Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 1

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 2
Chƣơng 1: TÌM HIỂU VỀ UPS VÀ ỨNG DỤNG 3
1.1 Giới thiệu chung về UPS 3
1.2 Phân loại UPS : 4
1.3 Ứng dụng của UPS trong thực tế : 9
Chƣơng 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 11
2.1 Thuật toán tạo sóng sin 11
2.2 Các khối mạch sử dụng 17
2.3 Tính toán mạch lọc thông thấp 24
Chƣơng 3: XÂY DỰNG KHÂU ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 30
3.1 Nguyên lý chung của khâu tự động điều chỉnh điện áp : 30
3.2 Xây dựng mô hình toán cho các khâu của mạch nghịch lưu : 30
Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU CÁC MODULE CƠ BẢN CỦA
DSPIC33FJ12MC202 37
4.1 Tổng quan về vi điều khiển dsPIC33FJ12MC202: 37
4.2 Cấu trúc vi điều khiển : 38
4.3 Tổ chức bộ nhớ: 40
4.4 Khái quát về các thanh ghi: 41
4.5 Giới thiệu các module cơ bản 43
Chƣơng 5: TÌM HIỂU PHƢƠNG PHÁP HÕA ĐỒNG BỘ 63
5.1. Nhu cầu hòa đồng bộ vào lưới 63
5.2 Các điều kiện hòa đồng bộ 63
5.3 Vòng khóa pha (Phase Locked Loop - PLL) 63
Chƣơng 6: MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐƢỢC 73
KẾT LUẬN 75
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 2

LỜI NÓI ĐẦU
Sự ra đời, phát triển nhanh và ngày càng hoàn thiện của các linh kiện điện tử,
đặc biệt là vi xử lý đã tạo ra sự thay đổi sâu sắc và phát triển mạnh mẽ trong các
thiết bị, hệ thống thiết bị điện - điện tử. Nhằm đảm bảo tính liên tục và chất lượng
cung cấp điện cho những tải nhạy cảm mà không phụ thuộc trạng thái hệ thống
cung cấp, phương pháp duy nhất là sử dụng bộ nguồn dự trữ làm việc tin cậy.
Hơn nữa, hiện nay năng lượng ngày càng cạn kiệt, nên nhiều nguồn năng lượng
mới đã và đang được chú ý, sử dụng nhiều hơn như: năng lượng mặt trời, năng
lượng gió, Các nguồn năng lượng có thể nói là vô tận này sẽ giúp tạo ra nguồn
điện năng lớn nếu được sử dụng tốt, giảm đáng kể gánh nặng cho thủy điện và nhiệt
điện hiện nay đang phải gánh vác.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên em đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu là:
“Thiết kế bộ nghịch lƣu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lƣới”.
Em đã cố gắng nghiên cứu và thiết kế dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy
Hoàng Anh và thầy Nguyễn Thành Khang. Tuy nhiên, do sự hạn chế về nhiều mặt
nên chắc chắc đồ án này còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự góp ý của
các thầy cô để đề tài này hoàn thiện hơn!
Em xin chân thành cảm ơn!


Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Chung

Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 3

Chƣơng 1: TÌM HIỂU VỀ UPS VÀ ỨNG DỤNG
1.1 Giới thiệu chung về 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.
1.1.1 Cấu trúc chung :
Nguồn dự phòng (Acquy hoặc máy phát)
Một bộ chỉnh lưu
Mạch lọc cho khâu chỉnh lưu
Mạch nghịch lưu
Mạch điều khiển hoạt động cho các van.
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 toàn cho người
An toàn cho thiết bị nhà xưởng
Mục tiêu vận hành kinh tế.
Ta cần phải tìm cách loại bỏ tất cả các sự cố. 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:
Cung cấp điện liên tục
Chất lượng điện cung cấp
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 4

Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải nhạy
cảm, UPS cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục, chất lượng cao, không
phụ thuộc mọi tình trạng của hệ thống cung cấp.
UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy:
Không bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệt khi hệ

thống cung cấp ngừng hoạt động.
Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện nhạy cảm.
UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua các khâu
trung gian: Acquy và chuyển mạch tĩnh.
1.2 Phân loại UPS :
1.2.1 Phân biệt theo chế độ làm việc
a. UPS offline :

Hình 1.1 Cấu trúc bộ UPS offline
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 5

Nghịch lưu nối song song với hệ thống cung cấp là nguồn dự trữ phòng tình
trạng khẩn cấp.
Trong quá trình vận hành, nguồn lưới được cung cấp trực tiếp đến tải mà
không qua nghịch lưu.
Nếu sự cố hệ thống cung cấp điện hoặc điện áp hệ thống cung cấp điện
không nằm trong sai số cho phép thì tải chuyển từ hệ thống cung cấp điện
qua nghịch lưu trong thời gian ngắn <10 ms. Khi điện áp hệ thống cung cấp
được phục hồi,tải sẽ tự động chuyển về hệ thống cung cấp.
Dùng với tải P <2 KVA.
Thời gian chuyển mạch phù hợp với tải nhạy cảm.
Nhƣợc điểm:
Thời gian chuyển mạch từ khi sự cố điện lưới cho đến khi nguồn pin cung
cấp cho thiết bị tiêu thụ. Công tắc ngắt điện khỏi nguồn lưới để chuyển sang
dùng điện từ pin phải đảm bảo khi ngắt hoàn toàn ra khỏi lưới điện mới được
phép cung cấp điện từ bộ inverter bởi nếu không dòng điện cung cấp từ pin
sẽ phải cấp cho cả lưới điện địa phương - và cũng như máy phát điện, hệ
thống sẽ hư hỏng vì quá tải.

UPS offline không có công dụng ổn áp khi chúng sử dụng điện lưới bình
thường - bởi đơn giản khi không có sự cố về lưới điện thì các thiết bị phía
sau UPS đơn thuần được nối trực tiếp với lưới điện thông qua rơ le.
b. UPS online
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 6


Hình 1.2 Cấu trúc UPS online
Được chèn vào giữa hệ thống cung cấp và tải. Toàn bộ điện năng cung cấp
cho tải đều phải qua nghịch lưu do vậy việc cung cấp điện được liên tục
trong phạm vi sai số cho phép của f, U.
Không phụ thuộc vào trạng thái của hệ thống cung cấp điện.
Áp dụng cho tải có công suất trung bình P 40 KVA.
1.2.2 Phân loại UPS dựa theo bộ chuyển đổi

Hình 1.3 Cấu trúc UPS tĩnh
a. UPS tĩnh: Sử dụng bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện cung cấp năng lượng.
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 7

Giới hạn dòng trong vận hành cho phép I
cp
=2.33I
đm
.
Cách li về điện.
Bảo dưỡng và vận hành đơn giản, làm việc tin cậy 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 thật 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.
b. UPS quay
M G
DK
M G
Power Output
FL

Hình 1.4 Cấu trúc UPS quay
Trong đó: M: Động cơ
G: Máy phát
FL: Flywheel (Bánh đà)
Sử dụng máy điện quay để thực hiện biến đổi năng lựợng.
Một bộ UPS quay hoạt động nhờ vào quán tính cao của bánh đà khối lượng lớn
(Flywheel energy storage) để cung cấp năng lượng trong trường hợp có sự cố điện
ngắn hạn. Bánh đà hoạt động như 1 bộ đệm chống lại sự tăng hay giảm đột ngột
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 8

của nguồn cung cấp vì những sự cố ngắn hạn đó không thể ảnh hưởng đáng kể đến
tốc độ quay của bánh đà khối lượng lớn. Đây là 1 trong những dạng thiết kế cổ điển
nhất trong lịch sử ngành điện.
Có thể coi UPS quay là một bộ UPS online vì nó hoạt động cả trong điều kiện
bình thường. Tuy nhiên, nó chỉ bảo vệ hệ thống tải trong khoảng thời gian từ 10
đến 20 giây trước khi bánh đà quay chậm xuống dưới mức cho phép và đầu ra bị
ngắt.

Một hệ thống UPS quay tiêu biểu bao gồm các thành phần sau:
1 động cơ kéo 1 máy phát điện đồng bộ (Máy phát và động cơ được liên kết
về mặt cơ khí nhờ hệ thống li hợp, đai truyền .v.v.)
Trục quay máy phát được gắn với 1 bánh đà khối lượng lớn.
Khi hệ thống xảy ra sự cố ngắn hạn, động cơ bị ngắt điện. Bánh đà tiếp tục
quay (do quán tính lớn), do đó tiếp tục kéo máy phát và cung cấp điện cho
đầu ra.
1.2.3 Sơ đồ nguyên lí chung của UPS :
NL
ĐK
CL
AQ
+
-

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí chung của UPS

Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 9

CL: Cung cấp nguồn một chiều cho nghịch lưu và nạp thường trực cho acquy
AQ: Tạo năng lượng dự trữ cung cấp cho nghịch lưu khi xảy ra:
- Ngừng hoạt động hệ thống cung cấp.
- Hệ thống cung cấp có sự cố hoặc chất lượng hệ thống cung cấp không
nằm trong giới hạn cho phép.
NL: Chuyển đổi DC AC với sai số cho phép chặt chẽ, chắc chắn hơn hệ
thống chính
ĐK: Bao gồm cả hệ thống phản hồi ,điều khiển hoạt động của CL, NL và quá
trình phóng nạp AQ, ổn định cung cấp điện theo yêu cầu.

1.3 Ứng dụng của 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 toàn bộ thiết bị ở một trạng thái
nào đều 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
Thiết bị đƣợc bảo vệ
1. Hệ thống máy tính
nói chung
- Máy tính, mạng máy tính
- Máy in, hệ thống vẽ đồ thị và các thiết bị đầu cuối.
2. Hệ thống máy tính
công nghiệp
Bộ điều khiển lập trình, hệ thống điều khiển số, điều
khiển giám sát, máy tự động.
3. Viễn thông
Tổng đài điện thoại, hệ thống truyền dữ liệu, hệ thống
rađa.
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 10

4. Y tế, công nghiệp
Dụng cụ y tế, thang máy, thiết bị đo nhiệt độ, thiết bị
điều khiển chính xác
5. Chiếu sáng
Đường hầm, đường băng sân bay, nhà công cộng

6. Các ứng dụng khác
Máy quét hình, cung cấp năng lượng cho máy bay

Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phòng, nó có mặt ở mọi chỗ mọi nơi,
những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục.
Bởi tầm quan trọng của UPS, đồ án của em có mục tiêu thiết kế bộ UPS vừa có
khả năng chạy độc lập (nghịch lưu), đồng thời có khả năng kết nối với lưới điện
(hòa đồng bộ).










Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 11

Chƣơng 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
2.1 Thuật toán tạo sóng sin
2.1.1 Phƣơng pháp tạo sóng điều biến :
Có hai phương pháp để tạo ra sóng điều biến :
1. Phương pháp sử dụng sóng sin cao tần :
Được mô tả bằng hình vẽ sau :

Hình 2.1 Phƣơng pháp sóng sin cao tần

Nguyên lý : sử dụng sóng sin có tần số cao cho giao với sóng sin tần số mong
muốn để tạo ra sóng điều biến như hình vẽ.
2. Phương pháp sử dụng sóng tam giác :
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 12


Hình 2.2 Phƣơng pháp sóng mang tam giác
Nguyên lý: sử dụng sóng tam giác tần số cao cho giao với sóng sin tần số mong
muốn để tạo ra sóng điều biến.
2.1.2 Nguyên lý tạo sóng sin
a) Cấu trúc mạch Half-bridge (Nửa cầu) :
Ls
K1
K2
2
I
V
2
I
V
R
C
O

Hình 2.3 Mạch nửa cầu
Nối tải vào điểm giữa hai nguồn, khi đó điểm giữa C đóng vai trò là trung tính .
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 13

Theo hình vẽ trên : khi ta cấp tín hiệu điều biến sóng Sin để kích mở khóa K
1
và
K
2
thì điện áp đặt trên điện trở sẽ có dạng hình Sin.Và biên độ điện áp sóng Sin
này là
2
I
V

t
Voc(t)
V
u
R

Hình 2.4 Điện áp tạo bởi mạch nửa cầu
b) Cấu trúc mạch Full-Bridge (Cả cầu) :
K1
K2
I
V
A
Ls
R
B

Hình 2.5 Mạch cả cầu
Dựa vào mạch Half-Bridge ta thấy rằng mạch Full-Bridge là sự kết hợp của hai
nửa cầu. Điện áp ra trên tải là hiệu của hai điện áp tại điểm A và B (u
AB
= u
A
– u
B
).
Biên độ điện áp tải phụ thuộc vào góc lệch pha giữa điện áp tại điểm A và điểm B,
giả sử gọi góc lệch pha đó là φ. Suy ra :
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 14


.sin( )
2
.sin( )
2
I
A
I
B
V
ut
V
ut

AB A B
u u u

.sin( ) .sin( ) [sin( ) sin( )]
2 2 2
I I I
AB
V V V
u t t t t

Ta thấy rằng :
[sin( t)-sin( t)] 2

Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi :
O
tt 180)sin()sin(

Vậy nên tín hiệu sóng Sin điều biến phải lệch pha nhau 180
o
để biên độ điện áp
ra là lớn nhất .
V
A
V
B
u
AB

Hình 2.6 Điệp áp tạo ra bởi mạch cả cầu
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 15

c) Tỷ số điều biến :
Xét tỷ số điều biến biên độ : đó là mối quan hệ giữa biên độ sóng sin chuẩn
và sóng tam giác, ký hiệu là m
a
:
pk
a
c
A
m

Với A là biên độ sóng sin chuẩn
c
pk
là biên độ sóng mang tam giác
1,0 2,0 3,0
I
AB
V
V
m
a
miền tuyến tính
miền tuyến quá
điều biến sóng vuông

Hình 2.7 Mối quan hệ giữa tỷ số điều biến biên độ

Tỷ số điều biến tần số: là tỷ số giữa tần số sóng mang (f
pwm
) và sóng sin
chuẩn (f
sin
), ký hiệu tỷ số này là m
f
:

pwm
f
c
f
m
f

Thường thì m
f
> 9 để đảm bảo tỷ lệ hài trong điện áp đầu ra bé .
2.1.3 Mô phỏng trên Psim :
Cách tạo ra tín hiệu điều biến :
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 16

Sử dụng một tín hiệu sin chuẩn giao với sóng tam giác qua bộ so sánh ta sẽ
có được sóng điều biến.
Hai tín hiệu sóng sin chuẩn đặt lệch pha nhau góc 180
0

Hình 2.8 Sơ đồ mô phỏng trên PSim

Hình 2.9 Dạng sóng tín hiệu điều biến đầu ra (trƣớc lọc)
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 17


Hình 2.10 Dòng và áp trên điên trở R (sau lọc)
Nguyên lý tạo sóng sin được trình bày ở trên là cơ sơ để ta thiết kế mạch động
lực cho phần nghịch lưu.
2.2 Các khối mạch sử dụng
2.2.1 Mạch động lực
Có hai lựa chọn chính cho việc sử dụng khoá đóng cắt công suất trong điều
khiển động cơ đó là MOSFET và IGBT. Cả hai loại MOSFET và IGBT đều là linh
kiện được điều khiển bằng điện áp, nghĩa là việc dẫn và ngưng dẫn của linh kiện
được điều khiển bằng một nguồn điện áp nối với cực gate của linh kiện thay vì là
dòng điện trong các bộ nghịch lưu sử dụng transitor như trước đây. Vì vậy cách sử
dụng loại linh kiện này làm cho việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn.
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 18

Ngày nay đã có nhiều cải tiến trong việc sản xuất, MOSFET có thể hoạt động ở
tần số đóng cắt cao hơn với R
DS(on)
nhỏ (khoảng vài miliohm) làm cho tổn thất công
suất được giảm đi rất nhiều. Vì vậy ngày nay, đa số các bộ nghịch lưu thường sử
dụng MOSFET hơn là IGBT như trước kia.

Tính chọn van
Công suất đầu ra của mạch nghịch lưu là P = 1kW. Điện áp U
ra
= 220V.
 dòng điện đầu ra :
dm
10000
4,5( )
220
P
IA
U

Điện áp một chiều đưa vào là V
dc
= 350V
Chọn van cho mạch lực ta phải dựa vào một số điều kiện sau :
Đối với van hoạt động ở chế độ làm mát tự nhiên (không có cánh tản nhiệt).
Dòng làm việc của van bằng khoảng 10% dòng điện định mức cho phép của
van. I
đm
= 10%I
van
=> I
van
= 10.I
đm
= 10.4,5 = 45(A)
Đối với van làm việc ở chế độ có cánh tản nhiệt làm mát, dòng điện làm việc
của van cho phép khoảng 30%I

đm

 I
van
=
10
3
.I
đm
=
10
3
.4,5 = 15 (A)
Nếu có cánh tản nhiệt và làm mát cưỡng bức bằng quạt gió làm mát dòng
làm việc cho phép có thể tới 70%.I
đm

 I
van
=
10
7
.I
đm
=
10
7
.4,5 = 6,43 (A)
Nếu van làm việc được làm mát cưỡng bức bằng nước dòng làm việc cho
phép có thể tới 90%.I

đm

 I
van
=
10
9
.I
đm
=
10
9
.4,5 = 5 (A)
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 19

Vì van hoạt động ở chế độ có cánh tản nhiệt làm mát nên ta chọn MOSFET
IRFP460 (với các thông số V
DSS
= 500V, I
D
= 20A, R
DS(on)
= 0.27 ).

