Thiết kế bộ nguồn liên tục (UPS) công suất 1,5 kVA

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

LỜI CẢM ƠN
Sau khoảng thời gian 4 năm học tập tại trường Đại Học Thủy Lợi nói chung
và ngành kĩ thuật điện, điện tử nói riêng, em được sống, học tập trong môi trường
rất tốt và nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ của các Thầy Cô giáo và các bạn rất nhiều
đã giúp em hoàn thành được khóa học.
Đầu tiên Em xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo Trường Đại Học Thủy Lợi
và đặc biệt là các Thầy Cô trong ngành Kĩ thuật điện, điện tử đã dạy cho em có
được những kiến thức vững chắc, nền tảng tốt để có thể phục vụ cho công việc hoàn
thành khóa học, đồ án tốt nghiệp.
Trong thời gian làm đồ án là 14 tuần vừa qua em nhận được sự giúp đỡ,
hướng dẫn nhiệt tình của Thầy giáo Ths. Lê Tuấn Anh. Em xin chân thành cảm ơn
Thầy đã giúp đỡ, bổ sung cho em những kiến thức cơ bản, nâng cao và cho em được
những lời khuyên, sự góp ý để em có thể hoàn thành đồ án một cách nhanh chóng
và có hiệu quả nhất.
Trong suốt quá trình làm đồ án “Thiết kế bộ nguồn liên tục (UPS) công suất
1,5 kVA”. Em đã cố gắng hết sức để hoàn thiện chương trình một cách tốt nhất, kịp
thời gian yêu cầu nhưng do kiến thức, và thời gian làm đồ án có hạn nên không
tránh được những sai sót, lỗi…Vì thế em rất mong nhận được sự thông cảm, những
lời khuyên, sự gióp ý từ các thầy cô giáo và các bạn.
Em Xin Chân Thành Cảm Ơn.

Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự tăng trưởng và phát triển mạnh mẽ của đất nước trong thời kỳ
đổi mới, thì nguồn điện lưới quốc gia có vai trò rất quan trọng cho các hoạt động
sản xuất và kinh doanh, bên cạnh đó đảm bảo khả năng hoạt động cho các thiết bị.
Đặc biệt là các thiết bị Công Nghệ Thông Tin, Viễn thông, Ngân hàng, hay các thiết
bị điện mà ở đó sự cố mất điện không dự báo trước có thể gây hỏng hóc, gây nguy
hiểm, mất dữ liệu hay thiệt hại lớn về kinh tế.
Nhận thức được tầm quan trọng đó em đã chọn đồ án tốt nghiệp với đề tài:
“Thiết kế bộ nguồn liên tục (UPS) công suất 1,5 kVA”. Với đề tài được giao, em đã
vận dụng kiến thức của mình để tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết, kết hợp tìm hiểu
sâu vào tính toán thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm.
Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo Ths. Lê Tuấn Anh cùng
với sự cố gắng nỗ lực của bản thân em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp của
mình. Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu
sót khi thực hiện đồ án này. Vì vậy em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh
giá, góp ý của các thầy cô giáo trong bộ môn, cùng bạn bè để đề tài được hoàn
thiện hơn.

Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 1

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU BỘ UPS VÀ ỨNG DỤNG
1.1. Khái quát về UPS
UPS (Uninterruptible Power Supplier) là thiết bị có thể cung cấp tạm thời
điện năng, duy trì hoạt động cho thiết bị sử dụng điện lưới gặp sự cố (bị ngưng cấp
điện) trong một khoảng thời gian nhất định, với công suất giới hạn theo khả năng
của nó. Ngoài ra, có những loại UPS có thêm một số chức năng như chống xung,
lọc nhiễu, ổn áp, ổn tần và các phần mềm đi kèm có khả năng quản trị năng lượng
cho cả một hệ thống. Nhờ đó, khi xảy ra sự cố, mất nguồn điện chính, máy tính và
hệ thống mạng vẫn được đảm bảo an toàn, giúp người sử dụng thực hiện các thao
tác đảm bảo an toàn cho phần công việc. Bộ lưu điện gia tăng thời gian nguồn dự
phòng.
1.2. Phân loại
1.2.1. Phân loại UPS dựa theo bộ chuyển đổi
a) UPS tĩnh

