Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng truyện động điện máy bơm nước trong mỏ hầm lò công suất động cơ trên 75 KW

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

Ngời
hớng dẫn khoa học :
PGS.TS. TRN MNH HNG





Hà nội - 2012

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

i

Lời cam đoan
Lời cam đoanLời cam đoan
Lời cam đoan



Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong bản luận văn này là trung thực và cha đợc công bố
trong bất kỳ công tình khoa học nào trớc đó.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của
tôi đều đợc chỉ rõ nguồn gốc.



Tác giả
Tác giả Tác giả

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

ii

Lời cảm ơn
Lời cảm ơnLời cảm ơn
Lời cảm ơn



Tôi xin trân trọng cảm ơn trờng đại học Nông nghiệp Hà Nội, xin chân thành
cảm ơn khoa sau đại học, khoa Cơ điện trờng đại học Nông nghiệp Hà Nội.
Tôi xin đợc bày tỏ lòng biết ơn đến : PGS.TS. Trần Mạnh Hùng - Viện cơ điện
nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch là ngời trực tiếp hớng dẫn tôi hoàn thành
bản luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo của khoa Cơ điện trờng đại học
Nông nghiệp Hà Nội, các thầy cô giáo của khoa Điện trờng đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn Tập thể lãnh đạo và công nhân viên của công ty than
Uông Bí, công ty than Mông Dơng, công ty than Nam Mẫu, công ty than Đầm Vông, công ty
than Khe Chàm đã tạo điều kiện cho tôi đợc thăm quan thực tế, tiếp cận tài liệu.
Tôi xin cảm ơn tập thể lãnh đạo và phòng cơ điện công ty than Mông Dơng đã
giúp đỡ tôi trong quá trình thực nghiệm lấy số liệu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trờng Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng Bộ
Công thơng, Khoa Điện của nhà trờng nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện
thận lợi giúp đỡ tôi về tài liệu, tinh thần và thời gian để tôi hoàn thành đợc khóa học.
Trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận
đợc ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.

Tôi xin chân trọng cảm ơn!
Tôi xin chân trọng cảm ơn!Tôi xin chân trọng cảm ơn!
Tôi xin chân trọng cảm ơn!

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

Lời cam ñoan………………………………………………………………….i
Lời cảm ơn……………………………………………………………………ii
Mục lục………………………………………………………………………iii
Danh mục bảng…………………………………………………………… vii
Danh mục hình…………………………………………………………… viii
MỞ ðẦU 1
1. Tính bức thiết của ñề tài: 1
2. Mục tiêu của ñề tài (các kết quả cần ñạt ñược): 2
3. Nội dung của ñề tài, các vấn ñề cần giải quyết: 2
3.1. Bố cục luận văn 2
3.2. ðối tượng, ñịa ñiểm, phương pháp nghiên cứu: 3
3.2.1. ðối tượng nghiên cứu 3
3.2.2. ðịa ñiểm thực hiện ñề tài: 3
3.2.3. Phương pháp nghiên cứu: 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH TRUYỀN ðỘNG ðIỆN
ðỘNG CƠ MÁY BƠM CÔNG SUẤT LỚN CHO HẦM MỎ 4
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG 4
1.1.1. ðánh giá của trạm bơm ñối với hầm mỏ ở Việt Nam 4
1.1.2. Hiện trạng sử dụng máy bơm trong hầm mỏ ở nước ta 5
1.2 HỆ THỐNG TRUYỀN ðỘNG ðIỆN CÁC MÁY BƠM HIỆN
CÓ 9
1.2.1 Chất lượng của hệ thống truyền ñộng ñiện máy bơm mỏ hầm lò 9
1.2.2 Hệ thống truyền ñộng ñiện các máy bơm hiện nay 9
1.3 KHỞI ðỘNG VÀ DỪNG MÁY BƠM 12
1.3.1 Máy bơm hầm lò 12
1.3.2 Khởi ñộng và dừng máy bơm 14
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iv

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

trong quá trình khởi ñộng: 47
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

v

4.1.3 Dùng bộ Thyristor ñiều khiển ñiện áp ñặt vào Stator ñộng cơ
trong quá trình khởi ñộng. 50
4.2 PHÂN TÍCH PHƯƠNG PHÁP KHỞI ðỘNG GIẢM ðIỆN ÁP
ðẶT VÀO ðỘNG CƠ 58
4.2.1 Phân tích phương trình chuyển ñộng của hệ truyền ñộng ñiện
máy bơm trong chế ñộ khởi ñộng và dừng 58
4.2.2 Luật ñiều khiển ñiện áp trong các chế ñộ khởi ñộng và dừng máy
bơm 61
4.3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 68
4.4. BỘ KHỞI ðỘNG MỀM MCD 3000 CỦA HÃNG DANFOSS 68
4.4.1. Sơ ñồ nguyên lý mạch ñiện của MCD 3000 69
4.4.2. Các chế ñộ làm việc của MCD 3000 70
4.4.3. Thông số kỹ thuật của MCD 3000 72
4.4.4. Thao tác lập trình MCD 3000 73
4.5. BỘ ðIỀU KHIỂN KHỞI ðỘNG MỀM QFE 75
4.5.1. Sơ ñồ nguyên lý của QFE 76
4.5.2. Các chức năng và chế ñộ làm việc của QFE 78
4.5.3. Thông số kỹ thuật của QFE 78
4.6. BỘ ðIỀU KHIỂN KHỞI ðỘNG MỀM QJGR-250-6 78
4.6.1 Thông số kỹ thuật 80
4.6.2. Hướng dẫn thao tác bộ khởi ñộng mềm…………………………………81

4.6.3 Khóa liên ñộng an toàn 82
4.6.4. Kích thước bên ngoài và cấu trúc bên trong của bộ khởi ñộng 83
4.7. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 84

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

16

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

viii

DANH MC HèNH

Hỡnh 1.1: S ủ cu trỳc nng lng trm bm 5
Hình 1.2- Sơ đồ cung cấp điện bằng 1 MBA công suất lớn cung cấp cho
tất cả các máy bơm của trạm 6
Hình 1.3 - Sơ đồ dùng nhiều MBA vận hành song song7
Hỡnh 1.4: S ủ cu trỳc h thng T mỏy bm nc m hm lũ 9
Hỡnh 1.5: Cỏc ủc tớnh c bn ca bm 13
Hỡnh 1.6: c tớnh c ca ủng c KB (M
ủ
) v ca mỏy bm (M
c
) 15
Hình 2-1 Sơ đồ trạm biến áp 35/6 kV Công ty than Mông Dơng 20
Hình 2-2: Sơ đồ nguyên lý đo lờng phía 35 kV 21
Hình 2-3: Sơ đồ nguyên lý đo lờng phía 6kV 21
Hình 2-4 Sơ đồ trạm biến áp 35/6kV công ty than Khe Chàm 24

Hỡnh 3.1: S ủ khi ủng trc tip ủng c KB 3 pha dựng CD hoc AT 32
Hỡnh 3.2: S ủ khi ủng ủng c bm bng ủi ni

- 33
Hỡnh 3.3: S ủ nguyờn lý khi ủng ủng c bm bng MBA t ngu
qua 3 cp (60%; 80%; 100%)U

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

và U
1
vào α với các ϕ khác nhau 58
Hình 4.9 : Sơ ñồ khối hệ truyền ñộng máy bơm trong chế ñộ khởi ñộng 58
Hình 4.10 : Họ ñặc tính cơ của ñộng cơ khi ñiều chỉnh ñiện áp 61
Hình 4.11: Vùng giới hạn ñiều khiển ñiện áp 62
Hình 4.12: Họ ñặc tính khởi ñộng bằng phương pháp giảm ñiện áp 63
Hình 4.13 : ðặc tính dòng ñiện quá ñộ của ñộng cơ 64
Hình 4.14: Sơ ñồ nguyên lý mạch ñiện của MCD 3000 69
Hình 4.15: Sơ ñồ nối dây chế ñộ Standard của MCD 3000 70
Hình 4.16: Sơ ñồ nối dây chế ñộ Bypass của MCD 3000 71
Hình 4.17: Sơ ñồ nối dây chế ñộ hãm DC của MCD 3000 72
Hình 4.18: Bộ ñiều khiển lập trình của MCD 3000 75
Hình 4.19: Sơ ñồ nguyên lý mạch ñiện bộ khởi ñộng mềm QFE 76
Hình 4.20: Sơ ñồ ñấu dây chế ñộ Standar của QFE 76
Hình 4.21: Sơ ñồ ñấu dây chế ñộ Bypass của QFE 77
Hình 4.22: a) Chuyển ñổi cách ly tại trạng thái phanh hợp 82
b) Chuyển ñổi cách ly tại trạng thái phanh chia 82
Hình 4.23: Kích thước bên ngoài và cấu trúc bên trong của bộ khởi ñộng 83
Hình 4.24: Sơ ñồ khối của quy trình ño thử nghiệm 86
Hình 4.25. ðặc tính dòng ñiện khởi ñộng ñộng cơ qua cuộn kháng 87
Hình 4.26. ðặc tính ñiện áp khởi ñộng ñộng cơ qua cuộn kháng 87
Hình 4.27. ðặc tính dòng ñiện khởi ñộng bằng phương pháp khởi ñộng mềm 88
Hình 4.28. ðặc tính ñiện áp khởi ñộng ñộng cơ bằng phương pháp khởi
ñộng mềm 88
Hình 4.29: Mô hình hệ thống truyền ñộng ñiện máy bơm chất lượng cao 90
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

1

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

Vì vậy ñề tài : “Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng
truyền ñộng ñiện máy bơm nước trong mỏ hầm lò công suất ñộng cơ trên
75kW” mang tính bức thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

2. Mục tiêu của ñề tài (các kết quả cần ñạt ñược):
Nghiên cứu xác ñịnh các ñặc tính khởi ñộng, ñiều khiển và dừng của các
thiết bị khởi ñộng cho phép gài ñặt các thông số làm việc của thiết bị, ñề xuất
các biện pháp thích hợp nâng cao chất lượng truyền ñộng ñiện của máy bơm
công suất lớn trong các mỏ hầm lò, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng ñiện
tại các trạm bơm, giảm thiểu các ảnh hưởng xấu tới lưới ñiện, nâng cao ñược
tuổi thọ các thiết bị trong hệ thống.

3. Nội dung của ñề tài, các vấn ñề cần giải quyết:
3.1. Bố cục luận văn
Chương 1:
Tổng quan tình hình truyền ñộng ñiện ñộng cơ máy bơm công suất lớn
cho hầm mỏ trong và ngoài nước. Từ ñó hình thành mục tiêu và nội dung
nghiên cứu.
Chương 2:
Thực trạng cung cấp ñiện và Phương pháp nghiên cứu triển khai
- ðiều tra khảo sát tình hình cung cấp ñiện trong hầm mỏ Việt nam.
Chương
3:
Cơ sở khoa học và thực tiễn nghiên cứu triển khai
- Khởi ñộng ñộng cơ công suất lớn
- Nguyên lý cấu tạo, cấu trúc, các chức năng ñiều khiển thiết bị khởi ñộng
mềm máy bơm có ñộng cơ công suất lớn và ứng dụng.
Chương 4:
Kết quả nghiên cứu triển khai
- Hiện trạng thiết bị khởi ñộng ở các trạm bơm hầm mỏ Việt Nam

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.

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

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH TRUYỀN ðỘNG ðIỆN
ðỘNG CƠ MÁY BƠM CÔNG SUẤT LỚN CHO HẦM MỎ

1.1. KHÁI QUÁT CHUNG
1.1.1. ðánh giá của trạm bơm ñối với hầm mỏ ở Việt Nam
Việt Nam là nước có nhiều tài nguyên khoáng sản, ñặc biệt là nguồn tài
nguyên than vô cùng lớn tập trung chủ yếu ở các tỉnh như: Quảng Ninh, Thái
Nguyên, Lạng Sơn. Theo thống kê khu vực tỉnh Quảng Ninh với trữ lượng
than lớn nhất và tập trung nhiều công ty than, trong ñó ñiển hình như các khu
vực Cẩm Phả, Uông Bí, Mông Dương, Hạ Long, có trữ lượng khai thác than
lớn, ñóng góp một phần quan trọng cho ngành công nghiệp khai thác than của
tỉnh Quảng Ninh và nền kinh tế của cả nước. Cụ thể năm 2011 sản lượng khai
thác và tiêu thụ ñạt 47 triệu tấn với doanh số 93.000 tỷ ñồng. Năm 2012, trong
9 tháng ñầu năm ñã khai thác ñược 43 triệu tấn than nguyên khai và tiêu thụ
ñược 39 triệu tấn với doanh thu 83.000 tỷ ñồng. Trữ lượng khai thác than hầm
lò của các khu vực tập trung chủ yếu ở một số công ty lớn ñiển hình như:
công ty than Cao Sơn, công ty than ðèo Nai, công ty than Nam Mẫu, công ty
than Vàng Danh, công ty than Mông Dương Với số lượng lớn việc khai thác
gặp rất nhiều khó khăn do mỏ nằm sâu trong lòng ñất, và khi bóc dỡ ñược các
lớp ñất ñá và than ñã ñể lại khoảng trống nên nước ñã tràn vào làm việc khai
thác không thực hiện ñược. Bên cạnh ñó, do ñiều kiện ñặc thù của các mỏ
hầm lò có chứa các khí, bụi gây cháy nổ bầu không khí trong mỏ như Mêtan
(CH4); các khí ñộc như CO
2

, 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

ñược dẫn tới máy bơm theo sơ ñồ khối như hình 1.1:

Hình 1.1: Sơ ñồ cấu trúc năng lượng trạm bơm
1 – Lưới ñiện; 2 – Biến áp hạ thế ; 3 – Trạm phân phối
4
1
÷ 4
n
– Các tủ ñiều khiển máy bơm ; 5
1
÷ 5
n
– Các máy bơm
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

6

Các MBA có nhiệm vụ cung cấp ñủ ñiện năng và ñủ công suất ñể ñáp
ứng ñiều kiện khởi ñộng cho các máy bơm. Thường công suất của MBA ñược
lắp bằng 125% tổng công suất của máy bơm.
Qua ñiều tra cho thấy ñiện áp ra của MBA tại các trạm bơm thường ñặt +
10% U
ñm
của ñộng cơ ñiện nên khi số máy bơm làm việc ít sẽ xảy ra tình
trạng ñộng cơ làm việc ở chế ñộ quá ñiện áp. Trong thực tế thì ñiều kiện này
không thỏa mãn.
Các trạm bơm hiện nay hầu hết ñược cung cấp ñiện theo các sơ ñồ sau:
Sơ ñồ dùng một biến áp công suất lớn phục vụ cho tất cả các máy bơm
của trạm, còn các phụ tải sinh hoạt thì sử dụng một MBA riêng với công suất
nhỏ hơn hình 1.2.

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

P
n

P
1

35kV
(10kV)


MC
1

MBA
1

35/6 kV

CD


AT
2


AT
n

AT
1


M
2


M
n


M
1


DCL

MC
2

MBA
2

35/6 kV

CD


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

7

Cỏc trm bm ủc trang b theo s ủ ny vn hnh khỏ ủn gin,
MBA thng xuyờn lm vic ch ủ non ti lm h s Cos ca trm thp.
S ủ cung cp ủin nh hỡnh 1.3 ủó khc phc ủc nhng nhc ủim
ca s ủ hỡnh 1.2 nhng cụng tỏc t chc, vn hnh song song cỏc MBA khú
khn v phc tp, nht l vn ủ thao tỏc, ủúng ct phớa ủin ỏp cao.















M
1


CDPĐ
2

CDPĐ
1


Phụ tải sinh hoạt


P
2

P
n

P
1

35kV
(10kV)


MC
1

MBA
1

35/6 kV

CD

1

AT
2


AT
3


AT
1


M
2


M
3


DCL


MC
n

MBA
2

35/6 kV

Hình 1.3
-
Sơ đồ dùng nhiều MBA vận hành

song song


MC
2

MBA
2

35/6 kV

CD
2

AT
4


AT
n


M

4


M
n


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

8

Bảng 1.1 : Kết quả ñiều tra hiện trạng cung cấp ñiện một số trạm bơm


STT

Tên trạm bơm
Số
máy
bơm
(cái)
Công
suất1 máy
bơm (kW)
Số
MBA
(cái)
Công suất
MBA (kVA)
1

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 x 7500
2 x 750 + 1000
2 x 7500
2 x 18.000
2 x 7500


- Thực tế một số tổ máy bơm chạy ñộng cơ ñiện 630 kW của Trung
Quốc hiện nay ñang ñược sử dụng tại các trạm bơm như Nam Mẫu, Mông
Dương, có hệ số Cosϕ rất thấp (Cosϕ < 0,81) tiêu phí năng lượng rất lớn.
ðối với những trạm bơm ñược xây dựng trong những năm gần ñây, mặc
dù các thiết bị làm việc có tin cậy và an toàn hơn. Nhưng còn nhiều khía cạnh
chưa thỏa ñáng như sơ ñồ cung cấp chưa phù hợp, sự ñồng bộ của các thiết bị
còn thiếu, hiệu quả sử dụng ñiện còn thấp do các ñộng cơ và MBA thường
xuyên vận hành ở chế ñộ non tải.
Hiện nay, ở nước ta, lượng ñiện năng hàng năm do các trạm bơm tiêu thụ
tải trên 200 triệu kWh. Sử dụng ñiện năng hiệu quả, an toàn là những vấn ñề
cần phải tiến hành nghiên cứu ñồng bộ và ñầy ñủ. Các hệ thống truyền ñộng
ñiện cho các máy bơm là các phụ tải tiêu thụ ñiện cần có những biện pháp ñể
giảm thiểu những ảnh hưởng không tốt ñến hệ thống cung cấp ñiện.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

9

1.2 HỆ THỐNG TRUYỀN ðỘNG ðIỆN CÁC MÁY BƠM HIỆN CÓ
1.2.1 Chất lượng của hệ thống truyền ñộng ñiện máy bơm mỏ hầm lò
Chất lượng của hệ thống truyền ñộng ñiện (Tðð) máy bơm có thể căn cứ
vào các tiêu chí sau:
1- Hiệu quả sử dụng ñiện, khả năng làm ảnh hưởng xấu ñến chất lượng
của lưới ñiện.

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

máy bơm.
Thiết bị ñiều khiển 5 cho máy bơm ở những trạm bơm loại trên cũng rất
thô sơ và lạc hậu, chủ yếu là ñiều khiển bằng tay, một số ñiều khiển bằng ñiện
nhưng cũng chỉ bằng một số công tắc tơ, Rơle thời gian loại cổ, mức ñộ tự
ñộng hóa rất thấp, ñộ tin cậy thấp.
Các tín hiệu liên lạc giữa ñộng cơ, thiết bị truyền lực, máy bơm với bộ
ñiều khiển là các tín hiệu một chiều (không có phản hồi). Thuần túy là các tín
hiệu bảo vệ trong chế ñộ làm việc, ña phần các máy bơm loại cũ hoặc máy
bơm do Việt Nam chế tạo thì hầu như không có nên việc giám sát quá trình
làm việc của máy chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của người vận hành.
Bộ phận truyền lực 3 hiện nay hầu hết các máy bơm nước hầm lò ñều
ñược dẫn ñộng thẳng trục không qua các khớp nối mềm có vòng ñàn hồi hoặc
trục các ñăng. Một số máy bơm công suất lớn ở các trạm ñầu mối có kết cấu
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

11

ñộng học dài, ñã có không ít số máy bơm sảy ra sự cố cong trục phải ngưng
hoạt ñộng trong thời gian dài làm ảnh hưởng không nhỏ ñến sản xuất.
Các máy bơm trong mỏ chủ yếu dùng loại bơm ly tâm hút ñôi ñơn cấp
350S125, Bơm chìm phòng nổ, Bơm ly tâm ñộng cơ phòng nổ LT90-54,
Bơm ly tâm ñộng cơ phòng nổ LT280/70, Bơm ly tâm ñộng cơ phòng nổ
LT250/105, Bơm ly tâm ñộng cơ phòng nổ LT151/81.
Kết quả ñiều tra tình hình sử dụng các loại máy bơm có công suất vừa
và lớn phổ biến hiện nay ở nước ta bảng 1. 2.
Bảng 1.2: Một số loại bơm ly tâm ñang sử dụng phổ biến tại các trạm
bơm hầm lò hiện nay

Thông số kỹ thuật
Công suất

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

350S140
350S125
350S110
LT280/70
LT250/105
LT115/81
850
1260
1500
280
250
115
140
125
110
70
105
81
1480
1480
1480
3000
3000
2900
70
81
76
82
80
83

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

tạo nâng cấp song song với các giải pháp cải tạo nâng cấp hệ thống cung cấp
ñiện, nghiên cứu các giải pháp ñể nâng cao chất lượng hệ thống truyền ñộng ñiện
máy bơm mỏ hầm lũ công suất vừa và lớn là vấn ñề bức thiết. Với những tiêu
chí về chất lượng nêu trên, muốn nghiên cứu một cách ñầy ñủ cần phải có sự
phối hợp nhiều ñề tài nghiên cứu của nhiều nhà khoa học.
Do ñiều kiện về thời gian nên những nội dung trong bản luận văn này chỉ
ñề cập và giải quyết vấn ñề về khởi ñộng mềm, ñiều khiển quá trình mở máy,
quá trình dừng máy của ñộng cơ máy bơm công suất lớn.
1.3 KHỞI ðỘNG VÀ DỪNG MÁY BƠM
1.3.1 Máy bơm hầm lò
- Các máy bơm hầm lò công suất lớn (từ 75 kW trở lên) hầu hết ñều
dùng các loại bơm ly tâm hoặc bơm chìm phòng nổ, máy bơm làm việc dựa
trên nguyên lý cánh nâng.
Khi máy bơm làm việc, Mômen cản của nước tác dụng lên bánh xe công
tác tăng tỷ lệ bình phương với tốc ñộ quay của bơm, theo tài liệu tham khảo
[9] biểu thức của Mômen cản M
c
như sau:
M
c
= M
c (0)
+ K
1
ω
2

Trong ñó: M
c (0)
– Mômen cản tĩnh

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 …………………………

13


P
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

a, ðặc tính tải ; b, Các ñặc tính thủy lực
Q – Lưu lượng máy bơm (m
3
/h)
N – Công suất trục bơm (W)
η
- Hiệu suất của bơm (
η
% =
%100.
N
Nci
) (%)
N
ci
– Công suất hữu ích (W)
H – Cột nước công tác của máy bơm (m)
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

14

1.3.2 Khởi ñộng và dừng máy bơm
1.3.2.1 Khái quát chung
Nếu khởi ñộng trực tiếp thì dòng ñiện khởi ñộng của ñộng cơ rất lớn,
thường bằng từ 4
÷
7 I
ñm
của ñộng cơ, làm ảnh hưởng xấu ñến chất lượng lưới
ñiện, ñến không chỉ ñộng cơ mà còn các ñộng cơ và các phụ tải khác ñang

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
(Thời ñiểm bắt ñầu khởi ñộng) thường chỉ cần bằng 20% ñến 30%
Mômen cản ñịnh mức. M
kñbñ
= (0,2
÷
0,3)M
cñm
của máy bơm.
Từ ñường ñặc tính cơ của ñộng cơ M
ñ
và ñặc tính tải M
c
của máy bơm.
Ta có ñiểm làm việc xác lập của hệ truyền ñộng ñiện máy bơm là ñiểm A trên
hình 1- 6.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

15



Hình 1.6: ðặc tính cơ của ñộng cơ KðB (M
ñ
) và của máy bơm (M
c
)

Muốn khởi ñộng ñược máy thì tại thời ñiểm bắt ñầu khởi ñộng yêu cầu
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

với hệ có kết cấu ñộng học dài.
1.3.2.2 Tình hình trong nước
Hiện nay, các tổ bơm có công suất < 75 kW như Bơm chìm phòng nổ,
Bơm ly tâm ñộng cơ phòng nổ LT90-54 …

ñều khởi ñộng trực tiếp bằng khởi
ñộng từ hoặc Áptômát không có hệ thống bảo vệ, ñây là một trong các nguyên