Đồ án hệ thống cung cấp điện và điện tử động lực

- Loại cao tốc: Sử dụng puly cỡ nhỏ, nhiều rãnh và không có cánh quạt * Theo cách cấp điện cho cuộn kích thích: - Máy phát tự kích thích Dòng điện xoay chiều ba pha được điôt chỉnh lưu t

LỜI NÓI ĐẦU

Trên thế giới hiện nay có nhiều nước có nền công nghiệp phát triển ở một trình độ cao trong khi đó thì ở Việt Nam vẫn trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa Để nền công nghiệp tồn tại và phát triển thì cần có nhiều yếu

tố trong đó một yếu tố quan trọng chính là giao thong vận tải

Môn học Trang bị điện và điện tử động lực rất quan trọng trong chương trình đào tạo Nhờ môn học này mà các sinh viên có thể hiểu rõ nguyên lý làm việc, cấu tạo cũng như tính toán các hệ thống điện trên động cơ đốt trong

Đồ án môn học Trang bị điện và điện tử động lực có sự kết hợp chặt chẽ giữa lí thuyết với thực nghiệm được xây dựng trên cơ sở những kiến thức của các môn học được chứng minh và hoàn thiện qua thí nghiệm và thực tiễn sản xuất

Đồ án môn học Trang bị điện và điện tử động lực là một trong các đồ án

có tầm quan trọng đối với một sinh viên khoa Cơ Khí Giao Thông Đồ án giúp cho sinh viên hiểu những kiến thức cơ bản về cấu tạo, nguyên lý làm việc và tính toáncác hệ thống điện trên động cơ dốt trong Để sau khi ra trường sẽ có một lượng kiến thức giúp ích chúng em trong quá trình đi làm

Dù sao thì đồ án này sẽ không tránh khỏi những sai sót, em mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo thêm các quý thầy cô và các bạn

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Công Lộc

TỔNG QUAN HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN TRÊN Ô TÔ

1 Máy phát điện xoay chiều:

1.1 Công dụng, phân loại và yêu cầu:

1.1.1 Công dụng:

- Máy phát điện là máy biến đổi cơ năng thành điện năng sản sinh ra điện để cung cấp cho các thiết bị dùng điện trên ôtô, khi ôtô đã thực hiện xong quá trình khởi động

- Nạp điện cho ắc quy khi trục khuỷu của động cơ làm việc ở số vòng quay trung bình và lớn

1.1.2 Phân loại

Tuỳ theo yêu cầu sử dụng và kiểu thiết kế, máy điện xoay chiều có thể phân loại dựa vào các nhận biết sau:

* Theo tính chất dòng điện phát ra có thể chia làm 2 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 diều chỉnh ngoài (bằng bộ diều chỉnh điện kèm theo)

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

- Phải luôn luôn nối mạch 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

Vì vậy máy phát này hiện nay ít thấy Chúng ta chỉ đề cập đến máy phát điều chỉnh ngoài

* Theo phương pháp kích thích chia ra:

- Loại kích thích bằng nam châm vĩnh cửu( roto là một nam châm vĩnh cửu) Loại này đơn giản dễ chế tạo, nhưng công suất nhỏ dùng cho xe gắn máy

- Loại kích thích kiểu điện từ (bằng nam châm điện): Có cuộn cảm đứng

loại này rất tốt vì không còn tồn tại chổi than tiếp điện, rất thích hợp cho các máy kéo vận chuyển, máy canh tác nông nghiệp và trên ôtô

* Theo công suất động cơ:

- Loại thường: Sử dụng Puly cỡ lớn có một rãnh và có cánh quạt

- Loại cao tốc: Sử dụng puly cỡ nhỏ, nhiều rãnh và không có cánh quạt

* Theo cách cấp điện cho cuộn kích thích:

