Luận văn nghiên cứu nâng cao chất lượng truyền điện động máy bơm nước thuỷ lợi công suất bằng và lớn hơn 75 kw

Mở đầu

Thuỷ lợi giữ vai trò hàng đầu trong các khâu thâm canh, canh tác lúa và
cây trồng. Hiện nay, nớc ta đứng hàng thứ hai trên thế giới về xuất khẩu gạo,
đạt khoảng 3,5ữ4,0 triệu tấn/năm nhờ hệ thống tới tiêu đợc cơ-điện khí hoá
khá phát triển và các thành tựu trong công tác tuyển chọn, lai tạo các giống
cây trồng chất lợng cao trong nhiều năm qua.
Tuy nhiên, hệ thống máy bơm và các trang thiết bị điện đầu t qua
nhiều giai đoạn, khá cũ kỹ cha đáp ứng đợc các yêu cầu ngày càng cao của
thực tiễn sản xuất hiện nay. Nhiều trạm bơm đang sử dựng các thiết bị khởi
động chất lợng thấp, thiếu đồng bộ, độ an toàn trong vận hành và thao tác
thấp kém, ảnh hởng lớn đến chất lợng và hiệu quả khai thác các công trình
và máy bơm thuỷ lợi, cần đợc cải tiến và nâng cấp.
ở các nớc tiên tiến, ngời ta đà áp dụng rộng rÃi các hệ thống thiết bị
truyền động điện, trong đó có bộ bộ khởi động mềm chất lợng cao cho các
trạm bơm thuỷ lợi, có tính năng kỹ thuật và trình độ tự động hoá cao, an toàn
cho ngời và thiết bị, đảm bảo cho hiệu quả sản xuất kinh doanh cao.
Từ những năm 1980 ở nớc ta đà có các nghiên cứu thử nghiệm ứng
dụng các thiết bị khởi động bằng điện trở, cuộn kháng, biến áp tự ngẫu và bộ
khởi động Thyristo trong sản xuất. Thiết bị khởi động, điều khiển và dừng
mềm động cơ máy bơm công suất lớn trên 75 kW đà đợc nghiên cứu ứng
dụng thử nghiệm nhằm giảm chi phí điện năng, nâng cao độ ổn định, tin cậy
và an toàn bớc đầu đà cho các kết quả khả quan.
Nghiên cứu ứng dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến của
các nớc phát triển vào điều kiện ViƯt nam lµ viƯc lµm thiÕt thùc vµ bỉ Ých, có
ý nghĩa khoa học và thực tiễn góp phần thúc đẩy thực hiện công cuộc công
nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nớc, tiến tới hội nhập kinh tế khu vực toàn
cầu.
-1-

Chơng I
Tổng quan tình hình trang bị và sử dụng điện năng
Trong các trạm bơm thuỷ lợi ở Việt Nam

1.1. Khái quát chung
Tục ngữ có câu Nhất nớc, nhì phân, tam cần, tứ giống. Nớc giữ vị
trí hàng đầu trong các khâu thâm canh canh tác lúa và cây trồng. Tới tiêu là
biện pháp trớc tiên để nâng cao năng suất mùa màng và hiệu quả kinh tế của
diện tích canh tác, ổn định an ninh lơng thực và thực phẩm cho toàn xà hội;
nhất là đối với nớc ta có địa hình phức tạp và khí hậu khắc nghiệt, mang tính
mùa vụ.
Nớc ta là một nớc nông nghiệp, tỉ lệ dân số sống bằng nghề nông
chiếm khoảng 75% dân số cả nớc. Hiện nay nớc ta có khoảng hơn 9 triệu ha
trong đó việc tới tiêu nớc cho cây trồng hầu hết phải dựa vào hệ thống
mơng máng các công trình thuỷ lợi và các trạm bơm nớc. Gần 7,6 triệu ha
đợc chủ động tới tiêu bởi hàng trăm các công trình thuỷ lợi lớn và hàng
triệu máy bơm các loại đang hoạt động để phục vụ sản xuất nông nghiệp. Nhờ
có hệ thống kênh mơng và các trạm bơm thuỷ lợi mà nớc ta đà tăng từ một
vụ lên hai đến ba vụ trên năm [22].
Chỉ riêng các tỉnh đồng bằng bắc bộ và bắc khu 4 cũ ta đà xây dựng
đợc gần 40 công trình thuỷ lợi lớn và gần 120 hệ thống vừa và nhỏ, với gần
5000 trạm bơm đợc lắp đặt với số lợng máy bơm khoảng hơn 13.300 máy
các loại có lu lợng từ 540 m3/h đến 32.000 m3/h, hầu nh 100% các trạm
bơm nớc cố định đà đợc điện khí hoá, theo số liệu điều tra của cục quản lý
nớc Bộ NN & PTNT năm 2002 [18]
Các máy bơm hiện đang sử dụng rất đa dạng về chủng loại, hình thức,
kết cấu, công suất thiết kế (trục đứng, trục ngang, trục xiên, bơm ch×m …).

-2-

Hầu hết những bơm lớn có cấu tạo phức tạp và có trang thiết bị kỹ thuật tơng
đối hoàn chỉnh, đa số nhập từ nớc ngoài, một số lợng lớn bơm đợc sản
xuất trong nớc. Điện năng tiêu thụ phục vụ cho tới, tiêu hàng năm lên tới
trên 300 triệu kWh (chiếm gần 85% điện sử dụng cho nông nghiệp)., trong đó
công suất thiết kế cho tới khoảng trên 230.000kW và cho tiêu nớc khoảng
300.000kW, ngoài ra còn có hàng vạn máy bơm nhỏ hoạt động ở khắp nơi
Nhiều trạm bơm có tới hàng chục máy bơm công suất lớn nh: Gia Viễn
Ninh Bình, Quế Hà Nam, Vân Đình Hà Tây; Thanh Điềm; Đại Định Vĩnh
Phú ... Thờng số lợng bơm cỡ lớn (lu lợng trên 4000m3/h, công suất động
cơ bằng và lớn hơn 75kW) chiếm khoảng 30-40% trong tổng số đầu máy sử
dụng. Các trạm bơm này luôn là những trợ thủ đắc lực phục vụ cho việc tới
tiêu trong nông nghiệp [18].
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lợng, hiệu quả của các công
trình thuỷ lợi và của các trạm bơm điện đối với sản xuất nông nghiệp là vấn đề
có ý nghĩa rất lớn, cần phải đợc nghiên cứu một cách đồng bộ và đầy đủ.
Song song với các giải pháp về công trình, về cơ khí, các giải pháp truyền
động điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng.
1.2. Đặc điểm cung cấp và sử dụng điện của các trạm bơm thuỷ lợi
Hầu hết các trạm bơm thuỷ lợi hiện có đợc cung cấp điện từ lới điện
trung áp 6 đến 35 kV qua trạm biến áp hạ áp đặt tại trạm bơm, tuỳ thuộc đặc
điểm địa bàn cụ thể của các trạm bơm, đa số các trạm bơm đều xa hệ thống
đờng dây tải điện (thờng từ 3 đến 5 km) để cấp điện cho các trạm bơm phải
dùng đờng dây phân nhánh riêng, hầu hết các máy biến áp (MBA) của các
trạm đều sử dụng loại máy biến áp ngoài trời. Năng lợng điện từ lới điện
đợc dẫn tới máy bơm theo sơ đồ khối nh hình 1.1.
Các MBA có nhiệm vụ phải cung cấp đủ điện năng và d 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 máy bơm.

-3-


Lới điện trung áp

1

2

31

41

32

42

3n

4n

Hình 1.1- Sơ đồ cấu trúc năng lợng trạm bơm.
1-Biến áp hạ thế; 2- Tủ phân phối; 31ữ3n- Tủ điều khiển Máy bơm.
41ữ4n- Các Máy bơm (n = 1, 2, 3...)
Các trạm bơm thờng sử dụng mạch cung cấp điện bằng một hay nhiều
MBA ( Hình 1.2, Hình 1.3)
35kV
(10kV)

DCL

MC2

MC1

AT1
M1

MBA1
35/0,4kV

MBA2
35/0,4kV

CD

CD

ATn

AT2
M2

P1

Mn

P2

Pn

Phụ tải sinh hoạt

Hình 1.2- Sơ đồ cung cấp ®iƯn b»ng 1 MBA c«ng
st lín cung cÊp cho tÊt cả các máy bơm của trạm

-4-


Sơ đò sử dụng một máy biến áp công suất lớn, phục vụ cho tất cả các
máy bơm của trạm còn các phụ tải sinh hoạt sử dụng máy biến áp thứ hai
riêng với công suất nhỏ hơn (Hình 1.2) .Đối với các trạm loại này thờng công
suất của máy biến áp số 1 (MBA1) đợc chọn bằng tổng công suất của các
máy bơm.
Các trạm đợc trang bị theo sơ đồ này vận hành khá đơn giản, máy biến
áp thờng xuyên làm việc ở chế độ non tải làm hệ số cos của trạm thấp
Sử dụng sơ đồ dùng nhiều MBA đợc thiết kế, lựa chọn hợp lý vận hành
song song (Hình 1.3) cho phép khắc phục các nhợc điểm của sơ đồ hình 1.2,
nhng công tác tổ chức vận hành song song các máy biến áp khó khăn và
phức tạp, nhất là vấn đề thao tác đóng cắt phía điện áp cao.
35kV
(10kV)
DCL

MC1

MC2

MBA1
35/0,4k

MCn

MBA2
35/0,4k

CD1

CD2
CDPĐ1

AT1
M1

AT2
M2

MBA2
35/0,4k

M3

CDPĐ2

AT3 AT4
M4

ATn
P1

Mn

P2

Pn

Phụ tải sinh hoạt

Hình 1.3 - Sơ đồ dùng nhiều MBA vận hành
song song
Thông thờng điện áp ra của MBA tại các trạm bơm công suất vừa và
lớn cần đặt +10%Uđm của động cơ điện, trong thực tế điều kiện trên ít đợc
thoả mÃn, khi số máy bơm làm việc ít xảy ra tình trạng động cơ làm việc ở chế
độ quá điện áp [16].

-5-


Các trạm bơm đang sử dụng thiết bị khởi động kiểu cũ tình trạng chỉ
khởi động đợc hai phần ba số máy bơm là phổ biến, do khả năng cân bằng về
năng lợng trong chế độ khởi động nên một phần ba số máy bơm còn lại của
trạm khởi động rất khó khăn và thậm trí còn không khởi động đợc, làm ảnh
hởng rất lớn đến tuổi thọ của các máy biến áp và chất lợng điện năng của
lới điện.
Đối với những trạm bơm đợc xây dựng trong những năm gần đây mặc
dù các thiết bị làm việc tin cậy và an toàn. Nhng còn nhiều khía cạnh cha
thoả đáng nh sơ đồ cung cấp cha phù hợp, sự đồng bộ của các thiết bị còn
thiếu, hiệu quả sử dụng điện còn quá thấp do các động cơ và các Máy biến áp
lực thờng xuyên vận hành ở chế độ non tải. Một số tổ máy bơm chạy động cơ
điện 200kW của Liên Xô cũ, của Rumani hiện nay đang đợc sử dụng 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.
Những trạm bơm đợc xây dựng từ thời kỳ đầu và sau chiến tranh, các
thiết bị đà quá cũ và lạc hậu, phải sửa chữa thay thế nhiều, mang tính chắp vá
đặc biệt là các thiết bị đóng cắt, các thiết bị bảo vệ thiếu hoặc thay thế rất tuỳ
tiện làm cho độ tin cậy thấp, thiếu an toàn cho cả ngời và thiết bị.
Hiện nay ở nớc ta lợng điện năng hàng năm do các trạm bơm tiêu thụ
tới 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 máy bơm là các phụ tải tiêu thụ điện cần có những biện pháp để giảm
thiểu những bất lợi cho hệ thống cung cấp điện.
1.3. Hệ thống truyền động điện máy bơm
1.3.1. Chất lợng của hệ thống truyền động điện máy bơm thuỷ lợi
Để đánh giá chất lợng của hệ thống truyền động điện(TĐĐ) máy bơm
có thể căn cứ vào các tiêu chÝ sau:

-6-


1- Chất lợng điện năng cung cấp và ảnh hởng của phụ tải điện (sai
lệch điện áp U, sai lệch tần số f, hệ số đối xứng, cos ...);
2- Chất lợng làm việc của máy bơm ở chế độ khởi động, dừng và làm
việc dài hạn;
3- Mức độ của công nghệ tiên tiến,trình độ tự động hoá;
4- Khả năng bảo vệ quá tải, độ tin cậy, độ bền.và an toàn;
5- Chi phí đầu t, vận hành, bảo dỡng, sửa chữa.
1.3.2. Hiện trạng hệ thống truyền động điện các máy bơm
Hệ thống truyền động điện máy bơm nớc thuỷ lợi ở hầu hết các trạm
bơm thuộc loại truyền động điện xoay chiều, theo quan điểm về năng lợng
đợc mô tả bằng sơ đồ khối cấu trúc đơn giản nh Hình 1.4.

Lới điện

1

2

3

4

5
Lệnh đặt

Hình 1.4- Sơ đồ cấu trúc hệ thống TĐĐ máy bơm nớc thuỷ lợi
1- Bộ khởi động động cơ; 2- Động cơ điện
3- Bộ truyền lực; 4- Máy bơm; 5- Bộ điều khiển.
Hỗu hết động cơ điện trong hệ thống truyền động điện bơm thuỷ lợi
hiện nay
hầu hết đều dùng động cơ không đồng bộ (KĐB) 3 pha rô to lồng sóc, một số
trạm xây dựng trớc đây dùng động cơ rô to dây quấn làm việc với lới hạ áp
0,4kV, một số máy bơm có động cơ kéo là động cơ đồng bộ công suất lớn
(320 ữ 500)kW làm việc ở điện áp lới 6kV-10kV. Loại động cơ nµy hƯ sè

-7-


cos cao hơn thờng cos 0,87. Nhìn chung những động cơ đợc chế tạo
vào những thời kỳ của những năm 1970 trở về trớc có hiệu suất thấp thờng
0,85 hƯ sè cosϕ cịng thÊp th−êng cosϕ≤ 0,82, c«ng suất động cơ d khá
nhiều so với máy bơm nên động cơ sử dụng điện với hiệu quả khá thấp.

Thiết bị khởi động mang dấu ấn của mức độ đầu t, trình độ kỹ thuật
của thời kỳ xây dựng dự án và lắp đặt máy, công suất, loại động cơ. Những
trạm bơm đợc xây dựng từ những năm 1970 trở về trớc hầu hết máy bơm
đợc khởi động trực tiếp hoặc gián tiếp bằng các thiết bị đơn giản (cuộn
kháng dầu, kháng khô, hộp điện trở ... ), đà cũ và lạc hậu, các thiết bị đóng cắt
và điều khiển thờng đợc sửa chữa, thay thế chắp vá thiếu đồng bộ không an
toàn cho ngời và thiết bị.
Thiết bị điều khiển máy bơm hầu hết đợc ghép trên các Công tắc tơ,
Rơ le thời gian loại điện từ, mức độ tự động hoá rất thấp, độ tin cậy thấp.
Chế độ khởi động, làm việc của bơm do ngời vận hành chọn đặt trớc,
không có vòng hồi tiếp ngợc (điều khiển bằng tay), thiếu các phơng tiện đo
lờng, chỉ báo và điều khiển tự động nên việc giám sát quá trình làm việc của
máy chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm (khả năng cảm nhận) của ngời vận hành.
Bộ phận truyền lực hiện nay hầu hết các máy bơm nớc Thuỷ lợi đều
đợc dẫn động thẳng trục thông 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, đà có không ít số máy bơm xảy ra sự cố cong trục phải ngừng
hoạt động trong thời gian dài làm ảnh hởng không nhỏ đến sản xuất.
Các máy bơm thuỷ lợi chủ yếu dùng loại bơm ly tâm, bơm hớng
trục(HT) hoặc bơm hỗn lu, loại có công suất từ 75kW trở lên, hầu hết đều
dùng loại bơm hớng trục đứng(HTĐ) và hớng trục nghiêng(HTN), một số
trạm mới đợc xây dựng trong thời gian gần đây lắp đặt máy bơm chìm nhập
từ nớc ngoài.

-8-


Đối với những trạm bơm đợc xây dựng từ những năm 1980 trở về
trớc hệ thống truyền động điện đà quá cũ và lạc hậu, hiệu quả sử dụng điện
thấp, các thiết bị trong hệ thống đà phải sửa chữa thay thế nhiều không đồng

bộ, thiếu các thiết bị đo lờng, điều khiển, bảo vệ an toàn trong vận hành. Nói
chung các trạm bơm này có hệ thống truyền động điện thô sơ, lạc hậu không
đảm bảo an toàn cho ngời vận hành 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 lại quá đơn giản hiệu suất 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 điện, nghiên cứu các giải pháp
để nâng cao chất lợng hệ thống TĐĐ máy bơm thuỷ lợi công suất vừa và lớn
là vấn rất quan trọng. 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.
Trong luận văn này chỉ đề cập đến những vấn đề cải thiện chế độ khởi
động,vận hành, đo lờng chỉ báo, điều khiển và bảo vệ máy bơm nhằm nâng
cao hiệu quả làm việc và sử dụng an toàn.
1.4. Khởi động và dừng máy bơm
1.4.1. Khái quát chung
Các máy bơm thuỷ lợi có công suất từ 75kW trở lên hầu hết đều dùng
loại bơm hớng trục hoặc bơm hỗn lu. Máy bơm làm việc dựa trên nguyên lý
cánh nâng.
Dòng khởi động trực tiếp của động cơ điện rất lớn thờng bằng từ (4ữ7)
dòng định mức của động cơ và gây hiện tợng va đập cơ khí, quá tảI Mômen,
phát nhiệt, làm ảnh hởng xấu đến chất lợng lới điện, chế độ khởi động và

-9-


làm việc của các động cơ và các phụ tải khác trong cùng mạng lới điện. Vì

vậy đối với những động cơ công suất vừa và lớn, trong nhiều trờng hợp
không cho phép khởi động động cơ trực tiếp.
Khi khởi ®éng ®éng c¬ do sù gia tèc vỊ tèc ®é

dϖ
cïng với sự tăng
dt

di d2
(
) tạo nên những xung lực rất lớn giữâ
dt dt 2

của dòng điện gây nên độ giật

các phần quay của hệ truyền động gây nguy 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).
Trên đờng đặc tính cơ của động cơ Mđ và đặc tính tải MC của máy bơm
(Hình 1.5). Ta có điểm làm việc xác lập của hệ truyền động điện máy bơm là
Mc



điểm A [2].

A
Mđ
Mkđb

M
0

Mc

Mkđbđ

Hình 1.5- Đặc tính cơ của đ/c KĐB (Mđ)
và của Máy bơm (Mc)

Do Mômen phụ tải bơm tỷ lệ với bình phơng của tôc độ nên trong giai
đoạn tốc độ thấp (mới bắt đầu quay) động cơ khởi động gần nh không tải mà
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 thuỷ lợi Mômen khởi động ban đầu

-10-


Mkđbđ (thời điểm bắt đầu khởi động) thờng chỉ cần bằng 20% đến 30%
Mômen cản định mức. Mkđbđ = (0,2 ữ 0,3 )Mcđm của máy bơm.
Muốn khởi động đợc máy thì tại thời điểm bắt đầu khởi động yêu cầu
mô men khởi động ban đầu Mkđbđ phải lớn hơn mô men cản tĩnh Mco.
Gia số mô men M = Mkđbđ Mc0 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 ta không muốn.
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 < J

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 nớc càng lớn, rất nguy hiểm cho các bộ phận truyền động nhất là với
hệ có kết cấu động học dài.
1.4.2.. Tình hình nghiên cứu ứng dụng thiết bị khởi động máy bơm

Thực tiễn cho thấy các tổ bơm có công suất < 75kW nh 20 HTĐ- 95;
24 HTĐ- 560 khởi động trực tiếp bằng áptômát không có hệ thống bảo vệ,
đây là một trong các nguyên nhân làm cho động cơ bị h hỏng và xuống cấp
nhanh. Các thiết bị: Khởi động từ, áptomát 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, đó là cha kể tới việc sửa chữa về cơ khí nh
thay thế bạc, trục và ổ bi v.v
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 động cơ rôto dây
quấn khởi động các động cơ bằng cách đa điện trở phụ vào mạch rôto [18].

-11-


Hệ thống khởi động bằng điện kháng dầu nối tiếp tồn tại ở Việt Nam từ
những năm 1960, cho tới nay hệ thống này phần lớn bị h hỏng. Các trạm
bơm còn tồn tại thì hệ thống khởi động bằng biến áp tự ngẫu quay tay chuyển
đổi thành cuộn kháng nhiều nấc [14].
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 hơn.
Từ đó các thiết bị khởi động này đợc các nhà máy Điện Cơ Bộ công nghiệp,
Công ty cơ điện Nông nghiệp Thuỷ lợi sản xuất và lắp đặt.
Nói chung, các thiết bị khởi động đông cơ trên còn rất nhiều hạn chế,
cha đáp ứng đợc các yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu công nghiệp hoá hiện nay.
Những năm 1980 hệ thống khởi động cho động cơ bơm 200kW bị h
hỏng hàng loạt. Trên thế giới đà xuất hiện thiết bị khởi động bằng Thyristor.
Năm 1988 chúng ta cũng đà 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
Thyristo vẫn còn nhiều tồn tại, cha mang lại hiệu quả nh mong muốn [14].
Năm 2003 đề tài nghiên cứu khởi động động cơ bơm bằng thyristo và
ghép nối với máy tính thành công, nhng mới chỉ dừng ở mức thử nghiệm ở
phòng thí nghiệm trên thiết bị có công suất nhỏ [4; 14].
Thực tiễn cho thấy 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 thuỷ lợi Bộ NN & PTNT nghiên cứu ứng dụng

-12-


bộ khởi động mềm điều khiển bơm lu lợng 8000m3/h, đà thử nghiệm thành
công và bớc đầu đợc thực tế sản xuất chấp nhận [23].
Hiện nay trên thế giới đà có nhiều hệ thống TĐĐ máy bơm rất hiện đại,
mức độ tự động hoá rất cao, nhiều hÃng 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), SOMA, CONTROL TECHNIQUES,
FAIRFORD (Anh), TOSHIBA, MITSUMITSI (Nhật), LG (Hàn Quốc) Mỗi
loại thiết bị đều có đặc trng riêng phụ thuộc vào lĩnh vực 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 [17; 20; 21; 23].
Qua những t liệu điều tra và phân tích trên rút ra các kết luận sau:
1.Thuỷ lợi giữ vai trò hàng đầu trong các khâu thâm canh lúa và cây
trồng, nhất là đối với ở nớc ta có nền nông nghiệp lúa nớc với khoảng hơn 9
triệu ha canh tác trong đó gần 7,6 triệu ha đợc chủ động tới tiêu bởi hàng
trăm các công trình thuỷ lợi lớn với hàng triệu máy bơm các loại đang hoạt
động để phục vụ sản xuất nông nghiệp.
2. Điện năng hàng năm do các trạm bơm tiêu thụ tới trên 300 triệu
kWh. Các hệ thống cung cấp và truyền động điện máy bơmàphanf lớn đang
xuống cấp nghiêm trọng cần đợc nghiên cứu để đa ra các giảI pháp nâng
cao hiệu quả sản xuất kinh doanh
3. Cải thiện chế độ làm việc của các thiết bị khởi động sẽ góp phần
nâng cao chất lợng hệ thống truyền động điện máy bơm thủy lợi, vận hành
khai thác hiệu quả các trạm bơm, nâng cao tuổi thọ và an toàn cho các thiết bị
trong hÖ thèng.

-13-


4. ở hầu hết các trạm bơm thuỷ lợi hệ thống máy bơm điện, hệ thống
phân phối, điều khiển, bảo vệ chất lợng thấp, thiếu đồng bộ, an toàn thấp, cần
đợc cải tạo nâng cấp.
5. Nớc ta từ những năm 1980 đà có các nghiên cứu ứng dụng thử

nghiệm các bộ khởi động bằng cuộn kháng khô, bằng Thyristo, bớc đầu cho
những kết quả khả quan
6. ở các nớc tiên tiến đà áp dụng rộng rÃi các bộ khởi động chất lợng
cao bộ khởi động mềm để trang bị cho các máy bơm, mức độ tự động hoá
cao có tính năng bảo vệ rất an toàn.
Để có cơ sở khoa học và thực tiễn triển khai sâu rộng kỹ thuật công
nghệ này cần có các nghiên cứu đầy đủ và toàn diện hơn phù hợp với điều
kiện Việt Nam, Nghiên cứu nâng cao chất lợng truyền động điện máy
bơm nớc thuỷ lợi công suất bằng và lớn hơn 75kW đây là việc làm bức

thiết.
Để đạt đợc mục tiêu trên cần thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:
1) - Nghiên cứu tổng quan điều tra khảo sát hiện trạng sử dụng điện tại
các trạm bơm thuỷ lợi
2) - Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn vấn đề nâng cao chất lợng
truyền động điện máy bơm.
3) - Đề suất giải pháp nâng cao chất lợng truyền động điện máy bơm
có công suất vừa và lớn.

-14-


Chơng 2
Phơng pháp nghiên cứu

Để thực hiện các nội dung nghiên cứu của đề tài cần thiết phải kết hợp
điều tra khảo sát hiện trờng với nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, sử dụng
các phơng tiện kỹ thuật hiện đại trong đo lờng thử nghiệm và xử lý số liệu.
2.1. Phơng pháp tiếp cận

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu và các thành tựu khoa học công nghệ
tiên tiến trong và ngoài nớc, nghiên cứu các giải pháp ứng dụng kỹ thuật
công nghệ tiên tiến phù hợp với điều kiện thực tiễn trong nông nghiệp nớc ta.
2.2. Đối tợng và phơng pháp điều tra khảo sát

Đối tợng là các trạm bơm nớc thuỷ lợi có máy bơm công suất từ
75kW trở lên. Chủ yếu ở khu vực đồng bằng và trung du Bắc bộ. Do số lợng
máy bơm chđ u tËp chung ë khu vùc nµy cã thĨ đại diện cho khu vực đồng
bằng trung du Bắc bộ. Khi có điều kiện cần mở rộng phạm vi điều tra khảo sát
nghiên cứu tới các tỉnh miền trung và nam bộ.
Số lợng trạm bơm điều tra khảo sát phải ®đ lín, cã tÝnh ®¹i diƯn, Ýt
nhÊt tõ 9 ®Õn 10 trạm. điển hình về vị trí địa lý, kiểu loại máy bơm, đặc thù
trang bị. Ví dụ chọn các trạm bơm ở Vĩnh Phúc, Hà Tây, Hải Dơng.
Các thiết bị khởi động có vai trò quan trọng trong hệ thống truyền động
điện, điều tra đánh giá hiện trạng hệ thống chủ yếu tập trung vào giải quyết
các vấn đề về khởi động, điều khiển quá trình làm việc và dừng động cơ điện
kéo máy bơm dựa trên các chỉ tiêu:
1- Giới hạn cho phép của dòng điện khởi động Ikdmax, độ sụt điện áp
lới; phạm vi điều chỉnh Imin; Imax so với dòng định mức Iđm của động cơ;
2- Các đặc tính khởi động Mk(t); ik(t); (t) tốt;
3- Va đập (Mômen va đập) trong quá trình khởi động phải nhá;
-15-


4 - Thời gian khởi động ngắn, sụt áp lới điện nhỏ;
5- Vận hành đơn giản, an toàn, tin cậy;
6- Dễ thực hiện tự động hoá;
7- Giá thành phải rẻ, bền;
8- Thiết bị khởi động phải đợc lựa chọn, thiết kế phù hợp với điều kiện
lắp đặt vận hành cụ thể;

Khảo sát nhận xét đánh giá về các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật từng kiểu
khởi động, tìm giải pháp hợp lý là những vấn đề cần thiết.
2.3. Nghiên cứu thực nghiệm

Sử dụng các phơng tiện kỹ thuật và thiết bị đo hiện đại trong nghiên
cứu, thử nghiệm các thông số nh điện áp, dòng điện, thời gian trong các chế
độ: khởi động, làm việc dài hạn, chế độ dừng của máy bơm trong phòng thí
nghiệm và ngoài hiện trờng. Trên cơ sở đó đa ra gải pháp kỹ thuật để nâng
cao chất lợng và hiệu quả hệ thống truyền động điện máy bơm.
2.4. Trang thiết bị sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm

1- Máy đo điện vạn năng (U, I, cos, P, Q): Fluke41. (Mỹ)
Dải đo: Điện áp: 0ữ600V, sai số 0,5%; Dòng điện: 0,1ữ1000 A, sai số 0,5%;
Công suÊt P: 1÷ 600kW, sai sè 1%; cosϕ: 0÷1,0; sai sè 1%.
2- Cad ®o l−êng: DAQ- A1- 16E- 4. (Mü)
08 kênh DC, DảI đo: 10 V, sai số 0,1%
3- Máy tính xách tay: OMNIBOOK-800. (Mỹ)
333MHz, 5GBHD, 128 MBRAM
4- Máy đo tốc độ cầm tay: TACH- 4A. (Mỹ)
Dải đo: 5 Hzữ500kHz, sai sè 0,1%

-16-


Chơng 3
Cơ sở khoa học và thực tiễn nâng cao
chất lợng truyền động điện máy bơm nớc thuỷ lợi
công suất bằng và lớn hơn 75 kW

3.1. Mômen cản của máy bơm

Khi máy bơm làm việc Mômen cản của nớc tác dụng lên bánh xe công
tác và trục bơm tăng tỷ lệ bình phơng với tốc độ quay của bơm [9].
Mc= Mc(0) + K12.

( 3-1 )

Trong đó: MC(0)- Mômen cản tĩnh, Nm;
- Tốc độ quay của máy, rađ/s;

K1- Hệ số tỷ lƯ.

K1 =

M dm - M C (0)
98596

M ® m = 9550

Pđ m
đ m

Pđm- Công suất định mức của bơm, W;
Đờng đặc tính tải và đặc tính thuỷ lực của bơm cho trong Hình 3.1và

H
Hình 3.2 [24].
MC

Sau khi khởi động, số vòng

quay của trục bơm tăng dần từ không
đến giá trị danh định, Mômen cản
trên trục bơm tăng nhanh từ Mc(0)
đến Mc định mức, tơng tự Mc tăng tỷ
lệ bình phơng với cột áp bơm

M
O

Mc(0)
Hình 3.1-Đặc tính tải

-17-


Hình 3.2- Các đặc tính tơng đối của bơm
a) bơm hớng trục; b) bơm dòng chéo ; c) Bơm ly t©m

-18-


3.2. Khởi động bơm bằng các phơng pháp thông thờng
3.2.1. Khởi động trực tiếp

Phơng pháp đơn giản nhất để điều khiển động cơ lồng sóc là làm gián
đoạn nguồn cung cấp, bằng cách dùng cầu dao, áp tô mát qua dây dẫn trực
tiếp. Nó là hình thức điều khiển đợc phổ biến nhiều nhất hiện nay hình 3.3
A

B

C

CD(AT)

Đ
Hình 3.3- Sơ đồ khởi động trực tiếp động cơ KĐB 3 pha

Phơng pháp này không điều khiển đợc quá trình dừng mà bơm dợc
dừng tự do
Ưu điểm: thiết bị khởi động đơn giản, rẻ tiền, thích hợp với loại động
cơ cỡ nhỏ. Cỡ từ 7,5 đến 22 kW hoặc động cơ lớn hơn nhng có nguồn điện
đủ lớn chịu đợc sự tăng vọt của dòng khởi động.
Nhợc điểm:: dòng điện khởi động của động cơ rất lớn thờng bằng từ
(4 ữ 7) dòng định mức của động cơ. Với động cơ 75kW thì dòng khởi động có
thể lên tới (600 ữ 1000)A. Còn với động cơ 300kW thì dòng điện khởi động
có thể lên tới (2400 ữ 4200)A. Do nguồn điện có công suất giới hạn nên khi ta
khởi động trực tiếp động cơ sẽ làm điện áp của lới điện bị sụt xuống dới giá
trị cho phép, gây ảnh hởng xấu đến không chỉ động cơ đang khởi động mà
còn các động cơ và các phụ tải khác đang làm việc trên lới điện. Vì vậy đối

-19-


với những động cơ công suất vừa và lớn không cho phép khởi động động cơ
trực tiếp.
3.2.2. Khởi động đổi nối Y-

Những động cơ khi làm việc bình thờng nối tam giác, để hạn chế dòng
khởi động sử dụng sơ đồ đổi nối Y-. Hình 3.4 [2]

Phơng pháp này không điều khiển đợc quá trình dừng của bơm, dừng
A

tự do

B

C
CD1
CD2



Y

x y z

Hình 3.4- Sơ đồ khởi động động cơ bơm bằng đổi nối Y-

Khi bắt đầu khởi động, bộ dây stato của động cơ đợc nối theo sơ đồ
hình sao, kết thúc quá trình khởi động bộ dây đợc đổi nối thành sơ đồ hình
tam giác. Nhờ đó mà ta đà giảm đợc điện áp đặt vào mỗi pha dây quấn stato
của động cơ trong quá trình khởi động
Đặc điểm của phơng pháp khởi động này là dòng điện khởi ®éng thÊp
h¬n khëi ®éng trùc tiÕp, nh−ng khi khëi ®éng dòng khởi động giảm

3 lần

làm mô men giảm 3 lần, nên nó chỉ phù hợp với những loại bơm có kết cấu
động học ngắn.

Quá trình tách cuộn đây stato của động cơ ra khỏi nguồn từ nối sao
chuẩn bị chuyển sang nối tam giác làm xuất hiện dòng điện cảm øng rÊt lín

-20-