bài giảng Mô tơ máy phát trên ô tô

ĐỂ CƯƠNG BÀI GIẢNG PHẦN MÔ TƠ, MÁY PHÁT ĐIỆN (MÁY ĐIỆN) I Khái quát chung Mô tơ, máy phát điện (Máy điện) khái niệm để loại máy dùng điện nguồn hay tạo lượng điện, hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi lượng, thành điện ngược lại Bên cạnh đó, máy điện cịn có nhiệm vụ chuyển giao, biến đổi lượng điện, ví dụ từ điện chiều sang điện xoay chiều, hay điện cao sang hạ ngược lại Máy điện có cấu tạo khí gồm lõi sắt, dây đồng, vỏ máy kim loại thành phần khác Được sử dụng để biến đổi thông số điện biến đổi điện áp, dịng điện, tần số, góc pha Máy điện không đồng Phân loại máy điện Phân loại dựa chuyển động tương đối phận quay, gồm loại:  Máy điện tĩnh: Là loại máy điện mà phân máy khơng có chuyển động tương đối Ví dụ: Máy biến áp Máy điện quay: Là loại máy điện mà cấu tạo có phận chuyển động quay Ví dụ: Máy phát điện, động điện,… Phân loại theo dòng điện gắn với máy, chia làm loại:   Máy điện chiều: Là loại máy điện mà dòng điện sử dụng máy dòng chiều DC Máy điện xoay chiều: Là loại máy điện mà dòng điện sử dụng máy dòng xoay chiều AC Trong loại chia làm loại máy điện pha máy điện pha Phân loại theo tốc độ quay rotor tốc độ từ trường quay:   Máy điện đồng bộ: Là máy điện có tốc độ quay rotor với tốc độ từ trường quay  Máy điện không đồng bộ: Là máy điện có tốc độ quay rotor khác tốc độ từ trường quay Sự khác tốc độ biểu thị hệ số trượt s: s = (n – n1) / n Trong đó: n1 tốc độ từ trường quay, n tốc độ rotor quay Tùy vào giá trị s mà máy điện không đồng làm việc chế độ khác < s < 1: Chế độ động điện s < 0: Chế độ máy phát điện s > 1: chế độ hãm Phân loại theo công dụng làm việc máy:  Máy phát điện  Động điện  Máy biến áp II Máy điện chiều Ngày nay, dòng điện xoay chiều sử dụng rộng rãi, song máy điện chiều tồn tại, đặc biệt động chiều Trong công nghiệp, đặc biệt ô tô động chiều sử dụng nơi yêu cầu moment mở máy lớn yêu cầu điều chỉnh tốc độ phẳng phạm vi rộng Động điện chiều Cấu tạo động điện chiều Những phần máy điên chiều gồm stato với cực từ, roto với dây cổ góp với chổi điện Cấu tạo động điện chiều 1.1 Stato Stato gọi phần cảm, gồm lõi thép thép đút, vừa mạch từ vừa vỏ máy Các cực từ có dây kích từ Stato động điện chiều đóng vai trò đơn giản nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện 1.2 Roto Roto động điện chiều gọi phần ứng cuộn dây phần ứng đặt rãnh roto Roto gồm lõi thép dây phần ứng Lõi thép hình trụ làm thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các thép dập có lỗ thơng gió rãnh để đặt dây phần ứng Roto động điện chiều Ở động điện chiều có hai loại dây dây xếp dây sóng Mỗi dây tạo từ nhiều cuộn mắc nối tiếp, cuộn lại tạo nên từ nhiều vòng Mỗi vòng gồm hai dẫn nối với phần đầu nối Dây xếp + Dây xếp Mỗi phần từ dây cu có nhiều vịng dây, hai đầu với hai phi phiến góp, hai dẫn tác dụng phần ần tử dây đặt rãnh hai cực khác tên Hình bên vẽ bốn phần ph tử dây xếp hai lớp Mỗi phần tử có vịng, phần tử nối thành vịng khép kín Dây xếp phần tử, hai lớp Ở dây xếp đơn số nhánh song song số cực từ (hoặc ch chổi than) Dây có hai cực từ có hai nhanh song song, minh họa hình Dây xếp hai cực từ + Dây sóng Hình bên vẽ hai phần ần tử dây kiểu sóng Các phần tử đư nối thành mạch vịng kín Ở dây ốn sóng đơn có hai mạch nhánh song song, thường máy có cơng suất nhỏ Dây sóng 1.3 Cổ góp chổi điện Cổ góp gồm phiến góp đồng ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn đâu roto Các đầu dây phần ph tử nối với phiến góp khác ccổ góp Cổ góp Chổi điện (chổi than) làm than graphit Các chổi tì sát chặt lên cổ góp nhờ lị xo giá chổi điện gắn nắp máy Chổi than Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi cho điện áp chiều U vào hai chổi điện A B dây phần ứng có dịng điện Iư Các dẫn ab, cd có dịng điện nằm từ trường stato, chịu lực Fdt tác dụng làm cho roto quay Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, phiến góp đổi chiều dịng điện, giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi, đảm bảo động có chiều quay khơng đổi Hình bên mô tả nguyên lý động điện chiều Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi động quay, dẫn cắt từ trường, cảm ứng sức điện động Eư Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện Phương trình điện áp là: Từ trường sức điện động động điện chiều 3.1 Từ trường + Khi máy điện chiều không tải, từ trường máy dịng điện kích từ gây gọi từ trường cực từ + Khi máy điện có tải, dịng điện Iư dây phần ứng sinh từ trường phần ứng Từ trường phần ứng vng góc với từ trường cực từ Tác dụng từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi phản ứng phần ứng Từ trường máy từ trường tổng hợp từ trường cực từ từ trường phần ứng + Ở nơi từ trường phần ứng chiều với từ trường cực từ từ trường máy tăng cường + Ở nơi từ trường phần ứng ngược chiều với từ trường cực từ từ trường máy bị yếu Hậu phản ứng phần ứng là: + Từ trường máy bị biến dạng Làm cảm ứng sức điện động, gây ảnh hưởng xấu đến việc đổi chiều + Khi tải lớn, dòng điện ện phần ứng lớn, từ trường phần ứng lớn ớn làm giảm từ thông máy Từ thông giảm gi làm cho moment quay giảm tốc độộ động thay đổi Để khắc phục hậu người ta dùng cực từ phụ dây bù Từ trường cực từ phụ dây bù ngược với từ trường phần ứng Để kịp thời khắc phục từ trường phần ứng tải thay đổi, dây cu cực từ phụ dây bù đấu nối tiếp với mạch phần ứng (hình dưới) Cực từ phụ dây bù 3.2 Sức điện động phần ứng a Sức điện động dẫn Khi quay roto, dẫn dây phần ứng cắt từ trường, ờng, dẫn cảm ứng sức điện ện động là: đó: Btb – từ cảm trung bình cực từ v – tốc độ dẫn l – chiều dài hiệu ệu dụng dẫn Trong đó: n1: tốc độ từ trường n: tốc độ roto động s: độ trượt/hệ số trượt n2: tốc độ từ trường tương tốc độ động Rôto quay chiều từ trường tốc độ n1) Vì nguyên nhân mà roto máy điện quay ngược chiều từ trường quay, lúc chiều sức điện động mô men giống chế độ động Vì moment sinh ngược chiều quay với roto nên có tác dụng hãm roto lại Trường hợp máy vừa lấy điện mạng lưới vào vừa lấy từ động sơ cấp chế độ làm việc gọi chế độ hãm điện từ Chế độ hãm điện từ     1.3 Các phương pháp mở máy điện không đồng pha Mômen mở máy máy phát điện không đồng pha momen thời điểm tốc độ n = Để mở máy momen mở máy động phải lớn momen cản tải lúc mở máy Đồng thời, momen động phải đủ lớn để thời gian mở máy phạm vi cho phép Dòng điện mở máy lớn 5-7 lần dịng điện định mức Lưới điện cơng suất nhỏ làm điện áp mạng điện bị tụt xuống Điều làm ảnh hưởng đến khả làm việc thiết bị khác Vì thế, muốn mở máy điện ta phải làm giảm dòng điện mở máy Đối với động roto dây cuốn: dây roto nối với biến trở mở máy Do để giảm dịng điện, ta để biến trở lớn nhất, sau giảm dần khơng Đối với động lồng sóc áp dụng phương pháp sau: Mở máy trực tiếp: đóng trực tiếp động điện vào lưới điện Dùng công suất nguồn điện lớn nhiều so với công suất động Giảm điện áp stato mở máy Dùng điện kháng nối tiếp vào mạch stato Dùng máy biến áp tự ngẫu 1.4 Ứng dụng máy điện không đồng pha Ứng dụng động không đồng Bộ phận chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, vận hành đơn giản, hiệu suất làm việc cao đặc biệt gần khơng cần bảo trì máy Chính tiện lợi mà động khơng đồng pha cho độ tin cậy cao Động không đồng đáp ứng tối đa yêu cầu điều chỉnh tốc độ Dãy công suất chúng rộng, trải dài từ vài W đến hàng nghìn KW Trên thị trường hầu hết động ba pha, có sống dịng pha có công suất động nhỏ Cũng sử dụng làm máy phát Gần người ta ứng dụng nhiều làm máy phát điện sức gió cơng suất đến vài Mêgaoat 2.Máy điện xoay chiều đồng 2.1 Định nghĩa 1.1 Định nghĩa Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay roto n tốc độ quay từ trường n1 gọi máy điện đồng Máy điện đồng có dây cuốn: dây stato nối với lưới điện có tần số f khơng đổi, dây roto kích thích dịng điện chiều Động đồng 2.1.2 Công dụng - Hầu hết nguồn điện xoay chiều công nghiệp dân dụng sản xuất từ máy phát điện đồng - Động đồng sử dụng truyền động cơng suất lớn, đạt đến vài chục MW Trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, máy điện đồng sử dụng để truyền động máy bơm, nén khí, quạt gió, … với tốc độ không đổi Động đồng công suất nhỏ sử dụng thiết bị đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị điện sinh hoạt, … - Trong hệ thống điện, máy bù đồng dùng để phát công suất phản kháng cho lưới điện để bù hệ số công suất ổn định điện áp 2.2 Cấu tạo máy điện đồng Cấu tạo máy điện đồng gồm phận stato roto Hình bên vẽ mặt cắt ngang trục máy Mặt cắt ngang trục động đồng Ghi chú: : thép stato : dây stato : thép roto : dây roto 2.2.1 Stato Stato máy điện đồng giống stato máy điện không đồng bộ, gồm hai phận lõi thép stato dây ba pha stato Dây stato gọi dây phần ứng Stato động đồng 2.2.2 Roto Roto động đồng có cực từ dây kích từ dùng để tạo từ trường cho máy Đối với máy nhỏ roto nam châm vĩnh cửu Có hai loại: roto cực ẩn roto cực lồi · Roto cực lồi dùng máy có tốc độ thấp, có nhiều đơi cực Roto cực lồi · Roto cực ẩn thường dùng máy có tốc độ cao 3000 v/p, có đơi cực Roto cực ẩn Để có suất điện động sin, từ trường cực từ roto phải phân bố hình sin dọc theo khe hở khơng khí stato roto, đỉnh cực từ có từ cảm cực đại Đối với roto cực ẩn, dây kích từ đặt rãnh Đối với roto cực lồi dây kích từ xung quanh thân cực từ Hai đầu dây kích từ ln trục nối với vòng trượt đặt đầu trục, thông qua hai chổi điện để nối với nguồn kích từ Kích từ động đồng 2.3 Nguyên lý làm việc máy điện đồng Ở chế độ động cơ, ta cho dòng điện ba pha vào ba dây stato, dòng điện ba pha stato sinh từ trường quay với tốc độ n1=60f/p Ta hình dung từ trường quay stato nam châm quay Khi cho dòng điện chiều vào dây roto, roto biến thành nam châm điện có cực từ khơng thay đổi Ngun lý làm việc động điện đồng Tác dụng tương hỗ từ trường stato từ trường roto có lực tác dụng lên roto Khi từ trường stato quay với tốc độ n1, lực tác dụng kéo roto quay với tốc độ tốc độ từ trường (n = n1) nên gọi động động Như khác với động không đồng bộ, động đồng ta có roto cấp nguồn điện chiều độc lập nên vẩn có lực tác động tương hỗ stato vào roto tốc độ động với tốc độ từ trường Ở chế độ máy phát, động kéo làm quay rô to máy phát đồng bộ, máy phát điện chiều trục động quay theo tốc độ định mức Lúc này, máy phát kích thích thành lập điện áp từ trường rô to quét qua dây phần ứng Stato cảm ứng sức điện động xoay chiều hình Sin 2.4 Mở máy động điện đồng Khi cho dòng điện vào dây stato tạo nên từ trường quay, có xu hướng kéo roto quay Nhưng roto có qn tính lớn nên đứng n, lực tác dụng tương hỗ từ trường quay stato va từ trường cực từ thay đổi chiều, roto quay Muốn động làm việc phải tạo moment mở máy để roto quay đồng với từ trường quay stato, giữ cho lực tác dụng tương hỗ hai từ trường không đổi chiều Để tạo nên moment mở máy, mặt cực từ roto, người ta đặt dẫn, nối ngắn mạch lồng sóc động khơng đồng Nối ngắn mạch roto tạo moment mở máy đồng đồng Khi mở máy, nhờ có dây mở máy roto, động làm việc máy điện không đồng Người ta chế tạo động cơ, có hệ số mở máy Mmở /Mđm từ 0,8 ÷ Trong q trình mở máy dây kích từ cảm ứng điện áp lớn, phá hỏng dây kích từ, dây kích từ khép mạch qua điện trở phóng điện có trị số ÷ 10 lần điện trở dây kích từ Khi roto quay đến tốc độ gần tốc độ n1, đóng nguồn điện chiều vào dây kích từ, động làm việc đồng Với động công suất nhỏ, mở máy đóng trực tiếp dây stato vào lưới điện Với động công suất lớn khoảng ÷ MW, phải hạn chế dịng mở máy cách giảm điện áp đặt vào stato, thường người ta dùng điện kháng hay máy tự biến áp nối vào mạch stato Nhược điểm động đồng mở máy cấu tạo phức tạp nên giá thành đắt so với động không đồng 2.5 Điều chỉnh hệ số công suất cosφ máy điện đồng Hình bên sơ đồ thay vẽ hình Sơ đồ thay động điện đồng Ta có, phương trình điện áp là: Khi bỏ qua điện trở dây stato ta có: Hình bên vẽ đồ thị véc tơ ứng với trường hợp thiếu kích từ, dịng điện I chậm pha sau điện áp U Khi sử dụng người ta không để động làm việc chế độ này, động tiêu thụ cơng suất phản kháng lưới điện, làm cho hệ số công suất lưới điện giảm xuống Đồ thị véc tơ trường hợp thiếu kích từ Trong cơng nghiệp, người ta cho làm việc chế độ q kích từ, dịng điện I vượt trước qua điện áp U, động vừa tạo năng, đồng thời phát công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất lưới điện Đó ưu điểm lớn loại động 2.6 Lưu ý hòa lưới điện Máy Phát Điện đồng Các hệ thống điện gồm nhiều máy phát điện đồng làm việc song song với nhau, tạo thành lưới điện Công suất lưới điện lớn so với công suất máy riêng lẽ, điện áp tần số lưới giữ khơng đổi, thay đổi tải Để máy làm việc song song, phải đảm bảo điều kiện sau: – Điện áp máy phát phải điện áp lưới điện trùng pha – Tần số máy phát phải tần số lưới điện – Thứ tự pha máy phát phải giống thứ tự pha lưới điện Nếu không đảm bảo điều kiện trên, có dịng điện lớn chạy quẩn máy, phá hỏng máy gây rổi loạn hệ thống điện Để đóng máy phát điện vào lưới ta dung thiết bị hòa đồng Đối với máy phát điện công suất nhỏ, đóng vào lưới phương pháp tự đồng sau: dây kích từ khơng đóng vào nguồn điện kích từ, mà khép qua điện trở phóng điện, để tránh xuất điện áp cao, phá hỏng dây kích từ Quay roto đến gần tốc độ đồng sau đóng máy phát vào lưới cuối đóng dây kích từ vào nguồn điện kích từ, máy làm việc đồng So sánh động đốt động điện Ô tô phương tiện giao thông phổ biến Trên ô tô thường sử dụng loại động động đốt động điện Tuy nhiên loại động có ưu nhược điểm khác nhau, viết so sánh hiệu suất, phù hợp với điều kiện sử dụng thực tế loại động Hiệu suất Động đốt loại động nhiệt Trong trình làm việc nhiệt đốt cháy nhiên liệu chuyển hóa thành Trong q trình làm việc lượng lớn nhiệt trình cháy làm động nóng lên thải ngồi qua đường xả Vì hiệu suất nhiệt suất nhiệt động đốt vào khoảng 35% (tức 65% lượng hao phí) Động điện làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ, điện chuyển hóa thành Trong trình làm việc, động điện sinh nhiệt (nóng lên điện trở dây dẫn ma sát sinh ra), so với động đốt nhiệt độ khơng đáng kể Vì hiệu suất động điện xấp xỉ 90% Do động điện có hiệu suất cao động đốt nhiều lần, nên ô tơ động điện có khối lượng, kích thước nhỏ nhiều so với động đốt Khối lượng, công suất động đốt động điện Sự phù hợp với trình sử dụng Đường đặc tính cơng suất, momen xoắn theo tốc độ động đốt động điện Với động đốt trong, đường đặc tính momen xoắn có dạng cong trơn giống hàm parabol giá trị momen xoắn cực đại đạt số vòng quay nM Hiện giá trị nM nằm khoảng 4000 vòng/phút (tham khảo xe Toyota) Khi tốc độ động có giá trị nhỏ nM (đây dải tốc độ thường sử dụng thực tế ô tô sử dụng thường xuyên tốc độ > 4000 vịng/phút) giá trị momen tỉ lệ thuận với tốc độ động Tức tốc độ động tăng giá trị momen tăng theo ngược lại Tuy nhiên điều kiện vận hành thực tế ô tô cho thấy ô tô giảm tốc, người sử dụng thường có mong muốn tăng cao giá trị momen (để có khả vượt dốc cao tăng tốc nhanh vượt xe) Do bản, đường đặc tính momen động đốt không phù hợp với yêu cầu sử dụng xe thực tế Để khắc phục nhược điểm này, động đốt phải sử dụng hộp số (bộ phận giảm tốc có nhiều tỉ số truyền) Với đặc tính động điện, dễ dàng nhận thấy động làm việc ổn định (tốc độ >1500 vòng/phút) giá trị momen tỉ lệ nghịch với tốc độ động Do người lái giảm tốc giá trị momen tăng lên Giá trị momen tăng lên giảm tốc hỗ trợ nhiều cho việc vượt dốc cao tăng tốc nhanh Vì vậy, ô tô sử dụng động điện không cần sử dụng hộp số ... 1.3 Các phương pháp mở máy điện không đồng pha Mômen mở máy máy phát điện không đồng pha momen thời điểm tốc độ n = Để mở máy momen mở máy động phải lớn momen cản tải lúc mở máy Đồng thời, momen... không đồng làm việc chế độ khác < s < 1: Chế độ động điện s < 0: Chế độ máy phát điện s > 1: chế độ hãm Phân loại theo công dụng làm việc máy:  Máy phát điện  Động điện  Máy biến áp II Máy. .. động với tốc độ từ trường Ở chế độ máy phát, động kéo làm quay rô to máy phát đồng bộ, máy phát điện chiều trục động quay theo tốc độ định mức Lúc này, máy phát kích thích thành lập điện áp từ