Quy trình 9 bước thiết kế tủ điện công nghiệp tiêu chuẩn

Chu Văn An

Thiết kế tủ điện công nghiệp là khâu quan trọng để đảm bảo tủ điện hoạt động chính xác và an toàn trong thực tế. Quá trình này không chỉ đòi hỏi yêu cầu khắt khe về kỹ thuật, thẩm mỹ mà còn đòi hỏi người thực hiện phải có kiến ​​thức chuyên môn cao về kỹ thuật điện. Dưới đây là 9 bước tiêu chuẩn trong quy trình thiết kế tủ điện công nghiệp.

Tiêu chuẩn thiết kế tủ điện công nghiệp

Tủ điện công nghiệp hoạt động ở dòng điện và điện áp cao, trong môi trường hoạt động khắc nghiệt nên tiêu chuẩn thiết kế khắt khe hơn tủ điện dân dụng. Theo đó, việc thiết kế tủ điện công nghiệp phải đáp ứng các tiêu chuẩn cơ bản sau.

Tiêu chuẩn quốc tế

• IEC 61439: Bộ tiêu chuẩn chung về thiết kế và thử nghiệm tủ điện điều khiển và đóng cắt hạ áp. Cập nhật lên phiên bản mới nhất năm 2025.
• IEC 60529: Tiêu chuẩn cấp độ bảo vệ (IP) của tủ điện.
• IEC 60947: Tiêu chuẩn về yêu cầu kỹ thuật, an toàn đối với thiết bị đóng cắt/điều khiển hạ áp lắp đặt trong tủ điện.

Tiêu chuẩn quốc gia

• TCVN 799-1:2009: Quy định về tủ chuyển mạch và điều khiển hạ thế. Tuy nhiên, hầu hết các tủ điện tại Việt Nam đều áp dụng trực tiếp tiêu chuẩn IEC 61439.
• ISO 4255:2008: Quy định cấp độ bảo vệ tủ điện công nghiệp.
• ISO 6223:2016: Quy định yêu cầu kỹ thuật đối với tủ điều khiển và điều khiển tập trung.

Ngoài ra, việc thiết kế tủ điện còn cần phải đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật cụ thể như:

Yêu cầu an toàn

• Điện trở cách điện tối thiểu ≥1000 Ohms/V.
• Hệ thống nối đất được kết nối đúng cách.
• Lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp với dòng điện định mức và dòng điện cắt ngắn mạch.

Yêu cầu về thiết bị và hệ thống dây điện

• Các thiết bị phải được bố trí khoa học theo từng khối chức năng, phù hợp với mục đích sử dụng.
• Dây cáp điện phải được đặt trong máng/máy phát điện gọn gàng, được đánh số và dán nhãn cụ thể.
• Tính toán khoảng cách an toàn để đảm bảo các dây không chồng lên nhau, đặc biệt mạch điện và mạch điều khiển không dùng chung khay cáp.

Yêu cầu bọc tủ

• Kích thước tủ điện phù hợp với không gian lắp đặt.
• Cấp IP phù hợp với chức năng của từng loại tủ điện. Ví dụ IP44 dùng cho tủ điện trong nhà, IP54 dùng cho tủ điện ngoài trời có mái che, IP65 phù hợp cho tủ điện ngoài trời không có mái che. Đối với tủ điện lắp đặt trong môi trường khắc nghiệt, yêu cầu chống bụi hoàn toàn và chịu được tia nước áp lực mạnh thì cấp độ IP phải từ 66 trở lên.

Quy trình thiết kế tủ điện công nghiệp tiêu chuẩn

Quy trình thiết kế tủ điện công nghiệp là một chuỗi các bước logic, liên kết chặt chẽ với nhau, dựa trên tiêu chuẩn quốc tế phổ biến nhất là IEC 61439.

Dưới đây là 9 bước cơ bản trong quy trình thiết kế tủ điện công nghiệp.

Bước 1: Tính toán kỹ thuật và lựa chọn thiết bị cần thiết

Để tiết kiệm thời gian cho giai đoạn thực hiện dự án và thi công, việc tính toán và lựa chọn các thiết bị điện cần thiết là vô cùng quan trọng. Bước này cần căn cứ vào tiêu chuẩn dòng điện, điện áp, yêu cầu của tủ điện và đặc tính phụ tải để có kế hoạch xác định chính xác chủng loại, số lượng, thông số kỹ thuật của từng nhóm thiết bị quan trọng, bao gồm: thiết bị chuyển mạch (ACB/MCCB/MCB), thiết bị điều khiển (Biến tần, PLC, contactor, rơle) và mặt cắt dây dẫn – thanh cái phù hợp.

Bước 2: Thiết kế sơ đồ bên trong và bên ngoài tủ điện

Sau khi xác định được số lượng, chủng loại thiết bị cần thiết cho tủ điện, bạn cần thiết kế bản vẽ chi tiết cả bên trong và bên ngoài tủ điện. 3 yếu tố quan trọng cần đảm bảo khi thiết kế sơ đồ tủ điện:

• Sơ đồ nguyên lý công việc: Sơ đồ này có nhiệm vụ mô tả chi tiết cách các thiết bị hoạt động và kết nối với nhau cũng như cách thức vận hành của hệ thống. Đặc biệt, mạch điện và mạch điều khiển phải được tách biệt và xác định rõ ràng, đảm bảo sơ đồ tuân thủ nguyên tắc an toàn và tiêu chuẩn ký hiệu điện.
• Sơ đồ vật lý: Thông qua sơ đồ vật lý, các kỹ sư có thể xác định chính xác vị trí và hoạt động của từng thiết bị cụ thể. Vì vậy, sơ đồ này cần được bố trí một cách khoa học, vừa tối ưu hóa không gian, vật liệu và chi phí lắp đặt, vừa đảm bảo tính thẩm mỹ cho công trình.
• Khả năng mở rộng: Sơ đồ tủ điện cần tính đến kế hoạch mở rộng hoặc nâng cấp hệ thống trong tương lai, tránh phải thay thế vỏ tủ hoặc thay đổi kết cấu các thiết bị bên trong.

Bước 3: Chọn vỏ tủ điện

Vỏ tủ điện có nhiều kích thước và kiểu dáng khác nhau, trong đó có 2 loại chính là tủ nổi và tủ âm tường. Bạn có thể lựa chọn các loại vỏ tủ có sẵn trên thị trường hoặc yêu cầu thiết kế vỏ tủ theo yêu cầu để tối ưu hóa mục đích sử dụng.

Ngoài ra, khi lựa chọn tủ điện bạn cũng cần chú ý đến cấp độ bảo vệ (IP) và hình thức tủ điện theo tiêu chuẩn IEC để đảm bảo tủ đáp ứng yêu cầu bảo vệ trong các môi trường hoạt động khác nhau.

Bước 4: Lắp ráp thiết bị theo bản vẽ

Bước này đòi hỏi sự chính xác, tỉ mỉ của người vận hành để đảm bảo các thiết bị, linh kiện được kết nối đúng vị trí, đúng chiều và đúng chiều dòng điện theo sơ đồ thiết kế ban đầu.

Bạn có thể tham khảo một số vị trí lắp đặt điển hình của các thiết bị quan trọng như sau:

• Cầu dao chính nằm ở góc trái của tủ. Aptomat phân nhánh nằm ở hàng cuối cùng.
• Cầu chì và bộ bảo vệ pha nằm ở góc trên bên phải.
• Các nút bấm, đèn báo, đồng hồ đo – đèn báo được đặt trên cao trên bảng điều khiển hoặc phía ngoài tủ.
• Cầu nối được lắp ở phía dưới tủ.

Bước 5: Lắp đặt thanh cái

Thanh cái chính là “xương sống” truyền tải điện năng của tủ. Vì vậy, việc xử lý và lắp đặt thanh cái là điều cần thiết đối với các tủ có tổng dòng điện 100A, nhằm hạn chế tình trạng quá tải hoặc mất điện đột ngột.

Quá trình gia công và lắp đặt thanh cái bao gồm các bước sau:

• Cắt phôi đồng, đục lỗ trên thanh cái và uốn thanh có kích thước, chiều dài phù hợp theo bản vẽ thiết kế.
• Mạ (thiếc hoặc niken) để tăng độ bền và độ dẫn điện cho thanh cái.
• Phủ thanh cái bằng sơn PVC hoặc epoxy co nhiệt với nhiều màu sắc khác nhau để dễ dàng nhận biết từng loại.
• Lắp thanh cái vào vị trí quy định trong tủ điện và siết chặt các bu lông vào giá đỡ.
• Kiểm tra tất cả các điểm siết vít, sau đó lắp tấm chắn mica để bảo vệ thanh cái cũng như cách nhiệt với người vận hành.

Bước 6: Kết nối dây nguồn

Một số nguyên tắc cần tuân thủ khi kết nối mạch điện với thiết bị:

• Kết nối tiêu chuẩn kỹ thuật: Tất cả các dây dẫn cần được đấu nối đúng cách, theo sơ đồ đã thiết kế.
• Giai đoạn phân biệt: Các pha phải được phân biệt bằng màu sắc khác nhau và được ghi chú rõ ràng tại cầu nối.
• Tách mạch điện và mạch điều khiển: Hai mạch này cần được đặt cách xa nhau và nối dây vuông góc để tránh nhiễu tín hiệu. Mạch động lực nên sử dụng dây cáp điện có tiết diện lớn và các đầu cực chắc chắn. Mạch điều khiển có thể sử dụng tiết diện dây nhỏ hơn và đi vào khay cáp riêng.
• Kết nối tuần tự: Mạch điện phải được kết nối trước, sau đó là mạch điều khiển.

Bước 7: Kiểm tra toàn diện

Sau khi lắp đặt và đấu nối tủ điện, bước tiếp theo bạn cần thực hiện là kiểm tra toàn diện cả bên trong lẫn bên ngoài để đảm bảo:

• Tất cả các thiết bị đã được lắp đặt đúng vị trí và đúng kỹ thuật theo bản vẽ.
• Dây điện được kết nối chính xác và các kết nối được siết chặt.
• Quá trình chạy thử tủ điện vận hành an toàn, đạt yêu cầu kỹ thuật.

Nếu có sự cố, sự cố về điện xảy ra trong thời gian này phải khắc phục ngay trước khi đưa tủ điện vào vận hành chính thức.

Bước 8: Chạy thử và nghiệm thu

Đây là bước khẳng định chất lượng tủ điện theo tiêu chuẩn IEC, bao gồm:

• Kiểm tra chất lượng bên ngoài: Đối chiếu với bản vẽ kỹ thuật để so sánh số lượng, vị trí các thiết bị, kiểm tra nhãn mác, siết chặt vít, độ kín của các mối nối hay mức độ bảo vệ của tủ.
• Kiểm tra điện trở cách điện: Bằng cách đo điện trở giữa các pha hoặc giữa dây pha và dây nối đất.
• Kiểm tra tính liên tục: Kiểm tra hướng dòng điện và hệ thống dây điện giữa các thiết bị.
• Chạy thử có tải và không tải: Kiểm tra hoạt động của các thiết bị điều khiển và kiểm tra dòng điện thực tế. Nếu có vấn đề, cần phải ngắt nguồn điện và kết nối lại.

Bước 9: Bàn giao và vận hành tủ trên môi trường thực tế

Sau khi chạy thử, tủ điện sẽ được vệ sinh loại bỏ mạt sắt, bụi bẩn hoặc vật cản, sau đó bàn giao cho bộ phận vận hành kèm đầy đủ hồ sơ kỹ thuật và đưa vào vận hành thực tế.

• Tủ điện được khởi động và đấu nối vào lưới điện của nhà xưởng, nhà máy, khu công nghiệp.
• Tủ điện được xác định có vị trí lắp đặt phù hợp và có biện pháp cố định chân tủ.
• Lắp đặt hàng rào bảo vệ và biển cảnh báo để đảm bảo tủ điện vận hành an toàn.

Một số câu hỏi về thiết kế tủ điện công nghiệp

Câu 1: Nguyên tắc lựa chọn thiết bị khi thiết kế tủ điện công nghiệp là gì?

Hồi đáp: Khi lựa chọn thiết bị cho tủ điện cần cân bằng 2 yếu tố quan trọng: chất lượng và giá thành. Đối với các dự án trọng điểm, có mức đầu tư lớn như dự án chính phủ, khu đô thị cao cấp, cụm công nghiệp thì nên lựa chọn thiết bị của các thương hiệu uy tín hàng đầu như ABB, Schneider, Siemens. Đối với các dự án quy mô vừa, có thể ưu tiên lựa chọn thiết bị của BTB Electric, LS, Hyundai hay Mitsubishi.

Câu 2: Người thiết kế tủ điện công nghiệp cần những yêu cầu gì?

Hồi đáp: Người thiết kế tủ điện công nghiệp phải có chuyên môn cao về kỹ thuật điện mới có thể tính toán được các thiết bị phù hợp cho tủ điện, cũng như hiểu rõ các sơ đồ nguyên lý phức tạp của tủ điện.

Ngoài ra, người thiết kế tủ điện công nghiệp phải thành thạo sử dụng các công cụ tính toán điện chuyên dụng và các phần mềm thiết kế chuyên dụng như AutoCAD, EPLAN, SolidWorks để tạo ra các bản vẽ mạch động, mạch điều khiển chính xác.