Đề tài Thiết kế bộ nguồn cấp điện liên tục(UPS), phần chỉnh lưu

Đầu bài Thiết kế bộ nguồn cấp điện liên tục(UPS), phần chỉnh lưu. Phương án 3: Công suất bộ nguồn: 10 KW. Thời gian lưu điện định mức: 10 phút. Nguồn nuôi: 3 x 380 V, 50 Hz. Mục lục Phân tích lựa chọn phương án Phân tích yêu cầu công nghệ A. Khái quát về UPS Trong thực tế của đời sống và nhất là một số ngành xuất hiện yêu cầu cần có sự đảm bảo đặc biệt về tính liên tục và chất lượng của điện áp như các thiết bị cấp cứu ngành y tế, máy tính cá nhân, các trung tâm điện toán, hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquistiton – hệ thống kiểm tra điều khiển và thu thập số liệu)… Để đáp ứng nhu cầu đó, giải pháp dùng thiết bị cấp nguồn liên tục UPS (Uninterruptible Power Supply) được xem là một phương án hữu hiệu. Được chế tạo với dãy công suất từ vài trăm Watts đến hàng trăm Watts, UPS có thể đáp ứng được cho nhiều phụ tải ở các công suất khác nhau. Nguồn cấp thường xuyên cho phụ tải là điện lưới, còn nguồn cấp dự phòng là UPS. Khi lưới bị sự cố, UPS sẽ lập tức cấp nguồn cho tải. Công suất của UPS do dung lượng của bộ nguồn dự phòng (thường là Accqui) và công suất của các bộ biến đổi quy định. Vì vậy thời gian cấp nguồn của UPS thường không dài, và phụ thuộc vào dung lượng accqui. Nếu điện lưới bị sự cố lâu dài thì sau một thời gian làm việc (tùy thuộc vào công suất phụ tải), UPS phải dừng làm việc. Ngày nay người ta thường dùng loại UPS không có bộ chuyển mạch, điện lưới xoay chiều được bộ chỉnh lưu chỉnh thành một chiều, vừa nạp accqui, vừa cấp cho tải qua bộ nghịch lưu và bộ lọc. Khi lưới có sự cố, nguồn cung cấp được lấy từ accqui qua bộ nghịch lưu và bộ lọc, do vậy nó có cấu trúc phức tạp nhưng có nhiều ưu điểm và chất lượng điện áp cao. Lưới CL NL Lọc Tải Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý UPS không có bộ chuyển mạch B. Accqui dùng trong UPS Trong UPS khối accqui chiếm một vai trò rất quan trọng và là khâu dễ hỏng hóc, do vậy yêu cầu về chế độ nạp, phóng cũng như công tác chăm sóc accqui cần phải thực hiện một cách nghiêm ngặt. Accqui thường được nạp theo điện áp và có hạn chế dòng điện. Nếu thời gian chờ của accqui quá lâu (nạp no nhưng không phóng) cũng làm suy giảm dung lượng accqui và giảm tuổi thọ của chúng. Mặt khác, môi trường làm việc của accqui khá độc hại, ăn mòn kim loại, có khí độc đối với con người. Vì vậy vấn đề thông gió, chống ăn mòn cho các phần kim loại gần accqui cũng cần được chú ý. Đối với đồ án này, chọn accqui chì-axít điện áp danh định 12V. Theo yêu cầu của đầu bài, điện áp pha ra của UPS là 220V AC, nguồn nuôi 3 pha x 380V nên thường sử dụng bộ nghịch lưu áp ba pha. Hình 1.2: Điện áp ra trên tải của nghịch lưu áp ba pha Giá trị hiệu dụng của điện áp pha ở đầu ra của nghịch lưu áp ba pha: Vậy ta cần ghép song song với nguồn nạp (đầu ra của bộ chỉnh lưu) một bộ gồm 39 accqui chì-axít loại 12V nối tiếp nhau. Công suất bộ nguồn 10 kW, nguồn một chiều 467V, suy ra dòng một chiều là: * C¸c ph­¬ng ph¸p n¹p ¾c qui tù ®éng: Cã ba ph­¬ng ph¸p n¹p ¾c qui lµ: +Ph­¬ng ph¸p dßng ®iÖn. +Ph­¬ng ph¸p ®iÖn ¸p. +Ph­¬ng ph¸p dßng ¸p. 1. Ph­¬ng ph¸p n¹p ¾cqui víi dßng ®iÖn kh«ng ®æi: §©y lµ ph­¬ng ph¸p n¹p cho phÐp chän ®­îc dßng n¹p thÝch hîp víi mçi lo¹i ¾c qui, b¶o ®¶m cho ¾c qui ®­îc no. §©y lµ ph­¬ng ph¸p sö dông trong c¸c x­ëng b¶o d­ìng söa ch÷a ®Ó n¹p ®iÖn cho ¾c qui hoÆc n¹p söa ch÷a cho c¸c ¾cqui bÞ Sunfat ho¸. Víi ph­¬ng ph¸p nµy ¾c qui ®­îc m¾c nèi tiÕp nhau vµ ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn : Un ³ 2,7.Naq Trong ®ã: Un - ®iÖn ¸p n¹p Naq - sè ¾c quy ®¬n m¾c trong m¹ch Trong qu¸ tr×nh n¹p søc ®iÖn ®éng cña ¾c qui t¨ng dÇn lªn, ®Ó duy tr× dßng ®iÖn n¹p kh«ng ®æi ta ph¶i bè trÝ trong m¹ch n¹p biÕn trë R. TrÞ sè giíi h¹n cña biÕn trë ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc : Nh­îc ®iÓm cña ph­¬ng ph¸p n¹p víi dßng ®iÖn kh«ng ®æi lµ thêi gian n¹p kÐo dµi vµ yªu cÇu c¸c ¾c qui ®­a vµo n¹p cã cïng dung l­îng ®Þnh møc. §Ó kh¾c phôc nh­îc ®iÓm thêi gian n¹p kÐo dµi, ng­êi ta sö dông ph­¬ng ph¸p n¹p víi dßng ®iÖn n¹p thay ®æi hai hay nhiÒu nÊc. Trong tr­êng hîp hai nÊc, dßng ®iÖn n¹p ë nÊc thø nhÊt chän b»ng ( 0,3 ¸ 0,6 ).Q10 tøc lµ n¹p c­ìng bøc vµ kÕt thóc ë nÊc mét khi ¾c qui b¾t ®Çu s«i. Dßng ®iÖn n¹p ë nÊc thø hai lµ 0,1.Q10 . 2. Ph­¬ng ph¸p n¹p víi ®iÖn ¸p kh«ng ®æi: Ph­¬ng ph¸p nµy yªu cÇu c¸c ¾c qui ®­îc m¾c song song víi nguån n¹p. HiÖu ®iÖn thÕ cña nguån n¹p kh«ng ®æi vµ ®­îc tÝnh b»ng (2,3 ¸ 2,5) V cho mçi ng¨n ®¬n. Ph­¬ng ph¸p n¹p víi ®iÖn ¸p kh«ng ®æi cã thêi gian n¹p ng¾n, dßng n¹p tù ®éng gi¶m theo thêi gian. Tuy nhiªn dïng ph­¬ng ph¸p nµy ¾c qui kh«ng ®­îc n¹p no. V× vËy n¹p víi ®iÖn ¸p kh«ng ®æi chØ lµ ph­¬ng ph¸p n¹p bæ sung cho ¾c qui trong qu¸ tr×nh sö dông. 3. Ph­¬ng ph¸p n¹p dßng ¸p: §©y lµ ph­¬ng ph¸p tæng hîp cña hai ph­¬ng ph¸p trªn. Nã tËn dông ®­îc nh÷ng ­u ®iÓm cña mçi ph­¬ng ph¸p. §èi víi yªu cÇu cña ®Ò bµi lµ n¹p ¾c quy tù ®éng tøc lµ trong qu¸ tr×nh n¹p mäi qu¸ tr×nh biÕn ®æi vµ chuyÓn ho¸ ®­îc tù ®éng diÔn ra theo mét tr×nh tù ®· ®Æt s½n th× ta chän ph­¬ng ¸n n¹p ¾c qui lµ ph­¬ng ph¸p dßng ¸p. §èi víi ¾c qui axit: §Ó b¶o ®¶m thêi gian n¹p còng nh­ hiÖu suÊt n¹p th× trong kho¶n thêi gian tn= 8h t­¬ng øng víi 75¸80 % dung l­îng ¾c qui ta n¹p víi dßng ®iÖn kh«ng ®æi lµ In = 0,1.Q10. V× theo ®Æc tÝnh n¹p cña ¾c qui trong ®o¹n n¹p chÝnh th× khi dßng ®iÖn kh«ng ®æi th× ®iÖn ¸p, søc ®iÖn ®éng t¶i Ýt thay ®æi, do ®ã b¶o ®¶m tÝnh ®ång ®Òu vÒ t¶i cho thiÕt bÞ n¹p. Sau thêi gian 8 h ¾c qui b¾t ®Çu s«i lóc ®ã ta chuyÓn sang n¹p ë chÕ ®é æn ¸p. Khi thêi gian n¹p ®­îc 10 h th× ¾c qui b¾t ®Çu no, ta n¹p bæ sung thªm 2 ¸ 3 h. C¸c qu¸ tr×nh n¹p ¾c qui tù ®éng kÕt thóc khi bÞ c¾t nguån n¹p hoÆc khi n¹p æn ¸p víi ®iÖn ¸p b»ng ®iÖn ¸p trªn 2 cùc cña ¾c qui, lóc ®ã dßng n¹p sÏ tõ tõ gi¶m vÒ kh«ng. V× ¾c qui lµ t¶i cã tÝnh chÊt dung kh¸ng kÌm theo søc ph¶n ®iÖn ®éng cho nªn khi ¾c qui ®ãi mµ ta n¹p theo ph­¬ng ph¸p ®iÖn ¸p th× dßng ®iÖn trong ¾c qui sÏ tù ®éng d©ng nªn kh«ng kiÓm so¸t ®­îc sÏ lµm s«i ¾c qui dÉn ®Õn háng hãc nhanh chãng. V× vËy trong vïng n¹p chÝnh ta ph¶i t×m c¸ch æn ®Þnh dßng n¹p cho ¾c qui. Khi dung l­îng cña ¾c qui d©ng lªn ®Õn 80% lóc ®ã nÕu ta cø tiÕp tôc gi÷ æn ®Þnh dßng n¹p th× ¾c qui sÏ s«i vµ lµm c¹n n­íc. Do ®ã ®Õn giai ®o¹n nµy ta l¹i ph¶i chuyÓn chÕ ®é n¹p ¾c qui sang chÕ ®é æn ¸p. ChÕ ®é æn ¸p ®­îc gi÷ cho ®Õn khi ¾c qui ®· thùc sù no. Khi ®iÖn ¸p trªn c¸c b¶n cùc cña ¾c quy b»ng víi ®iÖn ¸p n¹p th× lóc ®ã dßng n¹p sÏ tù ®éng gi¶m vÒ kh«ng, kÕt thóc qu¸ tr×nh n¹p. Tuú theo lo¹i ¾c qui mµ ta n¹p víi c¸c dßng ®iÖn n¹p kh¸c nhau ,víi ¾c qui axit : dßng n¹p In = 0,1Q10 ; n¹p c­ìng bøc víi dßng ®iÖn n¹p In = 0,2.Q10 . Để đảm bảo an toàn và tuổi thọ hoạt động cho accqui, thường chọn accqui có dung lượng bằng 2 lần định mức, do vậy ta chọn accqui có dung lượng 8Ah. Tóm lại, bộ nguồn một chiều của UPS này được ghép bởi 39 accqui chì-axít loại 12V mỗi chiếc có dung lượng 8Ah(đây chỉ là con số tính toán, thực tế có thể chọn từ các accqui có sẵn trên thị trường với các thông số cao hơn một chút). Tổng dung lượng của bộ accqui là: CT = Naq x Cc = 8 x 39 =312 Ah Điện áp của nguồn nạp được tính theo công thức: Un = 2,4 Naq x 6 = 2,4 x 39 x 6 = 562V Lựa chọn phương án sơ đồ bộ biến đổi Lựa chọn phương án mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển. Dựa vào yêu cầu của đề bài và một số phân tích đánh giá cũng như phương án chọn lựa bộ accqui cho UPS, ta có thể thấy đây là một thiết kế có công suất trung bình (< 15kW) và có điện áp ra tải định mức tương đối cao(562V), dòng tải thấp (cao nhất là vào khoảng 30A~40A) nên lựa chọn sơ đồ cầu một pha. Hơn nữa yêu cầu về điều khiển của sơ đồ không phải là vấn đề được ưu tiên hàng đầu khi đặt ra cho một chỉnh lưu UPS, nên chọn sơ đồ cầu một pha bán điều khiển sẽ giảm được giá thành, kích thước của máy. Dưới đây sẽ trình bày sơ đồ nguyên lý, các dạng xung dòng điện, điện áp của sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển: Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển Hình 1.4: Các dạng xung dòng điện, điện áp của chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển Tính toán mạch động lực Tính toán sơ đồ bộ biến đổi Tính toán máy biến áp lực Tính toán cuộn kháng Các phần tử bảo vệ trong mạch lực Mô phỏng bộ biến đổi Mô tả mô hình mô phỏng Kết quả mô phỏng Thiết kế mạch điều khiển Sơ đồ cấu trúc Sơ đồ nguyên lý toàn bộ mạch điều khiển Nguyên lý hoạt động Biểu đồ dạng xung điều khiển Tính toán các khâu chức năng Khâu đồng pha Khâu tạo điện áp răng cưa Khâu khuyếch đại xung