ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU HÌNH CẦU MỘT PHA CHO NGUỒN UPS

Nhằm đàm bảo tính liên tục vàchất lượng cung cấp điện cho những tải nhạy cảm mà không phụ thuộc trạng thái hệ thống cung caaso, phương pháp duy nhất là sử dụng bộ nguồn dự trữ làm việcti

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU HÌNH CẦU MỘT PHA CHO NGUỒN UPS

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

SINH VIÊN THỰC HIỆN :

LỚP :

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN UPS 1.1 GIỚI THIỆU VỀ UPS 6

1. 1.1 Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ nguồn liên tục UPS 6

1. 1.2 Sự cố cung cấp năng lượng 6

1. 1.3 Giải pháp dùng UPS 8

1. 1.4 Ứng dụng trong thực tế 8

1.2 PHÂN LOẠI UPS 10

1 2.1 Phân loại UPS dựa tho bộ chuyển đổi 10

1. 2.2 Phân loại UPS theo chế độ làm việc 11

1.3 CẤU TRÚC UPS 12

1. 3.1 Các thành phần chính của UPS 13

1. 3.2 Các thiết bị khác 14

1.4 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ẮC QUY VÀ CÁC CHẾ ĐỘ NẠP…………14

1.4.1 Giới thiệu chung về ắc quy 14

1.4.2 Cấu tạo của ắc quy 15

1.4.3 Nguyên lý hoạt động của ắc quy 15

1.4.4 Các thông số cơ bản của ắc quy 17

1.4.5 Đặc tính phóng nạp của ắc quy 19

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 4

2.1 MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN 4

2.1.1 Sơ đồ và nguyên lý 4

2.1.2.Các thông số và biểu thức 4

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN LINH KIỆN 8

3.1 Tụ điện………

3.2 Diode ……….

3.3 IC 7812………

CHƯƠNG 4 MẠCH MÔ PHỎNG 35

KẾT LUẬN……….

TÀI LIỆU THAM KHẢO………

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, ngày tháng năm 2019 Giáo viên hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời, phát triển nhanh và ngày càng hoàn thiện của các linh kiện điện

tử, đặc biệt là vi xủ lý đã tạo ra sự thay đổi sau sắc và phát triển mạnh mẽ trong cácthiết bị, hệ thống thiết bị điện-điện tử, chẳng hạn như máy tính, thiết bị điều khiểnkhả trình, tổng đài điện thoại, truyền dữ liệu, chiếu sáng đường hầm, những hệthống giám sát điều khiển và xử lý công nghiệp Nhằm đàm bảo tính liên tục vàchất lượng cung cấp điện cho những tải nhạy cảm mà không phụ thuộc trạng thái

hệ thống cung caaso, phương pháp duy nhất là sử dụng bộ nguồn dự trữ làm việctin cậy, đặc biệt là những bộ nguồn làm việc như một “giao điện công suất” giữanguồn cung cấp và tải Để đi sau vào tìm hiểu, nghiện cứ về bộ nguồn dự trữ,Nhóm em đã nghiên cứu về thiết bị chỉnh lưu trong đó Bộ phận chỉnh lưu là mộtphần quan trọng của bộ nguồn liên tục Trong giới hạn chỉ là một dồ án môn họcnên đề tài cũng chưa thực sự sâu sắc và chính xác

Mặc dù chúng em đó rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi vàđặc biệt do trình độ hiểu biết của chúng em cũng nhiều hạn chế nên chúng emkhông thể tránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được sự phê bình góp ýcủa các thầy để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như nhữngứng dụng thực tế của nó để bản đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn.Và chúng

em hi vọng trong một tương lai không xa, chúng em có thể áp dụng những kiếnthức và hiểu biết thu được từ chính đồ án đầu tiên trong cuộc đời sinh viên củachúng em vào thực tế cũng như sẽ phát triển hơn nó trong các đồ án sau này

Trong quá trình làm đồ án chúng em đó nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo rất

tận tình của Cô giáo Nguyễn Thị Nhung, giáo viên khoa Điện-Điện tử Em xin

chân thành cảm ơn Cô và hi vọng Cô sẽ giúp đỡ chúng em nhiều hơn nữa trongviệc học tập của chúng em sau này.Vì kiến thức và kinh nghiệm của chúng em cònhạn chế nên đồ án không tránh khỏi sai xót Chúng em rất mong sự đang giá củaquý thầy cô và bạn bè, để đồ án được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ BỘ NGUỒN UPS1.1 Giới thiệu về UPS

