§å ¸n §TCS ThiÕt kÕ bé CL cña nguån 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: Lª Ph¬ng Líp T2 – K41
1
§å ¸n §TCS ThiÕt kÕ bé CL cña nguån UPS
CHƯƠNG 1
CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KĨ THUẬT

I.GIỚI THIÊU UPS
hình I.1
1.1.Cung cấp điện cho những tải nhạy cảm
Sự cố trong các nguồn năng lượng 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 lượng 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 hưởng
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 tượng nhiễm điện ở bầu khí quyển (thường không tránh khỏi). Điều
này có thể ảnh hưởng đến đường dây ngoài trời hoặc cáp chôn, chẳng hạn:
- Sấm sét làm điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện
SVTH: Lª Ph¬ng Líp T2 – K41
2
§å ¸n §TCS ThiÕt kÕ bé CL cña nguån UPS

Từ đó phải tìm cách loại chúng ra. 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:
 Liên tục cung cấp điện
 Chất lượng cung cấp điện
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 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.
SVTH: Lª Ph¬ng Líp T2 – K41
4
§å ¸n §TCS ThiÕt kÕ bé CL cña nguån UPS
1.3 Ứng 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 lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số lượng
máy tính đang được 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 được mất điện. UPS được sử dụng trong ngành hàng
không để đảm bảo sự thắp sáng liên tục của đường băng sân bay.

a.UPS tĩnh:Sử dụng bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện cung cấp năng lượng.
-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.
-Khả năng phản ứng tức thời trước những dao động biên độ của hệ thống cung
cấp,sử dụng thiết bị điều khiển vi xử lí dựa trên kĩ thật số.
-Biên độ điện áp điều chỉnh trong phạm vi sai số
±
0.5%
÷
±
1%,thời gian điều
chỉnh nhanh,kích thước và trọng lượng 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.
SVTH: Lª Ph¬ng Líp T2 – K41
6
§å ¸n §TCS ThiÕt kÕ bé CL cña nguån UPS
1.4.2.Phân biệt theo chế độ làm việc

-Hệ thống cung cấp có sự cố hoặc chất lượng hệ thống cung cấp không
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 ,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
SVTH: Lª Ph¬ng Líp T2 – K41
8
110220
ĐK
Aq
CL
NL
+
_
Hình I.2
§å ¸n §TCS ThiÕt kÕ bé CL cña nguån UPS
2.1.Khái niệm acqui
Ắc qui là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hoá.
Ắc qui là một nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong
công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày: như 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 nhưng 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 dương, phân khối

dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Quá trình ắc qui
cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện, quá trình ắc qui dự trữ năng
lượng được gọi là quá trình nạp điện.
3.1. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui axit:
Trong ắc qui axit có các bản cực dương là đôixit chì ( PbO
2
), các bản âm là
chì ( Pb ), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H
2
SO
4
) nồng độ d = 1,1 ÷ 1,3 %
(- ) Pb  H
2
SO
4
d = 1,1 ÷ 1,3  PbO
2
( + )
Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit :
phóng
PbO
2
+ 2H
2
SO
4
+ Pb 2PbSO
4
+ 2H

điện của ắc qui.
2.4. Các thông số cơ bản của ắc qui:
a.. Sức điện động của ắc qui:
Sức điện động của ắc qui kiềm và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch
điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm
Eo = 0,85 + ρ ( V )
trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V )
ρ - 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 được 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 ( Ω )
Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui được 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 ( Ω )

) to thnh trong phn ng s cú dng
thụ rn rt khú ho tan ( bin i hoỏ hc) trong quỏ trỡnh np in tr li cho c qui sau
ny. Thi im tgh gi l gii hn phúng in cho phộp ca c qui, cỏc giỏ tr Ep, Up,
ti tgh c gi l cỏc giỏ tr gii hn phúng in ca c qui. c qui khụng c phúng
in khi dung lng cũn khong 80%.
Sau khi ó ngt mch phúng mt khong thi gian no, cỏc giỏ tr sc in ng,
in ỏp ca c qui, nng dung dch in phõn li tng lờn, ta gi õy l thi gian hi
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
12
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

8
ts 10 12
Vùng
nạp n
0
t
I (A) U,E (V)
2,4
2
2,7
U
T
E
Khoảng
nghỉ
§å ¸n §TCS ThiÕt kÕ bé CL cña nguån UPS
Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2 ÷ 3 h trong suốt thời gian
đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân không
thay đổi . Như vậy dung lượng thu được khi ắc qui phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng
cần thiết để nạp no ắc qui.
Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc qui, nồng độ dung dịch điện
phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc qui sau khi
nạp.
Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc qui.
Dòng điện nạp định mức đối với ắc qui là In = 0,1C
10
.
Trong đó C
10
là dung lượng của ắc qui mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là

nmax
= 50%C
10
_Hiện tượng tự phóng nhỏ.
_Sử dụng ở những nơi có yêu cầu
công suất lớn quá tải thường xuyên,
được sử dụng với các thiết bị công
suất lớn.
_Dùng phổ biến trong công nghiệp
hàng không, hàng hải và những nơi
nhiệt độ môi trường thấp.
_Giá thành cao.

2.7.Các phương pháp nạp ắc qui tự động.
Có ba phương pháp nạp ắc qui là
SVTH: Lª Ph¬ng Líp T2 – K41
14
§å ¸n §TCS ThiÕt kÕ bé CL cña nguån UPS
+ Phương pháp dòng điện.
+ Phương pháp điện áp.
+ Phương pháp dòng áp.
a. Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi.
Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại
ắc qui, bảo đảm cho ắc qui được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo
dưỡng 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
Trong quá trình nạp sức điện động của ắc qui tăng dần lên, để duy trì dòng điện

quá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta
chọn phương án nạp ắc qui là phương pháp dòng áp.
SVTH: Lª Ph¬ng Líp T2 – K41
15
§å ¸n §TCS ThiÕt kÕ bé CL cña nguån UPS
Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì
trong khoản thời gian tn = 8h tương ứng với 75÷80 % dung lượng ắc qui ta nạp với
dòng điện không đổi là In = 0,1. Vì theo đặc tính nạp của ắc qui trong đoạn nạp chính
thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính
đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời gian 8 h ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển
sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 10 h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ
xung thêm 2 đến 3h.
Đối với ắc qui kiềm : Trình tự nạp cũng giống như ắc qui axit nhưng do khả
năng quá tải của ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,2C
10

hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5C
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 lưu độc lập nguồn dòng điện, ta có thể chọn
được điện áp đầu vào đặt lên ắcquy.Giả sử ta chọn bộ nghịch lưu 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)

=
86,4(V).
Nếu sử dụng một nguồn 86,4(V) có một ưu điểm là dòng tiêu thụ sẽ nhỏ nhưng kích
thước của bộ chỉnh lưu sẽ lớn hơn, cồng kềnh. Để khắc phục điều này ta chỉ sử dụng
SVTH: Lª Ph¬ng Líp T2 – K41
16
§å ¸n §TCS ThiÕt kÕ bé CL cña nguån UPS
một nguồn áp trung bình E
d
=60(V)DC để cung cấp cho ăcquy và nghịch lưu. Sau khi
qua bộ nghịch lưu sẽ sử dụng một máy biến áp để nâng điện áp lên 110V xoay chiều
phù hợp với tải.
Ắcquy được chọn là loại ắc quy 12V. Như vậy ta cần mắc 60/12=5 ắc quy mắc
nối tiếp nhau.
*Tính toán dung lượng của ắc quy.
Với yêu cầu về công suất của UPS là 4 KVA, U
r
= 110(V ) ta cần sử dụng máy
biến áp. Nếu coi hiệu suất của máy biến áp là 95% thì hiệu suất phía sơ cấp của máy
biến áp nghịch lưu là:
S
nghịch lưu
=
95,0
4
= 4,21(KVA)
Ta giả sử bộ nghịch lưu có hiệu suất 0,8 suy ra công suất cung cấp ở đầu vào
nghịch lưu = 0,8*4,21 = 3,368(KVA)
Dòng điện cần thiết để nạp cho ắc quy là:
I

Với loại ăcquy 12V ta tra được nội trở trong của ăcquy là r=0,0015
Ω
. Vậy nội trở
trong của bộ ăcquy là R=0,0015*6*5=0,045(
Ω
)(Mỗi acqui có 6 ngăn).
Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là:
U
cl
=60 + 56,13*0,045 = 62,53(VDC)
Kết luận:
-Vì ắc qui là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên
khi ắc qui đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc qui sẽ tự
động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc qui dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng.
Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho ắc qui.
Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn
định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải
chuyển chế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc qui
đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực của ắc qui bằng với điện áp nạp thì lúc đó
dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp.
Tuỳ theo loại ắc qui mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau
+ ắc qui axit : dòng nạp In = 0,1C
10
; nạp cưỡng bức với dòng
điện nạp In = 0,2C
10
.
+ ắc qui kiềm : dòng nạp In = 0,2C
10
; nạp cưỡng bức với

4
4
5
5
U2
R
L
T
U1
§å ¸n §TCS ThiÕt kÕ bé CL cña nguån UPS
Hình 1. Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ.
ở sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ hình 8.1 sóng điện áp ra một chiều sẽ bị gián
đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anod của van bán dẫn âm, do vậy khi sử dụng sơ
đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ, chúng ta có chất lượng điện áp xấu, trị số điện áp tải trung
bình lớn nhất được tính:
U
do
= 0,45.U
2
(8 -1)
Với chất lượng điện áp rất xấu và cũng cho ta hệ số sử dụng biến áp xấu:
S
ba
= 3,09.U
d
.I
d
. (8 -2)
Đánh giá chung về loại chỉnh lưu này chúng ta có thể nhận thấy, đây là loại chỉnh
lưu cơ bản, sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản. Tuy vậy các chất lượng kỹ thuật như: chất

U2
U2
T1
L