Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp đại học hệ chính quy ngành Điện Tự Động Công Nghiệp với đề tài "Thiết kế cung cấp điện cho trường phổ thông trung học - tìm hiểu đèn led và oled" do sinh viên Đỗ Văn Chung thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Thân Ngọc Hoàn tại Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng (năm 2019). Đề tài xuất phát từ bối cảnh nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng gia tăng trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa, đòi hỏi việc xây dựng hệ thống cung cấp điện cho các công trình dân dụng và giáo dục phải bảo đảm tính hợp lý, tối ưu hóa chi phí đầu tư, giảm thiểu tổn thất điện năng và vận hành an toàn.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định trong văn bản bao gồm:

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý luận về tính toán phụ tải điện, lý thuyết kỹ thuật chiếu sáng, thông gió và nguyên lý lựa chọn dây dẫn, khí cụ đóng cắt bảo vệ trong mạng hạ áp.
  2. Tổng quan chuyên sâu về công nghệ chiếu sáng trạng thái rắn, bao gồm nguyên lý điện phát quang của diode phát quang (LED) và diode phát quang hữu cơ (OLED), các yêu cầu về bộ điều khiển nguồn (driver), vấn đề tản nhiệt và các phương pháp điều khiển làm mờ (dimming).
  3. Thu thập số liệu mặt bằng kiến trúc và tính toán nhu cầu phụ tải chiếu sáng, thông gió, thiết bị văn phòng và điều hòa không khí cho một trường trung học.
  4. Xây dựng phương án cấp điện tổng thể từ lưới hạ áp 0,4 kV, lựa chọn cấu hình sơ đồ phân phối, tính toán kiểm tra và chọn lựa các phần tử khí cụ điện (áp tô mát, cầu dao, cầu chì), dây dẫn, cáp ngầm/treo và hệ thống nối đất bảo vệ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống mạng phân phối điện hạ áp công trình công cộng kết hợp các công nghệ chiếu sáng bán dẫn LED và OLED.
  • Phạm vi không gian: Mặt bằng công trình trường học gồm 3 tầng (1 tầng trệt và 2 lầu) với tổng diện tích sàn xây dựng $2.400\text{ m}^2$ (diện tích mỗi tầng là $800\text{ m}^2$), cùng các công trình phụ trợ ngoài trời gồm nhà xe, sân trường và tuyến bảo vệ chu vi. Về mặt danh xưng đối tượng áp dụng, văn bản có sự đan xen giữa tên gọi Trường THPT 25-10 và Trường THCS An Phú.
  • Phạm vi thời gian và pháp lý kỹ thuật: Đồ án hoàn thành năm 2019, sử dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hạ thế công nghiệp, tiêu chuẩn tương thích điện từ IEC 61000-3-2 và tiêu chuẩn Energy Star.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án kết hợp nền tảng kỹ thuật điện phân phối công trình với vật lý chất bán dẫn và điện tử công suất:

