[Đồ Án Điện Tử] Thiết Kế Máy Phát 3 Pha - Bộ Ổn Dòng phần 2 pot

III.6 Tổn hao và hiệu suất của máy điện đồng bộ Khi làm việc trong máy có các tổn hao đồng, tổn hao sắt, tổn hao kích từ, tổn hao phụ và tổn hao cơ.. Tổn hao đồng là công suất mất mát t

Hình 1.10 Đồ thị véc tơ sức điện động của máy phát điện đồng bộ ở tải thuần cảm

Để có được đặc tính đó phải điều chỉnh rt và Z ( khi đó phải có cuộn cảm có thể điều chỉnh được ) sao cho I = Iđm Dạng của đặc tính tải thuần cảm như đường

3 trên hình 1.9 và đồ thị véc tơ tương ứng với chế độ làm việc đó khi bỏ qua trị số rất nhỏ của rư như hình 1.10

III.6 Tổn hao và hiệu suất của máy điện đồng bộ

Khi làm việc trong máy có các tổn hao đồng, tổn hao sắt, tổn hao kích từ, tổn hao phụ và tổn hao cơ

Tổn hao đồng là công suất mất mát trên dây quấn phần tĩnh với giả thiết là mật độ dòng điện phân bố đều trên tiết diện của dây dẫn Tổn hao này phụ thuộc vào trị số mật độ dòng điện, trọng lượng đồng và thường được tính ở nhiệt độ

75oC

Tổn hao sắt là công suất mất mát trên mạch từ ( gông và răng ) do từ trường biến đổi hình sin( ứng với tần số f1) Tổn hao này phụ thuộc trị số tần số, trọng lượng lõi thép, chất lượng của tôn silic, trình độ công nghệ chế tạo lõi thép

Tổn hao kích từ là công suất tổn hao trên điện trở của dây quấn kích thích và của các chổi than

Tổn hao phụ bao gồm các phần sau :

a Tổn hao phụ do dòng điện xoáy ở thanh dẫn của các dây quấn Stator và các bộ phận khác của máy dưới tác dụng của từ trường tản do dòng điện phần ứng sinh ra

b Tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề mặt của lõi thép Rôtor , máy cực ẩn do Stator ( có rãnh và như vậy từ cảm khe hở có sóng điều hoà răng )

c Tổn hao ở răng của Stator do sự đập mạch ngang và dọc do từ thông chính và do các sóng điều hoà bậc cao với tần số khác f1

Tổn hao cơ bao gồm :

1.Tổn hao công suất cần thiết để đưa không khí hoặc các chất làm lạnh khác vào các bộ phận của máy

2 Tổn hao công suất do ma sát ở ổ trục và ở bề mặt Rôtor và Stator khi Rôtor quay trong môi chất làm lạnh ( không khí, …)

Ở các máy điện đồng bộ công suất và tốc độ quay khác nhau tỷ lệ phân phối các tổn hao nói trên không giống nhau Trong các máy phát điện đồng bộ bốn cực công suất trung bình, tổn hao đồng trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn kích từ chiếm tới khoảng 65% tổng tổn hao Trong khi tổn hao trong lõi thép Stator ( kể

cả tổn hao chính và tổn hao phụ ) chỉ chiếm khoảng 14% Trong máy phát điện

tuabin nước công suất lớn, tốc độ chậm thì tổn hao trong dây quấn phần tĩnh và trong dây quấn kích từ chiến khoảng 35%, còn tổn hao trong lõi thép Stator thì chiếm tới 37% Đối với máy phát tuabin nước tổn hao phui có thể chiếm tới 11%, đối với máy phát tuabin hơi chủ yếu là tổn hao bề mặt và tổn hao đập mạch vào khoảng 18%

Hiệu suất của các máy điện đồng bộ được xác định theo biểu thức :

2

P

Trong đó P2 – công suất đầu của máy

Σp – tổng tổn hao trong máy

Hiệu suất của các máy phát điện làm lạnh bằng không khí công suất 0,5÷3000kW vào khoảng 92÷95%, công suất 3,5÷100000kW vào khoảng 95

÷ 97,8% Nếu làm lạnh bằng Hyđrôgen thì hiệu suất cũng có thể tăng khoảng 0,8%

PHẦN II

THIẾT KẾ TÍNH TOÁN ĐIỆN TỪ

VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU

CHƯƠNG I TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

Những kích thước chủ yếu của máy điện đồng bộ là đường kính trong Stator

D và chiều dài lõi sắt l Mục đích của việc chọn kích thước chủ yếu này là để chế tạo ra máy kinh tế hợp lý nhất mà tính năng phù hợp với các tiêu chuẩn của nhà nước Kích thước D, l và tỷ lệ giữa chúng quyết định trọng lượng, giá thành, các đặc tính kinh tế kỹ thuật và độä tin cậy lúc làm việc của máy Vì vậy giai đoạn

này là giai đoạn rất cơ bản của công việc thiết kế máy điện Mặt khác kích thước

D và l phụ thuộc vào công suất P, tốc độ quay n, tải điện từ A, Bδ của vật liệu tác dụng của máy Việc chọn A và Bδ ảnh hưởng rất nhiều đến kích thước chủ yếu D

và l Về mặt tiết kiệm nhiên liệu thì nên chọn A và Bδ lớn, nhưng nếu A và Bδ quá lớn thì tổn hao đồng và sắt cũng tăng lên, làm máy quá nóng, ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng máy Do đó khi chọn A và Bδ cần xét đến chất lượng vật liệu sử dụng Nếu dùng vật liệâu sắt từ tốt có thể chọn Bδ lớn Dùng dây đồng có cấp cách điện cao thì có thể chọn A lớn Ngoài ra tỷ số giữa A và Bδ cũng ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của máy phát điện vì A đặc trưng cho mạch điện còn Bδ đặc trưng cho mạch từ

Các thông số ban đầu :

Công suất định mức máy phát : Pđm = 12kVA

Điện áp định mức : Uđm = 400V

Tốc độ định mức : n = 1500vg/ph

Hệ số công suất : cosϕ = 0,8

Tính toán các thông số cơ bản :

1 Điện áp pha của máy phát :

dm

U

2 Công suất điện từ tính toán P’:

P' =K P E. dm = 1,08.12 12,96( = kVA)

Trong đó KE là hệ số thể hiện mối quan hệ giữa sức điện động khe hở và điện áp máy phát Hệ số KE được tính như sau :

0,8 (0,6 0,125) 1,08

Với sinϕ = 1 cos − ϕdm2 = 1 0,8 − 2 = 0,6

Và thường đối với máy phát thì xσ∗ = 0,06 ÷ 0,15 ta chọn xσ∗ = 0,125

3 Dòng điện pha định mức :

12000 17,321 ( )

dm dm

dm

P

U

4 Số đôi cực :

1500

f p n

5 Đường kính trong của Stator :

Theo hình 11.2 [1] với P’ = 12,96 (kVA) và số đôi cực p = 2, đường kính trong Stator bằng :

D = 22,3 (cm)

6 Đường kính ngoài lõi sắt Stator :

0, 68

n D

D

K

Trong đó KD được xác định theo số đôi cực KD = 0,66 ÷ 0,7 với 2p = 4

Ta chọn KD = 0,68

Theo bảng 11.2 [1] ta chọn đường kính ngoài Dn = 32,7 (cm) Chiều cao tâm trục h = 20 (cm)

7 Bước cực :

D

cm p

8 Sơ bộ chiều dài tính toán của Stator :

' 7 '

2 7 2

6,1 .10

6,1.12,96.10

13,54 ( ) 0,66.1,15.0,92.162.0,7.22,3 1500

P l

k k A B D n

cm

δ

α

Trong đó :

P’- công suất tính toán (kVA)

kdl - hệ số dây quấn Với máy có P = 12kVA và 2p = 4 thì hệ

số dây quấn nằm trong khoảng 0,91 ÷ 0,92 Do đó chọn kdl = 0,92

αδ - hệ số cung cực từ Chọn αδ = 0,66

ks - hệ số dạng sóng Chọn ks = 1,15

αδ.ks - tích số αδ.ks = 0,75

A - tải đường Theo hình 11.4 [1] với bước cực τ

= 17,514(cm) ta có A = 162 (A/cm)

Bδ - tải điện từ Theo hình 11.4 [1] với bước cực τ

= 17,514(cm) ta có Bδ = 0,7 (T)

D - đường kính trong Stator (cm)

n - tốc độ dịnh mức (vg/ph)

9 So sánh tính kinh tế :

17,514

lδ

λ τ

Ta nhận thấy hệ số λ nằm trong vùng kinh tế của hình 11.5 [1].Nên phương án trên là hợp lý

CHƯƠNG II

TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC STATOR,

DÂY QUẤN STATOR

VÀ KHE HỞ KHÔNG KHÍ

10 Sơ bộ định chiều dài lõi sắt Stator :

1 13,5 ( )

l = =lδ cm

11 Với máy có công suất P = 12kVA và có chiều dài lõi sắt l = 13,5cm thì ta chọn loại thép cán nguội 2211, với chiều dài ngắn lõi sắt có thể ép thành một khối, không cần rãnh thông gió

12.Số mạch nhánh song song của dây quấn Stator :

Do dòng điện pha tính ra I = 17,321A < 50A cho nên lấy a = 1 nhánh 13.Số rãnh mỗi pha dưới mỗi cực :

Với 2p < 8 thì chọn q là số nguyên trong khoảng q = 3÷ 5, trong đó trị số lớn dùng cho máy có số đôi cực ít Do đó chọn q = 3 rãnh

14.Số rãnh Stator Z1 :

Z1 = 2 .m p q= 2.3.2.3 36 = (rãnh)

15 Bước rãnh t1 :

1

.22,3

1,95 ( ) 36

D

Z

16 Số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh Stator :

1 1

1

1,95.1.162

18, 2 17,321

r dm

t a A u

I

Chọn số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh u r1= 18 (rãnh)

17 Với điện áp U = 400V, chiều cao tâm trục h = 20cm ta chọn dây quấn hai lớp phần tử mềm đặt vào rãnh nửa kín

18 Số vòng dây của một pha :

1 1

2.3.18

108 1

r

p q u W

a

Tính lại tải đường A :

160, 21 ( / )

2 2.2.17,514

dm tt

mW I

pτ

Sai số : ΔA = .100 160, 21 162.100 1,12 (%)

160, 21

tt tt

A

Ta nhận thấy trị số tải đường có giá trị sai số nằm trong phạm vi cho phép

ΔA =1,12% <10% Do đó kết quả này chấp nhận được

19 Chọn tích số AJ1 :

Để dễ dàng làm mát nên chọn kiểu bảo vệ của máy là IP23 Theo hình 10-4d [1] với đường kính Dn = 32,7cm và cách điện cấp B nên tra được : AJ1 khá lớn Tuy nhiên với máy có P = 12kVA có thể dùng dây dẫn tiết diện tròn

và mật độ dòng điện khi cách điện cấp B có thể đến J1 = (6,9 ÷ 7,5)A/mm2 đối với máy 2p = 4 Do đó sơ bộ ta chọn tích số AJ1 = 1279(A2/cm.mm2)

Mật độ dòng điện là :

1

1279

7,983 ( / )

160, 21

tt

AJ

A

20 Tiết diện dây sơ bộ :

1 1 1

17,321

0, 723 ( ) 1.3.7,983

I

a n J

Trong đó : a1 : số mạch nhánh song song Theo ở trên thì a1 = 1 nhánh

n1 : số sợi chập Ở đây chọn số sợi chập n1 =3 sợi

Dựa vào phụ lục VI.1 [1] ta chọn tiết diện dây dẫn chuẩn không kể cách điện :

s = 0,849 (mm2)

Đường kính dây không kể cách điện :

dkcđ = 1,04(mm)

Đường kính dây kể cả cách điện :

dcđ = 1,12(mm)

Tính lại mật độ dòng điện J1 :

2

1

1 1

17,321

6,801 ( / ) 1.3.0,849

I

a n s

21 Kiểu dây quấn : Chọn dây quấn hai lớp bước ngắn với y < τ1 bước dây quấn y = 8

2 2.2

Z p

22 Hệ số bước ngắn :

1

8 sin sin sin 0,985

y

y

τ

23 Hệ số bước rải :

20 sin sin 3.

20 sin 3.sin

r

q k

q

α α

36

o

p Z

24 Hệ số dây quấn :

kdl = k ky. r = 0,985.0,960 0,946 =

25 Từ thông khe hở không khí :

1

1, 08.230,94

0, 0106 ( )

4 4.1,15.0,946.50.108

E

K U

Wb

k k f w

26 Mật độ từ thông khe hở không khí :

0,65.17,514.13,5

δ δ

α τ

Φ

l Trong đó : Hệ số cung cực từ αδ = 0,65 Bước cực τ = 17,514(cm) Chiều dài phần ứng lδ = 13,5 (cm)

ùi 2 tô

27 Sơ bộ định chiều rộng của răng :

1 1

1

1 1

0, 690.13,5.1,95

1,8.13,5.0,95

z

B l t

B l k

δ

Chọn b’Z1 = 0,98cm

Ở đây lấy mật độ từ thông trên răng Bz1 = 1,8T theo bảng 10.5b [1] và

hệ số ép chặt lõi sắt kc = 0,95 theo bảng 2.2

28 Sơ bộ chiều cao gông Stator :

1 1

.10 0,0106.10

2 2.1,55.13,5.0,95

g

B l k

Φ

Chọn chiều cao gông Stator : h’g1 = 3cm

Ở đây lấy mật độ từ thông trên gông Bg1 = 1,55T theo bảng 10.5a [1]

29 Chọn dạng rãnh Stator :

Chọn rãnh Stator có dạng hình quả lê, nửa kín Nó có kích thước và cách điện như sau :

Chọn chiều cao miệng rãnh : h41 = 0,5mm

Bề rộng miệng rãnh : b41 = dcđ + 1,5 = 1,08 +1,5 = 2,6mm

Chiều dầy cách điện rãnh : c = 0,4mm

Chiều dầy cách điện của nêm : c’ = 2,0mm

Hình 2.1 Kích thước rãnh Stator

30 Đường kính d2 của rãnh :

41 1 2

.( 2 ) ' (22,3 2.0, 05) 0,98.36

1,10 ( ) 36

z

d

Z

cm

π

π π

π

−

−

Trong đó : Chiều cao miệng rãnh h41 = 0,5mm = 0,05cm

31 Đường kính d1 của rãnh :

1 ( 2 ' ) '

.(32,7 2.3) 0,98.36

1, 20 ( ) 36

d

Z

cm

π

π π

π

+

+

32 Chiều cao rãnh :

1

2 ' 32,7 22,3 2.3

2, 2 ( )

33 Chiều cao phần thẳng của rãnh :

12 1

2 1, 20 1,10 2.0, 05

r

34 Diện tích rãnh :

2 2

12

.(1, 20 1,10 ) 1, 20 1,10 1,10

.(1 ) 1,558 ( ) 155,8 ( )

r

π π

35 Diện tích cách điện rãnh :

Hình 2.2 Cách điện rãnh Stator

1 - tấm cách điện phía trong có chiều dày là 0,4mm (hai lớp polyeste 0,2mm)

2 - tấm cách điện giữa hai lớp có chiều dày là 0,4mm ( hai lớp polyeste 0,2mm)

3 - tấm cách điện phiá đáy tròn nhỏ có chiều dày là 0,2mm

12 1 2

2.1 (1, 20 1,10) 0, 04 0, 2 0,593 ( ) 59,3 ( )

cd

36 Diện tích có ích của rãnh :

S r =S'r−S cd = 155,8 59,3 96,5 ( − = mm2 )

37 Hệ số lấp dầy rãnh :

1 1 2 18.3.1,122

0,702 96,5

ld

r

u n d k

s

Ta nhận thấy hệ số lấp đầy nằm trong phạm vi cho phép là 0,7 ÷ 0,75 Do đó các kích thước rãnh chọn như trên là hợp lý

37 Bề rộng răng Stator :

41 2

"

.(22,3 2.0, 05 1,10)

1,10 0,95 ( ) 36

z

Z

cm

π π

41 12

"' 22,3 2.(0,05 1)

1, 20 0,93 ( ) 36

z

Z

cm

π π

1

" "' 0,95 0,93

0,94 ( )

z

b b

38 Chiều cao gông Stator :