THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Pđm = 500 kW

Thiết bị này được dùng phổ biến trong công nghiệp luyện kim, khí nén, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, quạt gió, máy bơm nước,… Động cơ điện đồng bộ ba pha là máy điện quay biến đổi điện năn

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN

NHÓM 7

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU: THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Anh

Nhóm sinh viên thực hiện:

Lớp : EE6023001

HÀ NỘI, 2022

MSV: 2019603561 MSV: 2019603597 MSV: 2019603342

Đào Duy Hưng Trần Ngọc Đông Nguyễn Anh Tú

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 4

1.1 Giới thiệu về máy điện đồng bộ 4

1.2 Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ 5

1.2.1 Stato (phần ứng) 5

1.2.2 Roto (phần cảm) 5

1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 7

CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 9

2.1 Yêu cầu thiết kế 9

2.2 Nhiệm vụ thiết kế 9

2.2.1 Tính toán các thông số cơ bản 9

2.2.2 Tính toán thông số Stato và Roto 10

2.2.3 khe hở không khí và cực từ roto 16

2.2.4 Tính toán mạch từ 18

2.2.5 Tính toán quá nhiệt 20

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN 21

3.1 Mô phỏng trên phần mềm Asys Maxwell 21

1 Giới thiệu về phần mềm Ansys Maxwell 21

2 Thiết lập thông số động cơ vào phần mềm 21

3 Kết quả mô phỏng 25

Tài liệu tham khảo 27

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Cấu tạo động cơ không đồng bộ 5

Hình 1 2: Roto cực lồi 6

Hình 1 3 Lõi thép và mặt cắt ngang roto của máy điện đồng bộ cực ẩn 6

Hình 1 4 Sơ đồ nguyên lý máy phát đồng bộ 3 pha 7

Hình 3 1 Hình ảnh động cơ trước khi mô phỏng 25

Hình 3 2 Dòng điện khởi động động cơ của 3 pha 25

Hình 3 3 Kết quả momen của động cơ 25

Hình 3 4 Tốc độ quay của động cơ 26

Hình 3 5 Giá trị điện áp trên dây quấn stato 26

LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay động cơ điện đồng bộ thường được sử dụng khi cần truyền động công suất lớn (Khoảng chục triệu W) với tốc độ ổn định, không biến đổi Thiết bị này được dùng phổ biến trong công nghiệp luyện kim, khí nén, khai thác mỏ, thiết

bị lạnh, quạt gió, máy bơm nước,…

Động cơ điện đồng bộ ba pha là máy điện quay biến đổi điện năng thành cơ năng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống hằng ngày của nhân dân Sở dĩ nó được sử dụng rông rãi là vì cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành lại rẻ… Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, của quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá, các sản phẩm công nghệ yêu cầu phải tinh xảo, chất lượng, đáp ứng được nhu cầu của người tiêu dùng Để làm được điều đó người kỹ sư thiết kế phải không ngừng nghiên cứu, tìm hiểu,nắm bắt

sự phát triển của xã hội để chế tạo ra những loại máy điện phù hợp với xu thế phát triển của thời đại

Trong học kỳ này nhóm em được giao đề tài thiết kế động cơ đồng bộ ba pha

do thầy giáo NGUYỄN VIỆT ANH hướng dẫn Vì là lần đầu tiên chưa có đầy đủ kinh nghiệm nên không thế tránh được thiếu sót trong thiết kế Vì vậy mong thầy

cô giáo sau khi duyệt đồ án có thể đóng góp ý kiến cho em để hoàn thiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu về máy điện đồng bộ

Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ n bằng tốc độ từ trường quay trong máy n1 Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay của roto n luôn không đổi

Máy phát điện đồng bộ có một dải công suất và tốc độ quay tương đối rộng Trong hệ thống điện, các máy phát điện trong nhà máy điện có công suất đơn chiếc đến 1200 MW đối với máy phát điện tuabin hơi và đến 560 MW đối với máy phát tuabin nước Trong sản xuất cùng sử dụng nhiều động cơ điện đồng bộ công suất lớn và thường là cực lồi

Những máy điện đồng bộ công suất nhỏ và vừa thường được chế tạo với điện

áp 380(400) V và 6000(6300) V Có khi đến 10000(10500) V, trong đó trị số trong ngoặc dùng cho máy phát Các tổ máy công suất nhỏ đến 100 kW thường được trang bị thiết bị tự kích và tự động điều chỉnh điện áp

Các máy điện đồng bộ thường chế tạo theo cấp bảo vệ IP11 hoặc IP23 tự thông gió hướng kính và thường là trục nằm ngang, cũng có khi chế tạo thành trục đứng

Máy điện đồng bộ cũng được thiết kế theo dãy cho tiện sản xuất và sử dụng

Tiêu chuẩn về máy điện đồng bộ, TCVN 244-85 quy định cấp công suất đến 110kW, còn tiêu chuẩn TCVN 316-85 quy định cấp công suất từ 110 đến 1000

kW

Khi thiết kế các máy điện đồng bộ thường cho biết các số liệu định mức sau:

1 Công suất định mức Pđm, đối với máy phát thường là kVA hay kW, đối với động cơ điện là kW

2 Điện áp dây định mức Uđm (V hay kV)

3 Hệ số công suất định mức cos𝜑đm Đối với máy phát điện thì dòng điện chậm sau, với động cơ là vượt trước

4 Số pha m Thường là loại ba pha

5 Cách đấu dây Thường là Y hay Yn

6 Tần số f Tần số công nghiệp nước ta là 50 Hz

7 Tốc độ quay n vòng/phút

8 Kết cấu của máy

1.2 Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ

Cấu tạo của máy điện đồng bộ gồm có 2 bộ phận chính là stato và roto

Hình 1 1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

1.2.1 Stato (phần ứng)

Stato của máy điện đồng bộ giống như stato của máy điện không đồng bộ, gồm hai bộ phận chính là lõi thép stato và dây quấn ba pha stato Dây quấn stato còn gọi là dây quấn phần ứng

1.2.2 Roto (phần cảm)

Roto của máy điện đồng bộ là nam châm điện gồm có lõi sắt và dây quấn kích thích Dòng điện đưa vào dây quấn kích thích là dòng điện một chiều Roto của máy điện đồng bộ có 2 kiểu là roto cực lồi và roto cực ẩn

❖ Roto cực lồi

Dạng mặt cực để khe hở không khí không đều, mục đích là làm cho từ cảm phân bố trong khe hở không khí hình sin để suất điện động cảm ứng ở dây quấn stato hình sin Loại roto này dùng ở các máy phát có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực như máy phát kéo bởi tuabin thủy điện

Hình 1 2 Roto cực lồi

❖ Roto cực ẩn

Khe hở không khí đều và roto chỉ có 2 cực hoặc 4 cực Loại roto cực ẩn được

dùng ở các máy có tốc độ cao như các máy kéo bởi tuabin nhiệt điện

Vì tốc độ cao nên để chống lực ly tâm, roto được chế tạo nguyên khối có

đường kính nhỏ

Hình 1 3 Lõi thép và mặt cắt ngang roto của máy điện đồng bộ cực ẩn

1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

Hình 1 4 Sơ đồ nguyên lý máy phát đồng bộ 3 pha

1.Động cơ sơ cấp

2 Dây quấn stato

3 Roto của máy phát đồng bộ

4 Dây quấn roto

5 Vành trượt

6 Chổi than tỳ lên vành trượt

7 Máy phát điện một chiều

Động cơ cấp 1 ( tuabin hơi) quay roto máy phát điện đồng bộ đến gần tốc độ định mức, máy phát điện một chiều 7 được thành lập điện áp và cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích thích 4 máy phát điện đồng bộ thông qua chổi than 5 và vành góp 6, roto 3 của máy phát điện đồng bộ trở thành nam châm điện

Do roto quay, từ trường roto quét qua dây quấn phần ứng stato và cảm ứng ra suất điện động xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là:

E =π 2.f.N.k θ.E (0.1) Trong đó: E0 là sđđ pha; N là số vòng dây của một pha; kdq là hệ số dây quấn;

𝜙0 từ thông cực từ roto

Nếu roto có số đôi cực từ là p, quay với tốc độ n thì sđđ cảm ứng trong dây quấn stato có tần số là:

F = (Hz)

60 hoặc n = 60.F

p (vòng/phút) (0.2) Khi dây quấn stato nối với tải, trong dây quấn sẽ có dòng điện ba pha chạy qua Hệ thống dòng điện này sẽ sinh ra từ trường quay, gọi là từ trường phần ứng,

CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Yêu cầu thiết kế

+ Thông số của máy điện không đồng bộ

- Pđm = 500 kW;

- Uđm = 600 V

- Đấu Y, tần số 50 Hz, tốc độ quay n = 500 vg/ph, cosφ=0,9 chậm sau,

η = 0,75

- Bội số mô men cực đại Mmax=2,2

- Chế độ làm việc liên tục, cấp bảo vệ IP11, trục nằm ngang

2.2 Nhiệm vụ thiết kế

1 Tính toán các thông số cơ bản

2 Tính toán thông số stato,rôto

3 Tính toán khe hở không khí và cực từ roto

4 Tính toán mạch từ

5 Tính toán quá nhiệt

2.2.1 Tính toán các thông số cơ bản

1 Xác định số đôi cực P

60f 60.50

p = = = 6

n 500 (2.1) Trong đó :

+ f : Tần số lưới điện đưa vào

+ n : Tốc độ quay đồng bộ của động cơ, theo yêu cầu n=500 vòng/phút

đm đm

S

η.Cosφ 0,75.0,9 (kVA) (2.3) Trong đó η lấy trong bảng 11.1 đm

4 Dòng điện pha định mức:

đm đm

3 pdm

2.2.2 Tính toán thông số Stato và Roto

Kích thước chủ yếu của động cơ đồng bộ gồm có đường kính D và chiều dài lõi sắt L Mục đích của việc chọn kích thước này là để chế tạo ra máy kinh tế hợp

lý nhất mà tính năng phù hợp với các tiêu chuẩn Tính kinh tế của máy không chỉ

là vật liệu sử dụng để chế tạo ra máy mà còn xét đến quá trình chế tạo trong nhà máy, như tính thông dụng của các khuôn dập ,vật đúc, các kích thước và chi tiết tiêu chuẩn hoá …

6 Đường kính trong Stato (D)

Theo đồ thị vecto hình 11-2 trang 320 với P’ = 785,5 kVA và p = 6, đường kính trong Stato D = 95 cm [1]

7 Đường kính ngoài lõi sắt (Dn)

D = = = 121,8÷126,7 (cm)

k 0,75÷0,78

Với: + D là đường kính trong

+ p là số cực

9 Sơ bộ chiều dài tính toán của Stato (l' ) δ

Theo hình 11-3 trang 322 [1], với bước cựcτ = 24,9cm và p = 6, ta được:

A = 470 A/cm và Bđm =0,93TLấy  =0,66; ks = 1,15; .ks =0, 76; kdl = 0,92 Trang 321 [1]

6,1.P'.10l' =

α k k A.B D n6,1.785,5.10

Trị số này nằm trong vùng kinh tế của hình 11-5 trang 322 sách TKMD [1]

11 Sơ bộ định chiều dài lõi sắt Stato theo công thức (11-3) trang 323 sách TKMĐ [1]

th g

l + l 36,9 + (4 ÷ 5)

l + b (4 ÷ 5) + 1 (2.11)

Lấy số rãnh thông gió ng = 7

13 Chiều dài của mỗi thếp lá thép (lth)

l g g th

Với: + lth chiều dài của mỗi thếp lá thép

+ ng số rãnh thông gió ngang trục

15 Chiều dài thực (l1) của của lõi sắt Stato theo (11-4) trang 322 [1]:

l = 1 + n b = 29,92 + 7.1 = 36,92 (cm) (2.14)

Với: + lchiều dài phần thép của lõi sắt Stato

+ bg chiều rộng rãnh Stato

+ ng số rãnh thông gió ngang trục

16 Chiều dài tính toán của lõi sắt Stato (l ) theo công thức (11-5) trang 322 δ[1]:

l = 1 - 0,5.(n b ) = 36,92 - 0,5.7.1 = 33,42 (cm) (2.15)

Với: + l1 chiều dài thực của lõi sắt Stato

+ ng số rãnh thông gió ngang trục

+ ng số rãnh thông gió ngang trục

17 Số mạch song song của dây quấn Stato (a)

Do I = 713 > 200 A nên lấy a = 4

18 Bước rãnh t1

Theo hình 11-7 trang 324 [1], với  =24,9cm thì bước rãnh tối thiểu và tối

đa như sau:

( )

1 1

+ A : Tải đường (Tải điện từ)

24 Chọn tiết diện dây dẫn(S1)

25 Chiều rộng rãnh 13 mm, chiều cao rãnh hr= 74 mm

26 Mật độ dòng điện trong dây dẫn Stato

+ l: Chiều dài lõi sắt rôto

28 Mật độ từ thông trong gông Stato

( )

δdm 1 z1

4200 2.(1,3 7, 4 0,5) 22.10

cd cd

+hn chiều cao nêm

30 Gradien nhiệt độ trên cách điện rãnh

31 Số vòng dây của 1 pha dây quấn Stato theo công thức 11-11

2.2.3 khe hở không khí và cực từ roto

Để đạt được bội số momen cực đại =2,2, thì theo hình 11-9 ta có Xj*=1,3

1 Sơ bộ xác định khe hở không khí theo(11-19)

8 Chiều cao thân cực từ theo công thức 11-27 trang

13 Số thanh cản trên mặt cực từ lấy Qc=6 (vặt liệu bằng đồng)

14 Tiết diện thanh dây quấn cản theo công thức 11-54

( ) 2 c

−

Theo hình 4-Sa với  m / =1,5; m =0, 7 và 0, 28

0, 011224,9



ks = 1,152;  =0,66

2 Chiều dài tính toán chính xác của lõi sắt stato theo (4-13)

δ l g g

l = l - n b + 2δ' = 37 - 0,437.7 + 2.0,337 = 37,3 (cm) (2.47)

Với b = γ.δ = 1,56.0,28 = 0,437 g

Với: + ' chiều dài khe hở không khí

+ 'b Chiều rộng rãnh thông gió đã quy đổi g

9 Mật độ từ thông ở răng Stato theo công thức (4-22)

4 4 1

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN

3.1 Mô phỏng trên phần mềm Asys Maxwell

1 Giới thiệu về phần mềm Ansys Maxwell

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phần mềm liên quan đến động cơ nói chung và quá trình điện từ trường hay nhiệt động học nói riêng trong động cơ như các phần mềm đa phương KIVA, phần mềm nhiệt động học quá trình công tác PROMO, đặc biệt phần mềm Maxwell mô phỏng trường điện từ hàng đầu cho các

kỹ sư thiết kế trên 3-D và 2-D gồm động cơ, cơ cấu truyền động, máy biến áp, cảm biến và cuộn dây

Ansys Maxwell sử dụng phương pháp chính xác phần tử hữu hạn FEM để giải các phương trình vi tích phân của hệ phương trình Maxwell viết cho trường điện từ Từ đó, biết được phân bố trường điện từ trong máy điện, tính toán được các tham số của máy điện

Khác với phương pháp thiết kế truyền thống, sử dụng các công thức giải tích,

hệ số kinh nghiệm, bảng tính… khi ứng dụng FEM, cần phải xây dựng mô hình hình học cho máy điện, khai báo thông số vật liệu, đặt ra các giả thiết về điều kiện biên, và sử dụng máy tính số để giải các bài toán với khối lượng tính toán lớn

2 Thiết lập thông số động cơ vào phần mềm

Bước 1: Khởi động phần mềm

Bước 2: Chọn biểu tượng để chọn loại máy điện cần mô phỏng

Bước 3: Thiết lập các thông số chung của máy chọn

Bước 4: Thiết lập các thông số stato chọn ; ;

Bước 5: Thiết lập các thông số rôto chọn ; ;

Bước 6: Thiết lập analysis

- Chọn add selution setup

Bước 7: Chọn Create Maxwell Design để bắt đầu chạy bài toán

Hình 3 1 Hình ảnh động cơ trước khi mô phỏng

3 Kết quả mô phỏng

Hình 3 2 Dòng điện khởi động động cơ của 3 pha

➔ Ta thấy dòng điện đạt giá trị ổn định sau khi khởi động động cơ

Hình 3 3 Kết quả momen của động cơ

➔ Ta thấy khi khởi động momen động cơ momen tiến dần đến 2

kNewtonMeter

Hình 3 4 Tốc độ quay của động cơ

➔ Ta thấy tốc độ quay ổn định ở 500 vòng/phút

Hình 3 5 Giá trị điện áp trên dây quấn stato

− Giá trị điện áp biên độ đo được là 480 V

− Điện áp biên độ đầu bài là: 600 2 489,9

3 = ≈ 480 V

− Giá trị điện áp mô phỏng gần bằng thực tế

Tài liệu tham khảo

[1] Trần Khánh Hà – Nguyễn Hồng Thanh, Thiết kế máy điện, Hà Nội: Nhà Xuất bản Hà Nội, 2006