Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy điện 3 pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

PHẦ N I
GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU
Máy đ iện đồng bộ được sử dụng rộ ng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử
dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát đ iện.
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 đi ện còn được kéo các động cơ khác như động cơ
Điêzel, động cơ xy lanh hơi n ước, động cơ chạy bằng nhiên liệu Hyđro…được
chế tạ o v ới 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 su ất 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 đ iện xoay chiều có tốc độ quay Rôtor n bằng tốc độ quay
của từ trườ ng 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 đượ c kéo b ởi 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 tr ạm phát đi ện xoay chiều, chúng được s ử

d ụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực : trong cu ộc sống, công nghiệp, giao thông vận
tải, các nguồn điện dự phòng, điện năng trên các phương tiện di động…
ĐẶC ĐIỂM VÀ CẤU TẠO
AI. 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
AI.

1


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

máy phát đi ện thường có k ết cấu Rôtor cực ẩn với đường kính nhỏ để giảm thiểu
lực ly tâm. Và ngượ c lại, đối v ới máy phát điện tuabin nước, tố c 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 đi ện một
chiều được đưa vào cuộn dây kích từ thông qua hệ thống vành trượt. Cực t ừ của
máy phát đ iện ba pha được kích thích bằng dòng điện một chi ều 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 ph ần tĩnh và dây quấn phần ứng ở phần quay giống
trong máy đ iện 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 đồ ng bộ đồng bộ có dây quấn ba pha được đặt cách
0
nhau một góc 120 trong không gian, được gọi là phần ứng, cả m 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 v ới đố i với máy phát có tuabin tốc độ thấp như các máy phát tuabin
nước, các máy phát công suất nh ỏ và cực ẩn v ới tuabin có tốc độ cao như máy phát
Điêzel, tuabin hơi và khí ) làm nhiệm vụ tạo ra từ trường phần cảm.
A

N

C

B

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
0
Hình 1.1 cấu tạo của Stator.

120 theo chu kỳ thời gian, có trị số hiệu dụng là :
EO=4,44.f.Wl.Kdq.Φ0 Trong
đó : E0 là sức điện động pha.
f tần số của máy phát.
Kdq hệ số dây quấn.
Với tần số :
f = p.n

60

Với p là số đôi cực của máy.
2

W1 số vòng dây pha. Φ0 từ
thông cực từ Rôtor
(1.1)


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 t ải, 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 =

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 đượ c làm bằng thép h ợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối
hình tr ụ, trên đó ngườ i ta gia công phay để tạo rãnh đặt dây quấn kích từ. Phần
không phay rãnh hình thành mặt cực từ.
Các máy phát đi ện đồng bộ ba pha cực ẩn thường được chế tạo với số cực
2p = 2 , như vậy tốc độ quay củ a Rôtor là 3000 vòng/phút. Để hạn chế lực ly tâm
trong phạm vi an toàn đối v ới 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 đượ c 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 t ừ nằm
trong rãnh được cố đị nh và ép chặt bằng các thanh nêm phi từ tính đưa vào
miệng rãnh. Phần đầu n ối ở ngoài được đai ch ặt bằng các ống trụ thép phi từ tính
nhằm bảo vệ chống lại l ực điện độ ng do dòng điện gây ra. Hai đầu của dây qu ấn
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 t ừ mộ t 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 qu ấn ba pha, ngoài là thân và vỏ máy. Lõi thép Stator được ghép và ép
bằng các tấm tôn silic có phủ cách đ iện. 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 đ iện có tốc độ quay thấp thường được chế t ạo dạng cực lồi,
nên khác với máy cự c ẩn, đường kính D củ a Rôtor có thể lên đến 15met trong khi
chi ều dài lại nhỏ v ới tỷ lệ l/D = 0,15 – 0,2. Rôtor của máy phát điện đồng bộ cực lồi
công su ất nh ỏ 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
3


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

chế t ạo từ các tấm thép dày từ 1 đến 6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để
ghép thành các kh ối l ăng 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 ch ế 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 đi ện 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 qu ấn kiểu lồng sóc của máy đ iện không đồng bộ, nghĩ a 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 đồ ng bộ cực l ồi giống của máy phát đi ện đồng bộ cự
c ẩn. Để đảm bảo vận hành ổn đị nh, ngoài các yêu cầu chặt chẽ đối với kết cấu về đ
iện các kết cấu về cơ họ c và hệ th ống làm mát cũng được thiết kế chế t ạo phù hợp
và tương thích với t ừng 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 t ạo n ằm 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 đổ i 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

4


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

Điêzel làm độ ng cơ sơ cấp và được gọi là máy phát điện Điêzel. Máy phát điện
Điêzel thường có cấu tạo cực lồi.
Đặ c điểm khác biệt giữa những máy điện công suất nhỏ và máy đi ện công
suất lớn ngoài kích thước của chúng khác nhau thì chúng còn khác nhau về hiệu
suất làm việc, giá thành của máy cũ ng như giá điện sản xuất ra, thời gian làm
việc của nó… Máy phát điện công suất nh ỏ có cấu tạo gọn nhẹ, rất thu ận l ợi để
làm máy phát dự phòng khi mất điện lưới, như máy phát đi ện Điêzel có thể linh
động vận chuyển đi nơi khác để phục vụ khi cần thiết. Tuy nhiên máy đi ện 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 d ụng ở những n ơi cần thiết như bệnh vi ện, truy ền hình, quân
sự và thông tin liên lạc…Ngoài ra nó còn được sử d ụng ở một số h ộ dân cần
điện để phục vụ sản xuất kinh doanh liên tục khi thi ếu đi ện 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 lấ y các đặc tính của máy phát điện đồ ng 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 I t của máy điện được lấy từ nguồn điện bên ngoài và
được điều chỉnh nhờ vào biến trở rt .
Khi v ận hành thường máy phát điện cung cấp cho tải đối xứng. Chế độ này
phụ thuộc vào h ộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát đi ện, 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, tố c độ quay n. Để phân tích các đặc tính của
máy phát đi ện đồng bộ ta dựa vào ba đại lượng chủ yếu là U, I, i t 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

MFĐ
A
VRt

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


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 :
E=

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


6


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

E

Hình 1.4 Đồ thị véc tơ và mạch đ iện thay
thế của máy phát điện lúc ngắn mạch
Đặc tính ngắn mạch là quan hệ giữa dòng điện t ải khi ngắn mạch và dòng

điện kích thích khi đ iện áp bằng không , tần số b ằng tần số đị nh 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 :
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 t ừ thông khe h ở Φδ cần thiết để sinh ra E δ = E – I.xưd = i.xσư rất nhỏ. Do
đó quan hệ I = f(it) là đường thẳng như trên hình 1.5.
I

I = f(It)

It
Hình 1.5 - Đặc tính ngắn mạch

Tỷ số ngắn mạch K là t ỷ số dòng điện ngắn mạ ch 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

7


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 củ a đi ện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = U đm . Thay
trị số của Ino vào biểu thức của K ta có :
K=
ngắn mạch xác lập Ino < Iđm , vì vậy có thể kết luận rằng dòng điện ng ắn 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

dm

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

K=
Trong đó :
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

mo

I

Ito là dòng điện kích thích khi không tải
lúc Uo = Uđm

Itn dòng điện kích thích lúc ngắn mạch khi
I = Iđm
U nhỏ và theo biểu thức
Id =
Iq =

máy làm việc ổn định khi tải dao động. Nhưng muốn K lớn nghĩa là x d∗ nhỏ, phải
tăng khe hở δ và như vậy đòi hỏi ph ải tăng cường dây quấn kích từ và tươ ng
ứng phải t ăng 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


8


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 ; cosϕ = const và f =fđm.

U
cosϕ = 0,8 (®iÖn dung)

Udm

Udm

cosϕ = 1

cosϕ = 0,8(®iÖn c¶m)

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 đ i xuống. Ngược lại nế u 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 U đm
thường biểu thị theo phần trăm của điện áp định mức, nghĩa là :
Uđm% =

E −Udm
U

.100

dm

thông số Uđm% = 25% ÷ 30%
III.4 Đặc tính điều chỉnh
It = f(I) khi U = const ; cosϕ = const và f =fđm.
Đặ c tính đi ều chỉnh là quan hệ của dòng đ iện kích từ với dòng điện không tải
để luôn giữ cho điện áp không đổi. Nó cho biết h ướng điều chỉnh dòng điện I t của
máy phát điện đồng bộ để giữ cho điện áp ra U ở đầu máy phát điện không đổi.

9

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


It

Hình 1.8 Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ
Ta thấy với tải c ảm khi I t ăng, tác dụng kh ử từ của phản ứng phần ứng tăng
làm cho điện áp U bị gi ảm. Để giữ cho điện áp U không đổi phải t ăng 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 đổ i. Với các trị số khác nhau của I và cos ϕ s ẽ 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 :

10


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

U.I

Idm
xδ−Idm

O

k−dF−d

C Q P

it

Hình 1.9 Xác đặ c 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 đ iện kích thích itn
hoặc sức từ động Ftn cần thiết b ằng Ftn = itn = OC. Như đã biết khi máy làm việ c 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 = kưd.Fưd sinh ra Eưd ; phần
còn lại OB = OC – BC sẽ sinh ra sức điện động tản t ừ F σư = Iđm .x σư = 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 đ iện tải định mức I đm .
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 ).

E0
−j.xưd.I
− j.xσư.I
Eδ

U
11
I

O


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 th ị véc tơ sứ c đi ện 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 ch ỉnh được ) sao cho I = Iđm . Dạng của đặc tính tải thuần cảm như đườ ng 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.
Tổ n hao đồng là công suất mất mát trên dây quấn phần t ĩnh với giả thiết là
mật độ dòng điện phân bố đều trên tiết diện của dây dẫn. Tổn hao này phụ thuộc
vào tr ị 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 t ần số , trọng

lượng lõi thép, chất lượng của tôn silic, trình độ công nghệ chế tạo lõi thép.
Tổ n 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 đ iện 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% t ổng 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
12


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

tuabin nước công su ất l ớn, 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 t ới 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=
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 THƯỚ C 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
13


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

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 Bδ 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 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 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 Bδ
đặc trưng cho mạch từ.
Các thông số ban đầu :
Pđm = 12kVA Uđm
Công suất định mức máy phát :
= 400V f = 50Hz
Điện áp định mức
:
n = 1500vg/ph
Tần số
:
cosϕ = 0,8
Tốc độ định mức
:
m=3
Hệ số công suất
:
Số pha

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

Udm 400
3=
3 = 230,94 (V )

2. Công suất điện từ tính toán P’:
P ' = K E .Pdm = 1,08.12 = 12,96( kVA)

Trong đ ó KE là hệ số thể hiện mố i quan hệ giữa sức điện động khe hở và điện
áp máy phát. Hệ số KE được tính như sau :
K E = Eδ* = cos ϕ dm2 + (sin ϕdm + xσ2* )2 =
= 0,8 2 + (0,6 + 0,125) 2 = 1,08

Với
sin ϕ = 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 :

14


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

I
dm

60. f =

4. Số đôi cực : p =
5.

6.

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)
Đường kính ngoài lõi sắt Stator :
D=
n

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 :
τ=

8. Sơ bộ chiều dài tính toán của Stator :
l

'

δ

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
= 17,514(cm) ta có A = 162 (A/cm)
Bδ - tải
điện từ. Theo
= 17,514(cm) ta có Bδ
= 0,7 (T)
D - đường kính trong Stator (cm)


15


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

- tốc độ dịnh mức (vg/ph)

So sánh tính kinh tế :
n

9.

λ =

lδ
13,54
= 0,773
τ = 17,514

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

2. p.τ

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' = 13,5 ( cm)

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 Z1 :
Z1 = 2.m. p.q = 2.3.2.3 = 36 (rãnh)
15. Bước rãnh t1 :
π . D π .22,3
t1 =

=
cm) Z1 36

= 1,95 (

16. Số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh Stator :
16
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


u
r1

Chọn số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh ur1 = 18 (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 :
W=

Tính lại tải đường A :
Att =

2.mW.1 .Idm

=

2.3.108.17,321

Sai số :

2.2.17,514 = 160, 21 ( A / cm)

A=

Ta nhận thấy trị số tải đường có giá trị sai số nằm trong phạm vi cho phép
A =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 đ iện cấp B nên tra đượ c : AJ1 khá
lớn. Tuy nhiên với máy có P = 12kVA có thể dùng dây dẫn tiết diện tròn
và mật độ dòng
7,5)A/mm2 đối với máy 2p = 4. Do đó sơ bộ ta
chọn tích số AJ1 =
1279(A2/cm.mm2).
Mật độ dòng điện là :
J1 =

20. Tiết diện dây sơ bộ :
s'=
1

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 :
2
s = 0,849 (mm )
Đường kính dây không kể cách điện :
dkcđ = 1,04(mm)
Đường kính dây kể cả cách điện :
d cđ = 1,12(mm)
Tính lại mật độ dòng điện J1 :
17


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

J1 =

21. Kiểu dây quấn :
Chọn dây quấn hai lớp bước ngắn với y < τ1 bước dây quấn y = 8.
= Z = 36 = 9
τ 1 2. p 2.2

22.

Hệ số bước ngắn :
ky = sin β.

π

= sin

23. Hệ số bước rải
sin q.
kr =

:

q.sin

Trong đó : α =

p.360 o
Z

24. Hệ số dây quấn :

kdl = k y .kr = 0,985.0,960 = 0,946
25. Từ thông khe hở không khí :
K E .U1
4.k

Φ=

Trong đó : KE = 1,08

s

U1 = 230,94(V)

Ks = 1,15
26. Mật độ từ thông khe hở không khí :
B =
δ

Trong đó :

Hệ số cung cực từ αδ = 0,65
Bước cực τ = 17,514(cm)
Chiều dài phần ứng lδ = 13,5 ( cm)


18


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

A Z
B
8tôùi

27. Sơ bộ định chiều rộng của răng :


;2=p;36=Z =y τ;8

q;9=

3=

19


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

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

b'z1=

B .l .t
δ

1

1

=

0,690.13,5.1,95

= 0,80 ( cm)

Bz 1 .l1 .kc 1,8.13,5.0,95

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

g1

Chọn chiều cao gông Stator : h’g1 = 3cm
Ở đ ây 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 :
Bề rộng miệng rãnh :
Chiều dầy cách điện rãnh :
Chiều dầy cách điện của nêm : c’ = 2,0mm

20