Nghiên cứu ứng dụng lập trình PLC tự động đóng máy biến áp dự phòng tại phòng thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN NGỌC QUANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LẬP TRÌNH PLC TỰ ĐỘNG ĐĨNG
MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÕNG TẠI PHÕNG THÍ NGHIỆM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-------------***-------------

NGUYỄN NGỌC QUANG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LẬP TRÌNH PLC TỰ ĐỘNG ĐĨNG MÁY
BIẾN ÁP DỰ PHÕNG TẠI PHÕNG THÍ NGHIỆM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : TS Nguyễn Hiền Trung
Ngày giao đề tài
Ngày hoàn thành luận văn

: Ngày 14 tháng 6 năm 2013
: Ngày 25 tháng 2 năm 2014

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PHÕNG QUẢN LÝ ĐT
SAU ĐẠI HỌC

TS. Nguyễn Hiền Trung
KHOA ĐIỆN
Trƣởng khoa

THÁI NGUYÊN – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hƣớng
dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả
nghiên cứu là trung thực và chƣa từng công bố trên các tài liệu khác.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 2 năm 2014
Học viên

Nguyễn Ngọc Quang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iv

LỜI CẢM ƠN

Tơi xin trân trọng bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Hiền
Trung ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trƣờng Đại học Kỹ
thuật Cơng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn
thành luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng QLĐT sau Đại học, xin chân thành cảm ơn
Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện
thuận lợi nhất về mọi mặt để tơi hồn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 2 năm 2014.
Ngƣời thực hiện

Nguyễn Ngọc Quang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................iii
MỤC LỤC ............................................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 2
3. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................... 3
4. Những kết quả đạt đƣợc ............................................................................................. 3
5. Cấu trúc của luận văn................................................................................................. 3
1
Chƣơng 1. HIỆN TRẠNG MẠCH TỰ ĐỘNG ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÕNG
TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP .................................................... 4
1.1. Các yêu cầu cơ bản đối với thiết bị TĐD ............................................................... 4
1.2. Giới thiệu mạch tự động đóng máy biến áp dự phịng tại phịng thí nghiệm trƣờng
đại học kỹ thuật công nghiệp [7] ................................................................................... 5
1.3. Một số nguyên tắc thực hiện trong sơ đồ TĐD ...................................................... 6
1.4. Xác định một số tham số của mạch TĐD ............................................................... 7
1.5. Bài thí nghiệm tự động đóng máy biến áp dự phòng.............................................. 8
1.6. Kết luận chƣơng 1 ................................................................................................. 13
2
Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH - PLC ........ 14
2.1. Giới thiệu về PLC ................................................................................................. 14
2.1. Quá trình phát triển của kỹ thuật điều khiển lôgic ................................................ 15
2.2. Ƣu thế và hạn chế của hệ thống điều khiển dùng PLC ......................................... 17
2.3. Cấu hình hệ thống ................................................................................................. 19
2.4. Giới thiệu về PLC S7-200 CPU 224 DC/DC/DC ................................................. 21
2.5. Giới thiệu các mô đun mở rộng ............................................................................ 27
2.6. Truyền thông giữa PC và PLC .............................................................................. 30

2.7. Kết luận chƣơng 2 ................................................................................................. 32
3
Chƣơng 3. LẬP TRÌNH PLC S7-200 .......................................................................... 33
3.1. Ngơn ngữ lập trình cho S7-200............................................................................. 33
3.2. Nguyên tắc thực hiện chƣơng trình....................................................................... 34
3.3. Sử dụng phần mềm STEP 7- Micro/WIN cho PLC S7-200 ................................. 36
3.4. Một số lệnh cơ bản của S7-200 ............................................................................ 45
3.5. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................................. 61
4
Chƣơng 4. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN SỬ DỤNG PLC S7-200 CPU 224 THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐĨNG MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÕNG ................................ 62
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vi

4.1. Các thiết bị cần cho việc thiết kế bộ điều khiển tự động đóng cắt máy biến áp dự
phịng bằng PLC S7-200 CPU 224 DC/DC/DC .......................................................... 62
4.2. Sơ đồ đấu dây điều khiển ...................................................................................... 63
4.3. Quá trình đấu nối thực tế ...................................................................................... 67
4.4. Lập trình điều khiển và thuyết minh chƣơng trình điều khiển .................................... 69
4.5. Các thao tác lấy kết quả thí nghiệm ...................................................................... 78
4.6. Kết luận chƣơng 4 ................................................................................................. 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 89

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sơ đồ tự động đóng máy biến áp dự phịng ......................................................... 11
Hình 1.2. Sơ đồ bảo vệ và đóng cắt máy biến áp 1.............................................................. 12
Hình 2.1. Điều khiển sử dụng PLC ...................................................................................... 14
Hình 2.2. Điều khiển sử dụng rơle điện ............................................................................... 15
Hình 2.3. Những loại đặc trƣng của thiết bị điều khiển ....................................................... 16
Hình 2.4. Một số hình ảnh của PLC .................................................................................... 17
Hình 2.5. Mơ tả các khối chức năng của PLC ..................................................................... 20
Hình 2.6. Hình ảnh CPU 224 DC/DC/DC ........................................................................... 22
Hình 2.7. Cơng tắc chọn chế độ làm việc ............................................................................ 23
Hình 2.8. Sơ đồ đấu dây PLC .............................................................................................. 24
Hình 2.9. Vị trí cấp nguồn cho PLC .................................................................................... 25
Hình 2.10. Các khí cụ vào và ra đấu nối với PLC ............................................................... 26
Hình 2.11. Hình ảnh minh họa các đầu vào và ra đối với các thiết bị điều khiển bằng PLC ........... 27
Hình 2.12. Mơ đun mở rộng EM 222 DC ............................................................................ 27
Hình 2.13. Mơ đun mở rộng EM 223 DC/DC ..................................................................... 27
Hình 2.14. Mơ đun mở rộng EM 223 DC/Relay ................................................................. 28
Hình 2.15. Mơ đun tƣơng tự EM 235 .................................................................................. 28
Hình 2.16. Đấu nối giữa PLC và mơ đun mở rộng .............................................................. 30
Hình 2.17. Cáp kết nối giữa PLC và máy tính ..................................................................... 31
Hình 2.18. Cổng truyền thơng.............................................................................................. 31
Hình 3.1. Ngăn xếp của S7-200 ........................................................................................... 34
Hình 3.4. Giao diện chƣơng trình PLC ................................................................................ 37
Hình 3.5. Khối Programe Block .......................................................................................... 38
Hình 3.6. Xóa hoặc đổi tên chƣơng trình con ...................................................................... 39
Hình 3.7. Khối Data Block .................................................................................................. 39

Hình 3.8. Khối Symbol Table .............................................................................................. 42
Hình 3.9. Khối Status Chart ................................................................................................. 42
Hình 3.10. Khối Cross Reference ........................................................................................ 43
Hình 3.11. Khối Communication ......................................................................................... 43
Hình 3.12. Giao diện khối truyền thơng .............................................................................. 44
Hình 3.13. Nạp hoặc tải chƣơng trình giữa PLC và máy tính ............................................. 45
Hình 3.14. Cấu trúc một bảng dữ liệu.................................................................................. 53
Hình 4.1. Sơ đồ mạch đi dây điều khiển PLC ..................................................................... 63
Hình 4.2. Sơ đồ mạch đi dây động lực có kết nối với PLC ................................................. 66
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

viii

Hình 4.3. Mặt trƣớc tủ và bên trong tủ điện ........................................................................ 67
Hình 4.4. Bàn thí nghiệm PLC đang làm việc ..................................................................... 67
Hình 4.5. Bàn thí nghiệm TĐD sử dụng PLC hồn chỉnh ................................................... 68
Hình 4.6. Các đầu tín hiệu vào có sử dụng cơng tắc gạt tạo sự cố giả tƣởng cho PLC ....... 78
Hình 4.7. BA1 hoạt động bình thƣờng .................................................................................... 79
Hình 4.8. Mơ tả chuyển trạng thái làm việc của PLC từ BA1 về BA2. .............................. 80
Hình 4.9. Khóa E2 cho phép làm việc của PLC trên BA2. ................................................. 82
Hình 4.10. Mơ tả chuyển trạng thái làm việc của PLC từ BA2 về BA1. ............................ 83
Hình 4.11. PLC ngừng hoạt động khi các điều kiện cung cấp nguồn cho các pha hoặc dây
BA1 là không khả thi. .......................................................................................................... 85

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Kết quả tính tính tốn của phần chuẩn bị và thí nghiệm ....................................... 9
Bảng 2.1. Nguồn cung cấp cho từng loại S7-200 ................................................................. 21
Bảng 2.2. Chỉ thị trạng thái của PLC ................................................................................... 24

Bảng 2.3. Bảng mã cho các loại mô đun mở rộng họ S7-200 ............................................. 29
Bảng 4.1. Các thiết bị dùng cho thí nghiệm......................................................................... 62
Bảng 4.2. Các kí hiệu đầu vào và ra đấu nối với PLC ......................................................... 68

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Tự động đóng dự phòng (TĐD) là một trong những biện pháp hữu hiệu để nâng
cao độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống điện. Sơ đồ TĐD rất đa dạng, tuy nhiên với
bất cứ loại sơ đồ nào cũng phải đảm bảo yêu cầu là tác động nhanh và độ tin cậy.
Hiện tại, trong chƣơng trình thí nghiệm của sinh viên chun ngành Hệ thống điện
trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp vẫn đang thí nghiệm bài Tự động đóng máy
biến áp dự phòng với đa số các thiết bị là của Liên Xơ (cũ), trong q trình vận hành
cũng bộc lộ ít nhiều các nhƣợc điểm trong đó có vấn đề về độ tin cậy.
Kỹ thuật điều khiển lơgic khả trình PLC (Programmable Logic Control) đƣợc
phát triển từ những năm 1968 -1970. Trong giai đoạn đầu các thiết bị khả trình yêu
cầu ngƣời sử dụng phải có kiến thức về kỹ thuật điện tử trình độ cao. Ngày nay các
thiết bị PLC đã phát triển mạnh mẽ và có mức độ phổ cập rộng rãi.
PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ
lập trình đƣợc để lƣu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho phép
tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các q
trình cơng nghệ. PLC đƣợc thiết kế cho các kỹ sƣ, không yêu cầu cao về kiến thức
máy tính và ngơn ngữ máy tính. Chúng đƣợc thiết kế cho các nhà kỹ thuật có thể cài
đặt hoặc thay đổi chƣơng trình. Vì vậy, các nhà thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao
cho chƣơng trình điều khiển có thể truy nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản

(ngôn ngữ điều khiển). Thuật ngữ lôgic đƣợc sử dụng vì việc lập trình chủ yêu liên
quan đến các hoạt động lơgic, ví dụ nếu có các điều kiện A và B thì C làm việc...
Ngƣời vận hành nhập chƣơng trình (chuỗi lệnh) vào bộ nhớ PLC. Thiết bị điều
khiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chƣơng trình này và
thực hiện các quy tắc điều khiển đã đƣợc lập trình Các PLC tƣơng tự máy tính,
nhƣng máy tính đƣợc tối ƣu hố cho các tác vụ tính tốn và hiển thị, còn PLC đƣợc
chuyên biệt cho các tác vụ điều khiển và mơi trƣờng cơng nghiệp. Vì vậy, các PLC:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2

Đƣợc thiết kế bền để chịu đƣợc rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn.
Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra.
Đƣợc lập trình dễ dàng với ngơn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyết
các phép toán lôgic và chuyển mạch.
Về cơ bản chức năng của PLC cũng giống nhƣ chức năng của bộ điều khiển
thiết kế trên cơ sở các rơle, công tắc tơ hoặc trên cơ sở các khối điện tử đó là:
Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến
Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở
các mạch phù hợp với cơng nghệ
Tính tốn và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu
thập đƣợc
Phân phát các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp.
Riêng đối với máy cơng cụ và ngƣời máy cơng nghiệp thì bộ PLC có thể liên
kết với bộ điều khiển số NC hoặc CNC hình thành bộ điều khiển thích nghi. Trong
hệ thống của các trung tâm gia cơng, mọi quy trình cơng nghệ đều đƣợc bộ PLC
điều khiển tập trung.
Ở Việt Nam, việc ứng dụng lập trình PLC vào tự động hóa hệ thống điện cịn

nhiều hạn chế. Với mong muốn ứng dụng cơng nghệ mới thay thế các thiết bị và
công nghệ cũ, nâng cao độ tin cậy của mạch tự động đóng máy biến áp dự phòng,
nên tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng lập trình PLC tự động đóng
máy biến áp dự phịng” để làm vấn đề nghiên cứu cho luận văn của mình.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài này đặt mục tiêu chính là nghiên cứu ứng dụng PLC S7-200 CPU 224
của Siemens để thiết kế bộ điều khiển tự động đóng máy biến áp dự phịng tại
phịng thí nghiệm trƣờng đại học kỹ thuật cơng nghiệp. Các mục tiêu cụ thể gồm:
Tìm hiểu hiện trạng bài thí nghiệm tự động đóng máy biến áp dự phịng tại
trƣờng đại học kỹ thuật công nghiệp.
Nghiên cứu bộ điều khiển lôgic S7-200 CPU 224 của Siemens.
Nghiên cứu phần mềm lập trình STEP 7 – Micro/WIN.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3

Đề xuất phƣơng án cải tạo sử dụng S7-200 CPU 224.
Lập chƣơng trình điều khiển để thiết kế mạch điều khiển tự động đóng máy
biến áp dự phịng.
Thiết kế tủ điều khiển, đấu nối máy tính - PLC – tủ điều khiển, chạy chƣơng
trình, kiểm tra, hiệu chỉnh lại kết quả.

3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống các cơng trình nghiên
cứu đƣợc công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên
ngành.
Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu mạch tự động đóng máy biến áp dự phịng

hiện có tại phịng thí nghiệm; Nghiên cứu bộ điều khiển lơgic S7-200 CPU
224 của Siemens cũng nhƣ phần mềm lập trình điều khiển. Thực nghiệm trên
thiết bị thực để từ đó hiệu chỉnh lại chƣơng trình, thiết bị cho phù hợp.

4. Những kết quả đạt được
Làm rõ đƣợc vai trò của tự động đóng dự phịng trong hệ thống điện.
Phân tích đƣợc cơ sở thiết kế mạch tự động đóng máy biến áp dự phòng ứng
dụng PLC S7-200.
Thiết kế đƣợc sơ đồ và chƣơng trình điều khiển tự động đóng máy biến áp dự
phòng ứng dụng PLC S7-200 thay thế cho mạch điều khiển dùng rơle điện cơ
đã có trong phịng thí nghiệm.
Thực thi thành cơng bộ thí nghiệm khẳng định ƣu việt của mơ hình mới; Các
kết quả thí nghiệm cho thấy bộ điều khiển mới làm việc tin cậy, chính xác so
với mơ hình đã có.

5. Cấu trúc của luận văn
Ngồi phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1
trình bày hiện trạng mạch tự động đóng máy biến áp dự phịng tại phịng thí nghiệm
trƣờng đại học kỹ thuật cơng nghiệp. Chƣơng 2 tìm hiểu bộ điều khiển khả trình
PLC S7-200. Chƣơng 3 nghiên cứu phần mềm lập trình STEP 7 – Micro/WIN cho
PLC. Chƣơng 4 trình bày thiết kế và triển khai lắp ráp bộ điều khiển tự động đóng
máy biến áp dự phịng sử dụng PLC S7-200 tại phịng thí nghiệm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4

1 Chƣơng 1. HIỆN TRẠNG MẠCH TỰ ĐỘNG ĐÓNG MÁY
BIẾN ÁP DỰ PHÕNG TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT

CÔNG NGHIỆP
Tự động đóng nguồn hoặc thiết bị dự phịng cần đƣợc sử dụng trong những
trƣờng hợp khi thiệt hại do gián đoạn cung cấp điện gây ra cao hơn giá tiền đặt thiết
bị TĐD.
Thiết bị TĐD chỉ sử dụng trong những trƣờng hợp đã có hoặc đang thiết kế bổ
sung nguồn, chẳng hạn nhƣ máy biến áp, đƣờng dây, phân đoạn thanh cái. Trong
trƣờng hợp này khi nguồn làm việc bị cắt ra thì thiết bị TĐD sẽ đóng nguồn cung
cấp thứ hai vào, nguồn này bình thƣờng ở trạng thái dự phòng. Những hệ thống nhƣ
vậy tác động tin cậy nhƣng đòi hòi vốn đầu tƣ khá lớn.
Để khắc phục nhƣợc điểm nói trên ngƣời ta sử dụng các thiết bị TĐD cho
những phần tử vẫn làm việc trong chế độ bình thƣờng nhƣng vẫn chƣa mang hết tải,
điều này thƣờng hợp lý về mặt kinh tế, bởi vì khi cắt một nguồn làm việc, nguồn
thứ hai dƣới tác động của TĐD tiếp nhận tồn bộ phụ tải (có thể bị quá tải trong
giới hạn cho phép), nhƣng vấn đảm bảo cung cấp điện liên tục cho thiết bị.
Hiệu quả làm việc của TĐD trong hệ thống cung cấp điện khoảng 90-95% [1].
Tự động đóng dự phịng đƣợc dùng rộng rãi trong các lƣới điện và các hệ thống
năng lƣợng do có sơ đồ đơn giản và tính hiệu quả cao. Trong đề tài này ta chỉ
nghiên cứu tự động đóng dự phịng cho máy biến áp, dùng nguồn thao tác một
chiều.

1.1. Các yêu cầu cơ bản đối với thiết bị TĐD
Khi thực hiện thiết bị TĐD nguồn cung cấp hoặc các trang bị điện khác, cần
tuân theo những yêu cầu sau đây:
1- Sơ đồ TĐD không đƣợc làm việc trƣớc khi cắt máy cắt của nguồn đang làm
việc, để đề phịng đóng nguồn dự trữ trong lúc nguồn làm việc chƣa bị cắt ra. Thực
hiện yêu cầu này cũng loại trừ khả năng đóng khơng đồng bộ hai nguồn cung cấp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

5

2- Thiết bị TĐD chỉ đƣợc tác động một lần. Để tăng tốc độ cắt của nguồn dự
phịng khi đóng nó vào ngắn mạch chƣa đƣợc giải trừ, ta thƣờng dùng cách tăng tốc
độ của bảo vệ sau TĐD.
3- Khi đặt thiết bị TĐD thì ngồi bảo vệ dịng điện cực đại làm việc chính cho
nguồn đang làm việc ra ta phải đặt thêm bộ phận khởi động theo điện áp cực tiểu để
đảm bảo cho sơ đồ TĐD có thể tác động khi mất điện áp trên thanh cái của nguồn
cung cấp đang làm việc.
4- Nếu ở nguồn cung cấp đang làm việc có đặt thiết bị tự động đóng lặp lại và
khơng cho phép nguồn làm việc và nguồn dự trữ làm việc song song, cần phải đặt
thêm bộ khóa liên động khơng cho làm việc song song.

1.2. Giới thiệu mạch tự động đóng máy biến áp dự phịng tại phịng thí
nghiệm trường đại học kỹ thuật cơng nghiệp [7]
Hình 1.1 là sơ đồ tự động đóng máy biến áp dự phịng.
Hình 1.2 là sơ đồ mạch bảo vệ và tự động đóng máy biến áp dự phịng BA1.
Hình 1.3 là sơ đồ mạch bảo vệ và tự động đóng máy biến áp dự phịng BA2.
Giả sử các máy cắt MC1 và K1 đang đóng, MC2 và K2 đang mở. Khố điều
khiển KĐK1 ở trạng thái đóng (KĐK1-I đóng, KĐK1-II mở, KĐK1-III đóng). Máy
biến áp BA1 đang làm việc, BA2 dự phòng. Nếu máy biến áp BA1 bị sự cố, bảo vệ
rơle tác động cắt MC1 (hoặc do nhân viên vận hành cắt máy biến áp theo yêu cầu)
thanh cái TC1 mất điện, K2 mở, thanh cái TCB đang có điện, tiếp điểm phụ số 2 của
K1 mở ra. Rơle ThG3 mất điện, nhƣng tiếp điểm thƣờng mở mở chậm POB chƣa
mở ra. Tiếp điểm phụ số 1 của K1 đóng lại, cơng tắc tơ U2 có điện, tiếp điểm U2-1
đóng lại, cuộn đóng CĐ2 có điện, đóng hai máy cắt MC2 lại. Máy biến áp BA2 đƣợc
đƣa vào làm việc cung cấp điện cho trạm TC1 và TC2. Rơle trung gian TrG1 đảm
bảo nếu xảy ra sự cố sẽ cắt máy cắt MC1. TrG2 đảm bảo đóng máy cắt MC2.
Nếu máy biến áp BA2 làm việc, máy biến áp BA1 dự phòng, khi cắt hoặc sự
cố máy biến áp BA2 thì sơ đồ tác động tƣơng tự.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

1.3. Một số nguyên tắc thực hiện trong sơ đồ TĐD
1- Bộ phận khởi động thiết bị TĐD
- Khởi động bằng bảo vệ rơle: Có thể dùng bảo vệ máy biến áp hoặc bảo vệ
thanh góp để khởi động thiết bị TĐD (hình 1.2). Khi có ngắn mạch trong máy biến
áp hoặc trên thanh góp TC1 và TC2 của hộ tiêu thụ, bảo vệ sẽ tác động cắt máy cắt
MC1, K1 mở, tiếp điểm phụ của K1 đóng lại làm khởi động thiết bị TĐD. Sau đó
thiết bị TĐD đƣa tín hiệu đi đóng máy cắt MC2.
- Khởi động bằng rơle điện áp cực tiểu: Nếu vì một lý do nào đó mà thanh góp
TC1 bị mất điện, thì rơle điện áp giảm RU1 và RU2 sẽ tác động làm khởi động rơle
thời gian ThG2. Sau một thời gian duy trì cần thiết, tiếp điểm ThG2 đóng đƣa tín
hiệu đi cắt MC1 và do đó khởi động TĐD. So với nguyên tắc khởi động bằng bảo
vệ rơle thì nguyên tắc này có ƣu điểm là khởi động TĐD vì bất cứ lý do nào làm
cho các hộ tiêu thụ nối vào thanh góp TC1 bị mất điện, kể cả trƣờng hợp hƣ hỏng
máy biến áp hoặc hƣ hỏng đƣờng dây nối từ nguồn đến thanh góp A.
2- Đề phịng sơ đồ làm việc sai khi đứt cầu chì mạch áp
Bộ phận khởi động bằng rơle điện áp giảm áp cần đƣợc thực hiện nhƣ thế nào
để nó chỉ tác động khi mất điện mà không tác động khi đứt mạch áp. Mạch thứ cấp
của BU có đặt cầu chì bảo vệ (hình 1.1). Nếu chỉ có một rơle điện áp giảm thì khi
đứt cầu chì, tiếp điểm rơle đóng lại làm khởi động thiết bị TĐD. Để tránh nhƣợc
điểm đó ngƣời ta dùng 2 rơle điện áp giảm áp có tiếp điểm nối tiếp với nhau.
3- Đề phòng sơ đồ TĐD làm việc vơ ích khi khơng có điện ở nguồn dự trữ
Nếu mạch dự trữ khơng có điện thì việc khởi động TĐD là vơ ích, do đó trong
sơ đồ TĐD cần có thêm bộ phận kiểm tra điện áp của nguồn dự trữ, thƣờng dùng
rơle điện áp tăng RU3 đƣợc cung cấp từ máy biến điện áp (BU2) nối với mạch dự

trữ. Nếu nguồn dự trữ có điện thì rơle RU3 sẽ ln ln ở trong trạng thái tác động
và TĐD có thể khởi động đƣợc khi mất điện ở nguồn làm việc.
4- Đề phòng sơ đồ TĐD tác động nhiều lần
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

7

Sau khi thiết bị TĐD làm việc, máy cắt ở mạch dự trữ đóng lại. Nếu ngắn
mạch trên thanh góp của hộ tiêu thụ khơng tự tiêu tan thì bảo vệ rơle ở mạch dự trữ
sẽ cắt máy cắt ra, thiết bị TĐD có thể đóng máy cắt lại, chu kỳ đóng máy cắt ở
mạch dự trữ sẽ tiếp tục diễn ra cho tới lúc máy cắt hỏng.
Để tránh tình trạng nêu trên, mạch đóng máy cắt của đƣờng dây dự trữ đƣợc
nối qua bộ phận khoá chống tác động nhiều lần (rơle ThG3 trên hình 1.1).

1.4. Xác định một số tham số của mạch TĐD
1.4.1. Thời gian của rơle ThG2 và ThG4
Khi ngắn mạch ngoài, điện áp dƣ trên thanh góp TC và TC2 có thể giảm
xuống rất thấp làm cho các rơle điện áp RU< khởi động. Muốn TĐD tránh tác động
trong trƣờng hợp này cần phải chọn thời gian của rơle ThG2 và ThG4 lớn hơn thời
gian làm việc của bảo vệ đặt tại máy cắt MC1 và MC2:
tThG2 = tbvBA1 + t
tThG4 = tbvBA2 + t

(1.1)
(1.2)

trong đó:
tbvBA1, tbvBA2 - thời gian làm việc lớn nhất của các bảo vệ để bảo vệ máy biến

áp BA1 và BA2.
t - cấp chọn lọc về thời gian (0,3

0,5 sec).

Thời gian của rơle ThG2 và ThG4 đƣợc chọn bằng trị số lớn hơn khi tính
theo các biểu (1.1) và (1.2). Tuy nhiên, thời gian này càng nhỏ thì thời gian ngừng
cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ càng bé, vì vậy khi tính chọn cần phải đặt điều
kiện thế nào để thời gian của rơle ThG2 và ThG4 là nhỏ nhất có thể đƣợc.
1.4.2. Xác định thời gian mất điện lớn nhất
Từ khi sự cố gây mất điện máy biến áp đang làm việc BA1 đến khi có điện trở
lại trên thanh cái hạ áp của trạm biến áp sau khi đã đóng máy biến áp dự phịng
BA2:
tmđ = tbvBA1 + t + tcătMC1 + tđóngMC2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

(1.3)
/>

8

1.4.3. Thời gian của rơle ThG3 và ThG5
Để đảm bảo thiết bị TĐD tác động đóng máy cắt chỉ một lần, cần chọn:
tThG3 = tđóngMC2 + tdt
(1.4)
tThG5 = tđóngMC1 + tdt
(1.5)
Nếu thiết bị TĐD tác động đóng nguồn dự trữ vào ngắn mạch tồn tại và thiết
bị bảo vệ rơle cắt nó ra, thì rơle ThG3 và ThG5 sẽ ngăn ngừa việc đóng trở lại vào
ngắn mạch một lần nữa trong trƣờng hợp thời gian của rơle ThG3 và ThG5 chọn

theo (1.4) và (1.5) thoả mãn điều kiện:
tThG3 < tđóngMC2 + tbvBA2 + tcătMC2
tThG5 < tđóngMC1 + tbvBA1 + tcătMC1

(1.6)
(1.7)

trong đó:
tdt= 0,1 s - thời gian dự trữ.
tbvBA1, tbvBA2 - thời gian làm việc của bảo vệ đặt tại MC1 và MC2
tđóngMC2, tđóngMC1 - thời gian đóng của MC1, MC2.
tcătMC2, tcătMC1 - thời gian cắt của MC1, MC2.
Thời gian đóng, cắt của mỗi thiết bị này khoảng 0,1 s.

1.5. Bài thí nghiệm tự động đóng máy biến áp dự phịng
1.5.1. Thiết bị phục vụ bài thí nghiệm
Phịng thí nghiệm có một máy biến áp nhận điện áp 0,4 kV từ mạng hạ áp,
nâng lên 6 kV để cấp cho các tủ đo lƣờng, các tủ máy cắt, hai máy cắt đƣợc dùng để
cấp điện cho hai máy biến áp hợp bộ 160 – 6/0,4 kV là BA1 và BA2. Sơ đồ bố trí
các thiết bị đƣợc thể hiện trên hình 1.1.
Để thực hiện việc thí nghiệm “Tự động đóng máy biến áp dự phòng” ta sử
dụng một số rơle trong tủ bảo vệ (hình 1.1), các rơle dùng trong mạch bảo vệ này có
sơ đồ đầu nối nhƣ hình 1.1. Máy cắt MC1 để đóng cắt điện cho máy biến áp BA1 và
máy cắt MC2 để đóng cắt điện cho máy biến áp BA2 (hình 1.1).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

9

1.5.2. Trình tự thao tác thí nghiệm
B1: Kiểm tra vị trí của các thiết bị đóng cắt (MC, DCL….) và tình trạng của
các thiết bị phục vụ theo đúng yêu cầu của bài thí nghiệm.
B2: Thao tác đóng máy biến áp tăng áp bằng các thiết bị đóng cắt đã đƣợc giới
thiệu trong sơ đồ.
B3: Đóng nguồn thao tác cho mạch nhị thứ.
B4: Đóng dao cách ly của tủ đo lƣờng BA1 và BA2.
B5: Đóng dao cách ly của máy cắt BA1 và BA2.
B6: Đóng máy cắt của BA1 (hoặc BA2 tuỳ theo chế độ vận hành do giáo viên
quy định).
B7: Tạo sự cố giả tƣởng bằng cách đƣa dòng phụ tải qua bộ tạo nguồn dòng
hoặc thao tác trực tiếp cắt MC1 (hoặc BA2 tuỳ theo chế độ vận hành do giáo viên
quy định).
Sử dụng đồng hồ bấm giây để xác định các khoảng thời gian theo yêu cầu.
B8: Sau khi thí nghiệm xong sinh viên phải thao tác đƣa thiết bị ra khỏi lƣới
và hoàn trả lại sơ đồ bảo vệ nhƣ cũ.
Bảng 1.1. Kết quả tính tính tốn của phần chuẩn bị và thí nghiệm

Số liệu cho trƣớc

Kết quả thí nghiệm

Các đại lƣợng
Lần 1
Thời gian duy trì của

tbvBA1

2,0

tbvBA2

1,5

Lần 2

Lần 3

Lần 1

Lần 2

Lần 3

3,0

4,0

0

0

0

bảo vệ cho máy biến
áp

2,5

3,5

-

-

-

Cấp chọn lọc thời gian tác động t

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

Tổng thời gian mất điện

2,4

3,4

4,4

0,4

0,35

0,5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

10

TCA

CC

TCB

CC

x2 - 33

x2 - 32

B- 1

B- 1

TU1

TU2
C§1

C§2
1

+

b1

14

15

16

1

+

MC1

a2

c1

c2

U1

+
B 1

5

5

6

6

8

7

8

ThG1

K§K 5
8

0
1
19

4

MC2
1

19

K§K 1

1
24

+
B 1

22

2

24

2

,

4

4
BA1

4
BA2

5

3

5

3

ThG3

ThG5

1

1

9

1

+
B 1

9

7

9

2

3

7

5

TH5

A1

B1

C1

+
B 1

4

1

Ru2<

8

4

+
B 1

7

9

Ru1<

ThG2

8

4
8

b2

5

KĐK3
7

9

A2

B2

C2

0
KĐK4

7

9

Ru3

1

2

3

0

7
9

Ru1<

9

1

TH4

+
B 1

22

,

Đóng

Cắt

,

MC1
1

+
B 1

2

4

8

1

,
1

,

Đóng

Cắt

8

0

8

1

,
1
2

7

ThG3

KĐK 6
4
KĐK 2

16

MC2

U2

+
B 1

14

15

CC2

B- 2

B 2
b2

13

3

U2- 1

CC1

B- 2

B 2
a1

13

3

U1- 1

7

a2

1

2

1

Ru2<

Ru3

1

8

4

ThG4

8
8

K3
+
B 1

b2
TC1

1

7

a2

2
+
B 1

TC2

luận văn tốt nghiệp
sơ đồ tự động đóng máy biến áp dự phòng

Chức năng
Thiết kế
H-ớng dẫn

S húa bi Trung tõm Hc liu

/>
Họ và tên

Ngày

Ký

Số bản vẽ: 4

Bản vẽ số: 2

Tỉ lệ:

Tr-ờng: ĐHKT Công Nghiệp
Khoa: §iƯn
Líp: TBM


11

Hình 1.1. Sơ đồ tự động đóng máy biến áp dự phịng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

12

B-1

B+1
MC1

MC 1

TrG 1

CC1

RI7
MC1

RI8

ThG1

RI9
RI1
RI2

TrG1

RI3
RI4
RI5
RI6
m
m

m

TH1
ThG1

9 1
T
9 2
T
9 3

T

TH2

TH3
Ð
KÐK

ThG1

TH4

K1-1
TG 1

ThG3
MC1

RU1

MC1

U1
RU2

RU3

ThG2

Th5

MC1

Trắng

K1-2

R

Ðỏ
Ðóng K1

MC1

KÐK1

Cắt K1
K1
U 1-2
KÐK1

K 1-3
U 1-1

CÐ1

Hình 1.2. Sơ đồ bảo vệ và đóng cắt máy biến áp 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

13
B-1

B+1
MC 2
3 1

TrG 2
1

CC 2

RI 10


RI 11

TrG 2



RI 12


POWER
SUPPLY

7UT512

Cắt MC2
M

K§K2
C §

ThG4
4

TH5

I

ThG3

K1 -1

9

7

TrG4

TrG2
4 3

10

TrG4

9

I

§ãng

KDK4
II
RU5

RU4

MC2
24

MC 2
16
14

U2

22
RU6

ThG4

K1 - 2

ThG3

Tr¾ng (Më )
MC2
22
24
MC2
21
23
TrG4
2 1

R

0,22kV

§á (§ãng)
§ãng K2

K§K2
C §

Cắt K2

II

U2-2

K2

K2-3

K§K2
C §

A2

TrG4
4 3

III

A
B
C
0

B+2

B+2

B-2

U2-1

C§2

B-2

Hình 1.3. Sơ đồ bảo vệ và đóng cắt máy biến áp 2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

13

1.6. Kết luận chương 1
Từ bài thí nghiệm trên ta nhận thấy đƣợc hiện trạng của toàn bộ thiết bị bảo vệ
đóng cắt máy biến áp dự phịng cịn nhiều hạn chế. Nhƣ tính linh hoạt trong xử lý
đóng cắt chƣa cao. Thiết bị cồng kềnh và cũ, không phù hợp với điều kiện mới, đó
là gọn nhẹ, đảm bảo đóng cắt chắc chắn máy biến áp, an tồn cho ngƣời và thiết bị
khi vận hành. Xuất phát từ lý do trên ta đi nghiên cứu khả năng ứng dụng của PLC
vào hệ thống đóng cắt dự phịng cho máy biến áp, cũng nhƣ khả năng vận hành một
cách linh hoạt hiệu quả các thiết bị hiện có tại phịng thí nghiệm trƣờng đại học kỹ
thuật cơng nghiệp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

14

2 Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ
TRÌNH - PLC
2.1. Giới thiệu về PLC
PLC đƣợc phát triển từ những năm 1968 -1970. PLC cho phép thực hiện linh
hoạt các thuật tốn điều khiển lơgic thơng qua một ngơn ngữ lập trình. Ngƣời sử
dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này
đƣợc kích hoạt bởi tác nhân kích thích (đầu vào) tác động vào PLC hoặc qua các
hoạt động có trễ nhƣ thời gian định thì hay các sự kiện đƣợc đếm. PLC dùng để
thay thế các mạch rơle trong thực tế. PLC hoạt động theo phƣơng thức quét các

trạng thái đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi
theo. Ngơn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có
nhiều hãng sản xuất ra PLC nhƣ Siemens, Allen-Bradley, MitsubishiElectric, General
Electric, Omron, Honeywell…
Một khi sự kiện đƣợc kích hoạt thật sự, nó hoạt động trong chế độ ON hay
OFF thiết bị điều khiển bên ngoài đƣợc gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập
trình sẽ liên tục “lặp” trong chƣơng trình do “ngƣời sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở
đầu vào và xuất tín hiệu ở đầu ra tại các thời điểm đã lập trình.

Hình 2.1. Điều khiển sử dụng PLC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

15

2.1. Quá trình phát triển của kỹ thuật điều khiển lôgic
2.1.1. Hệ thống điều khiển dùng rơle điện
Sự bắt đầu về cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đặc biệt vào những năm 60
và 70, những máy móc tự động đƣợc điều khiển bằng những rơle điện từ nhƣ các bộ
định thời, tiếp điểm, bộ đếm, rơle điện từ. Những thiết bị này đƣợc liên kết với nhau
để trở thành một hệ thống hồn chỉnh bằng vơ số các dây điện bố trí chằng chịt bên
trong panel điện (tủ điều khiển).
Nhƣ vậy, với một hệ thống có nhiều trạm làm việc và nhiều tín hiệu vào/ra thì
tủ điều khiển rất lớn. Điều đó sẽ dẩn đến hệ thống cồng kềnh, sửa chữa khi hỏng rất
phức tạp và khó khăn. Hơn nữa, các rơle tiếp điểm nếu có sự thay đổi yêu cầu điều
khiển thì bắt buộc phải thiết kế lại từ đầu.

Hình 2.2. Điều khiển sử dụng rơle điện

2.1.2. Hệ thống điều khiển dùng PLC
Với những khó khăn và phức tạp khi thiết kế hệ thống dùng rơle điện, vào
những năm 80, ngƣời ta chế tạo ra các bộ điều khiển có lập trình nhằm nâng cao độ
tin cậy, ổn định, đáp ứng hệ thống làm việc trong môi trƣờng cơng nghiệp khắc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

16

nghiệt đem lại hiệu quả kinh tế cao. Đó là bộ điều khiển lập trình đƣợc, đƣợc chuẩn
hóa theo tiếng Anh là Programmable Logic Controller (PLC).
Hình 2.3 là so sánh giữa PLC với các hệ thống điều khiển khác.
Điều khiển

Với chức năng đƣợc lƣu trữ bằng

Tiếp xúc vật lý

Bộ nhớ khả trình

Quy trình cứng

Quy trình mềm

Khơng thay đổi

Thay đổi đƣợc

Khả trình tự do

Bộ nhớ thay
đổi đƣợc

Liên kết cứng

Liên kết phích
cắm

RAMEEPROM

ROM- EPROM

Rơle, linh kiện điện tử, mạch điện
tử, cơ thủy khí

PLC xử lý một bit
PLC xử lý từ ngữ

Hình 2.3. Những loại đặc trưng của thiết bị điều khiển

2.1.3. Các chủng loại PLC
Một số PLC đƣợc sử dụng trên thị trƣờng Việt Nam:
- Mỹ: Allen Bradley, General Electric, Square D, Texas Instruments, Cutter
Hammer,…
- Đức: Siemens, Boost, Festo…
- Hàn Quốc: LG

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>