THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA

KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc lâp-Tự do-Hạnh phúc
---o0o---

ĐỒ ÁN MÁY ĐIỆN
Tên Đề Tài:

THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
BA PHA

Giáo Viên Hướng Dẫn:
Sinh Viên Thực Hiện:

NGUYỄN VĂN HÀ
BẠCH TRỌNG NAM

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

-1-

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

LỜI MỞ 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.
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.
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 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 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 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 Nguyễn Văn Hà và tất cả
quý thầy cô đã giúp em hoàn thành đồ án này!
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

-2-

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

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 đổi
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 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

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

-3-

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

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.
A

N

B

C

Hình 1.1 cấu tạo của Stator.
Khi Rôtor quay với tốc độ n thì từ trường cực từ sẽ quét và cảm ứng lên các
dây quấn phần ứng các sức điện động xoay chiều hình sin lần lượt lệch pha nhau
1200 theo chu kỳ thời gian, có trị số hiệu dụng là :

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

-4-

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

Trong đó :

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

EO=4,44.f.Wl.Kdq.Φ0
E0 là sức điện động pha.
f tần số của máy phát.
Kdq hệ số dây quấn.

W1 số vòng dây pha.
Φ0 từ thông cực từ Rôtor

Với tần số :
f =

p.n

60

(1.1)

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 120 0 về thời gian sẽ tạo ra từ trường
quay với tốc độ n1 :
n1 =

60. f
p

(1.2)

So sánh (1.1) và (1.2) ta thấy n = n 1 , 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. Phần
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 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.
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

-5-

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY 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.
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

-6-

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

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
Điêzel thường có cấu tạo cực lồi.
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 .
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

-7-

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

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, i t thành lập các
đặc tính sau :
1.
2.
3.
4.
5.

Đặc tính không tải E = Uo = f(it) khi I = 0 và f = fđm
Đặc tính ngắn mạch In = f(it) khi U = 0 ; f = fđm
Đặc tính ngoài U = f(It) khi it = const ; cosϕ = const ; f = fđm
Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U = const ; cosϕ = const ; f = fđm
Đặc tính tải U = f(it) khi I = const ; cosϕ = const ; f = fđm

( (

•

MFĐ

V

•

W

V

•
A
H
• Wì
•
n
Hình 1-7: Sơ đồ đấu dây xác định đặchtính
của máy phát điện đồng bộ.b
•

V

((
VRt

A
A

((
( (

A ( (

Z
Z
Z

It
*
E
*

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

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

-8-

SVTH:Bạch Trọng Nam

KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

E∗

it∗

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

E
Edm

it * =

và

it
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
E

χ
δ

u

jx ­ dI

.

jIx d
.

E

I

jx ­ σ I

χ
ud

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
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

-9-

SVTH:Bạch Trọng Nam

KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

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 d .xd − j. I q .xq − I .ru 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.

Hình 1.5- Đặc tính ngắn mạch.

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

I no

K= I

dm

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

U dm

trong đó Ino = x
d
- 10 -

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

Với xd trị số bão hoà của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = U đm . Thay trị
số của Ino vào biểu thức của K ta có :
U dm

1

K = x .I = x . Thường xd∗ > 1 do đó K < 1 và dòng điện
d dm
d*
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.

Hình 1.6 Xác định tỷ số ngắn mạch K
Tỷ số ngắn mạch :
I mo

ito

K= I =i
dm
tn
Trong đó :
Ito là dòng điện kích thích khi không tải lúc Uo = Uđm
Itn dòng điện kích thích lúc ngắn mạch khi I = Iđm
Tỷ số ngắn mạch K là một tham số quan trọng của máy điện đồng bộ. Máy
có K lớn có ưu điểm cho độ thay đổi điện áp ∆U nhỏ và theo biểu thức
Id =
Iq =

E − U .cosθ
xd
U .sin θ
nó sẽ sinh ra công suất điện từ lớn khiến cho
xq

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 11 -

SVTH:Bạch Trọng Nam

KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

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.
III.3 Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp ∆ Uđm 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 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 cosϕ = cosϕđm đến
không tải, trong điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích. Trị số của ∆Uđm
thường biểu thị theo phần trăm của điện áp định mức, nghĩa là :
∆Uđm% =

E − U dm
.100
U dm

thông số ∆Uđm% = 25% ÷ 30%
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 12 -

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

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

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 i t .
Thông thường cosϕđm = 0,8 ( thuần cảm ), nên từ không tải ( U = U đm ; 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 .
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ
- 13 SVTH:Bạch Trọng Nam

KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

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 :

U.I

A'

Eδ

O' B'

I­=­0
I­=­Idm

M

C'

3

2

1
Idm
xδ­ Idm

O

k­ dF­ d

C Q

P

it

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 I n = 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 F tn = OC gồm hai phần : một phần để
khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng BC = k ưd.Fưd sinh ra Eưd ; phần
còn lại OB = OC – BC sẽ sinh ra sức điện động tản từ F σư = 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
3 ).

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 14 -

SVTH:Bạch Trọng Nam

KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

E0
−j.xưd.I
− j.xσư.I

U

Eδ

I

O

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 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 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 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.
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 15 -

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

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
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 :
P2

η= P + p
∑
2
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%.

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 16 -

SVTH:Bạch Trọng Nam

KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

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 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 :
Điện áp định mức
:
Hệ số công suất

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

- 17 -

Pđm = 10(kVA)
Uđm = 380/220(∆/Y)
cosϕ = 0,8

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

Ud = Uf

2. Công suất điện từ tính toán P’:
P ' = K E .Pdm = 1, 08.10 = 10,8(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 :
2
K E = Eδ* = cos ϕdm
+ (sin ϕdm + xσ2* ) 2 =

= 0,82 + (0, 6 + 0,125) 2 = 1, 08

2
sin ϕ = 1 − cos ϕdm
= 1 − 0,82 = 0, 6
Với
Và thường đối với máy phát thì xσ∗ = 0,06 ÷ 0,15 ta chọn xσ∗ = 0,125
3. Dòng điện pha định mức :

I fdm =

Pdm
10000
=
= 8, 771( A)
3.U dm 3.380

4. Số đôi cực :
p=

60. f 60.50
=
=2
n
1500

5. Đường kính trong của Stator :
Theo hình 11.2 [1] với P’ = 10,8 (kVA) và số đôi cực p = 2, đường kính
trong Stator bằng :
D = 21 (cm)
6. Đường kính ngoài lõi sắt Stator :
Dn =

D
21
=
= 31,5(cm)
K D 0, 66

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 = 31,5 (cm). Chiều
cao tâm trục h = 20 (cm).
7. Bước cực :
τ=

π .D π .21
=
= 16, 493(cm)
2p
4

8. Sơ bộ chiều dài tính toán của Stator :
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 18 -

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

lδ' =
=

6,1.P ' .107
=
α δ .k s .kdl . A.Bδ .D 2 .n
6,1.10,8.107
= 13,145(cm)
0, 66.1,15.0,92.155.0, 7.212.1500

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 nằm trong khoảng 0,91 ÷ 0,92. Do đó chọn kdl = 0,92
αδ - hệ số cung cực từ. Chọn αδ = 0,66
ks - hệ số dạng sóng. Chọn ks = 1,15
αδ.ks - tích số. αδ.ks = 0,75
A - tải đường. Theo hình 11.4 [1] với bước cực τ
=16,493 (cm) ta có A = 155 (A/cm)
Bδ - tải điện từ. Theo hình 11.4 [1] với bước cực τ
= 16,493(cm) ta có Bδ = 0,7 (T)
D - đường kính trong Stator (cm)
n - tốc độ dịnh mức (vg/ph)
9. So sánh tính kinh tế :
λ=

lδ 13,145
=

= 0, 797
τ 16, 493

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

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 19 -

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

CHƯƠNG II
TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC STATOR,
DÂY QUẤN STATOR
VÀ KHE HỞ KHÔNG KHÍ
10.Sơ bộ định chiều dài lõi sắt Stator :
l1' = lδ' = 13,145(cm)

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 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 :
t1 =

π .D π .21
=
= 1,832(cm)
Z1
36

16. Số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh Stator :
t1.a1. A 1,832.1.155
=
= 32,37 (rãnh)
I dm
8, 771
Chọn số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh ur1 = 32 (rãnh)
ur1 =

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 :
W1 =

p.q.ur1 2.3.32
=
= 192 (vòng)

a1
1

Tính lại tải đường A :
Att =

Sai số :

2.mW
. 1.I dm 2.3.192.8, 771
=
= 153,15( A / cm)
2. p.τ
2.2.16, 493

∆A =

Att − A
153,1 − 155
.100 =
.100 = 1, 24(%)
Att
153,1

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 20 -

SVTH:Bạch Trọng Nam

KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

Ta nhận thấy trị số tải đường có giá trị sai số nằm trong phạm vi cho phép
∆A =1,24% <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 A nên tra được : AJ 1 khá
lớn. 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 J 1 = (5,175 ÷
5,625)A/mm2 đối với máy 2p = 4. Do đó sơ bộ ta chọn tích số AJ 1 = 892
(A2/cm.mm2).
Mật độ dòng điện là :
J1 =

AJ1 827
=
= 5, 4( A / mm 2 )
Att 153,1

20. Tiết diện dây sơ bộ :
s' =

I
8, 771
=
= 0,54(mm 2 )
a1.n1.J1 1.3.5, 4

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 :
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 :
J1 =

I
8, 771
=
= 5, 4( A / mm 2 )
a1.n1.s 1.3.0,541

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

Z
36
=
=9
2. p 2.2

22. Hệ số bước ngắn :
k y = sin β .

π
y π
8 π
= sin . = sin . = 0,985
2
τ1 2
9 2

23. Hệ số bước rải :
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 21 -

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

α
20
sin 3.
2 =
2 = 0,960
kr =

α
20
q.sin
3.sin
2
2
sin q.

Trong đó : α =

p.360o 2.360o
=
= 20o
Z
36

24. Hệ số dây quấn :
kdl = k y .kr = 0,985.0,960 = 0,946

25. Từ thông khe hở không khí :
Φ=

K E .U1
1, 08.380
=
= 0, 0098(Wb)
4.k s .kdl . f .w1 4.1,15.0,946.50.192

Trong đó :

KE = 1,08
U1 = 380(V)
Ks = 1,15
26. Mật độ từ thông khe hở không khí :
Bδ =

Trong đó :

kdl = 0,946
f = 50(Hz)
W1 = 192(vòng)

Φ.104
0, 0098.104
=
= 0, 695(T )
αδ .τ .l δ 0, 65.16, 493.13,145

Hệ số cung cực từ αδ = 0,65
Bước cực τ = 16,493(cm)
Chiều dài phần ứng l δ = 13,145(cm)

SƠ ĐỒ QUẤN DÂY MÁY PHÁT ĐIỆN 10 kVA
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 22 -

SVTH:Bạch Trọng Nam

KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

27. Sơ bộ định chiều rộng của răng :
b ' z1 =

Bδ .l1.t1 0, 695.13,145.1,832
=
= 0, 744(cm)
Bz1.l1.kc
1,8.13,145.0,95

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 23 -

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

Chọn b’Z1 = 0,98cm.
Ở đây lấy mật độ từ thông trên răng Bz1 = 1,8T theo bảng 10.5b [1]
hệ số ép chặt lõi sắt kc = 0,95 theo bảng 2.2
28. Sơ bộ chiều cao gông Stator :
h 'g 1 =

và

Φ.104
0, 0098.104
=
= 2,531(cm)
2.Bg1.l1.kc 2.1,55.13,145.0,95

Chọn chiều cao gông Stator : h’g1 = 3cm
Ở đây lấy mật độ từ thông trên gông Bg1 = 1,55T theo bảng 10.5a [1] .
29. Chọn dạng rãnh Stator :
Chọn rãnh Stator có dạng hình quả lê, nửa kín. Nó có kích thước và cách
điện như sau :
Chọn chiều cao miệng rãnh : h41 = 0,5mm
Bề rộng miệng rãnh :
b41 = dcđ + 1,5 = 0,895 +1,5 = 2,4mm
Chiều dầy cách điện rãnh :
c = 0,4mm
Chiều dầy cách điện của nêm : c’ = 2,0mm

Hình 2.1 Kích thước rãnh Stator
GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 24 -

SVTH:Bạch Trọng Nam


KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

30. Đường kính d2 của rãnh :
π .( D + 2.h41 ) − b ' z1 .Z
=
Z −π
π .(21 + 2.0, 05) − 0, 744.36
=
= 1, 202(cm)
36 − π

d2 =

Trong đó :
Chiều cao miệng rãnh h41 = 0,5mm = 0,05cm
31. Đường kính d1 của rãnh :
π .( Dn − 2.h 'g1 ) − b 'z1 .Z
=
Z +π
π .(31,5 − 2.3) − 0, 744.36
=
= 1,362(cm)
36 + π

d1 =

32. Chiều cao rãnh :
hrS = hr1 =

Dn − D − 2.h 'g1

2

=

31,5 − 21 − 2.3
= 2, 25(cm)
2

33. Chiều cao phần thẳng của rãnh :
h12 = hr1 −

d1 + d 2 + 2.h41
1,362 + 1, 202 + 2.0, 05
= 2, 25 −
= 0,918(cm)
2
2

34. Diện tích rãnh :
π .(d12 + d 22 ) d1 + d 2
d
+
.(h12 − 2 ) =
8
2
2
2
2
π .(1,362 + 1, 202 ) 1,362 + 1, 202
1, 202

=
+
.(0,918 −
) = 1, 702(cm 2 ) = 170, 2( mm 2 )
8
2
2

S 'r =

35. Diện tích cách điện rãnh :

GVHD:NGUYỄN VĂN HÀ

- 25 -

SVTH:Bạch Trọng Nam