GIỚI THIỆU BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) VÀ MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU H

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU BỘ LƯU ĐIỆN UPS VÀ MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU H SVTH: Phạm Hào Kiệt Nguyễn Minh Đức GVHD: Th.s Tống Thanh Nhân Trang 1... MỤC LỤCCHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU BỘ LƯU ĐIỆN UPS VÀ MẠC

Trang 1

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triến vượt bậc của khoa học công nghệ, các thiết bị điện đãdần phố biến trên khắp đất nước Nhưng một thực trạng hiện nay là tình trạng thiếu nănglượng hoặc sự cố gây mất điện vẫn diễn ra thường xuyên Những sự cố mất điện bất ngờnhư vậy có the gây hại hoặc hư hỏng cho các thiết bị điện, cũng như có the gây những hậuquả nghiêm trọng hơn ví dụ như dừng hoạt động của hệ thống đèn tín hiệu giao thông ,mất dữ liệu trên máy tính hoặc server

Vì vậy cần có một thiết bị có the cung cấp năng lượng tạm thời khi mất điện độtngột UPS (Uninterruptible Power Supply) ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu cung cấp mộtnguồn điện liên tục cho các thiết bị điện trước các sự cố mất điện bất ngờ Sau đó nhiềuchức năng khác như chống sét, lọc nhiễu, ốn tần, ốn áp được phát triển thêm vào UPSgiúp thiết bị có thể đáp ứng được các yêu cầu của một nguồn điện liên tục

Trong đề tài này sẽ nghiên cứu phát triển dòng UPS online có thời gian chuyểnmạch ngắn nhất phù hợp với các thiết bị có độ nhạy về điện cao Ứng dụng vi xử lý pic16f877a vào mạch điện công suất

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) VÀ MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU H

SVTH: Phạm Hào Kiệt Nguyễn Minh Đức GVHD: Th.s Tống Thanh Nhân Trang 1

Trang 2

MỤC LỤC

Trang 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ UPS

1.1 Giới thiệu về UPS

UPS (Uninterruptible Power Supply) là một thiết bị có thể cung cấp tạm thời điện

năng nhằm duy trì sự hoạt động của thiết bị sử dụng điện lưới gặp sự cố (mất điện, sụt giảmđiện áp quá thấp, sự cố khác ) trong một khoảng thời gian với công suất giới hạn theo khảnăng của nó

UPS có 2 dòng chính là UPS offline và UPS online

Trang 4

bằng phần mềm Và giá cũng đắt hơn.

Nguồn điện lưới lúc này không cung cấp điện trực tiếp cho các thiết bị, mà chúngđược biến đổi thành dòng điện một chiều tương ứng với điện áp của ắc quy Ở đây trongmạch đã thể hiện sự cung cấp điện từ ắc quy và chính từ lưới điện đến bộ inverter để biếnđổi thành điện áp đầu ra phù hợp với thiết bị sử dụng Như vậy, có thể thấy rằng trong bất

kỳ sự cố nào về lưới điện thì UPS online cũng có thể cung cấp điện cho thiết bị sử dụng

mà không có một thời gian trễ nào Điều này làm cho thiết bị sử dụng rất an toàn, và ổnđịnh UPS online sẽ luôn luôn ổn định điện áp đầu ra bởi cũng theo mạch thì điện áp đầuvào lúc này được biến đổi xuống mức điện áp ắc quy và chúng có công dụng như một ắcquy có dung lượng lớn vô cùng (nếu không bị sự cố lưới điện), mạch inverter [3] sẽ đóngvai trò một bộ ổn định điện áp Vì vậy chỉ với các loại UPS online mới có công dụng ổn

áp một cách triệt để

Các tính năng khác của UPS:

Chống sét cho đường dây điện thoại hoặc đường Internet.Giúp người sử dụng có thể

an toàn hơn hoặc quản lý điện năng tốt hơn với máy tính.Cổng giao tiếp với máy tính.Đèn LED hiển thị, âm báo, đèn LCD

UPS online không có thời gian chuyển mạch khi nối lưới và có thể kết nối với acquyngoài nên được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị quân sự, thông tin liên lạc, những thiết

bị cần thời gian sử dụng lâu, không có thời gian tre

Dưới đây là nguyên lý làm việc đơn giản của UPS online

Trang 5

U2 U1

L M

N

Ở đây, chúng ta thấy rằng việc cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ là hoàn toàn liên tụckhi có sự cố về lưới điện Hãy phân tích sơ dồ dưới góc độ người sử dụng như sau: Nguồnđiện lưới lúc này không cung cấp trực tiếp cho các thiết bị mà chúng được biến đổi thànhđiện một chiều tương ứng với điện áp của acquy Sơ đồ trên ta thấy được rằng điện từ lướithông qua bộ sạc (chargeur trên sơ đồ) biến đổi điện xoay chiều (AC) thành điện một chiều(DC) nạp vào acquy (batterie) rồi qua bộ nghịch lưu (onduluer) chuyển ngược lại thành điệnxoay chiều phù hợp với điện áp của thiết bị sử dụng

Như vậy, có thể thấy rằng trong bất kỳ sự cố nào về lưới điện thì UPS online cũng cóthể cung cấp điện cho thiết bị sử dụng mà không có thời gian trễ nào Điều này làm cho cácthiết bị an toàn và ốn định

UPS online luôn ốn định điện áp đầu ra Vì vậy không cần phải có một bộ ốn áp để bảo

vệ tránh hiện tượng quá điện áp cho thiết bị

Phần tiếp theo chúng ta sẽ bàn về mạch nghịch lưu và nguyên lý hoạt động của mạchnghịch lưu từ acquy dùng cầu H

1.2 Giới thiệu về bộ chỉnh lưu

1.2.1 Sơ đồ:

Chỉnh lưu cầu một pha.

Trang 6

Các xung điều khiển này có cùng chu kỳ với u2 nhưng xuất hiện sau u2

Các xung it1 và it3 xuất hiện sau u2 một góc α

Các xung it2 và it4 xuất hiện sau u2 một góc π +α

Các Trisisto này sẽ tự động khoá lại khi u2 =0

Phụ tải được biểu diễn bằng một sức phản điện động E, điện trở R và điện cảm L

Ta chỉ xét mạch này khi L rất lớn và E nhỏ hơn giá trị trung bình của điện áp chỉnhlưu Trong trường hợp này, mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục, dòng qua phụ tảihầu như không đổi và bằng giá trị trung bình của nó Id

Tương ứng với góc mở ta có hai chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu là:

- Khi α < π /2 và E < 0 mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu

- Khi α > π /2 và E > 0 mạch làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển α < π /2

và E > 0

1.2.2.1 Hoạt động:

Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp chỉnh lưu (0 < ωt < π), U2 > 0, các Tiristor T1 và

T3 phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm α = θ1 = ωt1 ta cho xung điều khiển mở T1 và T3 : Ud = U2.

Dòng điện đi từ A qua T1 đến tải rồi qua T3 về B

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = U2 = U2msin ωt (v)

Trang 7

Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xát định dòng điện quatải:

Ldi/dt + R.id + E = U2 = U2msin ωt (v)

Tại lúc góc pha bằng π, U2 = 0 nhưng T1 và T3 vẫn chưa bị khóa vì dòng qua chúngvẫn còn lớn hơn 0

Trong nửa chu kỳ sau của điện áp chỉnh lưu (π < ωt< 2π), U2 < 0 , các Tiristor T2 và

T4 phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm θ = θ2= ωt2 = π + α ta cho xung điều khiển mở T2 và T4 : Ud = -U2.

Dòng điện đi từ B qua T2 đến tải rồi qua T4 về A

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = -U2 = -U2msin ωt (v)

Sự mở T2 và T4 làm cho UN = UB v à UM = UA Do đó điện áp trên T1 và T3 là:

UT1 = UA – UM = UA - UB = U1 < 0

UT3 = UN – UB = UA - UB = U2 < 0

Do đó làm cho T1 và T3 tắt một cách tự nhiên

1.2.2.2 Biểu thức xác định dòng và áp:

Do điện cảm có giá tri rất lớn nên dòng qua tải id là dòng liên tục, id = Id

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

αω

ωα

α

cos

2 sin

= Π∫+

Do α < π /2 nên Ud luôn dương

Giá trị trung bình dòng qua tải ( dòng chỉnh lưu):

Trang 8

IT2,4

i2 id

id IT2,4

Trang 9

Trang 10

Lc

M N

Trang 11

T2 T1

2 2

d

di X

θθθ α

coscos

2

.sin2

2

2 2

ic1 làm tăng dòng trong T4 và làm giảm dòng trong T3

ic2 làm tăng dòng trong T2 và làm giảm dòng trong T1

,

2

c T

X

U i

Trang 12

T3 T4

Khi kết thúc giai đoạn trùng dẫn, tức là khi θ=μ, iT1,3 = 0, phương trình chuyển mạch

α

(1)Xát định sụt ápchỉnh lưu trung bình ΔUμ do hiện tượng trùng dẫn gây ra:

πθαθπ

0

U d

U

(2)Thay (2) vào phương trình (2) ta có được:

Dạng đường cong dòng và áp khi trùng dẫn:

Trang 13

id iT1

iT2

Trang 14

1.3 Giới thiệu về bộ nghịch lưu áp 1 pha

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đối năng lượng từ nguồn điện một chiều không đốisang dạng năng lượng điện xoay chiều dể cung cấp cho tải xoay chiều Đại lượng được điềukhiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện Tùy theo từng loại mà chúng ta có bộ nghịch lưu áphay bộ nghịch lưu dòng Trong đề tài này, chúng ta giới hạn ở bộ nghịch lưu áp

Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu Ngoài ra, còn có bộ nghịch lưu 1 pha dạng nửa cầu có hoặc không có dùng máy biến ápcách ly phía tải Ớ dạng này, điện áp tải lớn nhất chỉ bằng /4 điện áp nguồn một chiều Nhưngdạng này tiết kiệm được 2 khóa trong khi phải dùng 4 khóa như dạng cầu

Trang 15

Sơ đồ bộ nghịch lưu áp 1 pha nửa cầu không có biến áp (a) có biến áp (b)

1.3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP:

Có nhiều loại điều khiến bộ nghịch lưu áp Có thể kể đến như phương pháp điềukhiếntheo biên độ, phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương phápđiều chế theo mẫu, phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM), phươngpháp điều rộng, phương pháp điều chế vector không gian, Các phương pháp trên nhằmmục tiêu duy nhất là cho điện áp đầu ra có dạng càng gần sin càng tốt Thông thườngdạng sóng tạo ra có 2 loại: tạo ra sóng sin mô phỏng và true sin (thuần sin) Một sóng sin

mô phỏng có dạng sóng gần với sóng vuông nhưng có giai đoạn chuyến đổi nên gần vớisóng hình sin Hình dạng của các dạng sóng được vẽ trong Sóng sin mô phỏng có thếđược tạo dế dàng bằng cách chuyến đổi bởi 3 mức tần số xác định Do đó, giá thành rẻ.Tuy nhiên không phải thiết bị nào cũng có thế sử dụng loại nghịch lưu này

Trang 16

Tín hiệu ra gần đúng với tín hiệu sin chuan (true sin)

Lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều

Có thể kết hợp với vi điều khiển để đơn giản quá trình điều khiển

Giá thành không quá đắt Giải thuật tính toán cũng không quá phức tạp

Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM)

Trong các bộ biến đổi nguồn và động cơ PWM được sử dụng một cách rộng rãi

Sự thay đổi của độ rộng xung trong tín hiệu PWM được sử dụng để điều khiển tốc độđộng cơ và biến đổi nguồn Tín hiệu PWM có thể được tạo ra khi sử dụng các bộ viđiều khiển hoặc các bộ tạo tín hiệu chuyên dụng

Tín hiệu PWM tương tự sử dụng bộ so sánh hai tín hiệu vào, gồm tín hiệu chuấn vàtín hiệu sóng mang đe tạo ra tín hiệu dựa trên sự sai khác Tín hiệu chuấn phải có dạng sintần số cùng với tần số yêu cầu ở đầu ra, trong khi tín hiệu sóng mang ở dạng sóng răng

Trang 17

cưa hay tam giác và thường có tần số lớn hơn tần số chuấn Khi tín hiệu sóng mang lớnhơn tín hiệu chuấn, đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ nhất (mức thấp) còn ngược lạiđầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ hai (mức cao).

