Đề tài Thiết kế bộ nguồn cấp điện liên tục (ups) phần chỉnh lưu

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI: THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CẤP ĐIỆN LIÊN TỤC (UPS) PHẦN CHỈNH LƯU CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN LIÊN TỤC (UPS) (UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY) 1.1SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: 1.2 SỰ RA ĐỜI & NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA UPS: Trong thực tế có rất nhiều tải yêu cầu làm việc ở chế độ liên tục ví như: Các hệ thống máy tính công nghiêp ( hệ thống điều khiển số , điều khiển giám sát ,rô bốt ), hệ thống vô tuyến viễn thông ( tổng đài điện thoại , hệ thống ra đa quân sự ) ,hệ thống chiếu sáng (trong đường hầm ,sân bay , toà nhà công cộng ),trong y tế và công nghiệp … Từ những đòi hỏi thực tế là nguyên nhân của sự ra đời bộ nguồn cấp điện liên tục (ups) UPS có đầu vào nối với lưới điện, đầu ra nối với tải, thiết bị cần được bảo vệ, bên trong có một ắc quy khi có sự cố mất điện bất thường thì năng lượng lúc này được lấy trực tiếp từ ắc quy để đảm bảo cho thiết bị được cung cấp năng lượng một cách liên tục 1.3 PHÂN LOẠI TÍNH NĂNG VÀ CÔNG DỤNG CỦA TỪNG LOẠI UPS: 1.3.1 UPS TĨNH: Sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất làm chức năng chỉnh lưu và nạp ắc quy để tích trữ điện năng khi làm vịêc bình thường.khi có sự cố bộ nghịch lưu làm nhiệm vụ biến đổi điện năng một chiều tích luỹ trong tụ thành điện năng xoay chiều cung cấp cho tải ưu tiên ( những tải yêu cầu làm việc ở chế độ liên tục, tải cần được bảo vệ ) 1.3.2 UPS QUAY: Sử dụng máy điện làm chức năng nghịch lưu (có dòng ngắn mạch của máy phát điện cao (khoảng 10 In).trở kháng ra của hệ thống thấp, hệ thống phụ tải cách ly với nguồn,cần phải bảo dưỡng và phải kiểm tra thường xuyên) 1.3.3 UPS GIÁN TIẾP&UPS TRỰC TIẾP: UPS GIÁN TIẾP làm việc ở chế độ chờ nghĩa là khi có điện áp cấp cho tải thì ups làm nhiệm vụ tích trữ năng lượng khi mất điện lưới thì năng lương đó đươc thông qua chuyển mạch đẻ cáp cho tải. UPS TRỰC TIẾP làm việc thường xuyên nghiã là năng lượng của lưới điện đưa qua bước sử lý trung gian ups rồi mới đưa qua tải UPS GIÁN TIẾP làm việc với hiệu suất cao giá thành thấp song chế độ chuyển mạch thấp ảnh hưởng tới điện áp ra UPS TRỰC TIẾP làm việc với hiệu suất thấp giá thành cao nhưng chất lượng điện áp ra ổn định vì vậy tuỳ theo yêu cầu của phụ tải và chất lượng điện áp ra mà chọn loại ups nào ups trực tiếp hay gián tiếp 1.4 CẤU CHÚC CHUNG CỦA UPS: (Trang bên) 1.4.1 CHỨC NĂNG CỦA CÁC KHỐI THÀNH PHẦN: 1/ Biến áp vào: Hạ áp từ điện áp lưới xuống điện áp thích hợp để đưa vào bộ chỉnh lưu, cách ly giữa lưới và hệ thống ups chống ngắn mạch 2/ Chỉnh lưu: Tạo ra điện áp một chiều dùng cho việc nạp ắc quy và đưa tới bộ nghịch lưu 3/ Lọc chỉnh lưu: Giảm độ đập mạch từ điện áp ra của bộ chỉnh lưu rồi đưa đến bộ nghịch lưu nhằm nâng cao chất lương điện áp ra của bộ nghịch lưu biến áp vào chỉnh lưu nghịch lưu bộ lọc bộ ắc quy Đ/K chỉnh lưu NGUỒN biến áp ra Đ/K nghịch lưu 4/ Bộ chỉnh lưu: Biến điện áp một chiều từ đầu ra của bộ chỉnh thành điện áp xoay chiều cấp cho tải 5/ Biến áp ra: Tăng điện áp ra từ bộ nghịch lưu phù hợp với yêu cầu tải 6/ Ắc quy: Là nơi tích trữ năng lượng khi có điện áp nguồn và là nơi cung cấp năng lượng cho tải khi lưới mất điện thời gian duy trì của ups phụ thuộc vào dung lượng của ắc quy 7/ Điều khiển chỉnh lưu: Điều khiển góc mở của các tiristor trong mạch chỉnh lưu sao cho điện áp ra của mạch chỉnh lưu đáp ứng yêu cầu 8/ Điều khiển nghịch lưu: Điều khiển thời gian dẫn của các van để điện áp cấp cho tải là không đổi hoặc sự thay đổi là nhỏ không đáng kể 9/ Nguồn: Cung cấp các mức điện áp cho hai bộ điều khiển chỉnh lưu và điều khiển nghịch lưu 1.5 PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ & LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN: Phương án bài ra: Công suất bộ nguồn 15(kw) Thời gian lưu điện với tải định mức 10 phút, Công suất nguồn nuôi: 3*380V, 50Hz Như vậy ta nhận thấy nguồn nuôi là nguồn ba pha phải dùng chỉnh lưu cầu vì chỉnh lưu cầu cho phép đấu trực tiếp mạch chỉnh lưu vào lưới điện và như vậy không nhất thiết phải có biến áp nguồn, giữa chỉnh lưu điều khiển và không điều khiển thì ta chọn chỉnh lưu điều khiển, lại có sự so sánh giữa mạch chỉnh lưu điều khiển đối xứng và không đối xứng thì mạch không đối xứng có hệ số công suất cao hơn do lợi dụng tính chảy quẩn của dòng điện trong mạch, việc kích mở chỉnh lưu này dễ ràng hơn, mặt khác lại sử dụng ít van hơn nên mạch điều khiển đơn giản hơn giá thành chế tạo thấp hơn. Mặt khác ta nhận thấy nguồn cấp là ba pha ta có thể lấy ra một pha như vậy thì mạch chỉnh lưu chọn để đạt được yêu cầu của bài ra là mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển Hình vẽ: Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển CHƯƠNG2: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC 2.1 TÍNH TOÁN CHỌN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐỘNG LỰC 2.1.1 TÍNH TOÁN CHỌN VAN MẠCH LỰC Khi chọn van cần quan tâm đến các chỉ tiêu chính đó là: dòng tải, sơ đồ đã chọn điều kiện làm việc và điện áp ngược trong đấy dòng tải và điện áp ngược là hai chỉ tiêu quan trọng 1/ Điện áp ngược của van: Chọn van theo tiêu chuẩn điện áp phai thoả mãn điều kiện đó là Uv > Kuv*Ungmax Với Kuv hệ số dự trữ về điện áp cho van vì ta chọn mạch là mạch chỉnh lưu sơ đồ cầu một pha bán điều khiển nên ta có được Ungmax = 1.41*U2 mà lại có Ud = 0.9*U2*(1+cosα)/2 Ta có thể chọn góc điều khiển α =30º và do chọn phương án đấu thẳng mạch chỉnh lưu vào lưới điện nên dẫn đến có được U2 = 220 V vì vậy tính được Ud = 0.9*220*(1+cos30º)/2 ≈ 185 V Ta được Ungmax = 1.41*U2 = 1.41*220 = 310 V Giá trị của Kuv lấy trong khoảng 1.7 ÷ 2.2 để thuận tiện cho việc tính toán ta chọn Kuv = 2 như vậy tính được điện áp làm việc của Tiristor và Diode là: Utiristo = 2*310 = 620 V 2/ Dòng điện làm việc của van: Iv > Klv*Itbv Với Iv dòng trung bình của van được chọn và Klv hệ số dự trữ về dòng điện cho van ta có Id = P/Ud = 15000/185 ≈ 81 A ở đây ta chọn công suất làm việc đạt hiệu suất 100% để tính dòng cao nhất, như vậy dẫn đến Dòng trung bình qua van là: Itbtiristo = [1/(2Π)]*ωt = (Π-Π/6)*Id/(2Π) = 33.75 A Itbdiot = [1/(2Π)]* ωt = (Π+Π/6)*Id/(2Π) ≈ 108 A Với các tải làm việc được coi là ổn định mà dòng qua van trong khoảng giá trị100 A có thể coi là khá lớn nên ta chọn Klv 1.5 ÷ 2 ở đây ta chọn Klv = 1.5 Dẫn đến dòng làm việc qua Tiristor và Diode lần lượt là Itiristo = 1.5*108 = 162 A Idiode = 1.5*33.75 ≈ 50 A Với việc tính toán ở trên ta chọn: Tiristor Nhà sản xuất là hãng International Rectifier Với ký hiệu van là ST110S08P0V loại vỏ TO - 209AC (TO – 94) và thông số của van là: Ungmax I(RMS) IT(tb) T,0C IT(đỉnh) IT(đỉnh) Uak Iak Ut It(ứng với dU/dt Rth(JC) V A A 50hz,A 60hz,A V A (tại It) Ut) A V/μs 0C/W 800 175 110 90 2270 2380 3 150 1.52 350 500 0.195 Ta chọn Diode thoả mãn trên là: Diode ký hiệu SW08PCN055 với các thông số sau (chọn trong sách thiết kế mạch ĐTCS Thầy phạm Quốc Hải) Có các thông số như sau: Itbmax = 55 A Id = 900 A Ungmax = 800 V Ở mạch chỉnh lưu này ta đã đấu thẳng mạch chỉnh lưu vào lưới điện nên không cần phải dùng máy biến áp, vì chỉ có mạch chỉnh lưu công suất lớn sẽ ảnh hưởng không tốt đến chỉ tiêu cosφ chung của lưới điện nhưng mạch này ta sử dụng với công suất không cao, nên việc không dùng máy biến áp là chấp nhận được 2.1.2 TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ 1/ Bảo vệ quá dòng điện: Để bảo vệ ngắn mạch và quá tải về dòng điện thường dùng aptômat hoặc cầu chì nguyên tắc chọn các thiết bị này là theo dòng điện, khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp do đó có tổn hao công suất sinh ra nhiệt.Mặt khác van chỉ làm việc với nhiêt độ tối đa cho phép Tcp dẫn đến chúng ta phải bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn, phải chọn đúng dòng điện van theo chế độ làm mát, hiện nay ngươi ta dùng chế độ làm mát bằng cánh tản nhiệt diện tích bề mặt tản nhiệt có thể tính gần đúng theo công thức: Stn = ∆P/(Ktn*T∆) Trong đó Stn = diện tích bề mặt tản nhiệt [cm2] ∆P Tổn hao công suất [W] T∆ =Tlv –Tmt độ chênh nhiệt độ so với môi trường Ktn hệ số có xét tới điều kiện tản nhiệt trong điều kiện làm mát tự nhiên không có quat cưỡng bức thường chọn Ktn = (6 ÷10)*10-4 [W/cm2] 1a/ Tính toán cánh tản nhiệt cho Tiristor: Tổn hao công suất trên một Tiristor ∆P = ∆U*Idm = 1.52*110 = 167.2 [W] T∆ = 85 – 35 = 50 ở đây ta chọn nhiệt độ môi trường bằng Tmt = 35oC Và hệ số Ktn=10 dẫn đến diện tích tản nhiệt tính được là: Stn = 167.2/(10*50) ≈ 0.33 [m2 ] = 0.33*100 = 33 cm2 Chọn cánh tản nhiệt có diện tổng diện tích toả nhiệt là 33 cm2 ta chọn van có 10 cánh tản nhiệt diện tích mỗi cánh là 0.6*0.6 (cm*cm) như vậy tổng diện tích tản nhiệt là 36 cm2 1b/ Tính toán tản nhiệt cho Diode: ở đây giá trị Tcp của Diode vào khoảng 1750C Cách tính là tương tự như Tiristor thay số ta được chọn sụt áp trên Diode ∆U = 1.4 Stn = (55*1.4)/ [10*(175 – 35) = 0.055 [m2] ≈ 6 cm2 Ta chọn van tản nhiệt có 6 cánh diện tích mỗi cánh là 1*1 (cm*cm) tổng diện tích toả nhiệt thu được vừa bằng 0.06 [m2] 2/ Bảo vệ quá điện áp cho thiết bị bán dẫn: Các van bán dẫn rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp và những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới điện áp van bán dẫn đó là: điện áp đặt vào van vượt quá thông số của van Xung điện áp do chuyển mạch của van Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều do khi cắt tải có điện cảm trên đường dây Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải nhưng ở đây em không dùng máy biến áp nên không tính toán đến nguyên nhân này Như vậy trước hết ta phải chọn các van có trị số được chọn lớn hơn trị số tính được trường hợp không có van có điện áp lớn hơn ta mắc nối tiếp các van trong trường hợp này ta đã chọn được van nên không tính đến phương án này, để bảo vệ các van bán dẫn trong trường hợp xung điện áp do chuyển mạch của van ta dùng mạch R – C mắc song song với van bán dẫn sơ đồ đơn giản của loại này là: T1 C R Để bảo vệ xung điện áp từ lưới ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R – C nhằm lọc xung ~ C R C R C R 2.2 TÍNH TOÁN CUỘN KHÁNG LỌC DÒNG ĐIỆN ĐẬP MẠCH 1/ Sự đập mạch của dòng điện chỉnh lưu làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều Trước hết ta phải tính biên độ thành phần sóng hài bậc cao của bộ chỉnh lưu: Biên độ sóng hài của điện áp chỉnh lưu Udnmax được xác định theo công thức sau: Udnmax/Udo = 2*cosα*(√(1+K2*m2*tg2α))/(K2*m2 – 1) (1) Trong đó: Udo - điện áp chỉnh lưu cực đại [V] α – góc điều khiển van bán dẫn [rad/s] Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu và tia ba pha thành phần sóng cơ bản K=1 có biên độ lớn nhất, biên độ sóng hài bậc càng cao sẽ càng giảm cho nên tác dụng của cuộn kháng lọc với các thành phần sóng hài bậc cao càng có tác dụng vì vậy chỉ cần tính điện cảm của cuộn kháng lọc đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu chỉ cần tính theo thành phần sóng cơ bản là đủ như vậy theo (1) tính được: Udnmax /Udo = 2*cos300(√(1+1*22*tg2300))/(1*22 – 1) = 0.88 Hiệu quả của khâu lọc được đánh giá bằng hệ số san bằng KSB = Kdmvào/Kdmra a/ Lọc điện cảm: loại này chỉ dùng một điện cảm L mắc tiếp với tải Ta có KSB = Uvào/Ura = Rt*Uvào/Z → L = Rt*√(KSB – 1)/(m*ω) (2) Mà Kdmvào chính là hệ số đập mạch của bộ chỉnh lưu và được tính theo công thức sau Kdm = U1m/U0 với U1m là biên độ sóng hài bậc 1 như trên ta đã tính được Kdm = 0.88 còn hệ số đập ra đương nhiên phải nhỏ hơn hệ số đập mạch vào vì vậy giá trị hệ số san bằng luôn > 1 mà điện áp vào của chỉnh lưu là U2 = 220 V (điện áp một pha của lưới) còn điện áp ra là Ud = 185V như vậy KSB = 220/185 = 1.189 ≈ 1.2 thay vào biểu thức (2) ta được L = 0.45*Rt/(2*100Π) với Rt = Ud/Id = 185/81 = 2.284 suy ra L = 0.45*2.284/200Π = 0.00164 H = 1.64*10-3 H b/ Lọc điện dung: dùng tụ điện C đấu song song với tải giá trị tụ lọc tính gần đúng theo biểu thức sau: C = 1/(m*ω*Rt*Kdmra) theo trên ta đã có KSB = 1.2 và Kdmvào = 0.88 Như vậy Kdmra = 0.733 dẫn đến ta có được giá trị của tụ C là: C = 1/(2*100Π*2.284*0.733) = 9.5*10-4 ≈ 10-3 F 2.3 TÍNH TOÁN CUỘN KHÁNG HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN GIÁN ĐOẠN Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện tích luỹ trong mạch không đủ lớn để duy trì tính liên tục của dòng điện khi điện áp nguồn đổi dấu, ở chế độ dòng gián đoạn góc dẫn của van nhỏ hơn 2Π/m do điện áp xoay chiều đổi dấu nên dòng điện xoay chiều chạy qua van bán dẫn về 0 trước khi kích mở van kế tiếp Để hạn chế dòng gián đoạn hay nói cách khác là muốn cho tải luôn làm việc ở chế độ dòng điện liên tục với bất kỳ điện áp chỉnh lưu nào trong cả dải điều chỉnh thì điện cảm của mạch chỉnh lưu phải đủ lớn dẫn đến ta sẽ thêm cuộn kháng mắc nối tiếp với tải một chiều để hạn chế sự gián đoạn dòng điện 1/ Tính toán thiết kế cuộn kháng hạn chế dòng điện gián đoạn ta cần có các thông số Điện cảm của cuộn kháng mắc thêm vào để hạn chế dòng gián đoạn LCKgd là LCKgd = Lgd – Ld Với Lgd là điện cảm cần thiết còn Ld điện cảm của tải Và: Lgd = (1/ω)* [(Udo/Idgh)*kgh – Xba] Idgh - dòng điện giới hạn nhỏ nhất, dòng điện này trong tính toán chọn xấp xỉ dòng điện không tải hay có thể chọn Idgh ≤ 0.05Idm = 0.05*110 = 5.5 A kgh - hệ số phụ thuộc góc mở van bán dẫn được tính theo công thức sau: Kgh = (1- Π*cotg(Π/m)/m)*sinα Tính được các thông số trên như sau: Kgh = (1-Π*cotg(Π/2)/2)*sin300 = 0.5 Do không dùng máy biến áp nên ta có Lgd = 0.064 H do tải ta xét coi là thuần trở nên có thể coi Ld = 0 Như vậy ta tính được LCLKgd = 0.064 H 2/ Tổng trở cuộn kháng: ZCKgd = RCK + 2Π*(2Π*f*m)*LCKgd Ta có thể bỏ qua thành phần điện trở trong biểu thức tổng trở