Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Bài tập lớn Bộ môn Cung cấp điện" (Đề số 13: Thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng sợi) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Bùi Khánh Hào, Bùi Võ Minh Hiếu và Bùi Quang Duy dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Đức Hưng tại Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Bối cảnh thực tiễn của công trình xuất phát từ yêu cầu cung cấp điện an toàn, liên tục và kinh tế cho các cơ sở công nghiệp dệt may, cụ thể là phân xưởng sợi. Trong dây chuyền sản xuất sợi, máy móc thiết bị vận hành với cường độ cao, làm việc liên tục ba ca và có tần suất khởi động, chuyển đổi tải trọng lớn. Phần lớn phụ tải là các động cơ điện xoay chiều ba pha công suất từ trung bình đến lớn, đòi hỏi hệ thống điện phải có độ ổn định điện áp cao, giảm thiểu tổn thất và hạn chế tối đa nguy cơ gián đoạn vận hành do sự cố điện. Nguồn điện cung cấp cho toàn bộ phân xưởng được đấu nối từ lưới điện phân phối quốc gia cấp điện áp trung thế 22 kV, sau đó qua trạm biến áp hạ áp nội bộ chuyển đổi xuống cấp hạ thế 0,4 kV (380/220 V) để cấp điện cho hệ thống động lực và hệ thống chiếu sáng chung đều.

Các nhiệm vụ và mục tiêu kỹ thuật được xác định theo trình tự thực hiện:

  1. Khảo sát mặt bằng, phân tích đặc tính phụ tải công nghệ và phân chia nhóm thiết bị điện phù hợp với quy chuẩn vận hành công nghiệp.
  2. Xác định tọa độ tâm phụ tải cho từng tủ động lực và tủ phân phối chính nhằm tối ưu hóa sơ đồ mạng điện hạ áp.
  3. Tính toán phụ tải tính toán của từng thiết bị, từng tủ động lực, tủ sinh hoạt và chiếu sáng theo phương pháp công suất cực đại và số thiết bị hiệu quả.
  4. Lựa chọn số lượng, vị trí, công suất máy biến áp phân xưởng và tính toán dung lượng bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất của nhà máy.
  5. Lựa chọn chủng loại, tiết diện dây dẫn/cáp điện; kiểm tra tổn thất điện áp ở chế độ vận hành bình thường và chế độ khởi động động cơ.
  6. Tính toán dòng ngắn mạch ba pha, ngắn mạch một pha và lựa chọn các thiết bị đóng cắt bảo vệ (ACB, MCCB, bộ chỉnh định Trip Unit).
  7. Ứng dụng phần mềm chuyên dụng DIALux để thiết kế, mô phỏng và kiểm chứng chất lượng hệ thống chiếu sáng công nghiệp.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Toàn bộ hệ thống cung cấp điện hạ áp phục vụ động lực, sinh hoạt và chiếu sáng của phân xưởng sợi.
  • Phạm vi không gian: Không gian nhà xưởng công nghiệp có quy mô hình học xác định với chiều dài 90 m và chiều rộng 60 m (tổng diện tích sàn 5.400 m²). Phương thức lắp đặt cáp điện từ trạm biến áp đến tủ phân phối chính, các tủ động lực và thiết bị tiêu thụ được quy hoạch đi ngầm trong đất bằng ống luồn cách điện hoặc máng cáp treo nhằm bảo đảm mỹ quan và an toàn công nghiệp.
  • Phạm vi kỹ thuật: Các tính toán bám sát quy chuẩn kỹ thuật điện hạ áp, hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo tiêu chuẩn IEC của Schneider Electric và dữ liệu thiết bị từ các nhà sản xuất Đông Anh, Mitsubishi, Samwa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Để giải quyết bài toán thiết kế cung cấp điện công nghiệp, đồ án đã vận dụng các mô hình giải tích, phương pháp thống kê phụ tải và quy chuẩn kỹ thuật chuyên ngành:

  • Khung lý thuyết và mô hình tính toán:

    • Mô hình xác định tâm phụ tải: Dựa trên nguyên lý cân bằng mô-men hình học và công suất định mức để tìm tọa độ tối ưu đặt tủ điện. Tọa độ tâm phụ tải được tính theo công thức: $$X_{TĐL} = \frac{\sum_{i=1}^n (X_i \cdot P_{đmi})}{\sum_{i=1}^n P_{đmi}}; \quad Y_{TĐL} = \frac{\sum_{i=1}^n (Y_i \cdot P_{đmi})}{\sum_{i=1}^n P_{đmi}}$$
    • Phương pháp xác định phụ tải tính toán: Sử dụng phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) kết hợp hệ số cực đại ($K_{max}$). Số thiết bị hiệu quả của một nhóm phụ tải được tính bằng tỷ số: $$n_{hq} = \frac{(\sum_{i=1}^n P_{đmi})^2}{\sum_{i=1}^n P_{đmi}^2}$$ Hệ số cực đại $K_{max}$ được xác định thông qua hàm số phụ thuộc vào hệ số sử dụng $K_{sd}$ và số thiết bị hiệu quả: $$K_{max} = 1 + 1,5 \cdot \frac{1 - K_{sd}}{K_{sd} \cdot n_{hq}}$$ Phụ tải tác dụng tính toán $P_{tt} = P_{tb} \cdot K_{max}$; phụ tải phản kháng $Q_{tt} = Q_{tb} \cdot 1,1$ (khi $n_{hq} < 10$) hoặc $Q_{tt} = Q_{tb}$ (khi $n_{hq} \ge 10$); công suất biểu kiến $S_{tt} = \sqrt{P_{tt}^2 + Q_{tt}^2}$; dòng điện tính toán $I_{tt} = \frac{S_{tt}}{\sqrt{3} \cdot U_{đm}}$; dòng điện đỉnh nhọn phục vụ chọn bảo vệ: $I_{đn} = I_{kđ_max} + (I_{tt} - K_{sd} \cdot I_{đm_max})$.
    • Phương pháp tính toán bù công suất phản kháng: Xác định dung lượng tụ bù cần thiết để nâng hệ số công suất từ giá trị tự nhiên $\cos\varphi_{trướcbù}$ lên giá trị kinh tế $\cos\varphi_{saubù}$ theo yêu cầu của ngành điện lực: $$Q_{bù} = P_{TPPC} \cdot (\tan\varphi_{trướcbù} - \tan\varphi_{saubù})$$
    • Phương pháp kiểm tra sụt áp: Áp dụng công thức giải tích cho chế độ bình thường $\Delta U = \frac{P \cdot R + Q \cdot X}{U_{đm}}$ với giới hạn sụt áp tổng cho phép $\Delta U% \le 5%$. Đối với chế độ khởi động động cơ, đồ án áp dụng phương pháp tra cứu và tính toán thực nghiệm theo tiêu chuẩn IEC (trích tài liệu hướng dẫn thiết kế Schneider Electric SA, mục G20, bảng G25 và G28).
    • Phương pháp tính dòng ngắn mạch và thiết kế chiếu sáng: Tính toán dòng ngắn mạch đối xứng ba pha và không đối xứng một pha để kiểm tra khả năng cắt của khí cụ đóng cắt; sử dụng phương pháp hệ số sử dụng quang thông và phần mềm DIALux để tính toán số lượng bộ đèn huỳnh quang công nghiệp T8.

  • Nguồn dữ liệu thực hiện:

    • Danh mục thiết bị công nghệ phân xưởng sợi (máy nén khí, máy lọc bụi, máy điều không, máy hấp sợi, máy se, máy cúi, máy thô, máy con) kèm công suất định mức $P_{đm}$, hệ số sử dụng $K_{sd}$ và hệ số công suất $\cos\varphi$.
    • Catalogue thiết bị của nhà sản xuất Máy biến áp Đông Anh, tụ bù Samwa (Hàn Quốc), khí cụ điện ACB/MCCB Mitsubishi Electric, cáp điện lực CVV cách điện PVC ruột đồng, đèn chiếu sáng Clipclaude Paralume Laque.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu mặt bằng, phụ tải, phân nhóm, sơ đồ đi dây

Chương này mô tả không gian kiến trúc của phân xưởng sợi với kích thước mặt bằng dài 90 m, rộng 60 m. Tác giả nêu rõ đặc tính phụ tải gồm toàn bộ động cơ xoay chiều ba pha vận hành liên tục. Nguồn trung thế cấp vào là 22 kV, hạ áp xuống 0,4 kV phục vụ máy móc và 220 V cho hệ thống chiếu sáng chung đều. Dây dẫn được định hướng lắp đặt trong ống bảo vệ đi ngầm trong đất.

Nhằm phục vụ tính toán chính xác, các thiết bị được phân chia theo 4 nguyên tắc kỹ thuật:

  • Các thiết bị trong cùng nhóm được bố trí gần nhau để giảm chiều dài đường dây hạ áp, tiết kiệm kim loại màu và giảm tổn thất.
  • Các thiết bị có chế độ làm việc tương đồng được xếp chung để tối ưu phương thức cấp điện.
  • Tổng công suất giữa các nhóm được cân đối xấp xỉ nhau nhằm tiêu chuẩn hóa chủng loại tủ động lực.
  • Số lượng thiết bị trong một nhóm khống chế từ 8 đến 12 máy, phù hợp với số lượng đầu ra tiêu chuẩn của tủ động lực.

Dựa trên các nguyên tắc trên, toàn bộ phụ tải phân xưởng được chia thành 8 nhóm động lực (tương ứng với 8 tủ động lực từ TĐL1 đến TĐL8) và 1 tủ sinh hoạt - chiếu sáng (TSHCS). Bảng danh mục thiết bị liệt kê các phụ tải chủ đạo: Máy nén khí (21–24 kW, $K_{sd}=0,6$), Máy lọc bụi (27 kW, $K_{sd}=0,6$), Máy điều không (27 kW, $K_{sd}=0,67$), Máy hấp sợi (11,7 kW), Máy se (9 kW, $K_{sd}=0,5$), Máy cúi (7,7 kW), Máy thô (18 kW, $K_{sd}=0,5$) và hệ thống Máy con (9 kW, $K_{sd}=0,6$).

Chương 2: Xác định phụ tải tính toán: Chiếu sáng, tủ động lực

Chương 2 trình bày các bước tính toán thông số điện từ mức thiết bị đơn lẻ đến toàn bộ phân xưởng:

  • Xác định tâm phụ tải: Chọn hệ trục tọa độ x-y với gốc (0,0) tại góc trái phía dưới mặt bằng. Tác giả tính toán tọa độ lý thuyết của 8 tủ động lực, sau đó hiệu chỉnh vị trí thực tế sát tường xưởng để thuận tiện lắp đặt âm sàn và vận hành sửa chữa (ví dụ tủ TĐL1 được dời về tọa độ $X_{TĐL1} = 2,2$ m). Từ tọa độ các tủ động lực, tọa độ tâm phụ tải của Tủ phân phối chính (TPPC) được xác định tại hoành độ $X = 47,2$ m.
  • Tính toán phụ tải động lực: Áp dụng công thức $n_{hq}$, xác định $K_{max}$, tính công suất tác dụng $P_{tt}$, công suất phản kháng $Q_{tt}$, công suất biểu kiến $S_{tt}$, dòng tính toán $I_{tt}$ và dòng đỉnh nhọn $I_{đn}$ cho từng nhóm phụ tải.
  • Thiết kế chiếu sáng và tủ sinh hoạt:
    • Chiếu sáng: Yêu cầu độ rọi $E_{tc} = 500$ lux. Hệ số phản xạ trần/tường/sàn lần lượt là 0,5 / 0,5 / 0,1 (ký hiệu hệ số 551). Lựa chọn bộ đèn Clipclaude Paralume Laque bóng huỳnh quang trắng công nghiệp T8 (2 bóng/bộ, công suất mỗi bóng 58 W, quang thông 5.400 lm/bóng, tổng quang thông bộ đèn đạt 10.800 lm, nhiệt độ màu $T_m = 4000$ K, chỉ số hoàn màu $R_a = 85$). Chiều cao treo đèn cách bề mặt làm việc $h_{tt} = 9$ m (mặt làm việc cao 1 m so với sàn). Hệ số bù quang thông $D = 1,35$. Tác giả tính chỉ số địa điểm $K$ và tổng quang thông cần thiết để phân bổ số bộ đèn cho từng phân khu.
    • Sinh hoạt: Chọn 40 ổ cắm một pha loại 10A–220V với $\cos\varphi = 0,1$ và hệ thống quạt làm mát. Tổng công suất tác dụng của tủ sinh hoạt là $P = 7,83$ kW. Phụ tải tổng của tủ sinh hoạt và chiếu sáng có $P_{tt} = 41,288$ kW, hệ số mở máy $K_{mm} = 3$.
  • Tổng kết toàn phân xưởng: Tổng công suất tính toán tại Tủ phân phối chính đạt $P_{tt} = 1069,45$ kW, $Q_{tt} = 936,73$ kVAr, công suất biểu kiến toàn xưởng $S_{tt} = 1421,99$ kVA, hệ số công suất tự nhiên là $\cos\varphi_{px} = 0,75$.

Chương 3: Chọn máy biến áp và tụ bù

  • Lựa chọn máy biến áp: Phân xưởng sợi được xếp vào nhóm phụ tải công nghiệp, lựa chọn giải pháp trạm biến áp phân xưởng 1 máy biến áp hạ áp $22/0,4$ kV, không sử dụng máy phát dự phòng. Điều kiện lựa chọn công suất: $S_{đm_MBA} \ge S_{tt_TPPC} = 1421,99$ kVA. Nhóm tác giả chọn máy biến áp ba pha ngâm dầu do Công ty Cổ phần Thiết bị điện Đông Anh chế tạo, công suất định mức 1600 kVA, cấp điện áp $22/0,4$ kV, tổ đấu dây $\Delta/Y_0-11$.
  • Bù công suất phản kháng: Hệ số công suất tự nhiên của xưởng chỉ đạt $\cos\varphi_{trướcbù} = 0,75$ ($\tan\varphi_{trướcbù} = 0,882$). Để tránh bị phạt tiền công suất phản kháng và giảm tổn thất mạng điện, tác giả tính toán nâng hệ số công suất lên $\cos\varphi_{saubù} = 0,95$ ($\tan\varphi_{saubù} = 0,329$). Dung lượng bù tính toán là: $$Q_{bù} = 1069,45 \times (0,882 - 0,329) = 591,66\text{ kVAr}$$ Tác giả lựa chọn phương án bù tập trung tại tủ phân phối chính với 7 bộ tụ bù ba pha mã hiệu SMB-35075KT của hãng Samwa, điện áp danh định 380 V. Tổng dung lượng bù thực tế lắp đặt đạt $Q_{bù} = 525$ kVA (hoặc kVAr), đưa hệ số công suất vận hành sau bù lên xấp xỉ mức yêu cầu.

Chương 4: Chọn dây dẫn và thiết bị bảo vệ

Chương này tập trung tính toán chọn dây dẫn theo điều kiện phát nóng cho phép kết hợp kiểm tra độ sụt áp và điều kiện ngắn mạch:

  • Lựa chọn cáp điện: Sử dụng cáp đồng cách điện PVC, vỏ bọc PVC không giáp (CVV). Điều kiện chọn dòng điện cho phép: $I_{cp} \ge \frac{I_{lvmax}}{K}$ (trong đó $K = K_1 \cdot K_2$, tính đến nhiệt độ môi trường và số lượng cáp đi song song).
    • Tuyến từ Máy biến áp đến Tủ phân phối chính: Chiều dài $L = 28,6$ m, dòng làm việc lớn nhất tính toán $I_{lvmax} = 2329,45$ A. Lựa chọn giải pháp đi song song 5 tuyến cáp 4 lõi: $5 \times (4C \times 400\text{ mm}^2)$, điện trở dây dẫn $R = 0,0066\ \Omega$.
    • Các tuyến từ TPPC đến 8 tủ động lực và tủ sinh hoạt chiếu sáng: Tuyến TPPC $\rightarrow$ TĐL1 dài 52 m chọn cáp tiết diện thích hợp ($R = 0,0082\ \Omega$), tuyến cấp TSHCS dài 33 m ($R = 0,0090\ \Omega$). Các phân đoạn từ tủ động lực đến từng động cơ được lựa chọn tiết diện từ $2,5\text{ mm}^2$ đến $70\text{ mm}^2$.
  • Kiểm tra sụt áp trong điều kiện làm việc bình thường: Giới hạn cho phép $\Delta U% \le 5%$. Đối với tuyến dài nhất và chịu tải nặng (MBA $\rightarrow$ TPPC $\rightarrow$ TĐL1 $\rightarrow$ Máy nén khí 1.1):
    • Độ sụt áp trên đoạn MBA $\rightarrow$ TPPC: $\Delta U_1 = 0,699$ V
    • Độ sụt áp trên đoạn TPPC $\rightarrow$ TĐL1: $\Delta U_2 = 0,917$ V
    • Độ sụt áp trên đoạn TĐL1 $\rightarrow$ Máy nén khí: $\Delta U_3 = 2,865$ V
    • Tổng sụt áp: $\Delta U = \Delta U_1 + \Delta U_2 + \Delta U_3 = 4,481$ V. Tỷ lệ sụt áp tương đối đạt: $\Delta U% = \frac{4,481}{380} \times 100% = 1,18% < 5%$, hoàn toàn thỏa mãn tiêu chuẩn.
  • Kiểm tra sụt áp trong điều kiện khởi động động cơ: Vận dụng bảng tra G28 và tiêu chuẩn IEC của Schneider Electric SA, tính toán sụt áp đột biến khi động cơ lớn nhất trong nhóm khởi động với dòng $I_{mm}$ (hệ số mở máy lớn, $\cos\varphi_{kđ} \approx 0,35$). Kết quả tính toán cho thấy sụt áp khởi động tại các phân đoạn dao động từ $3,75%$ đến $6,75%$, đều nằm dưới ngưỡng cho phép $8%$ (đối với tải động cơ).
  • Tính toán ngắn mạch và chọn thiết bị bảo vệ: Tính toán dòng ngắn mạch ba pha cực đại và ngắn mạch một pha tại các thanh cái hạ áp. Từ đó chọn máy cắt không khí ACB 4 cực (4P) cho đầu nguồn hạ thế và các aptomat khối MCCB 4 cực (4P), MCCB 3 cực (3P) của hãng Mitsubishi cho các lộ ra của tủ động lực và thiết bị tiêu thụ. Các bộ cảm biến chỉnh định Trip Unit được lựa chọn đồng bộ để ngắt mạch an toàn khi xảy ra quá tải hoặc ngắn mạch.

Chương 6: Thiết kế chiếu sáng bằng phần mềm DIALux

Chương này ứng dụng phần mềm kỹ thuật DIALux để mô phỏng hệ thống chiếu sáng cho mặt bằng $90\text{ m} \times 60\text{ m}$. Tác giả đưa các thông số hình học phân xưởng, hệ số phản xạ bề mặt (trần 0,5; tường 0,5; sàn 0,1) và thông số quang học của bộ đèn huỳnh quang công nghiệp T8 (Clipclaude Paralume Laque, quang thông 10.800 lm/bộ) vào phần mềm. DIALux tính toán và xuất kết quả phân bố độ rọi trên mặt phẳng làm việc cao 1 m, kiểm tra độ đồng đều ánh sáng và xác nhận hệ thống đạt chỉ tiêu độ rọi danh định $E_{tc} = 500$ lux, bảo đảm môi trường thị giác không bị chói lóa cho công nhân vận hành xưởng sợi.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp triển khai

Đồ án là công trình thiết kế hệ thống kỹ thuật điện công nghiệp hoàn chỉnh. Cấu trúc mạng điện và giải pháp công nghệ được triển khai đồng bộ từ nguồn đến phụ tải tiêu thụ:

Lưới điện quốc gia 22 kV
Trạm biến áp phân xưởng (MBA Đông Anh 1600 kVA - 22/0,4 kV - Δ/Y0-11)
TĐL1 (Nhóm 1)    TĐL2 (Nhóm 2)    TĐL3 (Nhóm 3)   ... (TĐL4-TĐL8)     TSHCS (Chiếu sáng & Sinh hoạt)
Máy nén khí      Máy lọc bụi,     Máy hấp sợi,                        40 Ổ cắm, Quạt,
(21-24 kW)       Máy điều không   Máy se...                           Hệ thống đèn T8 (500 lux)
Phân hệ kỹ thuật Chủng loại / Thiết bị lựa chọn Thông số kỹ thuật chính Nhà sản xuất / Ghi chú
Trạm biến áp Máy biến áp 3 pha ngâm dầu $S_{đm} = 1600$ kVA, $22/0,4$ kV, $\Delta/Y_0-11$ Đông Anh (Việt Nam)
Bù công suất Tụ bù hạ thế 3 pha (7 bộ) Mã SMB-35075KT, $U_{đm} = 380$ V, tổng $Q_{bù} = 525$ kVA Samwa (Hàn Quốc)
Cáp điện chính Cáp đồng hạ thế CVV $5 \times (4C \times 400\text{ mm}^2)$, cách điện PVC Cáp CVV lắp trên không / ống ngầm
Cáp phân phối Cáp đồng hạ thế 4 lõi CVV Tiết diện $2,5\text{ mm}^2$ đến $70\text{ mm}^2$ Đi ngầm trong ống cách điện
Đóng cắt nguồn Máy cắt không khí (ACB 4P) Dòng định mức thích hợp với $I_{tt} \approx 2329$ A Mitsubishi Electric
Đóng cắt nhánh Aptomat khối MCCB (3P, 4P) Cắt tải động lực và lộ phân phối tủ động lực Mitsubishi Electric
Bảo vệ phối hợp Bộ chỉnh định dòng điện Trip Unit Chỉnh định bảo vệ quá tải, ngắn mạch Mitsubishi Electric
Bộ đèn xưởng Đèn huỳnh quang công nghiệp T8 Clipclaude Paralume Laque, 2 bóng x 58 W, 10.800 lm Lắp đặt cao $h_{tt} = 9$ m
Công cụ mô phỏng Phần mềm DIALux Mô phỏng quang học, tính phân bố rọi $E_{tc} = 500$ lux Tiêu chuẩn chiếu sáng xưởng

Kết quả và đóng góp

Công trình đạt được các kết quả định lượng cụ thể:

  1. Tổng hợp phụ tải chính xác: Xác định tổng công suất tác dụng tính toán của phân xưởng là $P_{tt} = 1069,45$ kW, công suất phản kháng $Q_{tt} = 936,73$ kVAr, công suất biểu kiến $S_{tt} = 1421,99$ kVA, dòng điện tính toán tổng $I_{tt} = 2329,45$ A và hệ số công suất ban đầu $\cos\varphi = 0,75$.
  2. Lựa chọn nguồn và trạm biến áp phù hợp: Chứng minh tính hợp lý của phương án sử dụng 1 máy biến áp Đông Anh 1600 kVA cấp điện áp $22/0,4$ kV, thỏa mãn điều kiện mang tải $S_{đm} \ge 1421,99$ kVA mà không bị quá tải trong chế độ làm việc danh định.
  3. Tối ưu hóa bù công suất phản kháng: Tính toán dung lượng bù yêu cầu $Q_{bù} = 591,66$ kVAr và cấu hình thành công hệ thống bù 525 kVA với 7 bộ tụ Samwa SMB-35075KT, bảo đảm nâng hệ số công suất lên tiệm cận 0,95, giảm đáng kể tiền phạt công suất phản kháng và giảm tổn thất điện áp trên tuyến cáp chính.
  4. Bảo đảm an toàn chất lượng điện áp: Tính toán kiểm tra sụt áp đường dây dài nhất ở chế độ bình thường chỉ mất $4,481$ V ($\Delta U% = 1,18%$), thấp hơn nhiều so với giới hạn $5%$. Sụt áp khi khởi động động cơ đạt từ $3,75%$ đến $6,75%$, thấp hơn ngưỡng cho phép $8%$ theo hướng dẫn của Schneider Electric.
  5. Thiết kế chiếu sáng đạt chuẩn: Hoàn thành thiết kế hệ thống chiếu sáng khu vực đạt độ rọi 500 lux bằng bóng T8 Clipclaude Paralume Laque, kiểm chứng trực quan bằng phần mềm DIALux.

Đóng góp kỹ thuật của đồ án thể hiện ở quy trình tính toán hệ thống khép kín từ khâu thu thập thông số máy móc công nghệ dệt sợi, phân nhóm hợp lý, xác định tọa độ tâm tải giải tích, đến việc tính toán kiểm tra kép độ sụt áp (bình thường và khởi động) theo tiêu chuẩn IEC kết hợp lựa chọn khí cụ bảo vệ đồng bộ của Mitsubishi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung văn bản và phạm vi thiết kế, đề tài bộc lộ một số hạn chế kỹ thuật:

  • Độ tin cậy cung cấp điện: Phân xưởng sợi có quy mô lớn ($5.400\text{ m}^2$) nhưng chỉ trang bị 1 máy biến áp độc lập $1600$ kVA và không có nguồn máy phát điện diesel dự phòng. Khi lưới trung thế 22 kV gặp sự cố hoặc máy biến áp cần bảo dưỡng định kỳ, toàn bộ dây chuyền sản xuất sợi sẽ phải ngừng hoạt động.
  • Phương thức bù công suất phản kháng: Tác giả chỉ tính toán phương án bù tập trung tại thanh cái Tủ phân phối chính (TPPC). Dù phương pháp này thuận tiện cho việc đóng cắt và bảo dưỡng nhưng chưa khai thác phương thức bù phân tán trực tiếp tại đầu cực các động cơ công suất lớn (máy lọc bụi 27 kW, máy điều không 27 kW), dẫn đến tổn thất điện năng trên các tuyến cáp từ TPPC về các tủ động lực vẫn còn tồn tại.
  • Ảnh hưởng của sóng hài: Đồ án chưa đề cập hoặc tính toán mức độ phát sinh sóng hài dòng điện và điện áp do các bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ trong dây chuyền kéo sợi gây ra, cũng như chưa xét đến cuộn kháng lọc sóng hài bảo vệ tụ bù.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Thiết kế bổ sung phương án nguồn dự phòng sử dụng máy phát điện diesel tự động khởi động (ATS) hoặc nghiên cứu cấu hình 2 máy biến áp vận hành song song/phân đoạn để nâng cao độ tin cậy cấp điện loại 1 và loại 2.
  • Nghiên cứu giải pháp bù tự động nhiều cấp vi điều khiển kết hợp bù phân tán tại các tủ động lực.
  • Bổ sung tính toán đo đạc sóng hài bậc cao và thiết kế bộ lọc sóng hài chủ động/thụ động cho phân xưởng dệt sợi.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án thiết kế cung cấp điện này là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa khi thực hiện Đồ án môn học Cung cấp điện hoặc Khóa luận tốt nghiệp về thiết kế mạng điện xí nghiệp công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện (M&E) nhà xưởng trong việc tra cứu phương pháp phân nhóm phụ tải, quy trình xác định tâm phụ tải trên mặt bằng tọa độ thực tế và quy trình tính toán số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}, K_{max}$).
  • Những nội dung đáng tham khảo nhất bao gồm: Phương pháp kiểm tra sụt áp trong chế độ khởi động động cơ theo cẩm nang kỹ thuật Schneider Electric IEC (Chương 4), bảng lựa chọn tiết diện cáp CVV đi ngầm và quy trình phối hợp thiết bị đóng cắt ACB/MCCB và Trip Unit của hãng Mitsubishi.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân xưởng sợi trong đồ án có quy mô mặt bằng và đặc điểm phụ tải như thế nào?
Phân xưởng sợi có kích thước dài 90 m và rộng 60 m (diện tích $5.400\text{ m}^2$). Phụ tải chủ yếu là các động cơ điện xoay chiều ba pha vận hành liên tục với tần suất lớn. Nguồn điện cấp vào lấy từ lưới điện quốc gia trung thế 22 kV và hạ áp xuống 0,4 kV phục vụ động lực, 220 V cho chiếu sáng chung đều.

2. Căn cứ nào để tác giả chọn máy biến áp 1600 kVA của hãng Đông Anh?
Căn cứ vào tổng công suất biểu kiến tính toán tại Tủ phân phối chính là $S_{tt_TPPC} = 1421,99$ kVA. Điều kiện chọn máy biến áp là $S_{đm_MBA} \ge S_{tt_TPPC}$, do đó tác giả chọn máy biến áp ba pha Đông Anh công suất định mức 1600 kVA, cấp điện áp $22/0,4$ kV, tổ đấu dây $\Delta/Y_0-11$.

3. Hệ số công suất ban đầu của xưởng là bao nhiêu và được cải thiện bằng giải pháp nào?
Hệ số công suất tự nhiên của phân xưởng sợi trước khi bù chỉ đạt $\cos\varphi = 0,75$. Tác giả tính toán dung lượng bù cần thiết là $Q_{bù} = 591,66$ kVAr để nâng hệ số công suất lên $\cos\varphi = 0,95$. Trên thực tế, tác giả lựa chọn lắp đặt 7 bộ tụ bù ba pha hạ áp Samwa mã hiệu SMB-35075KT ($U_{đm} = 380$ V) với tổng dung lượng bù $525$ kVA đặt tập trung tại tủ phân phối chính.

4. Tuyến dây dài nhất từ trạm biến áp đến máy nén khí có sụt áp bao nhiêu trong điều kiện bình thường?
Tuyến cáp đi từ Trạm biến áp qua TPPC và TĐL1 đến Máy nén khí 1.1 có tổng mức sụt áp là $\Delta U = \Delta U_1 + \Delta U_2 + \Delta U_3 = 0,699\text{ V} + 0,917\text{ V} + 2,865\text{ V} = 4,481$ V. Giá trị này tương ứng với độ sụt áp phần trăm $\Delta U% = 1,18%$, nằm trong ngưỡng cho phép ($\le 5%$).

5. Hệ thống chiếu sáng xưởng sợi được thiết kế theo tiêu chuẩn và loại đèn nào?
Hệ thống chiếu sáng được thiết kế với độ rọi yêu cầu $E_{tc} = 500$ lux trên bề mặt làm việc cao 1 m so với sàn. Bộ đèn được chọn là Clipclaude Paralume Laque sử dụng 2 bóng huỳnh quang trắng công nghiệp T8 (58 W/bóng, tổng quang thông bộ đèn đạt 10.800 lm, nhiệt độ màu 4000 K, chỉ số màu $R_a = 85$), treo ở độ cao cách mặt phẳng làm việc 9 m và được kiểm chứng thông qua phần mềm mô phỏng DIALux.

Kết luận

Bản đồ án môn học Cung cấp điện của nhóm sinh viên Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn và mạch lạc bài toán thiết kế kỹ thuật cung cấp điện cho phân xưởng sợi quy mô $90\text{ m} \times 60\text{ m}$. Các nội dung từ phân nhóm phụ tải, xác định tâm phụ tải, tính toán công suất cực đại, lựa chọn máy biến áp 1600 kVA, tính toán bù công suất phản kháng đến việc kiểm tra sụt áp kép và chọn thiết bị bảo vệ đóng cắt ACB/MCCB đều được thực hiện dựa trên các công thức giải tích chuẩn xác và tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, phản ánh phương pháp tiếp cận bài bản trong công tác thiết kế hệ thống điện công nghiệp hạ áp.