Đồ án Thiết kế bộ lưu điện (ups) online (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế bộ lưu điện (ups) online (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) ONLINE GVHD: THS. HOÀNG NGỌC VĂN SVTH: NGUYỄN QUYẾT HỮU MSSV: 12341050 SVTH: PHAN NGỌC TRÚC MSSV: 12341118 SKL003084 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. PHẦN I
3. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 1 tháng 7 năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Quyết Hữu MSSV: 12341050 Phan Ngọc Trúc MSSV: 12341118 Chuyên ngành: CNKT Điện tử-Truyền thông Mã ngành: D510302 Hệ đào tạo: Đại học chính quy (CT) Khóa: 2012-2014 Lớp: 12341 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) ONLINE II. NHIỆM VỤ 1. Các yêu cầu thực hiện, thông số của đề tài: - Điện áp ngõ vào điều khiển 24V. - Công suất ngõ ra 300W đến 500W. 2. Các vấn đề tồn tại của ĐATN có liên quan đã thực hiện ở các khóa trước - - - 3.Kết quả đạt được của ĐATN sau khi thực hiện: - - III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/02/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/07/2014 V. GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS. HOÀNG NGỌC VĂN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM.ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ThS. Hoàng Ngọc Văn T.S Nguyễn Thanh Hải
4. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp Tp. HồChí Minh, ngày 1 tháng 7năm 2014 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1 : Nguyễn Quyết Hữu Lớp: 123412 MSSV: 12341050 Họ tên sinh viên 2 : Phan Ngọc Trúc Lớp: 123411 MSSV: 12341118 Tên đề tài: THIẾT KẾ BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) ONLINE Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD 28/02 Trao đổi với giáo viên hướng dẫn và nhận đề tài. 10/03/2014 20/03 Thống nhất với GVHD các phần mục tìm hiểu, thiết 30/04/2014 kế và thi công. Tìm hiểu lý thuyết liên quan đến các phần mục của 5/05 10/05/2014 đề tài, tham khảo tài liệu, đồ án liên quan. 20/05 - Thi công phần cứng, kiểm tra, đo đạc các thông số, 10/06/2014 tín hiệu. Hoàn thiện đồ án 16/06 30/6/2014 1/7 10/7/2014 Viết báo cáo đề tài và trình cho GVHD xem. GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Th.S Hoàng Ngọc Văn
5. Trường ĐHSư Phạm Kỹ Thuật PHIẾU CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa Điện – Điện Tử (Dành cho cán bộ hướng dẫn) BM Điện Tử Công Nghiệp Ngày 1 tháng 07 năm 2014 1. Tên đề tài tốt nghiệp: Thiết kế bộ lưu điện (ups) online 2. Cán bộ hướng dẫn: ThS.HOÀNG NGỌC VĂN 3. Nhận xét:
6. 4. Đề nghị : Được bảo vệ: Bổ sung để được bảo vệ: Không được bảo vệ: 5. Các câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng : (dành cho cán bộ phản biện) Câu 1: Câu 2: 6. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB, yếu): Điểm: /10. 7. Xin mời GV hướng dẫn và GV phản biện tham gia hội đồng bảo vệ của thư mời đính kèm. Cán bộ hướng dẫn ThS. HOÀNG NGỌC VĂN
7. Trường ĐHSư Phạm Kỹ Thuật PHIẾU CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa Điện – Điện Tử (Dành cho cán bộ hướng dẫn) BM Điện Tử Công Nghiệp Ngày 1 tháng 07 năm 2014 8. Tên đề tài tốt nghiệp: Thiết kế bộ lưu điện (ups) online 9. Cán bộ hướng dẫn: ThS.HOÀNG NGỌC VĂN 10. Nhận xét:
8. 11. Đề nghị : Được bảo vệ: Bổ sung để được bảo vệ: Không được bảo vệ: 12. Các câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng : (dành cho cán bộ phản biện) Câu 1: Câu 2: 13. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB, yếu): Điểm: /10. 14. Xin mời GV hướng dẫn và GV phản biện tham gia hội đồng bảo vệ của thư mời đính kèm. Cán bộ hướng dẫn ThS. HOÀNG NGỌC VĂN
9. LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy ThS.Hoàng Ngọc Văn đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài. Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử và các bạn lớp 123411 đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Người thực hiện đề tài Nguyễn Quyết Hữu Phan Ngọc Trúc
10. LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay trong các nhà máy công nghiệp hiện đại ,các thiết bị điện tử công suất ngày càng được sử dụng nhiều. Qua quá trình làm việc và tiếp xúc trực tiếp với máy móc công nghiệp,đặc biệt là những máy móc có chứa những linh kiện điện tử nhạy cảm,đòi hỏi phải được sử dụng và thao tác cẩn thận,nguồn điện phải duy trì liên tục,chúng em thấy rằng khả năng hư hỏng của máy do mất điện đột ngột là điều không tránh khỏi.Do đó, vấn đề được đặt ra là,phải có một thiết bị để duy trì nguồn điện cung cấp cho những thiết bị đó khi có sự cố về điện. Và bộ lưu điện là thiết bị cần thiết,đáp ứng tốt nhất trong những trường hợp này.Tìm hiểu về bộ lưu điện sẽ giúp ta thấy được những tiện ích của thiết bị này trong quá trình sản xuất công nghiệp.Chính vì thế,”Thiết kế bộ lưu điện (ups) online” là đề tài mà chúng em chọn. Trong quá trình làm đề tài này ,chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy hướng dẫn: thầy Nguyễn Ngọc Văn . Thầy đã giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình cho chúng em. Mặc dù chúng em đã cố gắng rất nhiều, song không thể tránh khỏi thiếu sót và sai lầm nhất định.Chúng em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong bộ môn.Chúng em xin chân thành cảm ơn. HCM ,ngày 1 tháng 7 năm 2014
11. Mục lục Chƣơng 1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ 1 1.Khái niệm về UPS 1 2. Phân loại UPS . 1 3.Các thành phần của UPS . . 3 4.Nhiệm vụ và yêu cầu kĩ thuật đối với bộ chỉnh lƣu 4 Chƣơng 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACQUY 5 Chƣơng 3 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN . 13 I.Sơ lƣợc về thyristor . 13 II.Sơ lƣợc về Diode 16 III.Sơ lƣợc về IC ổn áp dƣơng và ổn áp âm 17 Chƣơng 4 TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP 19 1.Giới thiệu thiết bị chuyển đổi điện áp 19 2.Chuyển đổi AC-AC . 19 3.Giới thiệu về máy biến áp 20 4.Chuyển đổi AC-DC . 24 5.Chuyển đổi DC-AC . 25 6.Chuyển đổi DC-DC . 26 7.Nghịch lƣu nguồn dòng và nguồn áp 29 Chƣơng 5 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN . 32 I.Giới thiệu các phƣơng án 32 II.Kết luận 37 Chƣơng 6 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC . 38 I. Tính toán chọn các thông số cơ bản của mạch động lực 38 II. Tính toán chọn các thiết bị bảo vệ 38 III.Tính toán ắcquy đáp ứng cho mạch khi có sự cố của lƣới . 41 Chƣơng 7 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 42 I.Yêu cầu đối với mạch điều khiển 42 II.Cấu trúc của mạch điều khiển 42 III.Nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ . 43 IV.Lựa chọn và tính toán các khâu của mạch điều khiển 44 Chƣơng 8 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TỔNG THỂ 53
12. Thiết kế bộ lưu điện UPS online PHẦN II GVHD: Th.S Hoàng Ngọc Văn trang 0
13. Thiết kế bộ lưu điện UPS online CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN LIÊN TỤC UPS I.Khái niệm về UPS và các ứng dụng của UPS trong thực tế:  UPS (Uninterruptible Power System) là thiết bị cung cấp điện năng cho phụ tải một cách liên tục. Khi mạng điện lưới hoạt động bình thường thì UPS dựa vào điện năng mạng lưới, thông qua bộ biến đổi và điều tiết cung cấp điện xoay chiều cho phụ tải một cách ổn định, ít nhiễu. Khi điện lưới bị mất, UPS sử dụng điện năng tích trữ trong ắcquy, thông qua bộ nghịch biến (invertor, có tài liệu gọi là bộ đảo điện) để cung cấp điện năng xoay chiều cho phụ tải một cách liên tục.  Ứng dụng của UPS: UPS được sử dụng ở những nơi đòi hỏi phải được cung cấp điện một cách liên tục như: Các hệ thống máy tính công nghiêp ( hệ thống điều khiển số , điều khiển giám sát ,rô bốt ), hệ thống vô tuyến viễn thông ( tổng đài điện thoại , hệ thống ra đa quân sự ) ,hệ thống chiếu sáng (trong đường hầm ,sân bay , toà nhà công cộng ),trong y tế và công nghiệp Trong mạng lưới điện có rất nhiều nguyên nhân có thể gây mất điện đột xuất như:sét đánh vào đường dây,vào trạm phân phối điện,máy phát điện;Cành cây rơi vào gây ngắn mạch và đứt dây;Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp; Và yêu cầu đặt ra là tải phải được cung cấp một cách liên tục nếu gián đoạn sẽ dẫn đến những hậu quả không thể lường trước được do đó dẫn đến sự ra đời của bộ cung cấp nguồn liên tục UPS. 1 Phân loại UPS: 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:UPS Offline đơn thuần, UPS Offline công nghệ Line-interactive, UPS Online, UPS tĩnh, UPS quay. GVHD: Th.S Hoàng Ngọc Văn trang 1
14. Thiết kế bộ lưu điện UPS online a.UPS ofline: F Tải ~ Lọc = ~ = nghịch lưu = chỉnh lưu/nạp acquy  Trong quá trình vận hành bình thường ,nguồn lưới cung cấp trực tiếp cho tải thông qua bộ lọc F mà không qua nghịch lưu.  Không đáp ứng được với các phụ tải như:các trung tâm máy tính,tổng đài điện thoại,và không điều chỉnh được tần số. b.UPS online: TẢI ~ = = ~ chỉnh lưu/nạp Nghịch lưu acquy 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. GVHD: Th.S Hoàng Ngọc Văn trang 2
15. Thiết kế bộ lưu điện UPS online c.UPS tĩnh: Sử dụng những bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện chức năng nghịch lưu. d. UPS quay:Dùng máy điện quay để thực hiện chức năng nghịch lưu. chuyển mạch tĩnh HTCC2 ~ = M G = ~ acquy HTCC1chỉn nghịch lưu M G ~ điều khiển = Bộ nạp 3.Các thành phần của UPS: HTCC2 HTCC1 ~ = = ~ tải Chỉnh lưu/nạp nghịch lưu acquy GVHD: Th.S Hoàng Ngọc Văn trang 3
16. Thiết kế bộ lưu điện UPS online a) Hệ thống cung cấp -HTCC1: Đường vào bình thường cung cấp cho Chỉnh lưu-nạp -HTCC2: Cung cấp cho chuyển mạch tĩnh,có tần số trùng HTCC1; HTCC2 có thể trùng HTCC1 b) Bộ chỉnh lưu-nạp Dùng để biến đổi áp xoay chiều thành 1 chiều để cung cấp cho bộ chỉnh lưu và nạp ắcquy. c) Ắc quy -Là nguồn dự trữ năng lượng điện cung cấp cho bộ nghịch lưu khi mất điện hoặc chất lượng điện suy giảm. d)Bộ Nghịch lưu - Nghịch lưu từ một chiều sang xoay chiều từ bộ Chỉnh Lưu hoặc ắcquy với tần số xác định. e)Chuyển mạch tĩnh -Chuyển tải của UPS từ bộ Nghịch lưu sang HTCC2 mà không làm gián đoạn cung cấp điện cho tải. Việc này xảy ra khi Nghịch lưu ngừng hoạt động hoặc bảo dưỡng UPS. 4.Nhiệm vụ và yêu cầu kĩ thụât đối với bộ chỉnh lƣu:  Nhiệm vụ:Biến điện áp từ xoay chiều sang một chiều để: Cung cấp cho nghịch lưu Nạp thường trực cho acquy  Yêu cầu kĩ thuật: Điện áp nguồn:3.380 VAC; tần số:f=50hz Công suất: 15KVA Thời gian lưu điện 10 phút. GVHD: Th.S Hoàng Ngọc Văn trang 4
17. Thiết kế bộ lưu điện UPS online CHƢƠNG II:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACQUY I.Giới thiệu chung về acquy: Acquy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch. Nó tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Dòng điện trong bình acquy tạo ra do phản ứng điện phân giữa vật liệu trên bản cực và dung dịch H2SO4. Hiện nay chúng ta có nhiều loại acquy, nhưng có 2 loại cơ bản là acquy axit và acquy kiềm. Bình acquy được làm từ nhiều tế bào acquy (cell), ta gọi đó là những acquy đơn, được đặt trong 1 vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng. Mỗi acquy đơn có điện thế khoảng 2V. Acquy 12V có 6 acquy đơn mắc nối tiếp. Muốn có điện thế cao hơn ta mắc nối tiếp nhiều acquy lại với nhau. + - Hình 2.1. Cấu tạo acquy Trên nắp mỗi acquy đơn có đặt nắp thông hơi, với mục đích: Để đậy kín acquy, khi cần thêm nước thì mở ra thêm nước vào. Khi nạp thì người ta mở nắp này để chất khí hình thành có khí thoát ra. Dung dịch điện phân là H2SO4, nồng độ dung dịch có ảnh hưởng lớn đến sức điện động của acquy, thể hiện trong sơ đồ sau: GVHD: Th.S Hoàng Ngọc Văn trang 5
18. Thiết kế bộ lưu điện UPS online Hình 2.2. Ảnh hưởng của nồng độ dd  tới điện trở và sức điện động 3 Thông thường nồng độ H2SO4 = 1.1 – 1.3g/cm 1. Quá trình hóa học xảy ra trong acquy axit Trong acquy thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là quá trình nạp và phóng điện. − Khi nạp nhờ nguồn điện ở mạch ngoài mà các eletron chuyển động từ bản cực âm đến bản cực dương, đây chính là dòng điện nạp In − Khi phóng điện, dưới tác động của sức điện động acquy, các electron sẽ chuyển động theo hướng ngược lại. − Khi acquy đã nạp no, ở bản cực dương còn lại là PbO2, còn ở bản cực âm là chì xốp Pb. Khi phóng hết điện, chất tác dụng ở 2 bản cực đêu trở thành PbSO4 ở dạng tinh thể nhỏ. − Quá trình hóa học (phản ứng điện phân) xảy ra trong acquy có thể viết vắn tắt như sau: Trên bản cực dương: PHÓNG PbO H SO PbSO H O 2 2 4  4 2 NAP (2.1) Trên bản cực âm: PHÓNG Pb SO PbSO 4  4 NAP (2.2) GVHD: Th.S Hoàng Ngọc Văn trang 6
19. Thiết kế bộ lưu điện UPS online Tổng quát: Trạng thái Acquy Cực dương Dung dịch điện phân Bản cực âm Nạp no PbO2 H2SO4 Pb     Phóng điện hết PbSO4 H2O PbSO4 Khi phóng điện, axit H2SO4 bị hấp thụ để tạo thành muốn sunfat, còn tạo ra nước, do đó nồng độ dung dịch giảm đi. Khi nạp điện thì ngược lại, nhờ hấp thụ nước và tái sinh ra axít H2SO4 nên nồng độ dung dịch tăng lên. Sự thay đổi nồng độ dung dịch điện phân khi phóng và nạp là một trong những dấu hiệu xác định trạng thái tích điện của acquy. 2. Các thông số cơ bản của acquy a.Sức điện động: Sức điện động phụ thuộc nồng độ của dung dịch điện phân E0 = 0.85 + γ (V) (2.3) Trong đó: E0: sức điện động của acquy đơn (V) γ: nồng độ dung dịch điện phân (g/cm3) Trong quá trình phóng điện, sức điện động của acquy được tính theo công thức: Ep = Up + Ip.raq (2.4) Trong đó: Ep: sức điện động của acquy phóng điện. Up: điện áp đo trên các cực của acquy khi phóng điện Ip: dòng điện phóng raq : điện trở trong của acquy Trong quá trình nạp điện, sức điện động En được tính: En = Un – In.raq (2.5) Trong đó: En: sức điện động của acquy khi nạp điện In: dòng điện nạp Un: điện áp đo trên các cực của acquy khi nạp điện Raq: điện trở trong của acquy b.Dung lượng phóng Dung lượng phóng của acquy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của acquy cho phụ tải, được tính theo công thức: CP = IP.tP (2.6) Trong đó: CP: dung lượng thu được trong quá trình phóng điện (Ah) IP: dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tP GVHD: Th.S Hoàng Ngọc Văn trang 7
20. Thiết kế bộ lưu điện UPS online Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng phóng và dòng điện sinh ra được: Hình 2.3 c.Dung lượng nạp Dung lượng nạp của acquy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của acquy: Cn = In.tn (2.6) Trong đó: Cn: dung lượng thu được trong quá trình nạp điện (Ah) In: dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn d.Đặc tính phóng của acquy Đặc tính phóng của acquy là đồ thì biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không đổi. GVHD: Th.S Hoàng Ngọc Văn trang 8
21. Thiết kế bộ lưu điện UPS online Hình 2.4 sự phụ thuộc của sức điện động khi thời gian không đổi 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 thì không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định. Từ thời điểm tgh trở đi độ dốc các đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu tiếp tục cho acquy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của acquy sẽ giảm rất nhanh; mặt khác, các tinh thể PbSO4 tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô, rắn rất khó hòa tan (biến đổi hóa học) trong quá trình nạp điện trở lại cho acquy sau này. Như vậy không nên để acquy tiếp tục phóng điện sau khoảng thời gian tgh này. Sau khi ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp acquy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của acquy sau khi phóng. e.Đặc tính nạp Đặc tính nạp của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không đổi GVHD: Th.S Hoàng Ngọc Văn trang 9
22. S K L 0 0 2 1 5 4