lúc đó cuộn kháng được tính đơn giản như sau: ZCKgd = 2Π*(2Π*f*m)*LCKgd ≈ 253 Ω 2.4/ TÍNH TOÁN ẮC QUY ĐÁP ỨNG CHO MẠCH KHI CÓ SỰ CỐ CỦA LƯỚI: Theo tính toán ở trên ta có được Ud = 0.9*U2*(1+cosα)/2 = 185 V mặt khác ta chọn ắc quy axít loại 2.27 V điện áp phóng tối thiểu là 1.75 V số lượng ắc quy cần chọn là N = 185/2.27 = 81.5 bình như vậy ta chọn N = 82 bình mắc nối tiếp nhau Chọn hiệu suất của bộ nghịch lưu là 80% thì công suất của bộ ắc quy phải cung cấp đủ cho tải khi mất điện sẽ là: 15/ 0.8 = 18.75 kw suy ra công suất của một bộ ắc quy là 18.75/82 ≈ 0.23 kw căn cứ vào thời gian lưu điện ta chọn ắc quy theo bảng cho dưới đây với công suất mỗi ắc quy là 280W/pin loại 6V 115Ah số lượng là 35 bộ mỗi bộ có 3 pin ta chọn được 35*3 = 105 pin điện áp chỉnh lưu là 35*6 = 210 V Kết luận: Chọn 35 bộ ắc quy 6V 115Ah phóng điện với dòng không đổi CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1/ Yêu cầu chung của mạch điều khiển: Mạch điều khiển phải thực hiện được các nhiệm vụ chính sau: Phát xung điều khiển (xung để mở van) đến các van theo đúng pha và với góc điều khiển cần thiết Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động chế độ nghịch lưu, chế độ dòng liên tục hay gián đoạn Có độ đối xứng điều khiển tốt, không vượt quá 1º ÷ 3º điện tức là góc điều khiển với mọi van không vượt quá giá trị cho ở trên Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy cao khi lưới điện xoay chiều dao động về giá trị điện áp và tần số Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt độ tác động của mạch điều khiển nhanh < 1ms 4.2/ Cấu chúc của mạch điều khiển: Có hai hệ điều khiển cơ bản là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ a/ Hệ đồng bộ: Góc điều khiển mở van α luôn được xác định xuất phát từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực vì vậy trong mạch điều khiển (MĐK) có một khâu thực hiện nhiệm vụ này gọi là khâu đồng bộ hay khâu đồng pha để đảm bảo MĐK hoạt động theo nhịp của điện áp lực b/ Hệ không đồng bộ: Trong hệ này góc α không xác định theo điện áp lực mà tính dựa vào trạng thái của tải chỉnh lưu và vào gó điều khiển của lần phát xung mở van ngay trước đó dẫn đến MĐK này không cần khâu đồng bộ nhưng để bộ chỉnh lưu hoạt động bình thường bắt buộc phải thực hiện điều khiển theo mạch vòng kín không thể thực hiện với mạch hở So sánh hai hệ này ta thấy hệ đồng bộ có nhược điểm nhậy nhiễu lưới điện vì có khâu đồng bộ liên quan đến điện áp lực nhưng có ưu điểm hoạt động ổn định và dễ thực hiện ngược lại hệ không đồng bộ chống nhiễu lưới điện tốt hơn nhưng kém ổn định hiện nay đại đa số các mạch chỉnh lưu thực hiện theo hệ đồng bộ 4.3/ Nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ a/ Nguyên tắc điều khiển kiểu ngang sơ đồ cấu trúc như sau: Khâu đồng bộ thường tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực.Khâu dịch pha có nhiệm vụ thay đổi góc pha của điện áp ra theo tác động của điện áp điều khiển Uđk.Xung điều khiển được tạo thành ở khâu tạo xung khi điện áp dịch pha qua điểm 0 xung này nhờ khâu khuyếch đại xung tăng đủ công suất để gửi tới cực điều khiển của van như vậy góc điều khiển α hay thời điểm phát xung mở van thay đổi được nhờ sự tác đông của Uđk làm điện áp dịch pha di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian b/ Nguyên tắc điều khiển dọc: Ở đây Utựa tạo ra điện áp tựa có dạng cố định thường dạng dăng cưa đôi khi hình sin theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của