thiết kế phần nguồn 1 chiều cho bé UPS

Lời nói đầu:
Sù 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 sù thay đổi sâu sắc và phát triển
mạnh mẽ trong các thiết bị, hệ thống thiết bị điện - điện tử, chẳng hạn
như: máy tính, thiết bị điều khiển khả trình, tổng đài điện thoại, truyền dữ
liệu, chiếu sáng đường hầm, những hệ thống giám sát điều khiển và xử lý
công nghiệp. 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,
đặc biệt là những bộ nguồn làm việc như một “giao diện công suất’’ giữa
nguồn cung cấp và tải. Để đi sâu vào tìm hiểu, nghiên cứu về bộ nguồn
dự trữ, ta hãy nghiên cứu về thiết bị chỉnh lưu trong đó. Bộ phận chỉnh
lưu là một phần quan trọng của bộ nguồn liên tục. Trong giới hạn chỉ là
một đồ án môn học nên đề tài cũng chưa thực sự sâu sác và chính xác
Vì trình độ và thời gian có hạn, chắc chắn đề tài còn nhiều thiếu sót. Rất
mong sự đóng góp ý kiến của quí thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn
thiện hơn.
Nhân đây em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Tự Động
Hóa, đặc biệt là thầy TRẦN TRỌNG MINH đã giúp em hoàn thành đề tài
này đúng thời gian qui định.

-1-

-1-


Đồ án môn học : Điện Tử công suất
Sinh viên

:

Líp

:

Đề 26
nhóm
Điện áp nguồn
Điên áp ra
Dòng điện tải
Hệ số đập mạch

-2-

Đỗ Quốc Huy
Tự động hoá 3

:
:
:
:
:
:

thiết kế phần nguồn 1 chiều cho bé UPS
11
220 V.
36 V.
36 A.
0,05.

-2-


Môc lục
Chương I :
Chương II :
Chương III:
Chương IV:
Chương V :

Tổng quan về bộ UPS
Tính toán và lựa chọn bộ ắc qui cho UPS
Phân tích tính toán và lựa chọn mạch
chỉnh lưu
Tính toán thiết kế mạch lực
Nguyên lý điều khiển hệ thống
chỉnh lưu

-3-

-3-

3
9
16
25
29


Chương I

Tổng quan về bộ nguồn liên tục UPS
(Uninterruptible power system)
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 (400V-50Hz 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:
- 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
ngắn 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
- Lắp 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 hàn3.* … gây
ra điện áp rơi và nhiễm RF
- Những hệ thống điện tử công suất cao

- Thang máy, đèn huỳnh quang
-1-

-1-


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…
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.
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
3.Những chức năng của UPS
Hoạt động nh mét 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 sè cho phép
tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từ nhạy cảm (chẳng hạn:
GALAXY-sai sè 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.
Sơ đồ cấu trúc của một bộ UPS nh sau :
-2-

-2-


LƯớI

CHỉNH
LƯU

BIếN áP
VàO
1

LọC

NGHịCH
LƯU

3

2

4

BIếN áP
RA
5

Bộ NạP
ắC QUI
6+7

Đ/K
NGHịCH
LƯU

ĐIềU
KHIểN
CHỉNH
LƯU
9

8

NGUồN
10

-Chc nng ca cỏc khi :
1. Bin ỏp vo:

- H ỏp t in ỏp li 110v dựng np cho c quy.
-Cỏch ly gia h thng v li ,chng ngn mch ngun
2. Chnh lu : to ra in ỏp 1 chiu dựng cho vic np c quy v a ti
b nghch lu.
3. Lc chnh lu : San phng in ỏp ra t b chnh lu a n b
nghch lu nhm nõng cao cht lng in ỏp ra u ra nghch lu.
4. Nghch lu : bin in ỏp mt chiu ly t u ra ca nghch lu thnh
in ỏp xoay chiu tn s f = 50 Hz cp cho ti. Nu s dng ngun UPS
cho ti cú tớnh cht in cm thỡ tng, to dao ng (b nghch lu) phi
to ra in ỏp bc thang sao cho s bc thang cng nhiu cng tt dng
in ỏp ra ging hỡnh sin. Nu in ỏp cp cho ti mang tớnh cht in
dung thỡ dng in ỏp ca mch dao ng ra ch cn dng xung vuụng.
5. Bin ỏp ra : tng in ỏp t in ỏp ra b nghch lu ti in ỏp ra ti
phự hp theo yờu cu ca ti.
6. Mch np c quy : Dựng iu khin vic np c quy. Khi cú in c
quy l ni tớch tr nng lng. Khi ú di s iu khin ca mch iu
-3-

