Luận văn nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10 30kw phù hợp với điều kiện việt nam

BGDĐT
PTNTĐH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Phòng thí nghiệm Tự động hóa
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Số1 - Đại Cồ Việt – Hà Nội

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió
có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam

PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang

Hà Nội, tháng 3/2007

Bản quyền thuộc PTNTĐH
Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Giám đốc
PTNTĐH trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu


Bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội

Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp nhà nớc

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo
bộ phát điện bằng sức gió có công suất 1030KW phù hợp với điều kiện việt nam
M số KC 06.20CN
Chủ nhiệm đề tài: gs, tskh. nguyễn phùng quang

6700

24/12/2007
hà nội - 2007


PTNTĐH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Phòng thí nghiệm Tự động hóa
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Số1 - Đại Cồ Việt – Hà Nội

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió
có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam

PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang

Hà Nội, tháng 3/2007
Bản thảo viết xong tháng 3/2007

Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài cấp
Nhà nước, mã số KC.06.20CN


Danh sách những người thực hiện
Số
TT

Họ tên

Cơ quan công tác

1

PGS. TSKH. Nguyễn
Phùng Quang

2

ThS. Lê Anh Tuấn

3

KS. Phí Kim Phúc

4

ThS. Trương Xuân
Hùng

5

KS. Chu Đình Đức

6

KS. Phạm Vũ Dương

7

ThS. Triệu Đức Long

8

ThS. Phạm Trung
Kiên

PTN Tự động hóa,
ĐHBK Hà Nội
PTN Tự động hóa,
ĐHBK Hà Nội
PTN Tự động hóa,
ĐHBK Hà Nội
PTN Tự động hóa,
ĐHBK Hà Nội
PTN Tự động hóa,
ĐHBK Hà Nội
PTN Tự động hóa,
ĐHBK Hà Nội
PTN Tự động hóa,
ĐHBK Hà Nội
Bộ môn Điều khiển tự
động, ĐHBK Hà Nội

9

TS. Đỗ Quốc Quang

Viện Công nghệ, Bộ CN

10

TS. Nguyễn Đình
Kiên

Viện Cơ học Việt Nam

11

ThS. Đỗ Xuân Ngôi

Học viện Kỹ thuật quân
sự

12

KS. Trần Xuân
Thành

Viện Công nghệ, Bộ CN

13

TS. Bùi Đức Hùng

14

TS. Phạm Anh Tuấn

Bộ môn Thiết bị điện,
ĐHBK Hà Nội

Viện Cơ học Việt Nam

Nội dung tham gia
Chủ nhiệm Đề tài
Thành viên nhóm Đề
tài KC.06.20CN
Thành viên nhóm Đề
tài KC.06.20CN
Thành viên nhóm Đề
tài KC.06.20CN
Thành viên nhóm Đề
tài KC.06.20CN
Thành viên nhóm Đề
tài KC.06.20CN
Thành viên nhóm Đề
tài KC.06.20CN
Thành viên nhóm Đề
tài KC.06.20CN
Hệ thống cột tháp
(chương 2)
Thành viên nhóm TS.
Đỗ Quốc Quang
Thành viên nhóm TS.
Đỗ Quốc Quang
Thành viên nhóm TS.
Đỗ Quốc Quang
Mục 1.2.2 và 1.2.3
Mục 1.3.2

Ngoài danh sách những người thực hiện phần chuyên môn kể trên, Đề tài còn

có sự đóng góp công sức của nhiều thành viên PTN Tự động hóa như PGS. TS.
Bùi Quốc Khánh (Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu - Triển khai công nghệ cao,
ĐHBK Hà Nội), ThS. Nguyễn Thúy Hồng (Thư ký Đề tài) và một số người khác.


Danh sách các ký hiệu và chữ viết tắt
Các ký hiệu
Ký hiệu
A
Br, Bs
CAh, CPh
EB
FWt, FWc
Hs, Hr
ir, ird, irq
is, isd, isq
J
K, V

l
usu , usv , usw ,U

Ý nghĩa
Ma trận hệ thống
Ma trận vào phía Rotor, Stator
Dung lượng dòng, dung lượng công suất của ắc-quy
Điện áp ắc-quy
Sức cản của gió do Turbine, do cột gây nên
Ma trận đầu vào phía Stator, phía Rotor
Vector dòng Rotor, hai thành phần trục d, q

Vector dòng Stator, hai thành phần trục d, q
Mômen quán tính
Ma trận phản hồi trạng thái, ma trận lọc đầu vào
(ma trận tiền xử lý)
Điện cảm Stator, Rotor, hỗ cảm giữa 2 cuộn dây,
điện cảm tản phía Rotor và Stator
Điện cảm dọc trục, ngang trục
Mômen của máy phát, của động cơ
Tốc độ quay, hay hệ số bằng phẳng của địa hình
Công suất hữu công, vô công
Ma trận điều chỉnh dòng
Thời gian thực hiện u+, u-, chu kỳ băm xung
Hằng số thời gian phía Rotor, Stator
Hằng số thời gian phía Stator đo dọc, ngang trục
Hai vector điện áp chuẩn, vector quay tròn, vector
điện áp đặt lên đầu vào biến thế
Ba điện áp pha, module điện áp máy phát

UDC
ur, urd, urq
us, usd, usq
v, vz
x
y
zp
λ

Điện áp mạch một chiều (DC) trung gian
Vector điện áp Rotor, hai thành phần trục d, q
Vector điện áp Stator, hai thành phần trục d, q

Vận tốc gió, vận tốc gió ở độ cao z
Vector biến trạng thái
Vector biến ra của khâu điều chỉnh dòng
Số đôi cực của máy điện
Hệ số điều chế

ψs, ψr

Vector từ thông Stator, vector từ thông Rotor

ψsq, ψsq

Hai thành phần của vector từ thông Stator ψs

ψp

Vector từ thông cực

ϕ

Góc pha

Ls, Lr, Lm, Lσr, Lσs
Lsd, Lsq
mG, mM
n
P, Q
RI
T+, T-, Tpulse
Tr, Ts

Tsd, Tsq
u+, u-, uT, uTα


σ

Vận tốc góc mạch điện phía Rotor, Stator, vận tốc
góc cơ học của Rotor
Hệ số tản

Φ

Ma trận quá độ trạng thái

Ψ

Độ nghiêng của quỹ đạo vector dòng điện

ωr, ωs, ω

Các chữ viết tắt
Chữ viết tắt
ALASKA
ASVS
BĐKHT, BĐKCT
BK-Wind
CL
DFIG
DSP
ĐB-KTVC

ĐC, ĐK
ĐCD
HSCS
IGBT
KĐB-RDQ, KĐB-RLS,
KĐB-NK
MASVS
MĐN
MP
NDCCM
NL, NLMP, NLPL
NSOTD
PĐCSG, PĐCSG-ĐL
PLECS
PWM
S7-200
SAP2000
SCIG
SG
SSOTD

Ý nghĩa
Phần mềm Alaska
AC Current Space Vector Trajectory Slope Method
Bộ điều khiển cấp hiện trường, cấp hệ thống
Nhãn mác đã đăng ký của thiết bị phát điện sức gió
Chỉnh lưu
Doubly-Fed Induction Generator
Digital Signal Processor, vi xử lý tín hiệu
Đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Điều chỉnh, điều khiển
Điều chỉnh dòng
Hệ số công suất
Insulated Gate Bipolartransistor, van bán dẫn
Không đồng bộ Rotor dây quấn, không đồng bộ
Rotor lồng sóc, không đồng bộ nguồn kép
Modified AC Current Space Vector Trajectory Slope
Method
Máy đóng ngắt
Máy phát
Normalized DC Current Method
Nghịch lưu, nghịch lưu phía máy phát, nghịch lưu
phía lưới
Normalized direct current method for Short of
Open Transitor Detection
Phát điện chạy sức gió, phát điện chạy sức gió độc
lập
Chương trình mô phỏng mạch điện tử công suất
Pulse Width Modulation, điều chế bề rộng xung
PLC loại Simatic S7-200 của Siemens
Phần mềm SAP2000
Squirel-Cage Induction Generator
Synchronous Generator, máy phát đồng bộ
Simple direct current method for Short of Open
Transitor Detection


T4R
TĐĐ
THĐAL

TKTT
TMS320F2812
TTHCX
VAC, VDC

Tựa theo từ thông Rotor
Truyền động điện
Tựa hướng điện áp lưới
Tách kênh trực tiếp
Vi xử lý tín hiệu TMS320F2812
Tuyến tính hóa chính xác, Exact Linearization
Volt xoay chiều, volt một chiều


Mục lục

Trang
Lời nói đầu
Danh sách các ký hiệu và chữ viết tắt
1
1.1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.2.1
1.2.2.2
1.2.2.3
1.2.2.4
1.2.2.5
1.2.2.6

1.2.2.7
1.2.3
1.2.3.1
1.2.3.2
1.2.3.3
1.2.3.4
1.2.3.5
1.2.3.6
1.2.3.7
1.2.3.8
1.3
1.3.1
1.3.1.1
1.3.1.2
1.3.2
1.3.2.1
1.3.2.2
1.4

Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có
công suất 10-30kW
Đặt vấn đề
Máy phát điện
Máy phát điện đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN
Thiết kế máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu phục vụ
tự chế tạo sau này tại Việt Nam
Xác định các kích thước cơ bản
Tính toán mạch từ
Tổn hao ở chế độ làm việc định mức
Các đặc tính làm việc của máy phát điện

Tính toán độ tăng nhiệt
Chỉ tiêu tiêu hao vật tư
Tổng kết các số liệu thiết kế
Thiết kế máy phát không đồng bộ Rotor lồng sóc phục
vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam
Xác định các kích thước chủ yếu
Tính toán mạch từ
Các tham số của máy ở tần số 50Hz
Tổn hao và hiệu suất của máy ở chế độ động cơ điện
Động cơ điện làm việc ở chế độ máy phát
Tính toán độ tăng nhiệt
Chỉ tiêu tiêu hao vật tư
Tổng kết các số liệu thiết kế
Turbine gió (Wind Turbine)
Turbine gió đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN
Mô tả Turbine
Vận hành Turbine
Nghiên cứu thiết kế Turbine chuẩn bị cho việc chế tạo tại
Việt Nam
Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống Turbine gió
Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển góc cánh
gió
Tài liệu tham khảo của chương 1

1
1
1
2
3
3

6
10
12
17
18
19
20
20
26
27
30
34
40
42
43
44
44
46
47
49
50
62
67
I


2
2.1
2.1.1
2.1.2

2.1.2.1
2.1.2.2
2.1.2.3
2.1.2.4
2.1.3
2.1.4
2.1.4.1
2.1.4.2
2.1.5
2.1.6
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.3
2.4
3
3.1
3.1.1
3.1.1.1
3.1.1.2
3.1.1.3
3.1.2
3.1.2.1
3.1.2.2
3.1.3
3.1.3.1
3.1.3.2
3.1.3.3
3.1.4

3.1.4.1
II

Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module
Phân tích, tính toán kết cấu cột dây văng
Mô tả kết cấu
Hệ tải trọng tác dụng lên kết cấu
Tải trọng gió
Tải trọng gió do sức cản của cánh quạt Turbine Fwt
Tải trọng gió do cản của cột chính Fwc
Tải trọng của Turbine
Phân tích, tính toán kết cấu theo lý thuyết của
Timoshenco
Phân tích, tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử
hữu hạn sử dụng phần mềm SAP2000
Lựa chọn phần tử
Phân tích 3D
Kiểm tra ổn định của cột phụ khi lắp dựng
Độ bền kết cấu cụm quay tại chân cột
Thiết kế kết cấu cột tháp
Mô tả thiết kế
Mô tả hoạt động của hệ thống
Các bản vẽ thiết kế chi tiết
Kết luận
Tài liệu tham khảo của chương 2

69
69
69
70

70
71
72
72
73

Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất
Các thiết bị điều khiển
Tổng quan về hệ thống các thiết bị điều khiển (gồm cả
sản phẩm số 10)
Tổng quan về hệ thống
Cấp điều khiển hiện trường
Cấp điều khiển hệ thống
Hardware điều khiển hiện trường sử dụng TMS
320F2812 (sản phẩm số 8)
Khái quát về vi xử lý tín hiệu TMS 320F2812
Thiết kế Hardware của đề tài KC.06.20CN
Điều khiển hệ thống sử dụng PLC loại Simatic S7-200
Khái quát về bài toán điều khiển và truyền thông trong
hệ thống
Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng S7-200
Truyền thông giữa PC (ở xa), PLC S7-200 và DSP F2812
Module nghịch lưu sử dụng van điện tử công suất (sản
phẩm số 9)
Khái quát về thiết bị nghịch lưu

93
94
94

76
76
78
78
80
82
82
87
91
92
92

94
96
100
101
101
114
129
129
131
147
148
148


3.1.4.2

159

3.2
3.3

Thiết kế - chế tạo nghịch lưu cho thiết bị phát điện chạy
sức gió
Trạm (nhà) che an toàn khí hậu cho các thiết bị
Tài liệu tham khảo của chương 3

4
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.3
4.4

Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện
Khái quát về hệ thống lưu điện
Thiết kế hệ thống lưu điện
Tính toán dàn ắc-quy lưu điện
Tính toán thiết kế mạch lực
Thiết kế cấu trúc điều khiển nạp
Tài liệu tham khảo của chương 4

169
169
175
175
176
180

186

5
5.1
5.2

Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ
Khái quát về máy phát không đồng bộ
Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Rotor
dây quấn
Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RDQ
Mô hình toán và các biến điều khiển máy phát KĐB-RDQ
Mô hình toán của máy phát KĐB-RDQ
Mô hình trạng thái gián đoạn của máy phát KĐB-RDQ
Các biến điều khiển cách ly công suất hữu công P và vô
công Q
Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát
Mô hình dòng Rotor
Điều khiển cách ly P và Q bằng bộ điều chỉnh dòng 2
chiều
Cấu trúc điều khiển phi tuyến phía máy phát
Khái quát về phương pháp tuyến tính hóa chính xác
(TTHCX, Exact Linearization)
Đặc điểm phi tuyến của mô hình máy phát KĐB-RDQ
Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo
phương pháp TTHCX
Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo
phương pháp cuốn chiếu (Backstepping)
Cấu trúc điều khiển phía lưới
Mô hình toán mạch điện phía lưới

Cấu trúc điều khiển
Kết luận về cấu trúc ĐK phía lưới
Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Rotor
lồng sóc
Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RLS

187
187
189

5.2.1
5.2.2
5.2.2.1
5.2.2.2
5.2.2.3
5.2.3
5.2.3.1
5.2.3.2
5.2.4
5.2.4.1
5.2.4.2
5.2.4.3
5.2.4.4
5.2.5
5.2.5.1
5.2.5.2
5.2.5.3
5.3
5.3.1

162
166

189
190
190
193
194
197
197
197
198
199
200
200
202
203
203
204
206
206
206
III


5.3.2
5.3.2.1
5.3.2.2
5.3.3
5.3.3.1

5.3.3.2

5.4
6
6.1
6.2
6.3
6.3.1
6.3.1.1
6.3.1.2
6.3.2
6.3.3
6.4
7
7.1
7.1.1
7.1.2
7.1.3
7.1.3.1
7.1.3.2
7.1.3.3
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.3
7.3.1
IV

Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát

Mô hình trạng thái gián đoạn
Điều khiển cách ly P và Q bằng bộ điều khiển dòng 2
chiều
Cấu trúc điều khiển phi tuyến phía máy phát
Đặc điểm phi tuyến của mô hình
Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo
phương pháp tuyến tính hóa chính xác (Exact
Linearization)
Tài liệu tham khảo của chương 5

208
208
210
212
213
213

214

Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích
vĩnh cửu
Khái quát về máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Điều khiển máy phát ĐB-KTVC công suất nhỏ, vận hành
ở chế độ ốc đảo
Điều khiển máy phát ĐB-KTVC công suất lớn, vận hành
ở chế độ hòa lưới
Mô hình toán của máy phát ĐB-KTVC
Mô hình trạng thái liên tục
Mô hình trạng thái gián đoạn
Cấu trúc điều khiển tuyến tính

Cấu trúc điều khiển phi tuyến
Tài liệu tham khảo của chương 6

217

Chẩn đoán – giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ
thống thiết bị điều khiển
Chẩn đoán lỗi phía nghịch lưu
Đáp ứng dòng điện khi hở mạch điều khiển một van
IGBT
Đáp ứng dòng điện khi ngắn mạch một van IGBT
Xác định vị trí van IGBT bị lỗi
Phương pháp ASVS
Phương pháp NDCCM
Phương pháp chẩn đoán lỗi hở mạch điều khiển, ngắn
mạch van IGBT được đề xuất
Chẩn đoán lỗi phía chỉnh lưu
Lỗi ngắn mạch diode chỉnh lưu
Lỗi hở mạch diode chỉnh lưu
Lỗi mất một pha của máy phát hoặc hở mạch hai diode
cùng pha
Mô phỏng kiểm chứng thuật toán
Mô phỏng lỗi phía nghịch lưu

227

217
218
220
220

221
222
223
224
225

228
228
231
233
233
234
235
237
237
240
241
242
242


7.3.1.1
7.3.1.2
7.3.2
7.3.2.1
7.3.2.2
7.3.2.3
7.4
7.4.1

242
246
249
249
250
251
251
253

7.4.2
7.4.2.1
7.4.2.2
7.4.3
7.4.3.1
7.4.3.2
7.5

Lỗi hở mạch điều khiển van IGBT
Ngắn mạch IGBT
Mô phỏng lỗi phía chỉnh lưu
Xác định lỗi mất một pha máy phát
Xác định lỗi ngắn mạch Diode
Xác định lỗi hở mạch Diode
Thực hiện hệ thống giám sát - chẩn đoán lỗi từ xa
Module phần mềm thu thập dữ liệu trên DSP
TMS320F2812
Module phần mềm trên PLC S7-200
Giao thức truyền thông giữa PLC và DSP
Các lưu đồ thuật toán
Module phần mềm trên máy tính

Chế độ giám sát thực trạng vận hành
Chế độ nạp firmware
Tài liệu tham khảo của chương 7

8
8.1
8.2
8.2.1
8.2.2
8.2.3
8.2.4
8.3
8.3.1
8.3.2
8.4

Cấu trúc bù cosϕ cho tải ở chế độ ốc đảo
Mô hình phụ tải
Phương pháp bù cosϕ
Ý tưởng của phương pháp
Sử dụng bộ điều khiển PI kinh điển
Sử dụng bộ điều khiển PI mờ
Cấu trúc hệ thống điều chỉnh hệ số công suất
Mô phỏng kiểm chứng
Cấu trúc Simulink và PLECS
Kết quả mô phỏng
Tài liệu tham khảo của chương 8

269
269

270
270
272
273
275
275
276
279
286

9
9.1
9.1.1
9.1.2
9.1.3
9.2

287
287
287
288
288
288

9.2.1
9.2.2

Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ
Các sản phẩm đào tạo
Danh sách các đồ án tốt nghiệp Kỹ sư

Danh sách các luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ
Luận văn tốt nghiệp Tiến sĩ
Các báo cáo hội nghị, hội thảo hay tạp chí trong và ngoài
nước
Trong nước
Ngoài nước

10
10.1
10.2

Kết luận và kiến nghị
Kết luận
Kiến nghị

291
291
291

254
254
255
262
262
265
267

288
289

V


Báo cáo tóm tắt
Bản báo cáo này giới thiệu một cách chi tiết các nội dung nghiên cứu khoa
học và thiết kế - chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN:
„Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất
10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam“
Hoàn thành trên cơ sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06, ký giữa
Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06 với bên chủ trì là Trường đại học Bách
Khoa Hà Nội, PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang chịu trách nhiệm thực hiện.
Tiếp theo lời nói đầu và danh mục các ký hiệu được sử dụng, bản báo cáo
bao gồm các phần sau:
•

•

Chương 1 „Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công
suất 10-30kW“. Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1 trong mục 17 của
thuyết minh đề tài. Chương này chiếm 67 trang, giới thiệu các vấn đề xung
quanh hai mảng chính:
+

Giới thiệu thiết bị đang sử dụng: Máy phát và Turbine nhập ngoại vừa
đáp ứng nhu cầu sử dụng trước mắt của Đề tài, vừa giữ vai trò mẫu để
học tập trong quá trình thiết kế mới.

+

Giới thiệu các thiết kế, chuẩn bị cho việc tự chế tạo máy phát và

Turbine trong nước. Nội dung thiết kế máy phát điện 20kW (không
đồng bộ Rotor lồng sóc, đồng bộ kích thích vĩnh cửu) đã được thực
hiện một cách rất nghiêm túc và chi tiết. Nội dung thiết kế lại và mô
phỏng kiểm chứng Turbine đã được TS. Phạm Anh Tuấn thực hiện với
nhiều khiếm khuyết. Chủ nhiệm đề tài KC.06.20CN đã phải hợp tác với
Trung tâm Nghiên cứu vật liệu Polymer (Phó GĐ Trung tâm, PGS. TS.
Bùi Chương) thực hiện bổ sung phần thiết kế - chế tạo khuôn mẫu
cánh Turbine (bằng vật liệu Polymer) phục vụ chế tạo mới sau này.

Chương 2 „Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module“. Giới thiệu về
sản phẩm có số thứ tự 2 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Chương
này chiếm 24 trang. Sản phẩm này là một bộ phận quan trọng trong tổng
thể hệ thống phát điện chạy sức gió 20kW của đề tài KC.06.20CN. Sản
phẩm hoàn toàn được tự lực thiết kế, chế tạo và lắp đặt tại Việt Nam. Đề
tài KC.06.20CN đã hợp tác với nhóm chuyên gia do TS. Đỗ Quốc Quang
(Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp) đứng đầu để hoàn thành phần nhiệm
vụ này. Kết quả thu được là một hệ thống cột tháp đáp ứng tốt công năng
yêu cầu, đồng thời cho phép lắp ráp - nâng hạ một cách dễ dàng và không
phụ thuộc vào nguồn điện lưới. Chương này giới thiệu các nội dung:
+

Phân tích, tính toán kết cấu cột dây văng.

+

Thiết kế cụ thể kết cấu cột tháp.


•

•

•

Chương 3 „Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất“. Giới thiệu về sản
phẩm có số thứ tự 3 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Chương này
chiếm 75 trang và là chương phong phú nhất của toàn bộ báo cáo. Trạm
điều khiển mặt đất bao gồm:
+

không chỉ hạng mục xây dựng như trạm (nhà) che an toàn khí hậu cho
các thiết bị và là nơi làm việc của nhân viên vận hành. Trạm còn giới
thiệu chi tiết về

+

các thiết bị điều khiển chứa trong tủ như: điều khiển hiện trường
(dùng TMS320F2812), điều khiển hệ thống (dùng Simatic S7-200),
nghịch lưu xoay chiều 3 pha.

Chương 4 „Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện“. Giới thiệu về sản phẩm có
số thứ tự 4 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Trong chương này, sản
phẩm về „Phương pháp điều khiển hệ thống lưu điện“ có số thứ tự 1.3
trong mục 16 của thuyết minh đề tài cũng được kết hợp giới thiệu.
Chưong này gồm 18 trang chứa hai nội dung:
+

Thiết kế hệ thống lưu điện sử dụng ắc-quy.

+

Thiết kế cấu trúc điều khiển nạp ắc-quy.

Chương 5 „Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ“. Giới
thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.1 trong mục 16 của thuyết minh đề tài.
Chương này chiếm 30 trang với các phương pháp điều khiển tuyến tính và
phi tuyến cho:
+

Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn (KĐB-RDQ), còn được gọi là
không đồng bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generator: DFIG).
Máy phát KĐB-RDQ có Stator ghép trực tiếp với lưới, còn phía Rotor
được nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất.

+

Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS, Squirel-Cage
Induction Generator: SCIG). Khác với máy phát KĐB-RDQ, máy phát
KĐB-RLS có Stator nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất.

•

Chương 6 „Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh
cửu“. Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.2 trong mục 16 của thuyết
minh đề tài. Chương này có 9 trang giới thiệu các phương pháp điều khiển
tuyến tính và phi tuyến cho máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐBKTVC, Permanentmagnet Excited Synchronous Generator: PMSG).

•

Chương 7 „Chẩn đoán – giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống

thiết bị điều khiển“. Chương này chiếm 42 trang, giới thiệu về một nội
dung mới xuất hiện trong quá trình thực hiện đề tài và là sản phẩm
phương pháp không có trong thuyết minh đăng ký. Ngoài chức năng thực
hiện các thuật toán điều khiển, để phục vụ mục đích chẩn đoán tình trạng
vận hành của hệ thống, DSP TMS320F2812 liên tục thu thập và lưu trữ
các dữ liệu đo đạc của toàn bộ hệ thống. Khi có nhu cầu phân tích và
giám sát tình trạng vận hành, các dữ liệu này sẽ được PLC S7-200 chuyển


tới PC qua môi trường truyền thông là đường điện thoại. Khả năng này
cho phép ta kiểm tra thực trạng vận hành thiết bị từ xa, một ưu thế đặc
biệt lợi hại khi lắp đặt thiết bị tại các vùng sâu, vùng xa.
•

Chương 8 „Cấu trúc bù cosϕ cho tải ở chế độ ốc đảo“. Giới thiệu về sản
phẩm phương pháp không có trong thuyết minh đề tài. Chương này gồm
18 trang giới thiệu phương pháp điều khiển bù hệ số công suất cosϕ cho
lưới phụ tải thông qua thay đổi tần số cung cấp trong phạm vi cho phép,
từ đó thiết kế bộ điều khiển. Mục tiêu của nhiệm vụ này là góp phần nâng
cao hiệu quả truyền tải, giảm tổn thất biến đổi năng lượng, giảm điện áp
rơi trên mạng phân phối.

•

Chương 9 „Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ“. Giới thiệu về sản
phẩm có số thứ tự 3 trong mục 16 của thuyết minh đề tài. Qua đây ta
thấy rõ đóng góp của Đề tài KC.06.20CN trong công tác đào tạo chuyên
gia: 9 Kỹ sư, 3 Thạc sĩ và 1 Tiến sĩ (sẽ bảo vệ trong năm 2007). Ngoài ra,
với các nội dung khoa học của mình, Đề tài còn thực hiện 9 bài viết cho
tạp chí và hội nghị khoa học trong nước, 3 bài viết cho tạp chí, hội nghị

khoa học và Workshop tại nước ngoài.

Ngoài ra, báo cáo còn có phần phụ lục được tổ chức thành 3 quyển:
•

Phụ lục 1: Bao gồm các loại bản vẽ thuộc hạng mục sản phẩm „Sơ đồ“ có
số thứ tự 2 trong mục 16 của „Thuyết minh đề tài“. Đó là các sơ đồ tủ
điện chính, sơ đồ Hardware (mạch và Layouts), sơ đồ phần điện tử công
suất. Các bản vẽ cơ khí (hệ thống cột tháp) và xây dựng (hệ thống móng và
nhà điều khiển) cũng được tập hợp trong phụ lục này. Quyển phụ lục 1
giữ vai trò „Thuyết minh kỹ thuật“ cụ thể, hỗ trợ cho các thuyết minh
khoa học trong báo cáo chính.

•

Phụ lục 2: Gồm có hai nội dung „Hướng dẫn sử dụng“ sau:

•

+

Hướng dẫn nâng hạ hệ thống cột tháp.

+

Hướng dẫn vận hành tủ điện điều khiển.

Phụ lục 3: Bao gồm các loại mã nguồn (Listings of Source Codes) của
chương trình:
+

chạy trên PLC Simatic S7-200,

+

chạy trên DSP TMS320F2812 và

+

trên PC (truyền thông và chẩn đoán lỗi).

Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang


Lời nói đầu
Bản báo cáo này giới thiệu một cách chi tiết các nội dung nghiên cứu khoa
học và thiết kế - chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN:
„Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất
10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam“
Hoàn thành trên cơ sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06, ký giữa
Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06 với bên chủ trì là Trường đại học Bách
Khoa Hà Nội, PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang chịu trách nhiệm thực hiện.
Tiếp theo lời nói đầu và danh mục các ký hiệu được sử dụng, bản báo cáo
bao gồm các phần sau:
•

Chương 1 „Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công
suất 10-30kW“. Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1 trong mục 17 của
thuyết minh đề tài.

•

Chương 2 „Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module“. Giới thiệu về
sản phẩm có số thứ tự 2 trong mục 17 của thuyết minh đề tài.

•

Chương 3 „Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất“. Giới thiệu về sản
phẩm có số thứ tự 3 trong mục 17 của thuyết minh đề tài.

•

Chương 4 „Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện“. Giới thiệu về sản phẩm có
số thứ tự 4 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Trong chương này, sản
phẩm về „Phương pháp điều khiển hệ thống lưu điện“ có số thứ tự 1.3
trong mục 16 của thuyết minh đề tài cũng được kết hợp giới thiệu.

•

Chương 5 „Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ“. Giới
thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.1 trong mục 16 của thuyết minh đề tài.

•

Chương 6 „Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh
cửu“. Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.2 trong mục 16 của thuyết
minh đề tài.

•

Chương 7 „Chẩn đoán – giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống
thiết bị điều khiển“. Giới thiệu về sản phẩm phương pháp không có trong
thuyết minh đề tài.

•

Chương 8 „Cấu trúc bù cosϕ cho tải ở chế độ ốc đảo“. Giới thiệu về sản
phẩm phương pháp không có trong thuyết minh đề tài.

•

Chương 9 „Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ“. Giới thiệu về sản
phẩm có số thứ tự 3 trong mục 16 của thuyết minh đề tài.

Các hạng mục sản phẩm dưới dạng „Sơ đồ“ có số thứ tự 2 trong mục 16
được tập hợp trong phụ lục của báo cáo.
Với nội dung như trên, báo cáo giới thiệu một cách chi tiết và đầy đủ về các
sản phẩm đã đăng ký (sản phẩm vật thể như máy móc - thiết bị, hay phi vật thể


như các phương pháp điều khiển), khối lượng tuy nhiều nhưng không sa đà vào
liệt kê mà vẫn bảo đảm tính chất của một báo cáo khoa học.
Đề tài KC.06.20CN được hoàn thành với sự hỗ trợ tích cực và có hiệu quả
của Bộ Khoa học – Công nghệ, Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06, Ban Giám
hiệu và các phòng ban liên quan của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Chủ
nhiệm Đề tài xin chân thành cảm ơn các cơ quan nói trên.
Xin cảm ơn Viện Công nghệ – Bộ Công nghiệp – đã tham gia Đề tài một cách
rất có hiệu quả, góp phần sáng tạo nên hệ thống cột tháp không chỉ bền vững về
kết cấu, đáp ứng tốt về công năng, mà còn hợp lý cả về kiểu dáng thẩm mỹ.

Trong quá trình thực hiện Đề tài KC.06.20CN đã nhận được sự hỗ trợ rất lớn
về vật chất từ Công ty cổ phần Cung ứng Đầu tư và Xây lắp (tên viết tắt: SIC)
như diện tích lắp đặt (≈ 4000m2), chi phí xây dựng (hệ thống móng cột, móng
tời, móng giằng, nhà điều khiển), điều kiện ăn ở miễn phí cho đội ngũ Kỹ sư thi
công, cùng với không khí cởi mở hợp tác giữa cán bộ nhân viên của hai đơn vị.
Xin chân thành cảm ơn Công ty SIC.
Không thể hoàn thành được Đề tài nếu không có nỗ lực tối đa của nhóm thực
hiện thuộc Phòng thí nghiệm Tự động hóa (trường ĐHBK Hà Nội): Các Kỹ sư
của nhóm đã phát huy năng lực sáng tạo để đưa Đề tài tới đích, không quản
thời gian, nắng mưa, phải xa nhà nhiều tháng khi thi công, khi khắc phục hậu
quả thiên tai. Một lời cảm ơn gửi tới nhóm sẽ là chưa đầy đủ: Chủ nhiệm Đề tài
rất biết ơn về sự hợp tác đó.
Cuối cùng, bản báo cáo đã được Chủ nhiệm Đề tài tự tay chấp bút, sử dụng
các tài liệu của Đề tài, các đồ án và luận văn tốt nghiệp (nêu trong mục tài liệu
tham khảo ở cuối mỗi chương). Tuy đã viết với sự cẩn trọng cao nhất, báo cáo
vẫn khó tránh khỏi còn sai sót, người viết chân thành xin lỗi về các sơ suất đó
và cảm ơn về các đóng góp sửa sai.
Các nội dung khoa học trong báo cáo là sở hữu trí tuệ của Đề tài
KC.06.20CN, việc sao chép và sử dụng báo cáo cần phải được phép của Bộ
Khoa học – Công nghệ và Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN.

Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang


1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có
công suất 10-30kW

1.1 Đặt vấn đề
Đây là nhóm sản phẩm bao gồm hai thành phần quan trọng của hệ thống

phát điện chạy bằng sức gió (PĐCSG):
■ máy phát điện và
■ turbine gió.
Với mục tiêu nghiên cứu - thiết kế - chế tạo (NC-TK-CT) phục vụ nội địa hóa
cả hai thành phần trên, bản thuyết minh đăng ký đề tài ban đầu (cuối năm
2003) đã đưa ra một dự toán là 3,1 tỷ VNĐ. Đây là một dự toán có cơ sở khảo
sát kỹ lưỡng khả năng trong nước. Ví dụ, báo giá của các đơn vị nhận gia công
theo đơn đặt hàng (đầu năm 2004, khi đang thương thảo về kinh phí với Bộ
KH&CN) là:
■ ≈800,00 triệu VNĐ / 1 cánh turbine. Trong giá trên có bao gồm cả khuôn
mẫu phục vụ chế tạo cánh do chúng ta mới chỉ chế tạo đơn chiếc.
■ ≈80,00 triệu VNĐ / 1 máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu. Đây là giá chế
tạo máy phát mẫu, chưa phải là giá sản xuất hàng loạt.
Tuy nhiên, Bộ KH&CN (sau 2 lần thay đổi) đã chỉ duyệt mức kinh phí là 2,2
tỷ VNĐ và đã đồng ý cho phép mua máy phát và turbine chế tạo sẵn của nước
ngoài. Điều này thể hiện rất rõ tại trang 19 của phiên bản chung kết của
„Thuyết minh Đề tài KC.06.20CN“, bộ phận của Hợp đồng NCKH & PTCN số
20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06.
Vì lý do trên, đối với sản phẩm này kết quả sẽ ngừng lại ở các kết quả nghiên
cứu - thiết kế (viết tắt: NC-TK), chưa có chế tạo thử. Máy phát và turbine mua
về, một mặt được sử dụng trong hệ thống PĐCSG của đề tài, mặt khác, chúng
cũng là vật mẫu hỗ trợ tích cực cho quá trình NC-TK phục vụ chế tạo sau này.

1.2 Máy phát điện
Như đã đặt vấn đề ở trên, mục này giới thiệu khái quát các thông số của loại
máy phát đang sử dụng trong hệ thống PĐCSG, là máy phát nhập về từ nước
ngoài. Một nội dung quan trọng khác là các kết quả NC-TK để phục vụ tự chế
tạo sau này tại Việt Nam.

2

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

1.2.1 Máy phát điện đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN
Máy phát hiện đang lắp trên tháp phát điện (được mua của Công ty
WESTWIND Windturbines, Úc) là loại đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC)
với các tham số như sau:
Bảng 1.1 Tham số của máy phát đang sử dụng

Công suất danh định
Điện áp ra danh định (pha-pha)
Điện áp ra hở mạch khi quay ở
tốc độ danh định (pha-pha)
Dòng danh định
Tần số
Điện trở Stator Rs (pha, Stator
mắc hình sao)
Điện cảm Stator Ls (pha, Stator
mắc hình sao, Ls = Lsd = Lsq)

Kích từ
Số đôi cực
Tốc độ quay danh định
Mômen quán tính toàn phần
Mômen không tải
(gồm ma sát và sức hút của nam
châm vĩnh cửu kích từ)

20 kW

220 V (AC 50 Hz)
360 V (AC 50 Hz)
55 A (AC 50 Hz)
0 – 50 Hz (thay đổi theo sức gió)
0,41 Ω (nhiệt độ: 180oC)
0,25 Ω (nhiệt độ: 20oC)
6,8 mH
(thu được qua phép đo điện áp hở mạch
và đo dòng ngắn mạch với tần số 50 Hz,
có thể lớn hơn khi vận hành)
36 cực Nd-Fe-B (nam châm vĩnh cửu)
18 (36 cực với mỗi cuộn dây có 12 vòng)
166,7 vòng / phút (ứng với f = 50 Hz)
412 kgm2 (trong đó 396 kgm2 thuộc về 3
cánh turbine)
50 Nm

Tất cả các tham số trên của máy phát đều đã được sử dụng để khảo sát mô
phỏng trong quá trình NC-TK hệ thống PĐCSG. Đặc biệt, đối với các hệ thống
chạy ở chế độ ốc đảo (chế độ độc lập, không hòa lưới quốc gia), biên độ điện áp
từng pha tỷ lệ thuận trực tiếp với tốc độ quay (tức là với tần số) của máy phát.
Đối với máy phát 20kW, loại ĐB-KTVC ở trên, hệ số tỷ lệ (do nhà sản xuất cung
cấp) được minh họa rõ trong công thức dưới đây:
⎧
l sin (2π ft )
⎪
usu = U
⎪
⎪
⎪

⎪
l sin (2π ft + 2π 3) với U
l = 5,88 f
(1.1)
⎨usv = U
⎪
⎪
⎪
l sin (2π ft − 2π 3)
u =U
⎪
⎪
⎩ sw
f = tần số công tác [Hz], t = thời gian [s]

Đây là đặc điểm cần phải được đặc biệt chú ý trong quá trình mô phỏng
nghiên cứu và thiết kế cụ thể. Thêm vào đó, do đặc điểm tần số máy phát (tốc
độ quay) biến thiên trong một dải khá rộng 0 – 50Hz, khiến cho điện kháng
phức nội của máy phát cũng thay đổi phụ thuộc tỷ lệ thuận với tốc độ quay. Nói


1.2 Máy phát điện

3

cách khác, điện áp rơi trên điện cảm của máy phát cũng có biên độ phụ thuộc
tốc độ quay.
1.2.2 Thiết kế máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu phục vụ tự chế tạo sau này
tại Việt Nam
Máy phát ĐB-KTVC được thiết kế sẵn sàng để phục vụ cho quá trình tự chế

tạo sau này tại Việt Nam. Tuy nhiên, cần phải nói rõ ràng: Bản thiết kế này mới
chỉ đủ để sử dụng cho việc chế tạo thủ công đơn chiếc. Để đưa vào sản xuất
hàng loạt còn phải thực hiện thiết kế quy trình công nghệ phù hợp với quy mô
sản xuất lớn, điều chưa thể đặt ra trong khuôn khổ đề tài này. Các tham số
mục tiêu cần đạt của thiết kế chính là các tham số trong bảng 1.
1.2.2.1

Xác định các kích thước cơ bản

Trong mục này, bản tính toán đưa ra các kích thuớc cơ bản về mặt điện từ để
cấu thành nên một máy phát điện với công suất như đã định.
a) Các kích thước chính của mạch từ
■ Điện áp pha: Để quấn và lồng dây được thuận lợi, chọn sơ đồ nối dây hình
tam giác.
U f = U d = 220V

(1.2)

■ Dòng điện: Với cosϕ = 0.95 chọn sơ bộ theo kiểu máy.

Id =

P
20 ⋅ 103
=
= 55 A
3 U cos ϕ
3 ⋅ 220 ⋅ 0,95

I

55
If = d =
= 31,75 A
3
3

(1.3)

■ Công suất tính toán.

P ' = ke Pdm = 1,07 ⋅ 20 = 21,4kW

(1.4)

■ Chọn sơ bộ bước răng Stator.

t = 1,4cm
■ Bước cực của máy: Ở đây chọn số rãnh của một pha dưới một cực q =1

τ = t m q = 1,4 ⋅ 3 ⋅ 1 = 4,2cm

(1.5)

■ Đường kính ngoài của Stator:
Ds =

τ 2 p 4,2 ⋅ 36
=
= 48,15cm
π

3,14

(1.6)

■ Chiều dài lõi thép:

6,1 ⋅10−7 p '
lδ =
αδ ks kd A Bδ Ds2 n

(1.7)


4

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

Với: αδ = 0,96; ks = 1,11; kd = 1; Bδ = 0,5T; A = 272 A / cm; Dns = 48,15cm
6,1 ⋅ 107 ⋅ 21,4
= 23,33cm
0,96 ⋅ 1,11 ⋅ 272 ⋅ 0,5 ⋅ 48,132 ⋅ 166,67
Chọn lδ = 24cm. Đây cũng chính là chiều dài lõi thép Stator và nam châm
vĩnh cửu.
lδ =

b) Dây quấn, rãnh Stator và khe hở không khí
■ Số rãnh Stator:
Z1 = 2 m p1 q1 = 2 ⋅ 3 ⋅ 18 ⋅ 1 = 108

■ Số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh:

A t1 a 272 ⋅ 1,4
=
= 12
ur1 =
31,75
I1

(1.8)

(1.9)

Chọn số mạch nhánh song song a = 1.
■ Số vòng dây nối tiếp của một pha:
p q u
w1 = 1 1 r1 = 18 ⋅ 1 ⋅ 12 /1 = 216
a

(1.10)

■ Tiết diện và đường kính dây quấn: Sơ bộ chọn mật độ dòng điện J =
4,8A/mm2. Từ đó ta tính đuợc tiết diện cần thiết:
31,75
I
(1.11)
=
= 6,61mm2
J
4,8
Chọn dây 1,3/1,35 chập 5 để thuận tiện cho việc quấn và lồng dây. Tiết diện
thực của dây quấn là 6,63mm2.

s=

■ Từ thông khe hở không khí:
ke U
1,07 ⋅ 220
ψ=
=
= 4,909 ⋅ 10−3 Wb
4 f ks kd w1 4 ⋅ 1,11 ⋅ 50 ⋅ 216

(1.12)

■ Mật độ từ thông khe hở không khí:

Bδ =

ψ 104
4,909 ⋅ 10−3 ⋅ 104
=
= 0,5T
0,96 ⋅ 4,2 ⋅ 24
αδ τ l1

(1.13)

■ Kích thước rãnh: Rãnh có diện tích như sau.

π(d12 + d22 ) d1 + d2 ⎛⎜
d1 ⎞
+

S=
⎜⎜⎝h12 − ⎠⎟⎟⎟ =
8
2
2
π(72 + 5,62 ) 7 + 5,6
=
+
26 ⋅ 5 = 192,19mm2
8
2

(1.14)


1.2 Máy phát điện

5

R3.
5

26.5

0.5

2.5

8
R2.

H×nh 1.1 Kích thước rãnh lồng dây

■ Bề rộng răng Stator:
bz' 1 =
=
bz'' 1 =
=
bz1 =

π(Ds − 2 h41 − d1)
− d1
Z1
π(481,3 − 2 ⋅ 0,5 − 7)
− 6,8 = 6,76mm
108
π[Ds − 2(h41 + h12 )]
− d2
Z
π[481,3 − 2(0,5 + 29)]
− 5,6 = 6,78mm
108
bz' 1 + bz'' 1 6,76 + 6,78
=
= 6,77mm
2
2

(1.15)

■ Chọn khe hở không khí:

δ = 1,6mm
■ Chọn chiều cao gông Stator:
hg1 = 30mm
⇒ Dts = Ds − 2hg2 − 2hr1 +

2
d2
3

2
= 481,3 − 2 ⋅ 30 − 2 ⋅ 32,3 + 5,6 = 360,43mm
3

(1.16)

c) Kích thước Rotor

Rotor là phần nằm phía ngoài, gắn trực tiếp với hệ thống turbine gió. Các
kích thước tính toán dưới đây đảm bảo cho phần điện từ của máy phát điện.
■ Bề rộng mặt cực từ: Với αm = 0,96 ta có


6

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

bm = αm τ = 0,96 ⋅ 4,2 = 4,035cm

(1.17)

■ Đường kính trong của Rotor:
Dtr = Ds + 2 δ = 481,3 + 2 ⋅ 1,6 = 484,5mm

(1.18)

■ Đường kính gắn nam châm sơ bộ: Ở đây ta sơ bộ chọn bề dày thanh nam
châm là 20,5mm.
Dtr' = Dtr + 2 lnc = 484,5 + 2 ⋅ 20,5 = 525,5mm

(1.19)

■ Đường kính ngoài lõi sắt Rotor: Sơ bộ chọn bề dày vỏ máy (đồng thời là
mạch dẫn từ) là 15mm.

Dnr = Dtr' + 2 hg2 = 525,5 + 2 ⋅ 15 = 555,5mm

(1.20)

10°-0.5
240

H×nh 1.2 Kích thước thanh nam châm

1.2.2.2

Tính toán mạch từ

■ Hệ số khe hở không khí: Vật liệu được dùng để chế tạo lõi thép Stator là
thép kĩ thuật điện loại 2211.
t1

kδ1 =
t1 − ν δ
(b41 / δ)2
(3 /1,6)2
=
= 0,511
5 + b41 / δ 5 + 3 /1,6
1,4
= 1,062
kδ1 =
1,4 − 0,511 ⋅ 0,16
kδ 2 = 1
kδ = kδ1 kδ 2 = 1,062

ν1 =

(1.21)

■ Sức từ động khe hở không khí:
Fδ = 1,6 Bδ kδ δ 104 = 1,6 ⋅ 0,5 ⋅ 1,062 ⋅ 0,16 ⋅ 104 = 1360 A

■ Mật độ từ thông răng Stator:

(1.22)


1.2 Máy phát điện

Bδ l1 t1
0,5.1,4

=
= 1,01T
0,677.0,95
b Z1 l1 kc
⇒ H Z1 = 4,09 A / cm
d
5,6
= 30,43mm
hz1 = hr1 − 2 = 32,3 −
3
3
⇒ FZ1 = 2 H Z1 hz1 = 2 ⋅ 4,09 ⋅ 3,043 = 25 A

7

BZ1 =

■ Hệ số bão hòa:
F + FZ1 1360 + 25
KZ = δ
=
= 1,018
1360
Fδ

(1.23)

(1.24)

■ Mật độ từ thông gông Stator:

ψ 104
4,909 ⋅ 10−3 ⋅ 104
=
= 0,35T
2 hg1 l1 kc
2 ⋅ 3 ⋅ 24 ⋅ 0,95

Bg =

⇒ H g 4 = 0,4 A / cm
π(Ds − 2 hr1 − hg1)

3,14(48,13 − 2 ⋅ 3,23 − 3)
L=
=
= 3,373cm
2p
2 ⋅ 18
Fg1 = H g1 Lg1 = 0,4 ⋅ 3,373 = 1,35 A

(1.25)

■ Mật độ từ thông gông Rotor:

Bg 2 =

ψ 104
4,909 ⋅ 10−3 ⋅ 104
=

= 0,7T
2 hg2 l2 kc
2 ⋅ 1,5 ⋅ 24,4 ⋅ 0,95

⇒ H g2 = 1A / cm
Lg2
Fg2

π(Dnr − hg2 )

3,14(55,45 − 1,5)
=
=
= 4,7cm
2p
2 ⋅ 18
= H g2 Lg2 = 1 ⋅ 4,7 = 4,7 A

■ Tổng sức từ dộng mạch từ:
F = Fδ + FZ1 + Fg1 + Fg2 =

= 1360 + 25 + 1,35 + 4,7 = 1391A

(1.26)

(1.27)

■ Hệ số bão hòa toàn mạch:

kµ =

F
1391
=
= 1,0228
Fδ 1360

■ Chiều dài phần đầu nối dây quấn sơ bộ: Với dây quấn bước đủ:
Z
y= 1 =3
2p
Ta có:
π(Ds − hr1)y π(48,13 − 3,23)3
τy =
=
= 3,916cm
Z1
108
kdn = 1,3; p = 1
⇒ Ldn = kdn τ y + 2 p = 1,3 ⋅ 3,916 + 2 = 7,1cm

(1.28)

(1.29)

(1.30)


8

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

■ Chiều dài trung bình nửa vòng dây quấn:
Ltb = L1 + Ldn = 24 + 7,1 = 31,1cm

(1.31)

■ Chiều dài dây quấn một pha:
L1 = 2 Ltb w1 10−2 = 2 ⋅ 31,1 ⋅ 216 ⋅ 10−2 = 134,5m

■ Điện trở tác dụng của dây quấn Stator:
L1
1
134,5
r1 = ρ75
=
⋅
= 0,44Ω
n1 a1 s1 46 5 ⋅ 1 ⋅ 1,32
r1*

I
31,75
= r1 1 = 0,44 ⋅
= 0,063
220
U1

(1.32)

(1.33)

■ Hệ số từ dẫn rãnh Stator:
h
b
h
h
λr = 1 kβ + (0,785 − 41 + 2 + 41 )kβ'
3b
2b
b
b41
β = 1; kβ = kβ' = 1
h1 = hr1 − 0,1 d2 − 2 c, = 32,3 − 0,1 ⋅ 5,6 − 2 ⋅ 0,4 = 30,94mm
⎛d
⎞
⎛7
⎞
h2 = −⎜⎜⎜ 1 − 2c' ⎟⎟⎟ = −⎜⎜⎜ − 2 ⋅ 0,4⎟⎟⎟ = −2,7mm
⎝2
⎠
⎝2
⎠

(1.34)

b = d1 = 7mm
h41 = 0,5mm

b41 = 3mm

⇒

λr1 =

30,94 ⎛⎜
3
2,7 0,5 ⎞⎟
+ ⎜⎜0,785 −
−
+
⎟ = 1,896
⎝
3⋅7
2⋅7
7
3 ⎠⎟

■ Hệ số từ dẫn tạp Stator: λt = 0 (Hệ số này lấy tương đối tương đương máy

đồng bộ cực tròn do ghép liền nam châm vĩnh cửu ).
■ Hệ số từ tản phần đầu nối:
q
λdn = 0,34 1 ( Ldn − 0,64 β τ )
lδ
1
= 0,34 ⋅
(7,1 − 0,64 ⋅ 1 ⋅ 4,2) = 0,06
24,4

(1.35)

■ Hệ số từ dẫn tổng:

∑ λ1 = λr + λt + λdn = 1,896 + 0 + 0,06 = 1,956

(1.36)

■ Điện kháng tản dây quấn Stator:
2
2
f1 ⎛⎜ w1 ⎞⎟ lδ
50 ⎛⎜ 216 ⎞⎟ 24
xδ = 0,158
⎟
∑ λ1 = 0,158 100 ⎜⎜⎝100 ⎠⎟⎟ 18 1,956
⎜
100 ⎜⎝100 ⎠⎟ p1 q1

= 0,96Ω
I
31,75
xσ* = xσ 1 = 0,96 ⋅
= 0,138
220
U1

(1.37)