Bộ giáo dục và đào tạo
TrƯờng đại học nông nghiệp hà nội
BI TUN ANH NGHIấN CU GII PHP K THUT NNG CAO
CHT LNG TRUYN NG IN MY BM
NC TRONG M HM Lề CễNG SUT
NG C TRấN 75 KW luận văn thạc sĩ Kỹ THUậT Chuyên ngành : K THUT IN
Mã số : 60.52.02.02


Tác giả Bùi Tuấn Anh
Bùi Tuấn Anh Bùi Tuấn Anh
Bùi Tuấn Anh

Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s khoa hc k thut

Tác giả
Tác giả Tác giả
Tác giả Bùi Tuấn Anh
Bùi Tuấn AnhBùi Tuấn Anh
Bùi Tuấn Anh Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iii

Môc lôc


CHƯƠNG 2: THỰC TRẠNG CUNG CẤP ðIỆN VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI 18
2.1. THỰC TRẠNG CUNG CẤP ðIỆN 18
2.1.1. Giới thiệu thực trạng cung cấp ñiện cao áp 6kV Công ty than Mông
Dương 18
2.1.2. Giíi thiÖu thùc tr¹ng cung cÊp ®iÖn cao ¸p 6kV c«ng ty than Khe
Chµm 23
2.1.3. NhËn xÐt chung 28
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI 29
CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ ðÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP
KHỞI ðỘNG ðỘNG CƠ 31
3.1. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH VÀ QUÁ TRÌNH
KHỞI ðỘNG ðỘNG CƠ KHỞI ðỘNG BƠM 31
3.1.1 Phương pháp khởi ñộng trực tiếp 31
3.1.2 Khởi ñộng ñộng cơ bằng ñổi nối
Υ
-
∆
33
3.1.3 Khởi ñộng ñộng cơ bằng phương pháp dùng MBA tự ngẫu 34
3.1.4. Khởi ñộng ñộng cơ bằng phương pháp dùng cuộn kháng 37
3.1.5 Khởi ñộng ñộng cơ bơm bằng phương pháp dùng ñiện trở phụ 40
3.1.6 Phương pháp khởi ñộng ñộng cơ dùng bộ khởi ñộng Thyristor 42
3.2. PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ
THỐNG TRUYỀN ðỘNG ðIỆN CHO CÁC MÁY BƠM MỎ
HẦM LÒ 44
CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT 46
4.1. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 46
4.1.1 Lựa chọn phương pháp ñiều khiển khởi ñộng 46
4.1.2 Dùng bộ Thyristor ñiều khiển tần số ñặt vào Stato ñộng cơ

4.7.1. Nghiên cứu phương pháp thử nghiệm thiết bị 84
4.7.2. Chọn hiện trường thử nghiệm 84
4.7.3. Chuẩn bị thử nghiệm 85
4.7.4. Chuẩn bị dụng cụ ño ñạc kiểm tra 85
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vi

4.7.5. Quy trình thử nghiệm và xác ñịnh các thông số cần thiết 86
4.8. GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
TRUYỀN ðỘNG ðIỆN MÁY BƠM 90
4.8.1. Mô hình hệ thống truyền ñộng ñiện máy bơm chất lượng cao 90
3.8.2. Giải pháp rút gọn 91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93
I. KẾT LUẬN 93
II. KIẾN NGHỊ 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 : Kết quả ñiều tra hiện trạng cung cấp ñiện một số trạm bơm
8
Bảng 1.2: Một số loại bơm ly tâm ñang sử dụng phổ biến tại các trạm bơm
hầm lò hiện nay
11
Bảng 1.3: Kết quả ñiều tra thiết bị khởi ñộng tại một số trạm

ủm
ca ủng c. 34
Hỡnh 3.4: c tớnh khi ủng ủng c 200 kW vi ủin ỏp theo cp 35
Hỡnh 3.5 : S ủ khi ủng ủng c qua cun khỏng 37
Hỡnh 3.6: Khi ủng ủng c qua cun khỏng cú 3 cp 39
Hỡnh 3.7: S ủ ủiu khin ủng c bm nc bng phng phỏp dựng
ủin tr ph s dng khi ủng t v Rle thi gian 40
Hỡnh 3.8: S ủ nguyờn lý b khi ủng Thyristor loi KT 43
Hỡnh 4.1: S ủ b bin tn thng dựng cho nhng ủng c cú cụng
sut trung bỡnh tr lờn 48
Hỡnh 4.2: B bin tn dựng Thyristor 49
Hỡnh 4.3: B bin tn dựng Thyristor 49
Hỡnh 4.4: (a,b,c,d): S ủ b bin ủi ủin ỏp xoay chiu dựng Thyristor 50
Hỡnh 4.5: S ủ b ủiu khin AXC 3 pha ủng c khụng ủng b 51
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

ix

Hình 4.6: ðồ thị ñiện áp pha và dòng ñiện với tải có ϕ = 45
0
và góc
ñiều khiển α = 60
0
và 120
0
53
Hình 4.7. a. Chế ñộ góc ñiều khiển nhỏ hơn góc giới hạn 54
b. Chế ñộ góc ñiều khiển lớn hơn góc giới hạn 54
Hình 4.8 (a,b): Sự phụ thuộc của U
RA

MỞ ðẦU

1. Tính bức thiết của ñề tài:
ða số các mỏ hầm lò ở nước ta hiện nay ñang sử dụng nhiều các
trạm/máy bơm không có hoặc ñược trang bị thiết bị khởi ñộng chất lượng
thấp, thiếu ñồng bộ, mất an toàn trong vận hành và thao tác, ảnh hưởng lớn
ñến sản xuất. Gần ñây, ở các nước tiên tiến trên thế giới người ta ñã sử dụng
rộng rãi các bộ khởi ñộng mềm ñiện tử thông minh ñể ñiều khiển quá trình
khởi ñộng và làm việc của máy bơm/quạt gió, cho phép nâng cao hiệu quả
giám sát ñiều khiển quá trình vận hành ñảm bảo an toàn, tiết kiệm ñiện năng
và nâng cao tuổi thọ các ñộng cơ và máy bơm công suất lớn.
Từ những năm 1980, ở nước ta ñã có các nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ
khởi ñộng Thyristor và nhập ngoại, ñưa vào thử nghiệm ứng dụng trong các
trạm bơm hầm lò (Nam Mẫu, Mông Dương, Thống Nhất v.v.). Bước ñầu ñã
có những kết quả khả quan. Tuy nhiên, các bộ khởi ñộng Thyristor chế tạo
trong nước còn nhiều tồn tại, chưa ñược áp dụng rộng rãi trong thực tiễn sản
xuất…
Gần ñây, trên cơ sở thừa kế những tiến bộ kỹ thuật và công nghệ của
nước tiên tiến trên thế giới, một số cơ sở ñã và ñang ñã thí ñiểm lắp ñặt các
thiết bị khởi ñộng, ñiều khiển và dừng mềm ñộng cơ máy bơm công suất
khoảng (200÷630) kW nhập ngoại, sử dụng trong tưới tiêu thủy lợi và ngành
mỏ (Trạm bơm thủy lợi Văn Thai - Hải Dương, Mỏ than Mông Dương, Mỏ
than Vàng Danh, Khe Chàm v.v.). Trong thực tiến vận hành khai thác máy
bơm còn gặp nhiều lúng túng trong việc cài ñặt các thông số khởi ñộng/vận
hành máy bơm nên chưa ñạt ñược chất lượng và hiệu quả cần thiết theo công
bố của nhà chế tạo.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

2


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

3

- Thực nghiệm xác ñịnh các thông số khởi ñộng/ñiều khiển của máy bơm hầm mỏ
- Giải pháp nâng cao nâng cao chất lượng truyền ñộng ñiện máy bơm nước
mỏ hầm lò ñộng cơ công suất lớn
3.2. ðối tượng, ñịa ñiểm, phương pháp nghiên cứu:
3.2.1. ðối tượng nghiên cứu
Các trạm bơm mỏ hầm lò có công suất trên 75kW
3.2.2. ðịa ñiểm thực hiện ñề tài:
- Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội, PTN Cơ ñiện Vilas019-Viện Cơ ñiện
nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch
- Các công ty than Mông Dương, Vàng Danh, Nam Mẫu Tỉnh Quảng Ninh
- Trạm bơm thủy nông Văn Thai – Hải Dương
3.2.3. Phương pháp nghiên cứu:
- Kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, thừa kế các thành tựu Khoa học Công
nghệ trong và ngoài nước trong lĩnh vực khởi ñộng mềm và ñiều khiển máy
bơm công suất lớn trong mỏ hầm lò.
- Sử dụng phương tiện kỹ thuật ño lường thử nghiệm hiện ñại trong nghiên
cứu thực nghiệm và xử lý số liệu.

, S, SO
2
Do vậy ñể khai thác ñạt hiệu quả các
công ty than phải có hệ thống trạm bơm phòng nổ, tuy nhiên, hệ thống máy
bơm phòng nổ và các trang thiết bị ñiện phòng nổ ñầu tư qua nhiều giai ñoạn,
khá cũ kỹ chưa ñáp ứng ñược các yêu cầu ngày càng cao của thực tiễn khai
thác hiện nay. Nhiều trạm bơm ñang sử dựng các thiết bị khởi ñộng chất
lượng thấp, thiếu ñồng bộ, ñộ an toàn trong vận hành và thao tác thấp kém,
ảnh hưởng lớn ñến chất lượng và hiệu quả khai thác các công trình và máy
bơm trong mỏ cần ñược cải tiến và nâng cấp.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

5

Ở các nước tiên tiến, người ta ñã áp dụng rộng rãi các hệ thống thiết bị
truyền ñộng ñiện, trong ñó có bộ “bộ khởi ñộng mềm” chất lượng cao cho các
trạm bơm hầm lò, có tính năng kỹ thuật và ñộ tự ñộng hoá cao, an toàn cho
người và thiết bị, ñảm bảo cho hiệu quả sản xuất kinh doanh cao.
Việc nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng các thiết bị khởi ñộng bằng ñiện trở,
cuộn kháng, biến áp tự ngẫu và bộ khởi ñộng Thyristor trong sản xuất. Thiết bị
khởi ñộng, ñiều khiển và dừng mềm ñộng cơ máy bơm công suất lớn trên 75 kW
ñã ñược nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm nhằm giảm chi phí ñiện năng, nâng
cao ñộ ổn ñịnh, tin cậy và an toàn bước ñầu ñã cho các kết quả khả quan.
1.1.2. Hiện trạng sử dụng máy bơm trong hầm mỏ ở nước ta
Hầu hết các trạm bơm ñược cung cấp ñiện từ lưới ñiện 6 ñến 35 kV qua
trạm biến áp hạ áp ñặt tại trạm bơm tùy thuộc vào ñặc ñiểm, ñịa bàn cụ thể
của các trạm bơm, ña số các trạm bơm ñều xa hệ thống ñường dây tải ñiện
(thường 5 ñến 10km). ðể cấp ñiện cho các trạm bơm phải dùng một ñường
dây phân nhánh riêng. Hầu hết các máy biến áp của trạm bơm ñều sử dụng
loại máy biến áp (MBA) ngoài trời (loại MBA bệt). Năng lượng từ lưới ñiện
ðối với các trạm bơm loại này thường công suất của MBA ñược chọn
bẳng tổng công suất của các máy bơm.
H×nh 1.2
-
S¬ ®å cung c
Êp ®iÖn b»ng 1 MBA
c«ng suÊt lín cung cÊp cho tÊt c¶ c¸c m¸y b¬m
cña tr¹m

C¸c
Phô t¶i
kh¸c

ho¹t
P
2

AT
1M
2M
nM
1DCL

MC
2

MBA
2

35/6 kV

CDTrng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s khoa hc k thut


CDPĐ
1Phụ tải sinh hoạtP
2

P
n

P
1

35kV
(10kV)MC
1

MBA
1

35/6 kV

CD


35/6 kV

Hình 1.3
-
Sơ đồ dùng nhiều MBA vận hành

song songMC
2

MBA
2

35/6 kV

CD
2

AT
4AT
nM

2
3
4
5
6
Mỏ Nam Mẫu
Mỏ Vàng Danh
Mỏ Hồng Thái
Mỏ ðầm Vông
Mỏ Mông Dương
Mỏ Thống Nhất
05
06
08
07
07
08
630
300
140
300
630
200
02
02
03
02
02
02
2 x 7500

2- Tính tối ưu các chế ñộ làm việc của hệ (chế ñộ khởi ñộng, vận hành,
chế ñộ dừng).
3- Tính mới, tính tiên tiến, mức ñộ tự ñộng hóa.
4- Tính năng bảo vệ, ñộ tin cậy, ñộ bền.
5- Chi phí ñầu tư, vần hành, bảo dưỡng, sửa chữa.
1.2.2 Hệ thống truyền ñộng ñiện các máy bơm hiện nay
Hệ thống truyền ñộng ñiện của các máy bơm nước thuộc loại truyền
ñộng ñiện xoay chiều, theo quan ñiểm về năng lượng ñược mô tả bằng sơ ñồ
khối cấu trúc như hình 1. 4.

Hình 1.4: Sơ ñồ cấu trúc hệ thống Tðð máy bơm nước mỏ hầm lò
1 - Bộ khởi ñộng ñộng cơ; 2 - ðộng cơ ñiện; 3 – Bộ truyền lực; 4 – Máy
bơm; 5 – Bộ ñiều khiển.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

10

Nhìn chung, những ñộng cơ ñược chế tạo vào những thời kỳ những năm
1995 về trước có hiệu suất thấp (thường η ≤ 0,85), hệ số Cosϕ cũng thấp
(thường Cosϕ ≤ 0,82). Công suất ñộng cơ dư khá nhiều sơ với máy bơm nên
ñộng cơ sử dụng ñiện với hiệu quả khá thấp. Một số máy bơm công suất lớn
(300 ÷ 630 kW) dùng ñộng cơ ñồng bộ làm việc lưới ñiện áp cao 6kV –
10kV. Loại ñộng cơ này hệ số Cosϕ cao hơn (thường Cosϕ ≥ 0,87).
Thiết bị khởi ñộng 1 phụ thuộc vào mức ñộ trang bị, trình ñộ kỹ thuật
của thời xây dựng và lắp ñặt máy, công suất, loại ñộng cơ. Những trạm bơm
hầm lò ñược xây dựng từ những năm 1995 trở về trước hầu hết các bộ khởi
ñộng ñều áp dụng các phương pháp khởi ñộng trực tiếp hoặc gián tiếp bằng các
thiết bị ñơn giản, chất lượng khởi ñộng kém nay ñã quá cũ kỹ và lạc hậu, các thiết
bị ñóng cắt và ñiều khiển ñã phải sửa chữa, thay thế chắp vá và thiếu ñồng bộ,
không an toàn cho người và thiết bị, ảnh hưởng rất lớn ñến hiệu quả làm việc của

ST
T
Ký hiệu
Q
(m
3
/ h)
H
(m)
N
(Vg/p)
Hiệu
suất
η
(%)
Công suất
trục
Pa
(kW)
Công suất
ñộng cơ
N
ñcơ
(kW)
1
2
3
4
5
6

462
531
591
114
120
62
630
630
630
140
150
75

Qua tổng quan ñiều tra các trạm bơm ta có nhận xét:
ðối với những trạm bơm ñược xây dựng từ những năm 1995 trở về
trước, hệ thống truyền ñộng ñiện ñã quá cũ kỹ và lạc hậu, hiệu quả sử dụng
ñiện thấp, các thiết bị trong hệ thống ñã phải sửa chữa thay thế nhiều không
ñồng bộ. Các thiết bị bảo vệ an toàn trong vận hành chưa có, những vấn ñề về
tự ñộng theo dõi, ñiều khiển chưa ñược nghiên cứu lắp ñặt. Nói chung, những
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

12

loại trạm bơm này có hệ thống truyền ñộng ñiện chất lượng thấp, không ñảm
bảo vận hành an toàn cho người và thiết bị.
Những máy bơm lớn mới nhập của nước ngoài ña số không có hoặc
hiếm phụ tùng thay thế, các máy bơm sản xuất trong nước hệ thống truyền
ñộng ñiện ñơn giản , hiệu suất lại thấp. Trước những thực trạng hiện nay, về
hệ thống cung cấp, sử dụng ñiện, hệ thống truyền ñộng ñiện các máy bơm công
suất vừa và lớn cần phải tiến hành nghiên cứu từng bước, có các giải pháp cải

ω – Tốc ñộ quay của máy
K
1
– Hệ số tỷ lệ
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

13P
ñm
– Công suất ñịnh mức của bơm.
ðường ñặc tính của bơm có dạng hình 1 - 5a. Nếu máy bơm làm việc ở
chế ñộ ổn ñịnh (n = const) thì cột áp H, công suất N và hiệu suất
η
là hàm số
của lưu lượng Q.
Các quan hệ H(Q), N(Q),
η
(Q) là các ñặc tính thủy lực của máy bơm,
ñược biểu diễn trên hình 1-5b. Khi thay ñổi số vòng quay của máy bơm sẽ
làm thay ñổi lưu lượng Q, công suất trục bơm N và hiệu suất
η
của máy bơm. Hình 1.5: Các ñặc tính cơ bản của bơm

làm việc trên lưới ñiện. Vì vậy, ñối với những ñộng cơ công suất vừa và lớn
không cho phép khởi ñộng ñộng cơ trực tiếp.
Mặt khác, khi khởi ñộng ñộng cơ, do sự gia tốc về tốc ñộ
dt
d
ω
cùng với
sự tăng của dòng ñiện gây nên ñộ giật
dt
di
(
2
2
dt
d
ω
) tạo nên những xung lực rất
lớn giữa các phần quay của hệ truyền ñộng gây hiểm cho kết cấu cũng như ñộ
bền cơ khác làm giảm tuổi thọ và có thể gây sự cố làm hư hỏng các tổ máy
hoặc toàn bộ công trình trạm, ñặc biệt ñối với các loại máy bơm có kết cấu
ñộng học dài (Trục bơm từ 5
÷
20m).
Do mômen phụ tải bơm tỷ lệ với bình phương của tốc ñộ nên trong giai
ñoạn tốc ñộ thấp (mới bắt ñầu quay) ñộng cơ phải khởi ñộng gần như không
tải là chỉ có tăng thêm Mômen quán tính của hệ và mômen cản tĩnh do ma sát
gây ra (M
co
). Trên thực tế ñối với máy bơm mỏ hầm lò mômen khởi ñộng ban
ñầu M

kñbñ
phải lớn hơn Mômen cản tĩnh M
co
.
Gia số Mômen
∆
M = M
kñbñ
- M
co
càng lớn thì hiện tượng “giật” bơm tại
thời ñiểm bắt ñầu khởi ñộng càng mạnh và dòng khởi ñộng của ñộng cơ ñiện
càng lớn, ñó là ñiều bất lợi.
Khi dừng bơm, ñể hạn chế sự va ñập của nước lên bánh xe công tác và
hệ số truyền ñộng của bơm do áp lực lớn của cột nước chảy ngược. Ta cần bổ
xung quán tính cho hệ trong quá trình dừng. Muốn vậy, trong quá trình dừng:
M
ñh
= M
ñ
- M
c
(f
dt
d
ω
phải < 0 - Tức là hệ số giảm dần tốc ñộ rồi về 0). Nếu
dừng trực tiếp (tức là cắt ñộng cơ ra khỏi nguồn ngay tại thời ñiểm cần dừng)
thì hiện tượng giật sẽ xảy ra càng mạnh, nếu quán tính cơ của hệ và chiều cao
của cột nước càng lớn thì rất nguy hiểm cho các bộ phận truyền ñộng nhất là