CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC3.1.1Bộ nghịch lưu (inverter)

Hình 3.1: Mạch nghịch lưu

Chọn bộ nghịch lưu cầu một pha với phương pháp điều khiển lưỡng cực.

Điện áp của mạch DC được điều chỉnh với giá trị 100V => Vd = 100V

Điện áp ra của bộ nghịch lưu:

(V o1 ¿ = maV d = 1*100 = 100 (V) (vì ma = 1)

Trị hiệu dụng của điện áp ra là:

Trị hiệu dụng của dòng điện ra là:

Trị số đỉnh của dòng điện ra là:

I o , peak=√2∗I o=√2∗35,6=50,34 (A )

Điện áp tối đa trên các van được tính như sau: Xét cặp van TA+ và TB+, khi TA+ đóng thì TA- được nối với nguồn => VA+max = Vd = 100V; khi TA- đóng thì TA+ được nối với nguồn => VA-max = Vd = 100V

Tương tự => VB+max = VB-max = Vd = 100V

Dòng qua các van chính là dòng tải

Vậy, ta phải chọn van có các thông số như sau:

Vng = Ku*Vd = 1,8*100 = 180 (V)

Iđm = Ki*Io = 1,4*35,6 = 49,8 (A)

Imax = Ki*Io,peak = 1,4*50,34 = 70,5 (A)

- Chọn van IGBT STW50NB20 có các thông số như sau:

o Điện áp định mức: 200Vo Dòng điện định mức: 50 Ao Dòng điện đỉnh: 200Ao Công suất tiêu tán: 280W

- Chọn diode D255N có các thông số như sau:o Iđm = 400 Ao Uo = 0,65 Vo Ung, max = 200 đến 800 V

3.1.2Bộ biến đổi DC-DC Boost (Boost Converter)

Hình 3.2: Bộ biến đổi DC DC Boost

Vd = Vắcquy = 48V

Vo = 100V

Ta có: V oV d

= 11−D

=¿D=1−V d

V o=1− 48

100=0,52

Giả thiết các bộ biến đổi không tiêu tán năng lượng, ta có:

S = VoIo => Io = S/Vo = 2,5*103/100 = 25 (A)

= >

Chọn tần số đóng cắt fs = 50 kHz

=>Ts = 1/fs = 1/50 000 = 2*10-5

Độ nhấp nhô của điện áp đầu ra

∆V o=∆QC

=I oDT sC

=V o∗10%=1000∗10%=10(V )

Suy ra điện dung của tụ là

C=I oDT s∆V o

=25∗0,52∗2∗10−5

10=26∗10−6=26 (microfara)

Tính độ tự cảm của cuộn cảm

Tại biên giới gián đoạn:

Để dòng điện liên tục thì Io > Io,B

= >

Chọn L = 25µF

Tính dòng điện qua cuộn cảm iL

Hình 3.3: Dạng dòng điện qua cuộn cảm

Trong khoảng thời gian ton:

Lúc t = ton:

Dòng điện trung bình qua cuộn cảm:

= >

Mà IL = Id = 52, Vd = 48V, L = 25µF, ton = DTs

= >

Vậy,

Tính dòng định mức qua van:

Trong khoảng thời gian ton, dòng qua van chính là dòng iL; trong khoảng thời gian t off, dòng qua van bằng 0

Vậy, dòng trung bình qua van là:

= >

= > itb = 32,23 A

Tính điện áp định mức qua van:

Trong khoảng thời gian ton, điện áp trên van = 0, trong khoảng thời gian toff, điện áp trên van = Vo

Vậy, điện áp trung bình trên van là:

- Chọn van là IGBT STW50NB20 có các thông số như sau:

o Điện áp định mức: 200Vo Dòng điện định mức: 50 Ao Dòng điện đỉnh: 200Ao Công suất tiêu tán: 280W

- Chọn diode D255N có các thông số như sau:o Iđm = 400 Ao Uo = 0,65 Vo Ung, max = 200 đến 800 V

3.1.3THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁPThiết diện trụ:

Chọn lõi chiều ngang a = 8cm và chiều dòng ghép b = 9,4cmTính số vòng dây theo công thức sau:

Với K = 45 cho lõi tốt và K = 50 cho lõi trung bình. Ở đây ta sẽ chọn lõi tốt.Số vòng dây quấn cuộn sơ cấp

(vòng)Số vòng dây quấn cuộn thứ cấp:

(vòng)Dòng điện vào cuộn sơ cấp:

Đường kính

3.2 TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.2.1 MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ DC-DC BOOST

Theo nguyên tắc điều khiển điều biến độ rộng xung, ta phải có mạch tạo xung răng cưa với tần số nhất định, ở đây là f = 50kHz và một điện áp điều khiển một chiều vcontrol rồi so sánh 2 giá trị này để phát xung điều khiển. Thêm vào đó, để giữ cho điện áp ra của bộ DC-DC Boost cố định, ta phải điều chỉnh điện áp điều khiển vcontrol bằng cách dùng một vòng phản hồi so sánh điện áp ra thực (Vo

actual) với giá trị đầu ra mà ta mong muốn (Vo desired).Việc tạo xung răng cưa có thể thực hiện được bằng mạch dùng OP-AM, transitor và các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện. Để điều khiển điện áp vcontrol bù vào sự suy giảm điện áp của nguồn acquy có nhiều cách thực hiện, cách đơn giản và phổ biến nhất trong số đó là dùng bộ điều khiển PID hoặc đơn giản hơn trong trường hợp này là mạch tích phân. Sau đây ta sẽ đi vào chi tiết tính toán để thiết kế ra một bộ điều khiển cụ thể.

3.2.1.1 MẠCH TẠO XUNG RĂNG CƯA

Hình 3.4: Mạch tạo xung răng cưa

Hoạt động của mạch này như sau: (điện áp ra lấy ở v(t))

Ban đầu, do Ei âm nên tụ C được nạp điện, lúc này v(t) sẽ tăng dần, ta được sườn dốc của xung răng cưa. Lúc này, vref>v(t) nên vo = - Vcc (Vcc: điện áp nguồn cấp cho op-am) do đó diode bị phân cực ngược. Đến khi v(t) > vref thì vo = Vcc, diode được phân cực thuận, dòng điện trong tụ sẽ phóng nhanh qua diode, qua RB và kích mở transitor rồi phóng về Ri và Ei , điện áp v(t) qua đó sẽ giảm xuống rất nhanh, ta được phần thẳng đúng của xung răng cưa

Điện áp ra vsawtooth = vref

Chọn vsawtooth = vref = 9 V

Chọn Ei = 3 V

Chọn Ri = 1000Ω => C = 6,7 nF

Ở mạch này, OP AM phải đáp ứng rất nhanh, do đó ta phải dùng OP AM tốc độ cao. Một trong số các OP AM này là LM318 với các thông số như sau:

Độ rộng dải tần 15MHz

Điện áp nguồn cung cấp: Vcc+ = 20V; Vcc- = -20V

Điện áp vào tối đa: VIN max = 15V

3.2.1.2 ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN

Do D = vcontrol/vsawtooth = 0,52 và vsawtooth = 9V => vcontrol = 0,52*9 = 4,7 (V)

Hình 3.5: Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển

Ta có:

Vậy, khi Vd giảm mà vẫn giữ nguyên Vo thì D phải tăng lên, tức là ton tăng lên, suy ra điện áp vcontrol phải tăng lên. Vì Vo actual <= Vo desired nên ta sẽ lấy Vo actual trừ cho Vo desired rồi tạo khâu tích phân đảo, sau đó cộng tín hiệu này với vcontrol ban đầu, ta được vcontrol mới

3.2.1.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN3.2.1.3.1 Mạch trừ

Hình 3.6: Bộ khuếch đại vi sai

Điện áp ra:

Nếu R1 = R2 và Rf = Rg:

Vout = A(V2 – V1) với

Điện trở dùng trong các mạch OP AM thường phải >= 1kΩ để làm nhỏ dòng điện vào để bảo vệ OP AM. Tuy nhiên, điện trở này không nên quá lớn vì nếu như vậy sẽ gây ra các tạp âm nhiệt làm cho mạch hoạt động không ổn định.

Ở đây, ta chọn Rf = R1 = R2 = Rg = 10kΩ, như vậy, Vout = V2 – V1

Điện áp ra Vo actual sẽ được đưa vào V2, điện áp ra mong muốn Vo

desired đưa vào V1, như vậy:

Vout = Vo actual – Vo desired

Để bảo vệ các linh điện tử công suất nhỏ, điện áp Vo actual sẽ được giảm xuống K lần, ở đây ta chọn K = 10, như vậy Vo desired = 100/10 = 10 (V)

3.2.1.3.2 Mạch tích phân

Hình 3.7: Mạch tích phân

Điện áp ra:

Vinitial : điện áp ra lúc t = 0

Để việc điều chỉnh điện áp Vo nhanh thì mạch tích phân phải nhanh chóng tăng Vout lên khi có điện áp sai lệch đặt vào Vin, tức là hệ số -1/RC phải lớn, nói cách khác là RC phải nhỏ. Tuy nhiên, nếu R nhỏ quá sẽ làm cho dòng vào lớn gây hỏng OP AM. Vậy ta chọn RC như sau:

R = 5kΩ

C = 10 µF

3.2.1.3.3 Mạch cộng

Sơ đồ mạch cộng không đảo như sau:

Nếu R1 = R2 = R11 = R12 thì Vo = V1 + V2

Hình 3.8 Mạch cộng Chọn R1 = R2 = R11 = R12 = 10kΩ

Hình 3.9: Mạch điều khiển cho bộ DC-DC Boost

3.2.2MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƯU

Bộ nghịch lưu được điều khiển bằng phương pháp điều biến độ rộng xung (pulse width modulation). Theo phương pháp này, ta phải tạo ra một sóng mang là sóng tam giác và một sóng hình sin với tần số bằng tần số điện áp ra mong muốn với biên độ nhỏ hơn hoặc bằng biên độ sóng mang. Sau đó so sánh với sóng tam giác để xuất ra tín hiệu điều khiển

Hình 3.10: Minh họa phương pháp điều khiển PWM

3.2.2.1 Mạch tạo sóng hình sin

Hiện nay, có nhiều cách để tạo ra dao động hình sin ở tần số thấp. Một trong số những cách đó là dùng mạch dao động dịch pha

Hình 3.11: Mạch dao động dịch pha

Tần số dao động:

Ở đây, ta cần:

Suy ra

Chọn R = 1kΩ => C = 1,3µF

Điều kiện để mạch dao động được là hệ số của mạch khuếch đại bằng 29

= >

Chọn R1 = 1kΩ => R2 = 29kΩ

Trong thực tế, R2 là một biến trở để cân chỉnh sao cho hệ số Av bằng đúng 29, lúc đó điện áp ra sẽ hoàn toàn hình sin

Biên độ điện áp ra chính là điện áp của nguồn cung cấp Vcc. Ta chọn biên độ điện áp ra bằng 10V thì phải cấp Vcc = 10V

Để thực hiện mạch này ta sẽ dùng vi mạch OP-AM là LM741

3.2.2.2 Mạch tạo xung tam giác

Hình 3.12

Tần số của Vo và V1 là :

Điện áp ra Vo là:

Ta cần f = 10000Hz và Vc = 10V, vậy chọn các thông số như sau:

Vcc = 15V

R1 = 20k

R2 = 30k

Rt = 8k

C = 4,7nF

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN MẠCH LỌC VÀ MẠCH BẢO VỆ

4.1 MẠCH LỌC

Ở phần này, ta thiết kế mạch lọc LC cho bộ nghịch lưu. Tụ lọc cho bộ DC-DC đã được tính toán ở phần 3.1.2 trong Chương 3.

Trong mạch nghịch lưu ta đang dùng,

Dựa theo bảng 8-1 trang 207 sách Power electronics của Ned Mohan, ta lập bảng biên độ sóng hài trên tải như sau:

h 2002

2004

2.2001

2.2003

2.2005

3.200 3.2002

3.2004

Vo,h 31,8 1,8 18,1 21,2 3,3 11,3 6,2 15,7

Dựa theo bảng trên, ta thấy rằng, sóng hài bậc 198 và 202 có giá trị cao nhất trong tất cả các bậc sóng hài. Việc loại trừ hai sóng này sẽ làm giảm phần lớn điện áp ra, do đó ta sẽ tiến hành lọc hai sóng này. Hơn nữa, vì ta dùng bộ lọc thông thấp nên khi ta loại sóng hài bậc 198 thì các sóng hài khác sẽ bị loại luôn. Vì vậy ta tiến hành thiết kế bộ lọc thông thấp LC lấy sóng hài bậc 198 làm tiêu chuẩn thiết kế.

Sơ đồ mạch lọc LC như sau

Hình 3.1: Mạch lọc LC

Hàm đặc tính vào ra của bộ lọc như sau:

(4.1)

Trong đó Vout là điện áp sau khi ra khỏi bộ lọc

Vin là điện áp đưa vào bộ lọc

ω198 = 198*2π*50 = 62204,53

Ở đây, yêu cầu biên độ sóng hài chính trên tải không quá 1% thành phần cơ bản, tức là 1%V = 1%*100 = 1V

Thay số vào (4.1) ta có:

=> LC = 8.477*10−9

Chọn tụ C = 2916uF và cuộn cảm L = 3,86 µH

Thiết kế cuộn cảm lọc (Dựa theo chương 30 trong sách Power electronic của Ned Mohan):

- Thông số đầu vào :o L = 3,86 µH

o Dòng điện hình sin I = 50,34o Dòng điện hiệu dụng : I = 35,6o Tần số: f = 9,9 kHzo Nhiệt độ tối đa Ts = 100oC và nhiệt độ tối

thiểu Ta = 40oC- Năng lượng dự trữ:

o- Vật liệu làm lõi,kích thước và hình dạng:

o Vì tần số làm việc là 9,9kHz khá cao, dễ gây ra dòng điện xoáy nên vật liệu ferit sẽ được sử dụng cho lõi. Cụ thể là vật liệu 3F3 bởi vì theo hình 30-3 sách đã dẫn, nó có hệ số làm việc (performance factor) tốt nhất.

o Hình dạng lõi: Ta chọn hình dạng của lõi là hình chữ E kép như hình 4.2. Dựa theo dữ liệu về lõi (Bảng 30-3 sách đã dẫn), lõi số 8 với a

= 1cm có bằng với . Giá trị này lớn hơn hoặc bằng 0,0069 với mọi kCu lớn hơn 0,3.

o Với kCu như vậy, ta chọn dây Litz với kCu = 0,3

Hình 4.2: Lõi chữ E kép

- Theo dữ liệu về thông số của lõi, và

- Mật độ từ thông xoay chiều trong lõi :o Theo dữ liệu về thông số của lõi, Bac = 170mT

- Mật độ từ thông xoay chiều đỉnh trong lõi:o Do không có dòng một chiều chạy trong cuộn

cảm, Bac = B - Thông số dây quấn:

o Vì ta dùng dây Litz nên kCu = 0.3o Dựa theo dữ liệu của lõi,

o Diện tích dây dẫn o Số vòng:

- Lmax

o

oo Giá trị Lmax này không sai khác nhiều so với

giá trị L ban đầu nên không cần tính lại- Độ dài khe hở không khí

oo

4.2 THIẾT KẾ MẠCH BẢO VỆ

Nội dung thiết kế mạch bảo vệ cho bộ UPS bao gồm 2 phần: bảo vệ ngắn mạch ở tải và bảo vệ quá áp cho van. Trong phần này ta sẽ đi lần lượt hai nội dung đó.

4.2.1 Thiết kế mạch bảo vệ ngắn mạch tải

Trước hết, ta phải tính toán dòng điện đỉnh lúc quá độ để chọn được thiết bị bảo vệ cho phù hợp.

Hình 4.3: Mạch tương đương của bộ UPS

S = 2500VA, V = 85 => I = 2500/85 = 29,4 (A)

Z = U/I = 85/29,4 = 2,89 (Ω)

Thông thường, tải có cosφ = 0,8 => φ = 36,87o =>

Điện cảm

Trước khi đóng K: i(-0) = 0

Vì dòng điện qua cuộn cảm phải liên tục nên i(0) = 0

Phương trình mạch:

Phương trình có nghiệm i là xếp chồng của nghiệm xác lập và nghiệm quá độ

Nghiệm xác lập:

Phương trình đặc trưng:

R + pL = 0 => p = -R/L =

Tại t = 0 thì i = 29,41√ 2sin(-36,87) + A = 0 => A = 24,95

Nghiệm của phương trình là

Vậy, dòng điện cực đại có thể qua tải là