Quy trình thiết kế tủ điện công nghiệp từ A–Z: 6 bước cần biết

Thiết kế tủ điện công nghiệp là quá trình biến yêu cầu vận hành của hệ thống thành một cấu hình điện có sơ đồ, thiết bị, bố trí và phương án đấu nối cụ thể. Một thiết kế đúng phải tính đến tải điện, chế độ điều khiển, môi trường lắp đặt và khả năng mở rộng. Với tủ hạ áp, IEC 61439-1:2020 đặt ra các yêu cầu về điều kiện làm việc, kết cấu, đặc tính kỹ thuật và xác minh thiết kế. Vì vậy, thiết kế không nên bắt đầu bằng việc chọn vỏ tủ. Quy trình cần đi từ yêu cầu kỹ thuật đến kiểm tra hoàn thiện.

Quy trình thiết kế tủ điện công nghiệp chi tiết

Một bộ tủ điện hoàn chỉnh cần trải qua nhiều bước liên kết với nhau. Chỉ cần sai từ khâu xác định tải, các bước chọn thiết bị và đấu dây phía sau đều có thể bị ảnh hưởng.

Xác định thông số kỹ thuật và lựa chọn thiết bị phù hợp

Với động cơ, cần xác định công suất, dòng định mức, phương thức khởi động và chế độ làm việc. Với tải tổng, cần tính đến tổng công suất và đặc tính của từng nhóm tải. Từ dữ liệu đó, kỹ sư lựa chọn MCCB, MCB, contactor, relay, biến tần, PLC, nguồn điều khiển và thiết bị đo phù hợp. Thông số thiết bị phải đáp ứng điện áp, dòng điện và điều kiện làm việc dự kiến.

Không nên chọn thiết bị chỉ dựa vào công suất danh nghĩa. Khả năng chịu dòng, đặc tính bảo vệ và cách phối hợp giữa các thiết bị cũng cần được xem xét. IEC 61439-0:2022 cũng nhấn mạnh việc xác định các đặc tính của cụm tủ theo nhu cầu ứng dụng trước khi nhà chế tạo thực hiện thiết kế.

Thiết kế sơ đồ và xác định nguyên lý hoạt động

Với tủ điều khiển máy, sơ đồ cần thể hiện quan hệ giữa PLC, cảm biến, cơ cấu chấp hành và thiết bị truyền động. Với tủ phân phối, trọng tâm nằm ở sơ đồ nguồn, các nhánh tải và thiết bị bảo vệ.

Sơ đồ cũng cần thể hiện các điểm đấu nối để kỹ thuật viên có thể thi công và kiểm tra sau này. Đây là tài liệu quan trọng khi sửa chữa hoặc mở rộng tủ. Khả năng mở rộng cũng nên được tính từ giai đoạn này. Chẳng hạn, một hệ thống dự kiến bổ sung thêm động cơ không nên thiết kế với không gian và đầu nối vừa đủ cho cấu hình hiện tại.

Lắp đặt vỏ tủ và xác định vị trí thiết bị

Khi sơ đồ đã được thống nhất, thiết kế chuyển sang phần cơ khí và bố trí thiết bị. Kích thước vỏ phải phù hợp với số lượng thiết bị, phương án đi dây và yêu cầu tản nhiệt. Các thiết bị cần quan sát thường xuyên nên được bố trí ở vị trí dễ đọc. Nút nhấn và công tắc vận hành cần nằm trong vùng thao tác thuận tiện.

Bên trong tủ, thanh DIN rail, máng đi dây và tấm mounting plate cần được bố trí trước khi cố định thiết bị. Khoảng cách giữa các thiết bị phải đủ cho đấu nối và bảo trì. Không nên xếp thiết bị quá sát chỉ để giảm kích thước vỏ. Với thiết bị phát nhiệt lớn, bố trí thiếu khoảng trống có thể làm bài toán nhiệt trở nên khó kiểm soát.

Sắp xếp thiết bị trong tủ điện

Bố trí thiết bị cần dựa trên chức năng và đường đi của nguồn điện. Cách sắp xếp hợp lý sẽ giúp kỹ thuật viên xác định nhanh vị trí cần kiểm tra khi tủ phát sinh lỗi. Nhóm thiết bị động lực như MCCB, contactor và thiết bị bảo vệ nên được bố trí theo tuyến nguồn. Nhóm điều khiển như PLC, relay và module I/O nên được bố trí theo cấu trúc điều khiển của hệ thống.

Cầu đấu thường được đặt tại khu vực thuận tiện cho việc kết nối dây ra ngoài. Thiết bị đo và đèn báo cần đặt ở vị trí người vận hành có thể quan sát trực tiếp. Một nguyên tắc quan trọng là tách hợp lý mạch động lực và mạch điều khiển. Điều này giúp giảm nguy cơ ảnh hưởng nhiễu và tạo không gian thao tác rõ ràng hơn.

Đi dây và đấu nối hệ thống

Sau khi thiết bị được cố định, kỹ thuật viên tiến hành đấu dây theo sơ đồ. Đây là công đoạn yêu cầu độ chính xác cao vì một điểm đấu sai có thể làm thay đổi chức năng của cả mạch.

Dây nên được đánh số hoặc ký hiệu thống nhất với sơ đồ. Cách đánh dấu này giúp kỹ thuật viên truy tìm đầu dây nhanh hơn khi bảo trì hoặc sửa chữa.

Dây động lực và dây tín hiệu cần được bố trí phù hợp với yêu cầu tương thích điện từ của hệ thống. Với tín hiệu nhạy hoặc đường truyền thông, có thể cần sử dụng cáp có lớp chống nhiễu và phương án nối đất màn chắn phù hợp.

Không nên áp dụng máy móc quy tắc “mọi dây động lực và điều khiển phải vuông góc”. Cách đi dây phải dựa trên loại tín hiệu, cấu trúc tủ và yêu cầu chống nhiễu của hệ thống.

Trước khi cấp điện, cần kiểm tra lại các đầu nối, đánh số dây và đối chiếu với sơ đồ. Đây là bước giúp phát hiện lỗi đấu dây trước khi hệ thống chịu điện áp vận hành.

Kiểm tra và chạy thử tủ điện

Đây là bước xác nhận thiết kế đã được triển khai đúng trước khi tủ xuất xưởng hoặc đưa vào công trình. Việc kiểm tra không nên chỉ dừng ở thao tác cấp nguồn và xem tủ có hoạt động hay không.

Trước tiên, cần kiểm tra trực quan kết cấu, thiết bị, đầu nối và dây dẫn. Các mạch phải được đối chiếu với sơ đồ để phát hiện sai khác.

Tiếp theo, thực hiện các phép kiểm tra phù hợp với thiết kế và yêu cầu của cụm tủ. Với hệ thống có điều khiển, cần kiểm tra tín hiệu vào, tín hiệu ra và trình tự hoạt động.

Sau đó, tủ được chạy thử theo điều kiện phù hợp. Các thông số như điện áp và dòng điện cần được kiểm tra trong phạm vi cần thiết.

Đối với cụm tủ thuộc phạm vi IEC 61439, xác minh thiết kế và kiểm tra thường xuyên không nên được hiểu đơn giản là một lần “test chạy”. IEC 61439-1 quy định khung yêu cầu và xác minh, trong khi phần sản phẩm liên quan của bộ tiêu chuẩn được áp dụng tùy loại cụm tủ.

HT NEXTECH – Đơn vị cung cấp tủ điện công nghiệp

Sau khi hoàn thiện thiết kế, việc lựa chọn đơn vị chế tạo ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng triển khai thực tế. HT NEXTECH có thể cung cấp giải pháp tủ điện theo cấu hình và yêu cầu của từng hệ thống.

Một số hạng mục khách hàng có thể quan tâm gồm:

• Tư vấn cấu hình tủ: Xác định thiết bị và phương án bố trí theo tải, chức năng điều khiển và điều kiện lắp đặt.
• Thiết kế và chế tạo tủ: Triển khai phần điện và cơ khí theo hồ sơ kỹ thuật đã thống nhất.
• Tủ phân phối và tủ điều khiển: Phù hợp với nhà máy, kho xưởng, hệ thống máy móc và các công trình công nghiệp.
• Tích hợp thiết bị điều khiển: Có thể cấu hình PLC, HMI, biến tần và các thiết bị điện liên quan theo yêu cầu hệ thống.
• Kiểm tra trước khi bàn giao: Đối chiếu đấu nối, thiết bị và chức năng theo phạm vi thiết kế trước khi đưa tủ vào sử dụng.
• Hỗ trợ kỹ thuật: Cung cấp thông tin kỹ thuật phục vụ lắp đặt, vận hành và bảo trì sau khi bàn giao.

Thiết kế tủ điện công nghiệp cần bắt đầu từ yêu cầu của hệ thống thay vì bắt đầu từ việc chọn mẫu tủ có sẵn. Quy trình cơ bản gồm xác định thông số, chọn thiết bị, thiết kế sơ đồ, bố trí vỏ, sắp xếp thiết bị, đấu dây và kiểm tra.