Máy phát điện xoay chiều tuyến tính nam châm vĩnh cửu trong khai thác điện sóng biển

t Magnet Linear Alternators (PMLA) is a new technology, which can 
directly convert mechanical energy of ocean waves into electric power. 
Keyword: Energy waves, Permanent Magnet Linear Alternators (PMLA) 
1. Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển 
Có nhiều phương pháp để khai thác năng lượng cơ học của sóng biển sang năng lượng 
điện, như: khí động, thuỷ động, thủy tĩnh chuyển động tương đối của phao và loại thiết bị chuyển 
đổi năng lượng sóng xa bờ hay gần bờ. Với thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ: các thiết bị 
này thường được đặt ở khu vực nước sâu và xa đất liền, việc khai thác năng lượng sóng ở đây 
tập trung vào khai thác lực của mặt sóng tác động theo phương đứng, Có nhiều phương pháp biến 
đổi năng lượng sóng xa bờ thành năng lượng điện như: biến lực mặt sóng thành chuyển động tịnh 
CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 
11 
tiến của PMLA, thành áp suất không khí làm quay cánh 
quạt hay tác động vào piston, thành chuyển động tịnh 
tiến của piston truyền độngTừ đó các thiết bị chuyển 
đổi năng lượng này cũng có rất nhiều dạng và nguyên lý 
hoạt động khác nhau [1,3]. 
Trong phạm vi bài báo đề cập tới Máy phát điện 
xoay chiều tuyến tính chuyển đổi năng lượng sóng xa 
bờ trực tiếp như hình 1: 
Phao phát điện nam châm vĩnh cửu có kết cấu 
như sau: Tâm là một trục dài khoảng 4 mét gồm nhiều 
thanh nam châm vĩnh cửu mạnh, những cuộn dây đồng 
nằm xung quanh trục; phao được neo vào đáy biển có 
độ sâu khoảng 30 mét. Vỏ làm bằng sợi thủy tinh và 
composit, sóng biển tác động làm phao di chuyển lên 
xuống theo từng cơn sóng, cuộn dây di chuyển lên xuống trên trục của nam châm sẽ sản sinh một 
dòng điện. Mẫu này theo nguyên tắc truyền động trực tiếp nên hiệu suất năng lượng đạt gần 90%. 
Phao được neo chặt vào giá đặt ở đáy biển có thể hoạt động liên tục trong 5 năm. Năng 
lượng thu từ sóng biển cũng giống như năng lượng thu từ gió. Tuy nhiên nhiên sóng có mật độ 
lớn hơn gió gấp 50 lần. Điện áp AC thu từ phao thuộc dạng không ổn định sẽ chuyển tiếp cho hộp 
kết nối và chuyển đổi thành điện 
DC, tiếp đó truyền tải vào bờ và 
chuyển đổi thành điện AC chuẩn. 
2. Máy phát điện xoay chiều 
tuyến tính nam châm vĩnh cửu 
(PMLA) 
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt 
động 
2.1.1 Cấu tạo 
Khi hình dung tăng dần bán 
kính của máy điện quay tiến tới 
vô cùng, thì ta sẽ thu được thành 
phần stato dưới dạng trải và 
thành phần Roto sẽ là phần di 
động trên bề mặt trải dài đó. 
PMLA được hiểu như là máy điện 
tròn được xẻ dọc và làm dẹt ra có 
hai kiểu làm dẹt là làm dẹt đơn và 
làm dẹt kép [1,2]. 
PMLA gồm có 2 phần, 
phần chuyển động translator và 
phần tĩnh stato (hình 2): Stator 
gồm vỏ lõi và dây quấn, vỏ làm 
bằng thép đúc, vật liệu tổng hợp 
có nhiệm vụ bảo vệ mạch từ. Lõi 
thép stato được chế tạo hoàn 
toàn giống như lõi stato của máy điện quay. Translator là phần cảm, phần chuyển động (kích từ) 
thì nó gồm lõi thép và nam châm vĩnh cửu. 
2.1.2.Nguyên lý hoạt động 
Ở chế độ máy phát kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (PMLA), khi bộ phận translator chứa 
nam châm vĩnh cửu chuyển động tương đối so với stator, trong các cuộn dây stator xuất hiện sức 
điện động cảm ứng, khi từ trường biến thiên. Nếu được nối với tải sẽ có dòng điện chạy trong 
cuộn dây phần ứng, dòng điện này lần lượt tạo ra từ thông tương tác với từ thông của nam châm 
vĩnh cửu, sinh ra lực có xu hướng tác động ngược lên translator. 
Sự chuyển động tịnh tiến của translator máy phát điện tuyến tính )(tY được biểu diễn [1,2]: 
Hình 1. Máy phát điện sóng tuyến tính 
Hình 2. Máy phát điện xoay chiều tuyến tính nam châm vĩnh cửu 
CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 
12 
 ).sin(.
2
)( t
d
tY m (1) 
với 
m
mm
T
f


2
.2  : là tần số góc của chuyển động (rad/s); d: hành trình chuyển động 
tối đa của translator máy phát (m), khi đó từ thông trong các cuộn dây máy phát biến thiên (với 
điều kiện đầu = 0) là: ))(.
2
sin(.)( tYt


  (2) 
 : Giá trị biên độ từ thông đỉnh được sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu (T) 
  : Bước sóng từ (m). 
Số đôi cực của PMLA bằng một nửa bước sóng từ, điện áp sinh ra trong các cuộn dây được 
biểu diễn bởi định luật Faraday, mô tả bởi phương trình: 
dt
d
Ntv

)( (3) 
Từ (1), (2), (3) ta có phương trình điện áp biến thiên theo thời gian như sau: 
 ))sin(cos().cos(.)( 


  t
d
tVtv mm ; (
3
2
,0

  ) (4) 
 Trong đó : V là biên độ điện áp pha, N: Số vòng của mỗi cuộn dây. 
Với PMLA 3 pha mỗi pha lệch nhau 1200 điện, ta có phương trình máy phát điện như sau: 
 ))sin(.cos().cos(.)( t
d
tVtv mma 


 
 ]
3
2
)sin(.cos[).cos(.)(




  t
d
tVtv mmb (5) 
 ]
3
4
)sin(.cos[).cos(.)(




  t
d
tVtv mmc 
Biên độ tần số điện (max) đỉnh điểm được xác định bằng cách chia tốc độ chuyển đổi tối đa cho 
bước sóng từ () 
 max)(
2
dt
dx
e


  ; (6) 

pk
e
v
f  (7) 
 d: (m); : (m); vpk: Vận tốc bước sóng từ max (m) 
Tương tự như mô hình động của máy điện đồng bộ quay nam châm vĩnh cửu chỉ khác nhau 
giữa mô men và lực tác động thẳng, các góc quay trong máy điện quay thì phụ thuộc vào vận tốc 
góc, trong khi góc cơ khí của máy điện tuyến tính thì phụ thuộc vào vận tốc tuyến tính. 
Các phương trình của trục dq được biểu diễn như sau: 
 sqmsdsdssd
dt
d
iRv   (8) 
 sdmsqsqssq
dt
d
iRv   (9) 
 với: fdsdssd iL   ; sqssq iL ; mlss LLL  
Rs: Điện trở cuộn dây; m: Tần số góc điện; Iq: Dòng điện trục q; Id: Dòng điện trục d; fd: 
kích từ liên kết của stato do thông lượng sinh ra bởi các nam châm vĩnh cửu; Vsd: Điện áp trục d; 
Vq: Điện áp trục q. Kết hợp các biểu thức trên ta có: 
 sqsmfdsdssdssd iLiL
dt
d
iRv   )( (10) 
CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 
13 
 )( fdsdsmsqssqssq iLiL
dt
d
iRv   (11) 
cm
p

2
 (12) 
Tần số cơ liên quan đến tần số điện với số đôi cực của máy phát (rad/s) 
 )(
2
sdsqsqsdem ii
p
T   (13) 
Với sự liên kết từ thông trong hệ dq ta có phương trình cho mô men đầu ra phụ thuộc vào 
dòng trục q và liên kết từ thông của nam châm vĩnh cửu: 
sqfdsdsqssqfdsdsem i
p
iiLiiL
p
T 
2
))(
2
 (14) 
Dòng điện trục q thay vào phương trình (13) ta có mô men là lực theo thời gian bán kính của 
máy điện với biểu thức thể hiện chiều dài của stator (l ) trong máy phát điện tuyến tính với khoảng 
cách điện cực (bước cực) , số đôi cực p, trong khi đó chu vi của một máy điện đồng bộ quay 
được thể hiện trong phương trình: l = .ppha=3..p (15) 
 C=2..r (16) 
r: Bán kính trung bình của rotor; C: Chu vi máy điện quay; l : Chiều dài stator máy điện tuyến 
tính; : Bước cực; p: Số cực. 
Thế (15) vào (16) với độ dài và chu vi bằng nhau ta có: 


.2
..3 p
r  (17) 
Ta xét máy điện có 1 cặp cực thì bán kính của máy: 

.3
r (18) 
Khi đó mô men tương đương với: sdfdem iT  (19) 
Mà mô mem thì bằng tích lực hướng tâm và bán kính, nên: 
 sdfd
em i
r
T
F 


.3
 (20) 
Năng lượng đầu ra của máy điện tuyến tính đồng bộ có nhiều cặp cực sẽ tăng tỉ lệ với số 
lượng cặp cực, ta có phương trình chung cho lực đầu ra là: 
sdfdi
p
F 


.6
.
 (21) 
2.2. Mô hình simulink máy phát điện xoay chiều tuyến tính 
Hình 3. Mô hình simulink máy phát xoay chiều tuyến tính: a, khi không tải; b, khi có tải 
Từ mô hình toán ở trên ta xây dựng được mô hình simulink (hình 3)cho máy phát điện xoay 
chiều tuyến tính, với nguồn sóng là lý tưởng có tần số ổn định u(t)=2,2.sin(0,96.t). 
Mẫu máy điện tuyến tính mô phỏng có thông số là: Y(t)=4,6.cos(0,96.t); d=4,6m; = 0,144m; 
Chu kỳ sóng T=6,54s; Vận tốc chuyển động lên, xuống của phao máy phát V=2,2m/s; Tần số góc 
= 0,96 rad/s; Điện áp định mức với vận tốc 1m/s là Uph = 354V; Công suất máy phát P=25 KW, 
CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 
14 
Kết quả mô phỏng: 
Hình 4. Eabc đầu ra máy phát tuyến tính 
Hình 5. Sức điện động, điện áp, dòng điện máy phát tuyến tính 
Nhận xét: Mô phỏng đặc tính sức điện động, điện áp, dòng điện máy phát tuyến tính 3 pha 
có tính khả thi với giả thiết sóng biển là sóng đều, dao động điều hoà dạng sin thì sức điện động 
(hình 4), điện áp, dòng điện sinh ra từ máy phát cũng dao động với biên độ Ec = 777V, Vc = 407V, 
Ic = 169A; với tải R=2,4 (hình 5). Khi sóng lên xuống thì giá trị điện áp và dòng điện tăng từ 0 cho 
đến giá trị áp, dòng cực đại rồi giảm dần về 0 theo chu kỳ sóng. 
3. Kết luận 
Bài báo đã giới thiệu được mô hình toán máy phát điện xoay chiều tuyến tính, từ đó xây 
dựng được mô hình simulink với kết quả mô phỏng: các đặc tính sức điện động, điện áp, dòng tải 
máy phát tuyến tính sinh ra có dạng sóng sin với biên độ thay đổi theo hàm sin của vận tốc dịch 
chuyển giữa stator và translator, nguồn điện này có thể sử dụng cấp cho các hệ thống tích lũy 
năng lượng (ác quy) sau đó nghịch lưu thành nguồn AC có tần số, điện áp bằng tần số, điện áp 
định mức theo yêu cầu. Nhưng để nguồn điện lấy được từ sóng biển ngẫu nhiên trong thực tế thì 
cần đưa các giải pháp về cơ học cũng như kỹ thuật, khi đó đặc tính kỹ thuật cũng như yêu cầu về 
chất lượng điện năng được cung cấp sẽ liên tục và ổn định (tác giả xin giới thiệu trong số báo tới). 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] H. Polinder, M.A. Mueller, M. Scuotto and M. Goden de Sousa Prado (2007)“Linear generator 
systems for wave energy conversion”, Proceedings of the 7th European Wave and Tidal 
Energy Conference, Porto, Portugal 
[2] Ion Boldea “Linear electric actuators and generators”, Polytechnic Institute, Timisoara, 
Romania, Syed A. Nasar, University of Kentucky 
[3] Tarek Ahmedy, “Electrical Technologies for Grid Integration of Ocean Wave Power into the UK 
National Grid”, Dept of Renewable Energy, University of Exeter, United Kingdom, 2010. 
Người phản biện: PGS. TS. Trần Anh Dũng 
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC LOẠI CẢM BIẾN