Hình 1.1. UPS tĩnh
Sử dụng bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện cung cấp năng lượng. Khi sự cố, bộ
nghịch lưu làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng một chiều tích lũy trong tụ thành điện
năng xoay chiều cung cấp cho các tải ưu tiên. Giới hạn dòng trong vận hành cho
phép Icp= 2,33.Iđm, cách li về điện. Bảo dưỡng và vận hành đơn giản, làm việc tin
cậy chắc chắn.
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 2

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

b) UPS quay

Hình 1.2. UPS quay
Sử dụng máy điện quay để thực hiện biến đổi năng lựợng.
- Inm = Iđm.
- Hệ thống phụ tải cách li với nguồn.
- Trở kháng ra của hệ thấp.
1.2.2. Phân biệt theo chế độ làm việc
a) UPS gián tiếp (offline UPS)

Hình 1.3. UPS gián tiếp
a) Sơ đồ khối ; b) Sơ đồ mô tả nguyên lý
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 3

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

- Nghịch lưu nối song song với hệ thống cung cấp là nguồn dự trữ phòng tình

trạng khẩn cấp.
-Trong quá trình vận hành,nguồn lưới được cung cấp trực tiếp đến tải qua bộ
lọc F mà không qua nghịch lưu.
- Nếu sự cố hệ thống cung cấp điện hoặc U hệ thống cung cấp điện không
nằm trong sai số cho phép thì tải chuyển từ hệ thống cung cấp điện qua nghịch lưu
trong thời gian ngắn <10 ms. Khi điện áp hệ thống cung cấp được phục hồi, tải sẽ tự
động chuyển về hệ thống cung cấp.
b) Online UPS
- Được chèn vào giữa hệ thống cung cấp và tải. Toàn bộ điện năng cung cấp
cho tải đều phải qua nghịch lưu do vậy việc cung cấp điện được liên tục trong phạm
vi sai số cho phép của f, U.
- Không phụ thuộc vào trạng thái của hệ thống cung cấp điện.
- Áp dụng cho tải có công suất trung bình ( P ≥ 40 KVA).

Hình 1.4. UPS online
a) Ắcquy luôn cấp điện ; b) Ắcquy chờ
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 4

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

1.3. Cấu trúc của UPS
1.3.1. Các thành phần chính của UPS

Một hệ thống UPS hoàn chỉnh bao gồm các phần tử cho trên hình 1.5.

Hình 1.5. Các thành phần chính UPS
b) Bộ chỉnh lưu và nạp (1)
Biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để:
- Cung cấp cho bộ nghịch lưu.
- Nạp thường xuyên cho ắcquy đảm bảo ắcquy luôn được duy trì trạng thái
nạp đầy khi có điện lưới, đồng thời giám sát ắcquy để đảm bảo sẵn sàng chu kỳ
phóng khi không có điện lưới.
c) Bộ nghịch lưu (2)
Chức năng của bộ nghịch lưu là biến đổi nguồn điện 1 chiều DC thành nguồn
xoay chiều 3 pha AC cung cấp cho phụ tải nhạy cảm cần bảo vệ với sai số cho phép.
d) Bộ ắcquy (3)
Dự trữ điện năng để cấp điện cho bộ nghịch lưu nếu:
- Hệ thống cung cấp mất điện.
- Sự cố làm giảm chất lượng điện áp cung cấp.
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 5

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

e) Chuyển mạch tĩnh by-pass (4)
UPS được tích hợp chuyển mạch by-pass tự động nhằm duy trì cung cấp điện

trong những trường hợp đặc biệt như khi các bộ phận bên trong UPS bị quá tải, quá
nhiệt, lỗi, hay sự cố…
f) Đường cung cấp đóng cắt bằng tay (5)
Sử dụng công tắc đóng - mở bằng tay để cấp điện cho tải theo hệ thống cung
cấp 2 khi yêu cầu bảo dưỡng.
g) Máy biến áp cách ly (6) (tùy chọn)
Dùng mục đích cách ly tải với hệ thống cung cấp 2, nó thường được sử dụng
khi hệ thống nối đầu vào và đầu ra UPS khác nhau.
h) Các thiết bị chuyển mạch bằng tay,thiết bị đóng cắt ắcquy (7)(8)(9)(10)
Dùng để cách ly các bộ phận trong quá trình bảo dưỡng.
1.3.2. Các thiết bị khác trong UPS

Hình 1.6. UPS và các thiết bị kèm theo
Ngoài các linh kiện đã nêu trên, UPS có thể được trang bị thêm một số thiết
bị sau (như hình 1.6).
- Thiết bị phân phối và bảo vệ.
- Thiết bị cách ly, máy biến áp tạo điện áp phù hợp cho tải.
- Hệ thống điều khiển cảnh báo hiển thị, điều khiển từ xa, khe cắm mở rộng.
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 6

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

1.4. Các chế độ hoạt động của UPS
UPS có thể làm việc ở các chế độ sau đây.
1.4.1. Chế độ làm việc bình thường (hình 1.7)
Bộ chỉnh lưu/nạp điện được cung cấp từ lưới điện, chuyển đổi dòng điện AC
thành dòng điện DC cung cấp điện liên tục cho bộ nghịch lưu và nạp điện cho
ắcquy. Bộ nghịch lưu (inverter) sẽ biến đổi điện DC thành AC được lọc và điều
chỉnh rồi cung cấp cho tải.

Hình 1.7. Chế độ làm việc bình thường
1.4.2. Chế độ làm việc khẩn cấp (hình 1.8)

Hình 1.8. Chế độ khẩn cấp
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 7

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

Khi hệ thống nguồn điện lưới AC bị mất, bộ nghịch lưu vẫn được cung cấp
nguồn DC từ ắcquy nên liên tục cung cấp cho tải. Quá trình này không xảy ra sự
gián đoạn việc cung cấp nguồn cho tải.
1.4.3. Nạp điện cho ắcquy
Khi nguồn điện lưới có trở lại, bộ chỉnh lưu và nạp sẽ cung cấp nguồn DC
được điều chỉnh và lọc nạp cho ắcquy. Đồng thời cũng cung cấp nguồn DC cho bộ

nghịch lưu. Sự chuyển đổi hoàn toàn tự động, không có gián đoạn.
1.4.4. Tự đông bypass (hình 1.9)

Hình 1.9. Tự động bypass
Hệ thống bypass tự động chỉ hoạt động trong những trường hợp sau đây: quá
tải, tải bị lỗi, có sự cố trong UPS, hoặc khi kích hoạt chế độ tối ưu hóa hiệu suất. Sự
chuyển đổi về chế độ bình thường hoàn toàn tự động khi đã loại bỏ sự cố.
1.4.5. Chuyển mạch bypass ngoài khi bảo dưỡng
UPS có khả năng chấp nhận liên kết liên động khi thực hiện tác động đóng
chuyển mạch và cách ly toàn bộ hệ UPS ra khỏi hệ thống trong trường hợp cần bảo
dưỡng UPS mà không gây gián đoạn cung cấp điện cho phụ tải.
1.5. Các sơ đồ UPS
Sơ đồ UPS rất đa dạng, nhưng có hai loại cơ bản sau:
• Sơ đồ UPS đơn.
• Sơ đồ UPS mắc song song.
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 8

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

1.5.1. Sơ đồ UPS đơn

Hình 1.10. Sơ đồ UPS đơn

Như trình bày phần trên. Sơ đồ UPS được biểu diễn như trên hình 1.10 gồm:
+ Một bộ chỉnh lưu/nạp.
+ Một bộ nghịch lưu.
+ Một bộ ắcquy.
1.5.2. Sơ đồ UPS mắc song song
- Tạo ra nguồn cung cấp với công suất lớn hơn sơ đồ UPS đơn không có hệ
thống dự phòng.
- Tăng độ tin cậy của nguồn cung cấp với sơ đồ UPS mắc song song khi có
một hoặc nhiều UPS dự phòng.
a) Sơ đồ UPS mắc song song không có dự phòng (hình 1.11)

