thiết kế chế tạo bộ nguồn lưu điện ups online

Nguồn điện lưới không cung cấp trực tiếp cho thiết bị mà được biến đổi thành dòngđiện một chiều nạp cho ắc quy và bộ nghịch lưu Inverter.. TỔNG QUAN VỀ UPS1.1 Giới thiệu về UPSUPS Uninte

LỜI NÓI ĐẦUTrong cuộc sống hiện nay sự phát triển của thế giới đi kèm theo là vấn đề về sự đápứng của nguồn năng lượng Khi những sự cố mất điện bất ngờ như vậy có thể ảnh hưởngtrực tiếp tới các thiết bị dùng điện, đặc biệt ảnh hưởng tới tuổi thọ các thiết bị điện tửnhạy cảm như hệ thống thông tin, điều khiển công nghiệp, cũng như có thể gây những hậuquả nghiêm trọng hơn ví dụ như dừng hoạt động của hệ thống đèn tín hiệu giao thông ,mất dữ liệu trên máy tính hoặc server

Vì vậy phải tìm cách tăng chất lượng nguồn năng lượng cho các thiết bị UPS(Uninterruptible Power Supply) ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu cung cấp một nguồn điệnliên tục cho các thiết bị điện trước các sự cố mất điện bất ngờ Không những thế, UPS cóthể bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm bằng cách đưa ra các cảnh báo hoặc tắt thiết bịtheo đúng quy cách khi nguồn điện dự trữ sắp hết

Trong đề tài này, chúng em nghiên cứu “Thiết kế bộ lưu điện UPS online” cung

cấp năng lượng trực tiếp đến phụ tải mà không cần chuyển mạch UPS online giúp loại bỏnhững sự cố của điện lưới do điện áp đầu vào luôn được điều chế trước khi cấp cho tải sửdụng Nguồn điện lưới không cung cấp trực tiếp cho thiết bị mà được biến đổi thành dòngđiện một chiều nạp cho ắc quy và bộ nghịch lưu (Inverter) Bộ nghịch lưu sẽ tiếp tục biếnđổi dòng một chiều nhận được thành điện áp đầu ra phù hợp với thiết bị sử dụng Như vậy

có thể thấy rằng khi lưới điện xảy ra bất kỳ sự cố nào thì thiết bị vẫn luôn được an toàn

Để hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn đến

các thầy cô giáo trong khoa công nghệ tự động đặc biệt là cô giáo Nguyễn Thị Điệp đã

tận tình giảng dạy truyền đạt những kiến thức quý báu và tạo những điều kiện để em đượchọc tập tốt trong những năm tháng qua

Trong quá trình làm đồ án, do thời gian còn hạn chế nên đồ án của chúng em khôngthể tránh khỏi những thiếu sót, nên chúng em rất mong các thầy cô cũng như các bạn cóthể nêu ý kiến để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

NHẬN XÉT (Của giáo viên hướng dẫn)

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

………… ………

……….

………

GVHD: Th.S Nguy n Th Đi pễn Thị Điệp ị Điệp ệp 2

NHẬN XÉT (Của giáo viên phản biện)

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

……….

.……… ………

……….

………… ………

……….

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ UPS 1

1.1 Giới thiệu về UPS 1

1.2 Phân loại UPS 1

1.2.1 UPS offline 1

1.2.2 UPS offline với công nghệ line interactive 2

1.2.3 UPS online 3

1.3 Lựa chọn phương án 4

1.3.1 Loại UPS 4

1.3.2 Thông số mạch UPS 4

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 5

2.1 Sơ đồ khối tổng thể mạch lực 5

2.2 Tính toán thiết kế khối chỉnh lưu 5

2.2.1 Nguyên lý làm việc sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha 5

2.2.2 Tính chọn thiết bị cho mạch chỉnh lưu 6

2.3 Tính toán khối acquy và mạch nạp acquy 7

2.3.1 Tính chọn ac quy 7

2.3.2 Tính chọn mạch nạp ac quy 11

2.4 Tính toán thiết kế khối băm xung 16

2.4.1 Nguyên lý làm việc bộ băm xung Push - Bull 16

2.4.2 Tính chọn thiết bị trong sơ đồ 18

2.5 Tính toán thiết kế khối nghịch lưu 20

2.5.1 Nguyên lý làm việc của sơ đồ nghịch lưu áp cầu một pha 20

2.5.2 Phương pháp điều khiển nghịch lưu 23

2.5.3 Tính chọn thiết bị trong sơ đồ 27

2.6 Tính toán chọn bộ lọc LC 27

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 29

3.1 Thiết kế mạch điều khiển bộ băm xung 29 GVHD: Th.S Nguy n Th Đi pễn Thị Điệp ị Điệp ệp

3.1.1 Sơ đồ chân trong IC KA3525 29

3.1.2 Nguyên lý hoạt động mạch băm xung 30

3.2 Thiết kế bộ điều khiển nghịch lưu 33

3.2.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F877A 34

3.2.2 Lập trình hoạt động cho vi điều khiển PIC 38

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 40

4.1 Kết quả mô phỏng 40

4.1.1 Công cụ mô phỏng proteus 40

4.1.2 Hình ảnh mô phỏng thực tế 40

4.2 Chạy thực nghiệm và kết quả thực nghiệm 42

4.2.1 Thiết kế mạch nạp acquy 42

4.2.2 Thiết kế mạch băm xung và mạch điều khiển nghịch lưu 43

4.2.3 Mạch thực tế 45

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỂ XUẤT 46

5.1 Kết luận 46

5.2 Đề xuất hướng phát triền 46

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ tóm tắt nguyên lý của UPS offline 1

Hình 1.2 Sơ đồ tóm tắt nguyên lý của UPS công nghệ Line interactive 2

Hình 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc của UPS online 3

Hình 2.1 Sơ đồ mạch UPS online 5

Hình 2.2 Sơ đồ mạch cầu một pha dùng diot 5

Hình 2.3 Khối acquy 7

Hình 2.4 Bố trí các ngăn trong acquy 8

Hình 2.5 Cấu tạo acquy 8

Hình 2.6 Mô phỏng bản cực axit của acquy 9

Hình 2.7 Trạng thái hóa học trong quá trình phóng nạp 9

Hình 2.8 Acquy Haze 10

Hình 2.9 Nạp ac quy với dòng điện không đổi 11

Hình 2.10 Nạp acquy với điện áp không đổi 12

Hình 2.11 Sơ đồ khối mạch nạp ac quy 14

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý bộ băm xung Pushbull 17

Hình 2.13 Đồ thị dạng điện áp, dòng điện 18

Hình 2.14 Sơ đồ ngịch lưu áp cầu 1 pha 21

Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn nghịch lưu áp một pha 22

Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc tạo xung điều khiển 24

Hình 2.17 Điều chế độ rộng xung 1 cực tính 24

Hình 2.18 Nghịch lưu áp một pha và sơ đồ thay thế 25

Hình 2.19 Chu kì chuyển mạch 26

Hình 2.20 Điện áp của nghịch lưu với PWM 26

Hình 2.21 Sơ đồ các chân KA3525 29

Hình 2.22 Sơ đồ khối bên trong ic KA3525 29

Hình 2.23 Sơ đồ mạch nguyên lý mạch băm xung dùng IC KA3525 31

Hình 3.1 Nguyên lý tạo xung PWM của KA3525 32

GVHD: Th.S Nguy n Th Đi pễn Thị Điệp ị Điệp ệp 3

Hình 3.2 Nguyên lý tạo xung đầu ra của KA3525 32

Hình 3.3 Dạng xung đầu ra trên các kênh A và B 33

Hình 3.4 Bảng chọn thông số thiết bị 33

Hình 3.5 Sơ đồ tổng thể mạch điều khiển nghịch lưu 33

Hình 3.6 Vi điều khiển PIC 16F877A 34

Hình 3.7 Sơ đồ khối các chân 35

Hình 3.8 Dạng sóng điều chế PWM 37

Hình 3.9 Hoạt động của thanh ghi điều khiển PWM 38

Hình 3.10 Điện áp xoay chiều giữa a-b 39

Hình 4.1 Dạng xung PWM lấy từ các chân lấy từ vi điều khiển và dạng điện áp đầu ra 41

Hình 4.2 Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in khối nạp acquy chỉnh lưu 42

Hình 4.3 Sơ đồ mạch nguyên lý khối băm xung và khối nghịch lưu 43

Hình 4.4 Sơ đồ mạch in khối băm xung và khối nghịch lưu 44

Hình 4.5 Mô hình mạch thực tế đã chạy 45

DANH MỤC BẢNG BIỂ Bảng 1.1 Bảng chọn thiết bị 6

Bảng 1.2 Thông số thiết bị ac quy 11

Bảng 3.3 Bảng thông số thiết bị 16

Bảng 3.4 Bảng thông số thiết bị 20

Bảng 3.5 Thông số thiết bị IGBT 27

Bảng 3.6 Bảng thông số linh kiện chính dùng trong mạch 28

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ UPS1.1 Giới thiệu về UPS

UPS (Uninterruptible Power Supply) là một thiết bị có thể cung cấp liên tục điện năngnhằm duy trì sự hoạt động của thiết bị sử dụng điện khi lưới điện gặp sự cố (mất điện, sụtgiảm điện áp quá thấp, sự cố khác ) trong một khoảng thời gian với công suất giới hạntheo khả năng của nó

