Khóa Luận Tốt Nghiệp: Thiết Kế và Chế Tạo Bộ Chuyển Nguồn Tự Động ATS

Khóa luận tốt nghiệp trình bày thiết kế và chế tạo bộ chuyển nguồn tự động ATS, ứng dụng trong hệ thống điện hiện đại và hiệu quả.

• Tác giả: Lê Thanh Tốt
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Thủ Dầu Một
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện - Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Bộ Chuyển Nguồn Tự Động ATS
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Bình Dương

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHUYỂN NGUỒN TỰ ĐỘNG ATS
• 1.1. Tính cấp thiết của đồ án
• 1.2. Thiết bị tự động chuyển nguồn ATS
• 1.2.1. Quy cách chọn tủ ATS
• 1.2.2. Chức năng hoạt động của tủ ATS
• 1.3. Nguyên lý hoạt động của ATS
• 1.3.1. ATS lưới - lưới
• 1.3.2. ATS lưới - máy phát
• 1.4. Cấu tạo chung của ATS
• 1.5. Khối chuyển mạch
• 1.5.1. Chuyển mạch dùng hai công tắc tơ
• 1.5.2. Chuyển mạch dùng hai áp tô mát
• 2. Chương 2: Các phương án chọn mạch động lực
• 3. Chương 3: Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển

Tóm tắt

I. Tổng quan về Thiết Kế Bộ Chuyển Nguồn Tự Động ATS

Thiết kế bộ chuyển nguồn tự động ATS (Automatic Transfer Switch) là một giải pháp năng lượng hiện đại, giúp đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các phụ tải quan trọng. Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng, việc thiết kế và chế tạo các thiết bị chuyển nguồn tự động trở nên cần thiết hơn bao giờ hết. ATS không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Thiết bị này hoạt động tự động, chuyển đổi nguồn điện khi có sự cố xảy ra, từ đó giảm thiểu thiệt hại cho các hệ thống điện.

1.1. Tính Cấp Thiết của Bộ Chuyển Nguồn Tự Động

Trong quá trình vận hành lưới điện, sự cố có thể xảy ra bất cứ lúc nào, gây ra thiệt hại lớn cho các thiết bị và con người. Bộ chuyển nguồn tự động ATS giúp giảm thiểu rủi ro này bằng cách tự động chuyển đổi nguồn điện khi có sự cố xảy ra. Điều này đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực như y tế, công nghiệp và dịch vụ, nơi mà việc mất điện có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.

1.2. Nguyên Lý Hoạt Động của ATS

Bộ chuyển nguồn tự động ATS hoạt động dựa trên nguyên lý tự động phát hiện sự cố và chuyển đổi nguồn điện. Khi điện lưới mất, ATS sẽ tự động khởi động máy phát điện và chuyển tải nguồn điện cho phụ tải. Khi điện lưới phục hồi, ATS sẽ chuyển tải trở lại và tắt máy phát. Nguyên lý này giúp đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các thiết bị quan trọng.

II. Vấn Đề và Thách Thức trong Thiết Kế ATS

Mặc dù bộ chuyển nguồn tự động ATS mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế và chế tạo thiết bị này cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tin cậy, hiệu suất năng lượng và an toàn điện là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, trong môi trường nhiệt đới, thiết bị cần phải chịu được các điều kiện khắc nghiệt.

2.1. Độ Tin Cậy và An Toàn Điện

Độ tin cậy của bộ chuyển nguồn tự động ATS là yếu tố quan trọng nhất. Thiết bị cần phải hoạt động ổn định trong mọi điều kiện, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và thiết bị. Việc thiết kế các hệ thống bảo vệ như cầu chì, máy cắt là cần thiết để đảm bảo an toàn điện.

2.2. Hiệu Suất Năng Lượng và Chi Phí

Hiệu suất năng lượng của ATS ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành. Việc lựa chọn các linh kiện chất lượng cao và thiết kế tối ưu giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng, từ đó tiết kiệm chi phí cho người sử dụng. Các giải pháp năng lượng tái tạo cũng nên được xem xét để nâng cao hiệu suất.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bộ Chuyển Nguồn Tự Động ATS

Thiết kế bộ chuyển nguồn tự động ATS cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu cụ thể. Các phương pháp thiết kế hiện đại như mô phỏng và phân tích hệ thống giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị. Việc áp dụng công nghệ mới trong thiết kế cũng là một yếu tố quan trọng.

3.1. Mô Phỏng và Phân Tích Hệ Thống

Mô phỏng hệ thống giúp đánh giá hiệu suất của bộ chuyển nguồn tự động ATS trước khi chế tạo. Các phần mềm mô phỏng hiện đại cho phép kiểm tra các kịch bản khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho thiết kế.

3.2. Lựa Chọn Linh Kiện và Công Nghệ

Việc lựa chọn linh kiện chất lượng cao và công nghệ tiên tiến là rất quan trọng trong thiết kế ATS. Các linh kiện như máy cắt, cầu chì và bộ điều khiển cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn và hiệu suất cao để đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Bộ Chuyển Nguồn Tự Động ATS

Bộ chuyển nguồn tự động ATS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp, và dịch vụ. Các bệnh viện, trung tâm dữ liệu, và các cơ sở sản xuất đều cần đảm bảo nguồn điện liên tục để hoạt động hiệu quả. Việc áp dụng ATS giúp giảm thiểu rủi ro và thiệt hại do mất điện.

4.1. Ứng Dụng trong Ngành Y Tế

Trong ngành y tế, việc cung cấp điện liên tục là cực kỳ quan trọng. Bộ chuyển nguồn tự động ATS giúp đảm bảo rằng các thiết bị y tế luôn hoạt động, ngay cả khi có sự cố mất điện xảy ra. Điều này có thể cứu sống nhiều bệnh nhân trong tình huống khẩn cấp.

4.2. Ứng Dụng trong Ngành Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp, bộ chuyển nguồn tự động ATS giúp đảm bảo hoạt động liên tục của các dây chuyền sản xuất. Việc mất điện có thể dẫn đến thiệt hại lớn về kinh tế, do đó, việc sử dụng ATS là một giải pháp hiệu quả để bảo vệ các thiết bị và giảm thiểu rủi ro.

V. Kết Luận và Tương Lai của Bộ Chuyển Nguồn Tự Động ATS

Bộ chuyển nguồn tự động ATS là một giải pháp năng lượng hiện đại, giúp đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các phụ tải quan trọng. Với sự phát triển của công nghệ, thiết kế ATS sẽ ngày càng hoàn thiện hơn, đáp ứng tốt hơn nhu cầu sử dụng điện trong tương lai. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới trong lĩnh vực này là cần thiết để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ ATS

Trong tương lai, công nghệ ATS sẽ tiếp tục phát triển với sự tích hợp của các giải pháp năng lượng tái tạo và tự động hóa. Việc áp dụng trí tuệ nhân tạo và Internet of Things (IoT) trong thiết kế ATS sẽ giúp nâng cao hiệu suất và khả năng giám sát từ xa.

5.2. Tầm Quan Trọng của ATS trong Nền Kinh Tế

Bộ chuyển nguồn tự động ATS không chỉ là một thiết bị kỹ thuật mà còn đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế. Việc đảm bảo cung cấp điện liên tục giúp các doanh nghiệp hoạt động hiệu quả, từ đó góp phần vào sự phát triển kinh tế bền vững.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống cung cấp điện hiện đại, điện năng đóng vai trò quyết định đến năng suất, chất lượng sản phẩm và sự vận hành ổn định của các cơ sở sản xuất công nghiệp, thương mại, dịch vụ cũng như đời sống xã hội. Bất kỳ sự cố gián đoạn nguồn điện nào cũng có nguy cơ làm gián đoạn dây chuyền, tạo phế phẩm công nghiệp và gây tổn thất kinh tế. Đặc biệt, đối với các phụ tải tiêu thụ điện quan trọng cấp quốc gia hoặc các khu vực đặc thù như bệnh viện, trung tâm điện toán, hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA), ngân hàng nhà nước, hải cảng, sân bay hay đại sứ quán, việc mất điện dù chỉ trong thời gian rất ngắn cũng có thể dẫn đến nguy hiểm nghiêm trọng về tính mạng con người và an ninh trật tự.

Thực tế vận hành mạng lưới điện cho thấy các dạng sự cố nguồn luôn tiềm ẩn, bao gồm mất nguồn hoàn toàn, mất pha, ngược thứ tự pha, không đối xứng ba pha, điện áp tăng cao hoặc sụt áp vượt quá ngưỡng cho phép. Để duy trì cấp điện liên tục, các đơn vị sử dụng điện phải xây dựng nguồn dự phòng (lưới điện thứ hai hoặc máy phát điện diesel) kết hợp trang bị thiết bị tự động chuyển nguồn (ATS: Automatic Transfer Switch).

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo bộ chuyển nguồn tự động (ATS)" của tác giả Lê Thanh Tốt, chuyên ngành Điện Công nghiệp thuộc Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Thủ Dầu Một (bảo vệ tháng 5 năm 2014 dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Sơn), được xây dựng nhằm giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể sau:

1. Nghiên cứu tổng quan về nguyên lý hoạt động, giản đồ thời gian và các yêu cầu bảo vệ của hệ thống ATS (cả hai dạng: ATS lưới - lưới và ATS lưới - máy phát).
2. Khảo sát, so sánh và lựa chọn phương án thiết kế mạch động lực đóng cắt nguồn phù hợp với yêu cầu thực tế.
3. Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển chuyển nguồn tự động ứng dụng vi điều khiển họ MCS-51, tích hợp các khối đo lường, giám sát điện áp một pha và phát hiện sự cố chập/lệch pha.
4. Xây dựng mạch điều khiển bằng tay kết hợp khóa liên động bảo vệ an toàn cho hệ thống và phụ tải.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống chuyển đổi nguồn điện giữa lưới điện ba pha xoay chiều 380V/220V và nguồn máy phát điện dự phòng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình điều khiển tự động chuyển đổi nguồn cho phụ tải công nghiệp và dân dụng có dòng định mức dưới 800A, thực hiện trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp hệ cao đẳng khóa 2011 – 2014 tại Bình Dương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án vận dụng các lý thuyết nền tảng trong chuyên ngành kỹ thuật điện và điều khiển tự động, bao gồm:

• Khung lý thuyết khí cụ điện và bảo vệ rơle: Nguyên lý hoạt động của các thiết bị đóng cắt mạch động lực như công tắc tơ (contactor), áp tô mát (MCCB), công tắc bập bênh; cơ cấu liên động cơ khí và khóa chéo liên động điện nhằm ngăn ngừa tình trạng hai nguồn đóng đồng thời gây ngắn mạch.
• Lý thuyết điều khiển logic và tự động hóa: Phân tích giản đồ chu trình thời gian của hệ thống chuyển nguồn ATS lưới - máy phát với các khoảng trễ xác định: trễ khẳng định sự cố lưới ($t_1$), trễ đóng tải cho máy phát sau khi điện áp ổn định ($t_2$), trễ kiểm tra lưới phục hồi ($t_3$) và trễ chạy không tải làm mát máy phát ($t_4$).
• Lý thuyết mạch điện tử bán dẫn và vi điều khiển: Cấu trúc phần cứng và tập lệnh của họ vi điều khiển MCS-51 (AT89S52/AT89S53/89C51); nguyên lý cách ly quang bằng bộ ghép quang (Optotransistor 4N35); mạch ổn áp nguồn một chiều dùng IC 7805.

Về phương pháp nghiên cứu, tác giả kết hợp các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích - so sánh giải pháp: Lập bảng so sánh ưu nhược điểm kỹ thuật của ba cấu hình mạch động lực (áp tô mát dẫn động động cơ một pha, tiếp điểm kiểu bập bênh, và hệ hai công tắc tơ) để chọn cấu hình phù hợp với mục tiêu chế tạo.
• Phương pháp tính toán và thiết kế mạch phần cứng: Thiết kế chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch nguồn, mạch phát hiện điện áp một pha và mạch phát hiện chập/mất pha ba pha.
• Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng tín hiệu ba pha hình sin biên độ 10V và kiểm chứng đáp ứng điện áp tổng tại điểm trung tính nhân tạo trong trạng thái đối xứng và sự cố chập pha.

Thiết kế kỹ thuật và triển khai phần cứng

Hệ thống ATS được thiết kế theo cấu trúc module tách biệt giữa phần động lực chấp hành và phần điều khiển logic.

1. Kiến trúc mạch động lực và liên động bảo vệ

Mạch động lực sử dụng hai công tắc tơ ba pha độc lập: công tắc tơ lưới (CTL) và công tắc tơ máy phát (CTF). Nguồn cấp cho cuộn hút CD1 lấy từ điện áp pha 220VAC của lưới điện, trong khi nguồn cuộn hút CD2 lấy từ đầu ra 220VAC của máy phát. Hệ thống sử dụng khóa liên động kép:

• Liên động cơ khí: Ngăn chặn việc đóng cơ học đồng thời giữa hai tiếp điểm chính.
• Liên động điện (khóa chéo): Tiếp điểm phụ thường đóng của công tắc tơ này được mắc nối tiếp với cuộn hút của công tắc tơ kia ($CTL_1$ khóa chéo cuộn CD2, $CTF_1$ khóa chéo cuộn CD1). Khi một nguồn đang đóng, nguồn còn lại bị cô lập hoàn toàn về mặt điều khiển, ngăn ngừa nguy cơ xung điện lưới vào máy phát gây cháy nổ.
• Mạch điều khiển bằng tay: Bố trí công tắc ba vị trí (Lưới - Tự động - Máy phát) cùng các nút nhấn ON_L, ON_F và nút dừng OFF, kết hợp rơle nhiệt bảo vệ quá tải cho phụ tải.

2. Khối điều khiển trung tâm vi điều khiển MCS-51

Khối xử lý logic trung tâm sử dụng vi điều khiển AT89S52 (thuộc họ MCS-51) với cấu hình phần cứng:

• Thạch anh tạo dao động ngoài tần số 12MHz, hai tụ sứ 18pF (hoặc 30pF).
• Mạch Reset tự động khi cấp nguồn dùng tụ hóa 10µF và điện trở 10kΩ đưa vào chân 9 (RST).
• Chân EA (chân 31) nối lên mức logic 1 (+5V) để thiết bị thực thi chương trình trong bộ nhớ FLASH ROM 4KB nội chip.
• Cổng Port 0 được bố trí cụm trở kéo lên (pull-up resistors) giá trị 6,8kΩ đến 10kΩ lên nguồn $V_{CC}$.
• Khối nguồn nuôi sử dụng IC ổn áp 7805 biến đổi điện áp một chiều từ 9–12VDC thành điện áp 5VDC chuẩn, trang bị tụ gốm lọc nhiễu tần số cao 104 (0,1µF) tại chân nguồn vi điều khiển.

3. Mạch cảm biến và giao tiếp tín hiệu

• Mạch phát hiện điện áp một pha: Hệ thống trang bị 6 module phát hiện điện áp (3 module cho lưới điện ba pha và 3 module cho máy phát ba pha). Mỗi module gồm cầu chỉnh lưu Diode 1N4007 ($D_1, D_2$), tụ phân cực $C_1$ ($0,104\mu\text{F}/630\text{V}$), tụ lọc $C_2$ ($10\mu\text{F}/25\text{V}$ hoặc $100\mu\text{F}/25\text{V}$), điện trở xả tụ $1\text{M}\Omega$ mắc song song $C_1$, điện trở hạn dòng $1\text{k}\Omega$ và bộ cách ly quang 4N35. Khi có đủ điện áp 220VAC ở cả hai nửa chu kỳ, đèn LED bên trong opto sáng kích thông transistor, đưa chân ngõ vào vi điều khiển về mức logic 0 (0V). Khi mất điện hoặc điện áp không đạt chuẩn, opto khóa, ngõ ra vi điều khiển nhận điện áp kéo lên mức logic 1 (+5V). Điện trở $1\text{M}\Omega$ có nhiệm vụ tiêu tán năng lượng tích lũy trong tụ $C_1$ khi mất nguồn, bảo đảm mạch xác lập trạng thái nhanh và ngăn ngừa giật điện cho người thao tác.
• Mạch phát hiện chập pha và mất đối xứng: Gồm 2 module (1 cho lưới, 1 cho máy phát). Mạch đấu nối ba đầu dây pha 220V qua ba điện trở công suất $100\text{k}\Omega/5\text{W}$ về một điểm nút chung A. Điểm A nối vào trung tính N qua diode nắn dòng 1N4007, tụ tích áp $100\mu\text{F}$ và kích mở bộ cách ly quang 4N35. Ở trạng thái ba pha bình thường, tổng vectơ điện áp tại điểm A bằng 0 ($V_A = 0\text{V}$), opto khóa. Khi xảy ra sự cố mất pha, đứt dây hoặc chập pha, điện áp lệch tại điểm A xuất hiện làm sáng LED opto 4N35, đưa mức logic thấp về vi điều khiển để kích hoạt thuật toán chuyển đổi nguồn.
• Giao diện hiển thị và đo lường mặt tủ: Trang bị đồng hồ đo vôn (V) và ampe (A) riêng cho lưới và máy phát; hệ thống 6 đèn báo pha cho lưới và máy phát; 2 đèn chỉ thị trạng thái đóng tải (DEN TAI TU LUOI, DEN TAI TU MAY PHAT); công tắc chuyển đổi chế độ vận hành (MAIN - AUTO - GEN) và công tắc chọn chế độ máy phát (AUTO - OFF - TEST).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về thiết bị chuyển nguồn tự động ATS

Chương 1 trình bày cơ sở lý luận về vai trò của nguồn điện trong sản xuất, sinh hoạt và các hệ thống phụ tải đặc thù. Tác giả định nghĩa các dạng sự cố điện lưới (mất nguồn, mất pha, ngược thứ tự pha, không đối xứng ba pha, điện áp vượt ngưỡng cho phép) và phân loại hệ thống ATS thành hai dạng chính: ATS lưới - lưới và ATS lưới - máy phát.

Chương này phân tích sâu giản đồ chu trình thời gian của hệ thống ATS lưới - máy phát, làm rõ 4 khoảng thời gian định thời cần thiết trong quá trình vận hành tự động:

• $t_1 = 5\text{ giây}$: Thời gian trễ từ khi phát hiện sự cố lưới đến lúc phát lệnh khởi động máy phát diesel nhằm loại trừ sự cố thoáng qua.
• $t_2 = 20 \div 25\text{ giây}$: Thời gian chờ máy phát khởi động ổn định, đạt ngưỡng điện áp $U_f \ge 0{,}8 U_{\text{đm}}$ trước khi đóng mạch chuyển mạch đưa tải sang máy phát.
• $t_3 = 5\text{ giây}$ (hoặc $5 \div 10\text{ giây}$): Thời gian trễ kiểm tra mức độ ổn định của điện lưới sau khi lưới phục hồi trước khi chuyển tải trở lại nguồn chính.
• $t_4 = 300\text{ giây}$ (trong dải quy định chung $1 \div 15\text{ phút}$): Thời gian cho máy phát chạy không tải sau khi đã cắt phụ tải để làm mát động cơ rồi mới phát lệnh tắt máy hoàn toàn.

Quy trình khởi động máy phát diesel cũng được xác định rõ: thời gian mỗi lần khởi động là $3 \div 5\text{ giây}$; nếu không thành công, hệ thống nghỉ $10 \div 20\text{ giây}$ rồi mới khởi động lại; nếu sau 3 lần khởi động thất bại thì hệ thống tự động khóa lệnh và phát tín hiệu cảnh báo.

Chương 2: Các phương án chọn mạch động lực

Chương 2 tập trung phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc và so sánh ba phương án mạch động lực đóng cắt nguồn trong hệ thống ATS.

Tiêu chí kỹ thuật	Phương án 1: Hai áp tô mát dẫn động động cơ một pha	Phương án 2: Tiếp điểm kiểu bập bênh (1 hoặc 2 cuộn nam châm)	Phương án 3: Hai công tắc tơ (Contactor)
Cơ cấu truyền động	Động cơ một pha kèm hộp giảm tốc, trục vít - bánh răng và tay gạt liên động cơ khí	Cuộn hút nam châm điện một chiều công suất lớn hoạt động ở chế độ xung, truyền động cam	Hai cuộn hút điện từ độc lập tác động trực tiếp lên hệ tiếp điểm
Dòng điện định mức	Chế tạo đến khoảng 1600A	Phổ biến ở mọi cấp dòng điện từ 400A đến 4000A	Chế tạo với dòng định mức đến khoảng 800A
Tốc độ tác động	Chậm (do qua hệ truyền động giảm tốc)	Đóng cắt nhanh, dứt khoát	Đóng cắt nhanh, tức thời
Công suất duy trì tiếp điểm	Không tiêu tốn (tiếp điểm được chốt cơ khí nhờ trục vít)	Không tiêu tốn (tiếp điểm tự chốt cơ khí ở cuối hành trình)	Tổn thất công suất liên tục để duy trì lực hút nam châm điện
Độ tin cậy tiếp điểm	Ổn định, không phụ thuộc nguồn nuôi sau khi đã chốt	Rất cao, lực ép tiếp điểm lớn, không rung tiếp điểm	Có thể bị rung tiếp điểm hoặc hàn dính tiếp điểm khi điện áp nuôi dao động
Tuổi thọ thiết bị	Phụ thuộc vào độ mòn của cơ cấu bánh răng trục vít	Số lần thao tác hạn chế do tiếp xúc quay chịu ma sát	Tuổi thọ cơ khí và tuổi thọ điện rất cao, tần số thao tác lớn
Mức độ phức tạp mạch	Cơ khí phức tạp, điều khiển điện tương đối đơn giản	Cơ cấu cơ khí phức tạp, mạch điều khiển cần bộ chỉnh lưu cấp xung lớn	Cấu trúc gọn nhẹ, mạch điều khiển và đấu nối khí cụ rất đơn giản

Dựa trên bảng phân tích kỹ thuật, tác giả lựa chọn phương án dùng hai công tắc tơ làm mạch lực phục vụ chế tạo thực tế, do cấu trúc gọn nhẹ, linh kiện thông dụng trên thị trường, thao tác bảo dưỡng đơn giản và tần số đóng cắt cao, phù hợp với công suất phụ tải quy mô nhỏ và trung bình dưới 800A.

Chương 3: Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển ATS

Chương 3 trình bày chi tiết thiết kế kỹ thuật của hệ thống điều khiển ATS:

• Trình bày kiến trúc phần cứng vi điều khiển AT89S52/AT89S53, giải thích chức năng từng chân tín hiệu (VCC, GND, RST, XTAL1, XTAL2, EA, ALE, PSEN) và các cổng vào/ra (Port 0 đến Port 3).
• Lập bảng phân định 21 đầu vào/ra kết nối giữa mạch vi điều khiển và hệ thống ngoài: từ các đầu dây tín hiệu pha lưới (chân 1, 2, 3), trung tính lưới (chân 4), điều khiển cuộn dây contactor lưới (chân 8, 9), điều khiển contactor máy phát (chân 11, 12), tín hiệu khởi động máy phát (chân 14), các tiếp điểm rơle (chân 15, 16, 17) đến các tín hiệu pha và trung tính máy phát (chân 18, 19, 20, 21).
• Phân tích nguyên lý làm việc của mạch phát hiện điện áp một pha và mạch phát hiện chập pha có sử dụng bộ cách ly quang 4N35.
• Thực hiện mô phỏng đáp ứng cân bằng của mạch ba pha trên phần mềm MATLAB để xác minh lý thuyết tính toán.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả chính

• Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển cho bộ chuyển nguồn ATS sử dụng hệ hai công tắc tơ liên động điện - cơ, bảo đảm an toàn chuyển mạch cho lưới điện ba pha 380V/220V và máy phát điện.
• Xây dựng thành công mạch cảm biến điện áp một pha sử dụng linh kiện bán dẫn (diode 1N4007, tụ $0{,}104\mu\text{F}/630\text{V}$, điện trở xả $1\text{M}\Omega$) kết hợp opto 4N35, cho điện áp logic đầu ra $0\text{V}$ khi nguồn đủ 220V và $5\text{V}$ khi mất áp hoặc điện áp không đạt yêu cầu.
• Thiết kế mạch phát hiện lệch pha/chập pha bằng phương pháp tạo điểm trung tính giả qua ba điện trở $100\text{k}\Omega/5\text{W}$, cho phép nhận diện sự cố đứt pha hoặc chạm chập để gửi tín hiệu ngắt nguồn về vi điều khiển.
• Xác lập chính xác chu trình thời gian làm việc tự động của tủ ATS theo đúng giản đồ vận hành: trễ sự cố $t_1 = 5\text{s}$, trễ đóng điện máy phát $t_2 = 20 \div 25\text{s}$, trễ phục hồi lưới $t_3 = 5\text{s}$ và trễ làm mát dừng máy phát $t_4 = 300\text{s}$.
• Tích hợp thành công giao diện điều khiển bằng tay thông qua nút nhấn ON_L, ON_F, nút OFF và hệ thống khóa chéo tiếp điểm phụ thường đóng, bảo đảm loại trừ hoàn toàn khả năng đóng trùng hai nguồn.

Đóng góp của đề tài

Theo nội dung tác giả trình bày, đồ án đã giải quyết được yêu cầu thiết kế một hệ thống ATS thực tế với chi phí hợp lý bằng việc kết hợp các linh kiện khí cụ điện và linh kiện điện tử bán dẫn thông dụng (họ vi điều khiển MCS-51, opto 4N35, công tắc tơ). Đồ án cung cấp một tài liệu kỹ thuật chi tiết từ sơ đồ khối, giản đồ thời gian đến sơ đồ đấu dây chân linh kiện, phục vụ trực tiếp cho công tác học tập, lắp ráp tủ điện công nghiệp tại xưởng thực hành.

Hạn chế và hướng phát triển

Dựa trên các phân tích kỹ thuật và phạm vi nghiên cứu được văn bản đề cập, đề tài còn tồn tại một số hạn chế:

• Tổn hao công suất mạch động lực: Việc lựa chọn phương án hai công tắc tơ khiến hệ thống luôn tiêu tốn điện năng liên tục để duy trì lực hút cuộn dây, dễ gây nóng, già hóa lớp cách điện của cuộn dây khi vận hành dài hạn.
• Độ ổn định tiếp điểm khi sụt áp: Mạch động lực công tắc tơ chịu ảnh hưởng lớn khi điện áp nguồn dao động, tiềm ẩn nguy cơ rung tiếp điểm hoặc hàn dính tiếp điểm nếu điện áp sụt giảm sâu.
• Giới hạn đo lường và thuật toán: Hệ thống xử lý tín hiệu dựa trên ngưỡng đóng cắt điện áp nhị phân thông qua bộ cách ly quang 4N35, chưa tích hợp module đo lường biến đổi tương tự - số (ADC) để theo dõi liên tục giá trị hiệu dụng điện áp, tần số hoặc góc lệch pha chi tiết của máy phát và lưới điện.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được rút ra từ phạm vi đồ án bao gồm việc nghiên cứu ứng dụng cơ cấu chuyển mạch kiểu bập bênh hoặc áp tô mát điều khiển tự động nhằm triệt tiêu công suất duy trì cuộn dây; nâng cấp khối xử lý trung tâm bằng các bộ điều khiển logic khả trình (PLC, vi điều khiển LOGO) hoặc tích hợp các rơle giám sát điện áp chuyên dụng để mở rộng dải công suất vận hành cho các phụ tải trên 800A.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, đặc biệt là sinh viên thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Khí cụ điện, Cung cấp điện và Thực tập trang bị điện.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

1. Phương pháp phân tích, so sánh lựa chọn cơ cấu chấp hành chuyển mạch động lực (Chương 2) với các dữ liệu cụ thể về dòng định mức, tốc độ đóng cắt và đặc tính cuộn hút.
2. Thiết kế nguyên lý mạch phát hiện điện áp một pha và mạch tạo điểm trung tính giả phát hiện mất pha dùng bộ ghép quang 4N35 (Chương 3), cung cấp giải pháp cách ly cao áp với mạch xử lý 5VDC chi phí thấp, dễ thi công.
3. Sơ đồ mạch đấu nối khóa chéo liên động điện kết hợp giữa chế độ tự động và chế độ đóng cắt bằng tay (Hình II-7 và Hình II-8).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong mạch phát hiện điện áp một pha bắt buộc phải có điện trở $1\text{M}\Omega$ mắc song song với tụ $C_1$?

Theo giải thích của tác giả ở Chương 3, tụ $C_1$ ($0{,}104\mu\text{F}/630\text{V}$) có tính chất tích trữ năng lượng điện. Điện trở $1\text{M}\Omega$ có giá trị rất lớn, đóng vai trò là mạch vòng xả điện áp tích lũy trong tụ $C_1$ xuống đất khi nguồn điện xoay chiều bị cắt. Nếu không có điện trở này, tụ sẽ giữ điện tích khiến mạch không thể phản ánh chính xác trạng thái mất điện tức thời, đồng thời gây nguy cơ giật điện nguy hiểm cho người khi chạm vào linh kiện.

2. Hệ thống xử lý như thế nào khi máy phát điện khởi động không thành công?

Văn bản quy định rõ quy trình khởi động máy phát diesel: Thời gian cho mỗi lần đề máy là $3 \div 5\text{ giây}$. Nếu khởi động lần một không thành công, hệ thống điều khiển sẽ cho máy nghỉ trong khoảng $10 \div 20\text{ giây}$ rồi mới phát tín hiệu khởi động lại. Nếu thực hiện khởi động liên tiếp 3 lần mà máy phát vẫn không khởi động được, thiết bị sẽ tự động khóa lệnh điều khiển (không khởi động tiếp) và đưa ra cảnh báo sự cố.

3. Nguyên lý phát hiện sự cố chập pha và mất pha ba pha được thực hiện như thế nào?

Mạch sử dụng ba điện trở công suất $100\text{k}\Omega/5\text{W}$ nối từ ba pha nguồn vào một điểm nút chung A để tạo điểm trung tính giả. Ở trạng thái lưới điện ba pha đối xứng bình thường, tổng vectơ điện áp tại điểm A bằng 0 ($V_A = 0\text{V}$), diode và opto 4N35 không dẫn. Khi xảy ra sự cố đứt dây một pha hoặc ngắn mạch giữa hai pha, tại điểm A sẽ xuất hiện điện áp xoay chiều lệch pha; điện áp này được diode nắn dòng nạp cho tụ $100\mu\text{F}$ kích mở transistor bên trong opto 4N35 dẫn thông mạch, đưa tín hiệu mức thấp về vi điều khiển để nhận biết sự cố.

4. Tại sao tác giả lại chọn phương án mạch lực dùng hai công tắc tơ dù phương án này có nhược điểm tiêu hao công suất?

Mặc dù công tắc tơ có nhược điểm là tiêu hao năng lượng liên tục để nuôi cuộn dây và có nguy cơ rung tiếp điểm, tác giả vẫn lựa chọn phương án này vì sơ đồ điều khiển hoạt động rất đơn giản, thiết bị thông dụng trên thị trường, giá thành thấp, dễ thay thế, sửa chữa và có tuổi thọ đóng cắt cơ học cũng như tần số đóng cắt cao, hoàn toàn đáp ứng tốt cho các hệ thống phụ tải quy mô vừa và nhỏ có dòng làm việc dưới 800A.

5. Khóa chéo điện (liên động điện) trong mạch điều khiển bằng tay có vai trò kỹ thuật gì?

Trong sơ đồ mạch điều khiển bằng tay (Hình II.8), tiếp điểm thường đóng của công tắc tơ lưới ($CTL$) được mắc nối tiếp trước cuộn hút của công tắc tơ máy phát ($CD2$), và ngược lại tiếp điểm thường đóng của công tắc tơ máy phát ($CTF$) mắc nối tiếp trước cuộn hút của công tắc tơ lưới ($CD1$). Mục đích của việc này là để khi tải đang được cấp điện từ lưới, nếu người vận hành sơ ý nhấn nút ON_F (hoặc ngược lại) thì cuộn hút của nguồn máy phát vẫn không thể có điện. Cơ cấu khóa chéo này ngăn chặn tuyệt đối tình trạng điện lưới xông ngược vào đầu phát của máy phát điện gây hư hỏng và cháy nổ thiết bị.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo bộ chuyển nguồn tự động (ATS)" của tác giả Lê Thanh Tốt đã xây dựng thành công giải pháp chuyển đổi nguồn tự động kết hợp đóng cắt bằng tay giữa điện lưới ba pha và máy phát điện dự phòng. Bằng việc phối hợp vi điều khiển AT89S52 với mạch đo lường cách ly quang 4N35 và hệ thống đóng cắt dùng hai công tắc tơ liên động, đồ án đã hoàn thành các mục tiêu bảo vệ phụ tải liên tục theo đúng giản đồ chu trình thời gian chuẩn. Đây là công trình thực hành kỹ thuật có cấu trúc mạch rõ ràng, sử dụng linh kiện phổ biến, mang giá trị ứng dụng và tham khảo thiết thực cho công tác đào tạo chuyên ngành điện công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHUYỂNNGUỒN TỰ ĐỘNG ATS 1. Tính cấp thiết của đồ án: 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 giáo dục, thương mại, du lịch, dịch vụ, như : trường học, bưu chính viễn thông, các khách sạn cấp cao, khu trung tâm thương mại, các siệu thị hàng hoá. 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 đó là thiết bị chuyển nguồn tự động ATS (Automatic Transfer Switch ). Thiết bị tự động chuyển nguồn ATS : Thiết bị tự động chuyển nguồn ATS có tác dụng khi điện lưới mất thì máy phát tự động khởi động và đóng điện máy phát cho phụ tải. Khi điện lưới phục hồi thỡ hệ thống tự chuyển nguồn trở lại và tự động tắt máy phát.

Khái niệm nguồn bị sự cố bao gồm: - Mất nguồn. - Ngược thứ tự 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 diezen. 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 diezen ta có ATS lưới - máy phát. 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 diezen.

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