Miêu tả nguyên lý hoạt động của máy phát thanh

Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rotor (n) bằng với tốc độ của từ trường quay (n1).

Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay không đổi khi tải thay đổi.

Máy điện đồng bộ được sử dụng trong các tải lớn và phát ra công suất phản kháng hoặc máy bù đồng bộ nhằm nâng cao hệ số công suất.

Hình 1. Máy phát điện đồng bộ

2. Phân loại

2.1. Phân loại theo kết cấu cực từ

• Cực từ lồi: n < 1500rpm, 2p ≥ 4.
• Cực từ ẩn: n > 1500rpm, 2p = 2.

Hình 2. Rotor cực từ lồi

Hình 3. Rotor cực từ ẩn

2.2. Phân loại theo chức năng

• Máy phát.
• Động cơ (P ≥ 200kW).
• Máy bù.

3. Cấu tạo

Máy điện đồng bộ có cấu tạo gồm ba bộ phận chính: stator, rotor và bộ kích từ.

Hình 4. Cấu tạo máy điện đồng bộ

3.1. Stator (phần ứng)

Cấu tạo gồm 2 phần: lõi thép và dây quấn.

•  Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục và được ép vào trong vỏ máy.

• Dây quấn stato làm bằng dây dẫn được bọc cách điện (đồng, nhôm), được đặt trong các rãnh của lõi thép.

Phần stato của máy điện đồng bộ có cách quấn tương tự với máy điện  không đồng bộ.

3.2. Rotor (phần cảm)

Rotor của máy điện đồng bộ bao gồm lõi thép cực từ và dây quấn kích từ.

Dây quấn kích từ được nối với nguồn điện một chiều nhằm tạo ra từ trường cố định trên các cực từ.

Rotor máy điện đồng bộ có hai kiểu là rotor cực lồi và rotor cực ẩn.

Hình 6. Dây quấn phần ứng rotor và sức điện động trong mạch phần ứng

3.2.1. Rotor cực lồi

Dạng của mặt cực được thiết kế sao cho khe không khí không đều, mục đích để từ cảm trong khe không khí có phân bố hình sin và do đó sức điện động cũng có hình sin.

Dây quấn kích từ được quấn quanh thân cực từ, hai đầu của nó được nối với hai vành trượt, qua hai chổi than tới nguồn điện 1 chiều.

Dùng cho máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực.

Đường kính: D có thể lớn hơn 15m.

Chiều dài: l/D = 0.15 ∼ 0.2m.

Hình 7. Rotor cực từ lồi

3.2.2. Rotor cực ẩn

Khe không khí đều, lõi thép là một khối thép hình trụ.

Mặt ngoài phay thành rãnh để đặt dây quấn kích từ, phần không phay tạo thành mặt cực từ.

Rotor cực ẩn có độ bền cơ khí cao, dây quấn kích từ vững chắc. Vì vậy thường được sử dụng ở những máy điện đồng bộ có tốc độ từ 1500rpm trở lên, công suất lớn (1000 – 1500 MVA).

Hai đầu của dây quấn kích từ được nối với hai vành trượt đặt ở hai đầu trục thông qua hai chổi than để nối với dòng kích từ 1 chiều.

Đường kính: D ≤ 1.1 ∼ 1.5m.

Chiều dài: l/D  ≤  6.5m.

Hình 8. Rotor cực từ ẩn

3.3. Bộ kích từ (nguồn kích từ)

Hệ thống kích từ phải đảm bảo yêu cầu:

• Điều chỉnh được dòng kích từ.
• Cưỡng bức dòng kích từ tăng nhanh.
• Triệt từ trường kích thích khi có sự cố.

Dòng điện kích từ có thể lấy từ:

• Máy phát điện một chiều (xoay chiều).
• Bộ chỉnh lưu.

3.3.1. Bộ kích từ dùng máy phát điện

Máy kích từ được gắn ở đầu trục có công suất từ 0.2 ~ 3% công suất của máy điện đồng bộ.

Máy kích từ có thể là loại tự kích hoặc cần thêm một máy kích từ khởi tạo kiểu nam châm vĩnh cửu hoặc tự kích để kích hoạt.

Hình 9. Máy kích từ tự kích

Hình 10. Máy kích từ dùng bộ kích từ khởi tạo

Đối với bộ kích từ dùng máy phát điện một chiều, cần phải lắp thêm bộ chổi than và vành trượt để truyền tải điện năng từ máy phát đến dây quấn kích từ.

Hình 11. Bộ kích từ dùng máy phát 1 chiều

Bộ kích từ dùng máy phát điện xoay chiều cần có bộ chỉnh lưu để biến đổi điện xoay chiều thành một chiều.

Máy phát điện xoay chiều được dùng chủ yếu có phần cảm tĩnh và phần ứng quay.

Hình 12. Bộ kích từ dùng máy phát xoay chiều

3.3.2. Bộ kích từ dùng chỉnh lưu

Một phần điện áp 3 pha của máy phát đồng bộ được trích ra đưa qua bộ chỉnh lưu, chỉnh lưu thành dòng điện một chiều cung cấp cho dây quấn kích từ.

Một số ít các máy điện công suất nhỏ thì phần quay lại đóng vai trò phần ứng, phần tĩnh đóng vai trò phần cảm.

4. Nguyên lý hoạt động

4.1. Chế độ máy phát điện

Khi động cơ kéo làm quay máy phát đồng bộ, máy phát điện một chiều trên trục động cơ cũng quay theo tới tốc độ định mức (n). Lúc này, máy phát kích thích thành lập được điện áp và cung cấp dòng điện một chiều vào dây quấn phần cảm của máy điện đồng bộ, phần cảm trở thành nam châm điện.

Hình 14. Cấu trúc cơ bản máy phát đồng bộ

4.2. Chế độ động cơ

Máy điện đồng bộ không thể tự khởi động. Để làm cho động cơ đồng bộ tự khởi động người ta lắp thêm một lồng sóc trên mặt cực từ rotor.

Khi khởi động, dây quấn kích từ sẽ không được cấp điện. Rotor bắt đầu chuyển động nhờ vào sự tác động của lực điện trường lên các thanh dẫn của lồng sóc.

Hình 15. Từ trường sinh ra trong động cơ đồng bộ 

Khi rotor đạt được tốc độ lớn nhất, dây quấn kích từ được cấp điện. Lúc này, các cực tính của rotor là cố định nên động cơ sẽ quay với tốc độ đồng bộ.

Chuyển động tương đối giữa lồng sóc và từ trường quay là bằng 0. Cho nên, không có dòng điện và lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn. Do đó, không ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ đồng bộ.