-3-

TảI


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 110V 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 yêu cầu. Việc sử dụng nguồn cấp có điện áp
cao sẽ giảm được dòng tiêu thụ và tăng hiệu suất của nguồn UPS song
nó xẽ 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 nh 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.

-4-

-4-


chương 2:
TÝnh toán và lựa chọn bộ ắcqui cho nguồn ups:
I. Giới thiệu chung về ăcquy và các chế độ nạp:
A. Giới thiệu chung về ắc qui:
Ăc-qui 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, như
bóng đèn, làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử….
Các tính năng cơ bản của ăc-quy:
-Sức điện động lớn, Ýt thay đổi khi phóng nạp điện.
-Sự tự phóng điện bé nhất.
-Năng lượng điện nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà
ăc-quy phóng ra .
-Điện trở trong của ăc-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 ăc-quy khi đã nạp
điện đầy là 0.001Ω đến 0.0015Ω và khi ăc-quy phóng điện hoàn toàn là
0.02Ω đến 0.025Ω.
Có hai loại ăc-quy là: ăc-quy a-xit (hay ăc-quy chì) và ăc-quy kẽm
(ăc-quy sắt kền hay ăc-quy cadimi-kền). Trong đó ăc-quy a-xit được dùng
phổ biến và rộng rãi hơn.
1. Cấu tạo của Ăcqui:
Các bộ phận chủ yếu của ăc-quy a-xit gồm:
-5-

-5-


-Các lá cực dương làm bằng Pb2 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
rănglược, 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 ăcquy thường làm bằng cao su cứng (êbonit) đúc thành
hinh 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 ăc-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 dung dịch khỏi đổ ra.
-Cầu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ăc-quy này với

cực dương của ngăn ăc-quy tiếp theo.
2. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc quy .
ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch : nó tich trữ năng
lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện
năng. Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình
phóng điện, quá trình ắc qui dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp
điện.
2.1. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui axit.
Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc qui axit có dung dich điện phân là axit
H2SO4 nồng độ d = 1,1 ÷ 1,3 % bản cực âm là Pb và bản cực dương là
PbO2 có dạng :
(- ) Pb

 H2SO4 d = 1,1 ÷ 1,3 

PbO2 ( + )

Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit :
phóng
PbO2 + 2H2SO4 + Pb
2PbSO4 + 2H2O
nạp
-6-

-6-


Thế điện động e = 2,1 V.
2.2. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui kiềm.
Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc qui kiềm có dung dich điện phân là

KOH nồng độ d = 20 % bản cực âm là Fe và bản cực dương là
Ni(OH)3 có dạng :
( - ) Fe  KOH d = 20%

 Ni(OH)3 ( + )

Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui kiềm :
phóng
Fe + 2NI(OH)3

Fe(OH)3 + 2Ni(OH)2
nạp

Thế điện động e = 1,4 V.
Nhận xét : Từ những điễu đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong quả trình
phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi ắc qui phóng
điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc qui 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 qui.
3. Các đặc tính cơ bản của ắc qui .
Sức điện động của ắc qui chì và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung
dịch điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm
Eo = 0,85 + ρ
(V)
trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V )
ρ - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm3 )
Trong quá trình phóng điện sức điện động của ắc qui được tính theo công
thức :
Ep = Up + Ip.rb
trong đó : Ep - sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V )

Ip - dòng điện phóng ( A )
Up - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V)
rb - điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( Ω )
Trong quá trình nạp sức điện động En của ắc qui được tính theo công
thức :
En = Un - In.rb
trong đó : En - sức điện động của ắc qui khi nạp điện ( V )
In - dòng điện nạp ( A )
Un - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi nạp điện
(V)
rb - điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( Ω )
Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp
năng lượng của ắc qui cho phụ tải, và được tính theo công thức :
-7-

-7-


Cp = Ip.tp
trong đó : Cp - dung dịch thu được trong quá trình phóng ( Ah )
Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện
tp ( A )
tp - thời gian phóng điện ( h ).
Dung lượng nạp của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng
lượng của ắc qui và được tính theo công thức :
Cn = In.tn
trong đó :
Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( Ah )
In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A )
tn - thời gian nạp điện ( h ).

3.1. Đặc tính phóng của ắc qui.
Đặc tính phóng của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức
điện động, điện áp ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian
phóng khi dòng điện phóng không thay đổi .
Từ đặc tính phóng của ắc qui nh 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 qui ( dòng điện phóng ).
- Từ thời gian tghtrở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta
tiếp tục cho ắc qui phóng điện sau tgh thì sức điện động ,điện áp của ắc
qui sẽ giảm rất nhanh .Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo
thành trong phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá
-8-

-8-


học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ắc qui sau này. Thời điểm tgh gọi
là giới hạn phóng điện cho phép của ắc qui, các giá trị Ep, Up, ρ tại tgh
được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắc qui. ắc qui 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 qui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên,
ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc qui. Thời gian hồi
phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ắc qui
( dòng điện phóng và thời gian phóng ).
3.2. Đặc tính nạp của ắc qui.

Đặc tính nạp của ắc qui 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.
- 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

qui đơn tăng đến 2,4 V . Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng
tăng tới 2,7 V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời 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 qui.
- Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2 ÷ 3 h trong suốt
thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc qui và nồng độ dung
-9-

-9-


dch in phõn khụng thay i . Nh vy dung lng thu c khi c qui
phúngin luụn nh hn dung lng cn thit np no c qui.
- Sau khi ngt mch np, in ỏp, sc in ng ca c qui, nng
dung dch in phõn gim xung v n nh. Thi gian ny cng gi l
khong ngh ca c qui sau khi np.
- Tr s dũng in np nh hng rt ln n cht lng v tui th ca
c qui. Dũng in np nh mc i vi c qui l In = 0,1C10 .
Trong ú C10 l dung lng ca c qui m vi ch np vi dũng in

nh mc l In = 0,1C10 thỡ sau 10 gi c qui s y.
Vớ d vi c qui C = 180 Ah thỡ nu ta np n dũng vi dũng in bng
10% dung lng ( tc In = 18 A ) thỡ sau 10 gi c qui s y.
4. S khỏc nhau gia c qui chỡ v c qui axit .
C hai loi c qui ny u cú mt c im chung ú l tớnh cht ti
thuc loi dung khỏng v sc phn in ng. Nhng chỳng cũn cú mt
s c im khỏc bit sau :
ắc qui axit

ắc qui chì

- Khả năng quá tải không cao, dòng
lớn
nạp lớn nhất đạt đợc khi quá tải
nhất khi
là Inmax = 20%C10
50%C10
- Hiện tợng tự phóng lớn, ắc qui
nhỏ
nhanh hết điện ngay cả khi không
sử dụng.
- Sử dụng rộng rãi trong đời sống
năng trên
0
công nghiệp, ở những nơi có nhiệt
thờng sử
độ cao va đập lớn nhng đòi hỏi
công
công suất và quá tải vừa phải.
xuyên và

- Khả năng quá tải rất
dòng điện nạp lớn
đó có thể đạt tới
- Hiện tợng tự phóng

- Với những khả
thì ắc qui kiềm
những nơi yêu cầu
cao quá tải thờng
sử dụng với các thiết

5. Cỏc phng phỏp np c qui t ng.
Cú ba phng phỏp np c qui l
+ Phng phỏp dũng in.
+ Phng phỏp in ỏp.
- 10 -

- 10 -


+ Phương pháp dòng áp.
5.1. Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi.
Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với
mỗi loại ắc qui, bảo đảm cho ắc qui được no. Đây là phương pháp sử
dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc
nạp sử chữa cho các ắc qui bịi Sunfat hoá. Với phương pháp này ắc qui
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 qui đơn mắc trong mạch
Trong quá trình nạp sức điện động của ắc qui 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 qui 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 qui bắt đầu sôi.
Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,1C10
5.2. Phương pháp nạp với điện áp không đổi.
Phương pháp này yêu cầu các ắc qui được mắc song song với nguồn
nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi vaf được tính bằng ( 2,3 ÷
2,5 ) V 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 ắc qui không được nạp no. Vì vậy nạp với điện áp
không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc qui trong quá trình sử
dụng.
5.3. 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 qui 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 qui là phương pháp dòng
áp.
- Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng nh hiệu suất nạp
thì trong khoản thời gian tn = 8h tương ứng với 75÷80 % dung lượng ắc
qui ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1C10. Vì theo đặc tính nạp
của ắc qui trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp,
sức điện động tải Ýt thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho
- 11 -

- 11 -


thiết bị nạp. Sau thời gian 8 h ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp
ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 10 h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp
bổ xung thêm 2 ÷ 3 h.
- Đối với ắc qui kiềm : Trình tự nạp cũng giống như ắc qui axit nhưng do
khả năng quá tải của ắc qui 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 qui 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 qui, lúc đó dòng nạp
sẽ từ từ giảm về không.
Kết luận :
- Vì ắc qui là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động
cho nên khi ắc qui đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện
trong ắc qui sẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc qui
dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm
cách ổn định dòng nạp cho ắc qui.
Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục
giữ ổn định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai

đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp. Chế độ
ổn áp được giữ cho đến khi ắc qui đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản
cực cuẩ ắc qui 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 qui mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau
+ ắc qui axit : dòng nạp In = 0,1C10 ; nạp cưỡng bức với dòng
điện nạp In = 0,2C10 .
+ ắc qui kiềm : dòng nạp In = 0,2C10; nạp cưỡng bức với
dòng điện nạp In = 0,5C10 .
II.Tính Toán Và lựa chọn acquy:
1.Tính chọn điện áp của bộ ắcquy
Như đã nói ở trên, ácquy là nguồn điện cho nghịch lưu độc lập
nguồn điện áp - đầu ra của UPS nên điện áp ácquy sẽ phụ thuộc vào
điện áp đầu ra của UPS.
Dạng điện áp ra của bộ nghịch lưu độc lập nguồn điện áp có
dạng:

- 12 -

- 12 -


Ta có:
U=
=

1
2π
4
2π

π

∫ Edθ
0

π /3

∫
0

2π / 3
Ed 2
E
2
( ) dθ +
( d ) 2 dθ
∫
3
2π π / 3 3

2
3

=
Ed
U=0,47*Ed
Với U=36V=> Ed=36/0,47 = 77V.
Ta chọn Ed=120VDC để cung cấp cho ăcquy và nghịch lưu. Sau khi
qua bé nghịch lưu sẽ sử dụng một máy biến áp để hạ điện áp thành 36V

xoay chiều phù hợp với tải.
ắcquy được chọn là loại ăcquy 12V. Nh vậy ta cần mắc 120/12=10 ắc
quy mắc nối tiếp nhau.
2. dung lượng acquy:
- Với yêu cầu công suất P = 1296.
NÕu nh hiệu suất của máy biến áp là 95% ta có
P=1296/.95=1364
Thời gian liên điện là 10’=1/ 6 h.
Chọn 10 bình acqui 12V( 10*12V ).
Giả sử khi phóng điện áp trên bình acqui là đầy. Vì 10 bình là mắc nối
tiếp nên:
U=10*12=120(V)
Dòng điện phóng của acquy:
- 13 -

- 13 -


Ip =

P 1364
=
= 11.4( A)
U
120

Dung lượng của acqui là:
An = Ip * t = 11.4 *

1

= 1.9( Ah)
6

Trong trường hợp này, để đảm bảo tuổi thọ cho acqui, phải chọn tăng
dung lượng lớn hơn gấp 2 lần so với tính toán:
Athucte = 2 * An = 2 * 1.9 = 3.8( Ah)

⇒Chọn acqui có dung lượng 4 Ah. Chọn dòng nạp là I n =10%A=
0.4A( trong 10h).
điện áp ác qui nap với dòng không đổi:
Un=In.Raq+Eaq=0.4*.3+120=120.12(v).
Điện áp đặt lên acqui lúc nạp no là:

2.7*6*10=162(V)

Chương III
Phân tích tính toán và lựa chọn
Phương án
II. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng :

Hình 1.4. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng.
đặc tính biểu diễn:
- 14 -

- 14 -


Ud = 0,9.U2.

1 + cos α

2

2 nhóm van T1,T2 và T3,T4 được phát xung mở liên tiếp nhau,mỗi van
dẫn goc λ = π − α
Hoạt động của sơ đồ này khái quát có thể mô tả nh sau. Trong nửa bán kỳ
điện áp anod của Tiristor T1 dương (+) (lúc đó catod T2 âm (-)), nếu có
xung điều khiển cho cả hai van T1,T2 đồng thời, thì các van này sẽ được
mở thông để đặt điện áp lưới lên tải, điện áp tải một chiều còn bằng điện
áp xoay chiều chừng nào các Tiristor còn dẫn (khoảng dẫn của các Tiristor
phụ thuộc vào tính chất của tải). Đến nửa bán kỳ sau, điện áp đổi dấu,
anod của Tiristor T3 dương (+) (catod T4 âm (-)), nếu có xung điều khiển
cho cả hai van T3,T4 đồng thời, thì các van này sẽ được mở thông, để đặt
điện áp lưới lên tải, với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nửa
bán kỳ trước.
Chỉnh lưu cầu một pha hình 1.4 có chất lượng điện áp ra hoàn toàn
giống như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính, như sơ đồ hình
1.2. Hình dạng các đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện các van
bán dẫn và điện áp của một van tiêu biểu gần tương tự như trên hình
nhưng điện áp ngược van phải chịu nhỏ hơn Unv = √2.U2.
- 15 -

- 15 -


Giá trị trung bình của điện áp tải

Ud =

1

π

π α∫

2U 2

2U 2 sin θdθ =

π

(1 + cos α )

Nếu lấy trực tiếp điện áp từ lưới với U =220V,ở chế độ dòng không đổi ta
được:
1 + cos α =

π .U d
= 1.21
2U 2

=> α =77.870
do U2 dao động trong khoảng +10%,-25%.
Nên góc α dao động trong khoảng α min=51.940 đến α max =84.140.
Dòng trung bình qua Tiristor :
IT =

1 π
π−α
I d dθ = I d
∫

2π α
2π

=

0.4 * (180 − 77.87)
360

=0,113A

IV.Tính toán chọn van bán dẫn
1.Tính chọn van thyristor
Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, điều kiện toả
nhiệt,điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính nh sau :
Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu :
Ung max =

2U 2 = 311(V).

Điện áp ngược của van cần chọn :
Ung = KdtU . Ungmax =1,8 *311= 560(V)
KdtU - hệ số dự trữ điện áp ,chọn KdtU =1,8 .
Dòng lớn nhất qua van:
Ilv =

Id
2

=

0.4
2

= 0.2(A)

Chọn điều kiện làm việc của van có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản
nhiệt ,chọn hệ số dữ trữ Kdt=4
Iđm = Ilv .Kdt= 0.2* 4 =0.80 (A)
Từ các thông số Unv ,Iđmv ta chọn 4 Thysistor kí hiệu TCR22-8có
các thông số sau :
- Điện áp ngược cực đại của van:
Un = 600 (V)
- Dòng điện định mức của van:
Iđm = 1.5(A)
- 16 -

- 16 -


- Đỉnh xung dòng điện:
Ipik = 160 (A)
- Dòng điện của xung điều khiển:
Iđk = 0, 2 (mA)
- Điện áp của xung điều khiển:
Uđk =0.8 (V)
- Dòng điện rò:
Ir = .2 (mA)
- Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là : ∆U = 1,7 (V)
dU
- Tốc độ biến thiên điện áp

: dt = 30(V/s)
- Thời gian chuyển mạch
: tcm = 40(vs)
- Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax = 110 oC
V)Bảo vệ van
a) Bảo vệ quá dòng điện cho van.
Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tủ động lực, bảo vệ khi
quá tải và ngắn mạch thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch
thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu.
Chọn 1 aptomat có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng
nam châm điện.
Chỉ đinh dòng ngắn mạch
I nm = 2.5 I hd = 2.5 * 2.59 = 6.5( A)

dòng quá tải
Iqt=1.5*Ihd=1.5*2.59=3.9
Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ truyền động,
chọn cầu dao có dòng định mức
Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các thyristor, ngắn
mạch đầu ra của bộ nghịch lưu.
Dùng cầu chì chịu được dòng :
I=1,1*Idm=1,1*.8=0.88(A)
Chọn cầu chì loại 1(A)
b)Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt các thyristor được thực
hiện được bằng cách mắc R-C song song với T. Khi có sự chuyển mạch,
các điện tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo dòng điện
- 17 -

- 17 -

ngược trong khoảng thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng
điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm
cho quá điện áp giữa anốt và catốt của thyristor. Khi có mạch R-C mắc
song song với thyristor tạo ra vòng phóng điện trong quá trình chuyển
mạch nên thyristor không bị quá điện áp.
Các nguyên nhân gây nên quá áp thì chia thành hai loại :
- Nguyên nhân bên ngoài : Do cắt đột ngột mạch điện cảm,do biến đổi
đột ngột cực tính của nguồn, khi cầu chảy bảo vệ đứt hoặc khi có sấm
sét.
- Nguyên nhân bên trong ( nội tại ) : Khi van chuyển từ trạng thái mở
sang trạng thái khoá, do sự phân bố không đều điện áp trong các van
mắc nối tiếp. ở đây ta quan tâm đến việc bảo vệ quá điện áp do các
nguyên nhân bên trong gây ra.
Nguyên nhân quá điện áp trên van là do sự suất hiện dòng điện
ngược chảy qua mỗi van khi nó chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái
khoá. Dòng điện ngược này suy giảm rất nhanh do vậy sẽ suất hiện sự

U qda = L

di
dt

quá điện áp
Để khắc phục hiện tượng quá điện áp này ta dùng mạch R-L-C
nhưng do mạch đã có tính chất điện cảm nên ta chỉ cần dùng mạch R-C
đấu song song nh hình vẽ.
Khi van khóa dòng điện ngược sẽ chuyển từ van sang mạch bảo vệ.
VI)phân tích mạch lọc:

Ta chọn mạch lọc LC :
+tính toán mạch lọc :
hệ số đập mạch k=0,05 nên mạch lọc phải có hệ số san bằng
Ksb =

kdmv 0,057
=
= 1.14
kdmr
0,05

Tải có điện trở tương đương Rd=

L=

Ud 120,12
=
= 300.3(Ω)
Id
.4

2 Rd
1
2 * 300.3
=
= 0.63( H )
2
2_
mdmπ * f 1 (m dm − 1) 2 * π * 50(2 1)

+thiết kế mạch lọc :
1.Kích thước lõi thép
- 18 -

- 18 -


Kích thước cơ sở : a=2,6

4

L * Id 2 = 2,64 0,63 * .16 =1.46 (cm)

b=1,2*a=1,2*1.46=1.752(cm)
c=0,8*a=0,8*1.46=1,168(cm)
h=3*a=3*1.46=4.38(cm)
2

tiết diện lõi thép : S=a*b=1.46*1.752=2.55(cm )
2

diện tích cửa sổ :Scs=h*c=4.38*1,168=5.11(cm )
Độ dài trung bình đường sức :
lth=2*(a+h+c)=2*(1.46+4.38+1.168)=14.016( cm)
Độ dài trung bình dây quấn :

ldq=2*(a+b)+ π *c=2*(1.46+1.752)+ π *1,168=10.09(cm)
thể tích lõi thép :
3

Vth=2*a*b*(a+h+c)=2*1.46*1.752*(1.46+4.38+1,168)=35.85(cm )
o

2.Tính điện trở dây quấn ở nhiệt độ 20 C đảm bảo độ sụt áp cho phép :
∆U=5%Ud=6V
r=
∆U
6
=
= 11.55(Ω)
Id (1 + 4,26 *10 * (Tmt + ∆T − 20) .4 * (1 + 4,26 *10 −3 * (40 + 50 − 20)
−3

3.Số vòng dây của cuộn cảm :
w=414

r * Scs
11.55 * 5.11
=414
=1001
ldq
10.09

Mật độ từ trường : H=

100 * w * Id 100 * 1001 * .4
=
= 2856.73 A / m
lth
14.016

4.tính cường độ từ cảm : fdm=2*50=100Hz
∆U * 10 4
6 * 10 4
=
B= 4,44 * w * f * Sth 4,44 *1001 *100 * 2.55 = 0,053

µ = 542 * (

H −0, 75
2856,73 −0, 75 −6
)
= 542 * (
)
10 = 0.455.10 −6
1000
1000

5.tiết diện dây quấn :
s=0,072*

ldq * Scs
10.09 * 5.11
= 0,072
= 0,152
r
11.55
2

chọn loại dây có tiết diện 15*6=90(mm )

6.Xác định khe hở tối ưu :
lkk=0,0016*w*Id= 0,0016*1001*.4=.64(mm)
miếng đệm có độ dày :lđem=0,5*lkk=0.32(mm)
7.tính kích thước cuộn dây :
- 19 -

- 19 -


chọn cuộn dây có độ dày 5mm
nên độ cao sử dụng cuộn quấn dây : hsd=6,63-1=5,63
số vòng trong một lớp :
w1=

hsd
5,63
=
= 3,75
hd
1,5

nh vậy một lớp dây quấn 3 vòng
w

số lớp dây : n= w1 =

1001
= 333.67(lop )
3

+Tính toán và chọn tụ C
C=

10 * ( Ksb + 1)
2

mdm * L

=

10 * (1,14 + 1)
= 8,5( µF )
4 * 0.63

Tra bảng ta chọn tụ C chuẩn là 10 μF

Chương IV
nguyên lý điều khiển Hệ thống chỉnh lưu
1.Sơ đồ khối mạch điều khiển
Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lý điều khiển ở
trên, mạch điều khiển bao gồm ba khâu cơ bản trên hình vẽ sau:

Hệ thống điều khiển các bộ chỉnh lưu phảI tạo ra các xung điều khiển
cấp cho các tiristo trong mạch lực .Các xung điều khiển phảI đảm bảo
được phạm vi điều chỉnh góc α Thông thường α thay đổi trong phạm
- 20 -

- 20 -

0
o
vi từ 0 đến 180 .Nếu tính đến các khả năng về hạn chế góc α thì
phạm vi là thay đổi tư α min đến α max

α

min

α

= 51.94

0
0

=81.14
Ta có sơ đồ tổng quan nh hình I
max

Hình 2 là sơ đồ dạng điện áp :
Nguyên lí hoạt động của sơ đồ :Điện áp đồng pha lấy từ thứ cấp máy
biến áp qua một mạch lọc RC đưa đến đầu vào bộ của khuếch đại thuật
toán (KĐTT) U1A .U1A làm việc ở chế độ so sánh nên đầu ra sẽ cho
điện áp dạng xung chữ nhật .Điện áp xung chữ nhật đưa đến mạch vi
phân R2,C2 tạo nên dạng xung nhọn với biên độ bằng hai lần biên độ
xung chữ nhật .xung vi phân đưa đến KĐTT U1B .Đầu vào âm của U1B
được đặt dưới điện áp âm do phân áp R6,R7 tạo nên .Như vậy khi điện
áp tại điểm C bằng 0V diot D1,D2 thông làm đầu vào (-)của KDTT âm
hơn đầu vào dương (+)nên đầu ra KĐTT sẽ bão hoà ở gần dương

nguồn .Khi xung nhọn điểm C có giá trị dương diot D2 khoá ,D1 thông
làm đầu vào (-)dương hơn đầu vào (+), đầu ra KĐTT sẽ lật xuống gần
âm nguồn .Khi có điểm Ccó xung nhọn âm, D1 bị khoá ,D2 thông dẫn
đến đầu vào (+)sẽ bị âm hơn đầu vào (-) ,kết quả đầu ra cũng bị lật
xuống gần âm nguồn .Như vậy đầu ra tại điểm D có dạng xung với phần
âm rất hẹp .Đây là tín hiệu điều khiển cho mạh tạo xung răng cưa trên
KĐTT U1C .Khâu so sánh U1D so sánh Udk với điện áp răng cưa xác
định góc điều khiển α .
Tín hiệu điều khiển từ đầu ra của U1D được cắt bỏ phần âm nhờ mạch
có điện trở hạn chế và diot D5 được đưa đến mạch chia xung dùng JK
o

trigơ U2A tạo nên xung điều khiển có độ rộng 180 cho mỗi nửa chu
o

kì .tiếp theo có độ rộng 180 được băm nhỏ với xung tần số cao tạo nên
bởi máy phát xung vuông mạch NAND Smith D4A bằng 2 JK trigơ
D3A ,D3B .Xung chùm được đưa đến mạch khuếch đại xung dùng
transisto T1,T2 và biến áp xung nên tín hiệu điều khiển đưa đế cực điều
khiển của thyristo
2Tính toán mạch điều khiển :
2.1 Tính biến áp xung:
- 21 -

- 21 -


+ Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc
trên một phần của đặc tính từ hoá có: ∆B = 0,3 (T), ∆H = 30 ( A/m ) [1],
không có khe hở không khí.

+ Tỷ số biến áp xung : thường m = 2÷3, chọn m = 3
+ Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk =0.8 (v)
+ Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung:
U1 = m. U2 = 3*.8 = 2.4 (v)
+ Dòng điện thứ cấp biến áp xung:
I2 = Iđk =0,2 (mA)
+ Dòng điện sơ cấp biến áp xung:
I1 = I2 /3 =0,2/3=0,067(mA)
+Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt :
µtb =

∆B
0,3
=
= 8 * 10 3
−6
µo * ∆H 1,25 *10 * 30

µo =1,25 * 10 −6

là độ từ thẩm không khí
+thể tích lõi thép
V = Q *l =

µtb * µo * tx * sx * U 1 * I1
∆B 2

=

8 * 10 3 * 1,25 * 10 −6 * 167 * 10 −6 * 0,15 * 2.4 * 0,067

0,3 2

= 0.44756(cm 3 )
3

chọn
mạch
có
thể
tích
V=1,4
(cm )kích
thước
a=4,5mm,b=6mm,Q=0,27 cm 2 ,d=12mm,D=21mm
+Số vòng dây quấn sơ cấp máy biến áp xung ,theo định luật cảm
ứng điện từ :
dE
∆B
= w*Q *
dt
tx
U 1 * tx
9 * 1,67 * 10 −6
w1 =
=
= 186(vong )
∆B * Q 0,3 * 27 * 10 −6

U 1 = w1 * Q

Số vòng dây thứ cấp :
W2=

w1 186
=
= 62
m
3
I1

Tiết diện dây quấn thứ cấp :S1= J 1 =

0,05
= 8,33 * 10 −6 (mm)
6

2

J1=6Amm .Đường kính dây quấn sơ cấp :
d1 =

4 * S1

π

=

4 * 8,33 * 10 −3
= 0,103(mm)
3,14

chọn d1=0,1(mm)
2

+Chọn mật độ dòng điện J2=4Amm ,S2=

- 22 -

- 22 -

I 2 0,15
=
= 0,0375(mm 2 )
J2
4

chọn