Đồ án tốt nghiệp - 1 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận án tốt nghiệp này, đầu tiên em xin được gởi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, các thầy cô giáo trong trường đặc biệt là các thầy cô giáo trong khoa Điện đã tận tình giảng dạy truyền đạt những kiến thức quí báo và tạo những điều kiện để em được học tập tốt trong những năm tháng qua. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Trần Thái Anh Âu đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp để em có thể hoàn thành đề tài này. Xin cảm ơn tất cả các bạn bè, người thân đả giúp đỡ, góp ý cho tôi trong suốt quá trình làm đề tài này. Đà Nẵng, Ngày 05 tháng 06 năm 2011 Sinh viên thực hiện Nguyễn Bá Quốc Dũng Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 2 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………… Đà Nẵng, Ngày tháng năm 2011 Giáo viên hướng dẫn ThS. Trần Thái Anh Âu Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 3 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………… Đà Nẵng, Ngày tháng năm 2011 Giáo viên phản biện Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 4 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu TS. Nguyễn Quốc Định LỜI MỞ ĐẦU Con người luôn tìm tòi và phát minh ra cái mới góp phần nâng cao năng suất lao động và tăng cường tiện nghi trong cuộc sống. Cùng với nó là sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, đáng chú ý hơn cả là những phát minh vĩ đại trong lĩnh vực điện- điện tử, nó thật sự cần thiết cho cuộc sống của chúng ta. Các thiết bị điện tử được ứng dụng ngày càng rộng rãi và phổ biến trong cuộc sống đã mang lại hiệu quả cao trong lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội. Những thiết bị điện tử này được sử dụng một cách rộng rãi trong đời sống.Nó góp phần vô cùng quan trọng trong sự phát triển của nền kinh tế toàn cầu. Trong rất nhiều ứng dụng đó, thì có sự phát triển trong ứng dụng của bộ nguồn dự phòng UPS .UPS là ứng dụng quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực liên quan đến vấn đề về năng lượng điện,nhất là các thiết bị yêu cầu đảm bảo cung cấp điện liên tục,trong các nhà máy…UPS còn được dùng làm nguồn điện cho sử dụng gia đình, điều khiển chiếu sáng… Với đồ án tốt nghiệp này, em được giao nhiệm vụ “thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS công suất P=500W , điện áp 220V, tần số cơ bản 50 Hz ” nhằm đảm bảo sự hoạt động của phụ tải trước và sau khi mất điện lưới. Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 5 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu về công nghệ UPS UPS được viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power System 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 1.2 Phân loại 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. 1.2.1 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 nghịch lưu (inverter). Dạng điện áp ra của bộ nghịch lưu (inverter) 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 phần mềm kèm theo giao tiếp với máy tính qua cổng COM hoặc USB. Phần mềm này cho phép kiểm soát các trạng thái hoạt động của UPS (Điện áp vào/ra, tải tiêu thụ ). Dưới đây là sơ đồ cơ bản về nguyên lý làm việc của UPS offline, loại thông dụng nhất trên thị trường hiện nay: Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 6 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu Theo sơ đồ này, ta nhận thấy rằng phương pháp làm việc của nó như sau: • Nguồn điện lưới đầu vào thông qua một công tắc ngắt mạch "bypass" đến với đường đầu ra. • Nguồn điện từ pin được chuyển đổi thành điện áp xoay chiều với các thông số phù hợp lưới điện địa phương. • Khi mất điện lưới, hệ thống acquy cung cấp cho mạch điện giao động để chuyển thành dòng điện xoay chiều tiếp tục cung cấp cho thiết bị tiêu thụ. Nhìn qua sơ đồ này chúng ta dễ nhận ra nhược điểm của loại UPS offline: Thời gian chuyển mạch từ khi sự cố điện lưới cho đến khi nguồn ắc quy cung cấp cho thiết bị tiêu thụ. Hiểu một cách đơn giản: Công tắc ngắt điện khỏi nguồn lưới để chuyển sang dùng điện từ ắc quy phải đảm bảo khi ngắt hoàn toàn ra khỏi lưới điện mới được phép cung cấp điện từ bộ nghịch lưu. • Ở trạng thái lưới điện ổn định thì nguồn tiêu thụ sử dụng điện trực tiếp của lưới điện. UPS lúc này chỉ sử dụng một bộ nạp (charger) để nạp điện một cách tự động cho ắc quy mà thôi. • Khi điện áp lưới điện không đảm bảo (quá cao, quá thấp) hoặc mất điện thì lúc này mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp ra từ ắc quy và bộ inverter. Qua nguyên lý được phân tích như trên thì ta thấy rằng thời gian cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ vì thế mà bị gián đoạn. Sự gián đoạn này gây ra việc cung cấp nguồn điện không ổn định tại phía các thiết bị tiêu thụ: Một số máy tính bị tắt do nguồn máy tính (PSU) thuộc loại chất lượng thường hoặc công suất Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 7 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu thấp, có khả năng tích điện tại tụ đầu nguồn đầu vào thấp so với nhu cầu công suất của các linh kiện trên máy tính, nên thời gian chuyển mạch của UPS đã gây dừng sự hoạt động của PSU. 1.2.2 UPS offline với công nghệ Line interactive Khắc phục nhược điểm của loại UPS offline thông thường là loại UPS offline công nghệ Line interactive. Do sự tích cực hơn trong nguyên lý hoạt động nên chúng lại có giá thành cao hơn so với loại UPS offline thông thường. Ta thấy rằng sơ đồ mạch của loại UPS này có phần giống như sơ đồ mạch của loại UPS offline đơn thuần phía bên trên. Phần nhánh ắc quy và inverter không thay đổi, chỉ có phía bên nhánh cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ điện ,ngoài phần công tắc chuyển mạch bypass còn được thông qua một biến áp tự ngẫu . • Trong trường hợp điện áp cấp vào UPS bình thường, có nghĩa là chúng xấp xỉ thông số đầu ra ở lưới điện địa phương thì mạch UPS hoạt động như khung hình phía trên-bên trái, có nghĩa rằng biến áp tự ngẫu lúc này có số vòng dây sơ cấp bằng thứ cấp, do đó không có sự can thiệp nào vào điện áp đầu ra và UPS hoạt động giống như loại UPS offline thông thường. • Trong trường hợp điện áp của lưới thấp hơn so với điện áp chuẩn, biến áp tự ngẫu sẽ chuyển mạch sang một nấc khác, làm cho điện áp đầu ra đảm bảo đúng thông số yêu cầu. Trong trường hợp điện áp của lưới điện cao hơn so với thông số chuẩn thì trường hợp này cũng vậy. Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 8 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu • Trong trường hợp mất điện lưới UPS offline công nghệ Line interactive sẽ chuyển các mạch giống như loại UPS thông thường: tức là chúng ngắt nhánh đi qua biến áp tự ngẫu và chuyển sang sử dụng nhánh ắc quy với nghịch lưu 1.2.3 UPS online Khắc phục hoàn toàn các nhược điểm trên là loại UPS online. 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. Dưới đây là sơ đồ nguyên lý làm việc đơn giản của nó: Ở đây, chúng ta thấy rằng việc cấp điện cho thiết bị tiêu thụ là hoàn toàn liên tục khi có sự cố về lưới điện. Nguồn điện lưới lúc này không cung cấp điện trực tiếp cho các thiết bị, mà chúng được biến đổi thành dòng điện một chiều tương ứng với điện áp của ắc quy. Ở đây trong mạch đã thể hiện sự cung cấp điện từ ắc quy và chính từ lưới điện đến bộ nghịch lưu để biến đổi thành điện áp đầu ra phù hợp với thiết bị sử dụng. Như vậy, có thể thấy rằng trong bất kỳ sự cố nào về lưới điện thì UPS online cũng có thể cung cấp điện cho thiết bị sử dụng mà không có một thời gian trễ nào. Điều này làm cho thiết bị sử dụng rất an toàn, và ổn định. Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Lưới điện chính DC/AC Phụ tải 2 1 Chỉnh lưu nạp Ac-quy DC/DC Đồ án tốt nghiệp - 9 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu UPS online sẽ luôn luôn ổn định điện áp đầu ra bởi cũng theo mạch thì điện áp đầu vào lúc này được biến đổi xuống mức điện áp ắc quy và chúng có công dụng như một ắc quy có dung lượng lớn vô cùng (nếu không bị sự cố lưới điện), mạch nghịch lưu sẽ đóng vai trò một bộ ổn định điện áp. Vì vậy chỉ với các loại UPS online mới có công dụng ổn áp một cách triệt để. 1.2.4. UPS tỉnh Sử dụng bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện cung cấp năng lượng. Sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất làm chức năng chỉnh lưu và nạp acquy 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. - Giới hạn trong vận hành cho phép I cd =2.33I dm - Cách li về điện - Bảo dưỡng và vận hành đơn giản,làm việc tin cậy chắn chắn. - Khả năng phản ứng tức thời trước những dao động biên độ của hệ thống cung cấp, sử dụng thiết bị vi điều khiển, vi xử lí dựa trên kĩ thuật số. - Biên độ điện áp điều chỉnh trong phạm vi ±0.5% ÷ ±1%, thời gian điều chỉnh nhanh, kích thước và trọng lượng của hệ nhỏ. 1.3 Lựa chọn sơ đồ thiết kế Từ các ưu điểm và nhược điểm các sơ đồ trên ta chọn sơ đồ UPS offline là phù hợp với yêu cầu của nhiệm vụ đồ án đề ra Sơ đồ khối : Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 10 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu * Chức năng của các khối : - Acquy : Acquy cung cấp điện áp 24VDC cho mạch nghịch lưu và là thiết bị lưu trữ điện áp để cung cấp cho mạch khi mất điện lưới. - Khối chỉnh lưu: Nạp điện cho acquy khi mạch nghịch lưu đang ở chế độ chờ (khi có điện lưới). - Khối DC-DC: Khuếch đại điện áp acquy từ 24VDC lên 340VDC cấp cho cầu nghịch lưu. - Khối nghịch lưu: Sử dụng mạch cầu H với van bán dẫn IGBT, được điều khiển bằng chip vi điều khiển PIC18F4331 theo nguyên lý PWM nhằm biến đổi điện áp một chiều 340VDC thành điện áp xoay chiều 220VAC tần số 50hz. * Hoạt động của mạch được mô tả ở lưu đồ thuật trang sau Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 [...]... ma=1,5 Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 20 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu U 1.5 1 0.5 t 0 -0.5 -1 -1.5 1.5 1 0.5 t 0 -0.5 -1 -1.5 Hình 2.7: Áp ra trên tải ( Vtải= Va –Vb) khi ma=0.5 U 2 1.5 1 0.5 t 0 -0.5 -1 -1.5 -2 2 1.5 1 0.5 t 0 -0.5 -1 -1.5 -2 Hình 2.8: Áp ra trên tải( Vtai=Va-Vb) khi ma=1.5 Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH:... ma >1): trị hiệu dụng thành phần cơ bản không tăng lên nửa mặc dù tăng ma lên Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 22 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu ma Hình 2.9 Trị hiệu của thành phần điện áp cơ bản khi thay đổi hệ số điều chế ma Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 23 - GVHD: Th.S Trần... dưới giá trị cho phép * Phần tính toán thiết kế được thể hiện trong các chương sau: Chương 2: Tổng quan về bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung Chương 3: Giới thiệu về acquy và một số phương pháp nạp Chương 4: Tính toán thiết kế phần nghịch lưu áp một pha Chương 5: Tính toán thiết kế phần nạp acquy Chương 6: Kết quả đạt được Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4... điện áp thiết bị nạp được tự động điều chỉnh và Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 35 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu kiểm tra bằng Vôn mét Điện áp của thiết bị nạp thường phải tương ứng với số phần tử acquy được nạp, dự tính điện áp của mỗi phần tử là 2,4V, để dòng điện chung trong mạch không vượt quá dòng điện cực đại cho phép của thiết bị... và M+N là một số lẻ 2.4 Nguyên tắc hoạt động bộ nghịch lưu cầu điều biến độ rộng xung đơn cực Bộ nghịch lưu PWM đơn cực ( hay còn gọi là bộ khuếch đại chuyển mạch) khuếch đại có hiệu quả tín hiệu đầu vào V cont Điện áp đầu ra cung cấp cho tải là +VDC , -VDC Tùy thuộc vào khi nào Vcont, -Vcont lớn hơn hay nhỏ hơn sóng tam Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ... nạp điện Khi lắp acquy xong cần phải tiến hành nạp điện để phân cực và phóng điện được Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 27 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu Muốn nạp điện ta nối cực dương của acquy vào cực dương của nguồn DC, nối cực âm của acquy vào cực âm của nguồn DC Trong dung dịch dòng điện sẽ đi từ cực dương sang cực âm do đó các ion H +... thể điều khiển được động cơ thích Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 14 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu nghi theo một đường đặc tính cho trước Nhược điểm lớn nhất của bộ nghịch lưu PWM là yêu cầu van bán dẫn cókhả năng đóng cắt ở tần số lớn Tần số thông thường lớn hơn khoản 15 lần tần số định mức đầu ra của bộ nghịch lưu 2.2 Nguyên lý hoạt động... phương pháp này Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp đúng dạng sóng đầu ra theo phương pháp PWM (đơn cực) trong mạch điều khiển người ta tạo ra một sóng sin chuẩn mong muốn và so sánh nó với một dãy xung tam giác được biểu diễn trên hình 2.2 dưới đây Giao điểm của hai sóng xác định thời điểm kích mở van bán dẫn Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ... đổi ở đầu ra bộ nghịch lưu được điều biến thành hình sin, và dạng sóng bao gồm một thành phần cơ bản của tần số điều biến Biên độ của các thành phần cơ bản có thể thay đổi khi tần số và điện áp của sóng điều biến thay đổi Xử lý chuỗi Fourier của sóng điện áp đầu ra khá phức tạp, nhưng có thể trình bày theo công thức sau : ) ( 2.1) m : hệ số điều biến Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn... mất điện toàn bộ trong lưới điện chính của nhà máy hoặc của trạm Ưu điểm của acquy là khả năng cho phép quá tải ngắn hạn lớn, điều này đặc biệt cần thiết khi khởi động đóng cắt các máy cắt lớn có sự nhảy vọt về dòng điện Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt nghiệp - 24 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu 3.1.1 Phân loại Acquy Theo cấu tạo thì acquy được chia . chọn sơ đồ thiết kế Từ các ưu điểm và nhược điểm các sơ đồ trên ta chọn sơ đồ UPS offline là phù hợp với yêu cầu của nhiệm vụ đồ án đề ra Sơ đồ khối : Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH:. kế phần nghịch lưu áp một pha. Chương 5: Tính toán thiết kế phần nạp acquy. Chương 6: Kết quả đạt được. Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng Lớp : 06D4 Đồ án tốt. không ổn định tại phía các thiết bị tiêu thụ: Một số máy tính bị tắt do nguồn máy tính (PSU) thuộc loại chất lượng thường hoặc công suất Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc