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.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Tài liệu: Lịch sử và nguồn gốc máy phát điện
- Lịch sử và nguồn gốc máy
phát điện
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 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.
Máy 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
Máy phát 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 tĩnh điện được chế tạo với công suất thấp và không bao giờ
được sử dụng cho mục đích phát điện thương mại.
Faraday
Máy phát xách tay 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.
Dynamo
Dynamo là máy phát điện đầu tiên có khả năng cung cấp điện năng cho công
nghiệp. Dynamo sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi năng lượng quay
cơ học thành dòng điện xoay chiều. Cấu tạo của dynamo bao gồm một kết cấu tĩnh
mà nó tạo ra từ trường mạnh và một cuộn dây quay. Ở các máy phát dynamo nhỏ,
từ trường được tạo ra bằng các nam châm vĩnh cữu, đối với các máy lớn, từ trường
được tạo ra bằng các nam châm điện.
Máy phát dynamo đầu tiên dựa trên nguyên lý Faraday được chế tạo vào
năm 1832 do Hippolyte Pixii- một nhà chế tạo thiết bị đo lường. Máy này đã sử
dụng một nam châm vĩnh cửu được quay bằng một tay quay. Nam châm quay được
định vị sao cho cực Nam và cực Bắc của nó đi ngang qua một mẫu sắt được quấn
bằng dây dẫn. Pixii phát hiện rằng nam châm quay đã tạo ra một xung điện trong
dây dẫn mỗi lần một cực đi ngang qua cuộn dây. Ngoài ra, các cực Bắc và Nam của
nam châm đã tạo ra một dòng điện có chiều ngược nhau. Bằng cách bổ sung một
bộ chuyển mạch, Pixii đã có thể biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện
một chiều.
Không giống như đĩa Faraday, nhiều vòng dây được nối nối tiếp được sử
dụng trong cuộn dây chuyển động của dynamo. Điều này cho phép điện áp đầu cực
của máy cao hơn so với đĩa Faraday tạo ra, do đó điện năng có thể phân phối ở
mức điện áp thích hợp.
Mối quan hệ giữa chuyển động quay cơ học và dòng điện trong dynamo là
quá trình thuận nghịch, nguyên lý về mô tơ điện đã được phát hiện khi người ta
- thấy rằng một máy dynamo có thể tạo ra cho một máy dynamo thứ hai quay nếu
cấp dòng điện qua nó.
Jedlik dynamo
Động cơ điện đơn cực (dynamo) của Ányos Jedlik (1861)
Năm 1827, Anyos Jedlik bắt đầu thử nghiệm với các thiết bị quay có từ tính
mà ông gọi là các rotor tự từ hóa. Trong mẫu vật đầu tiên của một bộ khởi động
đơn cực, (đã được hoàn tất trong khoảng 1852 và 1854) cả phần tĩnh lẫn phần
quay đều là nam châm điện. Ông đã trình bày nguyên lý của dynamo ít nhất là 6
tháng trước Ernst Werner von Siemens và Charles Wheatstone. Trên thực chất
nguyên lý của nó là thay vì sử dụng nam châm vĩnh cửu, thì dùng 2 nam châm điện
đối xứng nhau để tạo ra từ trường bao xung quanh rotor.
Gramme dynamo
Cả hai thiết kế trên đều tồn tại một vấn đề như nhau: Chúng tạo ra những
xung dòng điện nhọn đầu không mong muốn. Antonio Pacinotti, một nhà khoa học
người Ý đã tìm cách giải quyết vấn đề bằng cách thay các cuộn dây tròn bằng các
cuộn dây hình xuyến, tạo ra bằng cách quấn trên một vòng thép. Như vậy luôn có
- một số vòng của cuộn dây sẽ thông qua từ trường, và làm cho điện áp, dòng điện có
dạng phẳng hơn.Zénobe Gramme đã thực hiện lại thiết kế này vài năm sau đó khi
thiết kế một số nhà máy điện ở Paris trong thập niên 1870. Thiết kế này bây giờ
được gọi là Gramme dynamo. Những phiên bản khác nhau đã được phát triển, và
chế tạo từ dây, nhưng nguyên lý cơ bản về những cuộn dây xếp theo vòng đã trờ
thành trái tim của tất cả các dynamo hiện nay.
Khái niệm
Máy phát điện làm di chuyển dòng điện nhưng không tạo ra điện tích. Những
điện tích này sẵn có trong trong phần dẫn điện của dây quấn. Một cách nào đấy, nó
có thể ví với một cái bơm, tạo ra dòng nước chảy nhưng không tự tạo ra nước.
Cũng có những máy phát điện kiểu khác, dưa trên những hiện tượng điện tự
nhiên khác như hiệu ứng áp điện, hiệu ứng từ thủy động. Kết cấu của dynamo
tương tự với các động cơ điện, và các loại dynamo thông dụng đều có thể hoạt
động như một động cơ.
Thuật ngữ
Các bộ phận của máy phát điện và các thiết bị liên quan có thể được gọi bằng
những thuật ngữ cơ khí hoặc thuật ngữ điện. Mặc dù đã được phân loại riêng biệt,
hai bộ thuật ngữ này thường được sử dụng thay thế lẫn nhau hoặc kết hợp một
thuật ngữ cơ với một thuật ngữ điện. Điều này gây ra những xáo trộn lớn khi làm
việc với những máy hỗn hợp như máy phát xoay chiều kích từ không chổi than,
hoặc khi trao đổi với những người đã thường làm việc với những máy được chế
tạo theo kiểu khác.
Cơ học
Rotor: rô to, phần quay của một máy phát điện, dynamo hay động cơ điện.
Stator: sta to, phần tĩnh của một máy phát điện, dynamo hay động cơ điện.
Điện học
- Armature: cuộn dây phần ứng, thành phần sản xuất ra điện năng trong
máy phát điện, dynamo hoặc động cơ. Cuộn dây phần ứng có thể đặt trên rô to
hoặc sta to.
Field: cuộn dây phần cảm: thành phần tạo ra từ trường của máy phát điện
dynamo hay động cơ điện. Phần từ trường này có thể ở trên rô to hay sta to, và có
thể là từ trường của nam châm vĩnh cửu hay từ trường của nam châm điện.
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 và tải được hiển thị trên hình bên phải. Để
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:
- 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. Nguy ên 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. Nguy ên 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 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 voltđể có đầy đủ lực cho động cơ
khởi động để có thể quay được các động cơ diesel lớn, mà không cần những sợi
cáp điện lớn hơn, vốn ít tin cậy hơn. Các máy phát 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.
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
