Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu sử dụng điện năng tại Việt Nam ngày càng tăng mạnh trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt. Theo ước tính, các khu công nghiệp chiếm tỷ lệ tiêu thụ điện năng lớn nhất, đồng thời các công trình quan trọng cấp quốc gia như hội trường quốc hội, ngân hàng nhà nước, sân bay, hải cảng, khách sạn cao cấp đòi hỏi cấp điện liên tục, không được phép mất điện dù chỉ trong thời gian ngắn. Mất điện hoặc chất lượng điện kém có thể gây thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế và an toàn, đặc biệt với các xí nghiệp sản xuất, trung tâm điện toán, bệnh viện và các hệ thống an ninh quốc gia.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế hệ thống chuyển nguồn tự động (ATS) sử dụng bộ điều khiển lập trình LOGO! của Siemens nhằm tăng độ tin cậy cung cấp điện, giảm sơ đồ cung cấp điện phức tạp, giảm số lượng máy biến áp hoặc đường dây làm việc song song. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình ATS lưới - máy phát diesel dự phòng, đảm bảo chuyển đổi nguồn điện tự động khi xảy ra sự cố mất điện hoặc sự cố điện áp, pha.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu, với thời gian hoàn thành vào tháng 6 năm 2019. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc nâng cao độ ổn định và liên tục cấp điện cho các phụ tải quan trọng, giảm thiểu thiệt hại do mất điện, đồng thời ứng dụng công nghệ tự động hóa hiện đại, tiết kiệm chi phí và tăng tính linh hoạt trong vận hành hệ thống điện dự phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hệ thống chuyển nguồn tự động ATS (Automatic Transfer Switch): Thiết bị chuyển đổi phụ tải từ nguồn điện lưới chính sang nguồn dự phòng (máy phát diesel) khi xảy ra sự cố mất điện, mất pha, hoặc điện áp không ổn định. ATS đảm bảo cấp điện liên tục cho phụ tải quan trọng, với các chức năng bảo vệ, giám sát và điều khiển tự động hoặc thủ công.

  • Bộ điều khiển lập trình PLC LOGO! của Siemens: Thiết bị điều khiển số nhỏ gọn, có khả năng lập trình linh hoạt, dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển, tích hợp các hàm logic, thời gian, và giao tiếp với các thiết bị khác. LOGO! được sử dụng để thiết kế mạch điều khiển ATS, thay thế các mạch điện cơ phức tạp, nâng cao độ tin cậy và giảm chi phí.

  • Máy phát điện diesel dự phòng: Nguồn điện dự phòng phổ biến, cung cấp điện 3 pha 380V - 50Hz, sử dụng động cơ diesel 4 thì, có hệ thống nhiên liệu, làm mát, bôi trơn và điều khiển tự động. Máy phát diesel được khởi động khi mất điện lưới và dừng khi điện lưới ổn định trở lại.

Các khái niệm chính bao gồm: mất pha, quá áp, thấp áp, rơle điện áp, mạch điều khiển động lực, bộ chuyển mạch kiểu bập bênh, rơle trung gian, và các chế độ hoạt động AUTO/MANUAL của ATS.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành về hệ thống ATS, PLC LOGO!, máy phát diesel, các tiêu chuẩn kỹ thuật và thực tế vận hành tại các công trình công nghiệp và dịch vụ.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp thiết kế mạch điều khiển số dựa trên PLC LOGO!, mô phỏng hoạt động bằng phần mềm LOGO! Soft V8.2, phân tích sơ đồ nguyên lý, tính toán lựa chọn thiết bị động lực phù hợp với công suất định mức 100 kVA. Thực hiện thi công mô hình tủ ATS và chạy thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thiết kế áp dụng cho hệ thống ATS có công suất 100 kVA, phù hợp với các hộ tiêu thụ điện quan trọng trong khu công nghiệp và dịch vụ. Lựa chọn phương pháp điều khiển số nhằm giảm thiểu sai sót và tăng độ tin cậy so với mạch điện cơ truyền thống.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thiết kế từ đầu năm 2019, hoàn thiện mô hình và chạy thử nghiệm vào tháng 6 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của hệ thống ATS sử dụng PLC LOGO!: Hệ thống ATS được thiết kế với bộ điều khiển LOGO! 12/24RCE có 8 ngõ vào và 4 ngõ ra, cho phép giám sát và điều khiển tự động chuyển đổi nguồn điện giữa lưới chính và máy phát diesel dự phòng. Qua mô phỏng và chạy thử, thời gian chuyển đổi nguồn được điều chỉnh trong khoảng 5-30 giây, đảm bảo điện áp ổn định trước khi chuyển tải, giảm thiểu rủi ro mất điện đột ngột.

  2. Độ tin cậy và tính linh hoạt: Việc sử dụng PLC LOGO! giúp giảm độ phức tạp của mạch điều khiển so với các mạch điện cơ truyền thống, đồng thời dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển khi cần thiết. Hệ thống có khả năng vận hành ở chế độ tự động hoặc thủ công, phù hợp với nhiều tình huống vận hành thực tế.

  3. Bảo vệ nguồn và phụ tải: ATS được trang bị các rơle trung gian để giám sát mất pha, quá áp, thấp áp, và các sự cố điện áp khác. Khi phát hiện sự cố, hệ thống tự động ngắt nguồn lưới, khởi động máy phát diesel, đóng tải sang nguồn dự phòng, và ngược lại khi lưới ổn định trở lại. Tỷ lệ phát hiện và xử lý sự cố đạt trên 95% trong các thử nghiệm mô phỏng.

  4. Tiết kiệm chi phí và không gian: Thiết kế tủ ATS sử dụng khung nhôm, các thiết bị đóng cắt kiểu bập bênh bằng nam châm điện, kết hợp với PLC LOGO! giúp giảm kích thước tủ, tiết kiệm diện tích lắp đặt và chi phí bảo trì so với các hệ thống ATS truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của hệ thống ATS này là do việc ứng dụng công nghệ điều khiển số hiện đại, thay thế các mạch điện cơ phức tạp và dễ hỏng hóc. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng rơle điện cơ hoặc mạch điều khiển thủ công, hệ thống ATS dùng PLC LOGO! cho phép giám sát chính xác hơn các thông số điện áp, pha, và thời gian chuyển đổi được điều chỉnh linh hoạt.

Kết quả này phù hợp với xu hướng tự động hóa trong ngành điện, đồng thời đáp ứng yêu cầu cấp điện liên tục cho các phụ tải quan trọng trong công nghiệp và dịch vụ. Việc thiết kế mô hình ATS với công suất 100 kVA cũng phù hợp với quy mô các xí nghiệp vừa và nhỏ, khách sạn, trung tâm thương mại tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian chuyển đổi nguồn, bảng so sánh tỷ lệ sự cố được xử lý thành công giữa hệ thống ATS truyền thống và ATS sử dụng PLC LOGO!, cũng như sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển và mô hình tủ ATS hoàn chỉnh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi hệ thống ATS sử dụng PLC LOGO!: Khuyến nghị các doanh nghiệp, khu công nghiệp và các công trình quan trọng áp dụng hệ thống ATS tự động với bộ điều khiển PLC LOGO! để nâng cao độ tin cậy cấp điện, giảm thiểu thiệt hại do mất điện đột ngột. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị điện lực và nhà thầu tự động hóa.

  2. Nâng cấp và bảo trì định kỳ: Thiết lập quy trình bảo trì, kiểm tra định kỳ các rơle trung gian, bộ chuyển mạch và PLC LOGO! nhằm đảm bảo hoạt động ổn định, tránh hỏng hóc gây gián đoạn cấp điện. Thời gian bảo trì định kỳ 6 tháng/lần, do đội ngũ kỹ thuật vận hành thực hiện.

  3. Đào tạo nhân lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lập trình và vận hành PLC LOGO! cho kỹ thuật viên và nhân viên vận hành hệ thống điện nhằm nâng cao năng lực quản lý và xử lý sự cố nhanh chóng. Thời gian đào tạo 3 tháng, chủ thể là các trung tâm đào tạo kỹ thuật và nhà sản xuất thiết bị.

  4. Phát triển hệ thống giám sát từ xa: Xây dựng giao diện Webserver để giám sát trạng thái và các thông số hoạt động của hệ thống ATS qua internet, giúp quản lý từ xa và kịp thời xử lý sự cố. Thời gian phát triển 6 tháng, chủ thể là nhóm kỹ sư tự động hóa và CNTT.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư điện và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế và vận hành hệ thống ATS sử dụng PLC LOGO!, giúp kỹ sư nâng cao kỹ năng thiết kế mạch điều khiển số và ứng dụng trong thực tế.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và khu công nghiệp: Các đơn vị này có nhu cầu cấp điện liên tục cho sản xuất, có thể áp dụng mô hình ATS để giảm thiểu thiệt hại do mất điện, nâng cao hiệu quả sản xuất và kinh doanh.

  3. Nhà quản lý và kỹ thuật vận hành hệ thống điện: Tài liệu giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động, cấu tạo và phương pháp bảo trì hệ thống ATS, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống điện dự phòng.

  4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu về hệ thống chuyển nguồn tự động, PLC và máy phát điện diesel dự phòng, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống ATS là gì và tại sao cần thiết?
    ATS là thiết bị tự động chuyển đổi nguồn điện từ lưới chính sang nguồn dự phòng khi xảy ra sự cố mất điện hoặc điện áp không ổn định. Nó đảm bảo cấp điện liên tục cho các phụ tải quan trọng, tránh thiệt hại do mất điện đột ngột.

  2. Tại sao chọn PLC LOGO! để điều khiển ATS?
    PLC LOGO! có ưu điểm nhỏ gọn, dễ lập trình, khả năng mở rộng cao và độ tin cậy tốt. Nó giúp đơn giản hóa mạch điều khiển, giảm chi phí và tăng tính linh hoạt trong vận hành so với các mạch điện cơ truyền thống.

  3. Máy phát diesel dự phòng hoạt động như thế nào trong hệ thống ATS?
    Khi lưới điện chính mất điện hoặc có sự cố, ATS phát tín hiệu khởi động máy phát diesel. Sau khi máy phát ổn định điện áp, ATS chuyển tải sang nguồn máy phát. Khi lưới điện ổn định trở lại, ATS chuyển tải về lưới và dừng máy phát sau thời gian làm mát.

  4. Thời gian chuyển đổi nguồn trong hệ thống ATS là bao lâu?
    Thời gian chuyển đổi thường được điều chỉnh trong khoảng 5-30 giây để đảm bảo điện áp nguồn dự phòng ổn định trước khi đóng tải, tránh dao động và hư hỏng thiết bị.

  5. Làm thế nào để giám sát và điều khiển hệ thống ATS từ xa?
    Hệ thống có thể được tích hợp giao diện Webserver để hiển thị trạng thái và các thông số realtime qua internet, giúp quản lý và điều khiển từ xa, nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố kịp thời.

Kết luận

  • Hệ thống ATS sử dụng PLC LOGO! của Siemens đã được thiết kế và thi công thành công, đáp ứng yêu cầu cấp điện liên tục cho phụ tải quan trọng.
  • Việc ứng dụng PLC LOGO! giúp giảm độ phức tạp mạch điều khiển, tăng độ tin cậy và dễ dàng thay đổi thuật toán vận hành.
  • Máy phát diesel dự phòng được tích hợp hiệu quả trong hệ thống, đảm bảo chuyển đổi nguồn tự động khi mất điện lưới.
  • Hệ thống có khả năng vận hành tự động hoặc thủ công, với các chức năng bảo vệ mất pha, quá áp, thấp áp và giám sát liên tục.
  • Đề xuất triển khai rộng rãi, đào tạo nhân lực và phát triển giám sát từ xa để nâng cao hiệu quả vận hành trong tương lai.

Next steps: Triển khai áp dụng thực tế tại các khu công nghiệp, hoàn thiện giao diện giám sát từ xa, và mở rộng nghiên cứu về tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống ATS.

Call to action: Các đơn vị quản lý hệ thống điện và doanh nghiệp sản xuất nên cân nhắc áp dụng giải pháp ATS sử dụng PLC LOGO! để nâng cao độ tin cậy cấp điện, giảm thiểu rủi ro và tối ưu chi phí vận hành.