Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế bộ UPS phần nghịch lưu
Nhiệm vụ thiết kế 1. Nhiệm vụ thiết kế. Thiết kế bộ UPS phần nghịch lu với các thông số sau: Điện áp nguồn 220V, 50Hz ( 10%) Công suất 15kVA Thời gian lu điện 10 phút. 2. Nội dung: - Tính toán lựa chọn các thiết bị mạch động lực (dùng Transitor IGBT) - Thiết kế sơ đồ điều khiển van nghịch lu. 3. Các bản vẽ: - Sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển. - Các biểu đồ thời gian. Đồ án môn học Điện tử công suất Tài liệu tham khảo 1. PGS. TS. Nguyễn Trọng Thuần - Điều khiển logic và ứng dụng - Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000. 2. Điện tử công suất - Nguyễn Bính. 3. Vi mạch và mạch tạo sóng - Tống Văn On. 4. Master Replacement Guide (ECG is ISO - 9002 register). - 2 - Đồ án môn học Điện tử công suất Chơng i Giới thiệu về bộ ups 1. Giới thiệu chung Một nguồn điện tốt sẽ đảm bảo khả năng làm việc liên tục và có độ tin cậy cao đặc biệt là đối với các thiết bị, các hộ tiêu thụ điện nhạy cảm nh: hệ thống mạng máy tính, các đài phát thanh, các trạm thông tin liên lạc, hệ thống chiếu sáng sân bay và các hệ thống quan trọng khác. Đối với hệ thống nhạy cảm về điện này, việc xảy ra một sự cố nhỏ có thể gây ra những thiệt hại lớn về chính trị và kinh tế. Hệ thống lu điện chuyển đổi tĩnh đợc thiết kế để cung cấp cho các thiết bị nhạy cảm một điện áp ổn định, liên tục, thoát khỏi những nhiễu loạn đờng điện nh sự gián đoạn điện thế tức thời Hệ thống lu điện với dự trữ năng lợng trong pin (ắc quy) sẽ tiếp tục cung cấp năng lợng điện cho tải trong một khoảng thời gian, khoảng thời gian này th- ờng đủ cho ngời dùng thực hiện những hành động cần thiết và tránh những hậu quả xấu đối với thiết bị. Vì vậy ngày nay UPS có mặt trong tất cả các hệ thống điện. ii. phân loại hệ thống lu điện * Nguyên lý hoạt động của thiết bị lu điện. UPS là một thiết bị nguồn, có nguồn đầu vào đợc nối với lới điện, đầu ra nối với thiết bị tiêu thụ điện. Bên trong UPS có một bộ ắc quy dùng để dự trữ năng lợng. Khi có điện lới nó cấp điện thẳng từ điện lới cho thiết bị. Khi mất điện lới nó sẽ đa điện từ ắc quy lên. Mục đích là để cho hoạt động của thiết bị điện không bị gián đoạn. Các khâu chức năng của UPS. - Chỉnh lu/nạp điện - 3 - Đồ án môn học Điện tử công suất - Nghịch lu - ắc quy Trong khuôn khổ đề tài là Thiết kế phần nghịch lu của bộ UPS nên em chỉ đi sâu về phần này. Khối nghịch lu: Cấu tạo bởi các van điện tử (bằng các quy luật đồng mở sẽ tạo ra điên áp xoay chiều gần sin có tần số 50Hz) biến đổi nguồn điện một chều từ ác quy cung cấp cho tải. UPS này khối nghịch lu đợc lắp song song với lới và không tham gia vào bất kỳ hoạt động nào khi lới ổn định. Khi nguòn xảy ra sự cố mất điên, thì lúc này tải đợc ngắt ra khỏi lới điện và nối tới nghịch lu bắt đầu hoạt động biến đổi điện áp một chiều từ ác quy sang xoay chiều cung cấp cho tải. iii. sơ đồ cấu trúc nguồn lu điện dự phòng Trong đồ án này nhiệm vụ thiết kế một nguồn cấp điện dự phòng hoạt động ở chế độ chờ có khả năng cung cấp một công suất thiết kế là 15kVA đảm bảo độ ổn định dòng điện áp trong thời gian gián đoạn cấp điện khi nguồn điện lới bị mất, điện áp này là mức điện áp bình thờng của mạng điện 220V/50Hz độ dao động 10%. Thời gian cấp điện có thể duy trì đợc trong khoảng 10 15 phút là khoảng thời gian cần thiết để khởi động máy phát dự phòng. 1. ắc quy. Là nơi tích trữ năng lợng điện một chiều để cung cấp nguòn cho bộ nghịch lu khi mất nguồn điện lới. Tham gia cấp điện của bộ nghịch lu do dung lợng của ắc quy quyết định. 2. Bộ nghịch lu. Biến đổi điện áp một chiều lấy từ nguồn ắc quy thành điện áp xoay chiều 1 pha. Bộ nghịch lu đợc đấu song song với lới và chỉ hoạt động khi nguồn vào chính có sự cố. 3. Bộ điều khiển nghịch lu. - 4 - Đồ án môn học Điện tử công suất Có nhiệm vụ điều khiển thời gian dẫn dòng của các van trên bộ nghịch lu để tạo ra diện áp xoay chiều có độ ổn định cao cấp cho phụ tải. 4. Khoá chuyển mạch. Có chức năng đóng hoặc cắt để chuyển chế độ làm việc của hệ thống cung cấp điện áp từ nguồn điện lới sang nguồn điện dự phòng lu điện và ngợc lại. - 5 - Đồ án môn học Điện tử công suất Chơng ii Thiết kế mạch lực của bộ lu điện i. thiết kế mạch lực của bộ nghịch lu I.1. Lựa chọn sơ đồ nghịch lu. Trong các bộ nguồn lu điện nghịch lu thực hiện chức năng chính là lấy điện từ ắc quy cho thiết bị khi mất điện nguồn. Ngời ta thờng sử dụng một trong hai bộ nghịch lu đó là: + Nghịch lu nguồn dòng + Nghịch lu nguồn áp. Trong khuôn khổ đề tài là thiết kế bộ nghịch lu nguồn áp và phần mạch lực dùng transistor IGBT nên chúng ta sẽ đi sâu về phần này. Ngày nay, trong các bộ lu điện nguồn ta thờng sử dụng các van bán dẫn trong sơ đồ nghịch lu là transistor IGBT, bởi nó có nhiều tính u việt nh tốc độ chuyển mạch nhanh. Công suất điều khiển yêu cầu rất nhỏ. Việc sử dụng các transistor IGBT làm đơn giản đáng kể việc thiết kế các bộ biến đổi và làm cho kích thờc của hệ thống điều khiển ngày càng thu nhỏ. Từ yêu cầu của đề tài ta chọn sơ đồ nghịch lu là sơ đồ nghịch lu một pha nguồn áp dùng transistor IGBT. Với sơ đồ này ta có thể nâng cao đợc chất lợng điện áp đầu ra của bộ nghịch lu bằng phơng pháp điều biến độ rộng xung để vừa điều khiển đợc điện áp ra và vẫn giảm nhỏ đợc ảnh hởng của sóng hài. - 6 - Đồ án môn học Điện tử công suất I.2. Sơ đồ nghịch lu 1 pha nguồn áp dùng transistor IGBT. T 1 d 1 T 4 d 4 T 3 d 3 T 2 d 2 U Phụ tải II.1.3. Tính chọn van cho bộ nghịch lu. Bộ nghịch lu đợc thiết kế để cung cấp cho tải có công suất tối đa là 1,5kVA. Giả sử hiệu suất của bộ nghịch lu là 0,80 thì công suất vào bộ nghịch lu là. 3 1 S 15.10 S VA 18750VA 0,80 0,80 = = = Giá trị dòng điện phóng của ắc quy là: (Do điện áp từ ắc quy tới ta chọn 240V) ( ) 1 p ng S 18750vA I I 78,5 A E 240vA = = = Dòng điện trung bình qua van bộ nghịch lu là: tbv t 1 I I sin tdt 51 2 0 = 2 - 7 - Đồ án môn học Điện tử công suất Điện áp mỗi van phải chịu: ( ) CE U E 240 V= = Chọn hệ số an toàn về dòng cho van là: k 1 = 1,4 Hệ số an toàn về điện áp cho van là: k u = ,12 Khi đó dòng điện trung bình qua van lớn nhất là: I vmax = I tbv . 1,4 = 51 (A) x 1,4 = 71,4 (A) Điện áp đặt lên van lớn nhất là: U CE =U CE . 1,2 = 240 . 1,2 = 288 (V) Chọn van transistor IGBT loại ký hiệu ECG3328 của PHILIPS chế tạo có thông số nh sau: I cmax U CEbh U CEmax u GEmax U CE t on t off I GE 80A 6V 400v 20V 80ns 400ns 1mA Tính chọn diod cho bộ nghịch lu. Diod đệm cho bộ nghịch lu phải chịu đợc điện áp ngợc bằng giá trị điện áp lớn nhất đặt lên mỗi van. Dòng điện mà diot chịu đợc cũng bằng dòng điện lớn nhất chạy qua van do đó U ngmax = 144V Căn cứ vào các thông số của van ta chọn loại diot là loại ECG6064 do PHILIPS chế tạo có thông số nh sau: I tb U ngmax U 85A 400V 0,7V - 8 - Đồ án môn học Điện tử công suất Chơng iv Thiết kế mạch điều khiển nghịch lu. i. giới thiệu nguyên tắc điều biến độ rộng xung Điện áp xoay chiều đợc tạo ra từ bộ nghịch lu là điện áp không có dạng hình sin nh mong muốn mà chỉ có dạng gần hình sin chữ nhật hoặc gần nh chữ nhật có chứa rất nhiều trạng thái làm ảnh hởng đến chất lợng điện áp đầu ra cấp cho tải. Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh đợc điện áp ra mà vẫn giảm nhỏ đợc sở hữu của các sóng hài bậc thấp. Để làm đợc điều đó có rất nhiều biện pháp thực hiện nh: sử dụng bộ lọc LC. Nh vậy, trọng lợng và giá thành của thiết bị biến tần sẽ cao. Vì vậy, phơng pháp điều biến độ rộng xung PWM Pulse Width Modulation có thể đáp ứng đợc yêu cầu trên hiệu quả nhất. Điều biến độ rộng xung có nguyên lý cơ bản sau: Tạo một sóng dạng hình sin U m đợc gọi là sóng điều biến (xung mẫu) có tần số lớn hơn nhiều tần số sóng điều biến thờng là bội ba (từ 1 10Khz). Dùng một khâu so sánh 2 tín hiệu U m và U p , từ các giao điểm của 2 sóng này ta xác định đợc khoảng tác động của xung điều khiển thyristor hoặc transistor công suất (góc chuyển mạch). Nếu sóng tam giác có tần số càng lớn thì độ mịn của điện áp đầu ra càng cao, chất lợng đảm bảo bởi theo yêu cầu của phụ tải. - Điều biến độ rộng xung đơn cực. Điện áp trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và E - 9 - Đồ án môn học Điện tử công suất - Điều biến độ rộng xung lỡng cực. Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số E. Tỷ số giữa biên độ sóng điều biên và biên độ sóng mang, ký hiệu là M đ- ợc gọi là hệ số điều biến. Khi ta điều chỉnh độ lớn Am cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung. Khi M = 1 thì điện áp ra tải có biên độ là lớn nhất và muốn giảm nhỏ điện áp ra thì ta giảm nhỏ Am. I.1. Điều chế độ rộng xung đơn cực 1 pha. Transistor T 1 đợc kích mở bởi xung chùm, trong nửa chu kì dơng của sóng điều biến U p , còn transistor T 4 trong nửa chu kỳ am của U v . Dòng tải i, chậm pha so với điện áp tải U, trong khoảng U và i khác dấu, dòng tải nguồn e qua 2 diốt. Trong khoảng U = 0, thì dòng tải chảy qua một transistor của nhánh này và một điốt của nhánh khác, tải bị ngắn mạch, dòng điện nguồn i s = 0. Sóng hài trong điện áp tải. Nếu chuyển gốc toạ độ sang 0, điện áp tải U là một hàm chu kì lẻ. Khai triển Fourier của nó chỉ chứa các thành phần sóng sin. Biên độ của sóng hài đợc tính theo công thức. ( ) m 0 2 U E sin d = Khi n = 1 thì [ ] 2 4 5 4 2 m 1 3 5 3 1 m 2m 2E U sin d sin d sin d sin d sin d 4E U cos 1 cos 2 cos 3 cos 4 cos 5 U 0 = + + + + = + + = Khi n = 3. - 10 - [...]... Điện tử công suất Kết luận Sau khoảng thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và thiết kế, đến nay đồ án của em đã đợc hoàn thành Nội dung của đồ án này đã nêu lên đợc hai vấn đề chính sau: + Nghiên cứu tìm hiểu về bộ nguồn dự phòng + Thiết kế bộ nguồn dự phòng 15kVA (phần nghịch lu) Tuy nhiên do trình độ còn hạn chế, khoảng thời gian làm đồ án ngắn bộ phận thiết kế chỉ là những khâu cơ bản của bộ nguồn dự phòng... cực xảy ra các phản ứng thuận nghịch nh sau: Tại các bản cực âm: Phóng điện - 24 Nạp điện Pb + SO4 PbSO4 + 2e Đồ án môn học Điện tử công suất Tại các bản cực dơng Phóng điện Nạp điện PbO2 + 4H+ +SO-4 + 2e- PbSO4 + 2H2O Quá trình phóng điện xảy ra khi các bản cực dơng và âm khác nhau về thành phần hoá học đợc nhúng trong dung dịch axit sunfuric tham gia và kết thúc khi thành phần hoá học của hai bản cực... Chơng iii Lựa chọn ắc quy i giới thiệu về ắc quy ắc quy là thiết bị quan trọng trong bộ nguồn dự phòng UPS có chức năng dự trữ năng lợng điện làm việc dựa trên nguyên lý điện hoá hoạc, ắc quy sản xuất ra cần phải đảm bảo đợc các tính năng về điện nh sau: + Suất điện động lớn, ít thay đổi khi phóng hay nạp điện + ắc quy phải làm việc thuận nghịch nghĩa là hiệu suất năng lợng cao + Dung lợng cho một... dần khả năng phóng điện Quá trình nạp điện nhờ một dòng điện cỡng bức vào ắc quy làm cho phản ứng xảy ra theo chiều ngợc lại với quá trình phóng điện Kết quả là các cực âm và cực dơng đợc hoạt hoá và mang các thành phần hoá học khác nhau, các ion SO2 kết hợp với 2H+ làm cho nồng độ dung dịch điện môi tăng lên dung lợng 4 của ắc quy lại đợc khôi phục, ngời ta nói ắc quy đợc nạp no Dung lợng của ắc quy... độ có thể điều chỉnh đợc (gọi là sóng điều biến) để đa tới đầu vào của bộ so sánh - Khối 2: Khối tạo điện áp tam giác Có nhiệm vụ tạo một sóng tam giác có biên độ lớn hơn (thờng là bội 3) tần số của sóng điều biến để đa tới bộ so sánh cùng với sóng điều biến - Khối 3: Khối so sánh Thực hiện việc so sánh 2 tín hiệu sóng điều biến và sóng mang, tại các giao điểm của 2 sóng mang này ta xác định đợc thời... đầu ra sau bộ so sánh là dạng xung vuông với biên độ xung là US đợc đa vào đầu vào của mạch khuếch đại xung là Us đợc đa vào đầu vào của mạch khuếch đại xung qua phô tô quang Tuỳ theo cách mắc đầu vào ở phôto quang mà ta cho xung dơng hoặc xung âm qua Khi phô tô mở thì sẽ có sự sụt áp trên R1 và R4 mở transitor Q và có dòng chảy qua R3 và R4 Sụt áp trên R4 chính là điện áp mở cho T Chọn thiết bị cho... khối và chức năng các khối trong hệ thống điều khiển nghịch lu một pha theo nguyên tắc điều khiển PWM Mạch điều khiển gồm những khối chính nh sau: - Khối 1: Khối tạo điện áp gần hình sin Um (tần số 50Hz) Chức năng của khối này là tạo điện áp hình sin một pha có tần số 50Hz và biên độ có thể điều chỉnh đợc (gọi là sóng điều biến) để đa tới đầu vào của bộ so sánh - Khối 2: Khối tạo điện áp tam giác Có nhiệm... Q2 R8 R9 T3 R11 R10 T2 R12 FT 2 +E2 RA RS R13 Q3 R14 R15 R17 R16 R18 FT3 +E3 R19 Q4 RB R20 R21 R22 FT R23 R24 4 -Ed = 0V - 21 - Đồ án môn học Điện tử công suất Nguyên lý hoạt động của sơ đồ Điện áp sau bộ so sánh là Us dạng xung vuông có cực tính đổi dấu Khi Us < 0 làm FT1 và FT3 mở làm Q1 và Q3 mở cấp áp vào chân G T1 và T3 làm T1 và T3 mở dẫn dòng chảy từ +E2(120V) qua T1, qua tải, qua T3 về E2 (0V)... điều khiển mở các transistor IGBT trên mạch lực - Khối 4: Khối khuếch đại xung Để đảm bảo cho transistor làm việc ở chế độ bão hoà thì ta phải đa dòng điều khiển vào cực B cỡ 10%, dòng qua transistor nên bộ khuếch đại xung có chức năng khuếch đại tín hiệu điều khiển để đảm bảo cho việc mở các transistor một cách chắc chắn - Khối 4: Khối nguồn Tạo một nguồn nuôi ổn định và đủ công suất cung cấp cho mạch... lợng cho một đơn vị trọng lợng và một đơn vị thể tích phải lớn + Quá trình tự phóng điện nhỏ + Tuổi thọ sử dụng cao ắc quy có rất nhiều loại khác nhau: ắc quy axit hoặc ắc quy kiềm song thích hợp dùng UPS công suất lớn vẫn là ắc quy chì axit do có giá thành hạ Cấu tạo cơ bản của ắc quy chì axit gồm các bản cực dơng làm băng oxit chì (Pb2O) và bản cực âm làm bằng chì (Pb) đợc nhúng trong dung dịch axit