Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa điện môn tự động hoá Xncn ***************** đồ án môn học điện tử công suất Giáo viên hớng dẫn : Dơng văn nghi Sinh viên thực : Cao Nguyên Lớp : tđh - k49 Hà nội, tháng 4/2007 Chơng I : Tỉng quan vỊ UPS A Sù cè vỊ nguồn giải pháp UPS: Sự cố nguồn điện nói chung điện nói riêng làm ảnh hởng nhiều đến hoạt động sống đại, thiết bị nhạy cảm hay yêu cầu phải hoạt động liên tục nh máy tính,máy xử lý công nghiệp,thiết bị y tế,viễn thông hoạt động thơng mại điện tử Việc ngừng trệ ( cố điện ) làm chậm giao dịch,mất thông tin, gây tổn hại vê nhiều mặt, thời gian để khắc phục sửa chữa Các cố nguồn điện: Về mặt lý thuyết: Hệ thống phân phối lợng điện tạo điện áp hình sin vơi biên độ tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (400V50Hz chẳng hạn) Trong thực tế, sóng hình sin điện áp dòng điện tần số bị ảnh hởng phạm vi khác cố xuất hệ thống ã Xung nhọn : Là tăng lên đột ngột điện áp khoảng thời gian ngắn Nguyên nhân gây đóng cắt điều chỉnh nhiệt thiết bị đóng cắt dòng lớn Hiện tợng làm h hỏng phần cứng,các thiết bị ngoại vi,board làm h phần mềm ã Nhiễu điện : Chính nhiễu loạn đờng cung cấp đất,giữa dòng với nhau, dòng với trung tính Nó gây sét đánh, lỗi dây hay gần thiết bị thu phát sóng radio Hiện tợng làm cho liệu bị treo bị phá huỷ ã Tăng áp : Sự tăng đột ngột tức thời đến mức gây h hỏng Hiện tợng thờng xảy ngắn có biên độ cao Nguyên nhân gây thờng tắt máy dùng điện,bị sét đánh phục hồi lại điện sau bị ã Sụt áp : Điện áp giảm so với giá trị điện áp trung bình tròng vài chu kỳ Hiện tợng dễ gặp khởi động tải lớn nh khởi động máy điện quay Nó làm cho hệ thống máy tính phải khởi động lại ã Sụt áp tải : Nó giống nh tợng sụt áp nhng thời gian dài thờng nguy hiểm Hiện tợng xảy nguồn cung cấp không cung cấp đủ cho tải máy phát ngắt điện toàn lới ã Mất điện : Nguồn điện cung cấp bị ngắt hoàn toàn Hiện tợng xảy đờng dây cung cấp bị lỗi,tai nạn hay bị thiên tai ã Dng súng ca nguồn cung cấp khơng có hình sin • Tần số nguồn thay đổi sai khác so với tần số nh mc Giải pháp UPS : Trớc cố nguồn điện tránh đợc, cần phải có giải pháp cho vừa đem lại an toàn tính sử dụng liên tục cho thiết bị điện,điện tử cần u tiên, vừa đảm bảo an toàn cho ngời sử dụng Có nhiều giải pháp cho vấn đề nh sử dụng thêm nguồn dự phòng chuyển mạch nhanh nhng giải pháp gây tốn phải sử dụng thêm nguồn thứ hai phải cần có thời gian để chuyển mạch yêu cầu s dụng đòi hỏi nguồn : ã Tính liên tục ã Chất lợng nguồn điện Bộ nguồn liên tục UPS giải pháp đáp ứng đợc yêu cầu Nó cung cấp cho tải với nguồn ổn định liên tục trờng hợp bị cố B Chức UPS ứng dụng thùc tÕ UPS : Uninterruptible Power Supply : Bé nguån liên tục Các chức UPS : Hoạt ®éng nh mét giao diƯn gi÷a hƯ thèng cung cÊp điện tải nhạy cảm UPS cung cấp cho tải lợng điện liên tục, chất lợng cao, không phụ thuộc tình trạng hệ thống cung cấp UPS tạo điện áp cung cấp tin cậy : ã Không bị ảnh hởng cố hệ thống cung cấp, đặc biệt hệ thống cung cấp ngừng hoạt động ã Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu thiết bị điện từ nhạy cảm UPS cung cấp điện áp tin cậy, độc lập liên tục thông qua khâu trung gian: Acquy chuyển mạch tĩnh øng dơng cđa UPS thùc tÕ: C Ph©n loại UPS: Theo nguyên lý làm việc UPS ta phân thành loại dới UPS tĩnh: L UPS sử dụng biến đổi điện tử công suất làm chức chỉnh lưu nạp ¾c quy để tích lũy điện làm việc bình thường Khi có cố nghịch lưu làm nhiệm vụ biến đổi điện chiều thành điện xoay chiều cung cấp cho tải ưu tiên UPS tÜnh chiếm phần lớn hệ thống UPS Năng lợng hệ thống thờng đợc tích trữ ắc quy Thành phần UPS bao gåm : - ¡c quy - Bé chØnh lu/n¹p - Bộ nghịch lu lọc UPS tĩnh có loại : UPS chuyển đổi đơn UPS chuyển đổi kép ( dựa cách thức mà UPS cung cấp cho tải ) a UPS chuyển đổi kép: Trong loại này,trớc tiên nguồn cung cấp chuyền thành dòng chiều thông qua chỉnh lu nạp vào ¾c quy TiÕp ®ã ngn chiỊu tõ ¾c quy đc chuyển sang điện áp xoay chiều thông qua kết hợp nghịch lu lọc Bộ nghịch lu hoạt động liên tục cung cấp lợng cho tải trờng hợp thờng trờng hợp khẩn cấp Về cấu tạo UPS loại cho phép mắc nối tiếp nguồn bổ sung vào mạch điện chiều Ví dụ đầu nguồn chiều UPS đợc cung cấp máy phát điện Diesel mắc song song với ắc quy ắc quy cung cấp lợng cho tải liên tục hết lợng dự trứ máy phát điện làm việc tiếp tục cung cấp lợng cho tải qua nghịch lu b UPS chuyển đổi đơn: Cấu tạo loại UPS chỉnh lu/nạp cho ắc quy Chính xác nghịch lu UPS có khả chuyển đổi hai chiều Khi mà nguồn cung cấp nghịch lu đa lợng từ nguồn nạp vào ắc quy ( cần ) Đến nguồn bị ngắt, ắc quy cung cấp lợng cho tải thông qua nghịch lu Dới sơ đồ nguyên lý : Không giống nh UPS chuyển đổi kép, loại UPS truyền lợng cho tải mà nguồn cung cấp Chính đặc thù mà UPS chuyển đổi đơn có hiệu kinh tế UPS chuyển đổi kép Tuy nhiên tải u tiên UPS phải chịu đợc thay đổi nguồn cấp tảI UPS chuyển đổi kép UPS quay Là UPS sử dụng máy điện làm chức nghịch lu UPS gián tiếp ( Off line ) vµ UPS trùc tiÕp ( On – line ) a UPS gi¸n tiÕp ( Off – line ): Là loại UPS nghịch lưu không chèn trực tiếp vào tải nguồn cung cấp mà nối mạch cung cấp song song với nguồn ln trạng thái standby Ở điêu kiện bình thường khơng cung cấp nguồn cho tải tiêu thụ mà hoạt động nguồn cung cấp có cố Khi vận hành bình thường nguồn cấp điện trực tiếp cho tải qua lọc F mà qua nghich lưu Khi xảy cố hệ thống cung cấp điện áp hệ thống nằm giới hạn cho phép tải từ nghịch lưu sau thời gian