Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các động cơ tua bin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc các nguồn cơ năng khác.
Máy phát điện giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện. Nó thực hiện ba chức năng: phát điện, chỉnh lưu, hiệu chỉnh điện áp.
Lịch sử phát triển
Máy phát điện, máy phát điện dân dụng, máy phát điện công nghiệp
Máy phát điện xoay chiều vào đầu thập kỉ 20, chế tạo tại Budapest, Hungary, trong buồng phát của một trạm thủy điện Trước khi từ tính và điện năng được khám phá, các máy phát điện đã sử dụng nguyên lý tĩnh điện.
Máy phát điện Wimshurst đã sử dụng cảm ứng tĩnh điện.
ban may phat dienMáy phát Van de Graaff đã sử dụng một trong hai cơ cấu sau:
* Điện tích truyền từ điện cực có điện áp cao
* Điện tích tạo ra bởi sự ma sát
ban may phat dienmáy phát điện tĩnh điện được sử dụng trong các thí nghiệm khoa học yêu cầu điện áp cao. Vì sự khó khăn trong việc tạo cách điện cho các máy phát tạo điện áp cao, cho nên máy phát điện tĩnh điện được chế tạo với công suất thấp và không bao giờ được sử dụng cho mục đích phát điện thương mại.
ban may phat dien
Faraday
nhìn từ phía bên cạnh, cho thấy động cơ xăng Vào năm 1831-1832 Michael Faraday đã phát hiện ra rằng một chênh lệch điện thế được tạo ra giữa hai đầu một vật dẫn điện mà nó chuyển động vuông góc với một từ trường. Ông ta cũng đã chế tạo máy phát điện từ đầu tiên được gọi là “đĩa Faraday”, nó dùng một đĩa bằng đồng quay giữa các cực của một nam châm hình móng ngựa. Nó đã tạo ra một điện áp DC nhỏ và dòng điện lớn.
ban may phat dien
Mạch tương đương
Mạch tương đương của máy phát điện và tải.
G = Máy phát
VG=Điện thế hở mạch của máy phát
RG=Nội trở của máy phát
VL=Điện thế mang tải của máy phát
RL=điện trở tải Mạch tương đương của máy phát điện và tải được hiển thị trên hình bên phải.
ban may phat dienĐể có thể xác định được những thông số VG và RG của máy phát, vần thực hiện theo những bước dưới đây:
* Trước khi khởi động máy phát điện, đo điện trở giữa các đầu cực của nó bằng một ôm kế (ohmmeter). Đây là điện trở nội một chiều của máy RGDC.
* Khởi động máy phát. Trước khi nối máy phát vào tải RL, đo điện thế giữa các đầu cực máy phát. Ta có được điện thế hở mạch VG.
* Nối máy phát với tải như hình vẽ Đo điện áp trên các đầu cực của máy phát khi máy đang chạy. Đây là điện thế mang tải của máy VL.
* Đo điện trở tải RL, nếu bạn chưa biết.
* Tính toán tổng trở nội xoay chiều của máy phát RGAC theo công thức sau: R_{GAC} = {R_L} left( {{{V_G}over{V_L}}-1} right)
Lưu ý 1: Tổng trở nội xoay chiều của máy phát điện khi đang chạy thường hoi cao hơn tổng trở nội một chiều của nó khi tĩnh. Nguyên lý trên cho phép bạn đo được cả hai giá trị. Khi tính toán thô, người ta có thể bỏ qua bước đo RGAC và giả định rằng RGAC và RGDC bằng nhau.
Lưu ý 2: Nếu máy phát là máy phát điện xoay chiều thì phải dùng vôn kế xoay chiều để đo.
Công suất tối đa
Máy phát điện luôn có một tổng trở nội Z = R + jX do cấu tạo của nó. Do đó khi máy phát cung cấp dòng điện cho tải, nó đồng thời cấp dòng cho nội trở và tiêu tán một phần công suất. Nguyên lý truyền công suất cực đại qua mạng một cửa nêu lên rằng: tải nhận được công suất cực đại khi tổng trở tải bằng chính nội trở nguồn. Tuy nhiên lúc đó hiệu suất của máy phát chỉ đạt 50%. Điều đó có nghĩa là một nửa công suất phát ra đã bị thất thoát thành nhiệt năng bên trong máy phát. Vì thế, những máy phát thực thụ thường không được thiết kế để vận hành ở công suất tối đa, mà ở mức công suất thấp hơn nhiều, thuộc khu vực có hiệu suất cao hơn.
Công suất định mức
Công suất định mức là công suất mà máy phát điện có thể phát ra an toàn liên tục mà không gây xáo trộn trong máy.
Thông thường công suất định mức của một máy phát điện phụ thuộc vào các yếu tố sau:
* Tổng trở trong của phần dẫn điện
* Lượng nhiệt năng sinh ra khi có dòng điện đi qua phần dẫn điện
* Nhiệt độ làm việc an toàn liên tục của phần cách điện
* Chế độ làm mát của phần dẫn điện Công suất khả dụng Công suất khả dụng là công suất tối đa mà máy phát điện có thể phát được an toàn liên tục mà không vi phạm các thông số kỹ thuật khác. Thông thường, công suất định mức được tính toán ở các điều kiện tiêu chuẩn. Trong thực tế, các điều kiện vận hành của thiết bị có thể không đúng với điều kiện tiêu chuẩn. Vì thế công suất khả dụng thường thấp hơn công suất định mức.
Các điều kiện ảnh hưởng đến công suất khả dụng của máy là:
* Nhiệt độ môi trường
* Sự thay đổi chế độ làm mát của máy phát
* Sự lão hóa của chất cách điện, làm cho nhiệt độ chịu đựng của máy phải giảm xuống
* Những giới hạn của động cơ sơ cấp kéo nó
* Những giới hạn của các thiết bị lắp phía sau nó: máy cắt, máy biến áp, đường dây…
Máy phát điện công suất thấp
Những chiếc xe có gắn động cơ đầu tiên có khuynh hướng lắp đặt các máy phát điện một chiều với bộ điều hòa điện thế bằng cơ khí. Kiểu này không được tin cậy hoàn toàn, và hiệu suất thấp, nên sau này đã được thay thế bằng các máy phát điện xoay chiều với những mạch chỉnh lưu lắp trong. Công suất của hệ thống điện này trên xe sẽ nạp lại cho các bình ắc quy sau khi khởi động. Ngõ ra định mức của nó thường trong khoảng 50-100 A ở điện thế 12 V, tùy thuộc vào thiết kế tải phần điện bên trong xe. Một số xe hiện nay có hệ thống trợ động dùng điện, và hệ thống điều hòa nhiệt độ cũng bằng điện. Những thiết bị này này làm tăng tải của hệ thống điện. Các xe tải nặng hơn sẽ sử dụng nguồn 24 voltđộng cơ diesel lớn, mà không cần những sợi cáp điện lớn hơn, vốn ít tin cậy hơn. Các máy phát điện của xe thường không sử dụng nam châm vĩnh cửu; chúng có thể đạt được hiệu suất đến 90% ở trong một dải tốc độ rất rộng bằng cách điều khiển điện áp kích từ. Các máy phát dùng trong xe hai bánh lại sử dụng nam châm vĩnh cửu. Phần cảm của nó là các nam châm đất hiếm, vì thế có thể chế tạo nhỏ và nhẹ hơn các loại khác. để có đầy đủ lực cho động cơ khởi động để có thể quay được các Một số Máy phát điện nhỏ nhất có thể thấy là các máy phát điện cho đèn xe đạp. Các máy này thường là các máy phát nam châm vĩnh cửu, 0,5 A, cung cấp một công suất 3 đến 6 w ở điện thế 6 đến 12 V. Để có thể quay được bằng sức nguòi đạp, vấn đề hiệu suất phải đặt ra hàng đầu, và phải được thiết kế và chế tạo rất tinh xảo, với những nam châm vĩnh cửu đất hiếm. Tuy nhiên, hiệu suất của nó chỉ có thể đạt được đến 60% với những máy phát tốt nhất, và 40% với loại thông thường, do phải ử dụng nam châm vĩnh cửu. Nhưng nếu muốn dùng máy phát điều chỉnh được kích từ, lại phải dùng bình ắc quy. Điều này không thể chấp nhận được, vì nó làm tăng trọng lượng và kích thước.
