Đồ án Thiết kế bộ CL của nguồn UPS

( Ω ) b. dung lượng của ắc qui: _Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng điện của ắc qui 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 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 ) Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 10 tn - thời gian nạp điện ( h ). 2.5. Đặc tính phóng nạp của ắc qui: a.. Đặc tính phóng acqui 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 như trên hình vẽ ta có nhận xét sau: ¾Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến tp = tgh, sức điện độngđiện 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 ). ¾Từ thời gian tgh trở 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 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%. ¾Sau 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 ). CP = IP.tP Vïng phãng ®iÖn cho phÐp 20 5 10 1,75 1,95 2,11 I (A) E,U (V) 1064 8 t E UP Kho¶ng nghØ Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 11 b.Đặc tính nạp acqui 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 : ¾Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = tgh thì sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. ¾Tới 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. ¾Trong 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 dịch điện phân không thay đổi . Như vậy dung lượng thu được khi ắc qui phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc qui. ¾Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc qui sau khi nạp. 1,95 Cn = In.tn Vïng n¹p chÝnh 5 10 0 2 4 10%C101 6 8 ts 10 12 Vïng n¹p n0 t I (A) U,E (V) 2,4 2 2,7 U TE Kho¶ng nghØ Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 12 ¾Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc qui. Dòng điện nạp định mức đối với ắc qui là In = 0,1C10 . Trong đó C10 là dung lượng của ắc qui mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là In = 0,1C10 thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy. Ví dụ với ắc qui C = 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10% dung lượng ( tức In = 18 A ) thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy. 2.6. Sự khác nhau giữa ắc qui kiềm và ắc qui axit: Cả hai loại ắc qui này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộc loại dung kháng và sức phản điện động. Nhưng chúng còn có một số đặc điểm khác biệt sau : ắc qui axit ắc qui kiềm - Khả năng quá tải không cao, dòng nạp lớn nhất đạt được khi quá tải là Inmax = 20%C10 _Hiện tượng phòng lớn, do đó ắc qui nhanh hết điện ngay cả khi không sử dụng. _Sử dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp đặc biệt ở những nơi có nhiệt độ cao va đập lớn nhưng công suất và quá tải vừa phải. _Dùng trong ôtô, xe máy và các động cơ máy nổ công suất vừa và nhỏ. _Giá thành thấp _Khả năng quá tải rất lớn dòng điện nạp lớn nhất khi đó có thể đạt tới: Inmax = 50%C10 _Hiện tượng tự phóng nhỏ. _Sử dụng ở những nơi có yêu cầu công suất lớn quá tải thường xuyên, được sử dụng với các thiết bị công suất lớn. _Dùng phổ biến trong công nghiệp hàng không, hàng hải và những nơi nhiệt độ môi trường thấp. _Giá thành cao. 2.7.Các phương pháp nạp ắc qui tự động. Có ba phương pháp nạp ắc qui là + Phương pháp dòng điện. + Phương pháp điện áp. + Phương pháp dòng áp. a. 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 bị 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 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 13 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 : n aqn I N0,2U R −= 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 b. 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 và được tính bằng (2,3V ÷ 2,5V) cho mỗi ngăn đơn. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian.Tuy nhiên dùng phương pháp này 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. c. Phương pháp nạp dòng áp. Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng được những ưu điểm của mỗi phương pháp. Đối với yêu cầu của đề bài là nạp ắc 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. ¾Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoản thời gian tn = 8h tương ứng với 75÷80 % dung lượng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1. 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 ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho 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 đến 3h. ¾Đối 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. 2.8.Tính toán và lựa chọn acqui Căn cứ vào đầu ra của bộ nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện, ta có thể chọn được điện áp đầu vào đặt lên ắcquy.Giả sử ta chọn bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 14 Khi đó điện áp ra dạng xung chữ nhật ,nếu phân tích ra các thành phần của chuỗi Fourier sẽ gồm các thành phần sóng hài với biên độ bằng: U(n)=-2 n nE π π ))cos(1( +− Như vậy điện áp ra tồn tại các thành phần sóng hài bậc lẻ 1,3,5,7...với biên độ bằng .... 5 4, 3 4,4 πππ EEE Để điện áp ra có dạng sin có thể dùng các bộ lọc để lọc bỏ các thành phần sóng hài bậc cao . Giả sử điện áp ra đã được lọc chỉ còn thành phần sóng hài bậc một dạng sin biên độ =π E4 110(V) suy ra E= 4 .110π = 86,4(V). Nếu sử dụng một nguồn 86,4(V) có một ưu điểm là dòng tiêu thụ sẽ nhỏ nhưng kích thước của bộ chỉnh lưu sẽ lớn hơn, cồng kềnh. Để khắc phục điều này ta chỉ sử dụng một nguồn áp trung bình Ed=60(V)DC để cung cấp cho ăcquy và nghịch lưu. Sau khi qua bộ nghịch lưu sẽ sử dụng một máy biến áp để nâng điện áp lên 110V xoay chiều phù hợp với tải. Ắcquy được chọn là loại ắc quy 12V. Như vậy ta cần mắc 60/12=5 ắc quy mắc nối tiếp nhau. *Tính toán dung lượng của ắc quy. Với yêu cầu về công suất của UPS là 4 KVA, Ur = 110(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: Snghịch lưu= 95,0 4 = 4,21(KVA) Ta giả sử bộ nghịch lưu có hiệu suất 0,8 suy ra công suất cung cấp ở đầu vào nghịch lưu = 0,8*4,21 = 3,368(KVA) Dòng điện cần thiết để nạp cho ắc quy là: Id= 60 3368 = 56,13(A) Thông thường khi chọn ăcquy phải chọn dung lượng lớn hơn 2 hoặc 5 lần dung lượng định mức tuỳ thuộc vào loại ắc quy để đảm bảo cho ắc quy không bị hỏng Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 15 Do trong bộ ắc quy có nội trở trong do đó điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu được tính như sau: Ucl=Ud+Ut Trong đó: Ucl: điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu. Ud: điện áp đặt trên hai đầu ắc quy. Ud=60(VDC) Ut: điện áp tổn hao do nội trở của ắc quy. Với loại ăcquy 12V ta tra được nội trở trong của ăcquy là r=0,0015Ω . Vậy nội trở trong của bộ ăcquy là R=0,0015*6*5=0,045(Ω )(Mỗi acqui có 6 ngăn). Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là: Ucl=60 + 56,13*0,045 = 62,53(VDC) 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. ¾Khi 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 của ắc qui bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp. ¾Tuỳ 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 . ¾ Qua phân tích về yêu cầu kỹ thuật của bộ lưu điện ở trên, em chọn phương án thiết kế bộ chỉnh lưu cho bộ lưu điện loại Offline UPS vì nó khá đơn giản về thiết kế và đáp ứng được những đòi hỏi cơ bản của 1 nguồn điện dự phòng. - Chọn loại ắcquy 12V ( 5 ắcquy mắc nối tiếp nhau ) - Trong đó + Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là: 62,53 V + Dòng điện cần thiết để nạp cho ắcquy là: 56,13 ( A ) Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 16 CHƯƠNG 2 LƯẠ CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH CHỈNH LƯU Do yêu cầu của bài là điện áp một pha nên ta sẽ chọn lựa mạch lực dựa trên một số mạch chỉnh lưu một pha cơ bản : 1. Chỉnh lưu một nửa chu kỳ. Hình 1. Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ. U2 R L T U1 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 17 ở sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ hình 8.1 sóng điện áp ra một chiều sẽ bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anod 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, trị số điện áp tải trung bình lớn nhất được tính: Udo = 0,45.U2 (8 -1) Với chất lượng điện áp rất xấu và cũng cho ta hệ số sử dụng biến áp xấu: Sba = 3,09.Ud.Id. (8 -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. 2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính. Hình 2. Sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính. Theo hình dạng sơ đồ, thì 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 8.3a khi tải thuàn trở và trên hình 8.3b khi tải điện cảm lớn. T2 U1 RU2 U2 T1 L 0 t1 t2 t3 Ud Id I1 I2 t t t t 0 t1 t2 t3 Ud Id I1 I2 t t t t p1 p2 p3 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 18 Hình 3. Các đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện các van và điện áp của Tiristo T1 Điện áp trung bình trên tải, khi tải thuần trở dòng điện gián đoạn được tính: Ud = Udo.(1+cosα)/2. (8 -3). với: - Udo: Điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng Udo = 0,9.U2 α: Góc mở của các Tiristo. Khi tải điện cảm lớn dòng điện, điện áp tải liên tục, lúc này điện áp một chiều được tính: Ud = Udo.cosα (8 -4) Trong các sơ đồ chỉnh lưu thì loại sơ đồ này có điện áp ngược của van phải chịu là lớn nhất 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 . 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 8.2 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 nhât. 3. Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng 222 UUnv = T4 T1 U2 T3 L T2 R Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 19 Hình 4. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng. Hoạt động của sơ đồ này khái quát có thể mô tả như sau. Trong nửa bán kỳ điện áp anod của Tiristo 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 Tiristo còn dẫn (khoảng dẫn của các Tiristo phụ thuộc vào tính chất của tải). Đến nửa bán kỳ sau, điện áp đổi dấu, anod của Tiristo 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 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 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 3a.b. Trong sơ đồ này dòng điện chạy qua van giống như sơ đồ hình 2, nhưng điện áp ngược van phải chịu nhỏ hơn Unv = √2.U2. Việc điều khiển đồng thời các Tiristo 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. 4.Chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng 4.1Sơ đồ nguyên lý: Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 20 4.2.Nguyên lí hoạt động: Sơ đồ cầu 1 pha không đối xứng gồm 2 Tiristior đấu Catốt chung và 2 Điốt đấu Anốt chung. Ta có : O1là điểm gốc tínhα cho T1 O2là điểm gốc tínhα cho T2 D2 mở cùng T D1 mở cùng T2 Ở nửa chu kì dương điện áp bắt đầu từ O1 điện áp đặt lên T1> 0 nên tại O1+α phát xung vào T1 thì T1 mở cùng D2 tạo thành mạch vòng kín (+) nguồn → T1 → tải → D2 → (-) nguồn.Lúc này điện áp đặt lên T2< 0 nên T2 khoá. Ở nửa chu kì âm điện áp bắt đầu từ O2 điện áp đặt lên → tải → D1 → (-) nguồn. Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng chảy của Tiristor và của điốt không bằng nhau. - Góc dẫn của điốt là : α+π=λ D - Góc dẫn của Tiristor là : απλ −=T Giá trị trung bình của điện áp tải ∫ +== π α απθθπ )cos1( 2sin21 22 UdUU d Nếu lấy trực tiếp điện áp từ lưới với U =220V,ở chế độ dòng không đổi ta được: 110*41,1 53,62*14,3 *2 * cos1 2 ==+ U U dπα =1,26 Hình III.4 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 21 => α =75 o Dòng trung bình qua Tiristor : π α−π=θπ= ∫ π α 2 IdI 2 1I ddT = 360 75180*13,56 − =16,37(A) Dòng trung bình qua Điốt : ∫ α+π α π α+π=θπ= 2IdI2 1I ddD = 56,13.( 360 75180 + ) =39,7 (A) π α−=θπ= ∫ π α 1IdI 1I d 2 d2 = 42,87 (A) Mặt khác ta có khi điện áp nguồn có sự dao động trong khoảng 220-25%-:-220+10% tức là trong khoảng 165 V-:-242 V thì tính toán tương tự như trên ta thấy α có sự thay đổi trong khoảng 48 0 -:- 81,5o Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 22 Nhận xét : Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 1 pha không đối xứng có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ , dễ điều khiển , tiết kiệm van . Thích hợp cho các máy có công suất nhỏ và vừa. *Kết luận: Qua phân tích 3 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 ắc quy không có yêu cầu cao về chất lượng điện áp - Lấy điện trực tiếp từ nguồn điện 220V,60Hz . Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 23 - Công suất của bộ nguồn UPS không lớn (4KVA) thích hợp với sơ đồ chỉnh lưu bán điều khiển 1 pha. I.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 như sau : Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu : Ung max = 22U = 1,41.220=310,2(V). Chọn điều kiện làm mát của van bằng quạt nên: Điện áp ngược của van cần chọn : Ung = KdtU . Ungmax =1,7 . 310,2 = 527,34 (V) KdtU - hệ số dự trữ điện áp ,chọn KdtU =1,7 . Dòng lớn nhất qua van: Ilv = 2 Id = 2 13,56 = 28,06 (A) Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt; quạt đối lưu không khí ,với điều kiện đó dòng định mức của van cần chọn : Iđm =ki Ilv =(2÷2,5).28,06A Để an toàn ta chọn Iđm= 2,5 .28,06 = 70,15A Từ các thông số Unv ,Iđmv ta chọn 2 Thysistor kí hiệu S8012MH có các thông số sau : - Điện áp ngược cực đại của van: Un = 600 (V) - Dòng điện định mức của van: Iđm = 80 (A) - Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 415 (A) - Dòng điện của xung điều khiển: Iđk = 50 (mA) - Điện áp của xung điều khiển: Uđk = 2,5 (V) - Dòng điện rò: Ir = 3 (mA) - Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là : ΔU = 1,9 (V) - Tốc độ biến thiên điện áp : dt dU = 500 (V/s) - Thời gian chuyển mạch : tcm = 50(μs) - Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax = 125 oC Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 24 2.Tính toán chọn Điốt công suất Dòng điện chỉnh lưu cực đại chảy qua điốt là: Imax = 0.7Id =70,15.0,75 = 56,6 (A) Điện áp ngược lớn nhất mà Điốt phải chịu : Unmax= 2 U2 =310,2 (V). Từ các thông số trên ta chọn 2 Điôt KY719 có các thông số sau: - Điện áp ngược của van: Un = 360(V) - Dòng điện định mức của van: Iđm = 60(A) - Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 400(A) - Dòng điện rò : Ir = 0,01(mA) - Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của điốt : ΔU =1,1(V) - Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax = 150 oC Tính toán chọn thiết bị bảo vệ van thyristor công suất Trong quá trình van hoạt động thì van phải được làm mát để van không bị phá hỏng về nhiệt vì vậy ta đã tính toán chế độ làm mát cụ thể cho van rồi. Tuy nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng áp quá lớn.Nhưng vì dòng chỉ tăng khi qua thyistor trong thời gian rất ngắn 1÷3s nên van có thể chịu được. Để tránh hiện tượng quá áp trên van dẫn đến hỏng van ta phải có những biện pháp thích hợp để bảo vệ van. Biện pháp bảp vệ van thường dùng nhất là mắc mạch R, C song song van để bảo vệ quá áp và mắc nối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng dòng. Các thiết bị bán dẫn nói chung cũng như Thyristor rất nhạy cảm với điện áp và tốc độ biến thiên điện áp ( dt du ) đặt lên nó . Ti R C Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 25 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 quá điện áp dt diLU qda = 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 như hình vẽ. Theo kinh nghiệm Chọn :R = 100Ω ; C= 0,5 μF Khi van khóa dòng điện ngược sẽ chuyển từ van sang mạch bảo vệ CHƯƠNG 3 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 26 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN. 1. Thyristor chỉ mở cho dòng chảy qua khi thoả mãn hai điều kiện : UAK > 0 IG > 0 Khi thyristor chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển không còn tác dụng. Thyristor chỉ trở về trạng thái khoá nếu dòng điện IA < IH. ( IH : dòng điện duy trì ) Chức năng của mạch điều khiển : + Điều chỉnh được vị trí xung trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên A-K của thyristor. + Tạo ra được các xung đủ diều kiện mở thyristor, độ rộng xung tx được tính theo biểu thức: dtdi It Hx / = di/dt : tốc độ biến thiên dòng tải. 2.Cấu trúc mạch điều khiển thyristor. UAK : điện áp điều khiển ( điện áp một chiều ). Ut : điện áp tựa ( đồng bộ với điện áp A-K của thyristor ). Hiệu điện áp | Uđk - Ut | đưa vào khâu so sánh. a. Trigơ: đầu ra nhận được một chuỗi xung chữ nhật. b. Khâu tạo xung. c. Khâu khuếch đại xung. d. Khâu biến áp xung. Thay đổi Uđk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được góc α 3. Nguyên tắc điều khiển. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS 27 Có hai nguyên tắc: a. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Uđk + Ut đưa đến đầu vào của một khâu so sánh, bằng cánh làm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung tức là điều chỉnh được góc α . Khi Uđk = 0 ta có α = 0 Khi Uđk 0 Quan hệ giữa α và Uđk như sau : maxt dk U Uπα = Ta lấy Uđkmax = Utmax. b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. Nguyên tắc này dùng hai điện áp : Điện áp động bộ Ut vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng π/2. ( Nếu UAK = Asinω t thì Ut = Bcosω t ). UAK có thể điều khiển được theo hai hướng dương và âm. Ut + Uđk được đưa đến đầu vào khâu so sánh. Khi Ut + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh.