Cấu tạo máy phát điện xoay chiều 3 pha: chi tiết các bộ phận và nguyên lý

Máy phát điện xoay chiều 3 pha là thiết bị tạo ra dòng điện xoay chiều thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ, gồm các bộ phận chính như phần cảm, phần ứng, bộ chỉnh lưu, ổn áp và hệ thống điều khiển. Cấu tạo này giúp máy phát tạo ra điện áp ổn định ở ba pha lệch nhau 120°, phù hợp với nhu cầu sử dụng trong công nghiệp, nhà máy và hệ thống điện quốc gia.

Phần cảm gồm rotor và các cuộn dây kích từ, có nhiệm vụ tạo ra từ trường quay khi được cấp dòng điện một chiều. Khi rotor quay nhờ động cơ diesel hoặc tua-bin, nó tạo ra từ trường biến thiên trong không gian.

Phần ứng là stato gồm ba cuộn dây quấn trên lõi thép, sắp xếp lệch nhau 120 độ trên vòng tròn. Từ trường quay của phần cảm cắt qua các cuộn dây phần ứng, tạo ra dòng điện xoay chiều 3 pha.

Bộ chỉnh lưu thường là cầu diode, dùng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ máy phát thành dòng điện một chiều cho cuộn kích, đảm bảo rotor luôn có từ trường cần thiết trong suốt quá trình vận hành.

Bộ ổn áp (AVR) giúp duy trì điện áp đầu ra ổn định bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ, nhất là khi tải thay đổi. Đây là bộ phận rất quan trọng để đảm bảo chất lượng điện và bảo vệ thiết bị sử dụng điện.

Hệ thống điều khiển gồm bảng điện tử, cảm biến và thiết bị bảo vệ như relay, aptomat, giúp người vận hành giám sát điện áp, dòng điện, tần số, nhiệt độ và cảnh báo sự cố kịp thời.

Nguyên lý hoạt động dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday: khi từ trường quay từ rotor cắt qua các cuộn dây stato, dòng điện xoay chiều được tạo ra trong từng pha, hình thành hệ thống điện ba pha ổn định, sẵn sàng cấp cho các tải công nghiệp hoặc hòa lưới điện.

Bài viết liên quan:

• Nguyên tắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều và những điều cần biết

• Giải mã các ký hiệu trên máy phát điện chi tiết từ A-Z

1. Máy phát điện xoay chiều 3 pha là gì?

Máy phát điện xoay chiều 3 pha là một thiết bị cơ điện có khả năng tạo ra một hệ thống gồm ba dòng điện xoay chiều riêng biệt, có cùng tần số và biên độ nhưng lệch pha nhau một góc 120 độ. Cấu trúc 3 pha này giúp cung cấp một nguồn năng lượng mạnh mẽ, ổn định và cân bằng hơn rất nhiều so với dòng điện 1 pha. Nó cho phép truyền tải điện năng đi xa một cách hiệu quả và là tiêu chuẩn để vận hành các động cơ điện công suất lớn.

Chính vì vậy, đây là loại máy phát điện cốt lõi được sử dụng trong mọi hoạt động công nghiệp, từ các nhà máy sản xuất, công trường xây dựng cho đến các tòa nhà thương mại lớn.

2. Nguyên lý hoạt động cốt lõi

Nguyên lý máy phát điện 3 pha cũng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, tương tự như máy 1 pha. Nguyên lý này phát biểu rằng một suất điện động (điện áp) sẽ được sinh ra trong một cuộn dây dẫn khi có từ thông đi qua nó biến thiên. 

Tuy nhiên, điểm khác biệt cốt lõi nằm ở cách sắp xếp các cuộn dây trong phần ứng để có thể tạo ra ba dòng điện lệch pha nhau. Khi từ trường của rotor quay, nó sẽ lần lượt quét qua ba cuộn dây pha được đặt lệch nhau một góc 120 độ trong không gian, từ đó cảm ứng ra ba suất điện động xoay chiều có pha lệch nhau tương ứng, tạo thành một hệ thống điện 3 pha cân bằng.

Nguyên lý tạo ra ba dòng điện lệch pha này mang lại những ưu điểm vượt trội so với dòng điện 1 pha, khiến nó trở thành tiêu chuẩn cho các ứng dụng công nghiệp.

• Cung cấp công suất liên tục và ổn định hơn: Tổng công suất của cả ba pha tại mọi thời điểm là một hằng số, không bao giờ giảm xuống bằng không như dòng điện 1 pha. Điều này giúp các động cơ công suất lớn hoạt động một cách trơn tru, mạnh mẽ và không bị rung giật.
• Hiệu quả hơn trong việc truyền tải điện năng: Để truyền tải cùng một lượng công suất đi xa, hệ thống 3 pha sử dụng ít vật liệu dây dẫn hơn so với hệ thống 1 pha, giúp giảm chi phí và tổn hao năng lượng trên đường dây.
• Động cơ 3 pha có cấu tạo đơn giản và hiệu quả hơn: Các động cơ điện 3 pha có thể tự khởi động mà không cần các mạch khởi động phức tạp như động cơ 1 pha, đồng thời chúng cũng có hiệu suất hoạt động cao hơn.

3. Cấu tạo chi tiết của một tổ máy phát điện xoay chiều 3 pha

Các thành phần cấu tạo máy phát điện công nghiệp xoay chiều 3 pha bao gồm stator là nơi sinh ra dòng điện, rotor là nơi tạo ra từ trường, và các hệ thống phụ trợ quan trọng khác. Cụ thể như sau:

3.1. Stator (phần ứng) – nơi tạo ra dòng điện

Stator là phần vỏ đứng yên của máy phát, có nhiệm vụ chính là nơi các cuộn dây được đặt để cảm ứng và sinh ra dòng điện xoay chiều 3 pha. Cấu tạo của stator bao gồm:

• Lõi thép: Là một khối hình trụ rỗng được ghép lại từ nhiều lá thép kỹ thuật điện mỏng có phủ sơn cách điện. Việc ghép từ các lá thép mỏng giúp làm giảm tổn hao năng lượng do dòng điện xoáy (eddy current) gây ra khi từ trường quay. Mặt trong của lõi thép được xẻ các rãnh song song với trục để đặt các cuộn dây.
• Dây quấn: Đây là điểm khác biệt cốt lõi nhất của máy phát 3 pha. Bên trong các rãnh của stator được đặt ba bộ cuộn dây pha hoàn toàn riêng biệt. Ba bộ dây này có cùng số vòng dây nhưng được đặt lệch nhau một góc chính xác là 120 độ trong không gian, cấu trúc này là yếu tố quyết định để tạo ra một hệ thống ba dòng điện lệch pha.

3.2. Rotor (phần cảm) – nơi tạo ra từ trường

Rotor là bộ phận quay được kết nối với trục động cơ, có chức năng tạo ra một từ trường quay mạnh mẽ để quét qua các cuộn dây của stator. Trong các máy phát điện công nghiệp, rotor là một nam châm điện, bao gồm:

• Lõi thép rotor: Là một khối thép đặc, được gia công để tạo thành các cực từ và có các rãnh để quấn dây.
• Dây quấn kích từ: Đây là các cuộn dây đồng được quấn quanh các cực từ của rotor. Khi được cấp một dòng điện một chiều (DC) từ bên ngoài, các cuộn dây này sẽ tạo ra một từ trường cực mạnh, biến rotor thành một nam châm điện có các cực Bắc - Nam rõ rệt.

3.3. Các hệ thống phụ trợ quan trọng khác

Để rotor có thể tạo ra từ trường và để dòng điện đầu ra được ổn định, máy phát cần có các hệ thống phụ trợ không thể thiếu.

• Bộ kích từ: Đây là hệ thống có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều (DC) ổn định cho các cuộn dây kích từ trên rotor. Trong các máy phát hiện đại, bộ kích từ thường là một máy phát điện nhỏ khác được gắn đồng trục hoặc là một hệ thống kích từ không chổi than tiên tiến.
• Bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR): Đây là "bộ não" điều khiển chất lượng điện áp. AVR liên tục đo điện áp đầu ra của stator, so sánh với giá trị cài đặt và tự động điều chỉnh dòng điện kích từ của rotor để giữ cho điện áp đầu ra luôn ổn định ở mức 380V/220V, bất kể phụ tải thay đổi.
• Vỏ máy và hệ thống làm mát: Vỏ máy có chức năng bảo vệ các chi tiết bên trong và là nơi để lắp đặt các bộ phận. Quạt làm mát được gắn trên trục rotor sẽ hút không khí từ bên ngoài vào để giải nhiệt cho cả stator và rotor, đảm bảo máy không bị quá nóng khi hoạt động trong thời gian dài.

>>> Xem thêm: Mạch ổn áp cho máy phát điện là gì? Nguyên lý hoạt động và cách lựa chọn phù hợp

4. Sự khác biệt chính trong cấu tạo so với máy phát điện 1 pha

Sự khác biệt cơ bản và quan trọng nhất trong cấu tạo giữa máy phát điện 3 pha và 1 pha nằm ở cách bố trí và số lượng các cuộn dây pha trên phần tĩnh (Stator). Chính cấu trúc sắp xếp đặc biệt này của stator là yếu tố quyết định để tạo ra một hệ thống điện 3 pha cân bằng, thay vì một dòng điện 1 pha duy nhất.

Ở máy phát điện 1 pha, toàn bộ các rãnh trên stator được dùng để đặt một cuộn dây pha chính duy nhất. Mặc dù có thể có thêm cuộn dây phụ để hỗ trợ khởi động, nhưng về bản chất, chúng chỉ tạo ra một suất điện động xoay chiều duy nhất khi từ trường của rotor quét qua.

Ngược lại, ở máy phát điện 3 pha, các rãnh trên stator được chia đều làm ba phần để đặt ba bộ cuộn dây pha hoàn toàn độc lập và giống hệt nhau. Ba bộ dây này được đặt lệch nhau một góc chính xác là 120 độ trong không gian. Khi rotor quay với tốc độ không đổi, từ trường của nó sẽ lần lượt quét qua ba cuộn dây này ở các thời điểm khác nhau, từ đó cảm ứng ra ba dòng điện xoay chiều có cùng tần số, cùng biên độ nhưng lệch pha nhau đúng 120 độ.

Trong khi đó, các bộ phận khác như rotor (phần cảm) và các hệ thống phụ trợ về cơ bản có nguyên lý hoạt động tương tự nhau. Do đó, có thể khẳng định rằng cấu trúc của dây quấn stator chính là đặc điểm nhận dạng và là sự khác biệt cốt lõi nhất về mặt cấu tạo giữa hai loại máy phát điện này.

Lời kết: Sự kết hợp nhịp nhàng giữa các bộ phận trong cấu tạo máy phát điện xoay chiều 3 pha, đặc biệt là giữa từ trường quay của rotor và hệ thống ba cuộn dây tĩnh của stator, đã tạo ra một thiết bị cung cấp năng lượng mạnh mẽ và hiệu quả. Đây chính là nền tảng cho hoạt động của toàn bộ các ngành công nghiệp và hạ tầng hiện đại ngày nay.