Thiết kế bộ UPS phần nghịch lưu

Nhiệm vụ thiết kế
1. Nhiệm vụ thiết kế.
Thiết kế bộ UPS phần nghịch lu với các thông số sau:
Điện áp nguồn 220V, 50Hz ( 10%)
Công suất 15kVA
Thời gian lu điện 10 phút.
2. Nội dung:
- Tính toán lựa chọn các thiết bị mạch động lực (dùng Transitor IGBT)
- Thiết kế sơ đồ điều khiển van nghịch lu.
3. Các bản vẽ:
- Sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển.
- Các biểu đồ thời gian.
Đồ án môn học Điện tử công suất
Tài liệu tham khảo
1. PGS. TS. Nguyễn Trọng Thuần - Điều khiển logic và ứng dụng - Nhà
xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000.
2. Điện tử công suất - Nguyễn Bính.
3. Vi mạch và mạch tạo sóng - Tống Văn On.
4. Master Replacement Guide (ECG is ISO - 9002 register).
- 2 -
Đồ án môn học Điện tử công suất
Chơng i
Giới thiệu về bộ ups
1. Giới thiệu chung
Một nguồn điện tốt sẽ đảm bảo khả năng làm việc liên tục và có độ tin
cậy cao đặc biệt là đối với các thiết bị, các hộ tiêu thụ điện nhạy cảm nh: hệ
thống mạng máy tính, các đài phát thanh, các trạm thông tin liên lạc, hệ thống
chiếu sáng sân bay và các hệ thống quan trọng khác. Đối với hệ thống nhạy
cảm về điện này, việc xảy ra một sự cố nhỏ có thể gây ra những thiệt hại lớn về
chính trị và kinh tế.
Hệ thống lu điện chuyển đổi tĩnh đợc thiết kế để cung cấp cho các thiết

bị nhạy cảm một điện áp ổn định, liên tục, thoát khỏi những nhiễu loạn đờng
điện nh sự gián đoạn điện thế tức thời
Hệ thống lu điện với dự trữ năng lợng trong pin (ắc quy) sẽ tiếp tục cung
cấp năng lợng điện cho tải trong một khoảng thời gian, khoảng thời gian này th-
ờng đủ cho ngời dùng thực hiện những hành động cần thiết và tránh những hậu
quả xấu đối với thiết bị. Vì vậy ngày nay UPS có mặt trong tất cả các hệ thống
điện.
ii. phân loại hệ thống lu điện
* Nguyên lý hoạt động của thiết bị lu điện.
UPS là một thiết bị nguồn, có nguồn đầu vào đợc nối với lới điện, đầu ra
nối với thiết bị tiêu thụ điện. Bên trong UPS có một bộ ắc quy dùng để dự trữ
năng lợng. Khi có điện lới nó cấp điện thẳng từ điện lới cho thiết bị. Khi mất
điện lới nó sẽ đa điện từ ắc quy lên. Mục đích là để cho hoạt động của thiết bị
điện không bị gián đoạn.
Các khâu chức năng của UPS.
- Chỉnh lu/nạp điện
- 3 -
Đồ án môn học Điện tử công suất
- Nghịch lu
- ắc quy
Trong khuôn khổ đề tài là Thiết kế phần nghịch lu của bộ UPS nên em
chỉ đi sâu về phần này.
Khối nghịch lu: Cấu tạo bởi các van điện tử (bằng các quy luật đồng mở
sẽ tạo ra điên áp xoay chiều gần sin có tần số 50Hz) biến đổi nguồn điện một
chều từ ác quy cung cấp cho tải. UPS này khối nghịch lu đợc lắp song song với
lới và không tham gia vào bất kỳ hoạt động nào khi lới ổn định.
Khi nguòn xảy ra sự cố mất điên, thì lúc này tải đợc ngắt ra khỏi lới điện
và nối tới nghịch lu bắt đầu hoạt động biến đổi điện áp một chiều từ ác quy sang
xoay chiều cung cấp cho tải.
iii. sơ đồ cấu trúc nguồn lu điện dự phòng

Trong đồ án này nhiệm vụ thiết kế một nguồn cấp điện dự phòng hoạt
động ở chế độ chờ có khả năng cung cấp một công suất thiết kế là 15kVA đảm
bảo độ ổn định dòng điện áp trong thời gian gián đoạn cấp điện khi nguồn điện
lới bị mất, điện áp này là mức điện áp bình thờng của mạng điện 220V/50Hz độ
dao động 10%. Thời gian cấp điện có thể duy trì đợc trong khoảng 10 15
phút là khoảng thời gian cần thiết để khởi động máy phát dự phòng.
1. ắc quy.
Là nơi tích trữ năng lợng điện một chiều để cung cấp nguòn cho bộ
nghịch lu khi mất nguồn điện lới. Tham gia cấp điện của bộ nghịch lu do dung
lợng của ắc quy quyết định.
2. Bộ nghịch lu.
Biến đổi điện áp một chiều lấy từ nguồn ắc quy thành điện áp xoay chiều
1 pha. Bộ nghịch lu đợc đấu song song với lới và chỉ hoạt động khi nguồn vào
chính có sự cố.
3. Bộ điều khiển nghịch lu.
- 4 -
Đồ án môn học Điện tử công suất
Có nhiệm vụ điều khiển thời gian dẫn dòng của các van trên bộ nghịch lu
để tạo ra diện áp xoay chiều có độ ổn định cao cấp cho phụ tải.
4. Khoá chuyển mạch.
Có chức năng đóng hoặc cắt để chuyển chế độ làm việc của hệ thống
cung cấp điện áp từ nguồn điện lới sang nguồn điện dự phòng lu điện và ngợc
lại.
- 5 -
Đồ án môn học Điện tử công suất
Chơng ii
Thiết kế mạch lực của bộ lu điện
i. thiết kế mạch lực của bộ nghịch lu
I.1. Lựa chọn sơ đồ nghịch lu.
Trong các bộ nguồn lu điện nghịch lu thực hiện chức năng chính là lấy

