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

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.

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. - Khi có điện lưới trở lại, kiểm tra mức độ ổn định của lưới và chuyển tải trở về lưới khi nguồn đã đủ thời gian ổn định. Sau khi chuyển tải máy phát chạy không tải trong một thời gian làm mát máy và sau đó tự động dừng.

* Ngoài ra, tủ chuyển đổi nguồn tự động (ATS) có chức năng bảo vệ khi Điện Lưới bị sự cố như:mất pha, mất trung tính, thấp áp (tuỳ chỉnh) thời gian chuyển đổi có thể điều chỉnh. * Quy cách chọn tủ ATS: - Phù hợp với công suất máy, các thiết bị đóng cắt, bảo vệ. - Phù hợp với môi trường nhiệt đới, không khí nhiễm muối ven biển và hải đảo. - Bảo đảm các yêu cầu về tính năng điều khiển.

- Bảo đảm cho người và thiết bị. * Chức năng hoạt động của tủ ATS: - Bảo vệ máy phát , do có thời gian trễ giữa việc cắt MC máy phát và đóng MC điện lưới nờn máy phát được bảo vệ an toàn. - Bảo vệ phụ tải , do nguồn điện lưới được kiểm tra , nếu đảm bảo mới đóng điện lưới cho tải - Tự động gửi tín hiệu khởi động máy khi: điện lưới mất hoàn toàn, mất pha, hoặc điện áp thấp hơn giá trị cho phép (giá trị này có thể điều chỉnh được). - Thời gian chuyển đổi sang nguồn máy phát tùy chọn , nhưng >5s , để đảm bảo điện máy phát đó ổn định.

- Khi điện lưới phục hồi, bộ ATS chuyển phụ tải sang nguồn lưới. Máy tự động tắt sau khi chạy làm mát 1-15 phút. - Có khả năng vận hành tự động hoặc bằng nhân công. - Điều chỉnh được các khoảng thời gian chuyển mạch.

- Có hệ thống đèn chỉ thị. Cụ thể là : * Hiển thị :
Mặt tủ : - Đèn MAIN AVAILABLE : đèn báo điện lưới. - Đèn GEN AVAILABLE : đèn báo điện máy phát. - Đèn MAIN ON LOAD : báo đang cấp điện lưới cho tải.

- Đèn GEN ON LOAD : báo đang cấp điện máy phát cho tải.
Trong tủ : - Đèn GOOD MAIN : đèn báo điện lưới nằm trong phạm vi cho phép. - Đèn GOOD GEN : đèn báo điện máy phát nằm trong phạm vi cho phép. - Đèn ERROR: đèn báo điện lưới không đạt.

và một số đèn báo khác. * Công tắc điều khiển: - Chuyển mạch MAIN – AUTO – GEN ( chế độ của ATS ) + MAIN : đóng điện lưới cho tải không điều kiện. + GEN : đóng điện máy phát cho tải không điều kiện. + AUTO : chạy tự động hoàn toàn.

- Chuyển mạch AUTO – OFF – TEST ( chế độ của máy phát ). + TEST : chạy máy phát bất kể điện lưới thế nào. + AUTO : chạy tự động hoàn toàn. + OFF : tắt máy phát hoàn toàn.

* Các thông số có thể điều chỉnh được bởi người sử dụng : Phần ATS : - Ngưỡng bảo vệ thấp áp của điện lưới ( Main Voltage Sensing ). - Thời gian trễ để kiểm tra điện lưới đó hoàn toàn ổn định khi có điện trở lại ( Ret
ranfer ). - Thời gian trễ đóng điện lưới cho tải ( Tranfer ). - Thời gian chờ nóng máy phát ,điện máy phát ổn định để đóng điện máy phát cho tải ( Warm up ).

