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
TRƯỜNG ĐẠ I HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN NGỌC QUANG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

ii

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

NGUYỄN NGỌC QUANG
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

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

:
Mã số 60520202
Người hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Hiền Trung
Ngày giao đề tài

: Ngày 14 tháng 6 năm 2013

Ngày hoàn thành luận văn : Ngày 25 tháng 2 năm 2014
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PHÒNG QUẢN LÝ ĐT
SAU ĐẠI HỌC

TS. Nguyễn Hiền Trung
KHOA ĐIỆN
Trưởng khoa

THÁI NGUYÊN – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

3

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng
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 chưa 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

/>

4

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo T S N g u y ễ n
Hiền
Trung người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng QLĐT sau Đại học, xin chân thành cảm ơn
Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện
thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 2 năm 2014.
Người thực hiện

Nguyễn Ngọc Quang

Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

5

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. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 3
4. Những kết quả đạt được............................................................................................. 3
5. Cấu trúc của luận văn................................................................................................. 3
1
Chương 1. HIỆN TRẠNG MẠCH TỰ ĐỘNG ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÒNG
TẠI TRƯỜNG 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 phòng tại phòng thí nghiệm trường
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 chương 1................................................................................................. 13
2
Chương 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. Ưu 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 chương 2................................................................................................. 32
3
Chương 3. LẬP TRÌNH PLC S7-200 ..........................................................................
33
3.1. Ngôn ngữ lập trình cho S7-200............................................................................. 33
3.2. Nguyên tắc thực hiện chương 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 chương 3................................................................................................. 61
4
Chương 4. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG PLC S7-200 CPU 224 THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÒNG................................ 62
Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

6

4.1. Các thiết bị cần cho việc thiết kế bộ điều khiển tự động đóng cắt máy biến áp dự
phòng 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 chương trình điều khiển....................................

69
4.5. Các thao tác lấy kết quả thí nghiệm ...................................................................... 78
4.6. Kết luận chương 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 phòng ......................................................... 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 trưng của thiết bị điều khiển....................................................... 16
Hình 2.4. Một số hình ảnh của PLC .................................................................................... 17
Hình 2.5. Mô tả các khối chức năng của PLC ..................................................................... 20
Hình 2.6. Hình ảnh CPU 224 DC/DC/DC ........................................................................... 22
Hình 2.7. Công 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. Mô đun mở rộng EM 222 DC ............................................................................ 27

Hình 2.13. Mô đun mở rộng EM 223 DC/DC ..................................................................... 27
Hình 2.14. Mô đun mở rộng EM 223 DC/Relay ................................................................. 28
Hình 2.15. Mô đun tương tự EM 235 .................................................................................. 28
Hình 2.16. Đấu nối giữa PLC và mô đun mở rộng .............................................................. 30
Hình 2.17. Cáp kết nối giữa PLC và máy tính..................................................................... 31
Hình 2.18. Cổng truyền thông.............................................................................................. 31
Hình 3.1. Ngăn xếp của S7-200 ........................................................................................... 34
Hình 3.4. Giao diện chương trình PLC ................................................................................ 37
Hình 3.5. Khối Programe Block .......................................................................................... 38
Hình 3.6. Xóa hoặc đổi tên chương 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 thông .............................................................................. 44
Hình 3.13. Nạp hoặc tải chương 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 trước 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 hoàn chỉnh ................................................... 68
Hình 4.6. Các đầu tín hiệu vào có sử dụng công tắc gạt tạo sự cố giả tưởng cho PLC ....... 78

Hình 4.7. BA1 hoạt động bình thường ....................................................................................
79
Hình 4.8. Mô 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. Mô 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 toán 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 chương trình thí nghiệm của sinh viên chuyên ngành Hệ thống
điện trường 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 Xô (cũ), trong quá trình vận
hành cũng bộc lộ ít nhiều các nhược điểm trong đó có vấn đề về độ tin cậy.
Kỹ thuật điều khiển lôgic khả trình PLC (Programmable Logic Control) được
phát triển từ những năm 1968 -1970. Trong giai đoạn đầu các thiết bị khả trình yêu
cầu người 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 được để lưu 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 quá
trình công nghệ. PLC được thiết kế cho các kỹ sư, không yêu cầu cao về kiến thức
máy tính và ngôn ngữ máy tính. Chúng được thiết kế cho các nhà kỹ thuật có thể cài
đặt hoặc thay đổi chương trình. Vì vậy, các nhà thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao
cho chương trình điều khiển có thể truy nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản
(ngôn ngữ điều khiển). Thuật ngữ lôgic được sử dụng vì việc lập trình chủ yêu liên
quan đến các hoạt động lôgic, ví dụ nếu có các điều kiện A và B thì C làm việc...
Người vận hành nhập chương 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 chương trình này và
thực hiện các quy tắc điều khiển đã được lập trình Các PLC tương tự máy tính,
nhưng máy tính được tối ưu hoá cho các tác vụ tính toán và hiển thị, còn PLC được
chuyên biệt cho các tác vụ điều khiển và môi trường công nghiệp. Vì vậy, các PLC:
Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

2

Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn.
Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra.
Được lập trình dễ dàng với ngôn 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 như 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 công nghệ
Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu
thập được
Phân phát các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp.
Riêng đối với máy công cụ và người máy công 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 công, mọi quy trình công nghệ đều được bộ PLC
điều khiển tập trung.
Ở Việt Nam, việc ứng dụng lập trình PLC vào tự động hóa hệ thống điện còn
nhiều hạn chế. Với mong muốn ứng dụng công 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 phòng” 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 phòng tại
phòng thí nghiệm trường đại học kỹ thuật công nghiệp. Các mục tiêu cụ thể gồm:
Tìm hiểu hiện trạng bài thí nghiệm tự động đóng máy biến áp dự phòng tại
trường 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 phương án cải tạo sử dụng S7-200 CPU 224.
Lập chương trình điều khiển để thiết kế mạch điều khiển tự động đóng máy
biến áp dự phòng.
Thiết kế tủ điều khiển, đấu nối máy tính - PLC – tủ điều khiển, chạy chương
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 công trình nghiên
cứu được 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 phòng
hiện có tại phòng thí nghiệm; Nghiên cứu bộ điều khiển lôgic S7-200 CPU
224 của Siemens cũng như phần mềm lập trình điều khiển. Thực nghiệm trên
thiết bị thực để từ đó hiệu chỉnh lại chương trình, thiết bị cho phù hợp.

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

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

/>

4

Chương 1. HIỆN TRẠNG MẠCH TỰ ĐỘNG ĐÓNG MÁY
BIẾN ÁP DỰ PHÒNG TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT
CÔNG NGHIỆP
Tự động đóng nguồn hoặc thiết bị dự phòng cần được sử dụng trong những
trường 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 trường hợp đã có hoặc đang thiết kế bổ
sung nguồn, chẳng hạn như máy biến áp, đường dây, phân đoạn thanh cái. Trong
trường hợp này khi nguồn làm việc bị cắt ra thì thiết bị TĐD sẽ đóng nguồn cung
cấp thứ hai vào, nguồn này bình thường ở trạng thái dự phòng. Những hệ thống như
vậy tác động tin cậy nhưng đòi hòi vốn đầu tư khá lớn.
Để khắc phục nhược điểm nói trên người ta sử dụng các thiết bị TĐD cho
những phần tử vẫn làm việc trong chế độ bình thường nhưng vẫn chưa mang hết tải,
điều này thường hợp lý về mặt kinh tế, bởi vì khi cắt một nguồn làm việc, nguồn
thứ hai dưới tác động của TĐD tiếp nhận toàn bộ phụ tải (có thể bị quá tải trong
giới hạn cho phép), nhưng 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 phòng được dùng rộng rãi trong các lưới điện và các hệ thống
năng lượng do có sơ đồ đơn giản và tính hiệu quả cao. Trong đề tài này ta chỉ
nghiên cứu tự động đóng dự phòng 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 được làm việc trước khi cắt máy cắt của nguồn đang làm
việc, để đề phòng đóng nguồn dự trữ trong lúc nguồn làm việc chưa bị cắt ra. Thực
hiện yêu cầu này cũng loại trừ khả năng đóng không đồng bộ hai nguồn cung cấp.
Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

5

2- Thiết bị TĐD chỉ được tác động một lần. Để tăng tốc độ cắt của nguồn dự
phòng khi đóng nó vào ngắn mạch chưa được giải trừ, ta thường dùng cách tăng tốc
độ của bảo vệ sau TĐD.
3- Khi đặt thiết bị TĐD thì ngoài bảo vệ dòng 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
không cho phép nguồn làm việc và nguồn dự trữ làm việc song song, cần phải đặt
thêm bộ khóa liên động không cho làm việc song song.

1.2. Giới thiệu mạch tự động đóng máy biến áp dự phòng tại phòng thí
nghiệm trường đại học kỹ thuật công nghiệp [7]
Hình 1.1 là sơ đồ tự động đóng máy biến áp dự phòng.
Hình 1.2 là sơ đồ mạch bảo vệ và tự động đóng máy biến áp dự phòng BA1.
Hình 1.3 là sơ đồ mạch bảo vệ và tự động đóng máy biến áp dự phòng BA2.
Giả sử các máy cắt MC1 và K1 đang đóng, MC2 và K2 đang mở. Khoá 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, nhưng tiếp điểm thường mở mở chậm POB chưa
mở ra. Tiếp điểm phụ số 1 của K1 đóng lại, công 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 được
đưa 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 tương 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 đưa 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 đưa 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 ưu 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 trường hợp hư hỏng
máy biến áp hoặc hư hỏng đường dây nối từ nguồn đến thanh góp A.
2- Đề phòng sơ đồ làm việc sai khi đứt cầu chì mạch áp
Bộ phận khởi động bằng rơle điện áp giảm áp cần được thực hiện như 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 nhược
điểm đó người ta dùng 2 rơle điện áp giảm áp có tiếp điểm nối tiếp với nhau.
3- Đề phòng sơ đồ TĐD làm việc vô ích khi không có điện ở nguồn dự trữ
Nếu mạch dự trữ không có điện thì việc khởi động TĐD là vô ích, do đó trong
sơ đồ TĐD cần có thêm bộ phận kiểm tra điện áp của nguồn dự trữ, thường dùng
rơle điện áp tăng RU3 được cung cấp từ máy biến điện áp (BU2) nối với mạch dự
trữ. Nếu nguồn dự trữ có điện thì rơle RU3 sẽ luôn luôn ở trong trạng thái tác động
và TĐD có thể khởi động được 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 không 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 đường dây dự trữ được
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 dư 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 trường 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 được 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 được.
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 phòng
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 trường hợp thời gian của rơle ThG3 và ThG5 chọn
theo (1.4) và (1.5) thoả mãn điều kiện:
tThG3 < tđóngMC2 + tbvBA2 + tcătMC2

(1.6)

tThG5 < tđóngMC1 + tbvBA1 + tcătMC1

(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 phòng
1.5.1. Thiết bị phục vụ bài thí nghiệm
Phòng 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 lường, các tủ máy cắt, hai máy cắt được 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 được 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 như 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 được giới

thiệu trong sơ đồ.
B3: Đóng nguồn thao tác cho mạch nhị thứ.
B4: Đóng dao cách ly của tủ đo lường 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 tưởng bằng cách đưa 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 đưa thiết bị ra khỏi lưới
và hoàn trả lại sơ đồ bảo vệ như cũ.
Bảng 1.1. Kết quả tính tính toán của phần chuẩn bị và thí nghiệm

Số liệu cho trước

Kết quả thí nghiệm

Các đại lượng
Lần 1
Thời gian duy trì của tbvBA1

2,0

Lần 2

Lần 3

Lần 1

Lần 2

Lần 3

3,0

4,0

0

0

0

bảo vệ cho máy biến
áp

tbvBA2

1,5

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
TCB

CC

CC

x2 - 33
x2 - 32
B- 1
B- 1

TU1

TU2
CĐ1
CĐ2
1
13

13
14

U1- 1

+
B 2
a2
b2

+

B

B- 2

MC2 a1

c2

b1

3

15

3

16

15

U2- 1

16

CC1

B- 2

2

1

14

CC2

MC1

c1

U2

+
U1

+
B 1
B 1

5
5

6

6
8
8

ThG1
ThG3

KĐK6KĐK 5

8

0

0

8
8

4

1

,

1
B

+

8

4

MC2

MC1
K ĐK 2

7
7

1
1

1

24

1

24

,

2

2

,

4

Cắt
Cắt

KĐK 1

,

22

+

B

22

4

1
1

,

2

Đóng
Đóng

4
BA1
BA2

1

1

2

,

4

5

3
3

5

ThG3
ThG5
1
1
9

1
9

1

TH4

B
0
B+ 1

+

2

1

3
7

9

7

9

TH5

A1

5

B1

C1

0

B

KĐK3
B +1

7
9

+

2

1

A2

3
7

9

7

9

B2

C2
KĐK4

5

7
9

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

Chức năng
Thiềt kề
Hớng
dẫn

S húa bi Trung tõm Hc liu

/>
Họ và tên
N

gày Ký

Số bản vẽ: 4 Bản vẽ số: 2 Tỉ lệ:
Trờng: ĐHKT Công
Nghiệp

Khoa: Điện
Lớp: TBM


11

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

12

B+1
B-1
MC1

Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

13
TrG 1
MC 1

CC1

RI7

MC1

RI8

ThG1

RI9
RI1
RI2

TrG1

RI3
RI4
RI5
RI6
m
m
m

9 1
T
9 2
T
9 3
T

TH
1

ThG
1

TH2

TH3
Ð
KÐK

ThG
1

TH4

K11
ThG
3

TG 1

U1

MC1
RU1

ThG
2

RU2
RU3

MC1

K1-2

MC1

Trắng

Th5
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


13
-

B 1

+

B 1
TrG 2

MC 2
3 1

1

CC 2

RI 10


RI 11

TrG 2



RI 1 2


POWER
SUPPLY

7UT512

Cắt MC2

K§K2
C §

ThG4

I

TH5
ThG3

K1 -1

9

7

KDK4
II
RU4

RU5

TrG4

9

MC2
24
22

MC 2
14
16

U2

RU6

ThG4

K1 - 2

ThG3
Tr¾ng (Më )

MC2

R

TrG4
4 3

24
22
MC2
21
23
TrG4
2 1

§á (§ãng)
§ãng K2

K§K2
C §

Cắt K2

II

U2-2

K2

K2-3

K§K2
C §

A2

10

I

§ãng

0,22kV

TrG4

TrG2
4 3

III

A
B
C
0

+

B2
-

B2

+

B2

U2-1

-

B2

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

C§2


1.6. Kết luận chương 1
Từ bài thí nghiệm trên ta nhận thấy được hiện trạng của toàn bộ thiết bị bảo vệ
đóng cắt máy biến áp dự phòng còn nhiều hạn chế. Như tính linh hoạt trong xử lý
đóng cắt chưa 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 toàn cho người 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 phòng cho máy biến áp, cũng như khả năng vận hành một
cách linh hoạt hiệu quả các thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm trường đại học kỹ
thuật công nghiệp.

Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

14

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ
TRÌNH - PLC
2.1. Giới thiệu về PLC
PLC được phát triển từ những năm 1968 -1970. PLC cho phép thực hiện linh
hoạt các thuật toán điều khiển lôgic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử
dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này
được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (đầu vào) tác động vào PLC hoặc qua các
hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. PLC dùng để
thay thế các mạch rơle trong thực tế. PLC hoạt động theo phương 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. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có
nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, MitsubishiElectric,
General Electric, Omron, Honeywell…
Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó hoạt động trong chế độ ON hay
OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập
trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người 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

/>