạp Các acquy sau khi nạp đầy, trong quá trình cất giữ có thể tự phóng điện liên tục, do vật liệu chế tạo acquy không được thuần khiết và để trong thời gian dài làm cho axít sunphuric lắng xuống gây nên Nếu trong dung dịch điện phân có tạp chất rơi vào... cấp điện thì có thể sử dụng các bộ acquy làm nguồn điện dự phòng Có thể thấy acquy có nhiều ứng dụng rất quan trọng ở cả quy mô sản xuất công nghiệp lẫn cả trong đời sống sinh hoạt của xã hội Acquy được xem là nguồn thao tác tin cậy nhất vì sự làm việc của chúng không phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài và đảm bảo cho các thiết bị làm việc tốt ngay cả khi mất điện toàn bộ trong lưới điện chính của nhà... hoạt động bộ nghịch lưu cầu điều biến độ rộng xung đơn cực Bộ nghịch lưu PWM đơn cực ( hay còn gọi là bộ khuếch đại chuyển mạch) khuếch đại có hiệu quả tín hiệu đầu vào V cont Điện áp đầu ra cung cấp cho tải là +V DC , -VDC Tùy thuộc vào khi nào Vcont, -Vcont lớn hơn hay nhỏ hơn sóng tam giác đặt V tri Điện áp đầu ra của tải có dạng của V cont , và các sóng hài bậc cao tùy thuộc vào hệ số điều chế mf