Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, điện năng giữ vai trò là dạng năng lượng trung gian thiết yếu, có khả năng chuyển hóa thuận tiện sang các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, cơ năng và hóa năng phục vụ sản xuất. Việc lập kế hoạch thiết kế và xây dựng mạng lưới cung cấp điện cho các cơ sở sản xuất công nghiệp luôn đòi hỏi phải đi trước một bước nhằm bảo đảm tính liên tục, an toàn và hiệu quả kinh tế cho hệ thống máy móc vận hành.
Xưởng cơ khí Tân Tiến là cơ sở sản xuất chuyên gia công các sản phẩm cơ khí như bánh răng, hộp số, hộp tốc độ và các loại chi tiết máy. Mạng lưới phụ tải tại đây bao gồm nhiều chủng loại thiết bị có chế độ làm việc và công suất khác nhau như máy tiện, máy phay, máy doa, máy mài, lò rèn, lò điện tôi - ram và hệ thống quạt thông gió. Đề tài "Tính toán cung cấp điện cho xưởng cơ khí Tân Tiến" (hay "Thiết kế cung cấp điện cho xưởng cơ khí Tân Tiến") do sinh viên Phan Văn Toàn thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Dương tại Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng (2021) nhằm giải quyết bài toán thiết kế hệ thống cung cấp điện hạ áp hoàn chỉnh cho cơ sở sản xuất này.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm các nội dung cụ thể sau:
- Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp xác định phụ tải tính toán trong mạng điện công nghiệp, tiến hành khảo sát, phân nhóm phụ tải và tính toán phụ tải điện động lực kết hợp phụ tải chiếu sáng cho toàn bộ phân xưởng.
- Thiết kế cấu trúc mạng hạ áp, lựa chọn sơ đồ nối dây, tính chọn các thiết bị phân phối, thiết bị đóng cắt - bảo vệ (aptomat, cầu chì), hệ thống thanh dẫn, cáp truyền tải từ trạm biến áp về tủ phân phối chính và mạng cáp cấp nguồn luồn ống thép tới từng thiết bị.
- Phân tích tổn thất điện năng, tổn thất điện áp, đánh giá hệ số công suất tự nhiên của phân xưởng và tính toán dung lượng bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số $\cos\varphi$ đạt chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống mạng điện động lực và chiếu sáng hạ áp phục vụ dây chuyền thiết bị xưởng cơ khí Tân Tiến.
- Phạm vi không gian: Nhà xưởng sản xuất có kích thước mặt bằng $a \times b \times H$ là $24\text{ m} \times 36\text{ m} \times 3,7\text{ m}$ (diện tích xây dựng khoảng $864\text{ m}^2 - 1000\text{ m}^2$). Điểm đấu nối nguồn điện hạ thế cách nhà xưởng cự ly $L = 150\text{ m}$.
- Phạm vi thông số vận hành và thời gian: Thời gian sử dụng công suất cực đại hàng năm $T_M = 4500\text{ giờ/năm}$; công suất ngắn mạch tại điểm đấu điện $S_k = 7,64\text{ MVA}$; thời gian tồn tại của dòng ngắn mạch $t_k = 2,5\text{ s}$; độ sụt áp cho phép từ nguồn đến đầu vào thiết bị tiêu thụ điện $\Delta U_{cp} = 3,5%$; hệ số công suất yêu cầu đạt sau khi bù là $\cos\varphi = 0,9$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế
Để xác định chính xác nhu cầu sử dụng điện và quy mô thiết bị điện trong nhà xưởng, tác giả đã hệ thống hóa và vận dụng các phương pháp tính toán kỹ thuật điện công nghiệp:
Khung lý thuyết và mô hình tính toán phụ tải
Phụ tải tính toán ($P_{tt}, Q_{tt}, S_{tt}, I_{tt}$) là thông số giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải biến đổi thực tế về mặt phát nóng lớn nhất. Việc lựa chọn thiết bị theo phụ tải tính toán đảm bảo an toàn nhiệt trong vận hành mà không gây lãng phí dung lượng thiết bị. Đề tài xem xét 4 phương pháp xác định phụ tải:
- Phương pháp xác định theo công suất đặt và hệ số nhu cầu ($K_{nc}$): Áp dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ khi chỉ biết công suất đặt của phân xưởng:
$$P_{tt} = K_{nc} \cdot P_d$$
- Phương pháp xác định theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích ($p_0$): Áp dụng tính toán chiếu sáng và tính toán sơ bộ cho các phân xưởng có mật độ bố trí máy móc đồng đều:
$$P_{tt} = p_0 \cdot F$$
- Phương pháp xác định theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm ($W_0$): Áp dụng cho các thiết bị có đồ thị phụ tải ổn định (bơm, quạt, máy nén khí):
$$P_{tt} = \frac{M \cdot W_0}{T_{max}}$$
- Phương pháp xác định theo công suất trung bình và hệ số cực đại ($K_{max}$ qua số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$): Đây là phương pháp chính xác được tác giả sử dụng để tính toán mạng động lực phân xưởng khi đã biết rõ số lượng, công suất định mức và vị trí bố trí cụ thể của từng máy công cụ:
$$P_{tt} = K_{max} \cdot K_{sd} \cdot \sum_{i=1}^{n} P_{dmi}$$
Trong đó, số thiết bị dùng điện hiệu quả $n_{hq}$ được xác định thông qua việc lập tỷ số $n^* = \frac{n_1}{n}$ và $P^* = \frac{P_1}{P_\Sigma}$ ($n_1, P_1$ là số lượng và tổng công suất các thiết bị có công suất $\ge 0,5 P_{max}$), sau đó tra bảng để tìm $n_{hq}^$ và tính $n_{hq} = n \cdot n_{hq}^$.
Tiêu chuẩn tính toán chiếu sáng
Hệ thống chiếu sáng được tính toán theo phương pháp hệ số sử dụng dựa trên độ rọi yêu cầu $E_{yc} = 100\text{ lux}$. Tổng quang thông yêu cầu của toàn bộ không gian xưởng được xác định bởi công thức:
$$F_\Sigma = \frac{E_{yc} \cdot K_{dt} \cdot S}{\eta \cdot k_{ld}}$$
Trong đó $\eta$ là hệ số hiệu dụng của đèn, $k_{ld}$ là hệ số lợi dụng ánh sáng phụ thuộc chỉ số phòng và hệ số phản xạ của trần/tường, $K_{dt}$ (hay $\delta_{dt}$) là hệ số dự trữ bù suy giảm quang thông do bụi bẩn và già hóa bóng đèn.
Tiêu chuẩn lựa chọn dây dẫn và thiết bị bảo vệ
- Dây dẫn và cáp điện hạ áp: Được chọn theo điều kiện dòng điện phát nóng cho phép lâu dài:
$$k_1 \cdot k_2 \cdot I_{cp} \ge I_{tt}$$
(với $k_1$ là hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ môi trường đặt cáp, $k_2$ là hệ số hiệu chỉnh số lượng cáp đi chung một rãnh).
- Phối hợp bảo vệ với cầu chì: Tiết diện dây phải thỏa mãn điều kiện phối hợp với dòng định mức dây chảy cầu chì $I_{dc}$:
$$k_1 \cdot k_2 \cdot I_{cp} \ge \frac{I_{dc}}{\alpha}$$
(đối với mạch động lực chọn $\alpha = 3$; mạch chiếu sáng chọn $\alpha = 0,3$).
- Cầu chì bảo vệ động cơ lồng sóc: Chọn dòng định mức dây chảy theo dòng mở máy ($I_{mm} = k_{mm} \cdot I_{dm}$ với $k_{mm} = 5$ và hệ số mở máy $\alpha = 2,5$):
$$I_{dc} \ge \frac{I_{mm}}{\alpha}$$
Nguồn dữ liệu sử dụng
Dữ liệu đầu vào bao gồm bảng danh mục 50 máy móc công cụ của xưởng cơ khí Tân Tiến, các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn tra cứu từ Sổ tay thiết kế cung cấp điện (bảng tra $n_{hq}^*, K_{max}, I_{cp}$ của cáp đồng vỏ PVC LENS, cáp $\Pi PTO$, cầu chì $\Pi P-2$, tủ phân phối IIP-9262).
Thiết kế và triển khai hệ thống mạng điện hạ áp
Do đề tài mang tính chất thiết kế kỹ thuật công trình hạ tầng điện, việc tổ chức cấu trúc mạng hạ áp và lựa chọn phần tử đóng cắt - bảo vệ được triển khai theo các giải pháp cụ thể sau:
Cấu trúc mạng phân phối điện
Phân xưởng áp dụng sơ đồ cấp điện hỗn hợp kết hợp mạng hình tia:
- Nguồn điện hạ thế từ trạm biến áp trung gian 35/0,4 kV được dẫn về tủ phân phối chính của xưởng qua tuyến cáp ngầm gồm 5 sợi cáp đặt song song để chia sẻ dòng phụ tải lớn.
- Tại tủ phân phối chính đặt 1 aptomat tổng và 6 aptomat nhánh cung cấp điện độc lập theo sơ đồ hình tia tới 5 tủ động lực (ĐL1 đến ĐL5) và 1 tủ chiếu sáng (CS).
- Từ mỗi tủ động lực, các thiết bị công suất lớn nhận điện trực tiếp từ thanh cái, trong khi các thiết bị công suất nhỏ được ghép thành nhóm nhận điện theo sơ đồ liên thông nhằm tối ưu hóa chi phí đường dây và thiết bị đóng cắt.
Lựa chọn thiết bị điện và cáp hạ thế
Dựa trên kết quả tính toán phụ tải động lực và chiếu sáng, các phần tử chính của hệ thống được tính chọn như sau:
- Tủ phân phối chính: Chọn tủ mã hiệu IIP-9262 do Liên Xô (cũ) chế tạo, gồm 1 lộ vào và 6 lộ ra.
- Aptomat tổng: Đặt tại trạm biến áp, có dòng định mức đáp ứng dòng làm việc cưỡng bức $I_{xg} = 957,38\text{ A}$ (phục vụ máy biến áp $630\text{ kVA}$).
- Cáp nguồn từ trạm biến áp về tủ phân phối xưởng: Sử dụng 5 tuyến cáp đồng cách điện PVC mã hiệu $5\text{PVC} (3\times 70 + 1\times 70)\text{ mm}^2$.
- Cáp cấp nguồn từ tủ phân phối về các tủ động lực: Cáp đồng 4 lõi chôn trực tiếp dưới đất, khoảng cách giữa các cáp $100\text{ mm}$, hệ số hiệu chỉnh $k_1 = 1$ (nhiệt độ $+25^\circ\text{C}$), $k_2 = 0,85$; sử dụng cáp tiết diện $120\text{ mm}^2$ với dòng cho phép $I_{cp} = 343\text{ A}$.
- Hệ thống dây dẫn tới từng động cơ: Chọn cáp đồng 4 lõi cách điện PVC mã hiệu $\Pi PTO$ luồn trong ống thép bảo vệ đường kính $\Phi 3/4''$ chôn ngầm dưới nền xưởng để chống va đập cơ học trong môi trường công nghiệp nặng. Tiết diện dây dẫn được chọn từ $2,5\text{ mm}^2$ đến $50\text{ mm}^2$ tùy theo công suất máy và yêu cầu phối hợp bảo vệ cầu chì.
- Thiết bị bảo vệ nhánh và động cơ: Sử dụng cầu chì công nghiệp mã hiệu $\Pi P-2$ với các cấp dòng định mức vỏ/dây chảy phù hợp với từng thiết bị (từ $20/45\text{ A}$ đến $400/600\text{ A}$).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Các phương pháp xác định phụ tải tính toán
Chương này tập trung phân tích lý thuyết các phương pháp tính toán phụ tải, đồng thời tiến hành phân nhóm và tính toán chi tiết phụ tải cho xưởng cơ khí Tân Tiến.
Tác giả phân chia 50 thiết bị trong xưởng thành 5 nhóm phụ tải động lực dựa trên nguyên tắc: các máy có vị trí gần nhau trên mặt bằng, có cùng chế độ vận hành công nghệ và tổng công suất giữa các nhóm không quá chênh lệch:
- Nhóm 1 (Bộ phận rèn): Gồm 8 loại thiết bị (búa hơi để rèn, lò rèn, quạt ly tâm, dầm treo palăng điện, lò điện, máy biến áp) với 11 máy, tổng công suất đặt $P_\Sigma = 110,2\text{ kW}$.
- Nhóm 2 (Gia công cơ - mài - thông gió): Gồm lò điện, máy mài sắc, quạt thông gió, máy ép ma sát với 8 máy, tổng công suất đặt $P_\Sigma = 74,1\text{ kW}$.
- Nhóm 3 (Bộ phận nhiệt luyện cao tần): Gồm thiết bị tôi cao tần ($60\text{ kW}$), thiết bị đo bi ($23\text{ kW}$), lò điện hóa cứng kim loại ($60\text{ kW}$) với 3 máy, tổng công suất đặt $P_\Sigma = 143\text{ kW}$.
- Nhóm 4 (Bộ phận lò nhiệt luyện và bể tôi): Gồm các lò điện, lò rèn, bể dầu, thiết bị tôi bánh răng, máy đo độ cứng đầu côn, cầu trục palăng với 9 máy, tổng công suất đặt $P_\Sigma = 123,15\text{ kW}$.
- Nhóm 5 (Bộ phận mộc, quạt gió và máy nén khí): Gồm máy nén khí ($45\text{ kW}$), máy bào gỗ, máy cưa tròn, máy khoan đứng, các quạt gió công nghiệp với 9 máy, tổng công suất đặt $P_\Sigma = 109\text{ kW}$.
| Nhóm phụ tải |
Tổng số máy ($n$) |
Thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) |
Hệ số cực đại ($K_{max}$) |
Phụ tải tác dụng $P_{tt}$ (kW) |
Phụ tải phản kháng $Q_{tt}$ (kVAr) |
Phụ tải toàn phần $S_{tt}$ (kVA) |
Dòng điện tính toán $I_{tt}$ (A) |
| Nhóm 1 |
11 |
7 |
2,10 |
85,50 |
113,70 |
142,20 |
129,96 |
| Nhóm 2 |
8 |
4 |
2,64 |
65,10 |
86,60 |
108,30 |
99,00 |
| Nhóm 3 |
3 |
2,43 |
- |
143,00 |
190,19 |
237,90 |
361,50 |
| Nhóm 4 |
9 |
5 |
2,42 |
89,20 |
118,60 |
148,40 |
225,50 |
| Nhóm 5 |
9 |
4 |
2,64 |
72,00 |
95,70 |
119,70 |
181,80 |
Tính toán chiếu sáng: Xưởng chọn hệ thống chiếu sáng kết hợp, sử dụng đèn sợi đốt công suất $200\text{ W}$ (quang thông $F = 3000\text{ lm}$) treo ở độ cao cách mặt sàn công tác $2,3\text{ m}$. Đèn sợi đốt được lựa chọn thay thế cho đèn huỳnh quang tần số $50\text{ Hz}$ nhằm triệt tiêu hiện tượng ảo giác thị giác hoạt nghiệm (động cơ đang quay nhưng nhìn như đứng yên), bảo đảm an toàn lao động. Số lượng đèn chiếu sáng chung tính toán là 50,5 đèn; bố trí thực tế theo lưới $4,1\text{ m} \times 4,1\text{ m}$ là $N_{min} = 54$ đèn. Ngoài ra, mỗi máy công cụ trang bị 1 đèn cục bộ $100\text{ W}$, các phòng vệ sinh và phòng thay đồ bố trí đèn $100\text{ W}$. Tổng công suất phụ tải chiếu sáng là $P_{cs} = 12\text{ kW}$.
Tổng hợp phụ tải toàn phân xưởng: Với hệ số đồng thời $k_{dt} = 0,95$, các thông số phụ tải tổng của phân xưởng đạt được:
- Công suất tác dụng tính toán: $P_{ttpx} = 412,74\text{ kW}$
- Công suất phản kháng tính toán: $Q_{ttpx} = 548,94\text{ kVAr}$ (với $\operatorname{tg}\varphi = 1,33$)
- Công suất biểu kiến toàn phần: $S_{ttpx} = 686,55\text{ kVA}$
Chương 2: Thiết kế mạng hạ áp cho phân xưởng cơ khí
Chương này giải quyết toàn bộ bài toán chọn cấu hình mạng, tính chọn thiết bị đóng cắt, bảo vệ và dây dẫn cáp điện từ nguồn vào tới từng phụ tải.
| Tuyến cáp / Nhánh cấp điện |
Dòng tính toán $I_{tt}$ (A) |
Quy cách cáp lựa chọn |
Dòng cho phép $I_{cp}$ (A) |
Ống thép bảo vệ |
| TBA $\rightarrow$ Tủ phân phối chính |
957,38 |
$5 \times \text{PVC } (3\times 70 + 1\times 70)\text{ mm}^2$ |
$5 \times 215$ |
Đi mương cáp ngầm |
| Tủ PP $\rightarrow$ Tủ ĐL1 |
129,96 |
Cáp đồng 4 lõi PVC $120\text{ mm}^2$ |
343 |
Chôn ngầm rãnh cáp |
| Tủ PP $\rightarrow$ Tủ ĐL2 |
99,00 |
Cáp đồng 4 lõi PVC $120\text{ mm}^2$ |
343 |
Chôn ngầm rãnh cáp |
| Tủ PP $\rightarrow$ Tủ ĐL3 |
361,50 |
Cáp đồng 4 lõi PVC $120\text{ mm}^2$ |
343 |
Chôn ngầm rãnh cáp |
| Tủ PP $\rightarrow$ Tủ ĐL4 |
225,50 |
Cáp đồng 4 lõi PVC $120\text{ mm}^2$ |
343 |
Chôn ngầm rãnh cáp |
| Tủ PP $\rightarrow$ Tủ ĐL5 |
181,80 |
Cáp đồng 4 lõi PVC $120\text{ mm}^2$ |
343 |
Chôn ngầm rãnh cáp |
Các thiết bị động lực điển hình được trang bị dây dẫn và cầu chì bảo vệ cụ thể:
- Búa hơi để rèn ($10\text{ kW}, I_{dm} = 26,32\text{ A}$): Dây $\Pi PTO\text{ } 2,5\text{ mm}^2$, ống thép $\Phi 3/4''$, cầu chì $\Pi P-2\text{ } 20/60\text{ A}$.
- Búa hơi để rèn ($28\text{ kW}, I_{dm} = 73,68\text{ A}$): Cáp $\Pi PTO\text{ } 10\text{ mm}^2$, ống thép $\Phi 3/4''$, cầu chì $\Pi P-2\text{ } 60/160\text{ A}$.
- Lò điện ($30\text{ kW}, I_{dm} = 78,94\text{ A}$): Cáp $\Pi PTO\text{ } 16\text{ mm}^2$, ống thép $\Phi 3/4''$, cầu chì $\Pi P-2\text{ } 160/200\text{ A}$.
- Thiết bị tôi cao tần ($60\text{ kW}, I_{dm} = 158\text{ A}$): Cáp $\Pi PTO\text{ } 50\text{ mm}^2$, ống thép $\Phi 3/4''$, cầu chì $\Pi P-2\text{ } 400/600\text{ A}$.
- Lò điện hóa cứng kim loại ($60\text{ kW}, I_{dm} = 158\text{ A}$): Cáp $\Pi PTO\text{ } 50\text{ mm}^2$, ống thép $\Phi 3/4''$, cầu chì $\Pi P-2\text{ } 400/600\text{ A}$.
- Máy nén khí ($45\text{ kW}, I_{dm} = 118,4\text{ A}$): Cáp $\Pi PTO\text{ } 25\text{ mm}^2$, ống thép $\Phi 3/4''$, cầu chì $\Pi P-2\text{ } 260/350\text{ A}$.
- Các quạt gió, máy mài, máy cưa nhỏ ($2,5 - 7\text{ kW}$): Cáp $\Pi PTO\text{ } 2,5\text{ mm}^2$, ống thép $\Phi 3/4''$, cầu chì $\Pi P-2\text{ } 20/60\text{ A}$ đến $45/60\text{ A}$.
Do phân xưởng nằm cách trạm biến áp ở khoảng cách $150\text{ m}$ và nhận điện qua hệ thống cáp có tổng trở lớn, đồ án không thực hiện tính toán chi tiết dòng ngắn mạch để kiểm tra ổn định lực điện động mà căn cứ trực tiếp trên các điều kiện chọn định mức và phối hợp bảo vệ tiêu chuẩn.
Chương 3: Tính bù công suất phản kháng
Chương này đánh giá tổn thất năng lượng và đưa ra giải pháp kỹ thuật nâng cao hệ số công suất của hệ thống điện xưởng:
- Ý nghĩa kỹ thuật và kinh tế: Hệ số công suất tự nhiên của xưởng cơ khí chỉ đạt $\cos\varphi_1 \approx 0,6$ ($\operatorname{tg}\varphi_1 = 1,33$), gây tổn thất công suất tác dụng và sụt áp lớn trên đường dây cáp, đồng thời làm giảm khả năng truyền tải của máy biến áp.
- Biện pháp nâng cao $\cos\varphi$ tự nhiên: Hạn chế động cơ không đồng bộ chạy không tải hoặc non tải; thay thế các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng động cơ có công suất nhỏ hơn phù hợp; sắp xếp quy trình công nghệ hợp lý để nâng cao hệ số điền đầy đồ thị phụ tải.
- Tính toán dung lượng bù cưỡng bức: Để nâng hệ số công suất lên $\cos\varphi_2 = 0,9$ ($\operatorname{tg}\varphi_2 = 0,484$), dung lượng công suất phản kháng cần bù cho toàn phân xưởng được xác định:
$$Q_b = P_{ttpx} \cdot (\operatorname{tg}\varphi_1 - \operatorname{tg}\varphi_2) = 412,74 \cdot (1,33 - 0,484) \approx 349,18\text{ kVAr}$$
- Phương thức đặt thiết bị bù: Đồ án đề xuất giải pháp đặt dàn tụ bù tĩnh tập trung tại thanh cái hạ áp của tủ phân phối chính, giúp giảm dòng điện chạy trên 5 đường cáp nguồn cấp từ trạm biến áp về xưởng và giải phóng dung lượng tải cho máy biến áp $630\text{ kVA}$.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật cung cấp điện hạ áp cho xưởng cơ khí Tân Tiến với các kết quả cụ thể:
- Xác định chính xác quy mô phụ tải: Đã phân loại 50 máy móc thành 5 nhóm phụ tải hợp lý; xác định tổng công suất tính toán tác dụng $P_{ttpx} = 412,74\text{ kW}$, công suất phản kháng $Q_{ttpx} = 548,94\text{ kVAr}$, công suất toàn phần $S_{ttpx} = 686,55\text{ kVA}$ và phụ tải chiếu sáng $12\text{ kW}$.
- Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống chiếu sáng an toàn: Tính toán tối ưu hệ thống chiếu sáng sử dụng 54 bộ đèn sợi đốt $200\text{ W}$ bố trí đồng đều cùng hệ thống đèn chiếu sáng cục bộ, loại trừ hoàn toàn nguy cơ mất an toàn do hiện tượng ảo giác thị giác hoạt nghiệm trong xưởng cơ khí.
- Đưa ra giải pháp phân phối điện đồng bộ: Lựa chọn mạng cấp điện hỗn hợp/hình tia, sử dụng tủ phân phối IIP-9262, tuyến cáp nguồn $5\text{PVC} (3\times 70+1\times 70)\text{ mm}^2$, hệ thống cáp liên tủ $120\text{ mm}^2$ và mạng cáp nhánh $\Pi PTO$ luồn ống thép $\Phi 3/4''$ chôn nền đáp ứng tiêu chuẩn an toàn cơ - điện trong nhà xưởng.
- Giải pháp nâng cao chất lượng điện năng: Xác định chính xác dung lượng tụ bù cần thiết khoảng $349\text{ kVAr}$ đặt tại tủ phân phối chính, nâng hệ số công suất của xưởng từ $0,6$ lên $0,9$, thỏa mãn tiêu chuẩn ngành điện.
Hạn chế và hướng phát triển
Dựa trên phạm vi và nội dung trình bày trong thuyết minh đồ án, các hạn chế và hướng mở kỹ thuật được ghi nhận như sau:
- Về tính toán ngắn mạch và kiểm tra thiết bị: Thuyết minh chưa thực hiện tính toán chi tiết giá trị dòng ngắn mạch ($I_k, i_{xk}$) tại các thanh cái tủ phân phối và tủ động lực để kiểm tra khả năng ổn định nhiệt và ổn định lực điện động của hệ thống thanh cái, aptomat và cáp điện do giả định xưởng ở xa trạm biến áp.
- Về công nghệ chiếu sáng: Đồ án sử dụng giải pháp đèn sợi đốt công suất lớn ($200\text{ W}$) để tránh hiện tượng hoạt nghiệm của đèn huỳnh quang thế hệ cũ. Giải pháp này tiêu hao điện năng lớn và sinh nhiệt cao trong nhà xưởng kín.
- Về chủng loại thiết bị tham chiếu: Một số thiết bị đóng cắt, tủ bảng điện và cáp điện trong bảng tính sử dụng các dòng tiêu chuẩn truyền thống của Liên Xô cũ (tủ IIP-9262, cầu chì $\Pi P-2$, cáp $\Pi PTO$).
Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:
- Bổ sung tính toán ngắn mạch mạng hạ áp ba pha để kiểm tra và tối ưu hóa tính chọn khí cụ điện bảo vệ theo các dòng thiết bị đóng cắt hiện đại (MCCB, MCB công nghiệp).
- Nghiên cứu thay thế toàn bộ hệ thống chiếu sáng sang đèn LED công nghiệp chuyên dụng có chỉ số hoàn màu cao, chống lóa và không nhấp nháy ở tần số cao nhằm tiết kiệm năng lượng.
- Thiết kế hệ thống điều khiển tự động đóng cắt tụ bù theo nhiều cấp dung lượng dựa trên bộ vi điều khiển (hoặc rơle điều khiển hệ số công suất tự động) để tránh hiện tượng bù thừa lúc phân xưởng hoạt động non tải.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên chuyên ngành: Ngành Điện tự động công nghiệp, Hệ thống điện, Kỹ thuật điện tại các trường đại học và cao đẳng kỹ thuật khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp đại học.
- Kỹ sư thiết kế cơ điện (M&E): Cung cấp tài liệu tra cứu mẫu về phương pháp phân nhóm phụ tải, quy trình tính toán số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$, phương pháp tra bảng hệ số cực đại $K_{max}$ và quy cách lựa chọn cáp luồn ống thép chôn ngầm cho nhà xưởng sản xuất cơ khí.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao đồ án lại lựa chọn bóng đèn sợi đốt $200\text{ W}$ để chiếu sáng phân xưởng thay vì đèn huỳnh quang thông dụng?
Trong phân xưởng cơ khí có nhiều động cơ không đồng bộ và máy công cụ quay. Đèn huỳnh quang hoạt động ở tần số điện lưới $50\text{ Hz}$ gây ra hiện tượng hoạt nghiệm (ảo giác quang học nhìn vật quay như đứng yên hoặc quay chậm), dễ dẫn đến tai nạn lao động nghiêm trọng cho công nhân vận hành. Do đó, tác giả lựa chọn đèn sợi đốt để đảm bảo nguồn sáng liên tục, không gây ảo giác quang học.
2. Tiêu chuẩn phân chia 5 nhóm phụ tải động lực trong xưởng cơ khí Tân Tiến dựa trên những nguyên tắc kỹ thuật nào?
Tác giả phân nhóm dựa trên 4 nguyên tắc: (1) Các thiết bị trong một nhóm có vị trí lắp đặt gần nhau trên mặt bằng nhà xưởng để tránh đi dây chồng chéo; (2) Các máy trong nhóm có cùng chế độ làm việc và đồ thị phụ tải để thuận tiện tra cứu $K_{sd}, \cos\varphi$; (3) Tổng công suất giữa các nhóm ít chênh lệch nhằm đồng loạt hóa quy cách tủ động lực và cáp cấp nguồn; (4) Số lộ ra từ mỗi tủ động lực được khống chế không quá 8 lộ để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện.
3. Tuyến cáp chính cấp nguồn từ trạm biến áp về tủ phân phối của phân xưởng sử dụng chủng loại và tiết diện cáp gì?
Do dòng điện tính toán toàn phân xưởng lớn, tuyến nguồn từ trạm biến áp về tủ phân phối chính được thiết kế gồm 5 tuyến cáp đồng cách điện PVC đặt song song với quy cách $5\text{PVC} (3\times 70 + 1\times 70)\text{ mm}^2$.
4. Điều kiện phối hợp nào được sử dụng để kiểm tra tiết diện dây cáp nối từ tủ động lực đến từng động cơ?
Dây cáp $\Pi PTO$ luồn trong ống thép $3/4''$ được kiểm tra đồng thời theo 2 điều kiện: điều kiện phát nóng cho phép ($k_1 \cdot k_2 \cdot I_{cp} \ge I_{tt}$) và điều kiện phối hợp với thiết bị bảo vệ cầu chì ($k_1 \cdot k_2 \cdot I_{cp} \ge \frac{I_{dc}}{3}$ đối với mạch động lực, với $k_1 = 1$ và $k_2 = 0,85$).
5. Dung lượng bù công suất phản kháng cần thiết để nâng hệ số $\cos\varphi$ của xưởng từ $0,6$ lên $0,9$ là bao nhiêu và được lắp đặt ở đâu?
Dung lượng bù tính toán cho toàn bộ phân xưởng là khoảng $349,18\text{ kVAr}$, được thiết kế lắp đặt dưới dạng dàn tụ bù tĩnh tập trung tại thanh cái hạ áp của tủ phân phối chính.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phan Văn Toàn đã giải quyết toàn diện bài toán thiết kế hệ thống cung cấp điện hạ áp cho xưởng cơ khí Tân Tiến từ khâu khảo sát phụ tải, tính toán chiếu sáng, lựa chọn mạng phân phối đến bù công suất phản kháng. Việc áp dụng phương pháp công suất trung bình và hệ số cực đại giúp xác định chính xác tổng công suất biểu kiến toàn xưởng đạt $686,55\text{ kVA}$. Các giải pháp kỹ thuật về tuyến cáp ngầm, dây dẫn luồn ống thép $\Phi 3/4''$, tủ phân phối IIP-9262 và dàn tụ bù $349\text{ kVAr}$ đã tạo nên một phương án thiết kế cung cấp điện hoàn chỉnh, đáp ứng tốt các yêu cầu an toàn, kỹ thuật và vận hành kinh tế trong môi trường sản xuất công nghiệp.
