Máy phát điện sản xuất điện như thế nào? Hiểu nguyên lý, cấu tạo, vận hành và bảo trì chỉ trong một bài viết!

Máy phát điện là "bước cuối cùng trong quá trình sản xuất điện năng"—nó chuyển đổi năng lượng cơ học được truyền bởi tuabin thành điện năng mà chúng ta có thể sử dụng. Máy phát điện sản xuất điện như thế nào? Các bộ phận như stato và rôto có chức năng gì? Dưới đây chúng ta sẽ lần lượt giới thiệu về chúng.

1.Máy phát điện tạo ra điện thông qua "cảm ứng điện từ".

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện chủ yếu dựa trên định luật cảm ứng điện từ — nói một cách đơn giản, đó là việc "từ trường quay cắt qua các dây dẫn, tạo ra dòng điện". Lấy ví dụ là loại "máy phát đồng bộ" thường được sử dụng trong các nhà máy điện tận dụng nhiệt thừa, toàn bộ quá trình phát điện bao gồm 4 bước:

Bước Một : Thiết lập từ trường ("nguồn từ")

Nguyên lý: Cung cấp dòng điện một chiều cho "cuộn kích từ" của rô-to máy phát điện sẽ tạo ra một từ trường có cực tính luân phiên (ví dụ, các cực Bắc và Nam được sắp xếp xen kẽ), đây chính là "từ trường chính", tương đương với việc cung cấp một "nguồn từ" cho quá trình phát điện.

Nguồn chính: Dòng điện kích từ được cung cấp bởi "hệ thống kích từ" (ví dụ như máy biến áp kích từ, các thiết bị chỉnh lưu), tương tự như việc "nạp điện" cho từ trường nhằm đảm bảo độ ổn định của cường độ từ trường.

Bước hai : Cung cấp năng lượng cắt (đầu vào "chuyển động")

Nguyên lý: Tuabin (bộ phận dẫn động chính) của nhà máy điện dẫn động rô-to máy phát điện quay thông qua một khớp nối - công suất của tuabin đến từ hơi nước (hơi nước tác động lên các cánh tuabin làm chúng quay, chuyển đổi năng lượng nội tại thành năng lượng cơ học), và rô-to quay cùng với từ trường chính, tạo thành một "từ trường quay."

Hành động chính: Tốc độ của từ trường quay trùng với tốc độ của tuabin (ví dụ, 3000 vòng/phút tương ứng với nguồn điện xoay chiều 50Hz), bước này là "cung cấp đầu vào năng lượng cơ học cho máy phát điện," đồng thời cũng là "nguồn năng lượng để từ trường cắt qua các dây dẫn."

Tuabin dẫn động rô-to máy phát điện quay với tốc độ 3000 vòng/phút, do đó từ trường quay có thể liên tục cắt qua cuộn dây stato.

Bước ba sự hình thành của suất điện động cảm ứng

Nguyên lý: Trường từ quay cắt lần lượt qua các 'dây quấn đối xứng ba pha' trên stato (ba pha A-X, B-Y, C-Z, cách nhau 120° về góc điện). Theo định luật cảm ứng điện từ, một dây dẫn cắt các đường sức từ sẽ tạo ra 'sức điện động cảm ứng', tương tự như 'áp lực nước trong ống'.

Đặc điểm chính: Sức điện động cảm ứng là 'dòng điện xoay chiều ba pha đối xứng', với độ lớn và chiều thay đổi tuần hoàn theo sự quay của từ trường, đây chính là 'bản mẫu' của năng lượng điện.

Bước bốn : Đầu ra của năng lượng điện

Nguyên lý: Các đầu nối dây quấn stato được đưa ra ngoài và nối với mạch điện; sức điện động cảm ứng điều khiển sự di chuyển của điện tích, từ đó tạo ra "dòng điện" — năng lượng cơ học cuối cùng được chuyển đổi thành năng lượng điện, hoàn thành toàn bộ quá trình chuyển đổi năng lượng.

Đảm bảo ổn định: Để có được nguồn điện năng sử dụng được và ổn định, hệ thống cũng yêu cầu một "hệ thống bảo vệ điều khiển" (như bộ ổn định điện áp và bảo vệ vi sai) nhằm tránh các dao động điện áp hoặc sự cố có thể làm hỏng thiết bị.

2. Kết cấu chính: Bốn bộ phận cốt lõi của máy phát điện. Dù máy phát điện có vẻ phức tạp, nhưng cấu trúc cốt lõi của nó gồm có bốn phần, mỗi phần có một chức năng cụ thể:

Stato: "Đầu cố định tạo ra điện"

Các bộ phận: ba phần chính - lõi stato, dây quấn stato và bệ máy.

Lõi stato: Được làm bằng các tấm thép silicon cán nguội không định hướng cấp F (có độ dày khoảng 0,35mm) được xếp chồng lên nhau, có độ dẫn từ tốt và tổn thất thấp;

Dây quấn stato: Được bện từ nhiều sợi dây đồng đặc và được cách điện bằng "băng mica cấp F", nó đóng vai trò như "dây dẫn" tạo ra suất điện động cảm ứng;

Khung máy: Kết cấu bằng thép một khối với các "gân định vị đàn hồi" bên trong lòng máy, giúp giảm rung động hài trong quá trình vận hành (tránh việc truyền rung động từ lõi xuống khung máy).

Chức năng: Giữ nguyên vị trí cố định, cho phép từ trường quay của rô-to cắt qua dây quấn, từ đó tạo ra điện năng.

Rô-to: "Từ trường quay"

Cấu tạo: Lõi rô-to (hoặc cực từ), dây quấn kích từ, vành góp, trục rô-to.

Trục rô-to: Được làm từ thép hợp kim cường độ cao, là khối rèn đặc chắc, có khả năng chịu được mô-men xoắn của tua-bin hơi nước, đóng vai trò là "khung xương" của rô-to;

Dây quấn kích từ: Được quấn trong các rãnh của lõi rô-to, dây quấn này dẫn dòng điện một chiều để tạo ra từ trường chính. Các rãnh dẫn khí trong rãnh quấn tạo thành "đường dẫn không khí làm mát" (để tránh dây quấn bị quá nhiệt);

Vòng trượt: Kết nối dây quấn kích từ với hệ thống kích từ bên ngoài, có nhiệm vụ truyền dòng điện một chiều kích từ (bề mặt vòng trượt phải nhẵn để tránh tiếp xúc kém). Vòng trượt bị xù xì dễ gây ra phát tia lửa điện.

Chức năng: Quay cùng với từ trường chính, cung cấp "năng lượng để cắt các đường sức từ".

Nắp đầu và ổ trục: "Kết nối và đỡ"

Nắp đầu: Được cố định ở hai đầu khung máy, bịt kín bên trong máy phát điện để ngăn bụi và độ ẩm xâm nhập;

Ổ trục: Được chia thành "ổ trục hướng tâm" và "ổ trục đẩy" - ổ trục hướng tâm đỡ trọng lượng rôto và giảm ma sát khi quay; ổ trục đẩy giới hạn sự dịch chuyển trục của rôto (ngăn rôto chạm vào stato), dầu bôi trơn đi qua ổ trục tạo thành lớp "màng dầu" giúp giảm mài mòn.

Bộ làm mát khí: "Chìa khóa cho hệ thống làm mát"

Vai trò: Khi máy phát điện đang hoạt động, lõi và dây quấn sẽ sinh nhiệt (ví dụ như tổn hao đồng và tổn hao sắt). Bộ làm mát không khí sẽ loại bỏ nhiệt bằng "tuần hoàn không khí lạnh", duy trì nhiệt độ stato ở mức ≤130°C và nhiệt độ rôto ở mức ≤120°C (nhiệt độ cho phép của cách điện loại F).

Chi tiết thực tế: Các bộ làm mát thường được lắp đặt ở cả hai đầu của máy phát điện (một số trường hợp có thể đặt ở giữa), nhiệt độ nước đầu vào được kiểm soát ở mức 30-35°C và nhiệt độ nước đầu ra không vượt quá 40°C để đảm bảo hiệu quả làm mát.

3. Các điểm vận hành và bảo trì quan trọng:

1. Giám sát nhiệt độ: Tránh hư hỏng do quá nhiệt

Tập trung kiểm tra:

Nhiệt độ dây quấn stato: Giám sát bằng các cảm biến nhiệt độ tích hợp, mức bình thường ≤130°C, cảnh báo nếu vượt quá 140°C (có thể dùng nhiệt kế hồng ngoại hỗ trợ đo nhiệt độ bề mặt lõi);

Nhiệt độ dây quấn rôto: Được giám sát thông qua điện trở nhiệt gần vành trượt, mức bình thường ≤120°C;

Nhiệt độ ổ trục: Ổ trục hướng tâm ≤ 65℃, ổ trục hướng dọc ≤ 75℃, quá nhiệt có thể dẫn đến cháy ổ trục (một nhà máy điện nhất định đã phải ngừng hoạt động để bảo trì do nhiệt độ ổ trục vượt quá 80℃).

2. Kiểm tra độ rung: Ngăn ngừa ma sát động và tĩnh

3. Kiểm tra cách điện: Tránh sự cố rò rỉ

Tập trung kiểm tra:

Cách điện cuộn dây stato: Mỗi tháng, đo điện trở cách điện xuống đất bằng đồng hồ đo cách điện 2500V, ≥1MΩ (ở 25°C) là đạt tiêu chuẩn, nếu dưới 0,5MΩ cần phải xử lý sấy khô;

Cách điện vòng trượt: Kiểm tra xem lớp cách điện giữa vòng trượt và trục rôto có bị hư hỏng không để tránh rò rỉ dòng điện kích từ.

Các thao tác và bảo trì: Làm sạch bụi bám trên bề mặt cuộn dây stato trong thời gian ngừng hoạt động để ngăn dầu bám vào và độ ẩm ảnh hưởng đến cách điện.

4. Giám sát thông số: Đảm bảo chất lượng điện năng

Tập trung kiểm tra:

Điện áp: Độ lệch điện áp đầu ra stato ≤ ±5% giá trị định mức (ví dụ, đối với máy phát điện 10,5kV, điện áp phải nằm trong khoảng 9.975~11.025kV);

Dòng điện: Không được vượt quá dòng điện định mức (ví dụ, đối với máy phát điện 15MW, dòng điện định mức khoảng 866A), để tránh quá tải;

Dòng điện/điện áp kích từ: Ổn định quanh giá trị định mức, độ dao động ≤ ±2% (dòng kích từ bất thường có thể gây từ trường không ổn định, ảnh hưởng đến điện áp);

5. Vệ sinh và Bảo trì: Giảm nguy cơ hư hỏng

Tập trung kiểm tra:

Bộ làm mát khí: Làm sạch bụi bám trên các cánh tản nhiệt mỗi quý (thổi sạch bằng khí nén) để tránh tắc nghẽn gây giảm hiệu suất làm mát;

Vành trượt: Giữ bề mặt nhẵn mịn, kiểm tra độ mòn của chổi than (thay khi đạt đến độ dài quy định) và đảm bảo truyền dẫn dòng kích từ ổn định; đừng quên kiểm tra xem giá đỡ chổi than có bị lỏng không.◦

Bên trong Thân máy: Kiểm tra lõi stato để phát hiện độ lỏng và kiểm tra các cuộn dây để phát hiện biến dạng mỗi năm một lần trong thời gian ngừng hoạt động, đồng thời làm sạch bụi tích tụ bên trong.