Thiết kế bộ đổi nguồn ATS giám sát qua SMS

1. Đặt vấn đề

Để đưa các các phân tử dự trữ vào làm việc nhanh chóng và an toàn, người ta thường sử dụng các thiết bị tự động đóng dự trữ hay còn gọi là bộ đổi nguồn tự động ATS. Bộ đổi nguồn tự động được nối giữa 2 nguồn mạch lưới chính và mạch điện dự phòng. Khi xảy ra mất điện nguồn lưới chính, bộ chuyển đổi sẽ chuyển phụ tải sang nguồn dự phòng. Chuyển đổi có thể chuyển tự động hay cũng có thể chuyển đổi bằng tay. Thiết bị tự động đóng dự trữ có ưu điểm: Chuyển đổi kịp thời, tăng độ tin cậy cung cấp điện, làm giảm sơ đồ cung cấp điện, giảm được các máy biến áp hoặc đường dây phải làm việc song song. Cũng nhờ giảm các phần tử làm việc song song nên hạn chế được dòng điện ngắn mạch, làm cho mạch rơ le bảo vệ đỡ phức tạp và giảm bớt số nhân viên phải trực, vận hành ở các trạm. Ngoài ra, bộ chuyển đổi còn có thể được giám sát, điều khiển bằng SMS, Wifi.

2. Nội dung nghiên cứu (Hình 1)

2. 1. Nguyên lí làm việc của hệ thống

Sơ đồ sử dụng 2 nguồn điện lưới và máy phát cung cấp điện ra tải tiêu.

Khối giám sát và điều khiển sử dụng nguồn 5V.

Khi điện lưới có điện relay trung gian hoạt động đưa tín hiệu về chân A1 của arduino thực hiện kích chân INT1 của mạch relay 4 kênh (qua chân 4 của arduino) tác dụng đóng K1 cấp điện ra tải và thông báo về SMS điện thoại là đang chạy điện lưới nhờ qua modume sim.

Khi điện lưới mất relay trung gian đưa tín hiệu về chân A1 của arduino thực hiện kích chân INT3 của mạch relay 4 kênh (qua chân 6 arduino) tác dụng đề máy phát 3 lần mỗi lần 3s. Nếu đề thành công máy phát tín hiệu được đưa về chân A0 của mạch arduino nhờ qua biến áp biến đổi điện xoay chiều AC-DC từ 220VAC-5VDC nếu đủ điện áp đạt mức 110-220V thì sẽ cho thực hiện kích chân IN2 của modume relay 4 kênh ( qua chân 5 arduino) tác dụng đóng K2 cấp điện ra phụ tải và thông báo về SMS điện thoại là đang chạy điện máy phát nhờ qua Module sim.

Nếu đề không thành công, máy phát không hoạt động, tín hiệu được đưa về chân A0 của mạch arduino nhờ qua biến áp biến đổi điện xoay chiều AC-DC từ 220VAC-5VDC. Lúc này điện áp không đạt đủ mức 110-220V, tức là không có điện áp nhận được từ máy phát về mạch điều khiển thì sẽ không thực hiện được việc kích chân IN2 của module relay 4 kênh. Điều này có nghĩa không đóng khởi động từ K2 cấp điện ra phụ tải và thông báo về SMS điện thoại là máy phát bị lỗi qua modume sim lúc này người dùng sẽ biết để xuống kiểm tra máy phát.

Khi điện lưới có điện lại, relay trung gian hoạt động đưa tín hiệu về chân A1 của arduino, thực hiện kích chân INT1, đồng thời kích chân INT4 (qua chân 7 của arduino) mạch relay 4 kênh tác dụng ngắt nguồn máy phát, đồng thời ngắt chân kích INT2 khởi động từ K2 sẽ nhả ra và đóng khởi động từ K1 cấp điện ra tải và thông báo về SMS điện thoại là có điện lưới trở lại đang chạy điện lưới nhờ qua Module sim.

-Khi lưới điện bị một trong các sự cố sau: mất pha, mất trung tính, thấp áp thì mạch ATS gửi tín hiệu về cho máy phát điện thực hiện việc khởi động đề máy phát thông báo về SMS điện thoại. Khi máy đã vận hành ổn định và điện máy phát ra đạt giá trị cho phép, mạch ATS sẽ cho phép đóng khởi động từ cung cấp ra phụ tải.

-Lúc lưới điện bình thường trở lại, mạch ATS tiến hành cắt phụ tải ra khỏi nguồn điện máy. Kế đến thực hiện đóng lưới điện vào phụ tải.

Mất lưới, mất pha, sụt áp dưới 0,85Uđm thi A.T.S phải phát tín hiệu Khởi động máy phát sau 5s (để tránh mất lưới giả). Còn các hiện tượng khác như: điện áp 3 pha mất đối xứng quá mức cho phép, điện áp 3 pha lớn hơn 1,1Uđm, không đúng thứ tự pha (xuất hiện từ trường thứ tự nghịch trong máy điện 3 pha) nếu xuất hiện thì bộ A.T.S sẽ phát tín hiệu Khởi động vì lưới vẫn còn nhưng chất lượng tồi. Không đúng thứ tự pha sẽ tạo ra từ trường thứ tự ngược trong động cơ 3 pha làm máy quay ngược làm cho quạt thổi khí độc (trong nhà máy hoá chất) quay ngược làm khí độc tràn ra gây chết người, máy điều hoà trung tâm (trong khách sạn, Đại sứ quán) không hoạt động đúng, máy làm kem, đá không đóng băng được…

Còn hiện tượng mất pha hay sụt áp quá mức khiến máy điện không đồng bộ 3 pha, không khởi động được, hệ thống chiếu sáng không đủ hoặc bị mất điện. Hiện tượng quá áp lâu dài có thể gây cháy hỏng các thiết bị mắc trong mạng. Hiện tượng mất đối xứng 3 pha quá mức cho phép gây ra sụt áp ở pha này và quá áp ở pha khác làm hỏng thiết bị điện một pha mắc vào những pha có điện áp quá cao, các thiết bị điện một pha mắc vào pha bị sụt áp thì không đủ công suất: quạt quay chậm, đèn huỳnh quang không khởi động được.

-Khởi động máy phát dự phòng

-Khi có lưới trở lại mà không có sụt áp, không quá áp, không sai thứ tự pha, không mất đối xứng 3 pha quá mức cho phép thì trễ 30 phút cho lưới thực sự ổn định mới cắt tải khỏi máy phát và đóng tải vào lưới. Nhưng nếu trong thời gian chạy không tải mà lưới có sự cố thì ngay lập tức tải bị cắt ra khỏi lưới và đóng trở lại máy phát, máy phát lại làm việc với tải định mức.

2.2. Một số loại A.T.S trên thị trường

Tuỳ thuộc vào nguồn cấp dự phòng người ta phân A.T.S ra làm 3 loại sau:

• T.S cho 2 nguồn: 1 nguồn lưới chính - 1 nguồn Acquy (nguyên lý bộ U.P.S).
• T.S cho 2 nguồn: 1 nguồn lưới chính - 1 nguồn lưới dự phòng.
• T.S cho 2 nguồn: 1 nguồn lưới chính - 1 nguồn là máy phát dự phòng.

Mỗi loại nguồn cấp khác nhau thì A.T.S sẽ có từng chế độ vận hành khác nhau. (Hình 2, Hình 3)

Relay trung gian 220V lấy nguồn cấp từ điện lưới.

1 đầu tiếp điểm của relay kết nối với GND arduino

1 đầu tiếp điểm còn lại nối với chân A0  qua điện trở cheo lên 5v của mạch Arduino.

Biến áp đổi nguồn AC-DC 220vac-3vdc.

Nguồn cấp từ APTOMAT điện máy phát.

Đầu ra 3V qua chỉnh lưu cầu à tụ điện ta được dòng DC.

Umax =Vac  * 1,4 =  3 * 1.4 =4,2 V.

Đầu âm của tụ nối GND của arduino.

Đầu dương của tụ qua trở 10k lên chân tín hiệu A1 của Arduino.

2.3. Module sim 900a

• 5V nối với chân 5V của board Arduino.
• GND nối với chân GND của board Arduino.
• TX nối với chân 51/2 của board Arduino MEGA/UNO.
• RX nối với chân 50/3 của board Arduino MEGA/UNO.

Chân 4 nối với int1 của modul relay 4 kênh.

Chân 5 nối với int2 của modul relay 4 kênh.

Chân 6 nối với int3 của modul relay 4 kênh.

Chân 7 nối với int4 của modul relay 4 kênh.

2.4. Relay trung gian

Relay trung gian nguồn cấp từ điện lưới.

Nhiêm vụ đưa tín hiệu về mạch điều khiển arduino thông báo điện lưới có hay mất.

1 đầu tiếp điểm kết nối với GND.

1 đầu tiếp điểm còn lại nối với chân A0 qua điện trở kéo lên 5V của mạch arduino. (Hình 4)

2.5. Biến áp xoay chiều

Nhiệm vụ đưa tín hiệu về mạch điều khiển arduino bảo vệ điện áp thấp và điện áp cao đưa tín hiệu kích mở relay đề máy phát thông báo về SMS điện thoại qua module SIM.

Nguồn cấp từ APTOMAT điện máy phát.

Đầu ra 3V qua chỉnh lưu cầu tụ điện ta được dòng DC.

Umax =Vac* 1,4 =  3*1.4 =4,2 V

Đầu âm của tụ nối GND.

Đầu dương của tụ qua trở 10k lên chân tín hiệu A1.

Nhiệm vụ đóng ngắt khởi động  từ của điện lưới cấp nguồn ra tải.

Nguồn cấp cho mạch: 5v.

Chân tín hiệu KT1 đưa vào chân 4 của arduino tác dụng kích đóng relay.

Chân COM của relay  đưa vào L1 của APTOPMAT điện lưới.

Chân NO của relay đưa vào 1 đầu điều khiển của khởi động từ điện lưới.

Tác dụng đóng ngắt khởi động từ K1 cấp điện ra tải.

Nhiệm vụ đóng ngắt khởi động từ của máy phát cấp nguồn ra tải.

Nguồn cấp cho mạch:5V.

Chân tín hiệu KT2 đưa vào chân 5 của arduino tác dụng kích đóng relay.

Chân COM của relay đưa vào L1 của APTOPMAT máy phát.

Chân NO của relay đưa vào 1 đầu điều khiển của khởi động máy phát.

Tác dụng đóng ngắt khởi động từ K2 cấp điện ra tải.

Mạch được cấp nguồn 5V và GND từ arduino .

Chân COM của relay: kết nối với GND.

Chân NO của relay: kết nối với LED(báo đề) qua trở lên +12v.

Chân tín hiệu được đưa vào chân 6 của arduino để kích mở relay.

Tín hiệu nhận được từ đầu ra biến áp đổi nguồn AC-DC.

Tác dụng: đề máy phát điện hoạt động.

Mạch được cấp nguồn 5v và GND từ arduino.

Chân COM của relay: Kết nối với GND.

Chân NO của relay: kết nối với LED (báo stop) qua trở lên +12v.

Chân tín hiệu được đưa vào chân 7 của arduino để kích mở relay.

Tín hiệu nhận được từ đầu ra của relay trung gian khi có điện lưới trở lại thì đóng động cơ máy phát.

Tác dụng: Ngắt nguồn máy phát.

2.6. Kết quả thực nghiệm (Hình 10)

Khi hoạt động thử nghiệm, kết quả cho thấy mạch hoạt động ổn định.

Sử dụng các linh kiện tốt, có độ bền cao nên khả năng hoạt động trong thời gian dài và liên tục, độ bền cao.

Mạch được thiết kế dễ dàng lắp đặt, được chia thành các khối chức năng rõ ràng nên việc bảo hành, bảo trì sẽ thuận tiện.

Mạch sử dụng nguồn thấp và công suất nhỏ nên rất an toàn cho người sử dụng.

Bộ đổi nguồn ATS được thiết kế tối ưu để đạt hiệu suất cao nhất.

Các linh kiện có giá thành hợp lí nên giá thành sản xuất thấp.

7. Kết luận

Bài viết đã trình bày giải pháp đưa các phân tử dự trữ vào làm việc nhanh chóng và an toàn, các thiết bị tự động đóng dự trữ hay còn gọi là bộ đổi nguồn tự động ATS thường được sử dụng nhằm khắc phục sự cố khi xảy ra mất điện nguồn lưới chính, bộ chuyển đổi sẽ chuyển phụ tải sang nguồn dự phòng. Chuyển đổi có thể chuyển tự động hay cũng có thể chuyển đổi bằng tay. Thiết bị tự động đóng dự trữ có ưu điểm: chuyển đổi kịp thời, tăng độ tin cậy cung cấp điện, làm giảm sơ đồ cung cấp điện, giảm được các máy biến áp hoặc đường dây phải làm việc song song. Cũng nhờ cách giải quyết này nên hạn chế được dòng điện ngắn mạch, khiến mạch rơ le bảo vệ đỡ phức tạp và giảm bớt số nhân viên phải trực, vận hành ở các trạm, ưu việt là bộ chuyển đổi còn có thể được giám sát, điều khiển bằng SMS, Wifi.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Học viện Hàng không Việt Nam, (2014), Hướng dẫn sử dụng cơ bản Arduino, Giáo trình, Hà Nội.

2. https://drive.google.com/open?id=1vMBcOg8sqRqvDL7HcqYdDrKr3uVpik_m

3. https://drive.google.com/open?id=1JLfiLryeMjOwhXCty4uHtSWUoGQ4WB-p

4. https://drive.google.com/open?id=1qRbWiuEcIjez9qZtc6VdVw4W44y1Aw5w

5. Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Mính (2008), Giáo trình Nhà máy điện và trạm biến áp, TP. Hồ Chí Minh.

6. Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Bội Khuê (2016), Cung cấp điện, Giáo trình, Nhà xuất bản KH&KT, Hà Nội.

NGUYỄN THỊ NGA, NGUYỄN THÚY MAY, NGUYỄN THỊ THU HIỀN, VŨ ĐỨC NHẬT, TRẦN VĂN YÊN, TỐNG THỊ LAN, ĐÀO THỊ MƠ, ĐỖ ANH TUẤN, ĐÀM ĐỨC CƯỜNG

Trường Đại học Thái Bình

Tạp chí Công Thương số 15 tháng 06/2020