Đồ án Tổng quan thiết kế phần điện áp 1 chiều cho bộ UPS

ĐỒ ÁN MƠN HỌC: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Đề bài: Thiết kế phần điện áp 1 chiều cho bộ UPS: Điện áp nguồn: 220 VAC+10%,-10%. Cơng suất: 4 KVA. Điện áp ra: 110 V Tần số vào: 60Hz CHƯƠNG 1 CƠNG 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 cĩ 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 cĩ 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 sĩng hình sin điện áp và dịng điện cùng tần số bị ảnh hưởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố cĩ thể xuất hiện trong hệ thống. Đối với hệ thống cung cấp điện: Cĩ thể bị sự cố hoặc gián đoạn cung cấp điện vì: Hiện tượng nhiễm điện ở bầu khí quyển (thường khơng tránh khỏi). Điều này cĩ thể ảnh hưởng đến đường dây ngồi trời hoặc cáp chơn, chẳng hạn: Sấm sét làm điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện Sương giá cĩ thể làm cho đường dây bị đứt Những hiện tượng ngẫu nhiên, chẳng hạn: Cành cây rơi gây gắn mạch hoặc đứt dây Đứt cáp do đào đất Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp Những thiết bị dùng điện cĩ thể ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp Lăp đặt cơng nghiệp, chẳng hạn: Động cơ gây ra điện áp rơi và nhiễm RF trong quá trình khởi động. Những thiết bị gây ơ nhiễm: lị luyện kim, máy hàn, … gây ra điện áp rơi và nhiễm RF Những hệ thống điện tử cơng suất cao Thang máy, đèn huỳnh quang Những sự cố ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị cĩ thể phân thành các loại sau: Lệch điện áp Ngừng hoạt động Tăng đột ngột điện áp Thay đổi tần số Xuất hiện sĩng hài Nhiễu tần số cao… Sự cố cĩ 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 nĩ về phương diện: An tồn cho con người An tồn cho thiết bị, nhà xưởng Mục tiêu vận hành kinh tế Từ đĩ phải tìm cách loại chúng ra. Cĩ 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, khơng phụ thuộc mọi tình trạng của hệ thống cung cấp. UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy Khơng 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 %, tần số %) UPS cĩ thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thơng qua các khâu trung gian: Acquy và chuyển mạch tĩnh. Ứng dụng của UPS trong thực tế Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thơng, ngân hàng,y tế,hàng khơng là rất lớn. Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số lượng máy tính đang được sử dụng. Cĩ thể lấy một vài ví dụ về các thiết bị sử dụng UPS, đĩ là những máy tính, việc truyền dữ liệu và tồn bộ thiết bị ở một trạng thái nào đĩ là rất quan trọng và khơng cho phép được mất điện. UPS được sử dụng trong ngành hàng khơng để đảm bảo sự thắp sáng liên tục của đường băng sân bay. Ứng dụng chính Thiết bị được bảo vệ 1.Hệ thống máy tính nĩi chung -Máy tính,mạng máy tính -Máy in,hệ thống vẽ đồ thị,bàn phímvà các thiết bị đầu cuối. 2.Hệ thống máy tính cơng nghiệp -Bộ điều khiển lập trình,hệ thống điều khiển số,điều khiển giám sát,máy tự động. 3.Viễn thơng -Tổng đài điện thoại ,hệ thống truyền dữ liệu,hệ thống rađa. 4.Ytế,cơng nghiệp Dụng cụ y tế,thang máy,thiết bị điều khiển chính xác,thiết bị đo nhiệt độ,bơm plastic... 5.Chiếu sáng -Đường hầm ,đường băng sân bay, nhà cơng cộng... 6.Các ứng dụng khác -Máy quét hình,cung cấp năng lượng cho máy bay... Nĩi tĩm lại UPS là một nguồn điện dự phịng nĩ cĩ mặt ở mọi chỗ mọi nơi, những nơi địi 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 dịng trong vận hành cho phép Icp=2.33Iđm -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, -Inm=Iđm -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 lưu nối song song với hệ thống cung cấp là nguồn dự trữ phịng tình trạng khẩn cấp. -Trong quá trình vận hành,nguồn lưới được cung cấp trực tiếp đến tải qua bộ lọc F mà khơng qua nghịch lưu. -Nếu sự cố hệ thống cung cấp điện hoặc U hệ thống cung cấp điện khơng 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. -Thời gian chuyển mạch phù hợp với tải nhạy cảm. -Tuy nhiên offline UPS khơng đáp ứng với phụ tải như máy tính ,tổng đài điện thoại,khơng điều chỉnh được tần số. b,OnlineUPS HìnhI.5 -Được chèn vào giữa hệ thống cung cấp và tải.Tồn 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. -Khơng phụ thuộc vào trạng thái cua hệ thống cung cấp điện. -Áp dụng cho tải cĩ cơng suất trung bình P40 KVA. 1.5.Sơ đồ nguyên lí chung của UPS 110 220 ĐK Aq CL NL + _ Hình I.2 CL: Cung cấp nguồn một chiều cho nghịch lưu và nạp thường trực cho ắcquy AQ: Tạo năng lượng dự trữ cung cấp cho nghịch lưu nếu sảy ra: -Ngừng hoạt động hệ thống cung cấp. -Hệ thống cung cấp cĩ sự cố hoặc chất lượng hệ thống cung cấp khơng 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 phĩng 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 phĩng nạp AQ. II)ACQUI 2.1.Khái niệm acqui Ắc qui là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hố. Ắc qui là một nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong cơng nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày: như động cơ điện, bĩng đèn điện, là nguồn nuơi của các linh kiện điện tử... Ắc qui là nguồn cung cấp điện cho các động cơ khởi động. Trong thực tế cĩ 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 cĩ 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 cĩ phần khung xương và chất tác dụng trát lên nĩ. Khung xương của bản cực âm và bản cực dương cĩ cấu tạo giống nhau, chúng được đúc từ chì và chúng được đúc từ chì và cĩ pha thêm 5 ¸ 8 % ăngtimoan ( Sb ) và tạo hình mắt lưới. Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính đúc. Trong thành phần chất tác dụng cịn cĩ thêm khoảng 3 % chất nở ( các muối hưu cơ ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện được độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân vào trong lịng bản cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hố học của các bản cực cũng được tăng thêm . Phần đầu của mỗi bản cực cĩ vấu, các bản cực dương của mỗi ắc qui đơn được hàn với nhau tạo thành khối bản cực dương, các bản cực âm được hàn với nhau thành khối bản cực âm. Số lượng các bản cực trong mỗi ắc qui thường từ 5 đến 8, bề dầy tấm bản cực dương của ắc qui thường từ 1,3 đến 1,5 mm , bản cực âm thường mỏng hơn 0,2 đến 0,3 mm . Số bản cực âm trong ắc qui thường nhiều hơn số bản cực âm một bản nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực. Tấm ngăn được bố trí giữa các bản cực âm và dương cĩ tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực. Tấm ngăn được làm bằng vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy 0,8 đến 1,2 mm và cĩ dạng lượn sĩng , trên bề mặt tấm ngăn cĩ các lỗ cho phéo dung dịch điện phân thơng qua. 2.3. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui Ắc qui là nguồn năng lượng cĩ tính chất thuận nghịch : nĩ tích trữ năng lượng dưới dạng hố năng và giải phĩng năng lượng dưới dạng điện năng. Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngồi được gọi là quá trình phĩng 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 cĩ các bản cực dương là đơixit chì ( PbO2 ), các bản âm là chì ( Pb ), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H2SO4 ) nồng độ d = 1,1 ¸ 1,3 % (- ) Pb ½ H2SO4 d = 1,1 ¸ 1,3 ½ PbO2 ( + ) Phương trình hố học biểu diễn quá trình phĩng nạp của ắc qui axit : phĩng PbO2 + 2H2SO4 + Pb 2PbSO4 + 2H2O nạp Thế điện động e = 2,1 V. 3.2. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui kiềm: Trong ắc qui kiềm cĩ bản cực dương là Ni(OH)3 , bản cực âm là Fe, dung dịch điện phân là: KOH nồng độ d = 20 % ( - ) Fe ½ KOH d = 20% ½ Ni(OH)3 ( + ) Phương trình hố học biểu diễn quá trình phĩng nạp của ắc qui kiềm : phĩng Fe + 2Ni(OH)3 Fe(OH)3 + 2Ni(OH)2 nạp Thế điện động e = 1,4 V. Nhận xét: Từ những điễu đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong các quá trình phĩng nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi ắc qui phĩng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc qui nạp điện nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đĩ ta cĩ thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc qui. 2.4. Các thơng 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 cơng thức kinh nghiệm Eo = 0,85 + r ( V ) trong đĩ: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V ) - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm3 ) ØTrong quá trình phĩng điện thì sức điện động Ep của ắc qui được tính theo cơng thức: Ep = Up + Ip.rb trong đĩ : Ep - sức điện động của ắc qui khi phĩng điện ( V ) Ip - dịng điện phĩng ( A ) Up - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phĩng điện (V) rb - điện trở trong của ắc qui khi phĩng điện ( W ) ØTrong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui được tính theo cơng thức: En = Un - In.rb trong đĩ : En - sức điện động của ắc qui khi nạp điện ( V ) In - dịng điện nạp ( A ) Un - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi nạp điện ( V ) rb - điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( W ) b. dung lượng của ắc qui: _Dung lượng phĩng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng điện của ắc qui cho phụ tải, và được tính theo cơng thức : Cp = Ip.tp trong đĩ : Cp - dung dịch thu được trong quá trình phĩng ( Ah ) Ip - dịng điện phĩng ổn định trong thời gian phĩng điện tp ( A ) tp - thời gian phĩng điện ( h ). _Dung lượng nạp của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ắc qui và được tính theo cơng thức : Cn = In.tn trong đĩ : Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( Ah ) In - dịng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A ) tn - thời gian nạp điện ( h ). 2.5. Đặc tính phĩng nạp của ắc qui: a.. Đặc tính phĩng acqui Đặc tính phĩng của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phĩng khi dịng điện phĩng khơng thay đổi . Từ đặc tính phĩng của ắc qui như trên hình vẽ ta cĩ nhận xét sau: ØTrong khoảng thời gian phĩng từ tp = 0 đến tp = tgh, sức điện độngđiện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thị khơng lớn, ta gọi đĩ là giai đoạn phĩng ổn định hay thời gian phĩng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phĩng điện của ắc qui ( dịng điện phĩng ). ØTừ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta tiếp tục cho ắc qui phĩng điện sau tgh thì sức điện động ,điện áp của ắc qui sẽ giảm rất nhanh .Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo thành trong phản ứng sẽ cĩ dạng thơ rắn rất khĩ hồ tan ( biến đổi hố học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ắc qui sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phĩng điện cho phép của ắc qui, các giá trị Ep, Up, r tại tgh được gọi là các giá trị giới hạn phĩng điện của ắc qui. ắc qui khơng được phĩng điện khi dung lượng cịn khoảng 80%. ØSau khi đã ngắt mạch phĩng một khoảng thời gian nào, các giá trị sức điện động, điện áp của ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc qui. Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phĩng điện của ắc qui (dịng điện phĩng và thời gian phĩng ). b.Đặc tính nạp acqui 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 dịng điện nạp khơng thay đổi . Từ đồ thị đặc tính nạp ta cĩ các nhận xét sau : ØTrong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = tgh thì sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. ØTới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (cịn gọi là hiện tượng" sơi " ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc qui đơn tăng đến 2,4 V . Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chĩng tăng tới 2,7 V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nĩ cĩ tác dụng cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lịng các bản cực được biến đổi tuần hồn, nhờ đĩ sẽ làm tăng thêm dung lượng phĩng điện của ắc qui. ØTrong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2 ¸ 3 h trong suốt thời gian đĩ hiệu điện thế trên các bản cực của ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân khơng thay đổi . Như vậy dung lượng thu được khi ắc qui phĩng điện luơn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc qui. ØSau 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. ØTrị số dịng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc qui. Dịng điện nạp định mức đối với ắc qui là In = 0,1C10 . Trong đĩ C10 là dung lượng của ắc qui mà với chế độ nạp với dịng điện định mức là In = 0,1C10 thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy. Ví dụ với ắc qui C = 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dịng với dịng điện bằng 10% dung lượng ( tức In = 18 A ) thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy. 2.6. Sự khác nhau giữa ắc qui kiềm và ắc qui axit: Cả hai loại ắc qui này đều cĩ một đặc điểm chung đĩ là tính chất tải thuộc loại dung kháng và sức phản điện động. Nhưng chúng cịn cĩ một số đặc điểm khác biệt sau : ắc qui axit ắc qui kiềm - Khả năng quá tải khơng cao, dịng nạp lớn nhất đạt được khi quá tải là Inmax = 20%C10 _Hiện tượng phịng lớn, do đĩ ắc qui nhanh hết điện ngay cả khi khơng sử dụng. _Sử dụng rộng rãi trong đời sống, cơng nghiệp đặc biệt ở những nơi cĩ nhiệt độ cao va đập lớn nhưng cơng suất và quá tải vừa phải. _Dùng trong ơtơ, xe máy và các động cơ máy nổ cơng suất vừa và nhỏ. _Giá thành thấp _Khả năng quá tải rất lớn dịng điện nạp lớn nhất khi đĩ cĩ thể đạt tới: Inmax = 50%C10 _Hiện tượng tự phĩng nhỏ. _Sử dụng ở những nơi cĩ yêu cầu cơng suất lớn quá tải thường xuyên, được sử dụng với các thiết bị cơng suất lớn. _Dùng phổ biến trong cơng nghiệp hàng khơng, hàng hải và những nơi nhiệt độ mơi trường thấp. _Giá thành cao. 2.7.Các phương pháp nạp ắc qui tự động. Cĩ ba phương pháp nạp ắc qui là + Phương pháp dịng điện. + Phương pháp điện áp. + Phương pháp dịng áp. a. Phương pháp nạp ắc qui với dịng điện khơng đổi. Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dịng 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 hố. Với phương pháp này ắc qui được mắc nối tiếp nhau và phải thoả mãn điều kiện : Un ³ 2,7.Naq Trong đĩ: 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 dịng điện nạp khơng đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R. Trị số giới hạn của biến trở được xác định theo cơng thức : Nhược điểm của phương pháp nạp với dịng điện khơng đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc qui đưa vào nạp cĩ cùng dung lượng định mức. Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dịng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường hợp hai nấc, dịng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 ¸ 0,6 )C10 tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sơi. Dịng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,1C10 b. Phương pháp nạp với điện áp khơng đổi. Phương pháp này yêu cầu các ắc qui được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp khơng đổi và được tính bằng (2,3V ¸ 2,5V) cho mỗi ngăn đơn. Phương pháp nạp với điện áp khơng đổi cĩ thời gian nạp ngắn, dịng nạp tự động giảm theo thời gian.Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc qui khơng được nạp no. Vì vậy nạp với điện áp khơng đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc qui trong quá trình sử dụng. c. Phương pháp nạp dịng áp. Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nĩ 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 quá trình biến đổi và chuyển hố được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương án nạp ắc qui là phương pháp dịng áp. ØĐối 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 dịng điện khơng đổi là In = 0,1. Vì theo đặc tính nạp của ắc qui trong đoạn nạp chính thì khi dịng điện khơng đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đĩ bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời gian 8 h ắc qui bắt đầu sơi lúc đĩ 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. ØĐối 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 dịng ta cĩ thể nạp với dịng nạp In = 0,2C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dịng nạp In = 0,5C10 . 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 đĩ dịng nạp sẽ từ từ giảm về khơng. 2.8.Tính tốn và lựa chọn acqui Căn cứ vào đầu ra của bộ nghịch lưu độc lập nguồn dịng điện, ta cĩ thể chọn được điện áp đầu vào đặt lên ắcquy.Giả sử ta chọn bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha Khi đĩ điện áp ra dạng xung chữ nhật ,nếu phân tích ra các thành phần của chuỗi Fourier sẽ gồm các thành phần sĩng hài với biên độ bằng: U(n)=-2 Như vậy điện áp ra tồn tại các thành phần sĩng hài bậc lẻ 1,3,5,7...với biên độ bằng Để điện áp ra cĩ dạng sin cĩ thể dùng các bộ lọc để lọc bỏ các thành phần sĩng hài bậc cao . Giả sử điện áp ra đã được lọc chỉ cịn thành phần sĩng hài bậc một dạng sin biên độ 110(V) suy ra E= = 86,4(V). Nếu sử dụng một nguồn 86,4(V) cĩ một ưu điểm là dịng 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 một nguồn áp trung bình Ed=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 tốn dung lượng của ắc quy. Với yêu cầu về cơng suất của UPS là 4 KVA, Ur = 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: Snghịch lưu= = 4,21(KVA) Ta giả sử bộ nghịch lưu cĩ hiệu suất 0,8 suy ra cơng suất cung cấp ở đầu vào nghịch lưu = 0,8*4,21 = 3,368(KVA) Dịng điện cần thiết để nạp cho ắc quy là: Id= = 56,13(A) Thơng 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 khơng bị hỏng Do trong bộ ắc quy cĩ nội trở trong do đĩ điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu được tính như sau: Ucl=Ud+Ut Trong đĩ: Ucl: điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu. Ud: điện áp đặt trên hai đầu ắc quy. Ud=60(VDC) Ut: 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. Vậy nội trở trong của bộ ăcquy là R=0,0015*6*5=0,045()(Mỗi acqui cĩ 6 ngăn). Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là: Ucl=60 + 56,13*0,045 = 62,53(VDC) Kết luận: -Vì ắc qui là tải cĩ tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi ắc qui đĩi mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dịng điện trong ắc qui sẽ tự động dâng nên khơng kiểm sốt được sẽ làm sơi ắc qui dẫn đến hỏng hĩc nhanh chĩng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dịng nạp cho ắc qui. ØKhi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đĩ nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dịng nạp thì ắc qui sẽ sơi và làm cạn nước. Do đĩ 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 đĩ dịng nạp sẽ tự động giảm về khơng, kết thúc quá trình nạp. ØTuỳ theo loại ắc qui mà ta nạp với các dịng điện nạp khác nhau + ắc qui axit : dịng nạp In = 0,1C10 ; nạp cưỡng bức với dịng điện nạp In = 0,2C10 . + ắc qui kiềm : dịng nạp In = 0,2C10; nạp cưỡng bức với dịng điện nạp In = 0,5C10 . Ø 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 nĩ khá đơn giản về thiết kế và đáp ứng được những địi hỏi cơ bản của 1 nguồn điện dự phịng. - Chọn loại ắcquy 12V ( 5 ắcquy mắc nối tiếp nhau ) - Trong đĩ + Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là: 62,53 V + Dịng điện cần thiết để nạp cho ắcquy là: 56,13 ( A ) CHƯƠNG 2 LƯẠ CHỌN VÀ TÍNH TỐN 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 lưu một pha cơ bản : 1. Chỉnh lưu một nửa chu kỳ. Hình 1. Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ. ở sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ hình 8.1 sĩng 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 cĩ chất lượng điện áp xấu, trị số điện áp tải trung bình lớn nhất được tính: Udo = 0,45.U2 (8 -1) Với chất lượng điện áp rất xấu và cũng cho ta hệ số sử dụng biến áp xấu: Sba = 3,09.Ud.Id. (8 -2) Đánh giá chung về loại chỉnh lưu này chúng ta cĩ 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 đĩ loại chỉnh lưu này ít được ứng dụng trong thực tế.Khi cần chất 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 cĩ trung tính. Hình 2. Sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp cĩ trung tính. Theo hình dạng sơ đồ, thì biến áp phải cĩ hai cuộn dây thứ cấp với thơng số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ cĩ một van dẫn cho dịng điện chạy qua. Cho nên ở cả hai nửa chu kỳ sĩng điện áp tải trùng với điện áp cuộn dây cĩ 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 đường cong điện áp, dịng điện tải (Ud, Id), dịng điện các van bán dẫn I1, I2 và điện áp của van T1 mơ tả trên hình 8.3a khi tải thuàn trở và trên hình 8.3b khi tải điện cảm lớn. Hình 3. Các đường cong điện áp, dịng điện tải, dịng điện các van và điện áp của Tiristo T1 Điện áp trung bình trên tải, khi tải thuần trở dịng điện gián đoạn được tính: Ud = Udo.(1+cosa)/2. (8 -3). với: - Udo: Điện áp chỉnh lưu khi khơng điều khiển và bằng Udo = 0,9.U2 a: Gĩc mở của các Tiristo. Khi tải điện cảm lớn dịng điện, điện áp tải liên tục, lúc này điện áp một chiều được tính: Ud = Udo.cosa (8 -4) Trong các sơ đồ chỉnh lưu thì loại sơ đồ này cĩ điện áp ngược của van phải chịu là lớn nhất Mỗi van dẫn thơng trong một nửa chu kỳ, do vậy dịng điện mà van bán dẫn phải chịu tối đa bằng 1/2 dịng điện tải , trị hiệu dụng của dịng điện chạy qua van Ihd = 0,71.Id . So với chỉnh lưu nửa chu kỳ, thì loại chỉnh lưu này cĩ chất lượng điện áp tốt hơn. Dịng điện chạy qua van khơng quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ. Đối với chỉnh lưu cĩ điều khiển, thì sơ đồ hình 8.2 nĩi chung và việc điều khiển các van bán dẫn ở đây tương đối đơn giản. Tuy vậy việc chế tạo biến áp cĩ hai cuộn dây thứ cấp giống nhau, mà mỗi cuộn chỉ làm việc cĩ một nửa chu kỳ, làm cho việc chế tạo biến áp phức tạp hơn và hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn, mặt khác điện áp ngược của các van bán dẫn phải chịu cĩ trị số lớn nhât. 3. Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng Hình 4. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng. Hoạt động của sơ đồ này khái quát cĩ thể mơ tả như sau. Trong nửa bán kỳ điện áp anod của Tiristo T1 dương (+) (lúc đĩ catod T2 âm (-)), nếu cĩ xung điều khiển cho cả hai van T1,T2 đồng thời, thì các van này sẽ được mở thơng để đặt điện áp lưới lên tải, điện áp tải một chiều cịn bằng điện áp xoay chiều chừng nào các Tiristo cịn dẫn (khoảng dẫn của các Tiristo phụ thuộc vào tính chất của tải). Đến nửa bán kỳ sau, điện áp đổi dấu, anod của Tiristo T3 dương (+) (catod T4 âm (-)), nếu cĩ xung điều khiển cho cả hai van T3,T4 đồng thời, thì các van này sẽ được mở thơng, để đặt điện áp lưới lên tải, với điện áp một chiều trên tải cĩ chiều trùng với nửa bán kỳ trước. Chỉnh lưu cầu một pha hình 4 cĩ chất lượng điện áp ra hồn tồn giống như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp cĩ trung tính, như sơ đồ hình 2. Hình dạng các đường cong điện áp, dịng điện tải, dịng điện các van bán dẫn và điện áp của một van tiêu biểu gần tương tự như trên hình 3a.b. Trong sơ đồ này dịng điện chạy qua van giống như sơ đồ hình 2, nhưng điện áp ngược van phải chịu nhỏ hơn Unv = Ư2.U2. Việc điều khiển đồng thời các Tiristo T1,T2 và T3,T4 nhiều khi gặp khĩ khăn cho trong khi mở các van điều khiển, nhất là khi cơng suất xung khơng đủ lớn. Để tránh việc mở đồng thời các van như ở trên, mà chất lượng điện áp chừng mực nào đĩ vẫn cĩ thể đáp ứng được, người ta cĩ thể sử dụng chỉnh lưu cầu một pha điều khiển khơng đối xứng. 4.Chỉnh lưu cầu một pha khơng đối xứng 4.1Sơ đồ nguyên lý: Hình III.4 4.2.Nguyên lí hoạt động: Sơ đồ cầu 1 pha khơng đối xứng gồm 2 Tiristior đấu Catốt chung và 2 Điốt đấu Anốt chung. Ta cĩ : O1là điểm gốc tính cho T1 O2là điểm gốc tính cho T2 D2 mở cùng T D1 mở cùng T2 Ở nửa chu kì dương điện áp bắt đầu từ O1 điện áp đặt lên T1> 0 nên tại O1+ phát xung vào T1 thì T1 mở cùng D2 tạo thành mạch vịng kín (+) nguồn T1 tải D2 (-) nguồn.Lúc này điện áp đặt lên T2< 0 nên T2 khố. Ở nửa chu kì âm điện áp bắt đầu từ O2 điện áp đặt lên tải D1 (-) nguồn. Trong sơ đồ này, gĩc dẫn dịng chảy của Tiristor và của điốt khơng bằng nhau. - Gĩc dẫn của điốt là : - Gĩc dẫn của Tiristor là : Giá trị trung bình của điện áp tải Nếu lấy trực tiếp điện áp từ lưới với U =220V,ở chế độ dịng khơng đổi ta được: =1,26 => =75 o Dịng trung bình qua Tiristor : = =16,37(A) Dịng trung bình qua Điốt : = 56,13.