Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
Đồ án môn học: Điện tử công suất
Đề bài:
Thiết kế phần điện áp 1 chiều cho bộ UPS:
- Điện áp nguồn: 220 VAC+10%,-10%.
- Công suất: 4 KVA.
- Điện áp ra: 110 V
- Tần số vào: 60Hz
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
1
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
Ch ơng 1
CôNG NGHệ Và YÊU CầU Kĩ THUậT

I.GI I THIÊU UPS
hình I.1
1.1.Cung cấp điện cho những tải nhạy cảm
Sự cố trong các nguồn năng lợng điện có thể xẩy ra trong quá trình lắp đặt trang thiết
bị hoặc ở đầu vào hệ thống (quá tải, nhiễu, mất cân bằng pha, sấm sét, ). Những sự cố này
có thể gây ra những hậu quả khác nhau.
Về mặt lý thuyết: Hệ thống phân phối năng lợng điện tạo ra một điện áp hình sin với
biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (400V-50Hz chẳng hạn).
Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnh hởng
trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệ thống.
Đối với hệ thống cung cấp điện: Có thể bị sự cố hoặc gián đoạn cung cấp điện vì:
Hiện tợng nhiễm điện ở bầu khí quyển (thờng không tránh khỏi). Điều này có
thể ảnh hởng đến đờng dây ngoài trời hoặc cáp chôn, chẳng hạn:
- Sấm sét làm điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện
- Sơng giá có thể làm cho đờng dây bị đứt
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
2

Từ đó phải tìm cách loại chúng ra. Có nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau cho vấn đề
này, những giải pháp này đợc so sánh trên cơ sở của hai tiêu chuẩn sau để đánh giá:
Liên tục cung cấp điện
Chất lợng cung cấp điện
Hoạt động nh một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải nhạy cảm. UPS
cung cấp cho tải một năng lợng điện liên tục, chất lợng 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 hởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệt khi hệ
thống cung cấp ngừng hoạt động.
Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từ nhạy cảm
(chẳng hạn: GALAXY-sai số cho phép của biên độ
5,0

%, tần số
1

%)
UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua các khâu trung
gian: Acquy và chuyển mạch tĩnh.
1.3 ứ ng dụng của UPS trong thực tế
Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông, ngân hàng,y
tế,hàng không là rất lớn. Số lợng UPS đợc sử dụng gần bằng 1/3 số lợng máy tính đang đợc
sử dụng. Có thể lấy một vài ví dụ về các thiết bị sử dụng UPS, đó là những máy tính, việc
truyền dữ liệu và toàn bộ thiết bị ở một trạng thái nào đó là rất quan trọng và không cho
phép đợc mất điện. UPS đợc sử dụng trong ngành hàng không để đảm bảo sự thắp sáng liên
tục của đờng băng sân bay.
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
4
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS

=2.33I
đm
-Cách li về điện.
-Bảo dỡng và vận hành đơn giản,làm việc tin cậy cậy chắc chắn.
-Khả năng phản ứng tức thời trớc những dao động biên độ của hệ thống cung cấp,sử
dụng thiết bị điều khiển vi xử lí dựa trên kĩ thật số.
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
5
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
-Biên độ điện áp điều chỉnh trong phạm vi sai số

0.5%
ữ

1%,thời gian điều
chỉnh nhanh,kích thớc và trọng lợng của hệ nhỏ

b.UPS quay
Hình I.3
Sử dụng máy điện quay để thực hiện biến đổi năng lựợng,
-I
nm
=I
đm
-Hệ thống phụ tải cánh li với nguồn.
-Trở kháng ra của hệ thấp.
1.4.2.Phân biệt theo chế độ làm việc
a.UPS gián tiếp(offline UPS)
HìnhI.4
-Nghịch lu nối song song với hệ thống cung cấp là nguồn dự trữ phòng tình trạng

chính.
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
7
110220
ĐK
Aq
CL
NL
+
_
Hình I.2
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
ĐK: Bao gồm cả hệ thống phản hồi ,điều khiển hoạt động của CL ,NLvà quá trình
phóng nạp AQ ,ổn định cung cấp điện theo yêu cầu.
Trong phạm vi đồ án này chúng ta nghiên cứu phần CL cung cấp nguồn DC choNL,
AQ đồng thời với hệ thống điều khiển quá trình phóng nạp AQ.
II)ACQUI
2.1.Khái niệm acqui
ắc qui là một nguồn điện đợc trữ năng lợng điện dới dạng hoá.
ắc qui là một nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong công
nghiệp cũng nh trong đời sống hàng ngày: nh động cơ điện, bóng đèn điện, là nguồn nuôi
của các linh kiện điện tử... ắc qui là nguồn cung cấp điện cho các động cơ khởi động.
Trong thực tế có nhiều loại ắc qui nhng phổ biến nhất là hai loại ắc qui chì và ắc qui
axit.
2.2. Cấu tao và đặc điểm của các loại ắc qui:
Cấu trúc của một ắc qui đơn giản gồm có phân khối bản cực dơng, phân khối bản cực
âm, các tấm ngăn. Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau.
Cấu tạo của một bản cực trong ắc qui gồm có phần khung xơng và chất tác
dụng trát lên nó.
Khung xơng của bản cực âm và bản cực dơng có cấu tạo giống nhau, chúng đợc đúc từ chì

), các bản âm là chì ( Pb
), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H
2
SO
4
) nồng độ d = 1,1 ữ 1,3 %
(- ) Pb H
2
SO
4
d = 1,1 ữ 1,3 PbO
2
( + )
Phơng trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit :
phóng
PbO
2
+ 2H
2
SO
4
+ Pb 2PbSO
4
+ 2H
2
O
nạp
Thế điện động e = 2,1 V.
3.2. Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui kiềm:
Trong ắc qui kiềm có bản cực dơng là Ni(OH)

- nồng độ dung dịch điện phân ở 15 C ( g/cm
3
)
Trong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của ắc qui đợc tính theo công thức:
Ep = Up + Ip.r
b

trong đó : Ep - sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V )
Ip - dòng điện phóng ( A )
Up - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V)
r
b
- điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( )
Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui đợc tính theo công thức:
En = Un - In.r
b
trong đó : En - sức điện động của ắc qui khi nạp điện ( V )
In - dòng điện nạp ( A )
Un - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi nạp điện ( V )
r
b
- điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( )
b. dung lợng của ắc qui:
_Dung lợng phóng của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng cung cấp năng lợng
điện của ắc qui cho phụ tải, và đợc tính theo công thức :
Cp = Ip.tp
trong đó : Cp - dung dịch thu đợc trong quá trình phóng ( Ah )
Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp ( A )
tp - thời gian phóng điện ( h ).
_Dung lợng nạp của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng tích trữ năng lợng của ắc

(dòng điện phóng và thời gian phóng ).
b.Đặc tính nạp acqui
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
11
C
P
= I
P
.t
P
Vùng phóng điện cho phép
2
0
5
10
1,75
1,95
2,11
I (A) E,U (V)
10
6
4 8
t
E
U
P
Khoảng nghỉ
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
Đặc tính nạp của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức điện động , điện áp
và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay đổi .

Cn = In.tn
Vùng nạp chính
5
10
0 2 4
10%C
10
1
6
8
ts 10 12
Vùng
nạp n
0
t
I (A) U,E (V)
2,4
2
2,7
U
T
E
Khoảng
nghỉ
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
Cả hai loại ắc qui này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộc loại dung
kháng và sức phản điện động. Nhng chúng còn có một số đặc điểm khác biệt sau :
ắc qui axit ắc qui kiềm
- Khả năng quá tải không cao, dòng
nạp lớn nhất đạt đợc khi quá tải là


2.7.Các ph ơng pháp nạp ắc qui tự động.
Có ba phơng pháp nạp ắc qui là
+ Phơng pháp dòng điện.
+ Phơng pháp điện áp.
+ Phơng pháp dòng áp.
a. Phơng pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi.
Đây là phơng pháp nạp cho phép chọn đợc dòng nạp thích hợp với mỗi loại ắc qui,
bảo đảm cho ắc qui đợc no. Đây là phơng pháp sử dụng trong các xởng bảo dỡng sửa chữa
để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sử chữa cho các ắc qui bị Sunfat hoá. Với phơng pháp này
ắc qui đợc 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
Trong quá trình nạp sức điện động của ắc qui tăng dần lên, để duy trì dòng điện
nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R. Trị số giới hạn của biến trở đợc xác
định theo công thức :

n
aqn
I
N0,2U
R

=
Nhợc điểm của phơng pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo dài và
yêu cầu các ắc qui đa vào nạp có cùng dung lợng định mức. Để khắc phục nhợc điểm thời
gian nạp kéo dài, ngời ta sử dụng phơng pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều
nấc. Trong trờng hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 ữ 0,6 )C
10

10
.
Các quá trình nạp ắc qui tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp
với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc qui, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không.
2.8.Tính toán và lựa chọn acqui
Căn cứ vào đầu ra của bộ nghịch lu độc lập nguồn dòng điện, ta có thể chọn đợc điện
áp đầu vào đặt lên ắcquy.Giả sử ta chọn bộ nghịch lu độc lập nguồn áp một pha
Khi đó điện áp ra dạng xung chữ nhật ,nếu phân tích ra các thành phần của chuỗi
Fourier sẽ gồm các thành phần sóng hài với biên độ bằng:
U
(n)
=-2
n
nE


))cos(1(
+

Nh vậy điện áp ra tồn tại các thành phần sóng hài bậc lẻ 1,3,5,7...với biên độ bằng
....
5
4
,
3
4
,
4

EEE

=
95,0
4
= 4,21(KVA)
Ta giả sử bộ nghịch lu có hiệu suất 0,8 suy ra công suất cung cấp ở đầu vào nghịch lu =
0,8*4,21 = 3,368(KVA)
Dòng điện cần thiết để nạp cho ắc quy là:
I
d
=
60
3368
= 56,13(A)
Thông thờng khi chọn ăcquy phải chọn dung lợng lớn hơn 2 hoặc 5 lần dung lợng định mức
tuỳ thuộc vào loại ắc quy để đảm bảo cho ắc quy không bị hỏng
Do trong bộ ắc quy có nội trở trong do đó điện áp đầu ra của bộ chỉnh lu đợc tính
nh sau:
U
cl
=U
d
+U
t
Trong đó:
U
cl
: điện áp đầu ra bộ chỉnh lu.
U
d
: điện áp đặt trên hai đầu ắc quy. U

10
; nạp cỡng bức với dòng
điện nạp In = 0,2C
10
.
+ ắc qui kiềm : dòng nạp In = 0,2C
10
; nạp cỡng bức với
dòng điện nạp In = 0,5C
10
.

Qua phân tích về yêu cầu kỹ thuật của bộ lu điện ở trên, em chọn phơng án thiết kế
bộ chỉnh lu cho bộ lu điện loại Offline UPS vì nó khá đơn giản về thiết kế và đáp ứng đợc
những đòi hỏi cơ bản của 1 nguồn điện dự phòng.
- Chọn loại ắcquy 12V ( 5 ắcquy mắc nối tiếp nhau )
- Trong đó
+ Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lu là: 62,53 V
+ Dòng điện cần thiết để nạp cho ắcquy là: 56,13 ( A )
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
16
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
CHƯƠNG 2
LƯạ CHọN Và TíNH TOáN MạCH CHỉNH LƯU
Do yêu cầu của bài là điện áp một pha nên ta sẽ chọn lựa mạch lực dựa trên một số
mạch chỉnh lu một pha cơ bản :
1. Chỉnh lu một nửa chu kỳ.
Hình 1. Sơ đồ chỉnh lu một nửa chu kỳ.
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
17

ba
= 3,09.U
d
.I
d
. (8 -2)
Đánh giá chung về loại chỉnh lu này chúng ta có thể nhận thấy, đây là loại chỉnh lu cơ
bản, sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản. Tuy vậy các chất lợng kỹ thuật nh: chất lợng điện áp
một chiều; hiệu suất sử dụng biến áp quá xấu. Do đó loại chỉnh lu này ít đợc ứng dụng trong
thực tế.Khi cần chất lợng điện áp khá hơn, ngời ta thờng sử dụng sơ đồ chỉnh lu cả chu kỳ
theo các phơng án sau.
2. Chỉnh lu cả chu kỳ với biến áp có trung tính.

Hình 2. Sơ đồ chỉnh lu cả chu kỳ với biến áp có trung tính.
Theo hình dạng sơ đồ, thì biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt
nhau, ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng điện chạy qua. Cho nên ở cả hai nửa chu
kỳ sóng điện áp tải trùng với điện áp cuộn dây có van dẫn. Trong sơ đồ này điện áp tải đập
mạch trong cả hai nửa chu kỳ, với tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều.
Hình dạng các đờng cong điện áp, dòng điện tải (Ud, Id), dòng điện các van bán dẫn I1, I2
và điện áp của van T1 mô tả trên hình 8.3a khi tải thuàn trở và trên hình 8.3b khi tải điện
cảm lớn.
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
18
T2
U1
0
0
1
1
2

t
c.b
p1 p2 p3
UT1 UT1