THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Pđm = 500 kW

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN NHÓM ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU: THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Anh Nhóm sinh viên thực hiện: Đào Duy Hưng Trần Ngọc Đông Nguyễn Anh Tú MSV: 2019603561 MSV: 2019603597 MSV: 2019603342 Lớp : EE6023001 HÀ NỘI, 2022 BTL Thiết kế thiết bị điện MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu máy điện đồng 1.2 Cấu tạo máy phát điện đồng 1.2.1 Stato (phần ứng) 1.2.2 Roto (phần cảm) 1.3 Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Yêu cầu thiết kế 2.2 Nhiệm vụ thiết kế 2.2.1 Tính tốn thơng số 2.2.2 Tính tốn thơng số Stato Roto 10 2.2.3 khe hở không khí cực từ roto 16 2.2.4 Tính tốn mạch từ 18 2.2.5 Tính tốn nhiệt 20 CHƯƠNG KẾT LUẬN 21 3.1 Mô phần mềm Asys Maxwell 21 Giới thiệu phần mềm Ansys Maxwell 21 Thiết lập thông số động vào phần mềm 21 Kết mô 25 Tài liệu tham khảo 27 BTL Thiết kế thiết bị điện DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cấu tạo động không đồng Hình 2: Roto cực lồi Hình Lõi thép mặt cắt ngang roto máy điện đồng cực ẩn Hình Sơ đồ nguyên lý máy phát đồng pha Hình Hình ảnh động trước mô 25 Hình Dịng điện khởi động động pha 25 Hình 3 Kết momen động 25 Hình Tốc độ quay động 26 Hình Giá trị điện áp dây quấn stato 26 BTL Thiết kế thiết bị điện LỜI NÓI ĐẦU Hiện động điện đồng thường sử dụng cần truyền động công suất lớn (Khoảng chục triệu W) với tốc độ ổn định, không biến đổi Thiết bị dùng phổ biến cơng nghiệp luyện kim, khí nén, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, quạt gió, máy bơm nước,… Động điện đồng ba pha máy điện quay biến đổi điện thành sử dụng rộng rãi sản xuất công nghiệp đời sống ngày nhân dân Sở dĩ sử dụng rơng rãi cấu tạo đơn giản, làm việc chắn, giá thành lại rẻ… Cùng với phát triển mạnh mẽ kinh tế, q trình cơng nghiệp hố - đại hố, sản phẩm cơng nghệ u cầu phải tinh xảo, chất lượng, đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Để làm điều người kỹ sư thiết kế phải khơng ngừng nghiên cứu, tìm hiểu,nắm bắt phát triển xã hội để chế tạo loại máy điện phù hợp với xu phát triển thời đại Trong học kỳ nhóm em giao đề tài thiết kế động đồng ba pha thầy giáo NGUYỄN VIỆT ANH hướng dẫn Vì lần chưa có đầy đủ kinh nghiệm nên khơng tránh thiếu sót thiết kế Vì mong thầy giáo sau duyệt đồ án đóng góp ý kiến cho em để hoàn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn! BTL Thiết kế thiết bị điện CHƯƠNG MỞ ĐẦU Giới thiệu máy điện đồng 1.1 Máy điện đồng máy điện xoay chiều có tốc độ n tốc độ từ trường quay máy n1 Ở chế độ xác lập máy điện đồng có tốc độ quay roto n ln khơng đổi Máy phát điện đồng có dải cơng suất tốc độ quay tương đối rộng Trong hệ thống điện, máy phát điện nhà máy điện có cơng suất đơn đến 1200 MW máy phát điện tuabin đến 560 MW máy phát tuabin nước Trong sản xuất sử dụng nhiều động điện đồng công suất lớn thường cực lồi Những máy điện đồng công suất nhỏ vừa thường chế tạo với điện áp 380(400) V 6000(6300) V Có đến 10000(10500) V, trị số ngoặc dùng cho máy phát Các tổ máy công suất nhỏ đến 100 kW thường trang bị thiết bị tự kích tự động điều chỉnh điện áp Các máy điện đồng thường chế tạo theo cấp bảo vệ IP11 IP23 tự thơng gió hướng kính thường trục nằm ngang, có chế tạo thành trục đứng Máy điện đồng thiết kế theo dãy cho tiện sản xuất sử dụng Tiêu chuẩn máy điện đồng bộ, TCVN 244-85 quy định cấp công suất đến 110kW, tiêu chuẩn TCVN 316-85 quy định cấp công suất từ 110 đến 1000 kW Khi thiết kế máy điện đồng thường cho biết số liệu định mức sau: Công suất định mức Pđm, máy phát thường kVA hay kW, động điện kW Điện áp dây định mức Uđm (V hay kV) Hệ số công suất định mức cos𝜑đm Đối với máy phát điện dịng điện chậm sau, với động vượt trước Số pha m Thường loại ba pha BTL Thiết kế thiết bị điện Cách đấu dây Thường Y hay Yn Tần số f Tần số công nghiệp nước ta 50 Hz Tốc độ quay n vòng/phút Kết cấu máy 1.2 Cấu tạo máy phát điện đồng Cấu tạo máy điện đồng gồm có phận stato roto Hình 1 Cấu tạo động không đồng 1.2.1 Stato (phần ứng) Stato máy điện đồng giống stato máy điện khơng đồng bộ, gồm hai phận lõi thép stato dây quấn ba pha stato Dây quấn stato gọi dây quấn phần ứng 1.2.2 Roto (phần cảm) Roto máy điện đồng nam châm điện gồm có lõi sắt dây quấn kích thích Dịng điện đưa vào dây quấn kích thích dịng điện chiều Roto máy điện đồng có kiểu roto cực lồi roto cực ẩn ❖ Roto cực lồi Dạng mặt cực để khe hở khơng khí khơng đều, mục đích làm cho từ cảm phân bố khe hở không khí hình sin để suất điện động cảm ứng dây quấn stato hình sin Loại roto dùng máy phát có tốc độ thấp, có nhiều đơi cực máy phát kéo tuabin thủy điện BTL Thiết kế thiết bị điện Hình Roto cực lồi ❖ Roto cực ẩn Khe hở khơng khí roto có cực cực Loại roto cực ẩn dùng máy có tốc độ cao máy kéo tuabin nhiệt điện Vì tốc độ cao nên để chống lực ly tâm, roto chế tạo ngun khối có đường kính nhỏ Hình Lõi thép mặt cắt ngang roto máy điện đồng cực ẩn BTL Thiết kế thiết bị điện 1.3 Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng Hình Sơ đồ nguyên lý máy phát đồng pha 1.Động sơ cấp Dây quấn stato Roto máy phát đồng Dây quấn roto Vành trượt Chổi than tỳ lên vành trượt Máy phát điện chiều Động cấp ( tuabin hơi) quay roto máy phát điện đồng đến gần tốc độ định mức, máy phát điện chiều thành lập điện áp cung cấp dòng điện chiều cho dây quấn kích thích máy phát điện đồng thông qua chổi than vành góp 6, roto máy phát điện đồng trở thành nam châm điện Do roto quay, từ trường roto quét qua dây quấn phần ứng stato cảm ứng suất điện động xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là: E =π 2.f.N.k dq θ.E (0.1) Trong đó: E0 sđđ pha; N số vòng dây pha; kdq hệ số dây quấn; 𝜙0 từ thông cực từ roto Nếu roto có số đơi cực từ p, quay với tốc độ n sđđ cảm ứng dây quấn stato có tần số là: BTL Thiết kế thiết bị điện F = p.n 60.F (Hz) n = (vòng/phút) (0.2) 60 p Khi dây quấn stato nối với tải, dây quấn có dịng điện ba pha chạy qua Hệ thống dòng điện sinh từ trường quay, gọi từ trường phần ứng, có tốc độ n1 = 60F (vòng/phút) (0.3) p Ta thấy tốc độ roto n tốc độ từ trường quay máy n1, nên gọi máy điện đồng BTL Thiết kế thiết bị điện CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Yêu cầu thiết kế + Thông số máy điện không đồng - Pđm = 500 kW; - Uđm = 600 V - Đấu Y, tần số 50 Hz, tốc độ quay n = 500 vg/ph, cosφ=0,9 chậm sau, η = 0,75 - Bội số mô men cực đại Mmax=2,2 - Chế độ làm việc liên tục, cấp bảo vệ IP11, trục nằm ngang 2.2 Nhiệm vụ thiết kế Tính tốn thơng số Tính tốn thơng số stato,rơto Tính tốn khe hở khơng khí cực từ roto Tính tốn mạch từ Tính tốn q nhiệt 2.2.1 Tính tốn thơng số Xác định số đôi cực P p = 60f 60.50 = = (2.1) n 500 Trong : + f : Tần số lưới điện đưa vào + n : Tốc độ quay đồng động cơ, theo yêu cầu n=500 vòng/phút Điện áp pha: U= U đm = 600  346,5 (V) 3 Công suất biểu kiến định mức: (2.2) BTL Thiết kế thiết bị điện Do I = 713 > 200 A nên lấy a = 18 Bước rãnh t1 Theo hình 11-7 trang 324 [1], với  = 24,9 cm bước rãnh tối thiểu tối đa sau: t1min = 3,3 ( cm ) t1max = 3,8 (cm) 19 Số rãnh Stato tối đa tối thiểu (Z1) Z1max = π.D π.95 = = 91 t1min 3,3 Z1min = (2.16) πD π.95 = = 79 t1max 3,8 20 Chọn số rãnh Stato Trong phạm vi 79  91 rãnh, chọn số rãnh Stato để lập bảng so sánh : q (81) = Z1 81 = ) = ; t1 =3,68 ( cm ) 2pm 12.3 (2.17) Và q (90) = Với: 90 = ; t1 = 3,32 ( cm ) 12.3 + Z1 số rãnh Stato + P số cực 21 Tính tốn số vịng dây rãnh u Z1 = 95, Số xécmăng = 6, u r = 25, q1 = , t1 = 3,32, A = 470 22 Chiều rộng theo rãnh b r1 = 0,39.t1 = 0,42.3,32 = 1,4 ( cm ) 23 Chọn mật độ dòng điện(J1) 13 (2.18) BTL Thiết kế thiết bị điện J1 = - AJ1 2300 = = 4,9 ( cm ) A 470 (2.19) Với: + Trị số AJ tra hình 11-8 trang 326 (đường 2), sử dụng cho cấp chịu nhiệt B + A : Tải đường (Tải điện từ) 24 Chọn tiết diện dây dẫn(S1) S1 = I 713 = = 48,5 ( mm ) a.J1 3.4.9 (2.20) 25 Chiều rộng rãnh 13 mm, chiều cao rãnh hr= 74 mm 26 Mật độ dòng điện dây dẫn Stato J1 = I 2300 = = 4,9 ( cm ) A 470 (2.21) 27 Mật độ từ thông rãnh stato Bz1 = Bδdm t1 L 0,89.3,32.33, 42 = = 1,8T ( cm ) (t1 -b r1 )L1 K c1 (3,32 − 1,3).29,92.0,93 (2.22) − Trong : + Bdm: Mật độ từ thơng khe hở khơng khí + t1: Bước rãnh rơto + Kc1= 0,93: hệ số ép chặt lõi sắt + l: Chiều dài lõi sắt rôto 28 Mật độ từ thông gông Stato Bz1 =  Bδdm t1 L − Với 2h L1 K c1 + h g1 = = 0,66.0,89.24,9.33, 42 = 0,53T ( cm ) 2.16,6.29,92.0,93 Dn - D 143-95 - h r1 = - 74 = 16,6 (cm) 2 + α δ hệ số tính tốn cực từ + Bδdm Mật độ từ thơng khe hở khơng khí 14 (2.23) BTL Thiết kế thiết bị điện + Kc1 hệ số ép chặt lõi sắt 29 Độ chênh lệch nhiệt độ lớp cách điện rãnh theo công thức 11- 15 θ cd = 0,5. cd J1 A.K f t1 4200 2.(Br1 +h r1 -h n ) cd 4,9.470.1,1 3,32 0,5.0, 47 = = 13o C < 35o C −3 4200 2.(1,3 + 7, − 0,5) 22.10 − Với: + J1 mật độ dòng điện + A Tải đường (Tải điện từ) + Kf hệ số tổn hao phụ 1,3 ~1,1 + t1 bước rãnh + br1 bề rộng rãnh + hr1 chiều cao rãnh +hn chiều cao nêm 30 Gradien nhiệt độ cách điện rãnh 31 Số vòng dây pha dây quấn Stato theo công thức 11-11 W1 = p.q1 u r 6.2,5.25 = = 125 (vòng) a1 (2.25) − Với: +P=6 + q1 = 2,4 + Ur 32 Bước dây quấn y1 = (0,8 - 0,86) r = (0,6 - 0,86).7,5 = (từ rãnh đến rãnh 7) − Trong 𝜏r = 3.q1 = 7,5 15 (2.26) (2.24) BTL Thiết kế thiết bị điện P' = y1 = = 0,8 tr 7,5 2.2.3 khe hở khơng khí cực từ roto Để đạt bội số momen cực đại =2,2, theo hình 11-9 ta có Xj*=1,3 Sơ xác định khe hở khơng khí theo(11-19) δ = 0,28 Với δ = 0,28 A t 0,28.470.24,9 = = 0,28 (cm) Bδ0 Xj* 0,846.1,3 A t 0,28.470.24,9 = = 0,28 (cm) Bδ0 Xj* 0,846.1,3 (2.27) (2.28) Lấy khe hở không khí cực từ δ = 0,28 Ở hai đầu mõm cực từ δm = 1,5.δ = 1,5 0,28 = 0,42 (cm) (2.29) Trị số khe hở khơng khí trung bình theo (11-21) δ' = δ + 1 (δ m - δ) = 0,28 + (0,42 - 0,28) = 0,337(cm) 3 (2.30) Chiều rộng mặt cực từ  m = 0,7 bm = αm t = 0,7.24,9 = 17,43 (cm) (2.31) Bán kính mặt từ theo (11-22) Rm = D 95 = = 40,4 (cm) 8D.(δm - δ) 8.95.(0,42 - 0,28) 2+ 2+ 17,432 b2 m (2.32) Chiều cao mặt cực từ theo bảng 11-4 Với t = 24,9 lấy hm = 3,3 Chiều dài phân cực từ mõm cực từ L2 = L1 - = 37 - = 36 (cm) (2.33) Chiều dài tính tốn thân cực từ lấy chiều dài má cực Lmc=2 cm Lc = L2 + lmc = 36 + = 38 (cm) 16 (2.34) BTL Thiết kế thiết bị điện Chiều cao thân cực từ theo công thức 11-27 trang h c = 1,6 + 5,88 t = 1,6 + 5,88 24,9 = 14,7 (2.35) Hệ số tản từ theo công thức 11-24 σ1 = + k 35σ' 0,35.0,337 = + =1 τ 24,92 (2.36) Với hm=3,3, lấy k=7 theo bảng 11.3 trang 331 10 Chiều rộng cực từ Sử dụng thép CT3 dây 1mm với hệ số ép chặt lõi sắt Kc2 = 0,95 Mật độ từ thông cực từ Bc = 1,43T thì: b2 = Với: α δ Bδdm τ.lδ 0,66.0,93.24,9.33,42 = = 989,44 mm = 10 cm Bc K c2 lc 1,43.0,95.0,38 (2.37) + kc2 hệ số ép chặt lõi sắt + + Tốc độ dài bề mặt cực từ v2 = π.D.n π.95.500 = = 24,9 (m/s) 6000 6000 (2.38) 11 Chiều dài gông cực từ theo công thức 11-29: lg2 = l2 + Δlg2 = 36 + 12 = 48 (cm) (2.39) Lấy Δlg2 = 12 cm 12 Chiều cao tối thiểu gông rôto h2g = α δ Bδdm τ.lδ 0,66.0,93.24,9.33,42 1 = = 443,4 mm = 4,5 cm (2.40) 2.Bg2 l g 2.1,2.48 Lấy Bg2 = 1,2T 13 Số cản mặt cực từ lấy Qc=6 (vặt liệu đồng) 14 Tiết diện dây quấn cản theo công thức 11-54 17 BTL Thiết kế thiết bị điện Sc = ( 0,25÷0,35) τ.A Qc J I = 0,3.24,9.470 = 119,5 mm 6.4,9 (2.41) 15 Đường kính dây quấn cản d c = 1,13 sc = 1,13 119,5 = 12.35 (mm) (2.42) Lấy dc = 12,5 mm; Sc = 120 mm2 16 Bước dây quấn cản lấy z = cm t2 = b m − d c − 2z 17, 43 − 1, 25 − 2.1 = = 2,84 cm Qc − −1 (2.43) 17 Theo điều kiện (11-52): 0,8t1 < t2 < t1 0,8t1 = 0,8.3,32 = 2,66 cm Ta thấy 2,66 < 2,84 < 3,32 cm Do chọn t2 phù hợp 18 Kích thước rãnh cuộn cản b4c = mm; h4c = mm; d’c = 12,6 mm 19 Chiều dài dây quấn cản: llc = l2 +0,34τ = 36 + 0,34.24,9 = 44,5 (cm) (2.44) 20 Tiết diện vành ngắn mạch s vc = b vc h vc = 0,5.Qc s c = 0,5.6.120 = 360 (mm ) (2.45) 2.2.4 Tính tốn mạch từ Sử dụng lõi thép kỹ thuật điện lõi sắt stator dùng loại cán móng Nga 1511, dày 0,5 mm Cực từ dùng thép CT3, dày 1mm Từ thông khe hở khơng khí theo cơng thức 4-84 = El El = = 0,131.10−4 E l 4k s f.w l k dl 4.1,152.50.125.0,915 Theo hình 4-Sa với  m /  = 1,5 ;  m = 0,7 ks = 1,152;  = 0,66 18 (2.46)  0, 28 = = 0,0112  24,9 BTL Thiết kế thiết bị điện Chiều dài tính tốn xác lõi sắt stato theo (4-13) lδ = ll - n g bg + 2δ' = 37 - 0,437.7 + 2.0,337 = 37,3 (cm) (2.47) Với b g = γ.δ = 1,56.0,28 = 0,437 +  ' chiều dài khe hở khơng khí Với: + b 'g Chiều rộng rãnh thơng gió quy đổi bg 12 γ' = /(5 + )= /(5+ ) = 1,49 , hệ số khe hở khơng khí δ δ 0,28 0, 28 bg Mật độ từ thông khe hở không khí: .104 0,131 B = = E l = 2, 48.10−4 E l  l 0,66.23,6.34 (2.48) Hệ số khe hở khơng khí Stato theo cơng thức (4-15): k = t1 + 10 3,32 + 10.0, 28 = = 2,8 t1 − bz1 + 10 0,53 + 10.0, 28 (2.49) Hệ số khe hở khơng khí Roto k = t + 10 2,65 + 10.0,337 = = 1,075 (t − b4 c ) + 10 ( 2,65 − 0, ) + 10.0,337 (2.50) Hệ số khe hở khơng khí (4-17): k = k 1k = 2,8.1,075 = 2,9 (2.51) Sức từ động khe hở khơng khí theo (4-18): F = 1,6B 1 k  10−4 = 1,6.2,048.0, 27.1,35E1 = 1, 46E1 (2.52) Chiều rộng Stato 1/3 chiều cao rãnh: b z1/3 = t z1/3 − bt1 = 3,32 − 1,25 = 2,07 cm Trong t z1/3 =  ( D + 2h t1/3 )  ( 90 + 2.7.1/ 3) z1 = 90 = 3,32 cm Mật độ từ thông Stato theo công thức (4-22) 19 (2.53) (2.54) BTL Thiết kế thiết bị điện B z1 = B t1l 2, 48.3,14.34 −4 = 10 E1 = 4,52.10−4.E1 b z1/3l1 1k c1 2,07.30,1.0,93 10 Sức từ động Stato: Fz1 = 2h Il H z1 = 2.7,4.H z1 = 14,8H z1 2.2.5 Tính tốn q nhiệt 20 (2.56) (2.55) BTL Thiết kế thiết bị điện CHƯƠNG KẾT LUẬN 3.1 Mô phần mềm Asys Maxwell Giới thiệu phần mềm Ansys Maxwell Hiện giới có nhiều phần mềm liên quan đến động nói chung trình điện từ trường hay nhiệt động học nói riêng động phần mềm đa phương KIVA, phần mềm nhiệt động học q trình cơng tác PROMO, đặc biệt phần mềm Maxwell mô trường điện từ hàng đầu cho kỹ sư thiết kế 3-D 2-D gồm động cơ, cấu truyền động, máy biến áp, cảm biến cuộn dây Ansys Maxwell sử dụng phương pháp xác phần tử hữu hạn FEM để giải phương trình vi tích phân hệ phương trình Maxwell viết cho trường điện từ Từ đó, biết phân bố trường điện từ máy điện, tính tốn tham số máy điện Khác với phương pháp thiết kế truyền thống, sử dụng cơng thức giải tích, hệ số kinh nghiệm, bảng tính… ứng dụng FEM, cần phải xây dựng mơ hình hình học cho máy điện, khai báo thơng số vật liệu, đặt giả thiết điều kiện biên, sử dụng máy tính số để giải tốn với khối lượng tính tốn lớn Thiết lập thông số động vào phần mềm Bước 1: Khởi động phần mềm Bước 2: Chọn biểu tượng để chọn loại máy điện cần mô 21 BTL Thiết kế thiết bị điện Bước 3: Thiết lập thông số chung máy chọn Bước 4: Thiết lập thông số stato chọn 22 ; ; BTL Thiết kế thiết bị điện Bước 5: Thiết lập thông số rôto chọn 23 ; ; BTL Thiết kế thiết bị điện Bước 6: Thiết lập analysis - Chọn add selution setup 24 BTL Thiết kế thiết bị điện Bước 7: Chọn Create Maxwell Design để bắt đầu chạy tốn Hình Hình ảnh động trước mơ Kết mơ Hình Dòng điện khởi động động pha ➔ Ta thấy dòng điện đạt giá trị ổn định sau khởi động động Hình 3 Kết momen động ➔ Ta thấy khởi động momen động momen tiến dần đến kNewtonMeter 25 BTL Thiết kế thiết bị điện Hình Tốc độ quay động ➔ Ta thấy tốc độ quay ổn định 500 vịng/phút Hình Giá trị điện áp dây quấn stato − Giá trị điện áp biên độ đo 480 V − Điện áp biên độ đầu là: 600 = 489,9 ≈ 480 V − Giá trị điện áp mô gần thực tế 26 BTL Thiết kế thiết bị điện Tài liệu tham khảo [1] Trần Khánh Hà – Nguyễn Hồng Thanh, Thiết kế máy điện, Hà Nội: Nhà Xuất Hà Nội, 2006 27 ... n1 = 60F (vòng/phút) (0.3) p Ta thấy tốc độ roto n tốc độ từ trường quay máy n1, nên gọi máy điện đồng BTL Thiết kế thiết bị điện CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Yêu cầu thiết kế + Thông số máy điện. .. để chọn loại máy điện cần mô 21 BTL Thiết kế thiết bị điện Bước 3: Thiết lập thông số chung máy chọn Bước 4: Thiết lập thông số stato chọn 22 ; ; BTL Thiết kế thiết bị điện Bước 5: Thiết lập thông... ? ?= El El = = 0,131.10−4 E l 4k s f.w l k dl 4.1,152.50.125.0,915 Theo hình 4-Sa với  m /  = 1,5 ;  m = 0,7 ks = 1,152;  = 0,66 18 (2.46)  0, 28 = = 0,0112  24,9 BTL Thiết kế thiết bị điện