Hình 2.11 Sơ đồ Mạch lực
Sử dụng 4 Mosfet IRF460, cho phép dòng điện tải định mức chạy qua là 20A,
điện áp ngược chịu đựng là 500V, mắc sơ đồ như hình vẽ. Giắc cắm J2 nối với điện
áp một chiều đầu vào, giắc cắm J1 là điện áp điều biến đầu ra, J3 và J4 nối với

mạch lái nhằm điều khiển 4 van lực mở và khóa, đồng thời nó cũng giúp nạp điện
áp cho hai tụ booststrap.
2.2.2 Mạch lái
Có hai sự lựa chọn cho các khóa đóng ngắt công suất để tạo ra sóng sin là
MOSFET và IGBT vì khả năng chịu dòng và áp cao. Nói chung, khi sử dụng các
khóa đóng ngắt (MOSFET, IGBT ) để điều khiển thì đều cần dùng đến mạch lái
(gate drive scheme). Có 2 phần cơ bản trong việc điều khiển các đóng ngắt linh
kiện công suất là: điều khiển phía cao (high side – Q1) và phía thấp (low side Q2).
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 20


Hình 2.12 Ví dụ sơ đồ điều khiển MOSFET
Trong ví dụ trên Q1 và Q2 luôn ở trạng thái làm việc đối nghịch nhau. Khi Q1 ở
trạng thái ON thì Q2 ở trạng thái OFF và ngược lại. Khi Q1 đang ở trạng thái
OFF chuyển sang trạng thái ON => chân S của Q1 chuyển từ ground sang điện áp
cao (high voltage rail). Do đó muốn kích Q1 tiếp tục ON thì phải tạo điện áp kích
VGS1 có giá trị VGS1= VSQ1 + ∆V. Trong khi đó tín hiệu ra của vi xử lý điều
khiển đóng ngắt các khóa chỉ có giá trị điện áp +3.3V (so với ground). Nên cần
phải có mạch lái để tạo trôi áp và cách ly trong việc đóng ngắt phía cao Q1. Tuy
nhiên đối với Q2 thì chân S được nối ground, do đó điện áp kích VGS2 chỉ cần có
giá trị ∆V. Do đó việc đóng ngắt khóa low side (Q2) được điều khiển dễ dàng hơn.
Ở đây ta thiết kế mạch lái dùng IC lái IR2110.

Hình 2.13 Mạch lái
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 21

Sử dụng 2 IC lái IR2110, thứ tự các chân được nối như hình vẽ trên, nguồn cấp
cho nó là 5V và 15V, được tạo bởi IC ổn áp 7805 và 7815 đã nói đến ở trên. Các
đầu vào 10 và 12 được nối với đầu ra của mạch cách ly. Tụ C2 và C4 là các tụ
bootstrap. Đầu ra của giăm J1 và J4 được nối tới để điều khiển mạch lực.
Giới thiệu IC IR2110
IR2110 là loại IC chuyên dụng để lái MOSFET và IGBT của hãng IR
(International Rectifier). IC này có 1 kênh output (mỗi kênh gồm high side
và low side) có thể lái cho một nhánh của cầu bán dẫn.

2.2.3 Mạch điều khiển
Dùng vi điều khiển dsPIC33FJ12MC202 (đây là 1 loại vi điều khiển khá mạnh
và sẽ được trình bày rõ hơn ở phần sau).
Mạch điều khiển có nhiệm vụ phát ra xung điều khiển để điều khiển các khóa
bán dẫn của bộ nghịch lưu ba pha qua mạch cách ly và mạch lái.
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 22


Hình 2.14 Mạch điều khiển
Mạch gồm nguồn 3,3V cấp vào chân VDD và chân AVDD của vi điều khiển, bộ
tạo xung dao động thạch anh 7,37MHz được nối vào chân 9 và chân 10. Chân đọc
tín hiệu phản hồi ADC được nối vào chân 2. Các chân 4 (PGD1), chân 5 (PGC1),
chân MCLR dùng để nạp chương trình cho vi điều khiển. Các đầu ra của tín hiệu
PWM nằm ở các chân 23, 24, 25, 26.
2.2.4 Mạch cách ly
Các mạch phát ra tín hiệu để điều khiển mạch công suất bán dẫn phải được cách
ly về điện. Điều này có thể thực hiện được bằng mạch cách ly quang hoặc bằng
biến áp xung. Mạch cách ly là phần nối giữa mạch điều khiển và mạch lái.
Biến áp xung :

Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 23

Gồm một cuộn dây sơ cấp và có thể nhiều cuộn thứ cấp. Với nhiều cuộn dây
phía thứ cấp, ta có thể kích đóng nhiều transistor mắc nối tiếp hoặc song song. Biến
áp xung cần có cảm kháng tản nhỏ và đáp ứng nhanh. Trong trường hợp xung điều
khiển có cạnh tác động kéo dài hoặc tần số thấp, biến áp xung sớm đạt trạng thái
bão hòa và ngõ ra của nó không phù hợp yêu cầu điều khiển.
Cách ly quang (Opto):
Gồm nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode (IR-LED) và mạch thu dùng
phototransistor. Do đó thỏa mãn yêu cầu cách ly về điện, đồng thời đáp ứng của
opto tốt hơn máy biến áp xung.
Để đơn giản và tiện dụng, ta chọn phương án dùng opto. Với tần số đóng cắt cao
(10kHz), ta sử dụng cách ly quang 6n137.

Hình 2.15 Mạch cách ly
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 24

Mạch dùng 4 cách ly quang 6n137 được nuôi bằng nguồn 5V, đầu vào các cách
ly quang là các xung PWM đưa vào từ mạch điều khiển nhờ J2, 4 chân ra 7 sẽ đưa
vào mạch lái để lái MOSFET.
2.3 Tính toán mạch lọc thông thấp
2.3.1 Sự cần thiết của mạch lọc thông thấp
Khi thiết kế mạch nghịch lưu ta mong muốn điện áp đầu ra có tần số là 50Hz.
Do điện áp điều biến đầu ra của cầu nghịch lưu là tập hợp của các thành phần tần số
bậc nhất và bậc cao. Nên để có được điện áp đầu ra 50Hz ta phải loại bỏ đi thành
phần tần số bậc cao.

Để thực hiện điều này ta sử dụng mạch lọc thông thấp có dạng như dưới hình
vẽ, gồm hai thành phần L và C.
2.3.2 Tác dụng của C và L trong mạch lọc
Ta biết Z
L
= 2π.f.L , nên khi tần số f tăng, dẫn đến Z
L
tăng, hay nói cách khác
nó ngăn không cho những tần số bậc cao đi qua.
Tương tự
1
2. . .
C
Z
fC
, khi tần số tăng , dẫn đến Z
C
giảm, do Z
C
mắc song song
với tải nên nó có xu hướng cho thành phần bậc cao chạy qua và triệt tiêu nó.
2.3.3 Mô hình toán để tính toán giá trị L và C
Khi tính toán giá trị cuộn lọc và tụ lọc, do điện trở cuộn lọc rất nhỏ nên ta có thể
bỏ qua. Khi đó ta có mô hình mạch lọc:
Thiết kế bộ nghịch lưu cho hệ thống UPS có khả năng kết nối lưới

SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 25

u
vao

L
u
ra
Laplace
u
ra
u
vao
Ls
C
1/Cs

Hình 2.16 Biến đổi Laplace
Theo sơ đồ mạch ta có :
1
( ) ( . )
.
vao
u s I L s
Cs

1
( ) .
.
ra
u s I
Cs


2

1
()
.1
ra
vao
u
Ks
u LC s

Nên hàm truyền của mạch lọc có dạng như sau:
2
1
()
.1
Ks
LC s


22
11
()
( ) 1 1
Kj
LC j LC

Biên độ hàm truyền :
2
1
| ( ) |
|1 |

Kj
LC

Xét : L(ω)=20. log |K(jω)|
 L(ω) = - 20. log |1- LCω
2
|
Xét biểu thức : L(ω) = - 20. log |1- LCω
2
|