Báo cáo Đồ án tốt nghiệp: bộ biến đổi UPS

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay trong các nhà máy công nghiệp hiện đại, các thiết bị điện tử
công suất ngày càng được sử dụng nhiều. Việc thay thế các thiết bị điện động
có tiếp điểm và kích thước lớn bằng các phần tử tĩnh không có tiếp điểm, kích
thước nhỏ gọn, công suất lớn đã làm cho các thiết bị máy móc công nghiệp
phát triển lên một tầm cao mới. Đó là nhiệm vụ của điện tử công suất.
Sinh viên ngành tự động hóa không thể không biết về điện tử công suất
nên việc học điện tử công suất là hết sức cần thiết. Trong quá trình học tập ở
trên lớp do thời gian có hạn nên không thể tìm hiểu được nhiều về môn học
quan trọng này, chính vì vậy làm đồ án tốt nghiệp về điện tử công suất sẽ làm
chúng em hiểu thêm về môn học cũng như các bài toán thực tế.
Bộ nguồn liên tục UPS là một trong những ứng dụng quan trọng của điện
tử công suát. Bộ nguồn liên tục UPS sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất
làm chức năng chỉnh lưu và nặp Ắc Quy để tích trữ điện năng khi làm việc
bình thường. Khi có sự cố bộ ngịch lưu làm nhiệm vụ biến đổi điện năng một
chiều tích lũy trong tụ thành điện năng xoay chiều cung cấp cho tải. Chính vì
vậy nhận thấy được tầm quan trọng và ứng dụng thực tế của bộ biến đổi UPS
trong đời sống và sản xuất nên nhóm em đã chọn đề tài nghiên tài này để làm
đồ án tốt nghiệp. Toàn bộ bài đồ án được chia làm 5 chương.
Chương I : giới thiệu tổng quan về UPS (uninterruptible power system)
Chương II : Tính toán và lựa chọn bộ Ắc Quy cho nguồn UPS.
Chương III : Giới thiệu tổng quan về các van bán dẫn.
Chương IV : Tổng quan về nghịch lưu.


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Chương V : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển.

Trong quá trình làm đồ án này chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân
thành tới thầy giáo hướng dẫn chúng em: Ths……………… và các thầy cô
giáo trong khoa đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.
Trong quá trình thực hiện làm đồ án, mặc dù chúng em đã rất cố gắng
song không thể tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm nhất định. Chúng em rất
mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô trong khoa .Em xin chân
thành cảm ơn!

Hà Nội ngày 20 tháng 6 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Lương Xuân Hương
Hoàng Văn Hưng
Hoàng Đình Trung

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

2

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ UPS
( uninterruptible power system )
1. Giới thiệu chung về UPS
* Sơ đồ đấu UPS:

Hình 1.1 Hình dạng UPS, sơ đồ đấu UPS

1.1. Cung cấp năng lượng điện cho những tải nhạy cảm
1.1.1. Sự cố nguồn năng lượng điện
Sự cố trong các nguồn năng lượng điện có thể xẩy ra trong quá trình lắp
đặt trang thiết bị hoặc ở đầu vào hệ thống (quá tải, nhiễu, mất cân bằng pha,
sấm 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 một điện áp
hình sin vơi biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (220V50Hz chẳng hạn).
Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnh
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:

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

3

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

• Hiện tượng nhiễm điện ở bầu khí quyển (thường không tránh khỏi).
Điều này có thể ảnh hưởng đến đường dây ngoài trời hoặc cáp chôn, 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 điện áp
rơi 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 thể
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…
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

4

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10

Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Sự cố có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là làm gián đoạn
việc cung cấp điện, nhất là hệ thống dữ liệu của máy tính và trong quá trình
sản xuất.

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 con người
• An toàn cho thiết bị, nhà xưởng
• Mục tiêu vận hành kinh tế
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

1.2. Những chức năng của UPS
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.

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

5

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

- Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từ
nhạy cảm (chẳng hạn: GALAXY-sai số cho phép của biên độ ± 0,5 %, tần số
± 1 %)
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.

2. Sơ đồ cấu trúc của UPS:
Lưới

Biến
áp vào

Chỉnh
lưu

Bộ lọc

Nghịch
lưu

BiếnTải
áp ra

Bộ
Ăcqui
ĐK
CL

ĐK
NL
Nguồn

Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc của UPS
- Chức năng của các khối:
1. Biến áp vào:
 Hạ áp từ điện áp lưới xuống điện áp thích hợp để đưa vào bộ
chỉnh lưu.
 Cách ly giữa hệ thống và lưới, chống ngắn mạch nguồn.
2. Chỉnh lưu: tạo ra điện áp 1 chiều dùng cho việc nạp ắc quy và đưa tới
bộ nghịch lưu
3. Bộ lọc: San phẳng điện áp ra từ bộ chỉnh lưu để đưa đến bộ nghịch lưu
nhằm nâng cao chất lượng điện áp ra ở đầu ra nghịch lưu.

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

6

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10

Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

4. Nghịch lưu: biến điện áp một chiều lấy từ đầu ra của nghịch lưu thành
điện áp xoay chiều tần số f cấp cho tải. Đây là khối quan trọng nhất của bộ
UPS
5. Biến áp ra: tăng điện áp ra từ bộ nghịch lưu lên phù hợp theo yêu cầu
của tải.
6. nạp Ắc quy: Dùng để điều khiển việc nạp Ắc quy. Khi có điện Ắc quy
là nơi tích trữ năng lượng. Khi đó dưới sự điều khiển của mạch điều khiển
nạp thì Ắc quy được nạp. Khi điện áp trên Ắc quy tăng đến một mức nào đó
thì mạch điều khiển sẽ cắt việc nạp Ắc quy.
7. Ắc Quy: là nơi tích trữ năng lượng khi có điện áp nguồn và là kho
cung cấp năng lượng cho các phụ tải khi lưới điện bị mất. Thời gian duy trì
điện của UPS phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng của Ắc quy. Trên thị
trường Ắc quy dùng cho UPS phổ biến nhất là loại 12 V/7 Ah và 6 V/7 Ah.
Khi thiết kế tùy theo điện áp mà ta có thể mắc nối tiếp các Ắc quy để được
điện áp nguồn 24 ÷ 48 V. Việc sử dụng nguồn cấp có điện áp cao sẽ giảm
được dòng tiêu thụ và tăng hiệu suất của nguồn UPS song nó sẽ làm tăng kích
thước của nguồn.
8. Điều khiển chỉnh lưu: Điều khiển góc mở của các thyristor trong mạch
chỉnh lưu sao cho điện áp ra sau chỉnh lưu ổn định theo yêu cầu.
9. Điều khiển nghịch lưu: Điều khiển thời gian dẫn của các van hợp lý
sao cho điện áp cung cấp cho tải là không đổi hoặc thay đổi rất nhỏ. Mạch
điều khiển này đóng vai trò quan trọng như một bộ ổn áp hoạt động song song
với bộ nghịch lưu.
10. Nguồn: dùng để cung cấp các mức điện áp khác nhau cho 2 bộ điều
khiển chỉnh lưu và nghịch lưu.

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

7

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

3.Phân loại UPS
Dựa theo nguyên lý làm việc hiện nay có ba loại UPS phổ thông: UPS
offline (đơn thuần), UPS - offline công nghệ Line interactive, UPS online.
(ngoài ra còn hai loại khác nữa là: UPS tĩnh, UPS quay chúng không sử dụng
nguyên lý như loại UPS phổ thông dùng trong dân dụng nên ít được nhắc tới).

3.1. UPS offline

Hình 1.3. sơ đồ nguyên lý UPS offline
Ở trên hình 1.3. thể hiện hai trạng thái làm việc của UPS offline thông
thường.
 Ở trạng thái lưới điện ổn định thì tải 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 (cao quá,thấp quá), 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 (UPS) thuộc loại chất lượng thường hay
công suất thấp, có khả năng tích tụ 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
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

8

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

của UPS đã gây dừng hoạt động của PSU. Rất nhiều người đã gặp điều này
nhưng lại đổ lỗi cho PSU của họ - và họ có thể mang đi bảo hành rồi lại bị trả
lại bởi vì kĩ thuật viên nơi bán hàng đã kiểm tra và thấy chúng chẳng bị làm
sao cả.
Cũng qua sơ đồ, ta thấy rằng UPS offline không có công dụng ổn áp khi
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 rơle (phần bypass trong sơ đồ trên).

3.2. UPS offline với công nghệ Line interactive

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý UPS offline với công nghệ Line interactive

Khắc phục nhược điểm của loại UPS offline thông thường là loại UPS
offline với công nghệ Line interactive. Do sự tích cực hơn trong nguyên lý
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

9

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

hoạt động nên chúng thường có giá thành cao hơn so với UPS offline thông
thường.So với sơ đồ nguyên lý UPS offline thông thường ta thấy: Phần nhánh
Ắc quy và inverter không thay đổi, chỉ có phía nhánh cung cấp điện cho thiết
bị tiêu thụ lẽ ra được nối trực tiếp thì lại nối thêm qua một phần nữa
(boost/buck) có kí hiệu như trên hình vẽ.
Theo hình phía trên ta nhận thấy rằng nhánh cung cấp điện trực tiếp cho
thiết bị tiêu thụ được thông qua một biến áp tự ngẫu. Ở dây có các trường hợp
sau:
• Trong trường hợp điện áp cấp vào UPS bình thường, có nghĩa là chúng
xấp xỉ thông số đầu ra ở lưới điện 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 như 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 cao hơn so với

thông số chuẩn thì trường hợp này cúng giống như khi điện áp thấp hơn so
với điện áp thấp.
• Trong trường hợp mất điện lưới UPS offline với công nghệ Line
interactive sẽ chuyển các mạch giống như UPS thông thường: Tức là chúng
ngắt nhánh đi qua biến áp tự ngẫu và chuyển sang sử dụng nhánh Ắc quy với
inverter.
Qua đó ta thấy rõ ràng UPS offline với công nghệ Line interactive này
tiến bộ hơn UPS offline truyền thống: Chúng có thể ổn định điện áp so với
việc không có một chút chức năng ổn áp nào của UPS offline truyền thống.
Máy biến áp tự ngẫu chuyển mạch bằng rơle. Rơle này do các mạch UPS điều
khiển chúng.

3.3. UPS online
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

10

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Khắc phục hoàn toàn các nhược điểm trên là loại UPS online, chính vì
vậy mà UPS online thường có giá bán cao nhất so với các loại trên.

Hình 1.5. sơ đồ nghuyên lý UPS online
Ta thấy rằng ở đây việc cấp điện cho thiết bị tiêu thụ là hoàn toàn liên tục

khi có sự cố về lưới điện.
Phân tích sơ đồ như sau:
- nguồn điện lúc này không cấp trực tiếp cho các thiết bị, mà chúng được
biến đổi thành dòng điện một chiều tương ứng với điện áp của Ắc quy. Trong
mạch đã thể hiện sự cung cấp điện từ Ắc quy và chính từ lưới điện đến bộ
inverter để biến đổi thành điện áp đầu ra phù hợp với tiết bị sử dụng.
- Như vậy, có thể thấy rằng trong bất kì 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. Diều này làm cho thiết bị sử dụng rất an toàn và ổn định.
- 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 inverter 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.

4. 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
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

11

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

thiết bị sử dụng UPS, đó là những máy tính, việc truyền dữ liệu và toàn 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

Thiết bị được bảo vệ
-Máy tính, mạng máy tính

1.Hệ thống máy tính nói chung

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

2.Hệ thống máy tính công nghiệp

khiển số, điều khiển giám sát, máy tự
động.

3.Viễn thông

-Tổng đài điện thoại, hệ thống truyền
dữ liệu, hệ thống rađa.
Dụng cụ y tế, thang máy, thiết bị điều

4.Y tế,công nghiệp

khiển chính xác, thiết bị đo nhiệt độ,
bơm plastic...

5.Chiếu sáng
6.Các ứng dụng khác

-Đường hầm, đường băng sân bay,
nhà công cộng...
-Máy quét hình,cung cấp năng lượng ..

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.

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

12

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN
BỘ ẮC QUY CHO NGUỒN UPS
1. Giới thiều chung về Ắc quy:
Ắc Quy là loại bình điện hoá 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 nuôi cho các linh kiện điện tử.v.v.
- Sức điện động lớn ,ít thay đổi khi phóng nạp điện.
Các tính năng cơ bản của Ắc Quy:
- Sự tự phóng điện bé nhất.
- Năng lượng điện nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà Ắc
Quy phóng ra .
- Điện trở trong của Ắc Quy nhỏ. Nó bao gồm điện trở của các bản cực,
điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa
các bản cực .Thường trị số điện trở trong của Ắc Quy khi đã nạp điện đầy là
0.001Ω đến 0.0015Ω và khi Ắc Quy phóng điện hoàn toàn là 0.02Ω đến
0.025Ω.
Có hai loại Ắc Quy là: Ắc Quy a-xit (hay Ắc Quy chì) và Ắc Quy kẽm
(Ắc Quy sắt kền hay Ắc Quy cadimi-kền).Trong đó Ắc Quy a-xit được dùng
phổ biến và rộng rãi hơn.

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

13

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

1.1. Cấu tạo của Ắc Quy :

Hình 2.1. Hình dạng và cấu tạo của Ắc quy

a) Các bộ phận chủ yếu của Ắc Quy a-xit gồm:
- Các lá cực dương làm bằng PbO2 được ghép song song với nhau thành
một bộ chùm cực dương.
- Các lá cực âm làm bằng Pb được ghép song song với nhau thành một bộ
chùm cực âm.
Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ nhau theo kiểu cài răng lược,
sao cho cứ lá cực âm rồi đến một lá cực dương.
- Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng
chập mạch giữa các điện cực khác dấu.
- Vỏ bình điện Ắc Quy thường làm bằng cao su cứng ( êbonit ) đúc thành
hình hộp, chịu được khí nóng lạnh, va chạm mạnh và chịu a-xit. Dưới đáy
bình có các đế cao để dắt các lá cực lên, khi mùn của chất hoạt động rụng
xuống thì đọng dưới rãnh đế, như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa
các điện cực do mùn gây ra. Nắp đậy Ắc Quy cũng làm vỏ cao su cứng, nắp
có các lỗ để đổ dung dịch điện phân vào bình và đầu cực luồn qua. Nút đậy
để điện dịch khỏi đổ ra.
- Cầu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn Ắc Quy này với
cực dương của ngăn Ắc Quy tiếp theo.
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

14

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

b) Cấu tạo Ắc quy sắt kền
Còn gọi là bình ắc quy ankalin, gồm các bản cực làm bằng oxy hydrat kền, và các bản cực âm bằng sắt thuần ngâm trong dung dịch hyđrôxít kali.
Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, và dẹp, làm bằng hợp kim thép có mạ
kền. Các bản cực được chế tạo có các quai ở trên để có thể dùng bu lông xiết
dính lại với nhau, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với
bản cực âm.
Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy, số lượng các bản cực sẽ xác định
dung lượng của bình ắc quy. Điện thế danh định của bình là 1,2 vôn. Điện thế
thực sự của bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như đang hở mạch, hay đang
phóng, hay được nạp bao nhiêu. Thông thường, Điện thế hở mạch biến thiên
từ 1,25 đến 1,35 vôn, tuỳ thuộc vào tình trạng nạp. Chất lỏng trong bình này
là dung dịch hydrôxít kali, có pha thêm chất xúc tác tuỳ thuộc vào nhà chế
tạo, thường là điôxít liti.
Nồng độ của dung dịch, biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, không tuỳ
thuộc vào loại bình ắc quy, và cũng không tuỳ thuộc vào tình trạng phóng nạp
của bình, do nó không tham gia vào phản ứng hóa học. Tỷ trọng suy ra ở 25
độ C (77 độ F) từ 1,210 đến 1,215 g/cm³. Trị số này thực tế giảm nhẹ theo
thời gian, do dung dịch có khuynh hướng bị cacbônát hoá, do tiếp xúc với
không khí. Khi trị số này giảm xuống tới 1,160 g/cm³, nó có thể làm thay đổi
dung lưọng của bình, và cần phải thay thế. Tình trạng này có thể xảy ra vài
lần trong suốt tuổi thọ của bình.
Ngoài ra, chỉ có một lý do duy nhất có thể làm thay đổi tỷ trọng của bình,
đó là khi bình ắc quy đã phóng quá giới hạn bình thường, nghĩa là tới điện thế
gần bằng không. Khi đó, các phần tử liti chuyển ra dung dịch làm tăng tỷ
trọng lên, có thể tăng thêm từ 0,025 đến 0,030 g/cm³. Tác động này có thể
loại bỏ khi nạp bình ắc quy trở lại.
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

15

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Dung lượng của bình, cách tính cũng như bình ắc quy chì - axít, nhưng
các thông số và các hệ số hiệu chỉnh cũng khác.
C) sự khác nhau giữa Ắc quykiềmì và Ắc quy axit
Cả hai loại Ắc quy này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải
thuộc loại dung kháng và sức phản điện động. Nhưng chúng còn có một số
đặc điểm khác biệt sau:

Ắc quy axit

Ắc quy sắt kiềm

- Khả năng quá tải không cao, dòng - Khả năng quá tải rất lớn dòng điện
nạp lớn nhất đạt được khhi quá tải là nạp lớn nhất khi đố có thể đạt tới
Inmax = 20 %C10.

50%C10.

- Hiện tượng tự phóng lớn, Ắc quy - Hiện tượng tự phóng nhỏ.
nhanh hết điện ngay cả khi không sử
dụng.

- Thường sử dụng những nơi yêu cầu

- Sử dụng rộng rãi trong đời sống công cao quá tải thường xuyên và sử
công nghiệp, ở những nơi có nhiệt dụng với các thiết bị công suất lớn.
độ cao, va đập lớn nhưng đòi hỏi
công suất và quá tải vừa phải.
- Dùng trong xe máy, ô tô, các động
cơ máy nổ công suất vừa và nhỏ.

- Dùng trong công nghiệp hàng
không, hàng hải và những nơi nhiệt
độ hoạt động môi trường thấp.
- Giá thành cao.

- Giá thành thấp.

1.2. Quá trình biến đổi năng lượng trong Ắc quy
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

16

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch : nó tích trữ năng

lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng.
Quá trình Ắc quy cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện,
quá trình Ắc quy dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện.
1.2.1. Quá trình biến đổi năng lượng trong Ắc quy axit:
Trong Ắc quy axit có các bản cực dương là đôixit chì ( PbO 2 ), các bản
âm là chì ( Pb ), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H 2SO4 ) nồng độ d =
1,1 ÷ 1,3 %
(- ) Pb

 H2SO4 d = 1,1 ÷ 1,3 

PbO2 ( + )

Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của Ắc quy axit :
phóng
PbO2 + 2H2SO4 + Pb

2PbSO4 + 2H2O
nạp

Thế điện động e = 2,1 V.

1.2.2. Quá trình biến đổi năng lượng trong Ắc quy sắt kền:
Trong Ắc quy kiềm có bản cực dương là Ni(OH) 3 , bản cực âm là Fe,
dung dịch điện phân là: KOH nồng độ d = 20 %
( - ) Fe  KOH d = 20%



Ni(OH)3 ( + )

Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của Ắc quy kiềm :
phóng
Fe + 2Ni(OH)3

Fe(OH)3 + 2Ni(OH)2
nạp

Thế điện động e = 1,4 V.
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

17

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

* Nhận xét: Từ những điều đã trình bày ở trên ta nhận thấy trong các
quá trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi Ắc quy
phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi Ắc quy nạp điện
nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ
dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của Ắc quy.

1.3. Đặc tính phóng nạp của Ắc quy:
a. Đặc tính phóng Ắc quy
Đặc tính phóng của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức

điện động, điện áp Ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian
I (A) E,U (V)

10

Kho¶ng nghØ

2,11
1,95

E
UP

1,75
Vïng phãng ®iÖn cho phÐp
5

CP = IP.tP
0

2

4

t
6

8

10

phóng khi dòng điện phóng không thay đổi .
Hình 2.2. Đặc tính phóng Ắc quy
Từ đặc tính phóng của Ắc quy như trên hình vẽ ta có nhận xét sau:
Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến tp = tgh, sức điện động
điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời
gian này độ dốc của các đồ thị không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định
hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của
Ắc quy ( dòng điện phóng ).
Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu ta

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

18

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

tiếp tục cho Ắc quy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của Ắc quy
sẽ giảm rất nhanh. Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO 4) tạo thành trong
phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá học) trong quá
trình nạp điện trở lại cho Ắc quy sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng
điện cho phép của Ắc quy, các giá trị Ep, Up, ρ tại tgh được gọi là các giá trị
giới hạn phóng điện của Ắc quy. Ắc quy không được phóng điện khi dung
lượng còn khoảng 80%.

Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào, các giá trị sức
điện động, điện áp của Ắc quy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta
gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của Ắc quy. Thời gian hồi phục
này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của Ắc quy (dòng điện phóng và thời
gian phóng ).
b. Đặc tính nạp Ắc quy
I (A)

U,E (V)
2,7

T

2

Kho¶ng
nghØ

U

2,4

E

1,95
Vïng
n¹p n

Vïng n¹p chÝnh

0

10

1

10%C

10

Cn = In.tn

5

t
0

2

4

6

8

ts

10

12

Hình 2.3. Đặc tính nạp Ắc Quy
Đặc tính nạp của Ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức
điện động , điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị
số dòng điện nạp không thay đổi .
Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau :
Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = tgh thì sức điện động, điện
áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần.
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

19

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Tới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn
gọi là hiện tượng" sôi " ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của Ắc quy
đơn tăng đến 2,4V. Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới
2,7V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng cho
phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi tuần hoàn,
nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của Ắc quy.
Trong sử dụng thời gian nạp no cho Ắc quy kéo dài từ 2h ÷ 3h trong
suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của Ắc quy và nồng độ dung
dịch điện phân không thay đổi. Như vậy dung lượng thu được khi Ắc quy
phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no Ắc quy.

Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của Ắc quy, nồng độ
dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là
khoảng nghỉ của Ắc quy sau khi nạp.
Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của
Ắc quy. Dòng điện nạp định mức đối với Ắc quy là In = 0,1C10 .
Trong đó C10 là dung lượng của Ắc quy mà với chế độ nạp với dòng điện
định mức là In = 0,1C10 thì sau 10 giờ Ắc quy sẽ đầy.
Ví dụ với Ắc quy C = 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng
10% dung lượng ( tức In = 18 A ) thì sau 10 giờ Ắc quy sẽ đầy.

1.4. Các phương pháp nạp Ắc quy tự động.
Có ba phương pháp nạp Ắc quy :
+ Phương pháp dòng điện.
+ Phương pháp điện áp.
+ Phương pháp dòng áp.

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

20

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

a. Phương pháp nạp Ắc quy với dòng điện không đổi.
Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với

mỗi loại Ắc quy, bảo đảm cho Ắc quy được no. Đây là phương pháp sử dụng
trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho Ắc quy hoặc nạp sử
dụng cho các Ắc quy bị Sunfat hoá. Với phương pháp này Ắc quy được mắc
nối tiếp nhau và phải thoả mãn điều kiện :
Un ≥ 2,7.Naq
Trong đó: Un - điện áp nạp
Naq - số ngăn Ắc quy đơn mắc trong mạch
Trong quá trình nạp sức điện động của Ắc quy tăng dần lên, để duy trì
dòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R. Trị số giới
hạn của biến trở được xác định theo công thức :

R=

U n − 2,0 N aq
In

Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian
nạp kéo dài và yêu cầu các Ắc quy đưa vào nạp có cùng dung lượng định
mức. Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng
phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường
hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 ÷ 0,6 )C10 tức là
nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi Ắc quy bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở
nấc thứ hai là 0,1C10.
b. Phương pháp nạp với điện áp không đổi.
Phương pháp này yêu cầu các Ắc quy được mắc song song với nguồn
nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3V ÷ 2,5V)
cho mỗi ngăn đơn. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp
ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian.Tuy nhiên dùng phương pháp này
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

21

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Ắc quy không được nạp no. Vì vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương
pháp nạp bổ xung cho Ắc quy trong quá trình sử dụng.
c. Phương pháp nạp dòng áp.
Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng
được những ưu điểm của mỗi phương pháp.
Đối với yêu cầu của đề bài là nạp Ắc quy tự động tức là trong quá trình
nạp mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình
tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương án nạp Ắc quy là phương pháp nạp dòng áp.
 Đối với Ắc quy axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp
thì trong khoản thời gian tn = 8h tương ứng với 75÷80 % dung lượng Ắc quy
ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1. Vì theo đặc tính nạp của Ắc quy
trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động
tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời
gian 8 h Ắc quy bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi
thời gian nạp được 10 h thì Ắc quy bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2 đến 3h.
 Đối với Ắc quy kiềm : Trình tự nạp cũng giống như Ắc quy axit
nhưng do khả năng quá tải của Ắc quy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp
với dòng nạp In = 0,2C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng
nạp In = 0,5C10 .
Các quá trình nạp Ắc quy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi

nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của Ắc quy, lúc đó dòng nạp sẽ
từ từ giảm về không.

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

22

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

2.4.Tính toán và lựa chọn Ắc Quy
Căn cứ vào đầu ra của bộ nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện, ta có thể
chọn được điện áp đầu vào đặt lên Ắc Quy. Giả sử ta chọn bộ nghịch lưu độc
lập nguồn áp một pha.
Khi đó điện áp ra dạng xung chữ nhật, nếu phân tích ra các thành phần
của chuỗi Fourier sẽ gồm các thành phần sóng hài với biên độ bằng:
U(n)=-2

E (−1 + cos(πn))
πn

Như vậy điện áp ra tồn tại các thành phần sóng hài bậc lẻ 1,3,5,7...với
biên độ bằng

4E 4E 4E

,
,
.... Để điện áp ra có dạng sin có thể dùng các bộ lọc
π 3π 5π

để lọc bỏ các thành phần sóng hài bậc cao. Giả sử điện áp ra đã được lọc chỉ
còn thành phần sóng hài bậc một dạng sin biên độ
E=

4E
= 220(V)
π

suy ra

220.π
= 172,7(V).
4

Nếu sử dụng một nguồn 172,7(V) có một ưu điểm là dòng tiêu thụ sẽ nhỏ
nhưng kích thước của bộ chỉnh lưu sẽ lớn hơn, cồng kềnh. Để khắc phục điều
này ta chỉ sử dụng một nguồn áp trung bình E d=12(V)DC để cung cấp cho Ắc
quy và nghịch lưu. Sau khi qua bộ nghịch lưu sẽ sử dụng một máy biến áp để
nâng điện áp lên 220V xoay chiều phù hợp với tải.
Ắc Quy được chọn là loại Ắc quy 12V.

* Kết luận:
- Vì Ắc quy là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động
cho nên khi Ắc quy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện
trong Ắc quy sẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi Ắc quy

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

23

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách
ổn định dòng nạp cho Ắc quy.
 Khi dung lượng của Ắc quy dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp
tục giữ ổn định dòng nạp thì Ắc quy sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai
đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp Ắc quy sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn
áp được giữ cho đến khi Ắc quy đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực
của Ắc quy bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về
không, kết thúc quá trình nạp.
 Tuỳ theo loại Ắc quy mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau
+ Ắc quy chì - axit : dòng nạp In = 0,1C10 ; nạp cưỡng bức với dòng
điện nạp In = 0,2C10 .
+ Ắc quy sắt kiền : dòng nạp In = 0,2C10; nạp cưỡng bức với
dòng điện nạp In = 0,5C10 .

 Qua phân tích về yêu cầu kỹ thuật của bộ lưu điện ở trên, em chọn
phương án thiết kế bộ chỉnh lưu cho bộ lưu điện loại Offline UPS vì nó khá
đơn giản về thiết kế và đáp ứng được những đòi hỏi cơ bản của 1 nguồn điện

dự phòng.
- Chọn loại ắc quy chì - axit 12V, 100Ah

Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

24

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10


Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ
MỘT SỐ VAN BÁN DẪN
Chất bán dẫn là chất nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện về khả
năng dẫn dòng điện. Chất bán dẫn đơn chất phổ biến nhất là silic, gemani và
cacbon. Chất bán dẫn hợp chất như là gali, arsen cũng được sử dụng phổ biến.
Các chất bán dẫn đơn chất được tạo thành từ các nguyên tử có 4 điện tử hóa
trị. Hai chất bán dẫn thường dùng trong kĩ thuật điện tử là silic và gemani. Độ
dẫn điện của silic và gemani có thể tăng mạnh bằng cách thêm tạp chất vào
vật liệu bán dẫn. Tức là làm tăng số hạt dẫn điện ( điện tử hoặc lỗ trống ) và
vì vậy tăng độ dẫn điện. Có hai chất bán dẫn tạp chất đó là loại N và loại P.
Mặt ghép P-N là một cấu trúc bán dấn cơ bản được hình thành khi cho
chất bán dẫn loại N và loại P ghép lại với nhau bằng các biện pháp công nghệ
khác nhau. Trong chất bán dẫn loại N, điện tử là hại đa số còn lỗ trống là hại
thiểu số. Ngược lại, trong chất bán dẫn loại P, lỗ trống là hại đa số còn điện tử
là hại thiểu số.

Mặt nghép P – N phân cực ngược nghĩa là không cho phép dòng điện
chạy qua mặt nghép P – N. Nhưng vẫn có một dòng ngược rất nhỏ chạy qua
(cỡ µA hoặc nA).
Mặt nghép P – N phân cực thuận nghĩa là cho phép dòng điện chạy qua nó,
gọi là dòng thuận. Phân cực thuận cho mặt nghép P – N bằng cách đặt một
điện áp ngoài lên mặt nghép P – N
Các phần tử bán dẫn công suất được sử dung trong các bộ biến đổi có những
đặc tính cơ bản chung, đó là:
• Chỉ làm việc trong chế độ khóa, khi mở cho dòng chạy đi qua thì có
điện trở tương đương rất nhỏ, khi khóa thì điện trở tương đương rất lớn. Nhờ
Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa
GVHD: Th.s Dương Anh Tuấn

25

SVTH: Nhóm SV Lớp CĐ Điện6 – K10