Đồ án tốt nghiệp Điện tự động công nghiệp: Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió

Chia sẻ: Lang Liêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:62

Thêm vào BST

Báo xấu

57
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án gồm 3 chương với các nội dung tổng quan về năng lượng gió và hệ thống tuabin gió; bộ biến đổi nguồn điện trong hệ thống tuabin gió; điều khiển hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp Điện tự động công nghiệp: Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2015 THỰC HIỆN TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG TUABIN GIÓ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2015 THỰC HIỆN TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG TUABIN GIÓ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên: Phạm Viết Huy Người hướng dẫn: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc ----------------o0o----------------- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Phạm Viết Huy – MSV : 1412102097 Lớp : ĐC1802- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài : Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ). ............................................................................................................................. ........................ ........................................................................................................... .......................................... ............................................................................................................................. ........................ .......................................................................................................................................... .......... ............................................................................................................................. ........................ .................................................................................................................................................... . ............................................................................................................................. ........................ ............................................................................................................................. ........................ 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán ............................................................................................................................. ........................ ........................................................................................................... .......................................... ............................................................................................................................. ........................ ......................................................................................................................................... ........... ............................................................................................................................. ........................ .................................................................................................................................................... . ............................................................................................................................. ........................ ............................................................................................................................. . ...................... ..................................................................................................................................................... ............................................................................................................................. ........................ ..................................................................................................................................................... ............................................................................................................................. ......................... 3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp: .......................................................................... ......................................................................... ..................................................................................................................................................... ............................................................................................................................. ........................ .............................................................................................................................................. ....... .....................................................................................................................................................
CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ và tên : Thân Ngọc Hoàn Học hàm, học vị : Giáo sư, Tiến sĩ khoa học Cơ quan công tác : Trường Đại học dân lập Hải Phòng Nội dung hướng dẫn : Toàn bộ đề tài Người hướng dẫn thứ hai: Họ và tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn : Đề tài tốt nghiệp được giao ngày tháng năm 2018. Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày......tháng.......năm 2018 Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh viên Cán bộ hướng dẫn Đ.T.T.N Phạm Viết Huy GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn Hải Phòng, ngày........tháng........năm 2018 HIỆU TRƯỞNG GS.TS.NGƯT TRẦN HỮU NGHỊ
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1.Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp. .......................................................................................................................... ................................. ............................................................................................................................................................ .......................................................................................................................... .................................. ............................................................................................................................................................. .......................................................................................................................... .................................. 2. Đánh giá chất lượng của Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất lượng các bản vẽ..) .............................................................................................................................................................. .......................................................................................................................... .................................... .......................................................................................................................... ...................................... ................................................................................................................................................................ ............................................................................................................. ................................................... ................................................................................................................................................................ ..................................................................................................................... ........................................... .......................................................................................................................... ...................................... ................................................................................................................................................................ 3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn ( Điểm ghi bằng số và chữ) Ngày……tháng…….năm 2018 Cán bộ hướng dẫn chính (Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP 1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài. .......................................................................................................................... ...................................... ................................................................................................................................................................ .......................................................................................................................... ...................................... .......................................................................................................................... ...................................... ................................................................................................................................................................ .......................................................................................................................... ...................................... ................................................................................................................................................................ .......................................................................................................................... ...................................... .......................................................................................................................... ...................................... ................................................................................................................................................................ .......................................................................................................................... ...................................... 2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện ( Điểm ghi bằng số và chữ)
MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ HỆ THỐNG TUABIN GIÓ................................................................................................. 2 1.1. GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ................................................ 2 1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TUABIN GIÓ ..................................... 4 1.2.1. Giới thiệu chung về hệ thống tuabin gió ............................................. 4 1.2.2. Giới thiệu các bộ phận trong hệ thống tuabin gió[1] ........................... 8 1.2.2.1. Máy phát điện trong hệ thống tuabin gió ......................................... 8 1.2.2.2. Bộ biến đổi nguồn điện trong hệ thống tuabin gió ........................ 16 1.2.2.3. Máy biến áp trong hệ thống tuabin gió .......................................... 19 1.2.2.4. Bộ lọc trong hệ thống tuabin gió .................................................... 20 1.2.3. Độ tin cậy trong hệ thống điện tử công suất của tuabin gió .............. 21 CHƯƠNG 2. BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG TUABIN GIÓ............................................................................................... 24 2.1. THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG BỘ BIẾN ĐỔI CỦA HỆ THỐNG TUABIN GIÓ ................................................................................. 24 2.1.1. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)......................................... 24 2.1.2. Tụ điện .............................................................................................. 26 2.1.3. Diode................................................................................................. 27 2.2. BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN MỘT LỚP[1] .................................... 28 2.2.1. Bộ biến đổi nguồn đơn hướng ........................................................... 28 2.2.2. Bộ biến đổi nguồn 2 mức ( 2L-BTB) ............................................... 30 2.2.3. Bộ biến đổi nguồn đa mức[1]............................................................ 31 2.2.3.1. Cấu trúc kẹp diode trung tính(3L NPC BTB) ................................ 31 2.2.3.2. Cấu trúc liên kết back to back cầu H (3L-HB BTB) ...................... 32 2.2.3.3. Cấu trúc liên kết back to back 5 mức cầu H (5L-HB BTB) ........... 33
2.2.3.4. Cấu trúc liên kết ba chiều trung tính được gắn với diode cho phía máy phát điện và cấu trúc liên kết H-Bridge 5 cấp cho phía lưới (3L-NPC + 5L-HB) ....................................................................................................... 34 2.3. BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN ĐA LỚP ............................................. 35 2.4. BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT NỐI LƯỚI TỪ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO[3] ................................................................................... 39 CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG TUABIN GIÓ ........................................................................ 43 3.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG TUABIN GIÓ[1] ................. 43 3.2. ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ TỐC ĐỘ BIẾN THIÊN VỚI BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN MỘT PHẦN ................................................................ 44 3.2.1. Giới thiệu hệ thống tuabin gió tốc độ biến thiên với bộ biến đổi nguồn điện một phần ................................................................................................ 44 3.2.2. Điều khiển tuabin gió tốc độ biến thiên với bộ biến đổi nguồn điện một phần[4] ................................................................................................... 46 3.3. ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ TỐC ĐỘ BIẾN THIÊN VỚI BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN TOÀN PHẦN .............................................................. 47 3.3.1. Giới thiệu hệ thống tuabin gió tốc độ biến thiên với bộ biến đổi nguồn điện một phần ................................................................................................ 47 3.3.2. Điều khiển hệ thống tuabin gió tốc độ biến thiên với bộ biến đổi nguồn điện một phần[4] ................................................................................ 49 KẾT LUẬN .................................................................................................. 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 53
LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay vai trò của điện năng là rất quan trọng vì nó phải đáp ứng nhu cầu cung cấp điện liên tục cho tất cả các nghành công nghiệp sản xuất và đời sống xã hội của con người. Hơn thế nữa, việc sản xuất nguồn điện năng ngày nay người ta còn đặc biệt chú trọng đến môi trường. Trong khi các nhà máy thuỷ điện không hoạt động hết công suất của mình thì các nhà máy nhiệt điện lại gây ra ô nhiễm môi trường và nguyên nhân gây nên hiệu ứng nhà kính. Cho nên vấn đề hàng đầu được đặt ra là phát triển xây dựng phải đảm bảo vấn đề về vệ sinh môi trường. Trên thực tế đó, cần phải tìm ra nguồn năng lượng tái sinh để thay thế. Năng lượng gió là nguồn năng lượng thiên nhiên vô tận, nguồn năng lượng tái tạo không gây ô nhiễm môi trường, vì vậy chúng ta có thể tận dụng nguồn năng lượng đó để biến thành nguồn năng lượng điện phục vụ nhu cầu của con người. Việc xây dựng nhà máy điện gió góp phần đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện và tạo ra cảnh quan du lịch. Với những tiềm năng vô cùng lớn đó, việc nghiên cứu phát triển, cải tiến công nghệ chế tạo tuabin gió thực sự là rất cần thiết. Do vậy em đã chọn đề tài: “Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió” do GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn hướng dẫn. Đề tài gồm các nội dung sau: Chương 1: Tổng quan về năng lượng gió và hệ thống tuabin gió Chương 2: Bộ biến đổi nguồn điện trong hệ thống tuabin gió Chương 3: Điều khiển hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ HỆ THỐNG TUABIN GIÓ 1.1. GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ Năng lượng gió là nguồn năng lượng thiên nhiên mà con người đang chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai. Hiện nay, năng lượng gió đang mang đến nhiều hứa hẹn cho tương lai năng lượng của nhân loại, tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển động năng của gió thành điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh được với những nguồn năng lượng khác. Hình 1.1 và 1.2 dưới đây là những hình ảnh về những trang trại gió quy mô lớn ở Tuy Phong- Bình Thuận- Việt Nam và tại Hà lan. Hình 1.1: Cánh đồng điện gió Tuy Phong - Bình Thuận 2
Hình 1.2: Tuabin gió tại Hà Lan Hiện nay, trên thế giới, việc phát triển phong điện đang là một xu thế lớn, thể hiện ở mức tăng trưởng cao so với các nguồn năng lượng khác. Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng có triển vọng và phát triển trong thời gian gần đây. Có rất nhiều nhiều quốc gia đã phát triển với quy mô lớn như Đức, Hà Lan, Mỹ, Anh …. và đã thành lập cơ quan năng lượng quốc tế (CEA) với 14 nước thành viên hợp tác nguyên cứu các kế hoạch trao đổi thông tin kinh nghiệm về việc phát triển năng lượng điện gió. Các quốc gia này là : Úc, Canada, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy, Tây Ban Nha, Phần Lan, Đức, Ý, Nhật, Hà Lan, New Zealand, Thụy Sĩ, Anh, Mỹ. Vào năm 1995 các nước thành viên có khoảng 25000 tuabin được kết nối với mạng lưới điện và đang vận hành tốt. Tổng công suất của các tuabin này là 3500MW và hằng năm sản xuất ra 6 triệu MWh. Năng lượng điện gió đã trở thành nguồn năng lượng tái sinh phát triển nhanh nhất trên thế giới đặc biệt là ở châu Âu đang chiếm 70% tổng công suất này. Theo BTM consult[1] năng lượng gió cho đén nay đã đạt mức tích lũy trên toàn thế giới là 200 GW và gần 40 GW đã được lắp đặt vào năm 2010, 3
cho thấy điện gió thực sự là một phần quan trọng trong nghành công nghiệp năng lượng của thế giới trong tương lai. Điện gió chiếm 1,8% tổng sản lượng điện trên toàn thế giới và dự đoán cho tới năm 2019 là hơn 8% hoặc 1 TW. Trung Quốc đang là thị trường lớn nhất trong năm 2010, đồng thời cùng với EU và Mỹ chiếm một phần ba tổng số thị trường điện gió trên toàn thế giới. Dưới đây hình 1.3 thể hiện năng lực lắp đặt năng lượng gió toàn cầu : Hình 1.3: Năng lực lắp đặt năng lượng gió toàn cầu từ năm 1996 đến 2010 Thuận lợi lớn nhất của Việt Nam khi phát triển điện gió là nước ta có tiềm năng năng lượng gió tương đối lớn. Theo kết quả điều tra, đánh giá của Ngân hàng thế giới, Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá là tốt và rất tốt để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn, tập trung và có tới 41% diện tích nông thôn có thể phát triển trạm điện gió cỡ nhỏ. Đây là những số liệu cho chúng ta tin vào tiềm năng phát triển nguồn năng lượng vô tận và thân thiện với môi trường này. 1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TUABIN GIÓ 1.2.1. Giới thiệu chung về hệ thống tuabin gió Hệ thống tuabin gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Nước Đức đang dẫn đầu thế giới về 4
công nghệ phong điện. Tới nay hầu hết vẫn là các trạm phong điện trục ngang, gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một tua bin 3 cánh đón gió. Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn. Trạm phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ trước, nhưng rất thanh nhã và hiện đại. Các trạm phong điện trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Trạm phong điện trục đứng có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Loại này mới xuất hiện từ vài năm gần đây nhưng đã được nhiều nơi sử dụng. Hiện có các loại máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ 1 kW tới hàng chục ngàn kW. Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia. Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc-quy và bộ đổi điện. Khi dùng không hết, điện được tích trữ vào ắcquy. Khi không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy. Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy. Các trạm phong điện có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện. Dưới đây hình 1.4 là mô hình tham khảo của một hệ thống máy phát sức gió có thể gồm các thành phần cơ bản sau đây : 5
Hình 1.4: Mô hình hệ thống tuabin gió điển hình Cánh gió: Các Tuabin gió hiện đại thường có hai hoặc ba cánh gió. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay. Thiết bị Yaw: Thiết bị yaw có hai chức năng. Khi tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ giới hạn theo thiết kế, nó giữ cho roto đối diện với nguồn gió khi hướng gió thay đổi. Nhưng khi tốc độ gió vượt qua giới hạn theo thiết kế, đặc biệt là khi có gió bão, nó dịch rotor ra khỏi hướng bão. Pitch: Cánh gió được lật hoặc xoay để điều chỉnh tốc độ của rôto. Cánh được tiện hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho roto quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện. Chong chóng gió (vane): Phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ cho tuabin phản ứng phù hợp với tốc độ gió cụ thể. 6
Bộ đo tốc độ gió (anemometer): Đo tốc độ gió rồi chuyển dữ liệu đến bộ điều khiển. Phanh hãm (brake): Phanh dạng đĩa, được dùng như phanh cơ khí, phanh điện hoặc phanh thủy lực để dừng roto trong các tình huống khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ. Hộp số (gear box): Hộp số được đặt giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao để gia tăng tốc độ quay từ khoảng 20 đến 60 vòng/phút lên khoảng 1200 đến 1500 vòng/phút, đây là tốc độ quay mà hầu hết các máy phát cần để sản sinh ra điện năng. Tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát để sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của động cơ và Tuabin gió. Các máy phát có tốc độ thấp hơn thì không cần bộ này. Máy phát (generator): Thường dùng các máy phát điện đông bộ nam châm vĩnh củu(PMSG) hoặc máy phát điện không đồng bộ (DFIG) để phát điện năng xoay chiều. Tháp (tower): Tháp được làm từ thép phiến hoặc các thanh thép bắt chéo nhau với kết cấu vững vàng và chịu va đập cơ học, ăn mòn, và có tính đàn hồi hợp lý. Vì tốc độ gió tỷ lệ với độ cao nên tháp càng cao thì tuabin càng lấy được nhiều năng lượng và sản sinh ra được càng nhiều điện năng.Tốc độ gió tăng ở trên cao nên tuabin được gắn trên tháp cao giúp cho tuabin sản xuất được nhiều điện. Tháp cũng đưa tuabin lên cao trên các luồng xoáy không khí có thể có gần mặt đất do các vật cản trở không khí như đồi núi , nhà, cây cối. Một nguyên tắc chung là lắp đặt một tuabin gió trên tháp với đáy của cánh rotor cách các vật cản trở tối thiểu 9m, nằm trong phạm vi đường kính 90m của tháp. Số tiền đầu tư tương đối ít trong việc tăng chiều cao của tháp có thể đem lại lợi ích lớn trong sản xuất điện. Ví dụ, để tăng chiều cao tháp từ 18m lên 33m cho máy phát 10kW sẽ tăng tổng chi phí cho hệ thống 10%, nhưng có thể tăng lượng điện sản xuất 29%. 7
1.2.2. Giới thiệu các bộ phận trong hệ thống tuabin gió[1] 1.2.2.1. Máy phát điện trong hệ thống tuabin gió a. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSG) [2] Vì tốc độ gió luôn thay đổi theo thời gian, để tuabin vận hành tối ưu với vận tốc gió nhất định thì hệ thống rotor phải có chức năng tự điều chỉnh theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSG) hoàn toàn đáp ứng được điều này, vì từ thông luôn tồn tại sẵn nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu trên bề mặt rotor. Máy phát điện hoạt động với tốc độ vòng quay thấp nhưng nguồn điện năng sản xuất cao. Đây là những ưu điểm chính khi tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Vì vậy, hiện nay, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSG) đang trở thành công nghệ được sử dụng rất rộng rãi trong những hệ thống tuabin gió. - Cấu tạo chung của máy điện đồng bộ: Hình 1.5: Cấu tạo máy phát điện đồng bộ Ở loại động cơ này cực từ tạo bởi nam châm vĩnh cửu bằng hợp kim đặc biệt có độ từ dư rất lớn ( 0,5 ÷ 1,5 T ) . Cực từ có dạng cực lồi và đặt ở rôto khoảng cách giữa các cực có đổ nhôm kín và toàn bộ rôto là một khối trụ. Nếu dùng làm động cơ điện thì cần đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc. Vì khó gia công rãnh trên hợp kim nam châm nên thường chế tạo lồng sóc như động cơ không đồng bộ và đặt hai đĩa nam châm ở hai đầu. Với kết cấu như vậy sẽ tốn vật liệu hơn và thường chế tạo với công suất : 30 ÷ 40 W. Trong trường hợp dùng như máy phát không có dây quấn mở máy, công suất có thể 8
lên tới 5 ÷ 10 KW đôi khi đến 100KW. Động cơ đồng bộ nói chung, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là những máy điện xoay chiều có phần cảm đặt ở roto và phần ứng là hệ đây quấn 3 pha đặt ở stator. Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt roto. Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm ví dụ như samariu - cobalt (SmCO5 – SmCO17) hoặc Neodymium – ion – boron (NdFeb) là các nam châm có suất năng lượng cao và tránh được hiệu ứng khử từ thường được gắn trên bề mặt hoặc bên trong của lõi thép roto để đạt dược độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữa các thanh nam châm có thể đắp bằng vật liệu dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, ví dụ như sợi thủy tinh hoặc bắt bulon lên các thanh nam châm. Ngoài ra còn có nam châm gốm có độ bền cao. Vì rotor không cần nguồn kích thích nên động cơ loại này có thể hoạt động mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn. Những động cơ này có công suất từ 100w đến 100kw. Momen tối đa của máy được thiết kế không vượt quá 150% momen định mức.Nếu máy hoạt động quá momen max thì sẽ mất tính đồng bộ và sẽ hoạt động như một động cơ cảm ứng hoặc ngưng hoạt động. Những động cơ này đa số là khởi động trực tiếp. Công suất và hệ số công suất của mỗi động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường tốt hơn 5 đến 10 lần động cơ từ trở tương ứng. Ưu điểm: Động cơ không có chổi than hoặc vành trượt trên rotor thì không sinh ra tia lửa điện khi hoạt động, lúc này công việc bảo dưỡng chổi than được bài trừ. Những động cơ này có thể kéo vào đồng bộ các tải có mức quán tính lớn hơn quán tính rotor của chúng nhiều lần. - Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu: Các máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có bốn cực từ, phần cắt ngang của nó được mô tả trong hình 8. Các nam châm được gắn chặt trên lõi thép rô to. Không gian giữa các nam châm được lấp đầy bằng các lá thép 9
hình đặc biệt, các bộ phận đó tạo ra một dòng điện đóng cho từ trường. Nam châm vĩnh cửu đã được sử dụng rộng rãi để thay thế các cuộn kích từ trong các máy đồng bộ, với những ưu điểm là thiết kế rô to không cần cuộn dây kích thích, vành trượt và bộ kích từ máy phát có thể giúp tránh gây nhiệt trong các cánh quạt và cung cấp hiệu quả tổng thể của hệ thống cao hơn. Hình 1.6: Mặt cắt ngang của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu - Nguyên lý làm việc máy phát đông bộ nam châm vĩnh cửu : Nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng giống như nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ, chỉ khác nhau ở chỗ ở máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì cuôn kích từ trên rô to được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu. PMSG là máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu do đó hoạt động của nó như sau: khi cấp 3 dòng điện hình sin vào 3 cuộn dây stator sẽ xuất hiện từ trường quay với tốc độ ntt = 60f/p, trong đó f- tần số biến thiên của dòng điện, p – số đôi cực. Do từ trường của nam châm vĩnh cửu là từ trường không đổi không quay, sự tác động giữa từ trường quay với từ trường không đổi tạo mô men dao động, giá trị trung bình của mô men này có giá trị 0. Để máy điện có thể làm việc được phải quay nam châm vĩnh cửu tới tốc độ bằng tốc độ từ trường, lúc này mô men trung bình của động cơ sẽ khác 0. Việc đưa nam 10
châm vĩnh cửu tới tốc độ từ trường là phương pháp khởi động động cơ đồng bộ thường mà ta đã nghiên cứu trước đây. Do đó khởi động bằng máy lai ngoài, phương pháp này đắt tiền, cồng kềnh nên rất ít khi sử dụng. Phương pháp hay dùng nhất đó là phương pháp khởi động dị bộ. Lúc này mới đặt tải lên động cơ. Như vậy máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm quay đồng bộ với từ trường quay, hoặc quay với tốc độ đồng bộ. Với máy điện đồng bộ 3 pha, dây quấn phần ứng nối sao (Y) hoặc nối tam giác (Δ). Khi máy làm việc dòng điện phần ứng Iư chạy trong dây quấn 3 pha sẽ tạo nên một từ trường quay. Từ trường này quay với tốc độ đồng bộ n1 = 60.f1/p. b. Máy điện dị bộ cấp nguồn từ hai phía (DFIG) [2] Hệ thống phát điện trong điều kiện tốc độ máy phát thay đổi ngày càng cần thiết cho những ứng dụng công nghệ cao trong đó đặc biệt là công nghệ tuabin gió. Ngoài giải pháp sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì giải pháp sử dụng máy điện dị bộ cấp nguồn từ hai phía (DFIG) với những ưu điểm riêng cũng được sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ chế tạo tuabin gió. Động cơ không đồng bộ là máy điện xoay chiều, có tốc độ rôto khác tốc độ stato. Từ trường quay có thể là 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha, tuỳ thuộc vào cấu tạo dây quấn ở stato là 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha. Theo cấu tạo dây quấn rôto , động cơ không đồng bộ được chia làm 2 loại: Rôto lồng sóc và rôto dây quấn động cơ không đồng bộ lồng sóc có cấu tạo đơn giản, vận hành và bảo quản dễ dàng , độ tin cậy cao , giá thành rẻ , nên được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn có cấu tạo phức tạp vận hành và bảo quản khó hơn, độ tin cây kém hơn, giá thành cao hơn nhưng nó có ưu điểm là có thể đưa điện trở phụ ở ngoài vào để cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh. Tốc độ do đó nó không được sử dụng cho những nơi nào có cầu dao về mở máy về điều chỉnh tốc độ mà động cơ lồng sóc không đáp ứng được. Tuy nhiên động cơ không đồng bộ có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ 11