Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 1

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 2
Chƣơng 1: TÌM HIỂU VỀ UPS VÀ ỨNG DỤNG 3
1.1 Giới thiệu chung về UPS 3
1.2 Phân loại UPS : 4
1.3 Ứng dụng của UPS trong thực tế : 9
Chƣơng 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 11
2.1 Thuật toán tạo sóng sin 11
2.2 Các khối mạch sử dụng 17
2.3 Tính toán mạch lọc thông thấp 24
Chƣơng 3: XÂY DỰNG KHÂU ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 30
3.1 Nguyên lý chung của khâu tự động điều chỉnh điện áp : 30
3.2 Xây dựng mô hình toán cho các khâu của mạch nghịch lưu : 30
Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU CÁC MODULE CƠ BẢN CỦA
DSPIC33FJ12MC202 37
4.1 Tổng quan về vi điều khiển dsPIC33FJ12MC202: 37
4.2 Cấu trúc vi điều khiển : 38
4.3 Tổ chức bộ nhớ: 40
4.4 Khái quát về các thanh ghi: 41
4.5 Giới thiệu các module cơ bản 43
Chƣơng 5: TÌM HIỂU PHƢƠNG PHÁP HÕA ĐỒNG BỘ 63
5.1. Nhu cầu hòa đồng bộ vào lưới 63
5.2 Các điều kiện hòa đồng bộ 63
5.3 Vòng khóa pha (Phase Locked Loop - PLL) 63
Chƣơng 6: MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐƢỢC 73
KẾT LUẬN 75
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

Chƣơng 1: TÌM HIỂU VỀ UPS VÀ ỨNG DỤNG
1.1 Giới thiệu chung về UPS
UPS được viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power Supplier
được hiểu như là hệ thống nguồn cung cấp liên tục hay đơn giản hơn là bộ lưu trữ
điện dự phòng nhằm làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống.
1.1.1 Cấu trúc chung :
Nguồn dự phòng (Acquy hoặc máy phát)
Một bộ chỉnh lưu
Mạch lọc cho khâu chỉnh lưu
Mạch nghịch lưu
Mạch điều khiển hoạt động cho các van.
1.1.2 Giải pháp dùng UPS :
Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và hậu quả của nó về phương diện:
An toàn cho người
An toàn cho thiết bị nhà xưởng
Mục tiêu vận hành kinh tế.
Ta cần phải tìm cách loại bỏ tất cả các sự cố. Có nhiều giải pháp kỹ thuật khác
nhau cho vấn đề này, những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của hai tiêu
chuẩn sau để đánh giá:
Cung cấp điện liên tục
Chất lượng điện cung cấp
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 4

Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải nhạy
cảm, UPS cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục, chất lượng cao, không
phụ thuộc mọi tình trạng của hệ thống cung cấp.
UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy:
Không bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệt khi hệ

UPS offline không có công dụng ổn áp khi chúng sử dụng điện lưới bình
thường - bởi đơn giản khi không có sự cố về lưới điện thì các thiết bị phía
sau UPS đơn thuần được nối trực tiếp với lưới điện thông qua rơ le.
b. UPS online
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 6 Hình 1.2 Cấu trúc UPS online
Được chèn vào giữa hệ thống cung cấp và tải. Toàn bộ điện năng cung cấp
cho tải đều phải qua nghịch lưu do vậy việc cung cấp điện được liên tục
trong phạm vi sai số cho phép của f, U.
Không phụ thuộc vào trạng thái của hệ thống cung cấp điện.
Áp dụng cho tải có công suất trung bình P 40 KVA.
1.2.2 Phân loại UPS dựa theo bộ chuyển đổi

Hình 1.3 Cấu trúc UPS tĩnh
a. UPS tĩnh: Sử dụng bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện cung cấp năng lượng.
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 7

Giới hạn dòng trong vận hành cho phép I
cp
=2.33I
đm
.
Cách li về điện.
Bảo dưỡng và vận hành đơn giản, làm việc tin cậy cậy chắc chắn.

Một hệ thống UPS quay tiêu biểu bao gồm các thành phần sau:
1 động cơ kéo 1 máy phát điện đồng bộ (Máy phát và động cơ được liên kết
về mặt cơ khí nhờ hệ thống li hợp, đai truyền .v.v.)
Trục quay máy phát được gắn với 1 bánh đà khối lượng lớn.
Khi hệ thống xảy ra sự cố ngắn hạn, động cơ bị ngắt điện. Bánh đà tiếp tục
quay (do quán tính lớn), do đó tiếp tục kéo máy phát và cung cấp điện cho
đầu ra.
1.2.3 Sơ đồ nguyên lí chung của UPS :
NL
ĐK
CL
AQ
+
-

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí chung của UPS

Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 9

CL: Cung cấp nguồn một chiều cho nghịch lưu và nạp thường trực cho acquy
AQ: Tạo năng lượng dự trữ cung cấp cho nghịch lưu khi xảy ra:
- Ngừng hoạt động hệ thống cung cấp.
- Hệ thống cung cấp có sự cố hoặc chất lượng hệ thống cung cấp không
nằm trong giới hạn cho phép.
NL: Chuyển đổi DC AC với sai số cho phép chặt chẽ, chắc chắn hơn hệ
thống chính
ĐK: Bao gồm cả hệ thống phản hồi ,điều khiển hoạt động của CL, NL và quá
trình phóng nạp AQ, ổn định cung cấp điện theo yêu cầu.

6. Các ứng dụng khác
Máy quét hình, cung cấp năng lượng cho máy bay

Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phòng, nó có mặt ở mọi chỗ mọi nơi,
những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục.
Bởi tầm quan trọng của UPS, đồ án của em có mục tiêu thiết kế bộ UPS vừa có
khả năng chạy độc lập (nghịch lưu), đồng thời có khả năng kết nối với lưới điện
(hòa đồng bộ).

Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 11

Chƣơng 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
2.1 Thuật toán tạo sóng sin
2.1.1 Phƣơng pháp tạo sóng điều biến :
Có hai phương pháp để tạo ra sóng điều biến :
1. Phương pháp sử dụng sóng sin cao tần :
Được mô tả bằng hình vẽ sau :

Hình 2.1 Phƣơng pháp sóng sin cao tần

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 13

Theo hình vẽ trên : khi ta cấp tín hiệu điều biến sóng Sin để kích mở khóa K
1
và
K
2
thì điện áp đặt trên điện trở sẽ có dạng hình Sin.Và biên độ điện áp sóng Sin
này là
2
I
V

t
Voc(t)
V
u
R

Hình 2.4 Điện áp tạo bởi mạch nửa cầu
b) Cấu trúc mạch Full-Bridge (Cả cầu) :
K1
K2
I
V
A
Ls
R
B


AB A B
u u u

.sin( ) .sin( ) [sin( ) sin( )]
2 2 2
I I I
AB
V V V
u t t t t

Ta thấy rằng :
[sin( t)-sin( t)] 2

Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi :
O
tt 180)sin()sin(

Vậy nên tín hiệu sóng Sin điều biến phải lệch pha nhau 180
o
để biên độ điện áp
ra là lớn nhất .
V
A
V
B
u
AB

Hình 2.6 Điệp áp tạo ra bởi mạch cả cầu
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

Tỷ số điều biến tần số: là tỷ số giữa tần số sóng mang (f
pwm
) và sóng sin
chuẩn (f
sin
), ký hiệu tỷ số này là m
f
:

pwm
f
c
f
m
f

Thường thì m
f
> 9 để đảm bảo tỷ lệ hài trong điện áp đầu ra bé .
2.1.3 Mô phỏng trên Psim :
Cách tạo ra tín hiệu điều biến :
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 16

Sử dụng một tín hiệu sin chuẩn giao với sóng tam giác qua bộ so sánh ta sẽ
có được sóng điều biến.
Hai tín hiệu sóng sin chuẩn đặt lệch pha nhau góc 180
0


Tính chọn van
Công suất đầu ra của mạch nghịch lưu là P = 1kW. Điện áp U
ra
= 220V.
 dòng điện đầu ra :
dm
10000
4,5( )
220
P
IA
U

Điện áp một chiều đưa vào là V
dc
= 350V
Chọn van cho mạch lực ta phải dựa vào một số điều kiện sau :
Đối với van hoạt động ở chế độ làm mát tự nhiên (không có cánh tản nhiệt).
Dòng làm việc của van bằng khoảng 10% dòng điện định mức cho phép của
van. I
đm
= 10%I
van
=> I
van
= 10.I
đm
= 10.4,5 = 45(A)
Đối với van làm việc ở chế độ có cánh tản nhiệt làm mát, dòng điện làm việc
của van cho phép khoảng 30%I

đm

 I
van
=
10
9
.I
đm
=
10
9
.4,5 = 5 (A)
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 19

Vì van hoạt động ở chế độ có cánh tản nhiệt làm mát nên ta chọn MOSFET
IRFP460 (với các thông số V
DSS
= 500V, I
D
= 20A, R
DS(on)
= 0.27 ).

Hình 2.11 Sơ đồ Mạch lực
Sử dụng 4 Mosfet IRF460, cho phép dòng điện tải định mức chạy qua là 20A,
điện áp ngược chịu đựng là 500V, mắc sơ đồ như hình vẽ. Giắc cắm J2 nối với điện
áp một chiều đầu vào, giắc cắm J1 là điện áp điều biến đầu ra, J3 và J4 nối với

Sử dụng 2 IC lái IR2110, thứ tự các chân được nối như hình vẽ trên, nguồn cấp
cho nó là 5V và 15V, được tạo bởi IC ổn áp 7805 và 7815 đã nói đến ở trên. Các
đầu vào 10 và 12 được nối với đầu ra của mạch cách ly. Tụ C2 và C4 là các tụ
bootstrap. Đầu ra của giăm J1 và J4 được nối tới để điều khiển mạch lực.
Giới thiệu IC IR2110
IR2110 là loại IC chuyên dụng để lái MOSFET và IGBT của hãng IR
(International Rectifier). IC này có 1 kênh output (mỗi kênh gồm high side
và low side) có thể lái cho một nhánh của cầu bán dẫn.

2.2.3 Mạch điều khiển
Dùng vi điều khiển dsPIC33FJ12MC202 (đây là 1 loại vi điều khiển khá mạnh
và sẽ được trình bày rõ hơn ở phần sau).
Mạch điều khiển có nhiệm vụ phát ra xung điều khiển để điều khiển các khóa
bán dẫn của bộ nghịch lưu ba pha qua mạch cách ly và mạch lái.
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 22 Hình 2.14 Mạch điều khiển
Mạch gồm nguồn 3,3V cấp vào chân VDD và chân AVDD của vi điều khiển, bộ
tạo xung dao động thạch anh 7,37MHz được nối vào chân 9 và chân 10. Chân đọc
tín hiệu phản hồi ADC được nối vào chân 2. Các chân 4 (PGD1), chân 5 (PGC1),
chân MCLR dùng để nạp chương trình cho vi điều khiển. Các đầu ra của tín hiệu
PWM nằm ở các chân 23, 24, 25, 26.
2.2.4 Mạch cách ly
Các mạch phát ra tín hiệu để điều khiển mạch công suất bán dẫn phải được cách
ly về điện. Điều này có thể thực hiện được bằng mạch cách ly quang hoặc bằng
biến áp xung. Mạch cách ly là phần nối giữa mạch điều khiển và mạch lái.
Biến áp xung :

Để thực hiện điều này ta sử dụng mạch lọc thông thấp có dạng như dưới hình
vẽ, gồm hai thành phần L và C.
2.3.2 Tác dụng của C và L trong mạch lọc
Ta biết Z
L
= 2π.f.L , nên khi tần số f tăng, dẫn đến Z
L
tăng, hay nói cách khác
nó ngăn không cho những tần số bậc cao đi qua.
Tương tự
1
2. . .
C
Z
fC
, khi tần số tăng , dẫn đến Z
C
giảm, do Z
C
mắc song song
với tải nên nó có xu hướng cho thành phần bậc cao chạy qua và triệt tiêu nó.
2.3.3 Mô hình toán để tính toán giá trị L và C
Khi tính toán giá trị cuộn lọc và tụ lọc, do điện trở cuộn lọc rất nhỏ nên ta có thể
bỏ qua. Khi đó ta có mô hình mạch lọc:
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 25

u
vao

1
()
.1
ra
vao
u
Ks
u LC s

Nên hàm truyền của mạch lọc có dạng như sau:
2
1
()
.1
Ks
LC s


22
11
()
( ) 1 1
Kj
LC j LC

Biên độ hàm truyền :
2
1
| ( ) |
|1 |