điện từ ắc quy cho thiết bị khi mất điện nguồn.
Ngời ta thờng sử dụng một trong hai bộ nghịch lu đó là:
+ Nghịch lu nguồn dòng
+ Nghịch lu nguồn áp.
Trong khuôn khổ đề tài là thiết kế bộ nghịch lu nguồn áp và phần mạch
lực dùng transistor IGBT nên chúng ta sẽ đi sâu về phần này.
Ngày nay, trong các bộ lu điện nguồn ta thờng sử dụng các van bán dẫn
trong sơ đồ nghịch lu là transistor IGBT, bởi nó có nhiều tính u việt nh tốc độ
chuyển mạch nhanh. Công suất điều khiển yêu cầu rất nhỏ. Việc sử dụng các
transistor IGBT làm đơn giản đáng kể việc thiết kế các bộ biến đổi và làm cho
kích thờc của hệ thống điều khiển ngày càng thu nhỏ.
Từ yêu cầu của đề tài ta chọn sơ đồ nghịch lu là sơ đồ nghịch lu một pha
nguồn áp dùng transistor IGBT. Với sơ đồ này ta có thể nâng cao đợc chất lợng
điện áp đầu ra của bộ nghịch lu bằng phơng pháp điều biến độ rộng xung để vừa
điều khiển đợc điện áp ra và vẫn giảm nhỏ đợc ảnh hởng của sóng hài.
- 6 -
Đồ án môn học Điện tử công suất
I.2. Sơ đồ nghịch lu 1 pha nguồn áp dùng transistor IGBT.
T
1
d
1
T
4
d
4
T
3
d
3

T
2
d
2
U
Phụ tải
II.1.3. Tính chọn van cho bộ nghịch lu.
Bộ nghịch lu đợc thiết kế để cung cấp cho tải có công suất tối đa là
1,5kVA. Giả sử hiệu suất của bộ nghịch lu là 0,80 thì công suất vào bộ nghịch
lu là.
3
1
S 15.10
S VA 18750VA
0,80 0,80
= = =
Giá trị dòng điện phóng của ắc quy là:
(Do điện áp từ ắc quy tới ta chọn 240V)
( )
1
p ng
S
18750vA
I I 78,5 A
E 240vA
= = =
Dòng điện trung bình qua van bộ nghịch lu là:
tbv t
1
I I sin tdt 51

2

0
= 2


- 7 -
Đồ án môn học Điện tử công suất
Điện áp mỗi van phải chịu:
( )
CE
U E 240 V= =
Chọn hệ số an toàn về dòng cho van là: k
1
= 1,4
Hệ số an toàn về điện áp cho van là: k
u
= ,12
Khi đó dòng điện trung bình qua van lớn nhất là:
I
vmax
= I
tbv
. 1,4 = 51 (A) x 1,4 = 71,4 (A)
Điện áp đặt lên van lớn nhất là:
U
CE
=U
CE
. 1,2 = 240 . 1,2 = 288 (V)

Chọn van transistor IGBT loại ký hiệu ECG3328 của PHILIPS chế tạo có
thông số nh sau:
I
cmax
U
CEbh
U
CEmax
u
GEmax
U
CE
t
on
t
off
I
GE
80A 6V 400v
20V
80ns 400ns 1mA
Tính chọn diod cho bộ nghịch lu.
Diod đệm cho bộ nghịch lu phải chịu đợc điện áp ngợc bằng giá trị điện
áp lớn nhất đặt lên mỗi van. Dòng điện mà diot chịu đợc cũng bằng dòng điện
lớn nhất chạy qua van do đó U
ngmax
= 144V
Căn cứ vào các thông số của van ta chọn loại diot là loại ECG6064 do
PHILIPS chế tạo có thông số nh sau:
I

tb
U
ngmax
U
85A 400V 0,7V
- 8 -
Đồ án môn học Điện tử công suất
Chơng iv
Thiết kế mạch điều khiển nghịch lu.
i. giới thiệu nguyên tắc điều biến độ rộng xung
Điện áp xoay chiều đợc tạo ra từ bộ nghịch lu là điện áp không có dạng
hình sin nh mong muốn mà chỉ có dạng gần hình sin chữ nhật hoặc gần nh chữ
nhật có chứa rất nhiều trạng thái làm ảnh hởng đến chất lợng điện áp đầu ra cấp
cho tải.
Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh đợc điện áp ra mà vẫn
giảm nhỏ đợc sở hữu của các sóng hài bậc thấp.
Để làm đợc điều đó có rất nhiều biện pháp thực hiện nh: sử dụng bộ lọc
LC. Nh vậy, trọng lợng và giá thành của thiết bị biến tần sẽ cao. Vì vậy, phơng
pháp điều biến độ rộng xung PWM Pulse Width Modulation có thể đáp
ứng đợc yêu cầu trên hiệu quả nhất.
Điều biến độ rộng xung có nguyên lý cơ bản sau:
Tạo một sóng dạng hình sin U
m
đợc gọi là sóng điều biến (xung mẫu) có
tần số lớn hơn nhiều tần số sóng điều biến thờng là bội ba (từ 1 10Khz).
Dùng một khâu so sánh 2 tín hiệu U
m
và U
p
, từ các giao điểm của 2 sóng

này ta xác định đợc khoảng tác động của xung điều khiển thyristor hoặc
transistor công suất (góc chuyển mạch). Nếu sóng tam giác có tần số càng lớn
thì độ mịn của điện áp đầu ra càng cao, chất lợng đảm bảo bởi theo yêu cầu của
phụ tải.
- Điều biến độ rộng xung đơn cực.
Điện áp trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và E
- 9 -
Đồ án môn học Điện tử công suất
- Điều biến độ rộng xung lỡng cực.
Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số E.
Tỷ số giữa biên độ sóng điều biên và biên độ sóng mang, ký hiệu là M đ-
ợc gọi là hệ số điều biến.
Khi ta điều chỉnh độ lớn Am cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung. Khi
M = 1 thì điện áp ra tải có biên độ là lớn nhất và muốn giảm nhỏ điện áp ra thì
ta giảm nhỏ Am.
I.1. Điều chế độ rộng xung đơn cực 1 pha.
Transistor T
1
đợc kích mở bởi xung chùm, trong nửa chu kì dơng của
sóng điều biến U
p
, còn transistor T
4
trong nửa chu kỳ am của U
v
.
Dòng tải i, chậm pha so với điện áp tải U, trong khoảng U và i khác dấu,
dòng tải nguồn e qua 2 diốt.
Trong khoảng U = 0, thì dòng tải chảy qua một transistor của nhánh này
và một điốt của nhánh khác, tải bị ngắn mạch, dòng điện nguồn i

s
= 0.
Sóng hài trong điện áp tải. Nếu chuyển gốc toạ độ sang 0, điện áp tải U
là một hàm chu kì lẻ. Khai triển Fourier của nó chỉ chứa các thành phần sóng
sin.
Biên độ của sóng hài đợc tính theo công thức.
( )
m
0
2
U E sin d

=


Khi n = 1 thì
[ ]
2 4 5 4 2
m
1 3 5 3 1
m
2m
2E
U sin d sin d sin d sin d sin d
4E
U cos 1 cos 2 cos 3 cos 4 cos 5
U 0

= + + + +



= + +

=

Khi n = 3.
- 10 -
Đồ án môn học Điện tử công suất
( )
( )
( )
( )
( )
3 3 3 2
3 2 3
3m
3 1 3 3 3 3 1
2E
U sin .d sin .d sin .d sin .d sin .d
2
5 4
4
3 6 3

= + + + +

[ ]
3m
4E
U cos3 1 cos3 cos3 cos3 cos3
3
= 2 + 3 4 + 5

Biên độ sóng hài có dạng tổng quát nh sau:
( )
k
i 1cos n 1
m
1
4E
U 1
n

=


Trong đó: n = 1, 3, 5

i
là góc chuyển trạng thái, i biến thiên từ 1 đến k

k
là góc chuyển trạng thái cuối cùng trớc /2

Nh vậy, đối với điều biến độ rộng xung đơn cực, để điện áp tải không
chứa các sóng hài bậc 3, 5 và 7 cần phải có.
( )
( )
( )
i 1
3m
1....k
i 1
5m
1....k
i 1
7m
1....k
4E
U 1 cos3 1 0
3
4E
U 1 cos5 1 0
4E
U 1 cos7 1 0



= =

= =
5
= =
7

* Điều biến độ rộng xung lỡng cực.
Tỷ số điều biến M > 1, các transistor đợc điều khiển từng cấp T
1
, T
3
và
T
2
, T
4
. Nguồn E luôn luôn đợc nối với tải, thông qua hoặc T
1
, T
3
và T
2
, T
4
. Do
đó điện áp gồm 1 chuỗi xung, đô rộng khác nhau, không có những khoảng u =
0.
* Sóng hài trong điện áp tải.
Nếu chuyển gốc toạ độ sang 0, dễ thấy rằng điện áp tải có dạng hàm chu
kỳ lẻ, chỉ chứa các thành phần sin.
- 11 -