Bách khoa toàn thư về máy phát điện

Bách khoa toàn thư về máy phát điện
Động cơ chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Thông thường, quá trình này được thực hiện bằng tuabin hơi nước, tuabin hoặc động cơ đốt trong. Loại động cơ này cũng được ứng dụng trong các máy phát điện từ tuabin gió cỡ nhỏ hoặc các thiết bị cơ khí khác được truyền động bằng dây đai hoặc bánh răng.
Máy phát điện một chiều được chia thành hai loại chính là máy phát điện và máy phát xoay chiều. Loại thứ hai có thể được chia thành hai loại là máy phát đồng bộ và máy phát không đồng bộ. Các nhà máy điện hiện đại chủ yếu sử dụng máy phát đồng bộ. Loại máy phát này có đặc điểm là sử dụng kích từ dòng điện một chiều, vừa cung cấp công suất hoạt động, vừa có thể cung cấp công suất phản kháng để đáp ứng nhu cầu của nhiều loại tải khác nhau. Do không có cuộn dây từ trường độc lập như máy phát cảm ứng, cùng với cấu trúc đơn giản và vận hành thuận tiện, nhưng không thể cung cấp công suất phản kháng cho tải, đồng thời phải lấy dòng điện từ hóa từ mạng phía sau. Do đó, máy phát cảm ứng phải được vận hành song song với các máy phát đồng bộ khác hoặc sử dụng một số lượng lớn tụ điện. Điều này hạn chế phạm vi ứng dụng của máy phát cảm ứng, chỉ được sử dụng trong một số ít hệ thống thủy điện tự động hóa. Trong các ứng dụng như xe điện thành phố, điện phân và nguồn điện một chiều điện hóa trong công nghiệp, máy phát một chiều đã được sử dụng từ hơn 50 năm trước khi máy phát cảm ứng ra đời vào thế kỷ 20. Tuy nhiên, máy phát điện một chiều có bộ chuyển mạch có cấu trúc phức tạp, tốn thời gian sản xuất, đắt tiền, dễ hỏng hóc và khó bảo trì, nên không hiệu quả bằng máy phát điện xoay chiều. Do đó, kể từ khi xuất hiện bộ chỉnh lưu điều khiển công suất cao – một bộ chỉnh lưu bán dẫn sử dụng điện xoay chiều để tạo ra dòng điện một chiều – xu hướng thay thế máy phát điện một chiều đã dần hình thành.
Máy phát điện đồng bộ được sử dụng với các động cơ chính khác nhau, bao gồm ba loại: máy phát điện tuabin, máy phát điện tuabin và máy phát điện diesel. Điểm chung về cấu tạo của chúng là ngoài một động cơ nam châm vĩnh cửu nhỏ tạo ra từ trường bên ngoài từ trường kích từ thông thường bằng dòng điện một chiều qua cuộn dây và cuộn dây kích từ trên rôto, còn có các cuộn dây stato trên stato. Do điện áp cuộn dây kích từ thấp, công suất nhỏ, nên chỉ có hai đầu ra và dễ dàng dẫn qua vòng trượt; cuộn dây phần ứng có điện áp cao và công suất lớn, là cuộn dây ba pha đa năng, có ba hoặc bốn đầu ra, trên stato tương đối dễ dàng. Phần stator của máy phát điện được chế tạo từ lõi silicon bốn lớp, nhằm giảm tổn thất sắt. Do từ thông đi qua lõi rôto cũng tương tự, nên có thể sử dụng toàn bộ khối làm bằng thép. Trong các động cơ lớn, do rôto chịu lực ly tâm mạnh, vật liệu chế tạo rôto phải là thép chất lượng cao.
Bộ tuabin và máy phát điện tuabin hơi nước. Để đạt được hiệu suất cao, bộ này thường được chế tạo từ tuabin tốc độ cao, thường là 3000 vòng/phút (tần số 50 Hz) hoặc 3600 vòng/phút (tần số 60 Hz). Tại các nhà máy điện hạt nhân, tốc độ tuabin tuy thấp nhưng vẫn đạt 1.500 vòng/phút trở lên. Đối với tổ máy tuabin phát điện tốc độ cao, nhằm giảm lực ly tâm sinh ra do ứng suất cơ học và giảm mài mòn do gió, người ta thường thiết kế đường kính rôto tương đối nhỏ, chiều dài tương đối lớn, tức là sử dụng rôto mỏng. Đặc biệt đối với các tổ máy công suất lớn tốc độ cao từ 3.000 vòng/phút trở lên, do giới hạn về độ bền vật liệu, đường kính rô-to bị hạn chế nghiêm ngặt, thường không vượt quá 1,2 mét. Chiều dài thân rô-to cũng bị giới hạn bởi tốc độ tới hạn. Khi chiều dài thân rotor lớn hơn 6 lần đường kính, tốc độ tới hạn thứ hai của rotor sẽ gần bằng tốc độ vận hành của máy phát, dẫn đến rung động mạnh khi hoạt động. Do đó, kích thước của rôto máy phát điện tuabin tốc độ cao công suất lớn bị hạn chế nghiêm ngặt. Đối với các máy phát điện làm mát bằng không khí có công suất khoảng 100.000 kilowatt, kích thước rôto đã đạt đến giới hạn, và việc tăng công suất động cơ chỉ có thể đạt được bằng cách tăng tải điện từ. Do đó, chúng ta phải tăng cường hệ thống làm mát cho động cơ. Vì vậy, đối với các máy phát tuabin có công suất từ 5 đến 10 triệu kilowatt, công nghệ làm mát bằng hydro hoặc nước là các giải pháp hiệu quả. Kể từ thập niên 1970, công suất tối đa của các hệ thống hơi nước đã đạt mức 130 đến 150 triệu kilowatt. Kể từ năm 1986, nghiên cứu về vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao đã đạt được bước đột phá lớn. Công nghệ siêu dẫn được kỳ vọng sẽ được ứng dụng trong tuabin và tổ máy tuabin-phát điện, từ đó tạo ra một bước nhảy vọt mới trong lịch sử.
Tuabin được truyền động bởi máy phát điện tuabin. Do điều kiện tự nhiên của các nhà máy thủy điện khác nhau, công suất và tốc độ của tổ máy thủy điện có sự chênh lệch lớn. Thông thường, các nhà máy thủy điện nhỏ và các nhà máy thủy điện tác động tốc độ cao sử dụng tuabin có cấu trúc ngang, trong khi các nhà máy thủy điện lớn và trung bình sử dụng máy phát điện đa năng có cấu trúc dọc. Do các nhà máy thủy điện thường nằm xa thành phố ở hầu hết các khu vực, việc tải điện lên đường dây truyền tải thường mất nhiều thời gian hơn; do đó, hệ thống điện thủy điện phải đáp ứng các yêu cầu về độ ổn định cao hơn: các thông số của động cơ cần được lựa chọn cẩn thận; mô-men quán tính của rô-to phải lớn. Do đó, hình dáng của tuabin-máy phát điện thủy điện khác biệt so với các loại khác do đường kính rôto lớn và chiều dài ngắn. Khi khởi động, đơn vị phát điện thủy điện mất ít thời gian hơn để đạt công suất định mức, mang lại tính linh hoạt cao trong điều độ. Ngoài khả năng cung cấp công suất tổng thể, loại này đặc biệt phù hợp làm đơn vị đỉnh tải và đơn vị dự phòng trong trường hợp sự cố. Công suất tối đa của tổ máy thủy điện đã đạt 70 triệu kilowatt.
Máy phát điện diesel hoạt động nhờ động cơ đốt trong. Máy khởi động nhanh, dễ vận hành. Tuy nhiên, do chi phí sản xuất điện từ động cơ đốt trong cao hơn, nên các bộ máy phát điện diesel chủ yếu được sử dụng làm nguồn điện dự phòng khẩn cấp, hoặc trong các trạm phát điện di động và một số khu vực lưới điện lớn chưa áp dụng. Tốc độ quay của máy phát điện diesel thường dưới 1.000 vòng/phút, với công suất từ vài kW đến khoảng 1.000 kilowatt, đặc biệt là các đơn vị có công suất 200 kilowatt được sử dụng thường xuyên hơn. Cấu tạo của máy tương đối đơn giản. Mô-men xoắn trên trục đầu ra của động cơ dao động theo chu kỳ, do đó máy phát điện phải hoạt động trong điều kiện rung động mạnh. Do đó, các bộ phận cấu tạo của máy phát điện diesel, đặc biệt là trục, phải có độ bền và độ cứng đủ để ngăn ngừa gãy vỡ do rung động của các bộ phận này. Ngoài ra, để ngăn chặn dao động mô-men xoắn của máy phát điện do tốc độ góc không đồng đều gây ra, dẫn đến dao động điện áp khiến đèn nhấp nháy, rô-to của máy phát điện diesel cũng cần có mô-men quán tính lớn hơn, và tần số dao động xoắn của trục cùng với dao động mô-men xoắn nội tại của động cơ phải có sự chênh lệch tần số thành phần xoay chiều lớn hơn 20% để tránh hiện tượng cộng hưởng, từ đó ngăn ngừa tai nạn gãy trục.