Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng của máy phát điện xoay chiều

Máy phát điện xoay chiều đã và đang được sử dụng phổ biến trong rất nhiều công việc khác nhau. Tuy nhiên, bạn có biết khái niệm, cấu tạo máy phát điện xoay chiều như thế nào cũng như ứng dụng của thiết bị này ra sao.

Hầu hết nguồn điện chúng ta dùng hằng ngày trong sinh hoạt và trong sản xuất công nghiệp đều được tạo ra từ các máy phát điện xoay chiều như: Máy phát điện dùng động cơ xăng, dầu, nhà máy điện gió, thủy điện, nhiệt điện…

1. Định nghĩa máy phát điện xoay chiều

Máy phát điện xoay chiều là thiết bị tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Nói cách khác, máy phát điện xoay chiều là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng.

Cơ năng ở đây được cung cấp bởi các động cơ để dẫn động làm quay máy phát và tạo ra dòng điện xoay chiều. Động cơ dẫn động máy phát điện thường gặp: Tuabin gió – điện gió, tuabin khí – nhiệt điện, tuabin nước – thủy điện, động cơ xăng, động cơ dầu diesel…

>>>>>Xem thêm: Máy phát điện Denyo

2. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo

2.1. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện xoay chiều

Nguyên lý làm việc của máy phát điện xoay chiều khá đơn giản, nó hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ được tìm ra bởi nhà bác học Faraday.

Để hiểu rõ hơn về nguyên lý làm việc của máy phát điện xoay chiều, chúng ta cùng xem lại hiện tượng cảm ứng điện từ.

Hiện tượng cảm ứng điện từ (theo Wikipedia)

Là hiện tượng suất điện động (điện áp) được hình thành trên một vật dẫn khi vật dẫn đó được đặt trong một từ trường biến thiên.

Năm 1831, Michael Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện.

Thực vậy, khi cho từ thông chạy qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Dòng điện đó được gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Thí nghiệm của Faraday

Để dễ hình dung hơn chúng ta cùng xem thí nghiệm sau đây của Faraday: Lấy một cuộn dây và mắc nối tiếp nó với một điện kế (G) thành một mạch kín (hình a). Phía trên ống dây đặt một thanh nam châm 2 cực Bắc – Nam.
– Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại (hình b).

– Thanh nam châm di chuyển càng nhanh càng tạo ra dòng điện cảm ứng (Ic) càng lớn. Khi thanh nam châm đứng yên (so với ống dây), dòng điện cảm ứng sẽ bằng không.

– Nếu thay nam châm bằng một ống dây có dòng điện (còn gọi là nam châm điện) chạy qua, rồi tiến hành các thí nghiệm như trên, ta cũng có những kết quả tương tự.

>>>>Tham khảo thêm: máy phát điện Mitsubishi

2.2. Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều

Hình dưới là mô hình máy phát điện đơn giản nhất. Cấu tạo chung của máy phát điện xoay chiều cơ bản gồm 2 phần chính: Phần cảm và phần ứng.

Phần cảm: Có chức năng tạo ra từ trường chính là nam châm (thường là nam châm điện).

Phần ứng: Là phần tạo ra dòng điện – cuộn dây.

Trong hai phần này, bắt buộc phải có một phần đứng yên và một phần quay. Phần đứng yên gọi là Stato, phần còn lại là Rôto.

3. Máy phát điện xoay chiều 1 pha và 3 pha

Dựa vào nguyên lý hoạt động ở trên người ta chế tạo ra 2 loại máy phát điện xoay chiều: Máy 1 pha (thường là công suất nhỏ, dưới 30 kVA) dùng trong sinh hoạt và máy phát 3 pha với công suất lớn dùng trong công nghiệp.

3.1. Máy phát điện xoay chiều 1 pha

Máy phát điện xoay chiều 1 pha là thiết bị tạo ra dòng điện xoay chiều 1 pha. Máy 1 pha thường gặp là các dòng máy phát điện chạy bằng động cơ xăng dùng trong các hộ gia đình.

Máy phát điện xoay chiều 1 pha có hai cách hoạt động.

– Rôto là phần cảm (nam châm quay) – tạo ra từ trường.

– Stato là phần ứng (cuộn dây đứng yên) – tạo ra dòng điện.

Ở sơ đồ này, điện được tạo ra trên stato – cuộn dây tĩnh, do vậy việc đấu dây dẫn điện ra ngoài đơn giản và thuận tiện.

Sơ đồ 2:

– Stato là phần cảm (nam châm đứng yên) – tạo ra từ trường.

– Rôto là phần ứng (cuộn dây quay) – tạo ra dòng điện.

Ở sơ đồ 2, lấy điện ra phức tạp hơn cách 1. Vì điện được ra ra trên Rôto – cuộn dây quay, do vậy việc lấy điện ra cần dùng bộ góp – gồm 2 vành khuyên, và 2 chổi quét luôn tì lên 2 vành khuyên.

Ngoài ra, chổi quét tì lên vành khuyên lâu ngày sẽ bị mòn và tạo ra tia lửa điện gây tổn thất. Chính vì vậy, cách 2 chỉ dùng trong máy phát điện công suất nhỏ.

>>>>xem thêm: máy phát điện Cummins

3.2. Máy phát điện xoay chiều 3 pha

Máy phát điện xoay chiều 3 pha là thiết bị tạo ra dòng điện xoay chiều 3 pha. Máy 3 pha thường gặp là các dòng máy phát điện chạy bằng động cơ dầu diesel hay còn gọi là máy phát điện công nghiệp.

Cấu tạo của của máy phát điện xoay chiều 3 pha bắt buộc theo cách sau:

– Stato (đứng yên) là phần ứng gồm 3 cuộn dây giống hệt nhau, đặt lệch nhau 120 (độ) trên một vành tròn để tạo ra dòng điện xoay chiều 3 pha.

– Rôto (phần quay) là một nam châm điện để tạo ra từ trường.
Dòng điện xoay chiều 3 pha gồm 3 dòng điện xoay chiều 1 pha được tạo ra từ 3 suất điện động cùng biên độ, cùng tần số và lệch pha nhau từng cặp với góc 120 độ.

Do vậy, dòng điện xay chiều 3 pha sinh ra từ trường quay, dùng để khởi động các động cơ điện (motor) 3 pha – được sử dụng trong các nhà máy, xí nghiệp… Đây cũng là ưu thế tuyệt đối của máy phát điện 3 pha so với máy phát điện 1 pha.

>>>>Đọc thêm: Máy phát điện Doosan

4. Ứng dụng của máy phát điện xoay chiều trong thực tế

Nếu các tổ máy phát điện sử dụng động cơ đốt trong (xăng, dầu diesel) là các thiết bị sản xuất điện phục vụ tại chỗ. Thì các nhà máy điện như: Thủy điện, nhiệt điện, điện gió… lại sản xuất ra điện để hòa lên lưới điện Quốc gia phục vụ cả nước.

4.1. Máy phát điện xoay chiều sử dụng động cơ xăng

Động cơ đốt cháy nhiên liệu (xăng) trong buồng đốt để tạo ra moment quay dẫn động máy phát điện để sản sinh ra dòng điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha.

(Máy phát điện sử dụng động cơ xăng)

Máy phát điện chạy xăng thường có công suất nhỏ dưới 15 kVA. Máy xăng hầu hết là các dòng máy 1 pha thường được sử dụng trong các gia đình với mục đích dự phòng khi mất điện lưới.

4.2. Máy phát điện xoay chiều chạy dầu diesel

Hay còn gọi là máy phát điện công nghiệp. Động cơ đốt cháy dầu diesel trong buồng đốt để tạo ra moment quay dẫn động máy phát điện để sản sinh ra dòng điện xoay.

(Máy phát điện sử dụng động dầu diesel công suất lớn)

Máy phát điện chạy dầu có dải công suất lớn từ 6-4.000 kVA, gồm cả dòng máy 1 pha và 3 pha. Máy phát điện chạy dầu phổ biến là các dòng máy 3 pha sử dụng trong công nghiệp để dự phòng hoặc thay thế cho điện lưới.

>>>>>Đọc thêm: máy phát điện Mitsubishi

4.3. Nhà máy điện gió

Điều tuyệt vời nhất của điện gió đó là tận dụng nguồn năng lượng xanh không gây ô nhiễm môi trường.

(Các tuabin của nhà máy điện gió trên biển)

Nhà máy điện sản xuất ra điện theo một nguyên lý rất đơn giản. Năng lượng của gió (tự nhiên) làm quay các cánh quạt quanh 1 Rôto. Rôto được nối với trục chính để truyền động moment quay sang máy phát để tạo ra dòng điện.

Điện được sản xuất từ điện gió sẽ được hòa lên mạng lưới điện Quốc gia để truyền tải đi cả nước.

Theo Bộ Công thương công bố năm 2021, điện gió chiếm chưa tới 10% tổng sản lượng điện Quốc gia.

4.4. Nhà máy nhiệt điện

Nhà máy nhiệt điện là một nhà máy sản xuất điện. Nhiên liệu được đốt cháy để làm nóng nước. Nước nóng chuyển thành hơi và làm quay tua bin hơi nước để dẫn động máy phát điện sản sinh ra dòng điện xoay chiều và hòa lên lưới điện Quốc gia.

(Nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch 1, Quảng Bình)

Các nhà máy nhiệt điện chủ yếu vẫn là nhiệt điện than. Nhiệt điện than đóng vai trò chủ đạo trong hệ thống điện Quốc gia.

Theo Bộ công thương công bố năm 2021, nhiệt điện than chiếm 48.1% tổng sản lượng điện Quốc gia.

4.5. Nhà máy thủy điện

Nhà máy thủy điện sản xuất ra điện từ năng lượng nước. Năng lượng thủy điện có được nhờ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay tuabin nước dẫn động máy phát sản sinh ra điện.

(Lắp đặt Rôto nặng hơn 1.000 tấn tại nhà máy thủy điện Lai Châu)

Theo Bộ Công thương, năm 2021, thủy điện chiếm 28.4% tổng sản lượng toàn bộ hệ thống điện Quốc gia. Những nhà máy thủy điện lớn nhất nước ta hiện nay gồm: Thủy điện Sơn La (2400 MW), Thủy điện Lai Châu (1200 MW) và Thủy điện Huội Quảng (560 MW).