Thiết kế nguồn áp một chiều cho bộ UPS

LỜI NÓI ĐẦU
Sự ra đời ,phát triển nhanh và ngày càng hoàn thi ện của các linh ki ện đi ện
tử, đặc biệt là vi xử lý đã tạo ra sự thay đổi sâu sắc và phát tri ển m ạnh mẽ trong
các thiết bị điện-điện tử, chẳng hạn như máy tính, thiết bị điều khi ển khả trình,
tổng đài điện thoại, truyền dữ liệu, chiều sáng hầm đường, nh ững hệ th ống
giám sát và xử lý công nghiệp. Nhằm đảm bảo tính liên tục và kh ả năng cung c ấp
điện cho những tải nhạy cảm mà không phụ thuộc vào tr ạng thái cũng c ấp,
phương pháp duy nhất là sự dụng bộ nguồn dự trữ làm việc tin cậy, đặc bi ệt là
những bộ nguồn làm việc như một “giao diện công suất” giữa nguồn cung cấp và
tải.
Trong q trình học mơn đồ án Điện tử công suất, em được nhận đề tài: “Thiết
kế bộ nguồn cấp một chiều cho UPS, công suất 5KVA, đi ện áp ra 110V, t ần
số 60 Hz”. Toàn bộ đồ án được chia làm các chương sau|:
Chương 1: Tổng quan chung về bộ nguồn UPS
Chương 2: Tính tốn và lựa chọn bộ biến đổi cho bộ nguồn UPS
Chương 3: Lựa chọn và tính tốn mạch lực
Chương 4: Lựa chọn và tính tốn mạch điều khiển
Do kiến thức cịn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, l ượng kiến th ức l ớn
nên khơng khỏi có những sai sót. Em mong nh ận đ ược s ự góp xây d ựng c ủa các
thầy, cô giáo cũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiện h ơn. Em xin chân
thành cảm ơn!


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN UPS.......................................................................5
1.1.Giới thiệu về UPS...........................................................................................................................................5
1.1.1 Cung cấp năng lượng cho tải nhạy cảm..........................................................................................5
1.1.2 Giải pháp dùng UPS..................................................................................................................................6
1.1.3 Ứng dụng UPS trong thực tế.................................................................................................................7
1.1.4 Ưu nhược điểm của bộ UPS..................................................................................................................8
1.2 Phân loại UPS...................................................................................................................................................9

1.3 Sơ đồ nguyên lý chung của một UPS..................................................................................................12
1.4 Giới thiệu chung về acqui........................................................................................................................14
1.4.1 Khái niệm....................................................................................................................................................14
1.4.2 Cấu tạo của acquy:..................................................................................................................................14
1.4.3.Các thông số cơ bản của acquy.........................................................................................................14
1.4.4 Đặc tính nạp của acquy........................................................................................................................15
1.4.6 Sự khác nhau giữa acquy kiềm và acquy axit.............................................................................17
1.4.7 Các phương pháp nạp acquy tự động............................................................................................18
CHUONG II: LỰA CHỌN TÍNH TỐN M ẠCH CH ỈNH L ƯU .............................................20
2.1 Phân loại sơ đồ chỉnh lưu và ứng dụng............................................................................................20
2.2 Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng điều khiển hoàn toàn.................................................................22
2.3 Thiết kế mạch lực.......................................................................................................................................24
2.3.4 Tính tốn thơng số máy biến áp.......................................................................................................27
2.3.5 Bảo vệ điện áp cho van.........................................................................................................................27
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.......................................................................29
3.1 Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển........................................................................................29
3.1.1. Khâu đồng pha tạo điện áp đồng bộ.............................................................................................30
3.1.2. Khâu tạo điện áp răng cưa.................................................................................................................32
3.1.3. Khâu so sánh.............................................................................................................................................34
3.1.4. Khâu tạo xung chùm..............................................................................................................................35

2


3.1.5. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung.......................................................................................37
3.1.6. Khâu tách xung.........................................................................................................................................40
Chương IV: mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển.......................................................42
4.1. Sơ đồ................................................................................................................................................................42
4.1.1. Sơ đồ mạch lực........................................................................................................................................42
4.1.2. Sơ đồ mạch điều khiển.......................................................................................................................42

4.2. Đồ thị điện áp và dòng điện..................................................................................................................42
KẾT LUẬN..............................................................................................................................................46
Tài liệu tham khảo.............................................................................................................................47

