TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220KV ĐỒNG HỚI
Hình 1-1: Trung tâm vận hành trạm 220KV Đồng Hới
1.1 Vai trò của trạm biến áp trong hệ thống điện
Trạm biến áp là công trình quan trọng trong hệ thống điện, có chức năng chuyển đổi điện áp từ cấp này sang cấp khác Các trạm biến áp được phân loại dựa trên mức điện áp và vị trí địa lý của chúng.
+ Theo điện áp, trạm biến áp có thể là trạm tăng áp,cũng có thể là trạm hạ áp hay trạm trung gian
Trạm tăng áp được lắp đặt tại các nhà máy điện nhằm nâng cao điện áp từ máy phát lên mức cao hơn để phục vụ việc truyền tải điện xa Ngược lại, trạm hạ áp được bố trí tại các hộ tiêu thụ, có chức năng giảm điện áp cao xuống mức thấp hơn phù hợp với nhu cầu sử dụng điện của người tiêu dùng Trong khi đó, trạm biến áp trung gian chỉ đảm nhiệm việc kết nối giữa hai lưới điện có cấp điện áp khác nhau.
+ Theo địa dư, trạm biến áp được phân loại thành trạm biến áp khu vực và trạm biến áp địa phương:
Trạm biến áp khu vực đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện từ mạng điện chính của hệ thống điện, phục vụ cho các khu vực lớn như thành phố và khu công nghiệp Điện áp ở phía sơ cấp của trạm thường là 110 hoặc 220 kV, trong khi phía thứ cấp có điện áp từ 35, 22, 10 đến 6 kV.
Trạm biến áp địa phương là các trạm nhận điện từ mạng phân phối, cung cấp nguồn điện cho từng xí nghiệp hoặc trực tiếp cho các hộ tiêu thụ, với điện áp thứ cấp thấp hơn.
Trạm biến áp bao gồm các thiết bị phân phối cao áp và hạ áp, có nhiệm vụ nhận điện năng từ nhiều nguồn cung cấp và phân phối qua các đường dây điện Trong trạm biến áp, các khí cụ điện như thiết bị đóng cắt, điều khiển, bảo vệ và đo lường được sử dụng để đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn.
- Ngoài ra trong Hệ thống điện có một số trạm biến áp làm việc theo các chức năng được quy định như sau
+ Trạm nối: Nhiệm vụ liên lạc giữa 2 Hệ thống có tần số khác nhau
+ Trạm cắt: Chỉ có nhiệm vụ đóng, cắt điện (trạm không có MBA)
+ Trạm chỉnh lưu: Biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều
+ Trạm nghịch lưu: Biến dòng một chiều thành dòng xoay chiều
Hình 1-2: Máy biến áp 220KV
1.2 Đặc điểm của trạm biến áp 220kV Đồng Hới
- Trạm biến áp 220kV Đồng Hới nằm trên địa bàn phường Bắc Nghĩa - Thành phố Đồng Hới - Tỉnh Quảng Bình Được đưa vào vận hành năm 1991
- Trạm biến áp 220kV Đồng Hới trực thuộc quyền quản lý trực tiếp của Truyền tải điện Quảng Bình
Công ty Truyền tải điện II chuyên về thiết bị và nhân lực, thực hiện các thao tác và thay đổi phương thức vận hành cũng như xử lý sự cố theo chỉ đạo của Trung tâm điều độ miền Trung (A3).
Trạm biến áp có ba cấp điện áp, nhận điện từ lưới 220kV Hà Tĩnh - Đồng Hới và 220kV Đông Hà - Đông Hới Nhiệm vụ chính của trạm là hạ áp xuống lưới 110kV qua hai máy biến áp AT1 và AT2, cung cấp điện cho các hộ phụ tải tại tỉnh Quảng Bình và phía bắc tỉnh Quảng Trị Cấp điện áp 10kV không có phụ tải, chỉ được sử dụng để cung cấp điện cho nhu cầu tự dùng của trạm.
- Trạm được thiết kế theo kiểu nữa ngoài trời,vận hành trạm theo chế độ có nhân viên trực thường xuyên
Trạm được xây dựng với hai máy biến áp tự ngẫu ba pha có công suất 125/125/25MVA Máy biến áp AT1 và AT2, với thông số 230/1216x2%/10,5kV, đã được đưa vào vận hành thành công vào năm 1991.
Hình 1-3: Hệ thống thống dao cách ly
HỆ THỐNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TRONG TRẠM BIẾN ÁP
2.1 Vai trò nguồn điện một chiều
Trong nhà máy điện và trạm biến áp nguồn một chiều, việc cung cấp dòng điện một chiều cho các phụ tải quan trọng là rất cần thiết Điều này đảm bảo độ tin cậy cao cho các thiết bị như kích từ máy phát điện và động cơ một chiều Các rơ le tự động, hệ thống điều khiển từ xa, máy cắt và tín hiệu thắp sáng sự cố đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hoạt động bình thường của các phụ tải này.
Dựa vào phương pháp cấp điện một chiều cho trạm và nhà máy ta có thể chia nguồn điện ra làm 3 loại:
Máy phát điện một chiều: Là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường, sủ dụng nguyên lí cảm ứng điện từ
Mạch chỉnh lưu là một mạch điện bao gồm các linh kiện điện tử, có chức năng chuyển đổi dòng xoay chiều thành dòng điện một chiều Ắc quy là nguồn điện hóa học, được sử dụng để lưu trữ điện năng dưới dạng hóa năng.
Một số ưu nhược điểm của nguồn một chiều
- Ưu điểm: có độ tin cậy và ổn định cao, có thể dự trữ được điện
- Nhược điểm: vận hành phức tạp, giá thành cao, độc hại
ẮC QUI VÀ PHƯƠNG PHÁP NẠP ẮC QUI
3.1 Khái niệm Ắc qui là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hoá Ắc qui là một nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày: như động cơ điện, bóng đèn điện, là nguồn nuôi của các linh kiện điện tử Ắc qui là nguồn cung cấp điện cho các động cơ khởi động
Trong thực tế có nhiều loại ắc qui nhưng phổ biến nhất là hai loại ắc qui chì và ắc qui axit
3.2.1 Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui Ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch: nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện, quá trình ắc qui dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện
Ký hiệu hóa học của ắc quy axit sử dụng dung dịch điện phân H2SO4 với nồng độ từ 1,1 đến 1,3% Trong ắc quy này, bản cực âm được làm bằng chì (Pb) và bản cực dương là chì oxit (PbO2).
(- ) Pb H2SO4 d 1,1 1,3 PbO2 ( + ) Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit : phóng
PbO2 + 2H2SO4 + Pb 2PbSO4 + 2H2O nạp
Trong quá trình phóng và nạp của ắc quy, nồng độ dung dịch điện phân có sự thay đổi rõ rệt Khi ắc quy phóng điện, nồng độ dung dịch điện phân sẽ giảm dần, ngược lại, khi ắc quy nạp điện, nồng độ dung dịch điện phân sẽ tăng dần.
Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc qui
3.2.2 Các đặc tính phóng nạp của ắc qui a, Đặc tính phóng của ắc qui
Đặc tính phóng của ắc quy là biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa sức điện động, điện áp của ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng, khi dòng điện phóng giữ nguyên không thay đổi.
Trong giai đoạn phóng từ thời điểm tp = 0 đến tp = tgh, sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân đều giảm dần Tuy nhiên, độ dốc của các đồ thị trong khoảng thời gian này không lớn, được gọi là giai đoạn phóng ổn định Đây là thời gian phóng điện cho phép tương ứng với từng chế độ phóng điện của ắc quy (dòng điện phóng) của ắc quy.
Từ thời điểm tgh trở đi, độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột, dẫn đến việc sức điện động và điện áp của ắc quy giảm nhanh chóng nếu tiếp tục phóng điện Đồng thời, các tinh thể sun phát chì (PbSO4) hình thành trong phản ứng trở nên thô rắn và khó hòa tan, ảnh hưởng đến quá trình nạp điện sau này Thời điểm tgh được gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc quy, với các giá trị Ep, Up, ρ tại thời điểm này được xem là các giá trị giới hạn phóng điện Đặc biệt, ắc quy không nên phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%.
Sau khi ngắt mạch phóng, các giá trị sức điện động, điện áp của ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân sẽ tăng lên, hiện tượng này được gọi là thời gian hồi phục hoặc khoảng nghỉ của ắc quy Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ắc quy, bao gồm dòng điện phóng và thời gian phóng.
Hình 1-5: Đặc tính nạp của ắc qui
Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau :
- Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = ts thì sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần
Khi đạt đến thời điểm tn = ts, bề mặt các bản cực âm xuất hiện bọt khí, gọi là hiện tượng sôi, khiến hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc quy đơn tăng lên 2,4 V Nếu tiếp tục nạp, giá trị này sẽ nhanh chóng tăng đến 2,7 V và giữ nguyên Thời gian này được gọi là thời gian nạp no, giúp các chất bên trong các bản cực biến đổi tuần hoàn, từ đó tăng dung lượng phóng điện của ắc quy.
Thời gian nạp no cho ắc quy kéo dài từ 2 đến 3 giờ, trong suốt thời gian này, hiệu điện thế trên các bản cực và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi Do đó, dung lượng thu được khi ắc quy phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc quy.
Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp và sức điện động của ắc quy sẽ giảm xuống và ổn định, cùng với sự giảm nồng độ dung dịch điện phân Thời gian này được gọi là khoảng nghỉ của ắc quy sau khi nạp.
Dòng điện nạp có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của ắc quy Để đảm bảo ắc quy được sạc đầy sau 20 giờ, dòng điện nạp định mức cần được thiết lập là In = 0,1C20, trong đó C20 là dung lượng của ắc quy Việc tuân thủ dòng điện nạp này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của ắc quy.
Ví dụ với ắc qui C = 200Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10% dung lượng ( tức In = 20A ) thì sau 20 giờ ắc qui sẽ đầy
3.2.3 Các phương pháp nạp ắc qui tự động
Có 3 phương pháp nạp ắc qui đó là:
- Phương pháp dòng áp a, Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi
Hinh 1-6: Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mọi loại ắc qui, bảo đảm cho ắc qui được no Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sử chữa cho các ắc qui bị Sunfat hoá Với phương pháp này ắc qui được mắc nối tiếp nhau và phải thoả mãn điều kiện :
Naq - số ngăn ắc qui đơn mắc trong mạch
Trong quá trình nạp ắc quy, sức điện động tăng dần và để duy trì dòng điện nạp không đổi, cần bố trí biến trở R trong mạch nạp Trị số giới hạn của biến trở được xác định theo công thức: n aq n.
Phương pháp nạp với dòng điện không đổi có nhược điểm là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc quy phải có cùng dung lượng định mức Để khắc phục nhược điểm này, người ta áp dụng phương pháp nạp với dòng điện thay đổi qua hai hay nhiều nấc Cụ thể, ở nấc thứ nhất, dòng điện nạp được chọn trong khoảng (0,3 ÷ 0,5)C20, nạp cưỡng bức cho đến khi ắc quy bắt đầu sôi, sau đó chuyển sang nấc thứ hai với dòng điện 0,05C20.
Hình 1-7: Phương pháp nạp ắc qui với điện áp không đổi
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG NẠP ẮC QUI
II Nghiên cứu, khảo sát mạch động lực của hệ thống nạp acqui tự động
III Nghiên cứu, khảo sát mạch điều khiển của hệ thống nạp acqui tự động
3 Nguyên lý hoạt động của một số khối cơ bản
Chương 3: Thiết kế, lắp ráp hệ thống nạp acqui 1000 VA
I Thiết kế, lắp ráp mạch động lực
II Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển
III Hoàn thiện mô hình
IV Ngày giao đồ án: 20/8/2018
Ngày hoàn thành đồ án: 10/12/2018
Trưởng bộ môn Giáo viên hướng dẫn
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
GIỚI THIỆU VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV ĐỒNG HỚI VÀ HỆ THỐNG NẠP ẮC QUI TỰ ĐỘNG 6
I TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220KV ĐỒNG HỚI 7
1.1 Vai trò của trạm biến áp trong hệ thống điện 7
1.2 Đặc điểm của trạm biến áp 220kV Đồng Hới 9
II HỆ THỐNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TRONG TRẠM BIẾN ÁP 10
2.1 Vai trò nguồn điện một chiều 10
III ẮC QUI VÀ PHƯƠNG PHÁP NẠP ẮC QUI 10
3.5 Các thông số kỹ thuật của bộ ắc qui 17
NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NẠP ẮC QUI 21
I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG NẠP ẮC QUI 22
II NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT MẠCH ĐÔNG LỰC CỦA HỆ THỐNG NẠP ẮC QUI TỰ ĐỘNG 25
2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 25
2.3 Nguyên lý làm việc của một số khối cơ bản của mạch động lực 27
2.4 Tính toán kiểm nghiệm 29
III NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG NẠP ẮC QUI TỰ ĐỘNG 45
3.2 Chức năng của các khối 47
3.3 Nguyên lý làm việc của một số khối cơ bản 49
3.4 Sơ đồ kết nối điện mạch điều khiển và động lực 57
THIẾT KẾ LẮP RÁP HỆ THỐNG NẠP ẮC QUI 1000VA 58
I THIẾT KẾ LẮP RÁP MẠCH ĐỘNG LỰC 59
II THIẾT KẾ LẮP RÁP MẠCH ĐIỀU KHIỂN 66
2.1 Mạch ổn áp cấp nguồn cho mạch điều khiển 66
2.2 Lựa chọn các khâu trong mạch điều khiển 66
2.3 Tính toán các phần tử mạch điều khiển 70
III HOÀN THIỆN MÔ HÌNH 76
Đất nước ta đang trên con đường công nghiệp hóa - hiện đại hóa, từng bước tiếp cận với khoa học kỹ thuật hiện đại Trong ngành công nghiệp, việc sử dụng kỹ thuật số trong các mạch điều khiển với phần mềm đơn giản, linh hoạt giúp thay đổi cấu trúc tham số và luật điều khiển dễ dàng Điều này không chỉ tăng tốc độ tác động mà còn nâng cao độ chính xác cho hệ thống, chuẩn hóa các hệ thống truyền động điện và bộ điều khiển tự động với các đặc tính làm việc đa dạng.
Việc áp dụng công nghệ vào mạch nạp ắc quy tự động đang ngày càng phổ biến nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội Do đó, nghiên cứu và chế tạo ắc quy cùng nguồn nạp ắc quy trở nên rất cần thiết, ảnh hưởng lớn đến dung lượng và độ bền của ắc quy.
Đề tài “Nghiên cứu khảo sát hệ thống tự động nạp acqui trạm biến áp 220 KV Đồng Hới” tập trung vào việc thiết kế và lắp ráp hệ thống acqui 1000VA, 12VDC, 45A nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của trạm biến áp.
Giảng viên Nguyễn Mạnh Hà hướng dẫn và đã được thực hiện Đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Giới thiệu về trạm BA 220 KV Đồng Hới và hệ thống nạp ắc qui tự động
Chương 2: Nghiên cứu, khảo sát hệ thống tự động nạp ắc qui
Chương 3: Thiết kế, lắp ráp hệ thống nạp ắc qui 1000 VA
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ môn, bạn bè trong lớp và đặc biệt là thầy Nguyễn Mạnh Hà, người đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
GIỚI THIỆU VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV ĐỒNG HỚI VÀ HỆ
THỐNG NẠP ẮC QUI TỰ ĐỘNG
I TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220KV ĐỒNG HỚI
Hình 1-1: Trung tâm vận hành trạm 220KV Đồng Hới
1.1 Vai trò của trạm biến áp trong hệ thống điện
Trạm biến áp là công trình thiết yếu trong hệ thống điện, có chức năng chuyển đổi điện áp từ cấp này sang cấp khác Các trạm biến áp được phân loại dựa trên điện áp và vị trí địa lý, giúp tối ưu hóa việc phân phối điện năng.
+ Theo điện áp, trạm biến áp có thể là trạm tăng áp,cũng có thể là trạm hạ áp hay trạm trung gian
Trạm tăng áp được lắp đặt tại các nhà máy điện với chức năng nâng cao điện áp từ máy phát để truyền tải xa hơn, trong khi trạm hạ áp được sử dụng tại các hộ tiêu thụ để giảm điện áp cao xuống mức phù hợp Ngoài ra, trạm biến áp trung gian có vai trò kết nối giữa hai lưới điện có cấp điện áp khác nhau.
+ Theo địa dư, trạm biến áp được phân loại thành trạm biến áp khu vực và trạm biến áp địa phương:
Trạm biến áp khu vực nhận điện từ mạng điện chính của hệ thống điện, cung cấp năng lượng cho các khu vực rộng lớn như thành phố và khu công nghiệp Điện áp ở phía sơ cấp của trạm thường là 110 hoặc 220 kV, trong khi phía thứ cấp có điện áp 35, 22, 10 hoặc 6 kV.
Trạm biến áp địa phương là các trạm biến áp nhận điện từ mạng phân phối, cung cấp điện cho từng xí nghiệp hoặc trực tiếp cho các hộ tiêu thụ với điện áp thứ cấp thấp hơn.
Tại trạm biến áp, có hai loại thiết bị phân phối chính: TBPP cao áp và TBPP hạ áp Nhiệm vụ của TBPP là nhận điện năng từ nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các địa điểm khác qua các đường dây điện Bên trong TBPP, bao gồm các khí cụ điện như thiết bị đóng cắt, điều khiển, bảo vệ và đo lường.
- Ngoài ra trong Hệ thống điện có một số trạm biến áp làm việc theo các chức năng được quy định như sau
+ Trạm nối: Nhiệm vụ liên lạc giữa 2 Hệ thống có tần số khác nhau
+ Trạm cắt: Chỉ có nhiệm vụ đóng, cắt điện (trạm không có MBA)
+ Trạm chỉnh lưu: Biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều
+ Trạm nghịch lưu: Biến dòng một chiều thành dòng xoay chiều
Hình 1-2: Máy biến áp 220KV
1.2 Đặc điểm của trạm biến áp 220kV Đồng Hới
- Trạm biến áp 220kV Đồng Hới nằm trên địa bàn phường Bắc Nghĩa - Thành phố Đồng Hới - Tỉnh Quảng Bình Được đưa vào vận hành năm 1991
- Trạm biến áp 220kV Đồng Hới trực thuộc quyền quản lý trực tiếp của Truyền tải điện Quảng Bình
Công ty Truyền tải điện II tập trung vào việc quản lý thiết bị và nhân sự, thực hiện các thao tác và thay đổi phương thức vận hành theo chỉ đạo của Trung tâm điều độ miền trung (A3) để xử lý sự cố hiệu quả.
Trạm biến áp có ba cấp điện áp, nhận điện từ lưới 220kV Hà Tĩnh - Đồng Hới và 220kV Đông Hà - Đông Hới Nhiệm vụ chính của trạm là hạ áp xuống lưới 110kV thông qua hai máy biến áp AT1 và AT2, cung cấp điện cho các hộ phụ tải tại tỉnh Quảng Bình và phía bắc tỉnh Quảng Trị Cấp điện áp 10kV không có phụ tải, chỉ được sử dụng để cung cấp điện cho các thiết bị tự dùng của trạm.
- Trạm được thiết kế theo kiểu nữa ngoài trời,vận hành trạm theo chế độ có nhân viên trực thường xuyên
Trạm được xây dựng với hai máy biến áp tự ngẫu ba pha 125/125/25MVA, bao gồm máy biến áp AT1 và AT2 với thông số 230/1216x2%/10,5kV Việc đóng điện cho MBA AT1 và AT2 đã thành công vào năm 1991.
Hình 1-3: Hệ thống thống dao cách ly
II HỆ THỐNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TRONG TRẠM BIẾN ÁP
2.1 Vai trò nguồn điện một chiều
Nhà máy điện và trạm biến áp nguồn một chiều đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dòng điện một chiều cho các phụ tải thiết yếu, như kích từ máy phát điện và động cơ một chiều, với độ tin cậy cao Các thiết bị như rơ le tự động, điều khiển từ xa, máy cắt và tín hiệu thắp sáng sự cố đảm bảo hoạt động ổn định cho các phụ tải này.
Dựa vào phương pháp cấp điện một chiều cho trạm và nhà máy ta có thể chia nguồn điện ra làm 3 loại:
Máy phát điện một chiều: Là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường, sủ dụng nguyên lí cảm ứng điện từ
Mạch chỉnh lưu là một thiết bị điện tử có chức năng chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Ắc quy, một loại nguồn điện hóa học, được sử dụng để lưu trữ năng lượng điện dưới dạng hóa năng.
Một số ưu nhược điểm của nguồn một chiều
- Ưu điểm: có độ tin cậy và ổn định cao, có thể dự trữ được điện
- Nhược điểm: vận hành phức tạp, giá thành cao, độc hại
III ẮC QUI VÀ PHƯƠNG PHÁP NẠP ẮC QUI
3.1 Khái niệm Ắc qui là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hoá Ắc qui là một nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày: như động cơ điện, bóng đèn điện, là nguồn nuôi của các linh kiện điện tử Ắc qui là nguồn cung cấp điện cho các động cơ khởi động
Trong thực tế có nhiều loại ắc qui nhưng phổ biến nhất là hai loại ắc qui chì và ắc qui axit
NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT MẠCH ĐÔNG LỰC CỦA HỆ THỐNG NẠP ẮC QUI TỰ ĐỘNG
Hình 2-2: Tủ điều khiển hệ thống nạp acquy tại TBA 220 kV Đồng Hới
2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 2-3: Sơ đồ khối của hệ thống
Thiết bị nạp ắc quy kiểu BA 3Π sử dụng chỉnh lưu 3 pha điều khiển đối xứng, tạo ra nguồn 1 chiều để nạp cho tổ hợp nguồn ắc quy Dòng điện chỉnh lưu có thể điều chỉnh trong dải từ 4 đến 80 A, với hai mức điện áp là 220 đến 260V và 260 đến 280V.
Mạch động lực bao gồm các phần sau:
- Bộ cảm biến dòng điện
- Thiết bị phản hồi dòng và áp
- Các mạch bảo vệ Thyristor
Mạch động lực được sử dụng phương pháp chỉnh lưu 3 pha có điều khiển
Thiết bị khống chế: Gồm cầu dao, Rơle, aptomat, công tắc tơ
Khối nguồn nuôi sử dụng ba máy biến áp một pha với thứ cấp có nhiều đầu dây, kết hợp với các bộ chỉnh lưu và tụ điện lọc sáng hài Các nguồn nuôi này được tạo ra nhằm đảm bảo hiệu suất và chất lượng điện năng.
- Nguồn ± 12V và nguồn 24V không ổn định điện áp
- Nguồn ± 12V giữ ổn định điện áp
+ Bộ lọc: Dùng cuộn kháng san bằng L, được nối tiếp với tải
+ Tải: Là bộ tổ hợp các ắc qui
Khâu phản hồi điện áp sử dụng bộ cảm biến điện áp, với tín hiệu vào lấy từ tải qua cầu phân áp Tín hiệu ra được cách ly với mạch động lực và tỷ lệ với tín hiệu đầu vào Đối với khâu phản hồi dòng, quá trình này được thực hiện trên các máy biến áp dòng.
Bảo vệ: Thực hiện bảo vệ quá dòng tại It ≥ Iđm và bảo vệ mất pha nguồn, bảo vệ ngắn mạch bằng Aptomát
+ Mạch so sánh tạo xung: Mục đích là tạo xung có biên độ và độ rộng cần thiết để mở Thyristor
+ Đồng bộ: Tạo tín hiệu đồng bộ (Uđb)
Thiết bị hoạt động ở chế độ ổn định dòng và ổn định điện áp, sử dụng khối điều khiển tạo xung để nhận tín hiệu điều khiển, bao gồm tín hiệu chủ đạo, tín hiệu phản hồi và tín hiệu đồng bộ Qua đó, thiết bị thực hiện luật điều khiển Thyristor theo nguyên tắc thẳng đứng và điều khiển chỉnh lưu, nhằm đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu.
2.3 Nguyên lý làm việc của một số khối cơ bản của mạch động lực
Hình 2.4: Sơ đồ mạch động lực dùng chỉnh lưu ba pha đối xứng
- Biến đổi điện áp lưới cho phù hợp phụ tải yêu cầu:
Ud3fcầu = 2,43 U2f (U2f là điện áp thứ cấp của máy biến cấp)
- Cách ly về điện giữa phụ tải và lưới để vận hành an toàn
Biến đổi tần số pha giúp điều chỉnh theo yêu cầu, với số pha lớn sẽ giảm thiểu các thành phần sóng hài bậc cao trong dạng đường cong điện áp, từ đó tăng cường công suất truyền tải.
- Hạn chế dòng điện ngắn mạch trong chỉnh lưu và tốc độ tăng dòng điện anot (tốc độ tăng dòng lớn => vùng dẫn lớn => t 0 cục bộ) => bảo vệ thyristor
- Tạo điểm trung bình tính cho chỉnh lưu hình tia
Chỉnh lưu sử dụng kiểu cầu pha điều khiển đối với các Thyristor chia làm hai nhóm:
- Nhóm catot chung: T1, T3, T5 Ở đây sử dụng 6 Thyristor cùng một loại
Thiết bị khống chế ở đây là Automat QF1 Nguồn điện xoay chiều đi vào cuộn sơ cấp của máy biến áp
2.3.4 Bộ cảm biến dòng điện
Cảm biến dòng là các máy biến dòng T1, T2 và T3 Dòng điện cảm ứng trên biến dòng tỷ lệ với dòng qua van Thyristor
2.3.5 Thiết bị phản hồi dòng và áp Điện áp phản hồi lấy từ cầu phản áp R2, R3, R4 (mạch động lực) được đưa đến đầu vào bộ cảm biến áp Tín hiệu ra của bộ cảm biến điện áp tỷ lệ vói dòng điện áp chỉnh lưu Điện áp phản hồi dòng điện được thực hiện từ các cảm biến dòng T1, T2, T3
Mạch lọc sử dụng cuộn kháng san bằng L1 nối tiếp với đầu ra của bộ chỉnh lưu, kết hợp với các tụ C8, C9 mắc song song với tải Chức năng của mạch lọc là loại bỏ các thành phần sóng hài, giúp nâng cao độ bằng phẳng của điện áp chỉnh lưu.
2.4.1 So sánh các phương án chỉnh lưu
Thiết bị nạp ắc quy BA 3Π - 380/260 - 40/80 - 04 - 1 của Nga sử dụng chỉnh lưu 3 pha đối xứng bằng Thyristor, chủ yếu được ứng dụng tại các trạm biến áp cấp 110KV Với vai trò quan trọng trong mạch thứ cấp của trạm, thiết bị này đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình vận hành.
Để hiểu rõ về hoạt động của bộ chỉnh lưu 3 pha và tối ưu hóa hiệu suất của nó, chúng ta sẽ tiến hành so sánh một số phương án chỉnh lưu có điều khiển.
- Chỉnh lưu điều khiển 3 pha hình tia
- Chỉnh lưu điều khiển 3 pha cầu không đối xứng
- Chỉnh lưu điều khiển 3 pha cầu đối xứng
Thiết bị chỉnh lưu yêu cầu kiểm soát dòng điện và điện áp đầu ra (Id, Ud) một cách chính xác Đối với dòng điện chỉnh lưu không điều khiển, việc điều chỉnh điện áp đầu ra thường thực hiện bằng biến áp nguồn nhiều đầu dây Tuy nhiên, phương pháp này chỉ cho phép điều khiển nhảy cấp, do đó không hiệu quả cho các ứng dụng chỉnh lưu công suất lớn.
Khi thay diode bằng van điều khiển, ta có thể thực hiện chỉnh lưu điều khiển bằng cách điều chỉnh thời gian đặt xung lên cực điều khiển, từ đó thay đổi điện áp và dòng điện chỉnh lưu Quá trình này diễn ra vô cấp (điều chỉnh trơn) và không cần tiếp điểm, vì vậy rất phù hợp với dòng điện lớn và dễ dàng tự động hóa một phần hoặc hoàn toàn.
Các thiết bị nạp ắc quy tại nhà máy điện và trạm biến áp cần công suất nạp lớn, vì vậy loại chỉnh lưu có điều khiển được sử dụng Việc điều chỉnh điện áp và dòng điện trở nên dễ dàng hơn với thiết bị này.
Bảng so sánh các thông số của sơ đồ chỉnh lưu bao gồm máy biến áp, điện áp ngược, dòng trung bình và điện áp chỉnh lưu giúp người đọc dễ dàng nắm bắt sự khác biệt và đặc điểm của từng loại.
2.4.1.1 Mạch chỉnh lưu ba pha hình tia
Một máy biến áp ba pha cuộn dây thứ cấp đấu sao có trung tính Sơ đồ cầu ba pha gồm ba Thyristor T1, T2, T3 nối theo kiểu catốt chung:
Góc mở α được tính từ giao điểm của hai điện áp pha
Giả sử tại thời điểm ban đầu T3 đang dẫn cho dòng chảy qua Ud = Vc
Khi θ = θ 2 = θ /6 + α Điều khiển mở Thyristor T1 này mở vì Va > 0 Sự mở của
T2 làm cho T1 khóa lại một cách tự nhiên vì Vb > Va Điện áp tải Ud = Vb
Khi θ = θ 3 = 9θ /6 + α cho xung mở T3, T3 mở làm T2 khóa lại vì Vc >Vb Điện áp tải Ud = Vc
Hình 2-5: Sơ đồ và dạng sóng của chỉnh lưu
- Điện áp ngắn mạch khi chuyển từ T1 sang T2 là:
- Dòng điện ngắn mạch là:
Hình dạng điện áp tải Ud nhỏ hơn so với trường hợp lý tưởng Vd Giá trị trung bình của điện áp tải bị hụt đi một lượng
- Độ sụt áp được tính:
- Vậy giá trị trung bình của điện áp tải là:
2.4.1.2 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
Cầu ba pha gồm 6 Thyristor chia thành hai nhóm
Nhóm anot chung: T4, T6 và T2 Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp
Góc mở ( được tính từ giao điểm của các nữa hình Sin
Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua VF = Vc, VG = Vb
Khi θ = θ 1 = π /6 + 2 cho xung điều khiển mở T1 Thyristor này mở vì
Va > 0 Sự mở của T1 làm cho T5 bị khóa lại từ một cách tự nhiên vì Va = Vc Lúc này
T6 và T1 cho dòng chảy qua Điện áp trên tải:
Khi θ = θ 2 = 3π/6 + α cho xung điều khiển mở T2 Thyristor này mở vì khi T6 dẫn dòng, nó đặt lên anot T2
Khi θ = θ 2 Vb - Vc Sự mở của T làm cho T6 bị khóa lại một cách tự nhiên vì Vb
> Vc Các xung điều khiển lệch nhau π/3 được lần lượt đưa đến cực điều khiển của các Thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1
Bảng 2-2 Điện áp trên mạch tải là: Ud = Ud1 - Ud2
Ud1: Giá trị trung bình của Ud1 do nhóm catot chung tạo nên
Ud2: Giá trị trung bình của Ud2 do nhóm catot chung tạo nên
Giả thiết T1 và T2 đang dẫn dòng
Khi θ = θ 2, xung điều khiển mở T3, do Lc khác 0 nên dòng iT3 không thể tăng đột ngột từ 0 đến Id, và dòng iT1 cũng không thể giảm đột ngột từ Id xuống 0 Trong trường hợp này, cả ba Thyristor T1, T2 và T3 đều dẫn dòng.
Hai nguồn ea và eb nối ngắn mạch
- Nếu chuyển gốc tọa độ từ 0 sang θ 1 ta có:
- Điện áp tại Ud trong giai đoạn trùng dẫn c b a d e e e
Hình 2-6: Sơ đồ và dạng sóng của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng
2.4.1.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng
Trong sơ đồ cầu, có thể sử dụng 3 Thyristor ở nhóm catot và 3 điot, tương đương với hai sơ đồ ba pha hình tia Một sơ đồ bao gồm 3 Thyristor, trong khi sơ đồ còn lại gồm 3 điot nối tiếp và hoạt động độc lập trên cùng một phụ tải.
NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG NẠP ẮC QUI TỰ ĐỘNG
Để tối ưu hóa quá trình nạp ắc quy, hệ thống điều khiển chỉnh lưu của thiết bị nạp BA 3Π đã được thiết kế và chế tạo Thiết bị này sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha với điều khiển đối xứng Các xung điều khiển mở Thyristor lệch pha θ /3 được thực hiện theo phương pháp chiều đứng Hệ thống điều khiển đảm nhiệm việc tạo ra các xung mở Thyristor với độ rộng, hình dạng và công suất nhất định, đồng thời thay đổi thời điểm xuất phát theo tín hiệu Uđk.
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Theo nguyên tắc này, ta dùng 2 điện áp:
- Điện áp đồng bộ ký hiệu là U2df, đồng bộ điện áp đặt trên anot – catot của thyristor, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh
- Điện áp điều khiển , ký hiệu là Uđk (điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ), thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh
Bây giờ, hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là:
Khi Uđk = U2df, khâu so sánh lật trạng thái cho ra “sườn xuống” của điện áp đầu ra “Sườn xuống” này, qua đa hài một trạng thái ổn định, sẽ tạo ra một xung điều khiển.
Như vậy, bằng cách làm biến đổi Uđk, ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh được góc 𝛼
Hình 2-8: Nguyên tắc điều khiển theo chiều đứng tuyến tinh
Khi thay đổi Uđk (theo chiều đứng) thì thời điểm phát xung cũng thay đổi
Tức là thay đổi được góc phát xung, ( điện áp tựa ở đây có dạng hình răng cưa) α = 𝜋
Khi thay đổi Udk từ 0 ÷ Udkm thì α thay đổi từ 0 ÷ π
Hình 2-9: Sơ đồ khối nguyên tắc điều khiển theo chiều đứng
3.2 Chức năng của các khối
Các nghiên cứu cho thấy, việc đồng pha tạo ra điện áp dạng răng cưa đáp ứng yêu cầu về vùng điều khiển, độ chính xác và tính ổn định trong quá trình tạo xung Hiện có hai biện pháp phổ biến để tạo ra điện áp này.
Hình 2-10: Sơ đồ dùng Diot và tụ điện (hinh a)
Sơ đồ dùng Tranzitor và tụ điện (Hình b)
Khâu so sánh có chức năng định thời điểm phát xung bằng cách so sánh hai tín hiệu Khi hai tín hiệu này bằng nhau hoặc tổng đại số của chúng đổi dấu, khâu so sánh sẽ tạo ra một xung Các thành phần như khuyếch đại từ, transistor, hoặc mạch tích hợp (IC) có thể được sử dụng để thực hiện chức năng này.
Khâu so sánh dùng Tranzitor Cộng tín hiệu có thể bằng hai cách đấu nối tiếp và đấu song song
- Đấu nối tiếp điện áp điều khiển và điện áp tựa
- Đấu song song điện áp một chiều và điện áp tựa
- Người ta thường dùng mạch nối tiếp tín hiệu vì nó có độ chính xác cao
Hình 2-11: Khâu SS dùng Tranzitor
Mạch tích hợp (IC) khuyếch đại thuật toán có thể được sử dụng để so sánh tín hiệu, với nhiệm vụ chính là chuyển đổi điện áp ra Ur từ "mức logic 1" sang "mức logic 0" hoặc ngược lại khi điện áp vào vượt qua điện áp ngưỡng U0.
Chức năng của khâu khuếch đại xung là khuếch đại cho xung có đủ biên độ đủ lớn để có thể mở thyristor động lực
Khuếch đại xung gồm các linh kiện Tranzitor, điốt, biến áp xung, tụ điện, điện trở
Hình 2-13: Sơ đồ khuếch đại xung
3.3 Nguyên lý làm việc của một số khối cơ bản
Hình 2-14: Sơ đồ mạch và giản đồ mạch khâu đồng pha
2 chu kỳ dương U2df > 0 Tranzitor TR2 ở trạng thái khóa Tụ C1 nạp
=> UC = UR => tuyến tính
2 chu kỳ âm U2df < 0 Tranzitor TR2 ở trạng thái dẫn Tụ C1 phóng điện phóng
= R 3 C Khi thêm diode D1 => R3 = 0 thì làm tụ C1 có phóng lớn
Hình 2-15: Sơ đồ mạch và giản đồ mạch khâu so sánh
Hiệu điện thế ở lớp bazơ: UBE = Udk – Ur > 0
Tranzitor khóa không có xung ra
Hiệu điện thế ở lớp bazơ: UBE = Udk – Ur ≤ 0
Tranzitor dẫn có xung điều khiển
Hình 2-16: Sơ đồ mạch khuếch đại xung
Chức năng của các linh kiện
D1: Hạn chế dòng quá điện áp trên cực collector và emitor của tranzitor
R1: Hạn chế dòng phân cực IB của tranzitor
Hoạt động của sơ đồ:
Giả sử tín hiệu vào UC ( là tín hiệu logic) được lấy ra từ khâu so sánh
- Khi UC = “1” (mức logic 1) thì tranzitor dẫn bão hòa
Giả sử khi t = 0, UC = “1” tranzitor dẫn, điện cảm L của biến áp xung ngăn không cho IC = 𝑈 𝑆
𝑅 𝐶 ngay, mà khi dòng IC tang từ từ theo hàm mũ iC = 𝑈 𝑆
- Khi t = t1, UC = “0” ta có: iL(t1) = iC(t1) = 𝑈 𝑆
Khi đó D1: UCE = UC – UE = 0.8 (V) thì D1 mở cho dòng chạy qua làm ngắn mạch trên cuộn sơ cấp máy biến áp xung
Ngoài ra ta có thể dùng TCA để thay thế cho các khâu trên
Vi điều khiển TCA 785 là vi mạch tích hợp của Siemens, chuyên dùng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu và thiết bị điều khiển dòng xoay chiều Vi mạch này thực hiện 4 chức năng chính của mạch điều khiển, bao gồm: điều chỉnh điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung răng cưa.
TCA 785 do hãng Siemen chế tạo, được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị điều chỉnh dòng điện xoay chiều
Có thể điều chỉnh góc α từ 0 o đến 180 o điện
Thông số chủ yếu của TCA 785: Điện áp nuôi: Us = 18 V
Dòng điện tiêu thụ: Is = 10 mA
Dòng điện ra: I = 300 mA Điện áp răng cưa: Urmax = (Us - 2)V Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9 = 20 k Ω ÷ 500 k Ω Điện áp điều khiển: U11 = - 0,5 ÷ (Us - 2)V
Dũng điện đồng bộ: Is = 200 àA
Tần số xung ra: f = 10 ÷ 500 Hz
Tính hiệu đồng bộ được tạo ra nhờ vào trở kháng cao từ điện áp dây (V5) Bộ phát hiện điện áp không sẽ xác định các điện áp không và chuyển chúng đến thanh ghi đồng bộ.
Thanh ghi đồng bộ điều khiển bộ tạo dốc, trong đó tụ C10 được nạp với dòng cố định xác định bởi R9 Khi điện áp dốc V10 vượt quá điện áp điều khiển V11, tín hiệu điện sẽ chuyển đổi thành dạng Logic, với góc mở 𝜑 có thể dịch chuyển từ 0° đến 180° tùy thuộc vào độ lớn của điện áp điều khiển V11.
Mỗi 30 lần, phần súng xung sẽ xuất hiện các đầu ra Q1 và Q2 Để duy trì sự tồn tại của xung, có thể đạt được góc 180° thông qua tụ C12 Nếu chân 12 được nối với mass, các xung sẽ xuất hiện trong khoảng góc từ 0° đến 180°.
3.3.4.3 Sơ đồ điều khiển chỉnh lưu 2 nửa chu kì
Sơ đồ sử dụng vi mạch TCA 785 để điều khiển chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, với v(t) là điện áp đồng bộ Vi mạch 7812 đóng vai trò là vi mạch ổn áp, trong đó C10 tham gia vào quá trình tạo điện áp răng cưa và được nạp bằng dòng điện i từ chân 10, dòng i này được điều chỉnh thông qua R9.
Hình 2-18: Sơ đồ mạch và giản đồ điều khiển chỉnh lưu 2 nửa chu kì
Nhà chế tạo cho biết: i = 𝑈 8
Khi t = t(1), U10 = Ucm = U11, người ta nhận được một xung ra ở chân 15 nếu v(t) > 0, hoặc một xung ra ở chân 14 nếu v(t) < 0 t0 = C10 𝑈 10
Tụ điện C12 khuếch đại độ rộng xung ra Có thể chọn C12 = 0 ÷ 330 pF để có độ rộng xung ra từ 30 às đến 200 às
3.3.4.4 Mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng TCA 785
Sơ đồ điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha dung một máy biến áp đồng bộ, 3 vi mạch TCA 780, 6 khuếch đại xung và 6 biến áp xung
Hình 2-19: Sơ đồ tổng hợp mạch điều khiển dùng TCA 785
3.4 Sơ đồ kết nối điện mạch điều khiển và động lực
Hình 2-20: Sơ đồ hệ thống kết nối mạch động lực và điều khiển