máy phát điện trên ô tô

Các loại máy phát và tiết chế Máy phát điện giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện.. 1.4 Nguyên lí máy phát điện Có nhiều phương pháp tạo ra dòng điện, trong những

Chương 3

HỆ THỐNG NẠP

1 KHÁI QUÁT

1.1 Vai trò của hệ thống cung cấp điện :

Ơ tơ được trang bị một số hệ thống và thiết bị điện để đảm bảo an tịan và tiện nghi khi sử dụng Chúng cần điện năng trong suốt thời gian họat động và cả khi động cơ đã dừng Vì thế, chúng cần cả accu và nguồn điện một chiều như nguồn năng lượng Một hệ thống cung cấp điện trang bị trên xe cung cấp nguồn một chiều cho những hệ thống và thiết bị vừa nêu Tuy nhiên accu sẽ phĩng điện khi động cơ dừng và dần hết điện

Hệ thống cung cấp điện sử dụng sự quay của động cơ để phát sinh ra điện Nĩ khơng những cung cấp điện năng cho những hệ thống và thiết bị điện khác mà cịn nạp điện cho accu trong lúc động cơ đang hoạt động

1.2 Cấu trúc hệ thống cung cấp điện :

- Máy phát điện : phát sinh ra điện

- Tiết chế : điều chỉnh điện áp do máy phát điện tạo ra

- Accu : dự trữ và cung cấp điện

- Đèn báo nạp : cảnh báo cho tài xế khi hệ thống sạc gặp sự cố

- Cơng tắc máy : đĩng và ngắt dịng điện

Hình 1 Cấu trúc hệ thống cung cấp điện

Khi bật cơng tắc máy, một dịng điện sẽ đi từ bình accu đến cuộn dây rotor trong máy phát điện Dịng điện này làm rotor trở thành một nam châm điện Khi động cơ hoạt động, nam châm điện này quay làm biến thiên từ thơng qua cuộn dây trên stator Từ thơng biến thiên sinh ra sức điện động trên cuộn dây stator Dịng điện do máy phát sinh ra sẽ được nạp cho bình accu và cung cấp cho các phụ tải điện Đèn báo nạp nằm trên bảng đồng hồ của người lái để báo máy phát khơng phát điện hoặc cĩ sự cố trong hệ thống nạp

1.3 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 ổn định điện áp được thực hiện bằng một tiết chế lắp rời thơng thường là loại rung hay 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, ngồi chức năng điều

áp nĩ cịn báo một số hư hỏng bằng cách điều khiển đèn báo nạp

Hình 2 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

1.3.1 Phát điện

Động cơ quay, truyền chuyển động quay đến máy phát điện thông qua dây đai hình chữ V Rotor của máy phát điện là một nam châm điện Từ trường tạo ra sẽ tương tác lên dây quấn trong stator làm phát sinh ra điện

1.3.3 Hiệu chỉnh điện áp

Tiết chế điều chỉnh điện áp sinh ra Nó đảm bảo hiệu điện thế của dòng điện đi đến các thiết bị là hằng

số ngay cả khi tốc độ máy phát điện thay đổi

1.4 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 6 Cuộn dây và nam châm

Khi nam châm được mang lại gần cuộn dây, từ thông xuyên qua cuộn dây tăng lên Ngược lại, khi đưa cuộn dây ra xa, đường sức từ xuyên qua cuộn dây giảm 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 7 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 thể thay đổi được

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

- Sinh ra từ thông móc vòng làm từ thông thay đổi liên tục

- Mối quan hệ giữa máy phát điện một chiều và động cơ điện :

Nối bóng đèn nhỏ vào một động cơ điện và xoay động cơ điện bằng tay, bóng đèn sáng nhẹ, điều này chứng tỏ động cơ điện có cấu tạo giống như máy phát điện một chiều Cơ năng và điện năng có thể được tạo ra từ cùng một nam châm và khung dây

Hình 8 Mối quan hệ giữa động cơ điện một và máy phát điện

Khi chạy một chiếc xe đạp có gắn máy phát điện vào ban đêm, ta cảm thấy bàn đạp cần lực đạp lớn hơn Điều đó xảy ra vì máy phát điện có chức năng giống như một động cơ điện, tạo ra một lực theo chiều ngược lại ngoài chức năng phát điện của nó nên cần lực đạp trên bàn đạp lớn hơn

Khi động cơ điện quay, nó có chức năng như máy phát điện, tạo ra dòng điện ngược làm giảm dòng điện từ accu

Khi máy phát điện hoạt động và nối với tải điện, nó giống như động cơ điện nên phát sinh lực theo chiều ngược lại làm cản trở sự quay

2 CẤU TRÚC MÁY PHÁT ĐIỆN

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

3.1.1 Rotor

Chức năng : tạo ra từ trường và xoay để tạo ra sức điện động trong cuộn dây stator

Các thành phần chính : cuộn dây rotor, cực từ, trục

Hình 9 Rotor

3.1.2 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 10 Chổi than và vòng tiếp điện

3.1.3 Stator

Chức năng: tạo ra điện thế xoay chiều 3 pha nhờ sự thay đổi từ thông khi rotor quay

Các thành phần chính: Lõi stator, cuộn dây stator, đầu ra

Hình 11 Stator

Nhiệt sinh ra lớn nhất ở stator so với các thành phần khác của máy phát, vì vậy dây quấn phải phủ lớp chịu nhiệt

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

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

Hình 12 Đấu hình sao và

đấu hình tam giác

- 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

Tiết chế và vi mạch có hai loại tùy thuộc vào cách nhật 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 15 Tiết chế loại D Loại M: Nhận biết điện áp tại accu đồng thời điều chỉnh dòng ra ở một khỏang xác định

Hình 13 Bộ chỉnh lưu

Hình 16 Tiết chế loại M

3.1.6 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 ở mức 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 nhiệt nhất

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 nhiều dạng khác nhau như trình bày ở phần trên Chúng bao gồm : nhiệt sinh ra trên vật 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 máy phát

3.2 Các loại máy phát khác:

3.2.1 Máy phát đời cũ và tiết chế loại rung

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

Cấu trúc bên trong của máy phát đời cũ về cơ bản giống như loại đời mới nhưng 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

Tiết chế loại rung có kích thước lớn nên không thể lắp thành một khối với máy phát

Hình 17 Máy phát đời cũ

Hình 18 Tiết chế loại rung

3.2.2 Máy phát có bơm chân không

Hình 19 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 các thiết bị khác Bơm chân không được lắp chung nên quay cùng với trục của máy phát Có hai loại, loại có bơm chân không đặt phía puli và loại đặt phía đối diện puli

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

3.2.3 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 tuổi thọ Nó chỉ có các cực từ xoay còn cuộn dây phần cảm đứng yên

4 ĐIỆN ÁP CHỈNH LƯU BỞI MÁY PHÁT

4.1 Dòng điện xoay chiều 3 pha

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

Hình 22 Dòng điện xoay chiều 1 pha

Mối quan hệ giữa dòng điện sinh ra trong cuộn dây và vị trí của nam châm được 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 dòng điện trong mạch thay đổi ngược chiều nhau sau mỗi nửa vòng quay của nam châm Dòng điện hình sin được tạo ra theo cách này gọi là "dòng điện xoay chiều 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 phát như hình vẽ

Hình 23 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 trong mỗi cuộn dây Hình vẽ cho thấy mối quan hệ giữa 3 dòng điện xoay chiều và nam 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

4.2 Bộ chỉnh lưu

4.2.1 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 đặt trong giá đỡ của bộ chỉnh lưu

Dòng điện này chạy vào tải qua diode 3 và sau đó trở về cuộn dây II qua 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 chiều được chỉnh lưu bằng cách cho qua 2 diode và dòng điện tới các phụ tải được duy trì ở một giá trị không đổi

4 3 Máy phát điện có điện áp điểm trung hoà

4.3.1 Điện áp điểm trung hoà

Hình 25 Điện áp điểm trung hoà

Máy phát điện xoay chiều thông thường dùng 6 diode để chỉnh lưu dòng điện xoay chiiều 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 một chiều Trong khi dòng điện ra đi qua máy phát, điện áp tại điểm trung hoà phần lớn 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 phát vượt quá 2,000 tới 3,000 vòng/phút thì giá trị cực đại của phần dòng điện xoay chiều 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% ở tốc độ máy phát thông thường là 5,000 vòng/phút

4.3.2 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

5 HOẠT ĐỘNG CỦA TIẾT CHẾ

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

5.1.2 Nguyên lí điều chỉnh

Hình 27 Tự điều khiển dòng điện Hình 28 Nguyên tắc tiết chế

Nhìn chung cường độ dòng điện tạo ra có thể được thay đổi bằng phương pháp 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 điện xoay chiều trên xe, tốc

độ quay của rotor không thể điều khiển được vì nó quay cùng với động cơ Nói cách khác, điều kiện

có thể thay đổi một cách tự do trong máy phát xoay chiều trên xe là lực từ trường (rotor) Trong thực tế việc thay đổi cường độ dòng điện đi vào cuộn dây rotor (dòng tạo từ trường) sẽ làm thay đổi lực từ trường

Hình 26 Sơ đồ mạch điện diode trung hoà

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

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 độ quay của máy phát vượt quá một tốc độ nhất định (tự điều khiển) vì vậy khi tải vượt quá dòng điện ra cực đại thì điện áp sụt Một đặc tính khác của máy phát điện xoay chiều là dòng điện ra giảm đi khi máy bị nóng vì điện trở ở mỗi

bộ phận thay đổi theo nhiệt độ ngay cả khi tốc độ không đổi

Gợi ý khi sửa chữa:

- Nếu đai chữ V bị trượt thì tốc độ máy phát sẽ thấp hơn yêu cầu và dòng điện tạo ra sẽ giảm xuống làm cho ắc qui hết điện điện

- Nếu dòng điện tiêu thụ lớn hơn so với dòng điện tạo ra thì điện áp vào ắc qui sẽ bị tiêu thụ và làm cho ắc qui bị hết điện

- Khi máy phát quay ở tốc độ thấp (khi động cơ quay không tải) dòng điện tạo ra có cường độ thấp Vì vậy khi nhiều thiết bị điện chẳng hạn như bộ sưởi ấm và đèn pha đang bật, thì phải sử dụng điện từ ắc qui Nếu tình trạng này kéo dài thì ắc qui sẽ hết điện

Đối với một số loại máy phát đời cũ, người ta dùng một tiết chế riêng để ổn định điện áp Đó là tiết chế loại rung và tiết chế bán dẫn

5.2 Tiết chế loại rung

Tiết chế loại rung thường gồm một relay điều chỉnh điện và một relay đèn báo nạp Nó hiệu chỉnh điện

áp máy phát bằng cách đóng mở tiếp điểm

Relay điều chỉnh điện có cấu tạo như hình bên dưới Lực điện từ làm thay đổi vị trí của tiếp điểm

Hình 29 Hoạt động của tiếp điểm

Sơ đồ của máy phát đời cũ và tiết chế loại rung được trình bày như hình bên dưới

K K' '

+

1 2

1

2 3

Hình vẽ trên là một sơ đồ mạch điện ví dụ của một tiết chế loại rung Cơ sở hoạt động của các tiết chế loại rung là các relay Trên hình vẽ, có hai relay, relay điều chỉnh điện với cuộn dây Wu và relay điều khiển đèn báo nạp

- Khi bật IG/SW, có dòng điện:

 + accu → đèn báo nạp → tiếp điểm K1' → khung relay đèn báo → mát: đèn báo nạp sáng

 + accu → IG → tiếp điểm K1 → khung relay điều chỉnh điện → F → Wkt → mát: cung cấp một dòng kích từ ban đầu cho máy phát

- Khi rotor máy phát quay, có sự biến thiên từ thông đi qua stator làm sinh ra điện áp xoay chiều 3 pha

 Dòng điện tại điểm trung hòa của stator → N → Wdgm → khung relay đèn báo → mát: tiếp điểm

K1' ngắt, K2' dẫn, đèn báo nạp tắt

 + accu → IG → Wu → R3 → K2' → mát: cung cấp dòng điện qua cuộn dây relay điều chỉnh điện

- Khi điện áp máy phát đủ lớn, dòng điện qua Wu đủ khả năng hút tiếp điểm K1 hở ra, dòng điện qua

Wkt không thể đi qua K1 nữa nên có dòng điện đi từ IG → R1 → F → Wkt → mát: dòng điện qua cuộn kích từ lúc này bị hạn chế bởi điện trở R1 Tiết chế sẽ dẫn và ngắt (rung) ở tiếp điểm K1 để duy trì điện

áp phát ra

- Khi tốc độ máy phát tăng quá cao, điện trở R1 không còn khả năng hạn dòng, điện áp tăng lên Lúc này, dòng điện qua Wu đủ lớn để kéo cần tiếp điểm, làm K2 dẫn Hai đầu Wkt nối mát nên không có dòng điện đi qua Tiếp điểm K2 được dẫn và ngắt (rung) để duy trì điện áp máy phát

- Điện trở R2 dùng để bảo vệ tiếp điểm K1, khi K1 dẫn và ngắt làm sinh ra sức điện động trong Wkt, dòng điện này sẽ đi qua R2 mà không phóng qua K1

- R3 là điện trở bù nhiệt Nhiệt độ môi trường tăng lên hay do sự tỏa nhiệt của các thiết bị làm điện trở của Wu (làm bằng đồng) tăng lên → điện áp hiệu chỉnh tăng lên R3 là loại nhiệt điện trở âm bù lại sự tăng của Wu, ổn định điện áp máy phát theo nhiệt độ

5.3 Tiết chế bán dẫn

TriO W

+

T T

1

F

Hình 31 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một tiết chế bán dẫn

Tiết chế bán dẫn hoạt động dựa trên nguyên tắc nhận biết điện áp máy phát bằng diode Zenner để điều khiển dòng qua cuộn kích từ bằng transistor công suất Điện áp máy phát được đưa qua một cầu phân

áp để dẫn (ngắt) Zenner Tín hiệu này được cho qua một bộ điều khiển trung gian để cuối cùng ngắt (dẫn) transistor điều khiển dòng qua cuộn kích từ, duy trì điện áp tại mức hiệu chỉnh Sau đây là ví dụ

về hoạt động của một tiết chế bán dẫn

- Khi bật IG/SW, có dòng điện: