Đồ án thiết kế Mạch Điều Khiển Tự Động Chuyển Nguồn Điện Dự Phòng

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. Điện năng thực sự đóng góp một phần quan trọng vào lỗ lãi của xí nghiệp. Vì thế đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện và nâng cao chất lượng điện năng là mối quan tâm hàng đầu của đề án thiết kế cấp điện cho xí nghiệp công nghiệp.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 đổi nguồn tự động (ATS: Automatic transfer switch). Bộ đổi nguồn tự động sử dụng phụ tải điện phòng khi xảy ra sự mất điện. Bộ đổi nguồn tự động được nối giữa 2 nguồn mạch lưới chính và mạch điện dự phòng. Khi xảy ra mất điện nguồn lưới chính, khác chuyển đổi sẽ chuyển phụ tải từ nguồn dự phòng hay là nguồn thứ hai. Chuyển đổi là tự động nếu khoá kiểu tự động hoặc phải thao tác bằng tay nếu khoá là kiểu bằng tay hoặc kiểu không tự động.Để góp phần làm sáng tỏ hiệu qủa của những ứng dụng trong thực tế của những môn học chúng em sau một thời gian học tập được các thầy cô giáo trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành, đồng thời nhận được sự giúp đỡ tận tình của cô Nguyễn Thúy Hằng chúng em đã chọn “THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHUYỂN NGUỒN ĐIỆN DỰ PHÒNG” để làm đề tài đồ án cho môn học đồ án, nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm chúng em có hạn nên sẽ không thể tránh những sai sót.Chúng em rất mong được sự giúp đỡ,tham khảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm đóng góp phát triển đề tài.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

CHUYỂN NGUỒN ĐIỆN DỰ PHÒNG

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thúy Hằng

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Tuấn

Lớp : ĐS KTD 9

NAM ĐỊNH NĂM 2017

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nam Định, Ngày … tháng … năm 2017

GIÁO VIÊN NHẬN XÉT

_

Ngày nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dânđược 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 Điện năng thực sựđóng góp một phần quan trọng vào lỗ lãi của xí nghiệp Vì thế đảm bảo độ tin cậycung cấp điện và nâng cao chất lượng điện năng là mối quan tâm hàng đầu của đề

án thiết kế cấp điện cho xí nghiệp công nghiệp

Để đưa các phân tử dự trữ vào làm việc nhanh chóng và an toàn người tathường sử dụng các thiết bị tự động đóng dự trữ, hay còn gọi là bộ đổi nguồn tựđộng (ATS: Automatic transfer switch) Bộ đổi nguồn tự động sử dụng phụ tải điệnphòng khi xảy ra sự mất điện Bộ đổi nguồn tự động được nối giữa 2 nguồn mạchlưới chính và mạch điện dự phòng Khi xảy ra mất điện nguồn lưới chính, khácchuyển đổi sẽ chuyển phụ tải từ nguồn dự phòng hay là nguồn thứ hai Chuyển đổi

là tự động nếu khoá kiểu tự động hoặc phải thao tác bằng tay nếu khoá là kiểu bằngtay hoặc kiểu không tự động

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu qủa của những ứng dụng trong thực tế củanhững môn học chúng em sau một thời gian học tập được các thầy cô giáo trongkhoa giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành, đồng thời nhận được sự giúp đỡ

tận tình của cô Nguyễn Thúy Hằng chúng em đã chọn “THIẾT KẾ MẠCH

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHUYỂN NGUỒN ĐIỆN DỰ PHÒNG” để làm đề

tài đồ án cho môn học đồ án, nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm chúng

em có hạn nên sẽ không thể tránh những sai sót

Chúng em rất mong được sự giúp đỡ,tham khảo ý kiến của thầy cô và cácbạn nhằm đóng góp phát triển đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I: DẪN NHẬP

1 Chọn phương án thiết kế

1.1 Phương pháp dùng 2ACB:

Đặc tả kiến trúc ACB

 Closing coil – cc cuộn đóng : đonga ACB bằng tín hiệu điện

 Shunttrip –sht cuộn cắt cắt ACB bằng tín hiệu điện

 Motor drive –md motor nạp loxo

Chú ý :lò xo có thể nạp bằng tay bằng cách dùng cần gạt

 Auxiliary switch –ax tiếp điểm phụ -NC/NO

 Mechanical interlock –mi khoá liên động cơ khí

 Under voltage trip deviec –uvt là thiết bị tự đọng cắt máy cắt thấp hơn điện

áp định mức

 Phụ liện gắn thêm ngoài khác

OCV :over current relay :role bảo vệ quá tải

OVR :over coltage relay :role bảo vệ quá áp

 RPR :reverse power relay :role bảo vệ công suất ngược

Sơ đồ kết nối giữa 2 ACB của LS

1.2 phương pháp dùng 2 contactor

Đặc tả kiến trúc contactor:

