Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Điện năng giữ vai trò then chốt trong sự phát triển kinh tế - xã hội và quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Là nguồn năng lượng chủ yếu phục vụ các ngành công nghiệp sản xuất, điện năng có đặc tính nổi bật là dễ dàng chuyển hóa sang các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, hóa năng, đồng thời thuận tiện cho truyền tải và phân phối. Trong bối cảnh nền kinh tế chuyển dịch cơ cấu từ nông nghiệp sang công nghiệp, máy móc công cụ từng bước thay thế sức lao động thủ công của con người, đòi hỏi hệ thống cung cấp điện phải đi trước một bước nhằm thỏa mãn nhu cầu tiêu thụ điện năng liên tục tăng trưởng. Việc thiết kế, cải tiến và nâng cấp mạng lưới điện phân phối tại các cơ sở chế tạo, sửa chữa cơ khí trở thành yêu cầu kỹ thuật tất yếu nhằm đảm bảo tính liên tục, an toàn và hiệu quả kinh tế trong vận hành.
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cung cấp điện cho xưởng cơ khí Tân Tiến" được thực hiện bởi sinh viên Phan Văn Toàn (Lớp DC 2101, Chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng) dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Dương vào năm 2021. Đề tài tập trung giải quyết bài toán tính toán kỹ thuật và thiết kế hệ thống cung cấp điện hạ áp cho một cơ sở sản xuất cơ khí cụ thể.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm các nội dung chính:
- Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và các phương pháp xác định phụ tải tính toán trong mạng điện công nghiệp.
- Thu thập số liệu công nghệ, khảo sát mặt bằng, phân nhóm phụ tải và tính toán xác định phụ tải tính toán động lực và phụ tải chiếu sáng cho xưởng cơ khí Tân Tiến.
- Thiết kế mạng hạ áp cho phân xưởng: xác định sơ đồ nối điện, tính chọn trạm biến áp, cáp truyền tải chính, tủ phân phối, cáp động lực, thiết bị đóng cắt và bảo vệ (aptomat, cầu chì), dây dẫn tới từng thiết bị máy công cụ.
- Nghiên cứu ý nghĩa kỹ thuật - kinh tế của việc cải thiện hệ số công suất, xác định dung lượng và giải pháp bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ của mạng điện phân xưởng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cung cấp điện hạ áp, bao gồm phụ tải động lực của dây chuyền máy công cụ và phụ tải chiếu sáng làm việc, chiếu sáng cục bộ trong xưởng cơ khí.
- Phạm vi không gian: Phân xưởng cơ khí Tân Tiến chuyên gia công sản xuất bánh răng, hộp số, hộp tốc độ và chi tiết máy; mặt bằng hình chữ nhật có kích thước $a \times b \times H = 24 \times 36 \times 3,7\text{ m}$ (diện tích tính toán mạng điện là $1000\text{ m}^2$). Nguồn cấp điện được lấy từ một phân đoạn thanh cái $35\text{ kV}$ qua trạm biến áp trung gian $35/0,4\text{ kV}$, điểm đấu điện cách nhà xưởng cự ly $L = 150\text{ m}$.
- Phạm vi thời gian và thông số vận hành: Đồ án hoàn thành vào tháng 12 năm 2021; thời gian sử dụng công suất cực đại của xưởng $T_M = 4500\text{ h}$; công suất ngắn mạch tại điểm đấu nguồn $S_k = 7,64\text{ MVA}$; thời gian tồn tại dòng ngắn mạch $t_k = 2,5\text{ s}$; tổn thất điện áp cho phép từ nguồn đến đầu vào thiết bị dùng điện $\Delta U_{cp} = 3,5%$; hệ số công suất yêu cầu nâng cao từ mức tự nhiên $\cos\varphi = 0,6$ lên $\cos\varphi = 0,9$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng các giải pháp kỹ thuật dựa trên nền tảng lý thuyết cung cấp điện công nghiệp, lý thuyết truyền tải và phân phối điện năng, cùng các công thức tính toán giải tích tiêu chuẩn trong thiết kế điện.
Khung lý thuyết và các khái niệm cốt lõi:
- Khái niệm phụ tải tính toán ($P_{tt}, Q_{tt}, S_{tt}, I_{tt}$): Phụ tải giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải biến đổi thực tế về mặt hiệu ứng nhiệt lớn nhất; làm dây dẫn phát nóng lên nhiệt độ bằng nhiệt độ lớn nhất do phụ tải thực tế gây nên, đóng vai trò làm căn cứ chọn các phần tử mạng điện (dây dẫn, máy biến áp, khí cụ đóng cắt và bảo vệ).
- Bốn phương pháp xác định phụ tải tính toán:
- Phương pháp xác định theo công suất đặt và hệ số nhu cầu ($K_{nc}$): $P_{tt} = K_{nc} \cdot P_{\text{đặt}}$. Thường dùng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ khi chỉ biết công suất đặt của phân xưởng.
- Phương pháp xác định theo công suất trung bình và hệ số cực đại ($K_{sd}, K_{max}, n_{hq}$): Áp dụng khi đã có thiết kế chi tiết mặt bằng, biết rõ vị trí và công nghệ từng máy. Phụ tải nhóm tính theo công thức: $P_{tt} = K_{max} \cdot K_{sd} \sum P_{đmi}$. Trong đó, số thiết bị dùng điện hiệu quả ($n_{hq}$) được xác định qua số thiết bị $n_1$ có công suất $P \ge 0,5 P_{max}$, công suất $P_1$, các tỷ số $n_* = n_1 / n$ và $P_* = P_1 / P_{\Sigma}$, tra bảng phụ lục kỹ thuật để tìm $n_{hq}^$ và suy ra $n_{hq} = n \cdot n_{hq}^$. Khi $n \le 3$ hoặc $n_{hq} < 4$, phụ tải tính toán lấy bằng tổng công suất định mức: $P_{tt} = \sum P_{đmi}$.
- Phương pháp xác định theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích ($p_o$): $P_{tt} = p_o \cdot F$. Áp dụng cho phân xưởng có mật độ máy bố trí tương đối đồng đều.
- Phương pháp xác định theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm ($w_o$): $P_{tt} = (M \cdot w_o) / T_{max}$. Dùng cho phụ tải ổn định, ít biến đổi như quạt gió, bơm nước, máy nén khí.
- Lý thuyết thiết kế chiếu sáng: Áp dụng phương pháp hệ số lợi dụng ánh sáng ($k_{ld}$) dựa trên diện tích sàn, chiều cao treo đèn tính toán ($h = H - h_1 - h_2$), chỉ số phòng và hệ số phản xạ của trần, tường để xác định tổng quang thông $F_{\Sigma}$ và số lượng đèn cần thiết.
- Lý thuyết lựa chọn thiết bị điện hạ áp:
- Cáp và dây dẫn: Lựa chọn theo điều kiện dòng điện phát nóng cho phép lâu dài có kể đến hệ số hiệu chỉnh môi trường và số lượng cáp đi chung rãnh: $k_1 \cdot k_2 \cdot I_{cp} \ge I_{tt}$.
- Điều kiện kết hợp khí cụ bảo vệ: Khi bảo vệ bằng cầu chì, tiết diện dây phải thỏa mãn $k_1 \cdot k_2 \cdot I_{cp} \ge I_{dc} / \alpha$ (với mạch động lực chọn $\alpha = 3$; mạch chiếu sáng chọn $\alpha = 0,3$).
- Khí cụ bảo vệ (Cầu chì, Aptomat): Chọn theo điện áp định mức, dòng điện định mức và kiểm tra điều kiện mở máy động cơ lồng sóc ($I_{dc} \ge (k_{mm} \cdot I_{đm}) / \alpha$).
- Lý thuyết nâng cao hệ số công suất: Bù công suất phản kháng bằng tụ điện tĩnh đấu vào thanh cái hạ áp nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng $\Delta P$ và tổn thất điện áp $\Delta U$.
Phương pháp nghiên cứu thực tế:
- Phương pháp phân tích và tổng hợp số liệu công nghệ: Đánh giá danh mục công suất, chế độ làm việc và vị trí tọa độ của 50 thiết bị máy móc trong xưởng.
- Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Sử dụng hệ thống công thức giải tích kết hợp tra cứu các bảng thông số chuẩn từ Sổ tay kỹ thuật (STK) và cẩm nang thiết kế cung cấp điện (bảng tra $n_{hq}^*$, hệ số $K_{max}$, bảng dòng cho phép $I_{cp}$ của cáp ngầm, bảng đặc tính khí cụ điện).
- Phương pháp phân nhóm kỹ thuật: Phân bổ máy móc vào các nhóm phụ tải dựa trên nguyên tắc khoảng cách địa lý gần nhau, tính đồng nhất về chế độ làm việc, cân bằng tổng công suất giữa các nhóm và giới hạn số lộ ra của tủ động lực.
Nguồn dữ liệu:
- Danh mục phụ tải điện của phân xưởng cơ khí Tân Tiến gồm 50 máy thuộc 4 bộ phận: rèn, nhiệt luyện, mộc, quạt gió.
- Các bảng tra phụ lục kỹ thuật chuyên ngành: PL I.5 (xác định $n_{hq}^*$), PL I.6 (xác định $K_{max}$), PL IV (tra chọn aptomat), PL V.13 (tra dòng cho phép của cáp đồng cách điện PVC).
Thiết kế và triển khai
Hệ thống cung cấp điện hạ áp cho phân xưởng cơ khí Tân Tiến được thiết kế với cấu trúc tổng thể và các phần tử kỹ thuật cụ thể như sau:
Cấu trúc mạng điện phân phối
Nguồn điện hạ áp được cấp từ một phân đoạn thanh cái $35\text{ kV}$ qua máy biến áp hạ áp $35/0,4\text{ kV}$ công suất định mức $630\text{ kVA}$ đặt tại trạm biến áp, truyền dẫn về tủ phân phối chính của xưởng qua đường cáp ngầm dài $150\text{ m}$.
- Cấu trúc mạng: Áp dụng sơ đồ hỗn hợp (kết hợp hình tia và liên thông).
- Tuyến từ tủ phân phối chính đến 5 tủ động lực (ĐL1 đến ĐL5) và 1 tủ chiếu sáng được cấp theo sơ đồ hình tia độc lập, giúp việc vận hành, đóng cắt, xử lý sự cố tách biệt và an toàn.
- Tuyến từ tủ động lực đến các thiết bị tiêu thụ: Các phụ tải có công suất lớn và quan trọng nhận điện trực tiếp từ thanh cái tủ động lực theo hình tia; các phụ tải công suất nhỏ, thứ yếu được ghép thành nhóm liên thông móc xích nhằm tiết kiệm dây dẫn và thiết bị đóng cắt.
Lựa chọn thiết bị đóng cắt, cáp và tủ điện
| Vị trí / Thiết bị |
Loại / Mã hiệu thiết bị |
Thông số tính toán / Dòng chọn |
Đặc tính kỹ thuật |
| Aptomat tổng trạm biến áp |
Aptomat khối hạ áp |
$I_{xg} = 957,38\text{ A}$ |
Đặt tại đầu nguồn hạ thế của MBA 630 kVA |
| Tuyến cáp nguồn chính (TBA - Tủ PP) |
Cáp đồng ngầm 5 nhánh 5PVC $(3\times 70 + 1\times 70)$ |
$S_{ttpx} = 686,55\text{ kVA}$, chia 5 nhánh song song |
Cách điện PVC, chôn ngầm trực tiếp cự ly 150 m |
| Tủ phân phối chính xưởng |
Tủ IIP-9262 (Liên Xô chế tạo) |
Dòng đầu vào và 6 đầu ra |
Gồm 1 lộ vào và 6 lộ ra (5 lộ cấp tủ ĐL, 1 lộ cấp tủ CS) |
| Cáp từ tủ PP đến các tủ ĐL |
Cáp đồng 4 lõi $120\text{ mm}^2$ |
$I_{cp} = 343\text{ A}$, các dòng tải từ $99\text{ A}$ đến $361,5\text{ A}$ |
Đặt ngầm dưới đất riêng từng tuyến ($k_1 = k_2 = 1$) |
| Cầu chì bảo vệ tủ ĐL và nhánh máy |
Cầu chì hạ áp loại $\Pi\text{P}-2$ (PP-2) |
Dòng định mức vỏ $I_{vo}$ từ $45\text{ A} - 600\text{ A}$, dây chảy $I_{dc}$ từ $20\text{ A} - 600\text{ A}$ |
Chọn theo điều kiện mở máy ($k_{mm}=5, \alpha=2,5$) và tính chọn lọc |
| Dây dẫn từ tủ ĐL đến từng động cơ |
Cáp đồng 4 lõi cách điện PVC mã hiệu $\Pi\text{PTO}$ (PPTO) |
Tiết diện ruột dẫn từ $2,5\text{ mm}^2$ đến $50\text{ mm}^2$ |
Luồn trong ống thép bảo vệ $\Phi 3/4''$, chôn ngầm dưới nền bê tông |
Tác giả giải trình việc không tính toán dòng ngắn mạch để kiểm tra cáp và aptomat do khoảng cách từ xưởng đến trạm biến áp khá xa ($150\text{ m}$), tổng trở mạng lớn làm dòng ngắn mạch suy giảm đáng kể.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Các phương pháp xác định phụ tải tính toán
Chương này tổng kết cơ sở lý thuyết xác định phụ tải tính toán và triển khai tính toán chi tiết cho xưởng cơ khí Tân Tiến. Sau khi trình bày 4 phương pháp tính toán lý thuyết, tác giả áp dụng phương pháp công suất trung bình và hệ số cực đại ($K_{sd}, K_{max}$) cho phụ tải động lực của xưởng.
Phân xưởng có 50 thiết bị tiêu thụ điện được chia thành 5 nhóm phụ tải kỹ thuật:
- Nhóm 1: Gồm 8 thiết bị (2 búa hơi để rèn $2\times 10\text{ kW}$, 2 búa hơi $2\times 28\text{ kW}$, 2 lò rèn $2\times 4,5\text{ kW}$, 1 lò rèn $6\text{ kW}$, dầm treo palăng $4,8\text{ kW}$, quạt ly tâm $7\text{ kW}$, lò điện $15\text{ kW}$, 2 máy biến áp $2\times 2,2\text{ kW}$). Tổng số thiết bị $n = 11$, xác định được $n_{hq}^* = 0,57 \Rightarrow n_{hq} = 7$; với $K_{sd} = 0,2$ tra được $K_{max} = 2,1$.
- Nhóm 2: Gồm 8 thiết bị (1 lò điện $30\text{ kW}$, 2 máy mài sắc $2\times 3,6\text{ kW}$, 1 quạt thông gió $2,5\text{ kW}$, 1 lò điện $20\text{ kW}$, 1 máy ép ma sát $10\text{ kW}$...). Tổng công suất đặt $P_{\Sigma} = 74,1\text{ kW}$. Số thiết bị hiệu quả $n_{hq} = 4$; hệ số $K_{max} = 2,64$.
- Nhóm 3: Gồm 3 thiết bị (1 thiết bị tôi cao tần $60\text{ kW}$, 1 thiết bị đo bi $23\text{ kW}$, 1 lò điện hóa cứng kim loại $60\text{ kW}$). Tổng công suất đặt $P_{\Sigma} = 143\text{ kW}$. Do số thiết bị $n = 3 \le 3$ và $n_{hq} < 4$, phụ tải tính toán tác dụng được xác định trực tiếp bằng tổng công suất định mức: $P_{tt3} = \sum P_{đmi} = 143\text{ kW}$.
- Nhóm 4: Gồm 9 thiết bị (lò điện $36\text{ kW}$, lò rèn $30\text{ kW}$, lò điện $30\text{ kW}$, bể dầu $4\text{ kW}$, thiết bị tôi bánh răng $18\text{ kW}$, máy đo độ cứng đầu côn $0,25\text{ kW}$, cầu trục palăng $1,3\text{ kW}$, bể dầu tăng nhiệt $3\text{ kW}$...). Tổng công suất đặt $P_{\Sigma} = 123,15\text{ kW}$. Xác định được $n_{hq} = 5$, hệ số $K_{max} = 2,42$.
- Nhóm 5: Gồm 9 thiết bị (máy nén khí $45\text{ kW}$, máy bào gỗ $4,5\text{ kW}$ và $7\text{ kW}$, máy cưa tròn $4,5\text{ kW}$, quạt gió $12\text{ kW}$, quạt gió số 9 $9\text{ kW}$, quạt gió số 14 $18\text{ kW}$...). Tổng công suất đặt $P_{\Sigma} = 109\text{ kW}$. Xác định được $n_{hq} = 4$, tra được $K_{max} = 2,64$.
Đối với thiết kế chiếu sáng: Phân xưởng cơ khí yêu cầu độ rọi $E_{yc} = 100\text{ lux}$. Tác giả phân tích và quyết định không sử dụng đèn huỳnh quang vì tần số công nghiệp $50\text{ Hz}$ tạo ra hiện tượng nhấp nháy, gây ảo giác đứng yên đối với các cơ cấu máy quay, tiềm ẩn nguy cơ tai nạn lao động cao. Do đó, hệ thống chọn đèn sợi đốt công suất $200\text{ W}$, quang thông $F = 3000\text{ lumen}$. Chiều cao tính toán treo đèn $h = 2,3\text{ m}$, tỷ lệ khoảng cách bố trí đèn $L/h = 1,8$ dẫn đến khoảng cách chọn là $4,1\text{ m}$. Hệ thống tính toán ra số lượng đèn cần thiết là $N = 50,5$ đèn và chọn thực tế $54$ đèn bố trí đều trên mặt bằng diện tích $24 \times 36\text{ m}$. Ngoài ra, trang bị chiếu sáng cục bộ bằng bóng sợi đốt $100\text{ W}$ cho từng máy và các phòng phụ trợ. Tổng phụ tải chiếu sáng toàn xưởng là $P_{cs} = 12\text{ kW}$.
Tổng hợp phụ tải toàn phân xưởng có xét đến hệ số đồng thời $k_{đt}$:
- Công suất tác dụng tính toán: $P_{ttpx} = 412,6\text{ kW}$ (trong một số bảng tổng hợp ghi nhận $412,74\text{ kW}$).
- Công suất phản kháng tính toán: $Q_{ttpx} = 412,74\text{ kVAr}$ (với $\cos\varphi = 0,6 \Rightarrow \text{tg}\varphi = 1,33$).
- 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 2 giải quyết toàn bộ bài toán chọn khí cụ điện, dây dẫn và bảng tủ điện:
- Chọn trạm biến áp và aptomat đầu nguồn: Từ công suất toàn phần $S_{ttpx} = 686,55\text{ kVA}$, trạm biến áp hạ thế có máy biến áp $630\text{ kVA}$, dòng điện tính toán phía hạ áp $I_{xg} = 957,38\text{ A}$, làm căn cứ chọn aptomat tổng.
- Tuyến cáp trục từ trạm biến áp về xưởng: Do dòng phụ tải lớn, đường dây cáp hạ áp $150\text{ m}$ được thiết kế gồm 5 nhánh cáp ngầm đặt song song loại 5PVC $(3\times 70 + 1\times 70\text{ mm}^2)$.
- Tủ phân phối: Lựa chọn tủ phân phối IIP-9262 do Liên Xô chế tạo với 1 đầu vào và 6 đầu ra. Các tuyến cáp từ tủ phân phối tới 5 tủ động lực đều sử dụng cáp đồng 4 lõi tiết diện $120\text{ mm}^2$ có dòng cho phép $I_{cp} = 343\text{ A}$ đặt ngầm dưới đất.
- Lựa chọn cầu chì bảo vệ cho tủ động lực và các máy công cụ: Sử dụng cầu chì hạ thế kiểu hở ruột trần hoặc có ống bảo vệ loại $\Pi\text{P}-2$. Vì các động cơ là loại không đồng bộ rotor lồng sóc, hệ số mở máy lấy $k_{mm} = 5$, hệ số mở máy nhẹ $\alpha = 2,5$. Cầu chì tổng tủ động lực được chọn thỏa mãn 3 điều kiện: dòng tính toán nhóm, dòng mở máy cực đại và điều kiện chọn lọc (lớn hơn tối thiểu 2 cấp định mức so với cầu chì nhánh lớn nhất).
- Lựa chọn dây dẫn từ tủ động lực đến từng động cơ: Chọn loại dây/cáp đồng 4 lõi cách điện PVC mã hiệu $\Pi\text{PTO}$, luồn trong ống thép chịu lực đường kính $\Phi 3/4''$ chôn ngầm dưới nền xưởng. Các dây dẫn được kiểm tra phát nóng theo điều kiện môi trường ($k_1 = 1$ ở $25^\circ\text{C}$, $k_2 = 0,85$ khi đi chung rãnh) và kiểm tra điều kiện kết hợp cầu chì bảo vệ ($0,85 \cdot I_{cp} \ge I_{dc} / 3$). Tiết diện dây dẫn chọn từ $2,5\text{ mm}^2$ (cho các động cơ nhỏ từ $0,25\text{ kW}$ đến $7\text{ kW}$) đến $16\text{ mm}^2, 25\text{ mm}^2, 50\text{ mm}^2$ (cho các lò điện và thiết bị tôi cao tần).
Chương 3: Tính bù công suất phản kháng
Nội dung chương 3 tập trung phân tích kỹ thuật và định lượng bài toán bù công suất phản kháng:
- Phân tích ảnh hưởng của hệ số công suất thấp: Mạng điện ban đầu có $\cos\varphi = 0,6$ gây ra tổn thất điện năng $\Delta A$, tổn thất công suất tác dụng $\Delta P$ và độ sụt áp $\Delta U$ lớn trên đường dây dẫn $150\text{ m}$ và máy biến áp, làm giảm khả năng mang tải của thiết bị.
- Ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật của việc nâng cao $\cos\varphi$: Giúp giảm dòng điện chạy trên lưới, giảm phát nóng, nâng cao điện áp ở đầu cực thiết bị và tránh bị phạt tiền điện theo quy định của ngành điện lực.
- Đề xuất các giải pháp nâng cao $\cos\varphi$ tự nhiên: Vận hành động cơ đúng tải, thay thế động cơ thường xuyên non tải bằng động cơ có công suất phù hợp, hạn chế thời gian chạy không tải của máy hàn, máy biến áp và lò điện.
- Tính toán bù nhân tạo: Để nâng hệ số công suất của toàn xưởng cơ khí từ $\cos\varphi_1 = 0,6$ ($\text{tg}\varphi_1 = 1,33$) lên mức tiêu chuẩn $\cos\varphi_2 = 0,9$ ($\text{tg}\varphi_2 = 0,48$), dung lượng bù công suất phản kháng toàn phân xưởng được tính toán và phân bổ tập trung tại thanh cái tủ phân phối chính của xưởng.
Kết quả và đóng góp
Kết quả định lượng
Đồ án đã đưa ra các kết quả tính toán kỹ thuật cụ thể bằng các bảng dữ liệu:
-
Tổng hợp phụ tải tính toán toàn phân xưởng cơ khí Tân Tiến:
- Diện tích nhà xưởng: $1000\text{ m}^2$ (kích thước phủ bì $24 \times 36\text{ m}$).
- Tổng công suất tác dụng tính toán phân xưởng: $P_{ttpx} = 412,6\text{ kW}$ (bao gồm $12\text{ kW}$ chiếu sáng).
- Tổng công suất phản kháng tính toán: $Q_{ttpx} = 412,74\text{ kVAr}$.
- Tổng công suất biểu kiến tính toán: $S_{ttpx} = 686,55\text{ kVA}$.
- Hệ số công suất tự nhiên: $\cos\varphi = 0,6$; hệ số công suất sau khi bù: $\cos\varphi = 0,9$.
-
Quy mô và thông số thiết bị chiếu sáng:
- Sử dụng 54 bóng đèn sợi đốt $200\text{ W}$, quang thông mỗi bóng $3000\text{ lumen}$, đảm bảo độ rọi yêu cầu $E_{yc} = 100\text{ lux}$.
- Đèn chiếu sáng cục bộ công suất $100\text{ W}$ gắn trực tiếp tại từng máy công cụ.
-
Danh mục thiết bị điện và cáp được lựa chọn:
- Cáp nguồn chính: 5 nhánh cáp ngầm $5\text{PVC } (3\times 70 + 1\times 70\text{ mm}^2)$ từ trạm biến áp về xưởng.
- Tủ phân phối: 01 tủ IIP-9262 gồm 1 lộ vào và 6 lộ ra.
- Tuyến cáp đến các tủ động lực: Tuyến PP-ĐL1 ($I_{tt} = 129,96\text{ A}$), Tuyến PP-ĐL2 ($I_{tt} = 99\text{ A}$), Tuyến PP-ĐL4 ($I_{tt} = 361,5\text{ A}$) đều chọn cáp đồng 4 lõi tiết diện $120\text{ mm}^2$, $I_{cp} = 343\text{ A}$.
- Khí cụ bảo vệ: Cầu chì loại $\Pi\text{P}-2$ có dòng dây chảy $I_{dc}$ từ $20\text{ A}$ đến $600\text{ A}$.
- Dây dẫn phân phối nội bộ: Dây đồng $\Pi\text{PTO}$ từ $2,5\text{ mm}^2$ đến $50\text{ mm}^2$ luồn trong ống thép $\Phi 3/4''$.
Giải pháp và đóng góp của đề tài
- Xây dựng sơ đồ cung cấp điện hỗn hợp hợp lý, kết hợp hình tia cho các nhánh tủ phân phối và kết hợp liên thông cho các phụ tải công suất nhỏ, giúp giảm khối lượng kim loại màu (đồng) và hạ giá thành đầu tư lưới điện.
- Nhận định và xử lý triệt để yếu tố an toàn lao động trong xưởng cơ khí: kiên quyết loại bỏ đèn huỳnh quang để ngăn ngừa hiện tượng ảo giác hoạt nghiệm đối với máy quay, chọn giải pháp đi dây cáp luồn ống thép chôn ngầm dưới sàn bê tông giúp bảo vệ cơ học, chống dầu mỡ và va đập vật lý.
- Về mặt học thuật: Hoàn thiện quy trình tính toán phụ tải theo phương pháp số thiết bị dùng điện hiệu quả ($n_{hq}$), chứng minh tính phù hợp so với các phương pháp tính gần đúng thô sơ, tạo tiền đề tính toán chính xác thiết bị bảo vệ và cáp điện.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Tác giả bỏ qua khâu tính toán dòng ngắn mạch chi tiết tại từng thanh cái tủ động lực với lý do xưởng nằm cách xa trạm biến áp ($150\text{ m}$), dẫn đến việc thiếu các bước kiểm tra định lượng về độ bền nhiệt và độ bền lực điện động cho hệ thống cáp hạ áp và khí cụ đóng cắt.
- Danh mục thiết bị được lựa chọn trong đồ án chủ yếu dựa trên các bảng tra và catalogue cũ có xuất xứ từ Liên Xô trước đây (tủ phân phối IIP-9262, cầu chì $\Pi\text{P}-2$, dây cáp $\Pi\text{PTO}$), chưa tiếp cận các dòng thiết bị đóng cắt dạng khối hiện đại (MCCB, MCB) và vật liệu dây cáp thế hệ mới phổ biến trên thị trường.
- Hệ thống chiếu sáng sử dụng bóng đèn sợi đốt $200\text{ W}$ tuy triệt tiêu được hiện tượng hoạt nghiệm nhưng có hiệu suất phát quang thấp và tiêu tốn nhiều điện năng.
Hướng nghiên cứu tiếp được gợi mở từ phạm vi đề tài:
- Bổ sung tính toán ngắn mạch ba pha, ngắn mạch một pha chạm đất tại các điểm nút hạ áp để kiểm tra khả năng cắt dòng ngắn mạch định mức của thiết bị đóng cắt và độ nhạy của thiết bị bảo vệ.
- Nghiên cứu thay thế giải pháp bảo vệ bằng cầu chì sang sử dụng các dòng Aptomat bảo vệ quá tải và ngắn mạch tích hợp rơ le điện tử nhằm tăng độ tin cậy và khả năng tự động hóa trong quản lý vận hành.
- Khảo sát ứng dụng công nghệ đèn LED công nghiệp không nhấp nháy, có độ rọi cao và tuổi thọ lớn để thay thế đèn sợi đốt, giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ cho phụ tải chiếu sáng.
- Nghiên cứu lắp đặt bộ tự động điều khiển dung lượng tụ bù theo hệ số công suất tức thời thay vì sử dụng tụ bù tĩnh cố định.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự Động Công Nghiệp, Hệ thống điện đang thực hiện đồ án môn học Cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế mạng điện phân xưởng sản xuất.
- Kỹ sư thiết kế cơ điện (MEP) tại các nhà máy, xí nghiệp chế tạo cơ khí cần tài liệu tham khảo về quy trình phân nhóm máy móc và tính toán phụ tải thực tế.
Nội dung đáng chú ý để tham khảo:
- Trình tự 5 bước xác định số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) và cách tra bảng xác định hệ số cực đại ($K_{max}$) trong phương pháp tính phụ tải trung bình.
- Bảng tổng hợp công suất và phân nhóm máy móc trong một dây chuyền gia công cơ khí hoàn chỉnh (từ rèn, nhiệt luyện đến gia công cắt gọt, mộc và thông gió).
- Phương pháp luận và công thức kiểm tra điều kiện phối hợp giữa tiết diện dây dẫn với dòng định mức dây chảy cầu chì cho động cơ rotor lồng sóc có dòng mở máy lớn.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án không sử dụng đèn huỳnh quang mà lại chọn đèn sợi đốt để chiếu sáng phân xưởng cơ khí Tân Tiến?
Đèn huỳnh quang hoạt động ở tần số lưới điện $50\text{ Hz}$ tạo ra quang thông dao động theo chu kỳ (hiệu ứng hoạt nghiệm - stroboscopic effect). Trong phân xưởng cơ khí có nhiều máy móc chuyển động quay (máy tiện, máy mài, máy khoan), hiện tượng này tạo ra ảo giác thị giác làm cho các bộ phận đang quay tốc độ cao trông như đang đứng yên hoặc quay chậm, rất nguy hiểm và dễ dẫn đến tai nạn lao động nghiêm trọng. Vì vậy, tác giả chọn đèn sợi đốt công suất $200\text{ W}$ để nguồn sáng phát ra liên tục và ổn định.
2. Tổng phụ tải tính toán tác dụng, phản kháng và biểu kiến của xưởng cơ khí Tân Tiến đạt giá trị bao nhiêu?
Căn cứ theo kết quả tính toán tổng hợp toàn phân xưởng có xét hệ số đồng thời, công suất tác dụng tính toán là $P_{ttpx} = 412,6\text{ kW}$ (đã bao gồm $12\text{ kW}$ phụ tải chiếu sáng), công suất phản kháng tính toán là $Q_{ttpx} = 412,74\text{ kVAr}$, công suất biểu kiến tính toán là $S_{ttpx} = 686,55\text{ kVA}$, và hệ số công suất tự nhiên là $\cos\varphi = 0,6$.
3. Tuyến cáp chính từ trạm biến áp hạ áp về xưởng cơ khí được lựa chọn có thông số như thế nào?
Do xưởng nằm cách trạm biến áp cự ly $L = 150\text{ m}$ và có dòng điện tính toán lớn, tác giả chia đường truyền thành 5 nhánh cáp ngầm đặt song song. Loại cáp được lựa chọn là 5PVC $(3\times 70 + 1\times 70\text{ mm}^2)$, tức cáp đồng 4 lõi cách điện PVC, gồm 3 lõi pha tiết diện $70\text{ mm}^2$ và 1 lõi trung tính tiết diện $70\text{ mm}^2$.
4. Vì sao phụ tải tính toán của nhóm 3 lại được tính bằng tổng công suất định mức mà không cần tra bảng hệ số cực đại?
Nhóm 3 gồm 3 thiết bị (thiết bị tôi cao tần $60\text{ kW}$, thiết bị đo bi $23\text{ kW}$, lò điện hóa cứng $60\text{ kW}$). Theo quy phạm và lý thuyết xác định phụ tải tính toán bằng phương pháp công suất trung bình, khi số thiết bị trong nhóm $n \le 3$ và số thiết bị hiệu quả $n_{hq} < 4$ (tính ra $n_{hq} = 2,43$), bảng tra hệ số $K_{max}$ không có giá trị (bảng chỉ bắt đầu từ $n_{hq} = 4$). Trong trường hợp này, phụ tải tính toán tác dụng được lấy trực tiếp bằng tổng công suất đặt của nhóm: $P_{tt3} = \sum P_{đmi} = 60 + 23 + 60 = 143\text{ kW}$.
5. Dây dẫn cấp điện từ các tủ động lực tới từng máy công cụ được chọn loại nào và lắp đặt ra sao?
Dây dẫn được chọn là cáp đồng 4 lõi cách điện PVC mã hiệu $\Pi\text{PTO}$ do Liên Xô chế tạo, tiết diện từ $2,5\text{ mm}^2$ đến $50\text{ mm}^2$ tùy theo dòng định mức của từng máy. Dây được luồn bên trong ống thép bảo vệ có đường kính danh nghĩa $\Phi 3/4''$ và đặt chôn ngầm trực tiếp dưới nền bê tông phân xưởng để chống va đập cơ học và chống dầu mỡ công nghiệp.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cung cấp điện cho xưởng cơ khí Tân Tiến" của sinh viên Phan Văn Toàn đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật cho mạng phân phối điện hạ áp của một cơ sở gia công cơ khí quy mô trung bình. Tác giả đã áp dụng bài bản phương pháp số thiết bị dùng điện hiệu quả để xác định phụ tải tính toán đạt $412,6\text{ kW}$, đồng thời thiết kế hệ thống chiếu sáng an toàn chống ảo giác và lựa chọn đồng bộ hệ thống cáp 5PVC, tủ phân phối IIP-9262 cùng các khí cụ bảo vệ. Kết quả nghiên cứu cung cấp một phương án cung cấp điện chi tiết, có tính khả thi về mặt kỹ thuật và đưa ra giải pháp bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất của toàn xưởng lên mức tiêu chuẩn $\cos\varphi = 0,9$.