Chức năng chính của UPS là đảm bảo cung cấp điện liên tục, ngoài ra còn có thêmcác chức năng sau:

- Làm tăng chất lượng nguồn điện thông qua việc lọc và nắn lại các thay đổi đột ngộtcủa điện áp

- Chống lại hiện tượng quá tải cũng như ngắn mạch

- Tự động tắt máy trong trường hợp nguồn điện dự trữ sắp hết

- Theo dõi trạng thái của nguồn điện, ghi lại các thông tin về các thay đổi của việc cungcấp điện

- Đặt thời gian bật tắt cho thiết bị điện

1.2 Phân loại UPS

1.2.1 UPS offline

UPS Offline là loại UPS mà điện lưới đầu vào đi qua công tắc chuyển mạch trướckhi cấp cho tải sử dụng UPS lúc này chỉ sử dụng bộ sạc để nạp đầy điện cho ắc quy.Trường hợp điện lưới không ổn định (quá cao, quá thấp hoặc mất điện) thì UPS sẽ tựđộng chuyển mạch (thông qua rơ-le), dùng nguồn từ ắc quy cấp cho thiết bị để duy trìhoạt động

Hình 1.1 Sơ đồ tóm tắt nguyên lý của UPS offlineGVHD: Th.S Nguy n Th Đi pễn Thị Điệp ị Điệp ệp 1

B,Khi có sự cố mất điện lưới hệ thống:

- Ác quy cung cấp cho mạch điện giao động để chuyển thành dòng điện xoay chiềutiếp tục cung cấp cho thiết bị tiêu thụ Công tắc ngắt điện khỏi nguồn lưới để chuyển sangdùng điện từ pin phải đảm bảo khi ngắt hoàn toàn ra khỏi lưới điện mới được phép cungcấp điện từ bộ inverter (trên thực tế thì các UPS này có hai “công tắc chuyển mạch” kiểunhư trên dược điều khiển cùng lúc - trong kỹ thuật thường gọi là “rơ le”) bởi nếu khôngdòng điện cung cấp từ pin sẽ phải cấp cho cả lưới điện địa phương - và cũng như máyphát điện, hệ thống sẽ hư hỏng vì quá tải

Nhược điểm của loại UPS offline là thời gian chuyển mạch từ khi sự cố điện lướicho đến khi nguồn pin cung cấp cho thiết bị tiêu thụ lớn khoảng 10 ms và không thể mởrộng thời gian lưu điện bằng ắc quy lưu điện gắn trong và cả gắn ngoài

1.2.2 UPS offline với công nghệ line interactive

Đây là loại UPS thông thường nhưng có thêm phần ổn áp bằng biến áp tự ngẫu

Hình 1.2 Sơ đồ tóm tắt nguyên lý của UPS công nghệ Line interactivePhần nhánh ắc quy và nghịch lưu không thay đổi, chỉ có phía bên nhánh cung cấpđiện cho thiết bị tiêu thụ điện ngoài phần khóa chuyển mạch còn được thông qua một biến

số đầu ra ở lưới điện đại phương thì biến áp tự ngẫu lúc này có số vòng dây sơ cấp bằngthứ cấp, do đó không có sự can thiệp nào vào điện áp đầu ra và UPS hoạt động như bìnhthường.

Khi điện áp của lưới thấp hơn điện áp chuẩn hoặc điện áp của lưới điện cao hơn cácthông số chuẩn biến áp tự ngẫu sẽ chuyển sang một nấc khác, làm cho điện áp đầu ra đảmbảo đúng thông số yêu cầu

Trong trường hợp mất điện lưới thì UPS này sẽ chuyển mạch giống UPS offlinebình thường

1.2.3 UPS online

UPS Online là loại UPS hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi kép: từ AC sang DCsau đó chuyển ngược DC sang AC Do đó nguồn điện cung cấp cho tải hoàn toàn do UPStạo ra đảm bảo ổn định về điện áp và tần số sóng ra luôn luôn là hình Sin Điều này làmcho các thiết bị điện hầu như được cách ly hoàn toàn với sự thay đổi của lưới điện

Nguồn điện lưới lúc này không cung cấp trực tiếp cho các thiết bị mà chúng đượcbiến đổi thành điện một chiều tương ứng với điện áp của acquy Sơ đồ bên dưới ta thấyđược rằng điện từ lưới thông qua bộ sạc biến đổi điện xoay chiều (AC) thành điện mộtchiều (DC) nạp vào acquy rồi qua bộ nghịch lưu chuyển ngược lại thành điện xoay chiềuphù hợp với điện áp của thiết bị sử dụng

UPS online không có thời gian chuyển mạch khi nối lưới và có thể kết nối với acquyngoài nên được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị quân sự, thông tin liên lạc, những thiết

bị cần thời gian sử dụng lâu, không có thời gian trễ

Hình 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc của UPS online

GVHD: Th.S Nguy n Th Đi pễn Thị Điệp ị Điệp ệp 3

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 một thời gian trễ nào Điều nàylàm cho thiết bị sử dụng rất an toàn, và ổn định UPS online sẽ luôn luôn ổn định điện ápđầu ra bởi cũng theo mạch thì điện áp đầu vào lúc này được biến đổi xuống mức điện áp

ắc quy và chúng có công dụng như một ắc quy có dung lượng lớn vô cùng (nếu không bị

sự cố lưới điện).Vì vậy chỉ với các loại UPS online mới có công dụng ổn áp một cách triệtđể

1.3 Lựa chọn phương án

1.3.1 Loại UPS

-Với quy mô của một đồ án tốt nghiệp, thời gian nghiên cứu và thi công, chúng em

lựa chọn thiết kế và thi công một bộ UPS online.

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

2.1 Sơ đồ khối tổng thể mạch lực

Hình 2.1 Sơ đồ mạch UPS online

Ở chế độ bình thường thì ups sẽ vừa cấp điện trực tiếp cho điện lưới và vừa cấp điện

để sạc cho acquy thông qua mạch nạp acquy để acquy có đủ điện sau Khi có sự cố xảy ralàm mất điện lưới thì ac quy sẽ làm nhiệm vụ cấp điện để qua các khối băm xung vànghịch lưu để cấp điện cho lưới

2.2 Tính toán thiết kế khối chỉnh lưu

2.2.1 Nguyên lý làm việc sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha

Trong quy mô của đồ án, để thiết kế thu gọn toàn bộ mạch mà vẫn đáp ứng được yêu

cầu bài toán là dùng điện nạp cho acquy, chúng em chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một

pha Mạch được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế, ưu điểm là có thể không cần dùng đến

biến áp, dòng tải trong đồ án chỉ từ 2-5A nên đáp ứng được yêu cầu và thiết kế mạch rấtđơn giản

+

-t

t Ud

Ud U2

U2

Hình 2.2 Sơ đồ mạch cầu một pha dùng diot

Nguyên lý làm việc

Mạch chỉnh lưu gồm 4 van điot D1-D4 đấu thành 1 nhóm D1, D3 nhóm catot chung,

D2, D4 nhóm anot chung Nguồn xoay chiều đưa vào mạch van có thể lấy trực tiếp từ lướiđiện hoặc thông qua biến áp

Trong nửa chu kì đầu 0 <q<p, u2=√2U2sinθ >0; Diode D1, D2 phân cực thuận, D3,

D4 phân cực ngược Dòng điện chảy từ điểm A qua D1, qua tải, D2 về điểm B

Ta có phương trình:

Trong nửa chu kì sau p<q< 2p, u2=√2U2sinθ <0 Diode D1, D2 phân cực ngược,

D3,D4 phân cực thuận Dòng điện chảy từ điểm B qua D3, qua tải, D4 về điểm A

2

2 2

2.3

d d

2.2.2 Tính chọn thiết bị cho mạch chỉnh lưu

Với việc chỉnh lưu nguồn điện xoay chiều để đưa vào mạch nạp cho acquy thì giá trịđiện áp không tải đảm bảo cung cấp cho mạch nạp

Từ đó ta chọn di ot 1N4001

1 Bảng chọn thiết bị

Điện áp làm việc: 50 – 1000VDòng điện giới hạn: Imax= 1ANhiệt độ hoạt động: -55oC ~ 150oC

