Tính toán thiết kế tủ điện và ứng dụng phần mềm ETAP

Giao diện được thiết kế để điều khiển một máy hoặc quá trình làm việc của một dây chuyền.. Các bản vẽ này bao gồm: • Sơ đồ đơn tuyến Single Line Diagram • Bản vẽ bố trí thiết bị trên tủ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Lớp : 14040102

Khoá : 18

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2020

i

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Lớp : 14040102

Khoá : 18

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2020

ii

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được

sự hướng dẫn khoa học của ThS Phạm Hữu Lý Các nội dung nghiên cứu,

kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình Trường đại học Tôn Đức

Thắng không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây

ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020

Tác giả

Nguyễn Hồng Sơn

iii

(Trang này dùng để đính kèm Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp có chữ ký của Giảng viên hướng dẫn)

iv

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII

TÌM HIỂU VỀ THIẾT KẾ TỦ ĐIỆN 9

1.THIẾT KẾ TỦ ĐIỆN LÀ GÌ 9

TÌM HIỂU VỀ MCCB – ACB 14

1 MCCB: 14

1.1 MCCB Schneider – cầu dao khối Schneider 14

• MCCB Schneider Compact NG160 – có dòng định mức từ 16 đến 160 A 14

• MCCB Schneider Compact NS > 630A – Có dòng định mức từ 630 đến 3200A 14

• MCCB Schneider Compact NSF/NSJ – có dòng làm việc định mức từ 100 đến 600 A 14 • MCCB Schneider EasyPact CVS – MCCB – có dòng định mức từ 100 đến 630A có chức năng tùy chỉnh dòng định mức .14

• MCCB Easypact EZC 100 do hãng Schneider sản xuất với các thông số: 15

Hình 2: Cấu tạo MCCB 17

1.2 ACB: 20

1 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA ACBSCHNEIDER 22

TRIP UNIT MICROLOGIC: 25

TÌM HIỂU VỀ TỦ ĐIỆN BLOKSET CỦA SCHNEIDER 31

1 TỦĐIỆNBLOKSET: 31

PHẦN MỀM ETAP 36

1 GIỚITHIỆUETAP 36

1.1 CÁC KHẢ NĂNG TÍNH TOÁN CỦA ETAP 36

v

1.4 CÁC PHẦN TỬ CHÍNH 39

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

vii

viii

TÌM HI ỂU VỀ THIẾT KẾ TỦ ĐIỆN

1 Thiết kế tủ điện là gì

Thiết kế tủ điện công nghiệp cho máy móc là một cam kết quan trọng Giao diện

được thiết kế để điều khiển một máy hoặc quá trình làm việc của một dây chuyền

Đây không phải là vấn đề đơn giản, cần người kỹ sư thiết kế am hiểu thiết bị và các

nguyên lý thật vững Từ đó mới có thể đưa ra các mạch điện chi tiết và có tính hệ

thống với nhau giúp tủ điện hoạt động một cách trơn tru

Bất kỳ cấu hình không đúng cách có thể dẫn đến máy móc trục trặc, gây ra sự cố

nguy hiểm cho thiết bị ảnh hưởng trực tiếp tới kinh tế của chủ đầu tư

Quá trình này phải luôn bắt đầu bằng việc đánh giá các đặc điểm Yêu cầu và các tiêu chuẩn quy định của chủ đầu tư đưa ra Sau khi cân nhắc, đánh giá, bản vẽ được tạo

ra để phác thảo cấu hình cụ thể của hệ thống dây điện Mạch điều khiển và mọi khía cạnh khác của bảng điều khiển cuối cùng Thiết kế tốt đáp ứng cả yêu cầu về điện và vật lý

Các bản vẽ này bao gồm:

• Sơ đồ đơn tuyến (Single Line Diagram)

• Bản vẽ bố trí thiết bị trên tủ (Layout Drawing)

• Sơ đồ đấu nối thiết bị (Wiring Diagram)

• Bảng vật tư sử dụng (BOMs: Bill of Materials)

Bởi vì có rất nhiều yếu tố trong một sơ đồ thích hợp để thiết kế lên một sơ đồ tủ

điện Sơ đồ là nền tảng cho sự phát triển tiếp theo của một tủ điện công nghiệp

2 Các tiêu chuẩn quy định liên quan đến thiết kế bảng điều khiển công nghiệp ở một

số nước trên thế giới:

Dưới đây là tổng quan về các quy định nổi bật nhất áp dụng cho việc thiết kế, chế tạo

và lắp đặt tủ điện công nghiệp của một số nước cũng như của quốc tế để chúng ta

tham khảo:

Thiết bị được sử dụng ở các vị trí nguy hiểm Bảng điều khiển công nghiệp có các rào cản an toàn nội tại nhằm kết nối với các mạch ở các vị trí nguy hiểm

UL 218: Tiêu chuẩn cho bộ điều khiển Bộ điều khiển máy bơm chữa cháy

máy bơm chữa cháy

UL 845: Tiêu chuẩn cho Trung tâm

UL 864: Tiêu chuẩn cho các thiết bị

điều khiển và phụ kiện cho hệ thống

báo cháy

Bộ hoặc thiết bị đơn vị điều khiển điện có chứa bộ điều khiển điện cho hệ thống báo hiệu chống cháy

UL 891: Tiêu chuẩn cho bảng chuyển

mạch

Lắp ráp đơn lập các bộ phận ngắt mạch và các ứng dụng liên quan

UL 924: Tiêu chuẩn cho chiếu sáng

khẩn cấp và thiết bị điện

Bất kỳ thiết bị cần thiết để cung cấp tự động chiếu sáng và / hoặc quyền lực cho các khu vực quan trọng và / hoặc thiết bị cần thiết cho sự an toàn của cuộc sống con người

UL 1563: Tiêu chuẩn cho các spa điện,

hội đồng thiết bị và thiết bị liên quan Thiết bị kiểm soát hồ bơi và spa

UL 1640: Tiêu chuẩn cho thiết bị phân

phối điện di động

Bảng điều khiển di động cho các ứng dụng

cụ thể

UL 1741: Tiêu chuẩn cho Biến tần, Bộ

chuyển đổi, Bộ điều khiển và Thiết bị

Hệ thống Kết nối để Sử dụng Với Tài

nguyên Năng lượng Phân tán

Thiết bị kiểm soát pin nhiên liệu, hệ thống quang điện hoặc các hệ thống tương tác tiện ích

UL 1773: Tiêu chuẩn cho Hộp chấm

Bao gồm các bảng điều khiển có chứa thiết

bị báo động khẩn cấp, cũng như thiết bị báo động thực tế

UL 2075: Tiêu chuẩn cho máy dò khí

và cảm biến hơi và cảm biến Thiết bị phát hiện khí hoặc hơi

UL 60950-1: Tiêu chuẩn cho thiết bị

công nghệ thông tin – An toàn – Phần

1: Yêu cầu chung

Bao gồm các bảng điều khiển với thiết bị truyền thông chủ yếu

UL 294: Tiêu chuẩn cho hệ thống kiểm

Thiết bị cấp năng lượng hoặc giảm tải điện

để đạt được việc sử dụng năng lượng điện mong muốn

Các cơ quan khác cũng đã ban hành các tiêu chuẩn áp dụng, như IEC 60204-1 Liên

quan đến sự an toàn của máy móc và thiết bị điện của máy móc

Với nhiều tiêu chuẩn áp dụng cho các loại tủ điện công nghiệp cụ thể và các tiêu

chuẩn được sử dụng trong các ứng dụng cụ thể, bắt buộc phải xác định các tiêu

chuẩn thích hợp khi bắt đầu quá trình thiết kế

2.1 Cân nh ắc thiết kế cho các tủ điện công nghiệp

Rất nhiều các lưu ý cần phải đưa ra khi thiết kế tủ điện công nghiệp Các yêu cầu về

chức năng, thông số kỹ thuật ứng dụng vào các tiêu chuẩn quy định

2.2.Yêu cầu về Không gian trong tủ:

Có không gian đủ rộng lớn để có thể chứa đủ các thiết bị cần thiết theo sơ đồ bản vẽ

Lên kế hoạch đi dây cụ thể để giảm thiểu tối đa đường đi sao cho tiết kiệm dây dẫn

nhất

Cần lưu ý vị trí đặt bản lề, khoá cánh và chiều xoay của tủ điện

Nếu vỏ tủ đặt trong môi trường nóng, nhiệt độ cao cần có chớp thông gió tự nhiên và

có vị trí lắp quạt hợp lý

Cần lưu ý khả năng nâng công suất sau này để thiết kế vỏ tủ điện sao cho rộng rãi

2.3.Kích thước dây đấu nối và các thành phần

Khi nói đến việc lựa chọn cỡ dây và một số vật tư phụ có hai quy tắc quan trọng: Dây điện lựa chọn có kích thước và tiết diện dựa trên tải trọng hiện tại Đổi lại, bảo

vệ mạch nên được dựa trên kích thước dây

Lựa chọn kích thước dây thích hợp là điều cần thiết để đảm bảo mạch có khả năng cung cấp dòng tải cần thiết Trong khi lựa chọn bảo vệ mạch tốt nhất làm giảm nguy

cơ cháy bằng cách ngăn chặn dây quá nóng

Các loại thành phần nên được chọn dựa trên các yêu cầu chức năng

Việc lựa chọn các thành phần có kích thước phù hợp cũng rất quan trọng Vì các yêu cầu hiện tại của điện áp và tải có thể yêu cầu các kích thước tối thiểu

Các thành phần phải có khả năng xử lý điện áp và tải các yêu cầu hiện tại đáng tin cậy Chúng cũng phải hoạt động theo yêu cầu

Tiêu chuẩn UL phác thảo các yêu cầu cụ thể đối với hệ thống dây điện, chẳng hạn như vật liệu nối dây, ghi nhãn cho dây dẫn, kích thước cho dây dẫn mạch điện và kích thước dây

2.4.Kiểm soát mạch điện

Mạch điều khiển cung cấp logic cho hoạt động của các thành phần mạch điện Các mạch này thường có điện áp thấp hơn cho an toàn và các thành phần như bộ biến áp điều khiển (CPT) và nguồn điện được sử dụng để chuyển đổi điện áp mạch nguồn thành điện áp mạch điều khiển

2.5.Cung cấp dây dẫn

Dây dẫn cung cấp nên cho phép tải cao nhất có thể xảy ra Điều này được tính công suất bằng tổng tất cả các thiết bị cộng lại sử dụng trong cùng một thời điểm Và thêm tổng này vào dòng tải đầy đủ cho tất cả các tải điện trở cộng với 125% tải trọng đầy

đủ hiện tại của động cơ được đánh giá cao nhất

2.6.Xử lý bảo vệ quá dòng

Bạn cũng sẽ cần phải xem xét bảo vệ quá dòng trong giai đoạn thiết kế Có hai lựa

chọn: bảo vệ quá dòng có thể được đặt trước bảng điều khiển hoặc kết hợp một thiết

bị bảo vệ chính, duy nhất trong bảng điều khiển Tùy thuộc vào ứng dụng, nó có thể tích hợp các thiết bị bảo vệ trong tủ điện công nghiệp

2.7 Thiết bị vận hành

Các thiết bị vận hành bao gồm các thành phần như nút ấn, đèn báo, đồng hồ kỹ thuật số… và các thiết bị tương tự Nhưng các thiết bị này cũng có thể phức tạp hơn, màn hình cảm ứng HMI ( giao diện người với máy ) cho phép chức năng phức tạp hơn Nhưng cũng đòi hỏi các thành phần máy tính và phát triển phần mềm, có thể thêm vào chi phí

Khi nói đến kiểm soát, nguyên tắc KISS cũ (Keep It Simple, Stupid) được áp

dụng Đơn giản luôn tốt hơn, nhưng đơn giản hơn không phải lúc nào cũng có thể xử

lý được những yêu cầu đề ra Tuy nhiên, bạn thiết kế kết hợp cho các thiết bị điều khiển đơn giản thích hợp cho các yêu cầu chức năng để hỗ trợ dễ sử dụng

Tất cả các tủ điện công nghiệp nên bao gồm một nút dừng khẩn cấp ( khác với một chu kỳ dừng ) Ngoài ra, bất kỳ nút khởi động hoặc nút chuyển nào đều phải được đặt trực tiếp phía trên hoặc phía bên trái của nút dừng được liên kết

2.8.Ghi nhãn trên mặt tủ điện công nghiệp

Bắt buộc phải dán nhãn tất cả các dây, thiết bị đầu cuối và các thành phần khác trong

tủ điện công nghiệp Đó là một chiến lược tiết kiệm thời gian cũng làm giảm khả năng xảy ra lỗi trong kiểm tra, bảo trì định kỳ và sửa chữa Nhãn tủ phải đủ bền để chịu được các điều kiện của môi trường khắc nghiệt để tránh mờ dần và hư hỏng khiến chúng không thể đọc được Công ty Hải Hưng thường lựa chọn nhãn có chất liệu bằng nhôm anot màu đen, sau đó dùng máy khắc Laser tên tủ hoặc nhãn tủ cần thiết

2.9.Form tủ sử dụng

Trong đồ án này em sử dụng form tủ Blokset của Schneider nên sẽ thiết kế theo form chuẩn của Schneider đưa ra cho tủ Blokset

TÌM HIỂU VỀ MCCB – ACB

1 MCCB:

1.1 MCCB Schneider – cầu dao khối Schneider

MCCB (moulded case circuit breaker) là aptomat khối, thường có dòng cắt ngắn mạch lớn (đến 100A), dùng đóng cắt và bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch cho nguồn và thiết bị MCCB Schneider gồm các dòng:

Có chức năng kết nối modul mở rộng nhằm bảo vệ dòng rò

• MCCB Schneider Compact NS > 630A – Có dòng định mức từ 630 đến 3200A

Với kích thước nhỏ gọn, có 2 size tiêu chuẩn

Cho phép kết nối các phụ kiện tiêu chuẩn

Dòng MCCB này được phát triển và phân phối trên 15 năm do đó về độ vận hành ổn định và tin cậy khách hàng có thể tuyệt đối yên tâm

• MCCB Schneider Compact NSF/NSJ – có dòng làm việc định mức từ 100 đến 600 A Dòng MCCB compact NSF/NSJ được phát triển và sử dụng trong 15 năm qua, các thông

kê cho thấy nó có khả năng hoạt động liên tục, ổn định với độ chính xác cao

• MCCB Schneider EasyPact CVS – MCCB – có dòng định mức từ 100 đến 630A có chức năng tùy chỉnh dòng định mức

Dòng định mức 100-630 A

Dòng cắt ngắn mạch 25-50 kA tại 400/415 V

2 loại 3 và 4 cực, 3 kích cỡ khung

Bảo vệ nhiệt-từ trường và điện tử có sẵn cho toàn bộ phạm vi

Mở rộng, bảo vệ nhiệt có thể điều chỉnh từ 0,7 đến 1 lần (TMD) hoặc 0,5 đến 1 lần (điện tử)

Phụ kiện thích hợp cho các phụ kiện Schneider Electric MCCB tiêu chuẩn và mới khác Thích hợp cho việc cách ly

cho phép kết nối modul bảo vệ dòng rò

Phù hợp với tiêu chuẩn IEC 60947-2

- Bảo vệ theo nguyên lý nhiệt từ

- Sản xuất theo tiêu chuẩn IEC 947-2, JIS C 8201

- Cho phép kết nối phụ kiện: Đèn báo trạng thái, tiếp điểm phụ

• Loại MCCB Schneider 1P gồm các loại: 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, 80, 100A

MCCB-SCHNEIDER-1P

• Loại MCCB Schneider 2P gồm các loại: 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, 80, 100A

MCCB-SCHNEIDER-4P

Cấu tạo MCCB

Hình 2: Cấu tạo MCCB

- Upper Terminal: Đầu nối trên

- Lower Terminal: Đầu nối dưới

- Thermal protection bimetal: Thanh lưỡng kim bảo vệ nhiệt

- Tripping lever: Cần gạt

- Arc chamber: Buồng dập hồ quang

- Operating Mechanism, Operator: Công tắc đóng ngắt

- Electro-Magnetic protection: Cuộn dây Cơ cấu bảo vệ điện từ

- Fixed contact : Tiếp điểm cố định

- Moving contact : Tiếp điểm động

- Cover: Vỏ bảo vệ

Ngoài ra, có thể lắp thêm phụ kiện:

Phụ kiện lắp bên trong

- AL : Tiếp điểm cảnh báo

- AX : Tiếp điểm phụ

- SHT : Cuộn cắt

- UVT : Bảo vệ thấp áp

Phụ kiện lắp bên ngoài

- Bộ chuyển thao tác xoay

- Miếng che vị trí nối điện

Nguyên lý hoạt động MCCB

Nguyên lý nhiệt: Bảo vệ quá tải của MCCB thông qua thành phần nhạy cảm với nhiệt độ

Thành phần này thực chất là một thanh lưỡng kim, hai kim loại giãn nở ở các tốc độ khác nhau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao Trong điều kiện hoạt động bình thường, thanh lưỡng kim

sẽ cho phép dòng điện chạy qua MCCB Khi dòng điện vượt quá giá trị cho phép, tiếp xúc lưỡng kim sẽ bắt đầu nóng và uốn cong do tốc độ giãn nở nhiệt khác nhau của 2 chất liệu kim loại Thanh kim loại (tiếp điểm) sẽ uốn cong đến điểm đẩy vật lý vào thanh ngắt và tháo các tiếp điểm, khiến mạch bị gián đoạn

Việc bảo vệ nhiệt của MCCB thường sẽ có độ trễ về thời gian để cho phép thời gian quá dòng ngắn thường thấy trong một số hoạt động của thiết bị, chẳng hạn như dòng điện khi khởi động động cơ Thời gian trễ này cho phép mạch tiếp tục hoạt động bình thường trong những trường hợp này mà không bị ngắt

Nguyên lý điện từ: Dựa trên nguyên tắc điện từ MCCB chứa một cuộn dây điện từ tạo ra

một trường điện từ nhỏ khi dòng điện đi qua MCCB Trong quá trình hoạt động bình thường, trường điện từ được tạo ra bởi cuộn dây điện từ là không đáng kể Tuy nhiên, khi xảy ra lỗi

ngắn mạch trong mạch, một dòng điện lớn bắt đầu chạy qua điện từ Do đó, một trường điện

từ mạnh được sinh ra để hút thanh ngắt và mở các tiếp điểm

1.2 ACB:

Đây là khí cụ được sử dụng để đóng cắt bảo vệ quá tải, ngắn mạch Máy cắt không khí ACB Schneider có kết cấu phức tạp, nhưng công nghệ lại đơn giản Tuy ACB có kích thước lớn hơn nhưng giá thành lại rẻ hơn Có 3 loại chính bắt đầu từ dòng định mức 630A đến 6300A

Máy cắt không khí ACB Schneider được thiết kế gồm:

1.4.1 Các loại máy cắt không khí ACB Easypact 3P 4P FIXED

Sản phẩm ACB Schneider được thiết kế theo 3 loại: EasyPact MVS, Masterpact NT,

Masterpact NW Mỗi loại có kích thước, chiều cao, chiều sâu bằng nhau Với thiết kế như vậy giúp cho các nhà làm tủ dễ dàng thiết kế vỏ tủ

1.4.1.1 Cấu tạo của máy cắt không khí ACB Schneider

Máy cắt ACB Schneider được cấu tạo gồm các thành phần:

B ộ phận dập hồ quang

Bộ phận này có chức năng để dập hồ quang điện Có cấu tạo là các tấm kim loại mỏng, được lắp song song với nhau trong vỏ bọc cách ly

B ộ phận dẫn điện

Bộ phận này được thiết kế theo kiểu modul hóa Tiếp điểm của bộ phận dẫn điện được làm

từ vật liệu hợp kim bạc Tiếp điểm chính được phân bố ở mỗi cực Trong vỏ bọc modul hóa

là các tiếp điểm hồ quang

Các tiếp điểm hồ quang sẽ đóng trước khi máy hoạt động Còn các tiếp điểm chính sẽ mở sau Vận hành như vậy để giảm thiểu sự ăn mòn các tiếp điểm chính trong trường hợp sự cố ngắn mạch xảy ra

Khi máy hoạt động thì tiếp điểm hồ quang sẽ đóng trước và mở sau các tiếp điểm chính để giảm bớt sự an mòn của các tiếp điểm chính khi xảy ra ngắn mạch Bên trong mỗi bộ cự, ở đầu nối thấp hơn là dụng cụ đo lường dòng điện

B ộ phận nhả

Gồm các chốt giữ từ tính , chúng được liên kết với các nút ấn báo nhả Mạch điện sẽ cung cấp một tín hiệu cho bộ phận nhả để nhả máy cắt trong trường hợp xảy ra các sự cố về quá dòng và quá tải

1.4.1.1 Nguyên lý hoạt động của máy cắt không khí Schneider

Hãng Schneider đã sản xuất máy cắt không khí ACB Schneider trên nguyên lý sử dụng

luồng không khí nén để thổi tắt hồ quang Vì không cần thời gian để tạo ra sản phẩm khí nên quá trình dập tắt hồ quang diễn ra nhanh Nó phụ thuộc hoàn toàn vào tốc độ cắt nhanh của máy cắt Máy cắt không khí ACB có thời gian cắt trong khoảng 0,05 – 0,07s Như vậy tương đương với công suất cắt là 15.000 MVA Có thể chế tạo bộ phận cách ly kèm với máy cắt hoặc không có cũng được

1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của ACB Schneider

– Có thể thêm dây trung tính

– Có thể kết nối và điều khiển qua mạng

– Cho phép setup thời gian cắt

– Cho phép nhiệt đới hóa

+ Phụ kiện đi kèm máy cắt ACB:

– Đồng hồ hiển thị

– Bộ phận điều khiển Micrologic

– Bộ nạp lò xo bằng tay