Máy phát điện không đồng bộ: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Với hai vai trò, vừa là máy phát điện lại vừa là động cơ điện, những hệ thống máy phát điện không đồng bộ hiện được sử dụng vô cùng phổ biến trong các tua bin gió trên khắp thế giới. Hãy cùng với Yên Phát tìm hiểu chi tiết hơn về dòng máy phát điện đặc biệt này qua bài chia sẻ sau đây nhé.

Máy phát điện không đồng bộ được ứng dụng nhiều trong các tua bin gió

Đặc điểm nổi bật của máy phát điện không đồng bộ

Máy phát điện không đồng bộ là dòng máy phát điện xoay chiều. Máy hoạt động theo nguyên lý cảm biến điện từ có tốc độ quay của roto sẽ chậm hơn tốc độ quay của từ trường. Về cơ bản, các thiết bị phát điện không đồng bộ có tính thuận nghịch. Nghĩa là máy vừa có thể làm việc với vai trò là máy phát điện vừa là một động cơ điện.

Dựa vào cấu tạo, nguyên lý vận hành cũng như số pha hoạt động mà máy phát điện không đồng bộ được chia thành một số loại như sau:

• Theo kết cấu của vỏ: Máy phát điện không đồng bộ được chia thành 3 loại gồm máy điện kiểu kín, kiểu hở và kiểu bảo vệ.
• Theo số pha: Gồm các loại máy phát không đồng bộ 3 pha, 2 pha  1 pha.
• Theo kiểu dây quấn Roto: gồm có 2 loại là bộ roto dây quấn hoặc roto lồng sóc.

Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ

Nhìn chung hầu hết các model máy phát không đồng bộ trên thị trường có cấu tạo khá giống nhau. Những model này gồm có 2 phần chính là Stato và Roto. Ngoài ra máy còn có các bộ phận phụ đi kèm khác như nắp máy, ổ bi, hộp dầu cực, trục máy,  quạt gió, hộp quạt,…

Cấu tạo của một máy phát điện không đồng bộ

Stato - phần tĩnh

Stato hay còn có tên gọi là phần tĩnh vì chúng đứng im, không chuyển động. Stato được cấu thành từ lõi thép, dây quấn cùng phần phụ là vỏ máy và nắp máy. Trong đó:

• Lõi thép: được thiết kế có dạng hình trụ, có vai trò dẫn từ. Lõi théo được làm từ nhiều lá thép kỹ thuật điện. Phần thân có thiết kế dập rãnh su đó ghép lại thành các rãnh ép ở trong vỏ máy. Phía trên là các lá thép được sơn phủ cách điện để chống bị ăn mòn, bị gỉ.
• Dây quấn: là những dây đồng nguyên chất có bọc cách điện. Những dây này được đặt bên trong các rãnh của phần lõi thép để dòng điện xoay chiều đi qua từ đó tạo ra từ trường quay.
• Vỏ máy: bộ phận này thường được làm bằng nhôm hoặc bằng gang chắc chắn, cứng cáp. Cho khả năng cố định máy và lõi thép.

Roto - phần động

Roto hay còn gọi là phần quay, phần động vì chúng sẽ chuyển động trong quá trình vận hành. Roto được cấu thành từ  lõi thép, dây quấn cùng trục máy. Đây là bộ phận rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả công việc mà máy có thể đem lại. Chính roto làm cho máy phát điện không đồng bộ khác với máy phát điện đồng bộ.

• Lõi thép của roto gồm những lá thép kỹ thuật lấy từ phần trong của lõi thép stato. Đặc biệt phía mặt ngoài của lõi thép cũng được dập rãnh để đặt phần dây quấn. Phần giữa trục được dập lỗ giúp dễ dàng lắp trục. 
• Trục máy phát không đồng bộ được làm từ thép không gỉ, có gắn lõi thép roto.

Động cơ máy phát điện không đồng bộ

Roto của những chiếc máy phát điện không đồng bộ thường có 2 loại là roto lồng sóc (hay roto ngắn mạch) và roto dây quấn. Cụ thể như sau:

• Roto lồng sóc: có chứa các thanh đồng hoặc nhôm đặt ở rãnh sao cho chúng bị ngắn mạch do hai vành ngắn mạch ở 2 đầu. Đối với những máy có động cơ nhỏ, thường được đúc nguyên một khối thanh dẫn, quạt gió làm mát, cánh tản nhiệt cùng vành ngắn mạch. 
• Roto dây quấn: có các vòng dây quấn giống như dây quấn tại stato và có cùng số cực từ. Dây quấn được đấu với nhau theo hình sao với 3 đầu ra được đấu vào 3vành trượt. Thông thường, dây quấn roto được gắn vào trục quay roto và cách điện với trục.

Máy phát điện không đồng bộ vận hành như thế nào?

Những chiếc máy phát điện không đồng bộ có nguyên lý vận hành không giống những máy phát điện thông thường. Cụ thể như sau:

Nối dây quấn của stato (phần tĩnh) với lưới điện, sử dụng động cơ sơ cấp để kéo roto (phần tĩnh) quay với tốc độ n (n > n1 và cùng chiều với n1). Lúc này, chiều của từ trường quét qua những thanh dẫn của roto sẽ quay theo chiều ngược lại. Suất điện động cũng như dòng điện roto sẽ ngược chiều với chiều của động cơ. Chiều của điện từ đặt trên roto ngược hướng với chiều quay roto. Cùng lúc, mômen hãm được sinh ra giúp cân bằng với mômen quay của động cơ sơ cấp. Lúc này, máy điện không đồng bộ làm việc ổn định hơn ở chế độ một máy phát.

Sơ đồ vận hành của máy phát điện không đồng bộ

Nhờ từ trường quay của nguồn điện, cơ năng của động cơ sơ cấp tại roto được chuyển đổi thành điện năng tại bộ phận stato. Để tạo từ trường quay, lưới điện phải cấp cho máy một mức công suất phản kháng nhằm cản lại những lực tác động khác.

Trong trường hợp không có dòng điện vào dây quấn stato, người ta phải tiến hành việc kích từ cho máy. Đây chính là hạn chế lớn nhất của loại máy phát điện không đồng bộ này. Do đó mà nó ít được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp.

Máy phát điện không đồng bộ được ứng dụng ở đâu?

Máy phát điện không đồng bộ hiện nay rất ít được sử dụng trong đời sống hàng ngày cũng như nhiều ngành công nghiệp. Nguyên nhân là do đặc tính cũng như hiệu quả làm việc của máy. Tuy nhiên với vai trò động cơ không đồng bộ thì thiết bị lại được sử dụng khá phổ biến. Những model này được ứng dụng nhiều nhất trong các tua bin gió. Phần lớn các tua bin gió trên khắp thế giới đều sử dụng máy phát điện không đồn bộ. Ngoài ra, các tổ máy thủy điện nhỏ cũng ứng dụng dòng máy phát này.

Điểm khác nhau của máy phát điện không đồng bộ với những máy phát điện khác

Máy phát điện đồng bộ được gọi là “đồng bộ” vì dạng sóng của điện áp được tạo ra đồng bộ với chuyển động quay của máy phát. Mỗi đỉnh của dạng sóng hình sin tương ứng với một vị trí vật lý của roto. Tần số được xác định chính xác theo công thức f = RPM x p/120 trong đó f là tần số (Hz), RPM là tốc độ rôto (số vòng quay trên phút) và p là số cực được tạo thành bởi các cuộn dây stato. Máy phát điện đồng bộ về bản chất là máy phát điện, giống như động cơ đồng bộ. Từ trường của roto được cung cấp bởi dòng điện một chiều hoặc nam châm vĩnh cửu.

Trong khi đó, tần số đầu ra của máy phát điện không đồng bộ thấp hơn một chút (thường khoảng 2 hoặc 3%) so với tần số được tính từ f = RPM x p/120. Nếu RPM được giữ không đổi, tần số thay đổi tùy thuộc vào mức công suất. Các đỉnh của dạng sóng không có mối quan hệ cố định với vị trí roto. Máy phát điện không đồng bộ, về cơ bản cũng giống như động cơ cảm ứng. Từ trường của roto do stato cung cấp thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ.

Tần số đầu ra của máy phát điện đồng bộ có thể được điều chỉnh dễ dàng hơn để duy trì ở một giá trị không đổi. Máy phát điện đồng bộ (ít nhất là loại lớn) hiệu quả hơn máy phát điện không đồng bộ. Máy phát điện đồng bộ có thể dễ dàng đáp ứng các biến đổi của hệ số công suất tải hơn. Máy phát điện đồng bộ có thể được khởi động bằng cách cung cấp kích từ trường roto từ pin. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu không yêu cầu kích thích từ trường roto.

Tuy nhiên, việc chế tạo máy phát điện không đồng bộ ít phức tạp hơn so với việc chế tạo máy phát điện đồng bộ. Máy phát điện không đồng bộ không yêu cầu chổi than. Do đó, không cần bảo dưỡng chổi than. Máy phát điện không đồng bộ yêu cầu bộ điều khiển điện tử tương đối phức tạp. Chúng thường không được khởi động nếu không có kết nối được cung cấp năng lượng với lưới điện, trừ khi chúng được thiết kế để hoạt động với hệ thống lưu trữ năng lượng của pin. Với máy phát điện không đồng bộ và bộ điều khiển điện tử, tốc độ của máy phát điện có thể được phép thay đổi theo tốc độ gió. Chi phí và hiệu suất của một hệ thống như vậy thường hấp dẫn hơn so với các hệ thống thay thế sử dụng máy phát điện đồng bộ.

Trên đây là tổng hợp một số thông tin về máy phát điện không đồng bộ. Hy vọng những chia sẻ trên có thể giúp bạn hiểu phần nào về dòng máy phát đặc biệt này. Nếu bạn có thắc mắc hay cần mua máy phát điện gia đình, máy phát điện công nghiệp thì hãy liên hệ tới hotline: 0964 593 282 để được nhân viên Yên Phát tư vấn và hỗ trợ nhanh nhất.