TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ
NGUỒN UPS CÔNG SUẤT NHỎ
Sinh viên thực hiện:

DƯƠNG ĐÌNH HÙNG
Lớp 48K ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn: THS. HỒ SỸ PHƯƠNG

NGHỆ AN, 01 − 2012


MỤC LỤC

MỤC LỤC................................................................................................................ 2


Mục lục hình vẽ

Hình 1.1.Sử dụng nguồn UPS cho tải số
Hình 1.2. Một số sơ đồ UPS

Hình 3.9. Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A
Hình 3.10. Sơ đồ khối Timer2
Hình 3.11. Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC
Hình 3.12. Thanh ghi T2CON
Hình 3.13. Sơ đồ khối modul PWM
Hình 3.14. Xung điều chế PWM
Hình 3.15. Đồ thị điều chế PWM
Hình 3.16. Đồ thị
Hình 3.17. Lưu đồ chương trình điều khiển
Hình 3.18. IC IR2103
Hình 3.19. Sơ đồ chân của IC IR2103
Hình 3.20. Sơ đồ các khối chức năng của IC IR2103
Hình 3.21. Quan hệ logic giữa các chân vào ra
Hình 3.22. Sơ đồ nguyên lý mạch trôi áp BOOTSTRAP
Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý mạch phản hồi
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng bộ Inverter
Hình 4.2. Dạng xung điều khiển mosfet
Hình 4.3. Dạng sóng đầu ra
Hình 4.4. Mạch thực nghiệm trên board hàn.
Hình 4.5. Đo hiệu điện thế hiệu dụng.
Hình 4.7 Đo hiệu điện thế hiệu dụng.


Hình 4.6. Thử nghiệm với tải là bóng đèn.


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU


Vào cuối thế kỷ 20, độ tin cậy cung cấp điện của các nước công nghiệp phát
triển vào khoảng 99.9%, tương ứng khoảng thời gian mất điện trong một năm là 8 giờ
mà phổ biến dưới dạng mất điện trong một vài phút. Điều này không thành vấn đề
đối với hệ thống chiếu sáng hoặc hệ thống điện cơ, tức với kỹ thuật tương tự
(analog), chất lượng điện chỉ bao gồm hai chỉ tiêu quan trọng nhất là điện áp và tần
số.Nhưng đối với hệ thống kỹ thuật số (Digital) vấn đề không đơn giản như vậy. Đặc
biệt với các thiết bị trong lĩnh vực công nghệ thông tin được ứng dụng từ công nghệ
kỹ thuật số luôn được xem là bước đệm quan trọng trong việc làm gia tăng sản phẩm,
giảm thiểu chi phí sản xuất và tạo sự ổn định bền vững cho xã hội.Độ tin cậy cung
cấp điện của các hệ thống có máy tính cần phải tăng lên rất nhiều, vì mất điện dù chỉ
trong một vài mili giây sẽ có nguy cơ mất hết thông tin hoặc làm rối loạn quá trình
trao đổi dữ liệu máy tính và các yêu cầu hệ thống kỹ thuật số phải khởi động lại.
Nguồn điện dự
phòng
UPS
( uninterruptible power
supply ) là nguồn dự
phòng trong khoảng thời
gian sau khi nguồn chính
bị sự cố. Nó là thiết bị
cung cấp điện năng có
khả năng duy trì điện thế
ổn định, bên cạnh đó
UPS còn có thêm một
chức năng như chống
xung , lọc nhiễu, ổn áp có
khả năng quản trị năng
lượng cho cả hệ thống .
Hình 1.1.Sử dụng nguồn UPS cho tải số
2

Ác quy

b)

Sơ đồ UPS online

Hình 1.2. Một số sơ đồ UPS

1.2.

Khối Inverter
3

Tải


Chương 1: Tổng quan công nghệ

1.2.1. Khái niệm Inverter
Inverter là thiết bị chuyển đổi trực tiếp nguồn điện áp hoặc dòng điện một chiều
thành nguồn điện áp hay nguồn dòng điện xoay chiều.
1.2.2. Cấu tạo của bộ Inverter

Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ Inverter

Quan sát sơ đồ khối trên ta thấy bộ Inverter gồm có bốn bộ phận chính đó là bộ
nghịch lưu, mạch điều khiển, mạch lọc đầu ra, mạch phản hồi.
a. Khối nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng điện một chiều sang năng
lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.

để tạo điện áp xoay chiều trên tải.

Q1

C1

LOAD

Q2
C2

Hình 1.4. Sơ đồ nghịch lưu hình tia.
+ Nghịch lưu theo sơ đồ hình cầu: Hình 1.5 là sơ đồ nghịch lưu hình cầu(full
bridge). Trong nửa chu kì đầu, cặp van (Q1,Q2) dẫn, dòng điện qua tải theo chiều từ a
đến b. Trong nửa chu kì sau, cặp van (Q3,Q4) dẫn, dòng điện chạy theo chiều từ b đến
a. Từ đó, tạo điện áp xoay chiều trên tải.
Loại van được sử dụng trong mạch Full Bridge tùy thuộc vào ứng dụng, nếu
là nghịch lưu độc lập điện áp thì sử dụng các van điều khiển hoàn toàn như BJT,
MOSFET, IGBT, GTO. Nếu là nghịch lưu độc lập dòng điện hoặc nghịch lưu độc lập
cộng hưởng thì thường dùng Thyristor. Nếu ứng dụng cần làm việc với tần số cao thì
nên dùng MOSFET.

5


Chương 1: Tổng quan công nghệ

Q3

Q1


Chương 1: Tổng quan công nghệ

- Phương pháp điều chế SPWM: Các bộ nghịch lưu đề cập trong phần trên là
những bộ nghịch lưu mà dạng sóng của dòng điện hoặc điện áp đầu vào bộ nghịch lưu
là những xung vuông hoàn toàn hoăc xung có nhảy cấp mà ta còn có thể gọi là 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 điều khiển và dạng sóng đầu ra. Thuận lợi chủ yếu là vấn
đề điều khiển, trong điều khiển, ở một chừng mực nhất định, thì kết cấu của mạch điều
khiển tương đối đơn giản, thời gian đóng cắt của van bán dẫn được cố định trong một
chu kì. Ta thấy cả hai bộ nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp đề cập ở trên thì trong
một nửa chu kì điện áp cơ bản đầu ra thì các van bán dẫn chỉ đóng cắt một lần duy
nhất. Có thể nói rằng tần số đóng cắt của van bán dẫn bằng hai lần tần số của sóng cơ
bản bộ nghịch lưu. Khả năng chuyển mạch của van bán dẫn yêu cầu không cao, do vậy
có thể dùng cho mạch công suất lớn vì các van bán dẫn công suất lớn có tốc độ chuyển
mạch thấp, các van công suất càng lớn thì tốc độ chuyển mạch càng chậm. Bên cạnh
ưu điểm trên thì bộ nghịch lưu nhảy cấp trên bộc lộ một số nhược điểm, nhược điểm
lớn nhất là khả năng sin hoá dòng điện hoặc điện áp không cao. Do đóng cắt cung cấp
cho tải những xung vuông nên khi tải là đông cơ sẽ xuất hiện sóng hài bậc cao không
mong muốn. Sóng hài xuất hiện làm tổn hao trong mạch tăng lên và độ tinh chỉnh
trong điều khiển giảm. Khi tần số đầu ra 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 trên. Dạng sóng đầu ra của bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM
- Pulse Width Modulation) được điều biến gần sin hơn, thành phần hài bậc cao được
loại trừ đến mức tối thiểu, khả năng điều khiển thích nghi theo mọi cấp điện áp và mọi
tần số trong dải tần số định mức. Bằng phương pháp SPWM ta có thể điều khiển được
động cơ thích nghi theo một đường đặc tính cho trước. Nhược điểm lớn nhất của bộ
nghịch lưu SPWM là yêu cầu van bán dẫn có khả năng đóng cắt ở tần số lớn.

động:
- Mạch lọc hai mắt cộng hưởng

Hình 1.7. Bộ lọc hai mắt cộng hưởng[1]
- Mạch lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp

Hình 1.8. Bộ lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp[1]
- Mạch lọc LC

Hình 1.9. Bộ lọc LC[1]
e. Khối mạch phản hồi
Khối mạch phản hồi có nhiệm vụ tiếp nhận các đại lượng đầu ra để đưa về khối
điều khiển. Khối điều khiển sẽ tiếp nhận thông tin và điều chỉnh thông số để hệ thống
hoạt động theo yêu cầu công nghệ. Trong bộ nguồn UPS, có nhiều tín hiệu cần được
phản hồi để bảo đảm tính ổn định như phản hồi điện áp, phản hồi dòng điện, quá tải,
ngắn mạch…

9


Chương 1: Tổng quan công nghệ

Trên đây là sơ lược về khối chuyển đổi năng lượng điện áp một chiều sang năng
lượng điện áp xoay chiều (Inverter) trong bộ nguồn UPS. Điện áp đầu ra sau khối
Inverter là tiêu chí quan trọng để đánh giá một bộ nguồn UPS. Trong khuôn khổ đồ án
này, em đi sâu vào nghiên cứu thiết kế bộ Inverter cho nguồn UPS sử dụng phương
pháp điều chế SPWM.

1.3. Bài toán thiết kế
1.3.1. Số liệu hoạt động


R1

C1

Q3

C3
Lf
Cf

C4

LOAD

C2
Q2

Q4

BA

R2

R4

Hình 2.1. Sơ đồ mạch lực cho Inverter
2.2. Tính chọn máy biến áp
Nghịch lưu được điều khiển theo phương pháp SPWM nên ta sử dụng biến áp
thường. Ngoài chức năng khuếch đại điện áp, biến áp thường còn có nhiệm vụ lọc sóng


Chương 2. Thiết kế mạch lực

2.2.3. Vai trò của máy Biến áp
- Biến áp là thành phần chính quyết định tới công suất phát của mạch.
- Tăng áp ở phía thứ cấp.
- Làm suy yếu cấc sóng hài bậc cao sinh ra sau mạch cầu Full-Bridge đồng thời đưa ra
thứ cấp sóng cơ bản và một số sóng hài bậc thấp. Khi đó lõi thép sẽ nóng do sóng hài bậc
cao bị hấp thụ ở phía sơ cấp.
2.2.4. Tính toán và thiết kế máy Biến áp
- Số liệu bài ra như sau:
+ Hiệu điện thế hiệu dụng đặt vào sơ cấp biến áp là: U1 = 12(V)
+ Hiệu điện thế hiệu dụng ở đầu ra thứ cấp là: U2 = 110(V)
+ Tần số làm việc của dòng điện là 50(Hz), hình sine.
+ Công suất đầu ra của bộ Inverter là S2 = 30(VA)
+ Giả sử hiệu suất chuyển đổi của biến áp là 86%.
- Các bước để thiết kế một máy biến áp.
a. Tính công suất máy biến áp
- Chọn hiệu suất của máy biến áp là 86% thì công suất bộ nghịch lưu cấp cho sơ cấp máy
biến áp là:
S1 = = = 35(VA)

(2.1)

- Dòng điện trong cuộn sơ cấp của máy biến áp là:
I1 =

s
u


s

1

= 1.2 ∗

35 = 7.1(cm2)

(2.4)

+ Do các lá thép có sơn cách điện và độ cong vênh nhất định nên tiết diện thực của lõi
thép bao giờ cũng lớn hơn diện tích có ích.
+ Tiết diện của lõi biến áp mà ta đo được là: St =

s

i

kg

=

+ Trong đó:
• a, b là kích thước bề rộng và bề dài của lõi.
• kg là hệ số ghép phụ thuộc vào chất lượng của lá thép thương kg = (0.8 ÷ 0.9), kg
được chọn theo kinh nghiệm như sau:
• kg = 0.9 đối với lá thép chữ E có bề dày là 0.35mm.
• kg = 0.93 đối với là thép chữ E có bề dày là 0.5mm.
• kg = (0.8 ÷ 0.85) đối với lá thép chữ E bị han rỉ và lồi lõm.
+ Lá thép được chọn là lá thép hình chữ E có độ dày 0.35mm (H: là chiều cao toàn bộ lõi


(2.7)

- Số vòng dây cho cuộn thứ cấp
N2 = (U2 + 10%U2 )

n = (220 + 22)

4 = 968 (vòng)

(2.8)

+ Trong đó 10%U2 là lượng sụt áp khi có tải bên thứ cấp.
d. Tính toán tiết diện và đường kính dây quấn
- Tiết diện dây quấn
+ Tiết diện dây quấn của các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tỉ lệ thuận với cường độ dòng
điện chạy trong nó. Mật độ dòng điện cho phép là số ampe trên một mm 2 dây dẫn để khi
vận hành liên tục vẫn không quá nóng. Mật độ dòng điện J được chọn sao cho phù hợp
với điều kiện làm việc và nhiệt độ làm việc của dây dẫn trong khoảng cho phép. Mật độ
J(A/mm2) dòng điện cho phép thay đổi theo công suất và được xác định bằng thực
nghiệm.
15


Chương 2. Thiết kế mạch lực

+ Cách chọn mật độ dòng điện J theo công suất.
* Với J = 4(A/mm2) cho công suất từ (0 ÷ 50) (VA).
* Với J = 3.5(A/mm2) cho công suất từ (50 ÷ 100) (VA).
* Với J = 3(A/mm2) cho công suất từ (100 ÷ 200) (VA).

* Đường kính của dây quấn thứ cấp.
d2 =

4 ∗ A2

π

=

4 ∗ 0.35
= 0.2(mm)
π

e. Diện tích cửa sổ cần dùng
Scs = =

(2.13)

- Trong đó:
+ SSC, STC là diện tích dây quấn sơ cấp và thứ cấp.

16

(2.12)


Chương 2. Thiết kế mạch lực

+ Kt là hệ số lấp đầy đặc trưng cho phần cách điện và khoảng hở khi quấn được chọn
theo bảng sau:

C

H

B

Qt

Ltb

QtQc Vt

mm

mm

mm

mm

mm

mm

cm2

cm

cm4



800


Chương 2. Thiết kế mạch lực

Hình 2.4. Các kích thước của lõi thép

2.3. Tính toán mạch van
2.3.1. Cấu tạo của mạch van
Mạch gồm có bốn van bán dẫn được đấu nối theo cầu H hay còn gọi là mạch Full
bridge. Mỗi van được mắc với một mạch đệm RC để bảo vệ van trong quá trình làm việc.
2.3.2. Nguyên lý hoạt động của mạch Full-bridge
Tùy vào yêu cầu công nghệ mà ta có các cách điều khiển mạch full-bridge khác
nhau. Một số đặc điểm của mạch full-bridge:
- Khi mở đồng thời hai van cùng một phía sẽ gây ngắn mạch, nguy hiểm cho
hệ thống.
- Muốn có dòng qua tải thì một trong hai cặp van(Q1,Q2) hoặc (Q3,Q4) phải
đồng thời cùng mở.

2.3.3. Tính toán chọn van
a. Các yêu cầu đối với van đóng ngắt
- Có khả năng đóng cắt với tần số cao
- Có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn
- Tổn thất trên van khi mở nhỏ nhất
- Tuổi thọ làm việc lâu dài và ổn định

18





Chương 2. Thiết kế mạch lực

PLOSS = Irms2 RDS-on (W)
Trong đó:
* Irms(A) là dòng điện chạy qua MOSFET khi làm việc.
* RDS( ) là điện trở giữa cực Drain và cực Source khi dẫn.
- IGBT
+ Công suất tổ hao khi làm việc của IGBT là.
PLOSS = Iave VCE-SAT (W)
Trong đó:
* VCE-SAT là điện áp bão hòa giữa hai cực Collector và cực Emittor
* Iave là dòng điện trung bình chạy từ cực Collector đến cực Emittor
b. Các thông số làm việc của van
- Giả sử hiệu suất của máy biến áp là 86% như vậy công suất của bộ nghịch lưu đưa vào
sơ cấp của biến áp là:
S1 = = = 35(VA)
- Dòng điện trong cuộn sơ cấp của máy biến áp.
I1 =

= 5.8(A)

- Dòng cực đại chạy qua van:
Idmax =

I1

=