Tính toán và lựa chọn khí cụ điện cho tủ ATS

Khóa luận tốt nghiệp GVHD ThS Lưu Tuấn Kiệt 1 PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 1 Họ và tên sinh viên nhóm sinh viên được giao đề tài (1) Nguyễn Hữu Đăng, MSSV 16013961 (2) Huỳnh Văn Luân , MSSV 16038761 (3) Bùi Thế Duy , MSSV 16050191 (4) Nguyễn Trọng Huy Huấn, MSSV 16022131 2 Tên đề tài TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN CHO TỦ ATS 3 Kết quả dự kiến Hoàn thành tủ ATS Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 2020 Sinh viên Trưởng bộ môn Khóa luận tốt nghiệp GVHD ThS Lưu Tuấn Kiệt 2 NH.

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

(1):Nguyễn Hữu Đăng, MSSV: 16013961

(2):Huỳnh Văn Luân , MSSV: 16038761

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 1

Danh sách các hình vẽ 5

Chương mở đầu 7

1 Đặt vấn đề : 7

2 Tính cần thiết của đề tài : 7

3 Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài : 8

Chương 1 : Tổng quan về tủ ATS 9

1 Khái niệm về tủ ATS : 9

2 Phân loại tủ ATS : 12

3 Nguyên lí hoạt động của tủ ATS : 21

Chương 2 : Nguồn máy phát điện Diezen dự phòng 23

1 Tổng quan về máy phát Diezen : 23

2 Những yêu cầu khi thực hiện tự động hóa nguồn Diezen : 25

Chương 3: Ứng dụng của vi điều khiển với bộ chuyển đổi nguồn ATS 27

1 Tổng quan về PLC: 27

1.1 Khái niệm PLC: 27

1.2 Cấu trúc cơ bản của PLC: 27

1.3 Nguyên lý hoạt động PLC: 27

1.4 Ưu điểm: 29

1.5 Nhược điểm: 29

1.6 Ứng dụng PLC: 29

2 Tổng quan về LOGO: 30

2.1 Giới thiệu chung về LOGO: 30

2.2 Cách nhận dạng LOGO: 32

2.3 Tổng quan về các version của họ LOGO: 33

2.4 Khả năng mở rộng của LOGO: 34

2.5 Cách đấu dây cho LOGO: 34

2.6 Các hàm trong LOGO: 35

2.7 Lập trình bằng phần mềm LOGO! SOFT 36

3 Bộ lập trình PLC LOGO 12/24RC Siemens: 40

Chương 4: Tính toán lựa chọn và lắp đặt tủ ATS 45

1 Khái quát về các khối trong mạch điều khiển, sơ đồ kết nối mạch điều khiển ………45

2 Sơ lược về mạch động lực: 49

Chương 5: Lắp đặt tủ 54

1 Danh sách vật tư (mô phỏng): 54

2 Bố trí khí cụ điện của tủ ATS: 55

3 Hình ảnh hoàn thiện tủ ATS: 57

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển của Đề Tài 60

6.1 Kết luận : 60

6.2 Hướng phát triển đề tài: 60

Lời cảm ơn 62

Danh sách các hình vẽ

Chương 1: Tổng quan về tủ ATS

Hình 1 1 Sơ dồ hoạt động của ATS lưới-lưới 15

Hình 1 2 Sơ đồ đóng cắt của ATS lưới-lưới 17

Hình 1 3 Sơ đồ mạch điện tự động đóng cắt 5MC 18

Hình 1 4 Sơ đồ mạch điện tự động đóng cắt 5MC 18

Hình 1 5 Sơ đồ nguyên lí của bộ tự động hóa nguồn dự phòng diezen 20

Hình 1 6 Quá trình làm việc của thiết bị tự động đóng nguồn dự phòng diezen 20

Chương 3: Ứng dụng của vi điều khiển với bộ chuyển đổi nguồn ATS Hình 3 1 Nguyên lý hoạt động PLC 28

Hình 3 2 So sánh Logo và các thiết bị khác 30

Hình 3 3 Sơ đồ cấu trúc phần cứng của LOGO 31

Hình 3 4 Các khối chức năng của LOGO 31

Hình 3 5 Các version của họ LOGO 33

Hình 3 6 So sánh một số loại Logo 33

Hình 3 7 Các khối chức năng LOGO 12/24RCE 41

Hình 3 8 Sơ đồ mạch điều khiển của hệ thống ATS 42

Hình 3 9 Lưu đồ thuật toán của hệ thống ATS 43

Hình 3 10 Chương trình trên phần mềm LOGO V8.2 44

Chương 4: Tính toán lựa chọn và lắp đặt tủ ATS Hình 4 1 Mạch điều khiển chế độ điều khiển bằng tay 47

Hình 4 2 Mạch điều khiển chế độ tự động 48

Hình 4 3 Sơ đồ đấu nối mạch động lực 50

Chương 5: Lắp đặt tủ Hình 5 1 Bố trí khí cụ điện 55

Hình 5 2 Bố trí cửa tủ 56

Hình 5 3 Mặt trước tủ 57

Hình 5 4 Mặt trong tủ 58

Hình 5 5 Cánh tủ 59

Lời mở đầu

Như chúng ta đã biết, điện năng được truyền tải từ các nhà máy phát điện đến các phụ tải thì cần phải qua các trạm biến áp Việc truyền tải điện từ lưới đến các hộ dùng điện có thể xảy ra sự cố trên đường dây cung cấp như : Mất pha do đứt dây hoặc

bị ngược pha, hoặc điện áp và dòng điện khác trị số danh định do bị quá tải hoặc bị ngắn mạch Các sự cố này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như hỏng đường dây cung cấp do thời tiết mưa bão, đổ cây vào đường dây, cũng có thể xảy ra sự cố ở các trạm biến áp Hiện tượng mất điện do các sự cố đó không thể xảy ra đối với các phụ tải đặc biệt , yêu cầu cấp điện 24/24 giờ như : Bệnh viện, văn phòng chính phủ, hội trường quốc hội, ngân hàng nhà nước, đại sứ quán, khách sạn cao cấp,… Do vậy, cần phải có nguồn dự phòng để khi xảy ra sự cố nguồn đang được sử dụng thì ta đưa nguồn dự phòng vào phụ tải và cắt nguồn dự phòng ra khỏi lưới Nhưng để giảm thời gian mất điện của phụ tải tránh những hậu quả đáng tiếc xảy ra, nguồn điện dự phòng nhất thiết phải đi kèm với thiết bị tự động chuyển đổi nguồn A.T.S ( Automatic Transfer Switch)

Chương mở đầu

1 Đặt vấn đề :

Ngày nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân được nâng cao nhanh chóng Nhu cầu điện năng trong các lĩnh vực công nghiệp, nông

nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt tăng trưởng không ngừng

Công nghiệp luôn là khách hàng tiêu thụ điện năng lớn nhất Trong tình hình kinh

tế thị trường hiện nay, các xí nghiệp lớn nhỏ, các tổ hợp sản xuất đều phải tự hạch toán kinh doanh trong cuộc cạnh tranh quyết liệt về chất lượng và giá cả sản phẩm Điện năng thực sự đóng góp một phần quan trọng vào lỗ lãi của xí nghiệp Nếu 1 tháng xảy

ra mất điện từ 1-2 ngày xí nghiệp có thể sẽ không có lãi, nếu mất lâu hơn có thể sẽ thua lỗ Chất lượng điện xấu ( chủ yếu là do điện áp thấp) ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, gây thưc phẩm, phế phẩm, giảm hiệu suất lao động Chất lượng điện

áp đặc biệt quan trọng với xí nghiệp may, xí nghiệp hóa chất, xí nghiệp chế tạo lắp đặt

cơ khí điện tử chính xác Vì thế, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện và nâng cao chất lượng điện năng là mối quan tâm hàng đầu của các xí nghiệp công nghiệp

Thương mại, dịch vụ chiếm tỉ lệ ngày càng quan trọng trong nền kinh tế quốc dân

và đã thực sự trở thành khách hàng quan trọng của ngành điện lực Các khách sạn quốc doanh, liên doanh, tư nhân ngày càng nhiều, kèm với các thiết bị nội thất ngày càng cao cấp, sang trọng Đặc biệt với chính sách phát triển du lịch trong nước, các khách sạn ngày càng thu hút được nhiều khách quốc tế đến tham quan, du lịch, công tác tại Việt Nam Khu vực khách hàng này không thể để mất điện

2 Tính cần thiết của đề tài :

Tóm lại mức điện đảm bảo liên tục cấp điện tùy thuộc vào tính chất và yêu cầu của phụ tải Đối với các công trình quan trọng cấp quốc gia như Hội trường Quốc hội, Nhà khách Chính phủ, Ngân hàng Nhà nước, Đại sứ quán, khu quân sự, sân bay, hải cảng, khách sạn cao cấp… Phải đảm bảo được cấp điện ở mức cao nhất, nghĩa là với bất kì tình huống nào cũng không được để mất điện Những đối tượng kinh tế như nhà máy, xí nghiệp, tổ hợp sản xuất tốt nhất là đặt thêm máy phát dự phòng, khi mất điện

lưới sẽ dùng máy phát cấp điện cho những phụ tải quan trọng như lò, phân xưởng sản xuất chính,…

Một trong những biện pháp để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện là đặt các phân

tử dự trữ trong hệ thống điện Để đưa các phân tử dự trữ vào làm việc nhanh chóng và

an toàn người ta thường sử dụng các thiết bị tự động đóng dự trữ, hay còn gọi là bộ chuyển đổi nguồn tự động ATS (Automatic Transfer Switch)

3 Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài :

- Mục tiêu : Tăng độ tin cậy cung cấp điện, làm giảm sơ đồ cung cấp điện, giảm được các máy biến áp hoặc đường dây phải làm việc song song Và cũng nhờ việc giảm các phần tử làm việc song song nên hạn chế được dòng điện ngắn mạch, làm cho mạch rơ le bảo vệ đỡ phức tạp và giảm bớt số nhân viên phải trực nhật, vận hành ở các trạm

- Nhiệm vụ :

+ Thiết kế hệ thống chuyển nguồn tự động ATS sử dụng PLC LOGO

+ Thi công mô hình tủ ATS sưr dụng PLC LOGO

- Giới hạn đề tài : Đề tài này tìm hiểu “ Thiết kế hệ thống chuyển đổi nguồn ATS

sử dụng PLC LOGO” không bao hàm tất cả các đề tài khác và không chuyên sâu như một người kinh nghiệm lâu năm Những vấn đề tìm hiểu còn giới hạn về kiến thức

Chương 1 : Tổng quan về tủ ATS

1 Khái niệm về tủ ATS :

Tủ ATS là hệ thống chuyển đổi nguồn tự động, có tác dụng khi điện lưới mất thì

khởi động máy phát và đóng điện cho phụ tải Khi nguồn lưới phục hồi thì hệ thống tự chuyển nguồn trở lại và tự động tắt máy phát

Do ATS dùng để chuyển tải tới nguồn dự phòng khi nguồn chính xảy ra sự cố mất điện, nên về cấu tạo sẽ gồm có những bộ phận cơ bản sau :

ĐL : Cơ cấu đo lường : tiếp nhận tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cho ATS tác động

ĐK : Cơ cấu điều khiển ( gồm những mạch điều khiển) : So sánh tín hiệu đầu vào đã được biến đổi với tín hiệu mẫu rồi truyền nó đến cơ cấu chấp hành

CH : cơ cấu chấp hành : Nhận tín hiệu điều khiển sẽ thực hiện công việc đóng, cắt tải đến nguồn cấp khác

- Tất cả các cơ cấu đó được kết nối với nhau một cách phù hợp với nhu cầu của mạch điều khiển Mỗi 1 cơ cấu thực hiện 1 cách riêng biệt theo nguyên lí sau :

+ Bộ phận đo lường các cảm biến điện áp và thời gian được nối tới nguồn điện và cung cấp các tín hiệu điều khiển cần thiết cho bộ phận điều khiển ATS

+ Bộ phận điều khiển có thể là các role điện cơ, hoặc các bảng mạch điện tử bán dẫn

sẽ xử lí các tín hiệu đưa tới từ khâu đo lường tạo trễ, khuếch đại rồi đưa tới phần tử chấp hành