Quy trình này được mô tả trong hình 1.6 Trong đó, tín hiệu sóng mang (xung tamgiác) có màu đỏ, tín hiệu sin chuấn có màu đen Sau khi qua bộ so sánh xuất ra tín hiệu ởbên dưới để đóng ngắt các khóa trong bộ nghịch lưu (ở đây là các khóa trong mạch cầu H

sẽ được nói ở phần tiếp theo)

Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM

Cần phải nói thêm rằng, trong thực tế ngày nay người ta thường dùng vi điều khiến đểtạo tín hiệu PWM thay cho cách trước đây là tạo ra sóng mang và sóng chuấn rồi đem sosánh với nhau Sử dụng vi điều khiến có nhiều ưu điếm:

Độ ốn định cao, do mạch dao động của vi điều khiến sử dụng thạch anh

Tần số tín hiệu PWM cao: có thế đạt tới vài MHz

Khả nănng điều khiến chính xác, sai số đầu ra có thế đạt đến 1 %

Có thế cùng một lúc tạo nhiều tín hiệu PWM

Trang 18

Ngoài ra, ta còn có thế sử dụng các cổng còn lại của vi điềukhiến đế thực hiện các chứcnăng khác như giám sát, điều khiến, hiến thị

Đế khuếch đại tín hiệu PWM đế tránh nhiễu cho cáckhóa người ta thường sử dụngtransistor hoặc các linh kiện chuyến mạch khác (ở đây ta dùng IC ULN2804).Các cấu hìnhcầu hoặc bán cầu đã được nói ở trên thường được sử dụng trong trường Các cấu hình cầu sửdụng 4 linh kiện chuyến mạch và thường được gọi là cầu H (H Brigde) do hình dạng của nó

1.3.2 MẠCH CẦU H

Mạch cầu H là một mạch chuyến mạch tạo bởi 4 linh kiện sắp xếp theo hình chữ H.Bằng cách điều khiến các công tắc trong mạch ta có thế tạo điện áp dương, âm và 0V trên tải.Mạch cầu H cơ sở được thế hiện qua hình vẽ

Quan hệ giữa tình trạng hoạt động của các linh kiện trong mạch và điện áp trên tải được

mô tả trong bảng 1 Lưu ý là các trường hợp khác đã được loại trừ ví dụ ngắn mạch

Trang 19

1.3.3 CÁC BỘ LỌC TẦN SỐ

Các bộ lọc có nhiều dạng với ưu-nhược điểm khác nhau Ví dụ các bộ lọc số có cấuhình đơn giản và có thể được thiết lập bất kỳ tần số nào Nếu yêu cầu chỉ là lọc thôngthấp/cao/băng với tần số xác định, các bộ lọc tích cực dạng này có thông số kỹ thuật rấtcao và có suy hao không đáng kể Các bộ lọc này thường được cấu tạo dựa trên cáckhuếch đại thuật toán (Op-amp) hay các linh kiện lô-gic Tuy nhiên, các bộ lọc này có giáthành cao, và không có khả năng lọc tín hiệu điện áp cao Để thực hiện lọc điện áp caotrong các bộ nghịch lưu, người ta thường sử dụng các bộ lọc thụ động Các bộ lọc này cógiá thành thấp và dễ triển khai trong thực tế

Sau đây là sơ đồ khối của bộ nghịch lưu dùng cầu H cho UPS online

Trang 20

1.4 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACQUY

Acquy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch Nó tích trữ năng lượng dưới dạnghóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng Dòng điện trong bình acquy tạo

ra do phản ứng điện phân giữa vật liệu trên bản cực và dung dịch H2SO4 Hiện nay chúng

ta có nhiều loại acquy, nhưng có 2 loại cơ bản là acquy axit và acquy kiềm

Bình acquy được làm từ nhiều tế bào acquy (cell), ta gọi đó là những acquy đơn,được đặt trong 1 vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng

Mỗi acquy đơn có điện thế khoảng 2V Acquy 12V có 6 acquy đơn mắc nối tiếp.Muốn có điện thế cao hơn ta mắc nối tiếp nhiều acquy lại với nhau

Trên nắp mỗi acquy đơn có đặt nắp thông hơi, với mục đích:

Để đậy kín acquy, khi cần thêm nước thì mở ra thêm nước vào

Khi nạp thì người ta mở nắp này để chất khí hình thành có khí thoát ra

Dung dịch điện phân là H2SO4, nồng độ dung dịch có ảnh hưởng lớn đến sứcđiện động của acquy, thể hiện trong sơ đồ sau:

Định dạng
Số trang	29
Dung lượng	0,98 MB