Máy phát điện đồng bộ: cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Máy phát điện đồng bộ là một trong những dòng máy phát xoay chiều được sử dụng phổ biến nhất. Hệ thống lưới điện bạn đang sử dụng phần lớn đều được tạo ra từ những chiếc máy phát điện đồng bộ được liên kết với nhau. Trong ngành công nghiệp năng lượng hiện đại, nó được sử dụng rộng rãi trong thủy điện, nhiệt điện, điện hạt nhân và sản xuất điện diesel. Mời bạn cùng Yên Phát tìm hiểu về dòng máy phát điện công nghiệp đặc biệt này qua những chia sẻ ngay dưới đây nhé.

Thiết bị phát điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ là gì?

Máy phát điện đồng bộ hay còn được gọi là máy phát điện xoay chiều. Đây là máy điện biến đổi cơ năng từ động cơ một chiều thành công suất điện xoay chiều ở một điện áp và tần số xác định. Động cơ máy phát đồng bộ luôn chạy với tốc độ không đổi, được gọi là tốc độ đồng bộ. 

Thuật ngữ máy phát điện xoay chiều được sử dụng vì nó tạo ra nguồn điện xoay chiều. Còn tên gọi máy phát điện đồng bộ vì nó phải được điều khiển ở tốc độ đồng bộ để tạo ra nguồn xoay chiều có tần số mong muốn.

Bạn cũng có thể hiểu, máy điện đồng bộ là những máy phát xoay chiều có tốc độ roto (n) bằng với tốc độ từ trường quay trong máy (n1). Tại chế độ xác lập tốc độ quay của roto n luôn không đổi. 

Máy phát điện đồng bộ có cấu tạo như thế nào?

Cũng như nhiều dòng máy phát khác, những chiếc máy phát điện không đồng bộ cũng có cấu tạo gồm 2 phần chính là Stato và - Roto. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết hơn về 2 thành phần chính của dòng máy phát này nhé.

Động cơ máy phát điện đồng bộ

Stato - Phần ứng

Stato là phần đứng yên của máy phát xoay chiều. Nó mang cuộn dây phần ứng, trong đó điện áp được tạo ra. Đầu ra của máy phát điện có dạng stator. 

Stato của máy phát điện đồng bộ bao gồm một số bộ phận như khung, lõi stato, cuộn dây stato hoặc phần ứng và cách bố trí làm mát. Cụ thể: 

• Khung stato có thể làm bằng gang đối với máy cỡ nhỏ và bằng thép hàn đối với máy cỡ lớn.
• Lõi stator được lắp ráp bằng các lớp thép có hàm lượng silicon cao cấp. Các lớp thép silicon này làm giảm độ trễ và tổn thất dòng điện xoáy trong lõi stato.
• Các rãnh được cắt ở ngoại vi bên trong của lõi stato. Người ta đặt dây quấn phần ứng 3 pha vào các khe này.
• Cuộn dây phần ứng của máy phát điện được nối hình sao. Cuộn dây của mỗi pha được phân bố trên một số khe. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây phần ứng phân bố, nó tạo ra phân bố không gian hình sin thiết yếu của EMF (suất điện động).

Roto - phần cảm

Roto là bộ phận quay của máy phát điện xoay chiều. Roto tạo ra từ trường chính. Roto của máy phát điện đồng bộ mang cuộn dây kích từ được cung cấp dòng điện một chiều qua hai vòng trượt bằng nguồn một chiều riêng (còn gọi là máy kích từ). Máy kích từ nói chung là một máy phát shunt (từ trở mắc song song) DC nhỏ được gắn trên trục của máy phát điện.

Đối với máy phát điện đồng bộ, có hai loại cấu tạo roto được sử dụng là loại roto cực nổi và loại roto hình trụ.

+ Roto cực nổi

Sơ đồ roto cực nổi

Roto cực nổi bao gồm các cực nhô ra khỏi bề mặt của lõi roto. Toàn bộ sự sắp xếp này được cố định vào trục của máy phát điện. Các cuộn dây kích từ riêng lẻ được mắc nối tiếp sao cho khi cuộn dây này được cấp điện bởi máy kích từ một chiều, các cực lân cận có cực tính ngược nhau.

Roto loại cực nổi được sử dụng trong các máy phát điện xoay chiều tốc độ thấp và trung bình (từ 120 đến 400 vòng/phút), chẳng hạn như các máy phát điện được dẫn động bởi động cơ diesel hoặc tuabin nước vì những lý do sau:

• Cấu trúc của roto loại cực nổi không thể được chế tạo đủ mạnh để chịu được các ứng suất cơ học mà chúng có thể phải chịu ở tốc độ cao hơn.
• Nếu roto loại cực từ nổi được điều khiển ở tốc độ cao, thì nó sẽ gây ra tổn thất do gió và có xu hướng tạo ra tiếng ồn.

Các roto tốc độ thấp của máy phát điện đồng bộ có đường kính lớn để cung cấp không gian cần thiết cho các cực. Kết quả là, roto loại cực nổi có đường kính lớn và chiều dài trục ngắn.

+ Roto hình trụ

Sơ đồ roto hình trụ

Loại roto này có những đặc điểm như sau:

• Các roto hình trụ được làm từ các vật liệu rắn bằng thép niken-crôm-molypden cao cấp.
• Cấu tạo của roto hình trụ sao cho không có các cực vật lý như trong roto cực nổi.
• Trong khoảng hai phần ba ngoại vi bên ngoài của roto hình trụ, các rãnh được cắt đều đặn và song song với trục roto.
• Các cuộn dây trường được đặt trong các khe này và được kích từ bởi nguồn điện một chiều. Cuộn dây trường là loại phân tán.
• Phần không có rãnh của roto tạo thành các mặt cực.

Cấu trúc rôto kiểu hình trụ được sử dụng trong máy phát điện tốc độ cao (1500 đến 3000 vòng/phút) như máy phát điện chạy bằng tua-bin hơi nước vì những lý do sau:

• Cấu trúc roto kiểu hình trụ cung cấp độ bền cơ học lớn hơn và cho phép cân bằng động chính xác hơn.
• Nó hoạt động không ồn ào ở tốc độ cao vì có khoảng cách không khí đồng đều.
• Sự phân bố từ thông xung quanh ngoại vi của roto gần như một sóng sin và do đó thu được dạng sóng EMF tốt hơn.

Một máy phát điện đồng bộ roto hình trụ có đường kính tương đối nhỏ và chiều dài trục dài. Máy phát điện roto hình trụ được gọi là máy phát điện tuabin hoặc máy phát điện tuabin. Những máy phát có roto hình trụ luôn luôn lắp đặt cấu hình nằm ngang.

Động cơ của phát điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ vận hành như thế nào?

Máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của định luật Faraday về cảm ứng điện từ. Tức là khi từ thông liên kết một vật dẫn thay đổi, một EMF (suất điện động) được tạo ra trong vật dẫn đó. Khi cuộn dây phần ứng của máy phát điện chịu tác dụng của từ trường quay thì trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra điện áp.

Khi cuộn dây kích từ roto của máy phát điện xoay chiều được cấp điện từ máy kích từ một chiều, các cực N và S thay thế được phát triển trên roto. Khi roto quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ bởi động cơ chính, các dây dẫn phần ứng đặt trên stato bị cắt bởi từ trường của các cực roto. Kết quả là EMF được cảm ứng trong các dây dẫn phần ứng do cảm ứng điện từ. EMF cảm ứng này là xen kẽ một vì các cực N và S của rôto lần lượt vượt qua các dây dẫn phần ứng.

Hướng của EMF được tạo ra có thể được xác định theo quy tắc đúng của Fleming và tần số của nó được đưa ra bởi:

f =N_SP/120

Trong đó: 

• N_Slà tốc độ đồng bộ tính bằng RP
• P là số cực của roto
• f là tần số dòng điện xoay chiều

Độ lớn của điện áp được tạo ra phụ thuộc vào tốc độ quay của roto và dòng điện kích từ DC. Đối với điều kiện cân bằng, điện áp tạo ra trong mỗi pha của cuộn dây là như nhau nhưng khác pha nhau một góc 120^o.

Ứng dụng của máy phát điện đồng bộ

Một máy phát điện đồng bộ dùng trong nhà máy điện gió 

Máy phát điện đồng bộ 3 pha có rất nhiều ưu điểm trong vấn đề phát điện, truyền tải và phân phối. Các máy phát điện đồng bộ lớn được ứng dụng trong hệ thống hạt nhân, thủy điện và nhiệt điện để tạo ra điện áp.

Máy phát điện đồng bộ hiện nay có định mức công suất là 100MVA, được dùng trong trạm phát điện. Máy biến áp có định mức công suất là 500MVA, được trong các trạm siêu nhiệt điện. Đối với việc phát điện nặng, stato của máy phát điện đồng bộ thiết kế cho xếp hạng điện áp từ 6,6 kV đến 33 kV.

Trên đây là một số thông tin tổng hợp về máy phát điện đồng bộ. Dòng máy phát này thực sự quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Nếu bận cần tư vấn chi tiết về các loại máy phát điện loại nhỏ, công nghiệp, vui lòng liên hệ tới hotline: 0966 631 546 để được nhân viên Yên Phát tư vấn hỗ trợ nhanh nhất.