CHƢƠNG 4 : MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG TUA-BIN ĐIỆN GIÓ
4.2. Máy phát điện đồng bộ (Synchronous generator)
4.2.2. Máy phát điện nam châm vĩnh cửu – PMSG (Permanent magnet
Generator.).
WRSG là sức kéo chính của ngành cơng nghiệp năng lƣợng điện. Các cuộn dây Stato của WRSG kết nối trực tiếp vào lƣới điện và do đó tốc độ quay là cố định đúng tần số của lƣới điện cung cấp. Các cuộn dây rotor đƣợc kích thích với dịng bằng cách sử dụng các vòng trƣợt và chổi than hoặc với một kích thích khơng chổi than với một bộ chỉnh lƣu quay. Không giống nhƣ các máy phát điện cảm ứng, máy phát điện đồng bộ không cần thêm bất kỳ hệ thống bù công suất phản kháng nào. Các cuộn dây Roto, thơng qua đó dịng điện trực tiếp tạo ra các trƣờng kích thích, quay với tốc độ đồng bộ. Tốc độ của máy phát điện đồng bộ đƣợc xác định bởi tần số của các trƣờng quay và số cặp cực của rotor. Nó có lợi thế là khơng cần một hộp số.
4.2.2. Máy phát điện nam châm vĩnh cửu – PMSG (Permanent magnet synchronous generator). generator).
Trong cơng nghiệp điện gió, máy phát điện nam châm vĩnh cửu đƣợc áp dụng trong tua-bin điện gió từ năm 1993. Loại máy phát điện này hiện nay gồm 3 loại: - Máy phát điện nam châm vĩnh cửu với tốc độ cao (High speed PM generators – HS PMG) hoạt động với tốc độ từ 1000 đến 2000 v/p, loại máy phát điện này thƣờng đƣợc thiết kế hoạt động sau hộp số nhƣ những máy phát điện thông thƣờng. Máy phát có điện thế từ 690 V đến 3300 V và ứng dụng trong những tua-bin điện gió với cơng suất đến 7 MW.
- Máy phát điện nam châm vĩnh cửu với tốc độ trung bình (Medium speed PM generators – MS PMG) hoạt động khoảng từ 100 đến 500, thông thƣờng là 400 v/p, loại máy phát điện này thƣờng đƣợc thiết kế kết hợp với hộp số tốc độ thấp trong nội
vi máy phát điện. Điện thế của máy phát có thể từ 690 V đến 3300 V và đƣợc ứng dụng trong những tua-bin điện gió với cơng suất đến 7 MW hoặc cao hơn.
- Máy phát điện nam châm vĩnh cửu với tốc độ thấp (Low speed PM generators – HS PMG) hoạt động khoảng từ 5 đến 30 v/p, điện thế từ 690 V đến 3300 V và đƣợc ứng dụng trong những tua-bin điện gió với cơng suất đến 10 MW hoặc cao hơn. Nguyên tắc của loại máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhiều cực trong một vòng khung và đƣợc gắn trực tiếp với hệ thống rotor nhƣ trong tua-bin điện gió Enercon hoặc đơi khi cũng ở phía sau rotor nhƣ tua-bin ScanWind – GE 4,1- 113 vì thế cịn đƣợc gọi là máy phát điện vịng (Annular Generator).
Hình 4.23: Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong tua-bin Avantis.
Sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, hộp số và máy phát điện thông thƣờng cuả tua-bin điện gió đƣợc thay thế bằng những mảng nam châm quay vòng từ cơ năng của hệ thống cánh quạt. Với nguyên tắc thiết kế giản dị này, máy phát điện họat động với tốc độ số vòng quay rất thấp nhƣng nguồn điện năng sản xuất cao. Những ƣu điểm cơ bản khác là máy phát điện không cần bôi trơn bằng dầu, thời gian bảo trì ngắn, độ bền cao và độ ồn phát sinh cũng thấp.
Nam châm vĩnh cửu đƣợc cấu tạo từ các các hợp chất của các nguyên tố đất hiếm (rare earth) và kim loại chuyển tiếp có khả năng giữ từ tính cao và là nguồn tạo ra từ trƣờng nhƣ chất Samarium - Cobalt, Neodym (Nd), Dysprosium (Dy) hoặc Terbium (Tb).
Hình 4.24: Cuộn dây đồng trong bộ phận tĩnh Stator.
Cảm ứng điện từ sảy ra trong những cuộn dây đồng của bộ phận tĩnh Stator nhờ những lớp nam châm vĩnh cửu đặt tại vòng quay rotor. Khi rotor quay, nguồn từ trƣờng làm chuyển động những nguyên tử electron và phát sinh ra dòng điện. Trong máy phát điện đồng bộ kích thích bởi nam châm vĩnh cửu, hai bộ phận chính là bộ phận quay (Rotor) và bộ phận tĩnh (Stator).
Hình 4.25: Rotor máy phát điện và phận lõi Stator - Tua-bin Avantis.
Nguyên tắc kích thích bởi nam châm vĩnh cửu.
Trong nguyên tắc kích thích bởi nam châm vĩnh cửu, cơng suất tua-bin điện gió chỉ điều khiển đƣợc theo tốc độ số vịng quay của rotor và có ƣu điểm là không cần một nguồn điện từ bên ngồi. Với ngun tắc này tua-bin điện gió đạt đƣợc hệ số cơng suất cao, tuy nhiên nhƣợc điểm chính là cần thêm bộ phận điều chỉnh thất thốt về cơng suất truyền dẫn và cơng suất của tua-bin điện gió.
Hình 4.26: Ngun tắc kích thích từ dịng điện ngồi.
Trong ngun tắc kích thích từ dịng điện ngồi, máy phát điện chỉ khởi động đƣợc khi có một dịng điện từ bên ngồi kích họat. Ƣu điểm của nguyên tắc này là việc điều chỉnh công suất của tua-bin dễ thực hiện theo dịng điện kích hoạt, nhƣợc điểm là thiết kế phức tạp và bắt buộc phải có một dịng điện từ bên ngồi thì máy phát điện mới hoạt động đƣợc.
Hình 4.37: Nguyên tắc tự kích thích.
Trong nguyên tắc tự kích thích, nguồn từ trƣờng trong máy phát điện sẽ tự kích thích nhờ dịng điện xoay chiều đƣợc chuyển qua điện một chiều. Ƣu điểm của nguyên tắc tự kích thích là khơng cần thêm một nguồn điện ngồi nhƣng vẫn có thể điều chỉnh đƣợc cơng suất của tua-bin, nhƣợc điểm của nguyên tắc này là hiệu số công suất của máy phát điện thấp và có thiết kế phức tạp.
Hình 4.28: Cấu trúc tua-bin Vensys sử dụng máy điện nam châm vĩnh cửu - kích thích bởi nam châm vĩnh cửu.
Hình 4.29: Cấu trúc tua-bin Enercon sử dụng máy điện nam châm vĩnh cửu - kích thích từ dịng điện ngồi.
Hình 4.30: Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong tua-bin Enercon E70 .