a. Sơ đồ mạch.
Ta dùng một contactor có cặp tiếp điểm thường đóng – thường mở như hình vẽ.
Hình 3.2.Sơđồ thiết kế phương án sử dụng một contactor.
b. Thuyết minh:
- Trong phương án thiết kế này ta chọn nguồn 1 là nguồn chính và nguồn 2 là nguồn dự phòng. Nguồn chính là lưới , nguồn dự phòng thường là máy phát.
- Cuộn hút của contactor được cấp điện trực tiếp từ nguồn 1.
- Khi nguồn 1 có điện, cuộn hút sẽ hút làm các tiếp điểm thường mở K1 và K3 đóng lại, các tiếp điểm thường đóng K2 và K4 mở ra. Tải được cấp điện theo đường L1 – K1 – tải – K3 – N2.
- Khi nguồn 1 mất điện, cuộn hút nhả làm tiếp điểm thường mở K1và K3 mở ra, đồng thời làm các tiếp điểm thường đóng K2 và K4 đóng lại. Tải được cấp điện theo đường L2 – K2 – tải – K4 – N1. 3.1.3. Nhận xét phương án. a. Ưu điểm. - Đấu nối đơn giản. - Vận hành tựđộng và liên tục.
SVTH: Nguyễn T.T Hường 18
- Chi phí thấp.
- Trong các mach điện đơn giản và ít khi phải chuyển nguồn.
b. Nhược điểm.
- Kém an toàn do không có thời gian trễ giữa đóng và mở các tiếp điểm.
- Không kiểm tra được nguồn dự phòng.
- Khi nguồn nuôi cuộn hút không ổn định, các tiếp điểm dễ bịđóng mở liên tục.
- Không có sẵn, phải đặt hàng nên giá thành sẽ cao hơn mức bình thường.
- Chỉ chuyển đổi được tối đa giữa 2 nguồn.
3.2. Dùng hai contactor.
3.2.1. Phương thức vận hành.
a. Yêu cầu.
- Tựđộng chuyển được tải sang nguồn dự phòng khi nguồn chính mất điện. - Có tạo trễ khi đóng và cắt mạch giữa 2 contactor và kiểm tra được độ tin cậy.
b. Phương thức.
Quy ước nguồn chính là lưới và nguồn dự phòng là máy phát.
Hình 3.3.Phương thức hoạt động của hệ thống tựđộng chuyển đổi nguồn dự phòng dùng 2 contactor.
Ở chếđộ tựđộng.
SVTH: Nguyễn T.T Hường 19
+ Tải được đóng vào lưới, máy phát ở chếđộ bình thường, chưa khởi động.
- Khi nguồn lưới mất điện
+ B1: phát lệnh cắt phụ tải khỏi nguồn chính. + B2: sau 5s, phát lệnh khởi động máy phát.
+ B3: khi máy phát đã chạy ổn định, phát lệnh đóng tải vào máy phát. - Khi nguồn lưới có điện trở lại:
+ B1: kiểm tra trong 2 phút đểđảm bảo điện lưới ổn định.
+ B2: phát lệnh cắt tải khỏi máy phát đồng thời đóng tải vào lưới. + B3: phát lệnh dừng máy phát sau 5 phút chạy không tải.
Ở chếđộ bằng tay.
- B1: chuyển khóa về chếđộ bằng tay.
- B2: vận hành các thiết bị hoàn toàn bằng tay và dưới sự chỉđạo của con người.
3.2.2. Thiết kế phương án.
a. Sơ đồ.
Ta dùng 2 contactor MC.L và MC.F, 2 relay trung gian R1 và R2, 3 relay thời gian T1, T3 và T4 bố trí theo mạch dưới đây:
SVTH: Nguyễn T.T Hường 20 UVR.L UVR.F MC.L MC.F R1 UVR.L R1 MC.F MC.L T1 T4 R2 UVR.F MC.F MC.L T3 UVR.L T3 R5 DE MAY PHAT L0 M A (0) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) T4
DUNG MAY PHAT T1
N0 R2
(8)
Hình 3.4.Sơđồ thiết kế phương án sử dụng hai contactor.
b. Chức năng các phần tử trong sơ đồ:
MC.L : contactor điều khiển đóng/cắt giữa lưới và tải. MC.F : contactor điều khiển đóng cắt giữa máy phát và tải. UVR.L : relay kém áp kiểm tra điện áp phía nguồn lưới. UVR.F : relay quá áp kiểm tra điện áp phía nguồn máy phát. R1 : relay trung gian cấp điện cho mạch MC.L
R2 : relay trung gian cấp điện cho mạch MC.F
T1 : tiếp điểm thường đóng, mở chậm của rơ le thời gian T1 T3 : tiếp điểm thường mở, đóng chậmcủa rơ le thời gian T3 T4 : tiếp điểm thường mở, đóng chậm của rơ le thời gian T4
c. Thuyết minh:
SVTH: Nguyễn T.T Hường 21
Nguồn chính là nguồn lưới, nguồn dự phòng là máy phát. Ban đầu, điện lưới đang làm việc bình thường và chưa khởi động máy phát.
- Trạng thái làm việc bình thường của lưới.
+ Do lưới đang có và máy phát chưa được khởi động nên rơle kém áp của lưới chưa có điện, rơle quá áp nối vào máy phát chưa có điện tức là tiếp điểm UVRLnhánh (0) đang đóng và UVRFnhánh (4) đang mở.
+ Cuộn hút của contactor MC.L có điện, tiếp điểm chính của nó đóng vào, tải đang đóng vào lưới.
+ Cuộn hút của contactor MC.F không có điện nên tải đang ở trạng thái cắt khỏi máy phát.
+ Rơ le thời gian T4 nhánh (2) được cấp điện nên T4 nhánh (8) có điện, mạch ngừng máy phát có điện.
- Khi lưới mất điện.
+ Rơ le kém áp UVRL sẽ có điện, các tiếp điểm của nó đảo trạng thái.
+ Tiếp điểm thường đóng UVR.L nhánh (0) mở ra làm rơ le trung gian R1 mất điện
+ Tiếp điểm thường mở R1 ở nhánh (1) mở ra làm nhánh (1), (2), (3) hở mạch. Làm cho cuộn hút contactor MCL nhánh (1) mất điện. Tiếp điểm chính của nó mở ra – tải được cắt khỏi lưới, đồng thời làm tiếp điểm thường mở MCL nhánh (5) mất điện.
+ Đồng thời các rơ le thời gian các T4 nhánh (2),T1 nhánh (3) mất điện. + Tiếp điểm T1 nhánh (5) đóng lại (tiếp điểm thường đóng, mở chậm) + Tiếp điểm T4 nhánh (8) mở ra (tiếp điểm thường mở, đóng chậm)
+ Tiếp điểm thường mở UVR.Lnhánh (6) đóng lại cấp điện cho rơ le thời gian T3 nhánh (6)
+ Sau một khoảng thời gian T3 nhánh (7) đóng vào (tiếp điểm thường mở, đóng chậm) cấp điện cho mạch đề máy phát- máy phát được khởi động. + Giả sử máy phát khởi động thành công, tức là rơ le quá áp UVRF có điện. + Tiếp điểm UVRF nhánh (4) có điện cấp điện cho rơ le trung gian R2.
+ Tiếp điểm thường mở R2 nhánh (5) đóng lại, trong khi đó các tiểm khác ở nhánh (5) là R2, MCL đều đang đóng nên cuộn hút của contactor MCF có điện, làm tiếp điểm chính của nó đóng vào. Tải được đóng vào máy phát. + Lúc này tiếp điểm thường đóng MCF nhánh (1) mở ra.
+ Ta thấy sau khi mất điện, ta cần mất khoảng thời gian khá lâu để khởi động máy phát, và sau đó mới được đóng vào lưới.
SVTH: Nguyễn T.T Hường 22
- Khi lưới có điện trở lại.
+ Rơ le kém áp UVRL mất điện, lúc này rơ le quá áp UVRF vẫn đang có điện. + Các tiếp điểm của UVRL một lần nữa đảo trạng thái. Tiếp điểm UVRL nhánh
(0) đóng lại, nhánh (6) mở ra.
+ Rơ le trung gian T1 nhánh (0) có điện, rơ le trung gian T3 nhánh (6) mất điện
+ Tiếp điểm R1 nhánh (1) đóng vào cấp điện cho T1. Do lúc này MCF nhánh (1) vẫn đang mở nên cuộn hút contactor MCL nhánh (1) và rơ le thời gian T4 nhánh (2) chưa có điện.
+ Sau 1 khoảng thời gian khi rơ le thời gian T1 có điện thì tiếp điểm T1 nhánh (5) mới mở ra ngừng cấp điện cho cuộn hút của contactor MCF nhánh (5). + Khi đó tiếp điểm chính của nó mở ra. Tải được cắt khỏi máy phát, đồng thời
tiếp điểm MCF nhánh (1) đóng lại.
+ MCF nhánh (1) đóng lại, đồng thời R1 nhánh (1) cũng đang đóng nên cuộn hút của contactor MCL nhánh (1) có điện, tiếp điểm chính của nó đóng lại. Tải được đóng vào lưới. Ta thấy khi chắc chắn tải bị cắt khỏi máy phát thì mới được phép được đóng vào lưới mặc dù lưới đã có trước đó một khoảng thời gian.
+ Đồng thời T4 có điện, nhưng do tiếp điểm T4 nhánh (8) là tiếp điểm thường mở, đóng có thời gian nên sau một thời gian mới đóng vào, tức là sau khi cắt tải khỏi máy phát, ta vẫn để máy phát chạy không tảimột thời gian rồi mới ngừng máy phát. Tránh việc dừng ngay máy phát, có thể dẫn tới hư hỏng.
Ở chếđộ bằng tay.
Tất cả các thao tác do người vận hành điều khiển.
3.2.3. Nhận xét phương án. a. Ưu điểm. a. Ưu điểm. - Có kiểm tra điện áp nguồn dự phòng. - Có 2 chếđộ vận hành là tựđộng và bằng tay. - Có thời gian trễ khi đóng mở các tiếp điểm chính. b. Nhược điểm. - Đấu nối và vận hành phức tạp. - Khó thay đổi phương thức vận hành. - Sử dụng nhiều thiết bị. - Không kinh tế. - Tính thNm mỹ không cao.
SVTH: Nguyễn T.T Hường 23
CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NGUỒN TỰ ĐỘNG DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
Các phương thức đã thiết kế đều có những hạn chế nhất định, nếu dùng 1 contactor thì không kiểm tra được nguồn dự phòng, không an toàn còn nếu dùng 2 contactor kết hợp với các rơle thì mạch đấu nối khá phức tạp đồng thời vấn đề kinh tế và thNm mỹ không cao. Trong chương này ta sẽ dùng bộ điều khiển để thay thế những nhược điểm chính của phương pháp đã thiết kế.
Trước khi thiết kế hệ thống chuyển đổi nguồn tựđộng ta cần phải đi tìm hiểu vể bộ điều khiển lập trình. Theo như chương 2 ta đã thấy có khá nhiều bộ điều khiển lập trình của nhiều hãng khác nhau. Tuy nhiên bộ lập trình zen của hãng ormon đáp ứng đầy đủ về mặt kỹ thuật cũng như tính kinh tế nên trong đồ án này ta chỉ chủ yếu tập dùng bộđiều khiển zen để lập trình các phương thức khác nhau.
4.1. Bộ điều khiển lập trình zen của ormon
4.1.1. Tổng quan về Zen.
Hình 4.1.Hình ảnh bộ zen thực tế
- Zen là một PLC cỡ nhỏ được cung cấp bởi hãng OMRON (Nhật) sản xuất năm 2001.
SVTH: Nguyễn T.T Hường 24
- Zen còn được gọi là hệ rơ-le lập trình được (Programable relays) với nhiều ưu điểm nổi bật..
- Tiết kiệm khi điều khiển tựđộng hóa cỡ nhỏ: một bộ xử lý trung tâm cung cấp 12 đầu vào và 8 đầu ra (đối với khối CPU 20 cổng vào ra).
- Hoạt động dễ dàng với một hệđiều khiển giá rẻ: lập trình ladder trực tiếp từ bộ xử lý trung tâm. Chương trình ladder có thể dễ dàng được copy.
Hình 4.2.Kích thước bộ zen với các đầu ra tương ứng.
- Bảng điều khiển nhỏ gọn: Zen có kích thước rất nhỏ 90 x 70 x 56 (chiều cao x chiều rộng x chiều sâu) nên rất thuận lợi cho việc lắp đặt.
- Dễ dàng trong việc lắp ráp và nối dây: việc gá đặt bộ Zen vô cùng dễ dàng nhờ một rãnh nhỏ phía sau. Sẵn có các Timer và Counters vì vậy chỉ cần nối dây cho nguồn cấp và các cổng vào ra. Thao tác kết nối đơn giản, chỉ cần dùng một tuốc-nơ-vít.
- Có thể kết hợp dễ dàng với các module mở rộng để tăng số lượng các đầu vào/ra: số lượng đầu vào/ra của Zen có thể lên tới 24 đầu vào và 20 đầu ra nhờ kết hợp thêm 3 module mở rộng.
- Biện pháp khắc phục khi mất điện: EEPROM vẫn lưu trữ chương trình và dữ liệu cài đặt hệ thống khi không cấp điện tới Zen. Các dữ liệu về thời gian, counter, holding timer và các bit làm việc vẫn được lưu nhờ sử dụng một nguồn nuôi.
- Dễ dàng copy và lưu trữ chương trình bằng một băng từ nhớ.
- Có thể lập trình và theo dõi kiểm tra hoạt động từ một máy vi tính nhờ phần mềm mô phỏng kèm theo.
- Dung lượng đóng cắt lớn hơn: công tắc đầu ra có thể chịu dòng 8A (250 VAC) và các công tắc đều độc lập với nhau.
SVTH: Nguyễn T.T Hường 25
- Có đầu vào xoay chiều và một chiều: đối với CPU có nguồn cấp đầu vào vao xoay chiều, có thể kết nối trực tiếp với điện áp từ 100V ÷ 240V
- Lập trình dễ dàng: có thểđặt cho bit đầu ra 3 trạng thái hoạt động khác nhau. - Các Timer phong phú, mỗi Timer đều hỗ trợ 5 kiểu hoạt động và 3 kiểu thang
chia thời gian cùng với 8 Holding Timers có thể giữ trạng thái Timer khi nguồn cấp bị ngắt.
- Counter có thể đếm tăng và đếm giảm. Có sẵn 16 Counter có thể điều khiển đếm tăng hoặc đếm giảm. Sử dụng bộ so sánh có thể lập trình cho nhiều đầu ra từ một Counter.
- Hỗ trợ Timer hoạt động theo ngày hoặc theo mùa. - Đầu vào tương tự trực tiếp.
- Ghi nhận được những thông số như ngày giờ và nhiều dữ liệu khác nhờ màn hình hiển thị.
- Có khả năng lọc nhiễu đầu vào.
- Chương trình có thểđược bảo vệ nhờ cài đặt password.
4.1.2. Đặc tính kỹ thuật
a.Đầu vào.
Hình 4.3.Sơđồđầu vào bộ Zen với nguồn nuôi AC
- Loại dùng nguồn AC:
+ Điện thếđầu vào: 100V ~ 240V (+10%/-15%), 50/60Hz. + Tổng trở đầu vào: 680kΩ.
+ Dòng điện đầu vào: 0,15mA ở 100V-AC và 0,35mA ở 240V-AC. + Điện thếđóng (mức 1): 80VAC min.
+ Điện thế mở (mức 0 ): 25VAC max.
SVTH: Nguyễn T.T Hường 26
+ Ở 100VAC là 50ms hay 70ms (dùng chức năng lọc nhiễu ngõ vào). + Ở 240VAC là 100ms hay 120ms (dùng chức năng lọc nhiễu ngõ vào) - Loại dùng nguồn DC:
Hình 4.4.Sơđồđầu vào bộ Zen với nguồn nuôi DC
+ Điện thếđầu vào: 24VDC (+10%/-15%). + Tổng trở đầu vào: 4,80kΩ.
+ Dòng điện đầu vào: 5mA.
+ Điện thếđóng (mức 1): 16VDC min. + Điện thế mở (mức 0): 5VDC max.
+ Thời gian đáp ứng cần thiết cho trạng thái đóng hay ngắt là 15ms hay 50ms (dùng chức năng lọc nhiễu ngõ vào).
c. Đầu ra
Hình 4.5.Sơđồ chung đầu ra bộ Zen.
SVTH: Nguyễn T.T Hường 27
- Tuổi thọ của rơle:
+ Vềđiện: 50,000 lần vận hành. + Về cơ: 10 triệu lần vận hành.
- Thời gian đáp ứng cần thiết khi đóng: 15ms. - Thời gian đáp ứng cần thiết khi ngắt: 5ms.
d. Đặc tính kỹ thuật chung.
- Nguồn cung cấp:
+ Loại AC: 100÷240 VAC (cho phép 85÷236 VAC). + Loại DC: 24 VDC (cho phép 20,4÷26,4 VDC). - Công suất tiêu thụ:
+ Loại AC: 30 VA max. + Loại DC: 6,5 VA max.
- Điện trở cách nhiệt giữa nguồn AC cung cấp và đầu nối đầu vào, đầu ra 20 MΩ min ở 500 VDC.
- Nhiệt độ mơi trường cho phép: 0°C đến 55°C. - ĐộNm môi trường cho phép: 10% đến 90%.
4.1.3. Các vùng nhớ.
a. Các đầu vào/ra, các bit làm việc và các bit có lưu.
Bảng 1.Tổng hợp các đầu vào/ra và bit làm việc có lưu của Zen
Tên Kiểu Địa chỉ
bit Số bit Chức năng
Bit đầu vào bộ xử lý trung tâm I 0 đến 5 6 CPU có 10 cổng vào/ra Phản ánh trạng thái đóng/mở của thiết bị đầu vào nối tới đầu vào
của Zen.
0 đến b 12 CPU có 20 cổng
vào/ra Bit đầu vào
khối module mở rộng
X 0 đến b 12 Phản ánh trạng thái đóng/mở của thiết bị đầu
vào nối tới đầu vào của khối module mở rộng. Bit đầu vào nút
ấn B 0 đến 7 8
Bật ON khi các nút hoạt động được ấn trong chế độ RUN
Bit so sánh
tương tự A 0 đến 3 4
Đầu ra là kết quả so sánh của đầu vào tương tự. có thể chỉ được sử dụng cho kiểu có điện
SVTH: Nguyễn T.T Hường 28
Bit so sánh P 0 đến f 16 So sánh giá trị hiện tại của các timer, holding
timer và counter. Đầu ra là kết quả so sánh.
Bit so sánh 8
số G 0 đến 3 4
So sánh kết quả hiện tại của bộ đến 8 số (F) với một hằng số. đầu ra là kết quả so sánh.
Bit đầu ra của bộ xử lý trung tâm Q 0 đến 3 4 CPU có 10 cổng vào/ra Đưa ra trạng thái đóng/mở cho thiết bị
đầu ra nối tới đầu ra của Zen
0 đến 7 8 CPU có 20 cổng
vào/ra
Bit đầu ra của khối module
mở rộng
Y 0 đến b 12 Đưa ra trạng thái đóng/mở cho thiết bị đầu ra
nối tới đầu ra của khối module mở rộng.
Các bit làm
việc M 0 đến f 16
Chỉ được sử dụng bên trong chương trình. Không thể đưa ra đến thiết bị bên ngoài
Bit có lưu H 0 đến f 16
Làm việc giống như các bit làm việc tuy nhiên bit này lưu được trạng thái đóng/mở khi mất
điện.
- Các bit đầu vào có 2 trạng thái: thường mở và thường đóng.
- Các bit đầu ra có 4 trạng thái:
+ "[" : đầu ra của hoạt động bình thường. Khi được nối điện thì đầu ra có điện, khi