thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát

Với công suất 12kVA không phảilà quá lớn nó sẽ rất phù hợp làm nguồn dự phòng cho các hộ dân cần sử dụngđiện một cách liên tục để sản xuất kinh doanh, hoặc cũng có thể sử dụng chocác khu

LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong xã hội ta Ở bất kỳquốc gia nào, năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng luôn luônđược coi là nghành công nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát trểncủa nền kinh tế Việc sản xuất và sử dụng điện năng một cách hiệu quả luônđược coi trọng một cách đặc biệt Ý nghĩa quan trọng và cũng là mục tiêu caocả nhất của nghành công nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao đời sống củamỗi người dân

Xã hội không nghừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừngđược nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy điện mới Tốc độ pháttriển của nền sản xuất công nông nghiệp của một nước đòi hỏi sự phát triểntương ứng của nghành công nghiệp điện lực Do đó yêu cầu nghành chế tạomáy điện có những yêu cầu cao hơn

Máy phát điện đồng bộ đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống điện,nơi mà tính ổn định luôn được đòi hỏi cao Ổn định được điện áp đầu cực máyphát là nhờ vào các bộ ổn định điện áp máy phát Bộ điều khiển ổn định điệnáp máy phát bằng điều khiển dòng hoặc áp kích từ đi vào máy phát đã có mộtlịch sử phát triển Vào những năm 1920, khi con người nhận thấy vai trò quantrọng của việc ổn định quá trình quá độ của hệ thống thông qua các bộ điềukhiển đáp ứng nhanh, các thiết kế cho hệ thống kích từ và hệ thống điều khiểnđiện áp đã phát triển và cải tiến công nghệ không nghừng Cùng với sự pháttriển của công nghệ kích từ có vành trượt đến không vành trượt, từ thao tácbằng tay đến tự động hóa hoàn toàn là sự phát triển của các thiết bị điện tửcông suất như Thyristor, các loại Tranzitor, Triac…Bên cạnh đó cũng hìnhthành các bộ ổn định điện áp

Với yêu cầu của đồ án “ Thiết kế máy phát điện ba pha công suất 12kVAvà hệ thống ổn định điện áp cho máy phát ” với các số liệu U =400V, f = 50Hz, n = 1500vg/ph, Cos = 0,8 Với công suất 12kVA không phảilà quá lớn nó sẽ rất phù hợp làm nguồn dự phòng cho các hộ dân cần sử dụngđiện một cách liên tục để sản xuất kinh doanh, hoặc cũng có thể sử dụng chocác khu chung cư nhỏ, siêu thị nhỏ … Những máy phát cấp công suất này hầunhư chỉ phục vụ cho những nhu cầu về điện một cách riêng lẻ mà không thựcsự đóng vai trò ổn định trong hệ thống điện lớn Nhưng em cho rằng việc thiếtkế một máy điện nhỏ và mang tính thiết thực này rất quan trọng Nó không chỉđơn thuần cho mục đích sử dụng nhỏ mà còn phục vụ cho công tác nghiên cứu

những máy điện cỡ lớn ở hiện tại và tương lai Nội dung đồ án thiết kế baogồm ba phần, mười một chương :

Phần I : Giới thiệu về máy phát điện xoay chiều

Phần II : Thiết kế điện từ và thiết kế kết cấu máy phát điện

 Chương I : Tính toán và xác định kích thước cơ bản của máy điện

 Chương II : Tính toán dây quấn, rãnh stator và khe hở không khí

 Chương III : Tính toán cực từ Rôtor

 Chương IV : Tính toán mạch từ

 Chương V : Tính toán tham số của máy phát điện ở chế độ định mức

 Chương VI : Tính toán dây quấn và thông số mạchï kích từ

 Chương VII : Tính trọng lượng vật liệu, tính tổn hao, tính toán nhiệt

 Chương VIII : Tính toán kết cấu

Phần III : Thiết kế sơ đồ và tính toán mạch ổn định điên áp máy phát

 Chương I : Khái quát hệ kích từ máy điện đồng bộ

 Chương II : Tính chọn thiết bị mạch động lực

 Chương III : Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ổn định điệnáp

PHẦN I GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Phạm vi sửdụng 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 sốngsinh hoạt được sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi hoặc khíhoặc 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 suấtnhỏ( đặc biệt là các động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu ) cũngđược 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 độquay của từ trường n1 gọi là máy điện đồng bộ, có tốc độ quay Rôtor luônkhông đổi khi tải thay đổi

I.2 Công dụng

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện rất quan trọng của các lưới điệncông nghiệp Trong đó các động cơ sơ cấp là các tuabin hơi nước hoặc tuabinnước Công suất đơn chiếc mỗi máy có thể đạt đến 1200MW đối với máy pháttuabin hơi và đến 560MW đối với máy phát tuabin nước Các lưới điện côngsuất 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, côngnghiệp, giao thông vận tải, các nguồn điện dự phòng, điện năng trên cácphương 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 Đốivới máy phát điện tuabin hơi, do đặc trưng là tốc độ cao tới vài nghìnvòng/phút nên máy phát điện thường có kết cấu Rôtor cực ẩn với đường kínhnhỏ để giảm thiểu lực ly tâm Và ngược lại, đối với máy phát điện tuabinnước, tốc độ thấp nên thường có Rôtor cực lồi, đường kính có thể lên tới 1,5mtùy theo công suất của máy

Máy phát điện ba pha thường gặp nhất là máy phát điện mà dòng điệnmột chiều được đưa vào cuộn dây kích từ thông qua hệ thống vành trượt Cựctừ của máy phát điện ba pha được kích thích bằng dòng điện một chiều vàđược đặt ở phần quay, còn dây quấn phần ứng với ba pha được đặt ở phần tĩnhvà nối ra tải Cũng có thể đặt cực từ ở phần tĩnh và dây quấn phần ứng ở phầnquay giống trong máy điện một chiều, máy điện đồng bộ công suất nhỏ, vì sựtrao 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 nóiriêng đều dựa trên định luật cảm ứng điện từ Nguyên lý làm việc cơ bản nhưsau :

Stator của máy phát điện đồng bộ đồng bộ có dây quấn ba pha được đặtcách nhau một góc 1200 trong không gian, được gọi là phần ứng, cảm ứng racác 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 độthấp như các máy phát tuabin nước, các máy phát công suất nhỏ và cực ẩn vớituabin có tốc độ cao như máy phát Điêzel, tuabin hơi và khí ) làm nhiệm vụtạo ra từ trường phần cảm

N A

B C

Hình 1.1 cấu tạo của Stator.

Khi Rôtor quay với tốc độ n thì từ trường cực từ sẽ quét và cảm ứng lêncác dây quấn phần ứng các sức điện động xoay chiều hình sin lần lượt lệch phanhau 1200 theo chu kỳ thời gian, có trị số hiệu dụng là :

EO=4,44.f.Wl.Kdq.0

Trong đó : E0 là sức điện động pha W1 số vòng dây pha

f tần số của máy phát 0 từ thông cực từ Rôtor

Kdq hệ số dây quấn

Với tần số :

Với p là số đôi cực của máy

Khi 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 từtrường quay với tốc độ n1 :

1

60 f

n p

So sánh (1.1) và (1.2) ta thấy n = n1 , có nghiã là tốc độ quay của Rôtorbằng 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 khốihình trụ, trên đó người ta gia công phay để tạo rãnh đặt dây quấn kích từ Phầnkhông phay rãnh hình thành mặt cực từ

Các máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn thường được chế tạo vớisố cực 2p = 2 , như vậy tốc độ quay của Rôtor là 3000 vòng/phút Để hạn chếlực ly tâm trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thépRôtor, đường kính D của Rôtor không quá 1,1 đến 1,5mét Tăng công suất củamáy bằng cách tăng chiều dài l của lõi thép Chiều dài tối đa của Rôtor vàokhoảng 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 củalớp dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng Dây quấn kíchtừ nằm trong rãnh được cố định và ép chặt bằng các thanh nêm phi từ tính đưavào miệng rãnh Phần đầu nối ở ngoài được đai chặt bằng các ống trụ thép phitừ tính nhằm bảo vệ chống lại lực điện động do dòng điện gây ra Hai đầu củadây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trụcthông qua hai chổi điện, nối với dòng kích từ một chiều

Dòng điện kích từ một chiều thường được cung cấp bởi một máy phátmột chiều, hoặc xoay chiều được chỉnh lưu ( có hoặc không có vành trượt ), nốichung trục với máy phát điện

Stator của máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn bao gồm lõi thép, trongđó có đặt dây quấn ba pha, ngoài là thân và vỏ máy Lõi thép Stator đượcghép và ép bằng các tấm tôn silic có phủ cách điện Các đường thông gió làmmát cho máy được chế tạo cố định trong thân máy để đảm bảo độ bền cáchđiện 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 cựclồi, 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 bằngthép đúc và gia công thành khối hình trụ trên mặt có đặt cực từ Ở các máylớn, lõi thép đó được chế tạo từ các tấm thép dày từ 1 đến 6mm, được dậphoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thườngkhông trực tiếp lồng vào trục của máy mà được đặt trên giá đỡ của Rôtor, giánày 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 mặtcực và vít chặt vào lõi thép Rôtor

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấntheo chiều mỏng thành từng cuộn dây Cách điện giữa các vòng dây là các lớpmica hoặc amiăng Sau khi hoàn thiện gia công, các cuộn dây được lồng vàothân các cực từ

Dây quấn cản của máy phát điện đồng bộ được đặt ở trên các đầu cực cócấu tạo như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làmbằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và hai dầu nối với hai vànhngắn mạch

Stator của máy phát điện đồng bộ cực lồi giống của máy phát điện đồngbộ cực ẩn Để đảm bảo vận hành ổn định, ngoài các yêu cầu chặt chẽ đối vớikết cấu về điện các kết cấu về cơ học và hệ thống làm mát cũng được thiết kếchế tạo phù hợp và tương thích với từng loại máy phát điện, đáp ứng được môitrường và chế độ làm việc Máy phát điện đồng bộ làm mát bằng gió côngsuất nhỏ, có các khoang thông gió và làm mát được thiết kế chế tạo nằm giữavỏ máy và lõi thép Stator Đầu trục của máy được gắn một cánh quạt gió đểkhi quay không khí được thổi qua các khoang thông gió này Bên ngoài vỏmáy cũng được chế tạo với các sống gân hoặc cánh toả nhiệt nhằm làm tăngdiện tích bề mặt trao đổi nhiệt cho máy Phổ biến nhất là các máy phát điệnđồng bộ được làm mát bằng nước hoặc bằng khí và được áp dụng cho các máy

coự coõng suaỏt tửứ vaứi chuùc kW trụỷ leõn Trong trửụứng hụùp maựy phaựt ủieọn coự coõngsuaỏt nhoỷ vaứ caàn di ủoọng thỡ thửụứng duứng ẹieõzel laứm ủoọng cụ sụ caỏp vaứ ủửụùcgoùi laứ maựy phaựt ủieọn ẹieõzel Maựy phaựt ủieọn ẹieõzel thửụứng coự caỏu taùo cửùc loài ẹaởc ủieồm khaực bieọt giửừa nhửừng maựy ủieọn coõng suaỏt nhoỷ vaứ maựy ủieọncoõng suaỏt lụựn ngoaứi kớch thửụực cuỷa chuựng khaực nhau thỡ chuựng coứn khaực nhauveà hieọu suaỏt laứm vieọc, giaự thaứnh cuỷa maựy cuừng nhử giaự ủieọn saỷn xuaỏt ra, thụứigian laứm vieọc cuỷa noự… Maựy phaựt ủieọn coõng suaỏt nhoỷ coự caỏu taùo goùn nheù, raỏtthuaọn lụùi ủeồ laứm maựy phaựt dửù phoứng khi maỏt ủieọn lửụựi, nhử maựy phaựt ủieọnẹieõzel coự theồ linh ủoọng vaọn chuyeồn ủi nụi khaực ủeồ phuùc vuù khi caàn thieỏt Tuynhieõn maựy ủieọn coõng suaỏt nhoỷ giaự thaứnh khoõng ủửụùc reỷ vỡ traựi vụớ maựy coự coõngsuaỏt ủụn chieỏc caứng lụựn thỡ giaự thaứnh treõn ủụn vũ coõng suaỏt caứng haù neõn noựchửa ủửục sửỷ duùng phoồ bieỏn maứ noự chổ ủửụùc sửỷ duùng ụỷ nhửừng nụi caàn thieỏt nhửbeọnh vieọn, truyeàn hỡnh, quaõn sửù vaứ thoõng tin lieõn laùc…Ngoaứi ra noự coứn ủửụùc sửỷduùng ụỷ moọt soỏ hoọ daõn caàn ủieọn ủeồ phuùc vuù saỷn xuaỏt kinh doanh lieõn tuùc khithieỏu ủieọn lửụựi Hieọu suaỏt laứm vieọc cuỷa maựy ủieọn coõng suaỏt nhoỷ luoõn thaỏp hụnnhửừng maựy coõng suaỏt lụựn.

III CAÙC ẹAậC TÍNH CUÛA MAÙY PHAÙT ẹIEÄN ẹOÀNG BOÄ.

ẹeồ laứm thớ nghieọm laỏy caực ủaởc tớnh cuỷa maựy phaựt ủieọn ủoàng boọ thỡ caànphaỷi coự sụ ủoà noỏi daõy cuỷa maựy phaựt ủieọn Taỷi cuỷa maựy phaựt laứ toồng trụỷ Z coựtheồ thay ủoồi Doứng ủieọn kớch thớch It cuỷa maựy ủieọn ủửụùc laỏy tửứ nguoàn ủieọn beõnngoaứi vaứ ủửụùc ủieàu chổnh nhụứ vaứo bieỏn trụỷ rt

Khi vaọn haứnh thửụứng maựy phaựt ủieọn cung caỏp cho taỷi ủoỏi xửựng Cheỏ ủoọnaứy phuù thuoọc vaứo hoọ tieõu thuù ủieọn naờng noỏi vụựi maựy phaựt ủieọn, coõng suaỏt caỏpcho taỷi khoõng vửụùt quaự ủũnh mửực maứ baống ủũnh mửực hoaởc thaỏp hụn ủũnh mửựcmoọt chuựt Maởt khaực caực ủaùi lửụùng naứy thoõng qua caực ủaũ lửụùng khaực nhử doứngủieọn, ủieọn aựp, doứng kớch tửứ, heọ soỏ Cos, taàn soỏ f, toỏc ủoọ quay n ẹeồ phaõn tớchcaực ủaởc tớnh cuỷa maựy phaựt ủieọn ủoàng boọ ta dửùa vaứo ba ủaùi lửụùng chuỷ yeỏu laứ U,

I, it thaứnh laọp caực ủaởc tớnh sau :

1 ẹaởc tớnh khoõng taỷi E = Uo = f(it) khi I = 0 vaứ f = fủm

2 ẹaởc tớnh ngaộn maùch In = f(it) khi U = 0 ; f = fủm

3 ẹaởc tớnh ngoaứi U = f(It) khi it = const ; cos = const ; f = fủm

4 ẹaởc tớnh ủieàu chổnh It = f(I) khi U = const ; cos = const ; f = fủm

5 ẹaởc tớnh taỷi U = f(it) khi I = const ; cos = const ; f = fủm

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368

Hình 1-7: Sơ đồ đấu dây xác định đặc tính của máy phát điện đồng bộ

h b

It

* E

h b

It

* E

h b

It

* E

h b

h b

It

* E

h b

It

* E

h b

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

III.1 Đặc tính không tải

E = U0 = f(it) Khi I= 0 và f= fđm

Đặc tính không tải là quan hệ giữa sức điện động E cảm ứng ra cuộn dâyStator với dòng điện kích từ khi dòng điện tải bằng không Trong hệ đơn vịtương đối máy phát điện đồng bộ cực ẩn và máy phát điện đồng bộ cực lồikhác nhau không nhiều, đặc tính không tải được hiển thị bằng đơn vị tương đốigiống như trên hình 1.3

h b

It

* E

h b

It

* E

h b

It

* E

h b

It

* E

h b

It

* E

h b

It

* E

h b

It

* E

Trong đơn vị tương đối :

*

dm

E E E

 và t* t

tdmo

i i i



Với itđmo là dòng điện không tải khi U = Uđm

III.2 Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch

Iq = cos = 0 và Id = I.sin = 1Và đồâ thị véc tơ của máy phát điện lúc đó như trên hình 1.4 Cũng từ biểuthức cân bằng sức điện động :

U.  E j I x. .. d. d  j I x .q q I r..u và các giả thiết như trên tacó Euđ = +j.I.xd và mạch điện thay thế của máy có dạng như trên hình 1.4.Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là khử từ, mạch từ của máy không bãohoà, vì từ thông khe hở  cần thiết để sinh ra E = E – I.xưd = i.xư rất nhỏ

Do đó quan hệ I = f(it) là đường thẳng như trên hình 1.5

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368

I

I = f(It)

Với xd trị số bão hoà của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = Uđm Thaytrị số của Ino vào biểu thức của K ta có :

K =

*

1

K = mo to

dm tn

Trong đó : Ito là dòng điện kích thích khi không tải lúc Uo = Uđm

Itn dòng điện kích thích lúc ngắn mạch khi I = Iđm

Tỷ số ngắn mạch K là một tham số quan trọng của máy điện đồng bộ.Máy có K lớn có ưu điểm cho độ thay đổi điện áp U nhỏ và theo biểu thức

d

E U cos x

III.3 Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp  U đm của máy phát đồng bộ

Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) khi It = const ; cos = const và f =fđm

Độ thay đổi điện áp định mức Uđm của máy phát điện đồng bộ theo địnhnghĩa là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cos = cosđm đếnkhông tải, trong điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích Trị số của

Uđm thường biểu thị theo phần trăm của điện áp định mức, nghĩa là :

Uđm% = dm.100

dm

E U U



thông số Uđm% = 25%  30%

III.4 Đặc tính điều chỉnh

It = f(I) khi U = const ; cos = const và f =fđm.Đặc tính điều chỉnh là quan hệ của dòng điện kích từ với dòng điện khôngtải để luôn giữ cho điện áp không đổi Nó cho biết hướng điều chỉnh dòng điện

It của máy phát điện đồng bộ để giữ cho điện áp ra U ở đầu máy phát điệnkhông đổi

cos (®iƯn c¶m)

Hình 1.8 Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ

Ta thấy với tải cảm khi I tăng, tác dụng khử từ của phản ứng phần ứngtăng làm cho điện áp U bị giảm Để giữ cho điện áp U không đổi phải tăngdòng điện từ hoá it Ngược lại, ở tải dung khi I tăng, muốn giữ U không đổiphải giảm it Thông thường cosđm = 0,8 ( thuần cảm ), nên từ không tải ( U =

Uđm ; I = Iđm ) phải tăng dòng điện từ hoá it khoảng 1,7  2,2 lần

III.5 Đặc tính tải

U = f(it) khi I = const ; cos = const và f =fđm.Đặc tính tải là quan hệ giữa điện áp đầu ra của máy phát điện đồng bộvới dòng kích từ khi tải là không đổi Với các trị số khác nhau của I và cos sẽcó các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thuầncảm ứng với cos = 0 ( khi  = /2 ) và I = Iđm

Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra được từ đặc tính không tải và tamgiác điện kháng Cách thành lập tam giác điện kháng như sau :

E

A' O' B' C'

Hình 1.9 Xác đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính

không tải và tam giác điện kháng

Từ đặc tính ngắn mạch (đường 2 ) để có trị số In = Iđm dòng điện kích thích

itn hoặc sức từ động Ftn cần thiết bằng Ftn = itn = OC Như đã biết khi máy làmviệc ở chế độ ngắn mạch sức từ động của cực từ Ftn = OC gồm hai phần : mộtphần để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng BC = kưd.Fưd sinh ra

Eưd ; phần còn lại OB = OC – BC sẽ sinh ra sức điện động tản từ Fư = Iđm .xư

= AB ( điểm A nằm trên đoạn thẳng của đặc tính không tải đường 1 ) vì lúc đómạch từ không bão hoà Tam giác ABC được hình thành như trên được gọi làtam giác điện kháng Các cạnh BC và AB của tam giác đều tỷ lệ với dòngđiện tải định mức Iđm

Đem tịnh tiến tam giác điện kháng ABC ( hoặc tam giác OAC ) sao chođiểm A tựa trên đặc tính không tải thì đỉnh C sẽ vẽ thành đặc tính tải thuầncảm ( đường 3 ).

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 cảmcó thể điều chỉnh được ) sao cho I = Iđm Dạng của đặc tính tải thuần cảm nhưđường 3 trên hình 1.9 và đồ thị véc tơ tương ứng với chế độ làm việc đó khi bỏqua 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 thiếtlà mật độ dòng điện phân bố đều trên tiết diện của dây dẫn Tổn hao này phụthuộc vào trị số mật độ dòng điện, trọng lượng đồng và thường được tính ởnhiệt độ 75oC

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

Tổn hao kích từ là công suất tổn hao trên điện trở của dây quấn kích thíchvà 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 Statorvà các bộ phận khác của máy dưới tác dụng của từ trường tản do dòngđiện phần ứng sinh ra

b Tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề mặt của lõi thép Rôtor , máy cựcẩn 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 thôngchính 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 lạnhkhác vào các bộ phận của máy

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

Ở các máy điện đồng bộ công suất và tốc độ quay khác nhau tỷ lệ phânphối các tổn hao nói trên không giống nhau Trong các máy phát điện đồng bộbốn cực công suất trung bình, tổn hao đồng trong dây quấn phần tĩnh và dâyquấn kích từ chiếm tới khoảng 65% tổng tổn hao Trong khi tổn hao trong lõithép 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 trongdây quấn phần tĩnh và trong dây quấn kích từ chiến khoảng 35%, còn tổn haotrong lõi thép Stator thì chiếm tới 37% Đối với máy phát tuabin nước tổn haophui có thể chiếm tới 11%, đối với máy phát tuabin hơi chủ yếu là tổn hao bềmặt 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

p – tổng tổn hao trong máy

Hiệu suất của các máy phát điện làm lạnh bằng không khí côngsuất 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 tăngkhoảng 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 trongStator D và chiều dài lõi sắt l Mục đích của việc chọn kích thước chủ yếu nàylà để chế tạo ra máy kinh tế hợp lý nhất mà tính năng phù hợp với các tiêuchuẩn của nhà nước Kích thước D, l và tỷ lệ giữa chúng quyết định trọnglượng, giá thành, các đặc tính kinh tế kỹ thuật và độä tin cậy lúc làm việc củamáy Vì vậy giai đoạn này là giai đoạn rất cơ bản của công việc thiết kế máyđiện Mặt khác kích thước D và l phụ thuộc vào công suất P, tốc độ quay n, tảiđiện từ A, B của vật liệu tác dụng của máy Việc chọn A và B ảnh hưởngrất nhiều đến kích thước chủ yếu D và l Về mặt tiết kiệm nhiên liệu thì nênchọn A và B lớn, nhưng nếu A và B quá lớn thì tổn hao đồng và sắt cũngtăng lên, làm máy quá nóng, ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng máy Do đó khichọn A và B cần xét đến chất lượng vật liệu sử dụng Nếu dùng vật liệâu sắt từtốt có thể chọn B lớn Dùng dây đồng có cấp cách điện cao thì có thể chọn Alớn Ngoài ra tỷ số giữa A và B cũng ảnh hưởng đến đặc tính làm việc củamáy phát điện vì A đặc trưng cho mạch điện còn B đặc trưng cho mạch từ

Các thông số ban đầu :

Công suất định mức máy phát : Pđm = 12kVAĐiện áp định mức : Uđm = 400V

Tốc độ định mức : n = 1500vg/phHệ số công suất : cos = 0,8

Tính toán các thông số cơ bản :

1 Điện áp pha của máy phát :

400 230,94 ( )

Với sin   1 cos  dm2  1 0,8  2  0, 6

Và thường đối với máy phát thì x = 0,06  0,15 ta chọn x = 0,125

3 Dòng điện pha định mức :

12000

17,321 ( )

3 3.400

dm dm

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, đườngkính trong Stator bằng :

D = 22,3 (cm)

6 Đường kính ngoài lõi sắt Stator :

32,79 ( ) 0,68

n D

6,1 .10

P’- công suất tính toán (kVA)

kdl - hệ số dây quấn Với máy có P = 12kVA và 2p = 4 thì hệsố dây quấn nằm trong khoảng 0,91  0,92 Do đó chọn kdl = 0,92

 - hệ số cung cực từ Chọn  = 0,66

ks - hệ số dạng sóng Chọn ks = 1,15

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 ( )

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 nhánh13.Số rãnh mỗi pha dưới mỗi cực :

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

14.Số rãnh Stator Z1 :

1 2 2.3.2.3 36

15 Bước rãnh t1 :

1 1

.22,3

1,95 ( ) 36

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 18 (rãnh)

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

18 Số vòng dây của một pha :

1 1

1

2.3.18

108 1

r

p q u W

A

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

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

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 cáchđiện :

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 < 1 bước dây quấn y = 8

1

36 9

2 2.2

Z p

22 Hệ số bước ngắn :

1

8 sin sin sin 0,985

20 sin 3.sin

r

q k

1 1 1

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 cáchđiện 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 :

2

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

1,10 ( ) 36

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

31 Đường kính d1 của rãnh :

32 Chiều cao rãnh :

1 1

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 polyeste0,2mm)

2 - tấm cách điện giữa hai lớp có chiều dày là 0,4mm ( hai lớp polyeste0,2mm)

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

r cd ld

r

u n d k

1, 20 0,93 ( ) 36

Trong đó : kc –hệ số ép chặt lõi sắt

l1 –chiều dài lõi sắt Stator

Ta nhận thấy mật độ từ thông ở gông Stator đạt yêu cầu Trị số Bg1 tínhđược là 1,378T nằm trong khoảng 1,2  1,45T.

40 Mật độ từ thông ở răng Stator :

1 1

1

0,69.1,95.13,5

1,507 ( ) 0,94.13,5.0,95

Với : t1 – bước rãnh (cm)

bz1 – bề rộng răng (cm)

41 Độ chênh nhiệt trên lớp cách điện rãnh :

Trong đó : J1 = 6,801 A/mm2 – mật độ dòng điện

Att = 160,21A/cm – tải điện từ tính toán

kf = 1,03  1,1 – là hệ số tổn hao phụ Chọn kf = 1,1

hr1 = 2,2cm – chiều cao rãnh Stator

hn = c =2,0mm = 0,20cm – chiều cao của nêm

o

o c

Chọn chiều dày gân b’= 1cm.

47 Để đạt được bội số mô men cực đại max 1, 65 2,5

max

dm

M m

M

ứng với mmax = 2,2 chon xd* = 1,3

48 Để đảm bảo lúc tổng lắp ráp và vận hành tốt Với Dn = 32,7<100cm,khe hở không khí phải thoả mãn quan hệ sau :

49 Lấy khe hở không khí giữa cực từ :   0,15 (cm)

Khe hở không khí ở hai đầu mõm cực từ :

D b

52 Chiều cao mặt cực từ :

Bởi vì máy phát này là máy phát công suất nhỏ cho nên không nhất thiếtphải chế tạo dây quấn cản Dựa vào bảng 11.4 1 với bướccực  = 17,514cm lấy hm = 1,6(cm)

53 Chiều dài thân cực từ và mõm cực từ :

Chọn chiều rộng cực từ bằng : bc = 4cm

58 Vận tốc dài ở bề mặt cực từ :

Trong đó với máy công suất nhỏ lấy lg2 = 0.

60 Chiều cao của gông Rôtor :

Ở đây chọn Bg2 = 1,2T

Các kích thước của cực từ được thể hiện trên hình III.1

Hình 3-1 Các kích thước cực từ

CHƯƠNG IV

Với :  ' 0,177 cm là trị số khe hở trung bình.

63 Mật độ từ thông khe hở không khí :

4

3 1

1

0, 424.10 10.10

2,65.10 ( ) 0,66.17,514.13,85



 

17,514 cm

  13,85

63 Hệ số khe hở không khí :

1 1 1

Trong đó : bz1 = 0,94cm là chiều rộng trung bình của răng Stator.

l = 13,85cm là chiều dài tính toán chính xác của lõi sắtStato

l1 = 13,5cm là chiều dài sơ bộ của lõi sắt Stato

66 Sức từ động răng Stato :

Hz1(A/cm) : cường độ từ trường trên răng Stato

67 Mật độ từ thông trên gông Stato :

4

3 1

0, 424.10 10 10

Hg1 (A/cm) cường độ từ trường trên gông Stator

69 Hệ số từ dẫn giữa bề mặt trong của các cực từ :

6

6

7

0,55 .10 ( 2 2 ) 2.

0,55.5,16.10

4, 23.10 17,514 4 (5,16 2.1, 6 2.0,15)

2.2

c cl

c cb

c

b l





Trong đó l’c = 15,5cm là chiều dài tính toán của thân cực từ

72 Tổng từ dẫn tản :

4 6 4 4

' 15,5.4.0,97 7,06.10 0,532.10 ( )

zg c

1

(0, 424.10 0,32.10 ).10 10

2 2.13,5.3,6.0,97 4,50.10 0,34.10 ( )

zg c

2.

.(22,3 2.0,15 2.6,76 3,6)

3,83 ( ) 2.2

cm g g

Kết quả tính toán được liệt kê trong bảng sau :

Tham số Đơn vị

E* 1 và 

CHƯƠNG V THAM SỐ CỦA DÂY QUẤN STATOR

Ở CHẾ ĐỘ ĐỊNH MỨC

82 Chiều dài phần đầu nối của dây quấn Stator :

D h

cm p

   là điện trở suất của đồng ở nhiệt độ tínhtoán 75oC

86 Trị số tương đối của điện trở dây quấn Stator :

*

17,321 0,677 0,051

230,94

dm dm

1,1 ( 2 ') ( 2.0,04 0, 2) 0, 27 ( )

0,34 .( 0,64 )

3 0,34 .(23, 2 0,64.0,889.17,514) 1 13,5

q l

  được tra theo hình 4-16 1

91 Tổng hệ số từ tản :

2 1

1 2

0,158 .( )

100 100

50 108 13,5 0,158 .( ) 2,86 0,593 ( )

100 100 2.3

l W f x

ud udm ud

o o

k F x

W k I

p

kud = 0,87 được tra theo hình 11-12 1

Theo đặc tính không tải ở bảng tính phần trên với E0* = 1thì F0 = 1008,4A Với E* = 0,5 thì F = 504,2A

561,95

1,11

504, 2

to o

F k F

Ở đây : kưq = 0,445 được tra theo hình 11-12 1

k = 1,373 là hệ số khe hở không khí

96 Điện kháng đồng bộ dọc trục :

F Fzg



1,25 1,2 1,15 1,1 1,05

Hình IV.1 Quan heä E* = f()

1,5

10,5

1,5

1

0

E*