 Cuộn coil : đóng nhả contactor

 Khoá liên động cơ :khoác chéo liên động giữa 2 contactor

 Tiếp điểm phụ : dùng để thiết kế khoá chéo liên động

Sơ đồ kết nối

1.3 phương pháp dùng 2 MCCB

Đặc tả kiến trúc MCCB

 Motor nạp: vừa nạp lò xo và đóng NCCB luôn

 Shunttrip: cắt MCCB bằng tín hiệu điện

 Tiếp điểm phụ : dùng để thiết kế khoá chéo liên động

Sơ đồ kết nối:

2 Ý nghĩa yêu cầu của đề tài

Trong tình hình kinh tế thị trường hiện nay, các xí nghiệp đều phải tự hoạchtoán kinh doanh trong cuộc cạnh tranh về giá cả sản phẩm Điện năng đóng mộtvai trò hết sức to lớn và quan trọng trong hoạt động sản xuất của xí nghiệp Nếu hệthống cung cấp điện xảy ra sự cố sẽ dẫn đến việc ảnh hưởng đến hoạt động sản

xuất của doanh nghiệp và gây nhiều thiệt hại về kinh tế Do đó đảm bảo độ tin cậykhi thiết kế cấp điện và nâng cao chất lượng là mối quan tâm hàng đầu của đề ánthiết kế cấp điện “Hệ thống chuyển đổi nguồn điện tự động” đã đáp ứng được yêucầu về cung cấp điện liên tục cho phụ tải hạn chế thời gian mất điện cho phụ tải,đảm bảo quá trình làm việc liên tục và ổn định cho xí nghiệp.

3 Giới hạn của đề tài

Ưu điểm và nhược điểm

 Ưu điểm:

 giá thấp, kết cấu gọn nhẹ, dễ dàng điều khiển

 không cần nguồn duy trì trạng thái đóng tiếp điểm, động cơ chấphành tiêu thụ công suất nhỏ khả năng đóng cắt tốt

 Nhược điểm:

 tổn hao công suất và phải cấp điện để duy trì lực đóng tiếp điểm

có bộ chuyển động cơ khí phức tạp, thời gian tác động lâu hơn khi dùngcontactor

4 Xây dựng sơ đồ khối tổng quát

SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN TỰ ĐỘNG GỒM 3 BỘ PHẬN

 Bộ điều khiển: Giám sát trạng thái và điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ

thống ATS Hoạt động tự động

 Hệ thống đóng điện: Đóng điện lưới/điện máy phát đến tải và gửi các thông

tin về bộ điều khiển Hoạt động tự động

 Cầu dao đảo pha (nếu có): Đấu tắt điện lưới/điện máy phát đến tải mà

không thông qua hệ thống ATS Do nhân viên vận hành (chỉ sử dụng khi có

sự cố)

CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT THIẾT KẾ 2.1 Các khối trong mạch điện

Công dụng:

- Được dùng thông dụng để khởi động, dừng và đảo chiều quay động

cơ điện bằng cách đóng và ngắt các mạch cuộn dây hút của côngtắc tơ, khởi động từ mắc ở mạch động lực của động cơ

- Thường được đặt ở trên bảng điều khiển, ở tủ điện, trên hộp nút ấn

- Thường được nghiên cứu chế tạo để làm việc trong môi trườngkhông ẩm ướt, không có hơi hóa chất và bụi bẩn

- Có thể bền tới 1 triệu lần đóng không tải và 200 nghìn lần đóngngắt có tải

Phân loại:

Có nhiều cách để phân loại nút bấm:

- Theo hình dáng người ta chia nút bấm ra làm bốn loại: Loại hở,loại bảo vệ, bảo vệ chống nước và chống bụi, bảo vệ chống nổ

- Theo yêu cầu điều khiển, người ta chia nút bấm ra làm 3 loại: loại

1 nút, 2 nút, 3 nút

- Theo kết cấu bên trong, nút bấm có loại có đèn báo và loại không

có đèn báo Cấu tạo:

Nút bấm gồm các bộ phận chính sau: Tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh, lò xo, vỏ

Ký hiệu

Thông số kỹ thuật lựa chọn nút bấm:

Điện áp định mức tiếp điểm chính: Uđm > UlướiDòng điện định mức tiếp điểm chính: Iđm > ItảiTần số lưới điện: 50Hz

Tuổi thọ: số lần thao tác: >100.000 lần

Khả năng đóng và cắt: >1,5 Iđm

2 Đèn hiển thị (Đèn báo)

Được sử dụng để báo đèn các pha cũng như sự hoạt động của các chế độ làmviệc

2.1.2 Khối mạch động lực

Bao gồm các nguồn chính nguồn dự phòng, Aptomat bảo vệ các tiếp điểmđóng cắt

1 Nguồn chính và nguồn dự phòng

Tủ điện chuyển nguồn tự động ATS sử dụng hai máy cắt ACB có tác dụng

tự động chuyển đổi giữa nguồn chính và nguồn dự phòng Nguồn chính thường lànguồn điện lưới và nguồn dự phòng thường là máy phát điện Khi nguồn chính bịmất hoặc gặp sự cố (mất pha, mất trung tính, thấp áp, quá áp….) ATS sẽ tự độngchuyển sang nguồn dự phòng và khi nguồn chính phục hồi bộ ATS sẽ tự độngchuyển nguồn trở lại

1 1 Nguồn chính (nguồn chính thường là nguồn điện lưới)

Điện lưới hay Lưới điện là một mạng lưới liên kết với nhau để truyền tải vàphân phối điện từ nhà máy điện đến người tiêu dùng Thành phần của một lướiđiện bao gồm các nhà máy/ trạm phát điện, các đường dây truyền tải điện cao thếkết nối các nguồn cung cấp và các trung tâm tiêu thụ, và các đường dây phân phốikết nối đến từng khách hàng sử dụng điện năng

Các nhà máy điện có thể được đặt gần nguồn nhiên liệu, cạnh một đập nước(thủy điện), hoặc ở địa điểm có thể tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo, vàthường nằm xa khu vực dân cư đông đúc Các nhà máy điện thường được xây dựng

ở quy mô lớn để tận dụng lợi thế của kinh tế quy mô Điện năng được sản xuất vànâng áp lên mức điện thế cao trước khi kết nối với lưới truyền tải điện

Phần lớn của mạng lưới truyền tải điện được dùng để truyền tải điện quaquãng đường dài, đôi khi vượt biên giới quốc tế, đến các khách hàng bán buôn(thường là các công ty có quyền sở hữu mạng lưới phân phối điện địa phương)

Khi được truyền tải đến trạm biến áp, điện sẽ được hạ áp từ điện thế cao củamạng lưới truyền tải xuống điện thế thấp hơn của mạng lưới phân phối Khi ra khỏitrạm biến áp, điện sẽ di chuyển vào đường dây của mạng lưới phân phối Cuốicùng, khi đến điểm dịch vụ, điện sẽ một lần nữa được hạ áp từ điện phân phốixuống mức điện thế cần thiết của các thiết bị sử dụng điện

1.2 Nguồn dự phòng (nguồn dự phòng thường là máy phát điện)

Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường sửdụng nguyên lý cảm ứng điện từ Nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các động cơ tuabin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc các nguồn cơ năng khác

Máy phát điện đầu tiên được sáng chế vào năm 1831 là đĩa Faraday, do nhà khoahọc người Anh Michael Faraday.

sau đến tiếp điểm phụ, cuối cùng là tiếp điểm hồ quang Như vậy hồ quang chỉcháy trên tiếp điểm điểm hồ quang, do đó bảo vệ được tiếp điểm chính để dẫn điện.Dùng thêm tiếp điểm phụ để tránh hồ quang cháy lan vào làm hư hại tiếp điểmchính.

2) Hộp dập hồ quang

Để CB dập được hồ quang trong tất cả các chế độ làm việc của lưới điện,người ta thường dùng hai kiểu thiết bị dập hồ quang là: Kiểu nửa kín và kiểu hở.Kiểu nửa kín được đặt trong vỏ kín của CB và có lỗ thoát khí Kiểu này có dòngđiện giới hạn cắt không quá 50KA Kiểu hở được dùng khi giới hạn dòng điện cắtlớn hơn 50KA hoặc điện áp lớn 1000V (cao áp)

Trong buồng dập hồ quang thông dụng, người ta dùng những tấm thép xếpthành lưới ngăn, để phân chia hồ quang thành nhiều đoạn ngắn thuận lợi cho việcdập tắt hồ quang

3) Cơ cấu truyền động cắt CB

Truyền động cắt thường có hai cách: Bằng tay và bằng cơ điện (điện từ,động cơ điện).

