LỊCH SỬ HÌNH THÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN

1. Khái niệm về máy phát điện

Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các động cơ tua bin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc các nguồn cơ năng khác.
Để chuyển đổi ngược điện năng sang cơ năng, người ta dùng động cơ điện. Máy phát điện và động cơ điện có rất nhiều đặc điểm giống nhau. Vậy nên, một số loại động cơ có thể biến thành máy phát điện để tạo ra điện năng.
Máy phát điện giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện. Nó thực hiện ba chức năng: phát điện, chỉnh lưu, hiệu chỉnh điện áp.

2. Lịch sử hình thành và phát triển của máy phát điện

Trước khi từ tính và điện năng được khám phá, các máy phát điện đã sử dụng nguyên lý tĩnh điện. Máy phát điện Wimshurst đã sử dụng cảm ứng tĩnh điện. Máy phát Van de Graaff đã sử dụng một trong hai cơ cấu sau:

+ Điện tích truyền từ điện cực có điện áp cao

+ Điện tích tạo ra bởi sự ma sát

Máy phát tĩnh điện được sử dụng trong các thí nghiệm khoa học yêu cầu điện áp cao. Do sự khó khăn trong việc tạo cách điện cho các máy phát tạo điện áp cao, thế nên máy phát tĩnh điện được chế tạo với công suất thấp và không bao giờ được sử dụng cho mục đích phát điện thương mại.

a/ Đĩa Faraday

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện được khám phá vào khoảng năm 1831-1832 bởi Michael Faraday.

Nguyên lý như sau: một sức điện động được tạo ra trong một cuộn dây dẫn bởi từ thông biến thiên bao quanh nó. Nguyên lý này sau này được gọi là Định luật cảm ứng Faraday.

Sau đó, Ông ta cũng đã chế tạo máy phát điện từ đầu tiên được gọi là "đĩa Faraday", nó dùng một đĩa bằng đồng quay giữa các cực của một nam châm hình móng ngựa. Nó đã tạo ra một điện áp một chiều nhỏ và dòng điện lớn.

b/ Dynamo

Dynamo là máy phát điện đầu tiên có khả năng cung cấp điện năng cho công nghiệp. Dynamo sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi năng lượng quay cơ học thành dòng điện xoay chiều. Cấu tạo của dynamo bao gồm một kết cấu tĩnh mà nó tạo ra từ trường mạnh và một cuộn dây quay.

Ở các máy phát dynamo nhỏ, từ trường được tạo ra bằng các nam châm vĩnh cửu, đối với các máy lớn, từ trường được tạo ra bằng các nam châm điện.

Máy phát dynamo đầu tiên dựa trên nguyên lý Faraday được chế tạo vào năm 1832 do Hippolyte Pixii một nhà chế tạo thiết bị đo lường.

+ Từ thí nghiệm: Ông cho nam châm quay được định vị sao cho cực Nam và cực Bắc của nó đi ngang qua một mẫu sắt được quấn bằng dây dẫn. Pixii phát hiện rằng nam châm quay đã tạo ra một xung điện trong dây dẫn mỗi lần một cực đi ngang qua cuộn dây. Ngoài ra, các cực Bắc và Nam của nam châm đã tạo ra một dòng điện có chiều ngược nhau.

+ Sau đó, bằng cách bổ sung một bộ chuyển mạch, Pixii đã có thể biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Không giống như đĩa Faraday, nhiều vòng dây được nối nối tiếp được sử dụng trong cuộn dây chuyển động của dynamo. Điều này cho phép điện áp đầu cực của máy cao hơn so với đĩa Faraday tạo ra, do đó điện năng có thể phân phối ở mức điện áp thích hợp.

c/ Jedlik dynamo

Năm 1827, Anyos Jedlik bắt đầu thử nghiệm với các thiết bị quay có từ tính mà ông gọi là các rotor tự từ hóa. Trong mẫu vật đầu tiên của một bộ khởi động đơn cực, (đã được hoàn tất trong khoảng 1852 và 1854) cả phần tĩnh lẫn phần quay đều là nam châm điện. Ông đã trình bày nguyên lý của dynamo ít nhất là 6 tháng trước Ernst Werner von Siemens và Charles Wheatstone. Trên thực chất nguyên lý của nó là thay vì sử dụng nam châm vĩnh cửu thì dùng 2 nam châm điện đối xứng nhau để tạo ra từ trường bao xung quanh rotor.

d/ Gramme dynamo

Một thời gian sau đó các nhà khoa học nhận thấy cả hai thiết kế trên đều tồn tại một vấn đề như nhau: Chúng tạo ra những xung dòng điện nhọn đầu không mong muốn.

Vào thời điểm đó, Antonio Pacinotti là một nhà khoa học người Ý đã tìm cách giải quyết vấn đề bằng cách thay các cuộn dây tròn bằng các cuộn dây hình xuyến, tạo ra bằng cách quấn trên một vòng thép. Như vậy luôn có một số vòng của cuộn dây sẽ thông qua từ trường và làm cho điện áp, dòng điện có dạng phẳng hơn.

Vài năm sau đó, Zénobe Gramme đã thực hiện lại thiết kế này khi thiết kế một số nhà máy điện ở Paris trong thập niên 1870. Thiết kế này bây giờ được gọi là Gramme dynamo. Những phiên bản khác nhau đã được phát triển, và chế tạo từ dây, nhưng nguyên lý cơ bản về những cuộn dây xếp theo vòng đã trờ thành trái tim của tất cả các dynamo hiện nay.