Những thuyền buồm thường sử dụng các máy phát kéo bằng sức nước hoặc sức gió, để nạp điện từ từ cho các bình ắc quy. Những chiếc chân vịt, các tua bin gió hoặc các bánh xe công tác sẽ được kết nối với các máy phát công suất thấp và bộ chỉnh lưu để có dòng điện đến 12 A ở tốc độ nhỏ nhất.
Máy phát điện – động cơ nổ
Máy phát điện- động cơ của một trạm thu phát vô tuyến. (nhà bảo tàng quân sự Dubendorf). Máy phát chỉ phát điện khi cần phát tín hiệu vô tuyến. Còn phía máy thu thì dùng nguồn ắc quy
Máy phát điện quay tay của trạm thu phát vô tuyến (nhà bảo tàng quân sự Dubendorf) Một Máy phát điện – động cơ nổ là tổ hợp một Máy phát điện và một động cơ nổ kéo nó thành một khối thiết bị. Tổ hợp này có khi được gọi là bộ máy phát điện – động cơ (engine-generator set) hoặc bộ máy phát (gen-set). Trong nhiều ngữ cảnh khác nhau, người ta có thể quên đi cái động cơ nổ, mà chỉ gọi đơn thuần cả tổ hợp là máy phát điện (generator).
Đi kèm với máy phát điện và động cơ nổ, các bộ máy phát điện – động cơ nổ thường có kèm theo một bồn chứa nhiên liệu, một bộ điều tốc cho động cơ nổ và một bộ điều thế cho máy phát điện. Nhiều khối máy còn kèm theo bình ắc quy và bộ động cơ điện khởi động. Những tổ máy dùng làm máy phát dự phòng thường bao gồm cả hệ thống tự động khởi động và một bộ chuyển mạch đảo nguồn transfer switch để tách tải ra khỏi nguồn điện dịch vụ và nối vào máy phát.
Các bộ máy phát điện – động cơ nổ cung cấp công suất điện xoay chiều sao cho nó có thể được sử dụng thay thế nguồn điện lưới thường phải mua từ các trạm phân phối của công ty điện lực. Các thông số diện áp (volt), tần số (Hz) và công suất (watt) định mức của máy phát được lựa chọn sao cho phù hợp với tải cần nối vào máy phát. Có cả hai loại máy một pha và ba pha. Rất ít loại máy ba pha là máy xách tay di động. Thường máy xách tay người ta chỉ làm máy một pha và hầu hết các máy ba pha là loại máy lớn dùng trong công nghiệp.
Các bộ Máy phát điện – động cơ nổ thường được chế tao trong một dải công suất khá rộng. Nó có thể bao gồm từ các máy di động quay tay có thể cấp điện cỡ vài trăm watt, loại xách tay như hình vẽ trên, có thể cấp điện cỡ vài nghìn watt và loại tĩnh hoặc loại đặt trên rơ moóc có thể cấp điện đến vài triệu watt. Các máy nhỏ thường dùng nhiên liệu là xăng, và các máy lớn hơn sử dụng nhiều nguyên liệu khác nhau, từ dầu diesel, khí tự nhiên hay khí propane.
Khi sử dụng Máy phát điện – động cơ nổ, bạn có thể phải quan tâm đến chất lượng của dạng sóng ra của nó. Điều này rất quan trong khi sử dụng những thiết bị điện tử nhạy cảm. Một bộ điều hòa điện năng power conditioner có thể lấy những sóng vuông do máy phát điện – động cơ nổ phát ra, và làm cho nó đẹp đẽ lại bằng cách cho nó chạy qua một mạch điện trong đó có phần trung gian là một bình ắc quy. Sử dụng một bộ nghịch lưu cao cấp thay thế máy phát điện có thể tạo ra điện áp có dạng sóng thuần sin hơn. Một vài loại nghịch lưu chạy rất êm, tạo ra điện áp sin rất sạch sẽ, phù hợp với máy tính điện tử và các thiết bị điện tử nhạy cảm. Tuy nhiên một số bộ nghịch lưu rẻ tiền không phát ra được điện áp sin hoàn hảo, và có thể làm hư hỏng một số thiết bị điện tử.
Các Máy phát điện động cơ nổ thường được sử dụng để cung cấp điện cho các vùng mà nguồn điện lưới không kéo đến được, và trong những tình huống phải cấp điện ngắn hạn tạm thời. Các máy phát nhỏ đôi khi có thể dùng để cấp điện cho các dụng cụ tại các công trường xây dựng. Các máy phát điện loại rơ moóc có thể dùng cấp điện cho chiếu sáng, và các trò chơi giải trí trong các hội chợ di động.
Các Máy phát điện dự phòng thường được lắp đặt cố định và luôn sẵn sàng hoạt động để cấp điện cho những tải quan trọng khi nguồn điện lưới bị gián đoạn. Bệnh viện, các cơ sở thông tin liên lạc, các trạm bơm và rất nhiều các dịch vụ quan trọng đều được lắp đặt máy phát điện dự phòng.
Các Máy phát điện cỡ nhỏ hoặc cỡ trung đặc biệt phổ biến ở các nước trong thế giới thứ ba, nơi nguồn điện lưới không tin cậy. Các máy phát điện đặt trên rơ moóc có thể được kéo đến những vị trí thiên tai khi nguồn điện lưới bị gián đoạn.
Máy phát điện cũng có thể được vận hành bằng sức người để tạo ra nguồn điện tức thời trong lĩnh vực thông tin liên lạc.
Máy phát điện – động cơ nổ công suất trung bình
Tập tin:Big boy.jpg
Side view of a large Perkins
diesel generator, manufactured by F&G
Wilson Engineering Ltd.
This is a 100 kVA set
Máy phát điện – động cơ nổ công suất trung bình như hình vẽ dưới đây là một bộ máy có công suất 100 kVA cấp điện áp 415 V với dòng điện khoảng 110 A per phase. Nó được kéo bằng một máy Perkins Phaser, sê ri 1000 dung tích xy lanh 6,7l có hệ thống nạp gió kiểu turbo. Máy này tiêu thụ khoảng 27l nhiên liệu mỗi giờ, có bồn chứa 400 l. Các máy phát điện tĩnh có thể được thiết kế đến hàng nghìn kW và thường quay ở tốc độ 1500 vòng/phút với tần số 50 Hz, và 1800 vòng/phút với tần số 60 Hz. Các bộ máy sử dụng động cơ diesel ở công suất tối ưu có thể phát được khoảng 3 kWh với mỗi kG nhiên liệu, và có thể có hiệu suất thấp hơn khi làm việc ở các tải khác.
Máy phát điện tua bin nước
Thông thường, các tua bin nước có tốc độ thấp. Vì thế các máy phát điện kéo bằng tua bin nước cũng có tốc độ rất thấp. Các máy này thường có nhiều đôi cực, trục ngắn, đường kính lớn, chế tạo theo kiểu cực lồi. Tùy theo thể loại, và tùy theo tốc độ của tua bin nước, các máy này có thể được đặt đứng hay nằm ngang.
Đối với những máy phát điện nhỏ, có đường kính ngoài nhỏ hơn 1 m, mạch từ của stator chỉ là một khối hình xuyến làm bằng các lớp lá thép kỹ thuật điện có sơn cách điện ghép lại. Đối với các máy có đường kính lớn hơn 1 m, thường phải làm từ nhiều khối dạng vòng cung.
Rotor của máy phát điện thường làm bằng nhiều khối thép rèn ghép lại với nhau thành nhiều cực từ. Trên mỗi cực từ có các cuộn dây kích thích quấn tập trung.
Máy phát điện tua bin hơi và tua bin khí
Máy phát điện kéo bằng Tua bin hơi nước
Các tua bin hơi và tua bin khí có tốc độ cao hơn tua bin nước. Các máy phát điện tua bin hơi hoặc tua bin khí thường được chế tạo với tốc độ cao nhất (3000 vòng/phút đối với máy có tần số 50 Hz, và 3600 vòng/ phút đối với máy 60 Hz). Hầu hết các máy phát điện tua bin hơi và máy phát điện tua bin khí là loại trục nằm ngang, chế tạo theo kiểu cực ẩn. Loại này có rotor dài hơn nhiều so với đường kính.
Stator của máy cũng giống như máy phát cực lồi. Thông thường với đa số các máy có đường kính lớn hơn 1 m, lõi thép stator được chế tạo thành nhiều cung, bằng thép silicon cao cấp, có tính định hướng, phủ chất cách điện để giảm thiểu tổn thất điện năng. Người ta thường không ghép thành một khối như các máy điện cỡ nhỏ, mà làm thành nhiều lớp, có khe hở ở giữa để thông gió làm mát.
Các đầu dây Stator của một máy phát điện sau khi tháo nắp máy phát Cuộn dây stator được làm từ các thanh dẫn đồng xếp nằm trong các rãnh, hai đầu nối lại với nhau thành các vòng dây. Các thanh dẫn thường không phải là thanh đặc nguyên khối, mà được làm từ các dây dẹp quấn bện theo kiểu Roebel, sao cho mỗi thanh nhỏ trong bó đều có một chiều dài bằng nhau, dù có phải uốn lượn theo nhiều hướng khác nhau. Các dây nối ra ngoài và dây nối giữa các pha, các vòng dây với nhau được cố định chắc chắn hai đầu bằng các vật liệu cách điện có độ bền điện và độ bền cơ học cao.
Điện áp ra của stator thường nằm trong khoảng vài kV đến 14,4 kV. Muốn truyền đi xa hơn, người ta thường phải dùng một máy biến áp tăng áp. Để lấy điện đưa xuống sử dụng cho các thiết bị điện phụ vụ cho tổ máy vận hành, người ta dùng một máy biến áp hạ áp, trong trường hợp này gọi là máy biến áp tự dùng.
Rotor của một Máy phát điện tua bin khí sau khi được rút ra ngoài, và chuẩn bị cầu về cơ xưởng Rotor của nó có dạng trụ có xẻ rãnh, quấn nhiều cuộn dây kích từ đồng tâm. Hai đầu chỗ các mối hàn nối các thanh và các cuộn dây với nhau được bảo vệ bằng một vòng thép hình trụ, gọi là vòng hộ hoàn. Các dây dẫn ra ngoài được dẫn xuyên qua dọc theo trục máy để đưa ra phía đầu rotor. Từ đó có thể nối vào các vành nhận điện, để có thể đưa dòng điện từ bên ngoài vào qua các chổi than. Dòng điện đưa vào rotor máy phát điện thường là dòng điện một chiều, gọi là dòng kích thích.
Thông thường, hai đầu của rotor đều có lắp đặt cánh quạt để thổi chất khí đi vào theo các dường dẫn đặt sẵn, để làm mát máy. Chất khí đó có thể là không khí tự nhiên, thông với môi trường bên ngoài, hoặc khí hydrogen, tuần hoàn kín. Trong trường hợp tuần hoàn kín, có thể phải lắp đặt thêm một số bộ trao đổi nhiệt, để làm mát chất khí đó bằng nước.
Các Máy phát điện tua bin hơi và máy phát điện tua bin khí có thể chế tạo từ một vài MW đến 700 MW.
Một số kỹ thuật mới Trong khoảng 40, 50 năm gần đây, có nhiều kỹ thuật mới được sử dụng để chế tạo máy phát điện. Có thể kể như sau:
* Hệ thống kích thích không chổi than, còn gọi là hệ thống kích thích xoay chiều. Thay máy phát kích thích một chiều bằng máy xoay chiều, và sử dụng hệ thống chỉnh lưu quay. Điều này cho phép loại bỏ hệ thống chổi than kềnh càng, không tin cậy.
* Hệ thống kích thích tĩnh. Không dùng máy kích thích cả một chiều lẫn xoay chiều. thay bằng một biến thế kích thích, và hệ thống chỉnh lưu công suất.
