Đồ án Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát

t cd r t r l F J m v lC v δτθ τ ⎡ ⎤+ ⎢ ⎥− +Δ = + =⎢ ⎥+ ⎢ ⎥+⎣ ⎦ ⎡ ⎤+ ⎢ ⎥− += + =⎢ ⎥+ ⎢ ⎥+⎢ ⎥⎣ ⎦ Ở đây : Ftđm =6067,4A : sức từ động kích từ định mức. Jt =3,7A/mm2 : mật độ dòng điện trong dây quấn kích từ. 1,825 1,74 0,085 ( ) 0,0085 ( )cd cd kcdd d mm cmδ = − = − = = : chiều dày cách điện một phía của dây quấn kích từ. C = 4,93cm : chiều cao của lớp dây quấn kích từ trong cùng. vr = 17,5m/s : vận tốc bề mặt cực từ (mục 58 chương III). Ta nhận thấy độ chênh nhiệt tính ra 0 045,65 80tθΔ = ≤ . Đối với cách điện cấp B như vậy là hoàn toàn hợp lý. 114. Chiều cao chính xác của thân cực từ : '1 1,825. 2. .27 2.0,15 5, 23 ( ) 10 10 cd c l c dh N cmδ= + = + = Ta nhận thấy chiều cao này chỉ lớn hơn chiều cao giả thiết ban đầu 5,16cm là 1,55% nên không phải tính lại sức từ động trên cực từ. 115. Điện trở của dây quấn kích từ : ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 42 1120 120 2. . . 1 2.2.172.0, 42. . 3,035 ( ) 40 2,38 t ttb t t pW lr s ρ= = = Ω Trong đó : 2 120 1 .( ) 40 mm m ρ Ω= : điện trở suất của đồng đối với cách điện cấp B. Wt1 = 172vòng. lttb = 0,342m. 116. Điện trở của dây quấn kích từ ở nhiệt độ làm việc 750C : 7575 120 120 1/ 46. 3,035. 2,639 ( ) 1/ 40t t r r ρρ= = = Ω 117. Điện áp ở đầu cực cuộn dây kích từ khi tải định mức và nhiệt độ 0120t Cθ = : ' 120. 8,8.2,639 26,71 ( )tdm tdm tU I r V= = = 118. Hệ số dự trữ kích từ : ' 65 2, 26 26,71 2 tdm kt tdm ch Uk U U = = =+ Δ + . Ở đây : 2chU VΔ = : điện áp rơi trên chổi than. 119. Công suất kích từ định mức : 3 3. .10 65.8,8.10 0,572 ( )tdm tdm tdmP U I kW− −= = = . 120. Điện kháng của dây quấn kích từ : 2 * * 8 2. . . . .10 1, 27. . .(1 ) 2.1,11.2016,7.15,5.0,827.101, 27.0,87.0,928.(1 ) 1,085 0,009805 o o c t ud ud k F l x k x μ δ λ − − = + =Φ = + = ∑ Trong đó : xưd* = 0,928 kμo =1,11 kưd = 0,87 Fδo = 2016,7A lc = 15,5cm Φo = 0,009805Wb 6 60, 423 0,095(0,515 ).10 0,827.10 1,53 2,65 1,53 2,65 cl cb rl λ λλ λ − −= + + = + + =∑ Với , ,rl cl cbλ λ λ được tính ở các mục 69; 70; 71. 121. Điện kháng tản của dây quấn kích từ : ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 43 * * * 1,085 0,928 0,157t t udx x xσ = − = − = . 122. Điện trở tương đối của dây quấn kích từ ở nhiệt độ 70oC : 2 2 4 * 1 0, 22. . . 0, 22.2.1194,5.0,87 .42.10 0,00835 . . . 0,009805.50.172.2,38 udm ud tb t o t t F k lr f W s − = = =Φ . Ở đây : ltb = 39cm chiều dài trung bình một vòng dây quấn kích từ. Fưđm = 2×1194,5A là sức từ động dưới một đôi cực. CHƯƠNG VII TÍNH KHỐI LƯỢNG, TÍNH TỔN HAO VÀ TÍNH TOÁN NHIỆT a. Trọng lượng vật liệu tác dụng. 123. Trọng lượng răng lõi sắt Stator : 3 1 1 1 3 7,8. . . . . .10 7,8.13,5.0,95.2,2.0,94.36.10 7,45 ( ) Fez c r ztbG l k h b Z Kg − − = = = = Với : hr1 = 2,2cm là chiều cao của rãnh Stator. bztb = 0,94cm là bề rộng răng trung bình. 124. Trọng lượng gông lõi sắt Stator : ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 44 3 1 1 1 1 3 7,8. . . .( ). .10 7,8.13,5.0,95. .(32,7 3).3.10 28 ( ) Feg c n g gG l k D h h Kg π π − − = − = = − = Với : hg1 = 3cm là chiều cao của gông lõi thép Stator. 125. Trọng lượng đồng dây quấn Stator : 31 1 1 1 3 8,9. . . . . .10 2 73, 48,9.0,849.18.36.3. .10 5, 4 ( ) 2.100 tb Cu r lG s u Z n Kg − − = = = = Với : ltb1 = 73,4cm là chiều dài trung bình của một vòng dây Stator. 126. Trọng lượng đồng của dây quấn kích từ : 3 1 3 8,9. . .2. . .10 8,9.2,38.0, 42.2.2.172.10 6,12 ( ) kt t ttb tG s l pW Kg − − = = = = 127. Trọng lượng sắt của cực từ : 3 2 3 7,8. . .2. .( . 0,8. . ).10 7,8.15,5.0,97.2.2.(5,23.4 0,8.1,6.12,26).10 17,17 ( ) Fec c c c c m mG l k p h b h b Kg − − = + = = + = 128. Trọng lượng sắt của gông Rôtor : 3 2 2 2 2 3 7,8. . .( 2. 2. ). .10 7,8.13,5. .(22,3 2.0,15 2.6,76 3,6).3,6.10 5,81 ( ) Feg g cm g gG l D h h h Kg π δ π − − = − − − = = − − − = 129. Toàn bộ trọng lượng đồng : 1 5, 4 6,12 11,52 ( )Cu Cu ktG G G Kg= + = + = 130. Toàn bộ trọng lượng thép : 1 1 2 7,45 28 17,17 5,81 58,43 ( ) Fe Fez Feg Fec FegG G G G G Kg = + + + = = + + + = b. Tổn hao và hiệu suất. 131. Tổn hao đồng trên dây quấn Stator : 2 3 2 31 1(75). . .10 3.17,321 .0,677.10 0,0352 ( )CuP m I r kW− −= = = 132. Tổn hao trên dây quấn kích từ : ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 45 2 3 1(75) 2 3 ( . . ).10 (8,8 .2,639 2.8,8).10 0,222 ( ) t tdm ch tdmP I r U I kW − − = + Δ = = + = 133. Tổn hao sắt trong gông Stator : 2 1,3 3 1 1/50 1 1 2 1,3 3 . . .( ) . .10 50 501,3.2,5.1,378 .( ) .28.10 0,1728 ( ) 50 Feg gcg g Feg fP k p B G kW − − = = = = Trong đó : kgcg = 1,3 là hệ số gia công đối với gông. P1/50 = 2,5W/kg là suất tổn hao thép ở tần số từ hoá f = 50Hz và mật độ từ thông B = 1T. Bg1 = 1,378T mật độ từ thông trên gông Stator. 134. Tổn hao sắt trong răng Stator : 2 1,3 3 1 1/50 1 1 2 1,3 3 . . .( ) . .10 50 501,7.2,5.1,507 .( ) .7, 45.10 0,0719 ( ) 50 Fez gcz z Fez fP k p B G kW − − = = = = Trong đó : kgcz = 1,7 là hệ số gia công đối với răng. Bz1 = 1,507T mật độ từ thông trên răng Stator. 135. Tổn hao cơ : 3 31 17,5 13,53,68. .( ) . 3,68.2.( ) . 0,2265 ( ) 40 100 40 100 r Co v lP p kW= = = Trong đó : vr =17,5m/s là tốc độ cực từ. 136. Tổn hao bề mặt trên bề mặt cực từ : 7 2 7 2. . . . . .10 2.2.17,514.0,7.13,5.378,39.10 0,025 ( ) bm m bmP p l p kW τ α − − = = = = Trong đó : 1,5 21 1 1,5 2 ..( ) .(10. . ) 10000 36.15001, 4.( ) .(10.0, 238.1,95) 378,39 10000 bm o o Z np k B t= = = = : suất tổn hao bề mặt trung bình. ko = 1,4 : hệ số kinh nghiệm. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 46 t1 =1,95cm : bước răng. . . 1,373.0,251.0,69 0,238 ( )o oB k B Tδ δβ= = = . Với 0,69 4,6 0,15 Bδ δ = = tra theo đường cong hình 6-1 [1] ta được 0,251o Tβ = . 137. Tổn hao phụ khi có tải : 10,005. 0,005.9,6 0,048( )f dmP P kW= = = Với công suất tác dụng định mức : 3 31 m3. .I . .10 3.400.17,321.0,8.10 9,6 ( )dm dm dP U cos kWϕ − −= = = . 138. Tổng tổn hao lúc tải định mức : 1 1 1 0,0352 0, 222 0,1728 0,0717 0, 2265 0,025 0,048 0,8 ( ) Cu kt Feg Fez Co bm fP P P P P P P P kW = + + + + + + = = + + + + + + = ∑ 139. Hiệu suất của máy phát : 1 0,8(1 ).100% (1 ).100% 92% 9,6 0,8dm P P P η = − = − =+ + ∑ ∑ . c. Độ tăng nhiệt của dây quấn Stator. 140. Dòng nhiệt qua bề mặt trong của Stator : 1 1 1 2 . . .(1 ) . . 1 0,5.73,4 (0,1728 0,0719 0,025).1000.160,21.6,801.(1 ) 1,29 ( / ) 4020 13,5 .22,3.13,5 tb Fe c l Pq A J l D l W cm θρ π π = + + = + += + + = Với : 21 .( ) 4020 mm cmθ ρ Ω= điện trở suất của dây dẫn ở nhiệt độ cho phép. A = 160,21(A/cm) tải đường. PFe1 : tổn hao sắt lúc không tải (kW). PFe1 = PFeg1 + PFez1 + Pbm = 0,1728+0,0719+0,025 =0,2697(kW) J = 6,801A/mm2 mật độ dòng điện trong dây quấn Stator. Hệ số tản nhiệt bề mặt : ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 47 3 2 0.(1 0,1. ) 8.10 .(1 0,1.17,5) ( / . )v o v W cm Cα α −= + = + Với 1 13,5 2 17,514 l τ = < nên chọn 3 28.10 ( / . )oo W cm Cα −= v : vận tốc bề mặt Rôtor (m/s). 141. Độ tăng nhiệt của mặt ngoài lõi sắt Stator so với môi trường : 1 3 1, 29 58,64 8.10 .(1 0,1.17,5) oc v q Cαθ α −= = =+ 142. Dòng nhiệt qua phần đầu nối dây quấn : 1 1 1 1,95. . . .160, 21.6,801. 0,0669 4020 7,91d tq A J Cθ ρ= = = Với : C1 = 7,91cm là chu vi rãnh Stator. 143. Độ tăng nhiệt của mặt ngoài đầu nối dây quấn Stator so với nhiệt độ môi trường : 3 0,0669 22,6 .(1 0,07. ) 1,33.10 .(1 0,07.17,5) od d q C v θ α −= = =+ + Với 17,514 40cm cmτ = < ta chọn 3 21,33.10 ( / . )oW cm Cα −= . 144. Độ tăng nhiệt trên lớp cách điện rãnh : 9,87ocd Cθ = . 145. Độ tăng nhiệt trung bình của dây quấn Stator : 1 1 1 ( ). ( ). 2 (9,87 58,64).13,5 (9,87 22,6).23, 2 45,7373, 4 2 cd cd d dn tb o l l l C αθ θ θ θθ + + += = + + += = d. Đặc tính của máy phát. 146. Năng lực quá tải tĩnh : ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 48 * * 1,83 2,46 . 0,972.0,8 max o dm d M E M x cosϕ= = = Với sức từ động kích từ định mức Ftđm* = 2,155; từ đặc tính không tải ta được Eo* = 1,83. Theo hình 11-29 sách thiết kế máy điện, với * * * * 0,972 0,607 0,329 . 1,83.0,607 d q o q x x E x − −= = Tra được k = 1,046. 147. Đặc tính góc M = f(θ) theo hình : * * * * * 1 1 1. .( ). 2 2 1,83 1 1 1. .( ). 2 0,972 2 0,607 0,972 1,88. 0,309. 2 o d q d EM sin sin x x x sin sin sin sin θ θ θ θ θ θ = + − = = + − = = + 1,88. 0.309. 2sin sinθ θ+ 1,88.sinθ 0,309. 2sin θ Hình VII.1 Đặc tính góc. 150120 90 1806030 2 1,5 1 0,5 0 M* θ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 49 CHƯƠNG VIII TÍNH TOÁN KẾT CẤU Ngoài việc phải chịu toàn bộ trọng lượng của Rôtor ra, trục còn chịu mô men xoắn và mô men uốn trong quá trình truyền động tải. Ngoài ra cũng cần chú ý đến lực từ một phía do khe hở không khí không đều sinh ra. Cuối cùng trục còn phải chịu lực do cân bằng động không tốt gây nên, nhất là khi quá tốc độ giới hạn. Với các kích thước chủ yếu : -Đường kính trong lõi sắt Stato D = 22,3(cm). -Chiều dài lõi sắt Stator : l = 13,5(cm). 148. Đường kính trục ở chỗ đặt lõi sắt có thể chọn gần đúng theo : 0, 25. ' 0, 25.22 5,5 ( )tD D cm= = = Trong đó D' là đường kính ngoài cực từ Rôtor. Được tính theo : ' 2. 22,3 2.0,15 22 ( )D D cmδ= − = − = Với δ = 0,15cm : chiều rộng của khe hở không khí. Trục được chế tạo bằng thép tốt, chọn thép số 40. Đối với đường kính chưa đến 100mm theo [1] thì nên dùng phôi liệu là thép cán. Trên trục có nhiều bậc. Tuy nhiên đối với đường kính trục 5,5cm nên gia công đường kính các bậc thang kề nhau khác nhau rất ít để tăng cường sức bền của trục và tính kinh tế lúc gia công. 149. Mô men quay của trục : 3 1 1 9,6.10 61,12 ( . )2. . 2. .50 2 dm P PM N mf p π πω= = = = 150. Các kích thước được tiêu chuẩn hóa theo bảng III của [1] : Với mô men quay M = 61,12N.m ta có kích thước đầu trục máy điện : Đường kính d1 : d1 = 3,8(cm). Chiều dài l1 : l1 = 8(cm). 151. Với chiều cao tâm trục h = 20(cm) ta chọn các kích thước khác của máy như sau : Khoảng cách bắt bulông giữa hai chân đế theo hướng trục : b10 = 318(mm) = 31,8(cm). Khoảng cách bắt bulông giữa hai chân đế theo hướng kính : ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 50 l10 = 267(mm) = 26,7(cm). l31 =133(mm) = 13,3(cm). Đường kính lỗ chân đế : d10 = 19(mm) = 1,9(cm). 152. Tính toán trục. a. Tính độ võng của trục . 153. Trọng lượng của Rôtor theo (9-1) của [1] : 2 3 2 36,3.( ' . ).10 6,3.22 .13,5.10 41, 2 ( )G D l Kg− −= = = Với D' = 22cm đường kính ngoài lõi sắt Rôtor. l = 13,5cm chiều dài lõi săt Rôtor. Vì đây là máy có công suất khá bé cho nên ta có thể bỏ qua đường kính và chiều dài của cổ góp. 154. Mô men xoắn đầu trục định mức : 1 9,697500. 97500. 624 ( . ) 1500x PM Kg cm n = = = 155. Lực kéo đầu trục : 2 6240,3. 197,1 ( ) 1,9 x o MP k Kg R = = = Trong đó Ro = d1/2 = 3,8/2 =1,9(cm) là bán kính của trục nối. k2 = 0,3 vì truyền động bằng nối trực tiếp. Trên trục có các lực tác dụng sau : -Trọng lượng G do bản thân lõi sắt và dây quấn sinh ra. -Trọng lượng K của các bộ phận khác như cổ góp, cánh quạt, lực kéo đầu trục P do phương thức truyền động gây nên, lực từ một phía do khe hở không khí không đều sinh ra. Thực tế thì các lực tác dụng lên trục ở các vị trí khác nhau nhưng để đơn giản coi như chúng chỉ tác dụng lên cùng một chỗ. Hình VIII.1 Biểu đồ lực tính toán. G + Q0 P A B 1a 2a 3a 4a đoạn a 3b 2b 1b đoạn b đoạn c ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 51 Hình VIII.2 Các kíc thước để tính toán trục. Phần bên phải trục : Tiết diện d1 Ji yi yi3 yi3-y3i-1 yi3-y3i-1 /Ji yi2 yi2-y2i-1 yi2-y2i-1 /Ji (cm) (cm4) (cm) (cm3) (cm3) (cm-1) (cm2) (cm2) (cm2) 1b 3.8 10.235 2.4 13.824 13.824 1.351 5.76 5.76 0.563 2b 4.4 18.398 5 125 111.176 6.043 25 19.24 1.046 3b 5 30.68 7 343 231.824 7.556 49 29.76 0.97 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 52 b 5.5 44.918 13.75 2599.61 2367.785 52.714 189.06 159.303 3.547 Sb = 67.66 So = 6.13 Phần bên trái trục : Tiết diện d1 Ji xi xi3 xi3-x3i-1 xi3-x3i-1 /Ji (cm) (cm4) (cm) (cm3) (cm3) (cm-1) 1a 3.8 10.235 2.4 13.824 13.824 1.351 2a 4.2 15.275 4 64 50.176 3.285 3a 4.6 21.979 16 4096 4045.824 184.077 4a 4.8 26.058 17 4913 867.176 33.279 a 5.5 44.918 24.75 15160.9 14293.746 318.219 Sa = 540.211 156. Độ võng trục fG do trọng lượng của Rôtor gây nên : 2 2 2 2 2 3 6 2 .( . . ) 3. . 41,2 (67,66.24,75 540,211.13,75 ) 0,633.10 ( ) 3.2,1.10 .38,5 G b a Gf S a S b E l cm− = + = = + = Trong đó E = 2,1.106 (Kg/cm2) là mô men đàn tính của thép. Sb = 67,66. Sa = 540,211. l = a + b = 24,75 + 13,75 = 38,5(cm). 157. Độ võng trục fP do lực đầu trục P gây nên : [ ] [ ] 2 3 6 2 (1,5. . ). . 3. . 197,1 . (1,5.38,5.6,13 67,66).24,75 13,75.540, 211 0,306.10 ( ) 3.2,1.10 .38,5 P o b a Pf l S S a b S E l cm− = − + = = − + = Trong đó : So = 6,13. 158. Độ lệch tâm ban đầu : 3 30,1. 0,1.0,15 0,633.10 0,306.10 0,0159 ( )o G Pe f f cmδ − −= + + = + + = 159. Lực từ một phía ban đầu : 0,01593. . . 3.22.13,5. 94,45 ( ) 0,15 o o eQ D l Kgδ= = = ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 53 160. Độ võng fM do lực từ một phía gây ra : 2 20,1451.10 0,16.10 ( ) 1 1 0,091 o M ff cm m − −= = =− − Trong đó : 3 294,450,633.10 . 0,1451.10 ( ) 41,2 o o G Qf f cm G − −= = = 20,1451.10 0,091 ( ) 0,0159 o o fm cm e − = = = 161. Độ võng tổng cộng : 3 3 2 20,633.10 0,306.10 0,16.10 0, 254.10 ( )G P Mf f f f cm− − − −= + + = + + = 161. Tốc độ giới hạn : 3 1 1 0,091300. 300. 11370 0,633.10gh G mn f − − −= = = (vòng/phút). Tốc độ này cao hơn hẳn tốc độ định mức nên độ cứng của trục đạt yêu cầu. PHẦN III THIẾT KẾ SƠ ĐỒ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ỔN ĐỊNH ĐIỆÂN ÁP MÁY PHÁT CHƯƠNG I KHÁI QUÁT HỆ KÍCH TỪ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ I.1 Đại cương Điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có chất lượng đảm bảo để không ảnh hưởng nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của chúng. Để có được chất lượng điện đảm bảo như vậy thì trị số của hai đại lượng tần số và điện áp phải nằm trong giới hạn quy định bởi các tiêu chuẩn. Điện áp đầu cực máy phát điện UF luôn thay đổi so với trị số định mức khi phụ tải thay đổi như đóng cắt đột ngột ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 54 các phụ tải, cắt đường dây hoặc máy biến áp đang mang tải, cắt máy phát điện đang mang tải. Khi có sự thay đổi của phụ tải trên hoặc có các sự cố ngắn mạch điện áp ở đầu cực của máy phát bị sụt giảm, hệ thống bị mất ổn định gây nhiều hậu quả nghiêm trọng như các động cơ đang vận hành sẽ quay chậm lại hoặc ngừng hẳn, ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của chúng; hệ thống ánh sáng không ổn định. Vì vậy vấn đề tự động ổn định điện áp máy phát là một vấn đề cần thiết đối với mọi máy phát điện đồng bộ. Để ổn định điện áp máy phát phải tác động vào hệ thống kích từ của nó. Kích từ là một yếu tố rất quan trọng của máy phát điện đồng bộ. Ta biết rằng điện áp được thành lập trên đầu cực máy phát chính là nhờ dòng kích từ nên tính chất làm việc ổn định và đảm bảo của máy phát điện đồng bộ phụ thuộc rất nhiều vào tính làm việc của hệ thôùng kích từ. Trong chế độ làm việc bình thường điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát, thay đổi công suất phản kháng vào lưới.. Hiệu quả thực hiện các nhiệm vụ trên phụ thuộc vào thông số của hệ thống kích từ cũng như kết cấu của bộ phận tự động điều chỉnh kích từ. I.2 Các loại hệ kích từ máy đồng bộ. I.2.1 Hệ kích từ dùng máy kích từ một chiều. Trong máy kích từ KT có dây quấn kích thích song song Ls và dây quấn kích thích độc lập Ln được nối cùng trục với máy đồng bộ. Dòng kích từ It được đưa vào dây quấn kích từ có điện trở RT thông qua vành trượt và chổi điện. Hình I.1 Hệ kích từ dùng máy kích thích một chiều. Ln Ls KT RT Ut ĐB U It ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 55 I.2.2 Hệ kích từ dùng máy kích từ KT xoay chiều kết hợp với bộ chỉnh lưu CL. Có hai phương án : Hình a, máy kích từ xoay chiều có phần cảm quay, phần ứng tĩnh và hình b, máy kích từ xoay chiều có phần cảm tĩnh, phần ứng quay. Ơû đây phần quay và phần tĩnh được trình bày tách biệt bằng đường phân ranh giới thẳng đứng. Muốn dòng điện đi qua đường phân ranh giới đó cần phải có vành trượt và chổi điện. Rõ ràng là phương án b không đòi hỏi có vành trượt và chổi điện. Ưu điểm đó rất quan trọng đối với những máy đồng bộ công suất lớn cần dòng kích từ mạnh. Tuy nhiên giải pháp này kéo theo những khó khăn về chế tạo phần ứng quay ( so với phần cảm quay ). Hơn nữa, các Diod chỉnh lưu phải chịu các lực ly tâm lớn và phải được đặt sao cho Rôtor đảm bảo cân bằng động. Hình I.2 Hệ kích từ máy phát xoay chiều - chỉnh lưu. Ut It ĐB U CL KT A B ° ° Phần tĩnh Phần quay a b Ut It CL KT ĐB U A B ° ° Phần tĩnh Phần quay ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 56 Ởû đây máy kích từ xoay chiều được nối trục với máy phát đồng bộ. Dòng điện phần cảm của máy kích từ điều chỉnh trực tiếp dòng kích từ It. Dùng Thyristor chỉnh lưu sẽ làm tăng nhanh đáp ứng điều khiển nhưng đối với phương án b khó khăn gặp phải là vấn đề truyền tín hiệu điều khiển vào Thyristor quay. I.2.3 Hệ tự kích thích. Nguồn cấp kích từ lấy từ đầu ra máy phát chính. Sử dụng TU, TI và các bán dẫn có điều khiển để điều khiển It. Hình I.3Hệ thống kích từ không vành trượt. Trong hệ thống này người ta dùng một máy phát điện xoay chiều ba pha quay cùng trục với máy phát điện chính làm nguồn cung cấp. Máy phát xoay chiều có kết cấu đặc biệt. Cuộn kích từ đặt ở Stator còn cuộn dây ba pha lại đặt ở Rôtor. Dòng điệïn xoay chiều ba pha tạo ra ở máy phát điện kích thích được chỉnh lưu thành dòng một chiều nhờ bộ chỉnh lưu CL. Nhờ vậy cuộn kích từ Cf của máy phát điện chính có thể nhận được dòng điện một chiều không qua vành trượt và chổi điện. Cuộn dây kích từ của máy phát kích thích ( đặt ở Stator) được cung cấp dòng điện thông qua bộ chỉnh lưu khác (thường là chỉnh lưu có điều khiển ). TĐK CLĐ CL F TI TU Cf Phần quay ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 57 Trong quá trình vận hành của máy phát điện, khi xảy ra các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, phụ tải và các sự cố ngắt mạch thì TĐK tác động trực tiếp vào cực điều khiển của CL làm thay đổi dòng kích từ của máy phát kích thích nhằm mục đích điều chỉnh dòng If của máy phát điện chính F để giữ điện áp trên đầu cực máy phát không bị giảm thấp quá mức cho phép hoặc cao mức quy định hay nói cách khác điện áp đầu cực máy phát được giữ ổn định. I.2.4 Hệ thống kích từ chỉnh lưu có điều khiển. Để cho điện áp kích từ giới hạn lớn thì tốc độ tăng điện áp kích từ càng nhanh. Tức là hằng số thời gian của hệ thông kích từ nhỏ, hằng số mày phụ thuộc tín hiệu ra của bộ TĐK và hệ thống kích từ cụ thể. Chính vì thế với hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có điều khiển xung điều khiển nhờ tác động của TĐK nhận tín hiệu từ đầu ra của máy phát thay đổi trực tiếp vào điện áp kích từ của máy phát. Hình I.4 Hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có điều khiển. Với sơ đồ này dòng một chiều cung cấp cho cuộn kích từ lấy điện áp trực tiếp ở đầu cực máy phát điện qua chỉnh lưu có điều khiển. Chỉnh lưu này dùng các bộ Thyristor, xung điều khiển nhận trực tiếp từ bộ TĐK lấy tín hiệu từ đầu ra để làm thay đổi dòng và áp kích từ của máy phát. Hệ thống này rất đơn giản, có khả năng tác động nhanh, làm việc tin cậy và được áp dụng rộng rãi. Như vậy, với yêu cầu thiết kế mạch ổn định điện áp cho máy phát điện tức là thiết kế mạch điều khiển kích từ với nguồn cấp kích từ lấy từ đầu ra của máy phát chính. Với công suất máy phát điện 12KVA không lớn cho nên ta chọn phương pháp điều chỉnh kích từ trực tiếp lấy điện áp đầu ra của máy phát qua máy biến áp đưa điện vào bộ chỉnh lưu Thyristor. I.3 Giới thiệu các sơ đồ chỉnh lưu thường dùng hiện nay. TĐK CLĐ If F TI TU Cf ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 58 Ở đây chúng ta chọn một sơ đồ chỉnh lưu cung cấp cho tải một chiều có điện cảm lớn, không làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới. Chúng ta chỉ đi sâu áp dụng các mạch được sử dụng trong thực tế đó là chỉnh lưu một nửa chu kỳ, chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp trung tính, chỉnh lưu cầu một pha, chỉnh lưu tia ba pha, chỉnh lưu tia sáu pha và chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. I.3.1 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ. *Trường hợp tải có tính trở : a.Hoạt động : Vaò thời điểm α = θ ta phát xung mở T, lúc này T pân cực thuận nên có dòng qua nó. Nếu bỏ qua điện áp rơi trên T thì lúc Tmở điện áp lưới bằng điện áp tải. Vào thời điểm α = π thì điện áp lưới bằng không, điện áp Anod của T bằng điện áp Catod nên T tự khóa. Vì tải thuần trở cho nên dạng đặc tính của dòng điện giống như điện áp. b.Các thông số : -Giá trị điện áp tải : d d0 1 cosU U 2α + α= Rd T U1~ Ld BA U2~ α u2 θ θ ud,id Hình I.6 - đồ thị thời gian của điện áp và dòng điện tải với góc mở α (trường hợp tải thuần trở). Hình I.5 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu một nưa chu kỳ. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 59 Trong đó : d0 2 2U U= π giá trị trung bình khi điện áp không điều khiển. -Dòng điện tải trung bình : dd d UI R α= -Dòng điện trung bình qua van : vtb dI I= -Điện áp ngược lớn nhất trên van : ngmax 2U 2U= -Hệ số công suất biến áp : bas dmax Sk 3,09 P = = -Số lần đập mạch trong moat chu kỳ : fđm = 1 *Trường hợp tải có tính cảm : a.Hoạt động : Tương tự như trường hợp tải thuần trở, chỉ khác là do có điện cảm nên dòng điện tăng dần từ khôngvà khi điện áp bằng không thì T vẫn còn dẫn cho đến khi dòng điện bằng không. b.Các thông số : -Tất cả giống như trường hợp tải thuần trở, chỉ khác giá trị điện áp tải trung bình : ( )d d0 cos -cos -U U 2α α α λ= c.Nhận xét : α u2 ud,eL id θ θ θ 1θ ud eL Hình I.7-đồ thị thời gian của điện áp và dòng điện tải với góc mở α (trườn hợp tải có tính cảm). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 60 Đây là loại chỉnh lưu cơ bản, sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản. Tuy vậy các chất lượng kỹ thuật như chất lượng điện áp một chiều, hiệu suất sử ụng biến áp quá xấu. Do đó loại chỉnh lưu này ít được ứng dụng trong thực tế. I.3.2 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp nối trung tính. *Trường hợp tải thuần trở. a.Hoạt động : Theo sơ đồ động lực thì biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng điện chạy qua. Trong sơ đồ này điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kỳ với tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều. Hình dạng các đường cong điện áp, dòng điện tải mô tả trên hình I.10 với tải trở. b.Các thông số : -Điện áp tải trung bình : d d0 1 cosU U . 2α + α= Trong đó : d0 2 2U = π - giá trị điện áp trung bình của chỉnh lưu không điều khiển. Rd Ld T1 T2 u1 u2 u2 Hình I.8-sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính θ iT1 θ θ ud,id ud id iT2 Hình I.9 - đặc tính thời gian của điện áp và dòng điện tải với góc mở α (trường hợp tải thuần trở). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 61 -Dòng điện tải trung bình : dd d UI R α= -Dòng điện qua van trung bình : tbv d 1I I 2 = -Điện áp ngược lớn nhất trên van : ngmax 2u 2 2.U= -Hệ số công suất máy biến áp : sk 1,48= -Số lần đập mạch trong moat chu kỳ : dmf 2= *Trường hợp tải cảm ( coi như tải cảm vô cùng lớn ) Các thông số : -Giá trị trung bình điện áp tải : d d0U U .cosα = α c.Nhận xét : So với chỉnh lưu nủa chu kỳ thì chỉnh lưu này có chấ