Hình 1.11. Sơ đồ UPS mắc song song không có dự phòng
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 9

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

- Sơ đồ này có công suất ra lớn hơn sơ đồ có UPS đơn.
- Công suất P cung cấp cho tải được chia đều giữa các UPS ,mỗi UPS có
công suất ra của nghich lưu là P/2,P/3,…tùy thuộc vào số UPS nối song song trong
sơ đồ.
- Khi có sự cố bất kỳ một trong cac UPS,tải sẽ được chuyển sang đường
bypass mà không gián đoạn cung cấp năng lượng trừ khi hệ thống cung cấp 2 vượt

quá sai số cho phép.
b) Sơ đồ ba UPS mắc song song với 1/3 tích cực (một UPS dự phòng)

Hình 1.12. Sơ đồ với ba UPS mắc song song với 1/3 tích cực
- Các UPS có công suất ra giống nhau mắc song song, ít nhất có UPS dự
phòng tích cực.
- Nếu một UPS ngừng hoạt động, vẫn còn những UPS khác có đầy đủ năng
lượng cung cấp cho toàn bộ tải.
1.6. Những ứng dụng chính của bộ nguồn liên tục UPS
Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông, ngân
hàng, y tế, hàng không là rất lớn. Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số
lượng máy tính đang được sử dụng. Có thể lấy một vài ví dụ về các thiết bị sử dụng
UPS, đó là những máy tính, việc truyền dữ liệu và toàn bộ thiết bị ở một trạng thái
nào 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

Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 10

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

- 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…

5. Chiếu sáng

- Đường hầm, đường băng sân bay,…

6. Các ứng dụng khác

- Máy quét hình…

Kết luận: Sau khi tìm hiểu tổng quan về UPS ta có thể hiểu rõ tầm quan trọng của
UPS đối với cuộc sống hàng ngày của chúng ta, nó là một nguồn điện dự phòng có

mặt ở mọi chỗ mọi nơi, những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục.

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CÁC SƠ ĐỒ CÁC KHỐI UPS
Một bộ nguồn liên tục (UPS) thường được cấu tạo từ các phần đó là: Bộ
chỉnh lưu, bộ lọc đầu ra, ắcquy, và bộ nghịch lưu. Sau đây ta sẽ lần lượt đi sâu vào
từng phần cụ thể.
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 11

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

2.1. Bộ chỉnh lưu
Để cấp nguồn cho tải một chiều, cần thiết kế các bộ chỉnh lưu. Các bộ chỉnh
lưu biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều. Do yêu cầu của đề tài
UPS lấy nguồn từ lưới điện một pha nên ta chọn bộ chỉnh lưu 1 pha. Ta dùng bộ
biến đổi chỉnh lưu một pha có điều khiển vì điều khiển được việc nạp cho ắcquy.
2.1.1. Bộ chỉnh lưu một pha có điều khiển
a) Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ có điều khiển
Ở sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ hình 2.1 sóng điện áp ra một chiều sẽ bị
gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anode của van bán dẫn âm, do vậy khi
sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ, chúng ta có chất lượng điện áp xấu.

a)

b)

Hình 2.1. Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ
Trị số điện áp tải trung bình lớn nhất được tính:
Udo = 0,45.U2

(2.1)

Với chất lượng điện áp rất xấu và cũng cho ta hệ số sử dụng biến áp xấu:
Sba = 3,09.Ud.Id

(2.2)

Đánh giá chung về loại chỉnh lưu này chúng ta có thể nhận thấy, đây là loại
chỉnh lưu cơ bản, sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản. Tuy vậy các chất lượng kỹ thuật
như: chất lượng điện áp một chiều; hiệu suất sử dụng biến áp quá xấu. Do đó loại
chỉnh lưu này ít được ứng dụng trong thực tế.
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 12

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

Khi cần chất lượng điện áp khá hơn, người ta thường sử dụng sơ đồ chỉnh lưu
cả chu kỳ theo các phương án sau.
b) Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển

Hình 2.2. Sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ

Hình 2.3. Các đường cong điện áp, dòng điện của Thyristor T1
Theo sơ đồ hình 2.2, biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống
hệt nhau, có thể coi đây là hai sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ hình 2.1 hoạt động
dịch pha nhau 1800. Ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng điện chạy qua.
Hình dạng các đường cong điện áp, dòng điện tải (U d,Id), dòng điện các van
bán dẫn I1, I2 và điện áp của van T1 được mô tả trên hình 2.3.
Điện áp trung bình trên tải, khi tải thuần trở dòng điện gián đoạn được tính:
Ud = Udo.(1+cosα)/2

(2.3)

với: - Udo: Điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng Udo = 0,9.U2
α: Góc mở của các Thyristor.
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 13

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

Khi tải điện cảm lớn, dòng điện, điện áp tải liên tục, lúc này điện áp một chiều
được tính:
Ud = Udo.cosα

(2.4)

Trong các sơ đồ chỉnh lưu thì loại sơ đồ này có điện áp ngược của van phải
chịu là lớn nhất:
U nv = 2 2.U 2 = 2. 2.U

(2.5)

So với chỉnh lưu nửa chu kỳ, thì loại chỉnh lưu này có chất lượng điện áp tốt
hơn. Dòng điện chạy qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ. Đối với
chỉnh lưu có điều khiển, thì sơ đồ hình 2.2 nói chung và việc điều khiển các van bán
dẫn ở đây tương đối đơn giản. Tuy vậy việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp
giống nhau, mà mỗi cuộn chỉ làm việc có một nửa chu kỳ, làm cho việc chế tạo biến
áp phức tạp hơn và hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn, mặt khác điện áp ngược của
các van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhất.
c) Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển
Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển có hai cách mắc sơ đồ: sơ đồ điều khiển
đối xứng (bốn thyristor), sơ đồ điều khiển không đối xứng (hai điôt, hai thyristor).

∗ ) Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng

Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng được cấu tạo từ bốn thyristor
mắc theo sơ đồ hình 2.4. Hoạt động của sơ đồ này khái quát có thể mô tả như sau.
Trong nửa chu kỳ đầu điện áp anode của Thyristor T 1 dương cathode T3 âm, nếu có
xung điều khiển cho cả hai van T1, T3 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 Thyristor còn dẫn (khoảng dẫn của các Thyristor phụ thuộc vào tính chất
của tải). Đến nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu, anode của Thyristor T 2 dương (+)
(cathode T4 âm (-)), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T 2, 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.

Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 14

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

b)
Hình 2.4. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng
a) Sơ đồ ; b) Dạng sóng đầu ra
Việc điều khiển đồng thời các Thyristor T 1,T3 và T2,T4 nhiều khi gặp khó
khăn trong khi mở các van điều khiển, nhất là khi công suất xung không đủ lớn. Để
tránh việc mở đồng thời các van như ở trên, mà chất lượng điện áp chừng mực nào
đó vẫn có thể đáp ứng được, người ta có thể sử dụng chỉnh lưu cầu một pha điều
khiển không đối xứng.
∗ ∗ ) Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng

a)

b)

Hình 2.5. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng
a) Sơ đồ ; b) Dạng sóng đầu ra
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 15

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

Trong mạch sử dụng một nửa SCR và một nửa điôt. Ưu điểm là điều khiển
đơn giản hơn và giá thành thấp vì điôt rẻ hơn SCR.
Khi t = t1 = α có xung kích T1 dẫn. Trong khoảng từ t1 → t2 T1 và D2 dẫn cho
dòng qua tải id = Id, ud = u2.
Khi u2 chuyển sang bán kỳ âm cuộn dây L sinh ra sức điện động tự cảm nên
D1 dẫn làm T1 tắt dòng id = Id chuyển từ T1 sang D1. Lúc này dòng id chảy là do D1
và D2 dẫn, ud = 0.
Khi t = t3 = π + α có xung kích T2 dẫn, làm D1 tắt. Trong khoảng từ t3 → 2π +
t1, T1 và D2 dẫn cho dòng qua tải i d = Id, ud = -u2. Trong sơ đồ ta thấy thời gian dẫn
dòng của điôt là π + α, còn thời gian dẫn dòng của SCR là π – α.
Kết luận:
Qua phân tích các phương án trên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha không
đối xứng với những ưu điểm sau:

- Sử dụng 2 van thyristor, 2 điốt, tiết kiệm hơn nên giảm giá thành cho bộ
biến đổi.
- Mạch lực và sơ đồ điều khiển đơn giản.
- Việc nạp ắcquy không có yêu cầu cao về chất lượng điện áp.
- Lấy điện trực tiếp từ nguồn điện 220V, 50Hz .
- Công suất của bộ nguồn UPS không lớn thích hợp với sơ đồ chỉnh lưu bán
điều khiển 1 pha.
2.2. Bộ lọc
Bộ lọc là phần tử trung gian giữa nguồn chỉnh lưu và phụ tải điện một chiều
nhằm san phẳng điện áp và dòng điện chỉnh lưu. Đặc tính cơ bản của bộ lọc là cho
phép dòng điện có tần số nào đó thông qua và ngăn trở các dòng điện tần số khác.
Trong lĩnh vực điện tử công suất thường sử dụng hai bộ lọc:
- Bộ lọc điện cảm còn gọi là cuộn kháng san bằng (hình 2.6a) thường sử
dụng trong các bộ chỉnh lưu công suất lớn do tác dụng san bằng điện áp chỉnh lưu
giảm hệ số hình dáng của dòng điện chỉnh lưu.
- Bộ lọc tụ điện (hình 2.6b ) san bằng điện áp chỉnh lưu rất khó thực hiện với
tải công suất lớn, vì khi R càng nhỏ ta càng khó thực hiện điều kiện lọc tốt Z C <<
R do giá trị C phải rất lớn. Do đó lọc tụ chỉ dùng cho tải công suất nhỏ.
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 16

a)

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

b)
Hình 2.6. Bộ lọc

2.2.1. Bộ lọc điện cảm
Sơ đồ bộ lọc điện cảm đơn giản nhất được cho trên hình 2.6a. Hình 2.7 trình
bày dạng sóng dòng điện chỉnh lưu khi có lọc điện cảm. Hệ số sóng khi có tác dụng
lọc được cho bằng biểu thức:
u0
R
=
2
ut
R + (2πf ) 2

(2.6)

Hệ số khi có lọc điện cảm được cho bằng biểu thức:
u0
1
=
u t 1 − (2πf ) 2 L.C

(2.7)

1
2

trong đó f là tần số sóng, R >> πfC.

Khi điện cảm L lớn dòng điện qua điện cảm và điện áp ra u 0 là không đổi và
có hình dạng chữ nhật. Khi L nhỏ, dòng điện qua điện cảm có hình dạng nhấp nhô.
Nếu điện cảm quá nhỏ, dòng điện giảm đột ngột về không và trở nên không liên tục.

Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 17

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

Hình 2.7. Dạng sóng dòng điện và điện áp của bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ
có lọc điện cảm
Giá trị điện cảm tối thiểu để duy trì dòng điện một chiều gọi là điện cảm tối
thiểu Lc. Đối với chỉnh lưu hai nửa chu kỳ:
Lc =

R
6πf

(2.8)

2.2.2. Bộ lọc tụ điện
Khi có bộ lọc tụ điện điện áp sau chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (hình 2.8a) có
hình dáng biểu diễn trên hình 2.8b.

a)
b)
Hình 2.8. Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ lọc tụ điện
a) Sơ đồ ; b) Dạng sóng
Điện áp trên tụ biến thiên giữa giá trị cực đại V m và cực tiểu Vm- Vr. Khi điện
áp biến thiên nhỏ có thể tính gần đúng:
Vr =

Vm
f r RC

(2.9)

fr là tần số nhấp nhô của điện áp chỉnh lưu.
Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
Vd =

Vm
2 2 f r RC

(2.10)

Điện áp hiệu dụng nhấp nhô:
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 18

Vac =

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

Vm
2 2 f r RC

(2.11)

Ta tìm được hệ số sóng:
ks =

1
2(2 f r RC-1)

(2.12)

Trong sơ đồ ở hình 2.8a, điện trở Rin để hạn chế dòng điện nhảy vọt qua các
điôt khi bộ chỉnh lưu được nối với nguồn. Dòng điện nhảy vọt có thể đạt giá trị lớn
vì ban đầu tụ chưa nạp và đóng tụ điện tại thời điểm điện áp cực đại.
Nhận xét: Sau khi trình bày bộ lọc điện cảm và bộ lọc tụ điện. Ta thấy bộ lọc điện
cảm có tác dụng hiệu quả hơn trong các điều kiện dòng tải lớn, công suất lớn. Còn
bộ lọc tụ điện chỉ dùng cho tải có công suất nhỏ. Ở đây ta thiết kế UPS công suất
nhỏ với chỉnh lưu điện áp dòng điện nhấp nhô nên cần tụ để san phẳng tạo chất
lượng tốt cho bộ chỉnh lưu, nên ta chọn bộ lọc tụ điện cho bộ chỉnh lưu.
2.3. Ắcquy

2.3.1. Khái niệm ắcquy
Ắcquy là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hoá.
Ắcquy là một nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong
công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày: như động cơ điện, bóng đèn điện,
là nguồn nuôi của các linh kiện điện tử... ắcquy là nguồn cung cấp điện cho các
động cơ khởi động.
Trong thực tế có nhiều loại ắcquy nhưng phổ biến nhất là hai loại ắcquy chì
và ắcquy axit.
2.3.2. Cấu tạo và đặc điểm của các loại ắcquy
Cấu trúc của một ắcquy đơn giản gồm có phân khối bản cực dương, phân
khối bản cực âm, các tấm ngăn. Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại
với nhau.
Cấu tạo của một bản cực trong ắcquy gồm có phần khung xương và chất tác
dụng lên nó.
Khung xương của bản cực âm và bản cực dương có cấu tạo giống nhau,
chúng được đúc từ chì và có pha thêm 5 ÷ 8% ăngtimoan (Sb) và tạo hình mắt lưới.
Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắcquy đơn được hàn
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 19

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

với nhau tạo thành khối bản cực dương, các bản cực âm được hàn với nhau thành

khối bản cực âm. Số lượng các bản cực trong mỗi ắcquy thường từ 5 đến 8, bề dày
tấm bản cực dương của ắcquy thường từ 1,3 đến 1,5 mm, bản cực âm thường mỏng
hơn 0,2 đến 0,3 mm. Số bản cực âm trong ắcquy thường nhiều hơn số bản cực âm
một bản nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực. Tấm
ngăn được bố trí giữa các bản cực âm và dương có tác dụng ngăn cách và tránh va
đập giữa các bản cực. Tấm ngăn được làm bằng vật liệu poly-vinyl-clo bề dày 0,8
đến 1,2 mm và có dạng lượn sóng, trên bề mặt tấm ngăn có các lỗ cho dung dịch
điện phân thông qua.
2.3.3. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắcquy
Ắcquy 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
Ắcquy cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện, quá trình ắcquy
dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện.
a) Quá trình biến đổi năng lượng trong ắcquy axit
Trong ắcquy axit có các bản cực dương là điôxit chì ( PbO 2 ), các bản âm là
chì ( Pb ), dung dịch điện phân là axit sunfuaric (H2SO4) 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 ắcquy axit :
phóng
PbO2 + 2H2SO4 + Pb

2PbSO4 + 2H2O
nạp

Thế điện động e = 2,1 V.
b) Quá trình biến đổi năng lượng trong ắcquy kiềm
Trong ắcquy 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 ắcquy kiềm :

phóng
Fe + 2Ni(OH)3

Fe(OH)3 + 2Ni(OH)2
nạp

Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 20

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

Thế điện động e = 1,4 V.
2.3.4. Các thông số cơ bản của ắcquy
a) Sức điện động của ắcquy
Sức điện động của ắcquy kiềm và ắcquy axit phụ thuộc vào nồng độ dung
dịch điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm.
E0 = 0,85 + ρ (V)
trong đó: E0 - sức điện động tĩnh của ắcquy (V)
ρ - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C (g/cm3)

Trong quá trình phóng điện thì sức điện động E p của ắcquy được tính theo
công thức:
Ep = Up + Ip.rb

trong đó : Ep - sức điện động của ắcquy khi phóng điện (V)
Ip - dòng điện phóng (A)
Up - điện áp đo trên các cực của ắcquy khi phóng điện (V)
rb - điện trở trong của ắcquy khi phóng điện (Ω)
Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắcquy được tính theo công thức:
En = Un - In.rb
trong đó : En - sức điện động của ắcquy khi nạp điện (V)
In - dòng điện nạp (A)
Un - điện áp đo trên các cực của ắcquy khi nạp điện (V)
rb - điện trở trong của ắcquy khi nạp điện (Ω)
b) Dung lượng của ắcquy
Dung lượng phóng của ắcquy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng
lượng điện của ắcquy cho phụ tải, và được tính theo công thức :
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 ắcquy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng
lượng của ắcquy và được tính theo công thức:
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 21

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

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).
2.3.5. Đặc tính phóng nạp của ắcquy

I (A) E,U (V)

10

2,11
1,95

Kho¶ng nghØ

E
U

P

1,75
Vï ng phãng ®iÖn cho phÐp
5

CP =IP.tP
0

2

4

6

t
8

10

Hình 2.9. Đặc tính phóng ắcquy
a) Đặc tính phóng ắcquy
Đặc tính phóng của ắcquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện
động, điện áp ắcquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng
điện phóng không thay đổi.
Từ đặc tính phóng của ắc quy như trên hình vẽ ta có nhận xét sau:
Trong khoảng thời gian phóng từ t p = 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 ắcquy (dòng điện
phóng).

Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 22

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu ta tiếp tục cho
ắcquy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của ắcquy 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 ắcquy sau
này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắcquy, các giá trị E p, Up,
ρ tại tgh được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắcquy. Ắcquy 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 ắcquy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời
gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắcquy. Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào
chế độ phóng điện của ắcquy (dòng điện phóng và thời gian phóng).
b) Đặc tính nạp ắcquy
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.
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 ắcquy 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 ắcquy.
Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắcquy kéo dài từ 2 ÷ 3h trong suốt thời
gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắcquy và nồng độ dung dịch điện phân
không thay đổi. Như vậy dung lượng thu được khi ắcquy phóng điện luôn nhỏ hơn

dung lượng cần thiết để nạp no ắcquy.
Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắcquy, nồng độ dung dịch
điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắcquy
sau khi nạp.
Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 23

Ngành: Kĩ thuật điện, điện tử

Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắcquy.
Dòng điện nạp định mức đối với ắcquy là In = 0,1C10.
Trong đó C10 là dung lượng của ắcquy mà với chế độ nạp với dòng điện định
mức là In = 0,1C10 thì sau 10 giờ ắcquy sẽ đầy.
Ví dụ với ắcquy C = 180Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10%
dung lượng (tức In = 18A) thì sau 10 giờ ắquy sẽ đầy.
I (A)

U,E (V)
2,7

2

Kho¶ng

nghØ

U

2,4

TE
1,95
Vï ng
n¹p n0

Vï ng n¹p chÝnh
10

1

10%C10

Cn =In.tn

5

t
0

2

4

6

8 ts 10

12

Hình 2.10. Đặc tính nạp ắcquy
2.3.6. Các phương pháp nạp ắcquy tự động
Có ba phương pháp nạp ắcquy là :
+ Phương pháp dòng điện.
+ Phương pháp điện áp.
+ Phương pháp dòng áp.
a) Phương pháp nạp ắcquy với dòng điện không đổi
Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi
loại ắcquy, bảo đảm cho ắcquy được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các
xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho ắcquy hoặc nạp sửa chữa cho các ắcquy

Sinh viên: Chu Văn Sơn

Lớp:
50KTĐ