Tính toán kiểm nghiệm hệ thống cung cấp

Tính toán kiểm nghiệm hệ thống cung cấp

LỜI NÓI ĐẦU

Xã hội ngày càng tiến bộ, chủ trương công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nướccủa nhà nước ta đang được xúc tiến mạnh mẽ Để phục vụ vận chuyển cho nền côngnghiệp hiện đại, cũng như nhu cầu đi lại ngày càng lớn của người dân, việc pháttriển công nghiệp ôtô là hết sức cần thiết Bên cạnh đó, đời sống của người dânngày càng được nâng cao, nhu cầu đi lại, vận chuyển không chỉ dừng lại ở việc “đitới nơi, về tới chốn” mà còn đòi hỏi tính tiện nghi, êm dịu Do đó, nền công nghiệpôtô hiện đại cần phải đảm bảo được sự an toàn khi vận hành, tính thoải mái, êm dịucho người sử dụng và điều khiển nhẹ nhàng cho người lái

Ôtô là phương tiện chuyên chở hàng hóa đặc biệt quan trọng ở Việt Nam cũngnhư trên thế giới Thiết nghĩ, việc nghiên cứu, chế tạo ôtô là điều cần làm ở nước ta

Là sinh viên ngành cơ khí động lực, sau khi học các học phần Trang bị điện vàđiện tử động cơ, trang bị điện và điện tử thân xe, vi điều khiển… thì việc tìm hiểu,nghiên cứu, tính toán và thiết kế hệ thống điện trong xe là rất thiết thực và bổ ích

Để giúp sinh viên rèn luyện được kỹ năng tìm hiểu thông tin, củng cố, ứng dụng lýthuyết vào thực tế và bước đầu làm quen với việc nghiên cứu, tính toán kiểm

nghiệm các hệ thống điện – điện tử trên xe, mỗi sinh viên đều được nhận Đồ án Trang bị điện và điện tử động lực Trong khuôn khổ nhiệm vụ được giao, em xin

trình bày nhiệm vụ Tính toán kiểm nghiệm hệ thống cung cấp

Em xin cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Th.S Nguyễn Việt Hải.

Dưới sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy cùng sự cố gắng, nổ lực của bản thân, em đã hoànthành nhiệm vụ trong khoảng thời gian quy định Tuy nhiên, do kiến thức hiểu biết

có hạn, điều kiện tham khảo thực tế chưa có nhiều nên trong đồ án không thể không

có sự sai sót, nhầm lẫn Do vậy, em mong các thầy thông cảm và chỉ bảo thêm để

em hoàn thiện hơn trong quá trình học tập và công tác sau này

Đà Nẵng, ngày 06 tháng 10 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG CUNG CẤP TRÊN ÔTÔ 1.1 Công dụng

Hệ thống cung cấp điện có nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện cho các phụ tảivới một hiệu điện thế ổn định ở mọi điều kiện làm việc của ôtô máy kéo

Để cung cấp năng lượng cho các phụ tải trên ô tô, cần phải có bộ phận tạo ranguồn năng lượng có ích Nguồn năng lượng này được tạo ra từ mát phát điện trên ô

tô Khi động cơ hoạt động, máy phát cung cấp điện cho các phụ tải và nạp điện choacquy Để đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động một cách hiệu quả, an toàn thì nănglượng đầu ra của máy phát và năng lượng yêu cầu cho các tải điện phải thích hợpvới nhau

Hệ thống cung cấp trên ô tô có 2 dạng chính sau:

- Hệ thống cung cấp với máy phát điện một chiều

Hình 1.1 – Sơ đồ hệ thống cung cấp dùng máy phát một chiều

1 - Máy phát; 2 - Bộ ắc quy; 3 - Đồng hồ ampe; 4 - Bộ điều chỉnh điện.

- Hệ thống cung cấp với máy phát xoay chiều

Hình 1.2 – Sơ đồ hệ thống cung cấp dùng máy phát xoay chiều

1-Máy phát; 2-Bộ điều chỉnh điện; 3-Khóa điện; 4-Đồng hồ ampe; 5-Phụ tải.

Hai sơ đồ tuy có cách nối dây khác nhau nhưng đều bao gồm hai nguồn nănglượng là ắc quy và máy phát mắc song song Tuỳ thuộc vào giá trị phụ tải và chế độlàm việc của ô tô máy kéo, mà acquy, máy phát sẽ riêng biệt hoặc đồng thời cả haicung cấp năng lượng cho các bộ phận tiêu thụ (phụ tải).

Ngoài ra, tùy thuộc vào cấu tạo các bộ phận khác của hệ thống cung cấp mà ta

có sự phân loại khác nhau như:

- Acquy: là nguồn cung cấp năng lượng phụ trên ô tô

- Bộ điều chỉnh điện (BĐCĐ) làm nhiệm vụ: phân phối chế độ làm việc giữaacquy và máy phát; hạn chế và ổn định thế hiệu của máy phát để đảm bảo an toàncho các trang thiết bị điện trên xe; hạn chế dòng điện của máy phát để đảm bảo antoàn cho các cuộn dây của nó Gồm bộ điều chỉnh điện áp, điều chỉnh dòng điện,điều chỉnh dòng điện ngược…

- Bộ chỉnh lưu: chỉ có trong hệ thống cung cấp dùng máy phát xoay chiều đểbiến dòng xoay chiều thành dòng một chiều cung cấp cho các phụ tải trên xe cũngnhư nạp vào acquy

1.4 Các thông số cơ bản của hệ thống cung cấp

- Công suất máy phát: Phải đảm bảo cung cấp điện cho tất cả các tải điện trên

xe hoạt động Thông thường, công suất của các máy phát trên ôtô hiện nay vàokhoảng Pmf = 700 – 1500W

- Dòng điện cực đại: Là dòng điện lớn nhất mà máy phát có thể cung cấpthông thường thì 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

- Nhiệt độ cực đại của máy phát to

max : Là nhiệt độ tối đa mà máy phát có thể

hoạt động

- Điện áp hiệu chỉnh: Là điện áp làm việc của bộ tiết chế Uhc = 13,8 – 14,2V(với hệ thống 12V), và Uhc = 27 – 28V (với hệ thống 24V)

Chương 2 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP 2.1 Máy phát điện

2.1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu

2.1.1.1 Công dụng

Máy phát là nguồn điện chính trên ô tô máy kéo, nó có nhiệm vụ:

- Cung cấp điện cho tất cả các phụ tải

- Nạp điện cho ắc quy ở các số vòng quay trung bình và lớn của động cơ

2.1.1.2 Phân loại

- Máy phát trên ô tô máy kéo, theo tính chất dòng điện phát ra có thể chia làmhai loại chính:

+ Máy phát điện một chiều

+ Máy phát điện xoay chiều

- Máy phát điện một chiều, theo tính chất điều chỉnh chia ra:

+ Loại điều chỉnh trong (bằng chổi điện thứ ba)

+ Loại điều chỉnh ngoài (bằng bộ điều chỉnh điện kèm theo)

- Các máy phát điện một chiều loại điều chỉnh trong có kết cấu đơn giản, cókhả năng hạn chế và tự động điều chỉnh dòng điện máy phát theo số vòng quay Tuyvậy nó có nhiều nhược điểm như:

+ Phải luôn luôn nối mạch điện với ắc quy chúng mới làm việc được.+ Cản trở việc điều chỉnh thế hiệu của máy phát

+ Làm giảm tuổi thọ của ắc quy

- Máy phát điện xoay chiều, theo phương pháp kích thích chia ra:

+ Loại kích thích bằng nam châm vĩnh cửu

+ Loại kích thích kiểu điện từ (bằng nam châm điện)

- Theo số pha của dòng điện máy phát cung cấp ta có:

- Chịu được rung sóc bụi bẩn và làm việc tin cậy trong môi trường có nhiệt

độ cao, có nhiều hơi dầu mỡ nhiên liệu

- Tuổi thọ cao

- Kích thước và trọng lượng nhỏ, giá thành thấp

So với máy phát một chiều thì máy phát xoay chiều có nhiều ưu điểm hơn, vì

nó không có vòng đổi điện và cuộn dây rô to đơn giản hơn do đó có tuổi thọ caohơn và dễ dàng trong bảo dưỡng

2.1.2 Máy phát điện một chiều

2.1.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo của máy phát điện một chiều bao gồm các bộ phận sau:

- Phần cảm (Stato) gồm: vỏ máy, các má cực trên quấn cuộn dây kích thích.

+ Vỏ máy: Làm bằng thép ít các bon có từ dư và thường được chế tạo bằngcách uốn thép tấm thành ống rồi hàn lại Trên vỏ có các cửa sổ để thông gió, kiểmtra và lắp các chổi điện

+ Má cực: Được dập nguội hoặc chồn nguội từ phôi hình trụ bằng thép ít cácbon và bắt chặt vào vỏ máy bằng các vít Quanh má cực quấn cuộn dây kích thíchbằng dây đồng tiết diện tròn với một hoặc hai lớp sơn cách điện

Hình 2.1 – Kết cấu máy phát điện một chiều trên ô tô 1-Cửa thông gió;2- Puli dẫn động; 3,6- Các nắp trước và sau;4-Phần ứng;5-Vỏ.

- Phần ứng (Roto): Gồm trục máy phát điện, khối thép từ được chế tạo bằngcách ép chặt các lá thép điện kỹ thuật dày 0,5 1,0 mm, có hình dạng đặc biệt lêntrục, sao cho các chỗ khuyết của chúng tạo thành rãnh để lắp đặt các khung dây.

+ Cuộn dây phần ứng: là tập hợp rất nhiều khung dây được quấn vàocác rãnh của khối thép từ sau khi đã lót lớp cách điện Các đầu khung dây được hànvào các phiến đồng của vành đổi điện.Cuộn dây roto có thể được quấn theo haiphương pháp: quấn xếp hoặc quấn sóng

Hiinh 2.2 – Kết cấu lõi thép phần ứng (a) và cách lắp với trục (b)

1,3-Vòng kẹp;2-Rãnh vòng; 4-Chỗ lắp vành đổi điện;5-Màng cách điện; 6- Lá thép.

+ Vành đổi điện: gồm nhiều phiến đồng có dạng đặc biệt ghép xen kẽvới các tấm mica cách điện hoặc nhựa cách điện cao cấp Vành đổi điện được chếtạo bằng hai phương pháp: lắp ghép hoặc đúc với nhựa thành khối liền rồi lắp chặtlên trục máy phát điện

Hình 2.3 – Cấu tạo vành đổi điện bằng mica và chất dẻo 1-Mica cách điện;2-Phiến đồng;3-Ống thép;4-Côn thép(hoặc chất dẻo đối với

loại cách điện bằng chất dẻo) ;5-Côn mica

- Giá đỡ chổi điện: Được lắp trên nắp hoặc vỏ máy Một nửa số giá đỡ được

lắp cách điện với mát, nửa còn lại nối với mát

Để giảm tia lửa điện sinh ra khi máy phát làm việc, chổi điện được lắp nhưtrên hình 2.4: tức là không lắp theo chiều hướng kính mà chếch đi một góc khoảng

26O 28O và tỳ sát vào thành dẫn hướng phía trước Với cách lắp như vậy, khi rotoquay: lực ma sát từ phía vành đổi điện tác dụng lên chổi điện sẽ làm giảm áp lực và

ma sát giữa chổi điện và thành dẫn hướng Đồng thời, sự tiếp xúc giữa vành đổiđiện và chổi điện được đảm bảo tốt hơn, ít bị mất tiếp xúc do rung động nên giảmđược tia lửa hồ quang chỗ tiếp xúc

Hình 2.4.Giá đỡ chổi điện.

1-Thân giá đỡ; 2-Chổi điện; 3-Đòn ép; 4-Lò xo.

- Chổi điện: được chế tạo từ hỗn hợp grafít, đồng và các chất phụ khác có tácdụng giảm điện trở và tăng khả năng chịu mài mòn của chổi

- Ổ bi: roto của máy phát được đặt trên hai ổ bi lắp ở hai nắp Các ổ bi đượcbôi trơn bằng mỡ đặc Để giảm tiếng ồn, một số kết cấu có thể thay ổ bi bằng ổtrượt

- Dẫn động máy phát: được thực hiện từ trục khuỷu động cơ thông qua puli vàđai truyền Trên puli có thể làm các cánh quạt gió để làm mát máy phát

2.1.2.2 Đặc tính máy phát điện một chiều

a) Đặc tính tự kích thích

Là đồ thị biểu diễn quan hệ Umf=f(n) với dòng điện tải khác nhau (Hình 2.5)

vòng quay tăng lên thì hiệu điện thế máy phát cũng tăng theo Số vòng quay mà thếhiệu máy phát đạt đến giá trị định mực được gọi là số vòng quay ban đầu.

Hình 2.5 – Đặc tính tự kích thích của máy phát điện một chiều

b) Đặc tính ngoài

Là các đường biểu diễn quan hệ Umf=f(Imf) khi n=const (Hình 2.6) Đặc tínhnày liên quan đến quá trình sử dụng và các phương án điều chỉnh điện áp và dòngđiện máy phát Từ đồ thị ta có thể thấy khi số vòng quay máy phát tăng, đặc tínhngoài có xu hướng dịch lên trên và sang phải Song ở mỗi số vòng quay khi dòngđiện tải tăng thì thế hiểu của nó giảm và quá các điểm giới hạn thì thế hiệu máy phát

sẽ giảm rất nhanh đến không

Hình 2.6 – Đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều (n 0 <n 3 )

c) Đặc tính tải

Là đồ thị biểu diễn quan hệ Imf=f(n) Nó cho phép đánh giá khả năng làm việccủa máy phát khi có tải ở số vòng quay khác nhau

Hình 2.7 – Đặc tính tải của máy phát một chiều

2.1.3 Máy phát điện xoay chiều

Trên ô tô máy kéo sử dụng hai loại máy phát điện xoay chiều là máy phátxoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu và máy phát xoay chiều kích thíchkiểu điện từ (bằng nam châm điện)

Các máy phát kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, do công suất hạn chế nênchủ yếu chỉ được sử dụng trên xe máy và máy kéo Gần đây, kỹ thuật đã chế tạođược những hợp kim từ mới có chất lượng cao, nên loại máy phát này bắt đầu cókhả năng sử dụng được trên ô tô

Máy phát kích thích bằng nam châm vĩnh cửu có loại một pha và ba pha Loại

ba pha công suất có thể đạt tới 400VA hoặc lớn hơn

Máy phát nam châm vĩnh cửu có nhiều ưu điểm hơn hẳn các máy phát kíchthích kiểu điện từ như: làm việc tin cậy, kết cấu đơn giản, không có cuộn dây quay,hiệu suất cao, ít nóng, mức nhiễu xạ vô tuyến thấp

Nhưng chúng cũng có một số nhược điểm quan trọng là: khó điều chỉnh thếhiệu, công suất hạn chế, giá thành cao, trọng lượng lớn hơn loại kích thích kiểu điện

từ cùng công suất Ngoài ra từ thông của nó còn phụ thuộc nhiều vào chất lượnghợp kim và kim loại chế tạo nam châm.

2.1.3.1 Máy phát xoay chiều kích thích bằng Nam châm vĩnh cửu

a) Đặc điểm cấu tạo

Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửugồm hai phần chính là rôto và stato

* Rôto: Phần lớn các máy phát đang được sử dụng hiện nay đều có nam

châm quay, tức nam châm là rôto Các máy phát loại này khác nhau chủ yếu ở kếtcấu của rôto và có thể chia ra một số loại chính:

- Rôto nam châm hình trụ

- Rôto nam châm hình sao (có các má cực hoặc không)

- Rôto nam châm hình móng

+ Đơn giản nhất là loại rôto hình trụ Nó có ưu điểm là chế tạo đơn giản,nhưng nhược điểm là hiệu suất sử dụng nam châm thấp Vì thế chúng chỉ được sửdụng ở các máy phát cỡ nhỏ công suất ≤ 100 VA

Hình 2.8 – Roto nam châm hình trụ rỗng

1 Nam châm; 2 Các má cực; 3 Cuộn dây cố định của Stato

+ Thông dụng nhất là loại rôto nam châm hình sao Loại này có ưu điểm là hệ

số sử dụng vật liệu lớn Số cực nam châm thường là sáu, vì nếu tăng số cực lên nữathì hệ số sử dụng vật liệu lại kém đi

Hình 2.9 – Roto nam châm hình sao

1 Nam châm hình sao; 2 Hợp kim không dẫn từ; 3 Trục Roto

Nhược điểm của rôto nam châm hình sao là khó nạp từ cho rôto, cường độ từtrường và từ cảm yếu, độ bền cơ học thấp

Rôto nam châm hình sao được sử dụng chủ yếu trong các máy phát điện củamáy kéo với công suất giới hạn khoảng 180 VA

+ Rôto nam châm hình móng ra đời khi xuất hiện các vật liệu từ mới có lực từkháng lớn, cho phép chế tạo các nam châm mạnh

Hình 2.10 – Roto nam châm hình móng

Nam châm có dạng hình trụ rỗng được nạp từ theo chiều trục Hai đầu của nóđặt hai tấm bích bằng thép ít các-bon, có các vấu cực nhô ra như những chiếc móng.Các móng cực của hai bích được bố trí xen kẽ nhau Do chịu ảnh hưởng của hai cực

từ khác dấu ở hai mặt đầu của nam châm, nên các móng cực của mỗi tấm bích cũngmang cực tính của cực từ tiếp xúc với nó Như vậy các móng của hai tấm bích trởthành những cực khác tên xen kẽ nhau của rôto

Để tránh mất mát từ, thường thường trục rôto được chế tạo bằng thép khôngdẫn từ hay nam châm được đặt lên trục qua một ống lót không dẫn từ

Rôto hình móng có một loạt các ưu điểm, như:

- Nạp từ có thể tiến hành sau lắp ghép;

- Từ trường phân bố đều hơn;

- Tốc độ vòng có thể cho phép tới 100 m/s và cao hơn;

Có thể lắp đồng thời một số nam châm nhỏ hơn lên trục theo phương án đặcbiệt để đảm bảo từ thông tổng cần thiết Do đó giảm được kích thướcđường kínhcủa nam châm hoặc tăng công suất của máy phát

* Stato: là một khối thép từ hình trụ rỗng, ghép từ các lá thép điện kỹ thuậtđược cách điện với nhau bằng sơn cách điện để giảm dòng fucô Mặt trong của stato

có các vấu cực để quấn các cuộn dây phần ứng

Hình 2.11 – Hệ thống từ của máy phát với nam châm hình sao

1 Stato; 2 Roto

b) Đặc tính tốc độ - phụ tải

Máy phát điện nói chng có một số đặc tính cơ bản khác nhau Ở đây ta chỉ giớihạn xét một đặc tính cơ bản, đặc trưng nhất cho sự làm việc của máy phát trên ô tômáy kéo và liên quan đến vẫn đề điều chỉnh điện áp là đặc tính tốc độ-phụ tải củanó

Đường đặc tính nào biểu diễn mối quan hệ Umf=f(n) với các phụ tải khác nhau

Hình 2.12 – Đặc tính tốc độ - phụ tải của máy phát điện xoay chiều kích thích

bằng nam châm vĩnh cửu.

2.1.3.2 Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ

Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ dùng cho ô tô máy kéo cóhai loại:

- Loại có vòng tiếp điện

- Loại không có vòng tiếp điện

a) Đặc điểm cấu tạo

a1 Loại có vòng tiếp điện

Cấu tạo của máy phát điện loại có vòng tiếp điện gồm những bộ phận chính là:rôto, stato, các nắp, puli, cánh quạt và bộ chỉnh lưu (bộ chỉnh lưư có thể tính hoặckhông tính vào thành phần cấu tạo của máy phát, tuỳ theo nó được đặt trong máyphát hay riêng biệt bên ngoài)

Hình 2.13 – Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ

1 Stato và cuộn dây; 2 Roto; 3 Cuộn kích thích; 4 Quạt gió; 5 Puli; 6,7 Nắp; 8 Bộ chỉnh lưu; 9 Vòng tiếp điện; 10 Chổi điện và giá đỡ.

+ Rôto: gồm hai chùm cực hình móng lắp then trên trục Giữa các chùm cực

có cuộn dây kích thích 3 đặt trên trục qua ống lót bằng thép Các đầu của cuộn dâykích thích được nối với các vòng tiếp điện 9 gắn trên trục máy phát Trục của rôtođược đặt trên các ổ bi lắp trong các nắp 6 và 7 bằng hợp kim nhôm

Hình 2.14 – Các chi tiết chính của Roto máy phát

1 và 2 Các nửa rôto trái và phải; 3 Cuộn kích thích; 4 Các má cực; 5 Đầu

ra cuộn kích thích; 6 Then; 7 Đai ốc và vòng đệm;8 Trục lắp vòng tiếp điện; 9.

Các vòng tiếp điện; 10 Các đầu dây dẫn.

+ Stato: là khối thép từ ghép từ các lá thép điện kỹ thuật, phía trong có xẻ rãnhphân bố đều để đặt cuộn dây phần ứng.

Hình 2.15 – Stato và sơ đồ cuốn dây máy phát điện xoay chiều

1 Khối thép từ; 2 Cuộn dây 3 pha

Cuộn dây phần ứng thường có 3 pha nối theo hình sao Mỗi pha gồm một sốcuộn nhỏ mắc nối tiếp Đầu của các cuộn dây pha được nối ra bộ chỉnh lưu 8 đặttrong vỏ máy phát theo sơ đồ chỉnh lưu cầu

a2 Loại không có vòng tiếp điểm

Về những phần kết cấu chính, máy phát điện loại không có vòng tiếp điện nóichung không có gì khác so với loại có vòng tiếp điện Nó chỉ khác ở chỗ: với mụcđích tăng tuổi thọ và độ tin cậy của máy phát, người ta loại bỏ các vòng tiếp điện vàchổi điện hay hư hỏng, bằng cách cho các cuộn dây kích thích đứng yên

Do những ưu điểm trên, máy phát điện loại này được sử dụng ngày càng nhiềutrên các ôtô làm việc trong điều kiện nặng nhọc và trên các máy kéo nông nghiệp

Hình 2.16 – Sơ đồ máy phát xoay chiều không có vòng tiếp điện

1 Stato; 2 Vòng không dẫn từ; 3 Cuộn kích thích cố định; 4 và 5 Các móng

cực; 6 Đĩa lắp cuộn kích thích.

Từ các sơ đồ ta thấy: mọi bộ phận của máy phát không có vòng tiếp điện đều

có kết cấu tương tự như ở máy phát điện loại có vòng tiếp điện Chỉ có điểm khácbiệt là: cuộn dây kích thích 3 được đặt ngay trên phần ống nhô ra của nắp sau (hình2.16a) hay lắp cố định trên đĩa 6 bắt chặt vào khối thép từ của stato Tức là cuộndây kích thích trở thành một bộ phận của stato và điện được dẫn vào cuộn kíchthích qua các đầu nối cố định trên stato

So với các máy phát loại có vòng tiếp điện, máy phát loại không có vòng tiếpđiện nói chung có kết cấu phức tạp, khối lượng và kích thước lớn hơn Tuy vậy, độtin cậy cao và tuổi thọ lớn hoàn toàn có thể bù lại được cho những nhược điểm trêncủa chúng

b) Đặc tính máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ

Đặc tính của máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ có dạng gầntương tự các đặc tính của máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu

Có sự sai khác ít nhiều giữa chúng là do ảnh hưởng của sự thay đổi dòng kích thích

Do dùng nam châm điện từ nên việc điều chỉnh thế hiệu có thể thực hiện giốngnhư đối với các máy phát điện một chiều, tức là bằng cách thay đổi dòng kích thíchnhờ rơle điều chỉnh thế hiệu máy phát

Do cuộn dây stato có hệ số tự cảm lớn nên máy phát có đặc tính tự hạn chếdòng điện Đường đặc tính tải theo tốc độ Imf=f(n) khi thế hiệu chỉnh lưu Ucl =const

và bởi vậy, hạn chế cường độ dòng điện của máy phát

- Khi tăng số vòng quay: tần số dòng điện cảm ứng trong cuộn dây stato tănglên, làm tăng trở kháng của nó và vì thế, giá trị dòng điện cũng bị hạn chế

Nếu cuộn dây stato có số vòng dây lớn, máy phát sẽ có tính chất tự hạn chếdòng mạnh, đường đặc tính I =f(n) của nó sẽ thoải mái hơn, dòng điện bị hạn chế ởgần giá trị định mức(Hình 2.17b) Trong trường hợp đó có thể không cần sử dụngkhả năng nạp ắc-quy khi ôtô chuyển động trong điều kiện thành phố với tốc độ thấpNếu máy phát có tính tự hạn chế dòng kém, dòng điện bị hạn chế ở giá trịdòng lớn hơn giá trị cho phép nhiều (Hình 2.17a) thì phải sử dụng rơle hạn chếdòng điện

Bộ chỉnh lưu làm việc liên tục, do đó cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Hoạt động ổn định, điện áp ra ít dao động

- Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy

- Đơn giản, giá thành rẻ

2.2.3 Phân loại

Dựa vào chu kỳ chỉnh lưu ta có:

- Bộ chỉnh lưu một nữa chu kỳ

- Bộ chỉnh lưu hai nữa chu kỳ

Dựa vào số đi-ốt chỉnh lưu:

Hình 2.18 – Bộ chỉnh lưu mạch cầu 3 pha 6 đi-ốt

Hình 2.18 là bộ chỉnh lưu đơn giản và hiệu quả với máy phát công suất nhỏ.Tuy nhiên, đối với máy phát có công suất lớn (P > 1000 W), sự xuất hiện sóng đahài bậc 3 trong thành phần của hiệu điện thế pha do ảnh hưởng của từ trường cáccuộn pha lên cuộn kích làm giảm công suất máy phát Vì vậy, người ta sử dụng cặpđi-ốt mắc từ dây trung hoà để tận dụng sóng đa hài bậc 3, làm tăng công suất máyphát khoảng 10 – 15% (hình 4.19) Trong một số máy phát, người ta còn sử dụng 3đi-ốt nhỏ (diode trio) mắc từ các pha để cung cấp cho cuộn kích đồng thời đóngngắt đèn báo nạp

Hình 2.19 – Sơ đồ máy phát có bộ chỉnh lưu mạch cầu 3 pha 8 đi-ốt

1 Cuộn Stato; 2 Cuộn kích thích; 3 Tiết chế

- Điều chỉnh thế hiệu và hạn chế cường độ dòng điện của máy phát;

- Phân phối chế độ làm việc giữa ắc quy và máy phát điện (một chiều) hoặcnối ngắt mạch giữa ắc quy và máy phát (xoay chiều)

2.3.1.2 Phân loại

* Theo chức năng điều chỉnh, BĐC gồm:

- BĐC Điện áp: Làm nhiệm vụ giữ cho thế hiệu máy phát ổn định, không sai

lệch khỏi giá trị định mức quá giới hạn cho phép (3% 5%Udm) Khi số vòng quay

của máy phát thay đổi, người ta đã xác định được là: nếu thế hiệu máy phát tăng lên10% 12% so với định mức, thì thời hạn phục vụ của ắc quy và các bóng đèn sẽgiảm đi từ 2 2,5 lần.

- BĐC dòng điện: Làm nhiệm vụ của bộ phận an toàn, bảo vệ cho máy phát

không bị quá tải bởi dòng điện quá lớn, có thể gây cháy hỏng cuộn dây và cách điệncủa nó

- BĐC dòng điện ngược: Làm nhiệm vụ phân phối chế độ làm việc giữa ắc

quy và máy phát một chiều nối máy phát vào mạch phụ tải khi thế hiệu của nó đạtgiá trị lớn hơn thế hiệu của ắc quy mắc song song với nó và ngắt máy phát ra khithế hiệu của nó giảm xuống thấp hơn thế hiệu của ắc quy để tránh dòng điện ngược

từ ắc quy phóng lại làm cháy hỏng cuộn dây máy phát và có hại cho ắc quy

- Rơ le đóng mạch: Làm nhiệm vụ nối ắc quy với máy phát xoay chiều khibật khoá điện và ngược lại, để tránh dòng điện ngược từ ắc quy rò qua bộ chỉnh lưu

và các cuộn dây của máy phát khi máy phát không làm việc, làm ắc quy bị mất điệndần

- Ngoài ra, người ta còn tích hợp nhiều chức năng điều chỉnh trong một cơcấu, gọi là bộ điều chỉnh đa chức năng

Đối với máy phát một chiều làm việc song song với ắc quy đòi hỏi phải sửdụng: BĐC điện áp, BĐC dòng điện và BĐC dòng điện ngược

Trong thực tế, đôi khi người ta không làm BĐC điện áp riêng mà làm kết hợpvới BĐC dòng điện ngược chung trong một kết cấu Trong trường hợp đó, BĐC kếthợp này được gọi là BĐC thế hiệu giảm dần (vì nó không đảm bảo giữ cho thế hiệumáy phát ổn định, mà thế hiệu máy phát sẽ giảm dần khi Imf tăng) Thậm chí cótrường hợp cả ba loại điều chỉnh trên được làm kết hợp chung trong một kết cấu.Đối với các máy phát điện xoay chiều: do có bộ chỉnh lưu bán dẫn nên việc sửdụng BĐC dòng điện ngược không cần thiết nữa, vì các điốt chỉnh lưu không chodòng điện đi ngược từ ắc quy sang máy phát BĐC dòng điện cũng không cần thiếtnữa, vì đa số các máy phát xoay chiều có đặc tính tự hạn chế dòng lớn Như vậy,đối với máy phát xoay chiều bộ điều chỉnh điện lúc này chỉ cần có BĐC điện áp và

* Theo đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc, BĐC điện được chia làm:

- BĐC loại rung (kiểu cơ khí)

- BĐC loại bán dẫn có tiếp điểm điều khiển

- BĐC loại bán dẫn không có tiếp điểm điều khiển

2.3.1.3 Yêu cầu

Bộ điều chỉnh điện cần đáp ứng những yêu cầu sau:

- Điều chỉnh chính xác;

- Làm việc tin cậy, ổn định, chịu rung xóc tốt và tuổi thọ cao;

- Kết cấu, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa đơn giản;

- Giá thành rẻ

2.3.2 Nguyên lý điều chỉnh thế hiệu và hạn chế dòng

Từ phương trình cân bằng mạch điện của máy phát, bỏ qua trở kháng của phầnứng và độ rơi thế trên bộ chỉnh lưu (đối với máy phát xoay chiều) [1]:

E = CEnΦ: Suất điện động của máy phát;

ở đây: CE: Hằng số kết cấu của máy phát;

n: Số vòng quay phần ứng;

Φ: Từ thông của máy phát

U: Thế hiệu máy phát (trên hai đầu cuộn dây phần ứng);

Iu, Ru: Dòng điện và điện trở cuộn dây phần ứng Đối với máy phát xoaychiều Iu là giá trị trung bình của dòng đã chỉnh lưu;

- Khi tốc độ và phụ tải của máy phát thay đổi thì thế hiệu của máy phát chỉ

có thể điều chỉnh (giữ không đổi) bằng cách thay đổi từ thông Φ, tức là thay đổidòng điện kích thích của máy phát

- Dòng điện tải của máy phát Imf ≈ Iu = (U/Rft) (ở đây Rft - tổng trở của tất cảcác phụ tải) Biểu thức này cũng cho thấy rằng: khi phụ tải và số vòng quay củamáy phát thay đổi, việc điều chỉnh dòng điện máy phát cũng quy về việc thay đổidòng kích thích của nó, tương tự như cách điều chỉnh thế hiệu

Để thay đổi dòng điện kích thích có thể dùng hai phương pháp:

- Thay đổi giá trị điện trở phụ mắc nối tiếp với cuộn dây kích thích

- Thay đổi thời gian cắt và nối điện trở phụ vào mạch kích thích khi giá trịđiện trở phụ không đổi: Rf = const, để thay đổi giá trị hiệu dụng của nó

Hình 2.20 – Phương pháp thay đổi giá trị dòng kích thích

a Điện trở phụ có giá trị thay đổi ; b Điện trở phụ có giá trị không thay đổi

Phương pháp thứ hai đơn giản hơn và dễ thực hiện điều chỉnh tự động, nên nóđược sử dụng rộng rãi trong các bộ ĐCĐ hiện nay

Để thực hiện điều chỉnh tự động thế hiệu và dòng điện máy phát, hệ thốngđiều chỉnh cần phải có một số bộ phận chức năng liên kết với nhau

2.3.3 Các bộ điều chỉnh sử dụng trên máy phát điện ô tô

2.3.3.1 Bộ điều chỉnh điện áp loại rung

a) Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của BĐC điện áp loại rung được thể hiệnnhư trên hình 2.21

Hình 2.21 – Sơ đồ BĐC điện áp loại rung a) Sơ đồ nguyên lý ; b) Sơ đồ cấu tạo

1 Lõi thép ; 2 Khung từ ; 3 Cần tiếp điểm

Cấu tạo rơ le gồm: Khung từ 2; lõi thép 1, trên đó quấn cuộn dây từ hoá WU

đặt dưới điện thế của máy phát (mắc song song với nó); cần tiếp điểm 3 có thể quayquanh điểm tựa trên khung từ; tiếp điểm KK': trong đó K là má vít cố định được bắtcách điện với khung từ, còn K' là má vít động được gắn trên cần tiếp điểm 3; lò xo(lx) có khuynh hướng giữ cho tiếp điểm K-K' luôn luôn ở trạng thái đóng; điện trởphụ Rf mắc song song với KK'

Nguyên lý làm việc:

+ Ở trạng thái không làm việc hay khi máy phát làm việc ở số vòng quay nhỏ:lực điện từ tạo nên bởi cuộn dây từ hoá WU là Fđt nhỏ hơn lực kéo của lò lo (Fđt <

Flx) nên tiếp điểm KK' được giữ ở trạng thái đóng Lúc này điện trở phụ Rf bị nối tắt

và dòng điện kích thích sẽ đi theo mạch sau:

(+)MF > a > b > cần 3 > KK' > d > W kt > (-)MF

+ Khi tốc độ quay của máy phát tăng lên: thì dòng điện kích thích và thế hiệucủa máy phát tăng theo Khi Umf > Uđm thì dòng qua cuộn dây WU lớn, lực điện từcủa nó lúc này thắng lực lò xo (Fđt > Flx), hút tiếp điểm KK' mở ra > điện trở phụlúc này được tự động nối vào mạch kích thích, làm giảm cường độ dòng kích thích

và thế hiệu máy phát Dòng kích thích lúc này sẽ đi theo mạch sau:

(+)MF > a > R f > d > W kt (-)MF

Thế hiệu máy phát giảm làm giảm lực hút điện từ của cuộn dây WU và khi Umf

< Uđm, lực lò xo lại thắng lực điện từ và đóng tiếp điểm KK' lại > điện trở phụ Rf

lại bị nối tắt, làm dòng kích thích và thế hiệu máy phát tăng lên Thế hiệu tăng lênlàm tăng lực điện từ của cuộn WU, khi Fđt > Flx KK' lại mở ra Quá trình đóng - mởtiếp điểm KK' cứ lặp đi lặp lại theo chu kỳ với một tần số khá lớn (rung) đảm bảogiữ cho thế hiệu máy phát dao động răng cưa quanh giá trị trung bình định mứctrong giới hạn cho phép.

b) Ưu, nhược điểm và các vấn đề liên quan

BĐC loại rung có ưu điểm như kết cấu đơn giản, giá thành rẻ, hiệu suất cao.Tuy vậy, chúng có nhược điểm quan trọng là điều chỉnh phức tạp, nhạy cảm vớirung động và bụi bẩn, các tiếp điểm dễ bị oxy hóa, chóng mòn rỗ đặc biệt là khi cắtnối dòng điện có giá trị lớn Nếu dùng các biện pháp để khắc phục thì làm kết cấuphức tạp, tăng giá thành và giảm độ tin cậy

*) BĐC loại rung này có đặc điểm:

- Biên độ dao động của thế hiệu tỷ lệ nghịch với tần số rung của tiếp điểm;

- Tần số rung f càng lớn thì biên độ ∆U càng nhỏ, hệ thống điều chỉnh càngnhậy cảm và thế hiệu càng ổn định

Tần số rung f phụ thuộc quán tính cơ và từ của rơ le Vì thế khi thiết kế phảitìm cách giảm quán tính cơ và từ của nó để tăng tần số đóng mở tiếp điểm Tuy vậy,

để rơ le làm việc ổn định thì nghiên cứu cho thấy: tần số dao động của cần tiếp điểm

f phải nhỏ hơn tần số dao động riêng f0 của nó ít nhất là 2 lần, tức là:

0 max

C f

m

π

=

ở đây: C - Độ cứng của lò xo; m - Khối lượng cần tiếp điểm

- Để giảm quán tính cơ: thì cần tiếp điểm phải làm mỏng, nhẹ và có dạng nhưthế nào để trọng tâm của nó dịch gần trục quay (ví dụ: dạng tam giác hay bánnguyệt) Biện pháp giảm quán tính cơ chỉ có hiệu quả khi công suất của máy phát

có công suất < 100W Đối với các máy phát công suất lớn, hệ số tự cảm các cuộndây rơ le của nó lớn Vì thế dòng điện và từ thông của cuộn dây từ hoá thay đổichậm hơn so với sự thay đổi thế hiệu của máy phát, do sự cản trở của suất điện động

tự cảm, tức là rơ le có quán tính từ lớn

- Để giảm quán tính từ của rơ le: cần phải sử dụng các sơ đồ đặc biết để giatốc quá trình tăng giảm từ thông trong lõi thép của rơ le.

Phổ biến nhất hiên nay là sơ đồ dùng điện trở gia tốc

Hình 2.22 – Sơ đồ BĐC điện áp với điện trở gia tốc

a Sơ đồ nguyên lý; b Sơ đồ kết cấu

Trong sơ đồ này: một đầu của cuộn dây từ hoá không được nối trực tiếp vớicực thứ hai của máy phát mà được nối vào một điểm a nào đó giữa điện trở phụ vàđiện trở gia tốc

Với cách nối như vậy, khi tiếp điểm KK' đóng, thế hiệu đặt lên cuộn dây từhoá sẽ được xác định theo biểu thức:

UU(đ) = Umf - iURgt, vì Rgt nhỏ nên:

iU.Rgt≈ 0 và UU(đ)≈ Umf

Khi KK' bắt đầu mở, do hiện tượng tự cảm > dòng kích thích vẫn giữ nguyêngiá trị và hướng Dòng điện này chạy qua điện trở gia tốc (vì KK' mở) cùng vớidòng iU, làm tăng độ sụt thế trên nó và làm giảm thế hiệu đặt lên cuộn từ hoá theo[1]:

UU(m) = Umf - (Ikt+iU)Rgt (2.2)

So sánh hai biểu thức trên ta thấy rằng:

- Vào thời điểm tiếp điểm mở, thế hiệu trên cuộn dây từ hoá giảm đột ngộtmột lượng với bước nhảy ∆UU=Ikt.Rgt;

- Phụ thuộc vào giá trị của Ikt và Rgt nó không chỉ thay đổi về giá trị mà còn

có thể thay đổi cả về dấu (khi ∆UU>Umf)