chuyển đổi ngắn cỡ 10ms Tuy nhiên chuyển mạch không đáp ứng với loại tải nhạy cảm máy tính, thiết bị truyền tin… Sơ đồ thường áp dụng cho tải công suất nhỏ 2kVA b UPS trùc tiÕp ( On - line ): Ở loại UPS nghịch lưu chèn vào hệ thống cung cấp thiết bị tiêu thụ Ở trạng thái làm việc bình thường chỉnh lưu cung câp nguồn để nạp acquy nghịch lưu Khi nguồn cung cấp xảy cố (mất nguồn cung cấp điện áp nằm giới hạn cho phép) nghịch lưu tiêu thụ điện từ acquy đảm bảo sụ cung cấp liên tục cho tải Toàn nguồn cung câp cho tải phải qua nghịch lưu đảm bảo việc cung cấp liên tục, chất lượng điện điện áp, dạng sóng, tần số… khơng phụ thuộc vào biến động nguồn cung cấp Ngoài loại UPS thường cịn cung cấp thêm cơng tắc chuyển mạch tĩnh (static switch) đảm bảo cung cấp điện liên tục trường hợp UPS có vấn đề cần phải bảo dưỡng, sửa chữa Sơ đồ UPS đảm bảo chất lượng điện độ tin cậy cao giá thành cao ứng dụng với công suất trung bình lớn 40KVA D CÊu tróc UPS : Các thành phần UPS: Mt hệ thống UPS hoàn chỉnh gồm số phần tử chớnh cho hình : a) ng dõy vo(AC input): Một UPS đầy đủ thường có đầu vào độc lập từ hệ thống cung cấp - Hệ thống cung cấp (HTCC1): Là đường vào bình thường cung cấp cho chỉnh lưu nạp - Hệ thống cung cấp (HTCC2): Cung cấp cho chuyển mạch tĩnh (theo by-pass) Chuyển mạch tĩnh cho phép tải chuyển tức thời qua đường by pass lúc cần thiết Việc nối nguồn cung cấp độc lập vào UPS làm tăng độ tin cậy nhiên sử dụng đường vào chung b) Bộ chỉnh lưu n¹p: Biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp chiều cung cấp trực tiếp cho nghịch lưu (trong UPS online) nạp thường xuyên cho acquy ( tất loại UPS) c) Bộ acquy: Dùng để dự trữ điện dùng vào lúc nguồn cung cấp gặp cố ( nguồn hay chất lượng nguồn giảm xuống mức cho phép) Dung lượng acquy định thời gian mà UPS cung cấp nguồn liên tục cho thiết bị sau nguồn bị ngắt d) Bộ nghịch lưu: Nghịch lưu điện từ acquy hay từ chỉnh lưu để cung cấp cho thiết bị tiêu thụ Bộ nghịch lưu phải đảm bảo ổn định tần số, điện áp cơng suất cung cấp cho thiết bị e) §êng song song với chuyển mạch tĩnh: Chuyển đổi tải UPS tõ bé nghÞch lu sang hƯ thèng cung cÊp mà không làm gián đoạn cung cấp điện cho tải Việc chuyển đổi xảy nghịch lu ngừng hoạt động lý do: - Bảo dỡng - Quá tải - Sự cố bên f) ng cung cấp đóng cắt tay : Sử dụng cơng tắc đóng mở tay để cấp điện cho tải theo hệ thống cung cấp yêu cầu bảo dưỡng g) Máy biến áp cách ly: Được đưa vào với mục đích cách ly tải với hệ thống cung cấp 2, thường sử dụng điển nối đất hệ thống vào UPS khác h) Chuyển mạch tay, thiết bị đóng cắt acquy: Dùng để cách ly phận trỡnh bo dng Các thiết bị khác: Ngoi cỏc phận nói trên, UPS cịn có thêm số chi tiết khác sau:  Thiết bị phân phối bảo vệ  