Máy điện có thể được định nghĩa là thiết bị biến đổi năng lượng điện thành cơ năng hoặc cơ năng thành điện năng. An máy phát điện có thể được định nghĩa là một máy điện biến năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Một máy phát điện thường bao gồm hai phần stato và rôto. Có nhiều loại máy phát điện khác nhau như máy phát điện một chiều, máy phát điện xoay chiều, máy phát điện cho xe cộ, máy phát điện chạy bằng sức người, v.v. Trong bài này chúng ta cùng tìm hiểu về nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ.
Máy phát điện đồng bộ
Phần quay và phần đứng yên của máy điện có thể được gọi tương ứng là rôto và stato. Rôto hay stato của máy điện đóng vai trò là thành phần tạo ra điện năng và được gọi là phần ứng. Nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu gắn trên stato hoặc rôto được sử dụng để cung cấp từ trường của một máy điện. Máy phát điện trong đó nam châm vĩnh cửu được sử dụng thay cho cuộn dây để cung cấp trường kích thích được gọi là máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu hay còn được gọi đơn giản là máy phát điện đồng bộ.
Xây dựng máy phát điện đồng bộ
Nói chung, máy phát điện đồng bộ gồm hai phần là rôto và stato. Phần rôto bao gồm các cực trường và phần stato gồm các dây dẫn phần ứng. Sự quay của các cực trường khi có mặt của dây dẫn phần ứng tạo ra một điện áp xoay chiều dẫn đến việc tạo ra năng lượng điện.
Xây dựng máy phát điện đồng bộ
Tốc độ của các cực trường là tốc độ đồng bộ và được cho bởi
Trong đó, ‘f’ biểu thị tần số dòng điện xoay chiều và ‘P’ biểu thị số cực.
Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
Nguyên lý hoạt động của máy phát điện đồng bộ là hiện tượng cảm ứng điện từ. Nếu có chuyển động tương đối giữa từ thông và vật dẫn, thì trong vật dẫn xuất hiện một emf. Để hiểu nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ, chúng ta hãy xem xét hai cực từ trái dấu, giữa chúng có một cuộn dây hoặc vòng quay hình chữ nhật được đặt như hình dưới đây.
Dây dẫn hình chữ nhật đặt ở giữa hai cực từ đối diện
Nếu vòng quay hình chữ nhật quay theo chiều kim đồng hồ so với trục a-b như hình dưới đây thì sau khi quay xong 90 độ, các mặt của dây dẫn AB và CD lần lượt đến trước cực S và cực N. Như vậy, bây giờ chúng ta có thể nói rằng chuyển động tiếp tuyến của dây dẫn vuông góc với các đường sức từ từ cực bắc đến cực nam.
Hướng quay của dây dẫn vuông góc với từ thông
Vì vậy, ở đây tốc độ cắt từ thông của dây dẫn là cực đại và tạo ra dòng điện trong dây dẫn, chiều của dòng điện cảm ứng có thể được xác định bằng cách sử dụng Quy tắc bên phải của Fleming . Như vậy, chúng ta có thể nói rằng dòng điện sẽ đi từ A đến B và từ C đến D. Nếu dây dẫn quay theo chiều kim đồng hồ thêm 90 độ nữa thì nó sẽ đến một vị trí thẳng đứng như hình bên dưới.
Hướng quay của dây dẫn song song với từ thông
Bây giờ, vị trí của dây dẫn và các đường từ thông song song với nhau và do đó, không có từ thông nào cắt và sẽ không có dòng điện nào được tạo ra trong dây dẫn. Sau đó, trong khi dây dẫn quay từ chiều kim đồng hồ thêm 90 độ, thì hình chữ nhật quay đến vị trí nằm ngang như thể hiện trong hình dưới đây. Sao cho các dây dẫn AB và CD lần lượt nằm dưới cực N và cực S. Bằng cách áp dụng quy tắc bàn tay phải của Fleming, dòng điện cảm ứng trong dây dẫn AB từ điểm B đến A và dòng điện cảm ứng trong dây dẫn CD từ điểm D đến C.
Vì vậy, chiều của dòng điện có thể được biểu thị là A - D - C - B và chiều của dòng điện đối với vị trí nằm ngang trước đó của vòng quay hình chữ nhật là A - B - C - D. Nếu vòng quay lại quay theo hướng thẳng đứng thì dòng điện cảm ứng lại giảm về không. Vì vậy, đối với một vòng quay hoàn toàn của hình chữ nhật, dòng điện trong dây dẫn đạt đến cực đại & giảm xuống 0 và sau đó theo chiều ngược lại nó đạt đến cực đại & lại đạt đến không. Do đó, một cuộc cách mạng hoàn toàn của vòng quay hình chữ nhật sẽ tạo ra một làn sóng sin đầy đủ dòng điện gây ra trong dây dẫn có thể được gọi là sự tạo ra dòng điện xoay chiều bằng cách quay một lượt bên trong một từ trường.
Bây giờ, nếu chúng ta xem xét một máy phát điện đồng bộ thực tế, thì nam châm trường quay giữa các dây dẫn phần ứng đứng yên. Rôto và trục hoặc cánh tua bin của máy phát điện đồng bộ được ghép cơ khí với nhau và quay với tốc độ đồng bộ. Do đó, từ thông cắt tạo ra một cảm ứng gây ra dòng điện chạy trong dây dẫn phần ứng. Như vậy, đối với mỗi cuộn dây, dòng điện chạy theo một hướng trong nửa chu kỳ đầu tiên và dòng điện chạy theo hướng khác trong nửa chu kỳ sau với độ trễ thời gian là 120 độ (khi chúng dịch chuyển đi 120 độ). Do đó, công suất đầu ra của máy phát điện đồng bộ có thể được biểu diễn như hình dưới đây.
Bạn muốn biết thêm về máy phát điện đồng bộ và bạn quan tâm đến thiết kế dự án điện tử ? Hãy chia sẻ quan điểm, ý tưởng, đề xuất, truy vấn và nhận xét của bạn trong phần bình luận bên dưới.
