ĐTCS nghịch lưu cầu 3 pha

Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp,các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bịđốt nóng bằng cảm ứng, trong thi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ TÀI:

Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục

UPS

Người hướng dẫn: Ths Nguyễn Thị Điệp

Sinh viên thực hiện: Dương Đức Toàn

Mã sinh viên: 18810430113

Lớp:

Hà Nội, 10/2020

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Sinh viên thực hiện:

Đánh giá và nhận xét của giáo viên

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN UPS 6

1.1 Giới thiệu về UPS 6

1.2 Phân loại UPS 9

1.2.1 UPS Offline 9

1.2.2 UPS Offline với công nghệ Line Interactive 10

1.2.3 UPS Online 10

1.2.4 Sơ đồ nguyên lý chung của một UPS 11

1.3 Giới thiệu chung về nghịch lưu 13

1.3.1 Khái niệm, phân loại, ứng dụng của nghịch lưu 13

1.3.2 Giới thiệu về van MOSFET 14

1.3.3 Phân tích sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha 16

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 22

2.1 Sơ đồ mạch lực 23

2.2 Chức năng của các phần tử trong mạch 23

2.3 Tính toán chọn các phần tử trong mạch 24

2.4 Mạch bảo vệ van 25

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 27

3.1 Cấu trúc tổng quát mạch điều khiển 27

3.2 Khâu dao động hình sin 29

3.3 Khâu tạo điện áp răng cưa 31

3.4 Khâu tạo điện áp so sánh 32

3.5 Khâu tạo điện áp điều khiển 33

3.6 Khâu khuếch đại xung bằng máy biến áp 34

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG MẠCH THIẾT KẾ TRÊN PSIM 37

4.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng điện tử công suất PSIM 37

4.2 Tổng quan về phần mềm PSIM 37

4.3 Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển 39

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất,các thiết bị biến đổi điện năng dùng trong các linh kiện bán dẫn đã được sử dụngnhiều trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của

xã hội Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp,các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bịđốt nóng bằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng

Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu mônĐiện tử công suất và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuấthiện đại Vì vậy để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vàotrong thực tế, em được nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế bộ nghịch lưutrong bộ cấp nguồn liên tục UPS”

Nội dung của đồ án:

 Chương 1: Giới thiệu chung

 Chương 2: Tính toán thiết kế mạch lực

 Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển

 Chương 4: Mô phỏng và kiểm chứng mạch thiết kế trên PSIM

Dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của cô Nguyễn Thị Điệp cùng sự cố gắng củacác thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành xong đồ án của mình Tuynhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót khithực hiện đồ án này Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánhgiá, góp ý của thầy cô giáo để đề tài được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN UPS

1.1 Giới thiệu về UPS

UPS được viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power Supply

được hiểu như là hệ thống nguồn cung cấp liên tục hay đơn giản hơn là bộ lưu trữđiện dự phòng nhằm làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống Nó cung cấptạm thời điện năm nhằm duy trì sự hoạt động của thiết bị hoạt động điện lưới gặp

sự cố (mất điện, sụt giảm điện áp quá thấp, sự cố khác…) trong một khoảng thờigian với công suất giới hạn theo khả năng của nó

Ở Việt Nam, UPS thường được gọi là “bộ lưu điện” Như đã biết, mộtnguồn điện tốt sẽ đảm bảo khả năng làm việc tin cậy, kéo dài thời gian sử dụngthiết bị dùng điện cũng như mang lại hiệu quả kinh tế cho công nghiệp Hiện nay,

do nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, việc đầu tư cho lưới điện đòi hỏirất nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng thiếu hụt điện năng và chất lượng điện năngsuy giảm

Từ yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất lượng,UPS được phân thành dòng sản phảm chính về công nghệ như sau:

 UPS Offline đơn thuần

 UPS Offline công nghệ Line- interactive

 UPS Online

Hình 1 1 Nguyên lý chung của UPS

UPS là một nguồn có đầu vào nối với lưới điện, đầu ra nối với các thiết bịcần được bảo vệ, bên trong có ắc quy Bình thường tải cung cấp năng lượng từnguồn Khi mất điện bất thường thì năng lượng cung cấp cho tải lúc này được lấytrực tiếp từ acquy đảm bảo cho thiết vị được cấp điện một cách liên tục

Sự cố nguồn năng lượng điện: sự cố trong các nguồn năng lượng điện cóthể xảy 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 hậu quả khácnhau

Về mặt lý thuyết: hệ thống phân phối năng lượng điện tạo ra một điện áphình sin với biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện

Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnhhưởng 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, gián đoạn cung cấp điện vì:

 Hiện tượng nhiễu điện ở bầu khí quyển (thường không tránh khỏi) Điềunày có thể ảnh hưởng đến đường dây ngoài trời hoặc cấp chôn, chẳng hạn:

 Sấm sét làm điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện

 Sương giá có thể làm cho đường dây bị đứt

 Những hiện tượng ngẫu nhiên chẳng hạn:

 Cành cây rơi gây ngắn mạch hoặc đứt dây

 Đứt cáp do đào đất

 Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp

 Lắp đặt công nghiệp chẳng hạn:

 Động cơ gây ra điện áp rơi và nhiễm RF trong quá trình khởi động

 Những thiết bị gây ô nhiễm: lò luyện kim, máy hàn,…

 Những hệ thống điện tử công suất cao

 Thang máy, đèn huỳnh quang

Những sự cố ảnh hưởng tới việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị cóthể phân thành các loại sau:

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 kĩ thuật khác nhaucho vấn đề này Những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của 2 tiêu chuẩn sau

để đánh giá:

 Liên tục cung cấp điện

 Chấp lượng cung cấp điện

Về tính liên tục cung cấp điện: Cách duy nhất là cung cấp nguồn dự trữ.Một vài giải pháp kỹ thuật đảm bảo tính liên tục cung cấp điện:

- Trong quá trình lắp đặt sử dụng một vài nguồn khác nhau tốt hơn là chỉdùng 1 nguồn

- Chia nhỏ mạch tải ra mạch ưu tiên và mạch không ưu tiên khi cần sẽloại bỏ tải không cần thiết.

- Lựa chọn điểm nối trung tính

- Lựa chọn thiết bị bảo vệ theo cấp

- Lựa chọn phương pháp kết nối

Những giải pháp này có thể bổ sung cho nhau và hạn chế sự cố phát sinh trong quátrình lắp đặt Tuy nhiên phương pháp duy nhất đảm bảo tính liên tục cung cấp điện

là nguồn sử dụng dự trữ tối thiểu là để cung cấp cho các tải ưu tiên

Hiện nay, nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông,ngân hàng, y tế, rất lớn Số lượng UPS sử dụng gần bằng 1/3 số lượng máy tínhđang sử dụng Một số ví dụ: hệ thống máy tính, hệ thống máy tính công nghiệp, hệthống chiếu sáng, viễn thông, y tế, công nghiệp,…

1.2 Phân loại UPS

Do yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất lượng,UPS được phân thành các dòng sản phẩm chính về công nghệ như sau:

 UPS Offline đơn thuần

 UPS Offline công nghệ Line-interactive

 UPS Online

Trong đó loại phổ thông nhất là UPS Offline, UPS Offline công nghệ interactive và UPS Online còn lại UPS tĩnh, UPS quay thì ít được sử dụng

Line-1.2.1 UPS Offline

Sơ đồ thể hiện hai trạng thái làm việc của một UPS Offline thông thường:

 Ở trạng thái lưới điện ổn định thì nguồn tiêu thụ sử dụng điện trực tiếp củalưới điện UPS lúc này chỉ sử dụng một bộ nạp (charger) để nạp điện mộtcách tự động cho ắc quy mà thôi

 Khi điện áp lưới điện không đảm bảo (quá cao, quá thấp) hoặc mất điện thìlúc này mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp ra từ acquy và bộinverter

Hình 1 2 Cấu trúc bộ UPS Offline

Qua nguyên lý được phân tích như trên thì ta thấy rằng thời gian cung cấpđiện cho thiết bị tiêu thụ vì thế mà bị gián đoạn Sự gián đoạn này gây ra việc cungcấp nguồn điện không ổn định tại phía các thiết bị tiêu thụ:

Cũng qua sơ đồ, ta thấy rằng UPS Offline không có công dụng ổn áp khichúng sử dụng điện lưới bình thường - bởi khi không có sự cố về lưới điện thì cácthiết bị phía sau UPS đơn thuần được nối trực tiếp với lưới điện thông qua rơ le

1.2.2 UPS Offline với công nghệ Line Interactive

Về cơ bản cấu tạo và nguyên lý hoạt động của UPS công nghệ LineInteractive gần giống với UPS Offline thông thường Nhưng nó chỉ khác một đặcđiểm nhỏ: UPS Offline công nghệ Line Interactive có gắn thêm bộ ổn áp giúp chođiện áp đầu ra luôn ổn định Khi dòng điện có sự cố về điện áp, UPS sẽ tự độngđiều chỉnh để điện áp đầu ra luôn ở dạng chuẩn

Hình 1 3 Cấu trúc bộ UPS Line Interactive

Tuy nhiên nhược điểm của loại UPS Offline công nghệ Line Interactive này

là thời gian chuyển mạch vẫn còn lớn (2-10ms) nên sẽ không đáp ứng được chocác thiết bị nhạy cảm về điện

1.2.3 UPS Online

Khắc phục hoàn toàn những nhược điểm của dòng UPS Offline, UPSOnline có thể loại bỏ những sự cố của điện lưới do điện áp đầu vào luôn được điềuchế trước khi cấp cho tải sử dụng Nguồn điện lưới không cung cấp trực tiếp chothiết bị mà được biến đổi thành dòng một chiều nhận được thành điện áp đầu raphù hợp với thiết bị sử dụng Như vậy có thể thấy rằng khi lưới điện xảy ra bất kỳ

sự cố nào thì thiết bị của bạn vẫn luôn được an toàn

Hình 1 4 Cấu trúc bộ UPS Online

Dòng UPS Online thường được thiết kế với công suất lớn, có thể mở rộngthời gian lưu điện bằng các acquy lưu điện gắn trong lẫn ngoài nên ngoài nhữngthiết bị có tính chất tải thuần trở như thiết bị văn phòng, máy tính thì UPS Onlinecòn có thể sử dụng cho hệ thoongsm áy chủ, trung tâm dữ liệu (data center) vàthậm chí cả những thiết bị tải động cơ như quạt, máy bơm,…

1.2.4 Sơ đồ nguyên lý chung của một UPS

Hình 1 5 Sơ đồ nguyên lý chung của UPS

 Biến áp vào:

- Hạ điện áp lưới xuống điện áp thích hợp để đưa vào bộ chỉnh lưu

- Cách ly giữa hệ thống và lưới, chống ngắn mạch nguồn

 Chỉnh lưu: tạo ra điện áp một chiều dùng cho việc nạp ắc quy và đưa tới bộnghịch lưu

 Lọc chỉnh lưu: san phẳng điện áp ra từ bộ chỉnh lưu để đưa đến bộ nghịchlưu nhằm nâng cao chất lượng điện áp ra ở đầu ra nghịch lưu

 Nghịch lưu: biến điện áp một chiều lấy từ đầu ra của chỉnh lưu thành điện

áp xoay chiều tần số f cấp cho tải

 Biến áp ra: tăng điện áp ra từ bộ nghịch lưu lên phù hợp theo yêu cầu củatải

 Mạch nạp ắc quy: dùng để điều khiển việc nạp ắc quy Khi có điện, ắc quy

là nơi tích trữ năng lượng Khi đó dưới sự điều khiển của mạch điều khiểnnạp thì ắc quy được nạp Khi điện áp trên acquy tăng đến một mức nào đóthì mạch điều khiển sẽ cắt việc nạp ắc quy

 Ắc quy: là nơi tích trữ năng lượng khi có điện áp nguồn và là kho cung cấpnăng lượng cho các phụ tải khi lưới điện bị mất Thời gian duy trì điện củaUPS phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng của acquy Trên thi trường acquydùng cho UPS phổ biến nhất là loại 12V/7Ah và 6V/7Ah Khi thiết kế tùytheo điện áp mà ta có thể mắc nối tiếp các acquy để được nguồn 24 – 48V

Việc sử dụng nguồn cấp có điện áp cao sẽ giảm được dòng tiêu thụ và tănghiệu suất của ngồn UPS song nó sẽ làm tăng kích thước của nguồn.

 Điều khiển chỉnh lưu: điều khiển góc mở của các thyristor trong mạchchỉnh lưu sao cho điện áp ra sau chỉnh lưu ổn định theo yêu cầu

 Điều khiển nghịch lưu: điều khiển thời gian dẫn của các van hợp lý sao chođiện áp cung cấp cho tải là không đổi hoặc thay đổi rất nhỏ Mạch điềukhiển này đóng vai trò quan trọng như một bộ ổn áp hoạt động song songvới bộ nghịch lưu

 Nguồn: dùng để cung cấp các mức điện áp khác nhau cho 2 bộ điều khiểnchỉnh lưu và nghịch lưu

Để thiết kế được một bộ lưu điện UPS hoàn chỉnh cần rất nhiều thời giancũng như đòi hiểu có nhiều kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn Trong giới hạnkiến thức của bản thân và yêu cầu của đề tài, em sẽ đi sâu vào tính toán, lựa chọn,thiết kế bộ nghịch lưu (một phần rất quan trọng trong bộ UPS)

1.3 Giới thiệu chung về nghịch lưu

1.3.1 Khái niệm, phân loại, ứng dụng của nghịch lưu

Người ta thường phân loại nghich lưu theo sơ đồ như:

- Nghịch lưu một pha: cầu một pha, sơ đồ hình tia…

- Nghịch lưu ba pha: sơ đồ tia ba pha, sơ đồ cầu ba pha,…

Cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu như:

- Nghịch lưu dòng: cho phép biến nguồn dòng 1 chiều thành xoay chiều.

- Nghịch lưu độc lập nguồn áp: cho phép biến đổi nguồn áp một chiều Ethành nguồn điện áp xoay chiều có tính chấp như điện áp lưới

- Nghịch lưu cộng hưởng song song: có đặc điểm khi hoạt động luôn hìnhthành một mạch vòng dao động cộng hưởng RLC

Ứng dụng nghịch lưu khá rộng rãi trong công nghiệp hay trong điều khiển

hệ thống điện hiện nay như cung cấp điện,các hệ thống xoay chiều, truyền tải điệnnăng hay luyện kim…

1.3.2 Giới thiệu về van IGBT

 Cấu trúc và ký hiệu

Hình 1 6 Ký hiệu IGBT

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống MOSFET, điểm khác nhau là có thêmlớp nới với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter (tương tự cực gốc)với collector (tương tự cực máng) mà không phải là n-n như MOSFET Vì thế, cóthể coi IGBT tương đương một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởimột MOSFET

Dưới tác dụng của kênh điều khiển Uge > 0, kênh dẫn với các hạt mangđiện là các điện tử được hình thành, giống như cấu trúc MOSFET Các điện tử dichuyển từ phía collector qua lớp tiếp giáp n-p như cấu trúc giữa base và collector ởtransistor bình thường tạo nên dòng collector

 Nguyên lý làm việc

Phân cực cho IGBT sao cho Uce > 0, sau đó vào cực G một điện áp điềukhiển Uge > 0 với một giá trị đủ lớn Khi đó hình thành một kênh dẫn với các hạt

là điện từ giống như MOSFET các hạt điện tử di chuyển về phía cực C, vượt quatiếp giáp p-n tạo nên dòng collector Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơntransistor thường, trễ khi mở khoảng 0.15ms, trễ khi đóng khoảng 1ms Công suấtđiều khiển IGBT rất nhỏ thường mở dưới dạng điện áp điều khiển là ±15V Để mởthường cấp tín hiệu +15V, khóa cấp tín hiệu -15V

 Điều kiện mở khóa

 Trạng thái khóa UGE ≤ 0, tuy nhiên nên dùng điện áp âm

 Trạng thái dẫn UGE > 0 và để mở bão hòa cần có điện áp điều khiển vượt giá trịnhất định thường cỡ 15V

 Các thông số cơ bản

Dưới đây là bảng các thông số cơ bản của van IGBT:

T

T

1 Điện áp Điện áp đánh thủng CE U(BR)CE

Điện áp đánh thủng GE U(BR)GER Khi ngắn mạch GSĐiện áp tối đa cho phép giữa

Thời gian giảm dòng colector TFĐiện dung cổng vào CISS CISS = CGE+ CGCĐiện dung ra COSS COSS = CGC+ CCEĐiện dung chuyển đổi CRSS CRSS = CGCĐiện tích tổng ở mạch cực

miền quá độ pn

Tj(max) Cả nhiệt độ âm và dương

Bảng 1 1 Các thông số cơ bản của van IGBT

1.3.3 Phân tích sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha

Hình 1 7 Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha

Để tạo ra điện áp 3 pha sử dụng 3 nhóm van đấu theo hình 1.5, điểm giữamỗi nhánh van thẳng hàng là điểm nối với phụ tải 3 pha đấu sao hoặc tam giác

Sơ đồ có thể điều khiển bằng 2 luật van dẫn khác nhau

- Góc van dẫn � =180°

- Góc van dẫn � =120°

Để tạo ra điện áp 3 pha đối xứng trở lên ta điều khiển van T1 đến T6 theo quyluật:

T1 và T4 đấu lệch nhau 1 góc 180° tạo ra điện áp pha A

T3 và T6 đấu lệch nhau 1 góc 180° tạo ra điện áp pha B

T5 và T2 đấu lệch nhau 1 góc 180° tạo ra điện áp pha C

Mỗi pha lệch nhau 120°

Nếu � =120° thì độ lệch van giống x = 180°.

Góc dẫn van �=180°, luật điều khiển này giống trong NLĐL 1 pha khi 2

van 1 nhánh thay nhau dẫn trong chu kỳ Đồ thị điện áp dòng điện:

Hình 1 8 Sơ đồ chuyển mạch khi hoạt động

 Xét θ = (0÷ 60) T1, T5, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình 1.10a

2sin 1203

 

1,3,5

4 cos sin

6 3

1 cos2

D

T

I I

I I

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC2.1 Sơ đồ mạch lực

T1 R1

C1 C2

L1

IGBT3 R2

C3 C4

L2

IGBT4 R3

C5 C6

L3

IGBT5 R4

C7 C8

L4

IGBT6 R5

C9 C10

L5

IGBT7 R6

C11 C12

L6

RA RB RC

Hình 2 1 Sơ đồ mạch lực

2.2 Chức năng của các phần tử trong mạch

 Van IGBT: Sử dụng trong các mạch nghịch lưu hoặc các bộ biến đổi xung

áp một chiều, trong biến tần, mạch đóng cắt tần số cao Ở tần số đóng cắt

cao như vậy, những sự cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến pháhỏng toàn bộ thiết bị

 Tụ C0: Lọc, làm phẳng điện áp đầu ra tại nguồn E và nhận năng lượng trả

về từ điện cảm tải khi các diode dẫn dòng, vì chỉnh lưu không cho dòngđiện đảo chiều lại

 Diode: Các diode này để dẫn điện áp cảm ứng khi ngắt dòng trở về nguồnDC