Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường: Thiết kế bộ chuyển nguồn tự động ATS cho xưởng thực hành trường Đại học Hải Phòng

Hay nguồn điện cấp cho các trung tâm điện toán, hoặc với hệ thống SCADA hệ thống kiểm tra điều khiển và thu thập dữ liệu khi mất điện thì toàn bộ số liệu theo dõi và quá trình điều khiể

UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

Đơn vị: Khoa Điện cơ

Hải Phòng, tháng 05 năm 2019

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG 7

MỞ ĐẦU 8

1 Tính cấp thiết của đề tài 8

2 Mục đích nghiên cứu 8

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

3.1 Đối tượng nghiên cứu 9

3.2 Phạm vi nghiên cứu 9

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 9

5 Phương pháp nghiên cứu 9

6 Đóng góp của đề tài 9

7 Kết cấu của đề tài 10

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XƯỞNG THỰC HÀNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG 11

1.1 Lịch sử hình thành và chức năng, nhiệm vụ 11

1.1.1 Lịch sử hình thành 11

1.1.2 Chức năng, nhiệm vụ của xưởng thực hành Điện cơ 11

1.2 Khảo sát phụ tải xưởng thực hành trường ĐHHP 12

1.2.1 Phụ tải khu thực hành hàn 12

1.2.2 Phụ tải khu thực hành cắt gọt kim loại 14

1.2.3 Phụ tải chiếu sáng 15

1.2.4 Tính dòng điện thiết kế cho bộ ATS 15

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 16

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ATS 17

2.1 Khái quát chung 17

2.1.1 Thiết bị cấp nguồn liên tục UPS 17

2.1.2 Thiết bị tự động chuyển nguồn ATS 19

2.2 Cấu tạo chung của ATS 25

2.2.1 Khối chuyển mạch 26

2.2.2 Phần mạch điều khiển 30

2.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC S7-1200 31

2.3.1 Tổng quan về PLC S7-1200 31

2.3.1.1 Sự lựa chọn cho hệ thống nhỏ và vừa 31

2.3.1.2 Chế độ bảo mật của PLC S7-1200 32

2.3.1.3 Một số dòng CPU S7-1200 thông dụng 35

2.1.3.4 Khối hàm, bộ định thì, bộ đếm PLC S7-1200 36

2.3.2 MODULE phần cứng của PLC S7-1200 37

2.3.2.1 Module xử lý trung tâm CPU 38

2.3.2.2 Module tín hiệu SM 38

2.3.2.3 Module xử lý truyền thông 38

2.3.2.4 Module nguồn cung cấp Power module 39

2.3.2.5 Các module đặc biệt và Board tín hiệu 39

2.3.3 Vùng nhớ, địa chỉ và kiểu dữ liệu trong PLC S7 -1200 40

2.3.3.1 Vùng nhớ chương trình PLC S7 – 1200 40

2.3.3.2 Thẻ nhớ MMC 41

2.3.3.3.Kiểu dữ liệu của S7 – 1200 41

2.3.3.4 Vùng nhớ địa chỉ 43

2.3.4 Phần mềm và ngôn ngữ lập trình PLC S7-1200 44

2.3.4.1 Phần mềm lập trình PLC S7-1200 44

2.3.4.2 Ngôn ngữ lập trình PLC S7-1200 45

KẾT LUẬN CHƯƠNG II 46

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH BỘ CHUYỂN NGUỒN TỰ ĐỘNG ATS 47

3.1 Tính Toán Lựa Chọn Thiết Bị Điện Hệ Thống Điện 47

3.1.1 Lựa chọn APTOMAT 47

3.1.1.1 Khái niệm : 47

3.1.2 Lựa chọn contactor 50

3.1.3 Lựa chọn máy biến dòng điện ( CT ) 52

3.1.4 Lựa chọn dây dẫn 54

3.1.5 Lựa chọn rơ le 55

3.1.6 Lựa chọn nút ấn 56

3.1.7 Hệ thống đèn báo 57

3.1.8 Lựa chọn đồng hồ 58

3.1.9 Lựa chọn PLC 59

3.1.10 Lựa chọn công tắc chuyển mạch 60

3.1.11 Lựa chọn rơ le bảo vệ điện áp 61

3.1.12 Lựa chọn rơ le bảo vệ điện áp tần số 63

3.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ thống ATS 65

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý 65

3.2.2 Nguyên lý hoạt động 72

3.3 Chương trình điều khiển PLC S7-1200 74

3.3.1 Đầu vào đầu ra của PLC 74

3.3.2 Xây dựng mô hình điều khiển PLC S7-1200 74

Chương trình lập trình chi tiết được trình bày trong phần phụ lục 76

3.4 Xây dựng mô hình hệ thống ATS 76

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 78

KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

UPS Uninterrupting Power Supply CNC Computer Numerically Controlled DCS Distributed Control System

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition TTTH KT Trung tâm Thực hành kỹ thuật

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ khối của bộ UPS 18

Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống ATS lưới - máy phát 19

Hình 2.3 Sơ đồ khối của hai loại ATS 21

Hình 2.4 Giản đồ thời gian hoạt động của ATS lưới - lưới 23

Hình 2.5 Giản đồ thời gian hoạt động của ATS lưới - máy phát 24

Hình 2.6 Cấu trúc sơ đồ khối của ATS 25

Hình 2.7 Sơ đồ mạch động lực ATS sử dụng hai contactor 27

Hình 2.8 ATS sử dụng hai Aptomat có liên động cơ khí 28

Hình 2.9 Sơ đồ kí hiệu ATS dùng hai aptomat 29

Hình 2.10 Sơ đồ kí hiệu ATS dùng tiếp điểm lực kiểu bập bênh 30

Hình 2.11.Vị trí của các PLC S7 sắp xếp theo ứng dụ 31

Hình 2.12 PLC S7-1200 32

Hình 2.13 Đặt Password 34

Hình 2.14 Chọn chế độ Copy Protection 34

Hình 3.1 Cấu tạo của Aptomat 47

Hình 3.2 Hình dạng bên ngoài của MCCB 48

Hình 3.3 Cầu dao tự động MCCB LS 3P-200A ABS 203c 49

Hình 3.4 Một số loại contactor 50

Hình 3.5 Cấu tạo contactor 51

Hình 3.6 Contactor 3P LS MC-185A 52

Hình 3.7 Biến dòng hạ thế 54

Hình 3.8 Rơ le trung gian Omron MY4N 56

Hình 3.9 Cấu tạo nút nhấn 57

Hình 3.10 Nút nhấn 57

Hình 3.11 Nút dừng sự cố khẩn cấp 57

Hình 3.12 Đèn báo trạng thái 57

Hình 3.13 Đồng hồ đo áp 58

Hình 3.14 Đồng hồ đo dòng 58

Hình3.15.PLCS7- 1200 cpu 1214C DC/DC/DC 59

Hình 3.16 Công tắc chuyển mạch đo dòng Yongsung 60

Hình 3.17 Công tắc chuyển mạch đo áp Yongsung 60

Hình 3.18 Công tắc chuyển mạch chế độ A - M 61

Hình 3.19 Rơ le bảo vệ điện áp Selec VPRA2M 61

Hình 3.20 Sơ đồ đấu dây 61

Hình 3.21 Rơ le bảo vệ pha Selec 900VPR-2-280 520V 63

Hình 3.22 Sơ đồ đấu dây 63

Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý 65

Hình 3.24 Mạch đo lường 66

Hình 3.25 Nguồn UPS 67

Hình 3.26 Nguồn cấp DC 68

Hình 3.27 Kết nối PLC 69

Hình 3.28 Mạch điều khiển 70

Hình 3.29 Bố trí thiết bị 71

Hình 3.30 Thuật toán điều khiển 75

Hình 3.31 Tag PLC S7-1200 76

Hình 3.32 Mặt trước tủ mô hình điều khiển 76

Hình 3.33 Bên trong tủ mô hình điều khiển PLC S7-1200 76

Hình 3.34 Bên trong cánh tủ mô hình điều khiển PLC S7-12 77

Hình 3.35 Mặt trong tủ mô hình điều khiển PLC S7-1200 77

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phụ tải khu vực thực hành hàn 12

Bảng 1.2 Phụ tải khu thực hành cắt gọt 14

Bảng 2.1.Mức độ bảo mật của CPU 33

Bảng 2.2.Thông tin về CPU 1211C/1212C 35

Bảng 2.3.Thông tin về CPU 1214C/1215C 35

Bảng 2.4.Khối hàm, bộ định thì, bộ đếm của PLC S7-1200 37

Bảng 2.5.Kiểu dữ liệu của PLC S7-1200 42

Bảng 2.6 Bảng phân loại vùng nhớ PLC S7-1200 44

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật áptômát tổng 50

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của contactor 52

Bảng 3.3 Điều kiện chọn máy biến dòng 53

Bảng 3.4 Biến dòng hạ thế 50/5A đến 5000/5A 54

Bảng 3.5 Phạm vi áp dụng các phương pháp lựa chọn tiết diện dây dẫn và cáp 55

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật Rơ le bảo vệ điện áp Selec VPRA2M 62

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật Rơ le bảo vệ pha Selec 900VPR-2-280 520V 64

Bảng 3.8 Địa chỉ vào/ra của PLC 74

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, nhu cầu sử dụng máy phát điện công suất dưới 1000kVA cho các nhà máy, trạm viễn thông, cho các nhà hàng-khách sạn, trụ sở công ty, siêu thị… là tương đối lớn nhằm đảm bảo việc cấp điện liên tục và có chất lượng Để thực hiện được phải

có ATS (Automatic Transfer Switch) là thiết bị tự động chuyển đổi nguồn chính sang nguồn dự phòng khi nguồn chính xảy ra trạng thái lỗi như mất pha, mất nguồn, ngược thứ tự pha, điện áp cao hay thấp hơn giá trị cho phép vv Nếu nguồn dự phòng lấy từ nguồn lưới khác thì ta có ATS loại lưới - lưới Nếu nguồn dự phòng là lấy từ máy phát thì ta có loại ATS lưới - máy phát, hoặc lưới - lưới - máy phát

Xưởng thực hành trường ĐHHP là nơi giảng dạy thực hành, thực tập của sinh viên các ngành kỹ thuật theo chương trình đào tạo đã được Nhà trường và các Khoa chuyên môn phê duyệt Một đặc điểm điển hình của việc học thực hành là phải chia nhóm (theo qui định là 20SV/nhóm) nhằm đảm bảo chất lượng đào tạo Vì vậy xưởng thực hành cần được cấp điện liên tục, đặc biệt trong các giai đoạn cao điểm, tránh bị gián đoạn thời gian biểu thực hành

ATS chế tạo sẵn có trên thị trường thường có giá thành tương đối cao, việc tính toán, thiết kế và chế tạo được bộ ATS sử dụng bộ điều khiển PLC S7-1200 có giá tương đối rẻ so với mua trên thị trường mà vẫn đảm bảo các tính năng của bộ ATS Ngoài ra, bộ ATS còn có thể được sử dụng như một học cụ trực quan cho sinh viên các ngành Điện

2 Mục đích nghiên cứu

-Tìm hiểu nguyên lý của bộ ATS ( Automatic Transfer Switch)

- Đảm bảo việc cung cấp điện liên tục cho xưởng thực hành, phục vụ tốt cho giảng dạy, nghiên cứu, sản xuất cho cán bộ, giảng viên và sinh viên

-Tích hợp được nhiều nội dung chuyên môn, chuyên ngành, rất phù hợp để áp dụng trong giảng dạy cho sinh viên, có thể thực hiện được trong điều kiện các phòng thực hành hiện nay của Khoa

- Nghiên cứu, tính toán và chế tạo được bộ ATS hoàn chỉnh sử dụng tại xưởng thực hành và ứng dụng vào giảng dạy

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Bộ điều khiển logic PLC S7 - 1200 và các khí cụ điện liên quan

- Lý thuyết thiết kế, tính toán khí cụ điện, hệ thống điện

- Điều khiển logic và tự động hóa

- Lý thuyết về ATS

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Thiết kế, chế tạo mô hình vật lý bộ chuyển nguồn tự động ATS

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Khảo sát chức năng, nhiệm vụ của xưởng thực hành kỹ thuật

- Nghiên cứu tổng quan về bộ chuyển nguồn tự động ATS

- Nghiên cứu lý thuyết về khí cụ điện

- Nghiên cứu và ứng dụng của bộ điều khiển logic khả trình PLC S7 - 1200 của hãng Siemen (CHLB Đức)

- Tiêu chuẩn lắp đặt hệ thống điện

- Đề xuất và xây dựng được bộ ATS hoàn thiện theo yêu cầu của đề tài

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm trên mô hình vật lý

Điều tra, khảo sát thực trạng để so sánh, tính toán các số liệu

6 Đóng góp của đề tài

Kết quả của đề tài nghiên cứu đã được thử nghiệm tại xưởng thực hành Trường ĐHHP với kết quả tốt, nguồn điện được đảm bảo liên tục từ hai nguồn giả định với chất lượng tốt Thành công của đề tài góp phần tăng cường ứng dụng các thành tựu kỹ thuật vào phục vụ và nâng cao chất lượng giảng dạy, học tập của giảng viên và sinh viên

Cung cấp được sản phẩm là bộ ATS hoàn chỉnh, có chất lượng tốt nhưng giảm được giá thành tương đối nhiều

Sản phẩm của đề tài nghiên cứu này cũng có thể được sử dụng như một học cụ trực quan, mô hình mô phỏng để nâng cao chất lượng đào tạo cho sinh viên các ngành Điện, giúp các em có thể tiếp cận được kiến thức chuyên ngành nhanh, hiệu quả

7 Kết cấu của đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, nội dung chính của đề tài gồm

03 chương:

- Chương 1: Giới thiệu chung về xưởng thực hành

- Chương 2: Nghiên cứu bộ chuyển nguồn tự động ATS

- Chương 3: Thiết kế mô hình bộ chuyển nguồn tự động ATS

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XƯỞNG THỰC HÀNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG 1.1 Lịch sử hình thành và chức năng, nhiệm vụ

1.1.1 Lịch sử hình thành

Xưởng thực hành là một đơn nguyên trực thuộc Trung tâm Thực hành kỹ thuật (TTTH KT) được thành lập tháng 8 năm 2009 theo quyết định của Hiệu trưởng Trường Đại học Hải phòng, là một đơn vị trực thuộc Trường TTTH KT được đầu tư xây dựng mới hoàn toàn bao gồm 01 xưởng thực hành, 01 dãy nhà 02 tầng là nhà điều hành, khu thực hành xây dựng và khu thực hành rèn và đúc kim loại

Khu nhà xưởng thực hành cơ khí được xây dựng theo đúng tiêu chuẩn của một nhà xưởng công nghiệp, rộng 500 m2, bên trong được phân chia thành các khu vực gia công theo lĩnh vực như khu vực thực hành cắt gọt, khu vực thực hành nguội, khu vực thực hành hàn, khu vực thực hành gia công CNC và khu vực kho vật tư

Khu nhà điều hành 02 tầng gồm một số phòng chức năng và phòng thực hành máy xây dựng, các phòng thực hành điện cơ bản, thực hành điện tự động và thực hành quấn dây máy điện

Khu vực xưởng thực hành xây dựng bao gồm 05 phòng là các phòng thực hành theo lĩnh vực như thực hành xây - trát, phòng học lý thuyết, phòng thực hành cốt pha -thép xây dựng…

Theo sự phát triển chung của Trường ĐHHP, từ năm 2015 đến nay, TTTH KT được chia tách và sáp nhập về các khoa chuyên môn là Khoa Điện cơ (các phần thực hành cơ khí và điện) và Khoa Xây dựng (các phần thực hành xây dựng)

1.1.2 Chức năng, nhiệm vụ của xưởng thực hành Điện cơ

Xưởng thực hành Điện cơ được Nhà trường và Khoa Điện cơ giao thực hiện các chức năng, nhiệm vụ cụ thể như sau:

- Nhiệm vụ chính của Xưởng thực hành Điện cơ là giảng dạy thực hành cho sinh viên các ngành kỹ thuật Cơ khí, điện - điện tử, xây dựng, trang bị kiến thức thực tiễn bổ trợ cho việc học lý thuyết, bước đầu vận dụng kiến thức đã học vào thực tiễn sản xuất, hình thành nên hệ thống kỹ năng, kỹ xảo nghề nghiệp cho sinh viên, làm quen và hình thành tác phong công nghiệp, ý thức an toàn lao động, vệ sinh công nghiệp

- Xưởng thực hành Điện cơ còn có thể tiếp nhận đào tạo, bồi dưỡng, nâng cao

tay nghề cho các đối tượng có nhu cầu đi làm hoặc thi tuyển tay nghề, xuất khẩu lao động

- Thực hiện các nhiệm vụ sửa chữa, bảo dưỡng các thiết bị, hệ thông trong khả năng cho các đơn vị khác trong trường

- Thực hiện các hợp đồng thiết kế, chế tạo máy móc, thiết bị cho các đơn vị ngoài trường

1.2 Khảo sát phụ tải xưởng thực hành trường ĐHHP

Để đáp ứng yêu câu dạy và học thực hành, thực tập của giảng viên và sinh viên cũng như các hoạt động khác theo chức năng và nhiệm vụ của TTTH KT, hệ thống điện của khu vực trung tâm được chia thành hai bộ phận từ nguồn điện tổng của Nhà trường cụ thể là:

- Khu vực xưởng thực hành cơ khí

- Khu vực Nhà điều hành và các phòng thực hành Điện và máy xây dựng

Do điều kiện về thời gian và kinh phí, trong khuôn khổ đề tài tác giải chỉ tính toán, thiết kế bộ ATS cho riêng đơn nguyên xưởng thực hành Dưới đây là kết quả khảo sát phụ tải cụ thể:

Khu vực xưởng thực hành cơ khí gồm các khu vực gia công theo lĩnh vực như khu vực thực hành cắt gọt, khu vực thực hành nguội, khu vực thực hành hàn, khu vực thực hành gia công CNC



Đối với các thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại như cầu trục, máy hàn, khi tính phụ tải điện của chúng ta phải quy đổi về công suất định mức ở chế độ làm việc dài hạn, tức là quy đổi về chế độ làm việc có hệ số đóng điện tương đối kđ % =

100 Biểu thức quy đổi như sau:

Pqđ= Pđm √đ%

Trong đó:

- P’đm: Công suất định mức đã quy đổi về kđ% = 100%

- Pđm, Sđm, cosφđm, εđm: Các tham số định mức được ghi trong lý lịch máy Tổng công suất qui đổi nhóm máy hàn sang chế độ dài hạn là(kđ là 30%):

Pqd1 = Pđm.√đ% = 41.02.√0,3 = 22,47 (KW)

Công suất tổng sau qui đổi được tính:

PΣ = 60.125 - 41.02 + 22.47 = 41.575 (KW) Vậy ta có:

n*= 

 = 0.33 p*= 

 = 0.99 ≈ 1,0

Tra bảng sổ tay cung cấp điện điện PL I.5 : n*hq = f(n*, p*) = 0,33

Số thiết bị hiệu quả nhq= n*hq.n= 0.33 12 ≈ 4

Ta có hệ số sử dụng ksd= 0,3 (Nhóm máy hàn - PL bảng 1.1 trang 268 sách Giáo trình thiết kế cấp điện)

Tra bảng sổ tay cung cấp điện PL I.6: kmax = f( nhq, ksd)= 2.14

Ptt1 = ksd kmax đm= 0,3 2.14.60.125 = 38.6 (KW)

Qtt1= Ptt1 Tan = 38.6 1.36= 52.5 (Kvar)

            

Itt1 = Stt1/U.√3 = 65.16/0.38.√3 = 99.12 (A) 1.2.2 Phụ tải khu thực hành cắt gọt kim loại

 = 0,4 Tra bảng sổ tay cung cấp điện điện PL B 1.5 : n*hq = f(n*, p*) =0,76

Số thiết bị hiệu quả nhq=n*.n= 3 Vì nhq = 3 < 4 nên theo Giáo trình thiết kế cấp điện - trang 44 ta có :

Ptt1 = kt Pđm = 0,75.33,3 = 24,98 KW

Trong đó kt là hệ số tải, kt = 0.75 với các tải làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại Cos = 0.7 suy ra tan  =1,02

Căn cứ theo tính chất công việc ta chọn dùng loại bóng sợi đốt

Tra PLI.2 được P0= 15 (W/m2), cosφ= 1 nên tgφ= 0

Diện tích xưởng thực hành là 500m2

Pcs= P0x tgφ= 15 x 500 = 7,5 (kW)

Qcs= Pcsx tgφ= 0 (kVAr)

1.2.4 Tính dòng điện thiết kế cho bộ ATS

- Phụ tải tính toán hiệu dụng: Ptt= Kdt Σ Pnhom.i

Trong đó : Kđt: là hệ số đồng thời

• Kđt = 0,9 $ 0,95 khi số phân xưởng từ 2 đến 4

• Kđt = 0,8 $ 0,85 khi số phân xưởng từ 5 đến 10

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trường ĐHHP là trường đại học xây dựng theo định hướng ứng dụng , hướng tới đào tạo kỹ sư thực hành với các học phần đảm bảo 70% lý thuyết, 30% thực hành,

vì vậy thời lượng thực hành của sinh viên các khối ngành kỹ thuật là rất lớn Để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của giảng dạy và học tập thực hành thực tập của giảng viên, sinh viên, năm 2009 TT THKT được thành lập trong đó trọng tâm là xây dựng xưởng thực hành Kể từ đó đến nay, TT THKT nói chung và xưởng thực hành nói riêng luôn được sự quan tâm đầu tư để hoàn thiện cơ sở vật chất để không ngừng nâng cao chất lượng đào tạo và phục vụ đào tạo, nghiên cứu

Ngoài điều kiện về cơ sở vật chất được trang bị, việc chủ động được nguồn điện phục vụ cũng là một yêu cầu bức thiết bởi hiện nay khu vực TT THKT chỉ được cung cấp một nguồn điện lưới Để đáp ứng yêu cầu này, bộ chuyển nguồn tự động ATS là một lựa chọn phổ biến hiện nay Để tính toán, thiết kế bộ ATS cho xưởng thực hành, ngoài phần sơ lược về chức năng, nhiệm vụ, nhóm tác giả tập trung vào việc khảo sát phụ tải điện và áp dụng các tiêu chuẩn về thiết kế cung cấp điện để tính toán được phụ tải hiệu dụng, từ đó tính được dòng điện thiết kế cho bộ ATS Đây là tiền đề để tính toán, lựa chọn các thiết bị và khí cụ điện trong chương 3

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ATS

2.1 Khái quát chung

Trong quá trình vận hành và sử dụng lưới điện không thể tránh khỏi các sự cố

mà mức độ thiệt hại do sự cố gây ra có thể là rất lớn, thậm chí còn nguy hiểm đến tính mạng con người Do vậy cần thiết phải hạn chế mức thấp nhất những thiệt hại của sự

cố gây ra Khái niệm sự cố ở đây có thể được hiểu bao gồm: Mất điện, mất pha, lệch pha, cao áp , thấp áp quá trị số cho phép

Ngày nay trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt hằng ngày có các loại phụ tải không được phép mất điện hay có sự cố dù chỉ trong một thời gian ngắn, vì điều đó có thể gây thiệt hại nghiêm trọng về người và của Ví dụ như nguồn điện cấp cho các thiết bị cấp cứu trong các bệnh viện nếu xảy ra mất điện trong một thời gian rất ngắn cũng có thể lấy đi mạng sống của rất nhiều bệnh nhân Hay nguồn điện cấp cho các trung tâm điện toán, hoặc với hệ thống SCADA ( hệ thống kiểm tra điều khiển

và thu thập dữ liệu) khi mất điện thì toàn bộ số liệu theo dõi và quá trình điều khiển đều không hoạt động được, các công trình quan trọng cấp quốc gia như : Hội trường quốc hội, nhà khách chính phủ, ngân hàng nhà nước, đại sứ quán các nước, khu quân

sự, sân bay, hải cảng, một số công trình trong lĩnh vực thương mại, du lịch, dịch vụ như : bưu chính viễn thông, các khách sạn cấp cao, khu trung tâm thương mại, các siêu thị hàng

Đối với tất cả các phụ tải tiêu thụ đặc biệt này cần phải được cấp điện một cách liên tục để tránh gây ra các thiệt hại Lúc đó ngoài nguồn chính là lưới điện ra các tải tiêu thụ loại này cần xây dựng một nguồn dự phòng để đề phòng khi có sự cố với nguồn điện chính Tương ứng với nó cần phải có một thiết bị thực hiện việc cấp nguồn liên tục cho phụ tải đặc biệt này Hiện nay có 2 loại thiết bị đảm bảo được yêu cầu này

đó là:

-Thiết bị cấp nguồn liên tục UPS (Uninterrupting Power Supply)

-Thiết bị tự động chuyển nguồn ATS (Automatic Transfer Switch)

2.1.1 Thiết bị cấp nguồn liên tục UPS

Thiết bị cấp nguồn liên tục UPS (Uninterrupting Power Supply) là thiết bị lập tức cấp điện cho phụ tải khi lưới điện chính có chất lượng không đạt yêu cầu Thiết bị cấp nguồn liên tục chỉ dùng cho các phụ tải đặc biệt quan trọng cần nguồn liên tục như thiết bị cấp cứu ngành y tế, máy tính cá nhân, các trung tâm điện toán, hệ thống

SCADA UPS được chế tạo với dãy công suất từ vài trăm oát đến vài trăm ngàn oát, đáp ứng cho các loại phụ tải khác nhau Nguồn cấp thường xuyên cho phụ tải là điện lưới, nguồn cấp dự phòng là UPS Công suất của UPS phụ thuộc vào nguồn dự phòng (thường là accqui) và công suất của các bộ biến đổi Dung lượng của nguồn accqui thường không lớn nên thời gian cấp nguồn của UPS thường là không được dài Nếu điện lưới bị sự cố lâu dài thì sau một thời gian làm việc (tuỳ thuộc vào công suất phụ tải), UPS phải dừng làm việc Hiện nay thường có 2 loại UPS đó là loại có chuyển mạch và loại không có chuyển mạch

Sơ đồ khối của 2 loại UPS này như hình 2.1:

a, Loại có chuyển mạch b, Loại không chuyển mạch

Hình 2.1 Sơ đồ khối của bộ UPS AQ: Khối accqui CL : Khối chỉnh lưu

NL : Khối nghịch lưu CM: Khối chuyển mạch

Loại UPS có chuyển mạch (hình 2.1 a) Khối accqui được nạp qua chỉnh lưu và

ở trạng thái chờ vì lúc này chuyển mạch đang nối với lưới Khi mất điện lưới (sự cố) chuyển mạch tự động chuyển tải về phía accqui Điện một chiều từ accqui qua bộ nghịch lưu biến đổi thành điện xoay chiều với điện áp và tần số phù hợp với tải Với công suất thấp khối chuyển mạch là rơle điện cơ còn ở công suất cao chuyển mạch thường dùng van bán dẫn, làm việc ở chế độ đóng - cắt Đặc điểm chính của UPS kiểu này là cấu tạo đơn giản, điện áp ra chưa thật chuẩn vì thiếu bộ lọc, thời gian tác động chậm vì phải qua bộ chuyển mạch do vậy nó thường được chế tạo với cấp công suất đến cỡ KW

Loại UPS không có chuyển mạch (Hình 2.1 b) Điện lưới xoay chiều được bộ chỉnh lưu chuyển thành điện một chiều, vừa nạp cho accqui, vừa cấp cho phụ tải qua

bộ nghịch lưu và bộ lọc Khi lưới gặp sự cố, nguồn cung cấp được lấy từ accqui qua bộ

nghịch lưu và bộ lọc tới tải Loại UPS này có cấu tạo phức tạp hơn nhưng có nhiều ưu điểm hơn loại trên Với sự tiến bộ của kỹ thuật điện tử và điều khiển, loại UPS này được dùng rộng rãi trong các hệ cấp nguồn đòi hỏi chất lượng cao Cả hai loại UPS này đều có chung nhược điểm đó là thời gian hoạt động không dài và phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng của bộ accqui

Cần lưu ý rằng khối accqui đóng một vai trò rất quan trọng trong bộ UPS và nó

là bộ phận dễ hỏng hóc Do vậy công tác bảo vệ chăm sóc accqui phải được thực hiện thường xuyên theo một chế độ nghiêm ngặt Chính vì những nhược điểm trên mà UPS không được sử dụng rộng rãi bằng thiết bị tự động chuyển nguồn ATS

2.1.2 Thiết bị tự động chuyển nguồn ATS

2.1.2.1 Sơ lược về ATS

Thiết bị tự động chuyển nguồn ATS là thiết bị dùng để tự động chuyển tải từ nguồn chính (Main Source) sang nguồn dự phòng (lưới dự phòng hoặc máy phát điện) khi nguồn chính bị sự cố Khái niệm nguồn bị sự cố bao gồm:

- Mất nguồn

- Mất pha

- Không đối xứng 3 pha

- Điện áp cao hoặc thấp hơn trị số cần thiết

Nguồn dự phòng ở đây có thể là một điện lưới lấy từ đường dây khác hoặc nguồn dự phòng là một máy phát diesel Tuỳ theo tính toán kinh tế, kĩ thuật của các hộ tiêu thụ mà sử dụng nguồn dự phòng cho hợp lý Khi nguồn dự phòng là lưới khác ta

có ATS lưới - lưới, nếu nguồn dự phòng là máy phát diesel ta có ATS lưới - máy phát

Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống ATS lưới - máy phát Việc chuyển đổi phụ tải từ nguồn điện lưới chính sang nguồn phát dự phòng (hay ngược lại) hoạt động theo chế độ tự động (nếu chọn trạng thái hoạt động AUTO)

hoặc điều khiển bằng tay (nếu chọn chế độ BYHAND hay MANUAL) Sơ đồ khối của

hệ thống ATS (loại lưới - máy phát) được mô tả trong hình 2.2

2.1.2.2 Các nhiệm vụ của ATS

Nhìn chung hai loại ATS này cơ bản là giống nhau, tuy nhiên trong thiết kế, chế tạo cũng như hoạt động thì ATS lưới - máy phát có phức tạp hơn do có thêm bộ phận khởi động máy phát diesel Mặt khác còn có thể xảy ra sự cố với máy phát điện nên yêu cầu phải có bộ phận bảo vệ máy phát Vì vậy khi thiết kế ATS lưới- máy phát cần phải đảm bảo thực hiện được các yêu cầu sau:

* Khi có các sự cố xảy ra (mất pha, thấp áp ,quá áp , mất nguồn) trên nguồn điện lưới chính , ATS có nhiệm vụ :

- Ngừng cung cấp nguồn lưới chính vào phụ tải

- Khởi động động cơ sơ cấp (máy nổ Diesel )

- Đóng nguồn điện cung cấp từ máy phát vào phụ tải

* Trong quá trình máy phát đang cung cấp cho phụ tải (thay thế cho nguồn lưới chính đang xãy ra sự cố) ; nếu nguồn điện lưới có lại trong tình trạng ổn định, nhiệm vụ của ATS lúc đó là :

- Ngắt nguồn điện cung cấp từ máy phát khỏi phụ tải

- Đóng lại nguồn điện lưới vào tải

- Tạo tín hiệu dừng động cơ sơ cấp động cơ diesel của máy phát ; sau một thời gian tổ máy phát vận hành tại trạng thái không tải

Với trường hợp nguồn dự phòng là một lưới điện khác lúc đó nguồn dự phòng có thể hoạt động lâu dài giống như lưới chính Còn đối với nguồn dự phòng là máy phát diesel việc vận hành máy phát trong thời gian dài là không kinh tế, do vậy trong trường hợp lưới điện mất lâu dài chỉ cho máy phát hoạt động trong một thời gian nhất định nào đó, khi đã giải quyết xong một nhiệm vụ quan trọng thì dừng máy Khi nguồn chính có điện trở lại ổn định thì tác động trả tải lại cho nguồn chính Nên khi thiết kế ATS lưới- máy phát cần phải đảm bảo thực hiện được các yêu cầu sau:

- Khi lưới có sự cố với bất kì lý do gì phải phát lệnh khởi động máy diesel và chuyển tải cho nguồn dự phòng khi chất lượng điện ở đầu ra của máy phát đạt yêu cầu