Điều khiển bằng tay được thực hiện với các CB có dòng điện định mứckhông lớn hơn 600A Điều khiển bằng điện từ (nam châm điện) được ứng dụng ởcác CB có dòng điện lớn hơn (đến 1000A)

Để tăng lực điều khiển bằng tay người ta dùng một tay dài phụ theo nguyên

lý đòn bẩy Ngoài ra còn có cách điều khiển bằng động cơ điện hoặc bằng khí nén

Móc kiểu điện từ có cuộn dây mắc nối tiếp với mạch chính, cuộn dây nàyđược quấn tiết diện lớn chịu dòng tải và ít vòng Khi dòng điện vượt quá trị số chophứp thì phần ứng bị hút và nóc sẽ dập vào khớp rơi tự do, làm tiếp điểm của CB

mở ra

Điều chỉnh vít để thay đôi lực kháng lò xo, ta có thể điều chỉnh được trị sốdòng điện tức động Để giữ thời gian trong bảo vệ quá tải kiểu điện từ, người tathêm một cơ cấu giữ thời gian

Móc kiểu rơle nhiệt đơn giản hơn cả, có kết cấu tương tự như rơle nhiệt cóphần tử phát nóng đấu nối tiếp với mạch điện chính, tấm kim loại kép dãn nở làmnhả khớp rơi tự do để mở tiếp điểm của CB khi có quá tải Kiểu này có nhược điểm

là quán tính nhiệt lớn nên không ngắt nhanh được dòng điện tăng vọt khi có ngắnmạch, do đó chỉ bảo vệ được dòng điện quá tải.

Vì vậy người ta thường sử dụng tổng hợp cả móc kiểu điện từ và móc kiểu

rơle nhiệt trong một CB Loại này được dung ở CB có dòng điện đính mức đến

600A

Móc bảo vệ sụt áp (còn gọi là bảo vệ điện áp thấp) cũng thường dùng kiểuđiện từ Cuộn dây mắc song song với mnạch điện chính, cuộn dây này được quấn ítvòng với dây tiết diện nhỏ chịu điện áp nguồn

II Nguyên lý hoạt động của MCB / MCCB ( Aptomat )

1 Nguyên lý CB dòng điện cực đại

Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, CB được giữ ở trạng thái đóngtiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một cụm với tiếp điểm động

Aptomat và ứng dụng trong bảo vệ điện

Bật CB ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phầnứng 4 không hút

Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 5lớn hơn lực lò xo 6 làm cho nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm bật nhảmóc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của CBđược mở ra, mạch điện bị ngắt

Khi sụt áp quá mức, nam châm điện 11 sẽ nhả phần ứng 10, lò xo 9 kéo móc

8 bật lên, móc 7 thả tự do, thả lỏng, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểmcủa CB được mở ra, mạch điện bị ngắt

III Phân biệt MCB và MCCB

– MCCB (Moulded case circuit breakers) : Áp tô mát kiểu khối Đây là dạng

CB tiêu chuẩn chủ yếu dùng trong công nghiệp, mạch động lực

– MCB (Miniature Circuit Breaker) : Áp tô mát loại nhỏ Đây là dạng CB thugọn (mini) chủ yếu dùng trong gia dụng, mạch điều khiển

Có nhiều nguyên cứu về việc phân biệt giữa MCB và MCCB Tuy nhiên vềkhía cạnh dân dụng, kinh tế người ta phân biệt hai loại này dựa vào các yếu tố sau:– MCB: dòng điện không vượt quá 100A, điện áp dưới 1.000V

– MCCB: dòng điện có thể lên tới 1.000A, điện áp dưới 1.000V

2.1.3 Các khối mạch điều khiển

Bao gồn các thiết bị đóng cắt contacto các thiết bị bảo vệ như cầu chì các

rơle nhiệt

I Contacto

1 Khái niệm và công dụng

Côngtăctơ là một loại khí cụ điện dùng để đóng, cắt thường xuyên các mạch điện động lực, từ xa, bằng tay hay tự động Việc đóng cắt Côngtăctơ có tiếp điểm có thể được thực hiện bằng nam châm điện, thủy lực hay khí nén Thông thường ta gặp loại đóng cắt bằng nam châm điện.

Côngtăctơ có hai vị trí: đóng-cắt, được chế tạo có số lần đóng-cắt lớn, tần số đóng có thể đến 1500 lần trong số giờ.

ta thường gặp Côngtăctơ kiểu điện từ.

+ Theo dòng điện có: Côngtăctơ điện một chiều (DC) và Côngtăctơ điện xoay chiều (AC).

+ Theo nguyên lý làm việc gồm: Côngtăctơ có tiếp xúc và không tiếp xúc.

+ Theo vị trí lắp đặt, người ta phân ra Côngtăctơ dùng ở nợi hạn chế chiều cao và ở nơi hạn chế chiều rộng.

3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Côngtăctơ điện từ

a Cấu tạo

Côngtăctơ kiểu điện từ có các bộ phận chính như sau: Hệ thống mạch vòng dẫn điện, hệ thống dập hồ quang, cơ cấu điện từ (mạch từ, cuộn dây hút), hệ thống tiếp điểm phụ, vỏ và các chi tiết cách điện.

Hệ thống mạch vòng dẫn điện của Côngtăctơ

Mạch vòng dẫn điện của Côngtăctơ do các bộ phận khác nhau về hình dáng, kết cấu và kích thước hợp thành Nó bao gồm thanh dẫn, dây

nối mềm, đầu nối, hệ thống tiếp điểm Các tiếp điểm của Côngtăctơ phải chịu được độ mài mòn về điện và cơ trong các chế độ làm việc nặng nề

và có tần số thao tác lớn Để đáp ứng yêu cầu đó tức là giảm độ mài mòn

và điện trở tiếp xúc, người ta chế tạo để các tiếp điểm có tiếp xúc đường.

Ở Côngtăctơ, tiếp điểm thường dùng có dạng hình ngón và dạng bắc cầu.

Hệ thống dập hồ quang

- Hệ thống dập hồ quang ở Côngtăctơ điện một chiều:

Trong Côngtăctơ điện một chiều người ta thường dùng cuộn thổi

từ tạo ra từ trường, tác dụng lên dòng điện hồ quang, sinh ra lực điện động kéo rài hồ quang và đẩy hồ quang vào buồng dập hồ quang.

Cuộn thổi từ thường được mắc nối tiếp với tiếp điểm Khi dòng điện cắt càng lớn lực điện động sinh ra do cuộn thổi từ với dòng điện hồ quang càng lớn, hồ quang càng được đẩy sâu vào trong buồng dập hồ quang Buồng dập hồ quang được chế tạo bằng các tấm thép non tạo thành dàn dập hồ quang hay kiểu buồng dập hồ quang có khe hở hẹp với hình dáng quang co zíc zắc.

- Hệ thống dập hồ quang ở Côngtăctơ điện xoay chiều

Các Côngtăctơ điện xoay chiều thông dụng trong công nghiệp thường chế tạo có hai đoạn ngắt mạch trên cùng một pha Sử dụng tiếp điểm bắc cầu đặt trong một hộp kín để dập hồ quang.

Để nâng cao độ tin cậy dập tắt hồ quang và để giảm độ hư mòn tiếp điểm thường bổ sung các biện pháp sau:

+ Dập hồ quang bằng thổi từ nhờ một cuộn dây đấu nối tiếp và hộp dập hồ quang có khe hở hẹp.

Hồ quang được thổi vào khe hở cọ sát vào vách và bị dập tắt Hồ quang càng được kéo dài, tốc độ càng lớn dễ bị dập tắt Vì thế trong khe

hở hẹp, người ta còn bố trí thêm những tấm ngăn song song để hồ quang càng được kéo dài qua đoạn đường quanh co zíc zắc Các tấm ngăn này thường làm bằng samốt, stêatit ép hoặc abôximăng.

+ Chia hồ quang thành nhiều hồ quang ngắn

Hộp dập hồ quang gồm nhiều tấm thép hoặc đồng đặt song thành nhiều hồ quang ngắn có chiều dài khoảng 2-3mm Những đoạn hồ quang ngắn này độc lập với nhau và không cùng tốc độ dịch chuyển Do đó thời gian tồn tại của hồ quang là ngắn nhất.

Cơ cấu điện từ

+ Mạch từ:

Là các lõi thép có hình dáng chữ ω hay chữ U Nó gồm các lá tôn silic, có chiều dầy 0,35 mm hoặc 0,5 mm, ghép lại để tránh tổn hao dòng điện xoáy.

Mạch từ thường chia làm hai phần: Một phần được kẹp chặt cố định(phần tĩnh), phần còn lại là nắp(còn gọi là phần ứng hay phần động) được nối với hệ thống tiếp điểm( tiếp điểm động) qua hệ thống tay đòn + Cuộn dây hút: