Đang tải... (xem toàn văn)
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch dòng. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là nguồn dòng điện. Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp. Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần. Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng. Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện. Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải. Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR).
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÔN CUNG CÂP ĐIỆN BÁO CÁO Đề tài: Tìm hiểu về ngịch lưu và nguồn dự phòng UPS GVHD: PGS.TS.Quyền Huy Ánh SVTH: Nguyễn Văn Tân MSSV: 12142232 Báo cáo cung cấp điện PGS.TS. Quyền Huy Ánh MỤC LỤC Giới thiệu 1 Chương 1: Ngịch lưu áp Giới thiệu tổng quan về nghịch lưu áp Phân loại Chương 2: Nguồn dự phòng UPS 2 | P a g e Báo cáo cung cấp điện PGS.TS. Quyền Huy Ánh Phần 1: NGHỊCH LƯU ÁP I. Giới thiệu chung - Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. - Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch dòng. - Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là nguồn dòng điện. - Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. - Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp. - Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần. Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. - Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. - Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng. - Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. - Do đó, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện. - Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải. Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR). II. Nghịch lưu áp - -Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng. 3 | P a g e Báo cáo cung cấp điện PGS.TS. Quyền Huy Ánh - Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc. Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. - Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc đối song với nó. Các diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược với chiều dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc. III. Phân loại bộ nghịch lưu áp - Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau. - Theo số pha điện áp đầu ra: 1 pha, 3 pha. - Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch (phase to pole voltage): 2 bậc (two level), đa bậc (multi – level , từ 3 bậc trở lên). - Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoặc dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)… - - Theo phương pháp điều khiển: • Phương pháp điều rộng. • Phương pháp điều biên. • Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM). • Phương pháp điều chế độ rộng sung sin cải biến (Modifield SPWM• Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation, hoặc Space vector PWM). • Phương pháp Discontinuous PWM. IV. Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc: - Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) - Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) - Dạng ghép tầng cascade (Cascade Inverter). 4 | P a g e Báo cáo cung cấp điện PGS.TS. Quyền Huy Ánh PHẦN 2: BỘ LƯU ĐIỆN UPS UPS được viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power Supplier được hiểu như là hệ thống nguồn cung cấp liên tục hay đơn giản hơn là bộ lưu trữ điện dự phòng nhằm làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống. UPS khác với nguồn phụ hoặc hệ thống điện khẩn cấp hoặc máy phát ở chỗ nó bảo vệ tức thời cho tải khi nguồn bị gián đoạn, bằng cách cung cấp điện từ battery hoặc flywheel. Thời gian chạy trên battery của UPS là tương đối ngắn (chỉ vài phút) nhưng là đủ để khởi động nguồn phụ hoặc tắt thiết bị cần bảo vệ. UPS thường dùng để bảo vệ máy tính, datacenter, thiết bị viễn thông hoặc các thiết bị điện mà khi mất nguồn có thể gây gián đoạn công việc, mất mát dữ liệu làm thiệt hại nghiêm trọng. UPS có công suất từ nhỏ (200VA) cho đến lớn (đủ bảo vệ cả trung tâm dữ liệu hoặc toà nhà). UPS lớn nhất hiện nay trên thế giới là Battery Electric Storage System (BESS), có công suất 46 MW ở Fairbanks, AK có thể cấp điện cho cả thành phố và các vùng lân cận khi mất điện. I. SƠ LƯỢC - Vào cuối thế kỷ 20, độ tin cậy cung cấp điện của các nước công nghiệp phát triển vào khoảng 99.9%, tương ứng khoảng thời gian mất điện trong một năm là 8 giờ mà phổ biến dưới dạng mất điện trong một vài phút. Điều này không hành vấn đề đối với hệ thống chiếu sáng hoặc hệ thống điện cơ, tức với kỹ thuật ương tự (analog), chất lượng điện chỉ bao gồm hai chỉ tiêu quan trọng nhất là điện áp và tần số. - Nhưng đối với hệ thống kỹ thuật số (Digital) vấn đề không đơn giản như vậy. Đặc biệt với các thiết bị trong lĩnh vực công nghệ thông tin được ứng dụng từ công nghệ kỹ thuật số luôn được xem là bước đệm quan trọng trong việc làm gia tăng sản phẩm, giảm thiểu chi phí sản xuất và tạo sự ổn định bền vững cho xã hội. - Độ tin cậy cung cấp điện của các hệ thống có máy tính cần phải tăng lên rất nhiều, vì mất điện dù chỉ trong một vài mili giây sẽ có nguy cơ mất hết thông tin hoặc làm rối loạn quá trình trao đổi dữ liệu máy tính và các yêu cầu hệ thống kỹ thuật số phải khởi động lại. - Khoa học kỹ thuật không ngừng tiến bộ, đã mang lại sự thoải mái và tiện lợi cho đời sống, vô tình chúng ta đã ỷ lại nhiều về thiết bị máy móc tự động hóa của khoa học kỹ thuật, tuy nhiên chúng ta cũng gặp phải sự bất 5 | P a g e Báo cáo cung cấp điện PGS.TS. Quyền Huy Ánh tiện khi bị cúp điện, trục trặc của tự động hóa. Đa số thiết bị điện không nhạy cảm đối với sự cúp điện, nhưng khi có điện lại thì có thể hoạt động tiếp tục, ví dụ: thang máy, tivi, máy giặt, tủ lạnh Nhưng một số thiết bị tinh vi lại rất nhạy cảm khi cúp điện, không những gây tổn thất lớn, và sinh mạng có thể bị đe dọa khi xảy ra nghiêm trọng, ví dụ như giàn máy tính lớn, giao dịch chứng khoán, sản xuất linh kiện chip, máy đo tim phổi, thiết bị dẫn đường … - Máy phát điện là nguồn cung cấp điện thường dùng trong khi bị cúp điện, sẽ cung cấp điện cho các thiết bị trong khi bị cúp điện, tốc độ khởi động của bất kỳ máy phát điện dù nhanh cách mấy, từ sau khi cúp điện đến khi máy phát điện nhận được tín hiệu cần khởi động để phát điện, đến lúc điện áp, tần số của máy phát điện ổn định để có thể cung cấp điện, cần có mấy mươi giây hoặc mấy mươi phút. Trong khoảng thời gian này, các thiết bị điện phải ngưng làm việc, như vậy có thể gây tổn hại cho các thiết bị hoặc mang lại tổn thất cho tài sản và sinh mạng, từ đó ta thấy máy phát điện không thể hoàn toàn thỏa mãn nhu cầu sử dụng cho thiết bị điện. - Thiết bị lưu điện sẽ cung cấp không ngừng và ổn định dòng điện xoay chiều để phục vụ cho máy vi tính và các thiết bị quan trọng khác khi điện lực thành phố cung ứng thất thường, thiết bị điện vẫn làm việc bình thường, không gây tổn hại và tê liệt. - Chúng tôi sẽ giới thiệu sơ về cấu tạo và đặc tính quan trọng của các thiết bị lưu điện, để cho đọc giả hiểu sâu về kết cấu và chức năng của các thiết bị lưu điện, tăng thêm nhận thức về ứng dụng của các lĩnh vực khác nhau, hiểu biết được thiết bị có thể phục vụ cho chúng ta những gì, lựa chọn sản phẩm nào là thích hợp, để có ứng dụng hiệu quả cao. II. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Rất nhiều người đã biết rằng bên trong UPS sẽ có ắc quy để tích điện, do đó chỉ cần biết đến thế là biết được nguyên lý hoạt động của bộ lưu điện một cách cơ bản nhất: Chuyển điện từ ắc quy sang thành nguồn điện cung cấp cho tải khi nguồn điện cung cấp ngõ vào cho UPS bị mất. Bên trong UPS có 1 hoặc nhiều ắc quy dùng để tích năng lượng điện. Sử dụng một bo mạch có chức năng biến đổi điện một chiều ắc quy thành điện xoay chiều, và dòng điện xoay chiều này giao động tần số và điện áp phù hợp với yêu cầu sử dụng - tức là 220Vac 50Hz/60Hz. III. PHÂN LOẠI 6 | P a g e Báo cáo cung cấp điện PGS.TS. Quyền Huy Ánh Từ 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 - UPS tĩnh - UPS quay. UPS online : - Khắc phục hoàn toàn những nhược điểm của dòng UPS Offline, dòng UPS Online với công nghệ Online Double Conversion giúp loại bỏ những sự cố của điện lưới do điện áp đầu vào luôn được điều chế trước khi cấp cho tải sử dụng. Nguồn điện lưới không cung cấp trực tiếp cho thiết bị mà được biến đổi thành dòng điện một chiều nạp cho ắc quy và bộ nghịch lưu (Inverter). Bộ nghịch lưu sẽ tiếp tục biến đổi dòng một chiều nhận được thành điện áp đầu ra phù 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 3) - Dòng UPS Online thường được thiết kế với công suất lớn, có thể mở rộng thời gian lưu điện bằng ắc quy lưu điện gắn trong lẫn gắn ngoài nên ngoài những thiết bị có tính chất tải thuần trở như thiết bị văn phòng, máy tính thì UPS Online còn có thể sử dụng cho hệ thống máy chủ, trung tâm dữ liệu (data center) và thậm chí là cả những thiết bị tải động cơ như quạt, máy bơm, v v 7 | P a g e Báo cáo cung cấp điện PGS.TS. Quyền Huy Ánh - Hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi kép: từ AC sang DC sau đó chuyển ngược DC sang AC. Do đó nguồn điện cung cấp cho tải hoàn toàn do UPS tạo ra đảm bảo ổn định cả về điện áp và tần số. Điều này làm cho các thiết bị được cung cấp điện bởi UPS hầu như cách ly hoàn toàn với sự thay đổi của lưới điện. Vì vậy, nguồn do UPS online tạo ra là nguồn điện sạch (lọc hầu hết các sự cố trên lưới điện), chống nhiễu hoàn toàn. Điện áp ra hoàn toàn hình SIN. UPS offline: - Khi có nguồn điện lưới UPS sẽ cho điện lưới thẳng tới phụ tải. Khi mất điện, tải sẽ được chuyển mạch cấp điện từ ắc quy qua bộ inverter. Dạng điện áp ra của bộ invertor loại này thường là (dạng xung chữ nhật, không SIN). Phạm vi áp dụng UPS loại này thường cho các thiết bị đơn giản, công suất nhỏ, ít nhạy cảm lưới điện, đòi hỏi độ tin cậy thấp. Đa số các UPS ngày nay đều có Software kèm theo giao tiếp với máy tính qua cổng COM hoặc USB. Software này cho phép kiểm soát các trạng thái hoạt động của UPS (Điệnáp vào/ra, tải tiêu thụ ). Ngoài ra bạn còn có thể lập thời khoá biểu tự động(Mở /shutdown máy tính theo ngày, giờ, tuần,tháng) - UPS Offline tiêu chuẩn là dòng sản phẩm phổ dụng nhất trên thị trường hiện nay và có giá rẻ hơn so với UPS Offline hỗ trợ công nghệ Line Interactive. Nguyên tắc hoạt động của UPS Offline tiêu chuẩn là điện lưới đầu vào đi qua công tắc chuyển mạch trước khi cấp cho tải sử dụng. UPS lúc này chỉ sử dụng bộ sạc harger) để nạp đầy điện cho ắc quy. Trường hợp điện lưới không ổn định (quá cao, quá thấp hoặc mất điện) thì UPS sẽ tự động chuyển mạch (thông qua rơle), dùng nguồn từ ắc quy cấp cho thiết bị để duy trì hoạt động. (Hình 1) 8 | P a g e Báo cáo cung cấp điện PGS.TS. Quyền Huy Ánh - Nguyên tắc hoạt động của UPS Offline công nghệ Line Interactive cũng tương tự dòng UPS Offline tiêu chuẩn nhưng có thêm mạch ổn áp nhằm điều chỉnh điện áp đầu ra cấp cho cho tải sử dụng luôn ổn định. Trường hợp điện áp điện lưới quá cao hoặc quá thấp, UPS Offline công nghệ Line Interactive, mạch ổn áp tự động chuyển mạch sang một nấc khác sao cho điện áp đầu ra đảm bảo đúng tải theo yêu cầu. (Hình 2) - Thiết kế của dòng UPS Offline chỉ thích hợp để sử dụng cho những thiết bị văn phòng và máy tính; những thiết bị có tính chất tải thuần trở. Thời gian chuyển mạch chậm của dòng UPS Offline khá chậm, khoảng 10 ms (mili giây) và không thể mở rộng thời gian lưu điện bằng ắc quy lưu điện gắn trong và cả gắn ngoài. Riêng với UPS Offline tiêu chuẩn không hỗ trợ chức năng ổn áp. UPS tĩnh : Sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất làm chức năng chỉnh lưu và nạp acqui để tích trữ điện năng khi làm việc bình thường .Khi xảy ra sự cố, điện áp một chiều qua bộ nghịch lưu được biến thành điện áp xoay chiều và được cấp cho các tải ưu tiên .Ưu điểm của UPS tĩnh là kích thước nhỏ gọn, đáp ứng nhanh,vận hành đơn giản, làm việc chắc chắn,dòng cho phép lớn. UPS quay : Sử dụng máy điện làm chức năng nghịch lưu. 9 | P a g e . hiểu về ngịch lưu và nguồn dự phòng UPS GVHD: PGS.TS.Quyền Huy Ánh SVTH: Nguyễn Văn Tân MSSV: 12142232 Báo cáo cung cấp điện PGS.TS. Quyền Huy Ánh MỤC LỤC Giới thiệu 1 Chương 1: Ngịch lưu