Nghiên cứu giải pháp truyền động điện động cơ máy bơm công suất lớn bằng bộ khởi động mềm điện tử

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học nông nghiệp i
-----------o0o-----------

LÊ CHí DũNG

Nghiên cứu giải pháp truyền động điện
động cơ máy bơm công suất lớn bằng bộ
khởi động mềm điện tử

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành: Điện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn
M số: 60.52.54

Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Mạnh Hùng

Hà Nội - 2006


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 trình 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.

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2006
Tác giả

Lê Chí Dũng

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

i


Lời cảm ơn
Tôi xin trân trọng cảm ơn trờng đại học Nông nghiệp I, xin chân thành cảm ơn
khoa sau đại học, khoa Cơ điện trờng đại học Nông nghiệp I.
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 I, các thầy cô giáo của khoa Điện trờng đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty thủy nông Vĩnh Phúc. Tập thể lãnh đạo và
công nhân viên của trạm bơm Đại Định, trạm bơm Bạch Hạc, trạm bơm Thanh Điềm, trạm
bơm Đầm Cả đã tạo điều kiện cho tôi đợc thăm quan thực tế, tiếp cận tài liệu.
Tôi xin cảm ơn tập thể lãnh đạo và công nhân viên trạm bơm Văn Thai Hải
Dơng đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực nghiệm lấy số liệu.
Tôi xin chân thành cảm ơn trờng Công nhân cơ khí nông nghiệp I TW, khoa
điện của nhà trờng nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện thận lợi giúp đỡ tôi
hoàn thành khóa học này. Tôi xin chân thành cảm ơn tới tập thể giáo viên khoa điện
trờng Công nhân cơ khí nông nghiệp I TW đã 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!
Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2006
Tác giả

Lê Chí Dũng

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

ii


Mục lục
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục hình vẽ
Mở đầu

i
ii
iii
vi
1

1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng các hệ
thống truyền động điện động cơ máy bơm công suất
lớn tại các trạm bơm thủy lợi ở Việt Nam
1.1 Khái quát chung
1.2 Hệ thống truyền động điện các máy bơm hiện nay
1.2.1 Chất lợng của hệ thống truyền động điện máy bơm thủy lợi
1.2.2 Hệ thống truyền động điện các máy bơm hiện nay
1.3 Khởi động và dừng máy bơm
1.3.1 Máy bơm thủy lợi

1.3.2 Khởi động và dừng máy bơm

3
3
7
7
7
11
11
12

2. Phơng pháp nghiên cứu triển khai
2.1 Điều tra khảo sát
2.2 Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn
2.3. Nghiên cứu thực nghiệm và giải pháp kỹ thuật
2.4 Giải Pháp kỹ thuật

17
17
18
18
18

3. Cơ sở khoa học và thực tiễn nghiên cứu triển khai
19
3.1 Điều tra khảo sát hiện trạng thiết bị khởi động ở các trạm bơm
19
3.1.1 Phơng pháp khởi động trực tiếp
19
3.1.2 Khởi động động cơ bằng đổi nối -

21
3.1.3 Khởi động động cơ bằng phơng pháp dùng MBA tự ngẫu
21
3.1.4 Khởi động động cơ bằng phơng pháp dùng cuộn kháng
25
3.1.5 Khởi động động cơ bơm bằng phơng pháp dùng điện trở phụ
27
3.1.6 Phơng pháp khởi động động cơ dùng bộ khởi động Thyristo
29
3.2 Phơng hớng nghiên cứu phát triển hệ thống truyền động điện cho các
máy bơm thuỷ lợi
32

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

iii


4. Kết quả nghiên cứu và giải pháp kỹ thuật

33

4.1 Nghiên cứu lý thuyết
33
4.1.1 Lựa chọn phơng pháp điều khiển khởi động
33
4.1.2 Dùng bộ Thyristo điều khiển tần số đặt vào Stato động cơ trong quá trình
khởi động
34
4.1.3 Dùng bộ Thyristo điều khiển điện áp đặt vào Stato động cơ trong quá

trình khởi động
37
4.2 phơng pháp khởi động giảm điện áp đặt vào động cơ
45
4.2.1 Phân tích phơng trình chuyển động của hệ truyền động điện máy bơm
trong chế độ khởi động và dừng

45

4.2.2 Luật điều khiển điện áp trong các chế độ khởi động và dừng máy bơm 47
4.3 Nghiên cứu thực nghiệm
55
4.3.1 Lựa chọn thiết bị nghiên cứu
55
4.3.2 Thông số cơ học của khởi động mềm điện tử EMX2
66
4.3.3 Đấu nối mạch điện của EMX2
67
4.3.4 Lập trình cho bộ khởi động mềm điện tử EMX2
69
4.4 Bộ khởi động mềm điện tử JDS của h ng SAMJIN
74
4.4.1 Sơ đồ cấu trúc và sơ đồ nguyên lý mạch điện của JSD
74
4.4.2. Khởi động chậm
80
4.4.3. Dừng mềm
81
4.3.4. Dừng chậm
82

4.5. Bộ khởi động mềm MCD 3000 của h ng Danfoss
90
4.5.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điện của MCD 3000
90
4.5.2 Các chế độ làm việc của MCD 3000
91
4.5.3. Thông số kỹ thuật của MCD 3000
94
4.5.4. Thao tác lập trình MCD 3000
95
4.6. Bộ điều khiển khởi động mềm QFE
97
4.6.1. Sơ đồ nguyên lý của QFE
98
4.6.2. Các chức năng và chế độ làm việc của QFE
100
4.6.3 Thông số kỹ thuật của QFE
100
4.7 Kết quả thực nghiệm
100
4.7.1 Chọn hiện trờng thử nghiệm
100

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

iv


4.7.2 Chuẩn bị thử nghiệm
4.7.3 Dụng cụ, thiết bị thực nghiệm

4.7.4 Quy trình đo và xác định các thông số cần thiết
4.8. Giải pháp kỹ thuật
4.8.1. Giải pháp truyền động điện cho trạm bơm 8000m3/h
4.8.2 Sơ đồ cung cấp điện cho trạm
4.8.3. Sơ đồ điều khiển khởi động cho một máy bơm
4.8.4 Động cơ máy bơm
4.8.5 Số lợng máy bơm: 08
4.8.6. Thiết bị khởi động mềm cho máy bơm

101
101
103
111
111
113
113
114
114
114

5. Kết luận và kiến nghị

116

5.1 Kết luận
5.2. Kiến nghị

116
117

Tài liệu tham khảo

118

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

v


Danh mục hình vẽ
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc năng lợng trạm bơm
4
Hình 1.2: Sơ đồ dùng 1 MBA công suất lớn cung cấp cho tất cả các máy bơm
của trạm
5
Hình 1.3: Sơ đồ dùng nhiều MBA vận hành song song
6
Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc hệ thống TĐĐ máy bơm nớc thủy lợi
8
Hình 1.5: Các đặc tính cơ bản của bơm hớng trục
12
Hình 1.6: Đặc tính cơ của động cơ KĐB (Mđ) và của máy bơm (Mc)
13
Hình 3.1: Sơ đồ khởi động trực tiếp động cơ KĐB 3 pha dùng CD hoặc AT
20
Hình 3.2: Sơ đồ khởi động động cơ bơm bằng đổi nối -
21
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khởi động động cơ bơm bằng MBA tự ngẫu qua 3 cấp
(60%; 80%; 100%)Uđm của động cơ.
22

Hình 3.4: Đặc tính khởi động động cơ 200 kW với điện áp có cấp
23
Hình 3.5 : Sơ đồ khởi động động cơ qua cuộn kháng
25
Hình 3.6: Khởi động động cơ qua cuộn kháng có 3 cấp
27
Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển động cơ bơm nớc bằng phơng pháp dùng điện trở
phụ sử dụng khởi động từ và Rơle thời gian
27
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý bộ khởi động Thyristo loại KĐT
30
Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến tần thờng dùng cho những động cơ
35
có công suất trung bình trở lên
35
Hình 4.2: Bộ biến tần dùng Thyristo
36
Hình 4.3: Bộ biến tần dùng Thyristo
36
Hình 4.4: (a,b,c,d): Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng Thyristo
37
Hình 4.5: Sơ đồ bộ điều khiển ĐAXC 3 pha động cơ không đồng bộ
38
Hình 4.6: Đồ thị điện áp pha và dòng điện với tải có = 450 và góc điều khiển
= 600 và 1200
40
Hình 4.7. Chế độ góc điều khiển nhỏ hơn góc giới hạn
41
Hình 4.8 (a,b): Sự phụ thuộc của URA và U1 vào với các khác nhau.
Hình 4.9 : Sơ đồ khối hệ truyền động máy bơm trong chế độ khởi động

Hình 4.10 : Họ đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh điện áp
Hình 4.11: Vùng giới hạn điều khiển điện áp
Hình 4.12: Họ đặc tính khởi động bằng phơng pháp giảm điện áp

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

44
45
47
48
49

vi


Hình 4.13 : Đặc tính dòng điện quá độ của động cơ
Hình 4.14: Đồ thị dòng khởi động mềm Uni Start.
Hình 4.15: Đồ thị biểu diễn quá trình dừng mềm Uni Stop.
Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý đấu dây của EMX2
Hình 4.17: Chi tiết đầu tiếp điểm giống nhau
Hình 4.18 : Chi tiết tiếp điểm phân đôi
Hình 4.19: Sơ đồ đấu dây máy biến dòng vào động cơ có dây quấn đấu sao
Hình 4.20: Sơ đồ đấu dây máy biến dòng với động cơ có dây quấn
theo sơ đồ hình tam giác.
Hình 4.21: Bộ khởi động mềm EMX2 đấu với động cơ đấu Y
Hình 4.22 : Bộ khởi động mềm EMX2 đấu với động cơ có dây quấn đấu theo
hình
Hình 4.23 : Thiết bị lập trình của EMX2
Hình 4.24. Các thông số kỹ thuật của bơm chìm Amacan S
Hình 4.25 : Sơ đồ cấu trúc của bộ khởi động mềm JDS

Hình 4.26: Sơ đồ nguyên lý mạch điện khởi động mềm JDS
cho hệ thống không trực tiếp
Hình 4.27: Sơ đồ nguyên lý mạch JDS có lắp đặt công tắc chuyển mạch phụ
Hình 4.28: Đồ thị mô phỏng JDS có cài đặt công tắc chuyển mạch
phụ hoạt động
Hình 4.29: Đồ thị điện áp khởi động của bộ khởi động mềm JDS
Hình 4.30: Đồ thị dòng điện khởi động của JDS
Hình 4.31 : Đặc tính Mômen khởi động của JDS
Hình 4.32: Đặc tính Mômen khởi động chậm của JDS
Hình 4.33 Đặc tính Mômen dừng mềm của JDS
Hình 4.34: Đặc tính Mômen dừng chậm của JDS
Hình 4.35: Bộ phận lập tình điều khiển của JDS
Hình 4.36: Sơ đồ nguyên lý mạch điện của MCD 3000
Hình 4.37: Sơ đồ nối dây chế độ Standard của MCD 3000.
Hình 4.38: Sơ đồ nối dây chế độ Bypass của MCD 3000
Hình 4.39: Sơ đồ nối dây chế độ h m DC của MCD 3000
Hình 4.40: Bộ điều khiển lập trình của MCD 3000

51
57
59
64
66
66
68
68
68
69

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

vii

69
70
73
74
75
75
76
77
77
79
79
80
81
81
82
83
91
92
93
94
97


Hình 4.41 : Sơ đồ nguyên lý mạch điện bộ khởi động mềm QFE
98
Hình 4.42: Sơ đồ đấu dây chế độ Standar của QFE
98

Hình 4.43: Sơ đồ đấu dây chế độ Bypass của QFE
99
Hình 4.44:Sơ đồ mắc thiết bị đo thực nghiệm của bộ khởi động mềm điện tử
QFE
102
Hình 4.45: Sơ đồ mắc thiết bị đo thực nghiệm của bộ khởi động động cơ dùng
cuộn kháng.
102
Hình 4.46: Sơ đồ khối quy trình đo thực nghiệm khởi động mềm động cơ. 103
Hình 4.47. Đặc tính dòng điện khởi động động cơ qua cuộn kháng
104
Hình 4.48. Đặc tính điện áp khởi động động cơ qua cuộn kháng
104
Hình 4.49. Đặc tính dòng điện khởi động bằng phơng pháp khởi động mềm 105
Hình 4.50. Đặc tính điện áp khởi động động cơ bằng phơng pháp khởi động
mềm
105
Hình 4.51. Tủ điều khiển động cơ qua cuộn kháng
108
Hình 4.52. Tủ điều khiển động mềm động cơ (QFE)
109
Hình 4.53. Tủ điều khiển khởi động mềm động cơ (DanFoss)
110
Hình 4.54: Sơ đồ cung cấp điện cho trạm
113
Hình 4.55: Sơ đồ điều khiển khởi động và bảo vệ cho một máy bơm
113
Hình 4.56: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mềm động cơ
115

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

viii


Mở đầu
Nớc ta là một nớc nông nghiệp, tỉ lệ dân số sống bằng nghề nông
chiếm khoảng 75 % dân số cả nớc. Hiện nay, ở nớc ta có khoảng hơn 9
triệu ha đất trồng đợc chủ động tới tiêu bằng hàng trăm các công trình thủy
lợi lớn và hàng triệu máy bơm các loại đang hoạt động phục vụ sản xuất nông
nghiệp. Lợng điện năng do các trạm bơm này tiêu thụ hàng năm tơng đối
lớn, khoảng trên 3 triệu kWh. Tuy nhiên, hệ thống cung cấp điện, truyền động
điện cho các trạm bơm này còn nhiều vấn đề cần có những giải pháp để khắc
phục.
Nghiên cứu cải thiện chế độ làm việc của các thiết bị khởi động là một
vấn đề hết sức quan trọng trong việc tìm ra các biện pháp mới nhằm nâng cao
chất lợng truyền động điện của máy bơm công suất lớn trong các trạm thủy
lợi, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng điện tại các trạm bơm và giảm thiểu
các ảnh hởng xấu tới lới điện, nâng cao đợc tuổi thọ các thiết bị trong hệ
thống.
Đối với nớc ta hiện nay còn rất nhiều các trạm bơm đang phải sử dụng
những bộ khởi động chất lợng thấp, thiếu đồng bộ, mất an toàn trong vận
hành và thao tác, ảnh hởng lớn đến sản xuất. Hầu hết vấn đề điều khiển quá
trình làm việc của máy bơm bằng các thiết bị tự động điều khiển từ trớc tới
nay vẫn cha đợc đề cập tới.
Đối với các nớc tiên tiến trên thế giới đ áp dụng rộng r i các bộ khởi
động chất lợng cao Khởi động mềm điện tử để trang bị cho các máy bơm,
mức độ tự động hóa cao, vận hành hiệu quả và an toàn.
Nớc ta từ những năm 1980 cũng đ chế tạo bộ khởi động Thyristo, và đ
đa vào ứng dụng và thử nghiệm. Tuy đ có nhiều u điểm song thực tế các

bộ khởi động Thyristo do nớc ta sản xuất vẫn còn nhiều tồn tại, cha mang
lại nhiều hiệu quả nh mong muốn. Trong những năm gần đây, trên cơ sở thừa
kế những tiến bộ kỹ thuật và công nghệ của nớc ngoài một cách có chọn lọc,

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

1


phù hợp với điều kiện kỹ thuật và kinh tế của nớc ta hiện nay. Các nhà khoa
học, kỹ s trong nớc đ sản xuất đợc các thiết bị khởi động, điều khiển và
dừng mềm động cơ máy bơm công suất lớn (200 kW) và đang chạy thử
nghiệm bớc đầu phục vụ sản xuất.
Việc tiếp tục nghiên cứu, khảo sát thực nghiệm các thiết bị khởi động
mềm điều khiển và dừng máy là rất cần thiết, là một trong các giải pháp quan
trọng nhằm nâng cao chất lợng truyền động điện máy bơm công suất lớn tại
các trạm thủy lợi.
Trong thời kỳ nớc ta hiện nay đang bớc vào thời kỳ công nghiệp hóa,
hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn, thì việc thiết kế các trạm bơm tới tiêu
đầu mối không thể không đa các tiến bộ khoa học kỹ thuật đặc biệt là của
ngành điện tử, tin học vào để điều khiển, giám sát, thông tin kịp thời trạng thái
làm việc không chỉ một tổ bơm, toàn bộ trạm bơm. Mà còn toàn bộ hệ thống
phụ trợ của trạm: Mức nớc, bể hút, bể xả, nhiệt độ làm việc của động cơ, các
khớp nối, độ mở của các cánh cổng tới, tiêuTiến tới giám sát và điều khiển
toàn bộ hệ thống tới tiêu trong khu vực mà trạm bơm đảm nhận.
Là một giáo viên làm công tác giảng dạy trong một trờng đào tạo các
nghề thuộc về lĩnh vực cơ điện nông nghiệp nên việc nghiên cứu các hệ thống
truyền động điện đặc biệt là các thiết bị khởi động mềm điện tử cho các máy
bơm công suất lớn là một vấn đề bổ ích và thiết thực cho bản thân cũng nh
cho công tác giảng dạy tại nhà trờng. Nên tôi đ chọn vấn đề này làm đề tài

nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp cao học của mình.
Với mục đích nh đ nêu trên, đợc sự đồng ý của khoa Sau đại học,
khoa Cơ điện và bộ môn Điện kỹ thuật Trờng Đại học Nông nghiệp I Hà
Nội .
Tôi xin đợc thực hiện đề tài: Nghiên cứu giải pháp truyền động điện
động cơ máy bơm công suất lớn bằng bộ khởi động mềm điện tử

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

2


1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng
các hệ thống truyền động điện động cơ máy bơm
công suất lớn tại các trạm bơm thủy lợi ở Việt Nam
1.1 Khái quát chung

Việt Nam cho tới thời điểm này vẫn là một nớc nông nghiệp, tỉ lệ dân số
sống bằng nghề nông chiếm khoảng 75% dân số cả nớc. Với một tỉ lệ dân số
làm việc trong lĩnh vực nông nghiệp cao nh vậy cho biết nông nghiệp chiếm
một vị trí quan trọng nh thế nào đối với nền kinh tế nớc ta. Trong sản xuất
nông nghiệp, nớc giữ vai trò quan trọng hàng đầu trong các khâu thâm canh
lúa và cây trồng. Tới tiêu là biện pháp hiệu quả để nâng cao năng suất mùa
màng, ổn định an ninh lơng thực và thực phẩm cho x hội. Điều này đặc biệt
có ý nghĩa với nớc ta khi mà địa hình đợc cho là phức tạp và khí hậu khắc
nghiệt, mang tính thời vụ rõ ràng. Việc tới tiêu cho cây trồng hầu hết phải
dựa vào hệ thống mơng máng, các công trình thủy lợi và các trạm bơm nớc.
Theo thống kê của bộ NN & PTNT, hàng năm nhờ hàng trăm hệ thống
hồ, đập chứa, kênh dẫn với trên 2,6 triệu phơng tiện tới tiêu cơ giới ( 62%
vận hành bằng điện)đ tới cho khoảng 7,5 triệu ha canh tác sản xuất nông

nghiệp khoảng 60 tỷ m3 nớc thuỷ lợi, chiếm 85% tổng lợng nớc sử dụng
trong toàn quốctrong đó, trên 2000 trạm bơm lớn nhỏ, với gần 800.000 bơm
các loại có lu lợng từ 1000 đến 32.000 m3/h đang vận hành phục vụ sản
xuất, có công suất động cơ điện từ vài chục tới 400kW, mức điện áp 0,4 đến
6kV Trong sản xuất nông nghiệp, nớc giữ vai trò quan trọng hàng đầu
trong các khâu thâm canh lúa và cây trồng. Tới tiêu là biện pháp hiệu quả để
nâng cao năng suất mùa màng, ổn định an ninh lơng thực và thực phẩm cho
x hội.
Nhờ có hệ thống các công trình thủy lợi khá phát triển, và hệ thống kênh
mơng rộng khắp, đặc biệt là nhờ các trạm bơm thủy lợi ở nớc ta nên khá

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

3


chủ động trong việc tới tiêu theo mùa vụ và nhu cầu canh tác cây trồng khá
đa dạng. Nhờ hệ thống thuỷ lợi phát triển, các thành tựu giống cây trồng đ
đa nền nông nghiệp nớc ta phát triển tơng đối mạnh. Từ một nớc thiếu về
lơng thực nay đ trở thành một nớc xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới( Đứng
thứ 2 trên thế giới )
Hầu hết các trạm bơm thủy lợi đợc cung cấp điện từ lới điện 6 đến 35
kV qua trạm biến áp hạ áp đặt tại trạm bơm tùy thuộc vào đặc điểm, địa bàn
cụ thể của các trạm bơm, đa số các trạm bơm đều xa hệ thống đờng dây tải
điện (thờng 3 đến 5 km). Để cấp điện cho các trạm bơm phải dùng một
đờng dây phân nhánh riêng. Hầu hết các máy biến áp của trạm bơm đều sử
dụng loại máy biến áp (MBA) ngoài trời (loại MBA treo). Năng lợng từ lới
điện đợc dẫn tới máy bơm theo sơ đồ khối nh hình 1.1:

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc năng lợng trạm bơm

1 Lới điện; 2 Biến áp hạ thế ; 3 Trạm phân phối
41 ữ 4n Các tủ điều khiển máy bơm ; 51 ữ 5n Các máy bơm
Các MBA có nhiệm vụ cung cấp đủ điện năng và đủ công suất để đáp
ứng điều kiện khởi động cho các máy bơm. Thờng công suất của MBA đợc
lắp bằng 125% tổng công suất của máy bơm.
Qua điều tra cho thấy điện áp ra của MBA tại các trạm bơm thờng đặt +
10% Uđm của động cơ điện nên khi số máy bơm làm việc ít sẽ xảy ra tình trạng

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

4


động cơ làm việc ở chế độ quá điện áp. Trong thực tế thì điều kiện này không
thỏa m n.
Các trạm bơm hiện nay hầu hết đợc cung cấp điện theo các sơ đồ sau:
Sơ đồ 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.

Hình 1.2: Sơ đồ dùng 1 MBA công suất lớn cung cấp cho tất cả các
máy bơm của trạm
Đối với các trạm bơm loại này thờng công suất của MBA đợc chọn
bẳng tổng công suất của các máy bơm.
Các trạm bơm đợc trang bị theo sơ đồ này vận hành khá đơn giản, MBA
thờng xuyên làm việc ở chế độ non tải làm hệ số Cos của trạm thấp.
Sơ đồ cung cấp điện nh hình 1.3 đ khắc phục đợc những nhợc điểm
của sơ đồ hình 1.2 nhng công tác tổ chức, vận hành song song các MBA khó
khăn và phức tạp, nhất là vấn đề thao tác, đóng cắt phía điện áp cao.

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

5


Hình 1.3: Sơ đồ dùng nhiều MBA vận hành song song
Bảng 1.1 : Kết quả điều tra hiện trạng cung cấp điện một số trạm bơm

STT

Tên trạm bơm

Số
máy
bơm
(cái)
05

Công
suất1 máy
bơm (kW)

Số
MBA
(cái)

300

02

1800 + 560

Sơ đồ
cung
cấp
Hình)
1.2

Công suất
MBA (kVA)

1

Bạch Hạc V.Phúc

2

Đại Định Vĩnh Phúc

06

300

03

3 x 750

1.3

3

Thanh Điềm Vĩnh Phúc

10

150

04

3 x 750 + 1000

1.3

4

Đầm Cả - Vĩnh Phúc

10

75

01

1000

1.1

5

Hồng Vân Hà Tây

05

200

02

750 + 560

1.3

6

La Khê Hà Tây

06

200

02

2 x 750

1.2

7

Đan Hoài Hà Tây

28

200

05

3 x 1800 + 750

1.3

8

Vấn Đình Hà Tây

28

200

05

3 x 1800 + 750

1.3

9

Văn Thai Hải Dơng

08

200

02

2 x 1000

1.3

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

6


- Thực tế một số tổ máy bơm chạy động cơ điện 200 kW của Liên Xô cũ,
của Rumani hiện nay đang đợc sử dụng tại các trạm bơm nh Đan Hoài, La
Khê, Hồng Vân Hà Tây... có hệ số Cos rất thấp (Cos < 0,82) tiêu phí
năng lợng rất lớn.
Đối với những trạm bơm đợc xây dựng trong những năm gần đây, mặc
dù các thiết bị làm việc có tin cậy và an toàn hơn. Nhng còn nhiều khía cạnh
cha thỏa đáng nh sơ đồ cung cấp cha phù hợp, sự đồng bộ của các thiết bị
còn thiếu, hiệu quả sử dụng điện còn thấp do các động cơ và MBA thờng
xuyên vận hành ở chế độ non tải.
Hiện nay, ở nớc ta, lợng điện năng hàng năm do các trạm bơm tiêu thụ
tải trên 300 triệu kWh. Sử dụng điện năng hiệu quả, an toàn là những vấn đề
cần phải tiến hành nghiên cứu đồng bộ và đầy đủ. Các hệ thống truyền động
điện cho các máy bơm là các phụ tải tiêu thụ điện cần có những biện pháp để
giảm thiểu những ảnh hởng không tốt đến hệ thống cung cấp điện.
1.2 Hệ thống truyền động điện các máy bơm hiện nay

1.2.1 Chất lợng của hệ thống truyền động điện máy bơm thủy lợi
Chất lợng của hệ thống truyền động điện (TĐĐ) máy bơm có thể căn cứ

vào các tiêu chí sau:
1- Hiệu quả sử dụng điện, khả năng làm ảnh hởng xấu đến chất lợng
của lới điện.
2- Tính tối u các chế độ làm việc của hệ (chế độ khởi động, vận hành,
chế độ dừng).
3- Tính mới, tính tiên tiến, mức độ tự động hóa.
4- Tính năng bảo vệ, độ tin cậy, độ bền.
5- Chi phí đầu t, vần hành, bảo dỡng, sửa chữa.
1.2.2 Hệ thống truyền động điện các máy bơm hiện nay
Hệ thống truyền động điện của các máy bơm nớc thủy lợi thuộc loại
truyền động điện xoay chiều, theo quan điểm về năng lợng đợc mô tả bằng
sơ đồ khối cấu trúc nh hình 1. 4.

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

7


Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc hệ thống TĐĐ máy bơm nớc thủy lợi
1 - Bộ khởi động động cơ; 2 - Động cơ điện; 3 Bộ truyền lực; 4 Máy bơm
5 Bộ điều khiển.
Nhìn chung, những động cơ đợc chế tạo vào những thời kỳ những năm
1970 về trớc có hiệu suất thấp (thờng 0,85), hệ số Cos cũng thấp
(thờng Cos 0,82). Công suất động cơ d khá nhiều sơ với máy bơm nên
động cơ sử dụng điện với hiệu quả khá thấp. Một số máy bơm công suất lớn
(320 ữ 500 kW) dùng động cơ đồng bộ làm việc lới điện áp cao 6kV 10kV.
Loại động cơ này hệ số Cos cao hơn (thờng Cos 0,87).
Thiết bị khởi động 1 phụ thuộc vào mức độ trang bị, trình độ kỹ thuật của
thời xây dựng và lắp đặt máy, công suất, loại động cơ. Những trạm bơm đợc
xây dựng từ những năm 1970 trở về trớc hầu hết các bộ khởi động đều áp

dụng các phơng pháp khởi động trực tiếp hoặc gián tiếp bằng các thiết bị đơn
giản, chất lợng khởi động kém nay đ quá cũ kỹ và lạc hậu, các thiết bị đóng
cắt và điều khiển đ phải sửa chữa, thay thế chắp vá và thiếu đồng bộ, không
an toàn cho ngời và thiết bị, ảnh hởng rất lớn đến hiệu quả làm việc của
máy bơm.

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

8


Thiết bị điều khiển 5 cho máy bơm ở những trạm bơm loại trên cũng rất
thô sơ và lạc hậu, chủ yếu là điều khiển bằng tay, một số điều khiển bằng điện
nhng cũng chỉ bằng một số công tắc tơ, Rơle thời gian loại cổ, mức độ tự
động hóa rất thấp, độ tin cậy thấp.
Các tín hiệu liên lạc giữa động cơ, thiết bị truyền lực, máy bơm với bộ
điều khiển là các tín hiệu một chiều (không có phản hồi). Thuần túy là các tín
hiệu bảo vệ trong chế độ làm việc, đa phần các máy bơm loại cũ hoặc máy
bơm do Việt Nam chế tạo thì hầu nh không có nên việc giám sát quá trình
làm việc của máy chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của ngời vận hành.
Bộ phận truyền lực 3 hiện nay hầu hết các máy bơm nớc thủy lợi đều
đợc dẫn động thẳng trục không qua các khớp nối mềm có vòng đàn hồi hoặc
trục các đăng. Một số máy bơm công suất lớn ở các trạm đầu mối có kết cấu
động học dài, đ có không ít số máy bơm sảy ra sự cố cong trục phải ngng
hoạt động trong thời gian dài làm ảnh hởng không nhỏ đến sản xuất.
Các máy bơm thủy lợi 4 chủ yếu dùng loại bơm ly tâm, bơm hớng trục
(HT) hoặc bơm hỗn lu, có loại công suất từ 75 kW trở lên, hầu hết đều dùng
loại bơm hớng trục đứng (HTĐ) và hớng trục nghiêng (HTN). Một số trạm
bơm mới đợc xây dựng trong thời gian gần đây lắp đặt máy bơm chìm nhập
từ nớc ngoài.

Kết quả điều tra tình hình sử dụng các loại máy bơm có công suất vừa và
lớn phổ biến hiện nay ở nớc ta bảng 1. 2.

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

9


Bảng 1.2: Một số loại bơm hớng trục đang sử dụng phổ biến tại các
trạm bơm hiện nay
Thông số kỹ thuật
STT

Ký hiệu

Q (m3 / h)

H (m)

N

Nđcơ

Dh - Dx

(Vg/p)

(kW)

(mm)

1

HTĐ 2300 7

1900 2500

86

730

75

600 600

2

HTĐ 3600 4,5

3600 4000

4,5 2,5

730

75

600 600

3

HTĐ 3700 5

3300 4000

6,2 4

730

75

600 600

4

HTĐ 8000 5,6

7800 8600

6,8 4

580

200

750 1000

5

HTĐ 8000 9

8000 10000

9,5 6

580

320

750 1000

6

HTĐ 8400 5,2

7600 90000

6,5 4

580

200

750 1000

7

HTN 800 14

800

14

970

75

350 400

8

HTN 4000 4,7

4000

4,7

730

75

700 580

9

HTN 8200 - 9

3600

9

740

150

900 - 900

Qua tổng quan điều tra các trạm bơm ta có nhận xét:
Đối với những trạm bơm đợc xây dựng từ những năm 1980 trở về trớc,
hệ thống truyền động điện đ quá cũ kỹ và lạc hậu, hiệu quả sử dụng điện
thấp, các thiết bị trong hệ thống đ phải sửa chữa thay thế nhiều không đồng
bộ. Các thiết bị bảo vệ an toàn trong vận hành cha có, những vấn đề về tự
động theo dõi, điều khiển cha đợc nghiên cứu lắp đặt. Nói chung, những
loại trạm bơm này có hệ thống truyền động điện chất lợng thấp, không đảm
bảo vận hành an toàn cho ngời và thiết bị.
Những máy bơm lớn mới nhập của nớc ngoài đa số không có hoặc hiếm
phụ tùng thay thế, các máy bơm sản xuất trong nớc hệ thống truyền động
điện đơn giản , hiệu suất lại thấp. Trớc những thực trạng hiện nay, về hệ
thống cung cấp, sử dụng điện, hệ thống truyền động điện các máy bơm công
suất vừa và lớn cần phải tiến hành nghiên cứu từng bớc, có các giải pháp cải
tạo nâng cấp song song với các giải pháp cải tạo nâng cấp hệ thống cung cấp

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

10


điện, nghiên cứu các giải pháp để nâng cao chất lợng hệ thống truyền động
điện máy bơm thủy lợi công suất vừa và lớn là vấn đề bức thiết. Với những
tiêu chí về chất lợng nêu trên, muốn nghiên cứu một cách đầy đủ cần phải có

sự phối hợp nhiều đề tài nghiên cứu của nhiều nhà khoa học.
Do điều kiện về thời gian nên những nội dung trong bản luận văn này chỉ
đề cập và giải quyết vấn đề về khởi động mềm, điều khiển quá trình mở máy,
quá trình dừng máy của động cơ máy bơm công suất lớn.
1.3 Khởi động và dừng máy bơm

1.3.1 Máy bơm thủy lợi
- Các máy bơm thủy lợi công suất lớn (từ 75 kW trở lên) hầu hết đều
dùng các loại bơm hớng trục hoặc bơm hỗn lu, máy bơm làm việc dựa trên
nguyên lý cánh nâng.
Khi máy bơm làm việc, Mômen cản của nớc tác dụng lên bánh xe công
tác tăng tỷ lệ bình phơng với tốc độ quay của bơm, theo tài liệu tham khảo
[9] biểu thức của Mômen cản Mc nh sau:
Mc = Mc (0) + K12
Trong đó: Mc (0) Mômen cản tĩnh
Tốc độ quay của máy
K1 Hệ số tỷ lệ

Pđm Công suất định mức của bơm.
Đờng đặc tính của bơm có dạng hình 1 - 5a. Nếu máy bơm làm việc ở
chế độ ổn định (n = const) thì cột áp H, công suất N và hiệu suất là hàm số
của lu lợng Q.

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

11


Các quan hệ H(Q), N(Q), (Q) là các đặc tính thủy lực của máy bơm,
đợc biểu diễn trên hình 1-5b. Khi thay đổi số vòng quay của máy bơm sẽ làm

thay đổi lu lợng Q, công suất trục bơm N và hiệu suất của máy bơm.

Hình 1.5: Các đặc tính cơ bản của bơm hớng trục
a, Đặc tính tải ; b, Các đặc tính thủy lực
Q Lu lợng máy bơm (m3/h)
N Công suất trục bơm (W)

- Hiệu suất của bơm ( % =

Nci
.100% ) (%)
N

Nci Công suất hữu ích (W)
H Cột nớc công tác của máy bơm (m)
1.3.2 Khởi động và dừng máy bơm
1.3.2.1 Khái quát chung
Nếu khởi động trực tiếp thì dòng điện khởi động của động cơ rất lớn,
thờng bằng từ 4 ữ 7 Iđm của động cơ, làm ảnh hởng xấu đến chất lợng lới
điện, đến không chỉ động cơ mà còn các động cơ và các phụ tải khác đang làm
việc trên lới điện. Vì vậy, đối với những động cơ công suất vừa và lớn không
cho phép khởi động động cơ trực tiếp.

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

12


Mặt khác, khi khởi động động cơ, do sự gia tốc về tốc độ
sự tăng của dòng điện gây nên độ giật

d
cùng với
dt

di d 2
(
) tạo nên những xung lực rất
dt dt 2

lớn giữa các phần quay của hệ truyền động gây hiểm cho kết cấu cũng nh độ
bền cơ khác làm giảm tuổi thọ và có thể gây sự cố làm h hỏng các tổ máy
hoặc toàn bộ công trình trạm, đặc biệt đối với các loại máy bơm có kết cấu
động học dài (Trục bơm từ 5 ữ 20m).
Do mômen phụ tải bơm tỷ lệ với bình phơng của tốc độ nên trong giai
đoạn tốc độ thấp (mới bắt đầu quay) động cơ phải khởi động gần nh không
tải là chỉ có tăng thêm Mômen quán tính của hệ và mômen cản tĩnh do ma sát
gây ra (Mco). Trên thực tế đối với máy bơm thủy lợi mômen khởi động ban
đầu Mkđbđ (Thời điểm bắt đầu khởi động) thờng chỉ cần bằng 20% đến 30%
Mômen cản định mức. Mkhbđ = (0,2 ữ 0,3)Mcđm của máy bơm.
Từ đờng đặc tính cơ của động cơ Mđ và đặc tính tải Mc của máy bơm.
Ta có điểm làm việc xác lập của hệ truyền động điện máy bơm là điểm A trên
hình 1- 6.

Mc0

Hình 1.6: Đặc tính cơ của động cơ KĐB (Mđ) và của máy bơm (Mc)

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

13


Muốn khởi động đợc máy thì tại thời điểm bắt đầu khởi động yêu cầu
Mômen khởi động ban đầu Mkđbđ phải lớn hơn Mômen cản tĩnh Mco.
Gia số Mômen M = Mkđbđ - Mco càng lớn thì hiện tợng giật bơm
tại thời điểm bắt đầu khởi động càng mạnh và dòng khởi động của động cơ
điện càng lớn, đó là điều bất lợi.
Khi dừng bơm, để hạn chế sự va đập của nớc lên bánh xe công tác và hệ
số truyền động của bơm do áp lực lớn của cột nớc chảy ngợc. Ta cần bổ
xung quán tính cho hệ trong quá trình dừng. Muốn vậy, trong quá trình dừng:
Mđh = Mđ - Mc (f

d
phải < 0 - Tức là hệ số giảm dần tốc độ rồi về 0). Nếu
dt

dừng trực tiếp (tức là cắt động cơ ra khỏi nguồn ngay tại thời điểm cần dừng)
thì hiện tợng giật sẽ xảy ra càng mạnh, nếu quán tính cơ của hệ và chiều cao
của cột nớc càng lớn thì rất nguy hiểm cho các bộ phận truyền động nhất là
với hệ có kết cấu động học dài.
1.3.2.2 Tình hình trong nớc
Hiện nay, các tổ bơm có công suất < 75 kW nh 20 HTĐ - 95, 24 HTĐ 560 đều khởi động trực tiếp bằng khởi động từ hoặc áptômát không có hệ
thống bảo vệ, đây là một trong các nguyên nhân làm cho các động cơ bị h
hỏng và xuống cấp nhanh. Các thiết bị: khởi động từ, áptômát bị cháy tiếp
điểm, kéo theo những h hỏng đờng dây và trạm biến áp. Vì vậy, hàng năm
đầu t kinh phí cho việc sửa chữa phần điện khá lớn, ngoài ra còn phải sửa
chữa cả về cơ khí nh thay thế bạc, trục, ổ bi
Một số trạm bơm lớn đợc xây dựng trớc đây do nớc ngoài giúp chúng
ta thiết kế và lắp đặt, sử dụng bơm trục đứng dùng Rôto dây quấn khởi động

động cơ bằng điện kháng dầu nối tiếp tồn tại ở Việt Nam từ những năm 1960.
Cho tới nay, hệ thống này phần lớn đ bị h hỏng. Các trạm bơm còn tồn tại
thì hệ thống khởi động bằng biến áp tự ngẫu tay quay chuyển đổi thành cuộn
kháng nhiều nấc. Vào cuối những năm 1980, trạm bơm Vân Đình xây dựng,
hệ thống khởi động đợc trang bị thiết bị đồng bộ của Nhật Bản là cuộn kháng
khô có tính năng và u điểm hơn các hệ thống khởi động trên, kết cấu gọn nhẹ

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

14


hơn. Từ đó các thiết bị khởi động này đợc các nhà máy điện cơ Bộ nông
nghiệp công ty cơ điện nông nghiệp thủy lợi sản xuất và lắp đặt.
Qua điều tra các bộ khởi động các máy bơm trung bình và lớn tại một số
địa bàn khu vực đồng bằng và trung du Bắc bộ ta có đợc số liệu sau: (bảng 1.3)
Bảng 1.3: Kết quả điều tra thiết bị khởi động tại một số trạm

STT

Tên trạm bơm

Số
lợn
g

Công
suất
(kW)

Kiểu thiết bị khởi động

1

Bạch Hạc Vĩnh Phúc

05

300

Điện trở mạch Rôto

2

Đại Định Vĩnh Phúc

06

300

Khởi động mềm

3

Thanh Điềm Vĩnh Phúc

10

150

Biến áp tự ngẫu

4

Đầm Cả Vĩnh Phúc

10

75

Trực tiếp

5

Hồng Vân Hà Tây

05

200

Thyristor

6

La Khê Vĩnh Phúc

06

200

Cuộn kháng ngâm dầu

7

Đan Hoài Vĩnh Phúc

06

200

Cuộn kháng ngâm dầu

8

Vân Đình Vĩnh Phúc

28

200

Cuộn kháng khô

9

Văn Thai Hải Dơng

08

200

Cuộn kháng khô + cuộn kháng
ngâm dầu + khởi động mềm.

Nói chung, các thiết bị khởi động trên vẫn còn nhiều hạn chế, cha đáp
ứng đợc các yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu công nghiệp hóa hiện nay.
Những năm 1980, hệ thống khởi động cho động cơ bơm 200kW bị h
hỏng hàng loạt. Trên thế giới đ xuất hiện thiết bị khởi động bằng Thyristo
Năm 1988, chúng ta đ có đề tài trên và nghiên cứu thử nghiệm cho trạm bơm
Hồng Vân Hà Tây. Hệ thống này bớc đầu đa vào hoạt động có u điểm
hơn hệ thống cũ. Nhng do sản xuất đơn chiếc, linh kiện thiếu thốn, chắp vá
không đồng bộ, việc duy trì bảo dỡng khó khăn, thực tế các bộ khởi động
Thyristor vẫn còn nhiều tồn tại, cha mang lại hiệu quả nh mong muốn.

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

15


Năm 2003, đề tài nghiên cứu khởi động động cơ bơm bằng Thyristor và
ghép nối với máy tính thành công, nhng mới chỉ dừng ở mức thử nghiệm ở
phòng thí nghiệm trên thiết bị cơ công suất nhỏ.
Hầu hết các bộ khởi động đợc trang bị từ trớc đến những năm gần đây
chỉ có chức năng duy nhất là khởi động, không có chức năng điều khiển quá
trình làm việc và quá trình dừng bơm. Một số ít trạm bơm mới đợc xây dựng
và lắp đặt trong thời gian gần đây sử dụng các máy bơm nhập từ nớc ngoài
đợc trang bị đồng bộ thiết bị khởi động mềm với nhiều tính năng rất u việt.
Năm 2002, Trung tâm bơm và máy xây dựng Viện khoa học thủy lợi Bộ NN
và PTNT nghiên cứu ứng dụng bộ khởi động mềm điều khiển bơm lu lợng
8000m3/h, đ thử nghiệm thành công và bớc đầu đợc thực tế sản xuất chấp
nhận.

1.3.2.3. Nớc ngoài
Hiện nay, trên thế giới đ có nhiều hệ thống truyền động điện (TTĐ) máy
bơm rất hiện đại, mức độ tự động hóa cao, nhiều hàng sản xuất chế tạo thiết bị
khởi động và kèm theo các chức năng khác phục vụ hoạt động của động cơ
điện 3 pha mang lợi ích kinh tế lớn. VD: Thiết bị khởi động và điều khiển
động cơ của MOTOROLA (Mỹ), SIEMEN (Đức), TOSHIBA, MITSUBITSI
(Nhật), LG (Hàn Quốc). Mỗi loại thiết bị đều có đặc trng riêng, phụ thuộc
vào công nghệ khác nhau. Vì vậy, việc lựa chọn cần có sự sàng lọc phù hợp
với từng loại thiết bị công nghệ. ở nớc ta cha thể chế tạo và sản xuất đợc
phần mềm của thiết bị này, chủ yếu vẫn là nhập khẩu đồng bộ. Vì vậy việc
tiếp tục nghiên cứu, thực nghiệm thiết bị khởi động mềm điều khiển và dừng
máy bơm là rất cần thiết. Là một trong các nhằm nâng cao chất lợng truyền
động điện máy bơm thuỷ lợi.

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

16