hiệu điện thế đồng bộ, khâu so sánh xác định điểm cân bằng của hai điện áp tựa và điện áp điều khiển để phát động khâu tạo xung như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của Udk theo chiều dọc của trục biên độ đa số mạch điều khiển trong tực tế sử dụng nguyên tắc này 4.4/ Lựa chọn và tính toán các khâu của mạch điều khiển: a/ Khâu đồng bộ: Ta có một số khâu đồng bộ điển hình sau Hình đầu là sơ đồ đơn giản với số linh kiện ít song chất lượng điện áp tựa không tốt, độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800 do vậy điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một giá trị nào đó đến cực đại sơ đồ tiếp theo khắc phục được nhược điểm trên nhưng với sự ra đời của các linh kiện gép quang người ta có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ gép quang có sơ đồ như sau: Song cả ba sơ đồ trên đều có chung nhược điểm là việc mở và khoá các Tranzito trong vùng điện áp lận cận 0 là thiếu chính xác mặt khác ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều chất lượng càng tốt và lại khắc phục các nhược điểm trên ta dùng các khuyếch đại thuật toán (KĐTT) với sơ đồ mhư hình dưới đây . b/ Khâu so sánh: Để xác định thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc việc so sánh được thực hiện bằng Tranzito Tr vơi sơ đồ cho sau đây: Tại thời điểm Udk = Urc đầu vào của Tranzito lật trạng thái khoá sang mở hay ngược lại làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái do vậy ta đánh dấu được thời điểm cần mở Tiristo song mức độ bão hoà của Tr phụ thuộc vào hiệu Uđk - Urc = Ub có giá trị cỡ vài mV do đó nhiều khi Tr không làm việc ở chế độ mong muốn Việc dùng khuyếch đại thuật toán ở khâu so sánh là hợp lý vì KĐTT có hệ số khuyếch đại vô cùng lớn chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ cỡ μV ở đầu vào thì đầu ra có điện áp nguồn nuôi các sơ đồ KĐTT sau rất thường găp trong sơ đồ mạch hiện nay: Ưu điểm của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Udk = Urc c/ Khâu khuyếch đại xung: Tầng khuyếch đại cuối cùng được thiết kế bằng Tranzito công suất để có xung dạng kim gửi tới Tiristo ta dùng biến áp xung BAX để có khuyếch đại công suất ta dùng Tr, Diode D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột dưới đây là sơ đồ Tranzito công suất Mặc dù có ưu điểm là đơn giản nhưng sơ đồ này không được dùng rộng rãi bởi lẽ hệ số khuyếch đại của Tranzito loại này nhièu khi không đủ lớn để khuyếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang Trong thực tế hay dùng sơ đồ Darlington cho dưới đây Hệ số khuyếch đại của sơ đồ này được nhân lên theo thông số các Tranzito sơ đồ này hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu về khuyếch đại công suất nhưng xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé cỡ 10 ÷ 200 μs mà thời gian mở các Tranzito công suất dài tối đa tới một nửa chu kỳ 0.01s làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn để khắc phục điều này ta thêm tụ nối tầng và được sơ đồ như sau (trang bên) Theo sơ đồ này Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần Đối với một số sơ đồ mạch để giảm công suất cho tầng khuyếch và tăng số lượng xung kích mở nhằm bảo đảm Tiristo mở một cách chắc chắn người ta hay phát xung chùm cho các Tiristo.Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuyếch đại ta đưa chèn thêm một cổng VÀ (&) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như sau & Từ so sánh Tới khuyếch đại Từ chùm xung d/ Khâu tạo xung chùm: Trong thiết kế mạch điều khiển thường hay sử dụng khuyếch đại thuật toán (KĐTT) do đó để đồng dạng về linh kiện khâu tạo xung chùm cũng sử dụng khuyếch đại thuật toán và ta có thể chọn 1 trong hai sơ đồ sau:( hình vẽ trang bên) A1 A2 C R2 R1 R3 R4 A R1 R2 C R3 Ta nhận thấy về mức độ đơn giản ta chọn ngay sơ đồ đầu: 4.5/ Sơ đồ nguyên lý toàn bộ của mạch điều khiển: Ở trên là toàn bộ mạch điều khiển với các khâu chọn như sau: Khâu đồng pha dùng khuyếch đại thuật toán (KĐTT) tiếp đến là khâu so sánh là cộng một cổng đảo của KĐTT sơ đồ khuyếch đại dùng sơ đồ có tụ nối tầng và cuối cùng là khâu tạo xung chùm ở đây ta chọn đa hài bằng KĐTT Giải thích nguyên lý hoạt đông của sơ đồ trên là: Ucn t Urc t ta tb Uđk Ur t Ur3 t Ur4 t Xđk t Điện áp vào hình sin khi qua KĐTT A1 cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng phần áp dương của điện áp xung chữ nhật Ucn qua diode tới KĐTT A2 tích phân thành điện áp tựa Urc điện áp âm của Ucn làm thông Tr1 kết quả là A2 bị ngắn mạch nên ta có chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của A3 tổng đại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của KĐTT A3 trong khoảng (0 ÷ ta) có được Ur < 0 Còn trong khoảng thời gian từ (ta ÷ tb) có Ur > 0 Mạch đa hài tạo chùm xung A4 cho ta chuỗi xung tần số cao với điện áp Ur3 như trên Dao động đa hài có tần số hàng chục Khz ở trên ta chỉ mô tả định tính Hai tín hiệu Ur3 và Ur cùng được đưa tới khâu AND hai cổng vào khi đồng thời cả hai tín hiệu dương ta có Ur4 làm mở thông các Tranzito kết quả ta nhận được chuỗi xunng nhọn điều khiển Xdk trên biến áp xung để đưa tới mở Tranzito T 4.6/ Tính toán các khâu: a/ Tính biến áp xung: Chọn vật liệu sắt Ferit HM có đặc tính ∆B = 0.3 T còn ∆H = 30A/m không có khe hở không khí tỷ số biến áp xung chọn là m = 3 và lõi có dạng hình xuyến Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung bằng U2 = Uđk = 3 V như vậy điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung U1 = U2*3 = 9 V dòng điện thứ cấp biến áp xung I2 = Iđk = 0.15 A dẫn đến dòng điện sơ cấp biến áp xung I1/3 = 0.15/3 = 0.05 Độ từ thẩm trung bình của lõi sắt là: μtb = ∆B/(∆H*μ0) = 0.3/(30*1.25*10-6) = 8000 ở đây lấy μ0 = 1.25*10-6 (H/m) là độ từ thẩm của không khí Thể tích của lõi thép cần có là: V = Q*l = μtb*μ0*Tx*Sx*U1*I1/∆B2 ≈ 1.3*10-6 (m3) ở đây ta lấy Tx = 167 μs và Sx = 0.15 chọn mạch từ có V = 1.4 cm3 và với các kích thước như sau: Đường kính trong là d = 12mm D = 21mm khoảng cách giữa hai đường kính là: a = 4.5 mm Còn độ dầy của hình xuyến là b = 6 mm chiều dài mạch từ là l = 5.2 cm ta tính được Q = 27 mm2 như vậy số vòng dây sơ cấp là W1 = U1*Tx/(Q*∆B) = 9*167*10-6/(0.3*27*10-6) ≈ 186 (vòng) Số vòng dây thứ cấp bằng: W2 = W1/3 = 62 (vòng) Tiết diện của dây S = I/J Ta chọn J1 = 6 (A/mm2) như vậy S1 = 0.0083 mm2 chọn J2 = 4 (A/mm2) dẫn đến S2 = 0.0375 (mm2) từ đây tính được đường kính của dây lần lượt là d1 = 0.103 mm ta chọn dây quấn sơ cấp có d1 = 0.1 mm tương tự d2 = 0.218 mm chọn d2 = 0.22 mm b/ Tính tầng khuyếch đại cuối cùng: Chọn Trnazito công suất Tr3 là 2SC911 làm việc ở chế độ xung có các thông số Tranzito loại npn làm bằng Si Điện áp giữa Colector và Bazơ khi hở mạch Emitor là U1 = 40 V Điện áp giữa Emitor và Bazơ khi hở Colector bằng U2 = 4 V ICMAX = 500 mA và PC = 1.7W nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp T1 = 175 0C hệ số khuyếch đại β = 50 dòng làm việc của Colector là IC = 50mA như vậy IB = 50/50 = 1 mA c/ Chọn cổng AND chọn IC 4081 họ CMOS có thông số như sau: Nguồn nuôi Vcc = 12 V, Nhiệt độ làm việc từ -400C ÷ 800C, Đáp ứng mức lôgic “1” 2 ÷ 4.5 dòng điện < 1 mA tính điện trở để hạn chế dòng đưa vào Bazơ của Tranzito Tr3 thoả mãn điều kiện R9 ≥ E/Itr3 = 12/(1*10-3) = 12 kΩ Độ rộng của xung điều khiển là Tx = 167μs giá trị tụ chọn là C3 = Tx/R 9 = 0.014μF d/ Chọn bộ tạo xung chùm: Chọn IC TL 084 hãng texas Instruments mỗi IC này có 4 KĐTT thông số Vcc = ± 12 V hiệu điện thế giữa hai đầu vào ± 30 V nhiệt độ làm việc – 250C ÷ 850C công suất tiêu thụ 0.68 W tổng trở vào là Rin = 106 MΩ, dòng điện đầu ra Ira = 30 pA, tốcđộ biến thiên điện áp cho phép dU/dt = 13 V/μs, mạch tạo xung chùm có tần số f = 3 kHz hay có chu kỳ là T = 1/f = 334 μs mặt khác có T = 2*R8* C2*ln(1+ 2*R6*R7) R6 = R7 = 1 kΩ dẫn đến T = 2.2*R8*C2 = 334μs chọn C2 = 0.1 μF thì R8 = 1.52 kΩ ta chọn R8 = 2 kΩ để thuận tiện cho việc điều chỉnh d/ Chọn tầng so sánh: Ta đã chọn KĐTT TL 084 phải chọn điện trở thoả mãn điều kiện R 4 = R5 ≥ Uv/Iv = 12/1*10-3 = 12 kΩ như vậy chọn R4 = R5 = 15 kΩ Khi đó dòng vào A3 lớn nhất là I3max = 12/15000 = 0.8 mA e/ Chọn khâu đồng pha:Hằng số thời gian tụ nạp được là: Ta có Tn = R3*C1 = 0.01 s chọn C1 = 1 μF thì R3 = 10 kΩ nhưng để thuận tiện cho việc điều chỉnh ta thường chọn biến > 10 kΩ do đó ta chọn Tranzito Tr1 loại A564 có các thông số như sau Điện áp của Bazơ và Colector khi hở mạch Emitor U1 = 25 V Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colectơ là U2 = 7 V Dòng điện lớn nhất Colectơ có thể chịu được Icmax = 100 mA Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp Tcp=1500 C Hệ số khuếch đại b = 250 Dòng cực đại của Bazơ = IB=IC /b =100/250 =0,4(mA) Điện trở R2 để hạn chế dòng đi vào Tr1 được chọn phải thoả mãn điều kiện như sau R2 ≥ Uv/IB = 12/(0.4*10-3) = 30 kΩ như vậy chọn R2 = 30 kΩ chọn điện áp xoay chiều đồng pha là UA = 9 V như vậy điện trở R1 = để hạn chế dòng điện đi vào KĐTT A1 thoả mãn điều kiện sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán Iv < 1 mA do đó R1 > UA/Iv = 9/10-3 = 9 kΩ Ta chọn R1 = 10 kΩ  MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN LIÊN TỤC (UPS) Trang 1 (UNITERRTIBLE POWER SUPPLY) CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC Trang 2 Tính toán các thông số cơ bản của mạch động lực Tính toán cuộn kháng lọc dòng điện đập mạch Trang 9 Tính toán cuộn kháng hạn chế dòng điện gián đoạn Trang 10 Tính toán ắc quy đáp ứng cho mạch khi có sự cố của lưới Trang 11 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI Trang 12 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Trang 14 4.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển Trang 14 4.2 Cấu chúc của mạch điều khiển Trang 14 4.3 Nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ Trang 15 4.4 Lựa chọn và tính toán các khâu của mạch điều khiển Trang 16 4.5 Sơ đồ nguyên lý toàn bộ mạch điều khiển Trang 20 4.6 Tính toán các khâu Trang 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO: Giáo Trình Điện Tử Công Suất VÕ MINH CHÍNH (Chủ biên) PHẠM QUỐC HẢI _ TRẦN TRỌNG MINH Điện Tử Công Suất và Điều Khiển Động Cơ Điện CYRILW.LANDER Hướng Dẫn Thiết Kế Mạch Điện Tử Công Suất PHẠM QUỐC HẢI Giáo Trình Điện Tử Công Suất LÊ VĂN DOANH (Chủ biên) NGUYỄN THẾ CÔNG _ TRẦN VĂN THỊNH Luận Văn Cao học UPS Lê Văn Thông GVHD Nguyễn Thế Công MS 374/TS