Đề tài Giới thiệu bộ nghịch lưu mạch cầu h sử dụng cho bộ lưu điện (ups)

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU BỘ NGHỊCH LƯU MẠCH CẦU H SỬ DỤNG CHO BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) Các thiết bị quân sự trên thế giới do đặc tính không cố định và luôn luôn di chuyển nên không thể sử dụng điện lưới như các thiết bị dân dụng khác. Một yếu tố cũng phải được nói đến là yêu cầu các thiết bị này phải gọn nhẹ có tính linh động cao nên các thiết bị này thường sử dụng tần số rất cao (400Hz). Đề tài này chúng ta sẽ nói về một phần của bộ lưu điện UPS online (sẽ được nói rõ ở phần tiếp theo). Thiết bị mà hoàn toàn có thể đáp ứng các yêu cầu trên của các thiết bị quân sự. 1.1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) UPS (Uninterruptible Power Supply) là một thiết bị có thể cung cấp tạm thời điện năng nhằm duy trì sự hoạt động của thiết bị sử dụng 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 [2]. UPS có 2 dòng chính là UPS offline và UPS online: UPS offline: Khi nguồn điện lưới còn đáp ứng được, nó sẽ được đưa thẳng tới thiết bị sử dụng. Trường hợp có sự cố về nguồn điện lưới, bộ chuyển mạch sẽ chuyển sang chế độ dùng acquy, dòng điện một chiều từ acquy sẽ được biến đổi thành dòng xoay chiều phù hợp cho thiết bị sử dụng [2]. Ưu điểm: Giá thành rẻ, đơn giản, thích hợp cho các thiết bị công suất nhỏ độ nhạy cảm về điện không cao. Nhược điểm: Công suất nhỏ, không có chức năng ổn áp khi điện điện áp lưới thay đổi, có thời gian chuyển mạch giữa các chế độ là từ 2-10ms nên không thích hợp với các thiết bị nhạy cảm về điện [2]. Ngoài ra, còn có dòng UPS offline công nghệ Line interactive. Dòng này tiên tiến hơn UPS offline thông thường nhờ có chức năng ổn áp và có thể được giám sát bằng máy tính. UPS online: Là dòng cao cấp: Thường có công suất từ 1KVA trở lên. Không có thời gian chuyển mạch (=0) giữa các chế độ, sóng ra luôn luôn là hình Sine (sine wave) chuẩn (kể cả chế độ backup) và mức điện áp là 220V. Thường có kết nối máy tính, có chống sét lan truyền, thường dùng cho thiết bị cao cấp hơn như Server, máy xét nghiệm, ATM, hệ thống điều khiển,... Nếu cần thời gian lưu điện dài thì có thể dùng loại acquy ngoài (dòng Offline không có khả năng này). Hệ số công suất thường là 0.7, có cổng kết nối máy tính, quản lý bằng phần mềm... Và giá cũng đắt hơn [2]. Mục tiêu của luận văn này là mạch nạp cầu H dùng cho UPS online nên phần tiếp theo chỉ trình bày sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của UPS online. Các loại UPS khác nếu các bạn quan tâm có thể tự tìm hiểu. Giới thiệu sơ lược về UPS online Như đã nói ở trên, dòng UPS online không có thời gian chuyển mạch khi nối lưới và có thể kết nối với acquy ngoài nên được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị quân sự, những thiết bị cần thời gian sử dụng lâu, không có thời gian trể. Dưới đây là nguyên lý làm việc đơn giản của UPS online. Lưu ý: Những ký hiệu trong sơ đồ có thể không quen thuộc đối với các bạn. Hình 1.1 Sơ đồ đơn giản của UPS online (nguồn www.webdien.com) Ở đây, chúng ta thấy rằng việc cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ là hoàn toàn liên tục khi có sự cố về lưới điện. Hãy phân tích sơ dồ dưới góc độ người sử dụng như sau: Nguồn điện lưới lúc này không cung cấp trực tiếp cho các thiết bị mà chúng được biến đổi thành điện một chiều tương ứng với điện áp của acquy. Sơ đồ trên ta thấy được rằng điện từ lưới thông qua bộ sạc (chargeur trên sơ đồ) biến đổi điện xoay chiều (AC) thành điện một chiều (DC) nạp vào acquy (batterie) rồi qua bộ nghịch lưu (onduluer) chuyển ngược lại thành điện xoay chiều phù hợp với điện áp của thiết bị sử dụng. Như vậy, có thể thấy rằng trong bất kỳ sự cố nào về lưới điện thì UPS online cũng có thể cung cấp điện cho thiết bị sử dụng mà không có thời gian trễ nào. Điều này làm cho các thiết bị an toàn và ổn định. UPS online luôn ổn định điện áp đầu ra. Vì vậy không cần phải có một bộ ổn áp để bảo vệ tránh hiện tượng quá điện áp cho thiết bị. Tần số ra trong bộ UPS online Trong khi các UPS thường có tần số 50Hz thì trong