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

Máy phát điện xoay chiều hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ: khi cuộn dây dẫn hoặc nam châm quay trong từ trường, dòng điện xoay chiều được sinh ra trong cuộn dây. Đây là nguyên lý cơ bản được ứng dụng trong hầu hết các loại máy phát điện công nghiệp và dân dụng hiện nay.

Cấu tạo chính của máy gồm rotor (phần quay, tạo từ trường) và stator (phần đứng yên, tạo dòng điện). Khi rotor quay, đường sức từ cắt qua các cuộn dây stator, sinh ra điện áp xoay chiều. Tần số và điện áp đầu ra phụ thuộc vào tốc độ quay và số cực từ của máy.

Những điều cần biết khi sử dụng máy phát điện xoay chiều:

• Tần số chuẩn: 50Hz hoặc 60Hz, phải đồng bộ với thiết bị sử dụng điện.

• Ổn định điện áp: cần bộ điều chỉnh AVR để đảm bảo điện áp ổn định khi tải thay đổi.

• Khởi động đúng cách: không nên đấu tải ngay khi vừa khởi động, cần chờ máy ổn định.

• Bảo trì định kỳ: kiểm tra dầu, lọc gió, hệ thống dây điện và vệ sinh stator – rotor để đảm bảo tuổi thọ.

Máy phát điện xoay chiều là lựa chọn tiêu chuẩn cho các hệ thống điện dự phòng, công trình công nghiệp và lưới điện quốc gia, nhờ khả năng tạo dòng điện ổn định, truyền tải xa và dễ điều chỉnh công suất theo nhu cầu sử dụng.

1. Máy phát điện xoay chiều là gì?

Máy phát điện xoay chiều là một thiết bị có khả năng biến đổi cơ năng thành điện năng dưới dạng dòng điện xoay chiều, với chiều và cường độ thay đổi một cách tuần hoàn theo thời gian. Đây là loại máy phát điện phổ biến và quan trọng nhất, bởi nó tạo ra loại dòng điện đang được sử dụng trong hầu hết các hệ thống điện trên toàn thế giới, từ lưới điện quốc gia cho đến các máy phát điện dự phòng dân dụng và công nghiệp. Thực tế, toàn bộ hệ thống điện lưới mà chúng ta đang sử dụng hàng ngày chính là dòng điện xoay chiều, và các nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện gió về bản chất đều là những máy phát điện xoay chiều có công suất khổng lồ.

2. Nguyên tắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều

Toàn bộ nguyên tắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều đều dựa trên một hiện tượng vật lý cơ bản và quan trọng nhất, đó là hiện tượng cảm ứng điện từ. Nguyên lý này phát biểu rằng, một suất điện động, hay điện áp, sẽ được sinh ra trong một mạch điện kín khi lượng từ thông đi qua mạch đó có sự biến thiên. Trong một máy phát điện, người ta tạo ra sự biến thiên từ thông này bằng cách cho một cuộn dây quay trong một từ trường hoặc cho một từ trường quay trong một cuộn dây, và chính chuyển động quay liên tục này đã tạo ra dòng điện xoay chiều.

Cụ thể hơn, quá trình này diễn ra khi các đường sức từ của một nam châm (hoặc nam châm điện) quét qua các vòng dây của một cuộn dây dẫn. Khi số lượng đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây thay đổi, nó tạo ra một dòng điện cảm ứng. Do sự quay tròn liên tục của rotor, cực bắc và cực nam của từ trường sẽ lần lượt đi qua cuộn dây, khiến cho dòng điện cảm ứng sinh ra cũng liên tục đổi chiều một cách tuần hoàn, tạo thành một dòng điện có dạng hình sin đặc trưng mà chúng ta gọi là dòng điện xoay chiều.

3. Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều

Một máy phát điện xoay chiều, dù có kích thước hay công suất thế nào, về cơ bản đều được cấu thành từ hai bộ phận chính là phần cảm và phần ứng, cùng với các bộ phận phụ trợ khác để hoàn thiện. Việc phối hợp nhịp nhàng giữa các bộ phận này là cần thiết để tạo ra dòng điện. Các bộ phận chính bao gồm phần cảm tạo ra từ trường, phần ứng tạo ra dòng điện, và các bộ phận khác. Cụ thể như sau:

• Phần cảm (Rotor): Đây là phần quay của máy phát, có nhiệm vụ tạo ra từ trường. Phần cảm có thể là một nam châm vĩnh cửu đối với các máy phát công suất rất nhỏ. Tuy nhiên, trong hầu hết các máy phát điện công nghiệp và dân dụng, phần cảm là một nam châm điện, bao gồm các cuộn dây kích từ được cấp một dòng điện một chiều không đổi để tạo ra một từ trường mạnh và ổn định.
• Phần ứng (Stator): Đây là phần tĩnh của máy phát, đứng yên và bao quanh phần cảm. Phần ứng bao gồm các lõi thép được ghép lại, trên đó có các rãnh để quấn các cuộn dây đồng. Khi từ trường của rotor quay và quét qua các cuộn dây đồng này, suất điện động xoay chiều sẽ được cảm ứng và sinh ra trên các cuộn dây của stator. Đây chính là nơi dòng điện được tạo ra và dẫn ra ngoài để sử dụng.
• Các bộ phận khác: Ngoài hai bộ phận chính trên, máy còn có các bộ phận quan trọng khác như bộ góp điện. Bộ phận này bao gồm các vành trượt và chổi than, có nhiệm vụ cấp dòng điện một chiều từ bên ngoài vào cuộn dây kích từ của rotor. Vỏ máy có chức năng bảo vệ các chi tiết bên trong và giá đỡ giúp cố định các bộ phận.

4. Phân loại máy của phát điện xoay chiều

Máy phát điện xoay chiều có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, nhưng phổ biến nhất là phân loại theo số pha của dòng điện và theo loại động cơ sơ cấp được sử dụng để làm quay máy.

• Phân loại theo số pha: Đây là cách phân loại phổ biến nhất trong ứng dụng thực tế.
  • Máy phát điện xoay chiều 1 pha: Tạo ra một dòng điện xoay chiều duy nhất, có điện áp 220V tại Việt Nam. Loại máy này có cấu tạo đơn giản, công suất nhỏ, thường được sử dụng trong sinh hoạt gia đình và kinh doanh nhỏ lẻ.
  • Máy phát điện xoay chiều 3 pha: Tạo ra một hệ thống gồm ba dòng điện xoay chiều có cùng tần số, cùng biên độ nhưng lệch pha nhau 120 độ. Loại máy này cung cấp nguồn điện 380V/220V, có công suất lớn, được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp để vận hành các động cơ và máy móc lớn.
• Phân loại theo động cơ sơ cấp: Động cơ sơ cấp là bộ phận cung cấp cơ năng để làm quay rotor của máy phát. Tùy thuộc vào nguồn năng lượng ban đầu, chúng ta có các loại máy phát điện như: máy phát điện sử dụng động cơ đốt trong (chạy bằng xăng, diesel), máy phát điện tua-bin nước (thủy điện), máy phát điện tua-bin hơi (nhiệt điện, điện hạt nhân), và máy phát điện tua-bin gió (điện gió).

5. Vai trò của máy phát điện dòng điện xoay chiều

Máy phát điện xoay chiều đóng một vai trò không thể thiếu và có mặt trong mọi mặt của đời sống hiện đại, từ các nhà máy sản xuất quy mô lớn cho đến từng hộ gia đình. Vai trò của nó được thể hiện rõ nét trong nhiều lĩnh vực. Các lĩnh vực chính bao gồm công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải và sinh hoạt hàng ngày. Cụ thể như sau:

5.1. Vai trò của máy phát điện xoay chiều trong lĩnh vực công nghiệp

Đây là lĩnh vực ứng dụng quan trọng và rộng rãi nhất của máy phát điện xoay chiều, đặc biệt là loại 3 pha. Chúng là nguồn cung cấp năng lượng chính cho toàn bộ hoạt động của các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp. Máy phát điện công nghiệp đảm bảo các dây chuyền sản xuất, hệ thống máy móc, động cơ công suất lớn có thể hoạt động liên tục, đồng thời đóng vai trò là nguồn điện dự phòng sống còn, ngăn ngừa các thiệt hại do sự cố mất điện lưới gây ra.

5.2. Vai trò trong lĩnh vực nông – lâm nghiệp

Trong nông nghiệp hiện đại, máy phát điện xoay chiều cung cấp năng lượng cho các hệ thống máy bơm tưới tiêu quy mô lớn, hệ thống thông gió và sưởi ấm trong các trang trại chăn nuôi công nghệ cao, hoặc hệ thống sục khí trong nuôi trồng thủy sản. Đối với các khu vực canh tác ở vùng sâu, vùng xa chưa có điện lưới, máy phát điện là nguồn năng lượng duy nhất để vận hành các máy móc nông nghiệp, giúp tăng năng suất và hiệu quả.

5.3. Lĩnh vực giao thông vận tải

Máy phát điện xoay chiều là một bộ phận không thể thiếu trên các phương tiện vận tải lớn. Chúng được lắp đặt trên các tàu thủy, tàu hỏa để cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống chiếu sáng, điều hòa, thông tin liên lạc và các thiết bị khác trên tàu. Tại các sân bay và cảng biển, các hệ thống máy phát điện dự phòng công suất lớn đảm bảo hoạt động của các hệ thống không lưu, đèn hiệu và thiết bị bốc dỡ không bao giờ bị gián đoạn.

5.4. Trong sinh hoạt hàng ngày

Đối với sinh hoạt hàng ngày, máy phát điện xoay chiều 1 pha là một thiết bị cực kỳ quen thuộc. Chúng là nguồn điện dự phòng đáng tin cậy cho các hộ gia đình, cửa hàng, văn phòng nhỏ mỗi khi có sự cố mất điện lưới, đặc biệt là vào những mùa cao điểm nắng nóng. Thiết bị này giúp duy trì hoạt động của các thiết bị thiết yếu như đèn, quạt, tủ lạnh, máy tính, đảm bảo cuộc sống sinh hoạt và công việc không bị ảnh hưởng.