THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA

THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Giáo Viên Hướng Dẫn: NGUYỄN VĂN HÀ

Sinh Viên Thực Hiện: BẠCH TRỌNG NAM

LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong xã hội ta Ở bất kỳ quốcgia nào, năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng luôn luôn được coi lànghành công nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát trển của nền kinh tế

Xã hội không nghừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng đượcnâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy điện mới Tốc độ phát triển củanền sản xuất công nông nghiệp của một nước đòi hỏi sự phát triển tương ứng củanghành công nghiệp điện lực Do đó yêu cầu nghành chế tạo máy điện có nhữngyêu cầu cao hơn

Với yêu cầu của đồ án “ Thiết kế máy phát điện ba pha công suất 10kVA ” với các số liệu U = 380V, f = 50Hz, n = 1500vg/ph Với công suất 10kVA không phải là quá lớn nó sẽ rất phù hợp làm nguồn dự phòng cho các hộ dân cần

sử dụng điện một cách liên tục để sản xuất kinh doanh, hoặc cũng có thể sử dụng cho các 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 thực sự đóng vai trò ổn định trong hệ thống điện lớn Nhưng em cho rằng việc thiết kế một máy điện nhỏ và mang tính thiết thực này rất quan trọng Nó không chỉ đơn 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 bao gồm hai phần, tám 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 :Đặc tính của máy phát

Qua thời gian làm đồ án, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong bộ môn,

đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Văn Hà, cùng với sự nỗ lực

của bản thân em đã hoàn thành đồ án Song thời gian có hạn và vốn kiến thức của

em chưa được rộng nên trong quá trình tính toán thiết kế không thể tránh khỏinhững thiếu sót Vì vậy em mong nhận được sự chỉ bảo của quí thầy cô để Đồ ántốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn

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 Điệnnăng ba pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống sinh hoạtđược 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 côngsuất 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 bộkích từ bằng nam châm vĩnh cửu ) cũng được dùng rất rộng rãi trong các trang bị

I.2 Công dụng

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện rất quan trọng của các lưới điện côngnghiệp 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 tuabinhơi 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 làmviệc riêng lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song với nhau Các máy phát điệnđồng bộ hầu hết được đặt ở các trạm phát điện xoay chiều, chúng được sử dụngrộng rãi trong mọi lĩnh vực : trong cuộc sống, công nghiệp, giao thông vận tải, cácnguồn 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 Đốivới máy phát điện tuabin hơi, do đặc trưng là tốc độ cao tới vài nghìn vòng/phútnên máy phát điện thường có kết cấu Rôtor cực ẩn với đường kính nhỏ để giảmthiểu lực ly tâm Và ngược lại, đối với máy phát điện tuabin nước, tốc độ thấp nênthường có Rôtor cực lồi, đường kính có thể lên tới 1,5m tùy theo công suất củamáy

Máy phát điện ba pha thường gặp nhất là máy phát điện mà dòng điện mộtchiều được đưa vào cuộn dây kích từ thông qua hệ thống vành trượt Cực từ củamáy phát điện ba pha được kích thích bằng dòng điện một chiều và được đặt ởphần 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 trongmáy điện một chiều, máy điện đồng bộ công suất nhỏ, vì sự trao đổi vị trí đókhông làm thay đổi nguyên lý làm việc cơ bản của máy Nguyên lý làm việc củamáy điện nói chung và máy phát điện đồng bộ nói riêng đều dựa trên định luậtcảm 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 cáchnhau một góc 1200 trong không gian, được gọi là phần ứng, cảm ứng ra các sứcđiện động cung cấp ra tải ( hình 1.1 ) Còn Rôtor của máy phát điện, với cấu tạodây quấn cực từ ( cực lồi với đối với máy phát có tuabin tốc độ thấp như các máyphát tuabin nước, các máy phát công suất nhỏ và cực ẩn với tuabin có tốc độ caonhư 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 cácdây quấn phần ứng các sức điện động xoay chiều hình sin lần lượt lệch pha nhau

N A

B C

Hình 1.1 cấu tạo của Stator.

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

Với p là số đôi cực của máy

Khi máy phát điện đồng bộ làm việc khép kín mạch với tải, có dòng điện bapha chạy trong ba dây quấn lệâch nhau góc 1200 về thời gian sẽ tạo ra từ trườngquay với tốc độ n1 :

1

60 f

n p

Các máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn thường được chế tạo với sốcực 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 máybằng cách tăng chiều dài l của lõi thép Chiều dài tối đa của Rôtor vào khoảng6,5mét

Dây quấn kích từ đặt trên cực từ Rôtor được chế tạo từ dây đồng trần, tiếtdiện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây Các vòng dây của lớp dâynày được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng Dây quấn kích từ nằmtrong rãnh được cố định và ép chặt bằng các thanh nêm phi từ tính đưa vào miệngrãnh Phần đầu nối ở ngoài được đai chặt bằng các ống trụ thép phi từ tính nhằmbảo 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 mộtchiều, hoặc xoay chiều được chỉnh lưu ( có hoặc không có vành trượt ), nối chungtrục 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 épbằng các tấm tôn silic có phủ cách điện Các đường thông gió làm mát cho máyđược 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 giacông thành khối hình trụ trên mặt có đặt cực từ Ở các máy lớn, lõi thép đó đượcchế tạo từ các tấm thép dày từ 1 đến 6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn đểghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trụccủa 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

hoặc amiăng Sau khi hoàn thiện gia công, các cuộn dây được lồng vào thân cáccực từ.

Dây quấn cản của máy phát điện đồng bộ được đặt ở trên các đầu cực có cấutạo như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằngcác 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 phùhợp 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 cáckhoang thông gió và làm mát được thiết kế chế tạo nằm giữa vỏ máy và lõi thépStator Đầu trục của máy được gắn một cánh quạt gió để khi quay không khí đượcthổi qua các khoang thông gió này Bên ngoài vỏ máy cũng được chế tạo với cácsống gân hoặc cánh toả nhiệt nhằm làm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt chomáy Phổ biến nhất là các máy phát điện đồng bộ được làm mát bằng nước hoặcbằng 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 dùngĐiêzel làm động cơ sơ cấp và được gọi là máy phát điện Điêzel Máy phát điệnĐiêzel thường có cấu tạo cực lồi

Đặc điểm khác biệt giữa những máy điện công suất nhỏ và máy điện côngsuất lớn ngoài kích thước của chúng khác nhau thì chúng còn khác nhau về hiệusuất làm việc, giá thành của máy cũng như giá điện sản xuất ra, thời gian làm việccủa nó… Máy phát điện công suất nhỏ có cấu tạo gọn nhẹ, rất thuận lợi để làmmáy phát dự phòng khi mất điện lưới, như máy phát điện Điêzel có thể linh độngvận chuyển đi nơi khác để phục vụ khi cần thiết Tuy nhiên máy điện công suấtnhỏ giá thành không được rẻ vì trái vơí máy có công suất đơn chiếc càng lớn thìgiá thành trên đơn vị công suất càng hạ nên nó chưa đươc sử dụng phổ biến mà nóchỉ được sử dụng ở những nơi cần thiết như bệnh viện, truyền hình, quân sự vàthông tin liên lạc…Ngoài ra nó còn được sử dụng ở một số hộ dân cần điện đểphục vụ sản xuất kinh doanh liên tục khi thiếu điện lưới Hiệu suất làm việc củamáy điện công suất nhỏ luôn thấp hơn những máy công suất lớn

III CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ.

Để làm thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ thì cần phải

có sơ đồ nối dây của máy phát điện Tải của máy phát là tổng trở Z có thể thayđổi Dòng điện kích thích It của máy điện được lấy từ nguồn điện bên ngoài vàđược điều chỉnh nhờ vào biến trở rt

phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát điện, công suất cấp cho tảikhông vượt quá định mức mà bằng định mức hoặc thấp hơn định mức một chút

Mặt khác các đại lượng này thông qua các đaị lượng khác như dòng điện, điện áp,dòng kích từ, hệ số Cosϕ, tần số f, tốc độ quay n Để phân tích các đặc tính củamáy phát điện đồng bộ ta dựa vào ba đại lượng chủ yếu là U, I, it thành lập cácđặc tính sau :

1 Đặc tính không tải E = Uo = f(it) khi I = 0 và f = fđm

2 Đặc tính ngắn mạch In = f(it) khi U = 0 ; f = fđm

3 Đặc tính ngoài U = f(It) khi it = const ; cosϕ = const ; f = fđm

4 Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U = const ; cosϕ = const ; f = fđm

5 Đặc tính tải U = f(it) khi I = const ; cosϕ = const ; f = fđm

III.1 Đặc tính không tải

E = U0 = f(it) Khi I= 0 và f= fđmĐặc 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 vị tươngđối máy phát điện đồng bộ cực ẩn và máy phát điện đồng bộ cực lồi khác nhaukhông nhiều, đặc tính không tải được hiển thị bằng đơn vị tương đối giống như trên hình 1.3

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

h b

It

* E

*

(((

(((

(

(

(

(

Hình 1.3 Đặc tính không tải máy phát điện Trong đơn vị tương đối :

*

dm

E E E

= và * t

t tdmo

i i i

quấn phần ứng được nối tắt ngay đầu máy) Nếu bỏ qua điện trở của dây quấnphần ứng( rư = 0 ) thì mạch điện dây quấn phần ứng lúc ngắn mạch là thuần cảm (

ψ = 90o ) như vậy

Iq = cosψ = 0 và Id = I.sinψ = 1

Và đồâ thị véc tơ của máy phát điện lúc đó như trên hình 1.4 Cũng từ biểu thứccân 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 ta

có 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 Φδ cần thiết để sinh ra Eδ = E – I.xưd = i.xσư rất nhỏ Do

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

Hình 1.5- Đặc tính ngắn mạch

Tỷ số ngắn mạch K là tỷ số dòng điện ngắn mạch I ứng với dòng điện kích

Với xd trị số bão hoà của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = Uđm Thay trị

số của Ino vào biểu thức của K ta có :

K =

*

1

Hình 1.6 Xác định tỷ số ngắn mạch K

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

Id = .

d

E U cos x

θ

nó sẽ sinh ra công suất điện từ lớn khiến cho

máy làm việc ổn định khi tải dao động Nhưng muốn K lớn nghĩa là xd ∗ nhỏ, phải tăng khe hở δ và như vậy đòi hỏi phải tăng cường dây quấn kích từ và tương ứngphải tăng kích thước của máy Kết quả là phải dùng nhiều vật liệu hơn và giáthành của máy cao hơn.

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 ; cosϕ = const và f =fđm

Hình 1.7 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ

Từ hình vẽ ta thấy dạng đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất tải Nếu tải cótính cảm khi I tăng phản ứng khử từ của phần ứng cũng tăng, điện áp giảm vàđường biểu diễn đi xuống Ngược lại nếu tải có tính dung khi I tăng, phản ứngphần ứng là trợ từ, điện áp tăng và đường biểu diễn đi lên

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 cosϕ = cosϕđm đếnkhông tải, trong điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích Trị số của ∆Uđmthường biểu thị theo phần trăm của điện áp định mức, nghĩa là :

E U−

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 ứng tănglàm cho điện áp U bị giảm Để giữ cho điện áp U không đổi phải tăng dòng điện

từ hoá it Ngược lại, ở tải dung khi I tăng, muốn giữ U không đổi phải giảm it Thông thường cosϕđm = 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 ; cosϕ = const và f =fđm.Đặc tính tải là quan hệ giữa điện áp đầu ra của máy phát điện đồng bộ vớidòng kích từ khi tải là không đổi Với các trị số khác nhau của I và cosϕ sẽ có cácđặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thuần cảm ứng vớicosϕ = 0 ( khi ϕ = π/2 ) và I = Iđm

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

it

U.I

I­=­0 I­=­Idm

2

3 1

A nằm trên đoạn thẳng của đặc tính không tải đường 1 ) vì lúc đó mạch từ khôngbão hoà Tam giác ABC được hình thành như trên được gọi là tam giác điệnkháng Các cạnh BC và AB của tam giác đều tỷ lệ với dòng điện tải định mức Iđm .Đem tịnh tiến tam giác điện kháng ABC ( hoặc tam giác OAC ) sao cho điểm

A tựa trên đặc tính không tải thì đỉnh C sẽ vẽ thành đặc tính tải thuần cảm ( 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 cảm cóthể 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 sốrất 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, tổnhao phụ và tổn hao cơ

Tổn hao đồng là công suất mất mát trên dây quấn phần tĩnh với giả thiết làmật độ dòng điện phân bố đều trên tiết diện của dây dẫn Tổn hao này phụ thuộcvào 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 trườngbiến đổi hình sin( ứng với tần số f1) Tổn hao này phụ thuộc trị số tần số, trọnglượng 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 vàcủa 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 vàcác bộ phận khác của máy dưới tác dụng của từ trường tản do dòng điệnphần ứng sinh ra

b Tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề mặt của lõi thép Rôtor , máy cực ẩn doStator ( 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 lạnh khácvào 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 phân phốicác tổn hao nói trên không giống nhau Trong các máy phát điện đồng bộ bốn cựccông suất trung bình, tổn hao đồng trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn kích từchiếm 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 điệntuabin nước công suất lớn, tốc độ chậm thì tổn hao trong dây quấn phần tĩnh vàtrong dây quấn kích từ chiến khoảng 35%, còn tổn hao trong lõi thép Stator thìchiếm 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 vàokhoảng 18%

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

2

P

P +∑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 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 tăng khoảng0,8%

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 chếtạo ra máy kinh tế hợp lý nhất mà tính năng phù hợp với các tiêu chuẩn của nhànước Kích thước D, l và tỷ lệ giữa chúng quyết định trọng lượng, giá thành, cácđặc tính kinh tế kỹ thuật và độä tin cậy lúc làm việc của máy Vì vậy giai đoạnnày 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 Bδquá lớn thì tổn hao đồng và sắt cũng tăng lên, làm máy quá nóng, ảnh hưởng đếntuổi thọ sử dụng máy Do đó khi chọn A và Bδ cần xét đến chất lượng vật liệu sửdụng Nếu dùng vật liệâu sắt từ tốt có thể chọn Bδ lớn Dùng dây đồng có cấpcách điện cao thì có thể chọn A lớn Ngoài ra tỷ số giữa A và Bδ cũng ảnh hưởngđến đặc tính làm việc của máy phát điện vì A đặc trưng cho mạch điện còn Bδđặc trưng cho mạch từ

Các thông số ban đầu :

Công suất định mức máy phát : Pđm = 10(kVA)Điện áp định mức : Uđm = 380/220(∆/Y)

Hệ số công suất : cosϕ = 0,8Tính toán các thông số cơ bản :

1 Điện áp pha của máy phát :

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

f p n

5 Đường kính trong của Stator :

Theo hình 11.2 [1] với P’ = 10,8 (kVA) và số đôi cực p = 2, đường kính

7 2

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

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

CHƯƠNG II

TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC STATOR,

DÂY QUẤN STATOR

11.Với máy có công suất P = 10kVA và có chiều dài lõi sắt l = 13,145cm 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 = 8,771A < 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 trị sốlớn dùng cho máy có số đôi cực ít Do đó chọn q = 3 rãnh

32,37 8,771

r dm

t a A u

1

192 1

r

p q u W

mW I

pτ

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 A nên tra được : AJ1 khálớn Tuy nhiên với máy có P = 10kVA có thể dùng dây dẫn tiết diện tròn

và mật độ dòng điện khi cách điện cấp B có thể đến J1 = (5,175 ÷

5,625)A/mm2 đối với máy 2p = 4 Do đó sơ bộ ta chọn tích số AJ1 = 892(A2/cm.mm2)

Mật độ dòng điện là :

2 1

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 = 0,541 (mm2)Đường kính dây không kể cách điện :

dkcđ = 0,83(mm)Đường kính dây kể cả cách điện :

dcđ = 0,895(mm)Tính lại mật độ dòng điện J1 :

2 1

21 Kiểu dây quấn :

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

1

36 9

Z p

27 Sơ bộ định chiều rộng của răng :

1 1 1

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

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]

Chiều dầy cách điện rãnh : c = 0,4mm

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

41 1 2

Z

cm

π

π π

Z

cm

π

π π

r cd ld

r

u n d k

l1 –chiều dài lõi sắt Stator.

Ta nhận thấy mật độ từ thông ở gông Stator đạt yêu cầu Trị số Bg1 tính được

là 1,307(T) nằm trong khoảng 1,2 ÷ 1,45T

40 Mật độ từ thông ở răng Stator :

1 1

Trong đó : J1 = 5,4 A/mm2 – mật độ dòng điện

Att = 153,1A/cm – tải điện từ tính toán

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

hr1 = 2,25cm – chiều cao rãnh Stator

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

δc = 0,47

λc = 2,2.10−3 – là hệ số dẫn nhiệt qua lớp cách điện ứng vớicách điện rãnh của dây quấn phần tử mềm