Hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công bao gồm tất cả các thiết bị thuộc các hệ
thống tại đập tràn, cửa nhận nước, cửa hạ lưu, ngoài ra còn có thể có các cửa đập
điều hoà hay cửa xả đáy trong các dự án cụ thể. Các hệ thống thiết bị tại cửa nhận nước và tại đập tràn đã được mô tả trong mục 1.2 của Chương 1.
Phần thiết bị tại cửa hạ lưu các nhà máy thuỷ điện thông thường chỉ có các cửa van vận hành bằng cầu trục chân dê, tời điện đểđóng hoặc mở trong trường hợp cần
thiết. Thông thường các cầu trục hay các tời điện này được cung cấp đồng bộ và
chúng ta không cần xét vấn đềđiều khiển chúng trong đề tài này. Trong một vài dự
án có thể cấp nguồn động lực cho nó qua các tủ phân phối tự dùng đặt trong phòng
điều khiển của nhà máy. Đôi khi chúng lại được cấp nguồn từ tủ phân phối tại cửa nhận nước hay tủ phân phối tại đập tràn nếu khoảng cách đến đó gần hơn.
Hệ thống các cửa xảđáy và thiết bị đập điều hoà nếu có trong dự án nào đó thì
sẽ tính toán cụ thể cho nó. Vì đó là những hệ thống không phổ biến trong các nhà
máy thuỷđiện, nên chúng ta sẽ không xem xét chúng chi tiết ởđây.
Vậy tính toán thiết kế nguồn động lực trong pạm vi luận văn này sẽ nhằm tính toán thiết kế các hệ thống động lực tại đập tràn và cửa nhận nước. Cũng như trong
các hệ thống cấp nguồn quan trọng khác, thông thường các hệ thống nguồn động
lực cho hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công được cấp từ 02 nguồn độc lập (một từ
máy biến áp tự dùng và một từ lưới điện địa phương hay nguồn máy phát dự
phòng). Như vậy chúng ta sẽ phải tính toán thiết kế cho hệ thống động lực đảm bảo cấp nguồn liên tục qua bộ ATS cho các hộ tiêu thụ điện tại đập tràn và cửa nhận nước như sau:
- Các cầu trục và các tời điện, - Các trạm điều khiển tại chỗ,
- Trạm điều khiển từ xa (điều khiển nhóm), - Tủ thiết bịđo mức nước,
- Tủ thiết bị còi báo lũ,
47
Việc tính toán, thiết kế cho hệ thống nguồn động lực cho các thiết bị cơ khí thuỷ
công cũng tuân thủ theo các tiêu chuẩn tính toán thiết kế được chấp nhận tại mỗi
quốc gia. Tại Việt nam, chúng ta chấp nhận nhiều loại tiêu chuẩn có tính chất Quốc tế như IEC, DIN, JIS, TCVN, ... Cụ thể việc tính toán thiết kế cấp nguồn động lực ở
đây áp dụng các tiêu chuẩn sau:
- Các thiết bịđóng cắt, phân phối điện sử dụng trong đề án được lựa chọn và thiết
kế phù hợp các tiêu chuẩn IEC60947-1; IEC60947-2; IEC60947-4-1; IEC60947-5-
1; và các tiêu chuẩn Việt nam: TCVN3724-82; TCVN4912-89; TCVN6592-2;
TCVN6615-1; TCVN 3661-81; TCVN4306-86.
- Các thiết bị bảo vệ trong toàn hệ thống được lựa chọn và thiết kế theo các tiêu
chuẩn IEC60947-1; IEC60947-2 và các tiêu chuẩn Việt nam: TCVN6592-1;
TCVN6951-1. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Hệ thống nối đất chống sét và bảo vệ xung áp được thiết kế theo các tiêu chuẩn:
DIN VDE 0675, IEC 61643-1; Mỹ NEMA LS-1; úc NZS/AS 1768-1991; Pháp NF
C 17-102; TCVN4756-89.
- Cáp điện các loại được lựa chọn và thiết kế phù hợp các tiêu chuẩn: IEC 227,
IEC228, IEC287, IEC502, và TCVN5935; TCVN5933.
- Tiêu chuẩn cho vỏ bảo vệ thiết bị: IP21, IP41 hay chịu nước IP43, IP45.
Phương pháp tính toán thiết kế mạch động lực tương đối đơn giản, quan trọng là chúng ta xác định được công suất tiêu thụ thực tế của các hộ tiêu thụđể thiết kế cho phù hợp nhất. Nếu xác định được công suất thực tế, thì dòng điện pha tính toán của tải sẽđược tính theo công thức (2.6).
ϕ cos 3U P I tt tt = , (2.6) trong đó: Ptt - công suất định mức thực tế của tải. U, I - lần lượt là điện áp, dòng điện danh định.
48
Trong thực tế việc xác định công suất tiêu thụ thực tế chính xác của cả hệ thống
là tương đối phức tạp, nó tuỳ thuộc vào quy trình vận hành, công nghệ cũng như
chu trình lặp lại của các thiết bị cơ khí thuỷ công. Nếu gọi Pi là công suất định mức của thiết bị thứ i (i = 1-n), tại một thời điểm số các thiết bị vận hành đồng thời lớn nhất là j (j = 1- m <= i). Thì công suất định mức thực tế của nhóm tải tại thời điểm cao nhất sẽ tính bằng 0,8xP, P là công suất lớn nhất như công thức (2.7):
∑ = × = m j tt P P P P 1 max max 8 , 0 (2.7)
Từ dòng điện tải tính toán được trong (2.1), chúng ta sẽ tính toán được cáp lực, cũng như các thiết bịđóng cắt theo bảng tra của các nhà sản xuất thiết bị theo các tiêu chuẩn đã nêu trong phần trên. Cụ thể:
- Tính toán cáp điện: căn cứ vào dòng điện cho phép của nhà sản xuất, chúng ta sẽ chọn được cáp lực có tiết diện sao cho:
k I
Icp≥ tt× (2.8)
Với k là hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của thiết bị như hệ số
khởi động của động cơ, khả năng dự phòng, độ sụt áp trên đường dây. Thông
thường tính toán cho hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công, khoảng cách từ tủ điều khiển tới thiết bị là ngắn (trong phạm vi 50 m), ta thường lấy k = 1,25.
- Tính toán các thiết bịđóng cắt: Căn cứ vào dòng điện tính toán của lộ tiêu thụ,
và dòng điện cho phép đảm bảo các yêu cầu bảo vệ của nhà sản xuất, chúng ta sẽ
chọn được các thiết bịđóng cắt theo yêu cầu.
Đối với áp tô mát, chúng ta phải chọn sao cho:
tt Ap
cp I
I _ ≥(1,2÷1,5)× (2.9)
Đối với công tắc tơ, thì ngoài việc chọn dòng định mức đảm bảo theo yêu cầu và
phù hợp với thông số của Nhà sản xuất, chúng ta còn phải quan tâm đến hệ số phát
nóng của thiết bị. Cụ thể là trong 8 giờ hoạt động liên tục phải đảm bảo nhiệt độ của cuộn hút không vượt quá 900C và nhiệt độ tại các tiếp điểm chính của công tắc tơ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
49
Đối với thiết bị bảo vệ nhiệt như rơle nhiệt chúng ta phải quan tâm đến đặc tính ampe – giây (AS) của thiết bị, sao cho đặc tính AS của rơle bảo vệ cao hơn so với
đặc tính AS của thiết bị cần bảo vệ như trên Hình 2.4
Đặc tính cơ bản của rơle nhiệt là quan hệ giữa thời gian tác động và dòng điện phụ tải chạy qua. Mặt khác, đểđảm bảo yêu cầu giữđược tuổi thọ lâu dài của thiết bị theo đúng số liệu kỹ thuật đã cho của nhà sản xuất, các đối tượng cần bảo vệ
cũng có đường đặc tính thời gian dòng điện (đường 1).
Lựa chọn đúng đắn rơle nhiệt là sao cho có được đường đặc tính AS của rơle
(đường 2) gần sát đường đặc tính ampe-giây của đối đượng cần bảo vệ (đường1).
Chọn thấp quá sẽ không tận dụng được công suất động cơđiện, chọn cao quá sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị cần bảo vệ.
Trong thực tế cách lựa chọn phù hợp là chọn dòng điện định mức của rơle nhiệt bằng dòng điện định mức của động cơđiện cần bảo vệ, và rơle tác động ở giá trị
bằng (1,2-1,3) lần dòng điện định mức (đường3).
Ngoài việc tính toán các thiết bị cơ bản như cáp điện, các thiết bịđóng cắt nêu ở
trên, trong tính toán hệ thống động lực cho các hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công, cũng như các hệ thống điều khiển khác, bao giờ cũng yêu cầu phải tính toán và chọn lựa cho các thiết bị hiển thị, điều khiển và kết nối với hệ thống tựđộng
50
cho các thiết bịđộng lực. Phần này sẽđược nêu chi tiết trong mục 2.2.1 về việc lựa chọn các thiết bịđộng lực.
2.1.1 Tính toán thiết kế trạm điều khiển tại chỗ
Để tính toán, thiết kế cho trạm điều khiển tại chỗ hệ thống điều khiển thuỷ lực, trước hết chúng ta có sơđồ khối cấu trúc trạm điều khiển tại chỗ như Hình 2.2. Bao
gồm các khối sau:
- Khối các thiết bịđóng cắt và bảo vệ nguồn động lực; - Khối vận hành;
- Khối điều khiển bao gồm các PLC, các môđun vào/ ra và các rơle;
- Khối trạm thuỷ lực và các cơ cấu chấp hành; - Khối trạm điều khiển từ xa.
Trong đó khối các thiết bị đóng cắt và bảo vệ nguồn động lực được tính toán trong phần trên (mục 2.1.4). Khối trạm điều khiển từ xa có sơđồ như Hình 2.3 được
trình bày trong mục 2.1.6. Như vậy trong phần này chúng ta sẽ quan tâm tính toán
thiết kế cho 03 khối là khối vận hành, khối điều khiển và khối thiết bị thuỷ lực cùng các thiết bị chấp hành.
a) Khối vận hành:
Như mục 2.1.1 đã khái quát, khối vận hành tại trạm điều khiển tại chỗ bao gồm các đồng hồ hiển thị các tín hiệu đo lường động lực cũng như điều khiển, các đèn tín hiệu chỉ dẫn cho người vận hành và các nút ấn điều khiển, các công tắc lựa chọn.
- Về khối hiển thị trạng thái động lực hệ thống bao gồm các đồng hồđo điện áp, dòng điện. Trong đó các đồng hồ đo dòng điện của các bơm dầu và của hệ thống
được tính toán chọn TI (Current transformer) phù hợp với tải tiêu thụ và phù hợp
với đồng hồ. Thông thường các TI cho các trạm điều khiển tại chỗ được chọn là
150/5A hay 150/1A cho mạch nguồn và 50/5A hoặc 50/1A cho mạch động cơ bơm
dầu. Tuỳ vào yêu cầu cụ thể của dự án mà cuộn thứ cấp của TI chọn là 5A hay 1A và do đó chúng ta phải chọn đồng hồ hiển thị phù hợp với TI đã chọn. Cấp điện áp sử dụng trong hệ thống điều khiển trạm tại chỗ thường là 0,4 KV, do đó các đồng hồđo điện áp sẽ là loại 400 VAC. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
51
- Thiết bị hiển thị độ mở cửa van: Ngoài các đèn tín hiệu chỉ trạng thái của cửa trong hầu hết các dự án đều yêu cầu phải hiển thịđộ mở của cửa van một cách liên
tục từ 0% đến 100% ra dạng mét hay cm. Chúng ta hoàn toàn có thể lựa chọn nhiều
loại đồng hồ hiển thị khác nhau, tuy nhiên yêu cầu chiều cao của LED hiển thị phải
không nhỏ hơn 14 mm.
- Các đèn tín hiệu hiển thị trạng thái lỗi, trạng thái mức các cửa van, ... Nguyên tắc tính toán thiết kế phần này là đảm bảo tính hợp lý, tối ưu cho người vận hành.
Chúng được bố trí sao cho người vận hành có thể xác định rất nhanh vị trí các lỗi
của hệ thống để khắc phục, dễ dàng quản lý trạng thái của cửa van, các mức dầu trong các bình vận hành, trạng thái chốt treo,... Để làm điều đó, thông thường người
ta chia ra thành 02 khối hiển thị tín hiệu riêng biệt là khối các tín hiệu cảnh báo
(màu xanh) để hiển thị các trạng thái vận hành và khối báo lỗi (màu đỏ) để hiển thị
các lỗi vận hành.
- Các công tắc và nút vận hành được tính toán hợp lý nhất cho điều khiển mọi
hoạt động của hệ thống. Thường các động cơ có 01 nút ON (START) và 01 nút
OFF (STOP) cho mỗi động cơ bơm dầu hay lọc dầu. Đối với các động cơ chốt treo,
dạng đảo chiều, thì phải có thêm nút chốt (RIGHT) hay nhả (LEFT) thay cho nút
ON. Đối với việc điều khiển nâng hạ cửa van sẽ có 03 nút là mở (OPEN), dừng
(STOP) và đóng (CLOSE). Các tổ hợp cho mỗi động cơ hay khối chức năng được
bố trí sao cho hợp lý và thuận lợi nhất cho người vận hành. Hình 2.5 là ví dụ việc bố
trí các công tắc vận hành cho trạm điều khiển tại chỗ. Ngoài ra còn có bố trí các
công tắc lựa chọn phương thức vận hành AUTO/MANUAL, LOCAL/REMOTE,
52
b) Khối thiết bị thuỷ lực và cơ cấu chấp hành:
Khối thiết bị thuỷ lực và cơ cấu chấp hành về cấu trúc cơ bản nhưđã nêu trong
mục 1.2 thuộc chương 1. Trong đó công suất của các động cơ bơm dầu cũng như
bơm lọc dầu, động cơ chốt treo... được tính toán và đưa ra bởi bộ phận thiết kế cơ
khí và thuỷ lực. Căn cứ vào các số liệu công suất được cung cấp, chúng ta sẽ tính toán và chọn các thiết bịđộng lực phù hợp cho hệ thống thuỷ lực và các cơ cấu chấp
hành như mục 2.1.4 và phần thiết bị thuộc khối vận hành như đã nêu ở trên. Hình
2.6 chỉ ra nguyên lý tạo ra lực cơ học của xi lanh thuỷ lực.
Trong phần này chúng ta còn cần phải quan tâm đến số lượng và yêu cầu cụ thể
của các van điện từ cho nâng hạ cửa van. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
FILTER STOP FILTER START ALARM REMOTE MANUAL HORN TEST AUTO LOCAL REMOTE LOCAL PUMP1 PUMP2 BOTH AUTO MANUAL EMERGENCY STOP LAMP TEST MUTE HORN
PUMP STOP OPEN GATE STOP CLOSE MAIN POWER PUMP1 READY PUMP1 RUNNING GATE OPENING GATE HIGH
PUMP2 READY PUMP2 RUNNING GATE CLOSING GATE LOW p LUG s PARE STOP Pl u g START WARNING Un p l u g PUMP START
53
Hầu như trong các hệ thống thuỷ lực dùng cho điều khiển nâng hạ các thiết bị
cơ khí thuỷ công dùng các van điện từ là loại 24VDC, các van thông dụng có công
suất max cỡ 7W. Vì vậy chúng ta phải lưu ý tính toán nguồn một chiều DC cho hệ
thống. Nếu chọn bộ nguồn một chiều loại DC24V-10 A, thì công suất nuôi có thể sử
dụng là:
PDC =UDC×IDC =24×10=240(W) (2.10)
Nếu gọi công suất tiêu thụ của các van là Pv , số lượng van trong trạm tại chỗ
yêu cầu là n, thì tổng công suất yêu cầu cho điều khiển van là nPvvà chúng ta
thường phải chọn công suất bộ nguồn nuôi DC cho các van sao cho vừa đảm bảo
vận hành an toàn cho hệ thống, vừa phải đảm bảo công suất dư cho đường dây và
tuổi thọ cao cho hệ thống, tức là: v DC n P P ≥ × × 2 3 (2.11)
Tóm lại, trong phần tính toán thiết kế cho khối thuỷ lực và các cơ cấu chấp hành
chúng ta phải có được các thông số về công suất và các yêu cầu công nghệ. Vì công
việc chủ yếu của tính toán phần điện cho khối này là phần động lực, nên ta áp dụng
phần tính toán nêu trong mục 2.1.4.
Dầu áp lực P Dầu hồi áp lực thấp F Dầu áp lực P Dầu hồi áp lực thấp F Lực nâng, hạ Lực nâng, hạ
Hình 2.6: Lực nâng, hạ của xi lanh thuỷ lực và hướng tác
54
c) Khối điều khiển:
Việc tính toán, thiết kế cho khối này sẽ bao gồm việc tính toán thiết kế cho thiết bị lập trình PLC, chương trình điều khiển và các rơle điều khiển. Bao gồm cả các phần tính toán cho mạch cấp nguồn điều khiển AC và cả bộ nguồn DC.
- Trước hết việc tính toán thiết kế và lựa chọn thiết bịđiều khiển lập trình PLC cần phải căn cứ theo vào các số liệu sau:
1. Kiểu, loại (kích cỡ) cho lắp đặt, 2. Số lượng các đầu vào/ra,
3. Bộ nhớ chương trình cần thiết (từ 1K trở lên),
4. Số lượng môđun vào/ra, phải tính cả dự phòng khi mở rộng dự án,
5. Thời gian thực hiện 1 lệnh hay 1 Kbytes chương trình,
6. Kiểu truyền thông cần thiết cho truyền dữ liệu qua lại giữa các PLC, 7. Phần mềm lập trình điều khiển sử dụng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Việc tính toán và lựa chọn thiết bị lập trình phù hợp được thực hiện theo các
bước sau:
1.Nắm chắc các thông tin vềđối tượng và chu trình yêu cầu điều khiển gồm: - Liệt kê số lượng và kiểu các tín hiệu đầu vào/ra,