Header Page of 134 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển  Footer Page of 134 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Header Page of 134 Tự động điều khiển CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1 Nguyên lý làm việc máy điện đồng Máy điện đồng thiết bị điện quan trọng 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 sản xuất từ máy phát điện quay tuabin hơi, tuabin khí tuabin nước Hai loại thường gặp máy phát nhiệt điện máy phát thuỷ điện pha Máy điện đồng dùng làm động đặc biệt thiết bị lớn, khác với động không đồng chúng phát công suất phản kháng Thông thường máy đồng tính toán, thiết kế cho chúng phát công suất phản kháng gần công suất tác dụng Trong số trường 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 cosϕ cho lưới điện gọi máy bù đồng Ngoài động đồng công suất nhỏ (đặc biệt động kích từ nam châm vĩnh cửu) dùng rộng rãi trang bị tự động điều khiển 1.2 Phân loại kết cấu máy điện đồng Phân loại: Theo kết cấu chia máy điện đồng thành loại: Máy đồng cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2P = 2), máy điện đồng cực lồi thích hợp với tốc độ quay thấp (2P ≥ 4) Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page of 134 Lớp CĐ ĐT4 - Báo cáo thực tập tốt nghiệp Header Page of 134 Hình 1.1: Rôto cực lồi Tự động điều khiển Hình 1.2: Rôto cực ẩn Theo chức chia máy điện đồng thành loại chủ yếu sau: a Máy phát điện đồng - Máy phát điện đồng thường kéo tuabin tuabin nước gọi máy phát tuabin hay máy phát tuabin nước Máy phát tuabin có tốc độ quay cao, chế tạo theo kiểu cực ẩn trục máy đặt nằm ngang nhằm đảm bảo độ bền cho máy Máy phát điện tuabin nước có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi, nói chung trục máy thường đặt thẳng đứng Bởi để giảm kích thướt máy phụ thuộc vào chiều cao cột nước Trong trường hợp máy phát có công suất nhỏ cần di động thường dùng động điezen làm động sơ cấp gọi máy phát điện điezen, loại thường chế tạo theo kiểu cực lồi b Động điện đồng bộ: Động điện đồng thường chế tạo theo kiểu cực lồi sử dụng để kéo 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 thường dùng để cải thiện hệ số công suất cosϕ lưới điện Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page of 134 Lớp CĐ ĐT4 - Báo cáo thực tập tốt nghiệp Header Page of 134 Tự động điều khiển Ngoài loại có loại máy điện đặc biệt như: Máy biến đổi phần ứng, máy đồng tần số cao máy điện công suất nhỏ dùng tự động, động đồng nam châm vĩnh cửu, đồng đồng phản kháng, động đồng từ trễ, động bước Kết cấu: Để thấy rõ đặc điểm kết cấu máy điện đồng bộ, ta xét trường hợp máy cực ẩn máy cực lồi sau: a Kết cấu máy đồng cực ẩn: Roto máy đồng cực ẩn làm thép hợp kim chất lượng cao, 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 hình 1.3 Hình 1.3: Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto Thông thường máy đồng 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, người ta chế tạo roto có đường kính nhỏ: (D = 1,1 ÷ 1,15 (m)) Vì muốn tăng công suất máy tăng chiều dài l roto (lmax = 6,5m) Dây quấn kích từ đặt rãnh roto quấn thành bối dây, vòng dây bối dây cách điện với lớp mica mỏng Miệng rãnh nêm kín để cố định ép chặt bối dây Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page of 134 Lớp CĐ ĐT4 - Báo cáo thực tập tốt nghiệp Header Page of 134 Tự động điều khiển Dòng điện kích từ dòng chiều đưa vào cuộn kích từ thông qua chổi than đặt trục roto Stato máy đồng cực ẩn bao gồm lõi thép ghép lại từ thép kỹ thuật điện, có tạo rãnh để đặt dây quấn pha Stato 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 chế tạo theo kết cấu khung thép, máy phải có hệ thống làm mát Nắp máy chế tạo từ thép gang đúc b Kết cấu máy đồng cực lồi: Máy đồng cực lồi thường có tốc độ quay thấp đường kính roto lớn nhiều lần so với roto cực ẩn: (Dmax = 15m), chiều dài lại nhỏ, với tỷ lệ l/D = 0,15 ÷ 0,2 Roto máy đồng cực lồi công suất trung bình nhỏ có lõi thép chế tạo từ thép đúc gia công thành khối lăng trụ, mặt có đặt cực từ Ở máy lớn Lõi thép hình thành thép dày từ 1mm đến 6mm, dập đúc định hình sẵn để ghép thành khối lăng trụ, lõi thép thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà đặt giá đỡ roto Dây quấn cản (trường hợp máy phát đồng bộ) quấn mở máy (trường hợp động đồng bộ) đặt đầu cực Các dây quấn giống dây quấn kiểu lồng sóc máy điện không đồng bộ, nghĩa làm đồng đặt vào rãnh đầu cực nối đầu vòng ngắn mạch Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page of 134 Lớp CĐ ĐT4 - Báo cáo thực tập tốt nghiệp Header Page of 134 Tự động điều khiển Lá thép cực từ 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 Ở trường hợp máy phát tuabin nước công suất lớn, tốc độ chậm trục máy phải đặt thẳng đứng theo kiểu treo kiểu đõ tuỳ thuộc vào cách bố trí ổ trục đỡ + Ưu điểm kiểu treo ổn định, chịu ảnh hưởng tác động phần phụ, chi phí xây dựng cao, kiểu đỡ giảm kích thước máy theo chiều cao Do giảm kích thước chung máy Như tuỳ theo yêu cầu mà ta phải có cách bố trí cho hợp lý 1.3 Các thông số chủ yếu máy phát điện đồng Trong máy phát điện đồng thông số như: 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 Điện kháng đồng dọc trục ngang trục (Xd,Xq) Điện kháng đồng dọc trục ngang trục thông số đặc trưng máy phát điện chế độ xác lập Ở máy phát điện cực lồi mặt cực, từ thông khe hở không khí không đều, nên mạch từ không Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page of 134 Lớp CĐ ĐT4 - Báo cáo thực tập tốt nghiệp Header Page of 134 Tự động điều khiển 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 Điện kháng độ X'd Đặc trưng cho cuộn cảm cuộn dây chế độ xác lập Ở 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 thường nhỏ nên phần ứng hỗ cảm triệt tiêu hoàn toàn từ thông bên Vì coi điện cảm mạnh khép kín bên cuộn dây roto nhỏ không phụ thuộc vào dạng cực từ Điện kháng siêu độ: Điện kháng đặc trưng cho điện cảm cuộn dây stato giai đoạn đầu chế độ độ giai đoạn đầu chế độ bị ảnh hưởng cuộn dây cản, làm giảm từ thông cuộn dây stato Do X"d < X'd Do dòng điện xuất cuộn dây cản tức thời điện kháng X"d tồn giai đoạn đầu chế độ độ Hằng số quán tính Tj: Đặc trưng cho mômen quán tính phần quay, số tính toán tùy thuộc vào loại máy phát ω2đm J Tj = Jđm = J Sđm Trong đó: ωđm = 2π.n 60 GD J= 60 Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page of 134 Lớp CĐ ĐT4 - Báo cáo thực tập tốt nghiệp Header Page of 134 Với: Tự động điều khiển G - Khối lượng vật quay D - đường kính vật quay 1.4 Đồ thị vectơ đặt tính máy phát điện Phương trình điện áp đồ thị vectơ máy phát điện đồng Đối với máy phát đồng bộ: U = E δ - I (rư + jXδư) (1 - 1) Đối với động điện đồng U = E δ + I (rư + jXδư) (1 - 2) Trong đó: U: Điện áp đầu cực máy phát Rư, Xδu': Điện trở điện kháng tản dây quấn phần ứng Eδ: Sức điện động cảm ứng dây quấn từ trường khe hở không khí Khi có tải suất điện động cảm ứng chia làm thành phần: Eδ = E + Eư a Ta xét trường hợp máy phát điện Trong trường hợp ta xét cho loại máy cực ẩn máy cực lồi Giả sử máy phát làm việc tải điện cảm có: < ϕ < 900 Phương trình cân điện áp cho máy cực ẩn U = E + E - I (rư + jXư) (1 - 3) E ư: Sức điện động phần ứng biểu thị theo điện kháng phần ứng: E = j I Xư Vậy phương trình - trở thành: Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page of 134 Lớp CĐ ĐT4 - Báo cáo thực tập tốt nghiệp Header Page of 134 Tự động điều khiển U = E - j I (Xư + jXσư)- I rư (1 - 4) Ta biểu diễn phương trình - đồ thị vectơ jIXư jIXδư Irư θδ E U θ ϕ fδ I Fư θ' Fo Hình 1.5: Đồ thị sđđ máy phát đồng cực ẩn Trên đồ thị thì: Từ thông Φ0(F0) vượt trước E góc π/2 Φư(Fư) chậm sau E = j IXư góc π/2 Phương trình cân điện áp cho máy cực lồi U = E - j I d Xưd - j I q Xưq - j I Xσư - I rư (1 - 5) Vì máy cực lồi thành phần sức từ động chia thành thành phần dọc trục ngang trục E ưd = -j I dXưd E ưq = -j I qXưq Và thành phần -j I Xδư ta phân tích thành thành phần dọc trục ngang trục -j I Xδư = -j I qXδư - (-j I dXδư) Lúc phương trình (1 - 5) trở thành: Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page of 134 Lớp CĐ ĐT4 - Header Page 10 ofBáo 134.cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển U = E -j I dXd -j I qXq - I rư (1 - 6) Với: Xd = Xưd + Xδư Xq = Xưq + Xδư Xd : điện kháng đồng dọc trục Xq : điện kháng đồng ngang trục Biểu diễn phương trình (1 - 6) đồ thị vectơ E jI Xq jId Xd jIq Xq ψ Irư U θ ϕ Iq ψ I Id Hình 1.6: Đồ thị sđđ biến đổi máy điện cực lồi + Trường 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 Φd Φq có liên quan với trạng thái bão hoà theo hai phương khác Như Xưd phụ thuộc vào Φd mà phụ thuộc vào Φq, Xưd tương tự Để đơn giản, ta cho từ thông dọc trục ngang trục ảnh hưởng theo hướng trục giả sử mức độ bão hoà theo hướng ngang trục biết (Kμq biết) Từ phương trình cân điện áp: U = E - J IdXd - I IqXq - I rư Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page 10 of 134 (1 - 7) Lớp CĐ ĐT4 - Header Page 47 ofBáo 134.cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Để tính toán thiết kế máy biến áp chọn van ta dựa vào giả thiết ban đầu Điện áp định mức vào cầu phi tuyến dòng điện điện áp trung bình dòng điện tải sau chỉnh lưu Ud = Ev = 12(V) Id = Iđm = 64(mA) a Tính chọn tụ lọc C6 Khi điện áp xoay chiều thứ cấp máy biến áp chỉnh lưu thành nửa chu kỳ dương lặp lại điện áp hình sin Vì điện áp sau chỉnh lưu có hình dạng nhấp nhô, để điện áp trở nên phẳng có hình dạng gần chiều người ta mắc thêm tụ lọc Biên độ điện áp sau chỉnh lưu Mức tối thiểu điện áp Emin Mức tối đa điện áp Emax Thời gian nạp tụ: t1 = T - thời gian ứng với θ Thời gian phóng tụ là: t2 = Trong T + thời gian ứng với θ T thời gian ứng với 900 ΔUc = Ugs U Um Ud Emin π Sinh θ Nguyễn Tuấn O viên tthực 2π Ngọc 90° K1 Footer Page 47 of 134 t2 T Emax t Lớp CĐ ĐT4 - 46 Header Page 48 ofBáo 134.cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Emin = Emax sinθ Hay: θ = arcsin E E max Nếu Id coi không đổi ta có: Id = C6 d Ugs Dt Trong Ugs điện áp gợn sóng độ dao động điện áp chỉnh lưu có tụ C6 Vậy ta suy được: C6 = I d t U gs Hoặc ta tính theo công thức: ΔU c ⎛ = ⎜⎜1 − U m ⎝ m x C 2.R t f ⎞ ⎟⎟ ⎠ m x C R.f Trong đó: ΔUc = Ugs: điện áp gợn sóng mx: số xung áp điện áp đầu vào lọc chu kỳ điện áp nguồn f: tần số Rt: điện trở tải C6: tụ lọc Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page 48 of 134 Lớp CĐ ĐT4 - 47 Header Page 49 ofBáo 134.cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Giả thiết là: ΔUc = Ugs= 15%Ud Nên ta được: ΔUc = Ugs = 15x12 = 1,8(V) 100 Vậy: Emin = Ud Emax = Ud + => θ = arcsin U gs U gs = 12 - 1,8 = 11,1(V) = 12 + 1,8 = 12,9(V) 11,1 E = arcsin = 590 12,9 E max Ta tính thời gian phóng tụ C6 t2 = T + thời gian ứng với góc θ Hay t2 = T (900 + 590) 360 Mà: T = 1 = = 0,02(s) f 50 Vậy: t2 = 0,02 (900 + 590) = 0,0083(s) = 8,3(ms) 360 Id t 64.10−3.8,3.10−3 Suy ra: C6 = = = 295(μF) U gs 1,8 Để đảm bảo chất lượng dòng chiều sau chỉnh lưu nên ta mắc thêm tụ lọc C5, để đảm bảo dòng đưa đến cầu đo xác độ nhạy tụ C5 lớn Ta tính toán tụ C6 Vậy ta chọn C5 = 290(μF) b Tính toán chọn van chỉnh lưu: Ta có điện áp cầu chỉnh lưu là: Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page 49 of 134 Lớp CĐ ĐT4 - 48 Header Page 50 ofBáo 134.cáo thực tập tốt nghiệp Ud = => Tự động điều khiển U max π U2max = π.U d Với: Ud = E = 12(V) ta giả thiết Vậy: U2max = 3,14.12 = 18,8(V) Giá trị hiệu dụng điện áp vào chỉnh lưu UV = U max 18,8 = = 13,3(V) 2 Dòng điện trung bình chạy van: ID = Id 64 = = 32 (mA) 2 Dòng điện vào cầu đo là: IV = Id 1,11 = 64 x 1,11 = 71(mA) Để đảm bảo an toàn cho điôt ta phải chọn hệ số dự trữ dòng áp Theo tài liệu tham khảo ta chọn sau: KI = 1,2: hệ số dự trữ dòng KU = 1,6: hệ số dự trữ áp Vậy ta phải chọn điôt chịu điện áp ngược dòng điện sau: Ungmax = KU U'ngmax = 1,6 18,8 = 30(V) I'đmD = KI IDlv = 1,2 32 = 38,4(mA) Căn vào số liệu tính ta chọn điôt loại 206 Liên Xô chế tạo có thông số sau: IđmD = 0,1(A) Ung = 100(V) ΔU = 1(V) Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Ngọc K1 Footer Page 50 of 134 Lớp CĐ ĐT4 - 49 Header Page 51 ofBáo 134.cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Vì van hoàn toàn giống nên ta chọn D1, D2, D3, D4 loại có thông số chọn c Thiết kế máy biến áp + Ta có công suất tác dụng phụ tải: Pd = Udo Id Trong đó: Udo = Ud + ΔUV + ΔUR + ΔUX Với: ΔUV, ΔUR, ΔUX: sụt áp van, điện trở điện kháng máy biến áp Vì loại máy biến áp có công suất nhỏ nên độ sụt áp điện trở tương đối lớn khoảng 4%, điện kháng khoảng 1,5%, độ sụt áp van nối tiếp là: ΔUV = 2ΔU = 2(V) Do đó: Udo = 12 + + 12(4% + 1,5%) Udo = 12 + + 12(0,04 + 0,015) = 14,66(V) Vậy: Pd = 14,66 64 10-3 = 0,94(W) Công suất toàn phần máy biến áp Sba = Ks Pd Trong đó: Ks hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực Vì ta dùng sơ đồ cầu chỉnh lưu pha nên tra bảng tài liệu tham khảo ta : Ks = 1,23 Vậy: Sba = 1,23 0,94 = 1,16(W) * Tính toán mạch từ máy biến áp Chọn mạch từ có hình dạng sau: