Đồ án Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

THỰC HIỆN TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ

CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG TUABIN GIÓ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

THỰC HIỆN TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ

CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG TUABIN GIÓ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

Sinh viên: Phạm Viết Huy

Người hướng dẫn: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn

Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

----------------o0o-----------------

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Sinh viên : Phạm Viết Huy – MSV : 1412102097

Lớp : ĐC1802- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp

Tên đề tài : Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin

gió

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( về lý luận, thực

tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ).

.....................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................... ..........

.....................................................................................................................................................

2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán

.....................................................................................................................................................

......................................................................................................................................... ...........

.....................................................................................................................................................

.............................................................................................................................. ......................

.....................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp:

.......................................................................... .........................................................................

.....................................................................................................................................................

CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Người hướng dẫn thứ nhất:

Họ và tên

:

Thân Ngọc Hoàn

Học hàm, học vị

Cơ quan công tác

Giáo sư, Tiến sĩ khoa học

Trường Đại học dân lập Hải Phòng

Toàn bộ đề tài

:

Nội dung hướng dẫn :

Người hướng dẫn thứ hai:

Họ và tên

:

Học hàm, học vị

Cơ quan công tác

:

Nội dung hướng dẫn :

Đề tài tốt nghiệp được giao ngày

tháng năm 2018.

Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày......tháng.......năm 2018

Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N

Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N

Sinh viên

Cán bộ hướng dẫn Đ.T.T.N

Phạm Viết Huy

GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn

Hải Phòng, ngày........tháng........năm 2018

HIỆU TRƯỞNG

GS.TS.NGƯT TRẦN HỮU NGHỊ

PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1.Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp.

...........................................................................................................................................................

............................................................................................................................................................

.............................................................................................................................................................

............................................................................................................................................................

2. Đánh giá chất lượng của Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T.T.N,

trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất lượng các bản vẽ..)

..............................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn

( Điểm ghi bằng số và chữ)

Ngày……tháng…….năm 2018

Cán bộ hướng dẫn chính

(Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lý

luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực

tiễn đề tài.

................................................................................................................................................................

2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện

( Điểm ghi bằng số và chữ)

MỤC LỤC

L Ờ I M Ở ĐẦ U ................................................................................................ 1

CHƯƠNG 1 . T Ổ NG QUAN V Ề NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ HỆ TH Ố NG

TUABIN GIÓ ................................................................................................. 2

1.1. GI Ớ I THI Ệ U V Ề NĂNG LƯỢNG GIÓ ................................................ 2

1.2. T Ổ NG QUAN V Ề H Ệ TH ỐNG TUABIN GIÓ ..................................... 4

1.2.1. Gi ớ i thi ệ u chung v ề h ệ th ống tuabin gió ............................................. 4

1.2.2. Gi ớ i thi ệu các bộ ph ậ n trong h ệ th ống tuabin gió[1]........................... 8

1.2.2.1. Máy phát điệ n trong h ệ th ố ng tuabin gi ó ......................................... 8

1.2.2.2. B ộ bi ến đổ i ngu ồn điệ n trong h ệ th ống tuabin gió ........................ 16

1.2.2.3. Máy biến áp trong hệ th ống tuabin gió .......................................... 19

1.2.2.4. B ộ l ọ c trong h ệ th ống tuabin gió .................................................... 20

1.2.3. Độ tin c ậ y trong h ệ th ống điệ n t ử công suấ t c ủa tuabin gió .............. 21

CHƯƠNG 2 . B Ộ BI ẾN ĐỔ I NGU ỒN ĐIỆ N TRONG H Ệ TH Ố NG

TUABIN GIÓ ............................................................................................... 24

2.1. THI Ế T B Ị ĐIỆ N T Ử CÔNG SUẤ T TRONG B Ộ BI ẾN ĐỔ I C Ủ A H Ệ

TH ỐNG TUABIN GI Ó ................................................................................. 24

2.1.1. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)......................................... 24

2.1.2. T ụ điệ n .............................................................................................. 26

2.1.3. Diode................................................................................................. 27

2.2. B Ộ BI ẾN ĐỔ I NGU ỒN ĐIỆ N M Ộ T L Ớ P[1] .................................... 28

2.2.1. B ộ bi ến đổ i ngu ồn đơn hướ ng........................................................... 28

2.2.2. B ộ bi ến đổ i ngu ồ n 2 m ứ c ( 2L-BTB )............................................... 30

2.2.3. B ộ bi ến đổ i ngu ồn đa mứ c[1]............................................................ 31

2.2.3.1. C ấu trúc kẹp diode trung tính(3L NPC BTB) ................................ 31

2.2.3.2. C ấu trúc liên kế t back to back c ầ u H (3L-HB BTB) ...................... 32

2.2.3.3. C ấu trúc liên kế t back to back 5 m ứ c c ầ u H (5L-HB BTB) ........... 33

2.2.3.4. C ấu trúc liên kế t ba chi ều trung tính đượ c g ắ n v ới diode cho phía

máy phát điện và cấu trúc liên kế t H-Bridge 5 c ấp cho phía lướ i (3L-NPC +

5L-HB) ....................................................................................................... 34

2.3. B Ộ BI ẾN ĐỔ I NGU ỒN ĐIỆ N ĐA L Ớ P............................................. 35

2.4. B Ộ BI ẾN ĐỔI CÔNG SUẤ T N ỐI LƯỚ I T Ừ NGU ỒN NĂNG

LƯỢNG TÁI TẠ O[3] ................................................................................... 39

CHƯƠNG 3. ĐIỀ U KHI Ể N H Ệ TH ỐNG ĐIỆ N T Ử CÔNG SUẤ T CHO

H Ệ TH ỐNG TUABIN GIÓ ........................................................................ 43

3.1. M Ộ T S Ố KHÁI NIỆ M V Ề H Ệ TH ỐNG TUABIN GIÓ [1]................. 43

3.2. ĐIỀ U KHI ỂN TUABIN GIÓ TỐC ĐỘ BI ẾN THIÊN VỚ I B Ộ BI Ế N

ĐỔ I NGU ỒN ĐIỆ N M Ộ T PH Ầ N ................................................................ 44

3.2.1. Gi ớ i thi ệ u h ệ th ố ng tuabin gió tốc độ bi ến thiên vớ i b ộ bi ến đổ i ngu ồ n

điệ n m ộ t ph ầ n ................................................................................................ 44

3.2.2. Điề u khi ể n tuabin gió tốc độ bi ến thiên vớ i b ộ bi ến đổ i ngu ồn điệ n

m ộ t ph ầ n[4] ................................................................................................... 46

3.3. ĐIỀ U KHI ỂN TUABIN GIÓ TỐC ĐỘ BI ẾN THIÊN VỚ I B Ộ BI Ế N

ĐỔ I NGU ỒN ĐIỆN TOÀN PHẦ N .............................................................. 47

3.3.1. Gi ớ i thi ệ u h ệ th ố ng tuabin gió tốc độ bi ến thiên vớ i b ộ bi ến đổ i ngu ồ n

điệ n m ộ t ph ầ n ................................................................................................ 47

3.3.2. Điề u khi ể n h ệ th ố ng tuabin gió tốc độ bi ến thiên vớ i b ộ bi ến đổ i

ngu ồn điệ n m ộ t ph ầ n[4] ................................................................................ 49

K Ế T LU Ậ N .................................................................................................. 52

TÀI LIỆ U THAM KH Ả O........................................................................... 53

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay vai trò của điện năng là rất quan trọng vì nó phải đáp ứng nhu

cầu cung cấp điện liên tục cho tất cả các nghành công nghiệp sản xuất và đời

sống xã hội của con người. Hơn thế nữa, việc sản xuất nguồn điện năng ngày

nay người ta còn đặc biệt chú trọng đến môi trường. Trong khi các nhà máy

thuỷ điện không hoạt động hết công suất của mình thì các nhà máy nhiệt điện

lại gây ra ô nhiễm môi trường và nguyên nhân gây nên hiệu ứng nhà kính.

Cho nên vấn đề hàng đầu được đặt ra là phát triển xây dựng phải đảm bảo vấn

đề về vệ sinh môi trường. Trên thực tế đó, cần phải tìm ra nguồn năng lượng

tái sinh để thay thế.

Năng lượng gió là nguồn năng lượng thiên nhiên vô tận, nguồn năng

lượng tái tạo không gây ô nhiễm môi trường, vì vậy chúng ta có thể tận dụng

nguồn năng lượng đó để biến thành nguồn năng lượng điện phục vụ nhu cầu

của con người. Việc xây dựng nhà máy điện gió góp phần đáp ứng nhu cầu

tiêu thụ điện và tạo ra cảnh quan du lịch. Với những tiềm năng vô cùng lớn đó,

việc nghiên cứu phát triển, cải tiến công nghệ chế tạo tuabin gió thực sự là rất

cần thiết. Do vậy em đã chọn đề tài: “Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử

công suất cho hệ thống tuabin gió” do GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn hướng

dẫn. Đề tài gồm các nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về năng lượng gió và hệ thống tuabin gió

Chương 2: Bộ biến đổi nguồn điện trong hệ thống tuabin gió

Chương 3: Điều khiển hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió

1

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ HỆ THỐNG TUABIN GIÓ

1.1. GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Năng lượng gió là nguồn năng lượng thiên nhiên mà con người đang

chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai. Hiện nay,

năng lượng gió đang mang đến nhiều hứa hẹn cho tương lai năng lượng của

nhân loại, tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng này trong tương

lai, chúng ta cần phải hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng như làm thế nào để

đạt được năng suất chuyển động năng của gió thành điện năng cao để từ đó có

thể hạ giá thành và cạnh tranh được với những nguồn năng lượng khác. Hình

1.1 và 1.2 dưới đây là những hình ảnh về những trang trại gió quy mô lớn ở

Tuy Phong- Bình Thuận- Việt Nam và tại Hà lan.

Hình 1.1: Cánh đồng điện gió Tuy Phong - Bình Thuận

2

Hình 1.2: Tuabin gió tại Hà Lan

Hiện nay, trên thế giới, việc phát triển phong điện đang là một xu thế

lớn, thể hiện ở mức tăng trưởng cao so với các nguồn năng lượng khác. Năng

lượng điện gió là nguồn năng lượng có triển vọng và phát triển trong thời gian

gần đây. Có rất nhiều nhiều quốc gia đã phát triển với quy mô lớn như Đức,

Hà Lan, Mỹ, Anh …. và đã thành lập cơ quan năng lượng quốc tế (CEA) với

14 nước thành viên hợp tác nguyên cứu các kế hoạch trao đổi thông tin kinh

nghiệm về việc phát triển năng lượng điện gió. Các quốc gia này là : Úc,

Canada, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy, Tây Ban Nha, Phần Lan, Đức, Ý,

Nhật, Hà Lan, New Zealand, Thụy Sĩ, Anh, Mỹ. Vào năm 1995 các nước

thành viên có khoảng 25000 tuabin được kết nối với mạng lưới điện và đang

vận hành tốt. Tổng công suất của các tuabin này là 3500MW và hằng năm sản

xuất ra 6 triệu MWh. Năng lượng điện gió đã trở thành nguồn năng lượng tái

sinh phát triển nhanh nhất trên thế giới đặc biệt là ở châu Âu đang chiếm 70%

tổng công suất này.

Theo BTM consult[1] năng lượng gió cho đén nay đã đạt mức tích lũy

trên toàn thế giới là 200 GW và gần 40 GW đã được lắp đặt vào năm 2010,

3

cho thấy điện gió thực sự là một phần quan trọng trong nghành công nghiệp

năng lượng của thế giới trong tương lai. Điện gió chiếm 1,8% tổng sản lượng

điện trên toàn thế giới và dự đoán cho tới năm 2019 là hơn 8% hoặc 1 TW.

Trung Quốc đang là thị trường lớn nhất trong năm 2010, đồng thời cùng với

EU và Mỹ chiếm một phần ba tổng số thị trường điện gió trên toàn thế giới.

Dưới đây hình 1.3 thể hiện năng lực lắp đặt năng lượng gió toàn cầu :

Hình 1.3: Năng lực lắp đặt năng lượng gió toàn cầu từ năm 1996 đến 2010

Thuận lợi lớn nhất của Việt Nam khi phát triển điện gió là nước ta có

tiềm năng năng lượng gió tương đối lớn. Theo kết quả điều tra, đánh giá của

Ngân hàng thế giới, Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá là

tốt và rất tốt để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn, tập trung và có tới 41%

diện tích nông thôn có thể phát triển trạm điện gió cỡ nhỏ. Đây là những số

liệu cho chúng ta tin vào tiềm năng phát triển nguồn năng lượng vô tận và

thân thiện với môi trường này.

1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TUABIN GIÓ

1.2.1. Giới thiệu chung về hệ thống tuabin gió

Hệ thống tuabin gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và

các nước công nghiệp phát triển khác. Nước Đức đang dẫn đầu thế giới về

4

công nghệ phong điện. Tới nay hầu hết vẫn là các trạm phong điện trục ngang,

gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa,

liên hệ với một tua bin 3 cánh đón gió. Máy phát điện được đặt trên một tháp

cao hình côn. Trạm phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở

châu Âu từ những thế kỷ trước, nhưng rất thanh nhã và hiện đại. Các trạm

phong điện trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor

nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Trạm phong điện

trục đứng có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao

hơn, lại có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn

nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản.

Loại này mới xuất hiện từ vài năm gần đây nhưng đã được nhiều nơi sử dụng.

Hiện có các loại máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ 1

kW tới hàng chục ngàn kW. Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc

cũng có thể nối với mạng điện quốc gia. Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ

ắc-quy và bộ đổi điện. Khi dùng không hết, điện được tích trữ vào ắcquy. Khi

không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy. Các trạm nối với mạng điện

quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy. Các trạm phong điện có thể phát điện

khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá

25 m/s (90 km/h). Tốc độ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết

bị phong điện. Dưới đây hình 1.4 là mô hình tham khảo của một hệ thống máy

phát sức gió có thể gồm các thành phần cơ bản sau đây :

5

Hình 1.4: Mô hình hệ thống tuabin gió điển hình

Cánh gió: Các Tuabin gió hiện đại thường có hai hoặc ba cánh gió. Gió

thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động

và quay.

Thiết bị Yaw: Thiết bị yaw có hai chức năng. Khi tốc độ gió nhỏ hơn

tốc độ giới hạn theo thiết kế, nó giữ cho roto đối diện với nguồn gió khi

hướng gió thay đổi. Nhưng khi tốc độ gió vượt qua giới hạn theo thiết kế, đặc

biệt là khi có gió bão, nó dịch rotor ra khỏi hướng bão.

Pitch: Cánh gió được lật hoặc xoay để điều chỉnh tốc độ của rôto. Cánh

được tiện hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho roto quay trong gió không quá

cao hay quá thấp để tạo ra điện.

Chong chóng gió (vane): Phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị

Yaw để giữ cho tuabin phản ứng phù hợp với tốc độ gió cụ thể.

6

Bộ đo tốc độ gió (anemometer): Đo tốc độ gió rồi chuyển dữ liệu đến

bộ điều khiển.

Phanh hãm (brake): Phanh dạng đĩa, được dùng như phanh cơ khí,

phanh điện hoặc phanh thủy lực để dừng roto trong các tình huống khẩn cấp

bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.

Hộp số (gear box): Hộp số được đặt giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ

cao để gia tăng tốc độ quay từ khoảng 20 đến 60 vòng/phút lên khoảng 1200

đến 1500 vòng/phút, đây là tốc độ quay mà hầu hết các máy phát cần để sản

sinh ra điện năng. Tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát để sản

xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của động cơ và

Tuabin gió. Các máy phát có tốc độ thấp hơn thì không cần bộ này.

Máy phát (generator): Thường dùng các máy phát điện đông bộ nam

châm vĩnh củu(PMSG) hoặc máy phát điện không đồng bộ (DFIG) để phát

điện năng xoay chiều.

Tháp (tower): Tháp được làm từ thép phiến hoặc các thanh thép bắt

chéo nhau với kết cấu vững vàng và chịu va đập cơ học, ăn mòn, và có tính

đàn hồi hợp lý. Vì tốc độ gió tỷ lệ với độ cao nên tháp càng cao thì tuabin

càng lấy được nhiều năng lượng và sản sinh ra được càng nhiều điện

năng.Tốc độ gió tăng ở trên cao nên tuabin được gắn trên tháp cao giúp cho

tuabin sản xuất được nhiều điện. Tháp cũng đưa tuabin lên cao trên các luồng

xoáy không khí có thể có gần mặt đất do các vật cản trở không khí như đồi

núi , nhà, cây cối.

Một nguyên tắc chung là lắp đặt một tuabin gió trên tháp với đáy của

cánh rotor cách các vật cản trở tối thiểu 9m, nằm trong phạm vi đường kính

90m của tháp. Số tiền đầu tư tương đối ít trong việc tăng chiều cao của tháp

có thể đem lại lợi ích lớn trong sản xuất điện. Ví dụ, để tăng chiều cao tháp từ

18m lên 33m cho máy phát 10kW sẽ tăng tổng chi phí cho hệ thống 10%,

nhưng có thể tăng lượng điện sản xuất 29%.

7

1.2.2. Giới thiệu các bộ phận trong hệ thống tuabin gió[1]

1.2.2.1. Máy phát điện trong hệ thống tuabin gió

a. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSG) [2]

Vì tốc độ gió luôn thay đổi theo thời gian, để tuabin vận hành tối ưu với

vận tốc gió nhất định thì hệ thống rotor phải có chức năng tự điều chỉnh theo

sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh

cửu(PMSG) hoàn toàn đáp ứng được điều này, vì từ thông luôn tồn tại sẵn

nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu trên bề mặt rotor. Máy phát điện hoạt động

với tốc độ vòng quay thấp nhưng nguồn điện năng sản xuất cao. Đây là những

ưu điểm chính khi tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh

cửu. Vì vậy, hiện nay, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSG)

đang trở thành công nghệ được sử dụng rất rộng rãi trong những hệ thống

tuabin gió.

- Cấu tạo chung của máy điện đồng bộ:

Hình 1.5: Cấu tạo máy phát điện đồng bộ

Ở loại động cơ này cực từ tạo bởi nam châm vĩnh cửu bằng hợp kim

đặc biệt có độ từ dư rất lớn ( 0,5 ÷ 1,5 T ) . Cực từ có dạng cực lồi và đặt ở

rôto khoảng cách giữa các cực có đổ nhôm kín và toàn bộ rôto là một khối trụ.

Nếu dùng làm động cơ điện thì cần đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc. Vì

khó gia công rãnh trên hợp kim nam châm nên thường chế tạo lồng sóc như

động cơ không đồng bộ và đặt hai đĩa nam châm ở hai đầu. Với kết cấu như

vậy sẽ tốn vật liệu hơn và thường chế tạo với công suất : 30 ÷ 40 W. Trong

trường hợp dùng như máy phát không có dây quấn mở máy, công suất có thể

8

lên tới 5 ÷ 10 KW đôi khi đến 100KW. Động cơ đồng bộ nói chung, động cơ

đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là những máy điện xoay chiều có phần

cảm đặt ở roto và phần ứng là hệ đây quấn 3 pha đặt ở stator. Với động cơ

đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì phần cảm được kích thích bằng những phiến

nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt roto. Các thanh nam châm

thường được làm bằng đất hiếm ví dụ như samariu - cobalt (SmCO5 –

SmCO17) hoặc Neodymium – ion – boron (NdFeb) là các nam châm có suất

năng lượng cao và tránh được hiệu ứng khử từ thường được gắn trên bề mặt

hoặc bên trong của lõi thép roto để đạt dược độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc

độ làm việc cao thì khe hở giữa các thanh nam châm có thể đắp bằng vật liệu

dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, ví dụ như sợi thủy tinh hoặc

bắt bulon lên các thanh nam châm. Ngoài ra còn có nam châm gốm có độ bền

cao. Vì rotor không cần nguồn kích thích nên động cơ loại này có thể hoạt

động mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn. Những động cơ này có công suất từ 100w

đến 100kw. Momen tối đa của máy được thiết kế không vượt quá 150%

momen định mức.Nếu máy hoạt động quá momen max thì sẽ mất tính đồng

bộ và sẽ hoạt động như một động cơ cảm ứng hoặc ngưng hoạt động. Những

động cơ này đa số là khởi động trực tiếp. Công suất và hệ số công suất của

mỗi động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường tốt hơn 5 đến 10 lần động

cơ từ trở tương ứng.

Ưu điểm: Động cơ không có chổi than hoặc vành trượt trên rotor thì

không sinh ra tia lửa điện khi hoạt động, lúc này công việc bảo dưỡng chổi

than được bài trừ. Những động cơ này có thể kéo vào đồng bộ các tải có mức

quán tính lớn hơn quán tính rotor của chúng nhiều lần.

- Máy phát điện 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 8. Các nam châm được gắn chặt trên

lõi thép rô to. Không gian giữa các nam châm được lấp đầy bằng các lá thép

9

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.

Hình 1.6: Mặt cắt ngang của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

- Nguyên lý làm việc máy phát đông bộ nam châm vĩnh cửu :

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.

PMSG là máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu do đó hoạt động của

nó như sau: khi cấp 3 dòng điện hình sin vào 3 cuộn dây stator sẽ xuất hiện từ

trường quay với tốc độ ntt = 60f/p, trong đó f- tần số biến thiên của dòng điện,

p – số đôi cực. Do từ trường của nam châm vĩnh cửu là từ trường không đổi

không quay, sự tác động giữa từ trường quay với từ trường không đổi tạo mô

men dao động, giá trị trung bình của mô men này có giá trị 0. Để máy điện có

thể làm việc được phải quay nam châm vĩnh cửu tới tốc độ bằng tốc độ từ

trường, lúc này mô men trung bình của động cơ sẽ khác 0. Việc đưa nam

10

châm vĩnh cửu tới tốc độ từ trường là phương pháp khởi động động cơ đồng

bộ thường mà ta đã nghiên cứu trước đây. Do đó khởi động bằng máy lai

ngoài, phương pháp này đắt tiền, cồng kềnh nên rất ít khi sử dụng. Phương

pháp hay dùng nhất đó là phương pháp khởi động dị bộ. Lúc này mới đặt tải

lên động cơ. Như vậy máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm quay

đồng bộ với từ trường quay, hoặc quay với tốc độ đồng bộ.

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 Iư chạy trong dây quấn 3

pha sẽ tạo nên một từ trường quay. Từ trường này quay với tốc độ đồng bộ n1

= 60.f1/p.

b. Máy điện dị bộ cấp nguồn từ hai phía (DFIG) [2]

Hệ thống phát điện trong điều kiện tốc độ máy phát thay đổi ngày càng

cần thiết cho những ứng dụng công nghệ cao trong đó đặc biệt là công nghệ

tuabin gió. Ngoài giải pháp sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì

giải pháp sử dụng máy điện dị bộ cấp nguồn từ hai phía (DFIG) với những ưu

điểm riêng cũng được sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ chế tạo tuabin gió.

Động cơ không đồng bộ là máy điện xoay chiều, có tốc độ rôto khác

tốc độ stato. Từ trường quay có thể là 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha, tuỳ thuộc vào

cấu tạo dây quấn ở stato là 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha. Theo cấu tạo dây quấn

rôto , động cơ không đồng bộ được chia làm 2 loại: Rôto lồng sóc và rôto dây

quấn động cơ không đồng bộ lồng sóc có cấu tạo đơn giản, vận hành và bảo

quản dễ dàng , độ tin cậy cao , giá thành rẻ , nên được ứng dụng rộng rãi trong

thực tế. Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn có cấu tạo phức tạp vận hành

và bảo quản khó hơn, độ tin cây kém hơn, giá thành cao hơn nhưng nó có ưu

điểm là có thể đưa điện trở phụ ở ngoài vào để cải thiện tính năng mở máy và

điều chỉnh. Tốc độ do đó nó không được sử dụng cho những nơi nào có cầu

dao về mở máy về điều chỉnh tốc độ mà động cơ lồng sóc không đáp ứng

được. Tuy nhiên động cơ không đồng bộ có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ

11