Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật cung cấp điện công nghiệp, việc thiết kế hệ thống điện cho các phân xưởng sản xuất đòi hỏi tính chính xác cao nhằm đảm bảo tính liên tục, an toàn vận hành và hiệu quả kinh tế. Phân xưởng in là loại hình sản xuất công nghiệp có đặc thù sử dụng nhiều động cơ công suất khác nhau, phụ tải chiếu sáng chuyên dụng và yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng điện áp cũng như khả năng bảo vệ tin cậy khi xảy ra sự cố.

Phương pháp tính toán thủ công truyền thống dựa trên các công thức giải tích đòi hỏi nhiều thời gian và dễ xảy ra sai sót khi số lượng nhánh phụ tải tăng lên. Nhằm tối ưu hóa quy trình thiết kế, việc ứng dụng các phần mềm tự động hóa thiết kế điện (EDA - Electronic Design Automation) chuyên dụng theo tiêu chuẩn quốc tế trở thành giải pháp cần thiết. Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hữu Danh (MSSV: 14085851), thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Trần Thị Giang Thanh tại Khoa Điện - Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh, tập trung giải quyết bài toán thiết kế hệ thống cấp điện hạ áp cho phân xưởng in thông qua sự kết hợp giữa tính toán giải tích và phần mềm Schneider Ecodial 4.2.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Tính toán phụ tải điện cho toàn bộ các thiết bị trong các tổ sản xuất của phân xưởng in.
  2. Tính chọn dung lượng máy biến áp phân phối và tính toán bù công suất phản kháng nhằm đảm bảo hệ số công suất yêu cầu ($\cos\varphi \ge 0,9$).
  3. Thiết lập sơ đồ nguyên lý cấp điện tổng thể và sơ đồ đi dây chi tiết cho từng nhóm tải.
  4. Lựa chọn tiết diện dây dẫn, cáp điện và các khí cụ đóng cắt bảo vệ (Aptomat - CB) cho hệ thống.
  5. Tính toán kiểm tra độ sụt áp trên các tuyến dây và tính toán dòng điện ngắn mạch tại các điểm nút đặc trưng.
  6. Ứng dụng phần mềm Ecodial 4.2 theo tiêu chuẩn IEC để mô phỏng hệ thống, đối chiếu và so sánh kết quả tính toán giữa phương pháp tính tay và tính toán trên máy.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống mạng điện hạ áp phân phối trong phân xưởng in (bao gồm máy biến áp, tủ điện phân phối chính, các tủ phân phối nhánh của các tổ sản xuất và phụ tải động lực, chiếu sáng). Phạm vi không gian của đề tài là phân xưởng in với các thông số tải thực tế, áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế IEC và các tiêu chuẩn châu Âu liên quan; thời gian hoàn thành vào tháng 6 năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng hệ thống lý thuyết chuẩn hóa trong tính toán mạng điện hạ áp kết hợp các bộ tiêu chuẩn kỹ thuật điện quốc tế và khu vực:

  • Hệ thống tiêu chuẩn áp dụng:
    • Tiêu chuẩn quốc tế IEC: IEC 947-2 (thiết bị đóng cắt và điều khiển hạ áp), IEC 364-5-523 (phương pháp lắp đặt cáp và dây dẫn), IEC 60909 (tính toán dòng ngắn mạch trong hệ thống xoay chiều ba pha).
    • Tiêu chuẩn châu Âu: CENELEC TR50480 (cơ sở lý thuyết tính toán sụt áp và dòng ngắn mạch cho mạng hạ áp), CENELEC R064-003 (tiêu chuẩn chiếu sáng).
    • Tiêu chuẩn Pháp: NFC 15-100 (quy chuẩn lắp đặt điện hạ áp) và UTE-C 15500.
Hạng mục tính toán Tiêu chuẩn áp dụng Thông số / Công thức nền tảng
Kích thước và lắp đặt cáp IEC 364-5-523 / NFC 15-100 Tiết diện tiêu chuẩn: 1,5 đến 630 $\text{mm}^2$; hệ số điều chỉnh theo môi trường và cách lắp đặt
Tính toán độ sụt áp CENELEC TR50480 $\Delta U = \frac{k \cdot L \cdot I_b \cdot (r\cos\varphi + x\sin\varphi)}{n}$; $\Delta u% = \frac{\Delta U}{U_n} \cdot 100$
Tính toán dòng ngắn mạch IEC 60909 / CENELEC TR50480 $I_{k3\max} = \frac{c_{\max} \cdot U_n}{\sqrt{3} \cdot Z_k}$; $c_{\max} = 1,1$; $c_{\min} = 0,95$
Khí cụ đóng cắt & bảo vệ IEC 947-2 Đường đặc tính bảo vệ, dòng nhiệt ($I_{th}$), dòng từ ($I_{mag}$), dòng cắt định mức ($I_{cu}$)

Phương pháp nghiên cứu được triển khai theo hai trục song song:

  1. Phương pháp giải tích lý thuyết: Xác định phụ tải tính toán theo phương pháp hệ số nhu cầu, lựa chọn dây dẫn theo dòng điện phát nóng cho phép có xét đến các hệ số hiệu chỉnh ($K_1, K_2$), tính toán sụt áp và trở kháng ngắn mạch từng phần tử (nguồn, máy biến áp, thanh cái, cáp dẫn).
  2. Phương pháp mô phỏng số hóa: Xây dựng mô hình đơn tuyến trên phần mềm Ecodial 4.2 của hãng Schneider Electric, thiết lập tham số lưới điện và chạy tính toán ở hai chế độ: tính toán sơ bộ (Pre-sizing) và tính toán chi tiết từng bước (Calculate).
  3. Phương pháp so sánh, đánh giá: Lập bảng số liệu đối chứng giữa kết quả tính tay và kết quả trích xuất từ phần mềm tại từng nút tải và phần tử bảo vệ.

Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm bảng phụ tải cho trước của xưởng in, thông số vật lý của dây dẫn đồng và nhôm bọc cách điện PVC/XLPE, cùng thông số kỹ thuật thiết bị đóng cắt của Schneider Electric.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cấp điện cho phân xưởng in được thiết kế hoàn chỉnh từ nguồn cấp đến các thiết bị tiêu thụ thông qua việc sử dụng phần mềm Schneider Ecodial 4.2:

  • Cấu trúc mạng điện hạ áp: Nguồn cấp từ lưới qua máy biến áp hạ áp 3 pha cấp điện áp định mức $380/220\text{V}$, tần số $50\text{Hz}$. Hệ thống thanh cái gồm thanh cái tổng tại tủ phân phối chính và các thanh cái phân phối tại các tủ nhánh phục vụ Tổ 1, Tổ 2, và Tổ 3. Hệ thống hỗ trợ các sơ đồ nối đất chuẩn (IT, TT, TN-S, TN-C).
  • Phần mềm thiết kế Ecodial 4.2: Là phần mềm chuyên dụng hỗ trợ thiết kế mạng điện hạ áp tự động hóa với các công cụ:
    • Khai báo thông số ban đầu (General characteristics): Mức điện áp ($220 - 690\text{V}$), tần số ($50 - 60\text{Hz}$), công suất ngắn mạch nguồn cao áp ($P_{sc\ HV} = 500\text{MVA}$), nhiệt độ môi trường, giới hạn sụt áp cho phép ($\Delta U_{\max}$).
    • Thư viện phần tử hoàn chỉnh: Thư viện nguồn (nguồn lưới, máy biến áp, máy phát), thanh cái (ngang, dọc, có hoặc không tính toán), lộ ra mạch kết nối cáp/thanh dẫn Busway (BTS), thiết bị đóng cắt bảo vệ (Multi9, Compact, Masterpact), phụ tải động cơ 3 pha, chiếu sáng và ổ cắm.
    • Chế độ tính toán: Hỗ trợ tính toán sơ bộ (Pre-sizing) nhằm chọn nhanh cấu hình và tính toán từng bước (Calculate) dựa trên các ràng buộc cụ thể của từng phần tử.
[Nguồn Lưới / MBA Hạ Áp]
    [CB Tổng / Tủ MSB]
[Tổ 1]  [Tổ 2]  [Tổ 3]
[Động cơ, Máy In, Thiết bị Chiếu sáng]

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về phần mềm Ecodial

Chương này trình bày chi tiết về quy trình cài đặt, giao diện làm việc và nguyên tắc hoạt động của phần mềm Schneider Ecodial Advanced Calculation 4.2. Tác giả phân tích các thông số kỹ thuật được hỗ trợ trong phần mềm (dải điện áp $220 - 690\text{V}$, dải tiết diện dây tiêu chuẩn $1,5 - 630\text{ mm}^2$, sai số lựa chọn tiết diện $-5%$).

Chương 1 cũng chỉ rõ các hạn chế kỹ thuật của Ecodial 4.2: không thực hiện tính toán chống sét; không tính toán tiếp địa mà chỉ cho phép lựa chọn sơ đồ nối đất để tính toán thiết bị; và giới hạn quy mô mạch tối đa 75 phần tử trong một dự án. Các thư viện phần tử, cấu trúc nhập thông số đầu vào cho máy biến áp, cáp, Aptomat (CB) và các loại phụ tải cũng được hệ thống hóa đầy đủ.

Chương 2: Giới thiệu về xưởng in, các thông số chính

Chương 2 mô tả đặc điểm quy mô, mặt bằng bố trí máy móc và quy trình hoạt động của phân xưởng in. Tác giả lập bảng số liệu ban đầu và bảng thông số phụ tải chi tiết của các nhóm máy thuộc Tổ 1, Tổ 2 và Tổ 3 (bao gồm công suất định mức, hệ số công suất $\cos\varphi$, dòng điện làm việc). Từ mặt bằng kiến trúc, sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp điện toàn xưởng được thiết lập làm cơ sở cho các bước tính toán tiếp theo.

Chương 3: Tính toán phụ tải

Nội dung chương 3 tập trung xác định phụ tải tính toán cho từng tổ sản xuất và toàn bộ phân xưởng in. Tác giả triển khai vẽ sơ đồ đi dây cho Tổ 1, Tổ 2, Tổ 3 trên phần mềm Ecodial, nhập các thông số công suất của từng thiết bị và chạy tính toán. Kết quả công suất tác dụng ($P$), công suất phản kháng ($Q$), công suất biểu kiến ($S$) và dòng điện tính toán ($I_{tt}$) được tổng hợp và đối chiếu giữa phương pháp tính tay và mô phỏng Ecodial thông qua Bảng 3.2.

Chương 4: Chọn máy biến áp, bù công suất phản kháng

Dựa trên phụ tải tính toán toàn xưởng, chương 4 tiến hành tính chọn dung lượng máy biến áp phân phối và dung lượng tụ bù tĩnh. Máy biến áp được lựa chọn phù hợp với công suất biểu kiến yêu cầu, đảm bảo hệ số dự phòng và khả năng vận hành an toàn.

Tác giả tính toán dung lượng bù công suất phản kháng cần thiết để nâng hệ số công suất của xưởng lên mức yêu cầu ($\cos\varphi \ge 0,9$). Các kết quả lựa chọn máy biến áp (Hình 4.1, Hình 4.2) và thông số bộ tụ bù (Hình 4.4) được so sánh trực tiếp giữa tính toán lý thuyết và khuyến nghị tự động của Ecodial tại Bảng 4.1 và Bảng 4.2.

Chương 5: Chọn dây dẫn cho phân xưởng in

Chương 5 trình bày toàn bộ quy trình tính toán và lựa chọn tiết diện cáp dẫn điện, dây dẫn phân phối và thiết bị bảo vệ (CB) cho các tuyến:

  • Tuyến từ máy biến áp đến tủ phân phối chính.
  • Tuyến từ thanh cái chính đến các tủ phân phối của Tổ 1, Tổ 2, Tổ 3.
  • Tuyến từ tủ phân phối nhánh đến từng động cơ, máy in, máy đục lỗ và phụ tải chiếu sáng.

Tác giả áp dụng các hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường, phương pháp lắp đặt và số lượng cáp đi chung để chọn tiết diện dây dẫn đồng/nhôm theo tiêu chuẩn. Toàn bộ thông số chọn dây và dòng định mức CB của từng tổ được đối chiếu chi tiết giữa tính toán tay và Ecodial qua các bảng từ Bảng 5.1 đến Bảng 5.13.

Chương 6: Tính toán sụt áp

Chương 6 thực hiện tính toán tổn thất điện áp ($\Delta U, \Delta u%$) dọc theo các phân đoạn mạch:

  • Sụt áp từ nguồn đến thanh cái tổng.
  • Sụt áp từ tủ phân phối chính đến thanh cái nhánh của nhóm 1 (Tổ 1).
  • Sụt áp từ thanh cái nhóm 1 đến điểm đấu nối máy đục lỗ (thiết bị 1a).

Công thức tính toán sụt áp áp dụng theo tiêu chuẩn CENELEC TR50480. Các giá trị sụt áp tính tay được so sánh với kết quả tính toán của Ecodial tại Bảng 6.1, 6.2 và 6.3, chứng minh điện áp tại các đầu cực thiết bị luôn nằm trong giới hạn cho phép ($\Delta U_{\max}$).

Chương 7: Tính toán ngắn mạch

Chương 7 đi sâu vào tính toán các dạng sự cố ngắn mạch nhằm kiểm tra khả năng chịu đựng và tính chọn lọc của các thiết bị đóng cắt:

  • Dòng ngắn mạch ba pha cực đại ($I_{k3\max}$).
  • Dòng ngắn mạch hai pha cực đại ($I_{k2\max}$).
  • Dòng ngắn mạch một pha cực đại ($I_{k1\max}$).
  • Dòng ngắn mạch chạm đất ($I_{ef}$).
  • Dòng ngắn mạch hai pha cực tiểu ($I_{k2\min}$) và một pha cực tiểu ($I_{k1\min}$).

Các điểm nút được tính toán bao gồm: đầu ra thứ cấp máy biến áp, thanh cái tổng, thanh cái nhóm 1 và tại máy đục lỗ 1a. Tác giả lập các bảng so sánh giá trị dòng ngắn mạch giữa tính tay và phần mềm Ecodial (Bảng 7.1, 7.2, 7.3, 7.5), khẳng định tính chính xác của các thiết bị bảo vệ được lựa chọn.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu thiết kế kỹ thuật cấp điện cho phân xưởng in với các kết quả cụ thể:

  1. Thiết lập hoàn chỉnh hồ sơ thiết kế: Xây dựng đầy đủ sơ đồ mặt bằng, sơ đồ nguyên lý cung cấp điện, sơ đồ đi dây chi tiết cho 3 tổ sản xuất và hệ thống tủ bảng điện.
  2. Xác định chính xác thông số thiết bị: Tính toán chọn lựa máy biến áp, hệ thống tụ bù nâng cao hệ số công suất, mạng lưới dây dẫn/cáp điện hạ áp và thiết bị đóng cắt bảo vệ (CB) tương thích với dòng ngắn mạch và dòng tải định mức.
  3. Kiểm chứng độ chính xác giữa tính tay và phần mềm: Kết quả so sánh giữa tính toán lý thuyết và phần mềm Ecodial 4.2 cho thấy sự tương đồng cao về các thông số phụ tải, tiết diện dây dẫn, độ sụt áp và dòng ngắn mạch.
Điểm kiểm tra / Hạng mục Phương pháp tính tay Phần mềm Ecodial 4.2 Đánh giá tương quan
Phụ tải tính toán ($P_{tt}, Q_{tt}, I_{tt}$) Tính theo hệ số nhu cầu & công thức giải tích Tính tự động từ cơ sở dữ liệu phụ tải Trùng khớp, sai số không đáng kể
Lựa chọn tiết diện dây dẫn & CB Tra bảng dòng phát nóng + hệ số $K$ Tối ưu hóa tự động theo tiêu chuẩn IEC Thống nhất về cấp tiết diện và định mức CB
Độ sụt áp ($\Delta u%$) Công thức CENELEC TR50480 Thuật toán mô phỏng Ecodial Giá trị sai lệch nằm trong ngưỡng cho phép
Dòng ngắn mạch ($I_{k3\max}, I_{k\min}, I_{ef}$) Tính theo phương pháp trở kháng IEC 60909 Giải thuật phân tích mạng lưới hạ áp Đảm bảo độ tin cậy và chọn lọc bảo vệ

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc xây dựng một tài liệu tham khảo có cấu trúc rõ ràng về phương pháp ứng dụng phần mềm chuyên dụng (Ecodial) trong thiết kế điện công nghiệp, đồng thời cung cấp phương pháp luận đối chứng giữa lý thuyết kinh điển và công cụ tính toán tự động hóa hiện đại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đồ án:
    • Phần mềm Ecodial 4.2 phiên bản sử dụng giới hạn tối đa 75 phần tử trong một bản vẽ dự án, gây khó khăn nếu mở rộng phân xưởng quy mô lớn hơn.
    • Đồ án chưa bao gồm phần tính toán và thiết kế hệ thống tiếp địa an toàn chi tiết và hệ thống chống sét cho công trình (do giới hạn tính năng của phần mềm Ecodial như đã nêu trong Chương 1).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu kết hợp thêm các phần mềm chuyên dụng khác để tính toán mạng nối đất và chống sét công trình.
    • Ứng dụng các phiên bản Ecodial mới hơn hoặc các phần mềm EDA mở rộng để thiết kế các hệ thống phân phối điện quy mô lớn với nhiều cấp điện áp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện, Cung cấp Điện và Tự động hóa khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế Cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp đại học.

Đặc biệt, nội dung Chương 1 và Phụ lục (Chương 8) cung cấp hướng dẫn từng bước về cách sử dụng phần mềm Ecodial, bảng tra thông số điện trở suất $\rho$, điện kháng $x$, hệ số điện áp $c$ theo tiêu chuẩn IEC 60909 và CENELEC TR50480, phục vụ trực tiếp cho các kỹ sư và sinh viên trong việc tính toán kiểm tra độ sụt áp và ngắn mạch mạng hạ áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Phần mềm Ecodial 4.2 được xây dựng dựa trên những tiêu chuẩn quốc tế nào?
Phần mềm Ecodial được phát triển dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế bao gồm: NFC 15-100, UTE-C 15500, IEC 947-2, CENELEC R064-003, IEC 364-5-523 và IEC 60909.

2. Các hạn chế kỹ thuật của phần mềm Ecodial được tác giả chỉ ra trong đồ án là gì?
Theo trình bày tại Chương 1, Ecodial có ba hạn chế chính: không thực hiện được tính toán chống sét; không tính toán nối đất (chỉ cho phép chọn sơ đồ nối đất để cấu hình tính toán thiết bị); và mỗi bản vẽ/dự án chỉ cho phép thao tác tối đa 75 phần tử mạch.

3. Công thức tính độ sụt áp trên dây dẫn trong đồ án được áp dụng theo tiêu chuẩn nào?
Độ sụt áp được xác định theo tiêu chuẩn CENELEC TR50480 với công thức: $\Delta U = \frac{k \cdot L \cdot I_b \cdot (r\cos\varphi + x\sin\varphi)}{n}$ (V), trong đó $k = 2$ đối với hệ thống 1 pha/2 pha và $k = \sqrt{3}$ đối với hệ thống 3 pha; độ sụt áp phần trăm tính bằng $\Delta u% = \frac{\Delta U}{U_n} \cdot 100$.

4. Những dạng dòng điện ngắn mạch nào được tính toán kiểm tra trong đồ án?
Đồ án tính toán 5 dạng dòng ngắn mạch: dòng ngắn mạch ba pha cực đại ($I_{k3\max}$), dòng ngắn mạch hai pha cực đại ($I_{k2\max}$), dòng ngắn mạch một pha cực đại ($I_{k1\max}$), dòng ngắn mạch chạm đất ($I_{ef}$), cùng dòng ngắn mạch cực tiểu hai pha ($I_{k2\min}$) và một pha ($I_{k1\min}$).

5. Kết luận rút ra từ việc so sánh giữa tính toán bằng tay và tính toán bằng phần mềm Ecodial là gì?
Kết quả tính toán giải tích bằng tay và kết quả mô phỏng tự động bằng phần mềm Ecodial là hoàn toàn tương đương và trùng khớp nhau trên các phương diện: chọn công suất MBA, dung lượng bù, tiết diện cáp, kiểm tra sụt áp và mức độ chịu ngắn mạch của thiết bị bảo vệ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cấp điện cho phân xưởng in sử dụng phần mềm Ecodial" của sinh viên Nguyễn Hữu Danh đã giải quyết trọn vẹn các yêu cầu kỹ thuật từ tính toán phụ tải, lựa chọn máy biến áp, bù công suất phản kháng đến chọn cáp và thiết bị bảo vệ hạ áp theo tiêu chuẩn IEC. Việc kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở lý thuyết giải tích và công cụ tự động hóa Ecodial 4.2 giúp rút ngắn thời gian thiết kế và nâng cao độ chính xác trong kiểm tra sụt áp và ngắn mạch. Công trình mang lại giá trị thực tiễn cao, đóng vai trò là tài liệu tham khảo rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư ngành kỹ thuật điện trong công tác thiết kế hệ thống cung cấp điện hạ áp công nghiệp.