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN UPS
1.1.Giới thiệu về UPS

Hinh 1. 1: Hình ảnh của một UPS
UPS(Uninterruptible Power Supply) được hiểu là hệ thống nguồn cung c ấp 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. Nó cung cấp điện năng tạm th ời nh ằm duy trì s ự ho ạt
động của thiết bị sử dụng điện lưới gặp sự cố (mất điện, sụt giảm điện áp quá
thấp, sự cố khác, …) trong một khoảng thời gian với cống suất giới hạn của nó.
Ở Việt Nam, UPS được gọi là: bộ lưu điện hay cái lưu điện, cục lưu điện,... M ột
nguồn lưu điện tốt sẽ đảm bảo khả năng làm việc tin cậy, kéo dài th ời gian s ử
dụng thiết bị dùng điện cũng như mang lại hiệu quả kinh tế cho doanh nghi ệp.
Hiện nay, do nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng, vi ệc đ ầu t ư cho
hệ thống lưới điện đòi hỏi rất nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng thiếu h ụt điện
năng và chất lượng điện năng suy giảm.
Từ yêu cầu của các thiết bị và mức độ nguồn điện liên tục và ch ất lượng, UPS
được phân thành các dòng sản phẩm chính về cơng nghệ như: UPS offlne đơn
thuần, UPS offline công nghệ Line-interactive, UPS online,UPS tĩnh, UPS quay.
1.1.1 Cung cấp năng lượng cho tải nhạy cảm
Sự cố trong các nguồn năng lượng điện có thể xẩy ra trong quá trình lắp đ ặt
trang thiết bị hoặc ở đầu vào hệ thống (quá tải, nhiễu, mất cân bằng pha, s ấm
sét, …). Những sự cố này có thể gây ra những hậu quả khác nhau.
Về mặt lý thuyết: Hệ thống phân phối năng lượng điện tạo ra m ột đi ện áp hình

sin với biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thi ết b ị đi ện (400V-50Hz
chẳng hạn).
Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng t ần s ố b ị ảnh
4


hưởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệ
thống.
Đối với hệ thống cung cấp điện: Có thể bị sự cố hoặc gián đoạn cung cấp điện
vì:
Hiện tượng nhiễm điện ở bầu khí quyển (thường khơng tránh khỏi).Điều này có
thể ảnh hưởng đến đường dây ngồi trời hoặc cáp chơn, chẳng hạn:
-Sấm sét làm điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện
-Sương giá có thể làm cho đường dây bị đứt
Những hiện tượng ngẫu nhiên, chẳng hạn:
-Cành cây rơi gây gắn mạch hoặc đứt dây
-Đứt cáp do đào đất
-Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp
Những thiết bị dùng điện có thể ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp
Lăp đặt công nghiệp, chẳng hạn:
-Động cơ gây ra điện áp rơi và nhiễm RF trong quá trình khởi động.
-Những thiết bị gây ô nhiễm: lò luyện kim, máy hàn, … gây ra đi ện áp r ơi và
nhiễm RF
Những hệ thống điện tử công suất cao:
- Thang máy, đèn huỳnh quang
Những sự cố ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có th ể
phân thành các loại sau:
Lệch điện áp
Ngừng hoạt động
Tăng đột ngột điện áp

Thay đổi tần số
Xuất hiện sóng hài
Nhiễu tần số cao…
1.1.2 Giải pháp dùng UPS
Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và hậu quả của nó về phương diện:
-An tồn cho con người
-An toàn cho thiết bị, nhà xưởng
-Mục tiêu vận hành kinh tế
5


Từ đó phải tìm cách loại chúng ra. Có nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau cho
vấn đề này, những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của hai tiêu chuẩn sau
để đánh giá:
-Liên tục cung cấp điện
-Chất lượng cung cấp điện
Về tính liên tục cung cấp điện: Cách duy nhất là cung c ấp ngu ồn d ự tr ữ. M ột vài
giải pháp kỹ thuật đảm bảo tính liên tục cung cấp điện:
-Trong q trình lắp đặt sử dụng một vài nguồn khác nhau tốt h ơn là dùng m ột
nguồn
-Chia nhỏ mạch tải ra mạch ưu tiên và không ưu tiên, khi cần sẽ lo ại b ỏ t ải
không cần thiết
-Lựa chọn điểm nối trung tính
-Lựa chọn phương pháp kết nối
Những giải pháp này có thể bổ sung cho nhau và hạn chế sự cố phát sinh
trong quá trình lắp đặt. Tuy nhiên, phương pháp duy nh ất đ ảm bào tính liên t ục
cung cấp điện là sử dụng nguồn sự trữ, tối thiểu là cung c ấp cho các t ải ưu tiên.
Nguồn này sẽ đảm bảo cung cấp điện sau một thời gian chuyển đ ổi, nó ph ụ
thuộc vào nguồn nuôi và thời gian dự trữ cực đại. Cần chú ý thời gian chuy ển đổi
dường như bị gián đoạn,điều này là khơng chấp nhận được, vì vậy việc loại bỏ

thời gian này bằng những thiết bị chuyển mạch tĩnh s ử d ụng kh ả năng đóng
ngắt cực nhanh của các thiết bị điện tử công suất.
Về chất lượng cung cấp điện: Phương pháp được đề cập ở trên đ ảm bảo
tính liên tục cung cấp điện cho phù hợp với phụ tải, hạn chế những hậu qu ả của
sự cố, sự mất ổn định trong quá trình lắp đặt, đặc biệt cho nh ững t ải ưu tiên
được cung cấp điện liên tục nếu xảy ra sự cố ở nguồn chính.
1.1.3 Ứng dụng UPS trong thực tế
Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông, ngân
hàng,y tế,hàng không là rất lớn. Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số
lượng máy tính đang được sử dụng. Có thể lấy một vài ví dụ về các thiết bị
sử dụng UPS, đó là những máy tính, việc truyền dữ liệu và tồn bộ thiết bị ở
một trạng thái nào đó là rất quan trọng và không cho phép được mất điện. UPS
được sử dụng trong ngành hàng không để đảm bảo sự thắp sáng liên tục của
đường băng sân bay.
Ứng dụng chính

6


-Máy tính,mạng máy tính
1.Hệ thống máy tính nói chung

-Máy in,hệ thống vẽ đồ thị,bàn phímvà các
thiết bị đầu cuối.
-Bộ điều khiển lập trình,hệ thống điều

2.Hệ thống máy tính cơng nghiệp

số,điều khiển giám sát,máy tự động.
-Tổng đài điện thoại ,hệ thống truyền

3.Viễn thông

dữ liệu,hệ thống rađa.
Dụng cụ y tế,thang máy,thiết bị điề
khiển chính xác,thiết bị đo nhiệt độ,bơm
plastic...

4.Y tế,cơng nghiệp

-Đường hầm ,đường băng sân bay,
5.Chiếu sáng

nhà cơng cộng...
-Máy qt hình,cung cấp năng lượng

6.Các ứng dụng khác

cho máy bay...
Bảng 1. 1 Ứng dụng của bộ UPS

Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phịng nó có mặt ở mọi chỗ mọi nơi,
những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục.
1.1.4 Ưu nhược điểm của bộ UPS
+Ưu điểm của việc sử dụng nguồn cung cấp điện liên tục UPS:


Không chậm trễ giữa việc chuyển đổi từ nguồn điện chính sang UPS.



Có thể hỗ trợ tốt hơn so với máy phát điện về thời gian đáp ứng.

Người tiêu dùng có thể chọn loại và kích cỡ của UPS, tùy thu ộc vào l ượng
điện năng họ cần cung cấp cho thiết bị.




UPS hoạt động rất êm, khơng gây tiếng ồn.



Bảo trì hệ thống UPS rẻ hơn so với máy phát điện.

+Nhược điểm của việc sử dụng nguồn cung cấp điện liên tục UPS:
Khơng có khả năng chạy các thiết bị nặng – vì nguồn ắc quy, pin c ủa UPS
là có giới hạn.


7


Độ bền phụ thuộc vào chất lượng của ắc quy, pin. Nếu sử dụng pin không
đạt tiêu chuẩn, người dùng có thể sẽ thay thế pin thường xuyên.




UPS có thể cần cài đặt chuyên nghiệp.

Trong hiện trạng điện lưới nguồn thường xuyên bị quá tải. Dẫn đến nhi ều lúc
mất điện đột ngột. Về lâu dài sẽ ảnh hưởng đến các hệ thống điều khiển của các
trung tâm vận hành của nhà máy sản uất, bệnh viện, tr ường h ọc, các trung tâm
dữ liệu,…
1.2 Phân loại UPS
Do 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 cơng nghệ như sau:UPS Offline
(đơn thuần), UPS Offline công nghệ Line-interactive, UPS Online, UPS tĩnh, UPS
quay. Trong đó loại phổ thơng nhất là UPS Offline, UPS Offline cơng ngh ệ Lineinteractive, và UPS Online cịn lại UPS tĩnh, UPS quay thì ít được sử dụng.
1.2.1. UPS Offline
Sơ đồ thể hiện hai trạng thái làm việc của một UPS offline thông thường:
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 m ột cách
tự động cho ắc quy mà thôi.
Khi điện áp lưới điện không đảm bảo quá cao, quá thấp) hoặc mất đi ện thì lúc
này mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp ra từ ắc quy và bộ inverter.

Hinh 1. 2 Sơ đồ UPS Offline
Qua ngun lý được phân tích như trên thì ta thấy r ằng th ời gian cung c ấp đi ện
cho thiết bị tiêu thụ vì thế mà bị gián đoạn. Sự gián đoạn này gây ra vi ệc cung
cấp nguồn điện khơng ổn định tại phía các thiết bị tiêu thụ:
Cũng qua sơ đồ, ta thấy rằng UPS offline khơng có cơng d ụng ổn áp khi chúng s ử
dụng điện lưới bình thường - bởi đơn giản khi khơng có sự cố về lưới đi ện thì

8


các thiết bị phía sau UPS đơn thuần được nối trực ti ếp với lưới điện thông qua
rơ le (phần bypass trong sơ đồ trên

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 c ực hơn trong nguyên lý ho ạt đ ộng
nên chúng lại có giá thành cao hơn so với loại UPS offline thông thường.

Hinh 1. 3 Sơ đồ UPS offline công nghệ Line interactive
Ưu điểm của bộ UPS offline công nghệ Line interactive so với b ộ UPS thông
thường đó là bộ biến áp. Điện áp xoay chiều có thể thay đổi bơi biến áp b ằng
cách thay đổi số vòng cuộn dây sơ cấp hoặc thứ cấp. Các biến áp tự ngẫu thường
là thay đổi số vòng của cuộn dây đầu vào tức là cu ộn sơ c ấp đ ể có th ế thay đ ổi
điện áp đầu ra.
Trường hợp điện áp cấp vào UPS bình thường , có nghĩa là chúng x ấp x ỉ thơng s ố
đầu ra thì mạch UPS hoạt động như khung hình phía trên bên trái, có nghĩa là
biến áp tự ngẫu lúc này có số vịng dây sơ cấp bằng thứ c ấp, do đó khơng có s ự
can thiệp nào vào điện áp đầu ra-và UPS hoạt động giống UPS thông thường.
Trong trường hợp điện áp của lưới thấp hơn so với điện áp chu ẩn, bi ến áp t ự
ngẫu sẽ chuyển mạch sang một bên nấc khác, làm cho điện áp đ ầu ra đ ảm b ảo
đúng thông số yêu cầu. Trong trường hợp này điện áp của lưới điện cao hơn so
với thông số chuẩn thì trường hợp này cũng vậy.
Trong trường hợp mất điện lưới UPS công nghệ Line interactive sẽ chuyển mạch
giống như UPS thông thường: tức là chúng ngắt nhánh đi qua bi ến áp t ụ ng ẫu
sang sử dụng nhánh ắc quy với inverter.
UPS offline theo công nghệ line inverter này tiến bộ h ơn lo ại UPS offline truy ền
thống: Chúng có thể ổn định điện áp so với việc khơng có một chút chức năng ổn
áp nào của loại offline truyền thống

9


1.2.3 UPS online

Khắc phục hoàn toàn các nhược điểm trên loại UPS online, chính vì v ậy mà lo ại
UPS này thường có giá bán cao nhất so v ới các lo ại trên. D ưới đây là s ơ đ ồ
nguyên lý làm việc đơn giản của nó:

Hinh 1. 4 UPS online
Ở đây, chúng ta thấy rằng việc cấp điện cho thi ết bị tiêu th ụ là hoàn tồn liên
tục khi có sự cố về lưới điện.
Nguồn điện lưới lúc này không cung cấp điện trực tiếp cho các thi ết b ị, mà
chúng được biến đổi thành dòng điện một chiều tương ứng với điện áp ắc quy.
Ở đây trong mạch đã thể hiện sự cung cấp từ ắc quy và chính từ l ưới đi ện đ ến
bộ inverter để biến đổi thành điện áp đầu ra phù hợp với thiết bị sử d ụng.
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 khơng có một th ời gian tr ễ
nào. Điều này làm cho thiết bị sử dụng rất an toàn, và ổn định.
UPS online sễ luôn luôn ổn định điện áp đầu vào lúc này đ ược bi ến đ ổi xu ống
mức điện áp ắc quy có dung lượng vơ cùng lớn( nếu khơng bị sự cố lưới điện)
mạch inverter sẽ đóng vai trị một bộ ổn định điện áp. Vì v ậy chỉ v ới các lo ại UPS
online mới có cơng dụng ổn áp một cách triệt để.
1.2.4 UPS tĩnh

10


Hinh 1. 5 UPS tĩnh
Sử dụng bộ chuyển tĩnh thực hiện cung cấp năng lượng.
-Giới hạn dòng vận hành cho phép Icp=2.33Idm
-Cách li về điện.
-Bảo dưỡng và vận hành đơn giản, làm việc tin cậy chắc chắn.
-Khả năng phản ứng tức thời trước những dao động biên độ của hệ thống cung
cấp, sử dụng thiết bị điều khiển vi xử lí dựa trên kĩ thuật số.

-Biên độ điện áp điều chỉnh trong phạm vi sai số ±0,5% ÷ ± 1% thời gian điều
chỉnh nhanh, kích thước và trọng lượng của hệ nhỏ.
1.2.5. UPS quay

Hinh 1. 6 UPS quay
-Sử dụng máy điện quay để thực hiện biến đổi năng lượng:Inm=Idm
-Hệ thống phụ tải cách li với nguồn.
-Trở kháng của hệ thấp.
1.3 Sơ đồ nguyên lý chung của một UPS

Hinh 1. 7 Sơ đồ nguyên lý chung của UPS
Chức năng các khối:

11


1.Biến áp vào:
-Hạ áp từ điện áp lưới xuống điện áo thích hợp để đưa vào bộ chỉnh lưu.
- Cách ly giữa hệ thống và lưới, chống ngắn mạch nguồn.
2. Chỉnh lưu: tạo điện áp 1 chiều dùng cho việc n ạp ắc quy và đ ưa t ới b ộ ngh ịch
lưu.
3. Lọc chỉnh lưu: San phẳng điện áp từ bộ nghịch lưu nh ằm nâng cao ch ất l ượng
điện áp ra ở đầu nghịch lưu.
4. Nghịch lưu: biến điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều tần số f cho tải
5. Biến áp ra: tăng điện áp từ đầu ra bộ ngịch lưu phù hợp yêu cầu tải
6. Ắc quy: là nơi tích trữ năng lượng khi có điện áp ngu ồn và là kho cung c ấp
năng lượng cho các phụ tải khi lưới điện bị mất. Thời gian duy trì c ủa UPS ph ụ
thuộc rất nhiều vào dung lượng của ắc quy. Trên thị trường ắc quy dùng cho Ups
phổ biến là 12V/7a
7. Điều khiển chỉnh lưu: điều khiển góc mở của các thyristor trong m ạch ch ỉnh

lưu sao cho điện áp ra sau ổn định theo yêu cầu.
8. Điều khiển nghịch lưu: Điều khiển thời gian dẫn của van hợp lý sao cho đi ện
áp cung cấp cho tải là không đổi hoặc thay đổi hoặc thay đổi r ất nh ỏ. Đóng vai
trị như một bộ ổn áp hoạt động song song với bộ nghịch lưu.
9. Nguồn: dùng để cung cấp các mức điện áp khác nhau cho 2 b ộ đi ều khi ển
chỉnh lưu và nghịch lưu.

12


1.4 Giới thiệu chung về acqui
1.4.1 Khái niệm
Acquy la một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hóa. Acqui là
loại bình điện hóa học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điện cung
cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, bóng đèn, làm nguồn ni cho các
linh kiện điện tử.
Khi acquy phóng hết điện ta phải tiến hành nạp điện cho acquy sau đó acquy
lại có thể phóng điện lại được. Acquy có thể thực hiện nhiều chu kỳ phóng nạp
nên ta có thể sử dụng lâu dài.
Trong thực tế người ta sử dụng cả hai loại acquy axit và acquy kiềm nh ưng
thông thường nhất từ trước tới nay vẫn là acquy axit vì so với acquy kiềm nó có
sức điện động của mỗi “cặp bản” cực cao hơn, có điện trở trong nhỏ hơn mặc
dù acquy kiềm có khá nhiều ưu điểm và triển vọng tốt trong tương lai.
1.4.2 Cấu tạo của acquy:
Cấu trúc của một acquy đơn giản gồm có phân khối bản c ực dương, phân
phối bản cực âm, các tấm ngăn. Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép
lại. Cấu tạo của một bản cực trong acquy gồm có các phần khung xương và chất
tác dụng trát lên nó. Khung xương của bản cực âm và bản cực dương có cấu tạo
giống nhau chúng được đúc từ chì và được pha thêm 5÷8 % angtimoan (Sb) và
tạo hình mắt lưới.

Hinh 1. 8 Cấu tạo bản cực acquy
1.4.3.Các thông số cơ bản của acquy
a) Sức điện động E
Sức điện dộng của acquy chì và acquy axit phụ thuộc vào nồng độ dung
dịch điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm:
E0 =0.85+ ρ (V)

trong đó: E0 – sức điện động tĩnh của acquy (V)
ρ – nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C (g/cm3)

13


Trong q trình phóng điện sức điện động của acquy được tính theo cơng
thức :
E p =U p + I P r b

trong đó: E p – sức điện động của acquy khi phóng điện (V)
I P – dịng điện phóng (A)
r b – điện trở trong của acquy khi phóng điện (Ω)

Trong q trình nạp sức điện động En của acquy được tính theo cơng thức:
En =U n−I n .r aq

trong đó: En – sức điện động của acquy khi nạp điện (V)
U n – điện áp do trên các cực của acquy khi nạp điện (V)
I n - dòng điện nạp (A)
r aq – điện trở trong của acquy khi nạp điện (Ω)

b) Dung lượng
Dung lượng khi phóng của acquy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp
năng lượng của acquy cho phụ tải và được tính theo cơng thức:
Q P=I P t P

Trong đó Q P- dung dịch thu được trong q trình phóng (Ah)
I P – dịng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện t P (A)
t P – thời gian phóng điện (h)

Dung lượng nạp của acquy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng
lượng của acuy và được tính theo cơng thức :
Qn=I n t n

Trong đó Qn- dung dịch thu được trong q trình phóng (Ah)
I n – dịng điện nạp ổn định trong thời gian phóng điện t n (A)
t n – thời gian nạp điện (h)

1.4.4 Đặc tính nạp của acquy
a) Đặc tính phóng của acquy

14


Hinh 1. 9 Đặc tính phóng của acquy
Đặc tính phóng của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thu ộc của s ức
điện động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng
khi dịng điện phóng khơng đổi.
Từ đặc tính phóng của acquy như trên hình vẽ ta có nhận xét:
Trong đặc tính phóng acquy từ t P = 0 đến t P = t gh sức điện động, điện áp, nồng độ
dung dịch điện phân giảm dần tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc c ủa

các đồ thị không lớn, ta gọi là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện
cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của acquy( dịng điện phóng)
của acquy.
Từ thời điểm t gh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu ta tiếp xúc
cho acquy phóng điện sau t gh thì sức điện động, điện áp của acquy sẽ giảm rất
nhanh. Mặt khác các tinh thể sunfat chì ( PbSO4) tạo thành trong ph ản ứng sẽ có
dạng thơ rắn rất khó hịa tan trong q trình nạp điện trở lại cho acquy sau này.
Thời điểm t gh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của acquy các giá trị E p , U p , ρ
tại t gh được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của acquy, acquy khơng được
phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%.
Sau khi acquy đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá tr ị s ức đi ện
động, điện áp của acquy, nồng độ dung dịch điện phân lại phân lại tăng lên, ta
gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng thời gian nghỉ của acquy. Thời gian hồi
phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của acquy.
b) Đặc tính nạp của acquy

15


Hinh 1. 10 Đặc tính nạp của acquy
Từ đồ thị dặc tính nạp ta có nhận xét:
Trong khoảng thời gian từ t n = 0 đến t n= t s thì sức điện động, điện áp, nồng độ
dung dịch điện phân tăng dần.
Tới thời điểm t n= t s trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí ( cịn gọi
là hiện tượng sơi) lúc này hiệu điện thế giữ các bản cực của acquy đơn tăng đến
2.4 V. Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2.7 V và giữ nguyên.
Thời gian này gọi là thời nạp no, nó có tác dụng cho cho các chất tác dụng ở sâu
trong lòng các bản cực biến đổi tuần hồn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng
phóng điện của acquy.
Trị số nạp điện ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của acquy.

Đong điện nạp định mức với acquy là I n= 0.1C20. Trong đó C20 là dung lượng
của acquy mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là I n= 0.1C20 thì sao 20 giờ
acquy sẽ đầy. Ví dụ với C = 200Ah thì nếu ta nạp ổn định với dòng điện bằng
10% dung lượng ( tức I n= 20A) thì sau 20 giờ sẽ đầy.
1.4.6 Sự khác nhau giữa acquy kiềm và acquy axit
Cả hai loại ắc qui này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộc loại
dung kháng và sức phản điện động. Nhưng chúng cịn có một số đặc điểm khác
biệt sau :
Acquy axit

Acquy kiềm

- Khả năng quá tải không cao, dòng -Khả năng quá tải rất lớn dòng điện
nạp lớn nhất đạt được khi quá tải là nạp lớn nhất khi đó có thể đạt tới:
Inmax = 20%C10
Inmax = 50%C10
-Hiện tượng phịng lớn, do đó ắc qui -Hiện tượng tự phóng nhỏ.

16


nhanh hết điện ngay cả khi không sử
dụng.

-Sử dụng ở những nơi có u cầu cơng
-Sử dụng rộng rãi trong đời sống, công suất lớn quá tải thường xuyên, được
nghiệp đặc biệt ở những nơi có nhiệt sử dụng với các thiết bị công suất lớn.
độ cao va đập lớn nhưng công suất và
-Dùng phổ biến trong công nghiệp
quá tải vừa phải.

hàng không, hàng hải và những nơi
-Dùng trong ôtô, xe máy và các động cơ nhiệt độ môi trường thấp.
máy nổ công suất vừa và nhỏ.
-Giá thành cao.
-Giá thành thấp.
Bảng 1. 2 Sự khác nhau giữa acquy axit và acquy kiềm
1.4.7 Các phương pháp nạp acquy tự động
Có 3 phương pháp nạp acquy là :
+ Phương pháp dòng điện.
+ Phương pháp điện áp
+ Phương pháp dịng áp
1.4.8. Tính tốn l ựa chọn acquy
Với yêu cầu về công suất c ủa UPS là 5KVA, U r = 110(V) ta cần sử dụng
máy biến áp. Nếu coi hi ệu su ất c ủa máy bi ến áp là 95% thì hi ệu su ất phía s ơ
cấp
của máy biến áp nghịch l ưu là:
Snghịchlưu =

5
=5.26(KVA)
0.95

Nếu coi tổn hao trên các van khơng đáng kể thì có th ể coi cơng su ất tr ước và sau
bộ nghịch lưu là bằng nhau. Nếu ta chọn 10 acquy lo ại 12V n ối ti ếp nhau, lúc đó
điện áp ra của bộ acquy là 12*10=120V. Dịng nạp cho acquy là”

I n=

5260
= 43.85 (A)

120

Thơng thường khi ch ọn acquy ph ải ch ọn dung l ượng l ớn h ơn 2 ho ặc 5 l ần
dung lượng định mức tuỳ thu ộc vào lo ại ắc quy đ ể đ ảm b ảo cho ắc quy khơng
bị
hỏng.
Do trong bộ ắc quy có nội trở trong do đó điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu
được tính như sau:
Ucl=Ud+Ut
Trong đó:

17


Ucl: điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu
Ud: điện áp đặt trên hai đầu ắc quy. Ud=60(VDC)
Ut: điện áp tổn hao do nội trở của ắc quy
Với loại ăcquy 12V ta tra được nội trở trong của ăcquy là r=0,0015Ω . Vậy nội
trở trong của bộ ăcquy là R=0,0015*6*10=0,09(Ω) (Mỗi acqui có 6 ngăn).
Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là : Ucl=120 + 35.06*0,09 = 123,95(VDC)


Nhận xét

Vì acquy là tải có tính ch ất dung kháng kèm theo s ức ph ản đi ện đ ộng cho nên
khi acquy đói mà ta n ạp theo ph ương pháp đi ện áp thì dịng đi ện trong acquy
sẽ tự động dâng nên khơng ki ểm sốt đ ược sẽ làm sơi acquy d ẫn đ ến h ỏng hóc
nhanh chóng. Vì vậy trong vùng n ạp chính ta ph ải tìm cách ổn đ ịnh dịng n ạp
cho acquy.
Khi dung lượng c ủa acquy dâng lên đ ến 80% lúc đó n ếu ta c ứ ti ếp t ục gi ữ

ổn định dịng nạp thì acquy sẽ sơi và làm c ạn n ước. Do đó đ ến giai đo ạn này ta
lại phải chuyển chế độ nạp acquy sang ch ế đ ộ ổn áp. Ch ế đ ộ ổn áp đ ược gi ữ
cho đến khi acquy đã thực sự no. Khi đi ện áp trên các b ản c ực c ủa acquy b ằng
với điện áp nạp thì lúc đó dịng nạp sẽ t ự đ ộng gi ảm v ề không, k ết thúc q
trình nạp.
Qua phân tích về u cầu kỹ thu ật c ủa b ộ l ưu đi ện ở trên, ta ch ọn ph ương án
thiết kế bộ chỉnh lưu cho bộ lưu điện loại Offline UPS vì nó khá đ ơn gi ản v ề
thiết kế và đáp ứng được nh ững đòi h ỏi c ơ b ản c ủa 1 ngu ồn đi ện d ự phòng.
+ Chọn loại acquy 12V (10 ắcquy m ắc n ối ti ếp nhau)
+ Trong đó :
- Điện áp đầu ra của bộ chỉnh l ưu là: U d = 123.95 V
- Dòng điện cần thiết để nạp cho ácqui là: I n= 43.85 A

18


CHUONG II: LỰA CHỌN TÍNH TỐN M ẠCH CH ỈNH L ƯU
2.1 Phân loại sơ đồ chỉnh lưu và ứng dụng
Chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành ngu ồn điện
một chiều, cung cấp cho nhiều loại phụ tải một chiều khác nhau. Có th ể kể ra
các thiết bị điện hoặc các quy trình cơng nghệ u c ầu ngu ồn đi ện m ột chi ều
như sau:
Các động cơ điện một chiều.
Hệ thống cung cấp kích từ cho các máy điện đồng bộ, máy phát hoặc động
cơ.
Các q trình cơng nghệ điện hố u cầu nguồn một chiều dịng đi ện rất
lớn như mạ, điện phân, xử lý hoá học bề mặt, anơt hố, …
Các hệ thống nạp điện cho ăcqui.
Các loại bộ nguồn một chiều cho các thiết bị điều khiển, viễn thông.
Trong hệ thống truyền tải điện một chiều với cơng suất rất lớn.

…
Ngồi ra, chỉnh lưu cịn là chỉnh lưu là khâu bi ến đổi năng lượng đi ện đ ầu vào,
lấy từ lưới điện, trong các bộ biến đổi bán dẫn khác như các b ộ bi ến t ần. Nói
chung, chỉnh lưu là một loại bộ biến đổi cơ bản, có vai trị c ực kỳ quan tr ọng
trong lĩnh vực biến đổi điện năng.
Chỉnh lưu được phân loại theo số pha của nguồn xoay chiều đ ầu vào, là ch ỉnh
lưu một pha, ba pha hoặc n-pha. Nếu dòng xoay chiều đầu vào chạy giữa dây pha
và dây trung tính thì chỉnh lưu gọi là hình tia. Nếu dòng chỉ ch ạy gi ữa các dây pha
với nhau thì chỉnh lưu là sơ đồ cầu.
Chỉnh lưu gọi là khơng điều khiển, có điều khiển, bán đi ều khi ển tuỳ theo s ơ đ ồ
dùng toàn điôt hay dùng tiristo, hoặc dùng cả hai loại van.
Theo các cách phân loại trên, chỉnh lưu được gọi tên theo sơ đồ sau:

19


Hình 2. 1: Các dạng sơ đồ chỉnh lưu cơ bản. (1) Sơ đồ chỉnh lưu một pha, n ửa chu
kỳ; (2) Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia; (3) Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu; (4) S ơ
đồ chỉnh lưu ba pha hình tia; (5) Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha; (6) S ơ đ ồ ch ỉnh lưu
sáu pha có cuộn kháng cân bằng.
Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh lưu

Hình 2. 2: Cấu trúc một sơ đồ chỉnh lưu
Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh lưu cho trên hình 3.2, bao g ồm các thành
phần chính sau đây:

20