2
Giới thiệu chung
1.1.1 Lý do lựa chọn đề tài
Ngày nay, sự phát triển của nền kinh tế và công nghiệp Việt Nam ngày càng mạnh mẽ, kéo theo đời sống nhân dân không ngừng được nâng cao Tất cả các hoạt động sản xuất, thương mại và sinh hoạt đều phụ thuộc vào nguồn điện năng, ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hoạt động của các doanh nghiệp và nhà máy Điện năng không chỉ là yếu tố quyết định lãi lỗ của xí nghiệp, mà còn ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và năng suất lao động Việc mất điện 1-2 ngày trong tháng có thể khiến xí nghiệp không có lãi, trong khi mất điện lâu hơn có thể dẫn đến thua lỗ Chất lượng điện, đặc biệt là điện áp thấp, có thể gây ra sản phẩm kém chất lượng và giảm hiệu suất làm việc, điều này đặc biệt quan trọng đối với các xí nghiệp may, hóa chất và chế tạo cơ khí điện tử chính xác Do đó, việc đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điện và nâng cao chất lượng điện năng là ưu tiên hàng đầu trong thiết kế cấp điện cho các xí nghiệp công nghiệp, đồng thời cũng là mối quan tâm lớn của ngành thương mại và dịch vụ.
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, Đại sứ quán, khu quân sự, sân bay, hải cảng và khách sạn cao cấp, cần đảm bảo cung cấp điện ở mức độ cao nhất, không được để mất điện trong bất kỳ tình huống nào Đối với các nhà máy và xí nghiệp, nên lắp đặt máy phát dự phòng để đảm bảo cấp điện cho các phụ tải quan trọng khi mất điện lưới Để các nguồn điện dự trữ hoạt động hiệu quả, cần có bộ điều khiển đổi nguồn tự động Do đó, đề tài “Thiết kế bộ ATS dùng PLC - bộ đổi nguồn tự động máy phát cho nhà máy, xí nghiệp” là rất thiết thực.
ATS (Bộ chuyển đổi nguồn tự động) tự động chuyển đổi nguồn điện từ nguồn chính sang nguồn dự phòng khi xảy ra sự cố như mất điện, mất pha, lệch pha hoặc sụt áp Thiết bị này thường được sử dụng để chuyển đổi giữa nguồn lưới và máy phát điện Khi nguồn lưới trở lại trạng thái bình thường, bộ ATS sẽ tự động đóng tải vào nguồn chính và ngắt máy phát điện.
Bộ ATS thường có hai đầu vào và một đầu ra, bao gồm máy phát điện dự phòng và nguồn điện Nó tự động khởi động máy phát điện khi mất điện hoặc có thể được bật bằng tay trong chế độ MAN, đồng thời duy trì nguồn điện liên tục bằng UPS Máy phát điện được coi là nguồn điện dự phòng đáng tin cậy và ổn định hơn so với các nguồn dự phòng khác.
Bộ thay đổi nguồn tự động ATS có khả năng bảo vệ hệ thống điện khi gặp sự cố như mất pha, mất trung tính và sụt áp Ngoài ra, thời gian chuyển đổi nguồn cũng có thể được tùy chỉnh theo nhu cầu sử dụng.
Tự động cắt mạch động lực của nguồn điện lưới và khởi động máy phát điện khi nguồn điện lưới bị lỗi
Tự động đóng mạch động lực của nguồn máy phát cấp cho tải khi máy phát chạy ổn định
Tự động dừng máy phát và cắt nguồn máy phát đồng thời đóng nguồn điện lưới vào tải khi điện lưới trở lại ổn định
Tự động dừng và ngắt nguồn máy phát ra khỏi phụ tải khi máy phát xảy ra sự cố
Có 2 chế độ làm việc: AUTO và MAN b) Yêu cầu của bộ ATS
Bộ điều khiển phải có phần bảo vệ cho mạch điều khiển
Có hệ thống bảo vệ cho tải
Thiết kế phần cứng dễ sử dụng, có các nút bấm cho chế độ MAN
Có công tắc để chọn các chế độ AUTO/OFF/MAN c) Cấu tạo cơ bản
Bộ control: đề tài này ta sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC
Thiết bị đóng cắt: khởi động từ được khoá chéo liên động điện
Thiết bị bảo vệ nguồn chính và nguồn máy phát d) Phân loại
Người ta phân loại các bộ ATS qua thiết bị đóng ngắt:
ATS sử dụng thiết bị đóng cắt là contactor (dòng dưới 1000A)
ATS sử dụng thiết bị đóng cắt là motorized CB (dòng từ 500A đến 1000A)
ATS sử dụng thiết bị đóng cắt là ACB (dòng từ 600A đến 6300A) e) Sơ đồ tổng quan
Hoạt động của hệ thống được hoạt động theo hình 1.1
Mô tả hoạt động của hệ thống:
Nguồn điện chính là nguồn năng lượng ổn định, thường được cung cấp từ điện lưới qua máy biến áp Tuy nhiên, ở những khu vực miền núi và hải đảo, hệ thống điện lưới chưa được nâng cấp, dẫn đến tình trạng chập chờn và sụt áp, do đó máy phát trở thành nguồn điện chính tại đây Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào điện lưới từ máy biến áp, được đưa qua các bộ bảo vệ và bộ đóng ngắt trước khi đến tải tiêu thụ.
Hình 1.1 Sơ đồ tổng quan của hệ thống
Nguồn dự phòng là nguồn điện được sử dụng khi nguồn điện chính gặp sự cố như mất điện, mất pha, lệch pha hoặc cao áp Các thiết bị nguồn dự phòng thường bao gồm máy phát dầu, máy phát diezen, UPS và năng lượng sạch Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào máy phát diezen, vì nó phù hợp với điều kiện hoạt động của các nhà máy và xí nghiệp.
Bộ điều khiển sử dụng PLC để quản lý việc đóng mở các máy ngắt, cung cấp nguồn cho tải và phân chia tải khi nguồn điện chính bị mất.
Trong bối cảnh nhà máy và xí nghiệp, tải bao gồm các hệ thống quản lý, khu vực văn phòng, xưởng sản xuất, dây chuyền sản xuất và hệ thống phòng cháy chữa cháy.
1.1.3 Yêu cầu đồ án a) Sơ đồ tải của đối tượng
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống tải
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một đơn đặt hàng thiết kế bộ ATS (Automatic Transfer Switch) cho hệ thống tải của một xí nghiệp nhỏ, như được minh họa trong hình 1.2 Bên cạnh đó, chúng ta sẽ tiến hành phân tích sơ đồ để hiểu rõ hơn về cách hoạt động và cấu trúc của bộ ATS trong việc tự động chuyển đổi nguồn điện.
Hệ thống tải được lấy nguồn từ thanh cái cấp nguồn rồi chia ra các aptomat cho đến từng tủ phân phối
Hệ thống tải cho trước của xí nghiệp được thiết kế dựa trên các luồng sử dụng ổ cắm và công tắc bật thiết bị, được phân chia theo từng khu vực trong các toà nhà.
Các tải được chia theo chức năng như hệ thống cứu hoả, hệ thống điều hoà không khí được tính toán theo công suất các động cơ liên quan, v.v
Khi được cấp điện lưới, các tải được cấp 100%
Khi được sử dụng nguồn điện dự phòng, chỉ một phần của tổng tải được sử dụng c) Yêu cầu cấp nguồn
Các tải là quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến sản phẩm sẽ được cấp nguồn dự phòng, như:
Hệ thống bơm cứu hoả - không ảnh hưởng đến sản phẩm nhưng gây hậu quả nghiệm trọng cho kho xưởng, toà nhà khi có sự cố cháy nổ
Hệ thống điều hòa không khí là yếu tố quan trọng trong kho xưởng có hàng nghìn công nhân, đặc biệt khi thời tiết bên ngoài khắc nghiệt Nếu không có điều hòa, năng suất lao động sẽ giảm sút và có thể gây ra tình trạng ngạt khí, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của công nhân.
Các khu vực toà nhà chính: quản lý hoạt động của toàn kho xưởng, xí nghiệp, hệ thống BMS, CCTV, và các văn phòng hội họp
Các dây chuyền sản xuất thì ảnh hưởng trực tiếp đến sản phẩm, gây ra nhiều phế phẩm, khởi động lại gây tốn kém, mất an toàn
Các tải còn lại sẽ được ngắt khi dùng nguồn dự phòng, và được cấp nguồn khi có điện lưới trở lại, như:
Các khu vực như dịch vụ, nghỉ ngơi, kí túc xá, không ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm
Trong trường hợp mất điện, bãi đỗ xe vẫn được đảm bảo an toàn nhờ vào sự hỗ trợ của nhân viên bảo vệ, người thực hiện các nhiệm vụ của máy móc như ghi chép biển số xe Hệ thống an ninh bãi xe, bao gồm camera và thiết bị báo cháy, vẫn hoạt động bình thường, đảm bảo sự an toàn cho tài sản của khách hàng.
7
Thiết kế mạch lực
Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho nhà máy là công việc quan trọng, yêu cầu chuyên môn và tầm nhìn chiến lược cho phát triển kinh tế - xã hội Hệ thống này cần đảm bảo độ tin cậy, chất lượng điện, an toàn liên tục và tính kinh tế Bài viết này tập trung vào thiết kế điều khiển bộ ATS - tự động chuyển nguồn máy phát, do đó sẽ không đi sâu vào tính toán thiết kế mạng lưới điện của khu xí nghiệp.
Hệ thống điện của xí nghiệp đang xét có hệ thống như sau:
Một máy biến áp 22kV/0.4kV
Một máy phát dự phòng cấp nguồn khi điện lưới xảy ra sự cố mất điện, không ổn định
Hệ thống máy đóng cắt nguồn ACB bảo vệ tủ phân phối
Hệ thống aptomat bảo vệ tải MCCB
Hệ thống tủ tụ bù công suất phản kháng
Các tủ phân phối được phân loại theo khu vực như bãi đỗ xe, khu vực phục vụ và văn phòng, đồng thời cũng được chia theo chức năng như bơm cứu hỏa và hệ thống BMS, cùng với các dây chuyền sản xuất.
Để hiểu rõ về hệ thống cung cấp điện cho nhà máy và xí nghiệp, cần có chuyên môn và kinh nghiệm cao Tuy nhiên, do chủ đề này chủ yếu liên quan đến điều khiển tự động đổi nguồn, bài viết sẽ tập trung phân tích khái niệm, cấu tạo và cách chọn lựa hệ thống một cách tương đối.
2.1.2 Sơ đồ cấu hình hệ thống
Hệ thống được thiết kế với mục đích phù hợp với cả phần điều khiển nên ta có sơ đồ khối cho hệ thống như sau:
Sơ đồ khối được chia ra làm 5 phần:
Khối nguồn chính: sử dụng một máy biến áp dầu 22kV/0.4kV, chuyển nguồn từ 22kV xuống còn 0.4kV, có chức năng cấp điện chính cho tải
Khối máy biến áp sử dụng máy phát 3 pha diesel với bảng điều khiển riêng, đóng vai trò là nguồn dự phòng, cung cấp điện cho tải khi nguồn chính gặp sự cố mất điện hoặc không ổn định.
Khối đóng cắt sử dụng máy cắt không khí ACB, vì loại máy này không chỉ thực hiện chức năng như contactor mà còn tích hợp thêm tính năng tự bảo vệ, rất quan trọng cho bộ ATS.
Khối bảo vệ sử dụng các bộ rơ le bảo vệ để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện Khi nguồn điện gặp sự cố, các tiếp điểm của rơ le sẽ gửi tín hiệu về bộ điều khiển, giúp nhanh chóng phát hiện và xử lý các vấn đề xảy ra.
KHỐI ĐÓNG NGẮT KHỐI ĐÓNG NGẮT
Hình 2.1 Sơ đồ cấu hình hệ thống
Bộ điều khiển ATS là trung tâm điều khiển chính với bộ PLC, kết hợp các rơ le trung gian để thực hiện chức năng đóng ngắt ACB và các nhiệm vụ riêng biệt Nó còn được trang bị các nút nhấn, đèn báo và switch Đặc biệt, bộ điều khiển này tích hợp bộ UPS có công suất phù hợp, đảm bảo cung cấp nguồn liên tục cho hệ thống ngay cả khi máy phát khởi động hoặc khi cả hai nguồn gặp sự cố, nhằm thông báo kịp thời cho người sử dụng.
2.1.3 Hệ thống tải cho trước của đối tượng
Bảng 2.1 Bảng thống kê công suất tải
Tủ chính Tủ nhánh Vị trí, chức năng tủ
Công suất tính toán (kW)
DB-PAR Bãi đỗ xe 103.5
DB-DOR Kí túc xá 371.3
ATS DB-GH Nhà điều hành x 59.5 0.85 2058.5
DB-MB Toà nhà trung tâm x 26.1
DB-COMP Hệ thống điều hoà không khí x 500.5
DB-FP Bơm cứu hoả x 400.5
DB-PU 1.1 Dây chuyền sản xuất x 592.4
Dựa vào phần yêu cầu đồ án, ta tính toán được tổng công suất của cả hệ thống và có được bảng 2.1 như trên
2.1.4 Khối nguồn chính a) Yêu cầu và cấu tạo
Khối nguồn chính sử dụng nguồn điện có tính ổn định cao, chính vì thế ta dùng điện lưới qua một máy biến áp 22kV/0.4kV
Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, có chức năng biến đổi điện áp trong hệ thống dòng điện xoay chiều mà vẫn giữ nguyên tần số.
Máy biến áp phụ thuộc vào chức năng sử dụng của nó, cũng từ đó ta có thể chia ra làm các loại máy biến áp sau:
Máy biến áp điện lực: dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện
Máy biến áp chuyên dùng: dùng cho các lò luyện kim, các lò chỉnh lưu, v.v
Máy biến áp tự ngẫu: dùng để biến đổi điện áp trong phạm vi nhỏ, dùng để mở các động cơ điện xoay chiều
Máy biến áp đo lường: dùng để giảm các điện áp và dòng lớn khi đưa vào các thiết bị đo lường
Máy biến áp thí nghiệm: dùng để thí nghiệm các điện áp cao
Máy biến áp thì có rất nhiều loại nhưng cấu tạo và nguyên lý làm việc của chúng thì đều giống nhau
Nguyên lý làm việc của cuộn dây sơ cấp là khi được nối với hiệu điện thế sơ cấp, dòng điện sẽ tạo ra một từ trường biến thiên trong lõi sắt Từ trường này sẽ sinh ra một hiệu điện thế thứ cấp trong mạch điện thứ cấp, cho phép điều chỉnh hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường Hiệu điện thế thứ cấp có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng dây trên lõi sắt.
Trong bài viết này, chúng tôi tập trung vào việc sử dụng máy biến áp điện lực và trạm biến áp phân phối để nhận điện áp trung thế 22kV và biến đổi thành điện áp hạ thế 0.4kV Bên cạnh đó, chúng tôi cũng sẽ tiến hành tính toán và lựa chọn các thông số kỹ thuật của máy biến áp phù hợp với yêu cầu sử dụng.
Chọn hệ số công suất nhà máy là 0.85 [2], ta có:
0.85 = 2421.8 (𝑘𝑉𝐴) Chọn hệ số dự phòng nhà máy là 1.4 [2], khi đó:
S tt = S × K dp = 2421.8 × 1.4 = 3390.5 (kVA) Vậy, ta chọn máy biến áp có công suất 3500kVA
Ta chọn máy biến áp của hãng ABB có các thông số như bảng 2.2
Bảng 2.2 Thông số máy biến áp
STT Hạng mục ĐVT Thông số
1 Nhà sản xuất Công ty TNHH ABB
2 Kiểu máy biến áp Ngâm dầu có bầu dầu
3 Công suất định mức kVA 3500
4 Điện áp định mức sơ cấp kV 22
5 Điện áp định mức thứ cấp kV 0.4
7 Tần số định mức Hz 50
8 Điều chỉnh điện áp phía cao thế % 22kV ± 2×2.5
15 Dầu làm mát Dầu khoáng tự nhiên
16 Nhiệt độ môi trường lớn nhất ℃ 40
17 Độ tăng nhiệt độ của dầu ℃ 60
18 Độ tăng nhiệt độ của bối dây ℃ 65
20 Vật liệu dây dẫn (cao thế + hạ thế) Đồng
Một phần quan trọng không thể thiếu trong trạm biến áp là phần bù công suất phát kháng Khi tải chỉ có thành phần cảm kháng và dung kháng, sẽ xảy ra sự lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong mỗi chu kỳ Chẳng hạn, khi lệch pha 90 độ, nếu điện áp ở chu kỳ dương thì dòng điện bằng 0, dẫn đến dòng năng lượng được chuyển tới và trả về Tình huống này được gọi là công suất phản kháng, thể hiện sự tiêu tốn năng lượng do nạp và phóng năng lượng từ các thành phần L-C Năng lượng này không tham gia vào quá trình thực hiện công của thiết bị, vì vậy được gọi là công suất vô công.
Vì yêu cầu đề tài và thời gian có hạn, nên ta không tính toán và thiết kế phần tụ bù vì cần sự chính xác cao
2.1.5 Khối nguồn dự phòng a) Yêu cầu và cấu tạo
Trong số các nguồn dự phòng như UPS, máy phát điện và năng lượng sạch, máy phát điện được xem là nguồn cung cấp năng lượng dự phòng tin cậy và phù hợp nhất cho các nhà máy và xí nghiệp.
Vì nó có hệ thống cấp nhiên liệu liên tục, công suất khá lớn và quan trọng nhất là có độ tin cậy cao
Máy phát điện là thiết bị chuyển đổi cơ năng thành điện năng dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Nguồn cơ năng có thể đến từ các động cơ như tua bin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong, tua bin gió, hoặc các nguồn khác Thiết bị này có khả năng điều chỉnh các thông số điện năng như điện áp, tần số và góc pha.
Hình 2.3 Máy phát điện Diesel
Cấu tạo của máy phát điện đầu nổ Diesel:
Hình 2.4 Cấu tạo máy phát điện Diesel
8 Control Panel (Thiết bị điều khiển)
9 Kết cấu khung chính b) Nguyên lý hoạt động
Động cơ là nguồn năng lượng cơ học đầu vào của máy phát điện, thường sử dụng nhiên liệu như diesel, xăng, propan (dạng lỏng và khí) hoặc khí thiên nhiên Đối với động cơ nhỏ, xăng là nhiên liệu phổ biến, trong khi động cơ lớn hơn thường chạy bằng dầu diesel, propan lỏng hoặc khí tự nhiên Ngoài ra, một số máy phát điện còn sử dụng nguồn nhiên liệu khép kín từ diesel và khí đốt.
Đầu phát là một thiết bị bao gồm các bộ phận tĩnh và thành phần di động, có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng Các thành phần này hoạt động cùng nhau để tạo ra sự chuyển động tương đối giữa từ trường và điện, từ đó sản sinh ra điện.
- Stata/ phần cảm: Là thành phần không thể di chuyển, gồm một tập hợp các dây dẫn điện quấn lại thành dạng cuộn trên một lõi sắt
- Rato/ phần ứng : là thành phần chuyển động tạo ra từ trường quay
Hệ thống nhiên liệu có những tính năng thông dụng dưới đây :
- Ống nổi từ bồn chứa nhiên liệu đến động cơ: Dòng cung cấp hướng dẫn nhiên liệu và và ra động cơ
Thiết kế mạch điều khiển
Bộ điều khiển dùng khối điều khiển trung tâm là bộ PLC
Khối đầu ra dùng các rơ le trung gian
Bộ điều khiển hoạt động với hai chế độ là AUTO và MAN Trong chế độ MAN, người dùng có thể sử dụng các nút bấm để thực hiện các thao tác như khởi động máy và đóng mở máy cắt.
Dùng các đèn báo để chỉ thị đang làm việc, và còi báo khi cảnh báo sự cố
Mạch phải được thiết kế phù hợp với môi trường làm việc ở xí nghiệp nên các nút bấm, công tắc, đèn báo phải là của công nghiệp
2.2.2 Các thiết bị sử dụng a) Rơ le điện từ
Rơle là một thiết bị chuyển mạch hoạt động bằng điện, trong đó dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường hút lõi sắt non, dẫn đến việc thay đổi trạng thái công tắc Nhờ vào khả năng bật hoặc tắt dòng điện qua cuộn dây, rơle có hai vị trí chuyển mạch có thể chuyển đổi qua lại.
Hình 2.11 Hình ảnh rơ le điện từ Trong đề tài ta dùng 2 loại rơ le là:
Rơ le Omron MY4N-GS 24VDC
Rơ le Omron MY4N-GS 220VAC b) Công tắc xoay
- Công tắc xoay 3 vị trí để chọn chế độ hoạt động của bộ ATS đó là chế độ AUTO/OFF/MAN
Khi chuyển sang chế độ AUTO thì PLC điều khiển mọi hoạt động
Khi chuyển sang chế độ MAN thì vận hành bằng tay
Khi ở vạch OFF thì không điều khiển được
Công tắc chuyển mạch có các thông số sau:
Thiết kế bằng nhựa, có gạt chốt khoá
Hình 2.12 Công tắc chuyển mạch 3 vị trí
Nút nhấn ON có tác dụng bật chế độ MAN, đề máy phát
Nút nhấn có đèn ∅22, loại bóng LED
Hình 2.13 Nút nhấn ON xanh Nút nhấn ON có tác dụng bật chế MUTE, không làm ồn khi có cảnh báo xảy ra Thông số sản phẩm:
Nút nhấn có đèn ∅22, loại bóng LED
Hình 2.14 Nút nhấn ON vàng Nút nhấn OFF Thông số sản phẩm:
Nút nhấn có đèn ∅22, loại bóng LED
Hãng sản xuất: Idec Hình 2.15 Nút nhấn OFF
Nút nhấn dừng khẩn cấp, hay còn gọi là Emergency Stop button, là thiết bị quan trọng được sử dụng để dừng máy trong các tình huống khẩn cấp Với thiết kế đầu nút lớn, người dùng có thể dễ dàng tác động khi cần thiết Sau khi được nhấn, nút sẽ giữ trạng thái dừng cho đến khi người dùng xoay nút để trở lại trạng thái ban đầu.
Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm phổ biến, cho phép điện luôn lưu thông để thiết bị hoạt động Khi có tác động, tiếp điểm sẽ ngắt điện, ngừng hoạt động của máy.
Điện áp định mức: 220VAC
Tiếp điểm: 1NC dùng cho chế độ
MAN, 3 NO dùng cho chế độ AUTO và khi dừng khẩn cấp sẽ ngắt ACB
Nhấn giữ và tự trả về Hình 2.16 Nút dừng khẩn cấp e) Đèn báo hoạt động, còi cảnh báo
Hình 2.17 Đèn báo hoạt động Thông số kĩ thuật:
Module: YW1P-1UQM3G và YW1P-1UQM3R
Điện áp định mức: 220VAC
Màu: mã YW1P-1UQM3G màu xanh, mã YW1P-1UQM3R màu đỏ
Điện áp định mức: 220VAC
Đèn báo mà đỏ, kết hợp còi báo
2.2.3 Lựa chọn PLC Để lựa chọn PLC ta quan tâm đến các vấn đề:
Môi trường làm việc của bộ điều khiển PLC
Số lượng đầu vào/ra
Trong môi trường làm việc tại trạm điện, nơi có độ nhiễu, độ ồn và nhiệt độ cao, việc điều khiển chỉ tập trung vào chức năng đóng/ngắt ACB để cấp nguồn vào tải, do đó quy mô hệ thống là nhỏ Vì lý do này, chúng tôi đã lựa chọn PLC Mitsubishi dòng FX3U, vì nó phù hợp với các yêu cầu khắt khe của môi trường làm việc.
