Ngoài ra máy phát điện còn được kéo các động cơ khác như động cơ Điêzel, động cơ xy lanh hơi nước, động cơ chạy bằng nhiên liệu Hyđro…được chế tạo với công suất vừa và nhỏ nhằm dùng cho
Trang 1BÁO CÁO TỐT NGHIỆP
Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định
Trang 2PHẦN I GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU
Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện Điện năng ba pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống sinh hoạt được sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi hoặc khí hoặc nước Ngoài ra máy phát điện còn được kéo các động cơ khác như động cơ Điêzel, động
cơ xy lanh hơi nước, động cơ chạy bằng nhiên liệu Hyđro…được chế tạo với công suất vừa và nhỏ nhằm dùng cho các tải địa phương, dùng làm máy phát dự phòng Ngoài ra các động cơ đồng bộ công suất nhỏ( đặc biệt là các động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu ) cũng được dùng rất rộng rãi trong các trang bị
tự động và điều khiển
I ĐỊNH NGHĨA VÀ CÔNG DỤNG
I.1 Định nghĩa
Những máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay Rôtor n bằng tốc độ quay của từ trường n1 gọi là máy điện đồng bộ, có tốc độ quay Rôtor luôn không đổi khi tải thay đổi
I.2 Công dụng
Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện rất quan trọng của các lưới điện công nghiệp Trong đó các động cơ sơ cấp là các tuabin hơi nước hoặc tuabin nước Công suất đơn chiếc mỗi máy có thể đạt đến 1200MW đối với máy phát tuabin hơi và đến 560MW đối với máy phát tuabin nước Các lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện được kéo bởi động cơ Điêzel hoặc các tuabin khí, chúng có thể làm việc riêng lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song với nhau Các máy phát điện đồng bộ hầu hết được đặt ở các trạm phát điện xoay chiều, chúng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực : trong cuộc sống, công nghiệp, giao thông vận tải, các nguồn điện dự phòng, điện năng trên các phương tiện di động…
II ĐẶC ĐIỂM VÀ CẤU TẠO
II 1 Đặc điểm
Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nước, vì vậy chúng được gọi là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nước Đối với máy phát điện tuabin hơi, do đặc trưng là tốc độ cao tới vài nghìn vòng/phút nên
Trang 3máy phát điện thường có kết cấu Rôtor cực ẩn với đường kính nhỏ để giảm thiểu lực ly tâm Và ngược lại, đối với máy phát điện tuabin nước, tốc độ thấp nên thường có Rôtor cực lồi, đường kính có thể lên tới 1,5m tùy theo công suất của máy
Máy phát điện ba pha thường gặp nhất là máy phát điện mà dòng điện một chiều được đưa vào cuộn dây kích từ thông qua hệ thống vành trượt Cực từ của máy phát điện ba pha được kích thích bằng dòng điện một chiều và được đặt ở phần quay, còn dây quấn phần ứng với ba pha được đặt ở phần tĩnh và nối ra tải Cũng có thể đặt cực từ ở phần tĩnh và dây quấn phần ứng ở phần quay giống trong máy điện một chiều, máy điện đồng bộ công suất nhỏ, vì sự trao đổi vị trí đó không làm thay đổi nguyên lý làm việc cơ bản của máy Nguyên lý làm việc của máy điện nói chung và máy phát điện đồng bộ nói riêng đều dựa trên định luật cảm ứng điện từ Nguyên lý làm việc cơ bản như sau :
Stator của máy phát điện đồng bộ đồng bộ có dây quấn ba pha được đặt cách nhau một góc 1200 trong không gian, được gọi là phần ứng, cảm ứng ra các sức điện động cung cấp ra tải ( hình 1.1 ) Còn Rôtor của máy phát điện, với cấu tạo dây quấn cực từ ( cực lồi với đối với máy phát có tuabin tốc độ thấp như các máy phát tuabin nước, các máy phát công suất nhỏ và cực ẩn với tuabin có tốc độ cao như máy phát Điêzel, tuabin hơi và khí ) làm nhiệm vụ tạo ra từ trường phần cảm
Khi Rôtor quay với tốc độ n thì từ trường cực từ sẽ quét và cảm ứng lên các dây quấn phần ứng các sức điện động xoay chiều hình sin lần lượt lệch pha nhau
1200 theo chu kỳ thời gian, có trị số hiệu dụng là :
EO=4,44.f.Wl.Kdq.Φ0 Trong đó : E0 là sức điện động pha W1 số vòng dây pha
f tần số của máy phát Φ0 từ thông cực từ Rôtor
Kdq hệ số dây quấn
Với tần số :
.
60
p n
f = (1.1) Với p là số đôi cực của máy
N A
B C
Hình 1.1 cấu tạo của Stator.
Trang 4Khi máy phát điện đồng bộ làm việc khép kín mạch với tải, có dòng điện ba pha chạy trong ba dây quấn lệâch nhau góc 1200 về thời gian sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 :
1
60 f
n p
= (1.2)
So sánh (1.1) và (1.2) ta thấy n = n1 , có nghiã là tốc độ quay của Rôtor bằng tôc độ của từ trường quay Vì vậy ta có máy phát điện đồng bộ
II.2 Cấu tạo
II.2.1 Máy cực ẩn
Rôtor được làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, trên đó người ta gia công phay để tạo rãnh đặt dây quấn kích từ Phần không phay rãnh hình thành mặt cực từ
Các máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2 , như vậy tốc độ quay của Rôtor là 3000 vòng/phút Để hạn chế lực ly tâm trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép Rôtor, đường kính D của Rôtor không quá 1,1 đến 1,5mét Tăng công suất của máy bằng cách tăng chiều dài l của lõi thép Chiều dài tối đa của Rôtor vào khoảng 6,5mét
Dây quấn kích từ đặt trên cực từ Rôtor được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây Các vòng dây của lớp dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng Dây quấn kích từ nằm trong rãnh được cố định và ép chặt bằng các thanh nêm phi từ tính đưa vào miệng rãnh Phần đầu nối ở ngoài được đai chặt bằng các ống trụ thép phi từ tính nhằm bảo vệ chống lại lực điện động do dòng điện gây ra Hai đầu của dây quấn kích từ
đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục thông qua hai chổi điện, nối với dòng kích từ một chiều
Dòng điện kích từ một chiều thường được cung cấp bởi một máy phát một chiều, hoặc xoay chiều được chỉnh lưu ( có hoặc không có vành trượt ), nối chung trục với máy phát điện
Stator của máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn bao gồm lõi thép, trong đó
có đặt dây quấn ba pha, ngoài là thân và vỏ máy Lõi thép Stator được ghép và ép bằng các tấm tôn silic có phủ cách điện Các đường thông gió làm mát cho máy được chế tạo cố định trong thân máy để đảm bảo độ bền cách điện của dây quấn
và máy
II.2.2 Máy cực lồi
Các máy phát điện có tốc độ quay thấp thường được chế tạo dạng cực lồi, nên khác với máy cực ẩn, đường kính D của Rôtor có thể lên đến 15met trong khi
chiều dài lại nhỏ với tỷ lệ l/D = 0,15 – 0,2 Rôtor của máy phát điện đồng bộ cực
lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối hình trụ trên mặt có đặt cực từ Ở các máy lớn, lõi thép đó được
Trang 5chế tạo từ các tấm thép dày từ 1 đến 6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục của máy mà được đặt trên giá đỡ của Rôtor, giá này được lồng vào trục máy
Hình 1.2 Cực từ của máy phát đồng bộ cực lồi
Cực từ đặt trên lõi thép Rôtor được ghép bằng những lá thép dày
1 – 1,5mm chế tạo đuôi có hình T hoặc bằng các bulông bắt xuyên qua mặt cực
và vít chặt vào lõi thép Rôtor
Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc amiăng Sau khi hoàn thiện gia công, các cuộn dây được lồng vào thân các cực từ
Dây quấn cản của máy phát điện đồng bộ được đặt ở trên các đầu cực có cấu tạo như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và hai dầu nối với hai vành ngắn mạch Stator của máy phát điện đồng bộ cực lồi giống của máy phát điện đồng bộ cực ẩn Để đảm bảo vận hành ổn định, ngoài các yêu cầu chặt chẽ đối với kết cấu
về điện các kết cấu về cơ học và hệ thống làm mát cũng được thiết kế chế tạo phù hợp và tương thích với từng loại máy phát điện, đáp ứng được môi trường và chế
độ làm việc Máy phát điện đồng bộ làm mát bằng gió công suất nhỏ, có các khoang thông gió và làm mát được thiết kế chế tạo nằm giữa vỏ máy và lõi thép Stator Đầu trục của máy được gắn một cánh quạt gió để khi quay không khí được thổi qua các khoang thông gió này Bên ngoài vỏ máy cũng được chế tạo với các sống gân hoặc cánh toả nhiệt nhằm làm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cho máy Phổ biến nhất là các máy phát điện đồng bộ được làm mát bằng nước hoặc bằng khí và được áp dụng cho các máy có công suất từ vài chục kW trở lên Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và cần di động thì thường dùng
Trang 6Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 1998 [3] Máy điện II - Vũ Gia Hanh - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ
Nguyễn Văn Sáu
Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2001 [4] Máy điện II - Trần Khánh Hà
Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 1997 [5] Công nghệ chế tạo máy điện và máy biến áp - Nguyễn Đức Sỹ Nhà xuất bản giáo dục 1995
[6] Điện tử công suất - Lê Văn Doanh - Nguyễn Thế Công
Trần Văn Thịnh
Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2004 [7] Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất - Trần Văn Thịnh - 2004 [8] Khí cụ điện - Phạm Văn Chới - Bùi Tín Hữu - Nguyễn Tiến Tôn
Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2004 [9] 1000 Tranzitor quốc tế - Nguyễn Thế Cường
Viện khoa học Việt Nam _Hà Nội 1987
[10] Thiết kế cấp điện - Ngô Hồng Quang - Vũ Văn Tẩm
Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội 2005
[11] Electric measuring instrument company (EMIC)
MỤC LỤC
Phần I : Giới thiệu về máy phát điện xoay chiều 3
Trang 7III.3 Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp máy phát 12
Phần II : Thiết kế tính toán điện từ và thiết kế kết cấu 17
Chương II Tính toán kích thước Stator, dây quấn Stator
Chương V Tham số của dây quấn Stator ở chế độ định mức 37 Chương VI Tính toán dây quấn kích từ và tham số mạch kích từ 42
Chương VII Tính khối lượng, tính tổn hao và tính toán nhiệt 49
Chương III Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Trang 8III.6.2 Tính chọn khâu phản hồi dòng và phản hồi áp 112
