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

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

12




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 r
t
và Z ( khi đó phải có cuộn cảm có
thể điều chỉnh được ) sao cho I = I
đm
. 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 r
ư
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
75
o

C.
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 f
1
). 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 tr
ường 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 f
1
.
Tổn hao cơ bao gồm :
1.Tổn hao công suất cần thiết để đưa không khí hoặc các chất làm lạnh khác
vào các bộ phận của máy.
2. Tổn hao công suất do ma sát ở ổ trục và ở bề mặt Rôtor và Stator khi
Rôtor quay trong môi chất làm lạnh ( không khí, …)
Ở các máy điện đồng bộ công suất và tốc độ quay khác nhau tỷ lệ phân phối
các tổn hao nói trên không giống nhau. Trong các máy phát điện đồng bộ bốn cực
công suất trung bình, tổn hao
đồng trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn kích từ
chiếm tới khoảng 65% tổng tổn hao. Trong khi tổn hao trong lõi thép Stator ( kể
cả tổn hao chính và tổn hao phụ ) chỉ chiếm khoảng 14%. Trong máy phát điện

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

13
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
Pp+
∑

Trong đó P
2
– 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 c
ủa máy. Vì vậy giai đoạn
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

14
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, B
δ
của vật liệu tác
dụng của máy. Việc chọn A và B
δ

ảnh hưởng rất nhiều đến kích thước chủ yếu D
và l. Về mặt tiết kiệm nhiên liệu thì nên chọn A và B
δ
lớn, nhưng nếu A và B
δ

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
δ
cần xét đến chất lượng vật liệu sử
dụng. Nếu dùng vật liệâu sắt từ tốt có thể chọn B
δ
lớn. Dùng dây đồng có cấp
cách điện cao thì có thể chọn A lớn. Ngoài ra tỷ số giữa A và B
δ
cũng ảnh hưởng
đến đặc tính làm việc của máy phát điện vì A đặc trưng cho mạch điện còn B
δ

đặc trưng cho mạch từ.
Các thông số ban đầu :
Công suất định mức máy phát : P
đm
= 12kVA
Điện áp định mức : U
đm
= 400V
Tần số : f = 50Hz
Tốc độ định mức : n = 1500vg/ph
Hệ số công suất : cosϕ = 0,8

Số pha : m = 3

Tính toán các thông số cơ bản :
1. Điện áp pha của máy phát :


400
230,94 ( )
33
dm
U
UV===

2. Công suất điện từ tính toán P’:


' . 1,08.12 12,96( )
Edm
PKP kVA== =
Trong đó K
E
là hệ số thể hiện mối quan hệ giữa sức điện động khe hở và
điện áp máy phát. Hệ số K
E
được tính như sau :


*2 2*2
22
cos (sin )

0,8 (0,6 0,125) 1, 08
Edmdm
KE x
σ
ϕϕ
δ
== + + =
=++ =

Với
22
sin 1 cos 1 0,8 0,6
dm
ϕϕ
=− =− =

Và thường đối với máy phát thì x
σ
∗
= 0,06 ÷ 0,15 ta chọn x
σ
∗
= 0,125
3. Dòng điện pha định mức :
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

15

12000
17,321 ( )

3. 3.400
dm
dm
dm
P
I
A
U
===

4. Số đôi cực :

60. 60.50
2
1500
f
p
n
== =

5. Đường kính trong của Stator :
Theo hình 11.2 [1] với P’ = 12,96 (kVA) và số đôi cực p = 2, đường kính
trong Stator bằng :
D = 22,3 (cm)
6. Đường kính ngoài lõi sắt Stator :

22,3
32,79 ( )
0,68
n

D
D
Dcm
K
== =

Trong đó K
D
được xác định theo số đôi cực K
D
= 0,66 ÷ 0,7 với 2p = 4.
Ta chọn K
D
= 0,68
Theo bảng 11.2 [1] ta chọn đường kính ngoài D
n
= 32,7 (cm). Chiều
cao tâm trục h = 20 (cm).


7. Bước cực :

. .22,3
17,514 ( )
24
D
cm
p
π
π

τ
== =
8. Sơ bộ chiều dài tính toán của Stator :


'7
'
2
7
2
6,1. .10
. .
6,1.12,96.10
13,54 ( )
0,66.1,15.0,92.162.0,7.22,3 .1500
sdl
P
l
kk ABDn
cm
δ
δδ
α
==
==


Trong đó :
P’- công suất tính toán (kVA)
k

dl
- 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 k
dl
= 0,92
α
δ
- hệ số cung cực từ. Chọn α
δ
= 0,66
k
s
- hệ số dạng sóng. Chọn k
s
= 1,15
α
δ
.k
s
- tích số. α
δ
.k
s
= 0,75
A - tải đường. Theo hình 11.4 [1] với bước cực τ
= 17,514(cm) ta có A = 162 (A/cm)
B
δ
- tải điện từ. Theo hình 11.4 [1] với bước cực τ
= 17,514(cm) ta có B

δ
= 0,7 (T)
D - đường kính trong Stator (cm)
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

16
n - tốc độ dịnh mức (vg/ph)
9. So sánh tính kinh tế :


13,54
0,773
17,514
l
δ
λ
τ
== =
Ta nhận thấy hệ số λ nằm trong vùng kinh tế của hình 11.5 [1].Nên
phương án trên là hợp lý.

CHƯƠNG II

TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC STATOR,
DÂY QUẤN STATOR
VÀ KHE HỞ KHÔNG KHÍ

10. Sơ bộ định chiều dài lõi sắt Stator :

''
1
13,5 ( )ll cm
δ
==

11. Với máy có công suất P = 12kVA và có chiều dài lõi sắt l = 13,5cm thì ta
chọn loại thép cán nguội 2211, với chiều dài ngắn lõi sắt có thể ép thành
một khối, không cần rãnh thông gió.
12.Số mạch nhánh song song của dây quấn Stator :
Do dòng điện pha tính ra I = 17,321A < 50A cho nên lấy a = 1 nhánh
13.Số rãnh mỗi pha dưới mỗi cực :
Với 2p < 8 thì chọn q là số nguyên trong khoảng q = 3÷ 5, trong đó trị số
lớn dùng cho máy có số đôi cực ít. Do đó chọn q = 3 rãnh.
14.Số rãnh Stator Z
1
:

1
2. . . 2.3.2.3 36Zmpq===(rãnh)
15. Bước rãnh t
1

:

1
1
22,3
1, 95 ( )
36
D
tcm
Z
π
π
== =

16. Số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh Stator :
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

17

11
1
. . 1,95.1.162
18,2
17,321
r
dm
taA
u
I
== =

(rãnh)
Chọn số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh
1
18
r
u
=
(rãnh)
17. Với điện áp U = 400V, chiều cao tâm trục h = 20cm ta chọn dây quấn hai
lớp phần tử mềm đặt vào rãnh nửa kín.
18. Số vòng dây của một pha :

1
1
1
. . 2.3.18
108
1
r
pqu
W
a
===
(vòng)
Tính lại tải đường A :

1
2. . .
2.3.108.17,321
160,21 ( / )

2. . 2.2.17,514
dm
tt
mW I
AAcm
p
τ
== =

Sai số : ΔA =
160,21 162
.100 .100 1,12 (%)
160,21
tt
tt
AA
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 AJ
1
:
Để dễ dàng làm mát nên chọn kiểu bảo vệ của máy là IP23. Theo hình 10-4d
[1] với đường kính D
n
= 32,7cm và cách điện cấp B nên tra được : AJ
1
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 J
1
= (6,9 ÷
7,5)A/mm
2
đối với máy 2p = 4. Do đó sơ bộ ta chọn tích số AJ
1
=
1279(A
2
/cm.mm
2
).
Mật độ dòng điện là :

2
1
1
1279
7,983 ( / )
160,21
tt
AJ
J
Amm
A
== =

20. Tiết diện dây sơ bộ :

'2
111
17,321
0,723 ( )
. . 1.3.7,983
I
smm
anJ
== =

Trong đó : a
1
: số mạch nhánh song song. Theo ở trên thì a
1
= 1 nhánh.
n
1
: số sợi chập. Ở đây chọn số sợi chập n
1
=3 sợi.
Dựa vào phụ lục VI.1 [1] ta chọn tiết diện dây dẫn chuẩn không kể cách
điện :
s = 0,849 (mm
2
)
Đường kính dây không kể cách điện :
d
kcđ
= 1,04(mm)

Đường kính dây kể cả cách điện :
d
cđ
= 1,12(mm)
Tính lại mật độ dòng điện J
1
:
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

18

2
1
11
17,321
6,801 ( / )
. . 1.3.0,849
I
J
Amm
ans
== =

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

1
36
9

2. 2.2
Z
p
τ
===



22. Hệ số bước ngắn :

1
8
sin . sin . sin . 0,985
2292
y
y
k
π
ππ
β
τ
== ==

23. Hệ số bước rải :

20
sin . sin3.
22
0,960
20

.sin 3.sin
22
r
q
k
q
α
α
== =

Trong đó :
.360 3.360
20
36
oo
o
p
Z
α
===
24. Hệ số dây quấn :


. 0,985.0,960 0,946
dl y r
kkk== =

25. Từ thông khe hở không khí :

1
1
. 1,08.230,94
0,0106 ( )
4. . . . 4.1,15.0,946.50.108
E
sdl
KU
Wb
kk fw
Φ= = =

Trong đó : K
E
= 1,08 k
dl
= 0,946
U
1
= 230,94(V) f = 50(Hz)
K
s
= 1,15 W
1
= 108(vòng)
26. Mật độ từ thông khe hở không khí :

44
.10 0,0106.10
0,690 ( )

. . 0,65.17,514.13,5
B
T
δ
δδ
ατ
Φ
== =
l

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

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

19
tới 3
A
1 tới
tới 29
2 tới
tới 30
3 tới

X
B
tới 7
tới 8
35 tới
tới 34
7 tới
tới 35
8 tới
tới 36
C
4 tới
tới 31
5 tới
tới 32
6 tới
tới 33
31 tới
tới 4
29 tới
tới 5
tới 6
33 tới
Z
34 tới
Y
Sơ đồ dây quấn máy phát điện ba pha P = 12kVA
Z = 36 ; p = 2 ; y = 8 ;
τ = 9 ; q = 3
tới 2

tới 1 tới 2
29 tới
30 tới
32 tới
tới 5
32 tới
36 tới
tới 8

27. Sơ bộ định chiều rộng của răng :
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

20


11
1
11

0,690.13,5.1,95
'0,80()
. . 1,8.13,5.0,95
z
zc
Blt
bcm
Blk
δ
== =

Chọn b’
Z1
= 0,98cm.
Ở đây lấy mật độ từ thông trên răng B
z1
= 1,8T theo bảng 10.5b [1] và
hệ số ép chặt lõi sắt k
c
= 0,95 theo bảng 2.2
28. Sơ bộ chiều cao gông Stator :


44
1
11
.10 0,0106.10
'2,67()
2. . . 2.1,55.13,5.0,95
g
gc
hcm
Blk
Φ
== =

Chọn chiều cao gông Stator : h’
g1
= 3cm
Ở đây lấy mật độ từ thông trên gông B
g1

= 1,55T theo bảng 10.5a [1] .
29. Chọn dạng rãnh Stator :
Chọn rãnh Stator có dạng hình quả lê, nửa kín. Nó có kích thước và cách
điện như sau :
Chọn chiều cao miệng rãnh : h
41
= 0,5mm
Bề rộng miệng rãnh : b
41
= d
cđ
+ 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


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

21

Hình 2.1 Kích thước rãnh Stator

30. Đường kính d
2
của rãnh :


41 1
2
.( 2. ) ' .

.(22,3 2.0,05) 0,98.36
1,10 ( )
36
z
Dh bZ
d
Z
cm
π
π
π
π
+
−
==
−
+−
==
−


Trong đó : Chiều cao miệng rãnh h
41
= 0,5mm = 0,05cm
31. Đường kính d
1
của rãnh :


11

1
.( 2. ' ) ' .
.(32,7 2.3) 0,98.36
1, 20 ( )
36
ngz
Dh bZ
d
Z
cm
π
π
π
π
−−
==
+
−−
==
+



32. Chiều cao rãnh :

1
1
2. '
32,7 22,3 2.3
2, 2 ( )

22
ng
rS r
DD h
hh cm
−
−
−−
== = =
33. Chiều cao phần thẳng của rãnh :

12 41
12 1
2.
1,20 1,10 2.0,05
2, 2 1 ( )
22
r
dd h
hh cm
+
+
+
+
=− = − =

34. Diện tích rãnh :

22
12 12 2

12
22
22
.( )
'.()
822
.(1,20 1,10 ) 1,20 1,10 1,10
.(1 ) 1,558 ( ) 155,8 ( )
822
r
dd dd d
Sh
cm mm
π
π
++
=+−=
++
=+−==

35. Diện tích cách điện rãnh :

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

22



Hình 2.2 Cách điện rãnh Stator

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

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


12
12 1 2
22

2. ( ) . . '
22
.1,20 .1,10
2.1 (1, 20 1,10) .0,04 .0,2 0,593 ( ) 59,3 ( )
22
cd
dd
Shddcc
cm mm

ππ
ππ
⎡⎤
=+++ + =
⎢⎥
⎣⎦
⎡⎤
=+++ + = =
⎢⎥
⎣⎦

36. Diện tích có ích của rãnh :


2
' 155,8 59,3 96,5 ( )
rrcd
SSS mm=−= − =

37. Hệ số lấp dầy rãnh :


2
2
11

18.3.1,12
0,702
96,5
rcd

ld
r
und
k
s
== =
Ta nhận thấy hệ số lấp đầy nằm trong phạm vi cho phép là 0,7 ÷ 0,75. Do đó
các kích thước rãnh chọn như trên là hợp lý.
37. Bề rộng răng Stator :


41 2
12
.( 2. )
"
.(22,3 2.0,05 1,10)
1,10 0,95 ( )
36
z
Dhd
bd
Z
cm
π
π
+
+
=−=
++
=−=

[
]
[]
41 12
11
.2.( )
"'
.22,3 2.(0,05 1)
1,20 0,93 ( )
36
z
Dhh
bd
Z
cm
π
π
++
=−=
++
=−=


11
1
""'0,950,93
0,94 ( )
22

zz
z
bb
bcm
+
+
== =

38. Chiều cao gông Stator :