đề tài: thiết kế bộ nguồn dự phòng ups

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
Đồ án tốt nghiệp - 11 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu
hình 1.1 Lưu đồ thuật toán mô tả hạt động của UPS
Khi bắt đầu vận hành, vi điều khiển thực hiện kiểm tra điện áp lưới khi đó có
thể xảy ra các trường hợp sau:
Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng
Lớp : 06D4
Đồ án tốt nghiệp - 12 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu
- Trường hợp 1: Khi có điện áp lưới vi điều khiển ngắt mạch nghịch lưu ra
khỏi lưới, cho phép phần nạp acquy hoạt động để nạp điện cho acquy.
+ Nếu acquy điện áp acquy = 32v (lúc acquy đầy) : Ngắt mạch nạp
acquy để bảo vệ acquy không cho phóng điện khi đã đầy.
+ Nếu acquy điện áp acquy nằm trong khoản 28v đến 32v: Tiến hành
nạp acquy ở chế độ nạp ổn áp (nạp với điện áp không đổi)
+ Nếu acquy điện áp acquy <= 28v: Tiến hành nạp acquy ở chế độ

nạp ổn dòng (nạp với điện áp không đổi)
- Trường hợp 2: Khi không có điện áp lưới vi điều khiển cho phép mạch
nghịch lưu hoạt động, ngắt phần nạp acquy ra khỏi mạch
+ Nếu acquy đủ điện áp cấp cho mạch nghịch lưu(Uacquy >=20.5v):
Đóng rơle nối tải với mạch nghịch lưu cấp điện cho tải.
+ Nếu acquy không đủ điện áp cấp cho mạch nghịch lưu: Ngắt mạch
nghịch lưu nối tải để bảo vệ acquy không cho làm việc khi điện áp acquy giảm thấp
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
Đồ án tốt nghiệp - 13 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ĐIỀU
BIẾN ĐỘ RỘNG XUNG
2.1 Sự cần thiết của bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung.
Hiện nay có rất nhiều bộ nghịch lưu là những bộ nghịch lưu mà dạng sóng
của dòng điện hoặc điện áp đưa vào bộ nghịch lưu là những xung vuông hoàn
toàn hoặc xung có nhảy cấp mà ta định nghĩa chung là những bộ nghịch lưu
nhảy cấp. Bộ nghịch lưu nhảy cấp loại này có những thuận lợi và hạn chế nhất
định trong điều khiển và dạng sóng đầu ra. Thuận lợi chủ yếu là vấn đề điều
khiển, trong điều khiển, ở một chừng mực nhất định, thì kết cầu của mạch điều
khiển tương đối đơn giản, thời gian đóng cắt của van bán dẫn được cố định trong
một chu kì. Ta thấy ở cả hai bộ nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp thì trong
một nửa chu kì điện áp cơ bản đầu ra thì các van bán dẫn chỉ đóng cắt một lần
duy nhất, có thể nói rằng tần số đóng cắt của van bán dẫn bằng hai lần tần số của

sóng cơ bản bộ nghịch lưu,khả năng chuyển mạch của van bán dẫn yêu cầu
không cao, do vậy có thể dùng cho mạch công suất lớn vì các van bán dẫn công
suất lớn có tốc độ chuyển mạch thấp, các van công suất càng lớn thì tốc độ
chuyển mạch càng chậm. Bên cạnh ưu điểm trên thì bộ nghịch lưu nhảy cấp trên
bộc lộ một số nhược điểm, nhược điểm lớn nhất là khả năng sin hoá dòng điện
hoặc điện áp không cao. Do đóng cắt cung cấp cho tải những xung vuông nên
khi tải là đông cơ sẽ xuất hiện sóng hài bậc cao không mong muốn. Sóng hài
xuất hiện làm tổn hao trong mạch tăng lên và độ tinh chỉnh trong điều khiển
giảm. Khi tần số đầu ra yêu cầu càng thấp thì sóng hài xuất hiện càng nhiều và
khi tốc độ cận không thì hai bộ nghịch lưu dạng này mất khả năng kiểm soát tốc
độ, đặc biệt là bộ nghịch lưu nguồn dòng.
Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung ra đời khắc phục được nhược điểm
của hai bộ nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp trên. Dạng sóng đầu ra của bộ
nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) được điều
biến gần sin hơn, thành phần hài bậc cao được loại trừ đến mức tối thiểu, khả
năng điều khiển thích nghi theo mọi cấp điện áp và mọi tần số trong dải tần số
định mức. Bằng phương pháp PWM ta có 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 của nghịch lưu PWM.
Hai đại lượng cần phải quan tâm khi xem xét về PWM là: sóng mang và
sóng điều biên.
+ Sóng mang: Sóng mang là sóng tam giác có tần số rất lớn, có thể đến hàng
chục thậm chí hàng trăm kHz.
+ Sóng điều biên: Sóng điều biên là sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng
cơ bản đầu ra của bộ nghịch lưu. Sóng điều biên chính là dạng sóng mong muốn

ở đầu ra của mạch nghịch lưu.
Hình sau biểu diễn điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực. Chu kì
đóng mở được điều khiển sao cho bề rộng xung của các chu kì là cực đại ở đỉnh
sóng hình sin cơ bản.
Sóng tín hiệu
t
Ud
Hình 2.1. Điện áp ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực
Để ý rằng diện tích của mỗi xung tương ứng gần với diện tích dưới dạng
sóng hình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp. Các điều hoà của sóng
điều chế theo phương pháp PWM giảm rõ rệt theo 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
t
Ut
Ud
t
Đồ án tốt nghiệp - 15 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu
hình 2.2 Đồ thị xác định thời
điểm kích mở van.
Hình 2.3 : Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh
Khi điện áp điều khiển càng giảm thì bề rộng của xung càng giảm và độ
trống xung càng tăng, do vậy điện áp ra giảm. Vì vậy có thể điều khiển điện áp
đầu ra bằng điện áp điều khiển.
Hình 2.3 Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh tạo điểm kích mở

van bán dẫn. Phần sóng hình sin nằm phía trên xung tam giác sẽ tương ứng cho
xung ra có bề rộng b. Giảm biên độ sóng hình sin một nửa sẽ có xung có bề rộng
Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng
Lớp : 06D4
X
X/2
a
b
c
Sóng mangSóng tín hiệu
IGBT cao dẫnIGBT thấp dẫn
Một phần sóng sine chẩn
Một phần sóng sine
chẩn biên độ giảm 1/2
Đồ án tốt nghiệp - 16 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu
c. Xung sin có tần số nhỏ hơn nhiều tần số xung tam giác nên có thể coi như
trong một chu kì xung tam giác thì xung hình sin không thay đổi độ lớn, vì vậy
ta có c = b/2
Biên độ của điện áp điều biến ra không đổi nhưng bề rộng xung thay đổi,do
vậy điện áp trung bình đầu ra thay đổi và ta có biên độ điện áp sau bộ nghịch lưu
thay đổi. Cách điều chế tương tự cũng được xem xét cho phần âm của song sin
chuẩn. Bề rộng a trên hình vẽ ứng với giá trị cực đại của sóng sin. Điều đó đồng
nghĩa với biên độ cực đại của sóng sin chuẩn không lớn hơn xung tam giác.
Quá trình đưa xung có tần số cao vào sẽ tạo ra đóng cắt tần số lớn do vậy sẽ
làm tăng các điều hoà bậc cao. Nhưng ta có thể dễ dàng lọc ra điều hoà bậc thấp
và tần số cơ bản sin hơn. Bên canh đó động cơ là tải điện cảm nên dễ dàng làm
suy giảm các điều hoà bậc cao cả điện áp và dòng điện.
Số lần chuyển mạch nhiều trong một chu kì sóng tam giác dẫn tới tổn hao
đổi chiều trong thyristor của bộ nghịch lưu lớn. Để chọn bộ nghịch lưu có sóng
gần chữ nhật hoặc bộ nghịch lưu PWM phải chú ý đến giá thành bổ sung phần

tử chuyển mạch và tổn hao chuyển mạch, song song với điều đó phải tính đến
sóng cơ bản còn lại ở đầu ra.
2.3 Sin hoá PWM
Kĩ thuật sin hoá PWM được ứng dụng rất thông dụng trong công nghiệp.
Hình 2.2 trình bày nguyên lý cơ bản của PWM, trong đó một sóng mang chuẩn
hình tam giác được so sánh với thành phần tần số cơ bản của sóng điều biện
hình sin, điểm giao cắt của chúng đánh dấu điểm chuyển mạch của các phần tử
bán dẫn công suất. Những loạt xung vuông biến 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 Bá Quốc Dũng
Lớp : 06D4
Đồ án tốt nghiệp - 17 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu

: tần số sóng cơ bản( tần số điều biến).
Ф: góc lệch pha đầu ra, phụ thuộc vào độ dương của sóng đầu ra.
Hệ số điều biến được định nghĩa là :
(2.2)
V
P
: là biên độ của sóng điều biến
V
T
: là biên độ của sóng mang.
Lý tưởng thì m có thể biến đổi trong khoảng 0 và 1 thì có thể cho ta quan hệ
tuyến tính giữa điện áp điều tần và điện áp đầu ra. Khi giá trị m = 0 thì điên áp

đầu ra các xung hình vuông đối xứng với các khoảng trống. Khoảng trống được
định nghĩa là khoảng thời gian khoá của phần tử chuyển mạch Khi giá trị m
tiến dần tới 1, độ rộng của khoảng trống gần giữa của nửa chu kì sóng hình sin
giảm dần, độ rộng của xung điện áp tăng dần. Khi sự vận hành của bộ nghịch
lưu hoàn hảo, độ rộng xung và khoảng trống đạt tới giá trị nhỏ nhất được duy trì
cho chuyển mạch và phục hồi đóng cắt. Cũng giống như vậy, khoảng thời gian
trễ đóng cắt nhỏ nhất cũng được yêu cầu đối với quá trình đóng mở giữa hai
phần tử đóng cắt cao và thấp khi cả hai phần tử này cùng khoá. Khoảng thời
gian này đưa ra để loại trừ khả năng ngắn mạch van do quá trình trùng dẫn.
Dạng sóng đầu ra của PWM bao gồm thành phần sóng hài có tần số sóng
mang và sóng hài bậc cao tần số dải tần sóng điều biến. Tần số góc của sóng hài
có thể tính theo công thức :
(2.3)
- tần số sóng mang.
- tần số sóng điều biến.
M, N là những số nguyên 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
+V
DC
, -V
DC
. Tùy thuộc vào khi nào V
cont
, -V
cont
lớn hơn hay nhỏ hơn sóng tam

Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng
Lớp : 06D4
Đồ án tốt nghiệp - 18 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu
giác đặt V
tri
. Điện áp đầu ra của tải có dạng của V
cont
, và các sóng hài bậc cao
tùy thuộc vào hệ số điều chế m
f
. Ở đây, m
f
là tỉ số giữa tần số sóng điều chế tam
giác và sóng sin đặt.

Nguyên tắc của bộ khuếch đại là sự so sánh giữa giá trị ±V
cont
với sóng tam
giác V
tri
Nguyên tắc này được minh họa trong hình sau:
V
Cont
V
Tri
-V
Cont
U
t
Hình 2.4: Mô tả dạng sóng điều biên và sóng tam giác

Hình trên minh họa với m
a
=0,9, với m
a
là tỉ số biên độ của sóng điều khiển
và biên độ sóng điều biến.
Nguyên tắc để hoạt động của 4 khóa của bộ nghịch lưu cầu ( hình 2.5) được
thực hiên như sau:
V
con
>V
tri
, đóng công tắc A
+
, mở công tắc A
-
, vì thế điên áp tại a là V
a
= +Vdc
V
con
<V
tri
, mở công tắc A
+
, đóng công tắc A
-
, vì thế điên áp tại a là V
a
= -Vdc

-V
con
>V
tri
, đóng công tắc B
+
, mở công tắc B
-
, vì thế điên áp tại b là V
b
= +Vdc
-V
con
-V
tri
, mở công tắc B
+
, đóng công tắc B
-
, vì thế điên áp tại b là V
b
= -Vdc
Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng
Lớp : 06D4
Đồ án tốt nghiệp - 19 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu
A+
B+
+Vdc
A-
B-

Va
Vb
a
b
Hình 2.5: Sơ đồ cầu nghịch lưu H
Các Diode ngược mắc song song với các khóa chuyển mạch để xả dòng điện
ngược khi các khóa đang khóa.
Dạng áp ra của bộ nghịch lưu cầu được thể hiện như hình sau:
U
t
Hình 2.6: Áp ra trên tải ( V
tai
=V
a
-V
b
) với m
a
=0
Sóng ra trên tải bao gồm sóng cơ bản và sóng hài bậc cao với dải tần số
f
tri
± f
cont
, 2f
tri
± 3f
cont
, 2f
tri

± 5f
cont
, và các sóng khác với k=1,2,3
Ở đây f
tri
là tần số sóng tam giác, f
cont
là tần số sóng điều khiển. Dạng áp ra
của tải được thể hiện trên hình 2.7. với m
a
= 0.5 và hình 2.7 với m
a
=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
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
1.5
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1

-1.5
U
t
t
Hình 2.7: Áp ra trên tải ( V
tải
= V
a
–V
b
) khi m
a
=0.5
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2

2
U
t
t
Hình 2.8: Áp ra trên tải( V
tai
=V
a
-V
b
) khi m
a
=1.5
Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng
Lớp : 06D4
Đồ án tốt nghiệp - 21 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu
Từ hình 2.7 và 2.8 ta thấy khi hệ số m
a
tăng lên, độ rộng của xung điên áp ra
của tải tăng lên về chiều rộng và do đó trị hiệu dụng điện áp
tải cũng tăng lên.
Bảng2.1.Hệ số điện áp hiệu dụng của các sóng hài với
các hệ số ma khác nhau.
Với 2f
tri
>> f
cont
Freqyency m
a
= 0.2 m

a
= 0.4 m
a
= 0.6 m
a
= 0.8 m
a
= 1
f
cont
0.200 0.400 0.600 0.800 1.000
2f
tri
± f
cont
0.190 0.326 0.370 0.314 0.181
2f
tri
± 3f
cont
0.024 0.071 0.139 0.212
2f
tri
± 5f
cont
0.013 0.033
4f
tri
± f
cont

0.163 0.157 0.008 0.105 0.068
4f
tri
± 3f
cont
0.012 0.070 0.132 0.115 0.009
4f
tri
± 5f
cont
0.034 0.084 0.119
4f
tri
± 7f
cont
0.017 0.050
Qua bảng trên ta thấy sóng điên áp trên tải gồm các sóng điện áp cơ bản có
tần số bằng tần số sóng điều khiển V
cont
, và các sóng hài bậc cao có tần số
Khi m
a
<=1, trị hiệu dụng điện áp các sóng hài được tính bằng công thức sau:
(2.4)
k
i
là các hệ số cho trong bảng.
Hình 3.9 Thể hiện trị hiệu dụng của các thành phần điện áp cơ bản có tần số
f
cont

khi thay đổi hệ số điều chế m
a
. Qua đó ta thấy rằng, giá trị hiệu dụng của
thành phần cơ bản nằm trong 3 vùng:
+ Trong đoạn tuyến tính ( m
a
<=1): trị hiệu dụng của thành phần cơ
bản tỉ lệ với m
a
theo công thức:
(2.5)
+ Đoạn quá điều chế( m
a
>1): trị hiệu dụng thành phần cơ bản tăng
lên khi ma tăng lên nhưng không tuyến tính với ma.
+ Đoạn bảo hòa( m
a
>1): trị hiệu dụng thành phần cơ bản không tăng
lên nửa mặc dù tăng m
a
lên.
Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng
Lớp : 06D4
V
1rms
Đồ án tốt nghiệp - 22 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu
Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng
Lớp : 06D4
m
a

Hình 2.9 Trị hiệu của thành phần điện áp cơ bản khi thay đổi hệ số điều chế ma.
Đồ án tốt nghiệp - 23 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ ACQUY VÀ MỘT SỐ
PHƯƠNG PHÁP NẠP ACQUY
3.1 Acquy
Acquy là một dụng cụ điện dùng để biến đổi điện năng của dòng điện một chiều
thành hóa năng (khi nạp điện) và ngược lại biến đổi hóa năng thành điện năng (khi
phóng điện).
Năng lượng điện được sử dụng trong đời sống sản xuất và sinh hoạt có hai dạng:
điện xoay chiều và điện một chiều.
Điện xoay chiều được sản xuất ra từ các máy phát điện xoay chiều hay từ bộ
biến đổi áp một chiều thành xoay chiều. Còn điện một chiều được sản xuất ra từ
nhiều nguồn khác nhau, ví dụ từ các máy phát điện một chiều, từ các bộ biến đổi
xoay chiều thành một chiều, hoặc từ bộ nguồn hóa học như Pin, Acquy.
Acquy là nguồn điện một chiều được sử dụng khá rộng rãi bởi tính chất linh
hoạt và thuận tiện của nó, một số ứng dụng có thể kể đến của Acquy như là:
Cung cấp điện cho hệ thống điều khiển như: báo cháy, báo sự cố, đèn, còi, các
bảng điều khiển, các cơ cấu tự dùng quan trọng…
Chúng còn là nguồn điện dự phòng để cung cấp đóng cắt máy cắt, khởi động
máy phát khi bị mất điện toàn bộ trong nhà máy hay khi điện lưới bị sự cố.
Khi cần có nguồn điện khẩn cấp trong một khu vực xác định chẳng hạn như
cung cấp hệ thống chiếu sáng cho một khu thương mại mà nhu cầu điện năng trong
khu vực đó có yêu cầu tương đối cao, hoặc cung cấp nguồn cho hệ thống máy tính
có yêu cầu cao về cung cấp điện thì có thể sử dụng các bộ acquy làm nguồn điện dự
phòng.
Có thể thấy Acquy có nhiều ứng dụng rất quan trọng ở cả quy mô sản xuất công
nghiệp lẫn cả trong đời sống sinh hoạt của xã hội.
Acquy được xem là nguồn thao tác tin cậy nhất vì sự làm việc của chúng không
phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài và đảm bảo cho các thiết bị làm việc tốt ngay
cả khi 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 làm hai loại :
- Acquy axít
- Acquy kiềm
Trong công nghiệp phần lớn sử dụng acquy axít còn acquy kiềm thường dùng
trong lĩnh vực quân sự, ít dùng trong lĩnh vực kinh tế do giá thành cao.
Acquy axít thì có hiệu suất làm việc cao, nội trở nhỏ do vậy mà dòng điện acquy
cung cấp có trị số lớn, bên cạnh đó acquy axít bị hạn chế về độ bền và thời gian sử
dụng.
Acquy kiềm có hiệu suất làm việc thấp, điện trở nội khá lớn, độ bền và tuổi thọ
của acquy kiềm cao hơn 4÷5 lần so với acquy axít, nhưng giá thành của nó gấp 2 ÷
3 lần acquy axít, ngoài ra nó không độc hại cho môi trường.
3.1.2 Cấu tạo của acquy
3.1.2.1 Cấu tạo của acquy axít chì:
Các bộ phận chủ yếu của acquy axít chì là: Vỏ acquy, các tấm cực dương và âm,
nắp và cầu tiếp.
3.1.2.1.1 Vỏ bình
Vỏ bình acquy được làm bằng nhựa cứng đúc liền hay bằng ebonic chống được
axít. Vỏ bình có các vách ngăn tạo thành các ngăn riêng cho từng acquy đơn. Ở đáy
vỏ bình có các yên, các tấm cực đặt lên yên để khỏi bị ngắn mạch do cặn chất hoạt
tính lắng đọng ở đáy bình. Ngoài ra người ta có thể lắp thêm các quai ở vỏ bình để
khi di chuyển dễ dàng.
3.1.2.1.2 Tấm bản cực và khối bản cực
Các tấm cực làm bằng hợp kim chì và antimony. Antimony (6 ÷8%) có tác dụng
làm tăng độ cứng cho các tấm cực. Các tấm cực có xương dọc và ngang tạo thành

những ô chất hoạt tính được nhồi vào các ô đó và tham gia trực tiếp vào các quá
trình hóa học trong thời gian nạp và phóng điện. Chất hoạt tính của tấm cực dương
là điôxít chì, của tấm cực âm là chì xốp. Chất hoạt tính được chế tạo có nhiều lỗ
rỗng nhỏ li ti. Để tăng thêm diện tích tiếp xúc giữa chúng với dung dịch điện phân.
Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng
Lớp : 06D4
Đồ án tốt nghiệp - 25 - GVHD: Th.S Trần Thái Anh Âu
Để tăng số lượng chất hoạt tính cùng tham gia đồng thời vào các quá trình hóa
học và giảm bớt sức cản trong các acquy được lắp nhiều tấm cực cùng tên được nối
song song với nhau tạo thành một chùm cực, mỗi chùm cực đặt vào một ngăn.
Các tấm cực dương trong chùm cực phải ít hơn các tấm âm một tấm, vì các tấm
cực dương được đặt vào giữa các tấm cực âm, bố trí như vậy sẽ đảm bảo sử dụng
được cả hai mặt của các tấm cực dương. Nếu trong phản ứng hóa học mà chỉ một
mặt tấm cực dương tham gia thì tấm cực sẽ chóng bị hỏng.
3.1.2.1.3 Tấm cách
Tấm cách được lắp lồng vào giữa các tấm cực khác tên để ngăn ngừa các tấm
cực chạm vào nhau làm ngắn mạch. Tấm cách là một tấm lót chế tạo bằng nhựa
xốp, thủy tinh hay gỗ. Để các quá trình hóa học được tiến hành bình thường khi nạp
và phóng, dung dịch điện phân phải thấm qua được các tấm cách.
3.1.2.1.4 Nắp đậy
Nắp đậy acquy ở phía trên để không cho bụi bẩn và các chất khác rơi vào acquy,
đồng thời ngăn không cho dung dịch điện phân trào ra ngoài. Trên nắp có các lỗ để
đổ và kiểm tra dung dịch điện phân và để cho trụ cực luồn qua. Lỗ đổ dung dịch có
nút vặn chặt, ở nút có lỗ thông hơi. Lỗ thông hơi ở nắp một số bình acquy có khi
chế tạo riêng biệt.
3.1.2.1.5 Dung dịch điện phân
Dung dịch điện phân là hỗn hợp axít sunphuric (H
2
SO
4

) và nước cất (H
2
O) được
pha theo một tỷ lệ nhất định.
3.1.2 Nguyên lý làm việc của acquy
Acquy là nguồn điện một chiều hóa học dựa trên quá trình điện hóa biến đổi
thuận nghịch khi acquy nạp điện thì điện năng sẽ biến thành hóa năng, còn khi
acquy phóng điện thì hóa năng biến thành điện năng.
Vì có tổn thất năng lượng nên khi acquy phóng điện thì năng lượng không trả lại
đầy đủ năng lượng mà acquy đó nhận được khi nạp điện.
3.1.2.1 Nguyên lý làm việc của acquy axit chì
Nếu chúng ta nhúng hai tấm cực vào axít sunphuric loãng, lúc này trên các tấm
cực sẽ sinh ra một lớp chì sunphat (PbSO
4
). Nếu cho dòng điện một chiều chạy vào
Đề tài: Thiết kế bộ nguồn dự phòng UPS SVTH: Nguyễn Bá Quốc Dũng
Lớp : 06D4