Hội nghị Khoa học toàn quốc về Cơ khí - Điện - Tự động hóa

HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
KHOA CƠ – ĐIỆN

HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ
CƠ KHÍ - ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HĨA
National Conference on Mechanical, Electrical, Automation Engineering

(MEAE2021)

CÁC CHỦ ĐỀ CHÍNH CỦA HỘI NGHỊ
➢
➢
➢
➢
➢
➢

Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí động lực;
Kỹ thuật Điện, Điện tử, Điện cơng nghiệp;
Năng lượng, Năng lượng tái tạo;
Tự động hóa, Robot, Cơ điện tử;
Cơng nghệ thơng tin và trí tuệ nhân tạo;
và những tiến bộ kỹ thuật trong các lĩnh vực kể trên.

i

HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

BAN TỔ CHỨC
1.

GS.TS. Trần Thanh Hải, Trường ĐH Mỏ - Địa chất, Trưởng ban

2.

GS.TS. Bùi Xuân Nam, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phó Trưởng ban

3.

PGS.TS. Triệu Hùng Trường, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phó Trưởng ban

4.

PGS.TS Khổng Cao Phong, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phó Trưởng ban

5.

TS. Ngơ Thanh Tuấn, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phó Trưởng ban

6.

PGS.TS Nguyễn Đức Khốt, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên

7.

PGS.TS Nguyễn Văn Xơ, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên

8.

PGS.TS Đỗ Như Ý, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên

9.

TS. Nguyễn Thạc Khánh, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên

10. ThS Hà Văn Thủy, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên
11. PGS.TS Đào Huy Du, Trường ĐH CN Thái Nguyên, Ủy viên
12. PGS.TS Trần Thế Văn, Trường ĐH SPKT Hưng Yên, Ủy viên
13. TS. Đoàn Yên Thế, Trường ĐH Thủy Lợi, Ủy viên
14. TS. Đỗ Trung Hiếu, Viên cơ khí năng lượng và Mỏ, Ủy viên
15. TS. Lưu Hồng Việt, Công ty Cognex Việt Nam, Ủy viên
16. Ông Đỗ Mạnh Cường, Ban Khoa học công nghệ Mỏ KCM – Vinacomin, Ủy viên
17. Ông Nguyễn Vũ Cường, Tổng công ty thiết bị điện – Đông Anh, Ủy viên
18. Ơng Nguyễn Xn Huy, Cơng ty TNHH Cơ khí chính xác, Dịch vụ & Thương mại Việt Nam, Ủy viên
19. Ông Nguyễn Đình Thống, Viện KHCN Mỏ, Ủy viên
20. Ông Nguyễn Hải Long, Cơng ty CP cơ khí Mạo Khê-Vinacomin, Ủy viên
21. Ơng Lê Văn Minh, Cơng ty than Vàng Danh – Vinacomin, Ủy viên
22. Ơng Phạm Xn Phi, Cơng ty CP Cơng nghiệp ơ tơ Vinacomin, Ủy viên
23. Ơng Nguyễn Văn Sơn, Công ty than Hà Lầm – Vinacomin, Ủy viên
24. Ơng Phạm Anh Tuấn, Cơng ty CP Cơ khí Hịn Gai –Vinacomin, Ủy viên
25. Ơng Trần Hữu Phúc, Trường Đại học Cơng nghiệp Quảng Ninh, Ủy viên
26. Ơng Đào Viết Tuấn, Ban Cơ điện – Vận tải-TKV, Ủy viên

ii

HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

BAN KHOA HỌC
1.

PGS.TS. Khổng Cao Phong, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Trưởng ban

2.

TS. Ngô Thanh Tuấn, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phó Trưởng ban

3.

TS Trần Đức Huân, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phó Trưởng ban

4.

PGS.TS Đỗ Ngọc Anh, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phó Trưởng ban

5.

PGS.TS Nguyễn Đức Khốt, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên

6.

PGS.TS. Kim Ngọc Linh, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên

7.

PGS.TS. Phạm Trung Sơn, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên

8.

PGS.TS. Đinh Văn Thắng, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên

9.

PGS.TS. Nguyễn Văn Xô, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên

10. PGS.TS. Đỗ Như Ý, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên
11. TS. Nguyễn Thạc Khánh, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên
12. PGS.TS Trần Thế Văn, Trường ĐH SPKT Hưng Yên, Ủy viên
13. TS. Đoàn Yên Thế, Trường ĐH Thủy Lợi, Ủy viên
14. PGS.TS Đào Huy Du, Trường ĐH CN Thái Nguyên, Ủy viên
15. TS. Đỗ Trung Hiếu, Viện cơ khí năng lượng và Mỏ, Ủy viên
16. TS. Hà Văn Tuấn, Tập đồn KYUSHU, Ủy viên
17. TS Ngơ Mạnh Tiến, Viện Vật lý – Viện Hàn Lâm và Khoa học Việt Nam, Ủy viên
18. TS. Phạm Ngọc Minh, Viện công nghệ thông tin-Viện Hàn Lâm và Khoa học VN, Ủy viên
19. Ông Trương Hồng Thanh, Công ty Ứng dụng giải pháp công nghệ ASTEC, Ủy viên

iii


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

BAN THƯ KÝ
1.

TS. Ngơ Thanh Tuấn, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Trưởng ban

2.

TS. Trần Đức Huân, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Phó Trưởng ban

3.

TS. Hồ Việt Bun, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên

4.

TS. Đặng Văn Chí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên

5.

TS. Nguyễn Đăng Tấn, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên

6.

TS. Lê Xuân Thành, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên

7.

ThS. Kim Cẩm Ánh, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên

8.

ThS. Trần Viết Linh, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên

9.

ThS. Nguyễn Tiến Sỹ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên

10. ThS. Phạm Thị Thủy, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên
11. ThS. Nguyễn Thanh Tùng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên

BAN BIÊN TẬP
1.

TS. Ngô Thanh Tuấn, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Trưởng ban

2.

TS. Nguyễn Viết Nghĩa, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Phó Trưởng ban

3.

TS. Trần Đức Huân, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Phó Trưởng ban

4.

PGS.TS. Nguyễn Đức Khốt, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Ủy viên

5.

PGS.TS. Nguyễn Văn Xô, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Ủy viên

6.

PGS.TS. Đỗ Như Ý, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Ủy viên

7.

TS. Nguyễn Thạc Khánh, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Ủy viên

iv


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, cách mạng công nghiệp 4.0 đang là xu thế phát triển của nền công nghiệp,
nền công nghiệp hiện đại này, vừa tạo ra cơ hội và cũng chính là thách thức cho sự phát triển
của cơng nghiệp Việt Nam. Với mục đích nhằm giới thiệu những tiến bộ kỹ thuật trong các
lĩnh vực liên quan đến sự đào tạo và phát triển của Nhà trường, trường Đại học Mỏ - Địa chất,
Khoa Cơ – Điện tổ chức Hội nghị khoa học toàn quốc về Cơ khí, Điện và Tự động hóa (National
Conference on Mechanical, Electrical, Automation Engineering – MEAE2021).
Hội nghị là nơi giao lưu, kết nối các nhà khoa học, các doanh nghiệp, các cá nhân đang
hoạt động trong lĩnh vực nói trên, để cùng nhau thảo luận, trao đổi học thuật và chia sẻ kinh
nghiệp nhằm thúc đẩy sự phát triển của các lĩnh vực về Cơ khí, Điện và Tự động hóa, nhằm
phục vụ cho sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước.
Trọng tâm của hội nghị đề cập đến “Chuyển đổi số trong lĩnh vực Cơ – Điện” – “Digital
Transformation in Electro-Mechanics” với các chủ đề như:
✓ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí động lực;
✓ Kỹ thuật Điện, Điện tử, Điện công nghiệp;
✓ Năng lượng, Năng lượng tái tạo;
✓ Tự động hóa, Robot, Cơ điện tử;

✓ Cơng nghệ thơng tin và trí tuệ nhân tạo;
✓ và những tiến bộ kỹ thuật trong các lĩnh vực kể trên.
Ban tổ chức tin rằng, Tuyển tập các cơng trình khoa học tham gia Hội nghị lần này sẽ
góp phần đóng góp có chất lượng nhằm thúc đẩy cho sự phát triển chung cho nền công nghiệp
ngày nay.
Thay mặt Ban tổ chức, tôi chân thành cảm ơn đến Đảng ủy, Hội đồng trường, Ban Giám
hiệu Trường Đại học Mỏ - Địa chất và các đơn vị liên quan đã đồng hành, tạo mọi điều kiện
thuật lợi cho việc Hội nghị được tổ chức thành công tốt đẹp.
Đặc biệt, trân trọng cảm ơn đến các tác giả các bài báo khoa học, các phản biện, các
nhà khoa học, các cơ quan đồng nghiệp, các doanh nghiệp tài trợ đã có đóng góp quan trọng
vì sự thành cơng chung của Hội nghị MEAE2021.
TM. BAN TỔ CHỨC

PGS.TS Khổng Cao Phong
v


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

MỤC LỤC
Numerical simulation method application in the design of a line-start permanent magnet
synchronous motor ................................................................................................................................................................. 2
Do Nhu Y, Ngo Thanh Tuan, Ngo Xuan Cuong, Le Anh Tuan

Tính dịng điện rị trong các mạngđiện mỏ hầm lị có sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn ở chế độ quá
trình quá độ ................................................................................................................................................................................ 7
Kim Ngọc Linh, Nguyễn Thạc Khánh, Nguyễn Trường Giang, Kim Thị Cẩm Ánh

Identification of Two-Mass Mechanical Systems by Using Fourier Interpolation ..................................... 14

Thanh Loan Pham

Đánh giá mức độ tiết kiệm vật liệu và hình dạng hợp lý ở một số chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh ..... 20
Phạm Tuấn Long

Các phương pháp xử lý tín hiệu đo lường trước và sau bộ biến đổi ADC ...................................................... 24
Nguyễn Tiến Sỹ, Kim Thị Cẩm Ánh, Hà Thị Chúc

Xây dựng bộ đo công suất ứng dụng cho các bài thí nghiệm, thực hành mạch điện xoay chiều của
phịng thí nghiệm Kỹ thuật điện – Điện tử trường Đại học Mỏ - Địa chất ...................................................... 29
Nguyễn Trường Giang

Tác động của mạng 5G đối với sự phát triển của tự động hóa và số hóa cơng nghiệp ............................. 34
Tống Ngọc Anh

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số hai tầng cánh đến hệ số công suất của tuabin gió trục
ngang chong chóng kép ...................................................................................................................................................... 41
Đồn Kim Bình, Bùi Minh Hoàng, Nguyễn Văn Tuệ, Nguyễn Sơn Tùng

i


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

Nghiên cứu áp dụng cơng nghệ vịi phun khí – lỏng dành cho động cơ đốt trong...................................... 47
Nguyễn Sơn Tùng, Nguyễn Thanh Tuấn

Đánh giá dung sai công suất của các tấm pin quang điện thương mại trong điều kiện vận hành thực tế
....................................................................................................................................................................................................... 54

Ngô Xuân Cường, Đỗ Như Ý , Nguyễn Thị Hồng

Chiến lược thích ứng cơng nghiệp dầu khí trong xu hướng chuyển dịch năng lượng và đề xuất định
hướng phát triển ngành dầu khí việt nam .................................................................................................................. 59
Nguyễn Trung Khương

Xác định các tham số mơ phỏng và xây dựng phịng thí nghiệm ảo cho máy biến áp ba pha................ 69
Ngô Xuân Cường

Method of determination of PI controller parameter for DFIG wind generator ......................................... 78
Nguyen Cong Cuong, Trinh Trong Chuong, Nguyen Anh Nghia

Bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc ứng dụng ic số logic.......................................................................... 88
Đinh Văn Thắng

Hybrid FUZZY-PID controller for electric shovel EKG-8И hoisting motor .................................................... 91
Hong Quan Luu, Cao Phong Khong

Research on designing a detectable circuit of the earth- fault phase in order to enhance power supply
reliability of the 6kV grid of open-pit mines, Quang Ninh area ...................................................................... 100
Tran Quoc Hoan, Nguyen Anh Nghia, Ho Viet Bun

Numerical Analysis of the Ground Vibration Isolation of Shock Wave Propagation under Blasting in
NuiBeo mine, Quang Ninh............................................................................................................................................... 105
Dao Hieu, Dang Van Chi

ii


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

(MEAE2021)

Development of a data acquisition system for Geography accident warning, Environment monitoring
and Agroforestry decision-making assistant purpose ........................................................................................ 112
Thanh Loan Pham, Quang Duy Do Nguyen

Trang bị điện khí nén cho cửa gió trong khai thác mỏ hầm lị......................................................................... 118
Đỗ Như Ý, Ngơ Thanh Tuấn

Tạo hình biên dạng rotor cho cặp rotor bơm thùy ............................................................................................... 123
Nguyễn Thanh Tùng, Phạm Đức Thiên, Trần Thế Văn, Nguyễn Hồng Phong

Nghiên cứu, thiết kế mạch tăng áp DC/DC trong bộ nghịch lưu hòa lưới của hệ thống pin mặt trời
.................................................................................................................................................................................................... 129
Nguyễn Đức Minh, Đỗ Như Ý, Trịnh Trọng Chưởng

Phương pháp gia công bánh răng côn răng thẳng bằng kỹ thuật CAD/CAM/CNC .................................. 136
Trần Đức Huân, Nguyễn Thanh Tùng, Lê Thanh Tâm, Nguyễn Văn Minh, Nguyễn Văn Toại

Nghiên cứu xây dựng phương trình xác định đường kính và vận tốc quay của đĩa chia liệu máy nghiền
ly tâm va đập trục đứng ................................................................................................................................................... 141
Nguyễn Khắc Lĩnh, Nguyễn Văn Xô, Nguyễn Đăng Tấn, Lê Thị Hồng Thắng

Bàn về cơ chế bảo mật trong mạng IoT ..................................................................................................................... 148
Cung Quang Khang

Control of Permanent Magnet Synchronous Motor for Traction Application of Electric Vehicles... 153
Nguyễn Chí Dũng, ng Quang Tuyến

A comparison study between the Craig - Bampton model reduction method and traditional finite

element method for analyzing the dynamic behavior of vibrating structures. ........................................ 160
Kieu Duc Thinh, Trinh Minh Hoang, Nguyen The Hoang
iii


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

Nghiên cứu, tính tốn dịng chảy thủy lực qua van phân phối điều khiển cột chống mỏ hầm lò ...... 167
Nguyễn Đăng Tấn, Nguyễn Khắc Lĩnh, Lê Thị Hồng Thắng, Nguyễn Văn Xô

Ứng dụng bộ lọc Kalman để xử lý tín hiệu từ cảm biến độ ẩm soil moisture ............................................ 173
Đặng Văn Chí

Thiết kế bộ điều khiển PID tự chỉnh mờ để ổn định mức nước bao hơi – Công ty cổ phần nhiệt điện
Quảng Ninh ........................................................................................................................................................................... 179
Đặng Văn Chí, Nguyễn An Đơng, Nguyễn Đình Thống, Uông Quang Tuyến

Phương pháp xây dựng bộ điều khiển pid số trong cơng nghiệp ................................................................... 186
Nguyễn Đức Khốt, Phạm Minh Hải

Decision support system for small hydropower systems ................................................................................. 193
Thuy HA VAN, Tuan HA NGOC, Khoat NGUYEN DUC

Kalman Filter and MPU6050 Sensor in Positioning Issue for one-axis Solar Tracking System ........ 200
Dao Hieu, Khong Cao Phong

Nghiên cứu số về khả năng cách nhiệt của buồng cứu sinh mỏ có kết cấu ốc xít nhơm xốp............... 207
Trần Ngọc Minh, Trần Đức Hn, Nguyễn Quốc Việt

Đẩy mạnh hoạt động nghiên cứu thiết kế, chế tạo các thiết bị điện phòng nổ phục vụ khai thác than
hầm lò...................................................................................................................................................................................... 214
TS. Đỗ Trung Hiếu, ThS. Phạm Văn Hiếu

Kết quả ứng dụng các giải pháp tự động hóa của Viện Cơ khí năng lượng và Mỏ - Vinacomin phục vụ
đề án Tin học hóa – Tự động hóa của tập đồn TKV ............................................................................................ 218
ThS. Phạm Văn Hiếu

iv


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

Kết quả thực hiện nhiệm vụ đổi mới và hiện đại hóa cơng nghệ trong ngành cơng nghiệp khai khống
giai đoạn 2010-2020 định hướng đến năm 2025 của Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - Vinacomin 225
TS. Đỗ Trung Hiếu, TS. Lê Thùy Dương

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến mòn gối trượt dẫn hướng máy khấu than trong khai thác than
hầm lò vùng Quảng Ninh ................................................................................................................................................. 228
NCS. Lê Văn Lợi, GS.TS. XuPing, GS.TS. YuYingHua=2, TS. ShenJiaXing

Mơ hình điều khiển số một q trình sản xuất....................................................................................................... 237
Đinh Văn Thắng

Using hydrostatic drive system for low opreation pressure gas meter calibrator ................................. 244
Son Tung Nguyen, Kim Binh Doan, Thuy Pham Thi

Design, make and install a test-rig for testing 660V/1140V earth leakage protective device........... 253
Nguyen Thac Khanh, Kim Ngoc Linh, Nguyen Truong Giang, Bui Minh Dinh

v


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

Numerical simulation method application in the design of a
line-start permanent magnet synchronous motor
Do Nhu Y1, Ngo Thanh Tuan1, Ngo Xuan Cuong*,2, Le Anh Tuan3
1 Department of Electrical

and Electronic Engineering, Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,
University of Mining and Geology
2 School of Engineering and Technology, Hue University
3 Faculty of Electrical Engineering, Hanoi University of Industry

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article history:
Received 15th Jun 2021
Accepted 16th Aug 2021
Available online 19th Dec 2021

Saving energy is quickly becoming an unavoidable issue for countries all
over the world. One of the most important requirements for sustainable
development is the efficient and economical use of energy. The
electromechanical conversion stage consumes the most power of any

stage of electricity use, accounting for more than 70 percent of total
power consumption. High-performance motors, such as synchronous
motors with permanent-magnet squirrel-cage rotors (PMSM), are
becoming increasingly popular and used to reduce power consumption
for electromechanical conversion. Because of the complicated structure of
the PMSM, designing by an analytical method with low accuracy reduces
motor efficiency, so it is critical to research, design, and innovate
technology to improve engine performance. The article's content
discusses the use of numerical simulation methods in the design of PMSM,
replacing the traditional analytical method and thus improving the
efficiency of motor design.

Keywords:
synchronous motors,
permanent-magnet, ANSYS
Maxwell software

Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology. All rights reserved.

1. Introduction

Efficiency, IE4-Super Premium Efficiency, and
IE5-Ultra Premium Efficiency. Induction motors
(IM) are widely used in the market today, but
increasing their efficiency to IE3 or IE4 according
to IEC60034-30 is extremely difficult [3-2]. A linestart permanent-magnet synchronous motor
(LSPMSM) is an energy-saving alternative to the
IM motor [3-5].
The rotor losses of the IM account for about
20% of the total losses, the LSPMSM have no rotor

losses [5-6]. Also the loss on the LSPMSM is
greatly reduced due to the reduction of the
motor's magnetizing current. Therefore, LSPMSM
has high efficiency reaching IE3, which can go up

Nowadays, energy saving is becoming an
important issue for countries all over the world.
Economical and efficient energy use is one of the
most important requirements for sustainable
development in order to deal with the risk of
depletion of fossil fuel sources and the harmful
effects of pollution on the environment. The
electric motor consumes the most electricity of
any electrical appliance, accounting for roughly
70% of total grid power [1].
The IEC60034-30 standard divides motor
efficiency into five categories: IE1-Standard
Efficiency, IE2-High Efficiency, IE3-Premium
2


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

to super high efficiency IE4 with power from
0.55kW to 7.5kW [6-7].
To ensure the high performance of the
LSPMSM, the calculation and design of the motor
plays a very important role [7-8]. With traditional
electrical machine design tools using analytic

formulas with many coefficients of experience,
making the motor error large, many parameters
selected are not optimal ... leading to reduced
motor efficiency. To overcome the limitations of
the analytical method, this paper presents a finite
element method (FEM) combined with numerical
simulation on ANSYS Maxwell software to
calculate the electromagnetic analysis in LSPMSM,
thereby optimizing the magnetic circuit design of
the motor. This is a modern new method with
high accuracy, which helps to determine the
magnetic field distribution in space and is
applicable to all structures of magnetic circuits
and even in the mode of magnetic circuits
saturated with magnetic circuits [8].
The content of the article presents the use of
numerical simulation method using FEM in
calculating and designing LSPMSM motors. The
research results lead to a useful solution in
calculating and optimizing the design parameters
of the motor in order to reduce design errors,
thereby improving the performance of the
LSPMSM.
2. Stationary magnetic field with FEM

where: 𝜇0 - magnetic permeability in a
classical vacuum; 𝜇𝑟 - the relative permeability of
the medium.
⃗ is calculated
In the electromagnetic field, 𝐵

through the magnetic potential 𝐴:
⃗ =∇×𝐴
𝐵
(3)
Substituting (2) and (3) into (1), we get the
following equation:
1
∇ × (𝜇 𝜇 ∇ × 𝐴) = 𝐽
(4)
0 𝑟

Equation (4) has the general form of
Poisson's equation, can be interpreted in the
analytical model corresponding to the coordinate
system Oxyz as follows:
1
𝜕2 𝐴
(
𝜇0 𝜇𝑟 𝜕𝑥 2

𝜕2 𝐴

𝜕2 𝐴

(5)

+ 𝜕𝑦2 + 𝜕𝑧2 ) + 𝐽 = 0

Solve (5), find 𝐴, then based on (2) and (3) to
calculate the magnetic flux density B and the

magnetic field strength H as follows:
⃗ = 𝐵𝑥 𝑖 + 𝐵𝑦 𝑗 + 𝐵𝑧 𝑘⃗ = (𝜕𝐴𝑧 − 𝜕𝐴𝑦 ) 𝑖 +
𝐵
𝜕𝐴
( 𝑥
𝜕𝑧

−

𝜕𝐴𝑧
)𝑗
𝜕𝑥

𝜕𝐴𝑦

+(

𝜕𝑥

−

𝜕𝑦
𝜕𝐴𝑥
) 𝑘⃗
𝜕𝑦

𝜕𝑧

(6)

The voltage applied to the coil terminals and
the DC resistance of the coil, the current density
can be determined from the equations:
𝑑𝑖
𝑈
𝑈 = 𝑅𝑑𝑐 𝑖 + 𝐿 𝑑𝑡 ; 𝐼𝑑𝑐 = 𝑅
(7)
𝑑𝑐

where: U - voltage applied to the coil terminals;
Rdc - DC resistance of the coil; L- coil inductance;
Idc - current in the coil; Sdq - coil cross-section.
FEM is a technique for solving equation (5) to
determine the magnetic potential 𝐴, then
⃗ and
calculate the magnetic flux density 𝐵
⃗ according to formulas
magnetic field strength 𝐻
(3) and (2), thereby determining the magnetic
field distribution in space with high accuracy.
From there, it will be of great help to the designer
and operator in adjusting the parameters of the
electromagnetic mechanism of the machine, to
optimize the distribution of the magnetic field in
space to improve the operating efficiency of the
machine. FEM consists of 4 basic steps as follows:
- Discrete the analytical domain into elements.
Elements are linked together to form a mesh.
- Choose the membership function and
approximate the solution on each element.

Magnetic field distribution in the magnetic
circuit and the space around the electromagnetic
device is the solution of the Poisson equation
written for the electromagnetic field of the electric
motor model. This model is based on the MaxwellAmpere law. According to the Maxwell - Faraday
equation written for the case of an electric motor
at steady state as follows [8]:
⃗ =𝐽
∇×𝐻
(1)
where: 𝐽 - current density flowing in an
⃗ - magnetic field
electromagnet coil, A/m2; 𝐻
strength, H/m.
⃗ is related to the
Magnetic field strength 𝐻
⃗ as the expression:
magnetic flux density 𝐵
⃗𝐵 = 𝜇0 𝜇𝑟 𝐻
⃗
(2)

3


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

- Concatenate all elements in the analytical

domain to obtain the system matrix.
- Solve the system matrix by iterative method.
To calculate according to FEM requires the
support of digital computers and software
programs written on the mathematical
foundation of FEM.
3. Optimization of LSPMSM design using FEM
numerical simulation method

Result of circuit parameter design from stator
steel foil and motor rotor Pn = 15kW; nn = 3000
(rpm), Un = 660/1140 (V) type 2P shown in
Figure 2 and Figure 3.

The LSPMSM is a hybrid motor with threephase windings distributed in the stator tracks
(similar to an IM), the rotor of the motor uses a
squirrel cage and is fitted with a permanent
magnet, shown in Figure 1 [10].

Figure 2. Dimensions of stator

Figure 1. LSPMSM
LSPMSM can be started directly without using
controller, after starting the motor will work at
synchronous speed with high torque, low inertia.
Depending on the arrangement of the permanent
magnets on the rotor, there will be different rotor
configurations.
The motor selected for design simulation is a
3-phase type and has typical specifications:

Nominal power Pn = 15kW; nn = 3000 (rpm); Un
= 660/1140 (V), type 2P. In order to perform the
simulation of the optimal design of the LSPMSM,
perform the calculation of the initial motor
parameters with the calculation results given in
Table 1.

Figure 3. Dimensions of the rotor
In order to have the optimal design of the
permanent magnets on the rotor circuit, different
layout options are offered, then analysis and
selection of the optimal design options are
available. For LSPMSM Pn = 15kW type 2P
permanent magnets placed on two symmetrical
sides, offering two layout options as follows:
- Option 1: U-shaped permanent magnets is
arranged from three segments forming;
- Option 2: permanent magnets in the shape of
a horseshoe (C-shaped) are arranged
Simulation results of electromagnetic field
distribution, conductor current and LSPMSM
speed response of the two options are shown in
Figures 4, 5 and 6.

Table 1. Calculation results of motor parameters
Pn = 15kW

4

HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

a)

b)

Figure 4. Electromagnetic field distribution in the magnetic circuit of the LSPMSM
a- Structure of U-shaped permanent magnets; b- Structure of C-shaped permanent magnets

a)

b)

Figure 5. Current on the stator winding of the LSPMSM
a- Structure of U-shaped permanent magnets; b- Structure of C-shaped permanent magnets

b)

a)
Figure 6. Speed response of LSPMSM

a- Structure of U-shaped permanent magnets; b- Structure of C-shaped permanent magnets
Numerical simulation results by FEM show
that both layout options allow the motor to start
automatically. However, the U-shaped layout plan
has a strong distribution of electromagnetic fields
in the motor, making the starting time long. At that

time, the current on the winding is nonlinear,

causing the starting torque to vibrate, speed
response is slower the motor vibrates more
during starting. Thus, the C-shaped permanent
magnets arrangement on the rotor of LSPMSM
5


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

gives better results in terms of electromagnetic
and mechanical parameters of the motor than the
U-shaped permanent magnets arrangement, it
have better performance and working
characteristics.
4. Conclusion

4. Michael J. Melfi Stephen D. Umans Judith E.
Atem (2014). Viability of highlyefficient multihorsepower
line-start
permanent-magnet
motors. Petroleum and Chemical Industry
Technical Conference, Record of Conference
Papers Industry Applications Society 60th Annual
IEEE, pp. 1-10.
5. A. Hassanpour Isfahani, S. Vaez-Zadeh, M. A.
Rahman (2011) Evaluation of Synchronization
Capability in Line Start Permanent Magnet
Synchronous Motors. Electric Machines & Drives
Conference (IEMDC), 2011 IEEE International, pp.

1346 – 1350.
6. Aliabad, A.D., Mirsalim, M. and Ershad, N.F.
(2010) Line-Start Permanent-Magnet Motors
Significant Improvements in Starting Torque,
Synchronization, and SteadyState Performance,
Magnetics, IEEE Transactions on, Volume:46,
Issue:12, pp. 4066 – 4072.
7. Optimal Rotor Design of Line Start
Permanent Magnet Synchronous Motor by
Genetic Algorithm.
8. Đỗ Như Ý, Ứng dụng phương pháp phần tử
hữu hạn trong thiết kế chế tạo máy tuyển từ tại các
nhà máy tuyển than, Khoa học công nghệ mỏ,
2020.
9. Rong-Jie Wang, Jean-Pierre Els and Albert
Sorgdrager (2014) A study of rotor topologies of
line start PM motors for cooling fan applications.
Proceedings of the 22nd South African
Universities Power Engineering Conference,
2014, pp. 1-6.
10. Vera Elistratova, Optimal design of linestart permanent magnet synchronous motors of
high effciency. Electric power. Ecole Centrale de
Lille, 2015.
11. A. H. Isfahani, S. V. Zadeh, 2009. Line Start
Permanent Magnet Synchronous Motors:
Challenges and Opportunities. ScienceDirect,
Energy, Vol. 34, Iss. 11, November 2009, pp. 17551763.

The application of modern numerical
simulation methods to the calculation and design

of electrical equipment in general as well as
LSPMSM helps designers to quickly calculate
parameters with small errors, optimize the design
plan. These modern design tools lead to faster,
more accurate, and less error-prone design
results, enhancing the design and manufacturing
capabilities of electrical machines. In addition, it is
possible to survey the electromechanical
parameters and investigate the electromagnetic
characteristics inside the motor. This will help the
designer be able to come up with options to
change the design parameters to improve the
electromagnetic field distribution in the motor
optimally to improve the quality of the designed
motor.
Acknowledgments
This work was supported by a grant from the
Scientific Research Project under the CNKK
program code: 012.2021.CNKK.QG.
References
1. TSKH Nguyễn Văn Bình (2020). Định hướng
chiến lượng phát triển năng lượng Quốc gia của
Việt Nam đến năm 2030 tầm nhìn 2045. NXB Đại
học kinh tế Quốc dân.
2. IEC 60034-30-1 standard on efficiency
classes for low voltage AC motors.
3. Lê Anh Tuấn, Phạm Văn Cường, Nguyễn Thị
Minh Hiền, Vũ Thị Kim Nhị (2019). Nghiên cứu
ảnh hưởng của nhiệt độn đến kahr năng khởi động
của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động

trực tiếp. Journal of science & technology, số 55.
P.16-19.

6


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

Tính dịng điện rị trong các mạngđiện mỏ hầm lị có sử dụng
các bộ biến đổi bán dẫn ở chế độ quá trình quá độ
Kim Ngọc Linh1, *, Nguyễn Thạc Khánh1, Nguyễn Trường Giang1, Kim Thị Cẩm Ánh1
1

Khoa Cơ Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

THƠNG TIN BÀI BÁO

TĨM TẮT

Q trình:
Nhận bài 15/6/2021
Chấp nhận 17/8/2021
Đăng online 20/12/2021

Mạng điện có sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn (mạng hỗn hợp) ngày càng
được sử dụng nhiều trong các mỏ hầm lị vùng Quảng Ninh. Để có thể lựa
chọn được những giải pháp hạn chế hiệu quả dòng điện rò trong các mạng
điện này cần phải biết được đặc điểm của dịng rị phát sinh trong đó. Bài
báo trình bày kết quả xây dựng các biểu thức tính dịng điện rị trong các

mạng điện mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ. Với kết quả nhận được,
lần đầu tiên quy luật biên thiên của dòng điện rị khi có rị một pha từ phần
mạch xoay chiều tần số cơng nghiệp và rị ở phần mạch một chiều của một
mạng điện mỏ hỗn hợp được mô tả ở dạng giải tích. Các biểu thức này có
tính tổng qt vì cho phép tính được dịng điện rị ở cả chế độ xác lập và chế
độ quá trình q độ. Kết quả nghiên cứu này cịn có thể áp dụng để tính tốn
dịng điện rị trong các mạng điện đơn và hỗn hợp không nối đất khác (mạng
AC IT, DC IT và AC/DC IT).

Từ khóa:
Dịng điện rị; mạng điện
mỏ; biến đổi bán dẫn; quá
trình quá độ, sơ đồ tương
đương.

Copyright © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm.

1. Mở đầu

trong các mạng điện mỏ hỗn hợp ở chế độ quá
trình quá độ cịn ít được quan tâm và cho đến nay
vẫn chưa có kết quả nào được cơng bố. Bài báo này
trình bày kết quả nghiên cứu của chúng tơi về tính
dịng điện rị ở phần mạch xoay chiều tần số công
nghiệp và phần mạch một chiều của một mạng
điện mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ.
2. Kết quả nghiên cứu

Trong các tài liệu (Kim Ngọc Linh, 2018; Kim
Ngọc Linh và nnk, 2020), đã trình bày các kết quả

nghiên cứu tính dịng điện rị trong các mạng điện
mỏ có chứa các bộ biến đổi (mạng điện mỏ hỗn
hợp). Các biểu thức xây dựng được cho phép tính
tốn dịng điện rò khi phát sinh rò ở phần mạng
trước biến tần, phần mạng sau biến tần và phần
mạch điện một chiều của một mạng điện mỏ hỗn
hợp ở chế độ xác lập. Thực tế, trong nhiều trường
hợp cần phải biết rõ tính chất q trình q độ của
dịng điện rị, ví dụ như khi cần chọn thời gian trễ
của rơle bảo vệ rị, tính điện lượng qua người để
xác định điều kiện an toàn điện giật của mạng v.v...
Mặc dù vậy, vấn đề nghiên cứu tính dịng điện rị

Với giả thiết mạng có thơng số tập trung, bỏ
qua trở kháng của biến áp và cáp và khơng tính
đến trở kháng cách điện giữa các pha của mạng, sơ
đồ tương đương về phương diện an toàn điện giật
cho mạng điện mỏ hầm lị có sử dụng các bộ biến
đổi bán dẫn (mạng hỗn hợp) như hình 1
(Petrichencơ A.A., 2017; Kim Ngọc Linh, 2019).

7


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

MTBT

A

+

B

CHỈNH
LƯU

TẢI
MỘT
CHIỀU

−

C

MSBT

A/

MMC

B

BIẾN
TẦN

/

C/

BAKV
RA

RB

CA

R+

RC
CB

CC

R−
C+

ĐC1

R Af
C−

R Cf

R Bf
C Af

C Bf

C Cf

ĐC2

Hình 1. Sơ đồ tương đương về phương diện an tồn điện giật của mạng điện mỏ hỗn hợp
2.1 Tính dịng điện rị khi có rị ở phần mạch
Trong sơ đồ hình 1 ký hiệu RA, RB, RC, CA, CB,
xoay chiều tần số công nghiệp
CC là điện trở cách điện và điện dung các pha so với
đất của phần mạng xoay chiều trước biến tần
Với giả thiết phần mạch chỉnh lưu được mắc
(MTBT); RAf, RBf, RCf, CAf, CBf, CCf là điện trở cách
trực tiếp không qua biến áp và bỏ qua ảnh hưởng
điện và điện dung các pha so với đất của phần
do trở kháng cách điện của phần mạng sau biến
mạng xoay chiều sau biến tần (MSBT); R+, R-, C+,
tần, sơ đồ tính tốn dịng điện rị khi chạm vào một
C- là điện trở cách điện và điện dung giữa cực
pha phần mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp
dương (+) và cực âm (-) so với đất của phần mạng
(MTBT) của mạng điện mỏ hỗn hợp như hình 2
một chiều (MMC).
(Kim Ngọc Linh, 2020).
MMC
Uf

A

+

MTBT
B

U0
C

−
RA

RB

CA

RC
CB

irị

CC
irị1

Rrị

ĐC1

irị2

R+

R−

irị2 +

C+
irị2 −

C−

Hình 2. Sơ đồ tính dịng điện rị khi có rị một pha phần mạch điện xoay chiều
Trong sơ đồ hình 2 ký hiệu Rrò là điện trở rò;
Uf là điện áp pha cuộn thứ cấp của máy biến áp
khu vực; U0 là trị số trung bình của điện áp chỉnh
lưu cầu ba pha ( U 0  2,34U f ).

•

Tính dịng điện rị xoay chiều irị1:

Sơ đồ tương đương để tính dịng điện rị irị1
như hình 3.

Khi có rị một pha, dịng irò qua điện trở rò Rrò
sẽ gồm hai thành phần: Thành phần dòng xoay
chiều irò1 gây bởi điện trở và điện dung cách điện
của phần mạch xoay chiều MTBT và thành phần
dịng một chiều irị2 có trị số tùy thuộc vào sự mất
đối xứng điện trở cách điện của phần mạch điện
một chiều MMC.
8

HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)
U0 / 2

Uf

R tđ

R

irị2 −

R

C

Utđ

R−

C

C tđ

irị2−

R rị

C−

Rrị

irị1

b)

R rị

a)

Hình 4. Sơ đồ tương đương tính dịng rị irị2Hình 3. Sơ đồ tương đương tính dịng rị irị1

Từ sơ đồ hình hình 4a suy ra có

Trong sơ đồ hình 3 ký hiệu R là điện trở
cách điện tương đương so với đất của phần
mạch xoay chiều MTBT (R=RA//RB//RC), C là
điện dung tương đương của MTBT so với đất
(C=CA+CB+CC).
Giả thiết điện áp pha cuộn thứ cấp của
biến áp có dạng u f = 2Uf sin(t + ) suy ra:
Trị số dòng điện rò ở thời điểm t=0:
i ro1 (0) =

U C (+0) = U C (−0) = U 0 R / 2(R + R − )

Vậy dòng điện rò tại thời điểm t=0:

i ro 2− (0) = U C (+0) / R rò = U 0 R / 2R rò (R + R − )

Áp dụng phương pháp nguồn tương đương có
sơ đồ tính dịng điện rị irị2- như hình 4b.
Trong sơ đồ có U tđ = U 0 R / 2(R + R − ) ;
R tđ = (R // R − ) = RR − /(R + R − ) ;
C tđ = (C // C − ) = C + C − .
Từ sơ đồ hình 4b tính được thành phần xác lập
của dịng điện rị:

2 U f sin 
R ro

Thành phần xác lập của dòng điện rò:
i roxl1 = 2 U f

với  = arctg

R 2 + X C2
R 2 R 2ro + X C2 (R + R ro ) 2

i roxl2− =

sin (t +  − )

=

− R 2 XC
, X C = 1 / C
R 2 R ro + XC2 (R + R ro )

i ro t d1 = A exp( − t / )

với  = R tđ C = RR rò C /(R + R rò )
Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng có
được thành phần xoay chiều của dịng điện rị
irị1 có dạng:
R 2 + X C2
R 2 R 2ro + X C2 (R + R ro ) 2

U0R
2(RR − + RR rò + R − R rò )

Thành phần tự do của dòng điện rò:
i rotd 2− = A 2 exp( pt ) = A 2 exp( − t /  2− ) ,
RR − R rò (C + C− )
với 2− =
RR − + RR rò + R − R rò
Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng tính
được dịng rị q trình quá độ iro2-:

Thành phần tự do của dòng điện rò:

i ro1 = 2 U f

U tđ
U 0 R / 2(R + R − )
=
=
R tđ + R rò RR − /(R + R − ) + R rò

i ro2− =

sin (t +  − ) +



U0R
RR −
exp( − t / 2− )
1 +
2(RR − + RR rò + R − R rò )  (R + R − )R rò


(2)
Một cách tương tự tính đươc thành phần iro2+ của
dịng điện rò một chiều:

 sin 

R 2 + X C2
+ 2U f 
−
sin(  − ) exp( − t / )
 R ro

R 2 R 2ro + X C2 (R + R ro ) 2



i ro2+ =

(1)
• Tính dịng điện rị một chiều iro2:
Dòng điện rò irò2 gồm hai thành phần. Thành
phần irị2- do sơ đồ ba van cực tính âm so với đất
gây ra và thành phần irò2+ do sơ đồ ba van cực
tính dương so với đất gây ra. Sơ đồ tương đương
để tính thành phần irị2- của dịng rị một chiều
nêu trên hình 4a.



U0R
RR +
exp( − t / 2+ )
1 +
2(RR + + RR rò + R + R rò )  (R + R + )R rò


(3)
RR + R rò (C + C+ )
với 2+ =
RR + + RR rò + R + R rò
Từ (2) và (3) suy ra dòng rò một chiều
iro2 = iro2 − − iro2 + bằng:

9


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

(MEAE2021)

i ro2 =
−



U0R
RR −
exp(−t /  2− ) −
1 +
2(RR − + RR rò + R − R rò )  (R + R − )R rị


Từ các biểu thức (1) và (4) tính được dịng rò
tổng bằng:



U0R
RR +
exp(−t /  2+ 
1 +
2(RR + + RR rò + R + R rò )  (R + R + )R rò

(4)
 sin 

R 2 + X C2
sin (t +  − ) + 2 U f 

−
sin(  − ) exp( − t / ) +
2 2
2
2
2
2
2
2
 R ro

R R ro + X C (R + R ro )
R R ro + X C (R + R ro )


R +X
2

i ro = 2 U f
+

2
C





U0R
U0R

RR −
RR +
exp( − t /  2− ) −
exp( − t /  2+ 
1 +
1 +
2(RR − + RR rò + R − R rò )  (R + R − )R rị
2
(
RR
+
RR
+
R
R
)
(
R
+
R
)
R
+
rị
+ rị 
+
rị



2.2 Tính dịng điện rị phần mạch một chiều

được mắc trực tiếp không qua biến áp và bỏ qua
ảnh hưởng do trở kháng cách điện của phần
mạng sau biến tần, sơ đồ tính tốn dịng điện rò
khi chạm vào dây âm phần mạch điện một chiều
của mạng điện mỏ hỗn hợp như hình 5 (Kim
Ngọc Linh, 2019).

a. Tính dịng điện rị khi bị rị dây âm
Xét trường hợp mạng điện mỏ hỗn hợp có
chứa phụ tải một chiều (hoặc mạng khơng có
phụ tải một chiều nhưng phần chỉnh lưu và phần
nghịch lưu trong bộ biến tần có khoảng cách
đáng kể), với giả thiết phần mạch chỉnh lưu

+

MMC
Uf

A

(5)

MTBT
B

U0
C

−
RA

RB

CA

RC
CB

ĐC1

CC

R−

R+

irị−
C+

C−

Rrị

Hình 5. Sơ đồ tính tốn dịng điện rị q trình q độ khi chạm vào dây âm
Dịng điện rị iro- gồm thành phần dòng iro-1 do
nguồn điện áp cực tính âm của nguồn một chiều
so với đất gây ra và thành phần dòng iro-2 do sơ

đồ ba van (cực tính âm) so với đất gây ra (thành
phần iro-2 chỉ tồn tại khi kể đến điện trở và điện
dung cách điện của phần mạng trước biến tần).

a)

Hình 6. Sơ đồ tính iro-1 khi chạm vào dây âm
Từ sơ đồ hình 6a suy ra theo luật đóng mở tụ
điện có U C− (+0) = U C− (−0) = U 0 R − /(R + + R − )
Vậy dòng điện rò tại thời điểm t=0:
i ro −1 (0) = U C − (+0) / R rò = U 0 R − / R rò (R + + R − )

Từ sơ đồ hình 5, có sơ đồ tương đương để
tính thành phần dịng điện rị iro-1 như hình 6a.
U0

Áp dụng phương pháp nguồn tương đương có
sơ đồ tính tốn dịng rị iro-1 như hình 6b. Trong
đó U tđ = U 0 R − /(R + + R − ) ; R tđ = R + R − /(R + + R − ) ;

R tđ

Utđ

C tđ

C+

R−

C−

Từ sơ đồ hình 6b tính được thành phần xác lập
của dòng điện rò:

i ro −1
R rò

i ro −1
R+

C tđ = C + + C −

R rò

b)
10


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

i roxl−1 =

i ro − 2 (0) = U C − (+0) / R rò = U 0 R − / 2R rò (R + R − )

U tđ
U 0 R − /(R + + R − )
=
=

R tđ + R rò R + R − /(R + + R − ) + R rò

Áp dụng phương pháp nguồn tương đương có
sơ đồ tính tốn dịng điện rị iro-2 tương tự như
hình 6b, trong đó U tđ = U 0 R − / 2(R + R − ) ;
R tđ = RR − /(R + R − ) ; C tđ = C + C − .
Tính thành phần xác lập của dịng điện rị từ sơ
đồ tương đương:

U0R −
=
R + R − + R + R ro + R − R rò

Thành phần tự do của dòng điện rò:
i rotd −1 = A1 exp( pt ) = A1 exp( − t / −1 ) ,

với −1 =

R + R − R rò (C+ + C− )
R + R − + R + R rò + R − R rò

i roxl− 2 =

Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng có
kết quả dịng rị quá trình quá độ:
i ro−1 =

U0R −
R + R − + R + R rò + R − R rò

=



R +R −
exp( − t /  −1 )
1 +
(
R
+
R
)
R
+
−
rò



i rotd − 2 = A 2 exp( pt ) = A 2 exp( − t / − 2 ) ,

với − 2 =

i ro−2 =

C−



U0R −

RR −
exp( − t /  −2 )
1 +
2(RR − + RR rò + R − R rò )  (R + R − )R rò


(6)
Vậy dòng rò tổng khi chạm vào dây âm bằng
i ro − = i ro −1 + i ro − 2 :

i ro − 2
R−

RR − R rò (C + C− )
RR − + RR rò + R − R rò

Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng có
kết quả dịng rị q trình q độ:

U0 / 2

C

U0R −
2(RR − + RR rò + R − R rò )

Thành phần tự do của dòng điện rò:

(6)
Sơ đồ tương đương để tính thành phần dịng

điện rị iro-2 do sơ đồ ba van cực tính âm so với
đất tạo nên (thành phần dịng điện rị khi tính
đến điện trở và điện dung cách điện của phần
mạng trước biến tần) như hình 7.

R

U tđ
U 0 R − / 2(R + R − )
=
=
R tđ + R rò RR − /(R + R − ) + R rò

R rò



R +R −
exp( − t /  −1 ) +
1 +
(
R
+
R
)
R
+
−
rò





U0R −
RR −
+
exp( − t /  −2 )
1 +
2(RR − + RR rò + R − R rò )  (R + R − )R rị


i ro− =

Hình 7. Sơ đồ tính iro-2 khi chạm vào dây âm
Trong sơ đồ hình 7 có R và C là điện trở cách
điện và điện dung tổng của phần mạng trước
biến tần so với đất (R=RA//RB//RC,
C=CA//CB//CC).
Từ sơ đồ hình 7 suy ra có

U0R −
R + R − + R + R rò + R − R rò

(7)
b. Tính dịng điện rị khi bị rị dây dương
Sơ đồ tính tốn dịng điện rị khi chạm vào dây
dương phần mạch điện một chiều của mạng
điện mỏ hỗn hợp như hình 8.

U C− (+0) = U C− (−0) = U 0 R − / 2(R + R − )

Vậy dòng điện rị tại thời điểm t=0:

+

MMC
Uf

A

MTBT
B

U0
C

−
RA

RB

CA

RC
CB

CC

ĐC1

R+

R−
irị+
C+

C−

R rị

Hình 8. Sơ đồ tính tốn dịng điện rị q trình q độ khi chạm vào dây dương
11


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

Dịng điện rị iro+ cũng gồm thành phần dòng
điện rò iro+1 do nguồn điện áp cực tính dương
của nguồn một chiều so với đất gây ra và thành
phần dòng điện rò iro+2 do sơ đồ ba van cực tính
dương so với đất gây ra (thành phần iro+2 cũng
chỉ tồn tại khi kể đến điện trở và điện dung cách
điện của phần mạng trước biến tần).
Tính tốn tương tự có kết quả (Kim Ngọc Linh,
2019):

+ Biểu thức (5) cho thấy rằng, nếu phần mạch
điện một chiều trong mạng điện mỏ hỗn hợp có
điện trở cách điện đối xứng (R+=R-) thì điện trở và

điện dung cách điện của phần mạch một chiều
khơng ảnh hưởng đến dịng điện rị trong phần
mạch xoay chiều tần số cơng nghiệp. Vì vậy, nên
lựa chọn thiết bị sao cho phần mạch một chiều
có chiều dài ngắn nhất để dễ đạt được điều kiện
R+=R-.



U0R +
R +R −
exp(− t /  +1 )
1 +
R + R − + R + R rò + R − R rò  (R + + R − )R rò


+ Từ (1) suy ra với điện dung giới hạn cho
phép của mạng điện mỏ là Cmax=1uF/pha, khi có rị
một pha phần mạch điện xoay chiều tần số công
nghiệp của mạng điện mỏ hỗn hợp qua điện trở 1
k , thời gian q trình q độ của thành phần
dịng điện rị xoay chiều không vượt quá 3ms.
4. Kết luận

i ro+1 =

(8)
với +1 =
i ro+2 =

R + R − R rò (C+ + C− )
R + R − + R + R rò + R − R rò



U0R +
RR +
exp( − t /  +2 )
1 +
2(RR + + RR rò + R + R rò )  (R + R + )R rị


(9)
với + 2

Từ những kết qủa trình bày trên đây có thể
rút ra được kết luận sau:
Với các biểu thức (5), (7) và (10), quy luật
biên thiên của dòng điện rị khi có rị một pha từ
phần mạch điện xoay chiều tần số cơng nghiệp và
rị ở phần mạch một chiều của một mạng điện mỏ
hỗn hợp được mô tả ở dạng giải tích. Các biểu thức
này có tính tổng qt vì cho phép tính được dịng
điện rị ở cả chế độ xác lập và chế độ quá trình quá
độ.

RR + R rò (C + C+ )
=
RR + + RR rò + R + R rò

Xếp chồng kết quả có i ro + = i ro +1 + i ro + 2 :


U0R +
R +R −
exp( − t /  +1 ) +
1 +
R + R − + R + R rò + R − R rò  (R + + R − )R rò



U0R +
RR +
+
exp(− t /  +2 )
1 +
2(RR + + RR rò + R + R rò )  (R + R + )R rị


i ro+ =

(10)
3. Thảo luận

Kết quả nghiên cứu trên có thể áp dụng để
tính tốn dịng điện rị trong các mạng điện đơn và
hỗn hợp không nối đất khác (mạng AC IT, DC IT và
AC/DC IT).
Tài liệu tham khảo

+ Từ các biểu thức (5), (7) và (10), khi cho
t →  ta có các biểu thức tính dịng điện rị
trong phần mạch điện xoay chiều tần số công
nghiệp và phần mạch một chiều của mạng điện
mỏ hỗn hợp ở chế độ xác lập. Kết quả này trùng
với các biểu thức tính dịng điện rị xác lập đã
được trình bày trong các tài liệu (Petrichencô
A.A., 2017; Kim Ngọc Linh, 2018).

Kim Ngọc Linh, 2018. Nghiên cứu xác định dòng
điện rò trong mạng điện mỏ hầm lị có sử dụng
các bộ biến đổi. Tạp chí Cơng nghiệp Mỏ, số 32018, trang 15-19.

+ Từ (1) và (4) suy ra khi có rị một pha ở
phần mạch xoay chiều tần số cơng nghiệp, dịng
điện rị gồm hai thành phần: Thành phần dịng
rị xoay chiều có trị số chỉ phụ thuộc vào điện trở
và điện dung cách điện của phần mạch xoay
chiều trước biến tần và thành phần dịng rị một
chiều có trị số tùy thuộc vào sự mất đối xứng
điện trở cách điện của phần mạch điện một
chiều.

Kim Ngọc Linh, 2019. Tính dịng điện rị trong
phần mạch điện một chiều của các mạng điện
mỏ hỗn hợp ở chế độ q trình q độ. Tạp chí
Cơng nghiệp mỏ, 6/2019, trang 74-77.
Kim Ngọc Linh, Nguyễn Trường Giang, Kim Thị
Cẩm Ánh, 2020. Tính dịng điện rị trong các
mạng điện mỏ hầm lị có sử dụng các bộ biến

đổi bán dẫn. Kỷ yếu tóm tắt hội nghị tồn quốc
12


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

Khoa học trái đất và tài nguyên với phát triển
bền vững, ERSD 2020, tháng 11-2020, tr. 320.

Petrichencô A.A., 2017. Các phương pháp và
phương tiện hạn chế dòng điện rò xuống đất
trong các hệ thống cung cấp điện mỏ quặng sắt.
Luận án Tiến sỹ, Krivôi, 2017, 197 trang (bản
tiếng Nga)

Kim Ngọc Linh 2020. Tính dịng điện rị trong
phần mạch điện xoay chiều của các mạng điện
mỏ hỗn hợp ở chế độ q trình q độ. Tạp chí
Cơng nghiệp Mỏ, số 6-2020, tr. 59-62.

ABSTRACT
Calculation of leakage currents in underground mine power networks using semiconductor
converters in transient mode
Underground mine power networks using semiconductor converters (combined power
networks) are increasingly used in Quang Ninh region. In order to choose effective solutions to limit
leakage currents in these power networks, it is necessary to know the characteristics of such leakage
currents. This paper presents the results of the leakage current calculation in the combined mine
power networks under transient mode. For the first time, variation laws of the leakage currents from
single phase of industrial frequency AC circuit part and DC circuit part in the combined power

network are shown in analytical forms. These expressions are general because they allow to be
determined the leakage current in both steady-state and transient modes. These results can also be
applied to calculate leakage currents in other ungrounded power networks (AC IT, DC IT and AC/DC
IT networks).
Keywords: leakage current, combined power network, semiconductor converter, transient mode,
equivalent circuit.

13


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

Identification of Two-Mass Mechanical Systems by Using
Fourier Interpolation
Thanh Loan Pham 1, *
1 Hanoi University of Mining and Geology (HUMG), Vietnam,

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Process:
Received 15/02/2021
Accepted 16/3/2021
Published 29/6/2021

This paper deals with the identification of two-mass mechanical systems by
using torque excitation and Fourier interpolation. A rich harmonic pseudo
random binary signal (PRBS) is used as torque excitation signals. The

spectrum of the reference torque and of the load speed are obtained by
adopting the fast Fourier transform in order to define the transfer function
from the torque to the speed. The mechanical parameters of the two-mass
systems are then identified from the transfer function

Key words:
Identification, mechanical
systems, Fourier
transform

Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology. All rights reserved.

1. Introduction

can be classified into offline and online methods
[4]. Frequency domain, time domain, numerical
or observer based methods can be adopted for
both the two categories of identification methods
[5].
This paper focuses on the estimation of
mechanical parameters of a two-mass
mechanical system by using
Fourier
interpolation and torque excitation. The
proposed method belongs to the frequency
domain based methods, where the main idea is
the use of a pseudo random binary signal (PRBS)
as a torque excitation signal. The transfer
function from the machine speed to the reference
torque is calculated from the spectrum of the m

speed and the reference torque. The mechanical
parameters are then identified according to the
resonant and anti-resonant frequency of the
obtained transfer function. It should be noted
that the proposed methods can be conducted
offline without the use of any additional sensors.
Furthermore, the algorithm behind the proposed
method can be easily configured to the drive
software.
This paper is organized as follows. The
modeling of a two-mass system is presented in

High performance ac drives are used
extensively in different applications, such as
machine tools [1], molding machines [2] and
industrial robots [3] due to their high power
density and flexible control algorithm. Such the
drives often consist of several moving parts,
which are coupled by gear boxes, long shaft or
belts, resulting in mechanical resonances. To
ensure high performance of a mechatronics
system characterized by mechanical resonances,
the
information
pertaining
mechanical
parameters have to be known. Unfortunately, it is
not always available in the datasheets of the
mechanical components or the calculation of the
mechanical parameters can be cumbersome.

Therefore, automatic parameters identification
in the start-up of the drive or during the drive
operation is crucial for allowing model-based
automatic tuning algorithms of the controllers
installed in the drive
In terms of mechanical parameter
identification, there are a number of approaches
that were already presented in books and
literature. Generally, the available approaches
14


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

section 2, followed by the parameter
identification method. In section 4, simulation
results will be given to verify the effectiveness of
the proposed method. Section 5 dedicates to
some conclusions of the research work.
2. Modeling of a two-mass system

Figure 1. Model of a two-mass mechanical
system

The model of a two-mass mechanical system
is depicted in Figure 1. The model is composed of
load side and motor side moments of inertia,
denoted by 𝐽𝐿 and 𝐽𝑀 , respectively. The finite
stiffness and the damping of the coupling

between the load and the motor are 𝐾𝑆 and 𝐶𝑆 .
The friction is modeled as viscous damping both
on the motor side and on the load side, denoted
by 𝑏𝑀 and 𝑏𝐿 , respectively.
The differential equations of the two-mass
mechanical system are given as
𝐽𝑀 ∙ 𝜃𝑀̈ = 𝑇𝑀 − 𝑇𝐿 − 𝑏𝑀 ∙ 𝜃𝑀̇
𝐽𝐿 ∙ 𝜃𝐿̈ = 𝑇𝑆 − 𝑇𝐿 − 𝑏𝐿 ∙ 𝜃𝐿̇
(1)
{
̇
̇
𝑇𝑆 = 𝐾𝑆 ∙ (𝜃𝑀 − 𝜃𝐿 ) + 𝐶𝑆 ∙ (𝜃𝑀 − 𝜃𝐿 )

where
𝐵𝑀 (𝑠) = 𝐽𝐿 ∙ 𝑠 2 + (𝑐𝑆 + 𝑏𝐿 ) ∙ 𝑠 + 𝐾𝑆
𝐵𝐿 (𝑠) = (𝑐𝑆 + 𝑏𝑀 ) ∙ 𝑠 + 𝐾𝑆
𝐴(𝑠) = 𝐽𝐿 𝐽𝑀 ∙ 𝑠 3 + (𝐽𝑀 𝑐𝑆 + 𝐽𝐿 𝑐𝑆 + 𝐽𝐿 𝑏𝑀 + 𝐽𝑀 𝑏𝐿 ) ∙ 𝑠 2
+ (𝐽𝑀 𝐾𝑆 + 𝐽𝐿 𝐾𝑆 + 𝑐𝑆 𝑏𝑀 + 𝑐𝑆 𝑏𝐿
+ 𝑏𝑀 𝑏𝐿 ) ∙ 𝑠 + 𝐾𝑠 ∙ (𝑏𝑀 + 𝑏𝐿 )

It is important to mention that the set of
mechanical parameters under identification
process includes {𝐽𝐿 , 𝐾𝑆 , 𝑐𝑆 , 𝑏𝑀 , 𝑏𝐿 }. 𝐽𝑀 is always
available in the datasheet of the driving machine.
However in most cases, we can assume that 𝑏𝑀 =
0, 𝑏𝐿 = 0 and 𝑐𝑆 = 0. Under this assumption, the
anti-resonance frequency and resonance
frequency are

where the angular position of the motor and the
load are denoted by 𝜃𝑀 and 𝜃𝐿 , respectively. The
angular velocity of the motor and the load are
given as 𝜔𝑀 = 𝜃𝑀̇ and 𝜔𝐿 = 𝜃𝐿̇ . The motor
electromagnetic torque, the load torque and the
shaft torque are denoted by 𝑇𝑀 , 𝑇𝐿 , 𝑇𝑆 ,
respectively.

𝜔𝑎𝑟𝑒𝑠 = √

𝐵𝑀 (𝑠)
𝐴(𝑠)

3. Identification method
a. The idea of the proposed method

(2)

This section dedicates to the proposed
identification method that is associated with a
PRBS functioned as the torque excitation signal
and the Fourier interpolation for obtaining the
spectrum of the reference torque and of the
machine speed.

and from the load torque 𝑇𝐿 (𝑠) to the speed
𝜔𝑀 (𝑠) is
𝐺𝐿 (𝑠) =

𝐵𝐿 (𝑠)

𝐴(𝑠)

(4)

respectively [6].

From (1), the open loop transfer function
from the motor torque 𝑇𝑀 (𝑠) to the speed 𝜔𝑀 (𝑠)
is
𝐺𝑀 (𝑠) =

𝐾𝑆
𝐾𝑆 ∙ (𝐽𝑀 + 𝐽𝐿 )
, 𝜔𝑟𝑒𝑠 = √
𝐽𝐿
𝐽𝑀 𝐽𝐿

(3)

Equation
𝜔 (𝑠)

𝐺𝑀 (𝑠) = 𝑇 𝑀(𝑠)
𝑀

15

(2)

can

be

rewritten

as:

(5)