luận văn này tần số ngõ ra của UPS là 400Hz. Sau đây là những ưu khuyết điểm của các thiết bị sử dụng tần số 400Hz so với tần số 50Hz thông thường. Ưu điểm: Các thiết bị sử dụng tần số 400Hz thường là những thiết bị quân sự (xe tăng, máy bay, tàu thủy…) đòi hỏi rất cao về trọng lượng và độ linh hoạt trong các trận chiến. Yêu cầu này có thể thực hiện dể dàng ở tần số 400Hz. Khi ở tần số cao các thiết bị như cuộn cảm, tụ điện, máy biến áp … có thể được giảm nhỏ đi 8 lần so với ở tần số 50Hz thông thường. Vì vậy, các thiết bị sử dụng ở tần số 400Hz sẽ gọn, nhẹ và an toàn hơn đáp ứng tốt cho các thiết bị quân sự. Nhược điểm: Khi hoạt động ở tần số cao sẽ làm tăng các hiệu ứng (hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng gần…) làm tăng điện trở của dây dẫn, gây sụt áp lớn khi truyền dẫn làm giảm hiệu suất sử dụng. [4] Phần tiếp theo chúng ta sẽ bàn về mạch nghịch lưu và nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu từ acquy dùng cầu H. GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều dể cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. Tùy theo từng loại mà chúng ta có bộ nghịch lưu áp hay bộ nghịch lưu dòng. Trong đề tài này, chúng ta giới hạn ở bộ nghịch lưu áp. Bộ nghịch lưu áp: Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Có ba loại nghịch lưu áp dành cho từng loại tải tiêu thụ khác nhau. a. Nghịch lưu áp 1 pha Bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha dạng cầu (còn gọi là bộ nghịch lưu dạng chữ H) chứa 4 công tắc và 4 diod mắc đối song. (hình 1.2). Trong dạng này, trị trung bình áp tải phụ thuộc vào thời gian đóng, ngắt các khóa trong mạch. Nhưng phải luôn lưu ý rằng các cặp khóa S1, S3 và S2, S4 không được đóng đồng thời, nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn gây nguy hiểm cho người và thiết bị. Hình 1.2 Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu [6] Ngoài ra, còn có bộ nghịch lưu 1 pha dạng nửa cầu có hoặc không có dùng máy biến áp cách ly phía tải. Ở dạng này, điện áp tải lớn nhất chỉ bằng ½ điện áp nguồn một chiều. Nhưng dạng này tiết kiệm được 2 khóa trong khi phải dùng 4 khóa như dạng cầu. Hình 1.3 Sơ đồ bộ nghịch lưu áp 1 pha nửa cầu không có biến áp (a) và có biến áp (b) [6] b. Nghịch lưu áp 3 pha Bộ nghịch lưu áp 3 pha cấp cho tải 3 pha như động cơ không đồng bộ …Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu áp ba pha trên thực tế chỉ gặp ở dạng mạch cầu. Mạch chứa 6 công tắc S1, S2, …S6 và 6 diod đối song D1, D2, …,D6. Tải 3 pha có thể mắc ở dạng hình sao hay tam giác. Hình 1.4 Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu áp 3 pha [6] c. Nghịch lưu áp đa bậc Bộ nghịch lưu áp đa bậc thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn. Phương pháp điều khiển khá phức tạp nên không được nói đến trong đề tài này. 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP: Có nhiều loại điều khiển bộ nghịch lưu áp. Có thể kể đến như phương pháp điều khiển theo biên độ, phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế theo mẫu, phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM), phương pháp điều rộng, phương pháp điều chế vector không gian, …Các phương pháp trên nhằm mục tiêu duy nhất là cho điện áp đầu ra có dạng càng gần sin càng tốt. Thông thường dạng sóng tạo ra có 2 loại: tạo ra sóng sin mô phỏng và true sin (thuần sin). Một sóng sin mô phỏng có dạng sóng gần với sóng vuông nhưng có giai đoạn chuyển đổi nên gần với sóng hình sin. Hình dạng của các dạng sóng được vẽ trong Hình 1.5 dưới đây. Sóng sin mô phỏng có thể được tạo dể dàng bằng cách chuyển đổi bởi 3 mức tần số xác định. Do đó, giá thành rẻ. Tuy nhiên không phải thiết bị nào cũng có thể sử dụng loại nghịch lưu này. Hình 1.5 Các dạng sóng: sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin (SINE WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE) [5] Để tạo ra dạng sóng true sin thì cũng có nhiều phương pháp. Tuy nhiên, trong đề tài này ta chọn phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM) vì các ưu điểm của nó như: Tín hiệu ra gần đúng với tín hiệu sin chuẩn (true sin) Lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều Có thể kết hợp với vi điều khiển để đơn giản quá trình điều khiển Giá thành không quá đắt Giải thuật tính toán cũng không quá phức tạp Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM) Trong các bộ biến đổi nguồn và động cơ PWM được sử dụng một cách rộng rãi. Sự thay đổi của độ rộng xung trong tín hiệu PWM được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và biến đổi nguồn. Tín hiệu PWM có thể được tạo ra khi sử dụng các bộ vi điều khiển hoặc các bộ tạo tín hiệu chuyên dụng. Tín hiệu PWM tương tự sử dụng bộ so sánh hai tín hiệu vào, gồm tín hiệu chuẩn và tín hiệu sóng mang để tạo ra tín hiệu dựa trên sự sai khác. Tín hiệu chuẩn phải có dạng sin tần số cùng với tần số yêu cầu ở đầu ra, trong khi tín hiệu sóng mang ở dạng sóng răng cưa hay tam giác và thường có tần số lớn hơn tần số chuẩn. Khi tín hiệu sóng mang lớn hơn tín hiệu chuẩn, đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ nhất (mức thấp) còn ngược lại đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ hai (mức cao). Quy trình này được mô tả trong hình 1.6. Trong đó, tín hiệu sóng mang (xung tam giác) có màu đỏ, tín hiệu sin chuẩn có màu đen. Sau khi qua bộ so sánh xuất ra tín hiệu ở bên dưới để đóng ngắt các khóa trong bộ nghịch lưu (ở đây là các khóa trong mạch cầu H sẽ được nói ở phần tiếp theo). Hình 1.6 Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM [7] Cần phải nói thêm rằng, trong thực tế ngày nay người ta thường dùng vi điều khiển để tạo tín hiệu PWM thay cho cách trước đây là tạo ra sóng mang và sóng chuẩn rồi đem so sánh với nhau. Sử dụng vi điều khiển có nhiều ưu điểm: Độ ổn định cao, do mạch dao động của vi điều khiển sử dụng thạch anh. Tần số tín hiệu PWM cao: có thể đạt tới vài MHz Khả nănng điều khiển chính xác, sai số đầu ra có thể đạt đến 1% Có thể cùng một lúc tạo nhiều tín hiệu PWM Ngoài ra, ta còn có thể sử dụng các cổng còn lại của vi điều khiển để thực hiện các chức năng khác như giám sát, điều khiển, hiển thị… Để khuếch đại tín hiệu PWM để tránh nhiễu cho các khóa người ta thường sử dụng transistor hoặc các linh kiện chuyển mạch khác (ở đây ta dùng IC ULN2804). Các cấu hình cầu hoặc bán cầu đã được nói ở trên thường được sử dụng trong trường. Các cấu hình cầu sử dụng 4 linh kiện chuyển mạch và thường được gọi là cầu H (H Brigde) do hình dạng của nó. MẠCH CẦU H Mạch cầu H là một mạch chuyển mạch tạo bởi 4 linh kiện sắp xếp theo hình chữ H. Bằng cách điều khiển các công tắc trong mạch ta có thể tạo điện áp dương, âm và 0V trên tải. Mạch cầu H cơ sở được thể hiện qua hình 1.7 Hình 1.7 Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc [8] Quan hệ giữa tình trạng hoạt động của các linh kiện trong mạch và điện áp trên tải được mô tả trong bảng 1. Lưu ý là các trường hợp khác đã được loại trừ ví dụ ngắn mạch. Q1 Q2 Q3 Q4 Áp trên tải Dẫn Tắt Tắt Dẫn Dương Tắt Dẫn Dẫn Tắt Âm Dẫn Dẫn Tắt Tắt 0V Tắt Tắt Dẫn Dẫn 0V Bảng 1.1 Sơ đồ trạng thái đóng ngắt các khóa trên mạch cầu H 1.2.4 CÁC BỘ LỌC TẦN SỐ Các bộ lọc có nhiều dạng với ưu-nhược điểm khác nhau. Ví dụ các bộ lọc số có cấu hình đơn giản và có thể được thiết lập bất kỳ tần số nào. Nếu yêu cầu chỉ là lọc thông thấp/cao/băng với tần số xác định, các bộ lọc tích cực dạng này có thông số kỹ thuật rất cao và có suy hao không đáng kể. Các bộ lọc này thường được cấu tạo dựa trên các khuếch đại thuật toán (Op-amp) hay các linh kiện lô-gic. Tuy nhiên, các bộ lọc này có giá thành cao, và không có khả năng lọc tín hiệu điện áp cao. Để thực hiện lọc điện áp cao trong các bộ nghịch lưu, người ta thường sử dụng các bộ lọc thụ động. Các bộ lọc này có giá thành thấp và dễ triển khai trong thực tế. TÓM GỌN SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH Sau đây là sơ đồ khối của bộ nghịch lưu dùng cầu H cho UPS online ÁP TẢI DÒNG QUA ACQUY ĐIỆN AC TẢI MẠCH CẦU H SỬ DỤNG MOSFET BỘ LỌC TẦN SỐ THẤP MẠCH ĐO DÒNG VÀ ÁP MÁY BIẾN ÁP ÁP ACQUY ACQUY 24V PHÓNG ĐIỆN TÍN HIỆU HỒI TIẾP KÍCH MOSFET TẠO XUNG PWM KHUẾCH ĐẠI VI ĐIỀU KHIỂN MẠCH LÁI MOSFET Hình 1.8 Sơ đồ khối mạch nghịch lưu acquy dùng cầu H