Đồ án tốt nghiệp UPS netesika

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

1

Ngành: Kỹ thuật điện,

MỤC LỤC

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

2

Ngành: Kỹ thuật điện,

DANH MỤC HÌNH

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Điện tử

3

Ngành: Kỹ thuật điện,

LỜI NÓI ĐẦU
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư là nội dung không thể thiếu trong chương trình đào
tạo của các trường đại học kỹ thuật nói chung và trường Đại Học Thủy Lợi nói
riêng. Đây là lúc sinh viên tổng hợp và thu thập các kiến thức đã được học tập và
nghiên cứu trong suốt quá trình học tập ở trường, đồng thời nghiên cứu sâu thêm
các kiến thức bổ ích mà chưa được đề cập hoặc đề cập một cách khái quát trong
chương trình học trên lớp. Đồ án tốt nghiệp giúp sinh viên tiếp cận với thực tế thiết
kế và điều khiển các mạch điện của các thiết bị điện trong sản xuất và sinh hoạt của
con người và của mỗi cá nhân, nối liền giữa lý thuyết và thực hành thực tế.
Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay, các thiết bị điện đóng
vai trò rất quan trọng trong việc phát triển kinh tế đất nước, đặc biệt là trong lĩnh
vực kỹ thuật hiện đại từ các thiết bị khoa học công nghệ cao cấp trên thế giới cho
đến các vật dụng sinh hoạt trong đời sống con người.
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, thiết bị cấp nguồn liên tục UPS được thiết kế
nhằm giải quyết các vấn đề về sự cố của các thiết bị máy móc bị ngưng cấp điện
trong khoảng thời gian nhất định, mang đến sự an toàn và tiện ích, phục vụ trực tiếp
lợi ích trong cuộc sống và sinh hoạt của mỗi con người.
Nội dung thiết kế bộ nguồn liên tục UPS công suất 2kVA bao gồm 5 chương
- Chương 1 : Giới thiệu UPS và ứng dụng.
- Chương 2 : Giới thiệu các sơ đồ các khối UPS.
- Chương 3 : Thiết kế tính chọn mạch động lực.
- Chương 4 : Thiết kế mạch điều khiển.
- Chương 5 : Khảo sát, tính toán giá trị điện áp ra.

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
4

Ngành: Kỹ thuật điện,

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU UPS VÀ ỨNG DỤNG
1.1. Khái quát về UPS
Khoa học kỹ thuật không ngừng tiến bộ, đã mang lại sự thoải mái và tiện lợi
cho đời sống, vô tình chúng ta đã ỷ lại nhiều về thiết bị máy móc tự động hóa của
khoa học kỹ thuật, tuy nhiên chúng ta cũng gặp phải sự bất tiện khi bị cúp điện, trục
trặc của tự động hóa. Đa số thiết bị điện không nhạy cảm đối với sự cúp điện,
nhưng khi có điện lại thì có thể hoạt động tiếp tục, ví dụ: thang máy, tivi, máy giặt,
tủ lạnh ... Nhưng một số thiết bị tinh vi lại rất nhạy cảm khi cúp điện, không những
gây tổn thất lớn, và sinh mạng có thể bị đe dọa khi xảy ra nghiêm trọng, ví dụ như
giàn máy tính lớn, giao dịch chứng khoán, sản xuất linh kiện chip, máy đo tim phổi,
thiết bị dẫn đường …
Máy phát điện là nguồn cung cấp điện thường dùng trong khi bị cúp điện, sẽ
cung cấp điện cho các thiết bị trong khi bị cúp điện, tốc độ khởi động của bất kỳ
máy phát điện dù nhanh cách mấy, từ sau khi cúp điện đến khi máy phát điện nhận
được tín hiệu cần khởi động để phát điện, đến lúc điện áp, tần số của máy phát điện
ổn định để có thể cung cấp điện, cần khoảng vài phút. Trong khoảng thời gian này,

các thiết bị điện phải ngưng làm việc, như vậy có thể gây tổn hại cho các thiết bị
hoặc mang lại tổn thất cho tài sản và sinh mạng, từ đó ta thấy máy phát điện không
thể hoàn toàn thỏa mãn nhu cầu sử dụng cho thiết bị điện.
Thiết bị lưu điện sẽ cung cấp không ngừng và ổn định dòng điện xoay chiều
để phục vụ cho máy vi tính và các thiết bị quan trọng khác khi điện lực thành phố
cung ứng thất thường, thiết bị điện vẫn làm việc bình thường, không gây tổn hại và
tê liệt hệ thống.
UPS (Uninterruptible Power Supplier) được hiểu như là hệ thống nguồn
cung cấp liên tục hay đơn giản hơn là bộ lưu trữ điện dự phòng nhằm làm tăng độ
tin cậy cung cấp điện cho hệ thống. Thiết bị sử dụng ắcquy dùng để cung cấp nguồn
điện liên tục trong trường hợp nguồn chính bị ngắt đột ngột, nó có thể bảo vệ tới 9
sự cố thường gặp theo tiêu chuẩn IEC bao gồm: mất nguồn, sụt áp, quá áp, thấp áp
tạm thời, quá áp tạm thời, xung điện, sóng hài, trượt tần, nhiễu trên lưới điện. UPS
được chế tạo với dãy công suất vài trăm oát đến vài trăm kilôoát đáp ứng cho các
loại phụ tải khác nhau. Nguồn cấp thường xuyên cho phụ tải là nguồn lưới còn
Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
5

Ngành: Kỹ thuật điện,

nguồn dự phòng là UPS. Công suất của UPS phụ thuộc vào ắcquy và công suất của

bộ biến đổi. Do dung lượng của ắcquy thường không được lớn nên thời gian cấp
nguồn của UPS thường là không dài. Nếu có sự cố lâu dài thì sau một thời gian làm
việc (tùy thuộc vào công suất phụ tải) UPS phải dừng làm việc.
1.2. Phân loại
Từ yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất lượng,
UPS được phân thành các dòng sản phẩm chính về công nghệ như sau :
1.2.1. Phân loại UPS dựa theo bộ chuyển đổi
a) UPS tĩnh
Sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất làm chức năng chỉnh lưu và nạp ắcquy
để tích trữ điện năng khi làm việc bình thường. Khi sự cố bộ nghịch lưu làm nhiệm
vụ biến đổi điện năng một chiều tích lũy trong tụ thành điện năng xoay chiều cung
cấp cho các tải ưu tiên. Ưu điểm của UPS tĩnh là kích thước nhỏ gọn, vận hành đơn
giản, làm việc chắc chắn, dòng cho phép lớn (hình 1.1).
b) UPS quay
Sử dụng máy điện làm chức năng nghịch lưu. Với dòng ngắn mạch của máy
phát điện cao, hệ thống phụ tải được cách ly với nguồn, với trở kháng ra của hệ
thống thấp (hình 1.2).

Hình 1.1. UPS tĩnh

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang

6

Ngành: Kỹ thuật điện,

Hình 1.2. UPS quay
1.2.2. Phân loại theo chế độ làm việc
a) UPS có chuyển mạch (Offline UPS)
Khi có nguồn điện lưới, bộ chuyển mạch đóng sang phía lưới UPS sẽ cho
điện lưới thẳng tới phụ tải. Khi mất điện, tải sẽ được chuyển mạch tự động cấp điện
từ ắcquy qua bộ nghịch lưu. Nguồn điện một chiều từ ắcquy qua bộ nghịch lưu biến
đổi thành dòng xoay chiều có điện áp và tần số phù hợp với tải, thường biến đổi
thành điện xoay chiều và tăng áp qua biến áp. Với công suất thấp, khối chuyển
mạch là rơle cơ, còn ở công suất cao chuyển mạch chuyển mạch thường dùng van
bán dẫn làm việc ở chế độ đóng - cắt.
Sơ đồ cấu tạo loại UPS có chuyển mạch như hình 1.3. Theo sơ đồ cấu tạo ở
hình 1.3, khối ắcquy được nạp từ nguồn lưới (khi có điện lưới) qua chỉnh lưu và
trạng thái chờ (vì lúc này chuyển mạch đang nối với lưới).
Đặc điểm chính của UPS kiểu này là cấu tạo đơn giản và giá thành phù hợp,
tuy nhiên khi có điện lưới tải được cấp trực tiếp từ lưới nên khó ổn định, còn khi
cấp điện từ ắcquy điện áp ra chưa thật chuẩn vì thiếu bộ lọc, thời gian tác động
chậm không đáp ứng được yêu cầu các tải nhạy cảm như máy tính, tổng đài điện
thoại … vì phải qua bộ chuyển mạch, do vậy sơ đồ này thường được chế tạo với cấp
công suất nhỏ dưới 2kVA.
Phạm vi áp dụng UPS loại này thường cho các thiết bị đơn giản, công suất
nhỏ, ít nhạy cảm lưới điện, đòi hỏi độ tin cậy thấp.

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
7

Ngành: Kỹ thuật điện,

Hình 1.3. UPS có chuyển mạch
a. Sơ đồ khối
; b. Sơ đồ mô tả nguyên lý
b) UPS không chuyển mạch (Online UPS)
Hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi kép: từ AC sang DC sau đó chuyển
ngược DC sang AC. Do đó nguồn điện cung cấp cho tải hoàn toàn do UPS tạo ra
đảm bảo ổn định cả về điện áp và tần số. Điều này làm cho các thiết bị được cung
cấp điện bởi UPS hầu như cách ly hoàn toàn với sự thay đổi của lưới điện. Vì vậy,
nguồn do UPS online tạo ra là nguồn điện sạch (lọc hầu hết các sự cố trên lưới
điện), chống nhiễu hoàn toàn. Điện áp ra hoàn toàn hình sin. Loại UPS không
chuyển mạch có cấu tạo như hình 1.4. Điện lưới xoay chiều được bộ chỉnh lưu
chuyển thành điện một chiều nạp cho ắcquy (hình 1.4a), sau đó điện một chiều của
ắcquy được nghịch lưu thành điện xoay chiều, tăng áp qua biến áp tới giá trị cần
thiết để cấp cho tải. Cách cấp điện như thế này làm cho ắcquy luôn luôn làm việc ở
chế độ nạp nên tuổi thọ ắcquy thấp.
Cách thiết kế phổ biến được lựa chọn trên hình 1.4b. Hai nguồn điện một
chiều qua điôt D1, D2 cùng được cấp tới mạch nghịch lưu (biến đổi một chiều DC
thành xoay chiều AC).
Hai đường cấp điện này được thiết kế có giá trị không bằng nhau, điện áp
chỉnh lưu từ dưới được thiết kế cao hơn điện áp từ ắcquy. Điện áp một chiều đầu ra

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
8

Ngành: Kỹ thuật điện,

của bộ tăng ắcquy được thiết kế cao hơn điện áp chỉnh lưu và lọc lấy từ dưới theo
thông số danh định. Ví dụ, điện áp nguồn lưới 220V, sau chỉnh lưu và lọc từ anôt
D1, có giá trị 308V, khi đó điện áp sau khi tăng áp ắcquy điện áp anôt D2 được thiết
kế ví dụ 305V.
Nhờ có 2 điôt D1, D2 ở đầu của bộ nghịch lưu mà chỉ có một đường cấp cho
tải, toàn bộ điện năng cung cấp cho tải như vậy đều phải qua bộ nghịch lưu, do đó
việc cung cấp điện đảm bảo liên tục, chất lượng điện năng về điện áp, dạng sóng,
tần số là bộ nghịch lưu quyết định mà không phụ thuộc và nguồn cung cấp.
Khi có điện, do đầu ra của bộ chỉnh lưu từ dưới được thiết kế với giá trị cao
hơn điôt D1 dẫn làm cho D2 khóa (do điện áp từ ắcquy thấp hơn nên D2 phân cực
ngược, tải tự động nhận điện từ lưới).
Khi lưới gặp sự cố (một trong 9 sự cố thường gặp đã nêu trên), nguồn cung
cấp được lấy từ ắcquy qua điôt D2, qua bộ nghịch lưu và bộ lọc tới tải .

Hình 1.4. UPS không chuyển mạch
a. Ắcquy luôn cấp điện ; b. Ắcquy chờ

Khi lưới có chất lượng điện áp tốt có thể đáp ứng yêu cầu của tải hoặc trong
trường hợp cần bảo dưỡng, sửa chữa bộ chỉnh lưu - nghịch lưu và ắcquy thì hệ
thống còn bộ chuyển mạch tĩnh đảm bảo cung cấp điện cho tải.
Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
9

Ngành: Kỹ thuật điện,

Loại UPS này có cấu tạo phức tạp hơn song nó đảm bảo chất lượng điện áp
và độ tin cậy cung cấp điện cao nhưng giá thành cao và được áp dụng với điện áp
trung bình và lớn hơn 40kVA.
Các loại UPS trên đều có chung nhược điểm, đó là thời gian làm việc không
dài và phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng của bộ ắcquy.
Loại UPS không chuyển mạch có chất lượng tốt hơn và được sử dụng rộng
rãi hơn.
1.2.3. Phân loại theo dạng điện áp ra
a) Dạng xung vuông
Điện áp đầu ra dạng xung vuông (trong các bộ nghịch lưu áp và dòng). Các
bộ nghịch lưu mà dạng sóng của dòng điện hoặc điện áp đưa ra bộ nghịch lưu là
những bộ xung vuông hoàn toàn hoặc xung có nhảy cấp mà ta định nghĩa chung là
những bộ nghịch lưu nhảy cấp. Bộ nghịch lưu nhảy cấp loại này có những thuận lợi

và hạn chế nhất định trong điều khiển và dạng song đầu ra. Thuận lợi chủ yếu là vấn
đề điều khiển, trong điều khiển, ở một chừng mực nhất định, thì kết cấu của mạch
điều khiển tương đối đơn giản, thời gian đóng cắt của van bán dẫn được cố định
trong một chu kỳ. Ta thấy cả hai bộ nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp đề cập ở
chương 2 thì trong một nửa chu kỳ điện áp cơ bản đầu ra thì các van bán dẫn chỉ
đóng cắt một lần duy nhất. Có thể nói rằng tần số đóng cắt của van bán dẫn bằng hai
lần tần số sóng cơ bản của bộ nghịch lưu. Khả năng chuyển mạch của van bán dẫn
yêu cầu không cao, do vậy có thể dùng cho mạch có công suất lớn vì các van bán
dẫn công suất lớn có tốc độ chuyển mạch thấp, các van công suất càng lớn thì tốc độ
chuyển mạch càng chậm. Bên cạnh ưu điểm trên thì bộ nghịch lưu nhảy cấp bộc lộ
một số nhược điểm, nhược điểm lớn nhất là khả năng sin hóa dòng điện hoặc điện
áp không cao. Do đóng cắt cung cấp cho tải những xung vuông nên khi tải là động
cơ sẽ xuất hiện sóng hài bậc cao không mong muốn.

