Bài giảng Chuẩn trong thiết kế & thi công các công trình điện - Chương 3: Thiết kế và thi công các công trình điện theo tiêu chuẩn IEC - Phần F: Nguồn và tải đặc biệt

F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  1. Máy phát điện hạ thế  2. Bộ cấp nguồn liên tục (UPS)  3. Biến áp hạ/hạ  4. Động cơ không đồng bộ F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO 1. Máy phát điện  Trong các mạng điện công nghiệp hoặc thương mại thường có các tải quan trọng đòi hỏi yêu cầu cấp điện liên tục như: . Hệ thống an ninh, báo cháy, chiếu sáng sự cố, báo động . Các tải ưu tiên mà việc dừng hoạt động gây thiệt hại về kinh tế, mất an toàn  Một trong những biện pháp duy trì cấp điện cho tải ưu tiên là sử Sơ đồ khối máy phát dụng máy phát dự phòng. Pn - Công suất động cơ sơ cấp Un, In - Áp và dòng định mức của MF F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO 1.1. Bảo vệ quá tải MF . Nếu xảy ra quá tải  Động cơ sơ cấp sẽ giảm tốc hoặc dừng. . Đặc tuyến quá tải . Cài đặt thông số của thiết bị bảo vệ quá tải: Đặc tuyến quá tải • I/In = 1,1  t > 1h (quá tải 10 % trong 1 giờ) • I/In = 1,5  t = 30s F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO 1.2. Bảo vệ ngắn mạch: . Dòng NM là tổng của: • Dòng siêu quá độ • Dòng tắt dần dạng sin. . Gồm 3 giai đoạn: • Giai đoạn siêu quá độ: trong chu kỳ đầu tiên (0- 20) ms, dòng NM có giá trị khoảng (6-12)In • Giai đoạn quá độ: Dòng Sự biến thiên của dòng NM qua 3 giai đoạn Dòng NM ở giai đoạn quá độ NM bằng khoảng (1,5-2)In. • Giai đoạn xác lập: Với máy I  In 1 sc 3 X kích từ nối tiếp dòng NM d 3 khoảng 0,5In; với máy kích Với là điện kháng quá độ X d ( ) từ hỗn hợp, dòng NM khoảng (2-3)In. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO 1.3. Bảo vệ phía tải mạng hạ áp  Bảo vệ mạch ưu tiên: . Chỉnh định thời gian trễ: • Mạch phân phối thứ cấp: Trị dòng định mức của các TB bảo vệ trong mạch phân phối thứ cấp và mạch phân phối cuối luôn nhỏ hơn In của MF hoặc MBA • Mạch phân phối chính: – Với thanh cái chính: Trị định mức của TB bảo vệ tương đương với TB bảo vệ MF – Tính chọn lọc của TB bảo vệ trên thanh cái mạch ưu tiên phải được đảm bảo. Cần chỉnh định thời gian trễ giữa thiết bị bảo vệ trên mạch phân phối chính với thiết bị bảo vệ trên mạch phân phối phía tải.  An toàn cho người: . Trong hệ thống nối đất IT và TN, việc bảo vệ chống chạm điện gián tiếp được thực hiện bởi chức năng bảo vệ cắt dòng có trễ của CB. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO 1.4. Giám sát thông số MF  Do tính đặc thù của MF và bộ điều áp (AVR – Automatic Voltage Regulator), các thông số vận hành của MF cần phải giám sát khi cấp cho tải đặc biệt. . Ptác dụng cung cấp từ MF đạt tối ưu khi cosφ = 0,8 . Với cosφ < 0,8, bằng cách cường kích, MF có thể cung cấp 1 phần Q  Bộ tụ điện (tụ bù) nối với MF: . MF không tải nối với bộ tụ điện có thể xảy ra hiện tượng tự kích, gây ra quá điện áp. .  Phải ngắt bộ tụ điện bằng cách gửi tín hiệu cắt đến bộ điều khiển đóng cắt bộ tụ. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Khởi động động cơ KĐB được cấp điện bởi MF: . MF chỉ có thể cung cấp tối đa, trong thời gian quá độ, dòng điện khoảng (3-5)In. . Động cơ KĐB khi khởi động Ikđ có thể lên tới 6In . Nếu tổng công suất các động cơ nối với MF lớn, việc khởi động đồng thời cần dòng khởi động tổng cao. Sụt áp trên MF lớn do điện kháng quá độ và cận quá độ của MF có giá trị khá cao. Khi đó có thể gây ra: • Động cơ không thể khởi động. • Thời gian khởi động kéo dài vì sụt áp lớn  nhiệt độ tăng cao • Các thiết bị bảo vệ nhiệt có thể tác động cắt mạch F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO Ví dụ: Máy phát Pn = 130 kVA, điện áp ra 380V, cosφ = 0,8; In = 150A Điện kháng quá độ phần trăm của máy phát: x’d = 20% Tổng công suất các động cơ ΣP = 45 kW, khởi động trực tiếp Ki = 5.65 Dòng Isc = (150/20).100 = 750 A Dòng định mức của các động cơ khi khởi động đồng thời: Inđc = 45000/( 3 . 380 . 0,8) = 85 A Dòng khởi động: Id = Ki.Inđc = 480 A Sụt áp trên thanh cái khi tất cả các động cơ khởi động đồng thời là: UII   480  150  d n .100 = .100 = 55  %   Không thể khởi động UIIsc n  750  150 F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Một số lưu ý khi tái khởi động động cơ: . Nếu động cơ lớn nhất có P > Pn/3 thì cần lắp bộ khởi động mềm cho động cơ này. . Nếu ΣPđộng cơ > Pn/3, thì các động cơ cần được khởi động tuần tự nhờ dùng PLC (Programmable Logic Controller). . Nếu ΣPđộng cơ < Pn/3  có thể tái khởi động trực tiếp các động cơ. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Tải của MF là tải phi tuyến: • Mạch từ bão hòa • Đèn phóng điện, đèn huỳnh quang • Bộ biến đổi điện từ • Thiết bị tin học: PC, máy tính . Tải phi tuyến phát sinh sóng hài dòng, các sóng hài này có thể gây ra mức độ méo dạng điện áp do MF thường có công suất NM thấp. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Kết hợp giữa MF và UPS: . Là giải pháp tốt nhất đảm bảo chất lượng cấp nguồn cho tải nhạy cảm. . Bộ UPS cũng là 1 loại tải phi tuyến. . Công suất UPS cần đủ cung cấp cho tải đầu ra có tính đến khả năng chịu quá tải (VD: 1,5In trong 1’ và 1,25In trong 10’) . Công suất cần thiết nạp cho ắc quy của UPS tỷ lệ với Pn của UPS: Sr = Tổ hợp MF- UPS 1,17Pn. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Dòng tính toán cho tuyến cấp nguồn 1 và 2 Công suất định Dòng tính toán Dòng tính toán mức UPS: Pn tuyến 1 (A) (qua chỉnh lưu) tuyến 2 (A) (By-pass) (kVA) (U = 400 V) (U = 400 V) 40 86 60,5 60 123 91 80 158 121 100 198 151 120 240 182 160 317 243 200 395 304 250 493 360 300 590 456 400 793 608 500 990 760 600 1180 912 800 1648 1215 F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Do UPS là tải phi tuyến  Vậy khi khởi động UPS với nguồn cấp là MF, thì cần tăng dần dòng nạp, tránh dòng nạp ban đầu quá lớn Tăng dần dòng nạp khi khởi động UPS F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Máy phát điện làm việc song song: • Điện áp ra phải có cùng trị hiệu dụng • Điện áp ra các MF phải có cùng tần số • Thứ tự pha của các MF phải giống nhau • Điện áp ra của các MF phải trùng pha nhau . Do các MF cung cấp cho cùng 1 tải  cần được đồng bộ chính xác (điện áp, tần số), và tải cần được cân bằng thích hợp. . Điều chỉnh Ura của MF bằng cách thay đổi Ikích từ, tần số f được điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ quay của động cơ sơ cấp. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Sự cố hư hỏng cách điện MF: . Cần phát hiện và loại trừ nhanh chóng sự cố NM pha - trung tính. . Bảo vệ chạm đất (Ground Fault Protection – GFP) hoạt động theo nguyên lý phát hiện dòng rò : • Cắt MF sự cố khỏi lưới để duy trì tính liên tục Sự cố hư hỏng cách điện MF cấp điện. • Dừng MF sự cố, giảm thiểu hư hỏng. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO 2. Bộ cấp nguồn liên tục UPS  UPS - Uninterruptible Power Supply đáp ứng yêu cầu về tính liên tục và chất lượng nguồn cấp: • Điện áp ra thỏa mãn yêu cầu chất lượng bằng cách dùng bộ nghịch lưu (inverter). • Là nguồn dự phòng độc lập. • Thời gian chuyển mạch để thay thế nguồn lưới gần như không có  Không bị gián đoạn cung cấp điện .  Phù hợp với các tải nhạy cảm do đảm bảo tính liên tục và chất lượng nguồn cấp. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Cấu tạo: Gồm các thành phần: . Bộ chỉnh lưu / nạp: Biến đổi AC  DC nạp cho ắc quy. . Bộ nghịch lưu: Chuyển điện áp DC  AC cấp cho tải. . Bộ ắc quy: Tích trữ điện năng, đảm bảo thời gian cần thiết chạy nguồn dự phòng (từ 8’ đến 1h hoặc lâu hơn). . Khóa chuyển mạch bằng bán dẫn: Chuyển từ nguồn lưới sang nguồn dự phòng và ngược lại. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Phân loại: Theo IEC 62460 a, UPS ngoại tuyến (passive standby hay off-line) Normal mode: Tải được nối lưới qua bộ lọc để hạn chế nhiễu và ổn định điện áp. Công suất cấp cho tải không qua bộ nghịch lưu (off-line). Battery backup mode: Khi nguồn lưới mất, bộ nghịch lưu và ắc quy được đóng để cấp điện cho tải (thời gian chuyển nguồn rất ngắn (<10 ms)). Ứng dụng: Tải nhỏ (< 2 kVA) -Không có chuyển mạch bán dẫn để a, UPS ngoại tuyến (passive đóng cắt nguồn  cần thời gian trễ để standby hay off-line) chuyển nguồn. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO b, UPS off-line công nghệ Line-interactive (tương tác với lưới) Normal mode: Đấu song song ngõ vào AC với bộ nghịch lưu. Ắc quy được nạp qua bộ nghịch lưu. Battery backup mode: Khi nguồn lưới mất, ắc quy và bộ nghịch lưu sẽ cấp điện cho tải. Chuyển mạch bán dẫn cắt lưới khỏi tải, ngăn không cho công suất từ UPS chảy ngược về lưới. Khi nguồn lưới hồi phục, tải được chuyển về lưới (normal mode) Bypass mode: Nếu UPS có sự cố, tải b, UPS off-line công nghệ Line-interactive chuyển sang nguồn Bypass AC (nguồn dự (tương tác với lưới) phòng) thông qua đường Bypass Ứng dụng: Dùng cho tải công suất nhỏ F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO c, UPS on-line (double conversion) Normal mode: Thực hiện biến đổi kép AC- DC-AC, từ lưới qua bộ CL, bộ NL cấp điện cho tải (on-line) Battery backup mode: Khi mất nguồn lưới, ắcquy và bộ NL cấp điện cho tải. UPS làm việc cho đến khi hết thời gian lưu điện của ắc quy hoặc khi nguồn lưới hồi phục. Bypass mode: Tải được cấp điện bằng nguồn Bypass (nguồn dự phòng). Chế độ này được vận hành khi: -UPS hư hỏng -Dòng tải tăng vọt (khi khởi động hoặc sự cố). -Tải đạt công suất đỉnh.  nhiễu ở nguồn Bypass sẽ ảnh hưởng c, UPS on-line (double conversion) trực tiếp đến tải. Nhánh Manual maintenance bypass thường đóng cắt bằng tay, được sử dụng khi bảo dưỡng. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO Ứng dụng: Do sử dụng chuyển mạch bán dẫn  thời gian chuyển mạch không đáng kể. Điện áp và tần số đầu ra không phụ thuộc đầu vào  UPS có thể hoạt động với tần số khác. Thường dùng cho tải có công suất trung bình hoặc cao (từ 10 kVA trở lên)  Ắc quy: Gồm 2 loại chính: - Ắc quy Nickel-cadmium - Ắc quy chì-acid Ắc quy chì-acid loại kín chiếm khoảng 95% do dễ bảo trì và không cần vị trí lắp đặt đặc biệt. Ắc quy kín được ưa chuộng do: -Không cần bảo dưỡng -Dễ lắp đặt -Không yêu cầu vị trí lắp đặt đặc biệt. Ắc quy acid thông thường (loại hở) dùng cho các ứng dụng yêu cầu: -Tuổi thọ cao -Thời gian lưu điện dài -Công suất lớn Nhưng đòi hỏi lắp đặt trong phòng đặc biệt, với quy trình chính xác và yêu cầu bảo trì thường xuyên. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO Nhiệt độ Tần suất Vị trí lắp đặt Tuổi thọ Độ thu gọn Giá cho phép bảo dưỡng đặc biệt Chì - acid kín 5 hoặc 10 năm + + Thấp Không Trung bình thấp Chì - acid hở 6 hoặc 10 năm + ++ Trung bình Có Thấp Nickel - cadmium 7 hoặc 10 năm ++ +++ Cao Không Cao Chọn thời gian lưu điện: Tùy thuộc vào: -Khoảng thời gian trung bình xảy ra sự cố mất nguồn. -Thời gian cần thiết để cấp điện từ nguồn dự phòng. Các quy tắc lựa chọn: -Với máy tính: Thời gian lưu điện cần đủ để lưu dữ liệu và tắt hệ thống máy tính theo đúng quy trình. -Các quá trình công nghiệp: Phụ thuộc vào mức độ tổn thất kinh tế khi dừng sản xuất và thời gian cần thiết để khởi động lại quá trình F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO Phương pháp lắp đặt ắc quy b, Đặt trên bệ a, Đặt trên kệ dạng bậc thang c, Đặt trong tủ - Với ắc quy loại kín, có thể đặt cùng vỏ với UPS, lắp trong tủ riêng hoặc giá đỡ - Với ắc quy loại hở có thể đặt trên kệ hoặc bệ dạng bậc thang. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Lắp đặt, kết nối và chọn kích cỡ cáp điện: - Với UPS công suất nhỏ như loại dùng cho máy tính  nhỏ gọn và tích hợp sẵn. Việc đấu dây do nhà sản xuất thực hiện. - Với UPS loại lớn, dây nối tới lưới, tới tải và tới ắc quy không có sẵn  Phải tính chọn cáp kết nối thích hợp. Tìm dòng Iu, I1 -Dòng Iu từ nguồn lưới bằng với dòng tải. -Dòng I1 phụ thuộc vào: + Dung lượng bộ ắc quy. + Đặc tính bộ nạp. + Hiệu suất bộ NL -Dòng Ib chạy trên dây nối bộ ắc quy. Giá trị các dòng điện này được cho bởi nhà sản xuất. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO 3. Biến áp hạ/hạ . Đặc điểm: cuộn sơ cấp và thứ cấp đều là hạ áp. . Ứng dụng: . Thường dùng để cung cấp nguồn cho mạch điều khiển và chỉ thị, cung cấp nguồn cho mạch chiếu sáng (VD tạo điện áp 230V khi nguồn cấp là 400V, 3 pha, 3 dây). . Thay đổi kiểu nối đất đối với 1 số loại tải. . Bảo vệ mạch cấp điện cho biến áp hạ/hạ: . Tại thời điểm đóng điện cho BA, dòng quá độ ban đầu có giá trị cao nhưng suy giảm nhanh  thiết bị bảo vệ cho mạch cấp điện MBA không được tác động cắt với dòng từ hóa ban đầu. . Dùng CB có đặc tính cắt chọn lọc (trễ 1 khoảng thời gian ngắn) hoặc CB có dòng cắt từ rất cao. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO 4. Động cơ KĐB  Động cơ KĐB vận hành ổn định, tin cậy, giá thành thấp nên được sử dụng rất rộng rãi (95%) 4.1. Hậu quả khi động cơ không được bảo vệ đúng:  Đối với người: . Điện giật do hư hỏng cách điện . Tại nạn do mất điều khiển. . Bị ngạt do nghẽn thông gió động cơ.  Đối với truyền động điện và quá trình: . Hư hỏng ly hợp và các phần cơ do bị kẹt. . Giảm năng suất . Ngừng trệ sản xuất  Đối với động cơ: . Các cuộn dây cháy do động cơ bị kẹt. . Chi phí tháo lắp, thay thế, sửa chữa động cơ. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO 4.2. Mạch cấp điện cho động cơ:  Có đặc thù so với các mạch phân phối khác do: . Chịu dòng khởi động lớn. . Tần số thao tác, khởi động lớn .  Các thiết bị bảo vệ phải có đặc tính thích hợp, tránh tác động khi khởi động động cơ.  Chức năng:  Chức năng cách ly:  Có thể dùng CB hoặc dao cách ly Điều khiển động cơ tại chỗ hoặc từ xa: Thực hiện bởi công tắc tơ, các bộ khởi động.  Bảo vệ chống ngắn mạch: Dòng khởi động động cơ có thể lên tới (6- 8)In  cần chú ý để ngăn ngừa tác động cắt mạch không mong muốn trong quá trình khởi động. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Bảo vệ chống quá tải  Bảo vệ bổ xung: Bảo vệ quá nhiệt dây quấn bằng cách đo trực tiếp hoặc gián tiếp nhiệt độ cuộn dây; Giám sát thường xuyên điện trở cách điện; bảo vệ chống mất cân bằng, mất hoặc hoán vị pha  Các thiết bị điều khiển:  Các bộ khởi động điện cơ: Sao tam giác, biến áp tự ngẫu, khởi động bằng điện trở  Các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, điều khiển.  Bộ khởi động mềm  Các bộ biến tần F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Sơ đồ bảo vệ cơ bản: CB + công tắc tơ + rơ le nhiệt: F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Ưu điểm: . Giảm chi phí bảo trì: CB thay thế cho cầu chì trong chức năng bảo vệ NM. . Tác động cắt của cả 3 pha được đảm bảo . Có khả năng cắt dòng đầy tải bằng CB trong trường hợp hư hỏng công tắc tơ như hàn dính tiếp điểm. . Có thể khóa liên động cơ và điện . Các tín hiệu cảnh báo, chỉ thị khá đa dạng . Có khả năng thêm RCD vào mạch F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO 4.3. Tầm quan trọng của việc giới hạn sụt áp tại đầu cực động cơ khi khởi động: . Để động cơ khởi động và gia tốc trong khoảng thời gian thích hợp, mômen của động cơ phải lớn hơn ít nhất 70% mômen của tải. . Dòng khởi động rất lớn so với dòng đầy tải của động cơ  có thể gây sụt áp lớn. . Mômen do động cơ sinh ra tỷ lệ với U2  Nếu sụt áp lớn thì mômen giảm quá mức có thể khiến động cơ không khởi động được. F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO  Ví dụ:  Động cơ 220/380 V, Δ/Υ có bội số mômen khởi động km = 2,1  Nếu sụt áp 10% thì bội số mômen khởi động lúc này là: 2 km1 = 2,1.(0,9) = 1,7, động cơ vẫn có thể khởi động và gia tốc bình thường. 2  Nếu sụt áp 15%  km2 = 2,1.(0,85) = 1,5 thời gian khởi động động cơ tăng . F. Nguồn và tải đặc biệt LOGO 4.4. Dòng khởi động cho phép lớn nhất của động cơ trong mạng hạ thế: . Khi khởi động trực tiếp động cơ xoay chiều công suất lớn có thể gây tác động xấu cho các tải tiêu thụ lân cận. Thường các công ty điện lực có quy định chặt chẽ nhằm giới hạn nhiễu ở mức chấp nhận được . Các phương pháp khởi động khác (thường đắt tiền hơn) được dùng để giảm dòng khởi động của động cơ xuống mức cho phép: Sơ đồ sao – tam giác, khởi động bằng điện trở, khởi động mềm Dòng khởi động max (A) Loại động cơ Vị trí Mạng trên không Mạng cáp ngầm Nhà ở 45 45 Một pha Nơi khác 100 200 Nhà ở 60 60 Ba pha Nơi khác 125 250 Dòng khởi động cho phép lớn nhất của động cơ khởi động trực tiếp (230/400V)