() =39,7 (A) = 42,87 (A) Mặt khác ta cĩ khi điện áp nguồn cĩ sự dao động trong khoảng 220-25%-:-220+10% tức là trong khoảng 165 V-:-242 V thì tính tốn tương tự như trên ta thấy cĩ sự thay đổi trong khoảng 48 0 -:- 81,5o Nhận xét : Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 1 pha khơng đối xứng cĩ cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ , dễ điều khiển , tiết kiệm van . Thích hợp cho các máy cĩ cơng suất nhỏ và vừa. *Kết luận: Qua phân tích 3 phương án trên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha khơng đối xứng với những ưu điểm sau: - Sử dụng 2 van thyristor, 2 điốt, tiết kiệm hơn nên giảm giá thành cho bộ biến đổi. - Mạch lực và sơ đồ điều khiển đơn giản. - Việc nạp ắc quy khơng cĩ yêu cầu cao về chất lượng điện áp - Lấy điện trực tiếp từ nguồn điện 220V,60Hz . - Cơng suất của bộ nguồn UPS khơng lớn (4KVA) thích hợp với sơ đồ chỉnh lưu bán điều khiển 1 pha. I.1.Tính chọn van thyristor Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dịng tải, điều kiện toả nhiệt,điện áp làm việc, các thơng số cơ bản của van được tính như sau : Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu : Ung max = = 1,41.220=310,2(V). Chọn điều kiện làm mát của van bằng quạt nên: Điện áp ngược của van cần chọn : Ung = KdtU . Ungmax =1,7 . 310,2 = 527,34 (V) KdtU - hệ số dự trữ điện áp ,chọn KdtU =1,7 . Dịng lớn nhất qua van: Ilv = = = 28,06 (A) Chọn điều kiện làm việc của van là cĩ cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt; quạt đối lưu khơng khí ,với điều kiện đĩ dịng định mức của van cần chọn : Iđm =ki Ilv =(2¸2,5).28,06A Để an tồn ta chọn Iđm= 2,5 .28,06 = 70,15A Từ các thơng số Unv ,Iđmv ta chọn 2 Thysistor kí hiệu S8012MH cĩ các thơng số sau : - Điện áp ngược cực đại của van: Un = 600 (V) - Dịng điện định mức của van: Iđm = 80 (A) - Đỉnh xung dịng điện: Ipik = 415 (A) - Dịng điện của xung điều khiển: Iđk = 50 (mA) - Điện áp của xung điều khiển: Uđk = 2,5 (V) - Dịng điện rị: Ir = 3 (mA) - Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là : DU = 1,9 (V) - Tốc độ biến thiên điện áp : = 500 (V/s) - Thời gian chuyển mạch : tcm = 50(ms) - Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax = 125 oC 2.Tính tốn chọn Điốt cơng suất Dịng điện chỉnh lưu cực đại chảy qua điốt là: Imax = 0.7Id =70,15.0,75 = 56,6 (A) Điện áp ngược lớn nhất mà Điốt phải chịu : Unmax=U2 =310,2 (V). Từ các thơng số trên ta chọn 2 Điơt KY719 cĩ các thơng số sau: - Điện áp ngược của van: Un = 360(V) - Dịng điện định mức của van: Iđm = 60(A) - Đỉnh xung dịng điện: Ipik = 400(A) - Dịng điện rị : Ir = 0,01(mA) - Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của điốt : DU =1,1(V) - Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax = 150 oC Tính tốn chọn thiết bị bảo vệ van thyristor cơng suất Trong quá trình van hoạt động thì van phải được làm mát để van khơng bị phá hỏng về nhiệt vì vậy ta đã tính tốn chế độ làm mát cụ thể cho van rồi. Tuy nhiên, van cũng cĩ thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dịng, tăng áp quá lớn.Nhưng vì dịng chỉ tăng khi qua thyistor trong thời gian rất ngắn 13s nên van cĩ thể chịu được. Để tránh hiện tượng quá áp trên van dẫn đến hỏng van ta phải cĩ những biện pháp thích hợp để bảo vệ van. Biện pháp bảp vệ van thường dùng nhất là mắc mạch R, C song song van để bảo vệ quá áp và mắc nối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng dịng. Ti R C Các thiết bị bán dẫn nĩi chung cũng như Thyristor rất nhạy cảm với điện áp và tốc độ biến thiên điện áp ( ) đặt lên nĩ . Các nguyên nhân gây nên quá áp thì chia thành hai loại : - Nguyên nhân bên ngồi : Do cắt đột ngột mạch điện cảm,do biến đổi đột ngột cực tính của nguồn, khi cầu chảy bảo vệ đứt hoặc khi cĩ sấm sét. - Nguyên nhân bên trong ( nội tại ) : Khi van chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khố, do sự phân bố khơng đều điện áp trong các van mắc nối tiếp. Ở đây ta quan tâm đến việc bảo vệ quá điện áp do các nguyên nhân bên trong gây ra. Nguyên nhân quá điện áp trên van là do sự suất hiện dịng điện ngược chảy qua mỗi van khi nĩ chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khố. Dịng điện ngược này suy giảm rất nhanh do vậy sẽ suất hiện sự quá điện áp Để khắc phục hiện tượng quá điện áp này ta dùng mạch R-L-C nhưng do mạch đã cĩ tính chất điện cảm nên ta chỉ cần dùng mạch R-C đấu song song như hình vẽ. Theo kinh nghiệm Chọn :R = 100W ; C= 0,5 mF Khi van khĩa dịng điện ngược sẽ chuyển từ van sang mạch bảo vệ CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN. 1. Thyristor chỉ mở cho dịng chảy qua khi thoả mãn hai điều kiện : UAK > 0 IG > 0 Khi thyristor chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển khơng cịn tác dụng. Thyristor chỉ trở về trạng thái khố nếu dịng điện IA < IH. ( IH : dịng điện duy trì ) Chức năng của mạch điều khiển : + Điều chỉnh được vị trí xung trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên A-K của thyristor. + Tạo ra được các xung đủ diều kiện mở thyristor, độ rộng xung tx được tính theo biểu thức: di/dt : tốc độ biến thiên dịng tải. 2.Cấu trúc mạch điều khiển thyristor. UAK : điện áp điều khiển ( điện áp một chiều ). Ut : điện áp tựa ( đồng bộ với điện áp A-K của thyristor ). Hiệu điện áp | Uđk - Ut | đưa vào khâu so sánh. a. Trigơ: đầu ra nhận được một chuỗi xung chữ nhật. b. Khâu tạo xung. c. Khâu khuếch đại xung. d. Khâu biến áp xung. Thay đổi Uđk cĩ thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được gĩc 3. Nguyên tắc điều khiển. Cĩ hai nguyên tắc: a. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Uđk + Ut đưa đến đầu vào của một khâu so sánh, bằng cánh làm biến đổi Uđk ta cĩ thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung tức là điều chỉnh được gĩc . Khi Uđk = 0 ta cĩ = 0 Khi Uđk 0 Quan hệ giữa và Uđk như sau : Ta lấy Uđkmax = Utmax. b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. Nguyên tắc này dùng hai điện áp : Điện áp động bộ Ut vượt trước điện áp A-K của thyristor một gĩc bằng p/2. ( Nếu UAK = Asint thì Ut = Bcost ). UAK cĩ thể điều khiển được theo hai hướng dương và âm. Ut + Uđk được đưa đến đầu vào khâu so sánh. Khi Ut + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh. Uđk + Bcos = 0 Þ = arccos( -Uđk/B ). Thường lấy B = Uđkmax. Khi Uđk = 0 thì = /2. Nguyên tắc này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu chất lượng cao. Nhận xét: Yêu cầu của điều áp xoay chiều ba pha cĩ thể dùng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính vì nĩ đơn giản và đáp ứng được yêu cầu mạch lực. Điều khiển thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Nội dung của nguyên tắc này cĩ thể mơ tả theo giản đồ hình dưới đây: Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của thyristor, để cĩ thể điều khiển được gĩc mở của thyristor trong vùng điện áp+anod, ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi là điện áp tựa hay điện áp răng cưa Urc. Như vậy điện áp tựa cần cĩ trong vùng điện áp dương anod. Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc=Uđk), trong vùng điện áp dương anod, thì phát xung điều khiển Xđk. Thyristor được mở tại thời điểm cĩ xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dịng điện bằng 0). SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN Tạo điện áp tựa Khối so sánh Tạo dạng xung vuơng Dao động tạo xung vuơng Khuyếch đại và tạo xung đầu ra Tiristo Tạo điện áp điều khiển Tạo tín hiệu Uđk o Khối đồng pha Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lý điều khiển ở trên, mạch điều khiển bao gồm các khối cơ bản trên hình vẽ sau: Nhiệm vụ của các khối trong sơ đồ điều khiển. -Khối đồng pha: cĩ nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của thyristor. -Khối tạo điện áp điêù khiển:điện áp điều khiển là điện áp một chiều tổng hợp tín hiệu dịng điện đưa vào khối so sánh cùngvới điện áp đồng pha. -Khối so sánh :cĩ nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk=Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại. Khối so sánh ảnh hưởng rất lớn tới sai lệch tín hiệu tĩnh của hệ thống. Khối này thường được thiết kế bằng vi mạch hoặc bán dẫn nên kích thước nhỏ gọn ,độ tin cậy cao ,giá thành hạ. -Khối tạo xung :cĩ nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor.Bao gồm :khâu sửa xung sửa chữa hình dạng xung cho phù hợp kinh tế nhất, khâu khuếch đại và tạo xung đầu ra tạo xung cĩ biên độ và độ rộng cần thiết để mở thyristo chắc chắn. Đầu ra cĩ thể đưa trực tiếp tới Ti hoặc gián tiếp qua biến áp xung ,tranzito quang để cách li với mạch động lực III..TÍNH TỐN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung. a.Tính biến áp xung : *Trong sơ đồ trên : - Điện trở R11 hạn chế dịng qua transitor - D6 chống quá áp trên transitor - D9,D7 ngăn xung âm vào cực điều khiển - D10,D8 giảm quá áp trên trên tiếp giáp G-K khi thyristor phân cực ngược * Tác dụng của biến áp xung: - Biến áp xung cĩ nhiệm vụ tạo xung điều khiển và cách ly mạch điều khiển và mạch lực - Biến áp xung là loại biến áp đặc biệt ,trong đĩ điện áp đặt lên phía sơ cấp cĩ dạng xung chữ nhật mà khơng phải là điện áp hình sin , tần số làm việc của biến áp xung cĩ thể vài trăm Hz đến hàng trăm kHz - Sơ đồ tương đương : sBiến áp xung cĩ số vịng dây rất ít ( w <= 100) , do đĩ điện trở thuần của cuộn dây rất nhỏ cĩ thể bỏ qua , điện cảm tản của cuộn dây cũng cĩ thể bỏ qua - Các đại lượng trên sơ đồ: r : điện trở trong của nguồn điện áp E : nguồn điện áp xung chữ nhật N= w1/w2 : tỷ số biến của máy biến áp R’= R/N2 : điện trở tải tương đương I’= N.i2 : dịng tải tương đương U’ = U /N : điện áp tương đương trên tải L = (a wt2 S) / l : điện cảm từ hố biến áp xung a = . 0 : độ từ thẩm tuyệt đối 0= 4 10 -7 H/m S : tiết diện mạch từ , l chiều dài trung bình của mạch từ. Chọn tỷ số của biên áp xung N=2 Ta biết điện áp thứ cấp của biến áp xung: U2 = Ug = 2,5 V Điện áp cuộn sơ cấp biến áp xung U1 = U2.N = 2,5 . 2 = 5(V). Dịng điện thứ cấp của biến áp xung I2 = Ig = 50 mA Dịng điện cuộn sơ cấp của biến áp xung I1 = I2/N = 50/2 = 25 m A Độ từ thẩm : = 6000 A/m Lõi sắt dùng vật liệu ferit , diện tích lõi S = 1 cm2 Độ từ hố : BS = 0,45 tesla ta biết U1 = w1/t = w1/tx = w1 Bs.S/tX suy ra : w1= tx: chiều dài của xung vịng Số vịng cuộn thứ cấp BAX là: vịng mật độ dịng điện J = 2 A/mm2 tiết diện dây quấn sơ cấp đường kính của dây quấn sơ cấp tiết diện dây quấn thứ cấp tiết diện dây quấn thứ cấp b-Tính khâu khuếch đại xung: Ta cĩ : Ug = 2.5 V Ig = 50 mA Như vậy: U2 = 2,5 V , I2 = 50 mA. điện áp bên sơ cấp của biến áp xung : U1 = N. U2 = 2 . 2,5 = 5 V I1 = I2/ N = 50/2 = 25 mA Chọn bĩng T3 với các thơng số : UCE = 35 V ICE = 3 A giá trị của R20 R20 = Dịng điện qua cực bazơ của T3 : IBT3 = Dịng qua emitơ của T2 cũng chính là dịng bazơ của T3: IET2 = IBT3 = 2mA 2. Khâu đồng pha *Điện áp đồng pha ta chọn là - 15 ữ + 15 dịng điện I = 100 mA D1, D2 ta chọn loại 1001 cĩ các thơng số U = 220 V I = 1 A * Hoạt động của sơ đồ: Trong nửa chu kỳ đầu điện áp đặt lên D1 là ngược và điện áp đặt lên D2 là thuận , điện áp là điện áp cuộn w22 ,trong nửa chu kỳ tiếp theo D1 phân cực thuận cịn D2 phân cực ngược điện áp ra là điện áp của cuộn w21 như vậy điện áp ra lấy phần phần âm của điện áp nguồn. 3. Khâu dịch điện áp: 4. Khâu đồng bộ tạo điện áp răng cưa. * Sơ đồ : nếu dịng qua tụ cĩ giá trị khơng đổi thì điện áp trên tụ thay đổi theo quy luật tuyến tính : UC = IC.t / C . Do đĩ IC/C =UC/t =6.103 .Từ đĩ dịng qua tụ cĩ gia trị là: IC = C.6.103 Chọn tụ C =0,22uF IC =1,32mA => R5 =Un/UC = 12/(1,32.10-3) = 9 K Chọn R5 =9K Trong khoảng 9ms cịn lại ;dịng qua tụ C bằng dịng qua điện trở VR2+R4 . Ta phải chọn gía trị dịng điện sao cho tụ C phĩng điện về đến 0 V sau đúng 9ms . Trong khoảng thời gian này điện áp C thay đổi theo quy luật UC = 6V – (IC/C)/9.10-3 =>IC = 0,15.10-3 mA =>VR2+R4 = 12/0,15.10-3 = 80K Để hiệu chỉnh được điện áp trên t ụ C đ úng =0V sau 9ms thì : R4 = 51 K ; VR1 =51 K 4- Khâu so sánh. * sơ đồ *nguyên lý hoạt động : Điện áp răng cưa được đưa vào cực khơng đảo của khâu so sánh , cịn điện áp điều khiển được đưa vào cực đảo của khâu này , như vậy đây là khâu so sánh khơng đảo : khi Urc < Udk thì Ura - E1 khi Urc > Udk thì Ura + E1 khi Urc = Udk thì khâu so sánh lật trạng thái của đầu ra. Chọn điện trở hạn chế đầu vào R7 = R27 = 15 k Khuếch đại thuật tốn ta chọn loại TL 084 với nguồn nuơi Vcc = So sánh điện áp điều khiển với điện áp răng cưa ta được chuỗi xung vuơng liên tiếp 5. Tính chọn cổng AND . * ký hiệu và bảng chân lý : * ta chọn cổng AND họ CMOS loại IC 4081 với thơng số Vdd=12V Nhiệt độ làm việc : - 400 đến 800 C Cơng suất tiêu thụ p = 2,5 nW/ 1cổng 6. Tính chọn bộ tạo xung chùm :Ta sử dụng vi mạch 555 * sơ đồ Với tần số mong muốn f = 10 kHz ta phải chọn R = 100 W; C2=0,7 mF Tần số được tính theo biểu thức = 10000Hz Từ đĩ T0 = 0,1(ms) Ta điều chỉnh để R8=R9=R. CHƯƠNG IV MẠCH PHẢN HỒI I-Mạch phản hồi dịng: Dịng điện cần ổn định gây lên sụt áp trên điện trở sun Rs,ta giả sử sụt áp là 3(V) qua khâu khuyếch đại được đưa đến IC2 và qua IC2 ta cĩ hàm biến đổi: Uđk=(Uđ+Uht)*K (K là hệ số khuyêch đại) Nếu dịng nạp tăng lên suy ra US tăng thì Uht tăng khi đĩ Uđk được tăng lên làm a tăng theo dẫn đến Ud giảm, suy ra dịng nạp giảm tới giá trị cần ổn định. Giả sử IC1 cĩ hệ số khuyếch đại là 5 ta chọn các giá trị như sau R22=R23=1k,R24 =5k. +V=18V,R26= 1k.(Hệ số khuyếch đại K=2) Với giá trị chọn như vậy sẽ đảm bảo khơng ảnh hưởng tới mạch và an tồn cho IC Tl084 được chọn. II- Mạch phản hồi áp: Nguyên lí giống hệt như mạch phản hồi dịng điện nhưng chỉ khác là ta lấy điện áp phản hồi từ chiết áp.Vậy chọn: R16=R17=1k,R16 =5k. +V=18V, R20=1k Sụt áp ta chọn là 2,4 (V)suy ra chọn R14=117k,R15=3k. Mạch điều khiển và dạng điện áp: Đồ thị quá trình điều khiển: KẾT LUẬN Qua một thời gian làm việc với sự nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của các thầy, đặc biệt là được thầy Võ Minh Chính hướng dẫn trực tiếp, tới nay em đã hồn thành đồ án mơn học của mình . Qua quá trình làm việc, em đã nắm vững hơn phần lý thuyết đã học trong nhà trường và cĩ thêm sự hiểu biết nhiều trong thực tế. Tuy nhiên do nội dung cơng việc hồn tồn mới mẻ, tầm hiểu biết cịn hạn chế nên đồ án mơn học này khơng tránh khỏi thiếu sĩt. Em mong các thầy chỉ bảo giúp đỡ để em hồn thành tốt hơn nữa nhiệm vụ của mình. Em xin chân thành cảm ơn. Hà Nội ngày 04 tháng 12 năm 2004 Sinh viên thực hiện Lê Phương Mục lục Trang Chương1. Cơng nghệ và yêu cầu kĩ thuật 2 I. UPS 1. Vấn đề cung cấp điện cho những tải nhạy cảm 2 2.Giải pháp dùng UPS 3 3. Ứng dụng UPS 4 4.Phân loại UPS. 5 5.Sơ đồ nguyên lý hoạt động UPS 7 II Acqui 7 1.Khái niệm 7 2.Cấu tạo và đặc điểm 8 3.Quá trình biến đổi năng lượng 8 4.Thơng số cơ bản 9 5.Đặc tính phĩng nạp của acqui 11 6.Sự khác nhau giữa acqui axit và acqui kiềm 13 7.Các phương pháp nạp acqui 13 8.Tính tốn dung lượng acqui 14 Chương2. Lựa chọn và tính tốn mạch chỉnh lưu 18 I.Chỉnh lưu nửa chu kì 18 II.Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp cĩ trung tính 18 III.Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hồn tồn 20 IV.Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển 20 Chương3.Thiết kế và tính tốn mạch điều khiển 28 I.Nguyên lí thiết kế mạch điều khiển. 28 II.Sơ đồ khối mạch điều khiển . 30 III.Tính tốn mạch điều khiển 31 Chương 4. Mạch phản hồi 40 I.Mạch phản hồi dịng điện 40 II.Mạch phản hồi điện áp 41 III. Sơ đồ mạch đIều khiển 42 IV. Đổ thị quá trình điêu khiển 43