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
10

Ngành: Kỹ thuật điện,

b) Dạng sin chuẩn
Để nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu, bộ

nghịch lưu điều biến độ rộng xung được đưa vào nghiên cứu và ứng dụng. Tiêu
chuẩn cơ bản để đánh giá chất lượng của bộ nghịch lưu mức độ gần sin chuẩn của
điện áp và dòng điện đầu ra.
Dạng sóng đầu ra của bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM – Pulse
Width Modulation) được điều biến với phổ hài bé nhất, thành phần hài bậc cao được loại
trừ đến mức tối thiểu, khả năng điều khiển thích nghi theo mọi cấp điện áp và mọi tần số
trong dải tần số cần điều chỉnh. Bằng phương pháp PWM ta có thể điều khiển được động
cơ thích nghi theo một đường đặc tính cho trước. Nhược điểm lớn nhất của bộ nghịch
lưu PWM là yêu cầu van bán dẫn có khả năng đóng cắt ở tần số lớn. Tần số thông
thường lớn hơn khoảng 15 lần tần số định mức đầu ra của bộ nghịch lưu.
1.3. Cấu trúc của UPS
1.3.1. Các thành phần chính của UPS
Một hệ thống UPS hoàn chỉnh được bao gồm các phần tử cho trên hình 1.5
a) Đường dây vào
UPS có 2 đường vào độc lập từ hệ thống cung cấp:
Hệ thống cung cấp 1 (HTCC): Đường vào bình thường cung cấp cho chỉnh
lưu và nạp.
Hệ thống cung cấp 2 (HTCC2): Cung cấp cho chuyển mạch (theo đường by- pass)
Bộ nghịch lưu được đồng bộ về tần số với HTCC2. Chuyển mạch tĩnh cho
phép tải được chuyển tức thời qua đường by- pass lúc cần thiết. Nên cuối UPS với
hệ thống cung cấp 2 độc lập để tăng độ tin cậy, tuy nhiên cũng có thể sử dụng
đường chung.
b) Bộ chỉnh lưu và nạp (1)
Biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều có tác dụng:
- Cung cấp cho bộ nghịch lưu
- Nạp thường xuyên cho ắcquy đảm bảo cho ắcquy luôn luôn được duy trì
trạng thái nạp đầy khi có điện lưới, đồng thời giám sát ắcquy để đảm bảo luôn sẵn
sàng cho chu kỳ phóng khi không có điện lưới.
c) Bộ nghịch lưu (2)
Chức năng của bộ nghịch lưu là biến đổi nguồn điện một chiều DC thành

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
11

Ngành: Kỹ thuật điện,

xoay chiều 1 pha AC cung cấp cho phụ tải nhạy cảm cần bảo vệ với sai số cho
phép.
Với công nghệ mới, bộ nghịch lưu thường kết hợp với công nghệ IGBT và
điều khiển PWM – điều chế độ xung.

Hình 1.5. Các thành phần chính của UPS
d) Bộ ắcquy (3)
Dự trữ điện năng để cấp cho bộ nghịch lưu nếu:
Hệ thống cung cấp mất điện.
Sự cố làm giảm chất lượng điện áp cung cấp.
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 qua 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 thông nối đất đầu vào và đầu ra UPS khác nhau.
h) 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.
Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
12

Ngành: Kỹ thuật điện,

1.3.2. Các thiết bị khác trong UPS
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.
UPS có thể trang bị thêm hệ thống chuẩn đoán tự động, tự động kiểm tra

giám sát trạng thái của các linh kiện.

Hình 1.6. UPS và các thiết bị phụ kèm theo
1.4. Các chế độ hoạt động của UPS
Để luôn mang lại hiệu quả tiện ích cho cuộc sống UPS có thể làm việc theo
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 điện từ lưới điện, chuyển đổi dòng
điện AC thành dòng điện DC cung cấp điện liên tục cho bộ nghịch lưu (inverter) sẽ
biến đổi điện DC thành AC được lọc rồi điều chỉnh rồi cung cấp cho tải.

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
13

Ngành: Kỹ thuật điện,

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

Khi hệ thống nguồn điện lưới AC bị mất, bộ nghịch lưu vẫn được cung cấp
nguồn DC từ ắcquy nên liên tục cấp cho tải. Quá trình này không xảy ra sự gián
đoạn việc cung cấp nguồn cho tải.

Hình 1.8. Chế độ làm việc khẩn cấp
1.4.3. Nạp điện cho ắcquy
Khi nguồn điện lưới có trở lại, bộ chỉnh lưu 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 động By - pass (hình 1.9)

Hình 1.9. Tự động Bypass
Hệ thống by - pass tự động chỉ hoạt động trong những trường hợp sau đây:
Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
14

Ngành: Kỹ thuật điện,

Quá tải
Tải bị lỗi
Có sự cố trong UPS

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 by - pass khi ngoài bảo dưỡng
UPS có khả năng chấp nhận liên kết động khi thực hiện các 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.
1.5.1. Sơ đồ UPS đơn
Như đã trình bày phần trên. Sơ đồ UPS đơn được biểu diễn như hình 1.10 bao gồm:
- Một bộ chỉnh lưu / nạp
- Một bộ nghịch lưu
- Một bộ ắcquy
-

Hình 1.10. Sơ đồ UPS đơn
1.5.2. Sơ đồ UPS mắc song song
Chúng ta có thể mắc song song các UPS đơn với mục đích:
- 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.
Đường by – pass:
- Đường by – pass chỉ có hiệu quả với sơ đồ có hệ thống cung cấp 2
- Đường by – pass được dùng để đồng bộ hóa nghịch lưu với hệ thống cung

-

cấp 3 về tần số.
Quá trình chuyển tải sang đường by – pass không gián đoạn việc cung cấp

điện năng.
a) Sơ đồ UPS mắc song song không có dự phòng (hình 1.11)
Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
15

Ngành: Kỹ thuật điện,

Hình 1.11. Sơ đồ UPS mắc song song không có dự phòng
-

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 nghịch 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 các 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 song song có dự phòng tích cực (dự phòng nóng) (hình 1.12)
Sơ đồ với ba UPS mắc song song với 1/3 tích cực (một UPS dự phòng).

Hình 1.12. Sơ đồ UPS mắc song song có dự phòng tích cực (dự phòng nóng)

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử
-

Trang
16

Ngành: Kỹ thuật điện,

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.

c) Sơ đồ song song có dự phòng hở (dự phòng nguội) (hình 1.13)

Hình 1.13. Sơ đồ UPS mắc song song có dự phòng hở (dự phòng nguội)
-

Trong sơ đồ này,một hoặc nhiều UPS dùng để dự phòng hở.

-

Quá trình chuyển đổi xảy ra mà không gián đoạn cung cấp năng lượng
cho tải bằng những thiết bị chuyển mạch chuyển đổi tĩnh.

1.6. Những ứng dụng chính của bộ nguồn UPS
Chức năng chính của bộ nguồn UPS là lưu trữ điện dự phòng, ổn áp tần tự
động chống xung lọc nhiễu, sét lan truyền. UPS luôn cung cấp một nguồn điện sạch
liên tục cho thiết bị tải. Với chức năng trên có thể thấy rằng khi sử dụng UPS là giải
pháp tối ưu để bảo vệ tiết bị tải an toàn trong suốt quá trình hoạt động và làm việc.
Bảo vệ chống lại
Ngừng
Những ứng dụng chính

1. Những hệ thống máy
tính nói chung

Những thiết bị

Được bảo vệ

Máy tính, mạng máy tính
Máy in, vẽ đồ thị, bàn
phím, thiết bị đầu cuối

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

hoạt động
từng phần
X

Ngừng
hoạt
động
toàn bộ
X

Các
sự

Thay

cố

đổi tần

khá

số

c
X
X
Lớp:

X


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
17

Ngành: Kỹ thuật điện,

Những bộ điều khiển lập
trình, hệ thống điều khiển
2. Những hệ thống máy

số, hệ thống điều khiển

tính công nghiệp

giám sát, rôbốt, máy móc

X

X

X

X

X

X

X

X

X

tự động, sản xuất linh
hoạt
Tổng đài điện thoại,
3. Viễn thông

truyền dữ liệu, hệ thống
rada
Dụng cụ y tế, thang máy,

4. Y tế và công nghiệp

rôbốt hàn, máy ép nhựa,
thiết bị điều chỉnh chính

X

xác, nhựa, nguyên liệu
Đường hầm, đường băng,
5. Chiếu sáng

sân bay, những tòa nhà

X

công cộng
Bảng 1.6.1: Liệt kê một vài ứng dụng chính của bộ nguồn UPS
Kết luận: Qua chương giới thiệu về UPS trên chúng ta phần nào có thể hiểu rõ hơn
tầm quan trọng của UPS, là một nguồn điện dự phòng rất cần thiết luôn đi đôi với sự
phát triển của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện từ công nghệ cao cho đến các thiết
bị điện sinh hoạt hằng ngày, những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục.

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC SƠ ĐỒ CÁC KHỐI UPS
Trong các thiết bị điện tử nói chung và bộ nguồn UPS nói riêng, các bộ
chỉnh lưu biến đổi điện năng xoay chiều thành một chiều cung cấp cho các tải một
chiều đóng vai trò vô cùng quan trọng. Chương này trình bày các đặc tính điện áp,
dòng điện, công suất, dạng sóng, khả năng sử dụng máy biến áp ứng với đặc tính
phụ tải trong sơ đồ chỉnh lưu.
2.1. Bộ chỉnh lưu
Chỉnh lưu một pha là một mạch điện bao gồm các linh kiện điện - điện tử,
dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lưu
một pha có thể được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều,
Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
18

Ngành: Kỹ thuật điện,

hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô tuyến.
Phần tử tích cực trong mạch chỉnh lưu một pha có thể là các điôt bán dẫn, các đèn
chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác. Bộ chỉnh lưu một pha đóng vai trò
quan trọng trong sự cấu thành UPS.
2.1.1. Bộ chỉnh lưu có điều khiển
A. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ có điều khiển
a) Tải R
Trên hình 2.1a trình bày sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ tải thuần trở.
Thyristor vẫn ở trạng thái khóa. Tại thời điểm ω t1 = α, đưa xung điều khiển i 0 vào
cực điều khiển, lúc này UAK >0, xung mồi có tác dụng mở thyristor, đưa nó sang
trạng thái dẫn.

Vd
id
0

0



id, Vd
2

t

iG
t

a)
b)
Hình 2.1. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ có điều khiển
Sơ đồ ; b) Dạng sóng dòng điện điện áp
Thyristor tiếp tục dẫn trong khoảng α < ω t < π, dòng điện id có dạng tương
tự điện áp ud. Trong khoảng π < ω t < 2π, điện áp UAK < 0, thyristor bị khóa. Để
a

thyristor tiếp tục dẫn trong chu kỳ tiếp theo cần đặt xung mồi lên cực điều khiển của
nó. Hình 2.1b trình bày dạng sóng dòng điện, điện áp chỉnh lưu khi tải thuần trở.
Góc α là góc mở, hay còn gọi là góc trễ.
b) Tải RL
Ở sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ hình 2.2 sóng điện áp ra một chiều sẽ bị
gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anôt 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.

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
19

Ngành: Kỹ thuật điện,

b)

a

Hình 2.2. Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ tải RL
a) Sơ đồ

b) Dạng sóng

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.
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
a) Tải R
Sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thứ cấp máy biến áp áp điểm giữa có điều
khiển cho trên hình 2.3. Quá trình xảy ra trong sơ đồ này trong sơ đồ chỉnh lưu điôt
hai nửa chu kỳ.

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
20

SCR 1

Ngành: Kỹ thuật điện,

u2 ( t )
i21

u 21 ( t )

u1 ( t )

u21 ( t )

Um

u22 ( t )

R
0

u 22 ( t )

SCR 2

π

2π

3π

4π

ωt

i22

a)

G1

α
Um

0α

G2
U0
i0

π π + α 2π

3π

4π

ωt

b)
Hình 2.3. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ tải thuần trở
a

Sơ đồ ; b) Dạng sóng

b) Tải RL
Theo sơ đồ hình 2.4, biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống
hệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng điện chạy qua. Cho nên ở cả
hai nửa chu kỳ sóng điện áp tải trùng với điện áp cuộn dây có van dẫn. Trong sơ đồ
này điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kỳ, với tần số đập mạch bằng hai lần
tần số điện áp xoay chiều.

Hình dạng các đường cong điện áp, dòng điện tải (Ud,Id), dòng điện các van
bán dẫn I1, I2 và điện áp của van T1 mô tả trên hình 2.5 khi tải thuần trở.
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.

Hình 2.4. Sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ
Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
21

Ngành: Kỹ thuật điện,

Hình 2.5. Các đường cong điện áp, dòng điện các van và điện áp của Thyristor T1
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)

Mỗi van dẫn thông trong một nửa chu kỳ, do vậy dòng điện mà van bán dẫn
phải chịu tối đa bằng 1/2 dòng điện tải, trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van.
Ihd = 0,71.Id

(2.6)

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 2.4 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
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)
a) Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng
*) Tải R
Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
22

Ngành: Kỹ thuật điện,

Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng được cấu tạo từ bốn thyristor
mắc theo sơ đồ hình 2.6a
Ta có điện áp nguồn hình sin u = 2 sin ωt
Khi

ω

t= ω t1 ; iG1,3 > 0, T1 dẫn và T3 dẫn ⇒ ud =u2

Khi u2 ≤ 0 ⇒ T1 và T3 tắt uT = -u2
Khi ω t = π + α ; iG2,4 > 0, u2 = uT2 + ud + uT4, T2 và T4 dẫn ⇒ uT2,4 =0 ⇒ ud = ud2
**) Tải RL
Hoạt động của sơ đồ này khái quát có thể mô tả như sau (hình2.6). Trong
nửa chu kỳ đầu điện áp anôt của thyristor T1 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).

T1

u1

T2

u2

T4

R

T13

a)
b)

Hình 2.6. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng tải thuần trở
a) Sơ đồ ; b) Dạng sóng đầu ra

Đến nửa bán kỳ sau, điện áp đổi dấu, anôt của thyristor T 3 dương (+) catôt T4
âm (-), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T 3,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 chu kỳ trước.

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Điện tử

Trang
23

Ngành: Kỹ thuật điện,

Việc điều khiển đồng thời các thyristor T1,T2 và T3,T4 nhiều khi gặp khó khăn
cho 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.

Hình 2.7. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng tải RL
a) Sơ đồ ; b) Dạng sóng đầu ra

b) Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng
*) Tải R
Hình 2.8 trình bày sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng
gồm 2 thyristor và 2 điôt.

Hình 2.8. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng
Hình 2.10 quan sát mạch ta thấy 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 rẽ 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.

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
24

Ngành: Kỹ thuật điện,

Hình 2.9. Dạng sóng chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng tải R
Giá trị trung bình của điện áp ra:
V0 =

Vm
(1 + cosα )
π

(2.7)

**) Tải RL
ud
α

0

T1

id

D1

u2

iT1

D2

iT2

t
t

Id
t

iD2
R

T2

t2
t3

Id
L

u1

α

t1

π+α

t

iD1

t

i2

t
t

a)

b)

Hình 2.10. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng tải RL
a) Sơ đồ ; b) Dạng sóng đầu ra
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.
Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp:

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Điện tử

Trang
25

Ngành: Kỹ thuật điện,

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.
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: Nhìn chung, các loại chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp
tương đương như chỉnh lưu cả chu kỳ. Chất lượng điện một chiều như nhau, dòng
điện làm việc của van bằng nhau, nên việc ứng dụng chúng cũng tương đương
nhau đồng thời chỉnh lưu cầu một pha có ưu điểm hơn ở chỗ: điện áp ngược trên
van bé hơn; biến áp dễ chế tạo hơn và có hiệu suất cao hơn. Sơ đồ chỉnh lưu điều
khiển 1 pha không đối xứng tải RL có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ, dễ điều khiển,
tiết kiệm van. Thích hợp cho các máy có công suất nhỏ và vừa.
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 điôt, 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, 60Hz.
- 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 2.11a) 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 2.11b) san bằng điện áp chỉnh lưu.

Sinh viên: Nguyễn Sĩ Khang
50KTĐ

Lớp: