Tài liệu Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát doc

Cùng với sự phát triển của công nghệ kích từ có vành trượt đến không vành trượt, từ thao tác bằng tay đến tự động hóa hoàn toàn là sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất như Th

Đồ án tốt nghiệp

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

LỜI NÓI ĐẦU

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

Xã hội không nghừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng được nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy điện mới Tốc độ phát triển của nền sản xuất công nông nghiệp của một nước đòi hỏi sự phát triển tương ứng của nghành công nghiệp điện lực Do đó yêu cầu nghành chế tạo máy 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 máy phát là nhờ vào các bộ ổn định điện áp máy phát Bộ điều khiển ổn định điện áp máy phát bằng điều khiển dòng hoặc áp kích từ đi vào máy phát đã có một lịch sử phát triển Vào những năm 1920, khi con người nhận thấy vai trò quan trọng của việc

ổn định quá trình quá độ của hệ thống thông qua các bộ điều khiển đáp ứng nhanh, các thiết kế cho hệ thống kích từ và hệ thống điều khiển điện áp đã phát triển và cải tiến công nghệ không nghừng Cùng với sự phát triển của công nghệ kích từ có vành trượt đến không vành trượt, từ thao tác bằng tay đến tự động hóa hoàn toàn là sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất như Thyristor, các loại Tranzitor, Triac…Bên cạnh đó cũng hình thành các bộ ổn định điện áp

Với yêu cầu của đồ án “ Thiết kế máy phát điện ba pha công suất 12kVA và

hệ thống ổn định điện áp cho máy phát ” với các số liệu U = 400V, f = 50Hz, n = 1500vg/ph, Cosϕ = 0,8 Với công suất 12kVA 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 hầu như 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 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

¾ Chương I : Tính toán và xác định kích thước cơ bản của máy điện

¾ Chương II : Tính toán dây quấn, rãnh stator và khe hở không khí

¾ Chương III : Tính toán cực từ Rôtor

¾ Chương IV : Tính toán mạch từ

¾ Chương V : Tính toán tham số của máy phát điện ở chế độ định mức

¾ Chương VI : Tính toán dây quấn và thông số mạchï kích từ

¾ Chương VII : Tính trọng lượng vật liệu, tính tổn hao, tính toán nhiệt

¾ Chương VIII : Tính toán kết cấu

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

¾ Chương I : Khái quát hệ kích từ máy điện đồng bộ

¾ Chương II : Tính chọn thiết bị mạch động lực

¾ Chương III : Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ổn định điện áp 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 Bùi Đức Hùng, cùng với sự nỗ lực của

bản thân em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp 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 khỏi những thiếu sót Vì vậy em mong nhận được sự chỉ bảo của quí thầy cô để

Đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Bùi Đức Hùng và tất cả quí

thầy cô đã giúp em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này

PHẦN 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

kích 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 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 máy 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

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 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

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 chế 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 Điêzel làm động cơ sơ cấp và được gọi là máy phát điện Điêzel Máy phát điện

Đặc điểm khác biệt giữa những máy điện công suất nhỏ và máy điện công

suất lớn ngoài kích thước của chúng khác nhau thì chúng còn khác nhau về hiệu

suất làm việc, giá thành của máy cũng như giá điện sản xuất ra, thời gian làm việc

của nó… Máy phát điện công suất nhỏ có cấu tạo gọn nhẹ, rất thuận lợi để làm

máy phát dự phòng khi mất điện lưới, như máy phát điện Điêzel có thể linh động

vận chuyển đi nơi khác để phục vụ khi cần thiết Tuy nhiên máy điện công suất

nhỏ giá thành không được rẻ vì trái vơí máy có công suất đơn chiếc càng lớn thì

giá thành trên đơn vị công suất càng hạ nên nó chưa đươc sử dụng phổ biến mà nó

chỉ được sử dụng ở những nơi cần thiết như bệnh viện, truyền hình, quân sự và

thông tin liên lạc…Ngoài ra nó còn được sử dụng ở một số hộ dân cần điện để

phục vụ sản xuất kinh doanh liên tục khi thiếu điện lưới Hiệu suất làm việc của

máy 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 thay

đổi Dòng điện kích thích It của máy điện được lấy từ nguồn điện bên ngoài và

được điều chỉnh nhờ vào biến trở rt

Khi vận hành thường máy phát điện cung cấp cho tải đối xứng Chế độ này

phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát điện, công suất cấp cho tải

không 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 của

máy phát điện đồng bộ ta dựa vào ba đại lượng chủ yếu là U, I, it thành lập các

đặc 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 dây Stator với dòng điện kích từ khi dòng điện tải bằng không Trong hệ đơn vị tương đối máy phát điện đồng bộ cực ẩn và máy phát điện đồng bộ cực lồi khác nhau không nhiều, đặc tính không tải được hiển thị bằng đơn vị tương đối giống như trên hình 1.3

= và * t

t tdmo

i i i

=

Với itđmo là dòng điện không tải khi U = Uđm

Hình 1.4 Đồ thị véc tơ và mạch điện thay thế của máy phát điện lúc ngắn mạch Đặc tính ngắn mạch là quan hệ giữa dòng điện tải khi ngắn mạch và dòng điện kích thích khi điện áp bằng không , tần số bằng tần số định mức ( khi dây quấn phần ứng được nối tắt ngay đầu máy) Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn phần 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 thức 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 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 bão hoà, 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

Tỷ số ngắn mạch K là tỷ số dòng điện ngắn mạch Ino ứng với dòng điện kích thích sinh ra sức điện động E = Uđm khi không tải với dòng điện định mức Iđm, nghĩa là K = no

E

I

jx −σ I

jx −d I jIx d

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 :

*

1

dm

d dm d

U

x I = x Thường xd∗ > 1 do đó K < 1 và dòng điện ngắn mạch xác lập Ino < Iđm , vì vậy có thể kết luận rằng dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ không lớn Sở dĩ như vậy là do khử từ rất mạnh của phản ứng phần ứng

I = f(it)

U = f(it)

UdmU.I

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 ΔU nhỏ và theo biểu thức

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 ứng phải tăng kích thước của máy Kết quả là phải dùng nhiều vật liệu hơn và giá thành của máy cao hơn

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 có tính cảm khi I tăng phản ứng khử từ của phần ứng cũng tăng, điện áp giảm và đường biểu diễn đi xuống Ngược lại nếu tải có tính dung khi I tăng, phản ứng phần ứng là trợ từ, điện áp tăng và đường biểu diễn đi lên

Độ thay đổi điện áp định mức ΔUđm của máy phát điện đồng bộ theo định nghĩa là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cosϕ = cosϕđm đến không tải, trong điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích Trị số của ΔUđmthường biểu thị theo phần trăm của điện áp định mức, nghĩa là :

ΔUđm% = dm.100

dm

E U 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 tăng làm 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 với dòng kích từ khi tải là không đổi Với các trị số khác nhau của I và cosϕ sẽ có các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thuần cảm ứng với cosϕ = 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 điện kháng Cách thành lập tam giác điện kháng như sau :

13

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 itnhoặc sức từ động Ftn cần thiết bằng Ftn = itn = OC Như đã biết khi máy làm việc ở chế độ ngắn mạch sức từ động của cực từ Ftn = OC gồm hai phần : một phần 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 Fσư = Iđm .xσư = AB ( điểm

A nằm trên đoạn thẳng của đặc tính không tải đường 1 ) vì lúc đó mạch từ không bão hoà Tam giác ABC được hình thành như trên được gọi là tam giác điện kháng 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

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

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 :

η = 2 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 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

Tính toán các thông số cơ bản :

1 Điện áp pha của máy phát :

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

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 :

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

s dl

P l

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].Nên phương án trên là hợp lý

CHƯƠNG II

TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC STATOR,

DÂY QUẤN STATOR

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 :

=π.D=π.22,3=

1 1

1

1,95.1.162

18, 2 17,321

r dm

t a A u

2.3.18

108 1

r

p q u W

A A 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)

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 :

22 Hệ số bước ngắn :

1

8 sin sin sin 0,985

20 sin 3.sin

r

q k

q

αα

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

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

r cd ld

r

u n d k

1, 20 0,93 ( ) 36

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 1,378T nằm trong khoảng 1,2 ÷ 1,45T

40 Mật độ từ thông ở răng Stator :

1 1

0, 69.1,95.13,5

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

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

9,87 42 ( )

0,5 0,5.0, 47

o

o c

c

c

C

θθ

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 : δ = 0,15 (cm)

Khe hở không khí ở hai đầu mõm cực từ :

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN CỰC TỪ RÔTOR

D

D b

53 Chiều dài thân cực từ và mõm cực từ :

Trong đó với máy công suất nhỏ lấy Δlg2 = 0

60 Chiều cao của gông Rôtor :

Lá thép lõi sắt Stator dùng loại cán nguội mã 2211 dầy 0,5mm; cực từ làm bằng thép tấm CT3 dầy 1mm

61 Từ thông trong khe hở không khí :

1 1

δ

τ = = ta được ks = 1,153 và αδ =0,66

62 Chiều dài tính toán chính xác lõi sắt của Stator :

lδ = +l1 2 ' 13,5 2.0,177 13,85 (δ = + = cm)

Với : δ' 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

δ

δ δ

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

lδ = 13,85cm là chiều dài tính toán chính xác của lõi sắt Stato

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 :

1 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 :

2.2

c cl

b l

1

(0, 424.10 0,32.10 ).10 10

' 15,5.4.0,97

7, 06.10 0,532.10 ( )

zg c

+ Φ

2 2 2

1

(0, 424.10 0,32.10 ).10 10

zg c

79 Sức từ động trong gông Rôtor :

F g2 =L H g2. g2 = 3,83.H g2 ( )A

Trong đó :

2 2

2.

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

3,83 ( ) 2.2

cm g g

D h

cm p

85 Điện trở tác dụng của một pha dây quấn :

ρ = Ω là điện trở suất của đồng ở nhiệt độ tính toán

230,94

dm dm

t

k q

δ δ

τ α λ

δ

89 Hệ số từ tản phần đầu nối :

1 '

0,34 .( 0,64 )

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

q l

1 2

ud udm ud

o o

k F x

Theo đặc tính không tải ở bảng tính phần trên với E0* = 1 thì

Fδ0 = 1008,4A Với E* = 0,5 thì Fδ = 504,2A

504, 2

to o

F k F

μ δ

0 0,2 0,4 0,60,81 1,2 1,4

F*to

Hình IV.3 Đường đặc tính không tải tính toán

TÍNH TOÁN DÂY QUẤN KÍCH TỪ VÀ CÁC THAM SỐ CỦA MẠCH KÍCH TỪ

Dây quấn kích từ của máy đồng bộ cực lồi được đặt trên thân cực từ của Rôtor Với những máy công suất dưới 100KW (2p =4) thường dùng dây đồng tròn hay tiết diện chữ nhật có cách điện bằng men hay sợi thuỷ tinh và được quấn thành một lớp hoặc nhiều lớp

98 Theo bảng tính toán ở trên ta vẽ được đặc tính từ hoá và đặc tính

= trong hình IV.1 Theo đồ thị véc tơ ở hình IV.2 với Iđm*, Uđm*, cosϕđm ; r1* ; xσư* xác định được Eδ* = 1,067 và δ = 0,250

Từ hình IV.1 với Eδ* = 1,067 có F zg 1,06

F

δ δ

udm udm

to

F F

1

1,4 1 0,5 0

E * φ *

F cg* F δd* F*ưd F cg*

F*tđm

F *