Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS

1
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
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).
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS


n số cao…
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS

3
Sự cố có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là làm gián đoạn việc
cung cấp điện, nhất là hệ thống dữ liệu của máy tính.
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 con người
 An toàn cho thiết bị, nhà xưởng
 Mục tiêu vận hành kinh tế
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 đ
iện
 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±
%)

plastic...
5.Chiếu sáng
-Đường hầm ,đường băng sân bay,
nhà công cộng...
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. 1.4 Phân loại UPS

1.4.1..Phân loại UPS dựa theo bộ chuyển đổi Hình I.2

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.
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS

5
-Bảo dưỡng và vận hành đơn giản,làm việc tin cậy cậy chắc chắn.

khẩn cấp.
-Trong quá trình vận hành,nguồn lưới được cung cấp trực tiếp đến tải qua bộ lọc F
mà không qua nghịch lưu.
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS

6
-Nếu sự cố hệ thống cung cấp điện hoặc U hệ thống cung cấp điện không nằm trong
sai số cho phép thì tải chuyển từ hệ thống cung cấp điện qua nghịch lưu trong thời gian
ngắn <10 ms.Khi điện áp hệ thống cung cấp được phục hồi,tải sẽ tự động chuyển về hệ
thống cung cấp
-Dùng với tải P <2 KVA.
-Thờ
i gian chuyển mạch phù hợp với tải nhạy cảm.
-Tuy nhiên offline UPS không đáp ứng với phụ tải như máy tính ,tổng đài điện
thoại,không điều chỉnh được tần số.
b,OnlineUPS
HìnhI.5

-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 cua hệ thống cung cấp điện.
-Áp dụng cho tải có công suất trung bình P
≥
40 KVA.
1.5.Sơ đồ nguyên lí chung của UPS



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 c
ấp 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 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 xương và chất tác dụng trát lên nó.
Khung xương của bản cực âm và bản cực dương có cấu t

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 cự
c 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

điện phân giảm dần. Khi ắc qui nạp điện nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta
có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích
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
)
¾Trong 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 )
¾Trong 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 )

dung dch in phõn gim dn, tuy nhiờn trong khong thi gian ny dc ca cỏc th
khụng ln, ta gi ú l giai on phúng n nh hay thi gian phúng in cho phộp tng
ng vi mi ch phúng in ca c qui ( dũng in phúng ).
ắT thi gian tgh tr i dc ca th thay i t ngt .Nu ta
tip t
c cho c qui phúng in sau tgh thỡ sc in ng ,in ỏp ca c qui s gim rt
nhanh .Mt khỏc cỏc tinh th sun phỏt chỡ (PbSO
4
) 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%.
ắSau khi ó ngt mch phúng m
t 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
phc hay khong ngh ca c qui. Thi gian hi phc ny ph thuc vo ch phúng
in ca c qui (dũng in phúng v thi gian phúng ).

C
P
= I
P
.t
P
Vùng phóng điện cho phép
2
0
5
10

ụng cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản
cực được biến đổi tuần hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc qui.
¾Trong 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.
¾Sau 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.
1,95
C
n
= I
n
.t
n
Vïng n¹p chÝnh
5
10
024
10%C
10
1
6
8
ts 10 12
Vïng
n¹p n
0

ắc qui axit ắc qui kiềm
- Khả năng quá tải không cao, dòng
nạp lớn nhất đạt được khi quá tải là
I
nmax
= 20%C
10

_Hiện tượng phòng lớn, do đó ắc
qui nhanh hết điện ngay cả khi
không sử dụng.
_Sử dụng rộng rãi trong đời sống,
công nghiệp đặc biệt ở những nơi có
nhiệt độ cao va đập lớn nhưng công
suất và quá tải vừa phải.
_Dùng trong ôtô, xe máy và các
động cơ máy nổ công suất vừa và
nhỏ.
_Giá thành thấp
_Khả năng quá tải rất lớn dòng
điện n
ạp lớn nhất khi đó có thể đạt
tới: I
nmax
= 50%C
10

_Hiện tượng tự phóng nhỏ.

n
aqn
I
N0,2U
R
−
=

Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo
dài và yêu cầu các ắc qui đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức. Để khắc phục nhược
điểm thời 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 nhấ
t chọn bằng (
0,3 ÷ 0,6 )C
10
tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi. Dòng
điện nạp ở nấc thứ hai là 0,1C
10

b. Phương pháp nạp với điện áp không đổi.
Phương pháp này yêu cầu các ắc qui 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 thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm
theo thời gian.Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc qui không được nạp no. Vì vậy nạp
với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc qui trong quá trình sử dụng.
c. Phương pháp nạp dòng áp.
Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng được
những ưu điểm của mỗi phương pháp.
Đối với yêu cầu của đề bài là nạp ắc qui tự động tức là trong quá trình nạp mọi

(n)
=-2
n
nE
π
π
))cos(1( +−

Như 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
πππ
EEE
Để điện áp ra có dạng sin có thể dùng các bộ lọc để lọc bỏ các thành
phần sóng hài bậc cao . Giả sử điện áp ra đã được lọc chỉ còn thành phần sóng hài bậc
một dạng sin biên độ
=
π
E4
110(V) suy ra E=
4
.110
π

3368
= 56,13(A)
Thông thường khi chọn ăcquy phải chọn dung lượng lớn hơn 2 hoặc 5 lần dung lượng
định mức tuỳ thuộc vào loại ắc quy để đảm bảo cho ắc quy không bị hỏng
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS

15
Do trong bộ ắc quy có nội trở trong do đó điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu được
tính như sau:
U
cl
=U
d
+U
t

Trong đó:
U
cl
: điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu.
U
d
: điện áp đặt trên hai đầu ắc quy. U
d
=60(VDC)
U
t
: điện áp tổn hao do nội trở của ắc quy.
Với loại ăcquy 12V ta tra được nội trở trong của ăcquy là r=0,0015
Ω

dòng điện nạp In = 0,5C
10
.

¾ Qua phân tích về yêu cầu kỹ thuật của bộ lưu điện ở trên, em chọn phương án
thiết kế bộ chỉnh lưu cho bộ lưu điện loại Offline UPS vì nó khá đơn giản về thiết kế và
đáp ứng được 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 lưu là: 62,53 V
+ Dòng điện cần thiết để nạp cho ắcquy là: 56,13 ( A )
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS

16

= 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
lượng điện áp một chiều; hiệu suất sử dụng biến áp quá xấu. Do đó loại chỉnh lưu này ít
được ứng dụng trong thực tế.Khi cần chấ
t lượng điện áp khá hơn, người ta thường sử
dụng sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ theo các phương án sau.
2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính.

Hình 2. Sơ đồ chỉnh lưu 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 k
ỳ 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

I1
I2
t
t
t
t
p1 p2 p3
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS

18

Hình 3. Các đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện các
van và điện áp của Tiristo T1
Điện áp trung bình trên tải, khi tải thuần trở dòng điện gián đoạn được tính:
U
d
= U
do
.(1+cosα)/2. (8 -3).
với: - U
do
: Điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng U
do
= 0,9.U
2
22 UU
nv
=
T4 T1
U2
T3
L
T2
R