Đặt vấn đề Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay. Con người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió. Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện.
Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay người ta gọi đó tuabine gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền. Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới. Năng lượng điện phát ra từ các tuabine gió trong hộ gia đình là sự hiện diện của việc biến đổi nhanh công suất đặt phân bố rộng rãi trên thế giới.
Sự tương tác giữa hệ thống năng lượng gió gia đình và lưới điện sẽ là một khía cạnh quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống năng lượng gió gia đình trong tương lai. Đó là điều cần thiết để đảm bảo rằng lưới điện có khả năng làm việc trong giới hạn hoạt động của tần số và điện áp, phù hợp cho các dự kiến kết hợp việc sản xuất năng lượng điện từ gió và việc tiêu thụ điện của người tiêu dùng, đồng thời để đảm bảo duy trì thời gian lưới điện hoạt động ổn định. Vì vậy một tuabine gió khi hòa vào lưới điện cần thiết không làm chất 32 lượng điện năng xấu đi hay không làm xáo trộn tần số của lưới điện. Các tuabine gió hỗ trợ các nhà cung cấp và điều hành hệ thống điện để nâng cao chất lượng điện năng, đó là vấn đề cung cấp các dịch vụ phụ trợ điện năng.
Trong tất cả các máy phát điện được sử dụng trong hệ thống tuabine gió thì máy phát điện đồng bộ nam châm Đặng Minh Hiếu 12 Chương 2: Nghiên cứu về máy phát điện và acquy lưu trữ vĩnh cửu ( PMSG) là máy phát có ưu điểm cao nhất vì nó ổn định và an toàn trong quá trình hoạt động, đồng thời không cần nguồn điện một chiều để kích từ. Do có nhiều lợi thế nên máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được sử dụng rộng rãi hơn thay vì ban đầu chỉ được ứng dụng trong một bộ phận nho nhỏ các máy phát chạy bằng sức gió. Máy phát điện xoay chiều nam châm vĩnh cửu 2. Cấu tạo máy phát điện xoay chiều nam châm vĩnh cửu Máy phát điện 2 chiều sẽ có cấu tạo khá đơn giản, chúng được cấu tạo từ 2 phần chính là phần cảm và phần ứng.
Phần cảm: Phần cảm là nam châm vĩnh cữu: phần tạo ra từ trường., thường gọi là Rôto Phần ứng: là một cuộn dây tạo ra dòng điện, thường gọi là stato Bên cạnh hệ thống cấu tạo động cơ thì để hoàn thiện được một chiếc máy phát điện xoay chiều còn có các bộ phận khác như: đầu phát, hệ thống nhiên liệu, hệ thống làm mát và hệ thống xả. Kết hợp với bộ nạp ắc – quy, ổn áp, kết cấu khung chính, Control Panel hay thiết bị điều khiển. Cấu tạo máy phát điện xoay chiều Máy điện đồng bộ : Đặng Minh Hiếu 13 Chương 2: Nghiên cứu về máy phát điện và acquy lưu trữ Máy điện đồng bộ là các máy điện xoay chiều có tốc độ của roto bằng với tốc độ của từ trường quay. Dây quấn stato được nối với lưới điện xoay chiều, dây quấn rotor được kích từ bằng dòng điện một chiều.
Ở chế độ xác lập, máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rotor luôn không đổi khi tải thay đổi. Máy điện đồng bộ thường được dùng làm máy phát trong hệ thống điện với cơ năng được cung cấp bằng một động cơ sơ cấp ( các loại tuabine, động cơ kéo. Công suất của máy phát có thể lên đến 1000MVA hay lớn hơn, và các máy phát thường làm việc song song với nhau trong hệ thống. Động cơ đồng bộ được sử dụng khi cần công suất truyền động lớn, có thể đến hàng chục MW.
Ngoài ra, động cơ đồng bộ còn được dùng làm các máy bù đồng bộ (động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải), dùng để cải thiện hệ số công suất và ổn định điện áp cho lưới điện. Cấu tạo phần tĩnh: Nếu phần cảm nằm ở stato thì lá thép có dạng như ở hình 3.1, cuộn dây kích từ được quấn quanh cực từ. Lõi thép phần cảm ở stato Còn nếu stato đóng vai trò làm phần ứng thì mạch từ gồm các lá thép điện kỹ thuật ghép lại với nhau, phía trong có đặt các rãnh để đặt cuộn dây. Nếu rô to là phần cảm thì chia làm hai loại: Đặng Minh Hiếu 14 Chương 2: Nghiên cứu về máy phát điện và acquy lưu trữ - Rô to cực ẩn : lõi thép là một khối thép rèn hình trụ, mặt ngoài phay thành các rãnh để đặt cuộn dây kích từ.
Cực từ rô to của máy cực ẩn không lộ ra rõ rệt. Cuộn dây kích từ đặt đều trên 2/3 chu vi rô to. Với cấu tạo như trên, rô to cực ẩn có độ bền cơ học rất cao, dây quấn kích từ rất vững chắc do đó các loại máy đồng bộ có tốc độ từ 1500v/ph trở lên đều được chế tạo với rô to cực ẩn, mặc dù chế tạo phức tạp và khó khăn hơn rô to cực lồi. - Rô to cực hiện : Lõi thép gồm những lá thép điện kỹ thuật ghép với nhau, các cực từ hiện ra rõ rệt.
Phía ngoài cực từ là mỏm cực, có tác dụng làm cho cường độ từ cảm phân bổ dọc theo stato rất giống hình sin. Dây quấn kích thích quấn trên các cực từ hai đầu cuộn dây nối với hai vành trượt qua 2 chổi than tới nguồn điện một chiều bên ngoài. Rô to cực ẩn Hình 2. Rô to cực hiện Do tốc độ của gió nằm trong khoảng 70 – 120 v/ph nên số đôi cực của máy phát gió phải nhỏ (p= 1) và số bin càng nhỏ thì điện áp càng lớn.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu: Đặng Minh Hiếu 15 Chương 2: Nghiên cứu về máy phát điện và acquy lưu trữ Hình 2. Mặt cắt ngang của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Các máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có bốn cực từ, phần cắt ngang của nó được mô tả trong hình 3. Các nam châm được gắn chặt trên lõi thép rô to.
Không gian giữa các nam châm được lấp đầy bằng các lá thép hình đặc biệt, các bộ phận đó tạo ra một dòng điện đóng cho từ trường. Nam châm vĩnh cửu đã được sử dụng rộng rãi để thay thế các cuộn kích từ trong các máy đồng bộ, với những ưu điểm là thiết kế rô to không cần cuộn dây kích thích, vành trượt và bộ kích từ máy phát có thể giúp tránh gây nhiệt trong các cánh quạt và cung cấp hiệu quả tổng thể của hệ thống cao hơn. Nguyên lý làm việc của máy phát : Nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng giống như nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ, chỉ khác nhau ở chỗ ở máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì cuôn kích từ trên rô to được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu. Nguyên lý làm việc cơ bản Đặng Minh Hiếu 16 Chương 2: Nghiên cứu về máy phát điện và acquy lưu trữ Khi ta đưa dòng điện kích thích một chiều it vào dây quấn kích thích đặt trên cực từ, dòng điện it sẽ tạo nên một từ thông t.
Nếu ta quay rô to lên đến tốc độ n (v/ph) , thì từ trường kích thích t sẽ quét qua dây quấn phần ứng và cảm ứng nên trong dây quấn đó suất điện động và dòng điện phần ứng biến thiên với tần số f1 = p. Trong đó p là số đôi cực của máy. Với máy điện đồng bộ 3 pha, dây quấn phần ứng nối sao (Y) hoặc nối tam giác (Δ). Khi máy làm việc dòng điện phần ứng I ư chạy trong dây quấn 3 pha sẽ tạo nên một từ trường quay.
Từ trường này quay với tốc độ đồng bộ n1 = 60. Cấu trúc một máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu đơn giản : Hình 2. Mô hình của một PMSG đơn giản. Các kích thước hình học của mô hình: - bt = 5 mm, hc = 20 mm, D = 120 mm, De = 195 mm, = 0,5 mm, am = 38 mm, = 3 mm.
Đặc tính từ của phần cảm rô to (phần tạo ra từ trường chính) và phần ứng stato được mô tả trong hình 2. Phần nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng vật liệu NdFeB và có những đặc điểm sau: độ kháng từ Hc = 979.000 A/m; hằng số từ thẩm tương đối r = 1.049; năng lượng từ tối đa B.Hmax = 40MGOe; độ dẫn điện= 0,667 MS/m. Trục bằng thép không gỉ của máy phát có các thông số sau: độ thẩm từ tương đối r = 1 và độ dẫn điện = 1,35 MS/m. Đặng Minh Hiếu 17 Chương 2: Nghiên cứu về máy phát điện và acquy lưu trữ Hình 2.
Đặc tính từ. Ảnh hưởng của chiều dài nam châm vĩnh cửu đến dòng kích thích máy phát: Nhiều nghiên cứu đã phân tích ảnh hưởng của kích thước hình học của rô to lên thông lượng từ tính của máy phát điện (thông lượng liên kết, thông lượng tương hỗ và thông lượng rò rỉ). Đường kính D của rô to đã được giữ không đổi, các kích thước được thay đổi trong quá trình nghiên cứu là chiều dài của các nam châm vĩnh cửu bm và khe hở rô to b0. Vì vậy nếu bm có giá trị cao thì các chi tiết thép hình tạo ra đường đóng cho từ trường sẽ có kích thước nhỏ hơn do đường kính D của rô to được giữ không đổi.
Giải pháp tối ưu cho vấn đề chiều dài của nam châm vĩnh cửu có thể tìm thấy bằng cách chọn ra một tập hợp các kích thước bm và hm ( chiều cao của các nam châm vĩnh cửu ) sao cho các đại lượng như thông lượng liên kết, thông lượng tương hỗ và thông lượng rò rỉ đã được tính toán phù hợp với sự trợ giúp của phần mềm chuyên dụng.