1. Trang Chủ
  2. Điện-Điện tử-Viễn thông
  3. Đề tài

Đề tài

Tham khảo luận văn - đề án 'đề tài thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát ', luận văn - báo cáo phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. ĐỀ TÀI Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện : 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. MỤC LỤC Trang

Thể loại Tài liệu miễn phí Điện-Điện tử-Viễn thông

Số trang 121

Ngày tạo 8/29/2018 8:26:15 PM +00:00

Loại tệp DOC

Kích thước

Tên tệp

Tải Đề tài (.docx) Tải Đề tài (.pdf)

Xem mẫu

  1. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. ĐỀ TÀI Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện : 1
  2. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. MỤC LỤC Trang Lời nói đầu 1 Phần I : Giới thiệu về máy phát điện xoay chiều 3 I. Định nghĩa và công dụng 3 II. Đặc điểm và cấu tạo 3 II.1 Đặc điểm 4 II.2 Cấu tạo 5 III. Các đặc tính của máy phát đồng bộ 8 III.1 Đặc tính không tải 9 III.2 Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch 9 III.3 Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp máy phát 12 III.4 Đặc tính điều chỉnh 13 III.5 Đặc tính tải 13 III.6 Tổn hao và hiệu suất của máy điện đồng bộ 15 Phần II : Thiết kế tính toán điện từ và thiết kế kết cấu 17 Chương I. Tính toán và xác định kích thước chủ yếu 17 Chương II. Tính toán kích thước Stator, dây quấn Stator và khe hở không khí. 20 Chương III.Tính toán cực từ Rôtor 30 Chương IV. Tính toán mạch từ 32 Chương V. Tham số của dây quấn Stator ở chế độ định mức 37 Chương VI. Tính toán dây quấn kích từ và tham số mạch kích từ 42 Chương VII. Tính khối lượng, tính tổn hao và tính toán nhiệt 49 Chương VIII. Tính toán kết cấu 55 Phần III : Thiết kế sơ đồ và tính toán mạch ổn định điện áp 60 Chương I. Khái quát về hệ kích từ máy điện đồng bộ 60 I.1 Đại cương 61 I.2 Các loại hệ kích từ máy điện đồng bộ 61 I.3 Giới thiệu các sơ đồ chỉnh lưu thường gặp 65 Chương II. Tính chọn thiết bị mạch động lực 81 II.1 Sơ đồ mạch động lực 81 II.2 Tính chọn các thông số của mạch động lực 82 II.2.1 Chọn van động lực 82 II.2.2 Chọn máy biến áp chỉnh lưu 83 II.2.3 Chọn các thiết bị bảo vệ 84 Chương III. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ổn định điện áp máy điện đồng bộ 87 III.1 Mạch điều khiển Thyristor đơn giản 87 2
  3. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. III.2 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển 88 III.3 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu 90 III.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 91 III.4.1 Giới thiệu một số sơ đồ trong các khâu. 91 III.4.2 Xây dựng mạch điều khiển. 100 III.5 Tính chọn thông số mạch điều khiển . 105 III.5.1 Tính chọn biến áp xung. 105 III.5.2 Tính chọn tầng khuếch đại cuối cùng. 105 III.5.3 Tính chọn tầng so sánh. 106 III.5.4 Tính chọn khâu đồng pha. 107 III.5.5 Tạo nguồn nuôi. 108 III.6 Tính chọn khâu phản hồi. 110 III.6.1 Sơ đồ khâu phản hồi dòng. 110 III.6.2 Tính chọn khâu phản hồi dòng và phản hồi áp. 112 Tài liệu tham khảo 3
  4. 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 loạ i 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, Cos = 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 c ư 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 hiệ n 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.  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 4
  5. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.  Chương VI : Tính toán dây quấn và thông số mạch 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 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 kiế n 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. 5
  6. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 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. Ngoài ra các động cơ đồng bộ công suất nhỏ( đặc biệt là các động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu ) cũng được dùng rất rộng rãi trong các trang bị tự động và điều khiển. I. ĐỊNH NGHĨA VÀ CÔNG DỤNG I.1 Định nghĩa Những máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay Rôtor n bằng tốc độ quay của từ trường n1 gọi là máy điện đồng bộ, có tốc độ quay Rôtor luôn không đổ i khi tải thay đổi. I.2 Công dụng Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện rất quan trọng của các lưới điện công nghiệp. Trong đó các động cơ sơ cấp là các tuabin hơi nước hoặc tuabin nước. Công suất đơn chiếc mỗi máy có thể đạt đến 1200MW đối với máy phát tuabin hơi và đến 560MW đối với máy phát tuabin nước. Các lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện được kéo bởi động cơ Điêzel hoặc các tuabin khí, chúng có thể làm việc riêng lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song với nhau. Các máy phát điệ n 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 thiể u lực ly tâm. Và ngược lại, đối với máy phát điện tuabin nước, tốc độ thấp nên 6
  7. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 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 c ủa 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 nhiệ m vụ tạo ra từ trường phần cảm. A N B C Khi Rôtor quay với tốc độ n thì từ trường cực từ sẽ quét và cảm ứng lên các dây quấn phần ứng các sứcHình 1.1 cấu xoayủchiều hình sin lần lượt lệch pha nhau điện động tạo c a Stator. 0 120 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 : p.n (1.1) f 60 Với p là số đôi cực của máy. 7
  8. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. Khi máy phát điện đồng bộ làm việc khép kín mạch với tải, có dòng điện ba pha chạy trong ba dây quấn lệch nhau góc 1200 về thời gian sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 : 60. f (1.2) n1  p So sánh (1.1) và (1.2) ta thấy n = n1 , có nghiã là tốc độ quay của Rôtor bằng tôc độ của từ trường quay. Vì vậy ta có máy phát điện đồng bộ. II.2 Cấu tạo II.2.1 Máy cực ẩn Rôtor được làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, trên đó người ta gia công phay để tạo rãnh đặt dây quấn kích từ. Phầ n không phay rãnh hình thành mặt cực từ. Các máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2 , như vậy tốc độ quay của Rôtor là 3000 vòng/phút. Để hạn chế lực ly tâm trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép Rôtor, đường kính D của Rôtor không quá 1,1 đến 1,5mét. Tăng công suất của máy bằng cách tăng chiều dài l của lõi thép. Chiều dài tối đa của Rôtor vào khoảng 6,5mét. Dây quấn kích từ đặt trên cực từ Rôtor được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây. Các vòng dây của lớp dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng. Dây quấn kích từ nằ m 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 nhằ m 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 quấ n 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 8
  9. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 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 nằ m 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 9
  10. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. Điêzel làm động cơ sơ cấp và được gọi là máy phát điện Điêzel. Máy phát điện Điêzel thường có cấu tạo cực lồi. Đặc điể m 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 hiệ u 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 tả i 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 Cos, 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 ; cos = const ; f = fđm 4. Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U = const ; cos = const ; f = fđm 5. Đặc tính tải U = f(it) khi I = const ; cos = const ; f = fđm A   W V Z V MF® A  V Z A W A   VRt Z H×nh 1-7: S¬ ® ®u d©y x¸c ®Þnh ®Ỉc 10 tÝnh cđa m¸y ph¸t ®iƯn ®ng
  11. 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 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 E it Hình 1.3 Đặc tính không tải máy phát điện Trong đơn vị tương đối : it E và E*  it*  Edm itdmo Với itđmo là dòng điện không tải khi U = Uđm III.2 Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch In = f(It) khi U= 0 và f = fđm 11
  12. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. E  u jx­ dI . jIxd I . E ud jx­ I I 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 (  = 90o ) như vậy Iq = cos = 0 và Id = I.sin = 1 Và đồ thị véc tơ của máy phát điện lúc đó như trên hình 1.4 . C ũng từ biểu thức cân bằng sức điện động : . . . . và các giả thiết như trên ta U  E  j . I d .xd  j. I q .xq  I .ru 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  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. I I = f(It) It Tỷ số ngắn mạchHK là tỷ số dòng§Ỉện ngắn mạch Ino ứng với dòng điện kích ×nh 1.5 - đi c tÝnh ng¾n m¹ch thích sinh ra sức điện động E = Uđm khi không tải với dòng điện định mức Iđm, I no U dm nghĩa là trong đó Ino = K= I dm xd 12
  13. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. Với xd trị số bão hoà của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = Uđm . Thay tr ị số của Ino vào biểu thức của K ta có : U dm 1 . Thường xd > 1 do đó K < 1 và dòng điệ n K=  xd .I dm xd * 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. U.I U = f(i t) Udm I = f(i t) I dm I no i to it i tn Hình 1.6 Xác định tỷ số ngắn mạch K Tỷ số ngắn mạch : I mo ito K=  I dm itn 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 điể m cho độ thay đổi điện áp U nhỏ và theo biểu thức E  U .cos Id = xd U . sin  nó sẽ sinh ra công suất điện từ lớn khiến cho Iq = xq máy làm việc ổn định khi tải dao động. Nhưng muốn K lớn nghĩa là xd nhỏ, phả i tăng khe hở  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. III.3 Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp Uđm của máy phát đồng bộ 13
  14. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) khi It = const ; cos = const và f =fđm. U cos (® n dung) iÖ Udm Udm cos cos(® n c¶m) iÖ 0 Idm I 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 Uđm của máy phát điện đồng bộ theo định nghĩa là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cos = cosđm đến không tải, trong điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích. Trị số của Uđm thường biểu thị theo phần tră m của điện áp định mức, nghĩa là : E  U dm Uđm% = .100 U dm 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 không tải 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 điện không đổi. 14
  15. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. It cos (® n c¶m) iÖ cos It cos(® n dung) iÖ 0 Idm I 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 giả m. Để giữ cho điện áp U không đổi phải tăng dòng điệ n từ hoá it . Ngược lại, ở tải dung khi I tăng, muốn giữ U không đổi phải 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 bộ với dòng kích từ khi tải là không đổi. Với các trị số khác nhau của I và cos sẽ có các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thuần cảm 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 tam giác điện kháng. Cách thành lập tam giác điện kháng như sau : 15
  16. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. U.I I =0 M I = I dm A' E 3 O' B' C' 2 1 I dm x­ I dm k­ dF­ d CQ it P O 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 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 Fư = Iđm .xư = AB ( điể m 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 điệ n 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 3 ). E j.xưd.I  j.xư.I U E 16 I
  17. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 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 cả m có thể điều chỉnh được ) sao cho I = Iđm . Dạng của đặc tính tải thuần cả m 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 chiế m 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 điệ n 17
  18. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 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 chiế m 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 : P2 = P2   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 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 độ tin cậy lúc làm việc của máy. Vì vậy giai đoạn này 18
  19. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 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, B của vật liệu tác dụng của máy. Việc chọn A và B ảnh hưởng rất nhiều đến kích thước chủ yếu D và l. Về mặt tiết kiệ m nhiên liệu thì nên chọn A và B lớn, nhưng nếu A và B 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 B cần xét đến chất lượng vật liệu sử dụng. Nếu dùng vật liệu sắt từ tốt có thể chọn B lớn. Dùng dây đồng có cấp cách điện cao thì có thể chọn A lớn. Ngoài ra tỷ số giữa A và B cũng ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của máy 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 = 12kVA Điện áp định mức : Uđm = 400V Tần số : f = 50Hz Tốc độ định mức : n = 1500vg/ph Hệ số công suất cos = 0,8 : Số pha : m=3 Tính toán các thông số cơ bản : 1. Điện áp pha của máy phát : U dm 400 U   230,94 (V ) 3 3 2. Công suất điện từ tính toán P’: P '  K E .Pdm  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 : K E  E  cos dm  (sin  dm  x ) 2  * 2 2*  0,82  (0, 6  0,125) 2  1, 08 sin   1  cos dm  1  0,82  0, 6 2 Vớ i Và thường đối với máy phát thì x = 0,06  0,15 ta chọn x = 0,125 3. Dòng điện pha định mức : Pdm 12000 I dm    17, 321 ( A) 3.U dm 3.400 19
  20. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 4. Số đôi cực : 60. f 60.50 p  2 n 1500 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 : D 22,3 Dn    32, 79 (cm) K D 0, 68 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  .22,3    17,514 (cm) 2p 4 8. Sơ bộ chiều dài tính toán của Stator : 6,1.P ' .107 l'    .k s .kdl . A.B .D 2 .n 6,1.12,96.107   13,54 (cm) 0, 66.1,15.0,92.162.0, 7.22,32.1500 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 nằ m 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 .ks - tích số. .ks = 0,75 A - tải đường. Theo hình 11.4 1 với bước cực  = 17,514(cm) ta có A = 162 (A/cm) B - tải điện từ. Theo hình 11.4 1 với bước cực  = 17,514(cm) ta có B = 0,7 (T) D - đường kính trong Stator (cm) n - tốc độ dịnh mức (vg/ph) 9. So sánh tính kinh tế : 20
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược