Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA

ĐỒ ÁN
ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
ĐỀ TÀI:

Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục
UPS
Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Thị Điệp
Sinh viên thực hiện: Dương Đức Toàn
Mã sinh viên: 18810430113
Lớp:

Hà Nội, 10/2020

1


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Sinh viên thực hiện:
Mã sinh viên:
Lớp:
Giáo viên hướng dẫn:
Đề tài:
Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS với các tham số sau:

-

2

Công suất: 10KW.
Điện áp ra: 3x380V.
Tần số tải: f = 100Hz.
Sử dụng mạch nghịch lưu cầu ba pha, van IGBT.


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

Đánh giá và nhận xét của giáo viên
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................

............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................

3


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN UPS........................................................6
1.1. Giới thiệu về UPS.......................................................................................................6
1.2. Phân loại UPS.............................................................................................................9
1.2.1. UPS Offline.............................................................................................................. 9
1.2.2. UPS Offline với công nghệ Line Interactive..........................................................10
1.2.3. UPS Online............................................................................................................10
1.2.4. Sơ đồ nguyên lý chung của một UPS.....................................................................11
1.3. Giới thiệu chung về nghịch lưu.................................................................................13
1.3.1. Khái niệm, phân loại, ứng dụng của nghịch lưu.....................................................13
1.3.2. Giới thiệu về van MOSFET...................................................................................14
1.3.3. Phân tích sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha..............................................16
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC......................................................22
2.1. Sơ đồ mạch lực..........................................................................................................23
2.2. Chức năng của các phần tử trong mạch.....................................................................23
2.3. Tính tốn chọn các phần tử trong mạch.....................................................................24
2.4. Mạch bảo vệ van.......................................................................................................25
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.......................................27
3.1. Cấu trúc tổng quát mạch điều khiển..........................................................................27

3.2. Khâu dao động hình sin.............................................................................................29
3.3. Khâu tạo điện áp răng cưa.........................................................................................31
3.4. Khâu tạo điện áp so sánh..........................................................................................32
3.5. Khâu tạo điện áp điều khiển......................................................................................33
3.6. Khâu khuếch đại xung bằng máy biến áp.................................................................34
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG MẠCH THIẾT KẾ TRÊN PSIM.........37
4.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng điện tử công suất PSIM.....................................37
4.2. Tổng quan về phần mềm PSIM.................................................................................37
4.3. Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển...................................................................39
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................45

4


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn cơng suất,
các thiết bị biến đổi điện năng dùng trong các linh kiện bán dẫn đã được sử dụng
nhiều trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của
xã hội. Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp,
các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị
đốt nóng bằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng...
Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn
Điện tử công suất và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất
hiện đại. Vì vậy để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào
trong thực tế, em được nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế bộ nghịch lưu
trong bộ cấp nguồn liên tục UPS”.
Nội dung của đồ án:






Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Tính tốn thiết kế mạch lực
Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển
Chương 4: Mô phỏng và kiểm chứng mạch thiết kế trên PSIM

Dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của cơ Nguyễn Thị Điệp cùng sự cố gắng của
các thành viên trong nhóm chúng em đã hồn thành xong đồ án của mình. Tuy
nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót khi
thực hiện đồ án này. Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh
giá, góp ý của thầy cơ giáo để đề tài được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

5


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN UPS
1.1. Giới thiệu về UPS
UPS được viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power Supply
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 cung cấp
tạm thời điện năm nhằm duy trì sự hoạt động của thiết bị hoạt động điện lưới gặp
sự cố (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 được gọi là “bộ lưu điện”. Như 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 công nghiệp. Hiện nay,
do nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, việc đầu tư cho lưới điện địi hỏi
rất nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng thiếu hụt điện năng và chất lượng điện năng
suy giảm.
Từ yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất lượng,
UPS được phân thành dịng sản phảm chính về cơng nghệ như sau:
 UPS Offline đơn thuần.
 UPS Offline công nghệ Line- interactive.
 UPS Online.
 Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ nguồn liên tục UPS

6


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

Hình 1. 1 Nguyên lý chung của UPS
UPS là một nguồn có đầu vào nối với lưới điện, đầu ra nối với các thiết bị
cần được bảo vệ, bên trong có ắc quy. Bình thường tải cung cấp năng lượng từ
nguồn. Khi mất điện bất thường thì năng lượng cung cấp cho tải lúc này được lấy
trực tiếp từ acquy đảm bảo cho thiết vị được cấp điện một cách liên tục.

 Cung cấp năng lượng điện cho những tải nhạy cảm
Sự cố nguồn năng lượng điện: sự cố trong các nguồn năng lượng điện có
thể xảy 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 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.
Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnh
hưởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệ thống.
Đối với hệ thống cung cấp điện, có thể bị sự cố, gián đoạn cung cấp điện vì:
 Hiện tượng nhiễu điện ở bầu khí quyển (thường khơng tránh khỏi). Điều
này có thể ảnh hưởng đến đường dây ngồi trời hoặc cấp chơn, 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.

7


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

 Những hiện tượng ngẫu nhiên chẳng hạn:
 Cành cây rơi gây ngắn mạch hoặc đứt dây.
 Đứt cáp do đào đất.
 Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp.
 Lắp đặt công nghiệp chẳng hạn:
 Động cơ gây ra điện áp rơi và nhiễm RF trong quá trình khởi động.
 Những thiết bị gây ơ nhiễm: lị luyện kim, máy hàn,…
 Những hệ thống điện tử công suất cao.
 Thang máy, đèn huỳnh quang.
Những sự cố ảnh hưởng tới việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có
thể phân thành các loại sau:








Lệnh điện áp.
Ngừng hoạt động.
Tăng đột ngột điện áp.
Thay đổi tần số.
Xuất hiện sóng hài.
Nhiễu tần số cao.
Sự cố gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là gián đoạn việc cung

cấp điện, nhất là hệ thống giữ liệu của máy tính.

 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.
Từ đó, phải tìm cách loại chúng ra. Có nhiều giải pháp kĩ thuật khác nhau
cho vấn đề này. Những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của 2 tiêu chuẩn sau
để đánh giá:
 Liên tục cung cấp điện.
 Chấp lượng cung cấp điện.
Về tính liên tục cung cấp điện: Cách duy nhất là cung cấp nguồn dự trữ.
Một vài giải pháp kỹ thuật đảm bảo tính liên tục cung cấp điện:
-

Trong quá trình lắp đặt sử dụng một vài nguồn khác nhau tốt hơn là chỉ
dùng 1 nguồn.

8



Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

-

Chia nhỏ mạch tải ra mạch ưu tiên và mạch không ưu tiên khi cần sẽ

-

loại bỏ tải không cần thiết.
Lựa chọn điểm nối trung tính.
Lựa chọn thiết bị bảo vệ theo cấp.
Lựa chọn phương pháp kết nối.

Những giải pháp này có thể bổ sung cho nhau và hạn chế sự cố phát sinh trong quá
trình lắp đặt. Tuy nhiên phương pháp duy nhất đảm bảo tính liên tục cung cấp điện
là nguồn sử dụng dự trữ tối thiểu là để cung cấp cho các tải ưu tiên.

 Ứng dụng của UPS
Hiện nay, nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông,
ngân hàng, y tế,.. rất lớn. Số lượng UPS sử dụng gần bằng 1/3 số lượng máy tính
đang sử dụng. Một số ví dụ: hệ thống máy tính, hệ thống máy tính cơng nghiệp, hệ
thống chiếu sáng, viễn thông, y tế, công nghiệp,…
1.2. Phân loại UPS
Do yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất lượng,
UPS được phân thành các dịng sản phẩm chính về cơng nghệ như sau:
 UPS Offline đơn thuần.
 UPS Offline công nghệ Line-interactive.
 UPS Online.

Trong đó loại phổ thơng nhất là UPS Offline, UPS Offline cơng nghệ Lineinteractive và UPS Online cịn lại UPS tĩnh, UPS quay thì ít được sử dụng.
1.2.1. UPS Offline
Sơ đồ thể hiện hai trạng thái làm việc của một UPS Offline thông thường:
 Ở trạng thái lưới điện ổn định thì nguồn tiêu thụ sử dụng điện trực tiếp của
lưới điện. UPS lúc này chỉ sử dụng một bộ nạp (charger) để nạp điện một
cách tự động cho ắc quy mà thôi.
 Khi điện áp lưới điện không đảm bảo (quá cao, quá thấp) hoặc mất điện thì
lúc này mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp ra từ acquy và bộ
inverter.

9


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

Hình 1. 2 Cấu trúc bộ UPS Offline
Qua nguyên lý được phân tích như trên thì ta thấy rằng thời gian cung cấp
điện cho thiết bị tiêu thụ vì thế mà bị gián đoạn. Sự gián đoạn này gây ra việc cung
cấp nguồn điện khơng ổn định tại phía các thiết bị tiêu thụ:
Cũng qua sơ đồ, ta thấy rằng UPS Offline khơng có cơng dụng ổn áp khi
chúng sử dụng điện lưới bình thường - bởi khi khơng có sự cố về lưới điện thì các
thiết bị phía sau UPS đơn thuần được nối trực tiếp với lưới điện thông qua rơ le.
1.2.2. UPS Offline với công nghệ Line Interactive
Về cơ bản cấu tạo và nguyên lý hoạt động của UPS công nghệ Line
Interactive gần giống với UPS Offline thơng thường. Nhưng nó chỉ khác một đặc
điểm nhỏ: UPS Offline cơng nghệ Line Interactive có gắn thêm bộ ổn áp giúp cho
điện áp đầu ra luôn ổn định. Khi dịng điện có sự cố về điện áp, UPS sẽ tự động
điều chỉnh để điện áp đầu ra luôn ở dạng chuẩn.

Hình 1. 3 Cấu trúc bộ UPS Line Interactive


10


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

Tuy nhiên nhược điểm của loại UPS Offline công nghệ Line Interactive này
là thời gian chuyển mạch vẫn còn lớn (2-10ms) nên sẽ không đáp ứng được cho
các thiết bị nhạy cảm về điện.
1.2.3. UPS Online
Khắc phục hoàn toàn những nhược điểm của dịng UPS Offline, UPS
Online có thể loại bỏ những sự cố của điện lưới do điện áp đầu vào luôn được điều
chế trước khi cấp cho tải sử dụng. Nguồn điện lưới không cung cấp trực tiếp cho
thiết bị mà được biến đổi thành dòng một chiều nhận được thành điện áp đầu ra
phù hợp với thiết bị sử dụng. Như vậy có thể thấy rằng khi lưới điện xảy ra bất kỳ
sự cố nào thì thiết bị của bạn vẫn ln được an tồn.

Hình 1. 4 Cấu trúc bộ UPS Online
Dòng UPS Online thường được thiết kế với cơng suất lớn, có thể mở rộng
thời gian lưu điện bằng các acquy lưu điện gắn trong lẫn ngồi nên ngồi những
thiết bị có tính chất tải thuần trở như thiết bị văn phịng, máy tính thì UPS Online
cịn có thể sử dụng cho hệ thoongsm áy chủ, trung tâm dữ liệu (data center) và
thậm chí cả những thiết bị tải động cơ như quạt, máy bơm,…
1.2.4. Sơ đồ nguyên lý chung của một UPS

11


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS


Hình 1. 5 Sơ đồ nguyên lý chung của UPS

 Chức năng của các khối:
 Biến áp vào:
- Hạ điện áp lưới xuống điện áp thích hợp để đưa vào bộ chỉnh lưu.
- Cách ly giữa hệ thống và lưới, chống ngắn mạch nguồn.
 Chỉnh lưu: tạo ra điện áp một chiều dùng cho việc nạp ắc quy và đưa tới bộ
nghịch lưu.
 Lọc chỉnh lưu: san phẳng điện áp ra từ bộ chỉnh lưu để đưa đến bộ nghịch
lưu nhằm nâng cao chất lượng điện áp ra ở đầu ra nghịch lưu.
 Nghịch lưu: biến điện áp một chiều lấy từ đầu ra của chỉnh lưu thành điện
áp xoay chiều tần số f cấp cho tải.
 Biến áp ra: tăng điện áp ra từ bộ nghịch lưu lên phù hợp theo yêu cầu của
tải.
 Mạch nạp ắc quy: dùng để điều khiển việc nạp ắc quy. Khi có điện, ắc quy
là nơi tích trữ năng lượng. Khi đó dưới sự điều khiển của mạch điều khiển
nạp thì ắc quy được nạp. Khi điện áp trên acquy tăng đến một mức nào đó
thì mạch điều khiển sẽ cắt việc nạp ắc quy.
 Ắc quy: là nơi tích trữ năng lượng khi có điện áp nguồn và là kho cung cấp
năng lượng cho các phụ tải khi lưới điện bị mất. Thời gian duy trì điện của
UPS phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng của acquy. Trên thi trường acquy
dùng cho UPS phổ biến nhất là loại 12V/7Ah và 6V/7Ah. Khi thiết kế tùy
theo điện áp mà ta có thể mắc nối tiếp các acquy để được nguồn 24 – 48V.

12


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

Việc sử dụng nguồn cấp có điện áp cao sẽ giảm được dòng tiêu thụ và tăng

hiệu suất của ngồn UPS song nó sẽ làm tăng kích thước của nguồn.
 Điều khiển chỉnh lưu: điều khiển góc mở của các thyristor trong mạch
chỉnh lưu sao cho điện áp ra sau chỉnh lưu ổn định theo yêu cầu.
 Điều khiển nghịch lưu: điều khiển thời gian dẫn của các van hợp lý sao cho
điện áp cung cấp cho tải là không đổi hoặc thay đổi rất nhỏ. Mạch điều
khiển này đóng vai trị quan trọng như một bộ ổn áp hoạt động song song
với bộ nghịch lưu.
 Nguồn: dùng để cung cấp các mức điện áp khác nhau cho 2 bộ điều khiển
chỉnh lưu và nghịch lưu.

 Kết luận:
Để thiết kế được một bộ lưu điện UPS hoàn chỉnh cần rất nhiều thời gian
cũng như địi hiểu có nhiều kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn. Trong giới hạn
kiến thức của bản thân và yêu cầu của đề tài, em sẽ đi sâu vào tính tốn, lựa chọn,
thiết kế bộ nghịch lưu (một phần rất quan trọng trong bộ UPS).
1.3 . Giới thiệu chung về nghịch lưu
1.3.1. Khái niệm, phân loại, ứng dụng của nghịch lưu

 Khái niệm
Nghịch lưu là thiết bị điện biến đổi dòng điện một chiều sang năng lượng điện
xoay chiều.
Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện
xoay chiều với tần số ra có thể đổi được và làm việc với phụ tải độc lập.
Nguồn một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, ác quy và các nguồn
độc lập khác.

 Phân loại
Người ta thường phân loại nghich lưu theo sơ đồ như:
-


Nghịch lưu một pha: cầu một pha, sơ đồ hình tia…
Nghịch lưu ba pha: sơ đồ tia ba pha, sơ đồ cầu ba pha,…

Cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu như:

13


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

-

Nghịch lưu dòng: cho phép biến nguồn dòng 1 chiều thành xoay chiều.
Nghịch lưu độc lập nguồn áp: cho phép biến đổi nguồn áp một chiều E

-

thành nguồn điện áp xoay chiều có tính chấp như điện áp lưới.
Nghịch lưu cộng hưởng song song: có đặc điểm khi hoạt động ln hình

thành một mạch vịng dao động cộng hưởng RLC.
 Ứng dụng
Ứng dụng nghịch lưu khá rộng rãi trong công nghiệp hay trong điều khiển
hệ thống điện hiện nay như cung cấp điện,các hệ thống xoay chiều, truyền tải điện
năng hay luyện kim….
1.3.2. Giới thiệu về van IGBT
 Cấu trúc và ký hiệu

