Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều gồm: Stato, Roto, bánh đai truyền, cánh quạt làm mát, bộ đi-ốt chỉnh lưu điện áp
Chương 3. Xây dựng mơ hình
Cấu tạo máy phát điện xoay chiều[9]
Cấu tạo chi tiết của máy phát điện xoay chiều [9]
b. Rotor.
Rotor được chế tạo thành hai nửa. Mỗi nửa có các cực làm bằng thép non, bên trong có cuộn dây kích từ dịng điện kích từ được đưa vào cuộn kích từ trên Rotor. Hai đầu dây của cuộn kích từ nối với hai vòng tiếp điện bằng đồng đặt trên trục rotor nhưng cách điện với trục rotor. Các chổi than lắp trong giá đỡ và áp sát các vịng đó.
Khi Rotor quay các vấu cực rotor trở thành nam châm điện với các từ cực bắc nam xen kẽ nhau.
1.Nắp sau 2.Bộ chỉnh lưu 3.Đi-ốt
4.Đi-ốt kích từ
5.Bộ điều chỉnh điện áp và các chổi than tiếp điện
6.Phần ứng (Stato) 7.Phần cảm (Roto) 8.Quạt
9.Buly
Chương 3. Xây dựng mơ hình
Cấu tạo Rotor [9]
c. Stator.
Dạng ống được ghép bằng những lá thép kỹ thuật điện cách điện với nhau để giảm dòng điện phu-cơ. Mặt trong có các rãnh xếp các cuộn dây ứng điện, cuộn dây ứng điện gồm 3 pha có các cuộn dây riêng biệt, cuộn dây pha của stato đấu với nhau hình sao hoặc hình tam giác.
Đấu mạch sao và tam giác trong máy phát điện xoay chiều [9]
Bố trí các cuộn dây ứng điện trong phần ứng Stator [9] d. Nguyên lý phát điện của máy phát điện xoay chiều.
Chương 3. Xây dựng mơ hình
Trong máy phát điện một chiều, phần ứng điện quay (Stato), phần cảm điện đứng yên (Roto)…Trong máy phát điện xoay chiều thì kết cấu này ngược lại: Phần ứng điện đứng yên, phần cảm điện quay.
Nguyên lý làm việc của máy phát điện xoay chiều rất đơn giản, gồm 1 nam châm điện quay trong vòng dây ứng điện. Nam châm được kích từ bằng dòng điện một chiều qua 2 vòng trượt và chổi than tiếp điện. Khi cực bắc của nam châm quét ngang nhánh dây ứng bên phải, dòng điện chạy theo chiều từ trước ra sau, nam châm quay 180o cực nam quét ngang qua nhánh bên phải, dòng điện trong nhánh này chạy từ sau ra trước (hình 3.29) dịng điện phát sinh trong vòng dây phần ứng là dòng điện xoay chiều.
Sức mạnh của dòng điện tuỳ thuộc vào ba yếu tố: - Tốc độ quay của phần cảm điện (Nam châm quay) - Sức mạnh từ trường phần cảm điện
- Số vòng dây ứng điện
Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện xoay chiều một pha [9]
*Nguyên lý hoạt động.
Khi đóng điện, dịng điện một chiều từ ắc quy được đưa vào cuộn dây kích từ để từ hố các cực từ trên roto sinh ra từ trường giữa các cực từ sẽ lần lượt quét qua các đầu cực của stato làm cảm ứng ra sức điện động xoay chiều bap ha trên các cuộn dây phần ứng ở stato. Nhờ khối chỉnh lưu lắp ở đầu ra của các cuộn dây
Chương 3. Xây dựng mơ hình
phần ứng, nên dịng điện đưa tới mạch ngồi của máy phát điện sẽ là dịng điện một chiều.
Sức điện động trong mỗi cuộn dây được tính như sau: E = 4,44.KW.f.w. Trong đó:
f: Tần số sức điện động (f= p.n/60) KW: Hệ số cuộn dây phần ứng
: Từ thông giữa khe hở roto và stato..
Chọn trục cho hệ thống tuabin. 3.4.1Tháp.
Tháp hỗ trợ các cánh quạt và vỏ bọc động cơ của một Turbine gió ở độ cao mong muốn. Các loại chính của tịa tháp được sử dụng trong tua – bin hiện đại là tháp khung dàn, tháp ống và tháp dây nối đất. Tháp được thể hiện trong Hình 3.31.
Các loại tháp tuabin gió
Cột tháp khung dàn và tháp hình ống được sử dụng với tuabin gió lớn, cịn tháp hình treo chỉ sử dung với tuabin nhỏ.
3.4.2Cột tháp dạng khung giàn.
Cột tháp dạng khung dàn được sản xuất sử dụng những mặt nghiêng mối hàn thép. Lợi thế cơ bản của cột thép dạng khung giàn là chi phí, vì một cột tháp
Chương 3. Xây dựng mơ hình
dạng khung giàn chỉ yêu cầu bằng một nửa số nguyên liệu so với một cột tháp hình ống với độ vững chãi tương tự. Tuy nhiên, vì lý do thẩm mỹ mà những cột tháp khung giàn gần như biến mất trong việc sử dụng cho các Turbine gió cỡ lớn và hiện đại ngày nay.
3.4.3Cột thép hình ống.
Hầu hết các tua bin gió cỡ lớn đều sử dụng cột thép hình ống được sản xuất trong khoảng từ 20 – 30 mét với các mặt bích tại mỗi đầu và được nối lại với nhau tại các điểm. Những cột tháp là hình nón (với đường kính của chúng tăng theo hướng chân đế) để tăng độ mạnh của chúng và cũng là để tiết kiệm nguyên liệu.
3.4.4Cột thép dạng dây nối đất
Nhiều Turbine gió nhỏ được xây dựng với cột tháp thu hẹp được hỗ trợ bởi những dây nối. Lợi thế đó là tiết kiệm trọng lượng và do vậy tiết kiệm chi phí. Sự bất lợi là việc phải chấp nhận những khó khăn xung quanh cột tháp, điều làm nó ít phù hợp trong khu vực nông trại. Cuối cùng, loại cột tháp này là dễ bị nghiêng dẫn đến hư hỏng, do vậy ảnh hưởng đến an tồn tổng thể.
Chọn loại tháp hình ống.
Tính tốn và chọn tải tiêu thụ.
Để đo công suất từ tuabin gió phát ra ta dùng tải thuần trở mắc nối tiếp nhau để sử dụng nguồn điện một chiều tạo ra từ tuabin. Mỗi khi tuabin gió hoạt động thì hệ thống sẽ cung cấp điện một chiều cho tải nhờ vào hệ thống chuyển đổi điện xoay chiều (AC) sang điện một chiều (DC).
Để tính tốn tải tiêu thụ để tại đó cơng suất là cực đại (Pmax) khi U khơng đổi (tốc độ gió thứ nghiệm là khơng đổi) ta có cơng thức:
2 2 2 L C RU RI R Z Z (3.8)
Vì máy phát là phần tử có điện trở nội r nên lúc này cơng suất trên tải là biến trở R sẽ là:
Chương 3. Xây dựng mơ hình 2 2 2 2 L C RU RI R r Z Z (3.9)
Đặt mẫu của biểu thức trên là:
2 2 2 2 2 L C L C R r Z Z r Z Z A R r R R
Áp dụng bất đẳng thức Cauchy cho A ta được
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 L C L C L C r Z Z r Z Z A R r R r r Z Z r R R
Ta thấy rằng PRmax khi Amin nghĩa là dấu “=” xảy ra, khi đó:
2
2
L C
R r Z Z (3.10)
Công suất cực đại của biến trở R là:
2 max 2 2 2 R L C U r Z Z r (3.11) Xét mạch điện như hình: Mạch điện có biến trở
Quy ước theo hình vẽ Ro = r (điện trở của Turbine), r, L, C khơng đổi vì tốc độ gió khơng đổi nên điện áp đặt vào hai đầu đoạn mạch và tần số khơng đổi (U=const, f=const)
Ta tìm sự phụ thuộc của cơng suất tồn mạch vào biến trở R bằng phương pháp khảo sát hàm số.
Chương 3. Xây dựng mơ hình 2 2 2 2 td td td td L C U R I R R Z Z Với Rtd = R + r Đạo hàm Ptd theo Rtd ta có: 2 2 2 2 ' 2 2 2 2 td L C td td td L C R Z Z R U R Z Z 2 2 2 ' 2 2 2 L C td td td L C U Z Z R R Z Z Ptđ đạt cực trị khi: 2 ' 0 2 0 td ZL ZC Rtd => Rtd = |ZL – ZC| => R+r = |ZL – ZC| => R = |ZL – ZC|- r Bảng biến thiên cho trường hợp R>0
Chương 3. Xây dựng mơ hình
Đồ thị của P theo Rtd
Nhận xét đồ thị:
Khi mạch khơng có r thì đồ thị đi qua gốc toạ độ và công suất mạch đạt cực đại khi R = |ZL – ZC|.
Khi vẽ đường thẳng P = P0 song song với OR thì đường thẳng này cắt đồ thị nhiều nhất tại 2 điểm, điều này chứng tỏ có 2 giá trị R khác nhau cho cùng một công suất như nhau.
Nếu R < 0 tức là r > |ZL – ZC| khi đó là giá trị biến trở làm cho công suất đạt cực đại là R=0.
Công suất trên cuộn dây:
2 2 2 2 L C U I r r R r Z Z (3.12)
Công thức trên cuộn dây cực đại:
2 2 max min min 0 L C R r Z Z R r R (3.13)
Khi đó cơng suất cực đại:
2 2 max max 2 2 L C U I r r r Z Z (3.14)
Chương 3. Xây dựng mơ hình
Đặt mẫu của biểu thức 2 2
L C Z r Z Z ta được 2 2 max max 2 U I r r Z
Với giá trị đo khơng tải (R=0) ta tìm được Z 10k
Vậy để công suất trên biến trở R là cực đại thì 2 2
L C
R Z r Z Z
10k
Chọn biến trở có tầm đo mỗi biến trở từ 0 đến 20k để khảo sát nhưng để kết quả đo được chính xác hơn nên ta nâng vùng khảo sát là từ 0 đến 40k bằng cách lắp 2 biến trở nối tiếp.
Sau khi chọn được tầm khảo sát và đồng hồ đo ta thiết kế được hộp tải trở như hình:
Hộp tải trở sau khi thiết kế
Sau khi hoàn thành các bước:
Thiết kế cánh cho tuabin. Chọn máy phát cho tuabin. Chọn trục cho hệ thống tuabin. Tính tốn và chọn tải tiêu thụ.
Chương 3. Xây dựng mơ hình
Mơ hình hồn thiện ( Hình 3.36) và được đưa vào thí nghiệm để so sánh kết quả thực tế.
Chương 4. Kết quả thí nghiệm mơ hình
Chương 4
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH
Giới thiệu
Thí nghiệm được tiến hành tại hầm gió, phịng lab C201, Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM. Thí nghiệm được tiến hành để kiểm tra việc nâng cao hiệu suất của máy phát điện gió, bằng mơ hình máy phát điện gió cánh kép. Mơ hình sử dụng hai hệ cánh tuabin ghép đồng trục với nhau, có thể thay đổi khoảng cách (k) giữa hai hệ cánh tuabin để tìm khoảng cách tốt nhất. Ở khoảng cách tốt nhất giữa hai cánh tuabin, tại đó cơng suất phát điện của mỗi tuabin là cực đại.
Vị trí tối ưu giữa hai hệ cánh tuabin gió với k = 6
Trong đó: - k là hằng số thực nghiệm
Việc thay đổi tốc độ gió, được điều chỉnh trực tiếp trên bộ điều khiển hầm gió. Các nghiệm tiếp theo, được thực hiện theo trình tự đo cơng suất trên cánh tuabin đơn trước, sau đó đo công suất trên cánh tuabin kép. Tải được sử dụng trong thí nghiệm này là tải thuần trở, chủ yếu là sử dụng biến trở dây quấn có mặt thông số, để tiện cho việc điều chỉnh thay đổi tải. Thực hiện thí nghiệm ở các vận tốc gió 5.5 m/s, 6 m/s, 6.5 m/s, 7 m/s, 8 m/s, 9m/s, 9.7m/s, đây là các
Chương 4. Kết quả thí nghiệm mơ hình
mức vận tốc gió được điều chỉnh ngẫu nhiên tại hầm gió .Thay đổi các mức tải từ 0 kΩ đến 40 kΩ.
Thông qua việc thu thập dữ liệu, tính cơng suất phát cực đại của tuabin cánh đơn và tính cơng suất phát cực đại của tuabin cánh kép. So sánh công suất phát giữa hai tuabin bằng cách tính hiệu suất chênh lệch giữa tuabin cánh đơn và tuabin cánh kép.
Kết quả thí nghiệm khoảng cách (k) giữa hai lớp cánh
4.2.1Kết quả thí nghiệm trên mơ hình máy phát điện gió cánh kép với k=4. Thí nghiệm 1: Thí nghiệm có tải thay đổi từ 0 kΩ đến 40 kΩ, khoảng cách
giữa 2 cánh tuabin k = 4, vận tốc gió 7 m/s.
Bảng 4.1:Bảng thông số công suất cực đại máy phát điện gió cánh kép ứng với k= 4
4.2.2Kết quả thí nghiệm trên mơ hình máy phát điện gió cánh kép với k=5. Thí nghiệm 2: Thí nghiệm có tải thay đổi từ 0 kΩ đến 40 kΩ, khoảng cách
Chương 4. Kết quả thí nghiệm mơ hình
Bảng 4.2:Bảng thông số công suất cực đại máy phát điện gió cánh kép ứng với k= 5
4.2.3Kết quả thí nghiệm trên mơ hình máy phát điện gió cánh kép với k=6. Thí nghiệm 3: Thí nghiệm có tải thay đổi từ 0 kΩ đến 40 kΩ, khoảng cách
giữa 2 cánh tuabin k = 6, vận tốc gió 7 m/s.
Bảng 4.3:Bảng thông số công suất cực đại máy phát điện gió cánh kép ứng với k= 6
4.2.4Kết quả thí nghiệm trên mơ hình máy phát điện gió cánh kép với k=7. Thí nghiệm 4: Thí nghiệm có tải thay đổi từ 0 kΩ đến 40 kΩ, khoảng cách
Chương 4. Kết quả thí nghiệm mơ hình
Bảng 4.4:Bảng thông số công suất cực đại máy phát điện gió cánh kép ứng với k= 7
4.2.5Kết quả thí nghiệm trên mơ hình máy phát điện gió cánh kép với k=8. Thí nghiệm 5: Thí nghiệm có tải thay đổi từ 0 kΩ đến 40 kΩ, khoảng cách
giữa 2 cánh tuabin k = 8, vận tốc gió 7 m/s.
Bảng 4.5:Bảng thông số công suất cực đại máy phát điện gió cánh kép ứng với k= 8
Chương 4. Kết quả thí nghiệm mơ hình
Bảng 4.6:Thống kê công suất cực đại P1, P2 phụ thuộc vào khoảng cách k:
Đồ thị so sánh công suất cực đại P1,P2 tương ứng với k
Trong đó: - P1: cơng suất cực đại hệ cánh a
- P2: công suất cực đại hệ cánh b
Từ đồ thị ta thấy: với khoảng cách k = 6, công suất P1, P2 cùng đạt cực đại.
Các thí nghiệm trên mơ hình máy phát điện gió cánh kép với vận tốc gió thay đổi