Năng lượng gió đã trở thành nền tảng của tổ hợp năng lượng tái tạo toàn cầu, với các tuabin có công suất lên tới nhiều megawatt và đường kính cánh quạt vượt quá 150 mét. Bên trong mỗi vỏ bọc tuabin gió có một máy phát điện — thường là máy phát điện cảm ứng cấp nguồn kép (DFIG) hoặc máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu truyền động trực tiếp — có stato là một tượng đài của kỹ thuật cơ điện. Cuộn dây stato cho những máy phát điện khổng lồ này là một thách thức sản xuất ghê gớm, đòi hỏi máy cuộn dây stato công suất lớn có thể xử lý các dây dẫn đồng có tiết diện lớn, các cụm lõi nặng nhiều tấn và các tiêu chuẩn về độ tin cậy tối đa. Bài viết này đi sâu vào thế giới thiết bị cuộn dây stato tuabin gió và cách thiết bị này đảm bảo rằng những gã khổng lồ về năng lượng xanh này hoạt động hoàn hảo trong nhiều thập kỷ.
Không giống như các động cơ nhỏ, stato của máy phát điện tua bin gió sử dụng các cuộn dây định hình hoặc thanh Roebel được làm từ nhiều sợi dây dẫn đồng hình chữ nhật, cách điện bằng băng mica và hệ thống nhựa. Tuy nhiên, ở một số máy phát điện tầm trung và DFIG, cuộn dây phân bố quấn ngẫu nhiên sử dụng dây nam châm hình tròn hoặc hình chữ nhật vẫn còn phổ biến. Máy cuộn dây stato dành cho các ứng dụng này là một hệ thống kiểu giàn hoặc bàn xoay được thiết kế có mục đích để chèn các cuộn dây được tạo hình sẵn hoặc cuộn chúng trực tiếp vào các khe lõi.
Để chèn cuộn dây trực tiếp, máy sử dụng bộ truyền động thủy lực hoặc điện servo để đẩy cuộn dây vào các khe stato. Các tấm lót và dải phân cách khe được lắp đặt sẵn, đồng thời máy quấn dây cẩn thận dẫn các chân cuộn dây vào đúng vị trí mà không làm hỏng lớp cách điện. Sau đó, các nêm được dẫn vào để cố định các cuộn dây. Quá trình này đòi hỏi mức độ phối hợp và kiểm soát lực lượng cao; máy cuộn dây stato hiện đại sử dụng bộ chuyển đổi áp suất và căn chỉnh bằng laser để đảm bảo cuộn dây được đặt đúng vị trí. Một cuộn dây không được lắp vào hoàn toàn sẽ dẫn đến các túi khí, phóng điện một phần và cuối cùng là hỏng lớp cách điện—một rủi ro không thể chấp nhận được đối với vỏ bọc cách mặt đất 100 mét.
Để cuộn dây liên tục vào stato, máy có thể sử dụng một cánh tay quay lớn để cấp dây khi stato được định vị. Vì lõi có thể nặng vài tấn nên máy quấn dây stato phải có đế lớn, cứng và vòng bi chính xác có thể quay phôi một cách trơn tru. Sức căng cuộn dây đối với dây khổ lớn phải đủ cao để tạo ra cuộn dây dày đặc nhưng được kiểm soát chính xác để tránh biến dạng cách điện.
Máy phát điện tua bin gió hoạt động ở điện áp trung bình (thường là 690V đến 3300V) và các hệ thống nối lưới phải chịu sự tăng vọt điện áp do chuyển đổi bộ chuyển đổi và sét đánh. Vai trò của máy quấn dây stato trong việc bảo toàn tính nguyên vẹn của lớp cách điện là không thể phủ nhận. Trong suốt quá trình quấn dây, nó phải tránh mọi vết xước, trầy xước hoặc xoắn ở lớp cách điện vòng quay. Một số máy được trang bị tính năng giám sát cách điện liên tục, áp dụng thử nghiệm DC điện áp thấp trong quá trình cuộn dây để phát hiện bất kỳ sự vi phạm nào ngay khi nó xảy ra. Nếu phát hiện ra lỗi, máy sẽ dừng ngay lập tức, cho phép người vận hành cuộn dây sửa chữa lớp cách điện trước khi cuộn dây được lắp vào hoàn toàn.
Việc tạo hình các cuộn dây cuối và buộc các cuộn dây vào các vòng đỡ cũng là những bước quan trọng. Máy quấn dây hiện đại tích hợp các trạm buộc dây tự động sử dụng dây polyester hoặc sợi thủy tinh để buộc chặt các phần cuộn dây kéo dài, ngăn cản sự dịch chuyển do lực điện từ gây ra trong quá trình vận hành máy phát điện. Các lực này có thể rất lớn khi xảy ra sự cố lưới điện, do đó kiểu viền và lực căng được kiểm soát cẩn thận.
Trong các ứng dụng gió ngoài khơi, máy phát điện PM dẫn động trực tiếp được ưa chuộng vì ít phải bảo trì vì chúng loại bỏ hộp số. Stator của chúng có đường kính rất lớn (vài mét) và số cực cao. Cuộn dây stato cho máy phát điện PM dẫn động trực tiếp thường bao gồm việc quấn từng răng riêng lẻ, phân đoạn bằng máy quấn kim rồi lắp ráp các răng thành một vòng. Cách tiếp cận phân đoạn này cho phép lấp đầy khe cao và xử lý dễ dàng hơn. Máy quấn dây stato sử dụng cho từng đoạn là máy quấn kim chuyên dụng có thể chứa chiều dài răng trên một mét, có dây dẫn hướng thu gọn và thu vào chính xác. Máy đảm bảo rằng mỗi chiếc răng lớn đều nhận được vị trí cuộn dây giống hệt nhau, điều này rất quan trọng đối với sự cân bằng từ tính của máy phát điện.
Việc cuộn các cuộn dây stato lớn bằng tay rất nguy hiểm và không nhất quán về mặt công thái học. Máy cuộn dây stato công suất lớn tự động hóa các nhiệm vụ đòi hỏi thể chất cao nhất, chẳng hạn như nâng và lắp cuộn dây, cắt lớp cách điện và chèn nêm. Robot cộng tác (cobot) đang ngày càng hoạt động cùng với các máy này, xử lý các nhiệm vụ như dẫn dây và xử lý vật liệu. Hệ thống điều khiển của máy bao gồm khóa liên động an toàn và rèm chắn sáng giúp bảo vệ người vận hành khỏi các bộ phận chuyển động, đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt của sản xuất công nghiệp.
Máy cuộn dây stato hạng nặng dành cho máy phát điện tua bin gió kết hợp lực mạnh với độ chính xác tinh tế. Nó xử lý đáng tin cậy các dây dẫn đồng lớn, bảo vệ cách điện điện áp cao và góp phần vận hành không bị lỗi của các tuabin gió vốn phải tạo ra điện trong 20 năm trở lên mà không cần can thiệp nhiều. Khi năng lượng gió tiếp tục tăng trưởng theo cấp số nhân, những cỗ máy vận hành trái tim của những máy phát điện này sẽ vẫn là một mắt xích quan trọng trong chuỗi năng lượng bền vững, đảm bảo rằng lời hứa về năng lượng sạch sẽ được thực hiện sau mỗi vòng quay của cánh quạt.