Hình 1. 6 Ký hiệu IGBT


Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống MOSFET, điểm khác nhau là có thêm
lớp nới với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter (tương tự cực gốc)
với collector (tương tự cực máng) mà không phải là n-n như MOSFET. Vì thế, có
thể coi IGBT tương đương một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi
một MOSFET.
Dưới tác dụng của kênh điều khiển Uge > 0, kênh dẫn với các hạt mang
điện là các điện tử được hình thành, giống như cấu trúc MOSFET. Các điện tử di
chuyển từ phía collector qua lớp tiếp giáp n-p như cấu trúc giữa base và collector ở
transistor bình thường tạo nên dòng collector.
 Nguyên lý làm việc

14


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

Phân cực cho IGBT sao cho Uce > 0, sau đó vào cực G một điện áp điều
khiển Uge > 0 với một giá trị đủ lớn. Khi đó hình thành một kênh dẫn với các hạt
là điện từ giống như MOSFET các hạt điện tử di chuyển về phía cực C, vượt qua
tiếp giáp p-n tạo nên dịng collector. Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơn
transistor thường, trễ khi mở khoảng 0.15ms, trễ khi đóng khoảng 1ms. Công suất
điều khiển IGBT rất nhỏ thường mở dưới dạng điện áp điều khiển là ±15V. Để mở
thường cấp tín hiệu +15V, khóa cấp tín hiệu -15V.
 Điều kiện mở khóa
 Trạng thái khóa UGE ≤ 0, tuy nhiên nên dùng điện áp âm.
 Trạng thái dẫn UGE > 0 và để mở bão hịa cần có điện áp điều khiển vượt giá trị
nhất định thường cỡ 15V.
 Các thông số cơ bản
Dưới đây là bảng các thông số cơ bản của van IGBT:
T


Tham số

Tên gọi

Kí hiệu

Chế độ đo

T
1

Điện áp

Điện áp đánh thủng CE
Điện áp đánh thủng GE
Điện áp tối đa cho phép giữa

U(BR)CE
U(BR)GER
UCE

Khi ngắn mạch GS
Khi có điện trở nối giữa

các cực CE
Dòng colector tối đa cho phép

Ic


các cực G và E
Ở nhiệt độ quy định của

Dòng colector dạng xung tối

ICM

vỏ
Với độ rộng xung quy

2

Dịng
điện

3

Điều

4

khiển
Khuếch

5

đại
Cơng
suất


6

Chế độ
động

15

đa cho phép
Điện áp GE cực đại cho phép
Điện áp GE ngưỡng

UGE
UGE(th)

Độ hỗ dẫn
Điện trở CE khi dẫn
Công suất phát nhiệt tối đa
Tổn thất năng lượng khi mở
Tổn thất năng lượng khi khoá
Thời gian trễ khi mở
Thời gian trễ khi khóa
Thời gian tăng dịng colector

GFS
RCE(on)
PC
EON
EOFF
TD(ON)
TD(OFF)

TR

định
Khi ngắn mạch CE
Khi UCE >0
Theo chế độ quy định
Với nhiệt độ quy định
Theo chế độ quy định


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

7

Nhiệt

Thời gian giảm dòng colector
Điện dung cổng vào
Điện dung ra
Điện dung chuyển đổi
Điện tích tổng ở mạch cực

TF
CISS
COSS
CRSS
QG

CISS = CGE+ CGC
COSS = CGC+ CCE

CRSS = CGC
Theo chế độ quy định

Gate
Nhiệt trở xác lập giữa quá độ

RThj.C

Có tản nhiệt chuẩn

pn- vỏ
Nhiệt trở xác lập giữa q độ

RThj.A

Khơng có tản nhiệt

pn-mơi trường
Nhiệt trở xác lập giữa vỏ - tản

RThj.S

nhiệt
Nhiệt trở quá độ giữa q độ

ZThj.C

Với xung dịng có thời

pn-vỏ

Nhiệt độ tối đa cho phép ở

Tj(max)

gian quy định
Cả nhiệt độ âm và dương

miền quá độ pn
Bảng 1. 1 Các thông số cơ bản của van IGBT

1.3.3. Phân tích sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha

Hình 1. 7 Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha
Để tạo ra điện áp 3 pha sử dụng 3 nhóm van đấu theo hình 1.5, điểm giữa
mỗi nhánh van thẳng hàng là điểm nối với phụ tải 3 pha đấu sao hoặc tam giác.
Sơ đồ có thể điều khiển bằng 2 luật van dẫn khác nhau
-

16

Góc van dẫn � =180°


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

-

Góc van dẫn � =120°
Để tạo ra điện áp 3 pha đối xứng trở lên ta điều khiển van T1 đến T6 theo quy


luật:
T1 và T4 đấu lệch nhau 1 góc 180° tạo ra điện áp pha A
T3 và T6 đấu lệch nhau 1 góc 180° tạo ra điện áp pha B
T5 và T2 đấu lệch nhau 1 góc 180° tạo ra điện áp pha C
Mỗi pha lệch nhau 120°
Nếu � =120° thì độ lệch van giống x = 180°.

 Trường hợp 1:
Góc dẫn van �=180°, luật điều khiển này giống trong NLĐL 1 pha khi 2
van 1 nhánh thay nhau dẫn trong chu kỳ. Đồ thị điện áp dịng điện:

Hình 1. 8 Sơ đồ chuyển mạch khi hoạt động

17


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

 Xét θ = (0÷ 60) T1, T5, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình 1.10a

Hình 1. 9a Giai đoạn θ = (0÷ 60)
I

E
z
E
� Ua  Uc  �
I
3z
2

3
2

U b   z.I 

2 E
3

 Xét θ = (60÷120) T1,T2, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình 1.10b

Hình 1. 100b Giai đoạn θ = (60÷ 120)
 Xét θ=(120÷180) T1, T2, T3 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình 1.10c

Hình 1. 10c Giai đoạn θ = (120÷ 180)

 Xét θ= (180÷240) T2, T3, T4 dẫn:

18


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

 Xét θ= (240÷ 300) T3, T4, T5 dẫn:
 Xét θ= (300÷360) T4, T5, T6 dẫn:
Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là:
U pha 

1
2


2

�U    d 
2

2

pha

2
E
3

Suy ra:
2
E sin t
3
2
U b  t   E sin  t  120 
3
2
U c  t   E sin  t  120 
3
Ua  t  

 Trường hợp 2:
Góc dẫn van �= 120°, trong luật này 2 van không thay nhau dẫn mà có 1
đoạn nghỉ 60° giữa chúng.
Đồ thị điện áp dịng điện:


19


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

 Xét θ= (0÷ 60), T1, T6 dẫn.

Hình 1. 11a Giai đoạn θ = (0÷ 60)

Ua 

E
E
;U b 
2
2

 Xét θ= (60÷120), T1, T2 dẫn

20


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

Hình 1. 11b Giai đoạn θ = (60÷ 120)

Ua 

E
E

;U c 
2
2

 Xét θ= (120÷180), T2, T3 dẫn.

Hình 1. 11c Giai đoạn θ = (120÷ 180)

Ub 

E
E
;U c 
2
2

 Xét θ= (180÷240), T3, T4 dẫn

Ub 

E
E
;U a 
2
2

 Xét θ= (240÷300), T4, T5 dẫn

Uc 


E
E
;U a 
2
2

 Xét θ= (300÷360), T5, T6 dẫn.

Uc 

E
E
;U b 
2
2

-Các biểu thức tính tốn:
+ Khai triển Furier cho phổ sóng hài điện áp pha a:

21


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

Ua  t  

�

�k


k 1,3,5..

4E
�k �
cos � �
sin kt
3
�6 �

+ Dịng trung bình qua các van:
I Im
 1  cos  
2
I
IT  Im  1  cos  
2
ID 

+ Điện áp các van phải chịu khi hoạt động bằng nguồn E. Dòng tiêu thụ từ nguồn
E có trị số:

2 E � 3 X Lt 1  a 2 �
IE 
1
�
�
3 Rt � 2 Rt 1  a  a 2 �
� R �
a  exp � t �
�3 X Lt �

Với:

22


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC
2.1. Sơ đồ mạch lực
L2

L1

R1
T1
C2

C1

C4

L3

R2

R3

IGBT3

IGBT4


C3

C6

C5
RA
RB
RC

E

C

L5

L4

C8

L6

R4

R5

R6

IGBT5


IGBT6

IGBT7

C7

C10

C9

C12

C11

Hình 2. 1 Sơ đồ mạch lực
2.2. Chức năng của các phần tử trong mạch
 Van IGBT: Sử dụng trong các mạch nghịch lưu hoặc các bộ biến đổi xung
áp một chiều, trong biến tần, mạch đóng cắt tần số cao. Ở tần số đóng cắt
cao như vậy, những sự cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá
hỏng toàn bộ thiết bị.
 Tụ C0: Lọc, làm phẳng điện áp đầu ra tại nguồn E và nhận năng lượng trả
về từ điện cảm tải khi các diode dẫn dịng, vì chỉnh lưu khơng cho dòng
điện đảo chiều lại.
 Diode: Các diode này để dẫn điện áp cảm ứng khi ngắt dòng trở về nguồn
DC.

23


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS


 Nguồn E: Cấp nguồn cho bộ nghịch lưu hoạt động
2.3. Tính tốn chọn các phần tử trong mạch
Thơng số của bộ cấp nguồn UPS cần thiết kế bộ nghịch lưu :
 Giá trị điện áp đầu ra U1 = 3x380VAC, f=50Hz
Bộ nghịch lưu được thiết kế cung cấp cho tải thuần trở có cơng suất tối đa
là 10KVA. Giả sử hiệu suất của bộ nghịch lưu là 0,8 thì cơng suất vào bộ nghịch
lưu là :
S1 

S 10.103

 12500VA
0,8
0,8

Nguồn một chiều cấp cho bộ nghịch lưu là:
E

. 2.U pha
2



. 2.220
 488, 71V �490V
2
, giá trị này chưa tính đến sụt áp khi

dẫn, tổn thất điện áp bộ lọc đầu ra.

 Trị số hiệu dụng dịng ra
Ta có cơng suất tải là 40KVA và điện áp đầu ra 380VAC
Do đó :
z dm 

I1 

P 10000

 26,31A
U1
380

U dm
220

 8,36()
Idm
26,31

Suy ra: R t  z.cos   8,36.0,8  6,69() và X t  z.sin   5,02()
 Làm mát
Chọn hệ số an tồn về dịng cho van là k1 =1,4
Hệ số an toàn về điện áp cho van là ku = 1,2
Khi đó dịng điện trung bình qua van lớn nhất là :
I tb  I1.1, 4  26,31.1, 4  36,83  A 
Điện áp đặt lên van lớn nhất là :

U CE max  UCE .1,2  490.1, 2  588(V)


24


Thiết kế bộ nghịch lưu trong bộ cấp nguồn liên tục UPS

 Chọn van IGBT :
Với chế độ hoạt động van phải chịu dòng xấp xỉ 37A và điện áp 588V . Ta
chọn van IGBT loại FS50R06YL4 có thơng số như sau :
Ucemax

Ic

Uce

P

R

(V)

(A)

(bão hịa)

(W)

(K/W)

600


50

1,95

202

0,62

Bảng 2. 1 Thơng số IGBT
 Chọn diode :
Diode đệm cho bộ nghịch lưu phải chịu được điện áp ngược bằng giá trị
điện áp lớn nhất đặt lên mỗi van . Dòng điện mà diode chịu được cũng bằng dịng
điện lớn nhất chạy qua van do đó Ungmax= 588V
Căn cứ vào các thông số của van ta chọn là loại D258S 08 chế tạo có thơng
số như sau:
Ungmax

Ihiệu dụng

Itb

Sụt áp

(V)

(A)

(A)

cực


800V

455

238

(V)
2,12

đại

Uo

Rd

toff

(V)

(mΩ)

(ns)

1,18

1,8

3,3


Bảng 2. 2 Thơng số diode
 Tính tụ lọc C0

Tính theo cơng thức

Cmax  1,3

Chọn tụ có giá trị 465µF.
2.4. Mạch bảo vệ van

25

Lt
5,02
 1,3.
 4,65.104 F
2
2
Rt
6,69 .314