Đồ án Điện tử công suất Chỉnh lưu Cầu 1 pha

Đồ án điện tử cơng suất

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA: ĐIỀU KHIỂN & TĐH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Họ tên sinh viên:

Tạ Đức Dương

Lớp:………………. …………………………

Khoá: …………..

Ngành đào tạo: …..

Hệ đào tạo:……... …………………….

…………………………

……………………..

I./ TÊN ĐỒ ÁN:

Thiết kế nguồn cấp một chiều cho UPS

II/ NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỒ ÁN:
1/. Thiết kế mạch lực
2/. Thiết kế mạch điều khiển
3/. Tính chọn các thiết bị
4/. Mô phỏng trên phần mềm

III/ CƠ SỞ DỮ LIỆU BAN ĐẦU
- Các thơng số (phần tính chọn)

IV/. NGÀY GIAO ĐỀ TÀI: ……./…../20…
V/. NGÀY NỘP QUYỂN: ……./…../20…
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

TS. Chu Đức Toàn

1


Đồ án điện tử cơng suất

GVHD: T.s Chu Đức Tồn
LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời, phát triển nhanh và ngày càng hoàn thiện của các linh kiện điện

tử, đặc biệt là vi xủ lý đã tạo ra sự thay đổi sau 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 đàm bảo tính
liên tục và chất lượng cung cấp điện cho những tải nhạy cảm mà không phụ
thuộc trạng thái hệ thống cung caaso, 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 điện công suất” giữa nguồn cung cấp và tải. Để đi sau vào tìm hiểu,
nghiện cứ về bộ nguồn dự trữ, Nhóm em đã 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 dồ án môn học nên đề tài cũng chưa thực sự sâu sắc và
chính xác.
Mặc dù chúng em đó rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi
và đặc biệt do trình độ hiểu biết của chúng em cũng nhiều hạn chế nên chúng em
không thể tránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được sự phê bình góp
ý của các thầy để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như
những ứng dụng thực tế của nó để bản đồ án của chúng em được hoàn thiện
hơn.Và chúng em hi vọng trong một tương lai khơng xa, chúng em có thể áp
dụng những kiến thức và hiểu biết thu được từ chính đồ án đầu tiên trong cuộc
đời sinh viên của chúng em vào thực tế cũng như sẽ phát triển hơn nó trong các
đồ án sau này.
Trong q trình làm đồ án chúng em đó nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo
rất tận tình của Thầy giáo TS.Chu Đức Tồn. Em xin chân thành cảm ơn Thầy
và hi vọng Thầy sẽ giúp đỡ chúng em nhiều hơn nữa trong việc học tập của
chúng em sau này.
Nội dung đề tài bao gồm các chương :
Chương 1: Tỏng quan chung về bộ nguồn UPS
Chương 2: Tính tốn và lựa chọn ắc quy cho bộ UPS
Chương 3: Lựa chọn và tính tốn mạch chỉnh lưu
Chương 4: Tính chọn mạch điều khiển

Chương 5: Mơ phỏng trên phần mềm PSIM

2


Đồ án điện tử cơng suất

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

3


Đồ án điện tử cơng suất

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ BỘ NGUỒN UPS
1.1 Giới thiệu về UPS
UPS được viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power 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. Nó cũng cấp tạm
thời điện năng nhằm duy trì sự hoạt động của thiết bị sử dụng điện lưới gặp sự
cố điện ( mất điện, sụt giảm điện áp quá thấp, sự cố khác…) trong một khoảng
thời gian với công suất giới hạn theo khả năng của nó.
Ở Việt Nam, UPS thường quen được gọi là: cái lưu điện. cực lưu điện…..
Như chúng ta đã biết, một nguồn điện tốt sẽ đảm bảo khả năng làm việc tin cậy,
kéo dài thời gian sử dụng thiết bị dùng điện cũng như mang lại hiệu quả kinh tế
cho doanh nghiệp. Hiện nay, do nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, để
năng cao độ tin cậy cung cấp điện, thỏa mãn các yêu cầu của kỹ thuật số, có thể
sử dụng hai giải pháp: một là xây dựng các khu công nghiệp và thương mại

