Bài tập lớn thiết kế hệ thống cấp điện phân xưởng sửa chữa cơ khí NX1

Tài liệu bài tập lớn thiết kế hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí đề tài nx1. Hướng dẫn tính toán phụ tải và chọn thiết bị điện.

• Tác giả: Trần Văn Chung
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Hùng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Thiết kế cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí
• Loại tài liệu: Bài tập lớn

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống cấp điện phân xưởng sửa chữa cơ khí

Thiết kế hệ thống cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí là nhiệm vụ quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. Phân xưởng này thường sử dụng đa dạng thiết bị cơ khí như máy tiện, máy phay, máy khoan có công suất khác nhau, đòi hỏi hệ thống điện phải đảm bảo ổn định, an toàn và hiệu quả. Nhiệm vụ chính bao gồm lựa chọn trạm biến áp phù hợp, thiết kế mạng lưới dây dẫn, lắp đặt hệ thống bảo vệ và tính toán bù công suất phản kháng. Yêu cầu kỹ thuật bao gồm đảm bảo điện áp ổn định, hạn chế tổn thất điện năng và đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng điện năng theo quy định. Thiết kế còn phải cân đối giữa yếu tố kinh tế và kỹ thuật, đảm bảo khả năng mở rộng trong tương lai.

1.1. Đặc điểm phụ tải trong phân xưởng sửa chữa cơ khí

Phụ tải trong phân xưởng sửa chữa cơ khí chủ yếu là phụ tải loại 1, yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện cao do ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sản xuất. Các thiết bị như máy tiện, máy phay có hệ số sử dụng công suất thấp (0,25-0,4) nhưng vận hành liên tục trong ca sản xuất. Tổng công suất đặt thường dao động từ 50-200 kW tùy quy mô phân xưởng. Điện áp cung cấp chủ yếu là 380V ba pha, nguồn cấp từ đường dây 22kV cách xa 200m. Môi trường sản xuất có nhiều bụi kim loại, yêu cầu hệ thống điện phải chống cháy nổ và dễ bảo trì.

1.2. Tiêu chuẩn kỹ thuật hệ thống cung cấp điện

Hệ thống cấp điện phải tuân thủ TCVN 9208:2012 về thiết kế lắp đặt điện công nghiệp. Các tiêu chuẩn quan trọng bao gồm: điện áp ổn định ±5%, tần số 50Hz ±1%, hệ số công suất cosφ ≥ 0,85. Thiết bị bảo vệ phải đáp ứng tiêu chuẩn IEC 60947, bao gồm aptomat, cầu chì, relay bảo vệ quá tải. Hệ thống tiếp địa phải có điện trở ≤ 4Ω theo TCVN 4756:1989. Ngoài ra, cần tuân thủ các quy định về an toàn PCCC trong môi trường công nghiệp.

II. Phân tích nhu cầu phụ tải và vấn đề kỹ thuật cần giải quyết

Phân tích phụ tải là bước quan trọng xác định công suất đỉnh, hệ số nhu cầu và mức tiêu thụ điện năng hàng năm. Phân xưởng sửa chữa cơ khí thường có biểu đồ phụ tải không đều, với các đỉnh vào giờ cao điểm sản xuất. Vấn đề chính là tính toán chính xác công suất tính toán Stt nhằm tránh đầu tư thừa hoặc thiếu thiết bị. Các thách thức bao gồm: xác định vị trí đặt trạm biến áp tối ưu, lựa chọn tiết diện dây dẫn phù hợp với mật độ dòng kinh tế, và tính toán tổn thất điện năng trên đường dây. Ngoài ra, cần đánh giá tác động của công suất phản kháng đến hệ thống và đề xuất giải pháp bù phù hợp.

2.1. Phương pháp tính toán phụ tải điện

Phương pháp xác suất thống kê được sử dụng để tính toán phụ tải, dựa trên hệ số nhu cầu Ksd và công suất đặt của từng thiết bị. Công suất tính toán Stt = Ksd × ΣPđặt, trong đó Ksd phụ thuộc vào loại thiết bị và chế độ vận hành. Ví dụ, máy tiện có Ksd = 0,3, máy mài có Ksd = 0,35. Hệ số đồng thời Kđt được áp dụng cho toàn bộ phân xưởng, thường từ 0,7-0,9 tùy quy mô. Phương pháp này giúp ước tính chính xác nhu cầu điện năng, từ đó lựa chọn thiết bị phù hợp.

2.2. Các rủi ro kỹ thuật trong thiết kế hệ thống điện

Rủi ro chính bao gồm quá tải đường dây dẫn đến sụt áp vượt ngưỡng cho phép, gây hỏng thiết bị. Tổn thất điện năng trên đường dây dài (200m từ nguồn 22kV) có thể lên tới 5-10% nếu tiết diện dây không đủ. Hệ thống bảo vệ kém hiệu quả dẫn đến nguy cơ cháy nổ do ngắn mạch. Ngoài ra, thiếu hụt dung lượng tụ bù gây hệ số công suất thấp, dẫn đến phạt tiền theo quy định của ngành điện. Việc không tuân thủ tiêu chuẩn tiếp địa có thể gây nguy hiểm cho người vận hành.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống cấp điện tối ưu

Giải pháp thiết kế bao gồm lựa chọn trạm biến áp 22/0,4 kV có dung lượng phù hợp, lắp đặt hệ thống cáp ngầm chống cháy nổ, và bố trí tủ phân phối điện gần trung tâm phụ tải. Sử dụng cáp đồng tiết diện 120-150mm² cho đường dây chính, đảm bảo mật độ dòng kinh tế jkt = 2,7 A/mm². Hệ thống bảo vệ gồm aptomat loại C cho động cơ, aptomat loại D cho mạch chiếu sáng, kèm theo relay bảo vệ quá tải. Tính toán tụ bù phân tán tại các tủ động lực, nâng hệ số công suất lên ≥ 0,92. Áp dụng hệ thống giám sát điện năng để phát hiện sớm sự cố.

3.1. Lựa chọn thiết bị và sơ đồ cung cấp điện

Trạm biến áp được đặt ở vị trí trung tâm phụ tải, cách xa nguồn 22kV 200m. Sử dụng trạm biến áp khô 500 kVA do hãng Siemens sản xuất, có khả năng chịu tải 125%. Sơ đồ cấp điện dạng hình tia, mỗi tủ động lực được cấp điện riêng từ trạm biến áp. Dây dẫn từ trạm đến tủ sử dụng cáp đồng 3 pha XLPE, lắp đặt trong rãnh ngầm chống thấm nước. Hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED 50W, cấp điện từ tủ riêng biệt.

3.2. Tính toán bù công suất phản kháng

Công suất phản kháng Qb được tính toán theo công thức Qb = P × (tanφ1 - tanφ2), trong đó φ1 là góc ứng với cosφ ban đầu, φ2 ứng với cosφ mục tiêu ≥ 0,92. Tụ bù được lắp đặt tại các tủ động lực, với dung lượng phân bố theo phụ tải: tủ I (43,85 kVAr), tủ II (34,78 kVAr), tủ III (37,9 kVAr), tủ IV (39,46 kVAr). Sử dụng tụ bù khô 3 pha 25 kVAr, lắp đặt trong tủ điện kín. Hiệu quả bù thể hiện qua giảm tổn thất điện năng từ 3588 kWh xuống còn 1500 kWh/năm.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của thiết kế

Thiết kế hệ thống cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế. Hệ thống vận hành ổn định với điện áp dao động trong ±3%, hệ số công suất đạt 0,93, tổn thất điện năng giảm 58%. Chi phí đầu tư ban đầu ước tính 120 triệu đồng, thu hồi vốn trong 3,5 năm nhờ tiết kiệm điện năng. Thiết kế này có thể áp dụng cho các phân xưởng cơ khí quy mô tương tự, với điều chỉnh dung lượng trạm biến áp theo công suất thực tế. Việc tuân thủ tiêu chuẩn kỹ thuật đảm bảo an toàn và độ tin cậy cao.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật

Hiệu quả kinh tế thể hiện qua giảm 15% chi phí tiền điện nhờ nâng hệ số công suất. Tuổi thọ thiết bị ước tính 20 năm, chi phí bảo trì hàng năm 2 triệu đồng. Lợi nhuận ròng sau 5 năm đạt 45 triệu đồng. Về mặt kỹ thuật, hệ thống đáp ứng yêu cầu ổn định điện áp, hạn chế sụt áp dưới 5% ngay cả khi phụ tải đỉnh. Độ tin cậy cung cấp điện đạt 99,5%, đáp ứng tiêu chuẩn cho phụ tải loại 1.

4.2. Hướng phát triển và mở rộng hệ thống

Hệ thống có khả năng mở rộng bằng cách bổ sung tụ bù hoặc nâng dung lượng trạm biến áp khi phụ tải tăng. Có thể tích hợp hệ thống giám sát từ xa sử dụng cảm biến IoT để theo dõi điện năng tiêu thụ theo thời gian thực. Việc ứng dụng công nghệ tiết kiệm năng lượng như động cơ biến tần sẽ nâng cao hiệu quả vận hành. Thiết kế này cũng làm cơ sở tham khảo cho các dự án tương tự trong ngành cơ khí.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG CHO PHÂN XƯỞNG Tính toán lựa chọn đèn. Trong thiết kế chiếu sáng, vấn đề quan trọng nhất phải quan tâm là đáp ứng các yêu cầu về độ rọi và hiệu quả chiếu sáng đối với thị giác. Ngoài độ rọi, hiệu quả của chiếu sáng còn phụ thuộc vào quang thông, màu sắc ánh sáng, sự lựa chọn hơp lý cùng sự bố trí chiếu sáng vừa đảm bảo tính kinh tế và mỹ quan của hoàn cảnh. Thiết kế chiếu sáng phải đảm bảo các yêu cầu sau: ✓ Không lóa do phản xạ.

✓ Không có bóng tối. ✓ Phải có độ rọi đồng đều. ✓ Phải đảm bảo độ sáng định đủ và ổn. ✓ Phải tạo ra được ánh sáng giống ánh sáng ban ngày.

Chọn loại bóng đèn chiếu sáng , gồm 2 loại: bóng đèn sợi đốt và bóng đèn huỳnh quang. Các phân xưởng thường ít dùng đèn huỳnh quang vì đèn huỳnh quang có tần số là 50Hz thường gây ra ảo giác không quay cho các động cơ không đồng bộ, gây nguy hiểm cho người vận hành máy, dễ gây ra tai nạn lao động. Do đó người ta thường sử dụng đèn sợi đốt cho các phân xưởng sửa chữa cơ khí. Việc bố trí đèn khá đơn giản, thường được bố trí theo các góc của hình vuông hoặc hình chữ nhật.

Sở bộ về các kích thước của phân xưởng như sau : - Phân xưởng có kích thước axbxH = 36x24x5m. Độ rọi yêu cầu cho 1 phân xưởng sửa chữa cơ khí là từ 50 ÷ 100 lux, độ rọi được chọn là : Eyc = 100 lux. Chọn độ cao treo đèn là h1 = 0,5 m. - Chiều cao mặt bằng làm việc h2 = 0,8 m.

- Do đó khoảng cách từ đèn đến mặt công tác là h = H - h1- h2 = 5 -0,5- 0,8 = 3,7 m .1 : Bố trí đèn theo mặt đứng Với H : chiều cao nhà xưởng , tính bằng m , đã cho ở đầu bài. Tra bảng với bóng đèn sợi đốt vạn năng L/h=1,5÷1,8. Căn cứ vào kích thước nhà xưởng ta chọn khoảng cách giữa các đèn là: Ld = 4,5 m, (đèn gần tường nhất p~2,25m) và Ln = 4 m (đèn gần tường nhất q~2m). Trong đó : Ld :là khoảng cách giữa các đèn theo chiều dài phân xưởng ,m.

Ln : là khoảng cách giữa các đèn theo chiều rộng phân xưởng ,m. Như vậy tổng cộng có 8 hàng đèn, mỗi hàng có 6 bóng. Kiểm tra mức độ đồng đều về ánh sáng: Ln L 4 4 q n  2= 3 2 3 2 Ld L 4,5 4,5  p d   2,25 = 3 2 3 2 Như vậy việc bố trí đèn là hợp lý. Số lượng đèn tối thiểu để đảm bảo độ chiếu sáng đồng đều là : Nmin = 48 bóng.

Sơ đồ bố trí chiếu sáng như hình vẽ minh họa dưới đây 24000 2000 4000 2250 4500 36000 Hình vẽ 1.2 : Sơ đồ minh họa chiếu sáng đơn giản Xác định chỉ số phòng : a b 24  36 = =  5,5. h  (a + b ) 3,7  (24 + 36) Coi hệ số phản xa của trần và tường lần lượt là là :  tran =50 % và  tuong =30 % kết hợp với chỉ số phòng ta tra bảng được hệ số sử dụng là: Ksd = 0,59 (đèn sợi đốt chiếu sâu_bảng 47. Lấy hệ số dự trữ k=1,3 và hệ số tính toán Z=1,1 xác định được quang thông của mỗi đèn như sau: k .k sd 48  0,59 Dựa vào Fyc ta chọn loại đèn sợi đốt Halogen có Pđ = 300 W, F = 6300 lm (tra bảng PL VIII.2 –Ngô Hồng Quang) Ngoài ra ta trang bị thêm cho 2 phòng thay đồ và 2 phòng vệ sinh, mỗi phòng có 1 bóng 60W. Tổng công suất đèn là Pcs = 48.60 = 146400 W = 14,64 kW Chọn cáp cho hệ thống chiếu sáng Chọn cáp từ tủ phân phối đến tủ chiếu sáng.

Pcs 14,64 I lv max = = = 22,243 ( A) (với đèn sợi đốt cos  =1) 3  U đm Cos 3  0,38  1 Tmax =4500 h ( tra bảng 9pl – SBT) suy ra jkt = 2,7mm2 Vậy tiết diện dây cần tìm là : I lv max 22,243 F= = = 8,238 mm 2 j kt 2,7 Vậy ta chọn dây dẫn bằng đồng có F =10mm2 (các thông số r0 = 1,83(Ω/km), x0 =0,073(Ω/km).(tra bảng pl V.12- Ngô Hồng Quang ) Chọn dây dẫn từ áp tô mát nhánh tới các nhóm đèn. Tiến hành phân nhóm đèn theo diện tích. Bóng đèn được chia thành 6 nhóm, mỗi nhóm sẽ có 8 bóng, công suất mỗi bóng là 300W. - Nhóm 1: Tổng công suất nhóm 1 : P = 8.

2,4 I lv max = = 10,9 A 0,22 I lv max 10,9 Suy ra: F= = = 4,037 mm 2 j kt 2,7 Vậy ta chon dây dẫn bằng đồng có có F = 4 mm2 (các thông số r0 = 4,61(Ω/km), x0 =0,09 (Ω/km).( tra bảng pl V.12- Ngô Hồng Quang ) Các nhóm khác cũng có cùng số lệu như nhóm 1 nên kết quả giống như nhóm 1. Từ kết quả tính toán trên ta được bảng số liệu thông số dây dẫn mạch chiếu sáng như sau: r0 Vị trí Icp (Ω/km)ở 2 F, mm 200C Cáp tổng cs 10 87 1,83 Dây nhánh 4 53 4,61 Chọn áp tô mát Chọn áp tô mát tổng. Ilvmax = 22,243 A, ta chọn áp tô mát tổng Iđm= 40 A, 3 cực, do LG chế tạo. Chọn áp tô mát nhánh.

+ Nhánh cung cấp điện cho 8 bóng: 2,4 I lv max = = 10,9 A , ta chọn áp tô mát Iđm = 20 A, 2 cực, do LG chế tạo. 0,22 + Các nhánh khác cũng dùng áp tô mát Iđm = 20 A cùng loại.2: Thông số Át-tô-mát được lựa chọn Số Vị trí Loại Kiểu Udm(V) cực Idm(A) Áp tô mát tổng 50AF ABE 53a 600 3 40 Áp tô mát nhánh 50AF ABE 53a 600 2 20 Kiểm tra điều kiện chọn dây kết hợp với áp tô mát Điều kiện kiểm tra: 1,25.k 3 - Mạch chiếu sáng tổng dùng dây10 mm2, bảo vệ bằng áp tô mát kiểu 50AF: 1,25.1 - Các mạch nhánh dùng dây 4mm2 , bảo vệ bằng áp tô mát kiểu 50AF: 1,25.1 CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN PHỤ TẢI ĐIỆN Tính toán phụ tải điện là công việc bắt buộc và đầu tiên trong mọi công trình cung cấp điện. Việc này sẽ cung cấp các số liệu phục vụ cho việc thiết kế lưới điện về sau của người kĩ sư. Phụ tải tính toán có giá trị tương đương với phụ tải thực tế về mặt hiệu ứng nhiệt , do đó việc chọn dây dẫn hay các thiết bị bảo vệ cho nó sẽ được đảm bảo.

Có nhiều phương pháp tính toán phụ tải điện như phương pháp hệ số nhu cầu , hệ số tham gia cực đại. Đối với việc thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí , vì đã có các thông tin chính xác về mặt bằng bố trí thiết bị , biết đựoc công suất và quá trình công nghệ của từng thiết bị nên sử dụng phương pháp hệ số nhu cầu để tổng hợp nhóm phụ tải động lực. Nội dung chính của phưong pháp như sau : - Thực hiện phân nhóm các thiết bị có trong xưởng, mỗi nhóm đó sẽ được cung cấp điện từ 1 tủ động lực riêng , lấy điện từ 1 tủ phân phối chung. Các thiết bị trong nhóm nên chọn có vị trí gần nhau trên mặt bằng phân xưởng, có chế độ làm việc và công suất tương tự nhau.

Xác định hệ số sử dụng tổng hợp của mỗi nhóm thiết bị theo biểu thức sau : Pi .1 ) Pi - Xác định số lượng thiết bị hiệu dụng của mỗi nhóm nhd : nhd = (Pi ) 2 ( 2.2 ) Pi2 - Hệ số nhu cầu của nhóm sẽ được xác định theo biểu thức sau :  1 − k sd knc = k sd + ( 2.3 ) n hd - Phụ tải tính toán của mỗi nhóm là : Ptt = knc.4 ) Hệ số công suất của phụ tải mỗi nhóm : Cos tb =  P  Cos i (2. Phụ tải tính toán nhóm chiếu sáng. Từ kết quả thiết kế chiếu sáng ta tính được phụ tải chiếu sáng tính toán của toàn phân xưởng. Trong đó: kđt : hệ số đồng thời của nhóm phụ tải chiếu sáng.

N : số bóng đèn cần thiết. Pđ : công suất của mỗi đèn được lựa chọn. Vì dùng đèn sợi đốt nên hệ số cos của nhóm chiếu sáng là 1. Do đó, ta có công suất toàn phần của nhóm chiếu sáng là: Pcs 14,64 Scs = = = 14,64 kVA cos 1 Qcs = 0 kVAr.

Phụ tải tính toán nhóm thông thoáng và làm mát a: Phụ tải làm mát bằng điều hòa Với đặc tính không gian rộng lớn, máy móc và thiết bị nhiều của nhà xưởng, nhà máy do vậy mà nhà xưởng cần một hệ thống điều hòa không khí mạnh mẽ với công suất lạnh, lưu lượng gió lớn và hoạt động ổn định. Bên cạnh đó, việc lắp đặt cần tiết kiệm không gian và phải linh hoạt, vì vậy điều hòa cho nhà xưởng là một trong những thiết làm mát tại các phân xưởng, nhà máy phổ biến nhất hiện nay Ta có 1m3=200 BTU Thể tích nhà xưởng: V =4320 m3 Vậy diện tích phân bố công suất lạnh = 4320.200 = 864000 BTU Ta sử dụng 5 cái ĐIỀU HÒA 1 CHIỀU PANASONIC KC18QKH-8 - 18000BTU Ta có: 1HP = 9000BTU = 746 W Suy ra Công suất lạnh của 5 cái điều hòa: Plm = 18000.5=900000 BTU = 74600 W Cosφ =0,8 suy ra : Qlm= Plm.75 = 55950 VAR Slm = Plm/ Cosφ =74600/0,8 = 93250 VA b: Lưu lượng gió tươi cần cấp vào xưởng là: ( Q = n.V m 3 / h ) n – tỉ số đổi không khí (1/h)_ với phân xưởng cơ khí lấy n = 6 (1/h) V – thể tích của phân xưởng (m3) V = a.H với a (m), b (m), chiều rộng – dài phân xưởng (đo theo đề bài) H (m)– chiều cao của phân xưởng; Suy ra : Q = 6  24  36  4,12 = 21,358  10 3 (m 3 / h ) Chọn quạt hút công nghiệp có q = 2200 / h, với số lượng là 10 quạt .1 : Thông số kỹ thuật của quạt hút công nghiệp Công Lượng gió Thiết bị Số lượng ksd cos suất.W (m3/h) Quạt hút 215 2200 10 0,7 0,8 1 − k sd 1 − 0,7 Hệ số nhu cầu của quạt hút là: k nc = k sd + = 0,7 + = 0,795. qh n 10 Trong đó : n là tổng số thiết bị trong nhóm. Phụ tải tính toán nhóm phụ tải thông thoáng-làm mát: n Plm = k qh nc P i =1 đmqi = 0,795 10  215 = 1709,25W = 1,709kW .