Më ®Çu §å ¸n tèt nghiÖp §iÖn kü thuËt K27 Lêi nãi ®Çu Ngµy nay, ®Êt níc ta ®ang bíc vµo thêi kú c«ng nghiÖp hãa, hiÖn ®¹i hãa, lÜnh vùc ®iÖn n¨ng ph¸t triÓn rÊt m¹nh, ®iÖn líi quèc gia cã ë hÇu hÕt c¸[.]
§å ¸n tèt nghiƯp §iƯn kü tht K27 Lêi nãi đầu Ngày nay, đất nớc ta bớc vào thời kỳ công nghiệp hóa, đại hóa, lĩnh vực điện phát triển mạnh, điện lới quốc gia có hầu hết vùng nớc Tuy nhiên có nhiều trờng hợp yêu cầu riêng biệt mà phải dùng đến máy phát điện xoay chiều (đồng bộ) công suất nhỏ trung bình Phụ tải máy phát điện biến đổi làm cho điện áp đầu cực bị dao động Vì việc tìm hiểu, nghiên cứu, thiết kế ổn định điện áp chất lợng cao quan trọng cần thiết Để ổn định điện áp máy phát đồng Có nhiều phơng pháp, nhng sau linh kiện bán dẫn công suất lớn đời, ta chế tạo nhiều thiết bị công suất, với kết cấu gọn nhẹ nhiều so với thiết bị khác cã cïng c«ng dơng víi nã Ta cã thĨ dïng cho việc thiết kế ổn định điện áp máy phát điện xoay chiều với chất lợng ổn định cao Với nhiệm vụ đợc giao thiết kế ổn định điện áp máy phát điện xoay chiều không máy phụ, với P = 75 (kW), U = 220/380 (V), f = 50 (Hz) Ukt®m = 150 (V), Iktđm = 25 (A) SV: Châu Nguyễn Thành Thái trang ĐKT K27 Đồ án tốt nghiệp Điện kỹ thuật K27 Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRờng đại học quy nhơn Khoa kt & cn cộng hoà xà héi chđ nghÜa viƯt nam ®éc lËp - tù - h¹nh NhiƯm vơ thiÕt kÕ tèt nghiƯp Hä tên: Châu Nguyễn Thành Thái Nghành: Điện Kỹ Thuật Khoá: 27 Đầu đề thiết kế: Thiết kế mạch ổn định điện áp máy phát điện xoay chiều không máy phụ Các số liệu ban đầu: P=75(KW) ; U=220/380(V) ; f=50(Hz) ; UKT=150(V) ; IKT=20(A) Néi dung phần thuyết minh tính toán: - Khái quát máy phát điện xoay chiều - Các phơng pháp ổn định điện áp máy phát - Chọn phơng án - Thiết kế mạch động lực - Thiết kế mạch điều khiển Các vẽ đồ thị: - vẽ A0 Cán hớng dẫn: Phần Họ tên cán Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: Ngày hoàn thành: Quy Nhơn, Ngày tháng năm 2009 Chủ nhiệm khoa SV: Châu Nguyễn Thành Thái trang Cán hớng dẫn ĐKT K27 Đồ án tốt nghiệp Điện kỹ thuật K27 Sinh viên thực MụC LụC CHƯƠNG I KHáI QUáT Về MáY PHáT ĐIệN XOAY CHIềU I.1 Sơ lợc máy phát điện: Máy điện đồng thiết bị điện quan trọng đợc sử dụng rộng rÃi công nghiệp Phạm vi sử dụng làm máy phát điện, nghĩa biến đổi thành điện Điện chủ yếu dùng kinh tế quốc dân đời sống đợc sản xuất từ máy phát điện quay tuabin hơi, tuabin khí tuabin nớc Hai loại thờng gặp máy phát nhiệt điện máy phát thuỷ điện pha Máy điện đồng đợc dùng làm động đặc biệt thiết bị lớn, khác với động không đồng chúng phát công suất phản kháng Thông thờng máy đồng đợc tÝnh to¸n, thiÕt kÕ cho chóng cã thĨ ph¸t công suất phản kháng gần công suất tác dụng Trong số trờng hợp, việc đặt máy đồng gần trung tâm công nghiệp lớn để phát công suất phản kháng Với mục đích bù hệ số công suất cos cho lới điện đợc gọi máy bù đồng Ngoài động đồng công suất nhỏ (đặc biệt động kích từ nam châm vĩnh cửu) đợc dùng rộng rÃi trang bị tự động điều khiển I.1.1 Phân loại: Theo kết cấu chia máy điện đồng thành loại: Máy đồng cực ẩn thích hợp víi tèc ®é quay cao (sè cùc 2P = 2), máy điện đồng cực lồi thích hợp với tốc độ quay thấp (2P 4) SV: Châu Nguyễn Thành Thái trang ĐKT K27 Đồ án tốt nghiệp Hình 1.1: Rôto cực lồi Điện kỹ thuật K27 Hình 1.2: Rôto cực ẩn Theo chức chia máy điện đồng thành loại chủ yếu sau: I.1.1.1 Máy phát điện đồng bộ: - Máy phát điện đồng thờng đợc kéo tuabin tuabin nớc đợc gọi máy phát tuabin hay máy phát tuabin nớc Máy phát tuabin có tốc độ quay cao, đợc chế tạo theo kiểu cực ẩn trục máy đợc đặt nằm ngang nhằm đảm bảo độ bền cho máy Máy phát ®iƯn tuabin níc cã tèc ®é quay thÊp nªn cã kÕt cÊu theo kiĨu cùc låi, nãi chung trơc m¸y thờng đặt thẳng đứng Bởi để giảm đợc kích thớt máy phụ thuộc vào chiều cao cột nớc Trong trờng hợp máy phát có công suất nhỏ cần di động thờng dùng động điezen làm động sơ cấp đợc gọi máy phát điện điezen, loại thờng đợc chế tạo theo kiểu cực lồi I.1.1.2 Động điện đồng bộ: Động điện đồng thờng đợc chế tạo theo kiểu cực lồi đợc sử dụng để kéo tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ, với công suất chủ yếu từ 200KW trở lên I.1.1.3 Máy bù đồng bộ: SV: Châu Nguyễn Thành Thái trang ĐKT K27 Đồ án tốt nghiệp Điện kỹ thuật K27 Máy bù đồng thờng đợc dùng để cải thiện hệ số công suất cos lới điện Ngoài loại có loại máy điện đặc biệt nh: Máy biến đổi phần ứng, máy đồng tần số cao máy điện công suất nhỏ dùng tự động, nh động đồng nam châm vĩnh cửu, đồng đồng phản kháng, động đồng từ trễ, động bớc I.1.2 Kết cấu: Để thấy rõ đặc điểm kết cấu máy điện đồng bộ, ta xét trờng hợp máy cực ẩn máy cực lồi nh sau: I.1.2.1 Kết cấu máy đồng cực ẩn: Roto máy đồng cực ẩn làm thép hợp kim chất lợng cao, đợc rèn thành khối hình trụ, sau gia công phay rÃnh để đặt dây quấn kích từ Phần không phay rÃnh lại hình thành nên mặt cực từ Mặt cực ngang trục lõi thép roto nh hình 1.3: Hình 1.3: Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto Thông thờng máy đồng đợc chế tạo với số cực 2P = 2, tốc độ quay n = 3000(vòng/phút) Để hạn chế lực ly tâm, phạm vi an toàn hợp kim, ngời ta chế tạo roto có đờng kính nhỏ: (D = 1,1 ữ 1,15 (m)) Vì muốn tăng công suất máy tăng chiều dài l roto (lmax = 6,5m) Dây quấn kích từ đợc đặt rÃnh roto đợc quấn thành bối dây, vòng dây bối dây đợc cách điện với lớp mica mỏng Miệng rÃnh đợc nêm kín để cố định ép chặt bối dây Dòng SV: Châu Nguyễn Thành Thái trang ĐKT K27 Đồ án tốt nghiệp Điện kỹ thuật K27 điện kích từ dòng chiều đợc đa vào cuộn kích từ thông qua chổi than đặt trục roto Stato máy đồng cực ẩn bao gồm lõi thép đợc ghép lại từ thép kỹ thuật điện, có tạo rÃnh để đặt dây quấn pha Stato đợc gắn liền với thân máy, dọc chiều dài lõi thép stato có làm rÃnh thông gió ngang trục với mục đích thông gió mát máy điện Trong máy đồng công suất trung bình lớn thân máy đợc chế tạo theo kết cấu khung thép, máy phải có hệ thống làm mát Nắp máy đợc chế tạo từ thép gang đúc I.1.2.2 Kết cấu máy đồng cực lồi: Máy ®ång bé cùc låi thêng cã tèc ®é quay thÊp đờng kính roto lớn nhiều lần so víi roto cùc Èn: (Dmax = 15m), ®ã chiều dài lại nhỏ, với tỷ lệ l/D = 0,15 ữ 0,2 Roto máy đồng cực lồi công suất trung bình nhỏ có lõi thép đợc chế tạo từ thép đúc gia công thành khối lăng trụ, mặt có đặt cực từ máy lớn Lõi thép đợc hình thành thép dày từ 1mm đến 6mm, đợc dập đúc định hình sẵn để ghép thành khối lăng trụ, lõi thép thờng không trực tiếp lồng vào trục máy mà đợc đặt giá đỡ roto Dây quấn cản (trờng hợp máy phát đồng bộ) dây quấn mở máy (trờng hợp động đồng bộ) đợc đặt đầu cực Các dây quấn giống nh dây quấn kiểu lồng sóc máy điện không đồng bộ, nghĩa làm đồng đặt vào rÃnh đầu cực đợc nối đầu vòng ngắn mạch SV: Châu Nguyễn Thành Thái Hình6 1.4: Cực từ máy đồng cực lồi trang ĐKT K27 Đồ án tốt nghiệp §iƯn kü tht K27 L¸ thÐp cùc tõ Dây quấn kích từ Đuôi hình T Nêm Lõi thép roto Stato máy đồng cực lồi đặt nằm ngang với máy có công suất nhỏ, tốc độ quay cao trờng hợp máy phát tuabin nớc công suất lớn, tốc độ chậm trục máy phải đặt thẳng đứng theo kiểu treo kiểu đỡ tuỳ thuộc vào cách bố trí ổ trục đỡ + Ưu điểm kiểu treo ổn định, chịu ảnh hởng tác động phần phụ, nhng chi phí xây dựng cao, kiểu đỡ giảm đợc kích thớc máy theo chiều cao Do giảm đợc kích thớc chung máy Nh tuỳ theo yêu cầu mà ta phải có cách bố trí cho hợp lý I.2 Máy phát ®iƯn xoay chiỊu: I.2.1 Kh¸i niƯm: M¸y ph¸t ®iƯn xoay chiều máy phát điện đồng có tốc độ quay cđa rotor b»ng tèc ®é quay cđa tõ trêng I.2.1.1 Các thông số máy phát điện đồng bộ: Trong máy phát điện đồng thông số nh: Công suất, điện áp, dòng điện định mức phải kể đến thông số khác máy phát điện đồng là: điện trở, điện kháng cuộn dây, số quán tính điện I.2.1.2 Điện kháng đồng dọc trục ngang trục (Xd, Xq): Điện kháng đồng dọc trục ngang trục thông số đặc trng máy phát điện chế độ xác lập máy phát điện cực lồi mặt cực, từ thông khe hở không khí không đều, nên mạch từ không bÃo hòa Do điện kháng dọc trục ngang trục khác nhau(Xd Xq) Còn máy phát cực ẩn khe hở không khí nhau, mạch từ bÃo hòa nên: Xd = Xq SV: Châu Nguyễn Thành Thái trang ĐKT K27 §å ¸n tèt nghiƯp §iƯn kü tht K27 I.2.1.3 §iƯn kháng độ X'd: Đặc trng cho cuộn cảm cuộn dây chế độ xác lập chế độ từ thông sinh cuộn dây stato qua cuộn dây roto bị giảm phản ứng hỗ cảm cuộn dây Điện trở mạch kín cuộn dây roto thờng nhỏ nên phản ứng hỗ cảm triệt tiêu hoàn toàn từ thông bên Vì coi điện cảm mạch khép kín bên cuộn dây roto nhỏ không phụ thuộc vào dạng cực từ I.2.1.4 Điện kháng siêu độ: Điện kháng đặc trng cho điện cảm cuộn dây stato giai đoạn đầu chế độ độ giai đoạn đầu chế độ bị ảnh hởng cuộn dây cản, làm giảm từ thông cuộn dây stato Do ®ã X"d < X'd, dßng ®iƯn xt hiƯn cuộn dây cản tức thời điện kháng X"d tồn giai đoạn đầu chế độ độ I.2.1.5 Hằng số quán tính Tj: Đặc trng cho mômen quán tính phần quay, số đợc tính toán tùy thuộc vào loại máy phát Tj = J J dm dm = ìJ Sdm GD Trong ®ã: J = 60 Víi: , đm = 2.n 60 G - Khối lợng vật quay D - đờng kính vật quay I.2.2 Đồ thị vectơ đặc tính máy phát điện đồng bộ: Đối với máy phát đồng bộ: U = E δ - I (r + jXδ) (1 - 1) Trong đó: U: Điện áp đầu cực máy phát R, Xu': Điện trở điện kháng tản dây quấn phần ứng SV: Châu Nguyễn Thành Thái trang ĐKT K27 Đồ án tốt nghiệp Điện kỹ thuật K27 E: Sức điện động cảm ứng dây quấn từ trờng khe hở không khí Khi có tải suất điện động cảm ứng đợc chia làm thành phần: E= E + E * Ta xét máy phát điện đồng bộ: Trong trờng hợp ta xét cho loại máy cực ẩn máy cực lồi Giả sử máy phát làm việc tải điện cảm có: < < 900 Phơng trình cân điện áp cho máy cực ẩn: = + U E E I (r + jX) E (1 - 2) : Søc ®iƯn động phần ứng đợc biểu thị theo điện kháng phần ứng: E = j IX Vậy phơng trình - trë thµnh: U = E - j I (X + jXσ)- I r (1 - 3) Ta biểu diễn phơng trình - đồ thị vectơ jIXư jIXư E Irư U θ ϕ fδ Fo θ' I F H×nh 1.5: Đồ thị sđđ máy phát đồng cực ẩn Trên đồ thị thì: Từ thông 0(F0) vợt trớc E mét gãc π/2 vµ Φ(F) chËm sau E = j IX góc /2 Phơng trình cân điện áp cho máy cực lồi SV: Châu Nguyễn Thành Thái trang ĐKT K27 Đồ án tốt nghiệp §iÖn kü thuËt K27 U = E - j I d Xd - j I q Xq - j I Xσ - I r (1 - 4) Vì máy cực lồi thành phần sức từ động đợc chia thành thành phần dọc trơc vµ ngang trơc E d = -j I dXd E q = -j I qXq Và thành phần -j I X ta phân tích thành thành phần dọc trục ngang trục -j I Xδ = -j I qXδ + (-j I dX) Lúc phơng trình (1 - 5) trë thµnh: U = E -j I dXd -j I qXq - I r (1 - 5) Víi: Xd = Xd + Xδ Xq = X q + X Xd : điện kháng ®ång bé däc trơc Xq : ®iƯn kh¸ng ®ång bé ngang trục Biểu diễn phơng trình (1 - 5) đồ thị vectơ E jId Xd jIq Xq jI Xq ψ Ir U θ ϕ Iq ψ I Id H×nh 1.6: Đồ thị sđđ đà biến đổi máy điện cực lồi + Trờng hợp mạch từ bÃo hoà: Đối với máy phát đồng cực lồi việc thành lập đồ thị vectơ có xét đến trạng thái bÃo hoà mạch từ có gặp nhiều khó khăn Vì lúc từ thông d q có liên quan với trạng thái bÃo hoà theo hai phơng SV: Châu Nguyễn Thành Thái trang 10 ĐKT K27 ... phúc Nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp Họ tên: Châu Nguyễn Thành Thái Nghành: Điện Kỹ Thuật Khoá: 27 Đầu đề thiết kế: Thiết kế mạch ổn định điện áp máy phát điện xoay chiều không máy phụ Các số liệu... phần thuyết minh tính toán: - Khái quát máy phát điện xoay chiều - Các phơng pháp ổn định điện áp máy phát - Chọn phơng án - Thiết kế mạch động lực - Thiết kế mạch điều khiển Các vẽ đồ thị: - vẽ... hợp lý I.2 Máy phát điện xoay chiều: I.2.1 Khái niệm: Máy phát điện xoay chiều máy phát ®iƯn ®ång bé cã tèc ®é quay cđa rotor b»ng tốc độ quay từ trờng I.2.1.1 Các thông số máy phát điện đồng