+ Bộ phận chấp hành chuyển tải tới nguồn cấp thông qua công tắc đóng cắt các tiếp điểm mạch động lực Bộ phận này được chế tạo trong điều kiện làm việc dài hạn, đầy tải, dung lượng cắt lớn, tác động đóng, cắt nhanh kết hợp với buồng dập hồ quang có hiệu quả Việc đóng cắt các tiếp điểm mạch động lực có thể thực hiện bằng tay hoặc tự

động bằng động cơ theo kiểu dao cách ly, Aptomat hay đóng cắt tự động nhờ hệ thống điện từ theo kiểu Công tắc tơ

Việc đóng cắt các tiếp điểm mạch động lực có thể thực hiện bằng tay hoặc đóng cắt bằng điện như :

+ Đóng cắt bằng động cơ xoay chiều một pha điện dung, thực hiện đóng cắt 2 Aptomat thuận nghịch như của hãng Westinghouse của Anh, Merlin Gerin của Đức

+ Đóng cắt bằng công tắc tơ 2 ngả thuận nghịch như trong thiết bị ATS của một

a Kiểu đóng cắt công tắc tơ 2 ngả thuận nghịch :

Đóng cắt công tắc tơ CTT1 thì phải ngắt CTT2 và ngược lại Việc cài liên động

về điện để tạo 2 trạng thái đóng cắt trái ngược nhau của CTT1 và CTT2 được thực hiện trên mạch điều khiển 2 cuộn dây của CTT1 và CTT2

Nhược điểm : Không thao tác đóng cắt trực tiếp bằng tay được

Ưu điểm : Thời gian tác động nhanh, tần số đóng cắt lớn

b Kiểu đóng cắt bằng Aptomat – kiểu truyền động :

Động cơ aptomat 2 ngả thuận nghịch, việc đóng cắt aptomat được thực hiện do việc đảo chiều quay của động cơ điện dung một pha xoay chiều thông qua cơ cấu truyền động cơ khí phức tạp, chuyển động quay của động cơ chuyển thành chuyển động tịnh tiến của cần gạt, cần gạt có thể chuyển động tiến hay lùi phụ thuộc vào chiều quay của động cơ, do vậy cần gạt thực hiện việc đóng Aptomat AP1 đồng thời ngắt Aptomat AP2 và ngược lại

Ưu điểm : có khóa liên động bằng cơ khí, có thể thực hiện việc đóng cắt trực tiếp bằng tay

Nhược điểm : Thời gian tác động chậm, tần số đóng cắt nhỏ

c Kiểu đóng cắt bập bệnh – Kiểu truyền động đóng cắt bằng nam châm điện thông qua

cơ cấu khí phức tạp : đón khớp quay, chốt,…

Đặc điểm đặc trưng của kiểu đóng cắt này là sự “bập bênh” và được chia làm 2 loại thiết bị là : Thiết bị 2 nam châm đóng cắt và thiết bị 1 nam châm đóng cắt

- Kiểu 2 nam châm đóng cắt : Một nam châm thực hiện quá trình quay ngược, nam châm còn lại thực hiện quá trình quay thuận Hai nam châm đóng cắt được khóa liên động về điện lẫn nhau để mỗi lần đóng cắt chỉ có 1 nam châm làm việc, nam châm kia bị khóa

Ngoài ra thiết bị còn có các cơ cấu chốt phối hợp nhịp nhàng với bộ phận truyền động

- Cơ cấu đóng cắt 1 nam châm thì nam châm này, lúc thì thực hiện hành trình quay ngược, lúc thì thực hiện hành trình quay thuận, trong cơ cấu truyền động phải có

bộ phận chốt và nhả chốt nhịp nhàng để cơ cấu “phân biêt” được trạng thái tác động hiện tại với tác động trước đó, do vậy cơ cấu rất phức tạp

Nhược điểm chính của loại thiết bị đóng cắt bộ tiếp điểm “bập bênh” bằng nam châm điện là : Kiểu dẫn động bằng khớp quay nên nếu tiếp xúc điện chỗ khớp quay

không tốt sẽ gây ra phát nhiệt lớn chỗ tiếp xúc làm cháy hỏng khớp quay, do vậy công suất chuyển tải của thiết bị bị hạn chế