- Máy phát tự kích thích

Dòng điện xoay chiều ba pha được điôt chỉnh lưu thành dòng một chiều và được đưa vào cuộn kích thích thông qua bộ tiết chế Khi bật công tắc khởi dộng, mạch cuộn kích thích được nối với ắc quy qua bộ tiết chế và đèn báo nạp Một dòng điện có trị số nhỏ đi qua đèn tín hiệu rồi tới cuộn kích thích tạo nên từ trường kích thích ban đầu làm xuất hiện điện áp ở đầu ra của máy phát Điện áp này được 3 điôt chỉnh lưu thành dòng một chiều đưa trở lại vào cuộn kích thích làm tăng từ trường kích thích nghĩa là tăng điện áp ở đầu ra của máy phát điện Quá trình tự kích thích tiếp tục cho đến khi điện áp đạt tới giá trị định mức thì đèn tín hiệu báo nạp tắt đi

- Máy phát kích thích độc lập

Dòng kích thích được cung cấp thường xuyên bởi ắc quy Mạch kích thích ở rôto của máy phát được nối song song với ắc quy và dòng điện kích thích là cức đại Đồng thời khoá khởi động cũng nối mạch đèn báo với ắcquy

Quan trọng: Cuộn dây kích thích của máy phát có loại đấu một đầu qua chổi than ra mát, Có loại không đầu nào ra mát nhưng có một đầu được nối với cực F( cực kích từ)

* Các đầu dây của máy phát điện

điện)

S cực lấy điện áp máy phát quay trở lại

tiết chế để so sánh điện áp rắc tín hiệ điện áp máy phát

Máy phát điện trên ô tô, máy kéo làm việc trong những điều kiện đặc biệt,

vì vậy chúng phải đáp ứng các yêu cầu:

- Đảm bảo độ tin cậy tối đa cho hệ thống, điều chỉnh tự động mọi điều kiện sử dụng

- Đảm bảo đặc tính công tác của hệ điều chỉnh, có chất lượng cao và ổn định trong khoảng thay đổi tốc độ và tải của máy

- Đảm bảo khởi động dễ dàng trong mọi điều kiện thời tiết và độ tin cậy cao

- Đảm bảo nạp tốt cho ắc quy

- Cấu tạo đơn giản

- Kích thước nhỏ, gọn, dộ bền cao chịu rung xóc tốt, giá thành rẻ

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

1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện xoay chiều 1.2.1 Cấu tạo chung

1.Nắp sau; 2.Bộ chỉnh lưu; 3 Đi ốt; 4 Đi ốt kích từ; 5.Bộ điều chỉnh điện áp và các chổi than tiếp điện; 6.Phần ứng(Stato); 7.Phần cảm(rôto); 8.Quạt; 9.Bu ly;

10.Chân gắn Hình 1: Kết cấu máy phát điện xoay chiều

0

1.2.2 Nguyên lý phát điện chung của máy phát điện xoay chiều

- Khi cung cấp điện cho cuộn dây kích từ trong rôto thì sẽ tạo ra các cực từ xen kẽ ở hai chùm vấu cực Như vậy sẽ tạo ra từ thông kép kín qua vấu cực của rôto và khung từ của Stato

- Các cuộn dây ba pha Stato của máy phát điện xoay chiều được phân bố đều trong các rãnh mặt trong của Stato theo một quy luật nhất định các pha cách nhau 120o.

Từ trường roto tạo ra Điện cảm ứng trên khung dây

Dòng điện xoay chiều ba pha Hình 3: Nguyên lý máy phát ba pha trên ô tô sau một chu kỳ

Nếu cho rôto quay sẽ làm cho các vòng dây điện của Stato cắt các từ trường ( theo hướng vuông góc) theo định luật cảm ứng điện từ trên các vòng dây sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng, theo công thức ta có suất điện động ở mỗi pha là E= 4,44 KW.§ W Фo.

Trong đó: KW: là hệ số của cuộn dây cảm ứng

§: là tần số của suất điện động §= P.N/60

W: tổng số vòng dây trong một pha cuộn dây phần ứng

Фo

: từ thông giữa khe hở Stato và Rôto

- Như vậy tại ba đầu dây ra của ba cuộn dây phần ứng sẽ có dòng điện xoay chiều ba pha dạng hình sin, có tần số như nhau, biên độ như nhau với góc lệch pha là 120o

1.2.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của các phần tử trong máy phát

1 Máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu:

Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu gồm 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 kết cấu 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

sử dụng ở các máy phát cỡ nhỏ công suất  100 VA

Hình 4: Rôto 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 nữa thì hệ số sử dụng vật liệu lại kém đi Nhược điểm của rôto nam châm hình sao là khó nạp từ cho rôto, cường độ từ trường và từ cảm yếu, độ bền cơ học thấp Rôto nam châm hình sao được sử dụng chủ yếu trong các máy phát điện với công suất giới hạn khoảng 180 VA

Hình 5: Rôto nam châm hình sao

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

Hình 6: Máy phát xoay chiều với nam châm vĩnh cửu hình sao

1 Stato và các cuộn dây; 2 Rôto (nam châm quay)

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

Hình 7: Rôto nam châm hình móng

Nam châm có dạng hình trụ rỗng được nạp từ theo chiều trục Hai đầu của

nó đặt 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 cũng mang cực tính của cực từ tiếp xúc với nó Như vậy các móng của hai tấm bích trở thành những cực khác tên xen kẽ nhau của rôto

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

Rôto hình móng có một loạt các ưu điểm: 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 đặc biệt để đảm bảo từ thông tổng cần thiết Do đó giảm được kích thước đường kính của nam châm hoặc tăng công suất của máy phát

 Stato: của máy phát 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 8: Hệ thống từ của máy phát với nam châm hình sao

1 Stato ; 2 Roto nam châm

2 Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ

a Loại có vòng tiếp điện:

Gồm các bộ phận chính sau: Rôto( phần cảm), Stato( phần ứng), bộ chỉnh lưu, ngoài ra còn có nắp trước và nắp sau, bộ điều chỉnh điện( tiết chế)

a Rôto (phần cảm)

- Là bộ phận tạo từ trường của máy điện xoay chiều gồm có: hai má cực bọc ngoài làm bằng thép từ, các cuộn dây cực từ và vòng khuyên tiếp điện dựa vào hình dạng cực từ khác nhau chia làm hai loại

- Dạng móng và dạng lõi, máy điện xoay chiều phần nhiều dùng cực từ dạng móng

- Khi được cấp điện vào cuộn dây phần cảm thì các cực từ bị từ hoá trở thành nam châm điện với các cực từ xen kẽ nhau

b Stato( phần ứng)

- Gồm các lá thép kỹ thuật điện để ghép lại để tránh dòng phucô gây nóng máy khi làm việc Mặt trong của Stato có các rãnh dọc để đặt các cuộn dây phần ứng, chúng được phân ra thành ba nhóm cuộn lần lượt ( xen kẽ) để tạo thành ba pha của máy phát

Hình 11: Cấu tạo Stato máy phát điện xoay chiều

-Trong các máy phát công suất nhỏ hơn hoặc bằng 600W, các cuộn dây

phần ứng được nối hình sao, còn trong các máy khác công suất lớn hơn 600W thường được nối hình tam giác Hình (a) giới thiêu cuộn dây Stato đấu theo hình sao có ba đầu dây nối chụm lại còn ba đầu kia nối với bộ chỉnh lưu

Hình 10: Rô to khi có điện

a)Hình sao b)Hình tam giác Hình 12: Hai cách đấu ba cuộn dây Stato máy phát điện xoay chiều Hình b) giới thiệu cuộn dây Stato đấu hình tam giác có các cuộn dây nối tiếp, ba mối nối đấu vào bộ chỉnh lưu

c Chổi than và giá đỡ: Đặt trong lỗ giá đỡ rồi dùng lò xo tỳ lên trên để chổi than luôn luôn tiếp xúc tốt với vòng tiếp điện Trong hai dây dẫn từ hai chổi than tì, một được nối với cọc F của dòng điện từ trường còn dây khác nối với cọc mát(-)

d Nắp trước, nắp sau: đúc bằng hợp kim nhôm không dẫn từ, một mặt đỡ

hở từ mặt khác lại có thêm ưu điểm gọn, nhẹ tản nhiệt

- Công dụng: là để che chắn bảo vệ

e Quạt gió: được lắp từ thép lá 1,5mm, có tác dụng làm mát cho máy phát

Hình 13: Các bộ phận khác của máy phát điện xoay chiều

1 Puly 3 Nắp trước 5.Chổi than và giá đỡ

2 Quạt gió 4 Nắp sau

f Bộ chỉnh lưu

- Công dụng của bộ chỉnh lưu là nắn dòng điện phát xoay chiều thành dòng điện một chiều

- Bộ chỉnh lưu thường có 6, 8 hay 9 điôt silic xếp thành ba nhánh các điôt mắc theo sơ đồ nắn mạch cầu ba pha và nối vào các đầu ra của các cuộn dây phần ứng trên Stato Các điôt được đặt trong một khối để đảm bảo độ kín và chắc chắn, các điôt được tráng một lớp bột đặc biệt, khối chỉnh lưu được gắn vào mắt của máy phát điện bằng bulông

Hình 14: Bộ chỉnh lưu điôt Silicon của máy phát điện xoay chiều Các điôt công

suất được ép cứng vào trong các rế tản nhiệt của bộ chỉnh lưu

1 Điôt dương 3 Điôt công suất

2 Điôt âm 4 Điôt kích từ

b Loại không có vòng tiếp điện:

Về những phần kết cấu chính, máy phát điện loại không có vòng tiếp điện nói chung không có gì khác so với loại có vòng tiếp điện Nó chỉ khác ở chỗ: với mục đích tăng tuổi thọ và độ tin cậy của máy phát, người ta loại bỏ các vòng tiếp điện và chổi 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 nhiều trên các ôtô làm việc trong điều kiện nặng nhọc

Trên hình 2.14a là sơ đồ máy phát Delcotron do hãng Delco-Remy của Mỹ

Hình 15: Sơ đồ các 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 khác biệt là: cuộn dây kích thích 3 được đặt ngay trên phần ống nhô ra của nắp sau (hình 2.14a) 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 qua các 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

- Nguyên lý chỉnh lưu dòng điện:

Đặc điểm của đi ôt là: nếu cực(+) của điôt có điện áp lớn hơn so với cực (-) thì điôt sẽ thông điện, ngược lại sẽ bị chặn

* Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

Hình 16.Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

* Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ

Hình 17.Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ( cầu 4 đi ốt)

* Bộ chỉnh lưu dòng điện 6 điôt

- Bộ chỉnh lưu dòng điện 6 điôt trong đo nối ba cực âm của các đi ốt P1, P2, P3 với nhau, một trong ba đi ốt sẽ thông điện nếu có chênh lệch điện áp, và nối

ba cực dương của các đi ôt P4, P5, P6 với nhau, một trong ba điôt này sẽ cho thông điện nếu cái nào có điện thế nhỏ nhất Ba điểm A, B, C của ba pha điện xoay chiều được nối với các đi ốt trên, ta xét dòng điện qua bộ chỉnh lưu loại này

Hình 18.Chỉnh lưu ba pha hai nửa chu kỳ(cầu 6 đi ốt)

*Bộ chỉnh lưu dòng điện 9 đi ốt, 8 đi ốt

+Nguyên lý làm việc:

-Khi (a)là dương nhất, (b) là âm nhất : có dòng điện đi từ(a) qua Đ1 qua Rt

về Đ5 rồi về(b) rồi về (-)của (a)

-Sau 120o thì (b) dương nhất, (c) là âm nhất: có dòng điện đi từ (b) qua D2 qua Rt qua D6 rồi về (c) về (-) của (b)

Tiếp tục sao 120o nữa thì ( c) là dương nhất, (a) là âm nhất: có dòng điện đi

từ ( c) qua D3 qua Rt qua D4 về (a) rồi về (-) của (c)