Nghiên cứu chế tạo băng thử máy phát điện trên ô tô có giao tiếp máy tính

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BĂNG THỬ MÁY PHÁT TRÊN Ô TÔ CÓ GIAO TIẾP MÁY TÍNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 602546 Hướng dẫn khoa học: PGS.. Được sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng, t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN CƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BĂNG THỬ MÁY PHÁT

TRÊN Ô TÔ CÓ GIAO TIẾP MÁY TÍNH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 602546

Hướng dẫn khoa học:

PGS TS ĐỖ VĂN DŨNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2014

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ và tên: Nguyễn Văn Cương Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10-08-1984 Nơi sinh: Hải Dương Quê quán: Thanh Hà – Hải Dương Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: Số 35 Bùi Văn Hòa – P Long Bình – Biên Hòa - Đồng Nai

Điện thoại di động: 0914190196

E mail: lycuong84.cko@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

Thời gian Nơi học tập Công việc đảm nhiệm

2003 - 2008 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ

Thuật, Tp Hồ Chí Minh Sinh viên đại học

2011 - 2013 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ

Thuật, Tp Hồ Chí Minh Học viên cao học

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

03/2009 Tổng công ty GTVT Sài Gòn Nhân viên kiểm tra chất lượng

10/2009 Công ty TNHH VMEP Việt Nam Nhân viên phòng kĩ thuật

07/2011 Trường CĐ nghề số 8/BQP Giáo viên

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 04 năm 2014

Nguyễn Văn Cương

iii

LỜI CẢM TẠ

Với khoảng thời gian hai năm học Cao học tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, tôi đã tích lũy được nhiều kiến thức bổ ích và nâng cao được khả năng tự nghiên cứu về chuyên môn nghiệp vụ cũng như tinh thần làm việc sau này

- Luận văn được hoàn thành tốt, tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn đến Thầy PGS TS Đỗ Văn Dũng đã tận tình giảng dạy và hướng dẫn chuyên môn, giúp tôi xác định hướng đi để tôi có thể hoàn thành luận văn này

- Tôi cũng xin chân thành gởi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa cơ khí động lực của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn

- Quý thầy phản biện đề tài đã giành thời gian đọc và đóng góp ý kiến quý báu giúp đề tài hoàn thiện

- Cảm ơn các bậc sinh thành, người thân trong gia đình là nguồn động viên cho tôi trong suốt quá trình học tập, phấn đấu

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn với tất cả tấm lòng của mình

iv

TÓM TẮT

Băng thử máy phát có giao tiếp máy tính với ứng dụng phần mềm LabVIEW còn rất mới ở Việt Nam Được sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng, tác giả đã thiết kế và chế tạo băng thử các loại máy phát trên ô tô du lịch, nhằm giúp người sửa chữa ô tô, học sinh sinh viên chuyên ngành cơ khí động lực có khả năng kiểm tra các thông số kỹ thuật, đánh giá chất lượng của máy phát Đó cũng là lý do tác giả chọn đề

tài: “Nghiên cứu chế tạo băng thử máy phát điện trên ô tô có giao tiếp máy tính”

Các kết quả của luận văn bao gồm:

- Chế tạo băng thử máy phát có giao tiếp với máy tính

- Sử dụng phần mềm LabVIEW điều khiển và hiển thị kết quả

- Kiểm tra và đánh giá máy phát qua việc đo các thông số đặc trưng của máy phát như: Điện áp máy phát, dòng điện tải máy phát, điện áp kích

từ, tốc độ máy phát

- Vẽ đường đặc tuyến tải theo số vòng quay của máy phát

- Là tài liệu tham khảo cho sinh viên các trường Đại học, Cao đẳng, Trung cấp nghề và thợ sửa chữa ô tô

v

ABSTRACT

Alternators test bench by communication with LabVIEW software applications is relatively new in Vietnam Under the guidance of Prof Do Van Dung, author has designed and built a alternators test bench, in order to help automotive repairer, students majoring in Automotive technology have the ability to check the specifications and evaluation the quality of alternators That is reason the author choose the subject: "Researching and making automotive alternators test bench with PC communication"

The result of thesis consisted:

- To manufacture a alternator test bench to communicate with computer

- Using LabVIEW software to control and display the results

- Testing and evaluating by measure the characteristic parameters of such alternators: voltage and current alternator, excitation voltage, alternator speed

- Draw the load characteristisc according to rotation of the alternator

- As a reference for students of universities, colleges, vocational institutions and automotive repairer

vi

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm tạ iii

Tóm tắt iv

Abstract v

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt ix

Danh sách các hình x

Danh sách các bảng xiii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các kết quả nghiên cứu 2

1.2.1 Kết quả nghiên cứu trong nước 2

1.2.2 Các sản phẩm băng thử máy phát của các hãng trên thế giới 3

1.3 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu 5

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 5

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu 5

1.4 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 5

1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu 5

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 6

1.5 Điểm mới của đề tài 6

1.6 Phương pháp nghiên cứu 6

vii

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Tổng quan về hệ thống cung cấp điện trên ô tô 7

2.1.1 Hệ thống cung cấp điện trên ô tô 7

2.1.2 Hệ thống cung cấp điện phụ tải trên ô tô 8

2.2 Cơ sở lý thuyết về máy phát điện xoay chiều trên ô tô 10

2.2.1 Nguyên lý máy phát điện 10

2.2.2 Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu 12

2.2.3 Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện 13

2.2.4 Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ không có vòng tiếp điện 17

2.2.5 Máy phát xoay chiều hai nấc điện áp 14/28V 19

2.3 Tiết chế sử dụng với máy phát xoay chiều kích từ bằng điện 20

2.3.1 Bộ tiết chế điều chỉnh hoạt động liên tục: 20

2.3.2 Bộ tiết chế điều chỉnh hoạt động gián đoạn 21

2.4 Tiết chế vi mạch 22

2.4.1 Tiết chế vi mạch loại D 22

2.4.2 Tiết chế vi mạch loại M 23

2.4.3 Điều khiển đầu ra của bộ tiết chế vi mạch 24

2.5 Tính toán chế độ tải và chọn máy phát điện trên ô tô 31

2.6 Phần mền LabVIEW 33

2.6.1 LabVIEW 33

2.6.2 Ứng dụng LabVIEW trong thực tế 34

2.6.3 Lập trình với LabVIEW 35

Chương 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO CƠ KHÍ VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 36

3.1 Thiết kế phần cứng 36

3.1.1 Mô tả hệ thống 36

3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 36

3.1.3 Thiết kế bản vẽ cơ khí 38

viii

3.1.4 Thiết kế phần điện 39

3.2 Lập trình điều khiển 53

3.2.1 Giao diện điều khiển LabVIEW 53

3.2.2 Sơ đồ thuật toán 54

3.3 Hoàn thiện mô hình thực tế 56

Chương 4 THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 59

4.1 Máy phát thực tế được thí nghiệm 59

4.2 Qui trình thí nghiệm 60

4.3 Kết quả thí nghiệm và đánh giá 70

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71

5.1 Kết luận 71

5.2 Hạn chế 71

5.3 Hướng phát triển 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 74

AC : Alternating current – Dòng điện xoay chiều

DC : Direct current – Dong điện một chiều

RS-232 : Recommended Standard-232 – Chuẩn giao tiếp nối tiếp giữa thiết bị

ngoại vi với máy tính

DAQ : Data Acquisition

x

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 : Thiết bị thử máy phát TDQ-2B hãng Trung Quốc 3

Hình 1.2 : Thiết bị thử máy phát của Đức 4

Hình 1.3: Thiết bị thử máy phát model FQZ-2A của Trung Quốc 4

Hình 2.1: Sơ đồ cung cấp điện tổng quát trên ô tô 7

Hình 2.2: Sơ đồ phụ tải điện trên ô tô 8

Hình 2.3: Nguyên lý phát điện (Nguồn: theo www.hcmute.edu.vn) 10

Hình 2.4: Nguyên lý phát điện trong thực tế 10

Hình 2.5: Mối quan hệ giữa máy phát điện và động cơ điện 11

Hình 2.6: Các loại máy phát kích từ bằng nam châm vĩnh cữu 12

Hình 2.7: Cấu tạo máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ 13

Hình 2.8: Các kiểu đấu dây và cấu trúc của statot, rotor của máy phát điện 13

Hình 2.9: Sơ đồ kết nối máy phát trên ô tô 14

Hình 2.10: Đặc tính của máy phát điện xoay chiều kích bằng nam châm vĩnh cửu 14 Hình 2.11: Đặc tuyến không tải ứng với số vòng quay khác nhau (a); 15

Đặc tuyến ngoài ứng với số vòng quay khác nhau (b) 15

Hình 2.12: Đặc tuyến tải theo số vòng quay 16

Hình 2.13: Sơ đồ máy phát xoay chiều không chổi than và sự thay đổi từ thông 17

Hình 2.14: Các loại máy điện xoay chiều kích thích bằng điện từ không có vòng tiếp điện 18

Hình 2.15: Các kiểu máy phát hai nấc điện áp 19

Hình 2.16: Đặc tính điều chỉnh của máy phát 21

Hình 2.17: Sơ đồ mạch điện và các chân trên bộ tế tiết chế vi mạch loại D 22

Hình 2.18: Sơ đồ mạch điện và các chân trên bộ tế tiết chế vi mạch loại M 23

Hình 2.19: Mạch điện khi khoá điện ở trạng thái ON 24

Hình 2.20: Mạch điện khi máy phát đang phát điện 25

Hình 2.21: Mạch điện khi điện áp máy phát cao hơn điện áp hiệu chỉnh 26

xi

Hình 2.22: Mạch điện khi Rotor bị đứt 27

Hình 2.23: Mạch điện khi Rotor bị ngắn mạch 28

Hình 2.24: Mạch điện khi cực S bị ngắt 29

Hình 2.25: Mạch điện khi cực B bị ngắt 30

Hình 2.26: Mạch điện khi chân F nối mát 31

Hình 2.27: Các lĩnh vực ứng dụng của LabVIEW 34

Hình 2.28: Mã nguồn viết bằng LabVIEW 35

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mô hình băng thử máy phát 37

Hình 3.2: Bản vẽ thiết kế 3D băng thử máy phát 38

Hình 3.3: Bố trí thiết bị trên băng thử 39

Hình 3.4: Card NI 6009 39

Hình 3.5: Sơ đồ khối bên trong card NI6009 41

Hình 3.6: Thứ tự các chân và chức năng trên NI6009 41

Hình 3.7: Các thành phần kết nối với NI6009 42

Hình 3.8: Hình dáng biến tần ACS350 43

Hình 3.9: Sơ đồ phần cứng kết nối biến tần dòng ACS350 44

Hình 3.10: Sơ đồ kết nối mạch động lực 45

Hình 3.11: Hình dạng và sơ đồ khối của cảm biến dòng ACS7656-050B-PFF-T 45

Hình 3.12: Sơ đồ kết nối mạch của cảm biến dòng ACS756 46

Hình 3.13: Bóng đèn dùng làm tải 47

Hình 3.14: Mạch điện đấu nối bộ tải 15 cấp 48

Hình 3.15: Mô hình thực bộ tạo tải 15 cấp 48

Hình 3.16: Lưu đồ thuật toán bộ điều khiển tải 49

Hình 3.17: Board mạch Atmega8 51

Hình 3.18: Nguyên lý mạch vi điều khiển 51

Hình 3.19: Mạch điện kết nối máy phát 52

Hình 3.20: Mạch điều khiển tải ngõ ra 52

Hình 3.21: Giao diện LabVIEW 53

Hình 3.22: Sơ đồ thuật toán điều khiển và đo lường máy phát trên LabVIEW 54

xii

Hình 3.23: Sơ đồ thuật toán đo áp và dòng máy phát, đo dòng kích từ 55

Hình 3.24: Bên trong tủ điện điều khiển 56

Hình 3.25: Bộ phận gá máy phát 57

Hình 3.26: Mô hình băng thử máy phát điện 58

Hình 4.1: Các loại máy phát trong thí nghiệm 59

Hình 4.2: Motor ngừng quay, chưa tải 62

Hình 4.3: Đèn báo sạc sáng 62

Hình 4.4: Tốc độ máy phát 780 rpm, dòng kích từ 3A, điện áp 12.4V 63

Hình 4.5: Tốc độ máy phát 3655 rpm, dòng kích từ 0.5A 63

Hình 4.6: Đèn báo sạc tắt, máy phát đang làm việc 64

Hình 4.7: Điện áp ra 12.8V, dòng tải là 5.1A 64

Hình 4.8: Bóng đèn tải được bật sáng 65

Hình 4.9: Điện áp 12.4, dòng đo được 9.6A 65

Hình 4.10: Điện áp 12.2V, dòng tải 14.1A 66

Hình 4.11: Điện áp 12.1V, dòng tải là 18.5A 66

Hình 4.12: Điện áp 12.1V, dòng tải là 22.8A 67

Hình 4.13: Điện áp 12.5V, dòng tải là 27.1A 67

Hình 4.14: Điện áp 12.1V, dòng tải là 31.6A 68

Hình 4.15: Điện áp 12.1V, dòng tải là 35.9A 68

Hình 4.16: Điện áp 12.3V, dòng tải là 40.3A 69

Hình 4.17: Điện áp 12.1V, dòng tải là 43.0A 69

xiii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các bước tính toán chế độ tải và chọn máy phát điện trên ô tô 32

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Card NI 6009 40

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật biến tần ACS350-01E-04A7-2 của ABB 43

Bảng 3.3: Thông số hoạt động của ACS756SCA-050B-T 46

Bảng 3.4: Bảng sự thật 16 trạng thái ngõ ra điều khiển tải 50

Bảng 4.1: Bảng giá trị điện áp và cường độ dòng điện ở từng cấp tải 70

Cùng với xu hướng phát triển về khoa học kỹ thuật công nghệ thì nền công nghiệp ô tô cũng phát triển không ngừng Từ những năm 80 của thế kỷ XX, công nghệ điện tử đã được ứng dụng trên ô tô dần dần thay thế các cơ cấu điều khiển bằng cơ khí Qua nhiều thập niên điện tử trở thành một trong những nhân tố quan trọng không thể thiếu được trên ô tô Để đạt được những tính năng ấy, trên động cơ được trang bị rất nhiều cảm biến để thu thập những thông tin ở dạng điện áp và chuyển về bộ ECU Bộ ECU sẽ xử lý hay “tính toán” những dữ liệu nhập vào để thực hiện các quyết định và hoàn thành chức năng ở đầu ra Nó không những giúp động cơ ô tô điều khiển chính xác hơn mà còn làm giảm ô nhiểm môi trường, tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất động cơ Song song với việc hiện đại hoá chiếc ô tô ngày càng hoàn hảo hơn thì vấn đề bảo trì, chẩn đoán, sửa chữa ngày càng phức tạp hơn Với những chiếc ô tô hiện đại ngày nay lượng dữ liệu điều khiển xe ngày càng nhiều nên việc chẩn đoán sửa chữa theo phương pháp thủ công trở nên hết sức khó khăn Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo ra các thiết bị, máy móc kiểm tra, chẩn đoán, giúp cho việc kiểm tra phát hiện các hư hỏng trên ôtô một cách nhanh chóng, kịp thời và kinh tế là nhu cầu rất cần thiết

Trên thị trường nước ngoài có rất nhiều các thiết bị, máy móc kiểm tra chẩn đoán trên ô tô Một trong số đó có băng thử máy phát, nhưng những thiết bị này có giá thành rất cao nên với kinh phí của các trường học, garage rất khó tiếp cận được những trang

2

thiết bị này Từ động lực này, tác giả đã tập trung vào nghiên cứu chế tạo băng thử máy phát điện trên ô tô có giao tiếp với máy tính với ứng dụng của phần mềm LabVIEW

Băng thử máy phát có giao tiếp máy tính được dùng để thực hiện các thí nghiệm nhằm đo các thông số đặc trưng của máy phát qua đó vẽ được các đường đặc tuyến của máy phát phục vụ việc giảng dạy, nghiên cứu và học tập cho giáo viên và học sinh Mặt khác, chương trình giao tiếp còn cho phép người sử dụng thay đổi tải máy phát một cách tuyến tính và tự động v.v Ngoài ra, chương trình giao tiếp cho phép người sử dụng tạo ra các pan trên băng thử, giúp thuận tiện hơn trong việc dạy và học

1.2 Các kết quả nghiên cứu

1.2.1 Kết quả nghiên cứu trong nước

Hiện nay đối với sản phẩm băng thử máy phát điện, máy đề chỉ có một vài công

ty chuyên sản xuất và cung cấp thiết bị trường học gồm: Tân Phát, Gamma Các sản phẩm khá đa dạng gồm nhiều chủng loại nhưng hầu hết đều là thiết bị nhập ngoại

Năm 2011, với sự hỗ trợ của Trung tâm thiết kế chế tạo thiết bị mới TP.HCM (Neptech) trong chương trình “Hỗ trợ nâng cao năng lực nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và chuyển giao thiết bị mới”, ThS Lê Văn Điện (Trường cao đẳng giao thông vận tải III) đã nghiên cứu chế tạo thành công băng thử máy phát điện xoay chiều trên xe ô tô Băng thử máy phát là thiết bị cho phép tạo tải và tạo quá tải cho máy phát, cũng như điều khiển tốc độ dẫn động máy phát trong phạm vi mong muốn nhằm khảo sát đầy

đủ tính năng kỹ thuật của máy phát điện

Băng thử máy phát điện xoay chiều trên xe ô tô có thể gắn được bốn loại máy phát phổ biến hiện nay ở Việt Nam với các công suất khác nhau Băng thử tải còn

có một mạch điều khiển tương tác và hiển thị thông số trên màn hình máy tính Băng thử tải này không như các thiết bị thử máy phát trước đây chỉ đo được một thông số ở mỗi thời điểm, mà có thể đo được cùng lúc từ 4 - 6 thông số và vẽ

đồ thị trực tiếp trên máy tính Thay vì sử dụng động cơ điện ba pha kết hợp với biến tần làm nguồn dẫn động, băng tải sử dụng động cơ đốt trong nên vẫn có thể sử dụng giảng dạy cho sinh viên ngay cả khi bị cúp điện