Bài tập lớn thiết kế thiết bị Điện nhóm 7 Đề tài nghiên cứu thiết kế máy Điện Đồng bộ

Thi t b ế đổ ế ịnày được dùng ph bi n trong công nghi p luy n kim, khí nén, khai thác m , thiổ ế ệ ệ ỏ ết bị l nh, quạ ạt gió, máy bơm nước,… Động cơ điện đồng bộ ba pha là máy điện quay

KHOA ĐIỆN

BÀI T P L N Ậ Ớ

NHÓM 7

Giảng viên hướ ng d n: ẫ TS Nguy n Vi t Anh ễ ệ

MỤC LỤC

LỜI NÓI Đ U 3Ầ

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 4

1.1 Giới thiệu v ề máy điện đồng b 4ộ 1.2 C u t o cấ ạ ủa máy phát điện đồng b 5ộ 1.2.1 Stato (ph n ng) 5ầ ứ 1.2.2 Roto (ph n cầ ảm) 5

1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng b 7ộ CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 9

2.1 Yêu c u thiầ ết kế 9

2.2 Nhi m vệ ụ thiết kế 9

2.2.1 Tính toán các thông s ố cơ bản 9

2.2.2 Tính toán thông s Stato và Roto 10ố 2.2.3 khe h không khí và cở ực từ roto 16

2.2.4 Tính toán mạch từ 18

2.2.5 Tính toán quá nhi t 20ệ CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN 21

3.1 Mô ph ng trên ph n m m Asys Maxwell 21ỏ ầ ề 1 Gi i thi u v ớ ệ ề phần m m Ansys Maxwell 21ề 2 Thiết lập thông số động cơ vào phần m m 21ề 3 Kết qu mô phả ỏng 25 Tài liệu tham kh o 27ả

2

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Cấu tạo động cơ không đồng b 5ộ

Hình 1 2: Roto cực lồi 6

Hình 1 3 Lõi thép và mặt cắt ngang roto của máy điện đồng b cộ ực ẩn 6

Hình 1 4 Sơ đồ nguyên lý máy phát đồng bộ 3 pha 7

Hình 3 1 Hình ảnh động cơ trước khi mô phỏng 25

Hình 3 2 Dòng điện khởi động động cơ của 3 pha 25

Hình 3 3 Kết quả momen của động cơ 25

Hình 3 4 Tốc độ quay của động cơ 26 Hình 3 5 Giá trị điện áp trên dây qu n stato 26ấ

LỜI NÓI Đ U ẦHiện nay động cơ điện đồng bộ thường được s d ng khi c n truyử ụ ầ ền động công su t l n (Kho ng ch c tri u W) vấ ớ ả ụ ệ ới tốc độ ổn định, không bi n i Thi t b ế đổ ế ịnày được dùng ph bi n trong công nghi p luy n kim, khí nén, khai thác m , thiổ ế ệ ệ ỏ ết

bị l nh, quạ ạt gió, máy bơm nước,…

Động cơ điện đồng bộ ba pha là máy điện quay biến đổi điện năng thành cơ năng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống hằng ngày của nhân dân Sở dĩ nó được sử dụng rông rãi là vì cấu tạo đơn giản, làm vi c ch c ch n, giá thành l i rệ ắ ắ ạ ẻ… Cùng vớ ựi s phát tri n m nh m c a nể ạ ẽ ủ ền kinh t , c a quá trình công nghi p hoá - hiế ủ ệ ện đại hoá, các s n ph m công ngh yêu ả ẩ ệcầu ph i tinh x o, chả ả ất lượng, đáp ứng được nhu c u cầ ủa người tiêu dùng Để làm được điều đó người kỹ sư thiết kế ph i không ng ng nghiên c u, tìm hiả ừ ứ ểu,nắm bắt

sự phát tri n c a xã hể ủ ội để chế ạ t o ra nh ng loữ ại máy điện phù hợp v i xu th phát ớ ếtriển của thời đại

Trong h c k ọ ỳ này nhóm em được giao đề tài thi t k ế ế động cơ đồng bộ ba pha

do th y giáo NGUY N VIầ Ễ ỆT ANH hướng d n Vì là lẫ ần đầu tiên chưa có đầy đủ kinh nghi m nên không thệ ế tránh được thi u sót trong thi t k Vì v y mong thế ế ế ậ ầy

cô giáo sau khi duyệt đồán có thể đóng góp ý kiến cho em để hoàn thiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

4

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Giới thi u v ệ ề máy điện đồng bộ

Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ n bằng tốc độ từ trường quay trong máy n 1 Ở chế độ xác lập máy điện đồng b có tộ ốc độ quay c a roto n ủluôn không đổi

Máy phát điện đồng bộ có một dải công suất và tốc độ quay tương đối rộng Trong h ệ thống điện, các máy phát điện trong nhà máy điện có công suất đơn chiếc đến 1200 MW đố ới máy phát điện tuabin hơi và đến 560 MW đối v i với máy phát tuabin nước Trong sản xuất cùng sử dụng nhiều động cơ điện đồng bộ công suất lớn và thường là cực lồi

Những máy điện đồng bộ công su t nh và vấ ỏ ừa thường được ch t o vế ạ ới điện

áp 380(400) V và 6000(6300) V Có khi đến 10000(10500) V, trong đó trị s trong ốngoặc dùng cho máy phát Các t máy công su t nhổ ấ ỏ đến 100 kW thường được trang bị thiế ị t kích và tt b ự ự động điều chỉnh điện áp

Các máy điện đồng bộ thường chế tạo theo cấp bảo vệ IP11 hoặc IP23 tự thông gió hướng kính và thường là trục nằm ngang, cũng có khi chế tạo thành trục đứng

Máy điện đồng bộ cũng được thiế ết k theo dãy cho tiện sản xuất và sử dụng Tiêu chuẩn v ề máy điện đồng b , TCVN 244-ộ 85 quy định c p công suấ ấ ết đ n 110kW, còn tiêu chu n TCVN 316-ẩ 85 quy định c p công su t tấ ấ ừ 110 đến 1000

kW

Khi thiết kế các máy điện đồng bộ thường cho biết các s ố liệu định m c sau: ứ

1 Công suất định mức Pđm, đố ới máy phát thường là kVA hay kW, đối v i với động cơ điện là kW

2 Điện áp dây định mức Uđm(V hay kV)

3 H s công suệ ố ất định m c cosứ 𝜑đm Đối với máy phát điện thì dòng điện chậm sau, với động cơ là vượt trước

4 Số pha m Thường là loại ba pha

5 Cách đấu dây Thường là Y hay Y n

6 T n s f T n s công nghiầ ố ầ ố ệp nước ta là 50 Hz

7 Tốc độ quay n vòng/phút

8 Kết cấu của máy

1.2 C u t o cấ ạ ủa máy phát điện đồng bộ

Cấu t o cạ ủa máy điện đồng b gộ ồm có 2 bộ ph n chính là stato và roto ậ

Hình 1 1 C u t ấ ạo động cơ không đồ ng b ộ

1.2.1 Stato (phần ứng)

Stato của máy điện đồng b giộ ống như stato của máy điện không đồng bộ, gồm hai b ph n chính là lõi thép stato và dây qu n ba pha stato Dây qu n stato ộ ậ ấ ấcòn gọi là dây qu n ph n ng ấ ầ ứ

1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

Hình 1 4 Sơ đồ nguyên lý máy phát đồ ng b 3 pha ộ

6 Ch i than tổ ỳ lên vành trượt

7 Máy phát điện một chiều

Động cơ cấp 1 ( tuabin hơi) quay roto máy phát điện đồng bộ đến gần tốc độđịnh mức, máy phát điện một chiều 7 được thành lập điện áp và cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích thích 4 máy phát điện đồng bộ thông qua chổi than 5 và vành góp 6, roto 3 của máy phát điện đồng b trở ộ thành nam châm điện

Do roto quay, t ừ trường roto quét qua dây quấn ph n ng stato và cầ ứ ảm ứng ra suất điện động xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là:

E =π 2.f.N.k θ.E (0.1) Trong đó: E0 là sđđ pha; N là số vòng dây c a m t pha; k là h s dây qu n; ủ ộ dq ệ ố ấ

𝜙0từ thông cực từ roto

Nếu roto có số đôi cực từ là p, quay với tốc độ n thì sđđ cảm ứng trong dây quấn stato có tần số là:

CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

2.1 Yêu cầu thiết kế

+ Thông số của máy điện không đồng b ộ

- Pđm = 500 kW;

- Uđm = 600 V

- Đấu Y, t n s 50 Hz, tầ ố ốc 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 vi c liên tệ ục, cấp b o v IP11, tr c n m ngang ả ệ ụ ằ

2.2 Nhiệm vụ thiết kế

1 Tính toán các thông s ố cơ bản

2 Tính toán thông s stato,rôto ố

3 Tính toán khe h không khí và cở ực từ roto

4 Tính toán mạch ừ t

5 Tính toán quá nhi t ệ

2.2.1 Tính toán các thông số cơ bản

+ f : T n sầ ố lưới điện đưa vào

+ n : Tốc độ quay đồng b cộ ủa động cơ, theo yêu cầu n=500 vòng/phút

10

đm đm

2.2.2 Tính toán thông số Stato và Roto

Kích thước chủ yếu của động cơ đồng bộ gồm có đường kính D và chi u dài ềlõi s t L Mắ ục đích của vi c chệ ọn kích thước này là để chế ạ t o ra máy kinh t h p ế ợ

lý nhất mà tính năng phù hợp với các tiêu chu n Tính kinh t c a máy không ch ẩ ế ủ ỉ

là v t li u s dậ ệ ử ụng để chế ạo ra máy mà còn xét đế t n quá trình ch t o trong nhà ế ạmáy, như tính thông dụng của các khuôn dập ,vật đúc, các kích thước và chi tiết tiêu chuẩn hoá …

6 Đường kính trong Stato (D)

Theo đồ thị vecto hình 11-2 trang 320 với P’ = 785,5 kVA và p = 6, đường kính trong Stato D = 95 cm [1]

7 Đường kính ngoài lõi s t ắ (Dn)

Với: + D là đường kính trong

+ p là s c c ố ự

9 Sơ bộ chiều dài tính toán của Stato (l' ) δ

Theo hình 11-3 trang 322 [1] ới bước cự, v cτ = 24,9cm và p = 6, ta được:

6,1.P'.10l' =

α k k A.B D n6,1.785,5.10

+ A : Tải đường (Tải điệ ừ) n t

+ B : Mật độ ừ t thông khe h không khí ở

+ D : Đường kính trong stato

Trị ố s này nằm trong vùng kinh t c a hình 11-5 trang 322 sách TKMD ế ủ [1]

11 Sơ bộ định chiều dài lõi sắt Stato theo công thức (11-3) trang 323 sách TKMĐ [1]

Lấy s rãnh thông gió nố g = 7

13 Chiều dài của mỗi thếp lá thép (lth)

+ n s g ố rãnh thông gió ngang trục

15 Chiều dài thực (l1) của của lõi sắt Stato theo (11-4) trang 322 [1]:

l = 1 + n b = 29,92 + 7.1 = 36,92 (cm) (2.14) Với: + lchiều dài ph n thép cầ ủa lõi sắt Stato

+ b gchiề ộu r ng rãnh Stato

+ n s g ố rãnh thông gió ngang trục

16 Chiều dài tính toán c a lõi s t Stato (ủ ắ lδ) theo công thức (11-5) trang 322 [1]:

l = 1 - 0,5.(n b ) = 36,92 - 0,5.7.1 = 33,42 (cm) (2.15) Với: + l1 chiều dài thực của lõi s t Stato ắ

+ n s g ố rãnh thông gió ngang trục

+ n s g ố rãnh thông gió ngang trục

17 Số m ch song song c a dây qu n Stato ạ ủ ấ (a)

Do I = 713 200 A nên l y a = 4 > ấ

18 Bước rãnh t1

Theo hình 11-7 trang 324 [1] ới , v =24,9cm thì bước rãnh tối thiểu và tối

đa như sau:

1min 1max

14

( )

1 1

25 Chiều r ng rãnh 13 mm, chi u cao rãnh h = 74 mm ộ ề r

26 Mật độ dòng điện trong dây d n Sẫ tato

+ l: Chiều dài lõi s t rôto ắ

28 Mật độ t thông trong gông Sừ tato

( )

δdm 1 z1

+hnchiều cao nêm

30 Gradien nhiệt độ trên cách điện rãnh

31 Số vòng dây c a 1 pha dây qu n Sủ ấ tato theo công thức 11-11

16

1 r

2.2.3 khe hở không khí và cực từ roto

Để đạ t đư c bội s momen cực đại =2,2, thì theo hình 11-9 ta có Xj*=1,3 ợ ố

1 Sơ bộ xác định khe hở không khí theo(11-19)

8 Chiều cao thân cực từ theo công th c 11-27 trang ứ

B.K l 1,43.0,95.0,38 989,44mm=10 c (2.37) Với: + kc2 h s ệ ố ép chặt lõi s t ắ

2.B lg 2.1,2.48 mm = 4,5 c

Lấy Bg2 = 1,2T

13 S thanh c n trên mố ả ặt cực từ ấ l y Qc=6 (vặt liệu bằng đồng)

14 Tiết diện thanh dây qu n c n theo công thấ ả ức 11-54

2 Chiều dài tính toán chính xác c a lõi s t stato theo (4-13) ủ ắ

l = l - n b + 2δ' = 37 - 0,437.7 + 2.0,337 = 37,3 (cm) (2.47) Với b = γ.δ = 1,56.0,28 = 0,437 g

Với: + ' chiều dài khe h không khí ở

+ 'b gChiều rộng rãnh thông gió đã quy đổi

9 Mật độ t thông ừ ở răng Stato theo công th c ứ (4-22)

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN 3.1 Mô ph ng trên ph n mỏ ầ ềm Asys Maxwell

1 Giới thiệu về phần mềm Ansys Maxwell

Hiện nay trên th gi i có rế ớ ất nhiều ph n mầ ềm liên quan đến động cơ nói chung và quá trình điệ ừ trườn t ng hay nhiệt động học nói riêng trong động cơ như các phần mềm đa phương KIVA, phần m m nhiề ệt động h c quá trình công táọ c PROMO, đặc bi t phần m m Maxwell mô phệ ề ỏng trường điệ ừn t hàng u cho cáđầ c

kỹ sư thiết k trên 3-D và 2-D gế ồm động cơ, cơ cấu truyền động, máy bi n áp, cế ảm biến và cuộn dây

Ansys Maxwell s d ng phử ụ ương pháp chính xác ph n t h u hầ ử ữ ạn FEM để

giải các phương trình vi tích phân của hệ phương trình Maxwell ết cho trường viđiện từ Từ đó, biết được phân bố trường điệ ừ n t trong máy điện, tính toán được các tham số của máy điện

Khác v i phớ ương pháp thiết k ế truyền th ng, s d ng các công th c gi i tích, ố ử ụ ứ ả

hệ s kinh nghi m, bố ệ ảng tính… khi ng d ng FEM, c n ph i xây d ng mô hình ứ ụ ầ ả ựhình h c cho máọ y điện, khai báo thông số vật liệu, đặt ra các giả thiết về điều kiện biên, và s d ng máy tính s giử ụ ố để ải các bài toán với khối lượng tính toán l n ớ

2 Thiết lập thông số động cơ vào phần mềm

Bước 1: Khởi đ ng phần mềm ộ

Bước 2: Chọn biểu tượng để chọn loại máy điện cần mô ph ng ỏ

22 Bước 3: Thiết lập các thông số chung của máy chọn

Bước 5: Thiết lập các thông số rôto chọn ; ;

24 Bước 6: Thiết lập analysis

- Chọn add selution setup

Bước 7: Chọn Create Maxwell Design để ắt đầ b u chạy bài toán

3 Kết quả mô phỏng

➔ Ta thấy dòng điện đạt giá trị ổn định sau khi khởi động động cơ

➔ Ta th y khi khấ ởi động momen động cơ momen tiến dần đến 2 kNewtonMeter

26

➔ Ta thấy tốc độ quay ổn định 500 vòng/phút ở

− Giá trị điện áp biên độ đo được là 480 V

− Điện áp biên độ đầu bài là: 2

600 489,9

− Giá trị điện áp mô phỏng gần bằng thực tế

Tài li u tham kh o ệ ả[1] Trần Khánh Hà – Nguyễn H ng Thanh, Thi t k ồ ế ế máy điện, Hà N i: Nhà Xuộ ất bản Hà N i, 2006 ộ