được cấp điện với chất lượng cao, việc đầu tư cho hệ thống lưới điện địi hỏi rất
nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng thiếu hụt điện năng và chất lượng điện năng suy
giảm. Hai là sử dụng các bộ nguồn liên tục UPS cho các tải quan trọng, việc này
tiết kiệm được rất nhiều chi phi đầu tư xây dựng.
1.1.1

Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ nguồn liên tục UPS
UPS đầu vào nối với lưới điện, đầu ra nối với các thiết bị cần được bảo

vệ, bên trong có một acqui. Bình thường tải được cung cấp năng lượng từ
nguồn. Khi mất điện bất thường thì năng lượng cung cấp trực tiếp cho tải là
acqui đả bảo thiết bị được cung cấp một cách liên tục.
1.1.2

Sự cố cung cấp năng lượng
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 với biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (400V50Hz chẳng hạn).
Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dịng điện cùng tần số bị
ảnh hưởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệ
thống.
4


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
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 khơng tránh khỏi). Điều này
có thể ảnh hưởng đến đường dây ngồi trời hoặc cáp chôn, chẳng hạn:
-

Sấm sét làm điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện
Sương giá có thể làm cho đường dây bị đứt

+ Những hiện tượng ngẫu nhiên, chẳng hạn
-

Cành cây rơi gây gắn mạch hoặc đứt dây
Đứt cáp do đào đất
Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp
Những thiết bị dùng điện có thể ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp

+ Lăp đặt công nghiệp, chẳng hạn:
-

Động cơ gây ra điện áp rơi và nhiễm RF trong q trình khởi động.
Những thiết bị gây ơ nhiễm: lò luyện kim, máy hàn, … gây ra điện áp

-

rơi và nhiễm RF
Những hệ thống điện tử công suất cao
Thang máy, đèn huỳnh quang

+ Những sự cố ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có
thể phân thành các loại sau:

-

Lệch điện áp
Ngừng hoạt động
Tăng đột ngột điện áp
Thay đổi tần số
Xuất hiện sóng hài
Nhiễu tần số cao…
Sự cố có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt làm gián đoan

việc cung cấp điện, nhất là hệ thống dữ liệu của máy tính
1.1.3

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
5


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
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
Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải
nhạy cảm. UPS cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục, chất lượng cao,
khơng 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 số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từ nhạy
1.1.4

cảm
Ứng dụng trong thực tế
Bộ Nguồn UPS được sử dụng rộng rãi ở những nơi cần độ tin cậy cung

cấp điện và chất lượng cung cấp điện cao mà không bị ảnh hưởng những sự cố
của hệ thống cung cấp điện.
Bảng 1.1 liệt kê một vài ứng dụng chính của bộ nguồn UPS

Bảo vệ chống lại
Những ứng
dụng chính

Những thiết bị được
bảo vệ

1. Những hệ

Máy tính, mạng máy

Ngừn Ngừng

g hoạt hoạt
động
động
từng
toàn
phần
bộ
x
x
6

Các
sự cố
khác

Thay
đổi
tần số

x

x


Đồ án điện tử cơng suất
thống máy tính
nối chung

2. Những hệ
thống máy tính

cơng nghiệp

3. Viễn Thơng

4. Y tế và cơng
nghiệp

5. Chiếu sáng

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

tính.
Máy in, vẽ đị thị,
bàn phím, thiết bị
đầu cuối
Những bộ điểu
khiển lập trình, hệ
thống điểu khiển số,
hệ thóng điểu khiển
giám sát, robot, máy
móc tụ động, sản
xuất linh hoạt
Tổng đài điện thoại,
truyền dữ liệu, hệ
thống rada
Dụng cụ y tế, thang
máy, robot hàn, máy
ép nhựa, thiết bị
điều chỉnh chính
xác, thiết bị đo nhiệt

độ trong q trình
chuẩn bị chát bán
dẫn, nhựa, nguyên
liệu
Đừng hầm, đường
băng, sân bay,
những tòa nhà công
cộng

1.2 Phân loại UPS
1.2.1 Phân loại UPS
1.2.1.1 UPS tĩnh

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

dựa tho bộ chuyển đổi

Sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất làm chức năng chỉnh lưu và nạp
acquy để tích trữ điện năng khi làm việc bình thường. Khi sự có bộ nghịch lưu
làm việc vụ biến đổi điện năng một chiều tích lũy trong acquy thành điện năng
xoay chiều cung cấp cho các tải ưu tiên
-

Giới hạn dòng điện vận hành tối đa cho phép có thể tới 2,33
Cách ly về diện, khi cần dùng một máy biến áp cách ly.
Bảo dưỡng, vận hành đơn giản, là việc chắc chắn.
Khả năng đáp ứng nhanh cho sử dụng thiết bị vi điểu khiển.
Trọng lượng kính thước nhỏ, gọn.
Biên độ điện áp được điều chỉnh trong phạm vi ± 0,5% khoặc ± 1%
7


Đồ án điện tử cơng suất

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

Hình 1.1 UPS tĩnh
1.2.1.2

UPS quay

Hình 1.2: UPS quay
Sử dụng máy điện làm chức năng nghịch lưu
1.2.2
1.2.2.1

Dòng ngắn mạch của máy phát điện cao (khoảng 10)
Hệ thống phụ tải cách ly với nguồn.
Trở kháng ra của hệ thống thấp.
Cần bảo dưỡng kiểm tra thường xuyên.
Phân loại UPS theo chế độ làm việc
UPS gián tiếp (Off – line)
Trong UPS gián tiếp, bộ nghịch lưu được nối song song với hệ thống

cung cấp làm nguồn dự phịng. Khi vận hành bình thường nguồn cấp trực tiếp
cho tải qua bộ lọc F mà không qua bộ nghich lưu.
Khi xảy ra sự cố ở hệ thống cũng cấp hoặc điện áp hệ thống nằm ngoài
giới hạn cho phép, tải sẽ được cấp từ bộ nghịch lưu sau một thời gian chuyển
mạch rất ngắn, cỡ 10 ms,. Khi điện áp hệ thống được phục hồi, tải sẽ được tự
động chuyển về nguồn cung cấp. Sơ đồ này có ưu điểm vừa giải quyết được ổn
định cung cấp cho tải vừa có giá thành phù hợp. Tuy nhiên việc chuyển đổi vẫn
8


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
địi hỏi một khoảng thời gian không đáp ứng được như cầu các tải nhạy cảm như
máy tính, tổng đài điện thoại…. Sơ đồ này chỉ được sử dụng với coog suất nhỏ

dưới 2 KVA.
1.2.2.2

UPS trực tiếp (on-line)
Trong on-line UPS, bộ nghịch lưu được chèn vào giữa hệ thống cung cấp

và tải. Toàn bộ điện năng cung cấp qua tải 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 do bộ nghịch lưu quyết định mà khơng phụ thuộc vào nguồn cung cấp. Hệ
thống cịn có bộ chuyển mạch tĩnh đảm bảo cung cấp điện năng trong trường
hợp cần bảo dưỡng, sửa chưa bộ chỉnh lưu-nghịch lưu và acquy. Sơ đồ này đảm
bảo chất lượng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện cao nhưng giá thành cao và
được ứng dụng với công suất trung bình và lớn trên 40KVA
1.3
1.3.1

Cấu trúc UPS
Các thành phần chính của UPS
Một hệ thống UPS hồn chỉnh thường gồm các phần tử cho trên hình 1.3

Hình 1.3: Các thành phần chính của UPS
+ Đường dây vào: có hai đường vào độc lập từ hệ thống cung cấp
-

Hệ thống cung cấp 1 (HTCC1): đường vào bình thường cung cấp cho

-

chỉnh lưu-nạp
Hệ thống cung cáp 2 (HTCC2): cung cấp cho chuyển mạch tĩnh (theo bypass)

9


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
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 nối UPS với hệ
thống cung cấp 2 độc lập để tăng độ tin cậy, tuy nhiên cũng có thể sử dụng
đường chung.
+ Bộ chỉnh lưu nạp (1) : Biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để:
-

Cung cấp cho bộ nghịch lưu
Nạp thường xuyên cho acquy

+ Bộ acquy (2): Dự trữ điện năng để cung cấp cho bộ nghịc lưu nếu:
-

Hệ thống cung cấp điện mất
Sự cố làm giảm chát lượng điện áp cấp.

+ Bộ nghịch lưu (3): Nghịch lưu điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu hoặc từ
acquy thành điện áp xoay chiều với sai số cho phép.
+ Đường song song với chuyển mạch tĩnh (4) : Chuyển đổi tải UPS từ bộ nghịch
lưu sang hệ thống cung cấp 2 mà không làm gián đoạn cung cấp điện cho tải.
Việc này xảy ra khi nghịch lưu ngường hoạt động vì các lý do:
-

Bảo dưỡng
Quá tải

Sự cố bên trong

+ Đường cung cấp đóng bằng tay (5): Sử dụng cơng tắc đóng-mở bừng tay để
cung cấp điện cho tải theo hệ thống cung cấp 2 khi yêu cầu bảo dưỡng.
+ Máy biến áp cách ly (6) (Tùy chọn): Dùng mục đích cách ly tải vói hệ thống
cung cấp 2, nó thường được sử dụng khi hệ thông nối đất đấu vào đấu ra UPS
khác nhau.
+ Chuyển mạch bằng tay, thiết bị đóng cắt acpuy (7), (8), (9), (10): dùng để cách
y trong quá trình bảo dưỡng
1.3.2

Các thiết bị khác

Ngồi các linh kiện đã nêu ở trên, UPS có thể được trang bị thêm một số thiết bị
sau:
-

Thiết bị phân phối và bảo vệ.
Thiết bị ccacs ly, máy biến áp tạo điện áp phù hợp cho tải.
Hệ thống điều khiển, cảnh báo, hiện thị, điều khiển xa. UPS có thể trang
bị thêm hệ thống chẩn đoán tự động, tự động kiểm tra trạng thái của các
10


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
link kiện. Ví dụ như kiểm tra trạng thái của acquy thừng xun.
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN ẮC QUY CHO BỘ UPS
2.1 Giới thiệu chung về ắc quy và các chế độ nạp
2.1.1 Giới thiệu chung về ắc quy

Ăc-qui là loại bình điện hố 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 ni cho các linh kiện điện tử….

Hình 2.1: Ắc quy trong thực tế
Các tính năng cơ bản của ăc-quy:
-

Sức điện động lớn, ít 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 hồn tồn là 0.02 Ω 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.

2.1.2 Cấu tạo của ắc quy
Các bộ phận chủ yếu của ăc-quy a-xit gồm:
11


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
- 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.

Hình 2.2: Cấu tạo của ắc quy
Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ nhau theo kiểu cài răng
lược, sao cho cứ lá cực âm rồi đến một lá cực dương .
-

Tấm chắn 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.
Thanh nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ăc-quy này với
cực dương của ngăn ăc-quy tiếp theo.

2.1.3 Nguyên lý hoạt động của ắc quy
Ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch: nó tích trữ năng
lượng dưới dạng hố năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Quá

12


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài được gọi là q trình phóng điện, q trình
ắc qui dự trữ năng lượng được gọi là q trình nạp điện.
Kí hiệu hố 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 hố học biểu diễn q trình phóng nạp của ắc qui axit :
phóng
PbO2 + 2H2SO4 + Pb

2PbSO4 + 2H2O
nạp

Thế điện động E = 2,1 V.
Nhận xét : Từ những điều đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong q trình
phóng-nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi ắc quy phóng điện
nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc quy nạp điện nồng độ dung dịch
điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để
đánh giá trạng thái tích điện của ắc quy.
2.1.4 Các thông số cơ bản của ắc quy
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:
E0 = 0,85 + ρ

(V)

trong đó: E0 - 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 cơng
thức :
Ep = Up + Ip.rb
13


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
trong đó : Ep - sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V )
Ip - dịng điện phóng ( A )
Up - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V)

raq - điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( Ω )
Trong quá trình nạp sức điện động En của ắc qui được tính theo cơng thức:
En = Un - In.raq
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 )
raq - 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 cơng thức :
Qp = Ip.tp
trong đó: Qp - dung dịch thu được trong quá trình phóng ( Ah )
Ip - dịng 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 cơng thức :
Qn = In.tn
trong đó : Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( A.h )
In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A )
tn - thời gian nạp điện ( h ).
2.1.5 Đặc tính phóng nạp của ắc quy
2.1.5.1 Đặc tính phóng của ắc quy
14


Đồ án điện tử cơng suất

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

Hình 2.3 Đặc tính phóng của ắc quy
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 dịng điện phóng khơng thay đổi .
Từ đặc tính phóng của ắc qui như trên hình vẽ ta có nhận xét sau:
Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến tp = tgh, sức điện động, điện áp,
nồng
độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc
của các đồ thị không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian
phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc qui (dịng
điện phóng).
Từ thời điểm tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta tiếp
tụccho 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 thơ rắn rất khó hồ tan ( biến đổi hố học) trong q 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 , , ρ tại được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắc
qui, ắc qui khơng được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%.

15


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
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 (dịng điện phóng và thời gian phóng).
2.1.5.2 Đặc tính nạp của ắc quy

Hình 2.4 Đặc tính nặp của ắc quy
Đặc tính nạp của ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức
điện động, điện áp ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp
khi trị số dòng điện nạp khơng thay đổi.
Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét:
-

Trong khoảng thời gian nạp từ 0 đến t = ts , 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 (cịn
gọi là hiện tượng sơi) lúc này hiệu điện thế giữa các cực của ắc quy đơn
tăng tới giá trị 2,4V. Nếu vẫn tiếp tục nạp, giá trị này nhanh chóng tăng
16


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
tới 2,7 V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, có tác
dụng làm cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực đƣợc
biến đổi hồn tồn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của
ắc quy.
-

Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc quy kéo dài từ ( 2 ÷ 3 ) h, trong
suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các cực của ắc quy và nồng độ dung
dịch điện phân không thay đổi. Như vậy dung lượng thu được khi ắc quy
phóng điện ln nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc quy. Sau khi

ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc quy, nồng độ dung dịch
điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ
của ắc quy sau khi nạp. Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất
lượng và tuổi thọ của ắc quy. Dòng điện nạp định mức đối với ắc quy qui
định bằng 0,05C20.

2.2 TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN ẮC QUY
Với u cầu về công suất của UPS là 4.5 KVA, Ur = 120(V ) ta cần sử
dụng máy biến áp. Nếu coi hiệu suất của máy biến áp là 95% thì hiệu suất phía
sơ cấp
của máy biến áp nghịch lưu là:
= = 4,7 (KVA)
Nếu coi tổn hao công suất trên các van là khơng đáng kể thì có thể coi cơng
suất trước và sau bộ nghịch lưu là bằng nhau. Do yêu cầu bài ra Ur =120 V nên
tasẽ chọn 10 ắc quy loại 12V mắc nối tiếp nhau, lúc đó điện áp ra của bộ ắc quy
là Ur = 12.10 = 120V. Dòng điện nạp cho ắc quy là :
In= = = 39.16 (A)
Với loại ắc quy 12V ta tra được nội trở trong của ắc là r = 0,0015 Ω. Vậy nội
17


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
trở trong của bộ ắc quy là= 0,0015.6.10 = 0,09 ( Ω) (Mỗi acqui có 6 ngăn).
Mặt khác, tải của bộ chỉnh lưu là sức phản điện động của ắc quy, ở chế độ nạp
với dịng khơng đổi ta có:
Mặt khác, tải của bộ chỉnh lưu là sức phản điện động của ắc quy,
ở chế độ nạp với dịng khơng đổi ta có:
In.Raq + Eaq = Un
=> Un = In.Raq+ Eaq = 39.16. 0,09 + 120 = 123,53 (V)

Như vậy ta có điện áp ra của khâu chỉnh lưu là: Ud = 123,53 V

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN VÀ TÍNH TỐN MẠCH CHỈNH LƯU
3.1 Phân tích
Do lấy năng lượng từ nguồn điện áp xoay chiều do vậy để chọn được
chỉnh lưu hợp lý ta lần lượt xét ưu nhược điểm của từng loại sơ đồ:
Giữa sơ đồ đối xứng chỉnh lưu điều khiển và không điều khiển: Khi sử
dụng sơ đồ không điểu khiển tức là các van toàn bằng diode. Ta thấy giá thành
sẽ rẻ hơn nhiều tuy nhiên không thể điều chỉnh được điện áp ra cũng như không
thể làm việc ở chế độ nghịch lưu. Do vậy, để tối ưu đối với đề bài này ta phải
dùng chỉnh lưu có điểu khiển.
Giữa sơ đồ chỉnh lưu có điểu khiển đối xứng và không đối xứng: Ta thấy
sơ đồ chỉnh lưu khơng đối xứng có hệ số cơng suất cao do lợi dụng được tính
chảy quần của dịng điện trong mạch. Ta thấy tải là ắcqui chỉ đòi hỏi điện áp một
cực tính và khơng có khả năng làm việc ở chế độ nghịch lưu thì việc sử dụng sơ
đồ bán điểu khiển là cần thiết. Hơn nữa mạch chỉnh lưu khơng đối xứng sử dụng
ít van điểu khiển hơn nên mạch điểu khiển đơn giản hơn, giá thành thấp hơn.
So sách giữa sơ đồ một pha và ba pha thì ta thấy với một cơng suất:
thì sử dụng sơ đồ một pha là hợp lý nhất.
So sánh sơ đồ tia và sơ đồ cầu cùng số pha ta thấy:
+ Sơ đồ tia đơn giản hơn, số van ít hơn 2 lần.
18


Đồ án điện tử cơng suất
GVHD: T.s Chu Đức Tồn
+ Sơ đồ tia có sụt áp và tổn thất cơng suất chi trên một van nên ít hơn ở sơ đồ
cầu (hai van), tổn thất do mạch các van cũng tương tự như vậy.
+ Sơ đồ cầu có điện áp ngược đặt lên van nhỏ hơn hai lần so với sơ đồ tia.
+ Sơ đồ cầu không nhất thiết phải có biến áp nguồn

+ Sơ đồ cầu cho ta dạng điện áp và dòng chỉnh lưu tốt hơn và độ nhấp nhơ ít hơn
→ đối với sơ đồ tia kích thước cuộn kháng lọc lớn hơn.
-

Đối với sơ đồ 6 tia ta thấy:

+ Hiệu suất MBA được tận dụng tốt hơn.
+ Điện áp và dòng chỉnh lưu tốt như ở sơ đồ cầu
Tuy nhiên:
+ Số van nhiều, chế tạo MBA khó khăn và thường được dùng với chỉnh lưu
cơng suất lớn.
Từ những nhận xét trên ta thấy trong đồ án này thì sử dụng sơ đồ cầu một
pha bán điểu khiển là hợp lý.
Nhận xét: Sơ đồ chỉnh lưu điểu khiển 1 pha bá đối xứng có cấu tạo đơn giản,
gọn nhẹ, dễ điều khiển, tiết kiệm van. Thích hợp cho các máy có cơng suất nhỏ
và vừa.
Kết luận: Qua phân tích các phương án trên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha
bán điều khiển với những ưu điểm sau:
-

Sử dụng 2 van thyristor, 2 van điốt tiết kiệm hơn nên giảm giá thành cho
bộ biến đổi.
Mạch lực và sơ đồ điểu khiển đơn giản.
Việc nạp ắc quy khơng có u cầu cao về chất lượng điện áp
Có thể lấy điện áp trực tiếp từ nguồn điện không cần sử dụng MBA thay
đổi nên được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dân dụng.
Công suất nguồn UPS không lớn thích hợp với sơ đồ chỉnh lưu bán điểu
khiển 1 pha.

19

Đồ án điện tử cơng suất

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

Hình 3.1 Mô phỏng mạch cầu 1 pha bán điểu khiển tải R
Dạng điện áp

Hình 3.2 Dạng điện áp đầu ra của chỉnh lưu cầu
Ngun lý hoạt động:
•

Nhóm cactot chung là các thyristor nên chúng được mở ở các thời điểm
của nó. Nhóm đấu anot chung là van diode nên chúng luôn mở tự nhiên
theo điện áp nguồn: mở khi bắt đầu âm, mở khi bắt đầu dương. Do vậy
sự dẫn của các van lần lượt là:

-

Trong khoảng thời gian

-

Trong khoảng thời gian : dẫn ở và làm khóa, chưa dẫn nên cịn chưa
mở khóa.

-

Trong khoảng : dẫn, dẫn và làm cho khóa

-

Trong khoảng thời gian : dẫn
20


Đồ án điện tử công suất
Các công thức cơ bản:

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

-

Điện áp trên tải:

-

Dịng điện trên tải: Id =

-

Dòng điện qua van Thyristor: IT =

-

Dòng chạy qua van Diode:

-

Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua cuộn thứ cấp của máy biến áp:

-

Điện áp ngược trên thyristor và diode:
.

3.2 Lựa chọn van và tính các thơng số mạch lực
3.2.1 Sơ đồ mạch lực

21


Đồ án điện tử cơng suất

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

Hình 3.3 Sơ đồ mạch động lực có bảo vệ và lọc
Các thông số cơ bản:
-

Điện áp trên tải:

Lấy trực tiếp điện áp lưới với U =220 V, ở chế độ dịng khơng đổi ta được:
1 + = = = 1.25

.
-

Dịng điện qua van Thyristor:

=
= 39,16* = 11,421 (A)

- Dòng chạy qua van Diode:
22


Đồ án điện tử cơng suất

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

= 39,16* = 27,738 (A)
- Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua cuộn thứ cấp của máy biến áp:

= 39,16. = 29,9 (A)
3.2.2 Tính chọn van động lực
3.2.2.1 Lựa chọn van thyristor :
Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, điều kiện toả nhiệt,điện áp làm
việc, các thơng số cơ bản của van được tính như sau :
-

Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu :
.

-

Điện áp ngược van cần chọn: (= 1,7)

= 527,34 (V)
Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý, điện áp ngược của van cần phải chọn

lơn hơn điện áp làm việc được tính từ cơng thức qua trên, qua hệ số dự trữ
(thường được chọn lớn hơn 1,6)
-

Dòng điện làm việc của van:
= 19,58 (A)

Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả
nhiệt, quạt đối lưu khơng khí ,với điều kiện đó dịng định mức của van cần chọn
(:
23


Đồ án điện tử công suất
= 2,5. 19,58 =48,95 (A)

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

Để van bán dẫn có thể làm việc an tồn, khơng bị chọc thủng về nhiệt, phải
chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý ( hệ số xác định dòng điện hiệu dụng
thường chọn 1,7 ÷ 2,5)
Từ thông số trên tra phụ lục 2 sách Điện tử cơng suất phần I ta chọn Thyristor
kí hiệu 50RIF60W20 có các thơng số sau:
-

Điện áp ngược cực đại: Ungmax = 600V.

-

Dòng điện định mức của van: Iđm = 50A.

-

Dòng điện đỉnh cực đại: Ipik= 1000A.

-

Dòng điều khiển: Ig= 150mA.

-

Điện áp điều khiển: Ug= 2,5V.

-

Dòng điện tự giữ : Ih = 200mA.

-

Dòng điện rò : Ir = 15mA.

-

Sụt áp khi van dẫn: U = 2,0V.

-

Tốc độ tăng áp: dU/dt = 500V/s.

-

Thời gian chuyển mạch: tcm = 120 .

-

Thời gian chuyển mạch: tcm = 15.

-

Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = C.

3.2.2.2 Tính chọn van Diode cơng suất:
- Dòng điện chỉnh lưu cực đại chảy qua điốt là:
24


Đồ án điện tử cơng suất

GVHD: T.s Chu Đức Tồn

-

Điện áp ngược lớn nhất mà Điốt phải chịu :

-

Điện áp ngược của van cần chọn (= 1,7):
= 527,34 (V)

Từ thông số trên tra phụ lục 1 sách Điện tử công suất phần I ta chọn Diode kí

hiệu SW08PCR030 có các thơng số sau:
-

Dịng điện chỉnh lưu cực đại: Imax = 30A

-

Điện áp ngược cực đại: Ungmax = 800V.

-

Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 350A .

-

Sụt áp ở chế độ dẫn: U = 1,64V.

-

Dòng điện thử cực đại: Ith = 130A.

-

Nhiệt độ cho phép: Tcp =17C.

3.2.3 Tính tốn máy biến áp
3.2.3.1 Tính cơng suất máy biến áp
Để tính được máy biến áp ta cần các đại lượng sau:
-

Điện áp chỉnh lưu khơng tải:
Udo = Ud + Uv + Uba +

Trong đó: - Điện áp chỉnh lưu

25