2 Phân loại tủ ATS :

Thiết bị tự động chuyển đổi nguồn, còn gọi là A.T.S (Automatic Transfer Switch) dùng để tự động chuyển tải nguồn chính sang nguồn dự phòng khi nguồn chính có sự

cố

Khái niệm nguồn bị sự cố bao gồm : Mất nguồn, mất pha, ngược thứ tự pha, điện

áp cao hoặc thấp hơn trị số cần thiết

Tùy thuộc vào nguồn cấp dự phòng người ta phân A.T.S ra làm 3 loại như sau :

- ATS cho 2 nguồn : 1 nguồn lưới chính – 1 nguồn Acquy ( nguyên lí bộ UPS)

- ATS cho 2 nguồn : 1 nguồn lưới chính – 1 nguồn lưới dự phòng

- ATS cho 2 nguồn : 1 nguồn lưới chính – 1 nguồn là máy phát dự phòng

Và đối với loại nguồn cấp khác nhau thì ATS lại có từng chế độ vận hành khác nhau

a Nguồn cấp điện không gián đoạn UPS ( Uninterruplible Power Supply)

Nguyên lí cơ bản của nguồn UPS là một thiết bị có nguồn đầu vào nối với lưới điện, đầu ra nối với các thiết bị, bên trong UPS có một bộ Acquy khô Khi mất điện bất thường UPS lấy điện từ acquy cung cấp cho thiết bị, đảm bảo cho thiết bị tiêu thụ điện được cung cấp 1 cách liên tục

Về tính năng và công dụng, hiện nay các nhà kỹ thuật phân chia UPS thành 2 loại : + Standby UPS

+ Online UPS

Standby UPS : Là nguồn làm việc ở chế độ chờ, có nghĩa là : Khi có điện áp lưới cung cấp cho tải thì UPS làm nhiệm vụ tích trữ năng lượng Khi mất điện lưới thì năng lượng tích lũy trước đó được thông qua mạch chuyển cung cấp cho tải

Online UPS : Là nguồn làm việc thường xuyên, nghĩa là điện áp của lưới được đưa qua một bộ xử lí trung gian rồi mới được đưa ra tải Trong trường hợp bước xử lí trung gian này luôn hoạt động để cung cấp năng lượng cho tải

Đối với nguồn Online UPS thì tốc độ chuyển mạch nhanh, độ tin cậy cao, chất lượng điện áp ra ổn định Đối với nguồn Standby UPS thì tốc độ chuyển mạch chậm, ảnh hưởng đến chất lượng điện áp ra

Có thể biểu diễn một sơ đồ cấu trúc một UPS như sau :

- Chức năng của các khối :

+ Biến áp vào: Hạ áp từ điện áp lưới 220V xuống điện áp 22-48V dùng để nạp cho acquy Cách ly gia hệ thống lưới và chống ngắn mạch nguồn

+ Chỉnh lưu : Tạo điện áp 1 chiều dùng cho việc nạp acquy 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 áp điện áp một chiều lấy từ đầu ra của nghịch lưu thành điện áp xoay chiều tần số f = 50Hz cấp cho tải

+ Biếp áp ra : Tăng điện áp từ 24-48V lên 220V phù hợp theo yêu cầu của tải + Mạch nạp acquy : Dùng để điều khiển việc nạp acquy Khi có điện acquy là nơi tích trữ năng lượng Khi đó dưới sự điều khiển của mạch điều khiển nạp thì acquy được nạp Khi điện áp trên acquy tăng đến 1 mức nào đó thì mạch điều khiển sẽ cắt việc nạp acquy

+ Acquy : Là nơi tích trữu năng lượng khi có điện áp nguồn 220V và là nơi 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

+ Điều khiển chỉnh lưu : Điều khiển góc mở của các Thyristor trong mạch chỉnh lưu sao cho điện áp ra sau chỉnh lưu đạt yêu cầu

+ Điều khiển nghịch lưu : Điều khiển thời gian dẫn của 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 trò quan trọng như 1 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

b ATS lưới - lưới

Sơ đồ cấu trúc ATS lưới – lưới

Trong đó

I, II : Nguồn cung cấp

MBA : Máy biến áp

AP1, AP2 : Aptomat bảo vệ mạch động lực

SS1, SS2 : Khối so sánh

CM : Bộ chuyển mạch