Thiết bị cách ly, máy biến áp tạo điện áp phù hợp với tải  Hệ thống điều khiển, cảnh báo, thị, điều khiển xa UPS cịn trang bị thêm hệ thống chẩn đoán tự động, tự động kiểm tra trạng thái phận khác Ví dụ kiểm tra trạng thái acquy… I.Chỉnh lưu cầu pha : Mạch chỉnh lưu gồm van D1 → D4 đấu thành nhóm D1D3 đấu Katot chung D1D3 đấu Anot chung Nguồn xoay chiều đưa vào mạch van lấy trực tiếp từ lưới điện thông qua máy biến áp Trong nửa chu kì đầu → π điẹn áp u2 > với cực tính khơng ngoặc đồ Ta thấy nhóm Katot chung D1D3 Anot D1 dương anot D3 D1 dẫn Cịn nhóm D2D4 Katot D2 âm Katot D4 D2 dẫn Như nửa chu kì đầu D1D2 dẫn Trong nửa chu kì sau ( π → 2π ) điện áp u2 U0, qua bé so sánh Uđk > U0 góc điều khiển giảm tăng Ud làm cho dòng điện Id tăng Đến Id đạt trạng thái ổn định mong muốn Uht = Id.Rs =Uss lúc Uđk = U0 ổn định giữ cho dòng điện không đổi Giả sử trình hoạt động, nguyên nhân làm cho dòng điện Id tăng giá trị mong mn, lóc nµy Uht = Id.Rs > Uss lµm cho Uđk tăng, điều làm cho góc điều khiển tăng điện áp Ud giảm làm giảm dòng Id đến giá trị ổn định mong muốn b Nạp với điện áp không đổi: Tơng tự nh phơng pháp nạp với dòng không đổi, phơng pháp nạp với điện áp không đổi, điện áp đợc ổn định nhờ mạch hồi tiếp âm điện áp mạch hồi tiếp âm điện áp, điện áp hồi tiếp đợc lấy qua chiết áp Ta có: Uđk = Ucđ - Uht = U0 + Uss - Uht Trong ®ã U0 : Điện áp tạo góc mong muốn (góc mở chỉnh lu không tải) U0 = const Uss: Điện áp chuẩn để so sánh, Uss= const Uht: Điện áp hồi tiếp, Uht = k.Ud Ud : Điện áp cần giữ không đổi trình nạp k : Hệ số phản hồi điện áp , ta phải tính toán k cho điện áp R2 R1 + R2 U d đạt giá trị ổn định mong muốn Uht =Uss , k = Chức mạch : Mạch hồi tiếp âm điện áp có chức thay đổi góc điều khiển - thay đổi dòng điện đầu chỉnh lu nhằm trì điện áp không đổi mạch tải tải thay đổi Quá trình hoạt động mạch: Khi đóng nguồn, ban đầu U d nhỏ Uht < Uss → U®k =U0 +Uss - Uht > U0 , qua so sánh Uđk > U0 góc điều khiển giảm Ud tăng Điều chỉnh chiết áp U d đạt trạng thái ổn định mong muốn Uht = k.Ud = Uss lúc Uđk = U0 ổn định giữ cho điện áp không đổi Giả sử trình hoạt động, nguyên nhân điện áp U d tăng giá trị mong muốn, lúc Uht = k.Ud > Uss làm cho Uđk tăng, điều làm cho góc điều khiển tăng điện áp Ud giảm đến giá trị ổn định mong muốn Các toán điều khiển nạp ắc quy: Trong trình nạp ắcquy, ta cần thực công việc sau: - Đóng nguồn điện vào mạch nạp điện áp ngăn ắcquy sụt xuống dới 1.8V ngăn -Tiến hành nạp chế độ dòng không đổi điện áp ngăn ắc quy từ 1.8V đến 2.5V - Khi điện áp ngăn ăcquy đạt tới 2.5V tiến hành nạp với chế độ áp không đổi - Khi điện áp ngăn ăcquy đạt tới 2.7V mạch lực tự ngắt khỏi nguồn Tính toán mạch phản hồi: a Mạch hồi tiếp âm dòng điện: Uht đợc lấy từ điện trở sun, điện trở sun đợc tính toán cho dòng điện cần ổn định Id = 44A sụt áp điện trở sun Us= Uht= Uss=3V Vậy ta cã Rs = 3/44 = 0,068 Ω Ta cã: Uc® = Uss + U0 Trong ®ã: - Uss =3V - U0 điện áp điều khiển dòng nạp Id = 44A chơng trớc ta đà tính toán nạp với dòng không đổi I d = 44A α =86o U0=5,73V Tõ ®ã ta cã: Uc® = 5,73 + = 8,73V Mạch phản hồi thực chất mạch trừ thực hàm Uđk =Ucđ -Uht Ta cã: U®k = K1.Uc® - K2.Uht ®ã K1=R4/R3, K2=R2/R1.VËy nÕu chän R4=R3 , R2=R1 th× ta sÏ thùc đợc hàm Uđk =Ucđ -Uht Chọn khuyếch đại thuật toán loại LM324 với Ilv < 1mA ta có: R1 = R2 > Uv/Iv = 3/10-3 = 3k Ω Chän R1 = R2 = 3,5 k Ω R4 = R3 > Uv/Iv = 8,73/10-3 = 8,73k Ω Chän R3 = R4 = k Ω b Mạch hồi tiếp âm điện áp: Tơng tự nh mạch hồi tiếp âm dòng điện, mạch hồi tiếp âm điện áp lấy điện áp hồi tiếp từ mạch phân áp Chiết áp đợc chọn cho điện áp cần ổn định E d = 96V Uht = 3V Chän chiÕt ¸p cã 50k Ω , ta cã: Ed/Uht=50/R -> R = 1,56 Ω R6 +V R5 +V +V 100k 97.92% R7 6.9V R8 Ta cã: Uc® = Uss+ U0 Trong ®ã: - Uss =3V - U0 điện áp điều khiển áp Ed =96V= const Khi nạp với dòng không đổi =860 , ứng với =180o điện điện áp hai đầu cực ắcquy U0 =12V, = 860 U0 =5,69 V Từ ta có:Ucđ = 5,69+3 =8,69V Tơng tự nh trên, dùng mạch trừ để thực hàm hồi tiếp Chọn khuyếch đại thuật toán loại LM324 với Ilv < 1mA ta cã: R5 = R6 >Uv/Iv =3/10-3 = 3k Ω Chän R5 = R6 = 3,5 k Ω R7 = R8 > Uv/Iv =8,69/10-3 = 8,69k Ω Chän R7 = R8 =9 k c Mạch điều khiển chế độ nạp: Để điều khiển chế độ nạp ta cần có mạch điều khiển với nhiệm vụ sau: Khi điện áp ngăn ắcquy nhỏ 2,5V tiến hành nạp với chế độ dòng không đổi, điện áp ngăn ắcquy lớn 2,5V tiến hành nạp với áp không đổi Theo ta sử dụng so sánh đảo, so sánh điện áp cực ắcquy 12V với điện áp chuẩn, U aq < Uch đầu cđa cđa bé so s¸nh ë møc cao theo ®ã ®iỊu khiĨn ®ãng kho¸ ®iƯn tư K 1, më khoá K2, ngợc lại Uaq >Uch mở khoá K1 đóng khoá K2 K1,K2 hai khoá điện tử H060 Chọn tỉ lệ chiết áp đầu ắcquy R 1/R =29/71=0,4 điện áp ngăn ăcquy 2.5V ngăn ắcquy có điện áp 2,5 = 15 V suy điện áp chuẩn so sánh là: 15 0,4 = 6V Khi U ss < 6V khoá K1 mở, Uđk1 đợc đa tới so sánh mạch chế độ nạp với dòng không đổi, lúc khoá K đóng Ngợc lại, Uss > 6V tơng ứng điện áp dới ngăn ăcquy >2,5V đầu so sánh mức thấp K1 khoá K2 mở, mạch chế độ nạp với dòng không đổi Chng : Mễ PHNG TRấN MY TÍNH PC 5.