vihem - Máy phát điện là gì? – cấu tạo và nguyên lý hoạt động

MÁY PHÁT ĐIỆN LÀ GÌ

Khái niệm cơ bản

Máy phát điện là một loại máy điện có chức năng chuyển đổi năng lương cơ học thành điện năng. Máy phát điện hoạt động dựa trên Định luật cảm ứng điện từ và Định luật Lenxơ. Vì vậy, các máy phát điện có tính thuận nghịch, vừa có thể làm việc ở chế độ máy phát, vừa có thể làm việc ở chế độ động cơ điện.

Phân loại máy phát điện

Máy phát điện chia thành 2 loại chính là máy phát điện xoay chiều (gồm loại đồng bộ & không đồng bộ) và máy phát điện một chiều

Máy phát điện đồng bộ (1 pha hoặc 3 pha)

• là loại máy điện có tốc độ quay không đổi và được xác định theo số đôi cực và tần số dòng điện (n = 60f/p)

Máy phát điện không đồng bộ (1 pha hoặc 3 pha)

• là loại máy điện xoay chiều làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ có tốc độ quay của roto (là tốc độ của máy máy) nhỏ hơn tốc độ đồng bộ (là tốc độ của từ trường) (n₂  < n₁ = 60f/p). Máy phát điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, có thể làm việc ở chế độ động cơ điện và máy phát điện.

Thực tế máy phát điện xoay chiều đồng bộ được sử dụng phổ biến còn loại máy phát điện không đồng bộ ít được sử dụng, chỉ dùng trong vài trường hợp như trong quá trình điện khí hóa nông thôn cần nguồn điện phụ hay tạm thời.

Máy phát điện 1 chiều:

Máy phát điện một chiều khi hoạt động sẽ cung cấp đầu ra nguồn điện 1 chiều – cung cấp năng lượng điện một chiều cho các phụ tải một chiều

Cấu tạo cơ bản của máy phát điện đồng bộ (xoay chiều)

Máy điện đồng bộ được sử dụng theo chế độ máy phát điện và động cơ điện. Nhưng đa số máy điện đồng bộ hoạt động ở chế độ máy phát điện, dùng để cung cấp điện năng cho sinh hoạt và sản xuất. Vậy ở đây ta chủ yếu bàn tới cấu tạo của máy phát đồng bộ.

Gồm ba phần chính:

Phần cảm (Rôto):

• Được gắn trên trục quay, gồm lõi thép cực từ trên có quấn cuộn dây để cho dòng điện một chiều đi qua tạo thành một nam châm điện;
• Từ trường phần cảm sinh ra khá mạnh và ổn định. Cực từ được chế tạo sao cho từ thông phân bố dọc theo mặt trong của phần ứng biến thiên theo quy luật hàm số sin: B = B_maxSinα
• Số cực từ của phần cảm phụ thuộc vào tốc độ quay và tần số tiêu chuẩn của dòng điện dùng trong công nghiệp;
• Dựa vào cấu tạo cực từ người ta chia rôto làm hai loại: Rôto cực ẩn và rôto cực lồi (hình 4-a)

+ Máy điện có rôto cực lồi được gọi là máy điện cực lồi, thường dùng cho loại máy điện có tốc độ thấp, số cực nhiều, công suất nhỏ;

+ Máy điện có rôto cực ẩn đợc gọi là máy điện cực ẩn, thường dùng cho loại máy điện có tốc độ cao, số cực ít, công suất cao.

Phần ứng (Stator)

• Mạch từ: Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau, mặt trong được xẻ rãnh để đặt bộ dây quấn;
• Dây quấn: Gồm ba cuộn dây đặt lệch nhau 120⁰ trong không gian trong các rãnh của lõi thép mạch từ, (hình 4-b)

Phần kích từ

• Bộ phận kích từ làm nhiệm vụ tạo ra dòng điện một chiều đưa vào cuộn dây phần cảm để tạo ra từ trường cho máy. Vơi các máy phát điện nhỏ hoặc dạng mô hình bộ phận này thường là các khối năm châm vĩnh cửu.
• Đối với các máy phát điện công suất lớn, phần kích từ là một máy phát điện một chiều được nối cùng trục với máy phát điện đồng bộ có nhiệm vụ biến các cực của máy phát thành nam châm điện. Bộ phận kích từ này có thể thay đổi từ trường để hiệu chỉnh từ trường.

Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

+ Cung cấp dòng kích từ cho máy

+ Kéo phần cảm quay với tốc độ (n₂ = 60f/p; từ trường phần cảm quét qua các cuộn dây phần ứng sinh ra các sức điện động trong các cuộn dây, e_A, e_B, e_C;

+ Vì ba cuộn dây đặt lệch nhau trong không gian nên ta được một hệ sức điện động ba pha;

+ Các cuộn dây được chế tạo giống nhau nên trị số hiệu dụng các sức điện động như nhau E_A = E_B = E_C = 4,44 fWkF_m

Trong đó:

f = np/60 – là tần số của sức điện động;

W – Số vòng của một cuộn dây pha;

k – Hệ số dây quấn;

Φ_m – Từ thông cực đại dưới một cực từ.

+ Coi góc pha đầu của sức điện động pha A là 0⁰ thì phương trình sức điện động ba pha được viết như sau:

e_A = E√2Sin(ωt) (V)

e_B = E√2Sin(ωt – 120⁰) (V)

e_C = E√2Sin(ωt – 240⁰⁾ (V)

+ Khi máy phát có tải thì trong ba cuộn dây của máy phát có dòng điện và sinh ra từ trường quay ba pha với tốc độ n_{1 ;} nghĩa là bằng tốc độ quay của phần cảm n₁ = n₂, do đó máy phát được gọi là máy phát điện đồng bộ.

Cấu tạo máy điện một chiều

• Phần cảm (Stator) – Là phần cố định được gắn trên thân máy, gồm lõi thép cực từ trên có quấn cuộn dây kích từ để tạo ra từ trường cho máy;

– Lõi sắt cực từ được làm bằng thép lá kỹ thuật điện ghép lại với nhau, giữa các lá thép được phủ sơn cách điện;

– Cuộn dây kích từ được quấn bằng dây điện từ, bọc cách điện bằng sơn êmay hoặc sợi vải bông.

• Phần ứng (Rotor)

– Gồm lõi thép hình trụ được gắn trên trục quay, trên lõi thép được xẻ rãnh để đặt dây quấn phần ứng, các đầu dây của dây quấn phần ứng được hàn nối vào các phiến đồng của vành đổi chiều.

• Phần đổi chiều Gồm có vành đổi chiều và hệ thống chổi than.

– Vành đổi chiều được gắn cùng trục với với phần ứng, gồm nhiều các phiến đồng ghép lại với nhau thành hình trụ tròn, giữa các phiến đồng được cách điện bằng nhựa hoặc mica.

– Các chổi than được tì lên vành đổi chiều để dẫn điện

Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

– Cho dòng điện một chiều vào dây quấn kích từ, trong máy sẽ có từ trường, đường sức từ của từ trường phần cảm được khép kín qua mạch từ phần ứng và thân máy;

– Dùng nguồn động năng sơ cấp (gió, nước,…tuabin, máy động cơ máy nổ…) kéo phần ứng quay với tốc độ n, chiều như hình vẽ;

– Các dây dẫn phần ứng sẽ cắt các đường sức của từ trường phần cảm sinh ra các sức điện động cảm ứng, chiều được xác định bằng quy tắc bàn tay phải;

– Dưới tác dụng của vành đổi chiều và các chổi than, sức điện động giữa các chổi than không đổi và bằng tổng sức điện động sinh ra trong các bối dây nằm trong một mạch nhánh song song của phần ứng;

– Nếu mạch ngoài được nối với phụ tải R thì sẽ có dòng điện một chiều qua phụ tải: I = I_u = E_u/(R+R_u) ⇒ E_u = IR + IR_u = U + IR ⇒ E> U

Trong đó:

U là điện áp hai đầu cực của máy

I_ưR_ư là điện áp giáng trên điện trở dây quấn phần ứng

– Tác dụng tương ứng giữa dòng điện phần ứng với từ trường phần cảm tạo nên lực điện từ, chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Lực này tao ra một mômen ngược chiều với mômen quay được gọi là mômen cản.

– Nếu muốn phần ứng tiếp tục quay với tốc độ không đổi ta phải cung cấp cho máy một công suất cơ (Pcơ) nhờ một động cơ sơ cấp kéo phần ứng, đảm bảo Mômen quay cân bằng với mômen cản.

– Như vậy máy phát đã biến đổi công suất của động cơ sơ cấp thành công suất điện cung cấp cho phụ tải.