Tính cần thiết của đề tài
Mức điện đảm bảo liên tục cấp điện phụ thuộc vào tính chất và yêu cầu của phụ tải Đối với các công trình quan trọng như Hội trường Quốc hội, Nhà khách Chính phủ, Ngân hàng Nhà nước, và các khu vực chiến lược như sân bay, hải cảng, cần đảm bảo cấp điện liên tục mà không được để mất điện trong bất kỳ tình huống nào Đối với các cơ sở sản xuất như nhà máy và xí nghiệp, việc lắp đặt máy phát điện dự phòng là cần thiết để cung cấp điện cho các phụ tải quan trọng trong trường hợp mất điện lưới.
Để nâng cao độ tin cậy trong cung cấp điện, việc sử dụng các phân tử dự trữ trong hệ thống điện là rất quan trọng Để đảm bảo các phân tử này hoạt động nhanh chóng và an toàn, thiết bị tự động đóng dự trữ, hay còn gọi là bộ chuyển đổi nguồn tự động (ATS - Automatic Transfer Switch), thường được áp dụng.
Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
Mục tiêu chính là nâng cao độ tin cậy trong cung cấp điện, giảm thiểu sơ đồ cung cấp điện và tối ưu hóa số lượng máy biến áp cũng như đường dây hoạt động song song Việc giảm số lượng các phần tử hoạt động song song không chỉ hạn chế dòng điện ngắn mạch mà còn đơn giản hóa mạch rơ le bảo vệ, đồng thời giảm bớt số lượng nhân viên cần thiết cho việc trực nhật và vận hành tại các trạm điện.
+ Thiết kế hệ thống chuyển nguồn tự động ATS sử dụng PLC LOGO.
+ Thi công mô hình tủ ATS sưr dụng PLC LOGO.
Đề tài này tập trung vào việc "Thiết kế hệ thống chuyển đổi nguồn ATS sử dụng PLC LOGO", không mở rộng ra các lĩnh vực khác và không đi sâu như những chuyên gia có kinh nghiệm Kiến thức trong nghiên cứu này còn hạn chế và chỉ dừng lại ở những vấn đề cơ bản.
Tổng quan về tủ ATS
Khái niệm về tủ ATS
Tủ ATS là thiết bị chuyển đổi nguồn tự động, hoạt động khi điện lưới bị mất để khởi động máy phát và cung cấp điện cho phụ tải Khi nguồn điện lưới được khôi phục, tủ ATS tự động chuyển đổi nguồn trở lại và tắt máy phát.
Hệ thống ATS (Automatic Transfer Switch) được thiết kế để chuyển đổi nguồn điện sang nguồn dự phòng khi nguồn chính gặp sự cố mất điện Cấu tạo của ATS bao gồm các bộ phận cơ bản như cơ cấu điều khiển, trong đó có các mạch điều khiển Chức năng của cơ cấu điều khiển là so sánh tín hiệu đầu vào đã được biến đổi với tín hiệu mẫu và sau đó truyền tín hiệu này đến cơ cấu chấp hành để thực hiện chuyển đổi nguồn điện.
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 được kết nối phù hợp với nhu cầu của mạch điều khiển, với mỗi cơ cấu thực hiện chức năng riêng biệt Bộ phận đo lường, bao gồm các cảm biến điện áp và thời gian, được kết nối với nguồn điện để cung cấp các tín hiệu điều khiển cần thiết cho bộ phận điều khiển ATS.
Bộ phận điều khiển bao gồm các role điện cơ hoặc bảng mạch điện tử bán dẫn, có chức năng xử lý tín hiệu từ khâu đo lường Quá trình này tạo ra độ trễ, khuếch đại tín hiệu và sau đó chuyển tiếp đến phần tử chấp hành.
Bộ phận chấp hành chuyển tải năng lượng tới nguồn cấp qua công tắc đóng cắt các tiếp điểm mạch động lực, được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong điều kiện làm việc dài hạn và đầy tải Với dung lượng cắt lớn, bộ phận này cho phép tác động đóng, cắt nhanh chóng, kết hợp với buồng dập hồ quang hiệu quả Việc đóng cắt các tiếp điểm có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động thông qua động cơ, sử dụng các thiết bị như dao cách ly, Aptomat, hoặc hệ thống điện từ 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 số hãng Nhật và Pháp.
+ Đóng cắt bộ tiếp điểm “ bập bênh” bằng nam châm điện như thiết bị của 1 số hãng của Hàn Quốc và Mỹ.
Dưới đây ta sẽ xét sơ lược về kết cấu cơ khí của từng kiểu đóng cắt : a Kiểu đóng cắt công tắc tơ 2 ngả thuận nghịch :
Hình a Kiểu công tắc tơ Hình b Kiểu Aptomat
Để thực hiện việc cài liên động cho công tắc tơ CTT1 và CTT2, khi CTT1 đóng thì phải ngắt CTT2 và ngược lại Điều này được thực hiện thông qua mạch điều khiển hai cuộn dây của CTT1 và CTT2, tạo ra hai trạng thái đóng cắt trái ngược nhau.
Aptomat có nhược điểm là không thể thao tác đóng cắt trực tiếp bằng tay, nhưng lại có ưu điểm về thời gian tác động nhanh và tần số đóng cắt lớn Kiểu đóng cắt bằng Aptomat sử dụng động cơ aptomat 2 ngả thuận nghịch, trong đó việc đóng cắt được thực hiện thông qua việc đảo chiều quay của động cơ điện dung một pha xoay chiều Cơ cấu truyền động khí phức tạp chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cần gạt, cho phép cần gạt di chuyển tiến hoặc lùi tùy thuộc vào chiều quay của động cơ Nhờ đó, cần gạt có thể thực hiện việc đóng Aptomat AP1 và ngắt Aptomat AP2, và ngược lại Ưu điểm của kiểu này là có khóa liên động bằng cơ khí và cho phép thao tác đóng cắt trực tiếp bằng tay.
Nhược điểm của kiểu đóng cắt bập bênh là thời gian tác động chậm và tần số đóng cắt nhỏ Kiểu truyền động này sử dụng nam châm điện thông qua cơ cấu khí phức tạp như đón khớp quay và chốt, dẫn đến hiện tượng “bập bênh” Thiết bị đóng cắt này được chia thành hai loại: thiết bị với hai nam châm và thiết bị với một nam châm.
Nam châm kiểu 2 đóng cắt hoạt động bằng cách một nam châm thực hiện quá trình quay ngược trong khi nam châm còn lại quay thuận Hai nam châm này được khóa liên động về điện, đảm bảo rằng trong mỗi lần đóng cắt chỉ có một nam châm hoạt động, trong khi 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 hoạt động bằng cách thực hiện hai hành trình quay: quay ngược và quay thuận Để đảm bảo hoạt động chính xác, cần có bộ phận chốt và nhả chốt hoạt động nhịp nhàng, giúp cơ cấu phân biệt được trạng thái tác động hiện tại so với tác động trước đó Do đó, cơ cấu này trở nên rất phức tạp.
Nhược điểm lớn nhất của thiết bị đóng cắt bộ tiếp điểm “bập bênh” bằng nam châm điện là hệ thống dẫn động bằng khớp quay Nếu tiếp xúc điện tại khớp quay không đạt tiêu chuẩn, nó sẽ gây ra hiện tượng phát nhiệt lớn, dẫn đến hỏng hóc khớp quay Do đó, công suất chuyển tải của thiết bị bị giới hạn.
Phân loại tủ ATS
Thiết bị tự động chuyển đổi nguồn, hay còn gọi là A.T.S (Automatic Transfer Switch), được sử dụng để tự động chuyển từ nguồn chính sang nguồn dự phòng khi xảy ra sự cố với nguồn chính.
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 : 1nguồn lưới chính -1 nguồn Acquy ( nguyên lí bộ UPS)
- ATS cho 2 nguồn : 1nguồn lưới chính -1 nguồn lưới dự phòng.
- ATS cho 2 nguồn : 1nguồn 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 lý hoạt động của nguồn UPS là nó kết nối với lưới điện để nhận nguồn đầu vào và cung cấp điện cho các thiết bị đầu ra Bên trong UPS có một bộ acquy khô, giúp dự trữ năng lượng Khi xảy ra mất điện đột ngột, UPS sẽ sử dụng điện từ acquy để đảm bảo rằng các thiết bị tiêu thụ điện vẫn hoạt động liên tục.
Về tính năng và công dụng, hiện nay các nhà kỹ thuật phân chia UPS thành 2 loại : + Standby UPS
UPS chế độ chờ là nguồn điện dự phòng hoạt động khi có điện lưới, giúp tích trữ năng lượng cho tải Khi xảy ra mất điện lưới, năng lượng đã tích lũy sẽ được cung cấp cho tải thông qua mạch chuyển đổi, đảm bảo thiết bị hoạt động liên tục.
Online UPS là nguồn cung cấp điện liên tục, trong đó điện áp từ lưới được xử lý qua một bộ xử lý trung gian trước khi đến tải Hệ thống này luôn hoạt động để đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định cho tải Online UPS có tốc độ chuyển mạch nhanh, độ tin cậy cao và chất lượng điện áp đầu ra ổn định, trong khi Standby UPS có tốc độ chuyển mạch chậm, ảnh hưởng đến chất lượng điện áp đầu 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 là quá trình san phẳng điện áp đầu ra từ bộ chỉnh lưu, giúp cải thiện chất lượng điện áp trước khi đưa đến bộ nghịch lưu Việc này đảm bảo điện áp ra ở đầu ra nghịch lưu ổn định và hiệu quả hơn.
+ 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 là thiết bị tăng điện áp từ 24-48V lên 220V, phù hợp với yêu cầu của tải Mạch nạp acquy có chức năng điều khiển quá trình nạp acquy, nơi tích trữ năng lượng Dưới sự điều khiển của mạch nạp, acquy sẽ được nạp điện cho đến khi điện áp đạt mức quy định, lúc này mạch điều khiển sẽ ngắt quá trình nạp để bảo vệ acquy.
Acquy là thiết bị lưu trữ năng lượng khi có điện áp 220V, đồng thời cung cấp năng lượng cho các phụ tải khi mất điện lưới Thời gian duy trì điện của UPS phụ thuộc 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 là quá trình điều chỉnh thời gian dẫn của các van một cách hợp lý nhằm duy trì điện áp cung cấp cho tải ổn định hoặc chỉ thay đổi rất nhỏ Mạch điều khiển này đóng vai trò quan trọng như một bộ ổn áp, hoạt động song song với bộ nghịch lưu để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
+ 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
AP1, AP2 : Aptomat bảo vệ mạch động lực
SS1, SS2 : Khối so sánh
Khi phụ tải nhận điện từ lưới và nguồn dự phòng cũng được cấp từ lưới qua một máy biến áp hoạt động song song, nguyên lý hoạt động của bộ tự động chuyển nguồn sẽ diễn ra như hình số 1.
Hệ thống ATS hoạt động với hai nguồn cấp điện theo nguyên tắc "cần bập bênh", đảm bảo rằng chỉ một nguồn lưới chính được kết nối với tải trong khi nguồn dự phòng sẽ bị cắt ra Nguyên lý này giúp tránh tình trạng cả hai nguồn cấp điện đồng thời hoạt động hoặc cả hai nguồn đều bị ngắt, từ đó tăng cường độ tin cậy và ổn định cho hệ thống điện.
Hình 1 1 Sơ dồ hoạt động của ATS lưới-lưới
Giải thích hoạt động của sơ đồ : Giả sử ban đầu tải được cấp điện bởi nguồn lưới 1 qua máy biến áp như hình số 1.
Khi xảy ra sự cố trên lưới cấp ở nguồn 1, chẳng hạn như mất điện áp hoặc mất pha, ATS sẽ ngay lập tức nhận tín hiệu "sự cố" từ nguồn cấp Đồng thời, ATS cũng đang tiếp nhận và xử lý tín hiệu "có điện" từ nguồn cấp 2, nguồn dự phòng.
Nếu điện áp từ nguồn cấp dự phòng đạt chất lượng theo yêu cầu, ATS sẽ tạo tín hiệu trễ T AB từ 0 đến 5 giây để xác nhận chắc chắn mất nguồn chính, sau đó mới gửi tín hiệu đến cơ cấu chấp hành để chuyển tải sang nguồn cấp dự phòng.
Khi nguồn lưới chính phục hồi trong quá trình tải đang hoạt động trên nguồn cấp dự phòng, bộ phận xử lý tín hiệu “có điện” của ATS sẽ nhận tín hiệu và phát tín hiệu trễ trong khoảng thời gian T CD = (3-30) phút Thời gian này nhằm đảm bảo rằng nguồn cấp chính đã ổn định và có thể đưa vào vận hành an toàn.
Sau khi xác nhận nguồn cấp chính ổn định, bộ phận điều khiển của ATS sẽ gửi tín hiệu đến cơ cấu chấp hành, cắt nguồn dự phòng và chuyển tải sang nguồn lưới chính.
Bộ phận nhận tín hiệu của ATS đang hoạt động liên tục với cả hai nguồn cấp, giám sát điện áp và thứ tự pha để sẵn sàng cho việc chuyển tải tiếp theo trong trường hợp xảy ra sự cố.
• ATS lưới - lưới thực điện bằng máy cắt phân đoạn :
- Sau đây ta sẽ xét 1 ví dụ cụ thể về việc sử dụng đóng cắt MC phân đoạn trong công việc đưa nguồn dự phòng vào làm việc:
Nguyên lí hoạt động của tủ ATS
Khi mất lưới, mất pha hoặc sụt áp dưới 0.85 ư dm, bộ ATS sẽ phát tín hiệu khởi động máy phát sau 5 giây để tránh mất lưới giả Nếu điện áp 3 pha không đối xứng quá mức cho phép, vượt quá 1.1 ư dm, hoặc không đúng thứ tự pha, ATS sẽ kích hoạt khởi động do lưới vẫn còn nhưng chất lượng kém Tình trạng không đúng thứ tự pha có thể tạo ra từ trường ngược trong động cơ 3 pha, dẫn đến quạt thổi khí độc quay ngược trong nhà máy hóa chất, gây nguy hiểm cho con người, hoặc làm hệ thống điều hòa trung tâm không hoạt động đúng cách Mất pha hoặc sụt áp quá mức có thể khiến máy điện không đồng bộ 3 pha không khởi động được và hệ thống chiếu sáng không đủ sáng Ngoài ra, quá áp kéo dài có thể gây cháy nổ thiết bị trong mạng điện, trong khi mất đối xứng 3 pha gây sụt áp ở một pha và quá áp ở pha khác, làm hỏng thiết bị và giảm hiệu suất hoạt động như quạt quay chậm và đèn huỳnh quang không khởi động được.
- Khởi động máy phát Diezen :
Máy phát Diezen chỉ khởi động từ 1-3 lần khi lưới điện gặp sự cố Nếu lần khởi động đầu tiên không thành công (n