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

Bài viết Điều kiện sử dụng an toàn thiết bị bảo vệ rò điện dùng dòng đo một chiều trong các mạng điện mỏ hỗn hợp được nghiên cứu 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.

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 lò

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 không 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 toàn khi sử dụng rơle rò 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 toàn các mạng điện

mỏ hỗn hợp là các rơle rò hiện tại có nguyên lý

làm việc dựa trên kết quả xếp chồng dòng đo một

chiều lên mạng cần bảo vệ, có thể không hoạt động

khi phát sinh rò hoặc khi có sự giảm dần điện trở

cách điện ở phần mạch một chiều [3],[4] Trên cơ

sở xây dựng và phân tích biểu thức tính dòng 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]

A R A C B R B C C R C C

A B C

1

ĐC

+ C + R

− C

− R

+ MTBT

MMC

−

0

U f

U

BIẾN TẦN NGHỊCH LƯU CHỈNH LƯU

D D3 D5

6

D

4

D D2

MSBT

1

R

0

E I0

1

V V2 V3

4

V V5 V6

Bf R Cf

C ĐC2

Af

R RCf Af

C CBf

a b c fa u

2

R

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

ĐIỀU KIỆN SỬ DỤNG AN TOÀN THIẾT BỊ BẢO VỆ RÒ ĐIỆN

DÙNG DÒNG ĐO MỘT CHIỀU TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN MỎ HỖN HỢP

Kim Ngọc Linh

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Email: kimngoclinh@humg.edu.vn

TÓM TẮT

Từ mô 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 dòng 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 toàn và không an toàn cho các thiết bị bảo vệ rò 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 lò Việt Nam.

Từ khóa: mạng điện mỏ hỗn hợp; dòng đo một chiều; điện trở cách điện; nguồn tương đương

Tevenin.

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

dòng 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

Af

G

0

E

+

G

A

G G B

Bf

G G Cf

C

G

−

G

0

G

2

0/

6

S

4

S

5

S

1

S

2

S

3

S

0

I

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

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

0

E

0

G

0

tđ

E

H.3 Sơ đồ tính dòng 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 quát để tính dòng qua cơ cấu đo kiểm tra cách điện:

tð

G / G /

E E I

1

1 0 0

+

Ta đi tính các thông 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

Af

G +

G

A

G G B

Bf

G

Cf

G

C

G

−

G

2

0/

ho

tđ U

E =

H.4 Sơ đồ tính E và G trong khoảng 0 ÷ π/3

Bảng 1 Điện trở cách điện phần MMC trong một chu kỳ làm việc của nghịch lưu

TT Góc pha của điện áp pha u af Van dẫn Điện trở cách điện nối giữa cực dương và đất Điện trở cách điện nối giữa cực âm và đất

5 4π/3÷5π/3 V2, V3, V4 R+, RBf, RCf R-, RAf

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











Áp dụng phương pháp xếp chồng tính được sức điện động của nguồn tương đương Etđ1:

) G G G G G (

)]

G G G G G /(

[ )]

G G G

/(

[

/ U U

Bf C

B A Bf C

B A Cf

Af

1 1

1

2

0 1

) G G G G G G G

G

/ ) G G G ( U U

Cf Bf Af C

B A

Cf Af











0 1

) G G G G G G (

)]

G G G G G G /(

[ )]

G G

/(

[

/ U U

Cf Af C

B A Cf Af C

B A Bf











1 1

1

2

0 2

) G G G G G G G

G

/ ) G G G ( U U

Cf Bf Af C

B A

Cf Bf













0 2

Vậy

) G G G G G G G G

/ )]

G G ( ) G G G [(

U U

U U

E

Cf Bf Af C

B A

Bf Cf

Af ho

ho ho























0 2

1

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

Af

G



G

A

G G B

Bf

G

Cf

G

C

G



G

2

0/

ho

tđ U

E 

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:

) G G G G G G (

)]

G G G G G G /(

[ )]

G G

/(

[

/ U U

Cf Bf C

B A Cf Bf C

B A Af

1 1

1

2

0 1

) G G G G G G G

G

/ ) G G ( U U

Cf Bf Af C

B A

Af









0 1

) G G G G G (

)]

G G G G G /(

[ )]

G G G

/(

[

/ U U

Af C

B A Af C

B A Cf

Bf











1 1

1

2

0 2

) G G G G G G G

G

/ ) G G G ( U U

Cf Bf Af C

B A

Cf Bf













0 2

Vậy

) G G G G G G G G

/ )]

G G G ( ) G G [(

U U

U

E

Cf Bf Af C

B A

Cf Bf Af

ho ho





















0 2

1

Tính toán 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:

Cf Bf Af C

B A

G 3          

H.5 Sơ đồ tính E tđ và G tđ trong khoảng π/3 ÷ 2π/3

) G G G G G G G G

/ )]

G G ( ) G G G [(

U E

Cf Bf Af C

B A

Cf Bf

Af

















0

 Trong khoảng 4 / 3, các khóa S2, S4 và S6 đóng có:

Cf Bf Af C

B A

) G G G G G G G G

/ )]

G G G ( ) G G [(

U E

Cf Bf Af C

B A

Cf Af Bf

















0

 Trong khoảng 4/35/3, các khóa S2, S3 và S4 đóng có:

Cf Bf Af C

B A

) G G G G G G G G

/ )]

G G ( ) G G G [(

U E

Cf Bf Af C

B A

Af Cf

Bf

















0

 Trong khoảng 5/32, các khóa S3, S4 và S5 đóng có:

Cf Bf Af C

B A

) G G G G G G G G

/ )]

G G G ( ) G G [(

U E

Cf Bf Af C

B A

Bf Af Cf

















0

 Suy ra trị số trung bình của điện dẫn và sức điện động nguồn tương đương:

6

6 5 4 3 2

G (

Gtđ  tđ  tđ  tđ  tđ  tđ  tđ











6

6 5 4 3 2

E (

Etđ  tđ  tđ  tđ  tđ  tđ  tđ































cd Cf

Bf Af C

B A

) G G ( U ) G G G G G G G G

/ ) G G ( U E

2

 Từ (1), (6) và (7) có dòng qua cơ cấu đo bằng:























cd

cd tđ

tđ

G / G /

G / ) G G ( U E G / G /

E E I

1 1

2 1

0 0 0

0

Khi G+=G- có:







cd

G / G /

E I

1

3 THẢO LUẬN, TRAO ĐỔI

Ø Các biểu thức (8) và (9) cho phép được tính

dòng 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 công

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

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 dòng 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 không đối xứng, dòng qua cơ cấu đo không 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 dòng điện rò có nguyên lý dùng dòng đo một chiều để kiểm tra điện trở cách điện

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Kim Ngọc Linh, 2018 Nghiên cứu xác định dòng điện rò trong mạng điện mỏ hầm lò 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)

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.

Ø 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 rò dùng dòng đo một chiều

hiện có trong các mỏ hầm lò không thể sử dụng vì

không đảm bảo điều kiện an toàn điện giật

Ø 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 dòng đo xoay chiều

khác tần số công nghiệp

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 không 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

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 công 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

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] Công 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 quá 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

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: donhuy.humg@gmail.com

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 không 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.

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

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 quá 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: Thông

gió, bơm nước, máy nén khí, vận tải, sàng tuyển

và còn 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 nhôm và có

gắn thêm nam châm vĩnh cửu, cấu trúc của động

cơ được đưa ra như trên hình H.3

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 không có tổn thất trên rotor động cơ Ngoài ra tổn thất trên stator của động cơ LSPMSM được giảm đáng kể do giảm được dòng 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 đông bộ với mômen cao, quán 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 công thức

(1) Trong đó: Pout - công 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 công 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:

Tc=∆C/S (3)

Từ cơ sở lý thuyết trên, so sánh hiệu quả kinh tế

thu được giả sử đối với quạt thông 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 thông số kỹ

thuật như trong Bảng 1

Bảng 1 Thông số của động cơ IM và động LSPMSM

1 Công suất (kW) 5,5kW 5,5kW

2 Điện áp (V) 380/660 380/660

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 công 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

thông gió cục bộ xác định theo công 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, còn 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 mô hình mô phỏng để đánh giá thông số kỹ thuật làm việc của hai loại động cơ được đưa ra trên hình H.4

H.4 Mô hình đánh giá động cơ LSPMSM với động cơ IM

Trên mô hình mô 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 dòng điện stator

H.6 Đặc tính tốc độ của động cơ

H.7 Đặc tính mômen của động cơ

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 công suất cosφ từ 0,9

trở lên so với động cơ IM thường có hệ số 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 dòng điện stator của

động cơ IM có giá trị lớn hơn dòng điện stator của

độngc cơ LSPMSM, cộng thêm với việc không có

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 mômen 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 không thường xuyên 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 Non-Oriented 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: TENCON-IEEE 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)

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.