UPS được viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power Systemđược 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 cũng cấptạm thời điện năng nhằm duy trì sự hoạt động của thiết bị sử dụng điện lưới gặp sự

cố điện ( 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 quen được gọi là: cái lưu điện cực lưu điện… Như chúng ta đã biết, một nguồn điện tốt sẽ đảm bảo khả năng làm việc tin cậy,kéo dài thời gian sử dụng thiết bị dùng điện cũng như mang lại hiệu quả kinh tếcho doanh nghiệp Hiện nay, do nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, đểnăng cao độ tin cậy cung cấp điện, thỏa mãn các yêu cầu của kỹ thuật số, có thể sửdụng hai giải pháp: một là xây dựng các khu công nghiệp và thương mại được cấpđiện với chất lượng cao, việc đầu tư cho hệ thống lưới điện đòi hỏi rất nhiều kinhphí dẫn tới tình trạng thiếu hụt điện năng và chất lượng điện năng suy giảm Hai là

sử dụng các bộ nguồn liên tục UPS cho các tải quan trọng, việc này tiết kiệm đượcrất nhiều chi phi đầu tư xây dựng

1.1.1 Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ nguồn liên tục UPS

UPS đầu vào nối với lưới điện, đầu ra nối với các thiết bị cần được bảo vệ,bên trong có một acqui Bình thường tải được cung cấp năng lượng từ nguồn Khimất điện bất thường thì năng lượng cung cấp trực tiếp cho tải là acqui đả bảo thiết

bị được cung cấp một cách liên tục

1.1.2 Sự cố cung cấp năng lượng

Sự cố trong các nguồn năng lượng điện có thể xẩy ra trong quá trình lắpđặt trang thiết bị hoặc ở đầu vào hệ thống (quá tải, nhiễu, mất cân bằng pha, sấmsét, …) 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-50Hzchẳng hạn).

Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bịảnh hưởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệthống

Đối với hệ thống cung cấp điện: Có thể bị sự cố hoặc gián đoạn cung cấpđiện 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

- Sương giá có 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 có thể ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp

+ Lăp 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, … gây ra điện áp rơi

và nhiễm RF

- Những hệ thống điện tử công suất cao

- Thang máy, đèn huỳnh quang

+ Những sự cố ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có thểphân thành các loại sau:

- Lệch điện áp

- Ngừng hoạt động

+ 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 chovấn đề này, những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của hai tiêu chuẩn sau đểđánh 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 tảinhạy 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

điện và chất lượng cung cấp điện cao mà không bị ảnh hưởng những sự cố của hệthống cung cấp điện

Bảng 1.1 liệt kê một vài ứng dụng chính của bộ nguồn UPS

Những ứng

dụng chính

Những thiết bị được bảo vệ

Bảo vệ chống lạiNgừn

g hoạtđộngtừngphần

Ngừnghoạtđộngtoànbộ

Các

sự cốkhác

Thayđổitần số

hệ thóng điểu khiển giám sát, robot, máymóc tụ động, sản xuất linh hoạt

3 Viễn Thông

Tổng đài điện thoại, truyền dữ liệu, hệ thống rada

4 Y tế và công

nghiệp

Dụng cụ y tế, thang máy, robot hàn, máy

ép nhựa, thiết bị

điều chỉnh chính xác, thiết bị đo nhiệt

độ trong quá trình chuẩn bị chát bán dẫn, nhựa, nguyên liệu

5 Chiếu sáng

Đừng hầm, đường băng, sân bay, những tòa nhà công cộng

x

1.2 Phân loại UPS

1.2.1 Phân loại UPS dựa tho bộ chuyển đổi

Sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất làm chức năng chỉnh lưu và nạpacquy để tích trữ điện năng khi làm việc bình thường Khi sự có bộ nghịch lưu làmviệc vụ biến đổi điện năng một chiều tích lũy trong acquy thành điện năng xoaychiều cung cấp cho các tải ưu tiên

- Giới hạn dòng điện vận hành tối đa cho phép có thể tới 2,33 I n

- Cách ly về diện, khi cần dùng một máy biến áp cách ly

- Bảo dưỡng, vận hành đơn giản, là việc chắc chắn

- Khả năng đáp ứng nhanh cho sử dụng thiết bị vi điểu khiển

- Trọng lượng kính thước nhỏ, gọn

- Biên độ điện áp được điều chỉnh trong phạm vi ± 0,5% khoặc ± 1%

Hình 1.1 UPS tĩnh

Hình 1.2: UPS quay

Sử dụng máy điện làm chức năng nghịch lưu

- Dòng ngắn mạch của máy phát điện cao (khoảng 10I n)

- Hệ thống phụ tải cách ly với nguồn

- Trở kháng ra của hệ thống thấp

- Cần bảo dưỡng kiểm tra thường xuyên

1.2.2 Phân loại UPS theo chế độ làm việc

Trong UPS gián tiếp, bộ nghịch lưu được nối song song với hệ thống cungcấp làm nguồn dự phòng Khi vận hành bình thường nguồn cấp trực tiếp cho tảiqua bộ lọc F mà không qua bộ nghich lưu

Khi xảy ra sự cố ở hệ thống cũng cấp hoặc điện áp hệ thống nằm ngoài giớihạn cho phép, tải sẽ được cấp từ bộ nghịch lưu sau một thời gian chuyển mạch rấtngắn, cỡ 10 ms, Khi điện áp hệ thống được phục hồi, tải sẽ được tự động chuyển

về nguồn cung cấp Sơ đồ này có ưu điểm vừa giải quyết được ổn định cung cấpcho tải vừa có giá thành phù hợp Tuy nhiên việc chuyển đổi vẫn đòi hỏi mộtkhoảng thời gian không đáp ứng được như cầu các tải nhạy cảm như máy tính,tổng đài điện thoại… Sơ đồ này chỉ được sử dụng với coog suất nhỏ dưới 2 KVA

Trong on-line UPS, bộ nghịch lưu được chèn vào giữa hệ thống cung cấp vàtải Toàn bộ điện năng cung cấp qua tải phải qua bộ nghịch lưu do đó việc cungcấp điện đảm bảo liên tục, chất lượng điện năng về điện áp, dạng sóng, tần số là do

bộ nghịch lưu quyết định mà không phụ thuộc vào nguồn cung cấp Hệ thống còn

có bộ chuyển mạch tĩnh đảm bảo cung cấp điện năng trong trường hợp cần bảodưỡng, sửa chưa bộ chỉnh lưu-nghịch lưu và acquy Sơ đồ này đảm bảo chất lượngđiện áp và độ tin cậy cung cấp điện cao nhưng giá thành cao và được ứng dụng vớicông suất trung bình và lớn trên 40KVA

1.3 Cấu trúc UPS

1.3.1 Các thành phần chính của UPS

Một hệ thống UPS hoàn chỉnh thường gồm các phần tử cho trên hình 1.3

Hình 1.3: Các thành phần chính của UPS+ Đường dây vào: có hai đường vào độc lập từ hệ thống cung cấp

- Hệ thống cung cấp 1 (HTCC1): đường vào bình thường cung cấp cho chỉnhlưu-nạp

- Hệ thống cung cáp 2 (HTCC2): cung cấp cho chuyển mạch tĩnh (theo pass)

by-Bộ nghịch lưu được đồng bộ về tần số với HTCC2 Chuyển mạch tĩnh cho phép tảiđược chuyển tức thời qua đường by-pass lúc cần thiết Nên nối UPS với hệ thốngcung cấp 2 độc lập để tăng độ tin cậy, tuy nhiên cũng có thể sử dụng đường chung.+ Bộ chỉnh lưu nạp (1) : Biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để:

- Cung cấp cho bộ nghịch lưu

- Nạp thường xuyên cho acquy

+ Bộ acquy (2): Dự trữ điện năng để cung cấp cho bộ nghịc lưu nếu:

- Hệ thống cung cấp điện mất

- Sự cố làm giảm chát lượng điện áp cấp

+ Bộ nghịch lưu (3): Nghịch lưu điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu hoặc từ acquythành điện áp xoay chiều với sai số cho phép

+ Đường song song với chuyển mạch tĩnh (4) : Chuyển đổi tải UPS từ bộ nghịch

lưu sang hệ thống cung cấp 2 mà không làm gián đoạn cung cấp điện cho tải Việcnày xảy ra khi nghịch lưu ngường hoạt động vì các lý do:

+ Chuyển mạch bằng tay, thiết bị đóng cắt acpuy (7), (8), (9), (10): dùng để cách ytrong quá trình bảo dưỡng

1.3.2 Các thiết bị khác

Ngoài các linh kiện đã nêu ở trên, UPS có thể được trang bị thêm một số thiết bịsau:

- Thiết bị phân phối và bảo vệ

- Thiết bị ccacs ly, máy biến áp tạo điện áp phù hợp cho tải

- Hệ thống điều khiển, cảnh báo, hiện thị, điều khiển xa UPS có thể trang bịthêm hệ thống chẩn đoán tự động, tự động kiểm tra trạng thái của các linkkiện Ví dụ như kiểm tra trạng thái của acquy thừng xuyên

1.4 Giới thiệu chung về ắc quy và các chế độ nạp

1.4.1 Giới thiệu chung về ắc quy

Ăc-qui là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làmnguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, như bóng đèn, làmnguồn nuôi cho các linh kiện điện tử…

Hình 2.1: Ắc quy trong thực tếCác tính năng cơ bản của ăc-quy:

- Sức điện động lớn, ít thay đổi khi phóng nạp điện

Có hai loại ăc-quy là: ăc-quy a-xit (hay ăc-quy chì) và ăc-quy kẽm quy sắt kền hay ăc-quy cadimi-kền) Trong đó ăc-quy a-xit được dùng phổ biến

(ăc-và rộng rãi hơn

1.4.2Cấu tạo của ắc quy

Các bộ phận chủ yếu của ăc-quy a-xit gồm:

- Các lá cực dương làm bằng Pb2 được ghép song song với nhau thànhmột bộ chùm cực dương

- Các lá cực âm làm bằng Pb được ghép song song với nhau thành một

bộ chùm cực âm

Hình 2.2: Cấu tạo của ắc quy

Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ nhau theo kiểu cài rănglược, sao cho cứ lá cực âm rồi đến một lá cực dương

- Tấm chắn đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng chậpmạch giữa các điện cực khác dấu

- Vỏ bình điện ăcquy thường làm bằng cao su cứng (êbonit) đúc thành hinhhộp , chịu được khí nóng lạnh, va chạm mạnh và chịu a-xit Dưới đáy bình

có các đế cao để dắt các lá cực lên, khi mùn của chất hoạt động rụng xuốngthì đọng dưới rãnh đế như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa cácđiện cực do mùn gây ra Nắp đậy ăc-quy cũng làm vỏ cao su cứng, nắp cócác lỗ để đổ dung dịch điện phân vào bình và đầu cực luồn qua Nút đậy đểdung dịch khỏi đổ ra

- Thanh nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ăc-quy này với cựcdương của ngăn ăc-quy tiếp theo

1.4.3 Nguyên lý hoạt động của ắc quy

Ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch: nó tích trữ nănglượng 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 ắcqui dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện.

Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc qui axit có dung dich điện phân là axit H2SO4

nồng độ d  1,1  1,3 % bản cực âm là Pb và bản cực dương là PbO2 có dạng :

(- ) Pb  H2SO4 d  1,1  1,3  PbO2 ( + )Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit :

phóngPbO2 + 2H2SO4 + Pb 2PbSO4 + 2H2O

nạpThế điện động E  2,1 V

Nhận xét : Từ những điều đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong quá trìnhphóng-nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi Khi ắc quy phóng điện nồng

độ dung dịch điện phân giảm dần Khi ắc quy nạp điện nồng độ dung dịch điệnphân tăng dần Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánhgiá trạng thái tích điện của ắc quy

1.4.4 Các thông số cơ bản của ắc quy

Sức điện động của ắc qui chì và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịchđiện phân Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm:

E0  0,85 +  ( V )trong đó: E0 - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V )

 - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 C ( g/cm3 )

Trong quá trình phóng điện sức điện động của ắc qui được tính theo côngthức :

Ep  Up + Ip.rb

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)

raq - điện trở trong của ắc qui khi phóng điện (  )

Trong quá trình nạp sức điện động En của ắc qui được tính theo công thức:

En  Un - In.raq

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 )

raq - điện trở trong của ắc qui khi nạp điện (  )

Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp nănglượng của ắc qui cho phụ tải, và được tính theo công thức :

Qp  Ip.tp

trong đó: Qp - dung dịch thu được trong quá trình phóng ( Ah )

Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp (A )

tp - thời gian phóng điện ( h )

Dung lượng nạp của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ nănglượng của ắc qui và được tính theo công thức :

Qn  In.tn

trong đó : Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( A.h )

In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A )