Hệ thống thông gió trong đầu phát máy phát điện
Đầu phát là bộ phận sinh ra điện năng trong máy phát điện. Quá trình này tạo ra lượng nhiệt lớn có thể gây hư hỏng các cuộn dây và cách điện. Hệ thống thông gió đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ vận hành an toàn cho đầu phát. Hyundai Việt Thanh sẽ phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý và phương pháp bảo dưỡng.
Nguồn sinh nhiệt
Nhiệt độ trong đầu phát tăng cao do ba nguồn chính. Tổn hao đồng xuất hiện khi dòng điện chạy qua cuộn dây stato và roto. Năng lượng tiêu tán dưới dạng nhiệt theo định luật Joule. Tổn hao sắt từ phát sinh từ dòng điện xoáy và hiện tượng từ trễ trong lõi thép. Tạo ra nhiệt khi từ trường đổi chiều liên tục. Tổn hao cơ khí bao gồm ma sát ở ổ đỡ và sức cản của không khí khi roto quay với tốc độ cao.
Mật độ nhiệt không đồng đều trong toàn bộ đầu phát. Các điểm nóng tập trung ở đầu cuộn dây stato, rãnh chứa dây dẫn và bề mặt roto. Nhiệt độ có thể vượt 130°C ở những vị trí này nếu không được làm mát kịp thời. Lượng nhiệt sinh ra tỷ lệ thuận với công suất máy phát. Các máy phát công suất lớn cần hệ thống làm mát mạnh hơn.
Nguồn tạo gió
Quạt ly tâm gắn trực tiếp trên trục roto là nguồn tạo gió chủ yếu trong hầu hết các máy phát. Quạt quay cùng tốc độ với roto, tạo lực ly tâm đẩy không khí từ tâm ra ngoài. Thiết kế cánh quạt ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng và áp suất gió. Các cánh quạt thường được tính toán để tối ưu hiệu suất trao đổi nhiệt.
Một số máy phát lớn sử dụng quạt độc lập được dẫn động bởi động cơ riêng. Giải pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ quạt theo nhu cầu. Máy phát công suất nhỏ có thể dùng rãnh thông gió trên roto để tạo hiệu ứng bơm không khí khi quay.
Áp suất gió cần đủ lớn để khắc phục sức cản của các khe hở, rãnh dây và bộ lọc không khí. Lưu lượng gió phải đảm bảo thay đổi hoàn toàn không khí trong đầu phát.
Đường đi không khí
Không khí lạnh được hút vào từ bên ngoài, đi qua bộ lọc để loại bỏ bụi và tạp chất. Sau đó không khí được quạt đẩy vào khoảng trống giữa stato và roto. Luồng không khí đi qua các rãnh thông gió để tiếp xúc trực tiếp với bề mặt tản nhiệt.
Một phần không khí đi vào khe hở khí giữa stato và roto, vùng có nhiệt độ cao nhất. Không khí chảy qua các kênh dẫn bên trong roto rỗng hoặc quanh các cuộn dây roto để hấp thụ nhiệt. Không khí nóng sau đó thoát ra ở phía đối diện, đi qua bộ trao đổi nhiệt.
Thiết kế đường dẫn gió phải đảm bảo phân bố đồng đều đến mọi vùng sinh nhiệt. Các tấm chắn và vách ngăn được bố trí để hướng dòng khí đến những điểm cần làm mát nhiều nhất. Tốc độ gió thường duy trì từ 10-30 m/s tùy theo vị trí và thiết kế.
Thành phần tham gia thông gió
Quạt gió là thành phần chủ động tạo lưu lượng không khí. Thường là quạt ly tâm hoặc quạt hướng trục. Bộ lọc không khí loại bỏ bụi bẩn trước khi vào đầu phát. Bảo vệ cuộn dây và cách điện khỏi tích tụ chất bẩn. Hệ thống ống dẫn và kênh dẫn gió phân phối không khí đến các vùng cần làm mát.
Rãnh thông gió trên lõi thép stato là các khe hở được gia công theo chiều dọc, tạo diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn. Vách ngăn và tấm chắn định hướng luồng không khí đi theo đường mong muốn. Cửa gió vào và ra có van điều chỉnh để kiểm soát lưu lượng.
Bộ trao đổi nhiệt khí-nước trước khi tuần hoàn lại vào đầu phát trong hệ thống kín. Cảm biến nhiệt độ được đặt ở nhiều vị trí để giám sát nhiệt độ không khí và cuộn dây. Hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh lưu lượng gió dựa trên tín hiệu nhiệt độ.
Cơ chế làm mát
Đối lưu cưỡng bức là cơ chế làm mát chính. Không khí chuyển động nhanh cuốn nhiệt từ bề mặt cuộn dây và lõi thép. Hiệu quả truyền nhiệt tăng theo tốc độ gió và diện tích tiếp xúc. Không khí có khả năng hấp thụ nhiệt theo nhiệt dung riêng và lưu lượng tuần hoàn.\
Dẫn nhiệt xảy ra từ điểm nóng bên trong cuộn dây ra bề mặt ngoài tiếp xúc với không khí. Vật liệu dẫn điện tốt như đồng cũng dẫn nhiệt tốt, giúp phân tán nhiệt đồng đều. Cách điện có độ dẫn nhiệt kém hơn, cần được thiết kế mỏng để không cản trở truyền nhiệt.
Bức xạ nhiệt đóng vai trò phụ ở nhiệt độ vận hành thông thường của đầu phát. Các bề mặt được sơn màu tối hấp thụ và phát xạ nhiệt tốt hơn. Trong máy phát làm mát bằng khí hydro hoặc helium, hiệu quả trao đổi nhiệt cao hơn không khí thường do tính chất nhiệt động học ưu việt.
Tác động đến đầu phát
Thông gió tốt duy trì nhiệt độ cuộn dây dưới giới hạn cho phép của cách điện, kéo dài tuổi thọ máy phát. Mỗi tăng 10°C làm giảm tuổi thọ cách điện đi một nửa theo quy tắc kinh nghiệm. Kiểm soát nhiệt độ giúp tránh lão hóa nhanh và hư hỏng cách điện.
Làm mát đồng đều ngăn ngừa biến dạng do giãn nở nhiệt không đều, bảo vệ kết cấu cơ khí của đầu phát. Nhiệt độ cao làm tăng điện trở cuộn dây, gây tổn thất công suất. Thông gió kém tạo điểm nóng cục bộ dẫn đến cháy cách điện.
Không khí sạch ngăn chặn bụi bẩn tích tụ trên cuộn dây, tránh phóng điện bề mặt và ngắn mạch. Độ ẩm trong không khí cần được kiểm soát để tránh ngưng tụ gây ăn mòn. Áp suất gió ổn định đảm bảo tải trọng cơ học lên cuộn dây không thay đổi đột ngột.
Kiểm soát và bảo dưỡng
Kiểm tra định kỳ bộ lọc không khí mỗi tháng, vệ sinh hoặc thay thế khi bị bẩn để duy trì lưu lượng gió. Đo nhiệt độ không khí vào và ra để đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt. Chênh lệch nhiệt độ tăng cao báo hiệu hệ thống làm mát suy giảm.
Kiểm tra quạt gió về độ rung, tiếng ồn bất thường và tình trạng cánh quạt bị mài mòn. Bôi trơn ổ đỡ quạt theo lịch trình nhà sản xuất. Đo lưu lượng gió bằng phương pháp pitot tube hoặc anemometer để so sánh với thiết kế.
Làm sạch rãnh thông gió bằng khí nén hoặc máy hút bụi công nghiệp mỗi năm. Kiểm tra tình trạng vách ngăn và tấm chắn. Hiệu chỉnh cảm biến nhiệt độ theo tiêu chuẩn để đảm bảo đo chính xác.
Phân tích dầu bôi trơn ổ đỡ để phát hiện sớm mài mòn. Kiểm tra khe hở khí giữa stato và roto, khe hở tăng do mài mòn làm giảm hiệu quả làm mát. Đo điện trở cách điện định kỳ để phát hiện suy giảm do quá nhiệt. Theo dõi xu hướng nhiệt độ qua thời gian để dự đoán sự cố trước khi xảy ra.
