Đồ án Thiết kế bộ tự động chuyển đổi nguồn A.T.S Lưới- Máy phát

ới và máy phát Nguồn tín hiệu để đưa vào cơ cấu đo lường, xử lý tín hiệu có thể thực hiện theo hai phương án sau: +Sử dụng máy biến áp 3 pha qua bộ chỉnh lưu cầu 6 diode tạo điện áp đặt đưa vào cơ cấu kiểm tra. +Nếu sử dụng nguồn cấp so sánh theo phương án thứ nhất. Hình 3.13 Thì phương án sẽ cho ta dễ dàng tạo điện áp đặt US đưa vào điều khiển. Tuy nhiên sơ đồ có một nhược điểm khá lớn dẫn tới mất chính xác, khi sử dụng trong điều khiển lưới vận hành không đều pha, chẳng hạn nếu xảy ra sự cố điện áp sụt trên một pha còn hai pha kia điện áp lại tăng lên thì do có hiện tượng cảm ứng điện từ trong máy biến áp 3 pha mà giá trị điện áp US có thể vẫn không suy giảm, dẫn đến mạch bảo vệ không tác động. Nếu sử dụng nguồn cấp tín hiệu theo phương án thứ hai, phương án dùng 3 máy biến áp một pha(H 3.14, H 3.15) thì tuy mạch có đôi chút cồng kềnh nhưng ưu điểm lớn của phương án này là tạo tín hiệu cho mạch bảo vệ tác động chính xác vì sử dụng phương pháp so sánh cho từng pha riêng biệt. Nguồn cấp tín hiệu điện áp lấy từ lưới Hình 3.14 Linh kiện: Biến áp 3 pha dây quấn 220V/12V/24V. Diode chỉnh lưu IN4007. C1 = C2 = C3 = 470mF,16V. 4.Sơ đồ mạch theo dõi áp a/Theo dõi lưới: LAT LBT LCT VLa VLb Vout Vout Vout VLc RULT 2,2K 2,2K LAC LBC LCC VLa VLb Vout Vout Vout VLc RULT 2,2K 2,2K Hình 3.16 Trong đó: LAT, LBT, LCT là các mạch có Vout = +Vsat ằ +12V. Khi điện áp tín hiệu ULa, ULb, ULc từ các máy biến áp đo lường mắc trên lưới đưa sang, có trị số nhỏ hơn 85% giá trị định mức(Sơ đồ mạch của L1). Sơ đồ mạch chung của LAT, LBT, LCT ở trên hình 3.16. Các khối mạch: LAC, LBC, LCC có chung sơ đồ nguyên lý vẽ trên H 3.16. Điện áp ra của các khối mạch này lật tới ngưỡng điện áp cao: Vout = +Vsat ằ +12V, khi điện áp tín hiệu lấy từ thứ cấp của các máy biến áp đo lường mắc trên lưới: ULa, ULb, ULc có trị số lớn hơn định mức. b/Mạch theo dõi điện áp máy phát Các khối mạch: FAC, FBC, FCC có chung sơ đồ nguyên lý vẽ trên H 3.17. Điện áp ra của các khối mạch này lật tới ngưỡng điện áp cao: Vout = +Vsat ằ +12V, khi điện áp tín hiệu lấy từ thứ cấp của các máy biến áp đo lường mắc trên lưới: UFa, UFb, UFc có trị số lớn hơn 110% định mức. FAT FBT FCT VFa VFb Vout Vout Vout VFc RULT 2,2K 2,2K Vout FAC FBC FCF VFa VFb Vout Vout Vout VFc RULT 2,2K 2,2K Hình 3.17 Trong đó: FAT, FBT, FCT là các khối mạch phát ra ngưỡng điện áp cao: Vout = +Vsat ằ +12V, khi điện áp tín hiệu lấy từ các thứ cấp của các máy biến áp đo lường mắc trên đấu cực của máy phát: UFa, UFb, UFc có trị số thấp hơn 85% điện áp định mức. Sơ đồ nguyên lý chung của FAT, FBT, FCT vẽ trên H 3.18. Mạch điện phát tín hiệu logic báo điện áp tín hiệu thấp hơn điện áp đặt trước Rx Vin + - R1 1,2K R6 10K ZD1 50K +12V Vout Hình 3.18 Với máy biến áp tín hiệu 220V/12V Ta chọn được: . Khi điện áp tín hiệu không quá thấp(³85%USdm)thì điện áp đưa tới V- là UV-= 0,85.5 = 4,25V. Ta lấy điện áp chuẩn đặt vào V+ = 4,25V và đương nhiên lúc này ta thấy UV+- UV-= 0V do đó Vout = 0. Để có UV+= 4,25V thì điện trở tính từ điểm đấu con trượt về phía đầu nối của biến trở R2 với "mát" là: . Mạch phát tín hiệu logíc báo điện áp tín hiệu lớn hơn điện áp đặt trước: Rx Vin + - R1 1,2K R6 10K ZD1 50K +12V Vout Hình 3.19 Tương tự như trên cũng máy biến áp tín hiệu 220V/12V Ta chọn được: . Khi điện áp tín hiệu không quá cao(Ê110%USdm) thì điện áp đưa tới V+ là UV+=1,1.5 = 5,5V. Ta lấy điện áp chuẩn đặt vào V- = 5,5V và lúc này ta thấy UV+- UV-= 0V do đó Vout = 0. Để UV-= 5,5V thì điện trở tính từ điểm đấu con trượt về phía đầu nối của biến trở R2 với "mát" là: . Khi điện áp tín hiệu vượt quá điện áp đặt(UV+ > UV-) thì UV+ - UV-> 0 dẫn tới Vout = +Vsat ằ+12V và lúc này mức logíc tương ứng là "1" ở đầu ra. 5.Mạch báo tín hiệu ngược thứ tự pha a/Khi xuất hiện hiện tượng ngước thứ tự pha(hai trong 3 pha tráo nhau) gây ra từ trường thứ tự nghịch trong các động cơ không đồng bộ và đồng bộ 3 pha làm các động cơ này quay ngược dẫn tới các máy công cụ cũng quay ngược phá hoại quy trình sản xuất, có thể dẫn tới tai nạn lao động: ở các nhà máy hoá chất hiện tượng ngược pha làm các quạt thổi khí độc 3 pha quay ngược làm khí độc tràn ra khu vực công nhân làm việc gây ngạt thở có thể dẫn đến chết người. ở các Đại sứ quán, văn phòng chính phủ, khách sạn sang trọng thì hiện tượng ngược thứ tự pha làm các máy điều hoà nhiệt trung tâm quay ngược và không thực hiện được nhiệm vụ điều hoà không khí của nó. ở các nhà máy đông lạnh, làm kem, đá khi xuất hiện hiện tượng ngược thứ tự pha làm động cơ 3 pha quay ngược làm cho chu trình tải nhiệt ngược lại. Kết quả là kem, đá không đóng băng được, quá trình bảo quản lạnh thực phẩm không được thực hịn gây thiệt hại lớn cho người sản xuất. Từ những thiệt hại do hiện tượng ngược thứ tự pha gây ra trên đây ở bộ điều khiển ATS nhất thiết phải có mạch báo tín hiệu ngược thứ tự pha, và mạch điều khiển khi nhận tín hiệu ngược thứ tự pha phải cắt ngay nguồn cung cấp có xuất hiện ngược thứ tự pha và dòng điện ngay sang nguồn thứ hai(nếu chất lượng điện năng của nguồn này đảm bảo) hoặc khởi động ngay máy phát điện(trường hợp nguồn điện có ngược thứ tự pha là lưới) và đưa máy phát điện vào làm việc với tải. Sơ đồ mạch báo ngược thứ tự pha rất đa dạng nhưng ở đây chúng ta chỉ xét một mạch điện tương đối đơn giản, linh kiện rẻ tiền dễ tìm kiếm như sau: c/Nguyên lý hoạt động của mạch điện: Ta có giản đồ véc tơ 3 pha khi thuận pha và ngược pha như sau: R' UR1C1 T' S' S, T' R' UR1C1 UNC2 +Khi thuận pha: +Khi ngược pha Như vậy khi thuận pha thì , khi ngược pha thì , trên giản đồ véc tơ cho thấy vậy ta chỉ cần chọn các linh kiện R1, C1, R2, C2, R3, R4 như trên sẽ đảm bảo T1 sẽ mở dẫn bão hoà làm T2 dẫn bão hoà, rơ le RG mất điện tiếp điểm Thp1-2 đóng lại dòng điện cho đèn xanh(LB) báo cho người vận hành biết nguồn điện được mắc thuận pha, đồng thời các tiếp điểm NP15-6 và NP24-3 mở ra làm đèn đỏ(LR) tắt, tín hiệu đưa về mạch phân tích là nhị phân = "0" logíc mạch phân tích hiểu là nguồn được nối thuận pha. Ngược lại khi nguồn mà mạch báo tín hiệu ngược pha mắc vào bị nối ngược pha thì nên T1, T2 không được mở do đó rơ le RG vẫn có điện(do T3 dẫn bão hào làm tiếp điểm Thp2-1 