Thiết Kế Mô Hình Hệ Thống Chuyển Nguồn Tự Động Cho Khu Chung Cư Ecolife

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Chuyển Nguồn Tự Động Cho Chung Cư Ecolife
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TONG QUAN CHUNG VE HE THONG DIEN VA NGUON CAP CHO CHUNG CƯ ECOLIFE
• 1.1. Phân tích đặc điểm các loại nhóm phụ tải cho chung cư Ecolife
• 1.2. Các tiêu chính đánh giá một hệ thống cung cấp điện
• 1.3. Loại chuyển nguồn cho chung cư Ecolife
• 1.4. Kết luận
• 2. CHƯƠNG 2: PLC S7-200
• 2.1. Giới thiệu về PLC S7-200
• 2.2. Giới thiệu về S7-200 CPU 224 XP
• 2.3. Mô đun mở rộng
• 2.4. Phần mềm cho PLC S7-200
• 2.5. Kết luận
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH
• 3.1. Yêu cầu công nghệ
• 3.2. Giản đồ thời gian
• 3.3. Thiết bị tủ điện
• 3.4. MCB mạch động lực
• 3.5. Cảm biến điện áp (ZMPT101B)
• 3.6. Role trung gian
• 3.7. Đồng hồ hiển thị dòng điện, điện áp
• 3.8. Các thiết bị phụ trợ
• 3.9. Kết luận
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH
• 4.1. Thiết kế mạch lực
• 4.2. Thiết kế mạch điều khiển
• 4.3. Thiết kế, bố trí thiết bị trong và trên mặt tủ ATS
• 4.4. Sơ đồ đi dây
• 4.5. Kết quả chạy thực nghiệm cho mô hình
• PHỤ LỤC SỐ LIỆU ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC

Tóm tắt

I. Phương pháp thiết kế hệ thống chuyển nguồn tự động Ecolife

Bài viết này trình bày phương pháp luận chi tiết cho việc thiết kế hệ thống chuyển nguồn tự động cho chung cư Ecolife, một giải pháp kỹ thuật trọng yếu nhằm đảm bảo an toàn điện tòa nhà và duy trì hoạt động liên tục. Bối cảnh mất điện thường xuyên vào năm 2023 đã cho thấy sự cấp thiết của một giải pháp điện dự phòng tin cậy. Đối với một khu phức hợp hiện đại như Ecolife, việc gián đoạn nguồn điện không chỉ ảnh hưởng đến sinh hoạt mà còn gây ra các rủi ro nghiêm trọng liên quan đến an toàn PCCC, vận hành thang máy và hệ thống an ninh. Đồ án nghiên cứu của Nguyễn Minh Hiếu (2024) tại trường Đại học Điện Lực đã đặt nền tảng cho việc phân tích và xây dựng một mô hình ATS (Automatic Transfer Switch) tối ưu. Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc phân loại phụ tải, lựa chọn thiết bị điều khiển và xây dựng thuật toán vận hành thông minh. Việc thiết kế hệ thống chuyển nguồn tự động không chỉ là một yêu cầu kỹ thuật mà còn là một yếu tố nâng cao giá trị và chất lượng sống cho cư dân. Mục tiêu của hệ thống là tự động chuyển đổi nguồn cấp từ điện lưới sang máy phát điện cho chung cư khi có sự cố và ngược lại một cách liền mạch, giảm thiểu thời gian gián đoạn xuống mức thấp nhất. Quá trình thiết kế phải tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế điện quốc gia và quốc tế, đặc biệt là IEC 60364-1:2001, để đảm bảo độ tin cậy, an toàn và hiệu quả kinh tế. Hệ thống này là một phần không thể thiếu trong cấu trúc thi công cơ điện M&E của tòa nhà.

1.1. Tầm quan trọng của việc cung cấp điện liên tục tại chung cư

Việc cung cấp điện liên tục là yếu tố sống còn đối với các tòa nhà chung cư hiện đại. Sự cố mất điện đột ngột có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng: hệ thống thang máy ngừng hoạt động, gây nguy hiểm cho người bị kẹt; hệ thống PCCC, báo cháy và tăng áp hút khói bị vô hiệu hóa, đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người khi có hỏa hoạn. Hơn nữa, hệ thống an ninh, camera giám sát và chiếu sáng khẩn cấp cũng phụ thuộc vào nguồn điện ổn định. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc gián đoạn điện còn làm ảnh hưởng đến các hoạt động thương mại, dịch vụ tại các tầng khối đế, gây thiệt hại kinh tế không nhỏ. Do đó, một giải pháp chuyển nguồn dự phòng hiệu quả là bắt buộc.

1.2. Phân tích các nhóm phụ tải ưu tiên tại chung cư Ecolife

Theo tài liệu nghiên cứu, phụ tải tại chung cư Ecolife được phân thành ba loại chính. Phụ tải ưu tiên (Loại 1) bao gồm các hệ thống trọng yếu như báo cháy, chữa cháy tự động, thang máy, camera an ninh, đèn sự cố, tăng áp và hút khói. Nhóm này phải được cấp điện liên tục từ cả nguồn lưới và nguồn dự phòng. Nhóm phụ tải loại 2 là khu vực dịch vụ công cộng, trung tâm thương mại và khối văn phòng cho thuê. Nhóm này cũng cần nguồn dự phòng để đảm bảo hoạt động kinh doanh. Cuối cùng, phụ tải không ưu tiên (Loại 3) là các căn hộ, chỉ được cấp điện từ nguồn lưới chính. Việc phân loại này là cơ sở để tính toán công suất và thiết kế tủ điện ATS phù hợp.

II. Yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế hệ thống ATS cho chung cư

Việc thiết kế hệ thống chuyển nguồn tự động cho chung cư Ecolife đòi hỏi sự tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo tính an toàn và ổn định. Theo tiêu chuẩn IEC 60364-1:2001, một hệ thống cung cấp điện chất lượng phải đáp ứng bốn tiêu chí cốt lõi: Độ tin cậy, chất lượng điện, an toàn và kinh tế. Độ tin cậy yêu cầu hệ thống phải có khả năng vận hành tự động và chính xác khi có sự cố. Chất lượng điện năng (điện áp, tần số) từ nguồn dự phòng phải đảm bảo không gây hại cho thiết bị. An toàn là yếu-tố-quan-trọng-nhất, bao gồm an toàn cho người vận hành và an toàn cho toàn bộ hệ thống điện tòa nhà, tránh các sự cố chập cháy. Cuối cùng, yếu tố kinh tế được xem xét sau khi đã đảm bảo các tiêu chí kỹ thuật, bao gồm chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì hệ thống ATS. Các yêu cầu công nghệ cụ thể cho hệ thống ATS cho chung cư bao gồm: tự động phát hiện sự cố mất pha, mất nguồn, thấp áp hoặc quá áp; tự động khởi động máy phát điện; chuyển tải sang nguồn dự phòng với thời gian trễ hợp lý; và tự động chuyển về nguồn lưới khi điện áp ổn định trở lại, đồng thời cho máy phát chạy không tải để làm mát trước khi tắt hẳn. Toàn bộ quy trình này phải được kiểm soát chặt chẽ bởi một bộ điều khiển ATS (ATS controller) thông minh và đáng tin cậy.

2.1. Đánh giá rủi ro và hậu quả khi gián đoạn nguồn điện

Gián đoạn nguồn điện tại một chung cư quy mô lớn như Ecolife có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân: sự cố lưới điện khu vực, quá tải, ngắn mạch nội bộ, hoặc các yếu tố tự nhiên như sấm sét. Hậu quả của những sự cố này rất đa dạng và nghiêm trọng. Về mặt an toàn, nguy cơ cháy nổ tăng cao khi hệ thống PCCC không hoạt động. Về an ninh, hệ thống giám sát ngừng hoạt động tạo điều kiện cho các hành vi phạm pháp. Về kinh tế, các hoạt động kinh doanh tại khu thương mại bị đình trệ. Việc đánh giá chính xác các rủi ro này là bước đầu tiên để xác định cấp độ ưu tiên và quy mô của hệ thống ATS cho chung cư.

2.2. Vai trò của tủ điện ATS trong việc đảm bảo an toàn điện

Tủ điện ATS (Automatic Transfer Switch) là trái tim của hệ thống điện dự phòng. Chức năng chính của nó là giám sát nguồn điện lưới và tự động thực hiện chuyển đổi nguồn cấp cho phụ tải. Một tủ ATS được thiết kế tốt sẽ có các cơ cấu khóa chéo (cơ và điện) để đảm bảo tại một thời điểm, phụ tải chỉ được kết nối với một nguồn duy nhất (lưới hoặc máy phát), ngăn chặn tuyệt đối nguy cơ xung đột nguồn gây cháy nổ. Ngoài ra, lắp đặt tủ ATS đúng tiêu chuẩn còn tích hợp các chức năng bảo vệ quá tải, ngắn mạch, đảm bảo an toàn điện tòa nhà một cách toàn diện.