Từ đó, ta lựa chọn PLC Mitsubishi FX3U-16MR/ES
Từ các tính toán và lựa chọn thiết bị trên ta có bảng phân đầu vào ra cho PLC:
Bảng 2.4 Phân cổng vào ra PLC
STT Tên tín hiệu Kí hiệu
Cổng vào/ra Số/Tương tự
Vào Ra Số Tương tự
2 Tín hiệu nguồn MBA ổn định MBA ok x x
3 Tín hiệu nguồn MP ổn định MP ok x x
4 Tín hiệu MP ổn định MP On x x
MBA và ACB chia mạch
7 Lỗi nguồn MBA Lỗi MBA x x
8 Tín hiệu ngắt ACB MP Ngắt MP x x
ACB chia mạch Đóng MBA x x
10 Ngắt ACB MP Ngắt MP x x
11 Đóng ACB MP Đóng MP x x
12 Đề máy phát Đề MP x x
14 Ngắt ACB MBA + ACB chia mạch Ngắt MBA x x
15 Tắt máy phát Tắt MP x x
30
Sơ đồ tổng quan thực tế
Dựa trên các thiết kế và tính toán đã thực hiện, sơ đồ hệ thống trạm điện và vị trí bộ điều khiển ATS được thể hiện rõ qua hình 3.1, mô tả cách ghép nối phần cứng của mạch lực.
Máy biến áp 3500kVA cấp nguồn xuống tải qua máy cắt không khí ACB 5500A
Trên đường dây từ máy biến áp đến ACB ta đấu nối một rơ le bảo vệ RM22TR33 để lấy tín hiệu độ tin cậy nguồn lưới
Máy phát 2500kVA cấp nguồn xuống tải qua tủ điều khiển Gen-Panel để xử lý đo đếm, rồi cấp nguồn qua ACB 4000A
Trên đường dây từ máy biến áp đến ACB ta đấu nối một rơ le bảo vệ RM22TR33 để lấy tín hiệu độ tin cậy nguồn máy phát
Các tải dùng máy phát được tách mạch khi xảy ra sự cố qua một ACB 5500A, khi dùng điện lưới sẽ đóng lại
Một bộ PLC được cấp nguồn qua bộ UPS, đảm bảo có nguồn liên tục cho PLC
Tín hiệu từ tủ điều khiển máy phát được truyền vào đầu vào của PLC, trong khi các đầu ra của ATS thông qua rơ le trung gian sẽ điều khiển các ACB để thực hiện việc đóng/ngắt phù hợp.
OIL TRANSFORMER 3500kVA 22kV/0.4kV TR-01
4C-50mm2 AL/XLPE/PVC) + 1C-25mm2 AL/PVC (E)
4C-95mm2 AL/XLPE/PVC) + 1C-50mm2 AL/PVC (E) 3x(4x1C-300mm2 AL/XLPE/PVC) + 2x1C-185mm2 AL/PVC (E)
4x(4x1C-240mm2 AL/XLPE/PVC) + 2x1C-240mm2 AL/PVC (E)
This article discusses various configurations of aluminum (AL) and cross-linked polyethylene (XLPE) insulated cables, including combinations such as 2x(4x1C-150mm² AL/XLPE/PVC) and 1C-150mm² AL/PVC (E) It details additional setups like 4x1C-120mm² AL/XLPE/PVC paired with 1C-70mm² AL/PVC (E), and 4x1C-185mm² AL/XLPE/PVC alongside 1C-95mm² AL/PVC (E) The document also covers larger configurations, including 3x(4x1C-240mm² AL/XLPE/PVC) plus 2x1C-185mm² AL/PVC (E) and 4C-50mm² AL/XLPE/PVC with 1C-25mm² AL/PVC (E) Finally, it concludes with the specifications for 3x(4x1C-300mm² AL/XLPE/PVC) and 2x1C-185mm² AL/PVC (E).
~220-240VAC (from DB Main Building)
~220-240VAC (from UPS) RM22TR33
Sơ đồ mạch
Mô tả hoạt động của mạch điều khiển bộ ATS, hình 3.2:
Nguồn 220VAC được cung cấp liên tục qua bộ điều khiển UPS, đóng vai trò là nguồn chính cho PLC, cũng như cung cấp điện cho các rơ le trung gian và cuộn hút của máy cắt ACB.
Các tín hiệu vào PLC sẽ được chia vị trí và địa chỉ rõ ràng hơn trong chương lập trình, các tín hiệu vào PLC bao gồm:
Tín hiệu nguồn điện máy biến áp ổn định (tiếp điểm 11-12)
Tín hiệu nguồn điện máy phát ổn định (tiếp điểm 11-12)
Tín hiệu máy phát sẵn sàng cấp điện
Tín hiệu dừng khẩn cấp
Tín hiệu lỗi nguồn điện máy biến áp
Tín hiệu ngắt ACB máy biến áp và ACB chia mạch
Tín hiệu ngắt ACB máy phát
Các tín hiệu ra PLC cũng sẽ được chia vị trí và địa chỉ rõ ràng hơn trong phần sau, các tín hiệu ra bao gồm:
Đầu ra làm ACB máy biến áp (Rơ le R1) và ACB chia mạch đóng mạch (Rơ le R2)
Đầu ra làm ACB máy phát đóng mạch (Rơ le R3)
Đầu ra đề máy phát (Rơ le RG)
Đầu ra cảnh báo (Rơ le RCB)
Đầu ra làm ACB máy biến áp và ACB chia mạch ngắt mạch (Rơ le R5)
Đầu ra của ACB máy phát ngắt mạch (Rơ le R6) trong chế độ AUTO sẽ được giải thích chi tiết về cơ chế hoạt động và điều khiển trong phần yêu cầu công nghệ liên quan đến lập trình PLC.
Khi công tắc S/S ở chế độ AUTO, nguồn 220VAC sẽ đi qua tiếp điểm, cấp điện cho rơ le RA và làm sáng đèn xanh báo chế độ AUTO Lúc này, tiếp điểm AUTO tại đầu vào PLC sẽ đóng, cho phép chương trình của PLC được thực hiện.
PLC sẽ xuất tín hiệu để đóng ACB của máy biến áp và ACB chia mạch, cung cấp nguồn 24VDC cho hai rơ le R1 và R2 Khi đó, tiếp điểm thường mở sẽ được kích hoạt.
2 rơ le R1 và R2 sẽ đóng lại cấp nguồn 220VAC đi qua tới cuộn hút đóng của 2 ACB và đóng mạch, đồng thời đèn báo hoạt động của 2 ACB sáng
PLC sẽ xuất tín hiệu ngắt cho ACB máy biến áp và ACB chia mạch, từ đó rơ le R5 được cấp nguồn Tiếp điểm thường mở của R5 sẽ đóng lại, cung cấp nguồn cho cuộn hút ngắt của cả hai ACB.
PLC thực hiện việc xuất tín hiệu để đóng ACB máy phát thông qua rơ le R3 khi có nguồn, làm cho tiếp điểm thường mở đóng lại và cấp nguồn cho cuộn hút ACB máy phát Trong trường hợp xảy ra sự cố, PLC sẽ gửi tín hiệu ngắt ACB máy phát, kích hoạt rơ le R6 và cung cấp nguồn cho cuộn hút ngắt của ACB máy phát.
Khi tín hiệu đề máy phát được xuất ra từ PLC, rơ le R4 sẽ được cấp nguồn và gửi tín hiệu ON đến tủ điều khiển của máy phát, từ đó khởi động máy phát.
Khi máy biến áp gặp sự cố và máy phát không khởi động được, PLC sẽ phát tín hiệu cảnh báo, kích hoạt rơ le cảnh báo RCB Rơ le này sẽ đóng tiếp điểm thường mở, cung cấp điện cho còi Buzzer và đèn báo Trong quá trình sửa chữa, để đảm bảo yên tĩnh, người dùng có thể nhấn nút Mute, cấp nguồn cho rơ le Rmute, giúp tiếp điểm thường mở tự giữ Rmute, trong khi tiếp điểm thường đóng sẽ mở và ngắt nguồn của Buzzer.
Sau khi có điện, máy phát cần có một tín hiệu để tắt máy, PLC sẽ xuất ra tín hiệu
ON về tủ điều khiển máy phát, làm tắt máy
Khi công tắc S/S ở chế độ MAN, nhấn nút ON để kích hoạt chế độ này và cung cấp nguồn 220VAC cho rơ le RM Lúc này, các tiếp điểm thường mở sẽ đóng lại và các tiếp điểm thường đóng sẽ mở ra, trong đó một tiếp điểm thường mở có chức năng tự giữ thay cho nút ON Để tắt chế độ ON, chỉ cần nhấn nút OFF.
Khi chế độ MAN hoạt động, nguồn điện từ máy biến áp ổn định và tiếp điểm của rơ le bảo vệ RM22TR33 sẽ đóng Tiếp theo, vặn Switch 1 sang vị trí A để đóng kín mạch và cấp nguồn 220VAC cho cuộn đóng ACB của máy biến áp và ACB chia mạch Trong trường hợp xảy ra sự cố, vặn Switch 2 sang vị trí A để cung cấp nguồn cho cuộn ngắt của hai ACB máy biến áp và chia mạch.
Khi xảy ra sự cố, hãy chuyển Switch1 về vị trí OFF và nhấn nút khởi động máy phát để gửi tín hiệu ON đến tủ điều khiển Khi máy phát khởi động và ổn định, tủ điều khiển sẽ phát tín hiệu ngược lại, kích hoạt rơ le R4 và đèn báo máy phát sẵn sàng sẽ sáng lên Tiếp theo, chuyển Switch1 sang vị trí B để cấp nguồn cho cuộn đóng ACB máy phát và cung cấp điện cho tải Khi có điện, chuyển Switch2 sang vị trí B để cấp nguồn cho cuộn ngắt ACB máy phát, sau đó quay lại chuyển Switch1 sang vị trí A để đóng ACB máy biến áp và máy phát.
Để đảm bảo an toàn cho thiết bị, cần sử dụng một công tắc (Switch) để điều khiển ACB của máy phát và máy biến áp, tránh tình trạng cả hai ACB cùng đóng gây xoắn pha Khi thực hiện thao tác, nên vặn Switch 1 để đóng ACB máy biến áp hoặc máy phát, đồng thời vặn Switch 2 để ngắt ACB đó Việc ưu tiên ngắt ACB là cần thiết để tránh sai sót và đảm bảo an toàn, vì nếu thao tác không chính xác, việc ngắt ACB sẽ không gây ảnh hưởng đến thiết bị và con người.
Nút dừng khẩn cấp được thiết kế ở các vị trí quan trọng như chế độ MAN và AUTO, giúp tắt máy phát và cấp nguồn cho cuộn ngắt ACB khi cần thiết Trong trường hợp mất điện từ máy biến áp hoặc khi máy phát hoạt động không ổn định, nút dừng khẩn cấp (ES) sẽ được sử dụng để tắt máy phát Khi ở chế độ MAN, việc ấn nút dừng khẩn cấp sẽ ngừng mọi hoạt động và cấp nguồn cho cuộn ngắt ACB, ngắt tất cả các ACB Tương tự, trong chế độ AUTO, nút ES cũng sẽ dừng tất cả các hoạt động của PLC đang diễn ra.
Ta sẽ nắm rõ hơn qua hình 3.2 Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển
36
Thiết kế chương trình
Lưu đồ là một sơ đồ thể hiện quá trình với các trạng thái liên tiếp, trong đó mỗi bước được thực hiện dựa trên những yêu cầu đơn giản Những yêu cầu này có thể được xem như kết quả của một số điều kiện cơ bản.
Mục đích của lưu đồ chương trình:
Hiểu được sựu hoạt động của hệ thống
Xác định các hoạt động cơ bản
Xác định chuỗi các hoạt động
Thời điểm chuỗi hoạt động thay đổi nhờ sử dụng khối điều kiện
Sau đây là sơ đồ khối của đề tài thiết kế bộ ATS dựa trên yêu cầu công nghệ:
37 Hình 4.1 Sơ đồ khối lập trình PLC
Khi mạch điều khiển được chuyển sang chế độ làm việc AUTO, PLC bắt đầu điều khiển các hoạt động
Trường hợp 1: Sử dụng điện lưới Điện lưới được báo về cấp nguồn ổn định, bộ điều khiển sẽ xét các khoảng thời gian sau:
Hình 4.2 Biểu đồ khoảng thời gian khi có điện lưới cảu yêu cầu công nghệ
Khi đầu vào PLC nhận tín hiệu có lưới, chu kỳ lưới là 0.02 giây, do đó bộ rơ le bảo vệ RM22TR33 cần từ một đến hai chu kỳ để xác định sự cố mất điện hoặc lệch pha Trong thời gian này, bộ rơ le điều khiển sẽ không báo chính xác cho đến khi có điện Sau khi nhận tín hiệu có lưới, chúng ta có khoảng thời gian an toàn từ 3 đến 4 phút để xác nhận sự có mặt của lưới Ngay sau khoảng thời gian này, ta tiến hành ngắt ACB máy phát và có thêm thời gian an toàn để đảm bảo đã ngắt ACB thành công.
Khi ACB máy phát và ACB máy biến áp cùng đóng vào tải, có nguy cơ xảy ra hiện tượng xoắn pha và lệch pha, dẫn đến hư hỏng thiết bị và mất an toàn điện Sau đó, ACB máy biến áp và ACB chia mạch sẽ được đóng vào tải để cấp nguồn cho hệ thống Tổng thời gian mất điện là 5 giây, bao gồm thời gian ngắt ACB máy phát và đóng ACB máy biến áp Sau khi ACB máy biến áp được đóng, máy phát sẽ không dừng ngay lập tức mà sẽ chạy không tải trong 30 giây để làm mát trước khi tắt.
Trường hợp 2: Khi mất điện sử dụng máy phát
Ta cũng có sơ đồ mô tả thời gian hoạt động, đóng ngắt của các ACB sau:
Hình 4.3 Biểu đồ thời gian khi mất điện lưới của yêu cầu công nghệ
Khi điện lưới gặp sự cố, rơ le bảo vệ sẽ phát tín hiệu mất điện sau 1 – 2 chu kỳ, và PLC cần khoảng 3s – 5s để xác nhận tình trạng mất lưới, thời gian này được gọi là thời gian an toàn Sau khi xác nhận mất lưới, PLC sẽ phát tín hiệu ngắt ACB của máy biến áp và ACB chia mạch, với thời gian chờ ngắt hoàn toàn là 3s – 4s Ngay sau đó, máy phát sẽ được khởi động và cần thời gian ổn định lên đến 20s.
Khi ở chế độ dự phòng nguội, máy cần thời gian làm nóng khoảng 40 giây và 15 giây để ổn định Sau khi nhận tín hiệu ổn định từ rơ le bảo vệ, PLC sẽ gửi tín hiệu đóng ACB máy phát, cung cấp nguồn cho tải đã được phân chia Tổng thời gian mất điện là khoảng 30 giây.
Khi mất điện lưới và máy phát không khởi động hoặc không cung cấp nguồn ổn định, hoặc khi máy phát nóng bất thường, tủ điều khiển sẽ gửi tín hiệu cảnh báo đến PLC, kích hoạt chuông và đèn báo cho người vận hành Trong những trường hợp khẩn cấp, nút dừng khẩn cấp (ES) được sử dụng để ngăn chặn sự cố.
Nguồn điện của máy biến áp bị mất điện hoặc gặp sự cố mà máy phát không đề được
Nguồn điện của máy biến áp có thể bị mất hoặc gặp sự cố, dẫn đến việc máy phát khởi động nhưng hoạt động không ổn định và không cung cấp nguồn điện đáng tin cậy.
Máy phát chạy bất thường: nóng, ồn, v.v
Máy biến áp xảy ra sự cố bất thường: ồn, chảy dầu, v.v
Khi sử dụng nút nhấn dừng khẩn cấp, toàn bộ hoạt động của PLC sẽ bị ngắt, bao gồm cả các chế độ AUTO và MAN Đồng thời, cuộn ngắt của ba ACB cho máy biến áp, máy phát và chia mạch cũng sẽ được kích hoạt, ngắt nguồn khỏi hệ thống.
Theo yêu cầu công nghệ ta có địa chỉ cho tất cả các đầu vào ra PLC
4.1.2 Phân địa chỉ cổng vào ra
Cổng vào ra được phân theo bảng 4.4 như sau:
Bảng 4.1 Liệt kê đầu vào ra
STT Tên tín hiệu Kí hiệu
Cổng vào/ra Địa chỉ
Vào Ra Số Tương tự
MBA ổn định MBA ok x X1 x
MP ổn định MP ok x X2 x
4 Tín hiệu MP ổn định MP On x X3 x
12 Đề máy phát Đề MP x Y4 x
15 Tắt máy phát Tắt MP x Y7 x
43
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
Trong quá trình làm việc với PLC, mô phỏng đóng vai trò quan trọng, đặc biệt khi thực hiện các yêu cầu bài toán ở chế độ mô phỏng offline Việc này giúp đảm bảo kết quả kiểm tra online khi đưa vào vận hành thường đạt như mong đợi Chúng ta thực hiện mô phỏng trên phần mềm GX – Works2, một phần mềm có giao diện thân thiện với người dùng, tích hợp cả lập trình và mô phỏng trong cùng một chương trình.
Hình 5.1 Màn hình chính của phần mềm
Trên màn hình chính, hiển thị giao diện lập trình và mô phỏng chương trình đã thiết kế ở chương 4 Để xây dựng lại chương trình, nhấn phím F4 và sử dụng nút "Start/Stop Simulation" trên thanh công cụ để bắt đầu giả lập PLC và mô phỏng.
Hình 5.2 Màn hình giả lập PLC
Sau khi hoàn thành việc giả lập PLC, chúng ta đã thiết lập một khối PLC với các đầu vào là các tiếp điểm có địa chỉ nhớ vùng vào (X***) và các đầu ra là các cuộn Coil có địa chỉ nhớ vùng ra (Y***) Hệ thống hiện đã sẵn sàng hoạt động và đang chờ ở chế độ Auto.
Hình 5.3 Màn hình sẵn sàng mô phỏng
Phần mềm cho phép mô phỏng trạng thái logic On/Off, hiển thị sự thay đổi của hệ thống khi chế độ Auto (X000) được kích hoạt Màn hình sẽ hiển thị thông tin liên quan đến trạng thái này.
Hình 5.4 Sau khi ấn nút Start
Khi trạng thái Auto được kích hoạt, tiếp điểm X000 ở network0 sẽ đóng lại, dẫn đến việc kích hoạt biến trung gian M0 Điều này làm cho các tiếp điểm M0 ở network1, 5, 15, , 54 (được ghi trong phần Phụ lục) cũng được đóng lại Màn hình sẽ chờ tín hiệu báo từ máy biến áp, với tín hiệu X001 và X006 luôn đảo ngược, đảm bảo rằng hai tín hiệu này không bao giờ trùng nhau.
Trường hợp 1: Nguồn máy biến áp báo ổn định
Khi tiếp điểm báo ổn định (X001) tại network5 được kích hoạt, bộ định thời gian Timer1 (T1 K2400) sẽ bắt đầu tạo ra thời gian trễ theo yêu cầu công nghệ, cụ thể là 4 phút, như được mô tả chi tiết trong hình 5.5.
Hình 5.5 Tín hiệu nguồn lưới ổn định và thời gian trễ đang chạy
Khi bộ định thời Timer1 đủ độ trễ, tiếp điểm thường mở T1 của Timer1 ở network15 (điểm số 16) đóng lại, kích hoạt ngắt ACB máy phát (Y002), được mô tả ở hình 5.6
Hình 5.6 Ngắt ACB máy phát
Khi tín hiệu ngắt ACB máy phát (X007) tại network19 được kích hoạt, ACB của máy biến áp và ACB chia mạch sẽ được kích hoạt (Y001) Tiếp điểm Y001 tại network23 sẽ đóng lại, kích hoạt bộ định thời Timer4 (30s) để bắt đầu quá trình tạo độ trễ Hình 5.7 minh họa rõ ràng quá trình này.
Hình 5.7 minh họa quá trình đóng ACB máy biến áp và ACB chia mạch Khi tiếp điểm T4 tại network28 (điểm số 29) đóng lại với độ trễ đủ, đầu ra ngắt máy phát sẽ được kích hoạt, dẫn đến việc tắt máy phát (Y007) Hình 5.8 tiếp tục mô tả quy trình này.
Trường hợp 2: Khi xảy ra mất điện
Khi tín hiệu lỗi nguồn máy biến áp (X006) tại network10 được phát hiện, tín hiệu nguồn máy biến áp ổn định (X001) sẽ ngay lập tức bị ngắt Điều này kích hoạt bộ định thời Timer2, tạo ra độ trễ 5 giây Sau khoảng thời gian này, tiếp điểm T2 tại network31 và 34 (điểm số 32, 35) sẽ đóng lại, PLC sẽ xuất tín hiệu đề máy (Y004) và ngắt ACB máy biến áp cùng với ACB chia mạch (Y006).
Hình 5.9 Đề máy phát, ngắt ACB máy biến áp khi mất điện lưới
Sau khi ngắt ACB máy biến áp và ACB chia mạch, tín hiệu ngắt (X005) tại network38 được kích hoạt, dẫn đến việc tắt chế độ ngắt 2 ACB (Y006) ở network34 Đồng thời, bộ định thời Timer3 được khởi động với độ trễ yêu cầu là 20 giây Hình 5.10 minh họa quy trình này.
Hình 5.10 Tín hiệu ngắt ACB máy biến áp
Khi bộ định thời Timer3 đạt đủ độ trễ nhưng tín hiệu nguồn máy phát ổn định (X002) hoặc tín hiệu máy phát sẵn sàng (X003) tại network43 không có, tín hiệu cảnh báo (Y005) tại network48 sẽ được kích hoạt Tiếp điểm Y005 tại network49 được đóng lại để duy trì tín hiệu, cho phép Y005 báo liên tục Tại network54 (điểm số 55), tín hiệu này kích hoạt biến trung gian M1, mở tiếp điểm thường đóng M1 ở network0 (điểm số 3), ngắt các tiếp điểm M0 tại đầu các network và dừng hoạt động, nhưng vẫn chờ tín hiệu ổn định, khiến tín hiệu M1 nháy theo chu kỳ quét của PLC Hình ảnh minh họa được thể hiện trong hình 5.11.
Hình 5.11 Khi máy phát chưa sẵn sàng hoặc nguồn chưa ổn định
Khi nhận được cả hai tín hiệu, bộ Timer3 sẽ tạo ra độ trễ và đóng tiếp điểm T3 Nếu hai tín hiệu ổn định trong khoảng thời gian 20 giây, ACB của máy phát (Y003) sẽ được đóng và cung cấp nguồn cho tải.
Hình 5.12 Đóng ACB máy phát
Khi xảy ra sự cố bất thường trong các hoạt động, việc nhấn nút dừng khẩn cấp (X004) tại network0 sẽ dẫn đến việc ngắt hoàn toàn biến trung gian M0 Các tiếp điểm M0 ở đầu các network cũng sẽ bị ngắt, đồng thời mọi hoạt động của PLC, kể cả những quá trình đang diễn ra, sẽ bị dừng lại.