mở đèn LB tắt, NP24-3, NP26-5 đóng, đèn LR sáng, nhị phân = "1" logíc và mạch phân tích hiểu là nguồn bị nối ngược pha và nó phải cắt nguồn này. III. các bộ tạo thời gian a/Bộ tạo thời gian kiểu động cơ Bộ tạo thời gian kiểu động cơ là bộ thời gian sử dụng một động cơ đồng bộ đặc biệt như một phần tử thời gian. ở bộ thời gian này nguồn điện 50Hz hoặc 60Hz cung cấp cho động cơ đồng bộ, từ đó thời gian nhận được thông qua cơ cấu bánh răng giảm tốc và cuộn dây khớp ly hợp, làm cho đóng hoặc cắt các tiếp điểm sau những khoảng thời gian nhất định. Tốc độ quay của động cơ xác định bằng biểu thức sau: (vòng/phút). Trong đó: n-tốc độ động cơ. p-Số cực. f-tần số nguồn(Hz). Do số cực là thông số đặc trưng của động cơ đồng bộ và không đổi do đó tốc độ quay tỷ lệ thuận với tần số nguồn cung cấp và nhiệt độ. Nó chỉ phụ thuộc vào sự thay đổi của tần số nguồn. Như vậy bộ thời gian kiểu động cơ có thể làm việc ổn định lâu dài nếu được cung cấp bởi nguồn ổn định có tần số 50Hz hoặc 60Hz. Trong cơ cấu này, động cơ đồng bộ quay với tốc độ không đổi, tốc độ đó sẽ được giảm nhờ cơ cấu bánh răng giảm tốc. Tốc độ đó sẽ được truyền tới thiết bị đầu ra và bộ chỉ thị chuyển động. Thiết bị đầu ra sử dụng một cơ cấu cam để đóng cắt tiếp điểm. Bộ chỉ thị chuyển động làm việc như một bộ chỉ thị thời gian và nó cũng được sử dụng để đặt thời gian. Bộ đặt thời gian kiểu động cơ có phục hồi sẽ có thêm một cơ cấu ly hợp giữa động cơ và thiết bị đầu ra. Cơ cấu ly hợp này có chức năng truyền chuyển động từ động cơ bằng lực điện từ của cuộn dây ly hợp. Cơ cấu ly hợp này cho phép tách rời động cơ và thiết bị đầu ra để đặt lại thời gian một cách nhanh chóng. b/Bộ tạo thời gian kiểu RC Bộ thời gian kiểu RC sử dụng thời gian phóng hoặc thời gian nạp của mạch RC. Như chỉ ra trên hình 3.21a, khi có điện áp nhảy cấp E được đặt vào mạch gồm có tụ C và điện trở R thì điện áp VC sẽ tăng lên theo hàm mũ theo phương trình của hình 3.21a. ở một mức điện áp đặt trước, thời gian để điện áp tụ C đạt tới điện áp đó tỷ lệ thuận với giá trị tụ C và điện trở R nếu điện áp E là không đổi. Nói chung, có thể đặt thời gian bất kỳ(tuỳ ý) ở một bộ thời gian có tụ C không đổi và điện trở biến đổi. Tất cả các bộ tạo thời gian kiểu RC đều có mạch điện như hình 3.21b. Trong đó điện áp tụ C được so sánh với điện áp chuẩn của mạch so sánh. Mạch IC được giới hạn mà bộ thời gian có kích thước nhỏ hơn và giá thành thấp. Nó còn cho phép giảm số phần tử nối bên ngoài của bộ thời gian. Tất cả các bộ thời gian kiểu RC mới nhất đều sử dụng phương pháp này và có kích thước nhỏ giá thành thấp, tần số làm việc cao, tuổi thọ cao. So sánh Mạch Ra khuếch đại ra Hình 3.21 – Sơ đồ khối bộ thời gian kiểu RC C R c/Bộ thời gian kiểu đếm dao động RC Sơ đồ khối bộ thời gian loại này ở hình 3.22. Bộ thời gian gồm có một bộ dao động với tần số có thể thay đổi bằng mạch RC và một bộ chia tần số là mạch trigger nhiều tầng. Một chu kỳ dao động t được chia bởi bộ chia tần số nhị phân n bước nên thời gian có thể tăng tới 2n x t. Tương tự như bộ thời gian kiểu RC, thời gian t được điều chỉnh nhở thay đổi R. Trước đây, do việc lắp ráp nhiều mạch trigger nên giá thành cao. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, mạch IC ra đời đã cho phép chế tạo các bộ thời gian ở trong một IC 8 chốt. Có hai loại IC: loại IC công nghiệp và IC đặc biệt. Loại IC đặc biệt là loại chất lượng cao và được phát triển với mục đích nâng cao khả năng chống nhiễu và giảm công suất tiêu thụ. H 3.22 là sơ đồ khối của bộ tạo thời gian sử dụng IC có chức năng thay đổi số bước của tần số bằng điều khiển phần mềm và có chức năng chỉ thị thời gian trong phạm vi(10á60) lần phạm vi tiêu chuẩn. Lấy một tín hiệu đấu ra từ 3 tầng trước, tầng cuối cùng của các mạch trigger, sẽ tạo ra một xung ứng với 1/8 của thời gian đặt. Với tín hiệu 1/8 chu kỳ xung, bằng bộ đếm hoặc bộ ghi dịch và bằng bộ chỉ thị đèn LED, thời gian của bộ thời gian sẽ được chỉ thị theo phần trăm. Như vậy, bộ thời gian kiểu đếm dao động RC có đặc điểm như một bộ phân thời gian phạm vi rộng và chỉ thị thời gian. Hơn nữa, không giống bộ thời gian RC, bộ thời gian loại này ít có hoặc không có lỗi ban đầu và lỗi thời gian OFF. Điều đó nói lên một sự thật là, với hệ số chia tần số lớn, độ lớn thời gian của bộ thời gian không bị ảnh hưởng bởi trạng thái ban đầu của bộ dao động RC. Tín hiệu phục hồi Counter circuit LED display FF FF FF Mạch nhớ đầu ra Mạch nhớ đầu ra Oscillator Mạch phục hồi tx2n Hình 322 – Sơ đồ khối của bộ thời gian kiểu đếm dao động RC d/Bộ tạo thời gian số Sơ đồ mạch cơ bản của bộ thời gian số vẽ ở H 3.23. Bộ thời gian này dùng mạch đếm để đếm tín hiệu tần số không đổi và nhận được tín hiệu điều khiển khi giá trị xung đặt trước của mạch đếm tín hiệu tần số không đổi và nhận được tín hiệu điều khiển khi giá trị xung đặt trước của mạch đếm trùng với giá trị đếm. Phần mạch trong đường nét đứt vẽ trên được là một mạch IC. Khác với bộ thời gian kiểu RC và bộ thời gian kiểu đếm dao động RC ở đây sử dụng phương pháp đặt thời gian kiểu tương tự. Bộ thời gian loại này có thể đặt được một dải thời gian rộng bằng"thumb wheel switch". Bộ thời gian sử dụng chỉ thị LED bảng thanh để chỉ thị thời gian. Hơn nữa, nó cũng sử dụng bộ dao động có tần số nguồn công nghiệp-ít bị ảnh hưởng do thay đổi của nhiệt độ môi trường và điện áp nguồn, do đó nó có độ chính xác cao hơn bộ thời gian kiểu RC. Bộ thời gian số mới nhất sử dụng một mạch vi tinh thể để tạo ra dải thời gian rộng từ 0,1 giây đến 99 giời 59 phút. Bộ thời gian số này có chức năng chuyển đổi giữa chỉ thị tăng(UP)(chỉ thị thời gian từ lúc khởi động theo trình tự tăng từ 0 đến giá trị đặt) và chỉ thị giảm(DOWN)(chỉ thị thời gian hiện hành, theo chiều giảm từ giá trị đặt đến 0). Hơn nữa, một vài bộ thời gian kiểu này có chức năng chọn một chế độ mong muốn trong số các chế độ hoạt động khác nhau cho phù hợp với chế độ điều khiển. Ví dụ duy trì nội dung của bộ thời gian trong một thời gian sau khi nguồn bị mất. Như vậy sẽ nâng cao kỹ thuật của bộ thời gian. Bộ truyền số Mạch đếm Mạch quét Mạch lọc xung Mạch đầu ra Bộ giải mã Mạch tạo sóng Mạch xử lý 2 tín hiệu trùng Bộ lọc xung Bộ chỉ thị số Bộ dao động Tín hiệu thời gian gốc Thumbwheel Switch Rơ le đầu ra Hình 3.23 Sơ đồ chức năng cơ bản của bộ thời gian số Bộ tao thời gian kiểu giảm chấn(H 3,24). +Bộ tạo thời gian kiểu khí nén: Tác dụng một lực cố định lên hộp xếp có lỗ thoát khí phía dưới đáy, cần phải mất một thời gian cố định để làm giảm một độ dài nhất định của hộp xếp. +Bộ tạo thời gian kiểu giảm chấn bằng dầu: Khi cuộn dây có điện thì một lõi thép chuyển động ngược chống lại lực giảm chấn của dầu. Sau một thời gian nào đó thì lõi thép sẽ đạt tới điểm phía trên và phần ứng hút về phía lõi thép làm chuyển đổi các tiếp điểm. tiếp điểm Dầu Core Lỗ thoát khí Rơ le Hình 3.24 f/Tính toán chọn linh kiện cho bộ tạo thời gian kiểu RC Hình 3.25 +12V D1 R1 R2 R6 T1 Tij A C1 R4 Toj R3 R5 Nguyên lý hoạt động: Khi chưa có tín hiệu điều khiển ở cực gốc của Transistor T1 mạch tạo thời gian RC bị ngắt ra khỏi nguồn. Khi có tín hiệu điều khiển tới cực gốc của T1 mạch tạo thời gian RC bắt đầu được cấp điện, và ở thời điểm ban đầu UA = 0, do đó IC khuếch đại thuật toán có điện áp ra V0 ở mức thấp 0V tương ứng với mức logíc "0". Điện áp trên tụ UA tăng theo hàm mũ đối với thời gian và đạt giá trị đặt UB sau khoảng thời gian ta mong muốn(khoảng thời gian này tính từ lúc bắt đầu có tín hiệu điều khiển cực gốc của T1) và lúc này IC lật trạng thái, điện áp ra V0 của IC đạt tới mức cao 10V tương ứng với mức logíc "1". *Chọn linh kiện: D1 = IN4001 R2 = 330W R3 = 680W R4 = R5 = 1,2 KW; R6 = 10KW. IC loại mA741. T1: 2SC18 có UCE = 25V, IC = 30mA, b = 80. R1 và C1 được tính chọn theo thời gian mà ta đặt trước cho bộ trễ theo công thức sau: Dưới đây là bảng các giá trị của R1 và C1 với các khoảng thời gian tương ứng: Bộ tạo thời gian trễ(TJ) R1(kW) C1(mF) tmm(s) T1 5000 1 5 T2 2000 10 25 T3 1500 10 15 T4 3000 15 15 T5 16000 100 1800 T6 3000á6000 100 600 T7 5000 1 5 IV.Mạch điện xử lý tín hiệu và các phương án lựa chọn A/Phương án lập trình cho PLC S7-200 để điều khiển PLC là chữ viết tắt của Program logic Controller, PLC là hệ vi xử lý chuyên dụng dùng cho điều khiển công nghiệp. PLC gồm có bộ nhớ chỉ đọc ROM dùng để lưu trữ mã lệnh, bộ nhớ EPROM để lưu trữ chương trình, bộ nhớ RAM lưu trữ dữ liệu xử lý, bus dữ liệu trong khối xử lý dữ liệu vào gồm có cổng vào, bộ nhớ đệm hình ảnh vào. Bộ nhớ trung gian chứa kết quả xử lý trung gian. Khối xử lý dữ liệu ra gồm có bộ nhớ chốt dữ liệu ra và các cổng ra. Ngoài ra trong PLC còn có bộ phận ghép quang dùng cho truyền tín hiệu điều khiển tới các khối bán dẫn công suất nằm ngay ở cổng ra của PLC nên PLC có đầu ra có thể nối trực tiếp với điện lưới 220V xoay chiều cùng với cơ cấu chấp hành. đầu ra cho phép dòng tối đa 8A khi làm việc với tải trở ở 220V xoay chiều. Đầu ra cũng có thể nối trực tiếp với nguồn một chiều +24V khi đấu COM được nối với nguồn +24V. PLC cho phép mở rộng vào-ra, với S7-200 cho phép mở rộng tối đa 8 modul, có loại chỉ mở rộng ra. PLC cho phép nối với tín hiệu analog và tín hiệu số qua kênh A/D và D/A, các kênh này ở PLC cũng cho phép mở rộng. PLC được tiêu chuẩn hoá: modul vào tiêu chuẩn, ra tiêu chuẩn, nguồn tiêu chuẩn, phần cứng của PLC được lựa chọn an toàn và tin cậy tuyệt đối, khả năng chống nhiễu tuyệt đối(ở đây muốn nói tới vấn đề nhiễu nội bộ của PLC). Ngôn ngữ lập trình cho PLC viết ở dạng hợp ngữ, mỗi loại PLC có một ngôn ngữ riêng. Người sử dụng có thể lập trình xử lý trực tiếp tới mỗi bít vào ra, vì mỗi lệnh của PLC tương đương một chương trình con của Assembly. Nên việc lập trình trở nên đơn giản , tiện dụng, chương trình rõ ràng hơn so với việc lập trình cho MCU hay vi xử lý. Do vậy PLC được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các nhà máy công nghiệp có dây chuyền sản xuất phức tạp. Với việc sử dụng PLC vào điều khiển người ta có thể điều hành sản xuất trên quy mô toàn quốc nhờ việc ghép nối các PLC đơn lẻ qua cổng truyền thông. Tuy nhiên giá thành của thiết bị này khá cao, loại mini PLC là loại rẻ nhất, với loại Logo của Simens khoảng 200 USD, với S7-200 khoảng trên 1000 USD, vậy chỉ nên dùng PLC cho những ứng dụng lớn có quy trình công nghệ phức tạp mới đạt được hiệu quả kinh tế, kỹ thuật như mong muốn. Với những ứng dụng nhỏ không nên dùng PLC, ở đề tài này thì phương án dùng PLC bị loại bỏ. B/Phương án lập trình điều khiển bộ vi điều khiển(MCU) 68HC11 Bộ vi điều khiển 8 bít là họ thông dụng nhất trên thị trường. Năm 1994 có hơn một tỷ bộ vi điều khiển 8 bít được tung ra bán trên thị trường. Với ưu điểm là giá thành rẻ, họ 68HC05 có giá mua xỉ dưới 1 USD, họ 68HC11 vào khoảng 20USD và bộ vi điều khiển có nhiều cổng vào ra: cổng A/D, D/A, bộ vi xử lý tín hiệu số, xử lý điều khiển mờ. MCU đã thâm nhập vào rất nhiều lĩnh vực trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt, MCU đã được ứng dụng trong hệ thống giải trí, nghe nhìn, hệ thống chống trộm cắp, truyền động điện, hệ thống lái, v.v.. Tuy nhiên MCU cũng có những nhược điểm sau: +MCU rất dễ bị nhiễu loạn dẫn tới tác động sai. Nếu MCU được lắp đặt trong môi trường làm việc có nhiễu điện từ mạnh(thường gặp trong môi trường công nghiệp) như nơi gần nguồn điện lưới, gần động cơ một chiều v.v..Do vậy muốn sử dụng MCU trong những môi trường này thì bắt buộc MCU phải có chương trình xử lý nhiễu gây khó khăn cho người lập trình. +Bên trong MCU không có phần khuếch đại công suất nên MCU đòi hỏi tầng khuếch đại công suất ở bên ngoài làm phức tạp bảng mạch(so với PLC). +Bộ nhớ của MCU không lớn nên chương trình soạn thảo cho MCU đòi hỏi phải ngắn gọn, hiệu quả cao vì vậy người lập trình phải có kỹ thuật lập trình tốt và am hiểu về MCU(mỗi họ MCU có một tập lệnh hợp ngữ riêng). +Tần số làm việc của MCU thường rất cao, cỡ 3MHz đến 5MHz nên việc ghép nối MCU càng phức tạp càng dễ bị nhiễu loạn dữ liệu vào-ra. Do những nhược điểm trên đây của MCU cùng với sự hiểu biết còn tương đối hạn chế về MCU của bản thân em nên trong yêu cầu thiết kế của đề tài này phương án sử dụng vi điều khiển trong điều khiển hoạt động của A.T.S không được chọn. C/Phương án tổng hợp mạch cứng bằng các phần tử logíc cơ bản họ TTL hoặc CMOS 1.Khái niệm về vi mạch số Hiện nay các mạch logic đều sản xuất dưới dạng mạch tích hợp IC(Intergrated Circuit) hay còn gọi là vi mạch. Tuỳ theo phần tử ở đầu vào và đầu ra mà mạch được chia thành các họ khác nhau: DRL(Diode registor logic), RTL(Registor transistor logic), hiện nay hai họ logic này ít được sử dụng. Hai họ đang được sử dụng phổ biến là TTL(Transistor Transistor logic) và CMOS(Complement metal oxyded Semiconductor). Họ TTL bao gồm các mạch logic có đầu vào và đầu ra là các transistor lưỡng cực, chúng hoạt động như các mạch đóng cắt. Hình 3.26 trình bày sơ đồ nguyên lý của phần tử NAND. T1 T2 +Ucc A B Q =A.B H 3.26 Tp Tn Q = A UL +Udd U0 A H 3.27 Họ logic CMOS gồm các mạch logic sử dụng đồng thời các cặp transistor MOS loại giầu kênh p và kênh n làm các khoá đóng cắt. Điểm đặc biệt của mạch CMOS là mỗi lần điều khiển luôn có hai transistor kênh n và kênh p cùng được điều khiển. Hình 3.27 là sơ đồ mạch của phần tử đảo họ CMOS. Họ TTL và họ CMOS đều có 3 kiểu mạch ra: +Mạch ra cực góp để ngỏ(họ TTL), mạch ra cực máng để ngỏ(họ CMOS) cho phép ta thay đổi mức logic, bằng cách nối đầu ra với điện áp +V thích hợp mà các tải công suất(đèn báo, rơ le điện từ..) yêu cầu. +Mạch ra thông thường(Hình 3.26, 3.27). +Mạch ra 3 trạng thái(còn gọi là phần tử 3 trạng thái) cho phép ghép nối các đầu ra lên đường truyền chung. 2.Đặc tính kỹ thuật của mạch logic họ CMOS và TTL a/Đặc tính kỹ thuật của họ TTL: Thường người ta định giá trị cực tiểu của mức cao ở đầu ra lớn hơn ở đầu vào(UOHmin>UiHmin) và giá trị cực đại của mức thấp ở đầu ra nhỏ hơn đầu vào(UOLmax<UiLmax). Làm như vậy để bảo đảm mạch có một mức phòng vệ nhiễu. +Mức phòng vệ nhiễu : Là giá trị điện áp nhiễu tối đa cho phép xếp chồng lên đầu vào mà không gây sự tác động sai của phần tử. Khi sử dụng các phần tử thường được nối tầng với nhau, tín hiệu ra của tín hiệu này là tín hiệu vào của tầng sau. Do đó nếu các phần tử thuộc cùng một họ và với quy định các giới hạn khác nhau của các mức logic ở đầu ra và vào một phần tử. +Các dòng vào và ra ứng với hai mức logic IiH, IiL và IOH, IOL. Trường hợp dùng các phần tử cùng họ nối tầng với nhau, có thể thay thế dòng vào và ra bởi khái niệm hệ số tải đầu ra(Fan-out). Nó biểu thị số đầu vào tối đa có thể nối với đầu ra mà không thay đổi giới hạn điện áp đã quy định đối với các mức logic. +Thời gian lan truyền tín hiệu tpd(hay còn gọi là thời gian tác động của phần tử) đặc trưng cho sự chậm trễ của thay đổi trạng thái đầu ra theo sự thay đổi trạng thái đầu vào. b/Đặc tính kỹ thuật của IC logic họ TTL Các đặc tính N H L S LS AS ALS Điện áp cung cấp 5V±5% Mức logic đầu ra UOH(V) UOL(V) ³2,4 Ê0,4 ³2,7 Ê0,4 ³3,0 Ê0,5 Mức phòng vệ nhiễu Unh(V) Khoảng 0,4V Dòng ra: IOH(V) IOL(V) 0,4 16 0,5 20 0,2 3,6 1 20 0,4 8 2 20 0,4 8 Dòng vào: IiH(V) IiL(V) 0,04 1,6 0,05 2 0,01 0,18 0,05 2 0,02 0,4 0,2 2 0,02 0,2 Công suất tiêu thụ(mW/phần tử) 10 23 1 23 2 20 1 Thời gian tác động tpd(ns) 10 6 33 3 10 1,5 4 c/Đặc tính kỹ thuật của IC logic họ CMOS So với họ logic TTL, họ CMOS có các ưu điểm sau: +ở chế độ tĩnh-khi không có sự thay đổi trạng thái ở đầu ra, mạch hầu như không tiêu hao công suất từ nguồn cung cấp(PCC < 0,01mW/phần tử). Tuy nhiên, công suất tiêu thụ sẽ tăng khi tần số thay đổi trạng thái ở đầu ra. ở tần số 5MHz họ CMOS tiêu thụ công suất xấp xỉ họ TTL 74LS +Mạch hoạt động chính xác trong phạm vi rộng của điện áp cung cấp UDD. Thường UDD nằm trong phạm vi từ 3á15V. Tuy vậy chú ý là điện áp cung cấp UDD có ảnh hưởng tới các đặc tính khác của mạch(mức phòng vệ nhiễu, tpd công suất tiêu thụ ở chế độ dao động). +Mức phòng vệ nhiễu của logic họ CMOS cao hơn họ TTL. Với CMOS có UDD = +5V thì mức phòng vệ nhiễu Unh là khoảng 1,5Vvà nó tăng lên khi UDD tăng. +Vì cực cổng G các transistor MOS được cách điện với kênh dẫn nên các phần tử họ CMOS có dòng điều khiển rất nhỏ, chỉ cỡ nA. +Khác với phần tử loigc họ TTL, ở họ CMOS không có sự chênh lệch lớn giữa dòng ra ở mức cao(IOH) và dòng ra ở mức thấp(IOL). ở CMOS: IOH ằ IOL ằ 0,5mA. +Về mức logic quay lại mạch H 3.27 của phần tử đảo họ CMOS ta thấy: Mức logic đầu ra: -Mức cao: -Mức thấp: Trong đó tương ứng là điện áp rơi trên kênh dẫn của transistor MOS kênh n và kênh p khi chúng mở(thường khoảng 0,05V). Mức logic đầu vào: -Mức cao: -Mức thấp: UiL < UTn ằ 1,5V. Trong đó UTP, UTn tương ứng là ngưỡng mở của MOS kênh p và kênh n. Nếu chọn điện áp cung cấp UDD = +5V giống như điện áp cung cấp cho mạch họ TTL thì mức logic ở đầu vào và ra của phần tử họ CMOS tương ứng là: UiH ³3,5V; UiLÊ1,5V. UOHằUDD ; UOLằ 0V. +Nhược điểm của phần tử logic họ CMOS so với họ TTL là thời gian lan truyền tín hiệu tương đối lớn, khoảng từ 50nsá100ns. Điện áp UDD tăng thì tpd giảm. Ví dụ với chủng loại 4000, khi UDD = +5V thì tpd ằ 50ns; khi UDD = +10V, tpdằ25ns. +Trong các chủng loại CMOS có loại hoạt động ở tốc độ cao nhưng điện áp cung cấp đòi hỏi nghiêm ngặt hơn. Ví dụ loại 74HCL có tpdằ9ns, điện áp cung cấp UDD =2á6V. Loại 74HCT cũng là loại CMOS tốc độ cao, điện áp cung cấp UDD =+5V±10%, dùng rất tương thích với phần tử họ TTL. 3.Phạm vi ứng dụng Trong lĩnh vực điều khiển tự động trong những bài toán kỹ thuật mà số các biến cố xảy ra không nhiều thì phương pháp tổng hợp mạch điều khiển logic trên các phần tử logic cơ bản họ TTL hoặc CMOS tỏ ra có hiệu quả cao bởi những lý do sau đây: +Mạch cứng có thời gian tác động nhanh hơn việc điều khiển bằng phần mềm bởi phương thức xử lý tín hiệu của mạch cứng là xử lý đồng thời khác với phương pháp xử lý theo chương trình là phương pháp xử lý nói tiếp tín hiệu vào. Với phần cứng họ TTL có thể đạt tốc độ xử lý khá cao(thời gian cỡ ns), trong khi dùng phần mềm thời gian xử lý có thể tới hàng trăm ms thậm chí cao hơn nữa. +Mạch điều khiển bằng các cổng logic cứng hầu như không bị nhiễu khi nó đặt trong môi trường có tín hiệu nhiễu mạnh như môi trường công nghiệp. Mức phòng vệ nhiễu của họ logic TTL khoảng 0,4á0,8V, với họ logic CMOS khoảng 1,5V. +Dùng phần mềm điều khiển rất có thể hệ điều khiển bị tác động nhầm nếu máy tính dùng để soạn thảo chương trình bị nhiễm vi rút máy tính. Thông thường người ta kiểm tra rất kỹ trước khi sử dụng phần mềm nhưng khả năng phần mềm bị nhiễm vi rút cũng không thể loại trừ. +Việc sửa chữa: Khi có sự cố trong mạch điều khiển, nếu mạch điều khiển được tổng hợp từ các cổng logic thì việc kiểm tra hỏng hóc và thay thế nhanh chóng và dễ dàng hơn mạch điều khiển bằng phần mềm. Bởi vì điều khiển bằng phần mềm thì khi có hỏng hóc phải thay thế cả khối vi xử lý cùng với việc nạp chương trình cho nó còn ở mạch logic cứng thì nơi nào hỏng thì thay thế linh kiện ở nơi đó nên đơn giản và nhanh chóng hơn. Nói tóm lại, qua việc so sánh ưu điểm và hạn chế của cả 3 phương án trên chúng ta lựa chọn phương án dùng mạch cứng để điều khiển bộ tự động đổi nguồn ATS và chọn các phần tử logic họ CMOS vì những ưu điểm đã phân tích ở trên. 4.Mạch phân tích, xử lý tín hiệu(Tổng hợp mạch điều khiển) a/Khối mạch khởi động máy phát diesel: & & & & Rtđ Rkđ Nguyên lý hoạt động của sơ đồ mạch phát tín hiệu khởi động: Khi có tín hiệu mất pha, sụt áp, ngược pha, điện áp quá cao mạch phân tích sẽ phát tín hiệu khởi động nếu: +Bộ đếm hạn chế số lần khởi động của máy phát báo chưa khởi động hết 3 lần liên tiếp. +Máy phát không bị sự cố(do hỏng khởi động, nhiệt độ dấu bôi trơn, nhiệt độ nước quá cao, áp lực dấu bôi trơn, áp lực nước làm mát quá thấp hoặc không có, hỏng kích từ máy phát điện). +Đúng vào thời điểm mà thời gian nghỉ giữa hai lần khởi động liên tiếp của diesel đã hết(thời gian này do bộ tạo thời gian T3 quyết định, thời gian từ 10á15''). +Điện áp trên cực của máy phát chưa đạt mức tối thiểu. Ngược lại mạch phát tín hiệu khởi động sẽ bị khoá không được phép khởi động lại nếu trước đó máy phát có sự cố và mạch chỉ phát lại tín hiệu khởi động khi sự cố đã được giải trừ(khi FSC = "0"; BD = "0"). b/Mạch tạo xung khởi động và mạch đếm hạn chế số lần khởi động liên tiếp của động cơ diesel Vi mạch HEF4510B có nhiệm vụ đếm số lần đã khởi động liên tiếp. Bộ đếm sẽ được reset lại sau mỗi lần đếm nếu lần khởi động sau cách lần khởi động trước dó khoảng thời gian lớn hơn thời gian trễ của T5(15 đến 30 phút), khoảng thời gian này cần thiết để ắc quy nạp lại lượng điện đã tiêu hao để khởi động máy. Nếu máy được khởi động liên tiếp(không tồn tại T5 giữa các lần khởi động) thì sau lần khởi động thứ 3 bộ đếm phát tín hiệu "BD =1" khoá mạch khởi động không cho khởi động tiếp trừ khi nhân viên vận hành biết và xử lý sự cố ở diesel và đưa nút giải trừ sự cố KS về trạng thái giải trừ KS = "1". Lúc ấy bộ đếm reset lại. Trong trường hợp có sự cố máy phát điện FSC = "1" thì dù có tồn tại khoảng thời gian T5 đi nữa thì bộ đếm vẫn không được reset lại nhằm giữ lại trạng thái gây sự cố cho nhân viên vận hành dễ dàng tìm ra nguyên nhân. Bộ giải mã HEF4543B dùng để giải mã cho bộ hiển thị LED 7 thanh hiển thị số lần khởi động liên tiếp của máy diesel, bộ hiển thị LED được mắc theo sơ đồ catốt chung. c/Mạch chuyển tải lưới-máy phát & & & Nguyên lý hoạt động: Khi có tín hiệu điện áp tốt từ máy phát điện(điện áp trên đấu cực của máy phát 0,85UđmÊUFÊ1,1Uđm, không ngược thứ tự pha) thì bộ trễ T2 tạo thời gian trễ(khoảng 20á25 giây), khi hết thời gian trễ T2 sẽ phát tín hiệu chuyển tải lưới-máy phát nếu đến thời điểm này vẫn chưa có tín hiệu lưới có tốt trở lại(RCL = "0"). Mục đích của việc cài tín hiệu báo lưới xấu vào mạch chuyển tải lưới-máy phát là để tránh hiện tượng đóng cắt nhiều lần của thiết bị đóng cắt tải. d/Mạch chuyển tải máy phát-lưới & & & 6RG Nguyên lý hoạt động: Khi máy phát điện đang chạy với tải định mức mà có tín hiệu lưới tốt, nghĩa là điện áp lưới ở thời điểm này là 0,85UđmÊULÊ1,1Uđm và các pha của lưới được nối đúng thứ tự thuận thì bộ trễ T5 tạo khoảng thời gian trễ(từ 15 đến 30 phút) kể từ thời điểm này. Khi hết thời gian trễ, T5 phát xung chuyển tải sang lưới và từ thời điểm này máy phát chạy không tải, thời gian máy phát chạy không tải khoảng từ 5 đến 10 phút(còn gọi là thời gian chạy mất mát) do bộ tạo thời gian trễ T6 quyết định. +Trường hợp máy phát điện bị sự cố mà có tín hiệu lưới tốt thì mạch chuyển tải máy phát-lưới phát tín hiệu cho cơ cấu chấp hành đóng ngay tải vào lưới mà không qua trễ và cũng đồng thời cắt ngay nhiên liệu máy phát nếu máy phát có sự cố. e/Mạch báo sự cố máy phát: & & & Rtđ BD Rtđ RUFT RUFC +5V 10K Nguyên ký hoạt động: Khi máy phát được khởi động liên tiếp 3 lần mà không thành công(động cơ diesel không nổ được) nên rơ le gắn trên đấu trục động cơ diesel không đóng tiếp điểm thường hở(Rtđ = "1") và bộ đếm có số đếm là 3(tương ứng với BD ="1") mạch phân tích báo tín hiệu sự cố(ứng với FSC = "1"). Nguyên nhân của hiện tượng này có thể do: ắc quy khởi động yếu, hỏng động cơ khởi động: chổi than của máy khởi động hỏng không tiếp xúc với cổ góp, lò xo chổi than yếu, cổ góp bị dơ hoặc quá mòn, trục rôto bị kẹt, hư hỏng dây quấn phần ứng hoặc bánh răng chủ động của động cơ khởi động không ăn khớp với phần răng trên trục của động cơ diesel. Khi động cơ diesel khởi động thành công(n = nđm, Rtđ ="1") mà trên đấu cực không thành lập được áp tối thiểu(0,85Uđm) hoặc điện áp thành lập quá cao(UF>1,1Uđm,) thì mạch phân tích cũng đưa ra tín hiệu sự cố, nguyên nhân do hỏng bộ điều chỉnh điện áp, hỏng mạch kích từ. Tín hiệu sự cố sẽ được duy trì trong suốt thời gian có sự cố mà nhân viên vận hành chưa biết và khắc phục sự cố, tín hiệu sự cố sẽ bị xoá đồng thời số đếm của bộ đếm cũng bị xoá, mạch khởi động cũng sẽ được phục hồi khi nhân viên vận hành đưa tín hiệu logic "1" vào đầu dây giải trừ sự cố. Các IC logic được sử dụng trong mạch điều khiển là các IC họ CMOS: 4081(4 phần tử AND hai đầu vào), 4071(4 phần tử OR hai đầu vào), 4049(6 phần tử NOT), vi mạch đếm thuận ngược, đếm BCD HEF4510B, vi mạch giải mã BCD ra mã hiẻn thị 7 thanh cho đèn LED HEF4543B. Tất cả các IC logic họ CMOS khi được cấp nguồn +5V=VDD, đều có mức logic "1" ứng với xấp xỉ 5V ở đầu ra và mức logic "1" ứng với điện áp nhỏ nhất ở đầu vào là 3,5V, điện áp 0,05V ứng với mức logic "0". Các ký hiệu sử dụng trong các mạch logic ở mạch điều khiển sẽ tương ứng với các biến cố sau đây: RULT = "1" ứng với tín hiệu báo lưới bị sụt áp, mất pha, mất điện. LC = "1" ứng với tín hiệu báo lưới có điện áp quá cao(UL>1,1Uđm). NPL = "1" ứng với tín hiệu báo lưới bị mắc ngược pha. BD = "1" báo tín hiệu máy diesel đã được khởi động 3 lần liên tiếp. Rtđ= "1" báo tốc độ động cơ diesel đạt tốc độ định mức n = nđm. RUFT = "1" báo điện áp máy phát thấp(UG<0,85Uđm). RUFC = "1" báo điện áp máy phát quá cao(UG>1,1Uđm). NPF = "1"ứng với tín hiệu báo các đầu ra của máy phát điện bị nối sai thứ tự pha vào tải. FSC = "1" báo hệ máy phát diesel có sự cố. RCL = "1" báo có lưới tốt. MFT = "1" báo có điện áp máy phát tốt. 4RG = "1" báo chuyển tải từ lưới sang máy phát. 6RG = "1" tín hiệu chuyển tải từ máy phát sang lưới. 7RG = "1" tín hiệu cắt nhiên liệu. 8RG = "1" tín hiệu khởi động máy phát diesel. f/Hệ thống tín hiệu báo: -Đèn LED đầu tròn màu đỏ báo máy phát diesel đang được khởi động. -Đèn LED đầu tròn màu vàng báo máy phát điện chạy không tải. -Đèn LED đầu tròn màu xanh báo máy phát chạy với tải định mức. -Đèn LED đầu dẹt màu vàng báo tải được đóng vào lưới. -Đèn LED đầu dẹt màu xanh báo hỏng khởi động. -Đèn LED đầu dẹt màu đỏ báo hỏng máy phát điện, hỏng mạch kích từ. -Còi báo động báo có sự cố ở hệ máy phát diesel. g/Tính toán mạch khuyếch đại: Rc Rb +5V -Tính chọn mạch khuyếch đại công suất cho đầu ra của mạch phân tích. Mạch phân tích sử dụng các phần tử logic họ TTL hoặc CMOS có dòng ra nhỏ IoutÊ0,5mA do vậy không đủ để điều khiển các thiết bị ở đầu ra: đèn LED, rơ le trung gian, chuông báo. Vậy ở lối ra của mạch phân tích nhất thiết phải có tầng khuếch đại công suất. Mạch khuyếch đại cho hiển thị LED: +Đèn LED dùng để hiển thị thông thường yêu cầu dòng cấp khoảng 2,5mA. +Dùng Transistor 2SC14, UCEmax = 18V, ICmax= 40mA, b =100. Vật liệu là Ge, Pmax = 65mW. Ta có: Để đạt độ bão hào sâu của transistor ta chọn: IB = 0,05mA ta tính được: chọn RB = 100kW. Với RC ta tính như sau: chọn RC = 1,5kW. Mạch khuyếch đại tín hiệu điều khiển rơ le và chuông báo động -Mạch khuếch đại cho rơ le trung gian: +Với rơ le trung gian của OMRON cuộn dây Ucd = 24V DC. Tiếp điểm: 220V AC/5A. 110V AC/10A IN 4007 Rcd Rc1 Rb T1 T2 48V DC/10A Rcd=500W Chọn T1 loại 2SC18, UCEmax=25V, ICmax=30mA, b1=80, fa=70MHz Loại Si, Pmax=200mW. Chọn T2 loại 2SC20, UCEmax=30V, ICmax=400mA, b2=50, fa=70MHz Loại Si, Pmax=600mW. Ta có: Để T2 đạt độ bão hoà sâu ta chọn Chọn RC1 = 15kW. Cũng để T1 dẫn bão hoà sâu ta chọn: chọn RB = 75kW. Chọn rơ le trung gian của OMRON Ucd= 24V làm rơ le đóng cắt điện cho cuộn dây dòng- cắt thiết bị chuyển nguồn: 4RG, 6RG. +Với rơ le trung gian của Goodsky ta có các thông số sau: Ucd =12V DC, Icd =10á30mA. Tiếp điểm: có 2 cặp tiếp điểm: 2 thường mở, 2 thường đóng. Các thông số điện của tiếp điểm: 240V AC/5A 120V AC/5A 24V DC/10A Chọn T là loại 2SC641, UCEmax=40V, ICmax=100mA, b=200. Loại Si, Pmax=200mW. ICmax = Icdmax=30mA. Để đạt độ bão hoà sâu ta chọn: Chọn chọn RB = 15kW. +Với còi báo ta cũng sử dụng mạch khếch đại như trên: +Chọn rơ le trung gian của Goodsky có Ucd=12V DC làm rơ le đóng cắt tạo tín hiệu cho việc khởi động máy diesel và cắt nhiên liệu diesel(8RG và 7RG). MEB12 +12V 100uF/ 16V h/Nguồn nuôi mạch điều khiển: Nguồn điện nuôi mạch điều khiển có nhiệm vụ cung cấp năng lượng ổn định cho mạch điều khiển: mạch thu tín hiệu điện áp, mạch xử lý tín hiệu và phát tín hiệu cho cơ cấu chấp hành(rơ le trung gian), hệ thống đèn báo tín hiệu, còi báo động. Nói chung mạch điều khiển đòi hỏi công suất không lớn từ nguồn nuôi (mạch xử lý tín hiệu dùng các phần tử họ CMOS nên ở chế độ tĩnh gần như không tiêu hao công suất nguồn, ở chế độ động công suất tiêu thụ cũng rất thấp). Do vậy nguồn điều khiển có thể lấy trực tiếp từ ắc quy khởi động hoặc chỉnh lưu từ nguồn đưa vào tải động lực(khi nguồn đã được đưa qua máy biến áp nguồn 220V/24V). Tuy nhiên ta nhận thấy: +Nếu nguồn điện nuôi mạch điều khiển lấy từ bộ chỉnh lưu nắn nguồn xoay chiều 24V từ máy biến áp nguồn 220V/24V được cung cấp từ nguồn điện cấp cho tải động lực thì mạch điều khiển sẽ mất tín hiệu(do mất nguồn nuôi mạch điều khiển) trong thời gian chờ đổi nguồn, khoảng 0,15s khi chuyển tải sang lưới hoặc chuyển tải từ máy phát sang lưới trong trường hợp điện áp máy phát tại thời điểm đo đảm bảo, khoảng 30s trong trường hợp phải khởi động máy phát. Do vậy muốn dùng phương án cấp nguồn kiểu này thì phải có tụ điện có điện dung lớn mới duy trì được năng lượng cấp cho mạch điều khiển trong thời gian gián đoạn, khi phải khởi động máy phát thì khoảng thời gian này ít nhất là 30s thì mạch điều khiển mới duy trì được tín hiệu khởi động trong một lần khởi động máy phát. Nói tóm lại phương án này không khả thi. +Ta xét phương án dùng ắc quy khởi động cấp điện cho nguồn nuôi mạch điều khiển: Khi máy phát được khởi động, động cơ khởi động tiêu thụ dòng điện lớn từ ắc quy khởi động(khoảng 6A) gây sụt áp trên mạch điều khiển(nếu mạch điều khiển được nôí trực tiếp với ắc quy) ảnh hưởng xấu tới sự hoạt động của mạch điều khiển, do vậy ta phải có thiết bị ngăn ngừa hiện tượng này bằng cách nối tụ điện lớn duy trì áp ổn định cho mạch điều khiển đồng thời dùng diode ngăn không cho dòng điện từ tụ điện chạy ngược về ắc quy, ở các phần mạch điều khiển cần nguồn thấp hơn 12,5V thì dùng IC ổn áp 7805,7812 để ổn áp từ nguồn ắc quy 24V. Rõ ràng nguồn nuôi cho mạch điều khiển nếu dùng nguồn ắc quy thì sẽ không có hiện tượng bị "gián đoạn" như dùng biện pháp nắn điện xoay chiều xuống để tạo nguồn cấp cho mạch điều khiển. Mặt khác ắc quy thường xuyên được nạp điện tự động, bổ xung lại lượng điện đã tiêu hao trước đó. Cũng vì lý do đó mà năng lượng của ắc quy được giữ ổn định và đây là nguồn nuôi tốt nhất cho mạch điều khiển. -Sơ đồ mạch tạo nguồn nuôi một chiều cấp cho các mảng mạch điều khiển: a/Với mảng mạch xử lý tín hiệu(gồm các phần tử logic họ CMOS) cần điện áp +5V: Bảng mạch xử lý tín hiệu 5V Bảng mạch gồm các IC khuyếch đại và Relay 12VDC b/Với mảng mạch gồm các IC khuếch đại thuật toán TL084, mA741, các rơ le trung gian 12V DC : c/Với rơ le trung gian 24V DC ta dùng sơ đồ: Bảng mạch Relay 24VDC - + 2000 mF 25 V chương 4 tính toán chọn mạch động lực i.đại cương về mạch động lực của a.t.s a/Khái niệm: Mạch động lực(cơ cấu chấp hành) là bộ phận thực hiện các thao tác đóng cắt mạch lực, khi nó nhận được "lệnh" từ mạch điều khiển gửi tới. b/Nhiệm vụ: -Khi nhận được tín hiệu từ mạch điều khiển thì mạch động lực phải tác động chính xác. -Công suất đóng cắt của mạch động lực phải đủ lớn để đóng cắt được tải động lực. -Trong mạch điện phải có khoá liên động điện hoặc liên động cơ khí cả điện và cơ khí để đảm bảo chắc chắn không đóng đồng thời 2 nguồn cung cấp vào một tải gây sự cố ngắn mạch. -Độ tin cậy của cơ cấu chấp hành phải đảm bảo ngay cả khi nguồn nuôi dao động, tuổi thọ của thiết bị phải đủ lớn. -Mạch điều khiển mạch động lực và cơ cấu mạch động lực phải tin cậy và càng đơn giản càng tốt. -Phải có hệ thống điều khiển bằng tay cài vào mạch điều khiển(kiểu điều khiển điện -cơ bằng tay) hoặc điều khiển trực tiếp cơ cấu truyền động cơ khí của cơ cấu chấp hành bằng tay thông qua: cần gạt, núm vặn v.v.. -Phải có tín hiệu hiển thị và vị trí đóng cắt của cơ cấu chấp hành. ii.các phương án chọn mạch động lực 1.Phương án 1: Dùng hai công tắc tơ để đóng cắt nguồn a/Sơ đồ mạch lực: H .1 1 CD1 A B C N tới tải tiêu thụ ẫ ẫ ẫ ẫ 2 3 3 2 1 CD2 1CTT Từ lưới tới A B C N Từ máy phát tới 2C 2D 2CTT2 1CTT1 6RG2 4RG1 CD2 ~ A ~ N 1C 1D 1CTT2 2CTT1 4RG2 6RG1 CD1 ~ A ~ N H.2 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: +Khi lưới có sự cố thì rơ le trung gian 4RG có điện đóng tiếp điểm 4RG1 ở trên mạch điều khiển cuộn dây CĐ2 đóng công tắc tơ 2CTT đóng điện cho tải, đồng thời tiếp điểm 4RG2 mở ra cắt điện cuộn dây đóng CĐ1. +Khi máy phát có sự cố thì rơ le trung gian 6RG có điện đóng tiếp điểm 6RG1 ở trên mạch điều khiển cuộn dây CĐ1 đóng công tắc tơ 1CTT đóng điện cho tải, đồng thời tiếp điểm 6RG2 mở ra cắt điện cuộn dây đóng CĐ2. Ưu điểm của sơ đồ mạch động lực sử dụng hai công tắc tơ: Sơ đồ điều khiển đơn giản thiết bị thay thế dễ tìm, tần số đóng cắt cao, tuổi thọ thiết bị cao. Trong trường hợp một trong hai nguồn bị sự cố mất điện thì công tắc tơ nối với nguồn đó tự động nhả và tách nguồn bị sự cố ra khỏi tải, như vậy mạch động lực đã được khoá liên động 2 lần. Nhược điểm của phương án này: Do công tắc tơ luôn luôn phải được cấp nguồn, cuôn dây đóng công tắc tơ luôn được ngâm dài hạn trong điện áp nên giảm độ tin cậy vì cuộn dây luôn đưọc nối điện thì khả năng cháy hỏng vẫn có thể xảy ra mặc dù dòng tiêu thụ ở chế độ đóng rất nhỏ. Khi nguồn nuôi công tắc tơ bị dao động mạnh thì lực hút điện từ cũng dao động theo gây ra hiện tượng rung dẫn tới tiếp điểm tiếp xúc không tốt, điện trở tiếp xúc tăng lên có thể gây ra hiện tượng hàn dính tiếp điểm, khi mất nguồn điều khiển tiếp điểm không nhả được có thể dẫn tới ngắn mạch 3 pha, giảm độ tin cậy của phương án. 2.Phương án dùng áptomát hai ngả truyền động đóng cắt bằng động cơ: Sơ đồ mạch lực: A B C N AL LSA A B C N BL LSB tới tải tiêu thụ Panel motor circiut 1 2 3 4 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ: 6RG2 R S Clv 4RG2 4RG3 4 2 3 ~220V P1 6RG1 LSA 4RG4 P2 R 2 3 6RG3 S Clv 4 6RG2 AL Đỏ Xanh A ~220V N P2 4RG1 LSB 6RG4 P1 R 2 4 4RG3 S Clv 4RG2 BL Đỏ Xanh A ~220V N 3 Nguyên lý làm việc của sơ đồ mạch: +Khi có tín hiệu chuyển tải sang lưới rơ le 6RG có điện, rơ le 4RG mất điện, các tiếp điểm thường mở 6RG1, 6RG2, 6RG3 đóng lại và động cơ điện dung một pha(Hình ) có điện và quay thuận thông qua cơ cấu bánh răng và trục vít vô tận chuyển chuyển động quay thuận của động cơ thành chuyển động tịnh tiến sang trái đóng bộ tiếp điểm 1AB, khi hết hành trình trái tiếp điểm hoặc hành trình LSA mở ra cắt điện động cơ, kết thúc một quá trình đóng cắt của cơ cấu truyền động, tiếp điểm phụ ALS đóng lại đèn xanh sáng báo nguồn lưới đang được đóng vào tải. +Ngược lại: khi có tín hiệu chuyển tải từ lưới sang máy phát rơ le 4RG có điện, rơ le 6RG mất điện, các tiếp điểm 4RG1, 4RG2, 4RG3 đóng lại, động cơ quay ngược làm trục vít chuyển động sang phải đóng bộ tiếp điểm 2AB cắt bộ tiếp điểm 1AB và tiếp điểm hạn chế hành trình LSB mở ra khi trục vít tiến hết hành trình đóng tiếp điểm 2AB, tiếp điểm phụ BL được đóng lại làm đèn xanh B bật sáng báo hiệu nguồn máy phát đã được đóng vào tải. Ưu điểm của phương án: -Dòng cấp cho động cơ không lớn. -Động cơ làm việc trong thời gian ngắn nên khả năng cháy hỏng động cơ hầu như không xảy ra. -Nhờ cơ cấu bánh răng-trục vít vô tận nên tiếp điểm động được chốt khi đi hết hành trình đóng của nó và kể từ thời điểm này lực ép tiếp điểm không còn phụ thuộc vào nguồn nuôi động cơ. -Khả năng khoá liên động cơ về cơ khí rất chắc chắn(trục vít chỉ có thể chạy sang trái hoặc phải). Nhược điểm : +Thời gian đóng cắt của cơ cấu truyền động bằng động cơ chậm hơn dùng công tắc tơ. +Tuổi thọ của thiết bị phụ thuộc vào cơ cấu bánh răng, trục vít. +Kết cấu của cơ cấu truyền động phức tạp. +Tần số đóng cắt thấp hơn so với tần số đóng cắt của công tắc tơ. 3.Phương án dùng bộ tiếp điểm kép làm việc theo nguyên lý "bập bênh": Hiện đang được Hàn Quốc, Mỹ sản xuất chuyên dùng làm thiết bị chấp hành chuyển nguồn cho các bộ chuyển nguồn tự động: lưới-lưới, lưới-máy phát. Dưới đây ta sẽ xét nguyên lý hoạt động cũng như những ưu nhược điểm của từng cơ cấu, dựa theo catalogue chào hàng của Hàn Quốc. a/Loại đóng cắt bằng 2 nam châm C1 C2 R S T N R S T N Từ lưới tới Từ máy phát tới Tới tải Si Si 4RGa 6RGa 6RGb B B A BL AL Xb 4RGb A Xa UF UL Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: +Khi có tín hiệu điều khiển chuyển tải từ máy phát sang lưới, cuộn dây rơ le trung gian 6RG có điện đóng tiếp điểm 6RGa đồng thời mở tiếp điểm 6RGb, cấp điện cho nam châm C1 thông qua bộ chỉnh lưu 1, nam châm C1 tác động đóng tiếp điểm động sang phía nguồn lưới tải được nối với lưới điện, nguồn máy phát lại ngắt, tiếp điểm phụ ALS mở ra đèn A tắt. Khi tiếp điểm động quay hết hành trình đóng thì bị chốt, tiếp điểm hạn chế hành trình xb mở ra ngắt điện nam châm C1, tiếp điểm phụ BL đóng cấp điện cho đèn B sáng báo tải đang được đóng vào lưới. Khi có tín hiệu điều khiển chuyển tải từ lưới sang máy phát, rơ le trung gian 4RG có điện đóng tiếp điểm 4RGa, mở tiếp điểm 4RGb, nam châm C2 được cấp điện thông qua chỉnh lưu 2 và tác động làm cho nguồn lưới bị ngắt, nguồn máy phát được đóng tới tải, đèn A sáng đèn B tắt, cuộn dây C2 được ngắt điện nhở tiếp điểm hạn chế hành trình xa. Ưu điểm của phương án: -Đóng cắt nhanh, chắc chắn. -Khoá liên động cả về điện lẫn cơ khí nên không gây đóng cắt nhầm. -Không có hiện tượng rung tiếp điểm, do không cần dòng điện duy trì như công tắc tơ(ở thiết bị này có chốt để giữ tiếp điểm) nên mọi bién động cuả nguồn nuôi lẫn cuộn dây đều không ảnh hưởng tới lực ép tiếp điểm(kể từ khi tiếp điểm đã được đóng và bị chốt lại). -Tần số đóng cắt lớn hơn trường hợp dùng động cơ truyền động. -Cũng do cuộn dây chỉ làm việc ở chế độ rất ngắn hạn(Ê0,155) nên khả năng cháy hỏng cuộn dây do nhiệt không xảy ra. -Ngoài chế độ tự động ra ta còn có thể đóng, cắt trực tiếp bằng tay thông qua cần gạt ở phía ngoài thiết bị. Nhược điểm: -Khi đóng các cuộn dây phải cần dòng điện lớn để tạo xung lực đóng tiếp điểm. -Trong mạch phải có bộ chỉnh lưu và ống phóng điện chống quá áp cho cuộn đóng do đó làm phức tạp sơ đồ điều khiển. -Cơ cấu truyền động cơ khí phức tạp hơn kiểu truyền động bằng động cơ và công tắc tơ, trong cơ cấu truyền động đòi hỏi phải có bộ phận đóng chốt và mở chốt nhịp nhàng, liên động. -Với cơ cấu này phải có hai buồng dập hồ quang cho mỗi cặp tiếp điểm tĩnh. b/Loại đóng cắt bằng một nam châm: Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: +Khi có tín hiệu điều khiển(chuyển tải từ máy phát sang lưới), cuộn dây rơ le trung gian 6RG có điện đóng tiếp điểm 6RGa, đồng thời mở tiếp điểm 6RGb có điện đóng tiếp điểm MG1 cấp điện cho nam châm CC thông qua bộ chỉnh lưu, nam châm CC hút đóng tiếp điểm động sang phía nguồn lưới, tải được nối với lưới điện đồng thời nguồn máy phát bị ngắt, tiếp điểm phụ BL1 mở ra đèn B tắt. Khi tiếp điểm động quay hết hành trình đóng sang A thì bị chốt lại ở đó, tiếp điểm hạn chế hành trình LS1 mở ra ngắt điện cuộn dây rơ le MG1 nhả ra và CC mất điện. Đèn A được cấp điện nhờ tiếp điểm phụ AL1 đóng khi tiếp điểm động đang bị chốt ở A. +Khi có tín hiệu điều khiển chuyển tải từ lưới sang máy phát, cuộn dây rơ le trung gian 4RG có điện đóng tiếp điểm 4RGa đồng thời mở tiếp điểm 4RGb, rơ le trung gian MG2 có điện đóng tiếp điểm MG2 cấp điện cho nam châm điện CC hút xuống lần thứ 2. Nhờ cơ cấu truyền động cơ khí nên chuyển động của nam châm lần này được biến thành chuyển động quay ngược lại của tiếp điểm động, tiếp điểm động quay sang B và bị chốt lại khi hết hành trình quay sang B, nguồn lưới bị ngắt khỏi tải, nguồn điện từ máy phát được cấp cho tải, tiếp điểm phụ AL1 mở ra đèn A tắt, tiếp điểm phụ BL1 đóng lại đèn B sáng báo tiếp điểm động đang bị chốt ở B. Ưu điểm của phương án: -Đóng cắt nhanh, chắc chắn. -Khoá liên động cả về điện lãn cơ khí nên không gây đóng cắt nhầm. -Không có hiện tượng rung tiếp điểm, do không cần dòng điện duy trì như công tắc tơ(ở thiết bị này có chốt để giữ tiếp điểm) nên mọi biến động của nguồn nuôi cuộn dây đều không ảnh hưởng tới lực ép tiếp điểm(kể từ khi tiếp điểm đã được đóng và bị chốt lại). -Tần số đóng cắt lớn hơn trường hợp dùng động cơ truyền động. -Cuộn dây đóng cắt làm việc ở chế độ rất ngắn hạn. -Ngoài chế độ tự động ra còn có chế độ bán tự động và chế độ đóng cắt bằng tay thông qua cần gạt phía ngoài thiết bị. -Mỗi cặp tiếp điểm chỉ có một buồng dập hồ quang kiểu mang cá. Nhược điểm: -Khi chuyển tải cuộn dây đóng cắt cần dòng điện lớn để tạo xung lực đóng tiếp điểm. -Trong mạch phải có bộ chỉnh lưu và ống phóng điện chống quá áp cho cuộn dây đóng cắt. -Cơ cấu cơ khí phức tạp hơn các kiểu truyền động khác: bằng động cơ, công tắc tơ, hai nam châm vì vậy trong cơ cấu phải có cơ cấu đóng mở chốt nhịp nhàng, liên động. Chọn thiết bị: -Với các thông số định mức: Uđm=380V, Sđm= 500 KVA ta tính được dòng điện dây định mức theo công thức sau: Iđm= Sđm/.Uđm= 500/.0.38= 761A ta chọn thiết bị chuyển nguồn của Hàn Quốc(hãng See Young) SI 616( đóng cắt bằng một nam châm) có các thông số chính là: Uđm= 660V, Iđm = 800A Số cực: 4 Cuộn dây đóng: UAC = 220V, I = 6A UDC = 110V, I = 12A. Thời gian mở: < 0,09s. Thời gian chuyển nguồn: 0,15s. Lực đóng tiếp điểm khi dùng cần gạt kéo từ phía ngoài thiết bị là: 70KG lực. -Chọn cầu chì cho mạch động lực: Chọn cầu chì có Iđm ³ 6A ta chọn cầu chì điện áp thấp kiểu ống của Nga pP-2 có thông số định mức là: IđmCC = 15A, Idcđm = 10A. UđmCC = 220V, Icắtgh = 1200A. Lời kết Do thời gian và trình độ bản thân có hạn nên chắc chắn bản thiết kế này không tránh khỏi những sơ xuất nhất định. Bởi vậy em rất mong được sự chỉ giáo của các thày cô cùng sự cộng tác của các bạn đồng nghiệp để bản thiết kế đi vào thực tế với hiệu quả cao nhất, phục vụ tốt nhất nhu cầu của cuộc sống. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn PGS. TS Phạm Văn Chới và các thầy cô trong bộ môn và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Hà nội: 5| 2002 Sinh viên: Nguyễn Đình Hùng mục lục Chương I. Nguyên lý của bộ A.T.S và các phương án I. Đặt vấn đề II. Nguyên lý làm việc của A.T.S III. Các khái niệm về bộ chuyển nguồn tự động A.T.S và các phương án đóng cắt mạch lực Chương II. Nguồn máy phát điện diesel dự phòng I. Máy phát diesel II. Những yêu cầu khi thực hiện tự động hoá nguồn máy phát diesel Chương III. Tính toán chọn mạch điều khiển, tín hiệu bảo vệ I. Khái quát về khối mạch điều khiển A.T.S II. Các phương án chọn và tính toán chọn linh kiện cho từng khối III. Các bộ tạo thời gian IV. Mạch điện xử lý tín hiệu và các phương án lựa chọn Chương V. Tính toán chọn mạch động lực I. Đại cương về mạch động lực II. Các phương án chọn mạch động lực Tài liệu tham khảo Cơ sở khí cụ điện, Phạm Văn Chới và Nguyễn Tiến Tôn, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1990. 110 sơ đồ thực hàn khuếch đại thuật toán, Lê Văn Doanh và Võ Thạch Sơn dịch, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1994. Phần tử tự động, Nguyễn Tiến Tôn, Xưởng in tại chức Bách Khoa. Hướng dẫn sử dụng và sửa chữa máy biến áp, động cơ máy phát công suất nhỏ, Châu Ngọc Thạch, NXB Giáo dục, 1994. Thiết kế cấp điện, Ngô Hồng Quang và Vũ Văn Tẩm, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1998. Bài giảng điện tử số của G.S Lương Ngọc Hải. Tra cứu vi mạch số CMOS-Hi, NXB Khoa học và kỹ thuật. Kỹ thuật vi điều khiển, Lê Văn Doanh và Phạm Khắc Trương, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1998. Tự động hoá với Simatic S7-200, Phạm Xuân Minh, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1997. Catalog A.T.S của các hãng: Westinghouse(Anh), See Young(HQ), Kubota(JAPAN), Merlin Gerin(France). Bảo vệ rơ le trong hệ thống điện, Trần Đình Long, Trần Đình Châu và Nguyễn Hồng Thái, NXB Khoa học và kỹ thuật. Sách tra cứu transistor và diode bán dẫn, K.M. Jreva, sách dịch, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1972.