Thiết kế bộ ups phần nghịch lưu

NhiÖm vô thiÕt kÕ 1. NhiÖm vô thiÕt kÕ. ThiÕt kÕ bé UPS phÇn nghÞch l­u víi c¸c th«ng sè sau: §iÖn ¸p nguån 220V, 50Hz ( ±10%) C«ng suÊt 15kVA Thêi gian l­u ®iÖn 10 phót. 2. Néi dung: - TÝnh to¸n lùa chän c¸c thiÕt bÞ m¹ch ®éng lùc (dïng Transitor IGBT) - ThiÕt kÕ s¬ ®å ®iÒu khiÓn van nghÞch l­u. 3. C¸c b¶n vÏ: - S¬ ®å nguyªn lý m¹ch ®éng lùc vµ m¹ch ®iÒu khiÓn. - C¸c biÓu ®å thêi gian. Tµi liÖu tham kh¶o PGS. TS. NguyÔn Träng ThuÇn - §iÒu khiÓn logic vµ øng dông - Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc Kü thuËt, Hµ Néi 2000. §iÖn tö c«ng suÊt - NguyÔn BÝnh. Vi m¹ch vµ m¹ch t¹o sãng - Tèng V¨n On. Master Replacement Guide (ECG is ISO - 9002 register). Ch­¬ng i Giíi thiÖu vÒ bé ups 1. Giíi thiÖu chung Mét nguån ®iÖn tèt sÏ ®¶m b¶o kh¶ n¨ng lµm viÖc liªn tôc vµ cã ®é tin cËy cao ®Æc biÖt lµ ®èi víi c¸c thiÕt bÞ, c¸c hé tiªu thô ®iÖn nh¹y c¶m nh­: hÖ thèng m¹ng m¸y tÝnh, c¸c ®µi ph¸t thanh, c¸c tr¹m th«ng tin liªn l¹c, hÖ thèng chiÕu s¸ng s©n bay vµ c¸c hÖ thèng quan träng kh¸c. §èi víi hÖ thèng nh¹y c¶m vÒ ®iÖn nµy, viÖc x¶y ra mét sù cè nhá cã thÓ g©y ra nh÷ng thiÖt h¹i lín vÒ chÝnh trÞ vµ kinh tÕ. HÖ thèng l­u ®iÖn chuyÓn ®æi tÜnh ®­îc thiÕt kÕ ®Ó cung cÊp cho c¸c thiÕt bÞ nh¹y c¶m mét ®iÖn ¸p æn ®Þnh, liªn tôc, tho¸t khái nh÷ng nhiÔu lo¹n ®­êng ®iÖn nh­ sù gi¸n ®o¹n ®iÖn thÕ tøc thêi… HÖ thèng l­u ®iÖn víi dù tr÷ n¨ng l­îng trong pin (¾c quy) sÏ tiÕp tôc cung cÊp n¨ng l­îng ®iÖn cho t¶i trong mét kho¶ng thêi gian, kho¶ng thêi gian nµy th­êng ®ñ cho ng­êi dïng thùc hiÖn nh÷ng hµnh ®éng cÇn thiÕt vµ tr¸nh nh÷ng hËu qu¶ xÊu ®èi víi thiÕt bÞ. V× vËy ngµy nay UPS cã mÆt trong tÊt c¶ c¸c hÖ thèng ®iÖn. ii. ph©n lo¹i hÖ thèng l­u ®iÖn * Nguyªn lý ho¹t ®éng cña thiÕt bÞ l­u ®iÖn. UPS lµ mét thiÕt bÞ nguån, cã nguån ®Çu vµo ®­îc nèi víi l­íi ®iÖn, ®Çu ra nèi víi thiÕt bÞ tiªu thô ®iÖn. Bªn trong UPS cã mét bé ¾c quy dïng ®Ó dù tr÷ n¨ng l­îng. Khi cã ®iÖn l­íi nã cÊp ®iÖn th¼ng tõ ®iÖn l­íi cho thiÕt bÞ. Khi mÊt ®iÖn l­íi nã sÏ ®­a ®iÖn tõ ¾c quy lªn. Môc ®Ých lµ ®Ó cho ho¹t ®éng cña thiÕt bÞ ®iÖn kh«ng bÞ gi¸n ®o¹n. C¸c kh©u chøc n¨ng cña UPS. - ChØnh l­u/n¹p ®iÖn - NghÞch l­u - ¾c quy Trong khu«n khæ ®Ò tµi lµ ThiÕt kÕ phÇn nghÞch l­u cña bé UPS nªn em chØ ®i s©u vÒ phÇn nµy. Khèi nghÞch l­u: CÊu t¹o bëi c¸c van ®iÖn tö (b»ng c¸c quy luËt ®ång më sÏ t¹o ra ®iªn ¸p xoay chiÒu gÇn sin cã tÇn sè 50Hz) biÕn ®æi nguån ®iÖn mét chÒu tõ ¸c quy cung cÊp cho t¶i. UPS nµy khèi nghÞch l­u ®­îc l¾p song song víi l­íi vµ kh«ng tham gia vµo bÊt kú ho¹t ®éng nµo khi l­íi æn ®Þnh. Khi ngußn x¶y ra sù cè mÊt ®iªn, th× lóc nµy t¶i ®­îc ng¾t ra khái l­íi ®iÖn vµ nèi tíi nghÞch l­u b¾t ®Çu ho¹t ®éng biÕn ®æi ®iÖn ¸p mét chiÒu tõ ¸c quy sang xoay chiÒu cung cÊp cho t¶i. iii. s¬ ®å cÊu tróc nguån l­u ®iÖn dù phßng Trong ®å ¸n nµy nhiÖm vô thiÕt kÕ mét nguån cÊp ®iÖn dù phßng ho¹t ®éng ë chÕ ®é chê cã kh¶ n¨ng cung cÊp mét c«ng suÊt thiÕt kÕ lµ 15kVA ®¶m b¶o ®é æn ®Þnh dßng ®iÖn ¸p trong thêi gian gi¸n ®o¹n cÊp ®iÖn khi nguån ®iÖn l­íi bÞ mÊt, ®iÖn ¸p nµy lµ møc ®iÖn ¸p b×nh th­êng cña m¹ng ®iÖn 220V/50Hz ®é dao ®éng 10%. Thêi gian cÊp ®iÖn cã thÓ duy tr× ®­îc trong kho¶ng 10 – 15 phót lµ kho¶ng thêi gian cÇn thiÕt ®Ó khëi ®éng m¸y ph¸t dù phßng. 1. ¾c quy. Lµ n¬i tÝch tr÷ n¨ng l­îng ®iÖn mét chiÒu ®Ó cung cÊp ngußn cho bé nghÞch l­u khi mÊt nguån ®iÖn l­íi. Tham gia cÊp ®iÖn cña bé nghÞch l­u do dung l­îng cña ¾c quy quyÕt ®Þnh. 2. Bé nghÞch l­u. BiÕn ®æi ®iÖn ¸p mét chiÒu lÊy tõ nguån ¾c quy thµnh ®iÖn ¸p xoay chiÒu 1 pha. Bé nghÞch l­u ®­îc ®Êu song song víi l­íi vµ chØ ho¹t ®éng khi nguån vµo chÝnh cã sù cè. 3. Bé ®iÒu khiÓn nghÞch l­u. Cã nhiÖm vô ®iÒu khiÓn thêi gian dÉn dßng cña c¸c van trªn bé nghÞch l­u ®Ó t¹o ra diÖn ¸p xoay chiÒu cã ®é æn ®Þnh cao cÊp cho phô t¶i. 4. Kho¸ chuyÓn m¹ch. Cã chøc n¨ng ®ãng hoÆc c¾t ®Ó chuyÓn chÕ ®é lµm viÖc cña hÖ thèng cung cÊp ®iÖn ¸p tõ nguån ®iÖn l­íi sang nguån ®iÖn dù phßng l­u ®iÖn vµ ng­îc l¹i. Ch­¬ng ii ThiÕt kÕ m¹ch lùc cña bé l­u ®iÖn i. thiÕt kÕ m¹ch lùc cña bé nghÞch l­u I.1. Lùa chän s¬ ®å nghÞch l­u. Trong c¸c bé nguån l­u ®iÖn nghÞch l­u thùc hiÖn chøc n¨ng chÝnh lµ lÊy ®iÖn tõ ¾c quy cho thiÕt bÞ khi mÊt ®iÖn nguån. Ng­êi ta th­êng sö dông mét trong hai bé nghÞch l­u ®ã lµ: + NghÞch l­u nguån dßng + NghÞch l­u nguån ¸p. Trong khu«n khæ ®Ò tµi lµ thiÕt kÕ bé nghÞch l­u nguån ¸p vµ phÇn m¹ch lùc dïng transistor IGBT nªn chóng ta sÏ ®i s©u vÒ phÇn nµy. Ngµy nay, trong c¸c bé l­u ®iÖn nguån ta th­êng sö dông c¸c van b¸n dÉn trong s¬ ®å nghÞch l­u lµ transistor IGBT, bëi nã cã nhiÒu tÝnh ­u viÖt nh­ tèc ®é chuyÓn m¹ch nhanh. C«ng suÊt ®iÒu khiÓn yªu cÇu rÊt nhá. ViÖc sö dông c¸c transistor IGBT lµm ®¬n gi¶n ®¸ng kÓ viÖc thiÕt kÕ c¸c bé biÕn ®æi vµ lµm cho kÝch th­êc cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn ngµy cµng thu nhá. Tõ yªu cÇu cña ®Ò tµi ta chän s¬ ®å nghÞch l­u lµ s¬ ®å “nghÞch l­u mét pha nguån ¸p dïng transistor IGBT”. Víi s¬ ®å nµy ta cã thÓ n©ng cao ®­îc chÊt l­îng ®iÖn ¸p ®Çu ra cña bé nghÞch l­u b»ng ph­¬ng ph¸p ®iÒu biÕn ®é réng xung ®Ó võa ®iÒu khiÓn ®­îc ®iÖn ¸p ra vµ vÉn gi¶m nhá ®­îc ¶nh h­ëng cña sãng hµi. I.2. S¬ ®å nghÞch l­u 1 pha nguån ¸p dïng transistor IGBT. II.1.3. TÝnh chän van cho bé nghÞch l­u. Bé nghÞch l­u ®­îc thiÕt kÕ ®Ó cung cÊp cho t¶i cã c«ng suÊt tèi ®a lµ 1,5kVA. Gi¶ sö hiÖu suÊt cña bé nghÞch l­u lµ 0,80 th× c«ng suÊt vµo bé nghÞch l­u lµ. Gi¸ trÞ dßng ®iÖn phãng cña ¾c quy lµ: (Do ®iÖn ¸p tõ ¾c quy tíi ta chän 240V) Dßng ®iÖn trung b×nh qua van bé nghÞch l­u lµ: §iÖn ¸p mçi van ph¶i chÞu: Chän hÖ sè an toµn vÒ dßng cho van lµ: k1 = 1,4 HÖ sè an toµn vÒ ®iÖn ¸p cho van lµ: ku = ,12 Khi ®ã dßng ®iÖn trung b×nh qua van lín nhÊt lµ: Ivmax = Itbv. 1,4 = 51 (A) x 1,4 = 71,4 (A) §iÖn ¸p ®Æt lªn van lín nhÊt lµ: UCE =UCE. 1,2 = 240 . 1,2 = 288 (V) Chän van transistor IGBT lo¹i ký hiÖu ECG3328 cña PHILIPS chÕ t¹o cã th«ng sè nh­ sau: Icmax UCEbh UCEmax uGEmax UCE ton toff IGE 80A 6V 400v ±20V 80ns 400ns 1mA TÝnh chän diod cho bé nghÞch l­u. Diod ®Öm cho bé nghÞch l­u ph¶i chÞu ®­îc ®iÖn ¸p ng­îc b»ng gi¸ trÞ ®iÖn ¸p lín nhÊt ®Æt lªn mçi van. Dßng ®iÖn mµ diot chÞu ®­îc còng b»ng dßng ®iÖn lín nhÊt ch¹y qua van do ®ã Ungmax = 144V C¨n cø vµo c¸c th«ng sè cña van ta chän lo¹i diot lµ lo¹i ECG6064 do PHILIPS chÕ t¹o cã th«ng sè nh­ sau: Itb Ungmax DU 85A 400V 0,7V Ch­¬ng iv ThiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn nghÞch l­u. i. giíi thiÖu nguyªn t¾c ®iÒu biÕn ®é réng xung §iÖn ¸p xoay chiÒu ®­îc t¹o ra tõ bé nghÞch l­u lµ ®iÖn ¸p kh«ng cã d¹ng h×nh sin nh­ mong muèn mµ chØ cã d¹ng gÇn h×nh sin ch÷ nhËt hoÆc gÇn nh­ ch÷ nhËt cã chøa rÊt nhiÒu tr¹ng th¸i lµm ¶nh h­ëng ®Õn chÊt l­îng ®iÖn ¸p ®Çu ra cÊp cho t¶i. §iÒu mong muèn lµ lµm thÕ nµo ®Ó võa ®iÒu chØnh ®­îc ®iÖn ¸p ra mµ vÉn gi¶m nhá ®­îc së h÷u cña c¸c sãng hµi bËc thÊp. §Ó lµm ®­îc ®iÒu ®ã cã rÊt nhiÒu biÖn ph¸p thùc hiÖn nh­: sö dông bé läc LC. Nh­ vËy, träng l­îng vµ gi¸ thµnh cña thiÕt bÞ biÕn tÇn sÏ cao. V× vËy, ph­¬ng ph¸p “®iÒu biÕn ®é réng xung PWM – Pulse Width Modulation” cã thÓ ®¸p øng ®­îc yªu cÇu trªn hiÖu qu¶ nhÊt. §iÒu biÕn ®é réng xung cã nguyªn lý c¬ b¶n sau: T¹o mét sãng d¹ng h×nh sin Um ®­îc gäi lµ sãng ®iÒu biÕn (xung mÉu) cã tÇn sè lín h¬n nhiÒu tÇn sè sãng ®iÒu biÕn th­êng lµ béi ba (tõ 1 – 10Khz). Dïng mét kh©u so s¸nh 2 tÝn hiÖu Um vµ Up, tõ c¸c giao ®iÓm cña 2 sãng nµy ta x¸c ®Þnh ®­îc kho¶ng t¸c ®éng cña xung ®iÒu khiÓn thyristor hoÆc transistor c«ng suÊt (gãc chuyÓn m¹ch). NÕu sãng tam gi¸c cã tÇn sè cµng lín th× ®é mÞn cña ®iÖn ¸p ®Çu ra cµng cao, chÊt l­îng ®¶m b¶o bëi theo yªu cÇu cña phô t¶i. - §iÒu biÕn ®é réng xung ®¬n cùc. §iÖn ¸p trªn t¶i lµ mét chuçi xung, ®é réng kh¸c nhau, cã trÞ sè 0 vµ ±E - §iÒu biÕn ®é réng xung l­ìng cùc. §iÖn ¸p ra trªn t¶i lµ mét chuçi xung, ®é réng kh¸c nhau, cã trÞ sè ±E. Tû sè gi÷a biªn ®é sãng ®iÒu biªn vµ biªn ®é sãng mang, ký hiÖu lµ M ®­îc gäi lµ hÖ sè ®iÒu biÕn. Khi ta ®iÒu chØnh ®é lín Am còng chÝnh lµ ®iÒu chØnh ®é réng xung. Khi M = 1 th× ®iÖn ¸p ra t¶i cã biªn ®é lµ lín nhÊt vµ muèn gi¶m nhá ®iÖn ¸p ra th× ta gi¶m nhá Am. I.1. §iÒu chÕ ®é réng xung ®¬n cùc 1 pha. Transistor T1 ®­îc kÝch më bëi xung chïm, trong nöa chu k× d­¬ng cña sãng ®iÒu biÕn Up, cßn transistor T4 trong nöa chu kú am cña Uv. Dßng t¶i i, chËm pha so víi ®iÖn ¸p t¶i U, trong kho¶ng U vµ i kh¸c dÊu, dßng t¶i nguån e qua 2 dièt. Trong kho¶ng U = 0, th× dßng t¶i ch¶y qua mét transistor cña nh¸nh nµy vµ mét ®ièt cña nh¸nh kh¸c, t¶i bÞ ng¾n m¹ch, dßng ®iÖn nguån is = 0. Sãng hµi trong ®iÖn ¸p t¶i. NÕu chuyÓn gèc to¹ ®é sang 0’, ®iÖn ¸p t¶i U lµ mét hµm chu k× lÎ. Khai triÓn Fourier cña nã chØ chøa c¸c thµnh phÇn sãng sin. Biªn ®é cña sãng hµi ®­îc tÝnh theo c«ng thøc. Khi n = 1 th× Khi n = 3. Biªn ®é sãng hµi cã d¹ng tæng qu¸t nh­ sau: Trong ®ã: n = 1, 3, 5… ai lµ gãc chuyÓn tr¹ng th¸i, i biÕn thiªn tõ 1 ®Õn k ak lµ gãc chuyÓn tr¹ng th¸i cuèi cïng tr­íc p/2 Nh­ vËy, ®èi víi ®iÒu biÕn ®é réng xung ®¬n cùc, ®Ó ®iÖn ¸p t¶i kh«ng chøa c¸c sãng hµi bËc 3, 5 vµ 7 cÇn ph¶i cã. * §iÒu biÕn ®é réng xung l­ìng cùc. Tû sè ®iÒu biÕn M > 1, c¸c transistor ®­îc ®iÒu khiÓn tõng cÊp T1, T3 vµ T2, T4. Nguån E lu«n lu«n ®­îc nèi víi t¶i, th«ng qua hoÆc T1, T3 vµ T2, T4. Do ®ã ®iÖn ¸p gåm 1 chuçi xung, ®« réng kh¸c nhau, kh«ng cã nh÷ng kho¶ng u = 0. * Sãng hµi trong ®iÖn ¸p t¶i. NÕu chuyÓn gèc to¹ ®é sang 0’, dÔ thÊy r»ng ®iÖn ¸p t¶i cã d¹ng hµm chu kú lÎ, chØ chøa c¸c thµnh phÇn sin. BiÓu thøc tæng qu¸t cña biªn ®é sãng hµi cña ®iÒu biÕn réng xung l­ìng cùc. Khi u b¾t ®Çu b»ng mét xung d­¬ng Khi u b¾t ®Çu b»ng mét xung ©m §èi víi tr­êng hîp ®ang xÐt, muèn lo¹i trõ sãng hµi bËc 3 vµ 5 cÇn ph¶i cã: B»ng ph­¬ng ph¸p tÝnh gÇn ®óng t×m ®­îc nh­ vËy, ®iÖn ¸p ra chØ chøa sãng c¬ b¶n vµ c¸c sãng hµi bËc cao 7, 9, 11… cã thÓ xem 1.2. S¬ ®å khèi vµ chøc n¨ng c¸c khèi trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn nghÞch l­u mét pha theo nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn PWM. M¹ch ®iÒu khiÓn gåm nh÷ng khèi chÝnh nh­ sau: - Khèi 1: Khèi t¹o ®iÖn ¸p gÇn h×nh sin Um (tÇn sè 50Hz) Chøc n¨ng cña khèi nµy lµ t¹o ®iÖn ¸p h×nh sin mét pha cã tÇn sè 50Hz vµ biªn ®é cã thÓ ®iÒu chØnh ®­îc (gäi lµ sãng ®iÒu biÕn) ®Ó ®­a tíi ®Çu vµo cña bé so s¸nh. - Khèi 2: Khèi t¹o ®iÖn ¸p tam gi¸c Cã nhiÖm vô t¹o mét sãng tam gi¸c cã biªn ®é lín h¬n (th­êng lµ béi 3) tÇn sè cña sãng ®iÒu biÕn ®Ó ®­a tíi bé so s¸nh cïng víi sãng ®iÒu biÕn. - Khèi 3: Khèi so s¸nh. Thùc hiÖn viÖc so s¸nh 2 tÝn hiÖu sãng ®iÒu biÕn vµ sãng mang, t¹i c¸c giao ®iÓm cña 2 sãng mang nµy ta x¸c ®Þnh ®­îc thêi ®iÓm ph¸t xung ®Ó ®iÒu khiÓn më c¸c transistor IGBT trªn m¹ch lùc. - Khèi 4: Khèi khuÕch ®¹i xung. §Ó ®¶m b¶o cho transistor lµm viÖc ë chÕ ®é b·o hoµ th× ta ph¶i ®­a dßng ®iÒu khiÓn vµo cùc B cì 10%, dßng qua transistor nªn bé khuÕch ®¹i xung cã chøc n¨ng khuÕch ®¹i tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®Ó ®¶m b¶o cho viÖc më c¸c transistor mét c¸ch ch¾c ch¾n. - Khèi 4: Khèi nguån T¹o mét nguån nu«i æn ®Þnh vµ ®ñ c«ng suÊt cung cÊp cho m¹ch ®iÒu khiÓn. I.3. TÝnh to¸n vµ chän linh kiÖn cho m¹ch ®iÒu khiÓn. I.3.1. M¹ch t¹o ®iÖn ¸p h×nh sin cho mét pha tÇn sè 50Hz. Sö dông m¹ch dao ®éng cÇu viªn §iÖn trë Rf vµ Ra lµ nhiÖt ®iÖn trë sao cho 2,9 < Kumax < 3,1 Chän Ra = 10KW ta cã Rf = 30 KW LÊy R = R1 = R2 = 10KW th× f0 = 1/6,28C1. 1000 = 50Hz Þ CH = 0,3mF Dïng khuÕch ®¹i thuËt to¸n mA 741 víi nguån cung cÊp ±15V ® Ura = Ubh = 80% Vcc = ±12V I.3.2. M¹ch t¹o ®iÖn ¸p tam gi¸c tÇn sè cao (xung r¨ng c­a) C¸c th«ng sè ®­îc chän nh­ trªn s¬ ®å Chän IC1 vµ IC2 lµ mA 741 trong ®ã IC1 ®­îc nèi thµnh m¹ch dao ®éng tù phôc håi t¹o ra d¹ng sãng r¨ng c­a trªn tô C1 vµ sãng vu«ng ngâ ra chan 6 cña IC2 (m¾c theo kiÓu khuÕch ®¹i kh«ng ®¶o cã hÖ sè khuÕch ®¹i K = 1) nã cã t¸c dông nh­ m¹ch ®Öm gi÷a sãng trªn tô C1 vµ m¹ch t¶i bªn ngoµi. Ho¹t ®éng cña m¹ch nh­ sau: Tô C1 ®­îc n¹p ®iÖn theo hµm mò vÒ phÝa ®iÖn ¸p d­¬ng ë ngâ ra cña IC1 qua R1 – RV6 cho ®Õn khi ®¹t ®iÖn ¸p kÝch khëi (x¸c ®Þnh bëi ph©n ¸p R2-R3). Lóc nµy ngâ ra cña OMRAMP chuyÓn xuèng tr¹ng th¸i møc thÊp cña tô C1 phãng ®iÖn vÒ ph¸i ®iÖn ¸p ©m cña IC1 qua R1 – RV6 cho ®Õn khi ®¹t ®Õn ®iÖn ¸p kÝch khëi lÇn thø 2 (còng x¸c ®Þnh bëi ph©n ¸p R2 – R3) lµm ngâ ra cña OP chuyÓn tr¹ng th¸i ban ®Çu vµ chu kú l¹i ®­îc lÆp l¹i. Thay ®æi trÞ sè biÕn trë RV6 ta cã thÓ hiÖu chØnh ®­îc tÇn sè ra mong muèn (800Hz ®Õn 8000Hz). I.3.3. M¹ch so s¸nh: (Um vµ Up) Bé so s¸nh tÝn hiÖu gi÷a r¨ng c­a vµ xung h×nh sin, ë chÕ ®é nµy khuÕch ®¹i thuËt to¸n lµm viÖc ë chÕ ®é b·o hoµ. Ta chän khuÕch ®¹i thuËt to¸n mA741 víi nguån cung cÊp ±15V. Khi ta cã: U = V+ - V Khi V+ > V th× Ura = + USAT Khi V+ < V th× Ura = -USAT Víi USAT lµ ®iÖn ¸p cña IC, víi USAT = 80%U nguån cÊp cho IC. Xung ë ®Çu ra cña m¹ch so s¸nh lµ xung ch÷ nhËt víi c¸c ®é réng kh¸c nhau. Chän khuÕch ®¹i thuËt to¸n mA741 lµm m¹ch so s¸nh, cã c¸c th«ng sè. Vcc = ±12V Ira = ±25mA Chän Um = Up = 12V hay tØ sè ®iÒu biÕn b»ng lµ mét th× ®iÖn ¸p trªn t¶i ®¹t max. 1.3.4. M¹ch khuÕch ®¹i xung. U s R a R b FT R 1 R 2 +E 2 R 4 R 3 R 6 R 5 C 2 Q T¶i C 1 T Nguyªn lý ho¹t ®éng: TÝn hiÖu ®iÖn ¸p ®Çu ra sau bé so s¸nh lµ d¹ng xung vu«ng víi biªn ®é xung lµ ± US ®­îc ®­a vµo ®Çu vµo cña m¹ch khuÕch ®¹i xung lµ ±Us ®­îc ®­a vµo ®Çu vµo cña m¹ch khuÕch ®¹i xung qua ph« t« quang. Tuú theo c¸ch m¾c ®Çu vµo ë ph«to quang mµ ta cho xung d­¬ng hoÆc xung ©m qua. Khi ph« t« më th× sÏ cã sù sôt ¸p trªn R1 vµ R4 më transitor Q vµ cã dßng ch¶y qua R3 vµ R4. Sôt ¸p trªn R4 chÝnh lµ ®iÖn ¸p më cho T. Chän thiÕt bÞ cho m¹ch khuÕch ®¹i xung. + Ph« t« quang chän lo¹i EGC 3081 cã c¸c th«ng sè: - §Çu ra kiÓu NPN transitor. - §iÖn ¸p c¸ch ly: 6000V. - C«ng suÊt tiªu t¸n: Ph¸t triÓn = 250mW. - Dßng chuyÓn m¹ch ®Çu vµo 60mA - Dßng Collector ®Çu ra 100mA - §iÖn ¸p ®Çu vµo thuËn: 3V. + Sôt ¸p trªn RB = 3V, víi US = ±12V. Chän RB = 150W. Þ RA = + Chän transistor Q cã tÇn sè lµm viÖc cao, kho¸, më ch¾c ch¾n. Ta chän lo¹i EGC397 cã c¸c th«ng sè: §iÖn ¸p chÞu ®ùng: §iÖn ¸p më cho transistor Q nhá nhÊt lµ 0,6V ®Ó më ch¾c ch¾n ta chän UBE = 1,5V. Nh­ vËy sôt ¸p trªn R1 lµ 1,5V. Chän R1 = 1,5 KW R2 = 100 KW + Chän T lµ lo¹i EGC3328 cã ®iÖn ¸p më ®Æt vµo cùc G UGemax = 6V ®Ó më cho T më ch¾c ch¾n ta chän Umë = 2V. Chän R3 = 100 KW R2 = 2 KW Nh­ vËy ®iÖn ¸p sôt ¸p trªn R4 » 2,2V ®­îc ph©n ¸p qua R5 vµ R6 ®Æt vµo cùc G cña T. R5 ®· h¹n chÕ dßng IG cña T chän = 100W nh­ vËy nÕu chän UGE = 2V th× Tô C1, C2 ®¶m b¶o cho h»ng sè thêi gian t¸c ®éng nhanh cña Q vµ T . Chän C1 = C2 = 102p. I.3.5. Khèi nguån nu«i m¹ch ®iÒu khiÓn. V× m¹ch ®iÒu khiÓn vµ m¹ch lùc ®­îc c¸ch ly bëi photo quang nh­ng v× ®iÖn ¸p cÊp cho m¹ch lùc lµ ®iÖn ¸p 1 chiÒu. V× vËy ta cã thÓ lÊy 1 phµn ®iÖn ¸p trªn ¾c quy cÊp ë m¹ch lùc ®Ó cÊp cho m¹ch ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p m¹ch ®iÒu khiÓn lµ ± 15V v× vËy ta chän ¾c quy 12V vµ ®­îc cÊp qua IC7815 vµ 7915. M¹ch cÊp nh­ sau: §iÖn ¸p ®Çu vµo IC æn ¸p nhá nhÊt lµ ±18V do ®ã sôt ¸p trªn R1 vµ R2 sÏ lµ 24 – 18 = 6V. Dßng tiªu thô toµn bé m¹ch ®iÒu khiÓn » 500mA. §Ó ®¶m b¶o ®iÖn ¸p lu«n æn ®Þnh ±15V th× ta chän dßng cùc ®¹i Idkmax = 1A. Þ FT 1 R 4 R 6 R 3 R 5 T¶i +E 1 R 2 R 1 Q 1 T 1 T 4 R 8 R 9 FT 2 R 12 R 10 R 11 T 2 R 7 Q 2 T 3 +E 2 FT 3 R 16 R 18 +E 2 Q 3 R 15 R 14 R 17 R 13 R 24 R 22 FT 4 R 21 R 23 R 20 Q 4 R 19 +E 3 R B R A R S +Ed = 120V a b -Ed = 0V Nguyªn lý ho¹t ®éng cña s¬ ®å. §iÖn ¸p sau bé so s¸nh lµ ±Us d¹ng xung vu«ng cã cùc tÝnh ®æi dÊu. Khi Us < 0 lµm FT1 vµ FT3 më lµm Q1 vµ Q3 më cÊp ¸p vµo ch©n G T1 vµ T3 lµm T1 vµ T3 më dÉn dßng ch¶y tõ +E2(120V) qua T1, qua t¶i, qua T3 vÒ –E2 (0V). Trªn t¶i ta cã dßng ch¶y tõ a ® b. Khi Us > 0 th× FT2 vµ FT4 më ® ®iÖn ¸p UBE Q2 vµ Q4 thÊp lµm Q2 vµ Q4 më cÊp ¸p vµo ch©n G T2 vµ T4 lµm T2 vµ T4 më dÉn dßng ch¶y tõ +E2 (120V) qua T4 qua t¶i, qua T2 vÒ -E2. Trªn t¶i cã dßng ch¶y tõ b ® a nh­ vËy ë trªn t¶i nhËn ®­îc dßng ®iÖn ®¶o chiÒu liªn tôc. +15V -15V _ + - + - + E 1 E 2 E 3 +Ed 240V BAX R S MDC 3842 +Ed -Ed S G K2545 D U ht IC MPC 3842: §iÒu chÕ ®é réng xung. §Çu ra IC lµ d¹ng xung vu«ng cã ®é réng thay ®æi, ®­îc ®­a vµo cùc G cña MOSFET K2545. MOSTET K2545 lµm viÖc ng¾t më theo xung ®iÒu khiÓn lµm dßng qua s¬ cÊp biÕn ¸p xung thay ®æi g©y ra c¶m øng song bªn thø cÊp BAX. Cuèi cïng bªn thø cÊp BAX tat thu ®­îc c¸c møc ®iÖn ¸p kh¸c nhau phô thuéc vµo sè vßng d©y cña cuén thø cÊp. ë ®©y ®iÖn ¸p thø cÊp vµ s¬ cÊp ®­îc csach ly hoµn toµn, c¸c nguån bªn thø cÊp còng riªng biÖt kh«ng phô thuéc nhau. Ch­¬ng iii Lùa chän ¾c quy. i. giíi thiÖu vÒ ¾c quy. ¾c quy lµ thiÕt bÞ quan träng trong bé nguån dù phßng UPS cã chøc n¨ng dù tr÷ n¨ng l­îng ®iÖn lµm viÖc dùa trªn nguyªn lý ®iÖn ho¸ ho¹c, ¾c quy s¶n xuÊt ra cÇn ph¶i ®¶m b¶o ®­îc c¸c tÝnh n¨ng vÒ ®iÖn nh­ sau: SuÊt ®iÖn ®éng lín, Ýt thay ®æi khi phãng hay n¹p ®iÖn ¾c quy ph¶i lµm viÖc thuËn nghÞch nghÜa lµ hiÖu suÊt n¨ng l­îng cao Dung l­îng cho mét ®¬n vÞ träng l­îng vµ mét ®¬n vÞ thÓ tÝch ph¶i lín Qu¸ tr×nh tù phãng ®iÖn nhá Tuæi thä sö dông cao. ¾c quy cã rÊt nhiÒu lo¹i kh¸c nhau: ¾c quy axit hoÆc ¾c quy kiÒm… song thÝch hîp dïng UPS c«ng suÊt lín vÉn lµ ¾c quy ch× axit do cã gi¸ thµnh h¹. CÊu t¹o c¬ b¶n cña ¾c quy ch× axit gåm c¸c b¶n cùc d­¬ng lµm b¨ng oxit ch× (Pb2O) vµ b¶n cùc ©m lµm b»ng ch× (Pb) ®­îc nhóng trong dung dÞch axit. §Ó t¨ng diÖn tÝch trao ®æi gi÷a c¸c b¶n cùc ©m, c¸c b¶n cùc ©m ®­îc cµi r¨ng l­îc víi c¸c b¶n cùc d­¬ng. Mçi b×nh ¾c quy gåm mét b¶n cùc ©m vµ d­¬ng nãi trªn ®­îc gäi lµ mét ®¬n nguyªn hay gäi lµ mét ng¨n. Mçi ¾c quy ch× axit cho ®iÖn ¸p hë m¹ch lµ 2,1V. Dung l­îng vµ dßng ®iÖn cho phÐp cña mçi ng¨n ¾c quy phô thuéc vµo diÖn tÝch vµ hîp chÊt c¸c b¶n cùc. Dung dÞc ®iÖn m«i axit H2O víi tû träng lµ D =1,2 – 1,3 g/cm3. Khi n¹p vµ phãng ®iÖn t¹i c¸c b¶n cùc x¶y ra c¸c ph¶n øng thuËn nghÞch nh­ sau: Phãng ®iÖn N¹p ®iÖn Pb + SO4 PbSO4 + 2e T¹i c¸c b¶n cùc ©m: T¹i c¸c b¶n cùc d­¬ng Phãng ®iÖn N¹p ®iÖn PbO2 + 4H+ +SO-4 + 2e- PbSO4 + 2H2O Qu¸ tr×nh phãng ®iÖn x¶y ra khi c¸c b¶n cùc d­¬ng vµ ©m kh¸c nhau vÒ thµnh phÇn ho¸ häc ®­îc nhóng trong dung dÞch axit sunfuric tham gia vµ kÕt thóc khi thµnh phÇn ho¸ häc cña hai b¶n cùc gièng nhau. Axit sunfuric tham gia vµo ph¶n øng lµm cho dung dÞch ®iÖn m«i d·n dÇn, c¸c ph¶n øng ho¸ häc yÕu dÇn vµ ¾c quy mÊt dÇn kh¶ n¨ng phãng ®iÖn. Qu¸ tr×nh n¹p ®iÖn nhê mét dßng ®iÖn c­ìng bøc vµo ¾c quy lµm cho ph¶n øng x¶y ra theo chiÒu ng­îc l¹i víi qu¸ tr×nh phãng ®iÖn. KÕt qu¶ lµ c¸c cùc ©m vµ cùc d­¬ng ®­îc ho¹t ho¸ vµ mang c¸c thµnh phÇn ho¸ häc kh¸c nhau, c¸c ion kÕt hîp víi 2H+ lµm cho nång ®é dung dÞch ®iÖn m«i t¨ng lªn dung l­îng cña ¾c quy l¹i ®­îc kh«i phôc, ng­êi ta nãi ¾c quy ®­îc n¹p no. Dung l­îng cña ¾c quy ®­îc tÝnh b»ng ampe giê (Ah) x¸c ®Þnh dßng phãng ®iÖn cã thÓ trong mét kho¶ng thêi gian phãng ®iÖn cho tr­íc ë mét nhiÖt ®é vµ chÕ ®é phãng ®iÖn nhÊt ®Þnh. Dung l­îng cña ¾c quy phô thuéc vµo chÕ ®é phãng ®iÖn. D­íi chÕ ®é phãng ®iÖn “s©u” (hay phãng ®iÖn chËm), dßng ®iÖn nhá, thêi gian phãng ®iÖn dµi th× dung l­îng ¾c quy lín. Khi phãng ®iÖn víi dßng ®iÖn lín, thêi gian phãng ®iÖn ng¾n (thêi gian phãng ®iÖn “n«ng”) th× dung l­îng ¾c quy gi¶m. NhiÖt ®é cã ¶nh h­ëng trùc tiÕp ®Õn dung l­îng cña ¾c quy, dung l­îng cña ¾c quy thÊp khi nhiÖt ®é thÊp bëi khi ®ã c¸c ph¶n øng ho¸ häc x¶y ra chËm h¬n. Xong nhiÖt ®é Ýt ¶nh h­ëng ®Õn chÕ ®éphãng ®iÖn “s©u” hay cßn gäi lµ chÕ ®é phãng ®iÖn chËm. Tuæi thä cña ¾c quy ®­îc tÝnh theo sè chu kú phãng – n¹p. Tuæi thä cña ¾c quy t¨ng trong chÕ ®é phãng ®iÖn nhanh vµ gi¶m ®i trong chÕ ®é phãng ®iÖn chËm v× c¸c ho¹t chÊt trong chÕ ®é phãng ®iÖn chËm ®­îc sö dông triÖt ®Ó h¬n. Th­êng tuæi thä cña ¾c quy kho¶ng tõ 500 – 2000 chu kú tïy thuéc vµo chÕ ®é phãng ®iÖn v× c¸ch b¶o qu¶n. Trong qu¸ tr×nh phãng ®iÖn, ®iÖn ¸p cña ¾c quy thay ®æi, kh«ng nªn ®Ó ¾c quy phãng ®iÖn ë ®iÖn ¸p thÊp h¬n 1,8V/1 ®¬n nguyªn. Qu¸ tr×nh n¹p ®iÖn th× ®iÖn ¸p cña ¾c quy còng thay ®æi theo quy luËt nhÊt ®Þnh. Cuèi qu¸ tr×nh n¹p ®iÖn ¸p lµm viÖc cña nã, ng­ìng trªn ®iÖn ¸p n¹p ®iÖn ®­îc chän ë møc sinh khÝ võa ®ñ ®Ó trén vµo dung dÞch ®iÖn m«i vµ lµm gi¶m sù ®ãng líp trªn bÒ mÆt ®iÖn cùc. Ng­ìng d­íi cña ®iÖn ¸p phãng ®iÖn ph¶i ®¶m b¶o dung l­îng sö dông lµ lín nhÊt nh­ng vÉn gi÷ ®­îc tuæi thä ¾c quy theo yªu cÇu. §èi víi ng­ìng trªn cña ®iÖn ¸p n¹p ®iÖn cña ¾c quy ch× axit lµ: ChÕ dé phãng ®iÖn “n«ng”: 2,6 + 2,54V/ng¨n ¾c quy. ChÕ dé phãng ®iÖn “s©u”: 2,6 + 2,65V/ng¨n ¾c quy. §èi víi ng­ìng d­íi cña ®iÖn ¸p phãng ®iÖn cña ¾c quy ch× axit lµ: ChÕ dé phãng ®iÖn “n«ng”: 1,9 V/ng¨n ¾c quy. ChÕ dé phãng ®iÖn “s©u”: 1,7V/ng¨n ¾c quy. Lùa chän ¾c quy vµ c¸ch ghÐp nèi Nguån ¾c quy ®­îc tÝnh to¸n ®Ó cung cÊp ®iÖn ¸p 1 chiÒu lµ 240V trong thêi gian kho¶ng 10 phót. Trªn thÞ tr­êng hiÖn nay ¾c quy dïng cho UPS phæ biÕn lµ c¸c lo¹i 12/20Ah vµ 6V/7Ah ®Ó cã ®iÖn ¸p 240V cÇn ph¶i nèi tiÕp c¸c ¾c quy cã ®iÖn ¸p bÐ víi nhau. Sè l­îng ¾c quy ®ñ ®Ó cung cÊp mét ®iÖn ¸p 240V lµ kho¶ng 10 b×nh lo¹i 12V/20Ah. C¸c ¾c quy ®­îc ®Êu nèi tiÕp víi nhau. KÕt luËn Sau kho¶ng thêi gian nghiªn cøu, t×m hiÓu vµ thiÕt kÕ, ®Õn nay ®å ¸n cña em ®· ®­îc hoµn thµnh. Néi dung cña ®å ¸n nµy ®· nªu lªn ®­îc hai vÊn ®Ò chÝnh sau: + Nghiªn cøu t×m hiÓu vÒ bé nguån dù phßng. + ThiÕt kÕ bé nguån dù phßng 15kVA (phÇn nghÞch l­u). Tuy nhiªn do tr×nh ®é cßn h¹n chÕ, kho¶ng thêi gian lµm ®å ¸n ng¾n bé phËn thiÕt kÕ chØ lµ nh÷ng kh©u c¬ b¶n cña bé nguån dù phßng. Do ®ã ®Ó cã tÝnh kh¶ thi trong thùc tÕ cÇn ph¶i nghiªn cøu thªm vÒ bé nguån dù phßng ®Ó tõ ®ã ®­a ra ®­îc ph­¬ng ¸n tèi ­u.