ĐỒ hệ thống cung cấp điện trên ô tô

PHÂN LOẠI Hệ thống cung cấp trên ô tô có hai dạng chính sau: - Hệ thống cung cấp với máy phát một chiều được thể hiện trên Hình 1.1.. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều: Máy

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG CUNG CẤP TRÊN ÔTÔ 4

1.1 Công dụng 4

1.2 Yêu cầu 4

1.3 Phân loại 5

1.4 Các thông số cơ bản của hệ thống cung cấp 8

Chương 2 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP 9

2.1 Ắc Quy 9

2.1.1 Công dụng 9

2.1.2 Yêu cầu 9

2.1.3 Phân loại 10

2.1.3.1 Ắc quy axit 10

2.1.3.2 Ắc quy kiềm 15

2.2 Máy phát điện 16

2.2.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu 16

2.2.1.1 Công dụng 16

2.2.1.2 Phân loại 17

2.2.1.3 Yêu cầu 17

2.2.2 Máy phát điện xoay chiều 18

2.2.2.1 Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu 18

2.2.2.2 Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ 21

2.3 Bộ chỉnh lưu 26

2.3.1 Công dụng 26

2.3.2 Phân loại 26

2.3.3 Yêu cầu 30

2.4 Bộ điều chỉnh điện 31

2.4.1 Công dụng 31

2.4.2 Phân loại 32

2.4.3 Yêu cầu 33

2.4.4 Nguyên lý điều chỉnh thế hiệu và hạn chế dòng 33

2.4.5 Bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn 34

2.4.5.1 Bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn có tiếp điểm 35

2.4.5.2 Bộ điều chỉnh điện áp bãn dẫn không tiếp điểm 37

2.5 Phân tích, lựa chọn sơ đồ cho hệ thống cung cấp 40

2.5.1 Lựa chọn bộ chỉnh lưu 40

2.5.2 Lựa chọn bộ điều chỉnh 41

Chương 3 TÍNH CHỌN MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ CHIỀU DÀI DÂY DẪN 43

3.1 Phân tích, lựa chọn máy phát điện 43

3.2 Tính toán, chọn công suất máy phát 43

3.2.1 Sơ đồ các phụ tải công suất điện trên ô tô 43

3.2.2 Công suất tiêu thụ cần thiết cho tất cả các phụ tải hoạt động liên tục 45

3.2.3 Công suất tiêu thụ cần thiết cho các phụ tải gián đoạn 46

3.2.4 Công suất máy phát yêu cầu và chọn máy phát 49

3.2.5 Kết cấu máy phát tham khảo 50

3.3 Tính toán lựa chọn dây dẫn 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

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 Phạm Quốc Thái 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 không thể tránh khỏi nhữngsai sót, nhầm lẫn Do vậy, em mong các thầy thông cảm và chỉ bảo thêm để emhoàn thiện hơn trong quá trình học tập và công tác sau này

Đà Nẵng, ngày 08 tháng 6 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đức Toàn

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG CUNG CẤP TRÊN ÔTÔ

tô Khi động cơ hoạt động, máy phát cung cấp điện cho các phụ tải và nạp điện cho

ắc quy 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

1.2 YÊU CẦU

Hệ thống cung cấp điện trên ô tô phải tạo ra một điện áp ổn định (13,8V –14,2V đối với hệ thống điện 14V hoặc 27 - 28V với hệ thống điện 24V) trong mọichế độ làm việc của phụ tải

Vì nếu điện áp dòng điện máy phát cung cấp chênh lệch quá lớn so với điện áplàm việc của phụ tải sẽ làm giảm tuổi thọ của phụ tải, thậm chí làm hỏng phụ tải.Máy phát phải có cấu trúc và kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhỏ, giá thànhthấp và tuổi thọ cao

Do xu hướng thiết kế các loại xe cần nhỏ gọn và giảm khối lượng nhất là đốivới các xe du lịch Nên các hệ thống trên cần đảm bảo giá thành và tuổi thọ để đảmbảo lượng tiêu thụ hàng năm và cạnh tranh với các hãng khác

Có độ bền cao trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm lớn, có thể làm việc ở nhữngvùng có nhiều bụi bẩn, dầu nhớt và độ rung động lớn

Để đáp ứng ở mọi điều kiện làm việc trên ô tô :

- Acquy có độ bền cao, đặc tính phóng nạp thỏa mãn quá trình khởi động củađộng cơ

- Khi khởi động, dòng điện cung cấp cho hệ thống khởi động có cường độ rấtlớn thường khoảng 600A, nên có phản ứng xảy ra trong ắc quy Vì vậy, ắc quy phảiđáp ứng được yêu cầu trên, tránh việc ắc quy mất điện quá nhanh và các tấm cực bịcong vênh, hư hỏng ắc quy.

- Ít tốn công chăm sóc và bảo dưỡng

Ta đã biết hệ thống cung cấp có rất nhiều bộ phận, để chăm sóc và bảo dưỡnghết các bộ phận của nó sẽ rất tốn thời gian và rất khó khăn Ngoài ra, trên ô tô còn

có rất nhiều bộ phận khác đòi hỏi nhu cầu sữa chữa bảo dưởng lớn hơn Nên hệthống cần có tính ổn định cao, ít chăm sóc và bảo dưỡng

1.3 PHÂN LOẠI

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

- Hệ thống cung cấp với máy phát một chiều được thể hiện trên (Hình 1.1).

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

Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều:

Máy phát điện một chiều là loại máy phát ra dòng điện có chiều không thayđổi trong suốt quá trình máy hoạt động

- Hệ thống cung cấp với máy phát xoay chiều được thể hiện trên (Hình 1.2).

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

Ngày nay, máy phát điện lắp trên ô tô phổ biến là máy phát điện xoay chiều vì

so với máy phát điện một chiều nó có những ưu điểm sau:

- Cấu tạo đơn giản

- Với cùng một công suất thì nó có kích thước và tải trọng bé hơn

- Do không có cổ góp nên tuổi thọ phục vụ lâu hơn

- Tiêu hao kim loại màu ít hơn

- Có thể tăng tỉ số truyền từ động cơ tới máy phát

- Dùng diot chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều cung cấpcho phụ tải nên không cần rơ le hạn chế dòng điện do đó giảm được kết cấu của bộtiết chế và tăng độ tin cậy làm việc của máy phát điện

Sơ đồ mạch hệ thống cung cấp sử dụng máy phát xoay chiều trên một số dòng

xe hiện nay:

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống cung cấp trên xe Huyndai county.

Tuy có cách nối dây khác nhau nhưng các hệ thống cung cấp trên xe ô tô đềubao gồm hai nguồn năng lượng là ắc quy và máy phát mắc song song Tuỳ thuộcvào giá trị phụ tải và chế độ làm việc của ô tô máy kéo, mà acquy, máy phát sẽriêng biệt hoặc đồng thời cả hai cung cấp năng lượng cho các bộ phận tiêu thụ (phụtải)

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 an

toàn 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 CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP

Theo tài liệu [2], những thông số của hệ thống cung cấp bao gồm:

- 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

- Điện áp định mức: phải đảm bảo Uđm = 14V đối với những xe sử dụng hệthống điện 12V, Uđm = 28V đối với những xe sử dụng hệ thống điện 24V

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

- Tốc độ cực đại và tốc độ cực tiểu 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 thểhoạt 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 ẮC QUY

2.1.1 Công dụng

Trong hệ thống cung cấp, ắc quy là nguồn năng lượng phụ có nhiệm vụ:

- Cung cấp năng lượng cho máy khởi động khi khởi động động cơ

- Cung cấp năng lượng cho tất cả các phụ tải khác khi động cơ không làmviệc hay làm việc ở số vòng quay nhỏ

- Cùng với máy phát cung cấp năng lượng cho các phụ tải khi mà phụ tảimạch ngoài lớn hơn công suất của máy phát

2.1.2 Yêu cầu

Trong hệ thống cung cấp, ắc quy cần phải đảm bảo những yêu cầu sau đây :

- Phải có khả năng cung cấp một dòng phóng lớn (tương ứng với dòng khởiđộng) trong thời gian ngắn từ 5 đến 10 giây, mà sau đó trạng thái kỹ thuật củachúng hầu như không thay đổi

- Làm việc tin cậy khi nhiệt độ môi trường dao động trong giới hạn rộng

- Có điện trở trong nhỏ để khi phóng với dòng lớn độ sụt thế sẽ bé, đảm bảo

có thể khởi động dễ dàng

- Có điện dung lớn với khối lượng và kích thước tương đối nhỏ

- Có điện thế ổn định, hiện tượng tự phóng điện không đáng kể

- Điện dung phục hồi nhanh khi được nạp trong các điều kiện sử dụng khácnhau

- Đơn giản trong bảo dưỡng và sửa chữa

- Có độ bền cơ học cao, chịu đựng rung xóc, thời hạn phục vụ lớn và giáthành rẻ

+ Ắc quy kiềm: dung dịch điện phân là KOH hoặc NaOH.

- Theo vật liệu làm vỏ bình (đối với ắcquy axit) được phân ra thành:

+ Ắc quy với chất liệu làm vỏ bình từ êbônic

+ Ắc quy với chất liệu làm vỏ bình từ cao su cứng

+ Ắc quy với chất liệu làm vỏ bình từ các vật liệu tổng hợp khác

- Theo vật liệu làm bản cực (đối với ắcquy kiềm) được phân ra thành:

+ Ắc quy với bản cực Sắt – Niken (Fe – Ni)

+ Ắc quy với bản cực Cađimi – Niken (Cd – Ni)

+ Ắc quy với bản cực Bạc – Kẽm (Ag – Zn)

Ngoài ra ắc quy còn có thể phân loại theo thế hiệu, theo dung lượng, theo vậtliệu làm tấm cách…

2.1.3.1 Ắc quy axit

- Bình ắc quy được chia thành nhiều ngăn, thông thường là 6 ngăn Mỗi ngăn

ắc quy đơn cho điện áp đầu ra là 2V Như vậy, nếu đem đấu nối tiếp cả 6 ngăn vớinhau ta sẽ có bộ nguồn ắc quy là 12V

- Vỏ bình ắc quy được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt,

do đó mà người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite

- Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn cácxương dọc và xương ngang để tăng độ cứng vững và tạo ra các ô cho chất hoạt tínhbám trên bản cực

a) Sơ đồ nguyên lí

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của ắcquy axit

a Cấu tạo; b Quá trình nạp; c Nối với phụ tải; d Quá trình phóng; 1 Dung dịch điện phân; 2 Các bản cực chì; 3 Vỏ bình; 4 Công tắc; 5 Máy phát; 6 Đèn.

- Nguyên lý làm việc của ắc quy dựa trên hiện tượng phân cực ở các điệncực khi điện phân, bao gồm hai quá trình là quá trình nạp và quá trình phóng

+ Các ion dương hóa trị 2 (Pb2+) sẽ cho 2 electrol, bị oxy hóa thành iondương hóa trị 4 (Pb4+) và kết hợp với các ion OH- tạo thành đioxit chì PbO2 và nước + Còn các ion H+ và SO42- cũng kết hợp tạo thành axit làm tăng nồng độdung dịch.

PbSO4( Pb2+ + SO42-) - 2e + 4OH- + 2H+→ PbO2 + 2H2O + H2SO4

- Phương trình chung cho cả quá trình điện hóa xảy ra trong ắc quy khi nạp:

2PbS04 + 2H20  Pb02 +Pb + 2H2S04

Hình 2.2 Sơ đồ các quá trình điện hóa xảy ra trong ắcquy khi nạp.

A- Bản cực âm; B- Dung dịch điện phân; C- Bản cực dương

1- Sản phẩm trước nạp; 2- Quá trình ion hóa;3- Quá trình nạp; 4- Kết quả sau nạp.

* Quá trình phóng:

- Tại cực âm: chì nguyên chất cho 2 electrol, bị ô xi hóa thành ion dương hóa trị 2(Pb2+) và kết hợp với ion ấm S042- tạo thành chì sun phát PbS04 theo phươngtrình:

Pb -2e + S042-  PbS04

- Tại cực dương: chì dioxit điện phân trong H2O tạo thành ion dương hóa trị 4(Pb4+) và ion OH- .

+ Các ion OH- kết hợp với các ion H+ tạo thành nước

+ Còn các ion dương hóa trị 4 (Pb4+) nhận 2 electrol tạo thành ion dương hóatrị 2 (Pb2+) và kết hợp với S042- tạo thành chì sun phát PbS04

Pb02 +2H20+ 2e + 4H+ + S042- PbS04 + 2H20

- Phương trình phản ứng chung cho cả quá trình điện hóa xảy ra trong ắc quykhi phóng:

Pb + Pb02 + 2H2S04  2PbS04 +2H20

Hình 2.3 Sơ đồ các quá trình điện hóa xảy ra trong ắcquy khi phóng

A- Bản cực âm; B- Dung dịch điện phân; C- Bản cực dương

1- Sản phẩm trước phóng ; 2- Quá trình ion hóa ; 3- Quá trình tạo dòng ; 4- Sản phẩm sau phóng.

b) Ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của ắc quy axít

Hiện nay, trên thị trường ắc quy việt nam có 2 loại ắc quy được sử dụngnhiều nhất đó là ắc quy khô và ắc quy nước Sau đây là những ưu điểm và nhượcđiểm của 2 loại ắc quy này.

Ắc quy axit thông thường (loại hở) Ắc quy axit loại kín khí

- Rẻ hơn,chế tạo đơn giản hơn - Đắt hơn, nhiều hãng phải nhập nước

- Trạng thái điện tương đương nhau - Trạng thái điện tương đương nhau Sau

khi phát điện lớn thì ắc quy kin thườngphục hồi điện áp nhanh hơn tuy nhiênđiều này không ảnh hưởng đến hoạtđộng của kích điện

- Khi nạp có thể phát ra khí cháy hoặc

khí có mùi khó chịu

- Không phát sinh ra khí ra ngoài môitrường nên không có mùi

- Dòng điện nạp lớn nhất chỉ bằng 0,1

lần trị số dung lượng ắc quy

- Dòng điện nạp có thể lên tới 0,25 lầntrị số dung lượng ăc quy

- Nếu mức điện dịch từng ngăn ở ắc

quy thấp hơn quy định thì phải bổ sung

Không phải bổ sung diện dịch trong quátrình sử dụng

- Định kỳ phải nạp điện bổ sung cho ắc

quy, chu kì định kỳ khoảng 3 tháng/lần

nếu không nối với thiết bị tiêu thụ điện

- Phải nạp điện định kỳ trong thờ giankhông sử dụng nhưng chu kì nạp định

kỳ dài hơn so với loại ắc quy thôngthường

- Tuổi thọ thấp hơn

- Phạm vi ứng dụng:

Hiện nay, ắc quy axit được sử dụng rộng rãi, từ dân dụng cho đến côngnghiệp Được sản xuất chia ra nhiều mục đích và cấp độ khác nhau từ lưu điện cho

hệ thống đèn khẩn cấp, thiết bị an ninh, cho đến xe đạp điện, quang năng, phongnăng, ứng dụng viễn thông điện lực, khởi động các máy móc thiết bị (xe máy, ô tô,máy phát…).

Quá trình hóa học xảy ra trong ắc quy là quá trình thuận nghịch Nếu ắc quykiềm là ắc quy quy Fe-Ni thì phản ứng hóa học xảy ra trong ắc quy như sau:

- Trên bản cực dương:

Ni(OH)2 + KOH  Ni(OH)3 + KOH

- Trên bản cực âm:

Fe(OH)2 + KOH  Fe + KOH + 2OH

-Như vậy, trong quá trình nạp điện cho ắc quy, sắt ô xít trên bản cực âm bịphân tích thành sắt nguyên chất và anion OH- Còn trên bản cực dương, niken hai -điôxít được chuyển hóa thành niken ba - điôxít Từ hai phương trình phản ứng hóahọc trên, ta nhận thấy đặc điểm quá trình biến đổi hóa học trong các loại ắc quykiềm khác với ắc quy chì-axit ở chỗ: dung dịch điện phân KOH không tham gia vàophản ứng hóa học mà chỉ giữ vai trò như một chất dẫn điện, do đó sức điện độngcủa ắc quy hầu như không phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch điện phân mà chỉphụ thuộc vào trạng thái hóa học của chất tác dụng ở trên các tấm cực

Sức điện động của một ngăn đơn của ắc quy kiểm khi đã nạp no nhỏ hơn sovới ắc quy chì axit chỉ bằng khoảng 1,38V Vì vậy muốn có được một bình ắc quy

12V ta phải đấu nối tiếp 9 ngăn ác quy đơn Do đó trọng lượng của bình ắc quykiềm thường lớn hơn trong lượng bình ắc quy axit.

b) Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng

So với ác quy axit thì ắc quy kiềm tuy có nhược điểm là giá thành cao hơn,điện trở trong lớn hơn, nhưng nó lại có ưu điểm sau đây:

- Có độ bền lớn và thời gian sử dụng dài

- Trong điều kiện máy khởi động làm việc nặng nề có yêu cầu về độ tin cậy caothì ắc quy kiềm có tính ưu việt hơn hẳn so vói ắc quy chì axit

- Quá trình nạp điện cho ắc quy kiềm không đòi hỏi nghiêm nghặt về trị số dòngđiện nạp.trị số dòng điện nạp có thể lớn gấp ba lần dòng điện nạp định mức cũngchưa làm hỏng được ắc quy

Trong ba loại ắc quy kiềm: (Fe – Ni), (Cd – Ni), (Ag – Zn) thì loại ắc quy Ag–

Zn có hệ số hiệu dụng trên một đơn vị trọng và trên một đơn vị thể tích lớn hơn;Nhưng giá thành của nó lại quá cao vì phải sử dụng một lượng bạc tới 30% khốilượng của chất tác dụng, do đó loại này ít dùng, và chỉ dùng trong ngành hàngkhông

Hiện nay, ắc quy kiềm được sử dụng rộng rãi ở nước ta vì độ tin cậy của ắcquy kiềm rất cao, cao hơn nhiều so với ắc quy axit nên được nhiều người có điềukiện ưa chuộng hơn

2.2 MÁY PHÁT ĐIỆN

2.2.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu

2.2.1.1 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

2.2.1.2 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

2.2.2 Máy phát điện xoay chiều

2.2.2.1 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, nhưngnhược điểm là hiệu suất sử dụng nam châm thấp Vì thế chúng chỉ được sử dụng ởcác máy phát cỡ nhỏ công suất  100 VA

- 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 2.4 Rôto nam châm hình trụ rỗng

1-Nam châm; 2-Các má cực; 3-các cuộn dây cố định Stato

Hình 2.5 – Rôto 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

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 thuật

được 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 2.6 Hệ thống từ của máy phát với nam châm hình sao

1- Stato; 2- Roto nam châm.

Hình 2.7 Máy phát xoay chiều với nam châm vĩnh cửu hình sao.

1-Stato và các cuộn dây; 2-Rô to (nam châm quay)

b Nguyên lý làm việc

Khi động cơ hoạt động, thông qua bộ truyền đai, trục khuỷu động cơ kéo rôto của máy phát quay Rôto là một nam châm vĩnh cửu có 6 cực Khi rôtô quay từ trường thay đổi cắt các vòng dây của cuộn stato Trong cuộn dây xuất hiện sức điện động thay đổi cả về trị số và hướng Khi đóng mạch thì sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện xoay chiều cung cấp cho các phụ tải

2.2.2.2 Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ

Đặc điểm cấu tạo:

a) 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 2.8 Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ 1,2-Quạt làm mát; 3-Bộ chỉnh lưu; 4-vỏ; 5-Stator; 6- Rotor;

7-Bộ tiết chế và chổi than; 8-Vòng tiết điện

+ Stator: là khối thép từ ghép từ các lá thép điện kỹ thuật, phía trong có xẻ

rãnh phân bố đều để đặt cuộn dây phần ứng

Hình 2.9 Cấu tạo Stator

1 Cọc trung tính; 2 Cọc dương; 3 Đi ốt chỉnh lưu; 4 Cuộn stato; 5 Ba đầu cuộn dây stato; 6 Rãnh lắp cuộn dây; 7 Bọc cách điện; 8 Khối thép từ.

b) Hình 2.10 Các kiểu đấu dây a-Kiểu sao; b- Kiểu tam giác.

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

+ Rotor: bao gồm hai má cực từ có nam châm hình móng ngựa bọc ngoài

cuộn dây phần cảm lắp trên trục Có hai vòng than góp điện Khi có dòng điện kíchthích đi vào trong cuộn dây thì hai má cực từ trở thành nam châm điện Nam châmđiện có từ cực N-B xen kẻ nhau (hình 2.10)

Hình 2.11 Cấu tạo rotor 1-Chùm cực từ tínhS; 2- Chùm cực từ tính N; 3- cuộn dây kích thích; 4- Trục rotor; 5- Đường sức từ; 6- Ổ bi; 7-Vòng tiếp điểm.

b) Loại không có vòng tiếp điểm

Máy phát điện loại không có vòng tiếp điện nói chung không có gì khác sovới loại có vòng tiếp điện Nhưng lại có ưu điểm là tăng tuổi thọ và độ tin cậy

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

Hình 2.12 Sơ đồ máy phát điện xoay chiều không có vòng tiếp điện.

1-Stato; 2-Vòng không dẫn từ; 3-Cuộn dây kích thích cố định; 4,5-Các móng cực;

6-Đĩa lắp cuộn dây 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 khác

biệt là: cuộn dây kích thích 3 được đặt ngay trên phần ống nhô ra của nắp sau (hình 2.12) hay lắp cố định trên đĩa 6 bắt chặt vào khối thép từ của stato Tức là cuộn dây

kích thích trở thành một bộ phận của stato và điện được dẫn vào cuộn kích thích quacác đầu nối cố định trên stato

So với các máy phát loại có vòng tiếp điện, máy phát loại không có vòng tiếp

điện nói chung có khối lượng và kích thước lớn hơn Tuy vậy, độ tin cậy cao và tuổi thọ lớn hoàn toàn có thể bù lại được cho những nhược điểm trên của chúng.

b) Ưu nhược điểm

- So với máy phát điện một chiều, máy phát xoay chiều có những ưu điểm sau:

- Cấu tạo đơn giản hơn

- Với cùng một công suất, có kích thước và trọng lượng bé hơn

- Tuổi thọ phục vụ dài hơn do không có cổ góp

- Tiêu hao kim loại màu ít hơn ( giảm 2 – 2,5 lần so với máy phát một chiều)

- Có thể tăng tỉ số truyền từ động cơ ô tô đến máy phát tới trị số 2,5 – 3, vì vậykhi động cơ chạy không tải, máy phát có thể phát ra công suất đạt tới ( 25-30%)công suất định mức, cải thiện điều kiện nạp điện cho ắc quy

c) Phạm vi ứng dụng

- Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, có kết cấuđơn giản, nhưng công suất phát ra không lớn thường được sử dụng trên các xe gắnmáy và cho xe đạp điện

- Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm điện có cuộn cảm quaythường được sử dụng trên các ô tô

- Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm điện có cuộn cảm đứngyên ( không có các vòng tiếp điện và chổi than) Do có tuổi thọ cao và độ tin cậycao hơn hai loại trên nên thường dùng trên các máy kéo và các loại ô tô đặc biệt

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 2.13 Bộ chỉnh lưu mạch cầu 3 pha 6 đi-ốt

* Nguyên lý chỉnh lưu:

Sơ đồ trên trình bày nguyên lý chỉnh lưu của máy phát xoay chiều ba pha đấu sao Khi rotor quay từ thông xuyên qua các cuộn dây Stator lệch nhau 1200 Qúa trình chỉnh lưu được mô tả như sau:

- Giả sử khi rotor quay ở vị trí α=300 Khoảng này điện áp trên FIII dương nhất,điện áp trên FII âm nhất nên có dòng điện chỉnh lưu như hình a

- Ở vị trí α=300-600 trong khoảng này điện áp trên FI dương nhất, điện áp trên

FII âm nhất nên có dòng điện chỉnh lưu như hình b

- Ở vị trí α=1800 trong khoảng này điện áp trên FII dương nhất, điện áp trên FIII

âm nhất nên có dòng điện chỉnh lưu như hình c

Như vậy, dòng điện qua R lúc nào cũng theo một chiều và điện áp chỉnh lưu

(Uct) vẫn còn dạng nhấp nhô như đồ thị (hình 2.14).

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu 6 diode

Hình 2.15 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 đa hài bậc 3 trong thành phần của hiệu điện thế pha do ảnh hưởng của từ trường các

cuộn pha lên cuộn kích làm giảm công suất máy phát Vì vậy, người ta sử dụng cặp đi-ốt mắc từ dây trung hoà để tận dụng sóng đa hài bậc 3, làm tăng công suất máy

phát khoảng 10 – 15% (hình 2.15) Trong một số máy phát, người ta còn sử dụng 3

đi-ốt nhỏ (diode trio) mắc từ các pha để cung cấp cho cuộn kích đồng thời đóng ngắt đèn báo nạp

Hình 2.15 Bộ chỉnh lưu 8 diode

Hình 2.16 Bộ chỉnh lưu 14 diode 1- Accu; 2- Cuộn kích (G); 3- Cuộn dây stator; 4- Diode chỉnh lưu (+);5- Diode chỉnh lưu (-); 6- Diode trio; 7- Các diode công suất; 8- Diode chỉnh lưu dòng trung

hòa; 9- Tụ điện; 10.- Đầu cuối của cuộn dây máy phát (W).