III. Nguyên lý hệ thống chuyển nguồn tự động ATS cho chung cư

Nguyên lý hoạt động của hệ thống chuyển nguồn tự động cho chung cư Ecolife dựa trên một quy trình logic được lập trình sẵn để giám sát và ra quyết định. Hệ thống bao gồm hai nguồn cấp chính: điện lưới (Main Utility) và máy phát điện dự phòng (Generator). Ở trạng thái bình thường, toàn bộ phụ tải ưu tiên được cấp điện từ lưới thông qua Contactor/ACB của nguồn lưới đang ở trạng thái đóng. Bộ điều khiển ATS liên tục giám sát các thông số của điện lưới như điện áp, tần số, thứ tự pha. Khi phát hiện sự cố (mất điện, mất pha, điện áp ngoài ngưỡng cho phép), bộ điều khiển sẽ bắt đầu một chu trình chuyển đổi. Đầu tiên, một bộ định thời (timer) sẽ được kích hoạt để xác nhận sự cố là thực sự, không phải là sụt áp thoáng qua (thường từ 3-5 giây). Sau đó, hệ thống sẽ gửi tín hiệu khởi động đến máy phát điện cho chung cư. Khi điện áp và tần số từ máy phát đạt mức ổn định, bộ điều khiển sẽ ngắt Contactor/ACB của nguồn lưới và đóng Contactor/ACB của nguồn máy phát, hoàn tất việc cấp điện cho tải từ nguồn dự phòng. Quá trình này đảm bảo việc cung cấp điện liên tục cho các khu vực quan trọng. Khi điện lưới được phục hồi và duy trì trạng thái ổn định trong một khoảng thời gian cài đặt trước (ví dụ 5 giây), hệ thống sẽ thực hiện quy trình ngược lại.

3.1. Sơ đồ nguyên lý tủ ATS lưới máy phát điện điển hình

Sơ đồ nguyên lý tủ ATS bao gồm hai phần chính: mạch động lực và mạch điều khiển. Mạch động lực có nhiệm vụ đóng cắt các nguồn công suất lớn, gồm hai Contactor hoặc ACB (một cho lưới, một cho máy phát) được liên động khóa chéo. Mạch điều khiển là bộ não của hệ thống, nhận tín hiệu từ các cảm biến điện áp, thực thi logic điều khiển và gửi lệnh đến cuộn hút của Contactor/ACB. Các thành phần khác bao gồm bộ sạc ắc quy tự động cho máy phát, các đèn báo trạng thái, đồng hồ đo lường và các nút nhấn vận hành bằng tay.

3.2. Giản đồ thời gian và quy trình vận hành tự động chi tiết

Giản đồ thời gian mô tả tuần tự các bước hoạt động. Khi sự cố xảy ra (t0), hệ thống chờ một khoảng trễ t1 (khoảng 3s) để xác nhận. Tại t1, tín hiệu khởi động máy phát được gửi đi. Máy phát cần thời gian t2 để đạt điện áp định mức. Tại t2, hệ thống chờ thêm một khoảng trễ t3 (khoảng 5s) để điện áp máy phát ổn định, sau đó thực hiện chuyển tải. Khi lưới điện phục hồi (t4), hệ thống chờ thời gian t5 (khoảng 5s) để đảm bảo lưới ổn định, sau đó chuyển tải về lưới. Máy phát sẽ tiếp tục chạy không tải trong khoảng thời gian t6 (khoảng 30 phút) để làm mát động cơ trước khi tự động tắt. Quy trình vận hành tự động này tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.

IV. Hướng dẫn thiết kế mạch điều khiển ATS bằng PLC S7 200

Việc thiết kế hệ thống chuyển nguồn tự động cho chung cư Ecolife sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) mang lại độ tin cậy và linh hoạt cao. Nghiên cứu của Nguyễn Minh Hiếu (2024) đã lựa chọn PLC Siemens S7-200 CPU 224XP làm trung tâm điều khiển cho mô hình. Lựa chọn này dựa trên ưu điểm của PLC về khả năng hoạt động bền bỉ trong môi trường công nghiệp, dễ dàng lập trình, thay đổi thuật toán và kết nối với các thiết bị ngoại vi. Mạch điều khiển ATS sử dụng PLC có nhiệm vụ nhận tín hiệu đầu vào từ các cảm biến điện áp (ví dụ: ZMPT101B) để giám sát trạng thái nguồn lưới và nguồn máy phát. Dựa trên các tín hiệu này, chương trình trong PLC sẽ thực thi thuật toán đã lập trình sẵn. Các đầu ra (Output) của PLC sẽ điều khiển trực tiếp các Rơ le trung gian, và từ đó cấp nguồn cho cuộn hút của các Contactor/ACB trong mạch động lực. Việc sử dụng PLC cho phép tùy chỉnh các thông số thời gian trễ một cách chính xác, tích hợp các điều kiện an toàn phức tạp và dễ dàng mở rộng, nâng cấp hệ thống trong tương lai. Đây là một giải pháp chuyển nguồn dự phòng hiện đại, thay thế cho các mạch điều khiển bằng rơ le truyền thống vốn cồng kềnh và khó thay đổi.

4.1. Thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển chuyển nguồn logic

Lưu đồ thuật toán là bản kế hoạch chi tiết cho chương trình PLC. Thuật toán bắt đầu bằng việc kiểm tra liên tục điện áp lưới. Nếu điện áp lưới OK, giữ Contactor lưới đóng. Nếu điện áp lỗi, bắt đầu timer_1 (3s). Sau khi timer_1 kết thúc, kiểm tra lại điện áp lưới. Nếu vẫn lỗi, gửi lệnh khởi động máy phát. Sau khi máy phát khởi động, giám sát điện áp máy phát. Khi điện áp máy phát OK, bắt đầu timer_2 (5s). Sau khi timer_2 kết thúc, ngắt Contactor lưới và đóng Contactor máy phát. Quá trình giám sát song song cả hai nguồn. Khi phát hiện lưới có điện trở lại, bắt đầu timer_3 (5s) và thực hiện quy trình chuyển ngược lại.

4.2. Các thiết bị phụ trợ trong tủ điện điều khiển ATS

Bên cạnh PLC, tủ điện ATS còn cần nhiều thiết bị phụ trợ để hoàn thiện chức năng. Relay trung gian (ví dụ: MY2N-GS 24VDC) được dùng làm tầng đệm giữa đầu ra PLC và cuộn hút công suất lớn của Contactor. Các cảm biến điện áp ZMPT101B cung cấp tín hiệu analog về giá trị điện áp cho PLC. Đèn báo pha, đồng hồ Volt, đồng hồ Ampe giúp người vận hành giám sát trạng thái hệ thống. Nút nhấn dừng khẩn cấp và công tắc chuyển chế độ Auto/Manual là các thành phần không thể thiếu để đảm bảo an toàn và khả năng can thiệp bằng tay khi cần thiết. Toàn bộ các thiết bị này được tích hợp trong tủ điện tổng MSB hoặc một tủ riêng biệt.

V. Quy trình thiết kế và lắp đặt tủ ATS cho chung cư Ecolife

Quy trình thiết kế hệ thống chuyển nguồn tự động cho chung cư Ecolife được thực hiện qua nhiều bước chuyên nghiệp, từ khảo sát đến nghiệm thu. Bước đầu tiên là khảo sát thực tế, phân tích và thống kê công suất của các phụ tải ưu tiên để xác định dòng điện định mức, từ đó lựa chọn công suất Contactor/ACB và máy phát điện phù hợp. Dựa trên các thông số này, các kỹ sư tiến hành thiết kế chi tiết mạch động lực và mạch điều khiển. Bản vẽ thiết kế phải thể hiện rõ ràng sơ đồ nguyên lý tủ ATS, cách đi dây, vị trí lắp đặt thiết bị. Sau khi bản vẽ được phê duyệt, công đoạn lắp đặt tủ ATS được tiến hành. Việc gia công vỏ tủ, bố trí thiết bị bên trong và trên mặt tủ phải đảm bảo tính thẩm mỹ, khoa học và an toàn điện. Các thanh cái đồng, dây động lực và dây điều khiển phải được lựa chọn đúng tiết diện, bấm đầu cốt và đánh số theo tiêu chuẩn. Giai đoạn quan trọng nhất là lập trình và nạp chương trình cho PLC, sau đó tiến hành kiểm tra nguội (không cấp nguồn) và thử nghiệm nóng (vận hành thực tế). Quá trình thi công cơ điện M&E này đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các bên để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác theo yêu cầu thiết kế.

5.1. Bố trí thiết bị trên mặt tủ điện tổng MSB và tủ ATS

Việc bố trí thiết bị trên mặt tủ điện cần đảm bảo tính khoa học và tiện lợi cho vận hành. Các thiết bị thường được bố trí bao gồm: Đèn báo trạng thái nguồn lưới (R, S, T), đèn báo trạng thái nguồn máy phát, đèn báo tải đang dùng nguồn nào, đồng hồ Volt và Ampe cho mỗi nguồn, công tắc chuyển chế độ Auto/Manual, và nút dừng khẩn cấp. Cách bố trí này giúp nhân viên kỹ thuật tòa nhà có thể nhanh chóng nắm bắt tình trạng hoạt động của hệ thống mà không cần mở cửa tủ, nâng cao tính an toàn.

5.2. Kết quả thực nghiệm và hiệu suất của mô hình hệ thống

Theo báo cáo đồ án, mô hình thực nghiệm của hệ thống đã hoạt động đúng theo yêu cầu công nghệ và thuật toán đã thiết kế. Khi mô phỏng sự cố mất điện lưới, hệ thống đã tự động khởi động máy phát và chuyển tải thành công trong khoảng thời gian trễ đã định. Tương tự, khi mô phỏng lưới điện có trở lại, hệ thống cũng chuyển đổi về nguồn chính một cách an toàn và tự động tắt máy phát sau thời gian làm mát. Kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp điện dự phòng sử dụng PLC S7-200, làm cơ sở tin cậy để triển khai trên quy mô thực tế.

VI. Bí quyết vận hành và bảo trì hệ thống ATS cho chung cư

Để hệ thống chuyển nguồn tự động cho chung cư Ecolife hoạt động bền bỉ và tin cậy, công tác vận hành và bảo trì đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Việc vận hành hệ thống cần được thực hiện bởi nhân viên kỹ thuật đã qua đào tạo, hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các quy trình an toàn. Hệ thống ATS thường có hai chế độ: Tự động (Auto) và Bằng tay (Manual). Chế độ Auto là chế độ hoạt động thường trực, hệ thống sẽ tự động thực hiện mọi thao tác. Chế độ Manual chỉ được sử dụng trong các trường hợp bảo trì, sửa chữa hoặc khi có chỉ định đặc biệt. Công tác bảo trì hệ thống ATS phải được thực hiện định kỳ theo khuyến nghị của nhà sản xuất và đơn vị thi công. Việc bảo trì không chỉ giúp phát hiện sớm các nguy cơ hỏng hóc mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị, đặc biệt là Contactor/ACB và ắc quy của máy phát điện. Một kế hoạch bảo trì chi tiết sẽ bao gồm các hạng mục kiểm tra trực quan, vệ sinh công nghiệp, siết lại các đầu cốt, đo kiểm tra thông mạch, và chạy thử nghiệm hệ thống. Đây là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn điện tòa nhà và duy trì khả năng sẵn sàng của giải pháp chuyển nguồn dự phòng.

6.1. Hướng dẫn vận hành hệ thống ở chế độ Tự động và Bằng tay

Ở chế độ Tự động, người vận hành chỉ cần đảm bảo công tắc chọn chế độ đang ở vị trí 'AUTO'. Mọi hoạt động sẽ do bộ điều khiển ATS tự quyết định. Ở chế độ Bằng tay, người vận hành phải tuân thủ quy trình nghiêm ngặt: đầu tiên, ngắt aptomat tổng của tải; sau đó, sử dụng các nút nhấn hoặc tay gạt cơ khí để đóng/cắt Contactor/ACB của từng nguồn. Tuyệt đối không được thao tác khi hệ thống đang mang tải để tránh hồ quang điện gây nguy hiểm.

6.2. Lịch trình và quy trình bảo trì hệ thống ATS định kỳ

Một lịch trình bảo trì hiệu quả nên được thực hiện hàng quý và hàng năm. Hàng quý: kiểm tra và vệ sinh bề mặt tủ điện, kiểm tra đèn báo, các thiết bị đo lường, kiểm tra mức nhiên liệu và ắc quy máy phát. Hàng năm: thực hiện kiểm tra sâu hơn, bao gồm siết lại lực các đầu nối động lực, kiểm tra điện trở cách điện, kiểm tra tiếp điểm của Contactor/ACB và chạy thử toàn bộ hệ thống ở chế độ không tải và có tải giả. Quy trình bảo trì hệ thống ATS này giúp đảm bảo hệ thống luôn trong trạng thái sẵn sàng cao nhất.