- Khi có điện lưới trở lại , kiểm tra mức độ ổn định của lưới và chuyển tải trở

về lưới khi nguồn đã đủ thời gian ổn định Sau khi chuyển tải máy phát chạy không tải trong một thời gian và tự động dừng lại khi điều kiện làm mát máy bảo đảm

- Khi mất điện lưới lâu dài xét thấy vận hành máy phát không có lợi và nhu cầu sản xuất không cấp bách ,lúc đó cho máy vận hành trong thời gian đủ giải quyết vấn đề quan trọng thì cho máy dừng lại

2.1.2.3 Sơ đồ cấu trúc của hai loại ATS

Hình 2.3 Sơ đồ khối của hai loại ATS + MBA: Máy biến áp nguồn

+ SS1, SS2 : Các bộ so sánh

+ ĐK : Khối điều khiển

+ KĐ : Khối khởi động máy phát diesel khi nhận được tín hiệu của bộ điều khiển

- ĐK: Khối điều khiển nhận tín hiệu từ đầu ra của bộ so sánh và tác động đến khối chuyển mạch

- CM: Khối chuyển mạch thực hiện việc đóng ngắt tải từ nguồn này sang nguồn khác theo tác động của bộ điều khiển

- ĐK: khối khởi động máy diezen khi nhận được tín hiệu của bộ điều khiển

- CB1, CB2 : hai áp tô mát (CB - Circuit Breaker) bảo vệ nguồn khi có sự cố quá tải hay ngắn mạch

2.1.2.4 Phân loại hệ thống ATS

Hệ thống ATS được phân loại thành nhiều dạng khác nhau tùy theo tiêu chuẩn của các nhà sản xuất Các nhà sản xuất máy phát điện diezen thường chế tạo hệ thống ATS đi kèm theo máy phát; tuy nhiên cũng có một số các công ty chuyên sản xuất khí

cụ điện chế tạo hệ thống ATS dưới dạng module

Ta có thể phân loại ATS dựa theo một trong các tiêu chuẩn như sau:

- Tiêu chuẩn phân loại theo cấp dòng điện định mức qua các khí cụ động lực đóng cắt chính lắp đặt trong hệ thống ATS

- Số lượng nguồn điện chính và dự phòng cung cấp cho phụ tải

- Tiêu chuẩn phân loại theo loại khí cụ điện động lực đóng cắt chính dùng trong

- ATS dùng loại Change over switch hay Motorized CB,

- ATS dùng ACB (Air Circuit Breaker): Máy ngắt không khí

Trường hợp căn cứ theo số lượng nguồn điện cung cấp cho phụ tải nguồn lưới chính và nguồn máy phát dự phòng hệ thống ATS có thể bao gồm các dạng sau:

- ATS dạng chuyển đổi hai nguồn : lưới điện chính và lưới dự phòng hoặc lưới điện chính và máy phát điện dự phòng cho phụ tải

- ATS dạng chuyển đổi ba nguồn: hai nguồn điện lưới nguồn ưu tiên 1, nguồn ưu tiên 2 và máy phát dự phòng

2.1.2.5 Nguyên lý hoạt động của ATS

* ATS lưới - lưới :

Cấu trúc của loại ATS này được thể hiện trên hình 2.3 a

ATS lưới - lưới hoại động rất đơn giản, khi chất lượng nguồn điện chính không đạt lúc đó bộ so sánh cấp tín hiệu cho khối điều khiển tác động đến khối chuyển mạch chuyển tải từ lưới chính sang lưới dự phòng Khi lưới điện chính phục hồi trở lại ATS tiến hành kiểm tra chất lượng nguồn điện chính nếu đủ tiêu chuẩn thì cấp tín hiệu chuyển tải trở lại nguồn chính

Sơ đồ thời gian hoạt động của nó như sau:

Hình 2.4 Giản đồ thời gian hoạt động của ATS lưới - lưới

Mô tả hoạt động theo giản đồ hình 2.4 như sau:

Ban đầu tải được cấp điện bằng nguồn chính thông qua MBA1, khi lưới chính

bị sự cố như mất nguồn, mất pha, lúc đó khối điều khiển của ATS nhận tín hiệu sự cố

và xử lí nó đồng thời ATS cũng kiểm tra chất lượng điện nguồn còn lại Nếu chất lượng nguồn dự phòng tốt thì ATS sẽ tạo khoảng thời gian trễ t1 (5 giây) để khẳng định lưới chính gặp sự cố thực sự không hay chỉ là sự cố thoáng qua Sau đó tạo tín hiệu cho cơ cấu chấp hành tác động chuyển tải sang nguồn dự phòng

Khi tải đang làm việc với nguồn dự phòng mà lưới chính phục hồi trở lại ATS

xử lí tín hiệu này đồng thời tạo khoảng thời gian trễ t2 (5 - 10 giây) để đảm bảo rằng nguồn chính đã ổn định có thể đưa vào vận hành Sau đó ATS tác động đến cơ cấu chuyển mạch đưa tải trở lại lưới chính Và ATS tiếp tục theo dõi hoạt hoạt động của các nguồn điện bình thường

* ATS lưới - máy phát

Một trong những nhược điểm lớn nhất của ATS lưới-lưới là khi xảy ra sự cố của hệ thống như hư hỏng trạm biến áp trung gian, hoặc mất điện áp nguồn lúc đó nguồn dự phòng không còn tác dụng Do vậy để bảo đảm việc chủ động cấp điện cho các phụ tải quan trọng người ta thường xây dựng nguồn dự phòng là máy phát diesel Tương ứng với nó ta có loại ATS lưới - máy phát Cấu trúc của loại này được biểu diễn trên hình 2.3 b

Hình 2.5 Giản đồ thời gian hoạt động của ATS lưới - máy phát

Đối với ATS lưới - máy phát việc hoạt động phức tạp hơn ATS lưới - lưới vì có thêm bộ phận khởi động diesel Khi tín hiệu từ bộ (SS1) báo nguồn chính có chất lượng không đạt yêu cầu nghĩa là có sự cố hoặc mất nguồn, bộ điều khiển (ĐK) sẽ truyền tín hiệu cho bộ khởi động máy phát, điện áp máy phát được thành lập Nếu chất lượng điện áp máy phát đảm bảo bộ (SS2) cấp tín hiệu cho bộ điều khiển (ĐK) và chuyển mạch (CM) tác động chuyển tải từ lưới chính sang máy phát Khi lưới phục hồi sau một khoảng thời gian trễ bộ điều khiển sẽ tác động lên bộ chuyển mạch, tải lại được chuyển về nguồn chính Từ thời điểm chuyển tải, máy phát chạy không tải một thời gian để làm mát máy rồi tự tắt Quá trình hoạt động như sau (giản đồ thời hình 2.5) :

+ Khi lưới có sự cố lúc đó ATS tạo khoảng trễ t1 (5 giây) khoảng thời gian từ khi có sự cố đến khi khởi động diesel để đảm bảo rằng nguồn lưới có sự cố thực sự hay chỉ là sự cố thoáng qua

+ Khi điện áp máy phát đạt đến Uf =0.8 Uđm lúc đó bộ SS2 sẽ tính khoảng thời gian t2 (20 - 25 giây) sau đó thực hiện việc cấp tín hiệu điều khiển cho bộ chuyển mạch chuyển tải sang nguồn dự phòng

+ Khi lưới điện phục hồi trở lại bộ định thời gian trong SS1 sẽ hoạt động tính thời gian t 3 (5 giây) để đảm bảo chắc chắn rằng lưới đã phục hồi và ổn định trở lại Sau đó chuyển tải trở lại lưới

+ Sau khi chuyển tải trở lại lưới ATS tính thời gian t4 (300 giây) cho máy phát chạy không tải để làm mát máy, sau thời gian t4 máy phát dừng lại

Khi khởi động máy phát diesel cần chú ý bộ khởi động của nó cần phải đảm bảo các đặc điểm sau đây:

+ Nếu khởi động lần 1 thành công nó lại trở về trạng thái ban đầu Nếu khởi động không thành công (thời gian khởi động 3 - 5 giây) cần cho máy nghỉ khoảng 10 -

20 giây lại có tín hiệu khởi động lại

+ Nếu khởi động 3 lần không thành công lúc đó thiết bị sẽ tự động khoá lại không khởi động nữa

Với ATS lưới -máy phát cần có thêm mạch bảo vệ máy phát Khi xảy ra sự cố máy phát như mất áp lực dầu bôi trơn, nhiệt độ nước làm mát quá trị số cho phép, lồng tốc, hỏng kích từ, cổ góp thì phát lệnh dừng máy chờ khắc phục sự cố

2.2 Cấu tạo chung của ATS

Cấu trúc sơ đồ khối của một bộ ATS nói chung nnhw sau:

Hình 2.6 Cấu trúc sơ đồ khối của ATS + ĐL : Khối ĐL&SS : làm nhiệm vụ theo dõi giám sát thu thập tin tức về đối tượng điều khiển so sánh các thông số thu được với các giá trị ngưỡng đặt trước và cấp tín hiệu cho các khối tiếp sau của mạch hoạt động Ngoài ra bộ phận này còn có thêm nhiệm vụ là cách ly mạch điều khiển với điện áp cao thông qua việc sử dụng các máy biến dòng và máy biến điện áp Khối ĐL&SS : làm nhiệm vụ theo dõi giám sát thu thập tin tức về đối tượng điều khiển so sánh các thông số thu được với các giá

trị ngư ng đặt trước và cấp tín hiệu cho các khâu tiếp sau của mạch hoạt động Ngoài

ra bộ phận này còn có thêm nhiệm vụ là cách ly mạch điều khiển với điện áp cao thông qua viêc sử dụng các máy biến dòng và máy biến điện áp

+ ĐK : Đây là khối quan trọng nhất của thiết bị tự động, khối này nhận tín hiệu sự cố từ khối L&SS tiến hành xử lý tín hiệu này và đưa ra tín hiệu tác động cơ cấu chấp hành chuyển nguồn Khối này xử lý tín hiệu nhằm bảo đảm cho ATS hoạt động theo đúng giản đồ thời gian hoạt động đã nói ở trên Khâu này tạo các khoảng trễ, biến đổi dạng tín hiệu, khuếch đại tín hiệu nếu đòi hỏi nguồn điều khiển có công suất cao

+ CH : Khối chấp hành thực hiện việc tác động theo lệnh của cơ cấu điều khiển Ngoài các khối cơ bản trên một số thiết bị tự động còn có thêm cơ cấu phản hồi khi chất lượng yêu cầu cao

Đối với thiết bị tự động chuyển nguồn ATS lưới- máy phát cũng được cấu tạo gồm có hai phần riêng biệt đó là phần mạch động lực và phần mạch điều khiển Phần mạch điều khiển gồm có bộ phận đo lường và bộ phận điều khiển đối tượng chấp hành Cơ cấu chấp hành chính là các cơ cấu chuyển mạch

2.2.1 Khối chuyển mạch

Khối chuyển mạch thực hiện việc chuyển tải từ nguồn này sang nguồn khác khi

có tín hiệu từ khối điều khiển hoặc theo ý muốn của người vận hành (thao tác bằng tay )

Khối chuyển mạch là phần mạch động lực được nối trực tiếp với tải và nó có thể đóng ngắt trực tiếp dòng điện tải Với ATS lưới-lưới khi ngắt mạch là ngắt không tải còn khi đóng lại là đóng có phụ tải Do vậy khi ngắt không phát sinh hồ quang nên không cần dập hồ quang Khi đóng sang nguồn còn lại đang có điện nên phát sinh hồ quang vì vậy ta cần phải dập tắt hồ quang trong trường hợp này

Do khối chuyển mạch luôn làm việc dưới điều kiện khắc nghiệt nên đòi hỏi khối chuyển mạch cần được chế tạo chịu được công suất lớn, tại khối chuyển mạch cần có bộ phận dập hồ quang tốt Thời gian tác động càng nhanh càng tốt, việc tác động phải dứt khoát với độ tin cậy cao , tiếp điểm chịu mài mòn và chịu va đập tốt , tiếp xúc luôn luôn phải tốt ,yêu cầu thiết bị càng gọn nhẹ càng dễ thay thế càng tốt

Hiện nay trong thực tế khối chuyển mạch thường được thực hiện theo 3 phương

án sau đây :

- Dùng công tắc tơ

- Dựng Áp tô mát

- Dùng công tắc kiểu bập bênh

2.2.1.1 Chuyển mạch dùng hai contactor

Hai contactor được nối vào hai nguồn điện và chúng được nối liên động với nhau cái này đóng thì cái kia ngắt Kiểu chuyển mạch này có cấu tạo gọn nhẹ hoạt động của nó rất đơn giản Giống như công tắc tơ thông thường khi ta cấp điện vào cuộn dây của công tắc tơ cuộn dây này được quấn trên mạch từ tạo nên lực đóng tiếp điểm Công tắc tơ có loại dùng điện một chiều có loại xoay chiều

Với ATS lưới- lưới ta dùng loại công tắc tơ 3 cực vì trung tính là chung giữa hai nguồn

Với ATS lưới máy phát thường dùng công tắc tơ 4 cực khi chuyển tải thì chuyển cả trung tính Hiện nay khối chuyển mạch này chỉ được chế tạo với dòng định mức đến 800A còn ở cấp công suất cao hơn không sử dụng loại chuyển mạch này Ưu điểm loại chuyển mạch này chính là hoạt động đơn giản, kết cấu gọn nhẹ,

dễ dàng điều khiển Hạn chế của kiểu chuyển mạch dùng công tắc tơ là tổn hao công suất và phải cấp điện để duy trì lực đóng tiếp điểm

Hình 2.7 Sơ đồ mạch động lực ATS sử dụng hai contactor

* Ưu điểm của mạch lực dùng 2 công tắc tơ

- Sơ đồ điều khiển hoạt động đơn giản, thiết bị thông dụng dễ tìm, dễ thay thế sửa chữa

- Công tắc tơ có tuổi thọ cao cả về điện và cơ khí , tần số đóng cắt là rất lớn

* Nhược điểm của mạch lực dùng hai công tắc tơ :

- Nhược điểm lớn nhất của phương án này chính là vấn đề tổn hao công suất lớn do luôn phải cấp điện cho các cuộn dây để duy trì lực đóng tiếp điểm Cuộn dây công tắc tơ luôn được ngâm trong lưới điện dài hạn nên việc già hoá và hư hỏng cách điện là không thể tránh khỏi, làm giảm độ tin cậy khi làm việc

- Nhược điểm tiếp theo là khi nguồn cấp dao động làm cho lực tiếp điểm cũng dao động theo gây ra hiện tượng rung và tiếp xúc không tốt điện trở tiếp xúc tăng lên

có thể làm hàn dính tiếp điểm không thể cắt mạch khi có sự cố cần chuyển mạch gây nguy hiểm cho phụ tải Loại chuyển mạch này thường dùng cho tải công suất nhỏ 2.2.2.2 Chuyển mạch dùng Aptomat

Aptomat là một khí cụ điện tự động ngắt mạch điện khi có sự cố quá tải , ngắn mạch, áp thấp… đôi khi áp tô mát cũng sử dụng để đóng cắt không thường xuyên các mạch điện ở chế độ bình thường Trong ATS không sử dụng các phần tử bảo vệ vì bảo vệ quá tải, ngắn mạch do aptomat nguồn tác động Chuyển mạch kiểu áp

tô mát gồm 2 áp tô mát nối liên động với nhau về mặt cơ khí và được khống chế ngược nhau thông qua tay gạt liên động cơ khí như hình 2.8 :

Hình 2.8 ATS sử dụng hai Aptomat có liên động cơ khí Khi chuyển mạch, áp tô mát này đóng thì aptomat còn lại mở Để thực hiện việc chuyển mạch trong trường hợp này người ta dùng động cơ chấp hành một pha qua hộp giảm tốc và hệ thống tay biên cơ khí biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng của tay gạt đóng cắt aptomat

Hình 2.9 Sơ đồ kí hiệu ATS dùng hai aptomat Đối với thiết bị chuyển mạch kiểu này có bộ truyền động cơ khí phức tạp , thời gian tác động chậm hơn khi dùng công tắc tơ (do động cơ quay qua bộ giảm tốc) Ưu điểm chính của loại chuyển mạch này là không cần nguồn duy trì trạng thái đóng tiếp điểm , động cơ chấp hành tiêu thụ công suất nhỏ (cỡ vài chục oát), khả năng đóng cắt tốt Loại này thường được chế tạo với dòng điện định mức đến khoảng 1600A Sơ đồ

kí hiệu như hình 2.9

2.2.2.3 Chuyển mạch kiểu bập bênh

Chuyển mạch kiểu bập bênh giống như một cầu dao đảo chiều, với hai tiếp điểm tĩnh được nối với hai nguồn điện Tiếp điểm động kiểu bập bênh nằm giữa hai tiếp điểm tĩnh và được gắn với trục truyền động và nó được nối với tải Trục truyền động được nối qua hệ thống cam cơ khí, cơ cấu truyền động ở đây là một nam châm điện thông thường là nam châm điện một chiều có công suất lớn và làm việc ở chế độ xung Mỗi khi xung điện được đưa vào cuộn dây nam châm điện tiếp điểm động tác động một lần đến xung tiếp theo tiếp điểm động chuyển mạch từ nguồn này sang nguồn khác Kết cấu chuyển mạch kiểu bập bênh có ưu điểm là gọn nhẹ, tác động nhanh và điều khiển nó một cách dễ dàng

Nhược điểm của nó là cần có công suất nguồn điều khiển lớn làm việc ở chế độ ngắn hạn đồng thời số lần thao tác không được lớn như công tắc tơ và áp tô mát do tiếp xúc giữa tiếp điểm động và thanh cái ra tải là tiếp xúc động kiểu quay Cũng giống như áp tô mát chuyển mạch kiểu bập bênh không cần cuộn dây duy trì tiếp điểm Hiện nay tiếp điểm loại này thường được sử dụng rộng rãi và với mọi cấp công suất

từ 400-4000A

Hình 2.10 Sơ đồ kí hiệu ATS dùng tiếp điểm lực kiểu bập bênh

Nhìn chung mỗi loại chuyển mạch đều có các ưu nhược điểm riêng tuỳ theo yêu cầu của phụ tải mà ta lựa chọn cơ cấu chuyển mạch thích hợp với mục tiêu cao nhất đó là đảm bảo sự làm việc tin cậy và an toàn, cơ cấu càng gọn nhẹ càng tốt

2.2.2 Phần mạch điều khiển

Trong bất kì một hoạt động tự động nào cũng cần phải có một mạch điều khiển để chỉ huy việc thực hiện hoạt động đó Tuỳ theo công việc đơn giản hay phức tạp mà các mạch điều khiển tương ứng cũng đơn giản hay phức tạp theo Mạch điều khiển phải đảm bảo thực hiện chính xác công việc đã định trước, nó được xây dựng từ các linh kiện thiết bị tự động như rơle, các mạch điện tử hay tích hợp IC số

Một mạch điều khiển thông thường bao gồm các khối : đo lường so sánh và khối điều khiển ngoài ra có hệ thống phản hồi và khuếch đại nếu yêu cầu chất lượng điều khiển cao

Đối với ATS mạch điều khiển hoạt động chuyển nguồn tương đối phức tạp Khối đo lường thực hiện việc theo dõi giám sát hoạt động lưới diện và máy phát DIEZEL cần thực hiện cấp tín hiệu sự cố cho khối tiếp theo

Mạch điều khiển cần phải đảm bảo rằng ATS hoạt động theo đúng giản đồ thời gian (hình 2.4, 2.5) Đối tượng điều khiển ở đây chính là các loại chuyển mạch đã nêu trên ,do vậy mạch điều khiển cần phải cấp được tín hiệu cho các cơ cấu truyền động của bộ chuyển mạch Với chuyển mạch là contactor mạch điều khiển cần đưa điện vào cuộn dây khi lưới có sự cố Với chuyển mạch kiểu bập bênh cần cấp tín hiệu xung nối nguồn cho nam châm điện một chiều….Trên hình 2.3 ta thấy rằng mạch điều

khiển của ATS gồm có hai khối so sánh SS và khối điều khiển ĐK, đối với ATS máy phát còn có thêm bộ phận khởi động máy diezen

lưới-Ngoài ra hiện nay công nghệ điện tử bán dẫn đang ngày càng phát triển mạnh

và tỏ rõ ưu việt của nó Các mạch điều khiển được thiết kế từ các linh kiện điện tử bán dẫn gọn nhẹ làm việc chính xác không quán tính Ngày nay công nghệ kỹ thuật số ra đời mang lại sức mạnh tiềm tàng cho ngành tự động hóa, các thiết bị tự động sử dụng kỹ thuật số ngày càng nhiều như IC số, những thiết bị logic khả trình như PLC, LOGO .Đối với thiết bị chuyển nguồn tự động ta hoàn toàn có thể sử dụng các linh kiện, thiết bị này để xây dựng nhằm nâng cao chất lượng

Trong khuôn khổ đề tài này, vì điều kiện về thời gian và kinh phí có hạn đồng thời dựa trên điều kiện cơ sở vật chất sẵn có tại đơn vị, nhóm tác giả chọn xây dựng bộ ATS cho xưởng thực hành trường ĐHHP theo kiểu sử dụng hai contactor, bộ điều khiển sử dụng PLC S7 - 1200 của hãng Siemen

2.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC S7-1200

2.3.1 Tổng quan về PLC S7-1200

2.3.1.1 Sự lựa chọn cho hệ thống nhỏ và vừa

Bộ điều khiển PLC S7-1200, được sử dụng với sự linh động và khả năng mở rộng phù hợp đối với hệ thống tự động hóa nhỏ và vừa tương ứng với người dung cần

Thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh động, hỗ trợ mạnh mẽ về tập lệnh đã làm cho PLC S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo trong việc điều khiển, chọn lựa phù hợp đối với nhiều ứng dụng khác nhau

Để có thể làm rõ hơn vấn đề chúng ta muốn nói tới, tác giả sử dụng hình ảnh sau đây để minh họa chi tiết về vị trí, vai trò của PLC S7-1200 được siemens giới thiệu

Hình 2.11.Vị trí của các PLC S7 sắp xếp theo ứng dụng

CPU của PLC S7-1200 được kết hợp với 1 vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các tín hiệu đầu vào/ra, thiết kế theo nền tảng Profinet, các bộ đếm/phát xung tốc độ cao tích hợp trên thân, điều khiển vị trí ( motion control ), và ngõ vào analog đã làm cho PLC S7-1200 trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ Sau khi download chương trình xuống CPU vẫn lưu giữ những logic cần thiết để theo dõi và kiểm soát các thiết bị thông tin trong ứng dụng của người lập trình CPU giám sát ngõ vào và những thay đổi của ngõ ra theo logic trong chương trình người dùng, có thể bao gồm các phép toán logic của đại số Boolean, những bộ đếm, bộ định thì, các phép toán phức tạp, và những giao tiếp truyền thông với những thiết bị thông minh khác

Hình 2.12 PLC S7-1200 PLC S7-1200 được tích hợp sẵn một cổng Profinet để truyền thông mạng Profinet Ngoài ra, PLC S7-1200 có thể truyền thông Profibus, GPRS, RS485 hoặc RS232 thông qua các module mở rộng

2.3.1.2 Chế độ bảo mật của PLC S7-1200

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ truy cập vào CPU và chương trình điều khiển

*Chế độ bảo mật về quyền truy cập vào CPU và khối hàm

CPU cung cấp các cấp độ bảo mật để hạn chế truy cập vào các chức năng cụ thể Khi người dùng cấu hình mức độ bảo mật và mật khẩu cho CPU, người dùng có thể giới hạn các chức năng và vùng nhớ truy cập mà không dùng tới mật khẩu

Bảng 2.1.Mức độ bảo mật của CPU

Read access Cho phép HMI truy cập tới PLC và chỉ được đọc với TIA Portal Muốn toàn quyền truy cập phải có password

HMI access Chỉ cho phép HMI truy cập tới PLC Muốn toàn quyền truy cập phải có password

No access Bảo mật hoàn toàn kể cả với HMI Muốn toàn quyền

truy cập phải có password

Mỗi cấp độ cho phép những chức năng nhất định để có thể truy cập mà không cần mật khẩu Chế độ mặc định của CPU là được toàn quyền truy cập và không có mật khẩu bảo vệ Để hạn chế quyền truy cập vào CPU, người dùng cần cấu hình thuộc tính

“Protection” và mật khẩu bảo mật

Mật khẩu bảo vệ không áp dụng cho chương trình sử dụng các chức năng về chuyền thông Truyền thông PLC – PLC (sử dụng những tập lệnh truyền thông với các khối hàm) không bị giới hạn bởi các chế độ bảo mật trong CPU

Để cấu hình cho chế độ bảo mật và đặt mật khẩu, người dùng có thể thực hiện theo các bước sau: Device configuration → Chọn CPU → Properties → Protection

và lựa chế độ bảo mật muốn dùng và đánh mật khẩu (password) sử dụng vào

* Chế độ Know – how Protection

Chế độ Know – how protection cho phép người dùng ngăn chặn những truy cập trái phép vào các khối hàm, khối tổ chức OB, FB, FC, DB Người dùng có thể tạo những password riêng lẻ để giới hạn truy cập tới các khối hàm Nếu không có password thì người dùng chỉ có thể đọc những thông tin như sau:

- Tiêu đề khối, comment, và thuộc tính của khối hàm

- Thông tin về các tham số vào/ra (IN, OUT, IN_OUT, Return)

- Cấu trúc của chương trình

- Tag toàn cục trong cross references, tuy nhiên các tag cục bộ sẽ bị ẩn không quan sát được

Để cấu hình cho chế độ Know – how protection, người dùng có thể thực hiện theo các bước sau: Chọn block nào muốn bảo mật → Properties → Protection →

Protection → Define và nhập password muốn đặt

Hình 2.13 Đặt Password

* Chế độ Copy Protection

Thêm một tính năng về bảo mật cho phép người dùng ẩn (blind) các khối chương trình sử dụng vào thẻ nhớ hoặc CPU Tính năng này đặc biệt hữu ích cho việc bảo vệ sở hữu trí tuệ của người lập trình Chức năng Copy Protection có thể áp dụng cho các khối OB, FB và FC

Để cấu hình cho chế độ Copy Protection, người dùng có thể thực hiện theo các bước sau: Chọn block nào muốn bảo mật → Properties → protection → Copy Protection

Chọn chế độ ẩn vào thẻ nhớ hoặc CPU

Sau đó chọn chế độ Copy Protection và nhập số serial của thẻ nhớ và CPU khi download xuống CPU hoặc thẻ nhớ

Hình 2.14 Chọn chế độ Copy Protection Chú ý: Chế độ bảo mật/password là chế độ nhạy cảm do đó người dùng cần chú ý khi sử dụng những chế độ này

2.3.1.3 Một số dòng CPU S7-1200 thông dụng

Bảng 2.2.Thông tin về CPU 1211C/1212C

Tuy nhiên, tùy ứng dụng và chương trình mà người dùng lựa chọn CPU cho phù hợp với cấu hình hệ thống và giá thành để làm cho hệ thống hoạt động tốt nhưng kinh tế nhất

Bảng 2.3.Thông tin về CPU 1214C/1215C

những khối hàm, bộ định thì, bộ đếm được sử dụng trong PLC S7-120 thông qua bảng số liệu dưới đây

Số lần gọi lồng các khối hàm 16 bắt đầu từ Main

Các khối OB

-SInt, UISnt: 3byte -Int, UInt: 6byte -Dint, UDInt: 12byte 2.3.2 MODULE phần cứng của PLC S7-1200

Để tìm hiểu kỹ hơn về PLC S7-1200 chúng ta cùng tìm hiểu chi tiết hơn về

những module phần cứng mà PLC S7-1200 hỗ trợ đến người dùng Để từ đó, người dùng có những lựa chọn về sản phẩm phù hợp với ứng dụng theo yêu cầu khách hàng 2.3.2.1 Module xử lý trung tâm CPU

Module xử lý trung tâm CPU chứa vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thì, bộ đếm, cổng truyền thông Profinet … module lưu trữ chương trình người dùng trong bộ nhớ của nó Ngoài ra, module CPU có thể tích hợp một vài cổng vào/ra số, analog tùy thuộc vào mã hang (order number)

CPU S7-120 hỗ trợ các protocol như TCP/IP, ISO-on-TCP, S7 communication Đồng thời, CPU tích hợp những tập lệnh hỗ trợ cho truyền thông như: USS, Modbus RTU, S7 communication „T-Send/T-Receive‟ hay Freeport …

Cổng Profinet tích hợp cho phép CPU có thể kết nối với HMI, máy tính lập trình, hay những PLC S7 thông qua Profinet

2.3.2.2 Module tín hiệu SM

Module AI: module đọc analog với các loại tín hiệu khác nhau như dòng 4 †

20 mA (theo cách đấu 2 dây và 4 dây), đọc tín hiệu điện áp 0 † 10 VDC, đọc tín hiệu RTD, TC …

Module AI/AO: module đọc/xuất analog Module AO: module xuất tín hiệu analog Module DI: module đọc tín hiệu digital

Module DI/DO: module đọc/xuất tín hiệu digital

2.3.2.3 Module xử lý truyền thông

Module truyền thông được gắn bên trái CPU và được ký hiệu là CM 1241 CP 124x Tối đa chỉ có thể gắn được 3 module mở rộng về truyền thông

* Module xử lý truyền thông CM 1241

Module truyền thông CM 1241 hỗ trợ các protocol theo các tiêu chuẩn như: + Truyền thông ASCII: được xử dụng để giao tiếp với những hệ thống của bên thứ 3 (third – party systems) để truyền những giao thức protocol đơn giản như kiểm tra các ký tự đầu và cuối hoặc kiểm tra các thông số của khối dữ liệu

+ Truyền thông Modbus: được sử dụng truyền thông theo tiêu chuẩn Modbus RTU

Modbus Master: có thể giao thức với PLC S7 là master

Modbus Slave: có thể giao thức với PLC S7 là slave, không cho phép trao đổi

dữ liệu giữa slave với slave trong truyền thông

+ Truyền thông USS Driver: lệnh cho phép kết nối USS với Driver Các Driver Các Driver có thể trao đổi dữ liệu theo chuẩn RS485, trong truyền thông cho phép điều khiển Driver cũng như đọc và ghi các thông số cần thiết

+ Truyền thông Point – to – point: kết nối nối đa điểm được sử dụng theo truyền thông trao đổi dữ liệu nối tiếp Truyền thông đa điểm được ứng dụng trong hệ thống tự động hóa Simatic S7 và những hệ thống tự động hóa khác để liên kết với máy

in, điều khiển robot, máy scan, đọc mã vạch …

+ Truyền thông Profibus: được sử dụng với tiêu chuẩn profibus DP hỗ trợ DPV1, có thể sử dụng làm master hoặc slave tùy thuộc vào ứng dụng mà module sử dụng

+ Module hỗ trợ AS – I Master

* Module xử lý truyền thông CP 124x

Module xử lý truyền thông CP 124x hỗ trợ những chuẩn truyền thông về GPRS/GSM, Messages/Email, DNP3, SNMP, Teleservice …

+ Module CP 1242 – 7: Hỗ trợ kết nối PLC S7 – 1200 với GPRS/GSM

+ Module CP 1243 – 1: Hỗ trợ kết nối PLC S7 – 1200 với Messages/ Email, DNP3, SNMP, Redundancy …

2.3.2.4 Module nguồn cung cấp Power module

Module nguồn Power module cung cấp nguồn hoạt động cho các module phần cứng kết nối với CPU Tên viết tắt của module nguồn S7 – 1200 là PM 1207

Module nguồn PM 1207 yêu cầu áp cung cấp đầu vào là 120/230 VAC và ngõ

ra là 24 VDC / 2,5 A được thiết lập riêng dành cho S7 – 1200 và không cần cấu hình trong phần cứng

2.3.2.5 Các module đặc biệt và Board tín hiệu

* Module I/O link

Module được sử dụng có thể kết nối lên tới 4 thiết bị I/O – kink phù hợp với đặc tính kỹ thuật I/O – link V1.1 Các thông số của I/O – link có thể cấu hình phần mềm Port Configuration Tool (PCT) V3.2 hoặc phiên bản cao hơn

* Module cân SIWAREX