Nguyên lý hoạt động của máy phát điện (electric generator)

Máy phát điện là một trong những nguồn chính cung cấp năng lượng trong công nghiệp. Nó có khả năng tạo ra điện xoay chiều ở một tần số xác định. chúng cũng có thể được gọi là máy phát điện đồng bộ. Video sau đây sẽ giới thiệu chi tiết về nguyên lý hoạt động của máy phát điện.

Bài viết sau đây sẽ mô tả chi tiết về nội dung được đề cập đến trong video ở trên:

Nguyên lý cơ bản

Dòng điện được tạo ra bởi máy phát điện dựa theo hiện tượng cảm ứng điện từ. Để phát ra điện thì cuộn dây phải quay trong từ trường hoặc là từ trường phải xoay so với cuộn dây.

Hình 1. hai phương pháp tại ra điện: cuộn dây quay và từ trường quay

Đối với máy phát điện cách thứ 2 thường được sử dụng. Lý do tại sao sử dùng phương pháp từ trường quay quanh cuộn dây sẽ được đề cập trong phần dưới đây.

Các bộ phận chính và cách hoạt động.

Rotor và cuộn dây phần ứng là 2 phần chính của một máy phát điện. Rotor tạo ra một từ trường quay. Cuộn dây phần ứng đứng yên và với sự chuyển động của từ trường gây ra bởi rotor thì trong cuộn dây phần ứng sẽ sinh ra một suất điện động.

Hình 2. Rotor và cuộn dây phần ứng là 2 bộ phận chính của máy phát điện.

Loại rotor được hiển thị ở đây được gọi là rotor cực lồi. Để có cái nhìn khái quát về nguyên lý hoạt động của nó chúng ta sẽ xem xét rotor chỉ có 4 cực. Cuộn dây rotor được kích từ bằng một nguồn điện DC. Từ trường được tạo ra xung quanh nó được hiển thị như hình dưới đây.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 3. Một rotor 4 cực lồi và từ trường tạo ra xung quanh chúng khi được kích từ bằng nguồn điện

Rotor được cấu tạo để quay theo một động cơ kéo. Điều này làm cho rotor quay theo cùng tốc độ với động cơ kéo.
Như vậy từ thông sinh ra bây giờ cắt qua các cuộn dây phần ứng được lắp trên stator. Điều này sẽ tạo ra một điện áp cảm ứng E.M.F xoay chiều trong dây quấn stator.

Hình 4. Khi rotor quay tạo ra một điện áp cam ứng xoay chiều trên cuộn dây phần ứng.

Tần Số Của Suất Điện Động Cảm Ứng E.M.F

Bốn cực của rotor sẽ có 2 cặp cực N-S, khi rotor quay được một nửa vòng thì điện áp cảm ứng E.M.F hoàn thành được 1 chu kỳ. Vì vậy rõ ràng tần số của E.M.F tỉ lệ với số cực và tốc độ của rotor. Có thể dễ dàng xác định được tần số f của E.M.F (Hz) từ tốc độ N của rotor (rpm) và số cực thông qua công thức sau:

Rõ ràng với mối quan hệ này, tần số điện được tạo ra đồng bộ với tốc độ quay cơ.

Sản xuất điện 3 pha.

Để sản xuất dòng điện 3 pha, 2 cuộn dây cảm ứng nữa đươc đặt lệch pha 120 độ so với cuộn dây đầu tiên trong dây quấn stator.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 5. Để tạo ra điện 3 pha thì 2 cuộn dây cảm ứng nứa được thêm vào và đặt lệch pha với cuộn dây đầu tiên 1 góc 120 độ.

Nói chung một đầu của 3 cuộn dây này được kết nối sao và điện 3 pha được lấy ra từ 3 đầu dây còn lại. Dây trung tính có thể lấy ra từ điểm kết nối sao.

Khi nào thì sử dụng Rotor cực lồi ?

Rõ ràng từ công thức được đề cập trên kia để tạo ra dòng điện tần số 60Hz thì rotor 4 cực phải quay với tốc độ 1800 RPM. Như vậy với tốc độ khá là lớn này sẽ tạo một lực ly tâm khủng khiếp trên các cực của rotor và nó có thể làm hỏng kết cấu cơ khí sau một thời gian hoạt động.

Hình 6. Rotor với số cực ít đòi hỏi tốc độ quay cao, điều này gây ra lực ly tâm rất lớn trên các cực của rotor.

Vì vậy các rotor cực lồi thường có 10 - 40 cực, ở đó nó đòi hỏi tốc độ rotor thấp hơn hay rotor cực lồi được sử dụng cho các máy phát có động cơ kéo quay ở tốc độ tương đối thấp (120 - 400 RPM). Chẳng hạn như tua bin hơi nước và động cơ đốt trong (I.C engines.)

Lõi rotor và lõi stator

Lõi cực được sử dụng để truyền từ thông một cách hiệu quả và chúng được làm bằng các lá thép mỏng. Các lá thép này làm giảm tổn thất năng lượng do dòng điện xoáy. Ở phía stator cũng vậy, lá thép kỹ thuật điện cũng được dùng để tăng cường khả năng truyền từ thông.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 7. Lõi rotor và stator tăng cương khả năng truyền từ thông và chúng được làm bằng các lá thép mỏng

Máy phát điện tự kích từ.

Dòng điện DC được cấp cho rotor thông qua 1 cặp vành trượt. Đó là lý do tại sao lại dùng phường pháp từ trường quay trong máy phát điện. Nếu sử dụng phương pháp cuộn dây quay, vành trượt phải được lắp cùng cuộn dây phần ứng để lấy điện nhưng việc truyền điện cao thế qua vành trượt là không khả thi do đó phải dùng phương án cấp điện DC điện áp thấp qua vành trượt.

Dòng điện DC này được cấp từ một nguồn điện bên ngoài hoặc một máy phát DC nhỏ được lắp cùng máy phát điện chính. Những máy phát điện này được gọi là máy phát điện tự kích từ.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình.8 Vành trượt được dùng để cấp dòng DC cho cuộn dây rotor, dòng điện DC này có thể được lấy từ một máy phát DC được gắn kèm.

Với sự thay đổi của tải thì điện áp đầu ra máy phát sẽ thay đổi. Và để giữ giá trị điện áp đầu ra này không thay đổi thì cần phải có một bộ điều chỉnh điện áp tự động, điều này có thể thực hiện bằng cách điều khiển dòng điện kích từ. Nếu giá trị điện áp đầu ra thấp hơn giá trị mong muốn thì bộ điều khiển điện áp sẽ tăng dòng kích từ, khi đó cường độ từ trường tăng dẫn đến điện áp đầu ra tăng. Ngược lại nếu điện áp đầu ra cao hơn giới hạn mong muốn thì sẽ điều chỉnh ngược lại là giảm dòng kích từ.

LINK 1 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 2 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 3 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 4 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

Các bạn có thể tìm hiểu thêm nguyên lý hoạt động máy phát điện xoay chiều theo video bên dưới: