Đồ án Tốt nghiệp Kỹ sư Công nghiệp: Phân tích và Thiết kế Hệ thống Cung cấp Điện

Tìm hiểu về Da MH CCD, một công cụ hữu ích trong việc chuẩn bị và nộp hồ sơ. Bài viết cung cấp hướng dẫn chi tiết và ví dụ minh họa.

• Tác giả: Phạm Viết Chính
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Việt
• Trường học: Trường Đại học Mở TPHCM
• Chuyên ngành: Công nghiệp
• Đề tài: Thiết kế cung cấp điện cho xưởng cơ khí
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
• Năm xuất bản: 2103
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án cung cấp điện nhà máy công nghiệp

Đồ án cung cấp điện nhà máy công nghiệp là công trình nghiên cứu kỹ thuật nhằm thiết kế hệ thống cấp điện an toàn, hiệu quả cho các nhà máy sản xuất. Khoảng 70% điện năng sản xuất được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp. Con số này cho thấy tầm quan trọng đặc biệt của việc thiết kế hệ thống cung cấp điện phù hợp. Một phương án cung cấp điện hợp lý phải đáp ứng nhiều yêu cầu. Đó là độ tin cậy cao, tính kinh tế, chất lượng điện năng ổn định. Hệ thống cần thuận tiện cho vận hành và sửa chữa khi xảy ra sự cố. Ngoài ra, khả năng mở rộng phát triển trong tương lai cũng là yếu tố không thể bỏ qua. Đồ án thường bao gồm các bước chính. Xác định phụ tải tính toán, chọn thiết bị bảo vệ, thiết kế sơ đồ nối mạng. Mỗi bước đòi hỏi tính toán chính xác theo tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Mục tiêu cuối cùng là đảm bảo cung cấp điện liên tục, góp phần phát triển kinh tế quốc dân.

1.1. Vai trò của cung cấp điện trong sản xuất công nghiệp

Cung cấp điện đóng vai trò quyết định trong hoạt động sản xuất công nghiệp. Ngành công nghiệp là ngành tiêu thụ điện năng lớn nhất trong nền kinh tế. Việc đảm bảo điện liên tục giúp dây chuyền sản xuất không bị gián đoạn. Nếu nguồn điện bị mất đột ngột, thiệt hại kinh tế vô cùng lớn. Thiết bị có thể hư hỏng, sản phẩm bị lỗi, tiến độ giao hàng bị trễ. Do đó, hệ thống cung cấp điện phải hoạt động ổn định 24/7. Độ tin cậy cao giúp doanh nghiệp duy trì năng suất và lợi nhuận. Đồng thời góp phần phát triển kinh tế quốc gia bền vững.

1.2. Các yêu cầu cơ bản khi thiết kế hệ thống cung cấp điện

Thiết kế hệ thống cung cấp điện phải đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật. Yếu tố kinh tế đặt lên hàng đầu. Chi phí đầu tư và vận hành phải hợp lý. Độ tin cậy là yêu cầu then chốt tiếp theo. Hệ thống phải hoạt động liên tục, ít xảy ra sự cố. Chất lượng điện năng phải nằm trong phạm vi cho phép. Điện áp và tần số ổn định giúp thiết bị hoạt động tốt. Hệ thống cần thuận tiện cho vận hành và sửa chữa. Cuối cùng, khả năng mở rộng trong tương lai cần được tính toán ngay từ đầu. Điều này giúp nhà máy dễ dàng nâng cấp khi quy mô sản xuất tăng.

II. Phân tích phụ tải và các vấn đề trong cung cấp điện

Xác định phụ tải tính toán là bước quan trọng nhất trong thiết kế cung cấp điện. Phụ tải tính toán quyết định công suất thiết bị cần chọn. Nếu tính sai, hệ thống hoạt động không hiệu quả hoặc quá tải. Phụ tải công nghiệp rất đa dạng. Có nhiều loại thiết bị với công suất khác nhau. Chế độ làm việc của chúng cũng khác biệt. Có thiết bị hoạt động liên tục, có thiết bị chạy gián đoạn. Việc phân nhóm phụ tải giúp đơn giản hóa quá trình tính toán. Nhóm động lực bao gồm các máy móc sản xuất. Nhóm chiếu sáng phục vụ ánh sáng làm việc. Nhóm ổ cắm và quạt cũng cần được tính riêng. Phương pháp hệ số sử dụng được áp dụng phổ biến. Công thức tính dựa trên hệ số sử dụng Ksd và hệ số đồng thời Kđt. Phụ tải đỉnh nhọn là giá trị cực đại cần xác định. Giá trị này phục vụ chọn thiết bị bảo vệ và máy biến áp.

2.1. Phương pháp phân nhóm và xác định phụ tải tính toán

Phân nhóm phụ tải là bước đầu tiên trong quy trình tính toán. Phụ tải được chia thành nhóm động lực, chiếu sáng và ổ cắm. Mỗi nhóm có đặc tính tiêu thụ điện riêng biệt. Phương pháp hệ số sử dụng được dùng phổ biến nhất. Hệ số sử dụng Ksd phản ánh tỷ lệ công suất thực tế trên công suất danh định. Hệ số đồng thời Kđt tính đến khả năng không chạy đồng thời tất cả thiết bị. Phụ tải tính toán Ptt được tính qua công thức Ptt = Kmax × Pđm. Giá trị Kmax tìm theo bảng tra cứu dựa trên số thiết bị hiệu quả và Ksd. Phương pháp này cho kết quả chính xác và đáng tin cậy.

2.2. Các vấn đề thường gặp trong tính toán phụ tải công nghiệp

Tính toán phụ tải công nghiệp gặp nhiều thách thức. Dữ liệu thiết bị thường không đầy đủ hoặc không chính xác. Chế độ làm việc thay đổi theo ca sản xuất và mùa vụ. Một số phương pháp tính cho kết quả sai lệch lớn khi số thiết bị ít. Khi số thiết bị hiệu quả nhỏ hơn 4, cần dùng công thức đặc biệt. Hệ số công suất của từng loại thiết bị khác nhau gây khó khăn. Phụ tải phản kháng Q cần được tính toán riêng để bù công suất. Việc thiếu thông tin về suất tiêu thụ điện đặc trưng cũng là vấn đề. Khi đó, phương pháp tính theo hệ số sử dụng là lựa chọn thay thế phù hợp.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống cung cấp điện nhà máy

Giải pháp thiết kế hệ thống cung cấp điện đòi hỏi nhiều bước tính toán kỹ lưỡng. Bước đầu tiên là xác định tổng phụ tải tính toán của nhà máy. Từ đó chọn công suất máy biến áp phù hợp. Máy biến áp phải đáp ứng công suất hiện tại và dự phòng cho tương lai. Tiếp theo là thiết kế sơ đồ nối mạng điện. Sơ đồ đơn giản nhưng đảm bảo độ tin cậy cao. Hệ thống cần có nguồn dự phòng khi xảy ra sự cố. Chọn thiết bị đóng cắt và bảo vệ là bước quan trọng. Cầu dao, aptomat, rơ le phải phù hợp với dòng điện tính toán. Hệ thống nối đất đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. Chiếu sáng công nghiệp cần đạt tiêu chuẩn về độ rọi. Bù công suất phản kháng giúp giảm tổn thất điện năng. Tất cả các yếu tố này kết hợp tạo nên hệ thống cung cấp điện hoàn chỉnh và hiệu quả.

3.1. Lựa chọn máy biến áp và thiết bị đóng cắt bảo vệ

Lựa chọn máy biến áp dựa trên tổng công suất tính toán của nhà máy. Công suất máy biến áp phải lớn hơn phụ tải tính toán. Hệ số dự phòng thường lấy từ 1,2 đến 1,5 lần. Máy biến áp có nhiều loại: khô, dầu, amorphous. Lựa chọn phụ thuộc vào điều kiện lắp đặt và yêu cầu kỹ thuật. Thiết bị đóng cắt bao gồm cầu dao tự động, aptomat, dao cách ly. Aptomat được chọn theo dòng điện tính toán và dòng sự cố. Rơ le bảo vệ giám sát các thông số điện liên tục. Khi phát hiện bất thường, rơ le tác động cắt mạch nhanh chóng. Tất cả thiết bị phải đạt tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế.

3.2. Thiết kế hệ thống chiếu sáng và bù công suất phản kháng

Chiếu sáng công nghiệp chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng phụ tải. Đèn huỳnh quang và đèn LED được sử dụng phổ biến. Số lượng đèn tính theo diện tích phòng và độ rọi yêu cầu. Hệ số sử dụng và hệ số đồng thời được áp dụng cho từng nhóm đèn. Ổ cắm công nghiệp thường loại 10A-220V hoặc 16A-380V. Quạt thông gió được bố trí theo chu vi xưởng sản xuất. Bù công suất phản kháng là giải pháp giảm tổn thất điện. Tụ bù được lắp đặt tại tủ phân phối trung áp hoặc hạ áp. Hệ số cosφ cần đạt trên 0,9 theo quy định. Việc bù công suất giúp giảm dòng điện và tiết kiệm chi phí điện năng.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của đồ án cung cấp điện

Đồ án cung cấp điện nhà máy công nghiệp mang ý nghĩa thực tiễn cao. Kết quả đồ án giúp nhà máy có hệ thống điện an toàn và hiệu quả. Việc tính toán chính xác phụ tải giúp tiết kiệm chi phí đầu tư. Không chọn thiết bị quá lớn gây lãng phí. Không chọn quá nhỏ dẫn đến quá tải và sự cố. Hệ thống cung cấp điện tốt giúp sản xuất liên tục. Năng suất lao động tăng, chất lượng sản phẩm ổn định. Đồ án cũng là tài liệu tham khảo cho các dự án tương tự. Sinh viên kỹ thuật có thể áp dụng phương pháp tính toán vào thực tế. Các công thức và tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi trong ngành điện. Trong tương lai, công nghệ thông tin sẽ tích hợp vào hệ thống điện. Nhà máy thông minh giám sát và điều khiển điện từ xa. Điều này nâng cao hiệu quả sử dụng điện đáng kể.

4.1. Ý nghĩa thực tiễn của đồ án trong sản xuất công nghiệp

Đồ án cung cấp điện có giá trị thực tiễn lớn. Kết quả áp dụng trực tiếp vào thiết kế nhà máy thực tế. Phương pháp tính toán phụ tải giúp kỹ sư đưa ra quyết định chính xác. Việc chọn đúng công suất máy biến áp tiết kiệm hàng trăm triệu đồng. Hệ thống bảo vệ tốt ngăn ngừa hư hỏng thiết bị đắt tiền. Đồ án cũng giúp doanh nghiệp tuân thủ quy định an toàn điện. Giảm thiểu rủi ro tai nạn lao động và cháy nổ. Mô hình tính toán có thể áp dụng cho nhiều loại nhà máy khác nhau. Từ xưởng cơ khí, nhà máy dệt may đến khu công nghiệp lớn.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng công nghệ mới

Ngành cung cấp điện công nghiệp đang phát triển mạnh mẽ. Công nghệ lưới điện thông minh được áp dụng ngày càng nhiều. Hệ thống SCADA giám sát và điều khiển từ xa giúp vận hành hiệu quả. Năng lượng tái tạo như pin mặt trời tích hợp vào hệ thống nhà máy. Thiết bị bảo vệ kỹ thuật số có độ chính xác cao hơn thiết bị cơ khí. Phần mềm mô phỏng giúp tính toán phụ tải nhanh chóng và chính xác. Tiêu chuẩn quốc tế IEC và IEEE được áp dụng rộng rãi hơn. Đào tạo kỹ sư điện công nghiệp cần cập nhật công nghệ mới liên tục. Tương lai, nhà máy công nghiệp sẽ sử dụng điện thông minh và tiết kiệm hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Khi thiết kế cung cấp điện cho một công trình nào đó, nhiệm vụ đầu tiên của chúng ta là xác định phụ tải điện của công trình ấy.Tuỳ theo quy mô của công trình mà phụ tải điện được xác định theo phụ tải thực tế hoặc còn kể đến khả năng phát triển của công trình trong tương lai 5 năm, 10 năm hoặc lâu hơn. Phụ tải tính toán(phụ tải ngắn hạn) là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế (biến đổi) về mặt hiệu quả phát nhiệt hoặc mức độ huỷ hoại cách điện. Nói cách khác, phụ tải tính toán cũng đốt nóng thiết bị lên tới nhiệt độ tương tự như phụ tải thực tế gây ra, vì vậy việc chọn các thiết bị theo phụ tải tính toán sẽ đảm bảo an toàn thiết bị về mặt phát nóng. Người thiết kế phải biết phụ tải tính toán để chọn các thiết bị như: máy biến áp, dây dẫn, các thiết bị đóng cắt, bảo vệ.

để tính các tổn thất công suất, điện áp và chọn các thiết bị bù. Như vậy, phụ tải tính toán là một số liệu quan trọng để thiết kế cung cấp điện. Phụ tải điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: công suất và số lượng các máy, chế độ vận hành của chúng, quy trình công nghệ sản xuất, trình độ vận hành của công nhân v.Vì vậy, xác định chính xác phụ tải tính toán là một nhiệm vụ khó khăn nhưng rất quan trọng. Bởi vì nếu phụ tải tính toán được xác định nhỏ hơn thực tế thì sẽ làm giảm tuổi thọ các thiết bị điện, có khi dẫn tới cháy nổ, rất nguy hiểm.

Ngược lại, nếu phụ tải tính toán được xác định lớn hơn thực tế thì sẽ gây lãng phí. Do tính chất quan trọng như vậy nên rất nhiều công trình nghiên cứu và phương pháp tính toán phụ tải điện. Song vì phụ tải điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên vẫn chưa có phương pháp nào hoàn toàn chính xác và tiện lợi. Những phương pháp đơn giản thuận tiện cho việc tính toán thì lại thiếu chính xác, còn nếu nâng cao được độ chính xác thì phương pháp lại phức tạp.

Có thể kể ra một số phương pháp sau: 1_Phương pháp xác định phụ tải tính toán (PTTT) theo công suất đặt và hệ số nhu cầu Knc. 2_Phương pháp xác định PTTT theo hệ số hình dáng K hd của đồ thị phụ tải và công suất trung bình. 3_Phương pháp xác định PTTT theo công suất trung bình và độ lệch của đồ thị phụ tải khỏi giá trị trung bình. 4_ Phương pháp xác định PTTT theo công suất trung bình và hệ số cực đại.

5_ Phương pháp xác định PTTT theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm. 6_ Phương pháp xác định PTTT theo suất trang bị điện trên cho một đơn vị diện tích. 7_ Phương pháp xác định trực tiếp. Các phương pháp nêu trên đều có ưu khuyết điểm và phạm vi ứng dụng của nó.

Các phương pháp 1, 5, 6 là dựa trên kinh nghiệm thiết kế vận hành để xác định PTTT nên chỉ cho các kết quả gần đúng tuy nhiên chúng đơn giản và tiện lợi. Các phương pháp còn lại xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết xác suất thống kê có xét đến nhiều yếu tố do đó có kết quả chính xác hơn nhưng khối lượng tính toán lớn và phức tạp hơn. Để lựa chọn một phương pháp thích hợp ta dựa vào một số hướng dẫn sau: 1_Khi PTTT cho máy ở từng nhóm điện áp thấp (U<1000 V) nên dùng phương pháp tính theo hệ số cực đại (tức phương pháp tính theo hệ số hiệu quả), bởi vì phương pháp này có kết quả tương đối chính xác. SVTH: Phạm Viết Chính MSSV: 0851030008 Trang 5 Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành công nghiệp GVHD: TS.NGUYỄN HOÀNG VIỆT 2_Khi phụ tải phân bố tương đối đều trên đơn vị diện tích sản xuất, hoặc có số liệu chính xác về suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm thì có thể dùng phương pháp “suất trang bị điện trên một đơn vị diện tích” hoặc phương pháp “suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm” để tính toán PTTT.

Các phương pháp trên cũng thường được dùng trong giai đoạn tính toán sơ bộ để ước lượng phụ tải cho hộ tiêu thụ. 3_Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ thường cần phải đánh giá phụ tải chung của cả hộ tiêu thụ(phân xưởng, xí nghiệp, khu vực, thành phố,v.), trong trường hợp này nên dùng phương pháp hệ số nhu cầu Knc. Trong đồ án này, với xưởng Sửa chữa cơ khí ta đã biết vị trí, công suất đặt và chế độ làm việc của từng thiết bị trong đó nên khi tính lực toán phụ tải động lực của xưởng có thể sử dụng phương pháp tính theo hệ số cực đại để tính. Còn lại khu lắp ráp và thí nghiệm, do chỉ biết diện tích và công suất đặt nên để xác định phụ tải động lực cho các khu này ta dùng phương pháp tính theo công suất đặt và hệ số nhu cầu.2 Mục đích xác định phụ tải tính toán: Xác định phụ tải tính toán là một công đoạn rất quan trọng trong thiết kế cung cấp điện, nhằm làm cơ sở cho việc lựa chọn dây dẫn và các thiết bị của lưới điện.3 Phân nhóm phụ tải 2.1 Các phương pháp phân nhóm phụ tải: Khi bắt tay vào xác định PTTT thì công việc đầu tiên mà ta phải làm đó là phân nhóm phụ tải.

Thông thường thì người ta sử dụng một trong hai phương pháp sau: - Phân nhóm theo dây chuyền sản xuất và tính chất công việc: Phương pháp này có ưu điểm là đảm bảo tính linh hoạt cao trong vận hành cũng như bảo trì, sửa chữa. Chẳng hạn như khi nhà máy sản xuất dưới công suất thiết kế thì có thể cho ngừng làm việc một vài dây chuyền mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của các dây chuyền khác, hoặc khi bảo trì, sửa chữa thì có thể cho ngừng hoạt động của từng dây chuyền riêng lẻ,… Nhưng phương án này có nhược điểm sơ đồ phức tạp, là chi phí lắp đặt khá cao do có thể các thiết bị trong cùng một nhóm lại không nằm gần nhau cho nên dẫn đến tăng chi phí đầu tư về dây dẫn, ngoài ra thì đòi hỏi người thiết kế cần nắm vững quy trình công nghệ của nhà máy. - Phân nhóm theo vị trí trên mặt bằng: Phương pháp này có ưu điểm là dễ thiết kế, thi công, chi phí lắp đặt thấp. Nhưng cũng có nhược điểm là kém tính linh hoạt khi vận hành sửa chữa so với phương pháp thứ nhất.

Do vậy mà tuỳ vào điều kiện thực tế mà người thiết kế lựa chọn phương án nào cho hợp lý.2 Phân chia nhóm phụ tải và tính toán cho xưởng cơ khí: Trong mỗi phân xưởng thường có nhiều thiết bị có công suất và chế độ làm việc rất khác nhau, muốn xác định phụ tải tính toán được chính xác cần phải phân nhóm thiết bị điện.Việc phân nhóm cần tuân theo các nguyên tắc sau: o Các thiết bị cùng một nhóm nên ở gần nhau để làm giảm chiều dài đường dây hạ áp nhờ đó có thể tiết kiệm được vốn đầu tư và tổn thất trên các đường dây hạ áp trong xưởng. o Chế độ làm việc của các thiết bị trong nhóm nên giống nhau để thuận lợi cho việc lựa chọn phương thức cung cấp điện cho nhóm. SVTH: Phạm Viết Chính MSSV: 0851030008 Trang 6 Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành công nghiệp GVHD: TS.NGUYỄN HOÀNG VIỆT o Tổng công suất của nhóm nên xấp xỉ bằng nhau để giảm chủng loại tủ động lực sử dụng. Số thiết bị trong một nhóm không nên quá nhiều vì số đầu ra của tủ động lực thường chỉ từ 8 12.

Tuy nhiên thường rất khó thoả mãn cả 3 tiêu chí trên vì vậy người thiết kế thường phải lựa chọn cách phân nhóm sao cho hợp lý nhất. Nhận xét: Các thiết bị đều làm việc ở chế độ dài hạn và đều dùng nguồn ba pha, chỉ riêng biến áp hàn dùng điện áp dây một pha và làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Do đó ta phải quy đổi công suất một pha đấu vào điện áp pha sang thiết bị ba pha, làm việc ở chế độ dài hạn. Công thức quy đổi: √ ( là hệ số đóng điện tương đối) √ √ √ Tra phụ lục I.1 TL1 với biến áp hàn có: Cos  = 0,35 = 0,25 Vậy: Pqđ = 3.0,35 = 7,3 kW Ở đây, chúng ta sẽ lựa chọn phương án phân nhóm theo vị trí trên mặt bằng.

Dựa vào sơ đồ bố trí trên mặt bằng, và số lượng của các thiết bị tiêu thụ điện, chúng ta sẽ phân thành các nhóm như sau: TT Tên thiết bị Số Ký hiệu Pđm kW lượng trên mặt một máy toàn bộ bằng 1 2 3 4 5 6 NHÓM 1 1 Máy tiện ren 1 1 9,5 9,5 2 Máy tiện tự động 2 2 10,1 20,2 3 Máy tiện tự động 2 3 16 32 4 Máy tiện tự động 1 4 8,6 8,6 5 Máy tiện tự động 1 5 5,2 5,2 6 Máy tiện Rêrônve 1 6 7,7 7,7 7 Máy xọc 1 14 6,8 6,8 8 Máy doa ngang 1 16 14,5 14,5 9 Máy mài phẳng 1 18 9 9 10 Máy mài tròn 1 19 5,6 5,6 11 Cưa tay 1 28 2,35 2,35 Cộng nhóm 1 13 121,45 NHÓM 2 1 Máy bào ngang 1 12 18 18 2 Máy sọc 1 13 21,4 21,4 3 Máy khoan hướng tâm 1 17 8,7 8,7 4 Máy phay đứng 1 10 15 15 5 Máy phay ngang 1 8 7,8 7,8 6 Máy mài trong 1 20 6,8 6,8 SVTH: Phạm Viết Chính MSSV: 0851030008 Trang 7 Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành công nghiệp GVHD: TS.