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSPICE PSPICE phần mềm mô mạch điện - điện tử chạy máy tính PC trường đại học tổng hợp California Berkeley sáng tạo ra, thương mại hóa nhờ cơng tu MicroSim Hiện PSPICE xem phần mềm mô mạch điện - điện tử mạnh phổ biến giới Có thể nói lĩnh vực mô mạch điện tử, PSPICE thông dụng MATLAB lĩnh vực mô hệ thống tự động Phiên gốc PSPICE chạy môi trường DOS, nhiên để thuận tiện cho người sử dụng thích ứng với PC sử dụng hệ điều hành WINDOWS, MicroSim cho phiên Release 8, phiên 10 năm 2006 Phiên gồm nhiều phần mềm cho phép tổng hợp giai đoạn thiết kế chế tạo mạch điện : xây dựng mạch nguyên lý, mạch in, mô phỏng, Thư viện PSPICE lớn, lên đến hàng chục nghìn linh kiện điện - điện tử, transistor, IC nhiều hãng giới, thuận tiện thiết kế hay khảo sát mạch sử dụng linh kiện có sẵn trong thư viện Tuy nhiên, tất phần tử có sẵn, phần tử bán dẫn cơng suất lớn hay phần tử Vì cần phải xây dựng mơ hình riêng thiết lập thư viện riêng cho mục đích 5.2 MƠ PHỎNG MẠCH LỰC : 5.2.1 Mơ hình thyristor : Do thư viện PSPICE khơng có phần tử thyristor lý tưởng nên ta cần phải xây dựng mơ hình phần tử dạng mạch lưu vào file có tên USER.LIB Có thể xây dựng mơ hình thyristor đơn giản hình vẽ Trong mơ hình q trình mở khóa van thơng qua nguồn dịng phụ thuộc F1(Ig,Ia) cơng tắc S điều khiển điện áp ( thực chất điện trở biến thiên đột biến theo điện áp điều khiển ) Mơ tả q trình mở van mơ hình : Khi có điện áp điều khiển Ug làm xuất dịng Ig, nguồn dịng F1 có trị số khác không Nếu trị số đủ lớn gây nên điện áp điện trở R vượt ngưỡng mở công tắc S công tắc đóng lại, tương đương với van bắt đầu dẫn Khi van dẫn, tự trì trạng thái nhờ F1 nguồn phụ thuộc vào dòng qua van Ig ( hiệu ứng tương đương với Ig, Ig = van dẫn ) Đặc tính V-A van dẫn thể diode D Tụ C có ý nghĩa mơ thời gian trễ mở van Quan hệ F1(Ia) cịn để mơ tả tượng mở van điện áp thuận vượt giá trị cho phép, chọn điện trở khóa ( Roff ) cơng tắc S cách thích hợp Q trính khóa van : Khi dịng điện qua van Ia khơng nguồn dịng F1 giá trị (dòng điều khiển ngắt từ trước), điện áp R 0, điều làm công tắc S ngắt ra, tương đương van khóa Mạch thể mơ hình thyristor : .SUBCKT TXC S1 SMOD RG 50 Ug DC 0V Ua DC 0V D DMOD R C 10UF F1 POLY(2) Ug Ua 50 11 MODEL SMOD VSWITCH (RON=0.0105 ROFF=10E+5 VON=0.5V VOFF=0V) MODEL DMOD D(IS=2.2E− 15 BV=1200V TT=0 CJO=0) ENDS TXC 5.2.2 Sơ đồ mô mạch lực : 5.2.3 Kết mơ : 5.3 MƠ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN : 5.3.1 Sơ đồ mô : ... coi điện cảm tản ,tương hỗ , điện trở dây dẫn không đáng kể ( ; ) , ta kể đến điện cảm lõi thép + Van bán dẫn cơng suất lý tưởng có nghĩa van thơng điện trở van Rv =0 ( hay khơng có điện áp điện. .. Trường hợp sơ đồ làm chức điều chỉnh công suất Công suất Pdmax ứng với α= So sánh ua i ta suy ϕba = α Khi α= Pba max , Qba =0 ; ⇒ I tbmaxt = 3U I I I + 3.U I 2 Trong sơ đồ cầu đồ thị dịng điện bên... điều chỉnh công suất +Với U2 thay đổi việc thay đổi góc α để giữ cho Ud = const ⇒ chức sơ đồ ổn áp chiều 3.3 Chọn van bán dẫn công suất Căn vào đồ thị iT1 iT4 ta tìm giá trị dịng điện trung