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

  • Lý thuyết phụ tải điện và phụ tải tính toán: Phụ tải điện được mô hình hóa như một hàm nhiều biến thay đổi theo thời gian nhưng chứa các đại lượng ổn định phục vụ tính toán. Thiết bị và dây dẫn được xác định theo điều kiện làm việc lâu dài dựa trên điện áp định mức ($U_{đmkcđ} \ge U_{đmlđ}$) và dòng điện làm việc cực đại ($I_{đmkcđ} \ge I_{lv max}$).
  • Nguyên lý khí cụ đóng cắt - bảo vệ: Sử dụng các điều kiện chọn khí cụ hạ áp gồm cầu dao cách ly ($U_{đmcd} \ge U_{đm}$, $I_{đmcd} \ge I_{tt}$), cầu chì bảo vệ ngắn mạch ($U_{đmcc} \ge U_{đm}$, $I_{đc} \ge I_{tt}$, kiểm tra phối hợp dây chảy $I_{đc} \le 0,8 I_{cp}$), và áp tô mát (CB) đa chức năng ($U_{đmA} \ge U_{đmlđ}$, $I_{đmA} \ge I_{tt}$, dòng cắt định mức $I_{cđđm} \ge I_N$).
  • Lý thuyết quang học và kỹ thuật chiếu sáng: Các khái niệm trắc quang cơ bản gồm quang thông (Lumen, quy ước $1\text{ W} = 683\text{ lm}$ ở bước sóng $555\text{ nm}$), độ rọi (Lux, $1\text{ lx} = 1\text{ lm/m}^2$), cường độ sáng (Candela). Cơ sở lựa chọn nguồn sáng dựa trên biểu đồ Kruithof (trong văn bản viết là biểu đồ Kioff) về sự hài hòa giữa nhiệt độ màu và độ rọi, chỉ số hoàn màu, hiệu suất phát quang và tính kinh tế.
  • Mô hình nhiệt và mạch driver cho LED/OLED: Phân tích trở kháng nhiệt tương đương gồm điện trở nhiệt nối tiếp ($R_{xy}$) và nhiệt dung song song ($C_{xy}$) từ tiếp giáp p-n ra môi trường; mô hình bộ biến đổi điện tử công suất (buck, boost-buck, flyback DCM) tích hợp hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) nhằm đáp ứng tiêu chuẩn sóng hài dòng điện IEC 61000-3-2.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo cứu lịch sử phát triển của LED bán dẫn và OLED từ các công bố khoa học quốc tế (nghiên cứu năm 1907 của Henry Joseph Round, Oleg V. Lossev năm 1923, Robert Hall và Nick Holonyak thập niên 1960, Shuji Nakamura tại Nichia Corporation, Tang và Van Slyke năm 1987).
  • Phương pháp tính toán phụ tải theo suất công suất trên đơn vị diện tích (suất phụ tải): Áp dụng công thức $P_{tt} = p_0 \cdot S$ với chỉ tiêu $p_0$ riêng biệt cho từng loại phòng ($20\text{ W/m}^2$ cho khối hành chính, hội trường; $15\text{ W/m}^2$ cho khối phòng học lý thuyết).
  • Phương pháp giải tích kỹ thuật điện: Tính toán dòng điện định mức, dòng làm việc phụ tải 1 pha và 3 pha đối xứng theo biểu thức $I = P / (\sqrt{3} \cdot U \cdot \cos\varphi)$, kiểm tra sụt áp cho phép $\Delta U \le \Delta U_{cp} = 5% U_{đm}$.
  • Nguồn dữ liệu: Bản vẽ mặt bằng kiến trúc phân chia công năng các tầng, danh mục thiết bị điện tiêu thụ (đèn huỳnh quang/LED tuýp 40 W, bóng sợi đốt 100 W, quạt trần 75 W, điều hòa không khí 2,5 kW, máy vi tính), catalog kỹ thuật thiết bị đóng cắt hãng GOLSTA (Hàn Quốc) và nguồn điện hạ thế 0,4 kV hiện hữu trước cổng công trình.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án triển khai phương án thiết kế hệ thống cung cấp điện hạ áp cho công trình theo cấu trúc sơ đồ hình tia kết hợp phân nhánh, bảo đảm tính liên tục và linh hoạt vận hành.

Kiến trúc phân phối điện tổng thể

Hệ thống nhận nguồn trực tiếp từ đường dây trên không 0,4 kV chạy trước cổng công trình. Cấu trúc mạng điện bao gồm:

  1. Điểm đấu nối và tủ điện tổng: Đặt một hộp cầu dao tại cột điện trên không (ĐDK), dẫn cáp treo hạ thế vào tủ điện tổng (TG-M-25x3) đặt tại phòng trực bảo vệ. Tủ điện tổng trang bị 1 áp tô mát tổng 60 A và 3 áp tô mát nhánh cấp điện độc lập cho 3 trục phụ tải.
  2. Trục cấp điện tầng trệt: Cáp dẫn từ tủ tổng chạy trên tường dọc hành lang tầng trệt tới hộp chia điện (gồm 1 cầu dao tổng 40 A và 2 cầu dao nhánh 20 A), cấp nguồn cho hội trường, thư viện, các phòng thí nghiệm thực hành và khối văn phòng quản lý.
  3. Trục cấp điện tầng 1 và tầng 2: Dẫn từ tủ điện tổng đến chân cầu thang tầng trệt, tại đây bố trí hộp chia điện trung gian để rẽ nhánh cấp lên trục hành lang của tầng 1 và tầng 2. Mỗi phòng học đều được đấu nối qua một bảng điện điều khiển riêng biệt.
  4. Trục chiếu sáng phụ trợ ngoài trời: Tuyến cáp từ tủ tổng đi tới bảng điện chiếu sáng riêng (trang bị 1 cầu dao 15 A và 2 áp tô mát 10 A) để điều khiển chiếu sáng nhà xe, sân trường và tuyến đèn bảo vệ chu vi.

Bảng tổng hợp tính toán phụ tải các khu vực chức năng

Khu vực chức năng Diện tích ($S$, $\text{m}^2$) Suất phụ tải ($p_0$, $\text{W/m}^2$) Công suất tính toán ($P_{tt}$, kW) Thiết bị chiếu sáng chính Thiết bị làm mát và tiện ích Dòng điện tính toán ($I_{tt}$, A) Thiết bị bảo vệ nhánh
Hội trường 200 20 4,0 100 bóng tuýp 40 W (5 dãy x 20) 16 quạt trần 75 W (1,2 kW), 8 điều hòa 2,5 kW (dự phòng) 7,5 Cầu dao 10 A, Cầu chì 10 A
Thư viện 100 20 2,0 50 bóng tuýp 40 W (5 dãy x 10) 8 quạt trần 75 W (0,6 kW), 1 máy tính (0,2 kW) 3,7 Cầu dao 10 A, Cầu chì 10 A
Phòng TH Vật lý - Hóa học 80 20 1,6 40 bóng tuýp 40 W (4 dãy x 10) 6 quạt trần 75 W (0,45 kW) 3,0 Cầu dao 10 A, Cầu chì 10 A
Phòng TH Sinh học - Địa lý 80 20 1,6 40 bóng tuýp 40 W (4 dãy x 10) 6 quạt trần 75 W (0,45 kW) 3,0 Cầu dao 10 A, Cầu chì 10 A
Văn phòng Đoàn 80 20 1,6 40 bóng tuýp 40 W (4 dãy x 10) 6 quạt trần 75 W (0,45 kW), 1 máy tính (0,2 kW) 3,0 Cầu dao 10 A, Cầu chì 10 A
Phòng Ban Giám hiệu 80 20 1,6 40 bóng tuýp 40 W (4 dãy x 10) 6 quạt trần (0,45 kW), 2 máy tính (0,4 kW), 2 điều hòa (5 kW) 3,0 Cầu dao 10 A, Cầu chì 10 A
Văn phòng giáo viên 80 20 1,6 40 bóng tuýp 40 W (4 dãy x 10) 6 quạt trần (0,45 kW), 5 máy tính (1 kW) 3,0 Cầu dao 10 A, Cầu chì 10 A
Kho + Vệ sinh + Hành lang trệt 180 - 1,8 10 bóng sợi đốt 100 W, 20 bóng tuýp 40 W - - Tích hợp tủ trệt
Khối 10 phòng học Tầng 1 800 15 12,0 300 bóng LED 40 W (30 bóng/phòng) 60 quạt trần 75 W (6 quạt/phòng) 22,7 Cầu dao 30 A, Áp tô mát 30 A
Khối 10 phòng học Tầng 2 800 15 12,0 300 bóng LED 40 W (30 bóng/phòng) 60 quạt trần 75 W (6 quạt/phòng) 22,7 Cầu dao 30 A, Áp tô mát 30 A
Phụ tải ngoài nhà (sân, xe, BV) - - 3,0 4 bóng xe + 16 bóng sân + 10 bóng chu vi (100 W) - 0,8 Cầu dao 15 A, Áp tô mát 15 A

Lựa chọn chủng loại dây dẫn, khí cụ và an toàn nối đất

Các phần tử đóng cắt và dẫn truyền được xác lập đồng bộ dựa trên kết quả tính toán:

Vị trí / Phân đoạn lưới điện Dòng điện tính toán ($I_{tt}$) Chủng loại khí cụ đóng cắt được chọn Chủng loại và quy cách dây dẫn / cáp điện Dòng điện cho phép ($I_{cp}$) Phương thức lắp đặt
Đoạn nguồn vào (ĐDK $\rightarrow$ Tủ tổng) 69,0 A Cầu dao hộp 100 A Cáp PVC ruột đồng tiết diện $10\text{ mm}^2$ (3x6) - Treo trên không từ cột vào trạm bảo vệ
Nhánh phân phối Tầng trệt 30,3 A Áp tô mát GOLSTA 30 A, Cầu dao 40 A Cáp 4 lõi đồng PVC (4x6) 60 A Đi trong ống gen nổi trên tường
Nhánh phân phối Tầng 1 22,7 A Áp tô mát GOLSTA 30 A, Cầu dao 30 A Cáp đồng bọc M(4x4) 60 A Trục chính chạy nổi trên puli sứ
Nhánh phân phối Tầng 2 22,7 A Áp tô mát GOLSTA 30 A, Cầu dao 30 A Cáp đồng bọc M(4x4) 60 A Trục chính chạy nổi trên puli sứ
Tuyến chiếu sáng ngoài trời 0,8 A Áp tô mát GOLSTA 15 A, Cầu dao 15 A Dây đồng bọc M(4x4) và M(2x2,5) 30 A Đi xuyên tường ra ngoài sân và chu vi
Mạch nhánh trong phòng học/đèn/quạt - Cầu chì 10 A, Cầu dao nhánh 10 A Dây mềm bọc đồng M(2x1,5) - Luồn ống gen chống cháy âm/nổi

Về an toàn điện, hệ thống thực hiện giải pháp nối đất bảo vệ cho vỏ tủ điện tổng: sử dụng cọc tiếp địa bằng thép góc $L63\times63\times6$ đóng trực tiếp xuống nền đất bên ngoài tường cạnh vị trí tủ, liên kết từ vỏ tủ điện tới cọc bằng thép tròn đường kính $\Phi 8$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết tính toán và thiết kế cung cấp điện phụ tải

Nội dung chương 1 tập trung xây dựng cơ sở toán học và kỹ thuật điện hạ áp phục vụ tính toán mạng phân phối. Tác giả trình bày định nghĩa phụ tải điện, bản chất ngẫu nhiên của phụ tải và sự cần thiết phải xác lập các đại lượng ổn định phục vụ tính toán. Phần lý thuyết khí cụ điện nêu rõ tiêu chí lựa chọn cho từng loại thiết bị: cầu dao cách ly, cầu dao phụ tải, cầu chì bảo vệ quá dòng/ngắn mạch và áp tô mát tự động ngắt.

Phần lý thuyết kỹ thuật chiếu sáng đi sâu vào bản chất vật lý của bức xạ ánh sáng, phân tích các hiện tượng nóng sáng, phóng điện trong chất khí, hiện tượng phát quang điện và huỳnh quang/lân quang. Chương này xác lập các đơn vị đo trắc quang cốt lõi (Lumen, Lux, Candela), phân tích hệ số sử dụng (UF), chỉ số phòng và các tiêu chí đánh giá độ rọi, chỉ số hoàn màu, nhiệt độ màu theo biểu đồ Kruithof. Tác giả cũng tổng hợp tiêu chuẩn bố trí quạt trần làm mát (1 quạt/$12,5\text{ m}^2$) và lý thuyết lựa chọn dây dẫn dựa trên tính chất cơ lý hóa của đồng và nhôm, đồng thời khẳng định sự vượt trội của vật liệu đồng trong các công trình có yêu cầu kỹ thuật bền vững.

Chương 2: Đèn LED và OLED

Chương 2 là một khảo cứu lý thuyết chuyên biệt về công nghệ chiếu sáng trạng thái rắn (Solid-state lighting). Tác giả tổng thuật tiến trình lịch sử phát triển của LED từ hiện tượng điện phân silicon carbide (Henry Joseph Round, 1907), nghiên cứu tiếp giáp p-n (Oleg V. Lossev, 1923), sự phát xạ laser trên tinh thể gallium arsenide thập niên 1960 (Hall, Holonyak, Nathan, Rediker) cho tới bước ngoặt chế tạo LED xanh lam của Shuji Nakamura tại Nichia Corporation. Các giải pháp tạo ánh sáng trắng được mổ xẻ gồm: phối màu RGB, phủ lớp phốt-pho kích thích bởi ánh sáng xanh lam và cấu trúc nguyên khối không dùng phốt-pho. Văn bản dẫn chứng hiệu suất phát quang của các dòng linh kiện thương mại đạt trên $100\text{ lm/W}$ (như OSRAM OSLON SSL 80, Philips Lumileds Luxeon Rebel ES) cùng các giải pháp nâng cao độ tin cậy bằng đóng gói chip lật (flip-chip) và đế gốm tản nhiệt đạt tuổi thọ $50.000\text{ giờ}$.

Phần công nghệ chiếu sáng hữu cơ (OLED) điểm lại mốc phát minh vật liệu dẫn polymer năm 1977 (Heeger, MacDiarmid, Shirakawa), thiết bị OLED phân tử nhỏ năm 1987 (Tang, Van Slyke) và OLED polymer năm 1990 (Burroughes). Tác giả so sánh đặc tính phát sáng bề mặt đồng đều, không gây chói của OLED nhưng chỉ rõ hạn chế về hiệu suất dạ quang ($50\text{ lm/W}$) và sự suy giảm độ chói xuống 50% sau thời gian sử dụng do thoái hóa điện cực và vật liệu. Đồng thời, văn bản giới thiệu công nghệ phát quang polymer trường (FIPEL) kết hợp ống nano carbon. Về mặt kỹ thuật điều khiển, chương 2 phân tích sâu:

  • Mô hình nhiệt tiếp giáp thông qua mạch tương đương $R_{xy} - C_{xy}$ và tác động của nhiệt độ làm suy giảm quang thông, thay đổi phổ cực đại.
  • Kiến trúc bộ điều khiển LED (driver): chế độ điều khiển dòng điện thay vì áp do đường cong $I-V$ rất dốc; cấu trúc nguồn PFC đơn tầng, hai tầng và tích hợp (như buck-boost chia sẻ khóa chuyển mạch đạt hiệu suất 86%, mạch 70 W dùng tụ $12,\mu\text{F}$ và $3,\mu\text{F}$ nhằm loại trừ tụ hóa để nâng cao tuổi thọ).
  • Các kỹ thuật làm mờ (dimming): so sánh giữa điều chế biên độ dòng (AM) gây đổi màu ánh sáng và điều chế độ rộng xung (PWM) gây nhấp nháy ở tần số thấp; giải pháp điều khiển PWM tần số cao giữ cố định dòng đỉnh; kỹ thuật kết hợp mạch flyback DCM tương thích với chiết áp TRIAC; các giải pháp cân bằng dòng điện giữa các chuỗi LED song song bằng cuộn cản hoặc biến áp.

Chương 3: Tính toán phụ tải cho trường phổ thông trung học 25-10

Chương 3 là phần tính toán kỹ thuật ứng dụng thực tế. Tác giả chia công trình thành từng phân khu cụ thể để xác định phụ tải:

  • Tầng trệt: Áp dụng suất phụ tải $p_0 = 20\text{ W/m}^2$ trên diện tích $800\text{ m}^2$, xác định công suất tính toán $P_{tt} = 16\text{ kW}$, dòng điện tính toán $I_{tt} = 30,3\text{ A}$. Chi tiết từng phòng bao gồm hội trường ($200\text{ m}^2$, bố trí 100 bóng đèn tuýp 40 W thành 5 dãy, 16 quạt trần chia 2 dãy, 8 máy điều hòa 2,5 kW dự phòng); thư viện ($100\text{ m}^2$, bố trí 50 bóng tuýp 40 W, 8 quạt trần, 1 máy tính); các phòng thực hành Vật lý - Hóa học, Sinh học - Địa lý, văn phòng Đoàn, phòng Ban Giám hiệu và văn phòng giáo viên (đều có diện tích $80\text{ m}^2$, bố trí 40 bóng tuýp 40 W, 6 quạt trần và các cụm máy tính tương ứng); khối phụ trợ gồm 10 bóng sợi đốt 100 W cho kho và nhà vệ sinh, 20 bóng tuýp cho hành lang.
  • Tầng 1 và Tầng 2: Mỗi tầng gồm 10 phòng học tiêu chuẩn ($80\text{ m}^2$/phòng), áp dụng suất phụ tải lớp học $p_0 = 15\text{ W/m}^2$, tính ra công suất mỗi phòng là $1,2\text{ kW}$. Thiết kế sử dụng 30 bóng đèn LED 40 W ánh sáng trắng (chia 3 dãy x 10 bóng) và 6 quạt trần 75 W cho mỗi phòng. Chiếu sáng hành lang hai tầng gồm 40 bóng 40 W. Dòng điện tính toán cho mỗi tầng đạt $22,7\text{ A}$.
  • Phụ tải ngoài trời: Xác định tổng công suất $3\text{ kW}$ gồm nhà xe (4 bóng sợi đốt 100 W), sân trường (16 bóng sợi đốt 100 W) và đèn bảo vệ chu vi cách nhau 30 m một bóng (10 bóng sợi đốt 100 W).
  • Tổng hợp phụ tải toàn trường: Tính toán tổng công suất tiêu thụ toàn trường đạt $P_T = 36,55\text{ kW}$ (đã xét hệ số đồng thời). Với hệ số công suất chọn $\cos\varphi = 0,8$, công suất biểu kiến toàn trường là $S_T = 45,6\text{ kVA}$.
  • Lựa chọn thiết bị: Tính ra dòng điện tổng $I_T = 69\text{ A}$, từ đó chọn cáp nguồn vào PVC ruột đồng tiết diện $10\text{ mm}^2$, cầu dao hộp 100 A, tủ điện tổng thanh cái M-25x3, các áp tô mát bảo vệ nhánh hãng GOLSTA, quy cách dây đồng bọc M(4x4), M(2x1,5), ống luồn gen, cọc tiếp địa góc $L63\times63\times6$ và dây tiếp đất $\Phi 8$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật chính

  1. Thông số phụ tải tổng hợp: Xác lập đầy đủ bảng cân bằng phụ tải cho toàn bộ công trình trường học 3 tầng diện tích sàn $2.400\text{ m}^2$ với tổng công suất tác dụng tính toán $P_T = 36,55\text{ kW}$, tổng công suất biểu kiến $S_T = 45,6\text{ kVA}$ tại $\cos\varphi = 0,8$, tương ứng dòng điện tính toán tổng $I_T = 69\text{ A}$.
  2. Quy mô thiết bị tiêu thụ năng lượng:
    • Hệ thống chiếu sáng: 600 bóng đèn LED 40 W cho 20 phòng học tầng 1 và 2; 350 bóng tuýp 40 W cho khối phòng chức năng tầng trệt và 60 bóng tuýp cho hành lang; 30 bóng đèn sợi đốt 100 W cho khối nhà xe, sân trường và tuyến bảo vệ ngoài nhà; 10 bóng sợi đốt 100 W cho kho và khu vệ sinh.
    • Hệ thống thông gió và điều hòa: 172 quạt trần công suất 75 W phân bổ toàn trường (tầng trệt: 52 quạt; tầng 1: 60 quạt; tầng 2: 60 quạt); 10 máy điều hòa không khí 2,5 kW (8 máy tại hội trường dùng dự phòng và 2 máy tại phòng Ban Giám hiệu).
    • Thiết bị công nghệ thông tin: 9 bộ máy vi tính (văn phòng giáo viên: 5 bộ; phòng Ban Giám hiệu: 2 bộ; thư viện: 1 bộ; văn phòng Đoàn: 1 bộ).
  3. Danh mục trang thiết bị phân phối và bảo vệ: Xác định chính xác cấu hình tủ phân phối với 1 áp tô mát tổng $60\text{ A}$ (cấp nguồn chính), 3 áp tô mát nhánh $30\text{ A}$ (cho trệt, tầng 1, tầng 2) và 1 áp tô mát $15\text{ A}$ (chiếu sáng ngoài trời) của hãng GOLSTA; cáp nguồn vào PVC $10\text{ mm}^2$ treo ngoài trời; tuyến cáp trục chính 4 lõi PVC (4x6) và M(4x4); hệ thống cọc tiếp đất an toàn $L63\times63\times6$ kết nối thép tròn $\Phi 8$.

Đóng góp kỹ thuật mà tác giả tự nêu

  • Hoàn thành trọn vẹn quy trình thiết kế cung cấp điện hạ áp bám sát yêu cầu nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp, giải quyết đồng bộ từ khâu tính toán nhu cầu công suất đến bố trí sơ đồ phân phối và lựa chọn thiết bị bảo vệ.
  • Cập nhật và hệ thống hóa lý thuyết công nghệ chiếu sáng bán dẫn trạng thái rắn (LED và OLED), cung cấp góc nhìn kỹ thuật về mạch điện tử công suất tích hợp PFC, điều chế PWM tần số cao và mô hình nhiệt, tạo cơ sở định hướng sử dụng đèn LED tiết kiệm điện thay thế đèn huỳnh quang trong các công trình giáo dục.

Hạn chế và hướng phát triển đề tài

Hạn chế được ghi nhận trong văn bản

  • Tác giả tự nhận định đồ án còn tồn tại sai sót do hạn chế về thời gian thực hiện, điều kiện tiếp cận tư liệu thực tế và kinh nghiệm thiết kế thực tiễn của bản thân sinh viên.
  • Thiếu các số liệu chi tiết để kiểm tra tính toán chuyên sâu (chưa tính toán dòng ngắn mạch chi tiết để kiểm tra khả năng cắt $I_{cđđm}$ của áp tô mát, chưa tính toán độ sụt áp $\Delta U$ cụ thể bằng số liệu chiều dài tuyến cáp thực tế mà chỉ nêu điều kiện giới hạn $\le 5%$).
  • Văn bản bộc lộ sự không nhất quán về mặt biên tập: tên công trình lúc ghi là Trường THPT 25-10, lúc ghi là Trường THCS An Phú; bảng tính chiếu sáng ngoài trời vẫn chọn bóng sợi đốt 100 W vốn tiêu hao nhiều điện năng, trái ngược với xu hướng tiết kiệm điện của đèn LED đã phân tích ở chương 2.

Hướng phát triển đề tài

  • Thu thập đầy đủ hồ sơ thiết kế chi tiết và các quy chuẩn kỹ thuật điện chuyên ngành để hoàn thiện các phép tính kiểm tra ngắn mạch, kiểm tra độ sụt áp và ổn định nhiệt của thanh cái, cáp dẫn.
  • Đầu tư mở rộng thời gian nghiên cứu nhằm tối ưu hóa phương án chiếu sáng: áp dụng đồng bộ đèn LED tiết kiệm năng lượng cho toàn bộ hệ thống (kể cả khối tầng trệt và chiếu sáng ngoài trời) thay vì chỉ sử dụng tại 20 phòng học tầng 1 và tầng 2.
  • Ứng dụng các thuật toán điều khiển chiếu sáng thông minh hoặc mạng điện một chiều (DC microgrid) tích hợp năng lượng tái tạo như đã khảo cứu trong phần lý thuyết chương 2 vào thực tế công trình.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự Động Công Nghiệp, Hệ Thống Điện và Kỹ thuật Cơ điện công trình (M&E). Các nội dung có giá trị tham khảo cụ thể bao gồm:

  • Phương pháp tính toán phụ tải theo suất công suất ($p_0$): Cung cấp ví dụ thực hành trực quan về việc áp dụng chỉ tiêu suất công suất trên mét vuông ($15\text{ W/m}^2 - 20\text{ W/m}^2$) để tính toán nhanh phụ tải trường học, phân nhóm chiếu sáng và thông gió.
  • Tài liệu tổng quan về công nghệ chiếu sáng LED/OLED: Chương 2 đóng vai trò như một bài khảo cứu tổng quan giá trị về vật lý bán dẫn phát quang, mô hình nhiệt tiếp giáp $R_{xy} - C_{xy}$, các cấu trúc mạch driver điện tử công suất (buck-boost, flyback DCM) và nguyên lý điều khiển làm mờ bằng kỹ thuật PWM/AM.
  • Quy trình lựa chọn khí cụ và thiết kế sơ đồ đi dây: Cung cấp mẫu biểu logic lựa chọn thiết bị hạ thế (cầu dao, cầu chì, áp tô mát GOLSTA, cáp đồng bọc PVC, tiếp địa vỏ tủ) bám sát các điều kiện làm việc lâu dài và bảo vệ an toàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công trình trường học này lại chọn đèn LED cho tầng 1, 2 nhưng tầng trệt và ngoài trời lại dùng đèn tuýp và đèn sợi đốt?

Trong văn bản, chương 3 thiết kế 20 phòng học tại tầng 1 và tầng 2 sử dụng hoàn toàn đèn LED 40 W ánh sáng trắng (30 bóng/phòng) để tận dụng ưu điểm bền và tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, khối tầng trệt được thiết kế dùng đèn tuýp huỳnh quang 40 W, kho và khu vực ngoài trời (nhà xe, sân trường, bảo vệ) vẫn chọn bóng đèn sợi đốt 100 W. Đây là sự kết hợp phản ánh giải pháp thực tế có tính chất chuyển tiếp công nghệ tại thời điểm thực hiện đồ án (2019), khi đèn LED bắt đầu được ưu tiên trang bị cho không gian học tập chính.

2. Tổng công suất biểu kiến của toàn bộ trường học được xác định là bao nhiêu và tính từ cơ sở nào?

Tổng công suất biểu kiến tính toán toàn trường là $S_T = 45,6\text{ kVA}$. Con số này được tính toán từ tổng công suất tác dụng $P_T = 36,55\text{ kW}$ (được tổng hợp từ các phụ tải: tầng trệt $16\text{ kW}$, tầng 1 $12\text{ kW}$, tầng 2 $12\text{ kW}$ và phụ tải ngoài trời $3\text{ kW}$ có xét đến hệ số đồng thời) chia cho hệ số công suất trung bình giả định của mạng hạ thế $\cos\varphi = 0,8$.

3. Vấn đề tản nhiệt của đèn LED ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động của bộ đèn theo khảo cứu của tác giả?

Theo phân tích tại chương 2, nhiệt độ tiếp giáp p-n tăng cao sẽ làm suy giảm điện áp hoạt động, thay đổi điện trở nối tiếp tương đương và làm tăng hiện tượng tái tổ hợp không bức xạ trong mạng tinh thể, dẫn đến suy giảm nghiêm trọng sản lượng ánh sáng (lumen). Ngoài ra, nhiệt độ tăng làm giảm dòng điện tối đa cho phép (ví dụ với điện trở nhiệt $70^\circ\text{C/W}$, đèn chịu được $350\text{ mA}$ ở $50^\circ\text{C}$ môi trường nhưng giảm xuống $200\text{ mA}$ ở $75^\circ\text{C}$) và làm dịch chuyển bước sóng phổ phát xạ cực đại, gây biến đổi màu sắc của ánh sáng trắng.

4. Hệ thống tiếp đất bảo vệ an toàn cho công trình được thiết kế với thông số kỹ thuật ra sao?

Để bảo đảm an toàn cho con người và thiết bị, tác giả thiết kế hệ thống tiếp đất cho vỏ tủ điện tổng đặt tại phòng trực: sử dụng cọc tiếp đất bằng thép góc quy cách $L63\times63\times6$ đóng trực tiếp xuống đất ngay phía ngoài tường cạnh vị trí đặt tủ điện; vỏ tủ điện kim loại được liên kết chắc chắn vào cọc tiếp địa thông qua dây thép tròn đường kính $\Phi 8$.

5. Khí cụ đóng cắt chính bảo vệ cho các trục phân phối được lựa chọn từ thương hiệu nào và thông số định mức là bao nhiêu?

Toàn bộ hệ thống áp tô mát (CB) bảo vệ nhánh được lựa chọn từ nhà sản xuất GOLSTA (Hàn Quốc). Trong đó, nhánh cấp điện cho tầng trệt dùng 1 áp tô mát định mức $I_{đm} = 30\text{ A}$ (dòng tính toán $30,3\text{ A}$); nhánh tầng 1 dùng 1 áp tô mát $I_{đm} = 30\text{ A}$ (dòng tính toán $22,7\text{ A}$); nhánh tầng 2 dùng 1 áp tô mát $I_{đm} = 30\text{ A}$ (dòng tính toán $22,7\text{ A}$); và nhánh chiếu sáng ngoài trời dùng áp tô mát $I_{đm} = 15\text{ A}$. Đầu vào tủ điện chính được bảo vệ bằng áp tô mát tổng $60\text{ A}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đỗ Văn Chung đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế mạng phân phối điện hạ áp 0,4 kV cho công trình trường học 3 tầng có quy mô mặt bằng $2.400\text{ m}^2$, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cơ bản về cấp điện, độ tin cậy và an toàn tiếp địa. Đề tài kết hợp thành công tính toán phụ tải thực tế với phần khảo cứu chuyên sâu về công nghệ chiếu sáng bán dẫn hiện đại (LED, OLED) và mạch điều khiển điện tử công suất. Mặc dù còn một số điểm chưa đồng bộ về mặt biên tập số liệu và giải pháp thiết bị chiếu sáng ngoài nhà, đồ án vẫn là một tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo tốt cho sinh viên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp khi thực hiện đồ án thiết kế điện dân dụng và công nghiệp.