Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện tòa nhà a2 trường đại học vinh

Gồm có 7 phương pháp xác định phụ tải tính toán: - Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu.. Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN

TÒA NHÀ A2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

Sinh viên thực hiện Nguyễn Sỹ Quý

Lớp 54K1 CNKT Điện- Điện Tử Giảng viên hướng dẫn Th.S Hồ Sỹ Phương

Vinh, tháng 05 năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN

TÒA NHÀ A2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

Sinh viên thực hiện Nguyễn Sỹ Quý

Lớp 54K1 CNKT Điện- Điện Tử Giảng viên hướng dẫn Th.S Hồ Sỹ Phương

Cán bộ phản biện Trần Đình Dũng

Vinh, tháng 05 năm 2018

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN 2

1.1 Tổng quan về bài toán 2

1.2 Giới thiệu về Arduino 2

1.2.1 Lịch sử phát triển 3

1.2.2 Tính năng ứng dụng của Arduino 3

1.2.3 Các loại bo mạch Arduino 4

1.3 Giới thiệu về Labview 5

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CUNG CẤP ĐIỆN 7

I Giới thiệu sơ bộ về mặt bằng thiết kế 7

2.1.1 Sơ bộ mặt bằng 7

2.1.2 Danh mục phụ tải 8

II Xác định phụ tải tính toán 8

2.2.1 Yêu cầu của hệ thống cung cấp điện 8

2.2.2 Các phương pháp xác định phụ tải tính toán 10

2.2.3 Xác định phụ tải tính toán nhà A2 trường Đại học Vinh 15

2.3 Lựa chọn thiết bị cho tòa nhà A2 17

2.3.1 Chọn Aptomat 17

2.3.2 Kiểm tra tính chọn lọc của áptomat theo điều kiện 18

2.3.3 Lựa chọn và kiểm tra dây dẫn và cáp 19

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TOÀN NHÀ A2 ĐẠI HỌC VINH 28

3.1 Ý tưởng thiết kế 28

3.1.1 Vấn đề thực tại 28

3.1.2 Hướng giải quyết 28

3.2 Thiết kế phần mền 28

3.2.1 Thiết kế lập trình Arduino 28

3.2.2 Thiết kế phần cứng 40

3.3 Hoàn thành 47

3.3.1 Giao diện Labview 47

3.3.2 Giao diện Arduino 48 3.3.4 Kết luận 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Phòng A2.104 7

Hình 2.2 Sơ đồ mặt bằng tầng 1 nhà A2 8

Hình 3.1 Board Arduino Uno 29

Hình 3.2 Board Arduino Mega 31

Hình 3.1 Module Relay 8 kênh 40

Hình 3.2 Khởi động từ 41

Hình 3.3 Cấu tạo khởi động từ 42

Hình 3.4 Sơ đồ khởi động từ 44

Hình 3.5 Aptomat 46

Hình 3.7 Giao diện điều khiển 48

Hình 3.8 Giao diện Arduino 48

Hình 3.9 Lắp ráp thiết bị 49

Hình 3.10 Nối dây thiết bị 50

Hình 3.11 Hoàn thành mô hình 51

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Chữ ký của giảng viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ………

………

………

………

………

………

………

………

………

Chữ ký của cán bộ phản biện

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay khoa học công nghệ càng phát triển, vi điều khiển AVR và vi điều khiển PIC ngày càng thông dụng và hoàn thiện hơn, nhưng có thể nói sự xuất hiện của arduino vào năm 2005 tại Italia đã mở ra một hướng đi mới cho vi điều khiển Sự xuất hiện của Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình và thiết kế nhất là đối với những người bắt đầu tìm tòi về vi điều khiển mà không có quá nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc về vật lý Phần cứng của thiết bị đã được tích hợp nhiều chức năng cơ bản và mã nguồn mở Ngôn ngữ lập trình C và hệ thư viện rất phong phú và được chia

sẻ miễn phí Chính vì những lý do như vậy nên Arduino hiện đang dần phổ biến và được phát triển ngày càng mạnh mẽ

Trên cơ sở kiến thức đã học môn học: labview trong kỹ thuật điện, cung cấp điện… cùng với sự hiểu biết Với sự cần thiết điều khiển thông minh trong trường học

Đã được Thầy giáo Th.S Hồ Sỹ Phương giao đồ án “Hệ thống giám sát và điều khiển

thiết bị điện toàn nhà A2 Đại Học Vinh”

Do kiến thức còn hạn hẹp, thêm vào đó đây là lần đầu em thực hiện đồ án liên quan đến điều khiển thông minh nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế vì thế em rất mong có được sự góp ý và nhắc nhở từ thầy giáo để hoàn thiện đồ án của em

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Hồ Sỹ Phương đã giúp đỡ em rất

nhiều trong quá trình tìm hiểu, thiết kế và hoàn thành đồ án này

Vinh, ngày tháng năm 2018

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN

1.1 Tổng quan về bài toán

Sự phát triển không ngừng của xã hội mà động lực chính là cuộc cách mạng về khoa học công nghệ 4.0 đã tạo ra nhiều máy móc, thiết bị phục vụ cho con người Nhu cầu của chúng ta là vô hạn nên máy móc cũng không ngừng phát triển để đáp ứng kịp nhu cầu đó Trong ngành công nghiệp tự động hóa, điều khiển thiết bị theo yêu cầu có sẵn, thiết bị được lập trình sẵn, thiết bị hoạt động dựa vào các tín hiệu phản hồi ngày càng được áp dụng rộng rãi Điều đó giúp giảm bớt sức lao động và tăng năng suất, chất lượng cho sản phẩm và bảo vệ sức khỏe của người lao động

Do đó, chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của kinh

tế nươc nhà

Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết bị trong cuộc sống ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu Nhưng đối với hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện thì lại khác Ở đây, các thiết bị điều khiển tự động được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh qua một một thiết bị trung tâm và có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu

Điển hình như hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện thông qua Arduino

và phần mền Labview có thể điều khiển được các thiết bị đơn giản đến phức tạp Nghĩa là tất cả các thiết bị này có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm Đầu não trung tâm ở đây có thể là một máy vi tính hoàn chỉnh hoặc

có thể là một bộ xử lí đã được lập trình sẵn tất cả các chương trình điều khiển.Chẳng hạn như việc giám sát trong phòng có người làm việc hay không, đồng thời có thể bật các thiết bị khi đến giờ làm việc và tắt đi khi không cần thiết

1.2 Giới thiệu về Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác

với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân

đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++

1.2.1 Lịch sử phát triển

Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một "BASIC Stamp" có giá khoảng $100, xem như giá dành cho sinh viên Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt Bản thân quán bar này có được lấy tên là Arduino, Bá tước của Ivrea, và là vua của Italy từ năm 1002 đến 1014

Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia tên là Hernando Barragan Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn

mở Trường này cuối cùng bị đóng cửa, vì vậy các nhà nghiên cứu, một trong số đó là David Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này

Giá hiện tại của board mạch này dao động xung quanh $30 và được làm giả đến mức chỉ còn $9 Một mạch bắt chước đơn giản Arduino Mini Pro có lẽ được xuất phát

từ Trung Quốc có giá rẻ hơn $4

1.2.2 Tính năng ứng dụng của Arduino

 Làm Robot Arduino có khả năng đọc các thiết bị cảm biến, điều khiển động cơ,… nên nó thường được dùng để làm bộ xử lý trung tâm của rất nhiều loại robot

 Game tương tác: Arduino có thể được sử dụng để tương tác với Joystick, màn hình,… khi chơi các game như Tetrix, phá gach, Mario…

 Máy bay không người lái

 Điều khiển đèn tín hiệu giao thông, làm hiệu ứng đèn Led nhấp nháy trên các biển quảng cáo…

 Điều khiển các thiết bị cảm biến ánh sáng, âm thanh

 Làm máy in 3D

 Làm đàn bằng ánh sáng

 Làm lò nướng bánh biết tweet để báo cho bạn khi bánh chín

Arduino còn rất nhiều ứng dụng hữu ích khác tùy vào sự sáng tạo của người dùng

1.2.3 Các loại bo mạch Arduino

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại mạch của Arduino tùy thuộc và các loại

vi điều khiển khác nhau mà nó sử dụng Tuy nhiên, chung quy lại tất cả các bo mạch của Arduino đều có một điểm chung là: đều có thể lập trình thông qua Arduino IDE

Sự khác biệt nằm ở số đầu vào (input) và số đầu ra (output) - cụ thể là số lượng các cảm biến, các đèn LED và các nút có thể sử dụng trên một mạch đơn, về tốc độ, dòng điện vận hành

Một số bo mạch được thiết kế để nhúng và không có giao diện lập trình (phần cứng) mà bạn phải mua riêng Một số có thể chạy trực tiếp từ pin 3.7 V, một số khác cần ít nhất 5V

Dưới đây là danh sách các mạch Arduino khác nhau hiện có trên thị trường:

hoạt động

Tốc độ xung

I/O

số

Số đầu vào Analog

Giao diện lập trình

ATMega16U2

Arduino Pro 3.3v/8

MHz

Arduino Pro mini

3.3v/8mhz

ATMega16U2B

1.3 Giới thiệu về Labview

LabVIEW (viết tắt của nhóm từ Laboratory Virtual Instrumentation Engineering

Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty National

Instruments, Hoa kỳ

LabVIEW còn được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như n, Pascal Bằng cách diễn đạt

cú pháp thông qua các hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LabVIEW đã

được gọi với tên khác là lập trình G (viết tắt của Graphical, nghĩa là đồ họa)

LabVIEW được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh, Hiện tại ngoài phiên bản LabVIEW cho các hệ điều hành Windows, Linux, Hãng NI đã phát triển các module LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA) Các chức năng chính của LabVIEW có thể tóm tắt như sau:

- Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt độ, hình ảnh

từ webcam, vận tốc của động cơ,

- Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp thông qua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet

- Mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đích nghiên cứu hay mục đích của hệ thống mà người lập trình mong muốn

- Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab,

- Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic mờ (Fuzzy

Logic), một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trong LabVIEW

- Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++, LabVIEW được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử

* 10 lý do sử dụng Labview để điều khiển thiết bị :

 Tốc độ làm việc nhanh hơn với ngôn ngữ đồ họa (G code)

 Được hỗ trợ một cách nhanh chóng và tự động trong việc sử dụng miễn phí các Driver thiết bị

 Có thể bắt tay vào làm việc lập tức với LabVIEW bằng việc mở và chạy thử các

ví dụ

 Kết hợp việc truyền nhận và phân tích dữ liệu vào hàm phân tích nâng cao

 Lưu trữ dữ liệu và thiết lập các báo cáo

 Thiết kế các giao diện người dùng một cách chuyên nghiệp nhất

 Tạo lập các ứng dụng riêng lẻ (Xuất ra file chạy exe)

 Phù hợp với các dòng máy tính đời mới Multicore

 Dễ dàng mở rộng lĩnh vực hoạt động và ứng dụng các công nghệ mới

 Có điều kiện được hợp tác và phát triển với cộng đồng kỹ sư trên khắp thế giới

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CUNG CẤP ĐIỆN

I Giới thiệu sơ bộ về mặt bằng thiết kế

2.1.1 Sơ bộ mặt bằng

Đại học Vinh là trường đại học nằm giữa trung tâm thành phố với diện tích mặt bằng tương đối rộng bao gồm đầy đủ các đối tượng sử dụng điện: nhà làm việc, khu hành chính, giảng đường, thư viện, xưởng thực tập, phòng thí nghiệm, hội trường, kí túc xá sinh viên và một số công trình nhỏ kèm theo khác Trong đề tài này chúng em tập trung thiết kế cung cấp điện cho khu nhà là nhà A2

Nhà A2 đại học vinh là dãy nhà 4 tầng dùng làm phòng học với diện tích mỗi phòng tự phân chia Mỗi phòng có diện tích 75 Phụ tải trong phòng như bóng đèn huỳnh quang, quạt trần, máy chiếu…

Hình ảnh một phòng học của nhà A:

Hình 2.1 Phòng A2.104

2.1.2 Danh mục phụ tải

- Nhà A2: 4 tầng, cả 4 tầng đều là phòng học, mỗi tầng gồm 4 phòng học với

diện tích tự phân chia

Hình 2.2 Sơ đồ mặt bằng tầng 1 nhà A2

II Xác định phụ tải tính toán

2.2.1 Yêu cầu của hệ thống cung cấp điện

Mục tiêu chính của thiết kế cung cấp điện là đảm bảo cho hộ tiêu thụ luôn đủ điện năng với chất lượng trong phạm vi cho phép và một phương án cung cấp điện được xem là hợp lý khi thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Vốn đầu tư nhỏ, chú ý tiết kiệm ngoại tệ và các vật tư hiếm

- Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện tùy theo tính chất hộ tiêu thụ

- Chi phí vận hành hàng năm thấp

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị

- Thuận tiện cho vận hành và sửa chữa

- Đảm bảo chất lượng điện năng

- Đạt yêu cầu về kỹ thuật và mỹ thuật

- Ngoài ra còn phải chú ý đến các điều kiện khác như: môi trường, sự phát triển của phụ tải, thời gian xây dựng…

2.2.1.1 Độ tin cậy cung cấp điện

Tùy theo tính chất của hộ dùng điện có thể chia thành 3 loại:

- Hộ loại 1: Là những hộ mà khi có sự cố dừng cung cấp điện có thể gây nên những hậu quả nguy hiểm đến tính mạng con người, gây thiệt hại lớn về kinh tế, hư hỏng thiết kế, gây rối loạn quá trình công nghiệp hoặc có ảnh hưởng không tốt về phương diện chính trị Đối với hộ loại 1 phải cung cấp với độ tin cậy cao, thường dùng

hai nguồn điện đến, có nguồn dự phòng nhằm hạn chế mức thấp nhất việc mất điện Thời gian mất điện thường được coi bằng thời gian đóng nguồn dự trữ Ví dụ như sân bay, hải cảng, khu quân sự, ngoại giao, các khu công nghiệp, bệnh viện…

- Hộ loại 2: Là những hộ tiêu thụ khi ngừng cung cấp điện chỉ gây thiệt hại về kinh tế, hư hỏng sản phẩm, sản xuất bị đình trệ, gây rối loạn quá trình công nghệ Để cung cấp điện cho hộ loại 2 ta sử dụng phương pháp có hoặc không có nguồn dự phòng, ở hộ loại 2 cho phép ngừng cung cấp điện trong thời gian đóng nguồn dự trữ bằng tay Ví dụ như các nhà máy, xí nghiệp, trường đại học…

- Hộ tiêu thụ điện loại 3: là nhũng hộ cho phép với mức độ tin cậy điện thấp, cho phép mất điện trong thời gian sửa chữa, thay thế thiết bị sự cố nhưng thường không cho phép quá 1 ngày đêm bao gồm các khu nhà ở, nhà kho, trường học Với các phụ tải loại này không cần có nguồn dự phòng

Cách chia hộ như vậy chỉ là tạm thời trong giai đoạn nền kinh tế còn chưa phát triển, đang hướng đến mục tiêu các hộ đều là hộ loại 1 và được cấp điện liên tục

2.2.1.2 Chất lượng điện

Chất lượng điện được thể hiện qua hai thông số là tần số (f) và điện áp (U) Các trị số này phải nằm trong phạm vi cho phép

Trung tâm điều độ quốc gia và các trạm điện có nhiệm vụ giữ ổn định các thông

số này: tần số được giữ 50 ± 0,5Hz và điện áp yêu cầu độ lệch:

- Phí tổn vận hành bao gồm các khoản tiền phải chi phí trong quá trình vận hành công trình điện: lương cho cán bộ quản lí, kỹ thuật, vận hành, chi phí bảo dưỡng

và sửa chữa, chi phí cho thí nghiệm thử nghiệm do tổn thất điện năng trên công trình điện

Thông thường hai loại tiêu chí này mâu thuẫn nhau Phương án cấp điện tối ưu

là phương án dung hòa hai chi phí trên, đó là phương án có chi phí tính toán hằng năm nhỏ nhất

ΔA là tổn thất điện năng trong 1 năm

c là giá tiền tổn thất điện năng (đ/KWh)

2.2.1.4 Tính an toàn

An toàn thường được đặt lên hàng đầu khi thiết kế, lắp đặt và vận hành công trình điện An toàn cho cán bộ vận hành, cho thiết bị, công trình, cho người dân và các công trình xung quanh

Người thiết kế và vận hành công trình điện phải tuyệt đối tuân thủ các quy tắc an toàn

điện

2.2.2 Các phương pháp xác định phụ tải tính toán

2.2.2.1 Giới thiệu chung

Phụ tải tính toán là phụ tải không có thực, nó cần thiết cho việc chọn các trang thiết bị cung cấp điện trong mọi trạng thái vận hành của hệ thống cung cấp điện Trong thực tế vận hành ở chế độ dài hạn người ta muốn rằng phụ tải thực tế không gây ra những phát nóng quá mức các trang thiết bị cung cấp điện (dây dẫn, máy biến áp, thiết

bị đóng cắt vv ), ngoài ra ở các chế độ ngắn hạn thì nó không được gây tác động cho các thiết bị bảo vệ (ví dụ ở các chế độ khởi động của các phụ tải thì cầu chì hoặc các thiết bị bảo vệ khác không được cắt) Như vậy phụ tải tính toán thực chất là phụ tải giả thiết tương đương với phụ tải thực tế về một vài phương diện nào đó Trong thực tế thiết kế người ta thường quan tâm đến hai yếu tố cơ bản do phụ tải gây ra đó là phát nóng và tổn thất và vì vậy tồn tại hai loại phụ tải tính toán cần phải được xác định: Phụ

tải tính toán theo điều kiện phát nóng và phụ tải tính toán theo điều kiện tổn thất

Phụ tải tính toán theo điều kiện phát nóng: Là phụ tải giả thiết lâu dài, không đổi tương đương với phụ tải thực tế, biến thiên về hiệu quả phát nhiệt lớn nhất

Phụ tải tính toán theo điều kiện tổn thất (thường gọi là phụ tải đỉnh nhọn): Là phụ tải cực đại ngắn hạn xuất hiện trong một thời gian ngắn từ 1 đến 2 giây, chúng chưa gây ra phát nóng cho các trang thiết bị nhưng lại gây ra các tổn thất và có thể là nhảy các bảo vệ hoặc làm đứt cầu chì Trong thực tế phụ tải đỉnh nhọn thường xuất hiện khi khởi động các động cơ hoặc khi đóng cắt các thiết bị cơ điện khác

2.2.2.2 Các phương pháp xác định phụ tải tính toán

Gồm có 7 phương pháp xác định phụ tải tính toán:

- Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu

- Xác định phụ tải tính toán theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất

- Xác định phụ tải tính toán theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm và tổng sản lượng

- Xác định phụ tải tính toán theo công suất trung bình và hệ số cực đại

- Xác định phụ tải tính toán theo công suất trung bình và hệ số hình dạng

- Xác định phụ tải tính toán theo công suất trung bình và độ lệch trung bình bình phương

- Xác định phụ tải đỉnh nhọn của nhóm thiết bị

2.2.2.2.1 Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu

Một cách gần đúng có thể lấy =

Khi đó:

= .∑

Trong đó:

, : Công suất đặt, công suất định mức thiết bị thứ i (kW)

, , : Công suất tác dụng, phản kháng và toàn phần tính toán của nhóm thiết bị ( KW, KVAr, KVA )

n: số thiết bị trong nhóm

: hệ số nhu cầu của nhóm hộ tiêu thụ đặc trưng tra trong sổ tay tra cứu Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, thuận tiện Nhược điểm của phương pháp này là kém chính xác Bởi hệ số nhu cầu tra trong sổ tay là một số liệu cố định cho trước, không phụ thuộc vào chế độ vận hành và số thiết bị trong nhóm

2.2.2.2.2 Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất

Công thức tính:

= P0.F Trong đó:

: suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất (W/m2) Giá trị được tra trong các sổ tay

F: diện tích sản xuất (m2)

Phương pháp này chỉ cho kết quả gần đúng khi có phụ tải phân bố đồng đều trên diện tích sản xuất, nên nó được dùng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, thiết kế chiếu sáng

2.2.2.2.3 Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị thành phẩm

Công thức tính toán:

= Trong đó:

M: Số đơn vị sản phẩm được sản xuất ra trong một năm

: Suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm (KWh)

: Thời gian sử dụng công suất lớn nhất (giờ)

Phương pháp này được dùng để tính toán cho các thiết bị điện có đồ thị phụ tải

ít biến đổi như : quạt gió, máy nén khí, bình điện phân… Khi đó phụ tải tính toán gần bằng phụ tải trung bình và kết quả tính toán tương đối chính xác

2.2.2.2.4 Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo công suất trung bình và

hệ số cực đại

Công thức tính:

= ∑

Trong đó:

n: Số thiết bị điện trong nhóm

: Công suất định mức thiết bị thứ i trong nhóm

: Hệ số cực đại tra trong sổ tay theo quan hệ

= f ( , )

: số thiết bị sử dụng điện có hiệu quả là số thiết bị giả thiết có cùng công suất và chế độ làm việc, chúng đòi hỏi phụ tải bằng phụ tải tính toán của nhóm phụ tải thực tế (gồm có các thiết bị có công suất và chế độ làm việc khác nhau)

Công thức để tính nhƣ sau:

= ∑

∑ Trong đó:

Pđm: công suất định mức của thiết bị thứ i

Trong đó , là công suất định mức bé nhất và lớn nhất của các thiết bị trong nhóm

Tính n1 - số thiết bị có công suất ≥ 0,5

Tính P1 - tổng công suất của n1 thiết bị kể trên

P1 = ∑ Tính: n* =

P: tổng công suất của các thiết bị trong nhóm:

P = ∑ Dựa vào n*, P* tra bảng xác định đƣợc:

* = f (n*, P*) Tính:

= *

.n

Cần chú ý là nếu trong nhóm có thiết bị tiêu thụ điện làm việc ở chế động ngắn hạn lặp lại thì phải quy đổi về chế độ dài hạn khi tính theo công thức:

√ : hệ số đóng điện tương đối phần trăm

Cũng cần quy đổi về công suất 3 pha đối với các thiết bị dùng điện 1 pha + Nếu thiết bị một pha đấu vào điện áp pha:

= 3

+ Thiết bị một pha đấu vào điện áp dây:

= √

*Chú ý: Khi số thiết bị hiệu quả bé hơn 4 thì có thể dùng phương pháp đơn

giản sau để xác định phụ tải tính toán:

+ Phụ tải tính toán của nhóm thiết bị gồm số thiết bị là 3 hay ít hơn có thể lấy bằng công suất danh định của nhóm thiết bị đó:

= ∑ n: số thiết bị tiêu thụ điện thực tế trong nhóm

Khi số thiết bị tiêu thụ thực tế trong nhóm lớn hơn 3 nhưng số thiết bị tiêu thụ hiệu quả nhỏ hơn 4 thì có thể xác định phụ tải tính toán theo công thức:

= ∑ Trong đó:

là hệ số tải

Nếu không biết chính xác có thể lấy như sau:

= 0,9 đối với thiết bị làm việc ở chế độ dài hạn

= 0,75 đối với thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại

2.2.2.2.5 Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo công suất trung bình và

hệ số hình dạng

Công thức tính:

= = .tgφ

= √ Trong đó:

: hệ số hình dạng của đồ thị phụ tải tra trong sổ tay

= ∫ =

: công suất trung bình của nhóm thiết bị khảo sát

A: điện năng tiêu thụ của một nhóm hộ tiêu thụ trong khoảng thời gian T

2.2.2.2.6 Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo công suất trung bình và

độ lệch trung bình bình phương

Công thức tính:

= ± β.δ Trong đó:

β: hệ số tán xạ

δ: độ lệch của đồ thị phụ tải khỏi giá trị trung bình

Phương pháp này thường được dùng để tính toán phụ tải cho các nhóm thiết bị của phân xưởng hoặc của toàn bộ nhà máy Tuy nhiên phương pháp này ít được dùng trong tính toán thiết kế mới vì nó đòi hỏi khá nhiều thông tin về phụ tải mà chỉ phù hợp với hệ thống đang vận hành

2.2.2.2.7 Xác định phụ tải đỉnh nhọn của nhóm thiết bị

Theo phương pháp này thì phụ tải đỉnh nhọn của nhóm thiết bị sẽ xuất hiện khi thiết bị có dòng khởi động lớn nhất mở máy còn các thiết bị khác trong nhóm làm việc bình thường và được tính theo công thức sau:

= + – Trong đó:

- dòng khởi động của thiết bị có dòng khởi động lớn nhất trong nhóm

- dòng tính toán của nhóm máy

- dòng định mức của thiết bị đang khởi động

- hệ số sử dụng của thiết bị đang khởi động

2.2.3 Xác định phụ tải tính toán nhà A2 trường Đại học Vinh

2.2.3.1 Bảng thống kê phụ tải

= = 0,8.24,4 = 19,52 (KW) Toàn bộ phụ tải phục vụ cho chiếu sáng phòng học nên ta chọn hệ số cosφ=0,85, ta có:

Công suất biểu kiến tính toán của nhà A2 là:

=

=

= 22,96 (KVA) Công suất phản kháng tính toán của nhà A2 là:

Công suất của 1 phòng với 12 bóng đèn huỳnh quang, 6 quạt trần, 1 máy chiếu,

=

√ =

√ =3,12 (A) Nhà A2 gồm 4 tầng, với mỗi tầng 4 phòng Vậy ta tính được tổng công suất của

1 tầng là:

= 1,19.4 = 4,76 (KW) Chọn hệ số đồng thời = 0,8 ta xác định được phụ tải tính toán toàn phần của

1 tầng là:

= = 0,8.4,76 = 3,81 (KW) Dòng điện tính toán của 1 tầng là:

Aptomat là thiết bị đóng cắt hạ áp, có chức năng bảo vệ quá tải và ngắn mạch

Do có ưu điểm hơn hẳn cầu chì là khả năng làm việc chắc chắn, tin cậy, an toàn, đóng cắt đồng thời 3 pha và khả năng tự động hóa cao, nên aptomat mặc dù có giá đắt hơn vẫn ngày càng được dùng rộng rãi trong lưới điện hạ áp công nghiệp cũng như lưới điện ánh sáng sinh hoạt

Các aptomat được chọn theo 3 điều kiện như sau:

≥ = =

√ ≥

≥ Trong đó:

- Điện áp định mức của mạng điện

= 380V với aptomat 3 pha

= 220V với aptomat 1 pha

Với aptomat tổng sau biến áp để dự trữ có thể chọn theo dòng điện định mức của biến áp

Ngoài ra, aptomat còn phải kiểm tra dòng ngắn mạch:

≥

- Chọn aptomat từ tủ điện tổng đến tủ điện cấp điện cho khu nhà A2: dòng điện cần cấp cho phụ tải nhóm này là = 29,66A Tra bảng, chọn aptomat có dòng định mức I = 30A do Nhật chế tạo có thông số kỹ thuật như sau:

* Chọn aptomat từ tủ điện của các tầng của từng khu nhà đến từng phòng

- Theo tính toán ở chương 2 ta thấy dòng điện tính toán hầu hết các văn phòng, phòng học, phòng thí nghiệm các nhà đều nhỏ hơn 10A

Vậy tra bảng ta chọn aptomat có dòng định mức I = 10A do Nhật chế tạo có thông số kỹ thuật như sau:

2.3.2 Kiểm tra tính chọn lọc của áptomat theo điều kiện

Aptomat bảo vệ phải ngắt mạch và ngắt thiết bị điện khi xuất hiện dòng ngắn mạch, quá tải trong thời gian ngắn nhất, nhưng theo khả năng chọn lọc Tính chọn lọc

sự tác động của aptomat là sự làm việc (tác động) của nó khi xuất hiện dòng điện lớn (dòng điện ngắn mạch, quá tải,…) chỉ ngắn mạch ở chỗ gần sự cố nhất, không tác

động vượt cấp Vì vậy, để đảm bảo tính chọn lọc khi tác động thì aptomat phải đảm bảo yêu cầu sau:

Như vậy, khi kiểm tra tính chọn lọc của aptomat, ta chỉ cần kiểm tra aptomat tổng với aptomat nhánh có dòng điện cực lớn nhất rồi rút ra kết luận Nếu tỉ số aptomat tổng so với aptomat nhánh có dòng điện cực lớn nhất đảm bảo thì tỉ số aptomat tổng so với aptomat nhánh còn lại cũng đảm bảo Nếu không đảm bảo thì tiếp tục kiểm tra với aptomat nhánh khác và chọn lại aptomat tổng

Ta có:

Kết luận: Vậy các aptomat đã chọn đảm bảo

2.3.3 Lựa chọn và kiểm tra dây dẫn và cáp

Có 3 phương pháp lựa chọn tiết diện dây dẫn và cáp:

1 Lựa chọn tiết diện theo mật độ kinh tế của dòng điện

Phương pháp này dùng để chọn dây dẫn cho lưới cổ điện áp U ≥ 110KV, bởi vì trên lưới này không có thiết bị sử dụng điện trực tiếp đầu vào, vấn đề điện áp không

cấp bách, nếu chọn dây theo sẽ có lợi về kinh tế, nghĩa là chi phí tính toán hằng năm thấp nhất

Lưới trung áp đô thị và xí nghiệp, nói chung khoảng cách tải điện ngắn, thời gian sử dụng công suất lớn cũng được chọn theo

Trình tự lựa chọn tiết diện theo phương pháp này như sau:

- Chọn loại dây (dây dẫn, cáp) và vật liệu làm dây, căn cứ vào trị số và tra bảng tìm

Nếu đường dây cấp điện cho các phụ tải có khác nhau phải tính trị số trung bình theo biểu thức sau:

= ∑

∑

∑

∑

Trị số (A/ ) theo và loại dây:

- Kiểm tra tiết diện đã chọn theo các tiêu chuẩn kỹ thuật:

Δ ≤ Δ

Δ ≤ Δ ≤ Với lưới U ≤ 110KV:

: thời gian quy đổi

2 Chọn tiết diện theo tổn thất điện áp cho phép Δ

Lưới điện trung áp nông thôn, hạ áp nông thôn, đường dây tải điện đến các trạm bơm nông nghiệp, do khoảng cách tải điện xa, tổn thất điện áp lớn, chỉ tiêu chất lượng điện năng dễ bị vi phạm nên tiết diện dây dẫn được chọn theo phương pháp này

Trình tự lựa chọn tiết diện dây dẫn theo phương pháp này như sau:

- Cho một trị số xác định được:

Δ =

.∑

Trong đó: , là công suất truyền tải và chiều dài đoạn ij

- Xác định thành phần tổn thất điện áp do P gây trên R

Δ = Δ - Δ

- Tiết diện cần thiết để bảo đảm Δ :

F = ρ ∑

Từ đây, chọn tiết diện tiêu chuẩn gần nhất lớn hơn

- Thử lại các điều kiện kỹ thuật:

Δ ≤ Δ

Δ ≤ Δ

≤

3 Chọn tiết diện theo dòng điện phát nóng cho phép

Phương pháp này dùng chọn tiết diện dây dẫn và cáp cho lưới hạ áp đô thị, hạ

áp công nghiệp và ánh sáng sinh hoạt

Trình tự xác định tiết diện dây dẫn như sau:

- Xác định dòng điện tính toán của đối tượng mà đường dây cần cấp điện (A)

- Lựa chọn loại dây, tiết diện dây theo biểu thức:

≥ Trong đó:

: hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ, ứng với môi trường đặt dây, cáp

hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ, kể đến số lượng dây hoặc cáp đi chung một rãnh dòng điện lâu dài cho phép ứng với tiết diện dây hoặc cáp định lựa chọn, tra

sổ tay

- Thử lại theo điều kiện kết hợp với thiết bị bảo vệ

Nếu bảo vệ bằng cầu chì:

≥ Trong đó:

=

Trong đó:

: dòng điện khởi động điện từ của aptomat (chính là dòng chỉnh định để aptomat cắt ngắn mạch)

dòng điện khởi động nhiệt của aptomat (chính là dòng điện tác động của role nhiệt để cắt quá tải)

- Kiểm tra theo điều kiện ổn định:

F ≥ α √

- Kiểm tra tổn thất điện áp:

Δ ≤ Δ = 5%

- Chọn đường dây (cáp) đến aptomat của nhà A2:

Khoảng cách từ aptomat tổng đến aptomat nhà A2 là 300m

- Lựa chọn tiết diện theo tổn thất điện áp cho phép:

Ta có: Công suất tính toán của nhà A2 là:

= 27,68 (KVA) = 19,92 (KW)

Δ = Δ - Δ = 5%.380 – 5,31 = 13,69 (V) Tiết diện tính toán:

F = ρ

=

= 36,19 (

- Lựa chọn tiết diện theo dòng điện phát nóng cho phép

Công suất tính toán của nhà A2 là: = 19,92 (KW)

Dòng điện tính toán của nhà A2 là: = 30,27 (A)

Chọn cáp đồng 3 lõi do hãng LENS chế tạo, PVC(3×50) có = 192A, = 0,4 + j0,06 (Ω/km)

Vì t = +25ºC và cáp đƣợc đặt riêng một rãnh nên = = 1

Ta có:

= 1.1.192 = 192A > = 30,27A Kiểm tra cáp đã chọn theo điều kiện kết hợp với aptomat 40A:

Khoảng cách từ aptomat tổng nhà A2 đến aptomat tầng 4 nhà A2 là 16m

- Lựa chọn tiết diện theo tổn thất điện áp cho phép:

Ta có: Công suất tính toán của tầng 4 nhà A2 là:

= 4,48 (KVA) = 3,81 (KW)