Tiểu luận năng lượng tái tạo tìm hiểu các máy phát điện trong điện gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

TIỂU LUẬN: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TÌM HIỂU CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

Ngành: Kỹ thuật Điện – Điện tử
Lớp: 19DDCA2

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Tp.HCM, ngày 31 tháng 12 năm 2022


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG ĐIỆN GIÓ..............................................2
CHƯƠNG II: MÁY PHÁT ĐIỆN DC TRONG ĐIỆN GIÓ.....................................3
2.1. Máy phát điện DC...............................................................................................3
2.1.1.Cấu tạo máy phát điện một chiều:...............................................................3
2.1.2.

Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều..................................4

2.1.3. Phân loại máy phát điện một chiều.............................................................5
2.2.

Máy phát điện DC nam châm vĩnh cửu.........................................................5

CHƯƠNG III: MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRONG ĐIỆN GIÓ.......................7

3.1 Máy phát điện đồng bộ.......................................................................................7
3.1.1. Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ............................................................7
3.1.2. Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện động b ộ 3 pha..................................8
3.1.3. Nguyên lý hoạt động.....................................................................................8
3.2. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu....................................................9
3.2.1. Ưu điểm.........................................................................................................9
3.2.2. Nhược điểm.................................................................................................10
3.3. Máy phát điện đồng bộ dẫn động trực tiếp....................................................10
3.3.1. Ưu điểm.......................................................................................................10
3.3.2. Nhược điểm.................................................................................................10
3.4. Lưới điện............................................................................................................10
CHƯƠNG IV: MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG.......................................................12
4.1. Giới thiệu về máy phát điện cảm ứng :...........................................................12
4.3. Nguyên lí hoạt động:.........................................................................................14
4.4.Tốc độ rotor và độ trượt:..................................................................................15
4.5. Mạch tương đương:..........................................................................................17
........................................................................................19
4.6. Hiệu suất và làm mát
..................................................................21
4.9. Sự tự kích của máy phát cảm ứng:
CHƯƠNG V: MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG NẠP KÉP (DFIG).........................24
5.1 Giới thiệu cảm ứng kích từ kép (DFIG)...........................................................24
5.2 Cấu tạo DFIG trong điện gió............................................................................25


5.3 Nguyên lý hoạt động của DFIG.......................................................................27
CHƯƠNG VI: MÁY PHÁT ĐIỆN TRỰC TIẾP.....................................................30
6.1.Giới thiệu Tuabin gió truyền động trực tiếp...................................................30
6.2. Tổng quan và cấu tạo tuabin gió truyền động trực tiếp................................30
6.2.1. Tuabin gió truyền động trực tiếp nam châm vĩnh cửa bên trong..........37

6.3. Các ưu nhược điểm của công nghệ truyền động trực tiếp............................42

1


CHƯƠNG I: MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG ĐIỆN GIÓ
Cơ năng của tuabin gió được chuyển đổi thành năng lượng điện bằng máy phát điện
xoay chiều (AC) hoặc máy phát điện một chiều (DC). Máy phát điện xoay chiều có thể
là máy đồng bộ hoặc máy cảm ứng, loại sau được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành
điện gió.
Máy điện hoạt động dựa trên nguyên lý tác dụng và phản ứng của cảm ứng điện từ.
Việc chuyển đổi năng lượng cơ điện kết quả là có thể đảo ngược
Cùng một loại máy có thể được sử dụng như một động cơ để biến đổi điện năng thành
cơ năng hoặc như một máy phát điện để biến đổi cơ năng thành điện năng.
Thông thường, có một bộ phận cố định bên ngồi (stato) và một bộ phận quay bên
trong (rôto). Rôto được gắn trên các ổ trục cố định với stato. Cả stato và rơto đều mang
lõi sắt hình trụ, được ngăn cách bởi một khe hở khơng khí. Các lõi được làm bằng sắt
từ tính có độ thẩm thấu cao và có các dây dẫn được nhúng trong các khe phân bố trên
bề mặt lõi. Ngoài ra, các dây dẫn được quấn ở dạng cuộn dây xung quanh các cực từ
nổi bật.
Các loại máy khác nhau về cơ bản khác nhau ở sự phân bố các dây dẫn tạo thành cuộn
dây, và ở các thành phần của chúng: liệu chúng có lõi có rãnh liên tục hay các cực nhơ
ra hay khơng. Hoạt động điện của bất kỳ máy cụ thể nào phụ thuộc vào bản chất của
điện áp đặt vào cuộn dây của nó. Khe hở khơng khí hình khun hẹp giữa stato và rôto
là vùng quan trọng trong hoạt động của máy và lý thuyết về hiệu suất chủ yếu liên
quan đến các điều kiện trong hoặc gần khe hở khơng khí.

2

CHƯƠNG II: MÁY PHÁT ĐIỆN DC TRONG ĐIỆN GIÓ
2.1. Máy phát điện DC
Máy phát điện một chiều là một máy điện chuyển đổi cơ năng thành dòng điện một
chiều . Việc chuyển đổi năng lượng này dựa trên nguyên tắc sản xuất emf cảm ứng
động. Bài viết này trình bày cấu tạo cơ bản và hoạt động của máy phát điện một chiều .
2.1.1.Cấu tạo máy phát điện một chiều:

Hình trên mơ tả cấu tạo chi tiết của một máy điện một chiều 4 cực đơn giản . Một
máy DC bao gồm hai phần cơ bản; stato và rôto. Các bộ phận cấu tạo cơ bản của máy
điện một chiều được mô tả dưới đây.
1. Yoke: Khung bên ngoài của máy dc được gọi là ách
2. Cột và giày cột: Cột được nối với ách bằng bu lông hoặc hàn
3. Cuộn dây trường: Chúng thường được làm bằng đồng. Các cuộn dây trường
trước đây được quấn và đặt trên mỗi cực và được mắc nối tiếp. Chúng được quấn
theo cách mà khi được cung cấp năng lượng, chúng tạo thành các cực Bắc và
Nam xen kẽ.
4. Lõi phần ứng: Lõi phần ứng là rôto của máy điện một chiều

3


5. Dây quấn phần ứng : Thường là cuộn dây đồng quấn trước đây nằm trong rãnh
phần ứng. 
6.

Cổ góp và chổi than: Kết nối vật lý với cuộn dây phần ứng được thực hiện
thơng qua bố trí cổ góp-chổi than. Chức năng của cổ góp, trong máy phát điện
một chiều, là thu thập dịng điện được tạo ra trong dây dẫn phần ứng. 

2.1.2. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

Máy phát điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ của định luật
Faraday. Theo định luật Faraday, bất cứ khi nào một dây dẫn được đặt trong từ trường
dao động (hoặc khi một dây dẫn được di chuyển trong từ trường) thì một EMF được
tạo ra trong dây dẫn. 
Nếu dây dẫn được dẫn hướng bằng một đường dẫn kín, dịng điện sẽ được cảm ứng.
Chiều của dịng điện cảm ứng (theo quy tắc bàn tay phải của Fleming) thay đổi khi
chiều chuyển động của dây dẫn thay đổi.
- Ví dụ, xem xét trường hợp, một phần ứng quay theo chiều kim đồng hồ và dây dẫn ở
bên trái chuyển động theo hướng đi lên. Khi phần ứng hồn thành một nửa vịng quay
của nó, hướng chuyển động của dây dẫn sẽ bị đảo ngược xuống dưới. Chiều của dòng
điện sẽ xoay chiều. Khi các kết nối của dây dẫn phần ứng bị đảo ngược, một sự đảo
ngược hiện tại sẽ diễn ra. Do đó, chúng tơi nhận được dòng điện một chiều tại các thiết
bị đầu cuối.
Phương trình tốn học của Emf trong Máy phát điện Dc
E M FG e n e r a t e d=

PϕZN
60.1

ở đâu,
Z = Số dây dẫn phần ứng
P = Số cực
A = Số đường dẫn song song trong phần ứng
N = Tốc độ quay của cuộn dây phần ứng (vòng/phút)
ϕϕ= Từ thông sinh ra bởi mỗi cực
EMF được tạo = EMF được tạo trên bất kỳ làn đường song song nào
4


2.1.3. Phân loại máy phát điện một chiều

Máy phát điện một chiều quấn song song, trong đó cuộn kích từ chính được
nối song song với phần ứng. 
Máy phát điện một chiều quấn nối tiếp, có cuộn dây trường mang dịng được mắc
nối tiếp với phần ứng. 
*chú ý:
Máy phát điện một chiều kích thích riêng có nhiều ứng dụng và có thể được sử dụng
trong các ứng dụng máy phát điện tuabin gió. Tuy nhiên, máy phát điện một chiều cho
các ứng dụng tuabin gió có nhược điểm là cần có nguồn điện một chiều riêng biệt để
kích thích trường song song. Tuy nhiên, chúng ta có thể khắc phục nhược điểm này
bằng cách thay thế cuộn kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, tạo ra Máy phát DC nam
châm vĩnh cửu hay Máy phát PMDC .
2.2.

Máy phát điện DC nam châm vĩnh cửu

Máy điện một chiều nam châm vĩnh cửu (DC) có thể được sử dụng làm động cơ thơng
thường hoặc máy phát điện tuabin gió DC vì về mặt cấu tạo khơng có sự khác biệt cơ
bản giữa hai loại này. Trên thực tế, cùng một máy PMDC có thể được điều khiển bằng
điện như một động cơ để di chuyển tải cơ học, hoặc nó có thể được điều khiển bằng cơ
học như một máy phát điện đơn giản để tạo ra điện áp đầu ra. Sau đó, điều này làm cho
máy phát điện một chiều nam châm vĩnh cửu (máy phát điện PMDC) trở nên lý tưởng
để sử dụng như một máy phát điện tua-bin gió đơn giản .
Các máy DC này bao gồm một stato có nam châm vĩnh cửu đất hiếm như Neodymium
hoặc Samarium Cobalt để tạo ra từ thông trường stato rất mạnh thay vì cuộn dây quấn
và một cổ góp được nối qua chổi than với phần ứng dây quấn như trước đây.
Khi được sử dụng làm máy phát điện DC nam châm vĩnh cửu, động cơ PMDC thường
phải được điều khiển nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ động cơ định mức của chúng
để tạo ra bất cứ thứ gì gần với điện áp động cơ định mức của chúng, vì vậy máy DC
điện áp cao, vịng tua máy thấp tạo ra máy phát điện DC tốt hơn.

5


*Ưu điểm:
Ưu điểm chính so với các loại máy phát điện một chiều khác là máy phát điện một
chiều nam châm vĩnh cửu phản ứng rất nhanh với những thay đổi về tốc độ gió vì
trường stato mạnh của chúng ln ở đó và khơng đổi.
Máy phát điện một chiều nam châm vĩnh cửu thường nhẹ hơn so với máy stato dây
quấn đối với định mức công suất nhất định và có hiệu suất tốt hơn vì khơng có cuộn
dây kích từ và tổn hao cuộn kích từ.
*Lưu ý
Ngồi ra, do stato được trang bị hệ thống cực nam châm vĩnh cửu nên nó có khả năng
chống lại tác động của bụi bẩn có thể xâm nhập. Tuy nhiên, nếu khơng được đóng kín
hồn tồn, nam châm vĩnh cửu sẽ hút bụi sắt từ và mạt kim loại (còn gọi là mạt sắt
hoặc mạt kim loại) có thể gây hư hỏng bên trong.

6


CHƯƠNG III: MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRONG ĐIỆN GIÓ

3.1 Máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ hay còn được gọi là máy phát điện xoay chiều. Đây là máy
điện biến đổi cơ năng từ động cơ một chiều thành công suất điện xoay chiều ở một
điện áp và tần số xác định. Động cơ máy phát đồng bộ luôn chạy với tốc độ không đổi,
được gọi là tốc độ đồng bộ. 
3.1.1. Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha gồm hai thành phần chính :
+Rotor (Phần Cảm)
Stato là phần đứng yên của máy phát xoay chiều. Nó mang cuộn dây phần ứng, trong

đó điện áp được tạo ra. Đầu ra của máy phát điện có dạng stator. 
Stato của máy phát điện đồng bộ bao gồm một số bộ phận như khung, lõi stato, cuộn
dây stato hoặc phần ứng và cách bố trí làm mát. Cụ thể: 


Khung stato có thể làm bằng gang đối với máy cỡ nhỏ và bằng thép hàn đối với
máy cỡ lớn.



Lõi stator được lắp ráp bằng các lớp thép có hàm lượng silicon cao cấp. Các lớp
thép silicon này làm giảm độ trễ và tổn thất dịng điện xốy trong lõi stato.



Các rãnh được cắt ở ngoại vi bên trong của lõi stato. Người ta đặt dây quấn
phần ứng 3 pha vào các khe này.



Cuộn dây phần ứng của máy phát điện được nối hình sao. Cuộn dây của mỗi
pha được phân bố trên một số khe. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây phần ứng
phân bố, nó tạo ra phân bố khơng gian hình sin thiết yếu của EMF (suất điện
động).

Nhiệm vụ: tạo từ trường kích thích DC.
+Stator (Phần Ứng)
Roto là bộ phận quay của máy phát điện xoay chiều. Roto tạo ra từ trường chính. Roto
của máy phát điện đồng bộ mang cuộn dây kích từ được cung cấp dịng điện một chiều
qua hai vòng trượt bằng nguồn một chiều riêng (còn gọi là máy kích từ). Máy kích từ

7


nói chung là một máy phát shunt (từ trở mắc song song) DC nhỏ được gắn trên trục
của máy phát điện.
Đối với máy phát điện đồng bộ, có hai loại cấu tạo roto được sử dụng là loại roto cực
nổi và loại roto hình trụ.
Nhiệm vụ: tạo thành nguồn áp 3 pha khi động cơ sơ cấp quay tròn đều phần cảm
trong phần ứng.
3.1.2. Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện động b ộ 3 pha

Hình 3.1. sơ đồ nguyên lý
3.1.3. Nguyên lý hoạt động
Đưa nguồn một chiều (dòng Ikt khơng đổi ) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường
rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trường của rôto sẽ cắt dây quấn phần ứng stator và cảm
ứng sức điện động xoay chiều hình sin có trị hiệu dụng là:
E0 =4,44FW 1 K DQ ∅0

Trong đó E0, w1, kdq, ∅0lần lượt là :sức điện động pha, số vịng dây một pha, hệ sơ
dây quấn, từ thơng cực từ rơto.
Nếu rơto có p đơi cực, khi rơto quay được một vòng, sức điện động phần ứng sẽ biến
thiên chu kỳ. Do đó tần số f của sức điện động các pha lệch góc 120° .
F=

Pn
60

8

Với n đo bằng vịng/phút.
Dây quấn ba pha stator có trục lệch nhau trong khơng gian một góc 1200 , cho nên sức
điện động các pha lệch nhau một góc 1200 . Khi dây quấn stator nối với tải, trong các
dây quấn sẽ có dịng điện ba pha giống như ở máy điện khơng đồng bộ, dịng điện ba
pha trong ba dây quấn sẽ tạo nên ba từ trường quay với tốc độ là: n1 =

60 f
đúng bằng
p

tốc độ n của rơto, do đó loại máy điện này gọi là máy điện đồng bộ.

*Chú thích:
Máy phát điện đồng bộ sản xuất hầu hết năng lượng điện tiêu thụ trên thế giới. Vì lý
do này, máy đồng bộ là một máy đã được thiết lập. Máy hoạt động ở tốc độ không đổi
liên quan đến tần số cung cấp cố định. Do đó, nó khơng phù hợp để vận hành với tốc
độ thay đổi trong các nhà máy điện gió mà khơng có bộ chuyển đổi tần số điện tử cơng
suất. Hơn nữa, máy đồng bộ thơng thường u cầu dịng điện một chiều để kích thích
trường rơto, theo truyền thống đã sử dụng chổi than trượt trên các vòng trượt trên
trục rôto. Điều này giới thiệu một số không đáng tin cậy trong việc sử dụng nó. Các
máy đồng bộ hiện đại được chế tạo không chổi than bằng cách tạo ra dịng điện một
chiều cần thiết trên chính rơto. Độ tin cậy được cải thiện rất nhiều trong khi giảm chi
phí.
3.2. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Hình 3.1: Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
3.2.1. Ưu điểm
Máy phát điện loại này có một hiệu quả và năng suất tốt, các máy phát điện có chi phí
đầu tư rẻ, phát điện khơng có chổi than, được sử dụng cả hai trong 50 hz và 60 hz lưới,
9

khả năng lỗi lưới là ít phức tạp hơn, độ tin cậy cao hơn do sự vắng mặt của các thành
phần cơ khí như các vịng trượt.
3.2.2. Nhược điểm
Bộ chuyển đổi lớn hơn, thiệt hại trong chuyển đổi cao hơn bởi vì tất cả cơng suất được
xử lý bằng cách chuyển đổi, chi phí của nam châm vĩnh cửu cao, khó khăn để xử lý
trong sản xuất, khử từ của nam châm vĩnh cửu ở nhiệt độ cao.
3.3. Máy phát điện đồng bộ dẫn động trực tiếp

Hình 3.2. Máy phát điện đồng bộ dẫn động trực tiếp
3.3.1. Ưu điểm
Dẫn động trực tiếp, bộ truyền động đơn giản bởi bỏ qua hộp số, hiệu quả và độ tin cậy
cao, bộ dẫn động có độ ồn thấp.
3.3.2. Nhược điểm
Trọng lượng và đường kính của máy phát điện lớn, chi phí cao.
3.4. Lưới điện
Lưới điện siêu nhỏ là một mạng lưới năng lượng cục bộ có khả năng điều khiển. Lưới
điện siêu nhỏ có thể được ngắt kết nối khỏi lưới điện truyền thống và hoạt động độc
lập. Một số lưới điện siêu nhỏ có thể hồn tồn khơng nối lưới và là nguồn năng lượng
chính cho người dùng cuối mà nó phục vụ.
Lưới điện siêu nhỏ có thể kết hợp nhiều nguồn năng lượng truyền thống và tái tạo khác
nhau, chẳng hạn như bộ máy phát điện diesel hoặc khí đốt tự nhiên, tua-bin gió, tấm
pin mặt trời, pin nhiên liệu và bộ lưu trữ năng lượng. Làm việc với một nhà cung cấp
hệ thống điện có uy tín, người hiểu đầy đủ về khơng gian thiết kế hệ thống điện (Hình
3.3) có thể đảm bảo một giải pháp được thiết kế tốt sẽ đạt được các mục tiêu của dự
án.

