Máy phát điện trên ô tô hiện đại đồ án môn trang bị điện

tài Khai thác hệ thống nạp và chế tạo mô hình kiểm tra máy phát điện trên xe ô tô hiện đại. Bao gồm giới thiệu hệ thống nạp điện, các bộ phận, bố trí trên ô tô, cấu tạo chi tiết và nguyên lý của máy phát điện trên ô tô, nguyên lý, sơ đồ hệ thống các loại tiết chế, chỉnh lưu máy phát. Chế tạo mô hình kiểm tra máy phát điện.

TP.HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2014

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

GVC.ThS ĐÀO XUÂN MAI

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sử phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật cũng nhưngành Điện-Điện tử học hiện đại đã có những ảnh hưởng to lớn đến nhiều lĩnhvực và cũng đã mở ra nhiều viễn cảnh mới trong thiết kế ô tô cụ thể là thiết kế

và áp dụng hàng loạt các hệ thống trên xe được điều khiển bằng điện tử như: Hệthống đánh lửa, hệ thống ABS, hệ thống chống trộm.v.v và hệ thống nạp là hệthống không thể thiếu trong động cơ

Những tiến bộ vượt bậc trong đời sống xã hội, nhu cầu về đi lại, vậnchuyển của con người vẫn tăng lên rất nhiều Nhắc đến lĩnh vực giao thông vậntải, người ta không thể không nghĩ tới ngay lĩnh vực vận tải đường bộ, là loạihình giao thông được phát triển khá sớm

Đối với Việt Nam, là một nước đang phát triển về lĩnh vực giao thông vậntải đóng vai trò mấu chốt trong sử phát triển về mọi mặt Với mức độ phát triểncủa nước ta hiện nay, giao thông vận tải đường bộ củng chiếm một vị thế quantrọng nhất trong lĩnh vực giao thông vận tải, với hình thức vận tải bằng ô tô, ô tôtrở nên thông dụng với mọi người Việt Nam, từ các tập đoàn vận tải lớn của hợptác xã nhà nước, cũng như các doanh nghiệp vận tải tư nhân đến các cơ quan xínghiệp và cả những gia đình, cá nhân đều có thể sử dụng ô tô, với mức độ sửdụng ô tô hiện nay cũng như lượng xe hơi tiêu thụ ở thị trường nước ta như hiệnnay yêu cầu một lượng lớn những kỹ thuật viên, những người hiểu biết ô tô, việchiểu và nắm rõ về sử dụng, khai thác bảo dưỡng sữa chữa là những yếu tố cầnthiết và quan trọng đối với sinh viên cơ khí ô tô của trường ĐH GTVT TPHCM

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.

Hiện nay trên thế giới ngành công nghiệp ô tô đã có hướng phát triển vượtbậc, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cao của con người Trên các ô tôhiện nay hệ thống điều khiển điện tử đã được trang bị gần như hoàn toàn do đótính phức tạp trong hệ thống cũng theo đó tăng lên, nó đòi hỏi việc chế tạo kiểmtra sửa chữa bảo dưỡng càng khó khăn phức tạp hơn

Nền công nghiệp ô tô của chúng ta sinh sau đẻ muộn, đây là ngành côngnghiệp chúng ta khó có thể nghiên cứu trên lý thuyết, cũng rất khó cho chúng ta

đi tắt đón đầu, chúng ta cũng có thể cùng nhau nghiên cứu, tìm hiểu và nắmvững những công nghệ sản xuất chế tạo của các nước có ngành công nghiệp ô tôhàng đầu như Mỹ, Đức, Nhật.v.v từ đó tiếp tục khai thác có hiệu quả, và tìmcách bắt kịp họ trong tương lai, dù khó nhưng không hẳn là không thể

Ở nước ta hiện nay ngành công nghiệp ô tô đã và đang từng bước tựkhẳng định mình nhưng so với thế giới thì ta vẫn còn thua thiệt hơn rất nhiều.Nguyên nhân chủ yếu là do nền kinh tế của nước ta vẫn còn lạc hậu cơ sở vậtchất phương tiện khoa học kỹ thuật chưa cao, điều kiện giảng dạy và làm việccòn rất khó khăn cũng vì lý do này mà em quyết định thực hiện đề tài Khai thác

hệ thống nạp và chế tạo mô hình kiểm tra máy phát điện trên xe ô tô hiện đại

Dưới sự hướng dẫn của thầy GVC.ThS Đào Xuân Mai Thông qua đề tài này

em hi vọng nó hỗ trợ một cách tích cực cho sinh viên những kiến thức kĩ năng

để ứng dụng vào thực tiễn sau khi ra trường

tiện nghi khi sử dụng Chúng cần điện năng trong suốt thời gian hoạt động và

cả khi động cơ đã dừng Vì vậy trên động cơ cần có một hệ thống nạp để nạpđiện cho accu và cung cấp cho các phụ tải khi động cơ đang làm việc Hệthống cung cấp điện sử dụng sự quay của động cơ để phát sinh ra điện Nókhông những cung cấp điện năng cho những hệ thống và thiết bị điện khác

mà còn nạp điện cho accu trong lúc động cơ đang hoạt động Nguồn điện đóchỉ cho phép máy phát khi hoạt động phát ra với nguồn điện áp tiêu chuẩn là13.8V đến 14.2V đối với hệ thống điện cấp điện áp 12V

1.2 Sơ đồ hệ thống nạp tiêu biểu.

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống nạp tiêu biểu.

1.3 Vị trí các bộ phận trên ô tô.

Hình 1.2

1.4 Những thông số cơ bản của hệ thống cung cấp điện.

Hiệu điện thế định mức: Phải bảo đảm Uđm = 14V đối với những xe sử

dụng hệ thống điện 12V, Uđm = 28V đối với những xe sử dụng hệ thống điện24V

Công suất máy phát: Phải đảm bảo cung cấp điện cho tất cả các tải điệntrên xe hoạt động Thông thường, công suất của các máy phát trên ôtô hiện nayvào khoảng Pmf = 700 –1500W

Dòng điện cực đại: Là dòng điện lớn nhất mà máy phát có thể cung cấp Imax = 70 – 140A

Tốc độ cực tiểu và tốc độ cực đại của máy phát: nmax, nmin phụ thuộc vào tốc

độ của động cơ đốt trong

Nmin = ni x iTrong đó: i - tỉ số truyền, i = 1,5 - 2

Ni - tốc độ cầm chừng của động cơ

Hiện nay trên xe đời mới sử dụng máy phát cao tốc nên tỉ số truyền i caohơn

Nhiệt độ cực đại của máy phát to

max : là nhiệt độ tối đa mà máy phát có thểhoạtđộng

Hiệu điện thế hiệu chỉnh: là hiệu điện thế làm việc của bộ tiết chế

Uhc = 13,8 – 14,2V

Hình1.3 Sơ đồ hệ thống cung cấp điện tổng quát

1.5.2 Sơ đồ các tải và công suất của chúng trên ô tô

Phụ tải điện trên ô tô có thể chia làm 3 loại : tải thường trực là những tảihoạt động liên tục khi xe chạy, tải gián đoạn trong thời gian dài và tải gián đoạntrong thời gian ngắn Sau đây là sơ đồ phụ tải điện trên ô tô hiện đại.

HT Thông tin

HT giải trí trong xe

Accu

HT điều hòa không khí

HT khóa đai an toàn và

ĐK túi khí

HT gạt và xông kính

HT khởi động động cơ

Hình 1.4 Sơ đồ phụ tải điện trên ô tô

2.1 Chức năng của máy phát điện:

Máy phát điện thực hiện một số chức năng Trên các máy phát đời cũ,thành phần của máy phát gồm bộ phận phát điện và chỉnh lưu Chức năng ổnđịnh điện áp được thực hiện bằng một tiết chế lắp rời thông thường là loại runghay bán dẫn Ngày nay, các máy phát bao gồm 3 bộ phận: phát điện, chỉnh lưu

và hiệu chỉnh điện áp Tiết chế vi mạch nhỏ gọn được lắp liền trên máy phát,ngoài chức năng điều áp nó còn báo một số hư hỏng bằng cách điều khiển đènbáo nạp

Tải gián đoạn trong thời

gian ngắn Tải gián đoạn trong thời gian dài

Đèn sương mù 2x35W

Đèn báo rẽ 4x21W

Car radio 10-15W

Đèn de 2x21W

Đèn Stop 2x21W

Đèn báo trên tableau

nước 60-90W

Đèn trần 5W Đèn kích

800-3000W

Mortor điều khiển kính 4x30W Đèn đậu

động cơ 2x100W

Quạt điều hòa nhiệt độ 2x80W

Đèn cốt 4x55W

Mồi thuốc 100W

Xông kính 120W

Đèn pha 4x60W

Hệ thống xông máy (động cơ diese )100W

Mortor phun nước rửa kính 30-60W

Đèn soi biển

số 2x5W

Mô tơ điều khiển anten 60W Còi 25-40W

Hình 1.10 Các loại máy phát và tiết chế.

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

2.1.3 Hiệu chỉnh điện áp.

Tiết chế điều chỉnh điện áp sinh ra Nó đảm bảo hiệu điện thế của dòngđiện đi đến các thiết bị là hằng số ngay cả khi tốc độ máy phát điện thay đổi

2.2 Nguyên lí máy phát điện

Có nhiều phương pháp tạo ra dòng điện, trong những máy phát điện, người

ta sử dụng cuộn dây và nam châm làm phát sinh ra dòng điện trong cuộn dây.Sức điện động sinh ra trên cuộn dây càng lớn khi số vòng dây quấn càng nhiều,nam châm càng mạnh và tốc độ di chuyển của nam châm càng nhanh

Hình 1.14 Cuộn dây và nam châm.

Khi nam châm được mang lại gần cuộn dây, từ thông xuyên qua cuộn dâytăng lên Ngược lại, khi đưa cuộn dây ra xa, đường sức từ xuyên qua cuộn dâygiảm xuống Bản thân của cuộn dây không muốn từ thông qua nó biến đổi nên

cố tạo ra từ thông theo hướng chống lại những thay đổi xảy ra

Nguyên lý máy phát điện trong thực tế:

Hình 1.15 Nguyên lí phát điện trong thực tế.

Máy phát điện trong thực tế :

- Nam chân vĩnh cửu được thay thế bằng nam châm điện nên từ thông có thểthay đổi được

- Có thêm lõi thép sẽ làm tăng từ thông qua cuộn dây

2.3 Cấu trúc máy phát điện.

2.3.1 Máy phát điện kích từ bằng nam châm điện có vòng tiếp điện :

b Chổi than và vòng tiếp điện:

- Chức năng: cho dòng điện chạy qua rotor để tạo ra từ trường.

- Các thành phần chính: Chổi than, Lò xo, vòng kẹp chổi than, vòng tiếp

điện

Chổi than làm bằng grafít - kim loại với tính chất đặc biệt có điện trở nhỏ

và được phủ một lớp đặc biệt chống mòn

Hình 1.17 Chổi than và vòng tiếp điện.

Cuộn dây stator có thể mắc theo hai cách:

 Cách mắc kiểu hình sao: cho ra điện thế cao, được sử dụng phổ biến

 Cách mắc kiểu tam giác: cho ra dòng điện lớn

Hình 1.19 đấu hình sao và đấu hình tam giác.

Cuộn dây stator gồm 3 cuộn dây riêng biệt Trong cách mắc hình sao, đầuchung của 3 cuộn dây được nối thành đầu trung hòa

e Tiết chế vi mạch.

- Vai trò của tiết chế: Điều chỉnh dòng điện kích từ (đến cuộn dây rotor) để

kiểm soát điện áp phát ra, theo dõi tình trạng phát điện và báo khi có hư hỏng

- Các thành phần chính: Vi mạch, Phiến tản nhiệt, giắc cắm.

Hình 1.21 Tiết chế vi mạch.

Tiết chế và vi mạch có hai loại tùy thuộc vào cách nhận biết điện áp sạc:

Loại D: Nhận biết điện áp sạc ở đầu ra của máy phát và điều chỉnh nó luôn

ở một khoảng xác định

Hình 1.22 Tiết chế loại D.

Loại M: Nhận biết điện áp tại accu đồng thời điều chỉnh dòng ra ở một

khoảng xác định

Hình 1.23 Tiết chế loại M.

f Quạt.

Vai trò của quạt: Khi quạt quay, không khí được hút qua các lỗ trống làm

mát cuộn rotor, stator và bộ chỉnh lưu làm giảm nhiệt độ của các bộ phận này ởmức cho phép

Đặc điểm:

- Có hai quạt hút từ hai phía để cung cấp đủ lượng gió cần thiết

- Không khí mát được hướng vào cuộn stator, nơi phát sinh ra nhiều nhiệtnhất

Một phụ tải điện sẽ sinh ra nhiệt khi dòng đi qua Bộ xông kính chẳng hạn,

nó đã sử dụng nhiệt này Máy phát sinh nhiệt ở nh

iều dạng khác nhau như trình bày ở phần trên Chúng bao gồm: nhiệt sinh ra trênvật dẫn (ở các cuộn dây và diode), trên các lõi thép do dòng fuco và do ma sát (ở

ổ bi, chổi than và với không khí) Nhiệt sinh ra làm giảm hiệu suất của máyphát

2.4 Các loại máy phát khác:

2.4.1 Máy phát đời cũ và tiết chế loại rung.

Máy phát điện đời cũ thường nặng hơn và có kích thước lớn hơn so vớimáy phát loại mới có cùng công suất Nó thường được sử dụng với tiết chế loạirời

Cấu trúc bên trong của máy phát đời cũ về cơ bản giống như loại đời mớinhưng nó có một số đặc điểm khác:

- Không có bộ tiết chế lắp chung

- Chỉ lắp một quạt bên ngoài

- Cuộn dây stator và bộ chỉnh lưu được hàn thành một khối trên thân

Hình 1.24 Máy phát đời cũ.

Hình 1.25 Tiết chế loại rung.

2.4.2 Máy phát có bơm chân không.

Hình 1.26 Máy phát có bơm chân không

Hình 1.27 Cấu tạo của máy phát có bơm chân không

Máy phát có bơm chân không thường được lắp trên xe có động cơ diesel.Bơm chân không được trang bị để cung cấp chân không cho trợ lực lái và cácthiết bị khác Bơm chân không được lắp chung nên quay cùng với trục của máyphát Có hai loại, loại có bơm chân không đặt phía puli và loại đặt phía đối diệnpuli

Loại máy phát có bơm chân không giống như các loại máy phát khácnhưng có thêm bơm chân không Cấu tạo của bơm chân không gồm có: Vỏ,Rotor, Cánh, Van an toàn (van một chiều)

2.4.3 Máy phát không có vòng tiếp điện

Máy phát không có vòng tiếp điện được sử dụng trên máy kéo, xe tải lớn,

xe công trình Nó không sử dụng chổi than và vòng tiếp điện để nâng cao tuổithọ Nó chỉ có các cực từ xoay còn cuộn dây phần cảm đứng yên

Hình 1.28 Máy phát điện không có vòng tiếp điện

2.5 Điện áp chỉnh lưu bởi máy phát.

2.5.1 Dòng điện xoay chiều 3 pha.

Khi nam châm quay trong một cuộn dây, điện áp sẽ được tạo ra giữa haiđầu của cuộn dây Điều này sẽ làm xuất hiện dòng điện xoay chiều

Hình 1.29 Dòng điện xoay chiều 1 pha.

Mối quan hệ giữa dòng điện sinh ra trong cuộn dây và vị trí của nam châmđược chỉ ra ở hình vẽ Cường độ dòng điện lớn nhất được tạo ra khi các cực nam(S) và cực bắc (N) của nam châm gần cuộn dây nhất Tuy nhiên chiều của dòngđiện trong mạch thay đổi ngược chiều nhau sau mỗi nửa vòng quay của namchâm Dòng điện hình sin được tạo ra theo cách này gọi là "dòng điện xoaychiều một pha" Một chu kỳ ở đây là 3600 và số chu kỳ trong một giây được gọi

là tần số

Để phát điện được hiệu quả hơn, người ta bố trí 3 cuộn dây trong máy phátnhư hình vẽ

Hình 1.30 Dòng điện xoay chiều 3 pha.

Mỗi cuộn dây A, B và C được bố trí cách nhau 1200 và độc lập với nhau.Khi nam châm quay trong các cuộn dây sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều trongmỗi cuộn dây Hình vẽ cho thấy mối quan hệ giữa 3 dòng điện xoay chiều vànam châm, dòng điện được tạo ở đây là dòng điện xoay chiều 3 pha Tất cả các

xe hiện đại ngày nay được sử dụng máy phát xoay chiều 3 pha

2.5.2 Bộ chỉnh lưu.

a Cấu tạo.

Máy phát điện xoay chiều trong thực tế có trang bị mạch chỉnh lưu nhưHình A để nắn dòng điện xoay chiều 3 pha Mạch này có 6 diode và được đặttrong giá đỡ của bộ chỉnh lưu

Hình 1.31 Dòng điện chỉnh lưu.

diode 5 Ở thời điểm này cường độ dòng điện ở cuộn dây I bằng 0 Vì vậy không

có dòng điện chạy trong cuộn dây I

Bằng cách giải thích tương tự từ các vị trí (b) tới (f) dòng điện xoay chiềuđược chỉnh lưu bằng cách cho qua 2 diode và dòng điện tới các phụ tải được duytrì ở một giá trị không đổi

2.5.3 Máy phát điện có điện áp điểm trung hoà.

a Điện áp điểm trung hoà.

Hình 1.32 Điện áp điểm trung hoà.

Máy phát điện xoay chiều thông thường dùng 6 diode để chỉnh lưu dòngđiện xoay chiều 3 pha (AC) thành dòng điện một chiều (DC)

Điện áp ra tại điểm trung hoà là nguồn cung cấp điện cho rơle đèn báo nạp.

Có thể thấy điện áp trung bình của điểm trung hoà bằng 1/2 điện áp ra mộtchiều Trong khi dòng điện ra đi qua máy phát, điện áp tại điểm trung hoà phầnlớn là dòng điện một chiều nhưng nó cũng có một phần là dòng điện xoay chiều.Phần dòng điện xoay chiều này được tạo ra mỗi pha Khi tốc độ của máy phátvượt quá 2000 tới 3000 vòng/phút thì giá trị cực đại của phần dòng điện xoaychiều vượt quá điện áp ra của dòng điện một chiều

Điều đó có nghĩa là so với đặc tính ra của máy phát điện xoay chiều không

có các diode tại điểm trung hoà, điện áp ra tăng dần dần từ khoảng 10 tới 15% ởtốc độ máy phát thông thường là 5000

vòng/phút

b Sơ đồ mạch điện và cấu tạo

Để bổ sung sự thay đổi điện thế tại

điểm trung hoà vào điện áp ra một

chiều của máy phát không có diode ở

điểm trung hoà người ta bố trí 2 diode

chỉnh lưu giữa cực ra (B) và đất (E) và

nối với điểm trung hoà Những diode

này được đặt ở giá đỡ bộ chỉnh lưu

2.6 Hoạt động của tiết chế.

2.6.1 Điều chỉnh dòng điện phát ra.

a Sự cần thiết phải điều chỉnh cường độ dòng điện phát ra.

Máy phát điện dùng trên xe quay cùng với động cơ Vì vậy, khi xe hoạtđộng tốc độ động cơ thường xuyên thay đổi và do đó tốc độ của máy phát không

ổn định Nếu máy phát không có bộ ổn áp thì hệ thống nạp không thể cung cấpdòng điện ổn định cho các thiết bị điện

Do đó, mặc dù tốc độ của máy phát thay đổi thì điện áp ở các thiết bị điệnvẫn phải duy trì không đổi và tuỳ theo sự thay đổi cường độ dòng điện trongmạch cần phải điều chỉnh Trong máy phát xoay chiều việc điều chỉnh như trênđược điều chỉnh bởi bộ tiết chế vi mạch

b Nguyên lí điều chỉnh.

Hình 1.33 Sơ đồ mạch điện diode trung hoà.

Hình 1.34 Tự điều khiển dòng điện Hình 1.35 Nguyên tắc tiết chế.

Nhìn chung cường độ dòng điện tạo ra có thể được thay đổi bằng phươngpháp sau đây

-Tăng hoặc giảm lực từ trường(Rotor)

-Tăng tốc hoặc giảm tốc độ quay của nam châm

Khi áp dụng phương pháp thay đổi tốc độ của rotor đối với máy phát điệnxoay chiều trên xe, tốc độ quay của rotor không thể điều khiển được vì nó quaycùng với động cơ Nói cách khác, điều kiện có thể thay đổi một cách tự do trongmáy phát xoay chiều trên xe là lực từ trường (rotor) Trong thực tế việc thay đổicường độ dòng điện đi vào cuộn dây rotor (dòng tạo từ trường) sẽ làm thay đổilực từ trường

Bộ tiết chế vi mạch điều chỉnh cường độ dòng điện của máy phát xoaychiều bằng cách điều khiển dòng điện tạo từ trường do đó điện áp tạo ra luôn ổnđịnh khi tốc độ quay của rotor thay đổi và khi dòng điện sử dụng thay đổi

c Tự điều khiển đối với dòng điện ra cực đại:

Đặc tính của máy phát điện là dòng điện ra hầu như ổn định khi tốc độquay của máy phát vượt quá một tốc độ nhất định (tự điều khiển) vì vậy khi tảivượt quá dòng điện ra cực đại thì điện áp sụt Một đặc tính khác của máy phátđiện xoay chiều là dòng điện ra giảm đi khi máy bị nóng vì điện trở ở mỗi bộphận thay đổi theo nhiệt độ ngay cả khi tốc độ không đổi

2.6.2 Bộ tiết chế vi mạch.

a Cấu tạo của bộ tiết chế vi mạch.

Bộ tiết chế vi mạch chủ yếu gồm có vi mạch, cánh tản nhiệt và giắc nối.Việc sử dụng vi mạch làm cho bộ tiết chế có kích thước nhỏ gọn

b Các loại bộ tiết chế vi mạch.

- Loại nhận biết ắc qui: Loại tiết chế vi mạch này nhận biết ắc qui nhờ cực

S (cực nhận biết từ ắc qui) và điều chỉnh điện áp ra theo giá trị qui định