thiết kế tính toán máy điện đồng bộ - đồ án tự động điều khiển.DOC

T NG IU KHIN Đồ án đợc thực hiện gồm các phần sau: Phần I: Giới thiệu chung về máy điện đồng bộ. Phần II: Các sơ đồ kích từ của máy phát đồng bộ. Phần III: Tính toán thiết kế một số phơng án Chơng I Giới thiệu chung về máy điện đồng bộ 1.1. Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ Máy điện đồng bộ là thiết bị điện quan trọng đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng chính là làm máy phát điện, nghĩa là biến đổi cơ năng thành điện năng. Điện năng chủ yếu dùng trong nền kinh 1 T NG IU KHIN tế quốc dân và đời sống đợc sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nớc. Hai loại thờng gặp nhất là máy phát nhiệt điện và máy phát thuỷ điện 3 pha. Máy điện đồng bộ còn đợc dùng làm động cơ đặc biệt trong các thiết bị lớn, vì khác với động cơ không đồng bộ là chúng có thể phát ra công suất phản kháng. Thông thờng các máy đồng bộ đợc tính toán, thiết kế sao cho chúng có thể phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng. Trong một số trờng hợp, việc đặt các máy đồng bộ ở gần các trung tâm công nghiệp lớn là chỉ để phát ra công suất phản kháng. Với mục đích chính là bù hệ số công suất cos cho lới điện đợc gọi là máy bù đồng bộ. Ngoài ra các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng đợc dùng rộng rãi trong các trang bị tự động và điều khiển. 1.2. Phân loại và kết cấu của máy điện đồng bộ. 1. Phân loại: Theo kết cấu có thể chia máy điện đồng bộ thành 2 loại: Máy đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2P = 2), và máy điện đồng bộ cực lồi thích hợp với tốc độ quay thấp (2P 4) Theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau: a. Máy phát điện đồng bộ - Máy phát điện đồng bộ thờng đợc kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin n- ớc và đợc gọi là máy phát tuabin hơi hay máy phát tuabin nớc. Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao, do đó đợc chế tạo theo kiểu cực ẩn và trục máy đợc đặt nằm ngang nhằm đảm bảo độ bền cơ cho máy. Máy phát điện 2 Hình 1.1: Rôto cực lồi Hình 1.2: Rôto cực ẩn T NG IU KHIN tuabin nớc có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi, nói chung trục máy thờng đặt thẳng đứng. Bởi vì để giảm đợc kích thớt của máy nó còn phụ thuộc vào chiều cao cột nớc. Trong trờng hợp máy phát có công suất nhỏ và cần di động thờng dùng động cơ điezen làm động cơ sơ cấp và đợc gọi là máy phát điện điezen, loại này thờng đợc chế tạo theo kiểu cực lồi. b. Động cơ điện đồng bộ: Động cơ điện đồng bộ thờng đợc chế tạo theo kiểu cực lồi và đợc sử dụng để kéo các tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ, với công suất chủ yếu từ 200KW trở lên. c. Máy bù đồng bộ: Máy bù đồng bộ thờng đợc dùng để cải thiện hệ số công suất cos của lới điện. Ngoài các loại trên còn có các loại máy điện đặc biệt nh: Máy biến đổi một phần ứng, máy đồng bộ tần số cao và máy điện công suất nhỏ dùng trong tự động, nh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đồng cơ đồng bộ phản kháng, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bớc 2. Kết cấu: Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ, ta xét 2 trờng hợp máy cực ẩn và máy cực lồi nh sau: a. Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn: Roto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lợng cao, đợc rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ. Phần không phay rãnh còn lại hình thành nên mặt cực từ. Mặt cực ngang trục lõi thép roto nh hình 1.3. Thông thờng các máy đồng bộ đợc chế tạo với số cực 2P = 2, tốc độ quay n = 3000(vòng/phút). Để hạn chế lực ly tâm, trong phạm vi an toàn đối với hợp kim, ngời ta chế tạo roto có đờng kính nhỏ: (D = 1,1 ữ 1,15 3 Hình 1.3: Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto T NG IU KHIN (m)). Vì vậy muốn tăng công suất máy chỉ có thể tăng chiều dài l của roto (l max = 6,5m). Dây quấn kích từ đợc đặt trong rãnh roto và đợc quấn thành các bối dây, các vòng dây trong bối dây đợc cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng. Miệng rãnh đợc nêm kín để cố định và ép chặt các bối dây. Dòng điện kích từ là dòng một chiều đợc đa vào cuộn kích từ thông qua chổi than đặt trên trục roto. Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép đợc ghép lại từ các lá thép kỹ thuật điện, trong đó có tạo rãnh để đặt dây quấn 3 pha. Stato đợc gắn liền với thân máy, dọc chiều dài lõi thép stato có làm những rãnh thông gió ngang trục với mục đích thông gió là mát máy điện. Trong các máy đồng bộ công suất trung bình và 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 tấm hoặc gang đúc. b. Kết cấu của máy đồng bộ cực lồi: Máy đồng bộ cực lồi thờng có tốc độ quay thấp vì vậy đờng kính roto lớn hơn nhiều lần so với roto cực ẩn: (D max = 15m), trong khi đó chiều dài lại nhỏ, với tỷ lệ l/D = 0,15 ữ 0,2. Roto của máy đồng bộ cực lồi công suất trung bình và nhỏ có lõi thép đợc chế tạo từ thép đúc và gia công thành khối lăng trụ, trên mặt có đặt các cực từ. ở những máy lớn. Lõi thép đó đợc hình thành bởi các tấm thép dày từ 1mm đến 6mm, đợc dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ, và lõi thép này thờng không trực tiếp lồng vào trục máy mà đ- ợc đặt trên giá đỡ của roto. Dây quấn cản (trờng hợp máy phát đồng bộ) hoặc đây quấn mở máy (trờng hợp động cơ đồng bộ) đợc đặt trên các đầu cực. Các dây quấn này giống nh dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và đợc nối 2 đầu bởi 2 vòng ngắn mạch. 4 Hình 1.4: Cực từ của máy đồng bộ cực lồi T NG IU KHIN 1. Lá thép cực từ 2. Dây quấn kích từ 3. Đuôi hình T 4. Nêm 5. Lõi thép roto. Stato của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang với máy có công suất nhỏ, tốc độ quay cao. ở trờng hợp máy phát tuabin nớc công suất lớn, tốc độ chậm thì trục của máy phải đặt thẳng đứng theo 2 kiểu treo và kiểu đõ tuỳ thuộc vào cách bố trí ổ trục đỡ. + Ưu điểm của kiểu treo là ổn định, ít chịu ảnh hởng tác động của các phần phụ, nhng chi phí xây dựng cao, còn kiểu đỡ là giảm đợc kích thớc máy theo chiều cao. Do đó giảm đợc kích thớc chung của máy. Nh vậy tuỳ theo yêu cầu mà ta phải có cách bố trí sao cho hợp lý nhất. 1.3. Các thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ Trong máy phát điện đồng bộ ngoài các thông số nh: Công suất, điện áp, dòng điện định mức còn phải kể đến các thông số cơ bản khác của máy phát điện đồng bộ là: điện trở, điện kháng của cuộn dây, các hằng số quán tính điện và cơ. 1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục (Xd,Xq) Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục là một trong những thông số đặc trng của máy phát điện ở chế độ xác lập. ở máy phát điện cực lồi vì ở mặt cực, từ thông khe hở không khí là không đều, nên mạch từ không bão hòa. Do đó điện kháng dọc trục và ngang trục là khác nhau(Xd Xq). Còn ở máy phát cực ẩn thì khe hở không khí là đều nhau, mạch từ bão hòa nên: Xd = Xq. 2. Điện kháng quá độ X'd Đặc trng cho cuộn cảm của cuộn dây ở chế độ xác lập. ở chế độ này từ thông sinh ra bởi cuộn dây stato đi qua cuộn dây roto bị giảm do phản ứng hỗ cảm của cuộn dây này. Điện trở mạch kín của cuộn dây roto thờng nhỏ nên phần ứng hỗ cảm triệt tiêu hoàn toàn từ thông bên trong nó. Vì thế có thể coi điện cảm của nó khi mạnh khép kín ra bên ngoài cuộn dây roto là rất nhỏ và không phụ thuộc vào dạng cực từ. 3. Điện kháng siêu quá độ: 5 T NG IU KHIN Điện kháng này đặc trng cho điện cảm của cuộn dây stato ở giai đoạn đầu của chế độ quá độ . ở giai đoạn đầu của chế độ này bị ảnh hởng của cuộn dây cản, làm giảm đi từ thông cuộn dây stato. Do đó X"d < X'd. Do dòng điện xuất hiện trong cuộn dây cản là tức thời cho nên điện kháng X"d chỉ tồn tại trong giai đoạn đầu của chế độ quá độ. 4. Hằng số quán tính cơ Tj: Đặc trng cho mômen quán tính phần quay, hằng số này đợc tính toán tùy thuộc vào từng loại máy phát. Tj = J = 2 đm .J Jđm Sđm Trong đó: đm = 60 n.2 J = 60 GD 2 Với: G - Khối lợng vật quay D - đờng kính vật quay 1.4. Đồ thị vectơ và các đặt tính của máy phát điện 1. Phơng trình điện áp và đồ thị vectơ của máy phát điện đồng bộ. Đối với máy phát đồng bộ: . U = . E - . I (r + jX ). (1 - 1) Đối với động cơ điện đồng bộ . U = . E + . I (r + jX ). (1 - 2) Trong đó: U: Điện áp đầu cực máy phát R, X u' : Điện trở và điện kháng tản của dây quấn phần ứng. E : Sức điện động cảm ứng trong dây quấn do từ trờng khe hở không khí. Khi có tải thì suất điện động cảm ứng này đợc chia làm 2 thành phần: . E = . E + . E a. Ta xét trờng hợp máy phát điện 6 T NG IU KHIN Trong trờng hợp này ta xét cho 2 loại máy cực ẩn và máy cực lồi. Giả sử máy phát làm việc ở tải điện cảm có: 0 < < 90 0 Phơng trình cân bằng điện áp cho máy cực ẩn . U = . E + . E - . I (r + jX) (1 - 3) . E : Sức điện động phần ứng đợc biểu thị theo điện kháng phần ứng: . E = j . I X Vậy phơng trình 1 - 3 trở thành: . U = . E - j . I (X + jX )- . I r (1 - 4) Ta biểu diễn phơng trình 1 - 4 bằng đồ thị vectơ Trên đồ thị thì: Từ thông chính 0 (F 0 ) vợt trớc E một góc /2 và (F) chậm sau . E = j IX một góc /2. Phơng trình cân bằng điện áp cho máy cực lồi. . U = . E - j . I d X d - j . I q X q - j . I X - . I r (1 - 5) Vì trong máy cực lồi thành phần sức từ động đợc chia thành 2 thành phần dọc trục và ngang trục. . E d = -j . I d X d . E q = -j . I q X q 7 Hình 1.5: Đồ thị sđđ của máy phát đồng bộ cực ẩn Fo E jIX I F Ir f U jIX ' T NG IU KHIN Và thành phần -j . I X ta cũng phân tích thành 2 thành phần dọc trục và ngang trục. -j . I X = -j . I q X - (-j . I d X ) Lúc này phơng trình (1 - 5) trở thành: . U = . E -j . I d X d -j . I q X q - . I r (1 - 6) Với: X d = X d + X X q = X q + X X d : điện kháng đồng bộ dọc trục. X q : điện kháng đồng bộ ngang trục. Biểu diễn phơng trình (1 - 6) trên đồ thị vectơ. + Trờng hợp mạch từ bão hoà: Đối với máy phát đồng bộ cực lồi việc thành lập đồ thị vectơ có xét đến trạng thái bão hoà mạch từ có gặp nhiều khó khăn. Vì lúc đó từ thông d và q có liên quan với nhau và trạng thái bão hoà theo hai phơng đó là khác nhau. Nh vậy X d không những phụ thuộc vào d mà còn phụ thuộc vào q , và X d cũng tơng tự. Để đơn giản, ta cho rằng từ thông dọc trục và ngang trục chỉ ảnh hởng theo hớng trục và giả sử rằng mức độ bão hoà theo hớng ngang trục là đã biết (K à q đã biết). Từ phơng trình cân bằng điện áp: . U = . E - . J I d X d - . I I q X q - . I r (1 - 7) 8 Hình 1.6: Đồ thị sđđ đã biến đổi của máy điện cực lồi E Ir U I I I d q X d jI d jI q q X jI q X T NG IU KHIN Vẽ đồ thị vectơ cho phơng trình (1 - 7), trớc hết ta vẽ vectơ . U , . I r , J . I r , ta đợc E rồi từ hớng . I X q ta vẽ đoạn: CD = . I X q = Cos E q Và xác định phơng của E. Vì điểm D nằm trên phơng của . E nên đoạn thẳng CF thẳng góc với phơng của E chính là . I q X q Đối với máy phát điện cực ẩn ta cũng có thể dựa trên phơng trình điện áp ở trờng hợp mạch từ không bão hoà. . U = . E - j . I (X + X ) - . I r (1 - 8) Lúc này xác định E 0 bằng đồ thị Potier F = F 0 + F => F 0 = F - F 9 Hình 1.7: Đồ thị vectơ sđđ của máy phát điện đồng bộ cực lồi khi bão hoà E F D O I Ir U jIX C E q cos Hình 1.8: Đồ thị Potier máy phát đồng bộ cực ẩn jIX Ir U I jIX E E F f F I O F k F f + U O T NG IU KHIN b. Trờng hợp động cơ điện: Khi chuyển sang làm việc nh động cơ điện đồng bộ, máy phát ra công suất âm đa vào mạng điện hay nói khác đi là tiêu thụ công suất điện lấy từ mạng để biến thành cơ năng. Thông thờng động cơ đồng bộ có cấu tạo cực lồi, ta viết phơng trình cân bằng điện áp cho trờng hợp động cơ. . U = . E + j . I d X d + j . I q X q + . I r (1 - 9) Ta có thể vẽ đồ thị vectơ cho 2 trờng hợp: Thiếu kích từ và khi quá kích từ. Từ đồ thị sẽ cho ta thấy công suất do động cơ tiêu thụ từ mạng điện là: P = m . U . I .Cos < 0 2. Các đặc tính của máy phát đồng bộ Khi vận hành bình thờng máy phát đồng bộ cung cấp cho tải đối xứng. Chế độ này phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát, công suất cung cấp cho tải không vợt quá giá trị định mức mà phải gần bằng định mức. Mặt khác ở chế độ này thông qua các đại lợng nh điện áp, dòng điện, dòng kích từ, hệ số Cos, tần số f, và tốc độ quay n. Để phân 10 Hình 1.9: Khi thiếu kích thích U Ir E I I q jI q X q jI d X d I d Hình 1.10: Khi quá kích thích I I d I q jI d X d jI q X q U E [...]... cơ = - j.X - R (1 - 12) E U I d I ở trờng hợp này ta xét cho động cơ đồng bộ, động cơ đồng bộ có cấu tạo và đặc tính cũng giống nh máy phát Động cơ đồng bộ làm việc với Cos cao hơn và ít hoặc không tiêu thụ công suất phản kháng Q của lới điện là nhờ thay đổi dòng điện từ hoá (dòng kích từ) Do đó động cơ có thể phát ra công suất phản kháng đa vào lới điện Động cơ đồng bộ khác với máy phát đồng bộ là... cực điều khiển có công suất lớn Xung điều khiển đợc nhận trực tiếp từ bộ TĐK, bộ này lấy tín hiệu từ đầu ra của máy phát để làm thay đổi dòng, áp kích từ của máy phát + Ưu điểm: hệ thống kích từ đơn giản, điều khiển rất nhanh, làm việc tin cậy nên đợc áp dụng rộng rãi trong các máy có công suất lớn 2.3 Một số sơ đồ kích từ của máy phát đồng bộ tự kích Tơng tự nh máy phát một chiều, máy phát đồng bộ. .. = Ulới - UD5 - VBB UR16 = 220 - 0,6 - 20 = 199,4(V) Suy ra: R16 = U16 199,4 = = 6,2(K) I max 32.10 3 3.3 Tính toán mạch điều khiển 1 Tính mạch tạo xung khi rơle điện áp RL hút Để tính toán chọn các linh kiện trong mạch tao xung ta dựa vào dòng điện xung, điện áp xung cần mở Tiristo và điện áp nguồn nuôi (E) Với tính toán ở trên ta đợc E = 16(V) R5 R3 E = 16 v Tr1 Tr2 R4 ig Tr3 Ro Hình 4.3: Bộ tạo... khi thiếu kích thích động cơ tiêu thụ công suất phản kháng của lới điện ( > 0) và khi quá kích thích động cơ phát ra công suất phản kháng đa vào lới ( < 0) Vì vậy trong một số trờng hợp ngời ta sử dụng chế độ quá kích thích của động cơ để làm máy bù 3 Chế độ máy bù động cơ Máy bù đồng bộ thực chất là một động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải với dòng kích từ đợc điều chỉnh để máy phát ra hoặc tiêu... c Hệ thống có điều chỉnh (mắc song song) Hệ thống này chỉ có phản hồi điện áp của phần ứng Bằng cách giải quyết này ta đã đơn giản đi rất nhiều nên hệ thống có kích thớc và trọng lợng nhỏ hơn nhiều so với bộ phức hợp pha 2.4 Điều kiện tự kích của máy phát điện đồng bộ Điều kiện tự kích của máy phát điện đồng bộ là : có lợng từ d đủ lớn trong các cực từ để khi rôto quay tạo ra sức điện động E d trong... quá trình tự kích 24 T NG IU KHIN chơng III Thiết kế tính toán một phơng án 3.1 Tính toán mạch động lực: 1 Tính toán các thông số của máy phát: Số liệu ban đầu: Máy phát chính F có: S = 200KVA, Uđm = 400V, f = 50Hz Cuộn kích từ có: UKT = 60V; iKT = 56A Máy phát kích FK có: UK = 60V; I = 60A Cuộn dây kích từ phụ CKFK có: r = 100 iKT = 0,56A Rơ le điện áp RL có: Hút ở 280V nhả ở 140V Khi có thêm điện trở... giảm thì máy bù làm việc ở chế độ thiếu kích thích để tiêu thụ bớt một phần điện áp rơi trên đờng dây làm cho điện áp khỏi tăng quá giá trị định mức 16 T NG IU KHIN Chơng II Các sơ đồ kích từ của máy phát điện đồng bộ 2.1 Khái niệm chung Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng một chiều cho các cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ Nó phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự đồng điều chỉnh... công suất phản kháng do đó duy trì đợc điện áp của lới điện Chế độ làm việc bình thờng của máy bù đồng bộ là chế độ quá kích thích của động cơ đồng bộ để phát ra công suất phản kháng bù vào lới điện ở trờng hợp này máy bù nh một tụ bù hay còn gọi là máy phát công suất phản kháng Trờng hợp hộ tiêu thụ tăng tải thì dòng tăng, áp giảm thì máy bù làm việc ở chế độ quá kích thích Khi tải giảm, điện áp tăng,... từ, điện áp giảm nên đờng đặc tính đi xuống Nếu tải có tính dung thì I tăng, phản ứng phần ứng là trợ từ, điện áp tăng lên nên đờng đặc tính đi lên Khi tải làm thuần trở thì đờng đặc tính gần nh song song với trục hoành d Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ Đặc tính điều chỉnh là quan hệ : i t = f(I) khi U = const, Cos = const và f = fđm Nó cho biết chiều hớng điều chỉnh dòng điện it của máy. .. của máy điện đồng bộ 3 pha 1 Chế độ máy phát: Chế độ máy phát là quá trình biến đổi cơ năng thành điện năng, hay nói cách khác là máy điện làm việc ở trờng hợp P > 0 và Q > 0 Tức là máy phát ra công suất tác dụng cấp cho tải thuần trở, và phát ra công suất phản kháng cấp cho tải có tính cảm ở trờng hợp này có phơng trình cân bằng điện áp: = U + R + jXd (1 - 11) E I I Sức điện động ở rôto lớn hơn điện . và máy điện đồng bộ cực lồi thích hợp với tốc độ quay thấp (2P 4) Theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau: a. Máy phát điện đồng bộ - Máy phát điện đồng bộ. cao và máy điện công suất nhỏ dùng trong tự động, nh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đồng cơ đồng bộ phản kháng, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bớc 2. Kết cấu: Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu. đặt tính của máy phát điện 1. Phơng trình điện áp và đồ thị vectơ của máy phát điện đồng bộ. Đối với máy phát đồng bộ: . U = . E - . I (r + jX ). (1 - 1) Đối với động cơ điện đồng bộ