Acquy là loại bình điện hóa học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điệncung cấp cho cá thiết bị điện như động cơ điện, bóng đèn, nguồn nôi cho các linh kiệnđiện tử Acquy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch Nó tích trữ năng lượng dướidạng hóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng Dòng điện trong bìnhacquy tạo ra do phản ứng điện phân giữa vật liệu trên bản cực và dung dịch H2SO4 Bìnhacquy 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

Hình 2.3 Khối acquyMỗi 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

Có thể có nhiều ác gọi như acquy nước, acquy axit, acquy axit kiểu hở, accquy kínkhí, acquy không cần bảo dưỡng, acquy khô, acquy kiềm… Trên thực tế thường phân biệtthành 2 loại ac quy là acquy axit và acquy kiềm Trong công nghiệp phần lớn sử dụngacquy axit còn acquy kiềm thường dùng trong lĩnh vực quân sự do giá thành quá cao Ở

đồ án này chúng em chọn acquy axit

Cấu tạo ac quy

Trong thực tế các cực của ắc quy có số lượng nhiều hơn (để tạo ra dung lượng bình

ắc quy lớn) và mỗi bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn như vậy Nhiều tấm cực để tạo ratổng diện tích bản cực được nhiều hơn, giúp cho quá trình phản ứng xảy ra đồng thời tạinhiều vị trí và do đó dòng điện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn, dung lượngcao hơn Do kết cấu xếp lớp nhau giữa các tấm cực của ắc quy nên thông thường số cựcdương và cực âm không bằng nhau bởi sẽ tận dụng sự làm việc của hai mặt một bản cực(nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặt trái chiều ở cách nhau quá

xa, do đó phản ứng hóa học sẽ không thuận lợi) Ở giữa các bản cực của ắc quy đều cótấm chắn, các tấm chắn này không dẫn điện nhưng có độ thẩm thấu lớn để thuận tiện choquá trình phản ứng xảy ra khi các cation và anion xuyên qua chúng để đến các điện cực.

Hình 2.4 Bố trí các ngăn trong acquy

Mỗi một ngăn cực của ắc quy a-xít chỉ cho mức điện áp khoảng 2 đến 2,2 V do đó

để đạt được các mức 6, 12 V thì ắc quy phải ghép nhiều ngăn nhỏ với nhau, ví dụ ghép 3ngăn để thành ắc quy 6V, ghép 6 ngăn để thành ắc quy 12V

Hình 2.5 Cấu tạo acquy

Nguyên lý hoạt động của acquy

Hình 2.6 Mô phỏng bản cực axit của acquy

Trong hình này vẽ đại diện hai bản cực của một ắc quy, trong đó cực cả hai cựcđược làm bằng Chì (Pb) và oxít Chì (PbO2) Điền đầy giữa các bản cực là dung dịch axítsulfuric (H2SO4) loãng, và tất nhiên là dung dịch loãng như vậy thì chứa Nước (H2O) làchiếm phần lớn thể tích.Ở trạng thái được nạp đầy, các bản cực ắc quy ở trạng thái hóahọc Trong các quá trình phóng điện và nạp điện cho ắc quy, trạng thái hóa học của cáccực bị thay đổi

Hình 2.7 Trạng thái hóa học trong quá trình phóng nạpQuá trình phóng điện diễn ra nếu như giữa hai cực ắc quy có một thiết bị tiêu thụđiện, khi này xảy ra phản ứng hóa học sau:

Tại cực dương: 2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2

Tại cực âm: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2

Phản ứng chung gộp lại trong toàn bình là: Pb+PbO2+2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2OQuá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàn toànchuyển thành PbSO4

Quá trình nạp điện cho ắc quy, do tác dụng của dòng điện nạp mà bên trong ắc quy

sẽ có phản ứng ngược lại so với chiều phản ứng trên, phản ứng chung gộp lại trong toàn bình sẽ là: 2PbSO4 + 2H2O = Pb+PbO2+2H2SO4

Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu: Cực dương gồm: PbO2,cực âm là Pb

b Tính chọn thông số acquy

Để lựa chọn thông số ac quy ta cần quan tâm đến 2 yếu tố: thời gian sử dụng và tổngcông suất của toàn bộ tải Xác định thời gian sự dụng của hệ thống là 25 phút và áp dụngcông thức tính toán sau:

Trong đó: t là thời gian cần có điện của hệ thống

V: hiệu điện thế của mạch nạp acquyAh: dung lượng cần nạp

Pf: Hệ số năng suất của UPS: 0.7Tổng công suất tiêu thụ trong hệ thống được dùng là 1 phụ tải công suất 300W do

đó cần tính dung lượng ac quy là :

Ah = (25 * 300/60)/(12 *0.7) = 4,34 Ah (2.7)Vậy cần 1 ac quy 12.5Ah/12V là đảm bảo yêu cầu

Ở trong mô hình chúng e chọn acquy haze để đưa vào mạch nạp acquy.

Hình 2.8 Acquy Haze

2 Thông số thiết bị ac quy

Trọng lượng: 57kgDải nhiệt độ hoạt động: - 10 °C - 50°C.Vật liệu vỏ: nhựa ABS chống cháy

Điện áp nạp tối đa: 35A

Mức dung lượng tại 20°C:

Hình 2.9 Nạp ac quy với dòng điện không đổiĐây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mọi loại ắcqui, bảo đảm cho ắc qui đủ điện áp Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảodưỡng 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

Dòng điện nạp được tính theo công thức:

n aq n

Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo dài vàyêu cầu các ắc qui đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức Để khắc phục nhược điểmthời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay

nhiều nấc Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 + 0,5 )C2

tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi Dòng điện nạp ở nấc thứhai là 0,05C2

- Phương pháp nạp acquy với điện áp không đổi

Phương pháp này yêu cầu các acquy được mắc song song với nguồn nạp Hiệu điện

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 tđủi gian nạp ngắn, dòng nạp tự độnggiảm theo thời gian Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc qui không được nạp đủ Vì vậynạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung choacquy trong quá trình sử dụng

Hình 2.10 Nạp acquy với điện áp không đổiCác acquy được mắc song song, điện áp thiết bị nạp được tự động điều chỉnh vàkiểm tra bằng vonmet Điện áp của thiết bị nạp thường phải tương ứng với số phần tử acquy được nạp, dự tính điện áp của mỗi phần tử nạp là 2.4V để dòng điện chung trongmạch không vượt quá dòng điện cực đại cho phép của thiết bị.

- Nạp acquy theo phương pháp hỗn hợp

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

ưu điểm của mỗi phương pháp Lúc bắt đầu nạp với dòng điện không đổi lớn, có tác dụngcải thiện các tấm bản cực đã bị sun hat hóa và dung lượng acquy được nạp khá lớn Sau

đó nạp theo phương pháp điện áp không đổi Dòng điện nạp sẽ tự động giảm xuống cuốiquá trình sẽ có thể duy trì một dòng điện nạp khoảng 20% dòng điện nạp cực đại chophép trong thời gian dài cho chất điện phân ngấm sâu vào chất tác dụng (các tấm cực) bảođảm cho acquy đầy điện hoàn toàn, việc kiểm tra và điều khiển quá trình nạp điện cho acquy có thể tự động hóa

Vì acquy là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khiacquy chưa đủ điện mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong acquy sẽ tựđộng dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi acquy dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng

Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho acquy .

Có 4 chế độ nạp

- Nạp thả nổi: dòng nạp nhỏ hơn 1/15 dung lượng acquy trong 20h

- Nạp vừa: dòng nạp từ 1/7-1/8 dung lượng acquy trong 8 đến 10h

- Nạp nhanh dòng nạp từ ¼ dung lượng acquy trong hơn 4h

- Vừa nạp vừa dùng dòng nạp bằng ½ dung lượng acquy cho đến khi đầy

Yêu cầu mạch nạp phải đơn giản dễ chế tạo và làm việc ổn định

Dựa vào những phân tích trên, để đáp ứng yêu cầu công nghệ cũng như hiệu quả kinh tế, ta lựa chọn nạp acquy theo phương pháp hỗn hợp.

b Mạch nạp ac quy

Trong đồ án này, chúng em sử dụng IC nguồn Switching IC3842 là loại IC nguồnđược sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị điện tử dân dụng và công nghiệp nói chunghiện nay để sử dụng cho mạch nạp ac quy Nguyên lý hoạt động của ic này là sử dụngmức điện áp so sánh – phản hồi để tự động điều chỉnh điện áp ra.(Chi tiết ở phụ lục)

Ta có sơ đồ mạch nạp ac quy

Hình 2.11 Sơ đồ khối mạch nạp ac quy

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ như sau:

Sau khi điện áp được chỉnh lưu từ 220V xoay chiều thông qua mạch cầu diot sẽthành 220V một chiều cấp vào IC3842 được cung cấp một dòng ban đầu thông qua cặpđiện trở 51k/3W để có thể cung cấp một cường độ dòng điện ban đầukhoảng 1 ÷ 4mA UC3842 có thể tạo được dao động để kích thích cho transistor mở quabiến áp xung và nhờ vậy sẽ tạo ra điện áp quay về trên cuộn L2 để cung cấp trở lại choIC3842 với cường độ dòng điện lớn hơn nhằm duy trì điện áp ổn định cho UC3842 hoạtđộng

IC3842 tự tạo ra được một Tần số Dao động không đổi trong khoảng 17 đến 40KHz và tự điều chỉnh độ rộng xung nhằm điều chỉnh điện áp ra theo yêu cầu sao chonếu điện áp ra cần phải phù hợp để nạp vào acquy

Điện áp được điều chỉnh thông qua quá trình tự động so sánh điện áp quay vềhoặc so sánh trực tiếp với điện áp ra để đưa về điều chỉnh điện áp trên chân số 2 của

IC3842 Điện áp làm việc của chân 2 là trong khoảng 2,5 ÷ 3V, nếu vượt quá 3V thì sự

dao động của IC3842 sẽ bị ngắt quãng không liên tục Nếu điện áp này giảm dưới 2Vthì UC3842 bị mất khả năng tự điều chỉnh điện áp ra và điện áp ra luôn bị tăng vọt quámức cho phép

Sau khi đi qua được mạch so sánh điện áp trong IC 3842 thì điện áp ra sẽ được quabiến thế xung qua transistor và qua điot cầu để tăng dòng nạp và qua tụ lọc và qua biếnthế xung để nạp cho acquy với điện áp thích hợp

-Tính chọn thông số mạch nạp

Sau khi phân tích đánh giá nhiệm vụ chỉnh lưu chủ yếu là nạp cho acquy, để phùhợp thực tế với nguồn điện sinh hoạt cũng như phụ tải sử dụng từ acquy là đèn, ta có+ Điện áp nạp : Un = 2.4 x6 = 14.4V

+ Dòng điện nạp: In = 0.1.Id= 0.1*7 = 0.7 A

Tính toán máy biến áp

- Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: U1 = 220V

- Điện áp pha thứ cấm của máy biến áp khi có tải là :

Ud0cosαmin = Ud + 2ΔU + 2ΔUU + 2ΔU + 2ΔUUdm + ΔU + 2ΔUUba (2.9)

- U: Điện áp chỉnh lưu=14.4V

trên các điện cảm lấy sơ bộ ΔU + 2ΔUUba = 6% Ud =0.06*14.4 = 0.864

- αmin: 100là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới

U K

p



5 Bảng thông số thiết bị

1 Biến áp 1 Điện áp vào: 220V, điện áp ra: 14.5V

2.4 Tính toán thiết kế khối băm xung

2.4.1 Nguyên lý làm việc bộ băm xung Push - Bull

Ta chọn bộ băm kiểu Push-Pull Trong mạch này dùng 2 van để đóng cắt biến áp

xung và mỗi van dẫn trong 1 nửa chu kì.Với việc đóng cắt liên tục hai van này thì luônluôn xuất hiện dòng điện liên tục trên tải Chính vì ưu điểm này mà nguồn Push-Pull chohiệu suất biến đổi là cao nhất và được dùng nhiều trong các bộ nguồn như UPS Hơn nữaviệc sử dụng tần số chuyển mạch lớn cho kiểu này còn giảm nhẹ khối lượng thết kế biến

áp, nên hiệu suất càng cao hơn Điện áp xoay chiều đầu ra dễ ổn định hơn vì có thêmkhâu ổn định điện áp phía một chiều

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý bộ băm xung Pushbull

Nguyên lý làm việc bộ băm xung:

Khi Q1 được đóng Q2 mở thì cuộn dây ở phía trên sơ cấp có điện đồng thời cảm ứngsang cuộn dây phía trên ở thứ cấp có điện và điện áp sinh ra có cùng cực tính Dòng điệnbên thứ cấp qua Diode cấp cho tải

Khi Q2đóng và Q1 mở thì cuộn dây ở phía dưới sơ cấp có điện đồng thời cảm ứngsang cuộn dây phía dưới thứ cấp có điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính

Trong cùng một thời điển thì không được cả 2 van cùng dẫn Mỗi van chỉ được dẫntrong một nửa chu kì Khi van này mở thì van kia phải đóng và ngược lại Thời gian mởcác van phải chính xác, giữa 2 van cần có thời gian chết để đám bảo cho 2 van không dẫncùng

Vì có 2 bộ transistor chuyển mạch và diot đầu ra nên dòng điện trung bình qua mỗiphần được giảm đi một nửa Khoảng thời gian giữa 2 transistor dẫn thì diote D1 và D2 dẫnđồng thời

Từ đó, diện áp 12V từ acquy được băm thành các xung điện áp 12V Điện áp nàyđược khuếch đại lên thành điện áp có trị hiệu dụng 310VDC nhờ máy biến áp xung cóđiểm giữa và được giữ ở mức ổn định 310VDC nhờ mạch phản hồi lấy từ đầu ra của bộkhuếch đại áp một chiều khuếch đại và đưa về chân INV của KA3525 KA3525 sẽ lấy tínhiệu này và đưa tín hiệu ra 2 chân Push- Pull thích hợp nhằm điều khiển 2 FET công suất,giữ mức điện áp cố định ở đầu ra có giá trị hiệu dụng 310V

Hình 2.13 Đồ thị dạng điện áp, dòng điện

2.4.2 Tính chọn thiết bị trong sơ đồ

a Chọn van mạch lực

Công suất bộ UPS là 350W

Dòng điện tức thời cực đại chảy trong cuộn dây sơ cấp máy biến áp xung là

Idm =

3002512

dm P

A

Dòng điện trung bình chảy trong mỗi FET:

2512.5

dm d

I

(2.13)Điện áp ngược tác dụng lên mỗi FET khi bị khóa là 12V

- Điện áp chịu đựng khi khóa VDSS = 55V

- Dòng điện định mức khi dẫn ID=110A

- Điện trở nội khi dẫn RDS(on)=8.0mQ

- Điện áp ngưỡng chuyển từ dẫn sang khóa VGS(th) 2 đến 4 (V)

- Độ trể từ khóa sang dẫn td(on) = 14nS

- Độ trể từ dẫn sang khóa td(off) = 50nS

b Chọn diode

- Điện áp Udc = 310 V Chỉnh lưu phía thứ cấp biến áp xung ta chọn chỉnh lưu cầu,

do đó điện áp trước chỉnh lưu là:

3103410.9 0.9

dc thu

- Dòng điện làm việc: IF> Ki* Ilv = 1.4*0.88 = 1.2A

- Chọn diode chỉnh lưu là loại diode xung, với thời gian phục hồi nhỏ Ta chọnloại diode MUR460

f



(2.16)Với P’ = 300 * 10%*310 = 330W

Với các thông số R = 12K, CT = 2200pF, R = 47 Ohm =>f = 53219Hz

Cuộn sơ cấp có điểm giữa, điện áp mỗi cuộn sơ cấp là 12VCuộn thứ cấp có điện áp 310V.

d.Chọn mạch lọc

Chọn tụ lọc đầu vào C1:Mục đích là giảm độ nhấp nhô của điện áp đầu vào cấp bởi acquy

Tụ lọc phải thỏa mãn 1 min

300

0.075

2 .s i i 2*5000*0.02*20

P C

2.5 Tính toán thiết kế khối nghịch lưu 2.5.1 Nguyên lý làm việc của sơ đồ nghịch lưu áp cầu một pha

Theo yêu cầu của đề tài thiết kế, ta cọn sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

vì phương pháp này được sử dụng phổ biến trong thực tế Trước kia nghịch lưu áp bị hạnchế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ Tuynhiên ngày này công suất của các van động lực như IGBT, GTO càng trở lên lớn và có

kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi ngày càng thông dụng Hơnnữa điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo nhiều phương pháp khác nhau để cóthể giảm được sóng điều hòa bậc cao

Hình 2.14 Sơ đồ ngịch lưu áp cầu 1 pha

Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả gồm 4 van động lực chủ yếu là T1 T2, T3,

T4 và các điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng của tải về lưới và như vậytránh được quá áp ở đầu nguồn

Tụ C0được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn 2chiều Như vậy tụ c thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ ccòn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp

Nguyên lý làm việc:

Ở nửa chu kỳ đầu (0q2)cặp van T1 và T2 dẫn, phụ tải được đấu vào nguồn.Donguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải Ut= E Tại thời điểm 0 q 2 T1 và T2 bị khóa, T3

và T4 mở ra Tải sẽ được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải

sẽ đảo chiều và Ut= -E tại thời điểmq2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữnguyên hướng cũ, T1, T2 đã bị khóa nên dòng phải khép mạch qua D3, D4 Suất điện độngcảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3, D4

Tương tự như vậy, khi khóa cặp T3, T4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1 và D2 Đồ thịđiện áp tải ut, dòng tải it, dòng qua điôt iD và dòng qua Thyristor được biểu diễn trên hìnhsau: