do_an_dtcs05

Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
ứng dụng chính
Thiết bị đợc bảo vệ
1.Hệ thống máy tính nói chung
-Máy tính,mạng máy tính
-Máy in,hệ thống vẽ đồ thị,bàn phímvà
các thiết bị đầu cuối.
2.Hệ thống máy tính công nghiệp
-Bộ điều khiển lập trình,hệ thống điều
khiển số,điều khiển giám sát,máy tự động.
3.Viễn thông
-Tổng đài điện thoại ,hệ thống truyền
dữ liệu,hệ thống rađa.
4.Ytế,công nghiệp
Dụng cụ y tế,thang máy,thiết bị điều khiển
chính xác,thiết bị đo nhiệt độ,bơm
plastic
5.Chiếu sáng
-Đờng hầm ,đờng băng sân bay,
nhà công cộng
6.Các ứng dụng khác
-Máy quét hình,cung cấp năng lợng cho
máy bay
Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phòng nó có mặt ở mọi chỗ mọi nơi, những
nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục.
1.4 Phân loại UPS
1.4.1 Phân loại UPS dựa theo bộ chuyển đổi
Hình I.2
a.UPS tĩnh:Sử dụng bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện cung cấp năng lợng.
-Giới hạn dòng trong vận hành cho phép I
cp
=2.33I
đm
-Cách li về điện.
-Bảo dỡng và vận hành đơn giản,làm việc tin cậy cậy chắc chắn.
-Khả năng phản ứng tức thời trớc những dao động biên độ của hệ thống cung cấp,sử
dụng thiết bị điều khiển vi xử lí dựa trên kĩ thật số.
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
5
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
-Biên độ điện áp điều chỉnh trong phạm vi sai số

0.5%
ữ

1%,thời gian điều
chỉnh nhanh,kích thớc và trọng lợng của hệ nhỏ

b.UPS quay
Hình I.3
Sử dụng máy điện quay để thực hiện biến đổi năng lựợng,
-I
nm
=I
đm
-Hệ thống phụ tải cánh li với nguồn.
-Trở kháng ra của hệ thấp.
1.4.2.Phân biệt theo chế độ làm việc
a.UPS gián tiếp(offline UPS)
HìnhI.4
-Nghịch lu nối song song với hệ thống cung cấp là nguồn dự trữ phòng tình trạng
khẩn cấp.
-Trong quá trình vận hành,nguồn lới đợc cung cấp trực tiếp đến tải qua bộ lọc F mà
không qua nghịch lu.
-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 lu trong thời gian ngắn
<10 ms.Khi điện áp hệ thống cung cấp đợc phục hồi,tải sẽ tự động chuyển về hệ thống cung
cấp
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
6
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
-Dùng với tải P <2 KVA.
-Thời gian chuyển mạch phù hợp với tải nhạy cảm.
-Tuy nhiên offline UPS không đáp ứng với phụ tải nh máy tính ,tổng đài điện
thoại,không điều chỉnh đợc tần số.
b,OnlineUPS
HìnhI.5
-Đợc chèn vào giữa hệ thống cung cấp và tải.Toàn bộ điện năng cung cấp cho tải đều
phải qua nghịch lu do vậy việc cung cấp điện đợc liên tục trong phạm vi sai số cho phép của
f,U.
-Không phụ thuộc vào trạng thái cua hệ thống cung cấp điện.
-áp dụng cho tải có công suất trung bình P

40 KVA.
1.5.Sơ đồ nguyên lí chung của UPS
CL: Cung cấp nguồn một chiều cho nghịch lu và nạp thờng trực cho ắcquy AQ: Tạo
năng lợng dự trữ cung cấp cho nghịch lu nếu sảy ra:
-Ngừng hoạt động hệ thống cung cấp.
-Hệ thống cung cấp có sự cố hoặc chất lợng hệ thống cung cấp không trong giới
hạn cho phép.
NL:Chuyển đổi DC AC với sai số cho phép chặt chẽ ,chắc chắn hơn hệ thống
chính.
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
7
110220
ĐK
Aq
CL
NL
+
_
Hình I.2
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
ĐK: Bao gồm cả hệ thống phản hồi ,điều khiển hoạt động của CL ,NLvà quá trình
phóng nạp AQ ,ổn định cung cấp điện theo yêu cầu.
Trong phạm vi đồ án này chúng ta nghiên cứu phần CL cung cấp nguồn DC choNL,
AQ đồng thời với hệ thống điều khiển quá trình phóng nạp AQ.
II)ACQUI
2.1.Khái niệm acqui
ắc qui là một nguồn điện đợc trữ năng lợng điện dới dạng hoá.
ắc qui là một nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong công
nghiệp cũng nh trong đời sống hàng ngày: nh động cơ điện, bóng đèn điện, là nguồn nuôi
của các linh kiện điện tử ắc qui là nguồn cung cấp điện cho các động cơ khởi động.
Trong thực tế có nhiều loại ắc qui nhng phổ biến nhất là hai loại ắc qui chì và ắc qui
axit.
2.2. Cấu tao và đặc điểm của các loại ắc qui:
Cấu trúc của một ắc qui đơn giản gồm có phân khối bản cực dơng, 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 ắc qui gồm có phần khung xơng và chất tác
dụng trát lên nó.
Khung xơng của bản cực âm và bản cực dơng có cấu tạo giống nhau, chúng đợc đúc từ chì
và chúng đợc đúc từ chì và có pha thêm 5 ữ 8 % ăngtimoan ( Sb ) và tạo hình mắt lới. Phụ
gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính đúc. Trong thành phần chất tác
dụng còn có thêm khoảng 3 % chất nở ( các muối hu cơ ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp
chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện đợc độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân
vào trong lòng bản cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản
cực cũng đợc tăng thêm . Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dơng của mỗi ắc
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
8
2
3
1. Vấu bản cực
2. Chất tác dụng
3. Cốt bản cực
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
qui đơn đợc hàn với nhau tạo thành khối bản cực dơng, các bản cực âm đợc hàn với nhau
thành khối bản cực âm. Số lợng các bản cực trong mỗi ắc qui thờng từ 5 đến 8, bề dầy tấm
bản cực dơng của ắc qui thờng từ 1,3 đến 1,5 mm , bản cực âm thờng mỏng hơn 0,2 đến 0,3
mm . Số bản cực âm trong ắc qui thờng 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 đợc bố trí giữa các bản cực
âm và dơng có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực. Tấm ngăn đợc làm
bằng vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy 0,8 đến 1,2 mm và có dạng lợn sóng , trên bề mặt tấm
ngăn có các lỗ cho phéo dung dịch điện phân thông qua.
2.3. Quá trình biến đổi năng l ợng trong ắc qui
ắc qui là nguồn năng lợng có tính chất thuận nghịch : nó tích trữ năng lợng dới dạng
hoá năng và giải phóng năng lợng dới dạng điện năng. Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch
ngoài đợc gọi là quá trình phóng điện, quá trình ắc qui dự trữ năng lợng đợc gọi là quá trình
nạp điện.
3.1. Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui axit:
Trong ắc qui axit có các bản cực dơng là đôixit chì ( PbO
2
), các bản âm là chì ( Pb
), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H
2
SO
4
) nồng độ d = 1,1 ữ 1,3 %
(- ) Pb H
2
SO
4
d = 1,1 ữ 1,3 PbO
2
( + )
Phơng trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit :
phóng
PbO
2
+ 2H
2
SO
4
+ Pb 2PbSO
4
+ 2H
2
O
nạp
Thế điện động e = 2,1 V.
3.2. Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui kiềm:
Trong ắc qui kiềm có bản cực dơng 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
( + )
Phơng trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui kiềm :
phóng
Fe + 2Ni(OH)
3
Fe(OH)
3
+ 2Ni(OH)
2

nạp
Thế điện động e = 1,4 V.
Nhận xét: Từ những điễu đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong các quá trình phóng
nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi ắc qui phóng điện nồng độ dung dịch điện
phân giảm dần. Khi ắc qui 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 qui.
2.4. Các thông số cơ bản của ắc qui:
a Sức điện động của ắc qui:
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
9
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
Sức điện động của ắc qui kiềm và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch
điện phân. Ngời ta thờng sử dụng công thức kinh nghiệm
Eo = 0,85 + ( V )
trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V )
- nồng độ dung dịch điện phân ở 15 C ( g/cm
3
)
Trong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của ắc qui đợc tính theo công thức:
Ep = Up + Ip.r
b

trong đó : Ep - sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V )
Ip - dòng điện phóng ( A )
Up - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V)
r
b
- điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( )
Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui đợc tính theo công thức:
En = Un - In.r
b
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 )
r
b
- điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( )
b. dung lợng của ắc qui:
_Dung lợng phóng của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng cung cấp năng lợng
điện của ắc qui cho phụ tải, và đợc tính theo công thức :
Cp = Ip.tp
trong đó : Cp - dung dịch thu đợc 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 lợng nạp của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng tích trữ năng lợng của ắc
qui và đợc tính theo công thức :
Cn = In.tn
trong đó : Cn - dung dịch thu đợc trong quá trình nạp ( Ah )
In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A )
tn - thời gian nạp điện ( h ).
2.5. Đặc tính phóng nạp của ắc qui:
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
10
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
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 nh trên hình vẽ ta có nhận xét sau:
Trong 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 tơng ứng
với mỗi chế độ phóng điện của ắc qui ( dòng điện phóng ).
Từ 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 (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 ắc qui sau này.
Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc qui, các giá trị Ep, Up, tại tgh đ-
ợc gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắc qui. ắc qui không đợc phóng điện khi dung l-
ợng còn khoảng 80%.
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
(dòng điện phóng và thời gian phóng ).
b.Đặc tính nạp acqui
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
11
C
P
= I
P
.t
P
Vùng phóng điện cho phép
2
0
5
10
1,75
1,95
2,11
I (A) E,U (V)
10
6
4 8
t
E
U
P
Khoảng nghỉ
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
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 :
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 t-
ợng" 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 đợc
biến đổi tuần hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lợng phóng điện của ắc qui.
Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2 ữ 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 .
Nh vậy dung lợng thu đợc khi ắc qui phóng điện luôn nhỏ hơn dung lợng cần thiết để nạp no
ắc qui.
Sau 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.
Trị số dòng điện nạp ảnh hởng rất lớn đến chất lợng và tuổi thọ của ắc qui. Dòng điện
nạp định mức đối với ắc qui là In = 0,1C
10
.
Trong đó C
10
là dung lợng của ắc qui mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là In =
0,1C
10
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 lợng (
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:
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
12
1,95
Cn = In.tn
Vùng nạp chính
5
10
0 2 4
10%C
10
1
6
8
ts 10 12
Vùng
nạp n
0
t
I (A) U,E (V)
2,4
2
2,7
U
T
E
Khoảng
nghỉ
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
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. Nhng 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 đợc khi quá tải là
I
nmax
= 20%C
10
_Hiện tợng 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 nhng 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:
I
nmax
= 50%C
10
_Hiện tợng tự phóng nhỏ.
_Sử dụng ở những nơi có yêu cầu
công suất lớn quá tải thờng xuyên,
đợc 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 trờng thấp.
_Giá thành cao.

2.7.Các ph ơng pháp nạp ắc qui tự động.
Có ba phơng pháp nạp ắc qui là
+ Phơng pháp dòng điện.
+ Phơng pháp điện áp.
+ Phơng pháp dòng áp.
a. Phơng pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi.
Đây là phơng pháp nạp cho phép chọn đợc dòng nạp thích hợp với mỗi loại ắc qui,
bảo đảm cho ắc qui đợc no. Đây là phơng pháp sử dụng trong các xởng bảo dỡng sửa chữa
để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sử chữa cho các ắc qui bị Sunfat hoá. Với phơng pháp này
ắc qui đợc 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
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 đợc xác
định theo công thức :

n
aqn
I
N0,2U
R

=
Nhợc điểm của phơng pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo dài và
yêu cầu các ắc qui đa vào nạp có cùng dung lợng định mức. Để khắc phục nhợc điểm thời
gian nạp kéo dài, ngời ta sử dụng phơng pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều
nấc. Trong trờng hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 ữ 0,6 )C
10
tức là
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
13
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ CL của nguồn UPS
nạp cỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là
0,1C
10
b. Phơng pháp nạp với điện áp không đổi.
Phơng pháp này yêu cầu các ắc qui đợc mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện
thế của nguồn nạp không đổi và đợc tính bằng (2,3V ữ 2,5V) cho mỗi ngăn đơn. Phơng
pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời
gian.Tuy nhiên dùng phơng pháp này ắc qui không đợc nạp no. Vì vậy nạp với điện áp
không đổi chỉ là phơng pháp nạp bổ xung cho ắc qui trong quá trình sử dụng.
c. Phơng pháp nạp dòng áp.
Đây là phơng pháp tổng hợp của hai phơng pháp trên. Nó tận dụng đợc những u
điểm của mỗi phơng 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 đợc tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn ph-
ơng án nạp ắc qui là phơng pháp dòng áp.
Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng nh hiệu suất nạp thì trong
khoản thời gian tn = 8h tơng ứng với 75ữ80 % dung lợng 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 đợc 10 h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2 đến 3h.
Đối với ắc qui kiềm : Trình tự nạp cũng giống nh ắc qui axit nhng do khả năng
quá tải của ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,2C
10
hoặc nạp
cỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5C
10
.
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 lu độc lập nguồn dòng điện, ta có thể chọn đợc điện
áp đầu vào đặt lên ắcquy.Giả sử ta chọn bộ nghịch lu độc lập nguồn áp một pha
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


))cos(1(
+

Nh 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

EEE
Để điện áp ra có dạng sin có thể dùng các bộ lọc để lọc bỏ các thành phần
SVTH: Lê Phơng Lớp T2 K41
14

Xem chi tiết: do_an_dtcs05