Điều kiện sử dụng an toàn thiết bị bảo vệ rò điện dùng dòng đo một chiều trong các mạng điện mỏ hỗn hợp

CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

ĐIỀU KIỆN SỬ DỤNG AN TỒN THIẾT BỊ BẢO VỆ RỊ ĐIỆN
DÙNG DÒNG ĐO MỘT CHIỀU
TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN MỎ HỖN HỢP
Kim Ngọc Linh

Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Email:

TÓM TẮT
Từ mơ hình tương đương mạng điện mỏ về phương diện an toàn điện giật, áp dụng phương pháp
kinh điển phân tích mạch điện, đã xây dựng được biểu thức tình dịng qua cơ cấu đo của thiết bị bảo vệ
rò sử dụng dòng do một chiều để kiểm tra điện trở cách điện của các mạng điện mỏ có sử dụng các bộ
biến đổi bán dẫn (mạng hỗn hợp). Trên cở sở phân tích biểu thức có được, đã xác định được điều kiện
sử dụng an tồn và khơng an tồn cho các thiết bị bảo vệ rị dùng dòng đo một chiều trong các mạng
điện mỏ hỗn hợp. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở để đề xuất giải pháp mới kiểm tra điện trở cách điện
các mạng điện mỏ có chứa các bộ biến đổi bán dẫn đang ngày càng được sử dụng nhiều trong các
mạng điện mỏ hầm lị Việt Nam.
Từ khóa: mạng điện mỏ hỗn hợp; dòng đo một chiều; điện trở cách điện; nguồn tương đương
Tevenin.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Kiểm tra thường xuyên cách điện là công việc
không thể thiếu để vận hành an toàn và tin cậy một
hệ thống điện mỏ. Trong các mạng điện mỏ hầm lị
điện áp đến 1140V có trung tính cách ly, thường sử
dụng rộng rãi các thiết bị bảo vệ rò điện (rơle rò)
dùng nguồn đo một chiều để kiểm tra điện trở cách
điện của mạng. Ưu điểm của phương pháp kiểm

tra điện trở cách điện bằng dòng đo một chiều là
cấu trúc đơn giản, đáp ứng nhanh, độ chính xác
cao và khơng nhạy cảm với điện dung của mạng
so với đất. Tuy nhiên, trong các mạng điện mỏ
hỗn hợp, tức là mạng có chứa cả phần mạch xoay
chiều tần số công nghiệp, phần mạch một chiều
và phần mạch xoay chiều có tần số có thể điều
chỉnh, độ an tồn khi sử dụng rơle rị dùng nguồn
đo một chiều cần phải được nghiên cứu, đánh giá
một cách khách quan và khoa học. Nhiều nghiên
cứu đã cho thấy, một trong những nguyên nhân
chính cản trở việc vận hành an tồn các mạng điện
mỏ hỗn hợp là các rơle rị hiện tại có nguyên lý
làm việc dựa trên kết quả xếp chồng dòng đo một
chiều lên mạng cần bảo vệ, có thể khơng hoạt động
khi phát sinh rị hoặc khi có sự giảm dần điện trở
cách điện ở phần mạch một chiều [3],[4]. Trên cơ

54

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021

sở xây dựng và phân tích biểu thức tính dịng qua
cơ cấu đo của thiết bị kiểm tra cách điện, mục tiêu
của nghiên cứu này nhằm đánh giá khả năng đảm
bảo điều kiện an toàn của các thiết bị bảo vệ rò
dùng dòng đo một chiều để kiểm tra điện trở cách
điện và xác định điều kiện sử dụng chúng trong các
mạng điện mỏ hỗn hợp.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Về phương diện an toàn điện giật, một mạng
điện mỏ hỗn hợp khi sử dụng nguồn một chiều
để kiểm tra cách điện có thể thay thế bằng sơ đồ
tương đương trên hình H.1 [1],[2].
CHỈNH LƯU +
Uf

MTBT

A

D
1

B
C

RA

E0

I0

RB

CA

D 3 D5

V1

NGHỊCH LƯU

V2

V3

a

D4

−

RC
CB

V4

D6 D2

CC

ĐC1

R+

C−

ufa

c

V6

R Af

R−
C+

V5

MSBT
b

U0

R1

R2

BIẾN TẦN
MMC

R Bf

RCf

C Af

CBf

CCf ĐC2

H.1. Sơ đồ tương đương mạng điện mỏ hỗn hợp
dùng nguồn một chiều để kiểm tra cách điện
Trong sơ đồ ký hiệu RA, RB, RC, CA, CB, CC là
điện trở cách điện và điện dung các pha so với
đất của phần mạng trước biến tần (MTBT); RAf, RBf,
RCf, CAf, CBf, CCf là điện trở cách điện và điện dung


NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ

Bảng 1. Điện trở cách điện phần MMC trong một chu kỳ làm việc của nghịch lưu
TT Góc pha của điện áp pha uaf

Van dẫn

Điện trở cách điện nối
giữa cực dương và đất

Điện trở cách điện nối
giữa cực âm và đất

1

0 ÷ π/3

V1, V3, V5

R+, RAf, RCf

R-, RBf

2

π / 3 ÷ 2π / 3

V1, V5, V6

R+, RAf

R-, RBf, RCf

3

2π / 3 ÷ π

V1, V2, V6

R+, RAf, RBf

R-, RCf

4

π ÷ 4π / 3

V2, V4, V6

R+, RBf

R-, RAf RCf

5

4π / 3 ÷ 5π / 3

V2, V3, V4

R+, RBf, RCf

R-, RAf

6

5π / 3 ÷ 2π

V3, V4, V5

R+, RCf

R-, RAf, RBf

các pha so với đất của phần mạng sau biến tần
(MSBT); R+, R-, C+, C- là điện trở cách điện và điện
dung giữa cực dương (+) và cực âm (-) so với đất
của phần mạch một chiều (MMC); 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 (
); E0 là sức điện động của nguồn một
chiều kiểm tra cách điện; R1 là điện trở mạch tạo
trung tính để nối nguồn kiểm tra cách điện vào lưới;
R2 là điện trở trong của nguồn một chiều E0.
Có sáu giai đoạn hoạt động của nghịch lưu
trong một chu kỳ của điện áp pha phần MSBT (ví
dụ ufa). Trong các giai đoạn này điện trở cách điện
giữa cực dương và cực âm của phần MMC so với
mặt đất được mô tả trong Bảng 1 [2].
Bảng 1 cho thấy điện trở cách điện nhìn từ cực
dương và cực âm phần MMC so với đất thay đổi
theo chu kỳ làm việc của nghịch lưu.
Từ sơ đồ hình H.1, nếu giả thiết các van bán
dẫn là lý tưởng ta có sơ đồ tương đương để tính
dịng một chiều qua cơ cấu đo điện trở cách điện
như hình H.2 [2]. Trong sơ đồ này để tiện phân
tích mạch đã thay thế các điện trở cách điện bằng
các điện dẫn cách điện tương ứng (Gi=1/Ri), các
van bán dẫn V1-V6 được thay thế bằng các chuyển
mạch lý tưởng S1-S6.
U0 / 2

G0
E0

I0 G G G
B
A

C

G+

S1
S2
S3

G Af GBf GCf

S4
S5
S6

Theo phương pháp nguồn tương đương, sơ đồ
H.2 có thể thay thế bằng sơ đồ đơn giản hình H.3.

G0
E0

G tđ

I0

E tđ

H.3. Sơ đồ tính dịng qua cơ cấu đo
Trong sơ đồ (hình H.3) ký hiệu E0 và
là sức điện động và điện dẫn
trong của nguồn một chiều kiểm tra cách điện, Etđ

và Gtđ là sức điện động và điện dẫn của nguồn
tương đương Têvenin.
Từ sơ đồ (hình H.3) có biểu thức tổng qt để
tính dịng qua cơ cấu đo kiểm tra cách điện:
E 0 + E tð
I0 =

(1)
1 / G 0 + 1 / G tð

Ta đi tính các thơng số của nguồn tương đương
Têvenin ứng với 6 giai đoạn làm việc của nghịch lưu.
Ø Trong khoảng
, trong hình H.2 các
khóa S1, S3 và S5 đóng, có sơ đồ tính Etđ và Gtđ
nêu trên hình H.4.
U0 / 2

U0 / 2

U0 / 2

Etđ = Uho GA GB GC

G−

H.2. Sơ đồ tương đương tính dịng qua cơ cấu đo điện trở cách điện

G+

G Af

GCf

GBf

G−

H.4. Sơ đồ tính Etđ và Gtđ trong khoảng 0 ÷ π/3
CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 55


CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

Từ sơ đồ (hình H.4) tính được điện dẫn của nguồn tương đương chính bằng tổng điện dẫn cách điện
của mạng Gcd :
(2)

G tđ1  G A  G B  G C  G   G   G Af  G Bf  G Cf  G cd 

Áp dụng phương pháp xếp chồng tính được sức điện động của nguồn tương đương Etđ1:
U0 / 2
1
U1ho 
.
[1 /(G   G Af  G Cf )]  [1 /(G A  GB  G C  G   G Bf )] (G A  GB  G C  G   G Bf )
U1ho 

U0 (G   G Af  G Cf ) / 2
G A  GB  G C  G   G   G Af  G Bf  G Cf )

U 2 ho 

 U0 / 2
1
.
[1 /(G   G Bf )]  [1 /(G A  G B  G C  G   G Af  G Cf )] (G A  GB  G C  G   G Af  G Cf )

U 2 ho 

 U0 (G   G Bf  G Cf ) / 2
G A  G B  G C  G   G   G Af  G Bf  G Cf )

Vậy E tđ1  Uho  U1ho  U 2 ho 

U0 [(G   G Af  G Cf )  (G   G Bf )] / 2
G A  G B  G C  G   G   G Af  G Bf  G Cf )

(3)

 Trong khoảng /3  2/3, các khóa S1, S5 và S6 đóng, sơ đồ tính Etđ và Gtđ nêu trên hình H.5.
U0 / 2

U0 / 2

E tđ  Uho GA GB GC

G

G Af

GCf

GBf

G

H.5. Sơ đồ tính Etđ và Gtđ trong khoảng π/3 ÷ 2π/3

Từ sơ đồ (hình H.5) tính được điện dẫn của nguồn tương đương:
Gtđ2  GA  GB  GC  G  G  GAf  GBf  GCf

(4)

Áp dụng phương pháp xếp chồng tính được sức điện động của nguồn tương đương Etđ2:
U0 / 2
1
U1ho 
.
[1 /(G   G Af )]  [1 /(G A  GB  G C  G   GBf  G Cf )] (G A  GB  G C  G   GBf  G Cf )
U0 (G   G Af ) / 2
U1ho 
G A  G B  G C  G   G   G Af  G Bf  G Cf )
U 2 ho 
U 2 ho 

[1 /(G   G Bf

 U0 / 2
1
.
 G Cf )]  [1 /(G A  G B  G C  G   G Af )] (G A  GB  G C  G   G Af )

 U0 (G   G Bf  G Cf ) / 2
G A  G B  G C  G   G   G Af  G Bf  G Cf )

Vậy E tđ 2  U1ho  U2 ho 

U0 [(G   G Af )  (G   G Bf  G Cf )] / 2
G A  G B  G C  G   G   G Af  G Bf  G Cf )

Tính tốn tương tự trong các khoảng thời gian còn lại cho các kết quả:
 Trong khoảng 2  / 3   , các khóa S1, S2 và S6 đóng có:


G tđ 3 G A  GB  G C  G   G   G Af  GBf  G Cf

56

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021

(5)


NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

E tđ 3 

CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ

U0 [(G   G Af  GBf )  (G   G Cf )] / 2
G A  G B  G C  G   G   G Af  GBf  G Cf )

 Trong khoảng   4  / 3 , các khóa S2, S4 và S6 đóng có:
G tđ 4  G A  GB  G C  G   G   G Af  GBf  G Cf
E tđ 4 

U0 [(G   GBf )  (G   G Af  G Cf )] / 2
G A  GB  G C  G   G   G Af  GBf  G Cf )

 Trong khoảng 4  / 3  5  / 3 , các khóa S2, S3 và S4 đóng có:
G tđ 5  G A  GB  G C  G   G   G Af  GBf  G Cf
E tđ 5 

U0 [(G   GBf  G Cf )  (G   G Af )] / 2
G A  GB  G C  G   G   G Af  GBf  G Cf )

 Trong khoảng 5  / 3  2  , các khóa S3, S4 và S5 đóng có:
G tđ6  G A  GB  G C  G   G   G Af  GBf  G Cf
E tđ6 

U0 [(G   G Cf )  (G   G Af  GBf )] / 2
G A  G B  G C  G   G   G Af  GBf  G Cf )

 Suy ra trị số trung bình của điện dẫn và sức điện động nguồn tương đương:
G tđ  (G tđ1  G tđ 2  G tđ 3  G tđ 4  G tđ 5  G tđ 6 ) / 6

(6)

G tđ  G A  G B  G C  G   G   G Af  G Bf  G Cf  G cd 
E tđ  (E tđ1  E tđ 2  E tđ 3  E tđ 4  E tđ 5  E tđ6 ) / 6
E tđ 

U 0 (G   G  ) / 2
U (G  G  )
 0 
G A  G B  G C  G   G   G Af  G Bf  G Cf )
2 G cd 

 Từ (1), (6) và (7) có dịng qua cơ cấu đo bằng:
E  U0 (G   G  ) / 2 G cd 
E 0  E tđ
I0 
 0
1 / G 0  1 / G tđ
1 / G 0  1 / G cd 

(7)

(8)

Khi G+=G- có:
I0 

E0
1 / G 0  1 / G cd 

3. THẢO LUẬN, TRAO ĐỔI

Ø Các biểu thức (8) và (9) cho phép được tính
dịng điện qua cơ cấu đo của thiết bị bảo vệ dòng
điện rò dùng dòng đo một chiều khi sử dụng trong
các mạng điện mỏ hỗn hợp. Biểu thức (7) tính được
trị số trung bình sức điện động nguồn tương đương.
Ø Từ (7) và (8) suy ra, thành phần Etđ có trị số
phụ thuộc vào mức độ mất đối xứng điện trở cách
điện của phần mạch một chiều. Trường hợp điện
dẫn cách điện phần mạch một chiều G+ và G- khác
nhau nhiều thì Etđ có thể lớn hơn nhiều nguồn cơng
tác một chiều E0 của thiết bị kiểm tra điện trở cách
điện. Sự xuất hiện thành phần Etđ đã làm thay đổi
đáng kể trị số dòng đo một chiều chảy qua cơ cấu
đo của thiết bị kiểm tra điện trở cách điện.

(9)
Ø Các biểu thức (8) và (9) cũng cho thấy rằng, chỉ
trong trường hợp điện trở cách điện phần mạch điện
một chiều đối xứng (G+=G-) thì dịng qua cơ cấu đo
mới tỷ lệ với điện trở cách điện của mạng. Nếu G+ ≠
G-, tức phần mạch điện một chiều có điện trở cách
điện khơng đối xứng, dịng qua cơ cấu đo khơng phản
ánh đúng điện trở cách điện thực tế của mạng.
Ø Đối với các mạng điện mỏ hỗn hợp mà phần
mạch một chiều có có điện trở cách điện đối xứng,
nếu lựa chọn chọn sơ đồ cung cấp điện sao cho
phần mạch xoay chiều sau biến tần có chiều dài
ngắn để điện dung của mạng so với đất nhỏ có thể
bỏ qua, thì có thể sử dụng các thiết bị bảo vệ dịng
điện rị có ngun lý dùng dịng đo một chiều để

kiểm tra điện trở cách điện.

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 57


CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ

 Đối với các mạng điện mỏ hỗn hợp mà phần
mạch một chiều có có điện trở cách điện không đối
xứng, các thiết bị bảo vệ rị dùng dịng đo một chiều
hiện có trong các mỏ hầm lị khơng thể sử dụng vì
khơng đảm bảo điều kiện an toàn điện giật.
 Vấn đề đảm bảo mức an toàn tối thiểu cho
các mạng điện mỏ hỗn hợp cần phải giải quyết theo
hướng nghiên cứu chế tạo các hệ thống kiểm tra
cách điện và bảo vệ rò sử dụng dịng đo xoay chiều
khác tần số cơng nghiệp.

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

4. KẾT LUẬN
Đối với các mạng điện mỏ hỗn hợp, điều kiện sử
dụng an toàn thiết bị bảo vệ rò điện dùng dòng đo
một chiều để kiểm tra điện trở cách điện là phần
mạch điện một chiều phải có điện trở cách điện so
với đất đối xứng (G+=G-). Nếu G+ ≠ G-, tức phần
mạch điện một chiều có điện trở cách điện khơng
đối xứng, việc sử dụng thiết bị bảo vệ dòng điện rò
dùng dòng đo một chiều trong các mạng điện mỏ
hỗn hợp là không an toàn

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. 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 Công nghiệp Mỏ, số 3-2018, trang 15-19.
2. Piotr Olszowiec (2014), Insulation measurement and supervision in live AC and DC unearthed systems
(p171-172). Springer 2014 (second edition).
3. Савицкий В.Н., Стадник Н.И. (2013), Защита от токов утечки в комбинированных
распределительных сетях угольных шахт, «УкрНИИВЭ».
4. Синчук О.Н., Ликаренко А.Г., Петриченко А.А. (2015). Исследование защитных характеристик
аппаратов защиты от токов утечки рудничных участковых распределительных сетей на
постоянном оперативном токе в условиях дестабилизирующих факторов комбинированных
сетей // Гірнича електромеханіка та автоматика. − 2015. − №94. − С. 3-12.

CONDITIONS FOR SAFE USE OF EARTH LEAKAGE CURRENT PROTECTION
EQUIPMENT WITH DC MEASUREMENT CURRENT IN COMBINED MINE POWER NETWORKS
Kim Ngoc Linh
ABSTRACT
From the equivalent model of the mine power network in terms of electric shock safety applying the
classic integral method, the author has built the expression of current through measuring device of the
earth leakage current protection equipment using DC current for monitoring the insulation resistance
of underground mine power networks using semiconductor converters (combined networks). On the
basis of the analysis of the obtained expressions, the conditions of safe and unsafe use of leakage
current protective equipments using DC measurement current have been determined in combined power
networks. The results of this study are the basis for recommending a new solution to monitor the insulation
resistance of combined power networks, which are increasingly widely used in underground mine power
networks in Vietnam.
Keywords: combined power networks, DC measurement current, insulation resistance, equivalent
voltage, Thevenin.

Ngày nhận bài:

12/6/2021;
Ngày gửi phản biện: 15/6/2021;
Ngày nhận phản biện: 21/6/2021;
Ngày chấp nhận đăng: 25/7/2021.
Trách nhiệm pháp lý của các tác giả bài báo: Các tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về các
số liệu, nội dung công bố trong bài báo theo Luật Báo chí Việt Nam.

58

CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021


NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ HIỆU SUẤT CAO
TRONG KHAI THÁC MỎ
Đỗ Như Ý

Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Email:

TÓM TẮT
Trong những năm vừa qua nhiều nghiên cứu đưa ra các giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng
điện năng cho các cơ cấu truyền động trong ngành khai thác mỏ, một trong các giải pháp mới đó là sử
dụng động cơ hiệu suất cao thay thế cho động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc đang được sử dụng
rộng rãi ở các mỏ. Để có thể áp dụng một cách hợp lý và hiệu quả nhất cần thiết phải có những phân
tích về hiệu quả việc thay thế sử dụng các loại động cơ này về yếu tố kinh tế và kỹ thuật. Bài báo này
phân tích hiệu quả sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao thay thế cho động cơ

không đồng bộ trong khai thác mỏ. Kết quả phân tích sẽ giúp ích đối với người quản lý và vận hành
trong chiến lược tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành khai thác mỏ
Từ khóa: động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ không đồng bộ, IM, LSPMSM.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay vấn đề tiết kiệm và sử dụng năng
lượng hiệu quả là một trong những vấn đề cấp
bách, quan trọng để phát triển bền vững trong
ngành khai thác mỏ. Phần lớn điện năng tiêu thụ
trong khai thác mỏ thuộc về các hệ truyền động
điện. Động cơ điện là thiết bị động lực được dùng
để tạo ra các truyền động cho các thiết bị khai thác
mỏ. Trong cơng nghiệp thì hơn 70% năng lượng
điện được tiêu thụ bởi các hệ truyền động, trong
khai thác mỏ ở Việt Nam năng lượng điện được
tiêu thụ bởi các hệ truyền động chiếm hơn 75%
tổng điện năng tiêu thụ của mỏ.
Theo tiêu chuẩn IEC60034-30 hiệu suất động
cơ được phân thành các cấp: IE1 - động cơ hiệu
suất tiêu chuẩn (IE1-Standard Efficiency), IE2-động
cơ hiệu suất cao (IE2- High  Efficiency), IE3- động
cơ có hiệu suất cao cấp (IE3-Premium Efficiency),
IE4-động cơ hiệu siêu cao (IE4 -Super Premium
Efficiency) và IE5- động cơ hiệu suất cực cao
(IE5-Ultra Premium Efficiency). Theo tiêu chuẩn
IEC60034-30 các mức hiệu suất từ IE1 đến IE5 của
động cơ có đồ thị phụ thuộc như hình H.1.
Động cơ truyền thống sử dụng trong khai thác
mỏ là các động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
(IM). Loại động cơ này có nhiều ưu điểm như: Cấu
tạo đơn giản, độ bền cao, mômen khởi động lớn,

giá thành rẻ...Tuy nhiên, nhược điểm lớn của các

H.1. Quan hệ phụ thuộc giữa mức hiệu suất và cơng suất động cơ

loại động cơ này là khó có khả năng nâng cao
được hiệu suất do vẫn tồn tại tổn thất điện năng
trên rotor trong quá trình làm việc. Việc nâng cao
hiệu suất động cơ IM lên mức IE2, IE3 theo tiêu
chuẩn IEC60034-30 đang thực sự khó khăn [1].
Cơng trình nghiên cứu [7] chỉ ra rằng để nâng
cao hiệu quả sử dụng điện năng của cơ cấu truyền
động trong ngành khai thác mỏ ở Hoa Kỳ là sử
dụng động cơ tiết kiệm năng lượng hiệu suất cao.
Theo phân tích của các tác giả việc sử dụng các
động cơ tiết kiệm năng lượng tuy có chi phí ban
đầu tăng nhưng sẽ nhanh chóng thu hồi vốn nhờ
tiết kiệm chi phí điện trong q trình hoạt động.
Theo sự phân tích của tạp chí Machinedesign nổi
tiếng về thiết kế động cơ điện, đối với những khâu
tiêu thụ năng lượng lớn có yêu cầu cao về hiệu

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 59


CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

suất thì động cơ hiệu suất cao sẽ dần dần được
thay cho các động cơ IM.

Việc đầu tư động cơ hiệu suất cao sẽ làm tăng
chi phí ban đầu, tương quan chênh lệch giữa chi
phí đầu tư mua động cơ và chi phí vận hành động
cơ điện trong q trình sử dụng lâu dài được thể
hiện trên hình H.2 [1].

H.2. Hiệu quả giữa động cơ tiêu chuẩn và động cơ hiệu suất cao

Từ H.1 thấy rằng, việc phải gánh thêm chi phí
ban đầu thì trong khoảng thời gian sử dụng ngắn thì
động cơ tiêu chuẩn có lợi hơn về mặt chi phí. Nhưng
sau khoảng thời gian làm việc Tlv thì việc tiết kiệm
được điện năng trong quá trình sử dụng động cơ
hiệu suất cao sẽ có hiệu quả kinh tế cao hơn.
Theo nghiên cứu [4] một giải pháp thay thế
cho động cơ IM là sử dụng động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp từ lưới (Line
Start Permanent Magnet Synchronous Motor)
(LSPMSM) khởi động trực tiếp từ lưới là loại
động cơ hiệu suất cao. Nội dung của bài báo này
là phân tích hiệu quả sử dụng động cơ hiệu
suất cao LSPMSM thay thế động cơ IM trong
khai thác mỏ.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Khái quát về động cơ hiệu suất cao
lspmsm
Động cơ LSPMSM có thể được ứng dụng ở
nhiều khâu trong khai thác mỏ, nhất là các khâu
mà có cơ cấu điện năng tiêu thụ lớn như: Thơng
gió, bơm nước, máy nén khí, vận tải, sàng tuyển

và cịn có thể được ứng dụng triển khai cho các
phụ tải khác. Động cơ LSPMSM là một động cơ lai
với dây quấn ba pha được phân bố trong các rãnh
stator (tương tự động cơ IM), rotor của động cơ
LSPMSM sử dụng lồng sóc với thanh nhơm và có
gắn thêm nam châm vĩnh cửu, cấu trúc của động
cơ được đưa ra như trên hình H.3.

60

CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021

H.3. Động cơ LSPMSM cấu trúc rotor L-shape [2]
Động cơ IM tổn hao trên rotor chiếm 20%, tuy
nhiên với động cơ LSPMSM khi hoạt động ổn định
làm việc ở chế độ đồng bộ nên khơng có tổn thất
trên rotor động cơ. Ngồi ra tổn thất trên stator của
động cơ LSPMSM được giảm đáng kể do giảm
được dịng điện từ hóa của động cơ. Do vậy, động
cơ LSPMSM có hiệu suất cao IE3 và có thể lên tới
hiệu suất siêu cao IE4. Động cơ LSPMSM thương
mại với công suất từ 0,55kW đến 7,5kW đều đạt
được hiệu suất IE4.
Động cơ LSPMSM có kết cấu rotor lồng sóc nên
động cơ có thể khởi động trực tiếp khi kết nối lưới
mà không cần sử dụng bộ điều khiển, sau khi động
cơ khởi động sẽ làm việc với tốc độ đơng bộ với
mơmen cao, qn tính thấp [7].

2.2. Phân tích yếu tố kinh tế khi sử dụng

động cơ hiệu suất cao LSPMSM
Động cơ IM sử dụng trong khai thác mỏ ở Việt
Nam thường có hiệu suất đạt dưới ngưỡng IE1 [1].
Giả sử hệ truyền động của các thiết bị khai thác mỏ
được thay thế động cơ IM có hiệu suất IE1 bằng sử
dụng động cơ hiệu suất cao có hiệu suất IEn (với
n=2, 3, 4). Theo [3] chi phí vận hành tiết kiệm được
mỗi năm khi sử dụng động cơ hiệu suất cao thay
thế cho động cơ hiệu suất IE1 được tính theo cơng
thức.
(1)
Trong đó: Pout - cơng suất động cơ (kW); C- là
giá bán điện (đồng/kWh); T- số giờ làm việc mỗi
năm (h); En, E1 - lần lượt là hiệu suất động cơ theo
chuẩn IEn và IE1.
Chênh lệch chi phí ban đầu giữa hai động cơ
hiệu suất cao IEn và động cơ thông thường IE1được
xác định theo cơng thức [5] [6]:
∆C=m.Y
(2)
trong đó: m - Chênh lệch khối lượng, vật liệu;
Y – chênh lệch đơn giá.
Thời gian thu hồi vốn:


NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ

Tc=∆C/S
(3)
Từ cơ sở lý thuyết trên, so sánh hiệu quả kinh tế
thu được giả sử đối với quạt thơng gió cục bộ trong
mỏ hầm lò đang sử dụng động cơ IM 5,5kW có
hiệu suất IE1 thay bằng động cơ LSPMSM 5,5kW
có hiệu suất cao IE2, các động cơ có thơng số kỹ
thuật như trong Bảng 1
Bảng 1. Thông số của động cơ IM và động LSPMSM
TT

Thông số động cơ

IM

LSPMSM

5,5kW

5,5kW

1

Công suất (kW)

2

Điện áp (V)

380/660

380/660

3

Tần số (Hz)

50

50

4

Tốc độ (v/phut)

1400

1400

5

Mômen (N.m)

48

48

6

Hiệu suất động cơ (%)

83 (IE1)

86,5(IE2)

Theo tài liệu [5], khối lượng của nam châm điện
cần dùng cho động cơ LSPMSM 5,5kW khoảng
mPM=0,65kg, giá bán nam châm NdFeB43l là
PPM=200$/kg tương đương 4,7triệu đồng/kg. Theo
tài liệu [6] chênh lệch chi phí sử dụng lá thép mật
độ từ thông cao cho động cơ LSPMSM 5,5kW là
m’PM=3,5kg, giá bán chênh lệch P’PM=10$/kg tương
đương khoảng 0,235 triệu đồng/kg.
Từ công thức (2) xác định chênh lệch chi phí
ban đầu giữa động cơ hiệu suất cao LSPMSM và
động cơ tiêu chuẩn IM là:
∆C=[mPM.PPM+m’PM.P’PM]=[0,65.4,7+3,5.0,235]
=3,88tr. đồng
Chi phí vận hành tiết kiệm được mỗi năm khi
thay thế động cơ LSPMSM 5,5kW cho động cơ IM
5,5kW theo cơng thức (1)

= 1,95tr. đồng
Trong đó: Giá bán điện C=1.600đồng/kWh; xí
nghiệp mỏ làm việc ba ca T=5.000h/năm
Thời gian thu hồi vốn khi thay thế động cơ
LSPMSM 5,5kW cho động cơ IM 5,5kW của quạt
thơng gió cục bộ xác định theo cơng thức (1):
Tc=∆C/S=3,88/1,95=2 năm
2.3. Phân tích yếu tố kỹ thuật khi sử dụng

động cơ hiệu suất cao LSPMSM
Ngoài tính hiệu quả về kinh tế, cịn phải xét tới
các yếu tố kỹ thuật của động cơ để đánh giá sự

phù hợp khi thay thế. Theo [2] đưa ra hình động cơ
LSPMSM và xây dựng mơ hình mơ phỏng để đánh
giá thông số kỹ thuật làm việc của hai loại động cơ
được đưa ra trên hình H.4.

H.4. Mơ hình đánh giá động cơ LSPMSM với động cơ IM
Trên mơ hình mơ phỏng gồm động cơ LSPMSM
và động cơ IM có thông số trong Bảng 1. Hai động
cơ được cung cấp cùng một nguồn điện, với cùng
một hệ số mang tải. Kết quả khảo sát về dòng điện
stator, tốc độ và mômen động cơ trên hệ tương đối
(pu) cho kết quả trên hình H.5, hình H.6 và hình
H.7.

H.5. Đặc tính dịng điện stator

H.6. Đặc tính tốc độ của động cơ

H.7. Đặc tính mơmen của động cơ

CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 61


CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Kết quả từ phân tích kinh tế thấy rằng, do việc
tiết kiệm điệm năng trong quá trình sử dụng nên
việc thay thế động cơ LSPMSM 5,5kW cho động cơ
IM 5,5kW mang lại hiệu quả kinh tế cao. Sau khi so
sánh giữa chi phí chênh lệch vốn đầu tư ban đầu
và chi phi tiết kiệm được từ việc giảm điện năng
tiêu thụ thì thời gian thu hồi vốn ngắn trong khoảng
2 năm. Ngoài ra việc thay thế động cơ LSPMSM
hiệu suất cho cho động cơ IM còn chưa kể đến hiệu
quả từ việc việc nầng cao hệ số công suất cosφ do
động cơ LSPMSM có hệ số cơng suất cosφ từ 0,9
trở lên so với đợng cơ IM thường có hệ sớ cosφ chỉ
khoảng 0,85 từ đó giảm được tổn hao trên đường
dây truyền tải.
Từ kết quả khảo sát về dòng điện stator, tốc
độ và mômen động cơ trên hệ tương đối (pu) cho
kết quả trên hình H.5, H.6 và H.7, thấy rằng về cơ
bản thông số kỹ thuật của hai động cơ là tương
đương nhau. Trên hình H.5 dịng điện stator của
động cơ IM có giá trị lớn hơn dịng điện stator của
độngc cơ LSPMSM, cộng thêm với việc không có

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

tổn hao trên rotor điều này giải thích lý do động cơ
LSPMSM có hiệu suất cao hơn động cơ IM. Về tốc
độ và mơmen trên hình H.6 và H.7 cho thấy hai
loại động cơ là tương tự nhau, tuy nhiên thời gian
dao động, độ đập mạch của động cơ LSPMSM sẽ
lớn hơn động cơ IM dẫn tới khi làm việc động cơ

LSPMSM sẽ gây ra rung độnglớn hơn và lâu ổn
định hơn động cơ IM.
4. KẾT LUẬN
Từ sự phân tích kinh tế và kỹ thuật kể trên nhận
thấy rằng, việc ứng dụng động cơ hiệu suất cao
LSPMSM trong khai thác mỏ mang lại hiệu quả
kinh tế trong việc tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên
về đặc tính kỹ thuật khi sử dụng động cơ LSPMSM
dẫn tới quá trình quá độ diễn ra dài hơn, độ rung
động xảy ra lớn hơn. Do đó,để áp dụng có hiệu quả
động cơ hiệu suất cao LSPMSM trong khai thác
mỏ cần phải phân tích lựa chọn thay thế cho các
khâu khai thác phù hợp với đặc tính kỹ thuật của
động cơ, như các thiết bị có chế độ làm việc khơng
thường xun phải khởi động, các thiết bị có yêu
cầu về mức độ rung động không cao❏

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bùi Minh Định (2016). Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo động cơ điện tiết kiệm năng lượng sử dụng vật
liệu có mật độ từ cảm cao. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Quốc gia, KC-05.
2. Lê Anh Tuấn, Phạm Văn Cường, Nguyễn Thị Minh Hiền, Vũ Thị Kim Nhị (2019). Nghiên cứu ảnh
hưởng của nhiệt độ đến khả năng khởi động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực
tiếp 3 pha, 2,2kW. Tạp chí Khoa học & Công nghệ, số 55.
3. Hiroaki Toda, Kunihiro Senda, Shigeo Morimoto, Tatsuhiko Hiratani (2013). Influence of Various NonOriented Electrical Steels on Motor Efficiency and Iron Loss in Switched Reluctance Motor. IEEE
Journals & Magazines, Volume: 49, Issue:7.
4. Michael J. Melfi Stephen D. Umans Judith E. Atem (2014) Viability of highlyefficient multi-horsepower
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. M. A. Rahman (2014). Status Review of Advances in Hybrid Electric Vehicles Professor M. A. Rahman
Memorial. Memorial University of Newfoundland

6. Ramesh Ugale, Gaurav Singh, Srinivas Baka, B.N. Chaudhari (2009).Effective energy conservation for
the agricultural sector using line start permanent magnet synchronous motors. Conference: TENCONIEEE Region 10 Conference.
7. Riyaz Papar, P.E, Andrew Szady, P.E, William D. Huffer, Vern Martin, P.E, Aimee McKane (1999).
Increasing Energy Efficiency of Mine Ventilation Systems. Conference: 8th US Mine Ventilation
Symposium, Rolla, MO (United States).

62

CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021


NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI

CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ

ANALYSIS OF EFFECTIVELY USING HIGH PERFORMANCE
ELECTRIC MOTORS IN MINING

Do Nhu Y

ABSTRACT
In recent years, the studies have provided solutions to improve the power efficiency in mining. One
of the new solutions is the use high efficiency motors o replace the cage rotor asynchronous motor
widely used in mines. For effective application, It is necessary to have an analysis for the effectiveness
of the replacement of these motors. The content of this article analyzes the efficiency of using line start
permanent magnet synchronous motor instead of asynchronous one in mining. The analysis results will
help managers and operators save and useenergy efficiently in mining industry.
Keywords: Line start permanent magnet synchronous motor, asynchronous motor, IM, LSPMSM.
Ngày nhận bài:
8/6/2021;

Ngày gửi phản biện: 10/6/2021;
Ngày nhận phản biện: 28/6/2021;
Ngày chấp nhận đăng: 18/7/2021
Trách nhiệm pháp lý của các tác giả bài báo: Các tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về các số liệu,
nội dung công bố trong bài báo theo Luật Báo chí Việt Nam.

CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ 4 - 2021 63