Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống đo các thông số và điện năng tiêu thụ và vận hành hệ thống để đưa ra kết quả đo của mạng điện trong phòng thí nghiệm

MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, với phát triển kinh tế đời sống nhân dân nâng cao nhu cầu điện lĩnh vực cơng nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ sinh hoạt tăng trưởng không ngừng Điện tiêu thụ nhiều phần quan trọng cơng nghiệp Trong tình hình kinh tế thị trường nay, cơng ty, xí nghiệp lớn nhỏ, khu cơng nghiệp đại phải phân tích, tính tốn mặt với mục đích nâng cao chất lượng giảm giá thành sản phẩm Việc quản lí, giám sát chất lượng điện đo lường điện tiêu thụ phần vơ quan trọng xí nghiệp Vì vậy, việc thiết kế hệ thống đo thông số đo điện tiêu thụ mạng điện cần thiết Với thông số thu từ hệ thống giúp nhà quản lí phân tích đưa phương án cải thiện làm tăng chất lượng điện điều chỉnh mức độ sử dụng điện cho hợp lí để đem lại hiệu cho xí nghiệp Mục đích đề tài Thiết kế xây dựng mơ hình hệ thống đo thông số điện tiêu thụ vận hành hệ thống để đưa kết đo mạng điện phịng thí nghiệm Đối tượng phạm vi nghiên cứu Mạng điện phòng thí nghiệm nguồn lưới điện pha dây Đối tượng phạm vi nghiên cứu tự động chuyển nguồn lưới điện – lưới điện dự phịng, hệ thống đo thơng số mạng điện hệ thống đo điện tiêu thụ điện phịng thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu khoa học Dựa vào sở lí thuyết mơn khí cụ điện, cung cấp điện để đưa phương án tính toán, thiết kế hệ thống, lựa chọn thiết bị dây để hồn thiện mơ hình hệ thống Dựa vào tài liệu cài đặt vận hành công tơ đo điện hãng EMIC để đưa kết đo điện tiêu thụ mạng điện phịng thí nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Việc thực đề tài giúp em củng cố thêm kiến thức mơn khí cụ điện, cung cấp điện đồng thời giúp em hiểu thêm mơ hình thực tế Hải Phịng, ngày tháng năm 2016 Sinh viên Nguyễn Hồng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO ĐIỆN NĂNG BA PHA TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM 1.1 BÀI TỐN ĐO ĐIỆN NĂNG PHA TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM 1.1.1 Bài tốn đo điện pha phịng thí nghiệm Ngày nay, ngành cơng nghiệp điện lực giữ vai trị quan trọng công xây dựng phát triển đất nước Năng lượng điện sử dụng phổ biến có nhiều ưu điểm như: dễ dàng chuyển hóa thành dạng lương khác ( năng, nhiệt năng… ), dễ dàng truyền tải xa, hiệu suất mang lại cao Đặc biệt công nghiệp lượng điện khơng thể thiếu Cũng nhu cầu sử dụng ngày nhiều phí cho việc sử dụng nguồn lượng ngày tăng cao Vì việc quản lí nguồn lượng cần thiết Bài toán đặt để biết thông số lưới điện lượng tiêu thụ nhà máy xí nghiệp Dựa vào giám sát mạng điện đưa phương án tiết kiệm lượng mức tối đa, giảm chi phí vận hành tạo thuận lợi cho doanh nghiệp sản suất Trong phạm vi đề tài này, ta cần xây dựng hệ thống đo điện mạng điện phịng thí nghiệm 1.1.2 u cầu kĩ thuật - Hệ thống phải hoạt động tin cậy, ổn định, có độ xác cao - Tốc độ xử lí nhanh - Chịu tải tốt - Hệ thống có khả hoạt động môi trường khắc nghiệt chịu bụi, nhiệt độ cao, rung lắc… - Hệ thống đo với nhiều chức khác (đo dịng, đo áp, đo cơng suất, đo tần số… ) - Hệ thống hoạt động mạng điện khác như: pha dây, pha dây, pha dây - Có khả kết nối với máy tính để giám sát - Hệ thống phải đơn giản, gọn nhẹ dễ dàng lắp đặt - An toàn cho người sử dụng 1.1.3 Phương án đo điện Trong phịng thí nghiệm sử dụng mạng điện pha dây với nguồn lưới nguồn dự phịng để cung cấp điện cho tải Vì vậy, hệ thống cần đặt 1.2 sau thiết bị đóng cắt nguồn để đo thông số nguồn CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐO ĐIỆN NĂNG CỦA MẠNG ĐIỆN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM Cấu trúc hệ thống đo điện pha mạng điện phịng thí nghiệm chia làm mơ hình nối tiếp Mơ hình sử dụng công tơ điện pha để đo Mơ hình thứ sử dụng đồng hồ đa MFM384 – C với hệ thống chuyển nguồn tự động PLC LOGO! Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống đo điện pha phịng thí nghiệm - Giải thích chức hệ thống: Hệ thống đo điện mạng điện phịng thí nghiệm sử dụng công tơ điện đồng hồ đa bao gồm có: + AT: áp tơ mát pha cấp nguồn cho hệ thống + Công tơ pha cơ: dùng để đo hiển thị thông số điện pha + Công tơ pha điện tử: dùng để đo hiển thị thông số điện pha + Công tơ pha cơ: dùng để đo hiển thị thông số điện pha + TBĐC nguồn 1: thiết bị đóng cắt nguồn lưới Thiết bị đóng cắt nguồn lưới sử dụng Aptomat pha công tắc tơ Aptomat pha để đóng cắt nguồn bảo vệ ngắn mạch, tải cho nguồn lưới chính, đồng thời đưa tín hiệu xác nhận có điện lưới tới PLC Cơng tắc tơ nhận tín hiệu điều khiển từ PLC để thực đóng cắt nguồn cấp cho tải hoạt động + TBĐC nguồn 2: thiết bị đóng cắt nguồn lưới dự phịng Thiết bị đóng cắt nguồn lưới sử dụng Aptomat pha cơng tắc tơ Aptomat pha để đóng cắt nguồn bảo vệ ngắn mạch, tải cho nguồn lưới dự phịng, đồng thời đưa tín hiệu xác có điện lưới dự phịng tới PLC Cơng tắc tơ nhận tín hiệu điều khiển từ PLC để thực đóng cắt nguồn cấp cho tải hoạt động + Thiết bị ĐKCNTĐ: thiết bị điều khiển chuyển nguồn tự động Thiết bị PLC LOGO! cài đặt sẵn chương trình tự động chuyển nguồn với tím hiệu đầu vào lấy từ nguồn lưới nguồn lưới dự phịng Tín hiệu thiết bị điều khiển chuyển nguồn tự động đưa đến cấu chấp hành để điều khiển đóng cắt nguồn + CCCH1, CCCH2: cấu chấp hành cấu chấp hành Các cấu chấp hành rơle điện từ nhận tín hiệu điều khiển từ PLC để diều khiển công tắc tơ thiết bị đóng cắt nguồn - Bộ phận đo thông số mạng điện: + Thiết bị đo: Thiết bị đo sử dụng mạng điện phịng thí nghiệm biến dòng đo lường Các biến dòng đo lường lấy tín hiệu dịng điện đưa đồng hồ đo để thực đo thông số mạng điện + Đồng hồ đo: Đồng hồ đo sử dụng mạng điện loại đồng hồ đo đa chức Đồng hồ đo thơng số điện áp, dịng điện, tần số, cơng suất, hệ số công suất, điện tiêu thụ mạng điện - Nguyên lý hoạt động hệ thống: Muốn cấp nguồn cho hệ thống hoạt động, ta phải đóng hai Aptomat cấp nguồn lưới nguồn lưới dự phịng Tín hiệu từ Aptomat AT cấp nguồn cho cơng tơ mơ hình đầu tiên: Cơng tơ pha cơ, công tơ pha điện tử, công tơ pha hoạt động Nguồn pha nối tiếp từ cơng tơ pha cấp nguồn cho mơ hình thứ hoạt động Tín hiệu từ hai Aptomat cấp nguồn đưa PLC PLC nhận tín hiệu đầu vào hai nguồn lưới nguồn lưới dự phịng có điện Với chương trình cài đặt sẵn PLC đưa tín hiệu điều khiển để đóng tiếp điểm rơle cấu chấp hành cấp nguồn cho công tắc tơ Khi cơng tắc tơ có điện cấp nguồn lưới cho tải hoạt động Lúc này, biến dịng đo lường đưa tín hiệu dịng điện nguồn lưới đồng hồ đo Đồng hồ đo nhiệm vụ đo thơng số dịng điện, điện áp, tần số, công suất, hệ số công suất, điện tiêu thụ nguồn lưới - Khi nguồn lưới bị cố khơng có tín hiệu gửi PLC Khi đó, PLC đưa tín hiệu điều khiển đóng tiếp điểm rơle cấu chấp hành cấp nguồn cho công tắc tơ 2, đồng thời đưa tín hiệu điều khiển mở tiếp điểm rơle cấu chấp hành để chắn ngừng cấp nguồn từ nguồn lưới Cơng tắc tơ có điện cấp nguồn cho lưới dự phòng cho tải hoạt động Lúc này, biến dịng đo lường đưa tín hiệu dòng điện nguồn lưới dự phòng đồng hồ đo Đồng hồ đo nhiệm vụ đo thông số dịng điện, điện áp, tần số, cơng suất, hệ số công suất, điện tiêu thụ nguồn lưới dự phịng - Khi nguồn lưới có điện trở lại tín hiệu gửi PLC PLC đưa tín hiệu điều khiển đóng tiếp điểm rơle cấu chấp hành cấp nguồn cho công tắc tơ mở tiếp điểm rơle cấu chấp hành để chắn ngừng cấp nguồn từ nguồn lưới dự phòng CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG ĐO ĐIỆN NĂNG PHA TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM 2.1 BỘ THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG CHUYỂN NGUỒN LƯỚI ĐIỆN 2.1.1 Cấu trúc tự động chuyển nguồn lưới điện Hình 2.1: Cấu trúc tự động chuyển nguồn lưới điện phịng thí nghiệm Bộ thiết bị tự động chuyển nguồn phịng thí nghiệm gồm thiết bị sau: + Thiết bị đóng cắt: sử dụng Aptomat pha AT1, AT2 Công tắc tơ CTT1, CTT2 + Cơ cấu chấp hành: sử dụng Role điện từ RL1, RL2, RL3, RL4 + Thiết bị điều khiển: sử dụng PLC LOGO! + Cơ cấu chấp hành: sử dụng rơle điện từ RL1, RL2, RL3, RL4 2.1.2 Aptomat pha Hình 2.2: Aptomat pha Aptomat khí cụ điện dùng để tự động cắt mạch điện có cố: tải, ngắn mạch, sụt áp,… Trong thiết bị tự động chuyển nguồn PTN sử dụng aptomat pha hang LS sản xuất Hàn Quốc: - Mã hiệu: BKN-3P - Số cực: - Điện áp định mức :400 VAC - Tần số: 50/60 Hz - Dòng cắt định mức: 3A - Dòng cắt: 6000 A 10 2.4.4 Nguồn AC - DC 24V Hình 2.25 Bộ chuyển nguồn AC - DC 24V Nguồn AC - DC 24V có nhiệm vụ chuyển nguồn xoay chiều 220V thành nguồn chiều 24V để cấp nguồn cho PLC LOGO rơle hoạt động Các thông số nguồn tổ ong: - Điện áp đầu vào: AC 220V - Điện áp đầu ra: DC 24V – 5A - Công suất: 120W - Điện áp điều chỉnh: +/-10% 2.5 SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY CỦA HỆ THỐNG ĐO ĐIỆN NĂNG PHA TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM Nguồn pha đưa vào AT để cấp nguồn cho công tơ hoạt động Các đầu công tơ đấu tải để đo điện Nguồn pha từ bảng nguồn đầu vào bảng cấp nguồn cho hệ thống tự động chuyển mạch đồng hồ Nguồn lưới đấu với attomat 1, nguồn dự phòng đấu với attomat sau attomat cấp nguồn cho contactor1, attomat cấp nguồn cho contactor 2, qua biến dòng nối đến phụ tài Bộ điều khiển LOGO cấp nguồn từ chuyển nguồn, rơ le trung gian kết nối với LOGO, Đồng hồ đo đa nối với biến dịng thơng qua dây điều khiển nối với máy tính thơng qua cổng RS485 37 38 Hình 2.26.Sơ đồ dây mơ hình đo điện cơng tơ điện 39 Hình 2.27.Sơ đồ dây mơ hình đo điện đồng hồ đa CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HỆ THỐNG 3.1 MƠ HÌNH HỆ THỐNG Hình 3.1: Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống đo điện pha cấp nguồn pha dây phịng thí nghiệm đấu nối với tải thơng qua cầu đấu Các thiết bị lắp đặt bảng mạch chế tạo vật liệu thép sơn tĩnh điện Dây dẫn đấu nối cho thiết bị quy định sau: pha R – dây màu đỏ, pha S – dây màu vàng, pha T – dây màu xanh, dây trung tính – dây màu đen Mơ hình chia làm bảng nhỏ: - Bảng thực đo điện công tơ điện: 40 Hình 3.2: Mơ hình đo điện cơng tơ điện Mơ hình gồm có thiết bị sau: + Aptomat pha thực chức đóng cắt nguồn lưới pha phịng thí nghiệm + Công tơ pha dùng để đo điện pha + Công tơ pha dùng để đo điện pha + Công tơ pha điện tử dùng để đo điện pha hiển thị dòng áp nguồn điện - Bảng thứ thực đo điện đồng hồ đa MFM384 – C: 41 Hình 3.3: Mơ hình đo điện đồng hồ đa MFM384 – C Nguồn pha có dây trung tính cấp cho mơ hình lấy từ bảng Mơ hình gồm có: + Hai aptomat AT1, AT2 công tắc tơ CTT1, CTT2 thực chức đóng cắt nguồn lưới nguồn dự phòng + aptomat pha làm nhiệm vụ cấp nguồn bảo vệ cho PLC LOGO!, thiết bị bù đồng hồ đo đa MFM384 – C + LOGO! rơle thực việc đóng cắt nguồn lưới tự động + Các biến dòng BD1, BD2, BD3 đo lường điện pha đưa tín hiệu đồng hồ đo + Đồng hồ đo đa MFM384 – C + Bộ điều khiển tụ bù APFC 336 + Đèn cảnh báo cố pha, nguồn 42 3.2 KẾT QUẢ ĐO ĐIỆN NĂNG MẠNG ĐIỆN TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM Khi mơ hình cấp nguồn tải đồng hồ đo hoạt động Thông tin đo lường từ thiết bị đo truyền đồng hồ đo Khi đồng hồ đo đưa kết điện mạng điện phịng thí nghiệm sau: - Khi tải hoạt động cơng tơ pha thực đo lượng hữu công (kWh) số hiển thị mặt đồng hồ - Điện áp pha: V1 = 217.1 V V2 = 224.9 V V3 = 224.8 V Trung bình cộng điện áp pha 222.3 V - Điện áp dây: V12 = 384.0 V V23 = 385.3 V V31 = 385.4 V Trung bình cộng điện áp dây 384.9 V - Tỉ lệ phần trăm điện áp pha: %V1 = 2.5% %V2 = 2.0% %V3 = 2.2% Trung bình cộng tỉ lệ phần trăm điện áp pha 2.2% - Tỉ lệ phần trăm điện áp dây: %V12 = 0.5% %V23 = 0.5% %V31 = 0.5% Trung bình cộng tỉ lệ phần trăm điện áp dây 0.5% - Dòng điện pha: I1 = 0.265 A I2 = 0.279 A 43 I3 = 0.274 A IN = - Giá tri lớn yêu cầu dòng điện pha: I1 = 0.727 A I2 = 0.753 A I3 = 0.736 A Trung bình cộng giá trị lớn yêu cầu dòng điện pha 0.730A - Tỉ lệ phần trăm dòng điện pha: %I1 = 0.0% %I2 = 0.0% %I3 = 5.2% Trung bình cộng tỉ lệ phần trăm dòng điện pha 1.7% - Tần số pha: F1 = 50.08 Hz F2 = 50.07 Hz F3 = 50.08 Hz Trung bình cộng tần số pha 50.08 Hz - Hệ số công suất pha: Cosϕ1 = 0.264 Cosϕ = 0.188 Cosϕ1 = 0.291 Trung bình cộng hệ số công suất pha 0.247 - Công suất tác dụng pha : P1 = 0.015 kW P2 = 0.012 kW P3 = 0.018 kW Tổng công suất tác dụng 0.045kW 44 - Công suất phản kháng pha: Q1 = 0.056 kVAr Q2 = 0.062 kVAr Q3 = 0.059 kVAr Tổng công suất phản kháng 0.176 kVAr - Công suất biểu kiến pha: S1 = 0.058 kVA S2 = 0.063 kVA S3 = 0.061 kVA Tổng công suất biểu kiến 0.182 kVA - Giá trị lớn yêu cầu công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến: P = 0.143 kW Q = 0.474 kVAr S = 0.493 kVA - Năng lượng tác dụng: 0.82 kWh - Năng lượng phản kháng: 3.16 kVArh - Năng lượng biểu kiến: 3.29 kVAh Từ thông số đo mạng điện phịng thí nghiệm trên, ta thấy thơng số hồn tồn đúng, độ xác cao, sai lệch khơng đánh kể Qua đó, ta có kết luận hệ thống đo thông số mạng điện phịng thí nghiệm hoạt động ổn định, tin cậy tốc độ xử lý thông tin nhanh 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Sau thời gian ngắn thực làm đồ án tốt nghiệp, hướng dẫn tận tình thầy giáo TS.Đặng Hồng Hải với nỗ lực thân đến em hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Xây dựng module đo điện ba pha phòng thí nghiệm” Q trình thực đồ án tốt nghiệp giúp em củng cố lại kiến thức học hiểu thêm nhiều mơ hình thực tế Trong đề tài tốt nghiệp em giải vấn đề sau: Thiết kế cấu trúc hệ thống đo điện pha PTN Lựa chọn thiết bị cho hệ thống đo điện pha PTN Mơ hình hệ thống KIẾN NGHỊ Tuy nhiên, thời gian nghiên cứu đồ án tốt nghiệp khơng nhiều, trình độ chun mơn em hạn chế Mặt khác, việc thu thập tài liệu cịn nhiều khó khăn trở ngại điều kiện khách quan khác tránh khỏi thiếu sót Em mong thầy giáo khoa bạn giúp đỡ em, đóng góp ý kiến để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Bội Khê, Cung Cấp Điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Bùi Đức Sảnh, Giáo trình khí cụ điện, 2009 [3] www.simensupport.com 47 NHẬN XÉT TĨM TẮT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tinh thần thái độ, cố gắng sinh viên trình làm luận văn: Đánh giá chất lượng luận văn tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đề mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh vẽ): Chấm điểm giáo viên hướng dẫn (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày tháng năm 2016 Giáo viên hướng dẫn TS.Đặng Hồng Hải 48 ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Đánh giá chất lượng luận văn tốt nghiệp mặt: thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý thuyết, vận dụng vào điều kiện cụ thể, chất lượng thuyết minh vẽ, mơ hình (nếu có), ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn: Chấm điểm giáo viên phản biện (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày tháng năm 2016 Giáo viên phản biện 49