- Thời gian chờ làm nguội máy phát rồi tắt ( Cool down )
Phần AUTO START MODULE ( tựy chọn ). - Thời gian trễ khởi động máy phát , hoặc làm nóng máy phát ( Delay start – Preheat ). - Chọn số lần khởi động máy phát ( Select starting times ). - Thời gian khởi động ( Start ).

- Thời gian nghỉ giữa các lần khởi động ( Idle ). - Thời gian cấp tín hiệu dừng máy ( Stop – với loại Stop output ). == > Tủ ATS EAC bảo hành cực kỳ uy tính. * Giản đồ hoạt động cơ bản của tủ ATS : Hình I.

Sơ đồ cấu trúc của hai loại ATS : KĐ DZ MBA MBA ĐK MBA ĐK G AP2 AP1 AP1 AP2 SS1 SS2 SS 1 SS2 CM CM Tới tải Tới tải a b Hình I.2 Sơ đồ khối của ATS - MBA : máy biến áp nguồn. - AP1, AP2 : áptômát nguồn. - SS1, SS2 : Các bộ so sánh. - ĐK : khối điều khiển.

- CM : khối chuyển mạch. - KĐ : Khối khởi động máy diezen. * Chức năng các khối : + SS : Khối so sánh thực hiện chức năng theo dõi , giám sát các thông số của nguồn cung cấp và so sánh các thông số đó với giá trị ngưỡng đặt trước và đưa ra tín hiệu cho khối điều khiển. + ĐK : Khối điều khiển nhận tín hiệu từ đầu ra của bộ so sánh và tác động dến khối chuyển mạch.

+ CM : Khối chuyển mạch thực hiện việc đóng ngắt tải từ nguồn này sang nguồn khác theo tác động của bộ điều khiển. + KĐ : Khối khởi động máy phát diezen khi nhận được tín hiệu của bộ điều khiển. + AP1, AP2 : Hai áp tô mát bảo vệ nguồn khi có sự cố quá tải hay ngắn mạch. Nguyên lý hoạt động của ATS : * ATS lưới - lưới : Cấu trúc của loại ATS này được thể hiện trên hình vẽ I.2 a ATS lưới - lưới hoại động rất đơn giản, khi chất lượng nguồn điện chính không đạt lúc đó bộ so sánh cấp tín hiệu cho khối điều khiển tác động đến khối chuyển mạch chuyển tải từ lưới chính sang lưới dự phòng.

Khi lưới điện chính phục hồi trở lại ATS tiến hành kiểm tra chất lượng nguồn điện chính nếu đủ tiêu chuẩn thì cấp tín hiệu chuyển tải trở lại nguồn chính. Sơ đồ thời gian hoạt động của nó như sau : Mất lưới Lưới chính phục hồi Đưa tải trở về lưới chính Chuyển tải t1 t2 Hình I-3 + Giải thích hoạt động của sơ đồ : Ban đầu tải được cấp điện bằng nguồn chính thông qua MBA1 khi lưới chính bị sự cố như mất nguồn, mất pha… Lúc đó khối điều khiển của ATS nhận tín hiệu sự cố và xử lí nó đồng thời ATS cũng kiểm tra chất lượng điện nguồn còn lại. Nếu chất lượng nguồn dự phòng tốt thì ATS sẽ tạo khoảng thời gian trễ t1 (5 giây) để khẳng định lưới chính gặp sự cố thực sự không hay chỉ là sự cố thoáng qua. Sau đó tạo tín hiệu cho cơ cấu chấp hành tác động chuyển tải sang nguồn dự phòng.

Khi tải đang làm việc với nguồn dự phòng mà lưới chính phục hồi trở lại ATS xử lí tín hiệu này đồng thời tạo khoảng thời gian trễ t2 (5 ÷ 10 giây) để đảm bảo rằng nguồn chính đã ổn định có thể đưa vào vận hành. Sau đó ATS tác động đến cơ cấu chuyển mạch đưa tải trở lại lưới chính. Và ATS tiếp tục theo dõi hoạt động của các nguồn điện bình thường.