10

Hình 3.3. Cummins gần đây đã tổ chức lễ khai trương phịng thí nghiệm lưới điện siêu
nhỏ mới có tên là Trung tâm Tích hợp Điện (PIC) tại cơ sở Hệ thống Điện của hãng ở
Fridley, Minnesota. PIC là một cơ sở hiện đại cho phép cấu hình, tích hợp và thử
nghiệm các công nghệ hệ thống điện bao gồm bộ máy phát điện diesel và khí tự nhiên,
tấm pin mặt trời quang điện (PV), hệ thống lưu trữ pin, pin nhiên liệu, cơng tắc
chuyển đổi , thiết bị đóng cắt và điều khiển cấp hệ thống. Được phép: Cummins Inc.
Máy Đồng Bộ (Bộ Máy Phát Điện). Trong khi các tấm PV và pin là các thiết bị
nguồn DC, hầu hết các thiết bị điện đều sử dụng nguồn AC. Về bản chất, một bộ máy
phát điện tạo ra nguồn điện xoay chiều và có thể được sử dụng trực tiếp để cấp nguồn
cho tải xoay chiều theo yêu cầu và có thể được đấu song song với các nguồn điện xoay
chiều khác, chẳng hạn như lưới điện.
Việc kết hợp máy đồng bộ vào ứng dụng lưới điện siêu nhỏ mang lại nhiều lợi ích, vì
chúng là nguồn năng lượng đáng tin cậy, có thể gửi đi, nếu có sẵn nhiên liệu, ln có
thể được sử dụng để đáp ứng nhu cầu phụ tải điện (Hình 2). Máy phát điện, với mật độ
cơng suất cao, có thể khởi động nhanh chóng, chấp nhận khối tải lớn và cung cấp tham
chiếu cho các thành phần theo sau lưới điện, chẳng hạn như PV hoặc bộ biến tần
pin. Với các điều khiển thông minh trong các tổ máy phát điện hiện đại, việc đồng bộ
hóa tự động và chia tải có thể được thực hiện ở cấp độ thiết bị.

11


CHƯƠNG IV: MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG
4.1. Giới thiệu về máy phát điện cảm ứng :
- Máy phát điện cảm ứng do Nikola Tesla phát minh và được tài trợ bởi George
Westinghouse vào cuối những năm 1880.
-Máy phát điện cảm ứng, cịn được gọi là máy phát điện khơng đồng bộ, là một loại
máy phát điện xoay chiều sử dụng các nguyên tắc của động cơ cảm ứng để tạo ra năng
lượng điện.

- Máy phát điện cảm ứng có hai loại là roto lồng sóc và roto dây quấn.Trên thực tế,
máy phát điện cảm ứng dựa trên loại máy có động cơ cảm ứng lồng sóc được sử dụng
rất phổ biến vì chúng rẻ, đáng tin cậy và sẵn có ở nhiều kích cỡ điện từ máy cơng suất
mã lực nhỏ đến công suất nhiều megawatt khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng
4.2. Cấu tạo
Stato: Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngồi ra cịn có vỏ máy và
nắp máy Lõi thép stator có dạng hình trụ, từ các lá thép kỹ thuật điện, có dập rãnh bên
trong, ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.

Roto:Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.Lõi thép rotor gồm các
lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi thép stator ghép lại, mặt ngoài
dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục.
Dây quấn rotor của máy điện khơng đồng bộ có hai kiểu : rotor ngắn mạch cịn gọi là
rotor lồng sóc và rotor dây quấn.

12


Roto lồng sóc: gồm các thanh đồng hoặc thanh nhơm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch
bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với đồng cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên
khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát. Các động
cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn
chặt vào vành ngắn mạch.

Rotor dây quấn: được quấn dây giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ
như dây quấn stator. Dây quấn kiểu nầy luôn luôn đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào
ba vành trượt, gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục.
4.3. Nguyên lí hoạt động:

-Một nguồn điện xoay chiều được kết nối với các cực của stato của một máy phát điện

cảm ứng → trong khe hở khơng khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1 /
p.Tốc độ tương đối giữa trường quay và rôto tạo ra điện áp trong vịng kín của dây dẫn
rơto liên kết với từ thông stato φ. Độ lớn của điện áp cảm ứng được đưa ra bởi định
luật cảm ứng điện từ của
Faraday:

13


e=

dϕ
dt

Do rơto kín mạch nên trong dây quấn có dịng điện I2 . Từ thơng do dịng điện I2 hợp
với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dịng điện trong dây quấn rơto
tác dụng với từ thông khe hở sinh ra mômen. Độ lớn của mômen quay này được cho
bởi công thức sau:
T KI = kΦI2 cosφ2
Trong đó:
k = hằng số tỷ lệ
Φ = độ lớn của sóng từ thơng stato
I2= cường độ dịng điện cảm ứng trong các vịng rơto
Φ2 = góc pha mà dịng điện rơto trễ pha so với điện áp rơto
Bây giờ, nếu rôto nằm trên các ổ trục không ma sát trong chân khơng khơng có tải
trọng cơ học đi kèm, thì nó sẽ hồn tồn quay tự do với lực cản bằng không. Trong
điều kiện này, rôto sẽ cùng tốc độ với từ trường stato, cụ thể là tốc độ đồng bộ. Ở tốc
độ này, dòng điện cảm ứng trong rôto bằng không, không tạo ra mô-men xoắn và
không cần thiết. Trong những điều kiện này, rơto tìm thấy trạng thái cân bằng và sẽ
tiếp tục chạy ở tốc độ đồng bộ..

Nếu bây giờ rôto được gắn vào một tải cơ học như quạt, nó sẽ chạy chậm lại. Từ thông
stato, luôn quay với tốc độ đồng bộ không đổi, sẽ có tốc độ tương đối đối với rơto. Kết
quả là, điện áp, dịng điện và mơ-men xoắn cảm ứng điện từ được tạo ra trong rôto.
Mô-men xoắn được tạo ra phải bằng mô-men xoắn cần thiết để truyền tải ở tốc độ này.
Máy hoạt động như một động cơ trong điều kiện này.
Nếu chúng ta gắn rôto vào một tuabin gió và cho nó chạy nhanh hơn tốc độ đồng bộ
của nó thơng qua một bánh răng tăng áp, thì dịng điện cảm ứng và mơ-men xoắn trong
rơto sẽ đảo ngược hướng. Máy lúc này đóng vai trị là máy phát điện, biến đổi cơ năng
của tuabin thành điện năng, cung cấp cho phụ tải nối với các cực của stato. Nếu máy
được kết nối với lưới điện, nó sẽ cung cấp năng lượng cho lưới điện. Do đó, máy cảm
14


ứng chỉ có thể hoạt động như một máy phát điện ở tốc độ cao hơn tốc độ đồng bộ. Vì
lý do này, hoạt động của máy phát điện thường được gọi là hoạt động siêu đồng bộ của
máy điện cảm ứng.
Máy điện cảm ứng không cần kết nối điện giữa stato và rơto. Hoạt động của nó hồn
tồn dựa trên cảm ứng điện từ; do đó, tên. Việc khơng có tiếp xúc điện cọ xát và cấu
tạo đơn giản làm cho máy phát điện cảm ứng trở thành một loại máy rất mạnh mẽ,
đáng tin cậy và giá thành thấp. Vì lý do này, nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng
dụng công nghiệp.
4.4.Tốc độ rotor và độ trượt:
Độ trượt s là t độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ quay của rotor
s=

n 1−n 2
n1

Gọi
n1 : vận tốc của từ trường quay ( hay tốc độ đồng bộ).

n2 : vận tốc của rotor .
s : độ trượt của động cơ
Khi rotor quay với tốc độ quay là n2 trong khi từ trường quay có tốc độ là n1 > n2 , tốc
độ quay tương đối giữa từ trường quay và rotor là sn1 = (n1 – n2 ). Vì tần số dịng điện
phía rotor tỉ lệ thuận với tốc độ quét của từ trường quay lên thanh dẫn rotor ,ta có nhận
xét như sau;
TRẠNG THÁI

TỐC ĐỘ TỪ TRƯỜNG

TẦN SỐ ROTOR

QUAY SO VỚI ROTOR
Rotor đứng yên

n1

f2 = f1

Rotor quay

s.n1

f2

Tần số phía rotor lúc đang quay được xác định như sau:

f 2=

s. n 1. f 1

=s.t 2
n1
15


Tóm lại: f2=s.f1
- Ở chế độ động cơ thì độ trượt âm và chế độ máy phát điện thì độ trượt dương.
- Hệ số trượt s thường thay đổi từ 1 đến 10 phần trăm tùy thuộc vào kích cỡ và loại
động cơ.
-Độ trượt cao hơn dẫn đến tổn thất điện năng lớn hơn, phải được tiêu tán hiệu quả khỏi
rôto để giữ nhiệt độ vận hành trong giới hạn cho phép.

- Máy phát cảm ứng với tần số 60 Hz phải chạy ở tốc độ cao hơn 3600 vòng/phút trong
thiết kế 2 cực, 1800 vòng/phút trong thiết kế 4 cực và 1200 vòng/phút trong thiết kế 6
cực. Mặt khác, tốc độ tua-bin gió thay đổi từ vài trăm vịng/phút đối với máy cơng suất
kW đến vài chục vịng/phút đối với máy cơng suất MW. Do đó, tuabin gió phải giao
tiếp với máy phát thông qua một bánh răng cơ học. Vì đây là một số yếu tố làm giảm
hiệu quả và độ tin cậy, nhiều nhà máy nhỏ độc lập hoạt động với các máy phát điện
được thiết kế riêng hoạt động ở tốc độ thấp hơn mà không có bất kỳ thiết bị cơ khí
nào.
4.5. Mạch tương đương:

16


Mạch điện tương đương của stato và rôto qua khe hở khơng khí

Mạch điện tương đương của máy điện cảm ứng quy về stato

Nguyên lí hoạt động của máy điện cảm ứng được biểu diễn bằng mạch tương đương

trên.
Phía bên trái mạch là stato và bên phải là roto.
Trong đó:
- Dịng điện stato và rơto lần lượt được biểu diễn bằng I1 và I2.
- Điện trở của dây dẫn stato và rôto lần lượt được biểu thị bằng R1 và R2
- Nhánh mạch thẳng đứng tại điểm nối mang dòng điện từ hóa (cịn được gọi là kích
thích hoặc khơng tải) Io.
- Các tham số từ hóa Xm và Rm biểu thị tổn hao trong mạch từ của máy.
- Hầu hết các từ thông liên kết cả cuộn dây stato và rôto. Từ thông không liên kết cả
hai cuộn dây được gọi là từ thơng rị rỉ và được biểu thị bằng điện kháng rị rỉ tính
bằng ơm trên mỗi pha. Một nửa tổng điện kháng rò được quy cho mỗi bên, cụ thể là
điện kháng rò stato X1 và điện kháng rị rơto X2
Từ sơ đồ thay thế có thể tính dịng điện stato, dịng điện rotor, moment, cơng suất cơ.. .
và những tham số khác.
Từ mạch , ra có: sE2=(R2+jsX2).I2
Chia hai vé cho s ta được:
=> E2=(R2/s + jX2)I2
17


Tách R2/s thành 2 vế:
R2=R2+ R2

I2=R2

Từ đó

( 1−s )
s

( 1−s )
s

Do đó, cơng suất chuyển đổi cơ điện trên mỗi pha:

P=I22 R2

(1−s )
s

Và khi đó cơng suất chuyển đổi ba pha được cho như sau:

P=3 . I22 R2

(1−s )
s

Momen có thể hiểu là năng lượng cấp cho một vật để vật thực hiện chuyển động quay
quanh một trục một góc bằng 1 rad. Với động cơ điện, gọi P2 là công suất cơ cấp đến
trục của động cơ đang quay với vận tốc là n2 ; M là momen cơ trên trục của động cơ
và

ω

là vận tốc quay góc; ta có định nghĩa của momen như sau:

M=

P2 P2
=

ω 2 πn

4.6. Hiệu suất và làm mát
Các giá trị của R1và R2 trong mạch tương đương biểu thị tổn thất điện năng ở stato và
rôto. Tổn thất lõi từ phải bằng tổn thất dây dẫn. Do đó, với R1 và R 2 được biểu thị
bằng pu của trở kháng cơ sở, hiệu suất của máy cảm ứng xấp xỉ bằng giá trị sau:

η=1−2( R 1+R 2)
18