(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phát đa điện áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ TRƯỜNG THẠNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ơ TƠ – MÁY KÉO – 605246 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ TRƯỜNG THẠNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ơ TƠ – MÁY KÉO – 605246 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ TRƯỜNG THẠNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ơ TƠ – MÁY KÉO – 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2013 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: HỒ TRƯỜNG THẠNH Ngày, tháng, năm sinh: Quê quán: Giới tính: Nam 06/031985 Nơi sinh: Bến Tre Xã Phong Mỹ, Giồng Trôm, Bến Tre Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Xã Phong Mỹ, Giồng Trôm, Bến Tre Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0932 422 699 Fax: E-mail: truongthanhauto04@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 03/2009 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án, luận án mơn thi tốt nghiệp: Ứng Dụng Labview Trong Giao Tiếp PC Và Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 06/03/2009, Khoa Cơ Khí Động Lực (Xưởng Đồng Sơn) Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng & KS Nguyễn Trọng Thức Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 09/2011 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Khai Thác Và Bảo Trì Ơ Tô – Máy Kéo Tên luận văn: Nghiên Cứu Thiết Kế Chế Tạo Máy Phát Đa Điện Áp Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 09/2013, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng Anh, tương đương B1 Châu Âu i Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: Kỹ Sư Cơ Khí Động Lực; Số hiệu bằng: A.246031, Số vào sổ: 16.405, cấp ngày 20/05/2009 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác 04/2011 đến 12/2012 Công Ty TNHH Ơ Tơ Lee Cơng việc đảm nhiệm Cố vấn dịch vụ Trưởng Phịng Phụ tùng IV CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ: (chưa có) Ngày XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN (Ký tên, đóng dấu) tháng năm 2013 Người khai ký tên ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013 (Ký ghi rõ họ tên) iii LỜI CẢM TẠ Để thực hoàn thành đề tài này, người thực đề tài, Hồ Trường Thạnh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:  PGS.TS Đỗ Văn Dũng – Hướng dẫn khoa học đề tài  Ban giám hiệu, phòng Sau Đại học Khoa Cơ khí động lực Trường Đại Học Sư Phạm kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian học tập trường  ThS Nguyễn Trọng Thức – Giảng viên khoa Cơ Khí Động Lực Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM – Tư vấn hỗ trợ phần điện tử  Quý thầy cô tham gia giảng dạy cao học  ThS Vũ Đình Huấn – Giảng viên khoa Cơ Khí Động Lực Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM – Hỗ trợ thực nghiệm mơ hình  Tập thể lớp CKO – Khóa 2009 tất bạn bè – Tư vấn đóng góp ý kiến chun mơn, động viên tinh thần Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013 Học viên: Hồ Trường Thạnh iv MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM TẠ iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT x DANH SÁCH CÁC HÌNH xi Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Đối tượng giới hạn đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung nghiên cứu Chương 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Khái quát hệ thống cung cấp điện ô tô 2.1.1 Nhiệm vụ 2.1.2 Yêu cầu 2.1.3 Những thông số hệ thống cung cấp điện 2.1.4 Sơ đồ tồng quát, sơ đồ cung cấp điện phân bố tải 2.1.5 Chế độ làm việc Accu – máy phát phân bố tải 11 vii 2.2 Accu 13 2.2.1 Nhiệm vụ phân loại accu ô tô 13 2.2.2 Cấu tạo q trình điện hóa accu axit – chì 14 2.2.3 Các thơng số đặc tính accu axit – chì 18 2.2.4 Các phương pháp nạp điện cho accu 26 2.2.5 Bố trí chọn accu 29 2.3 Máy phát điện 29 2.3.1 Phân loại 29 2.3.2 Đặc điểm cấu tạo 29 2.3.3 Hoạt động chinh lưu 38 2.3.4 Đặc tính máy phát điện 44 2.4 Bộ điều chỉnh điện áp (bộ tiết chế) 47 2.4.1 Cơ sở lý thuyết điều chỉnh điện áp ôtô phương pháp điều chỉnh 47 2.4.2 Lý thuyết điều chỉnh gián đoạn 51 2.4.3 Các tiết chế tiêu biểu 56 Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP 74 3.1 Nghiên cứu đề xuất nguyên lí, kết cấu máy phát đa điện áp 74 3.1.1 Nguyên lý cấu tạo máy phát đa điện áp 74 3.1.2 Sơ đồ cấu trúc tiết chế cho máy phát đa điện áp 78 3.2 Tính tốn thông số 81 3.2.1 Tính tốn xác định dòng điện I 81 3.2.2 Tính tốn xác định hiệu điện U 82 3.2.3 Tính toán trạng thái sạc accu SoC 83 3.2.4 Tính tốn tuổi thọ accu SoH 84 3.3 Thiết kế chế tạo tiết chế cho máy phát đa điện áp 85 3.3.1 Chọn vi điều khiển 85 3.3.2 Thiết kế mạch cấp nguồn 88 3.3.3 Mạch khuếch đại điện áp điện trở shunt 89 viii 3.3.4 Mạch nhận tín hiệu chân P máy phát 89 3.3.5 Mạch điều khiển trung tâm 90 3.3.6 Mạch giao tiếp máy tính 91 3.3.7 Bộ tiết chế 91 3.4 Thuật toán điều khiển máy phát đa điện áp 92 3.4.1 Nguyên lý thay đổi điện áp, hoạt động mạch tiết chế 92 3.4.2 Lưu đồ thuật toán 94 3.4.3 Nguyên lý ổn định điện áp mạch tiết chế 96 3.5 Sơ đồ mạch điện cho hệ thống sạc accu 97 Chương 4: THỬ NGHIỆM MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP 99 4.1 Phương pháp thử nghiệm 99 4.2 Thực nghiệm mơ hình đánh giá kết 103 4.2.1 Kiểm tra hoạt động ổn áp tiết chế máy phát 103 4.2.2 Kiểm tra phương pháp tính SoC, SoH 104 4.2.3 Kiểm tra chế độ hoạt động thay đổi điện áp máy phát 106 Chương 5: KẾT LUẬN 107 5.1 Kết đạt đề tài 107 5.2 Hạn chế đề tài 107 5.3 Hướng phát triển đề tài 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 ix 3.4.3 Nguyên lý ổn định điện áp mạch tiết chế Điện áp máy phát giữ ổn định cách thay đổi dịng điện chạy qua cuộn dây kích từ máy phát kỹ thuật điều chế xung thông qua PWM vi điều khiển Giao tiếp tiết chế máy phát qua chân F tín hiệu dạng xung vuông với tần số không đổi Muốn thay đổi dịng điện chạy qua cuộn dây kích từ ta việc thay đổi tỉ lệ ON/OFF xung Hình 3.17: Hai tín hiệu xung khác với 80% PWM 50% PWM Hình 3.17 thể xung từ PWM với tỉ lệ ON/OFF khác Trạng thái ON tương ứng với có dịng điện ứng với khơng có dịng điện chạy qua cuộn dây trạng thái OFF tương chạy qua cuộn dây Bằng sử dụng PWM vi điều khiển phương pháp ta điều khiển tiết chế set điện áp phát máy phát với giá trị khác giữ cho điện áp máy phát ổn định cho dù tốc độ động thay đổi khác Hệ thống hoạt động theo nguyên lý liên hệ ngược (feedback control) Sơ đồ nguyên lý hệ thống trình bày hình 3.18 e(t) Xử lý tín hiệu PWM ( )= Cuộn kích từ − Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý ổn định điện áp tiết chế 96 Gọi thông số điều khiển xuất đầu máy phát điện (điện hay dòng điện máy phát điện) đo thực tế từ mạch điện tiết chế Thông số đầu vào giá trị định sẵn (điện hay dòng điện máy phát điện) tính tốn trước Khi xuất chênh lệch tín hiệu thực tín hiệu so e(t): − e(t) = Khi tiết chế hoạt động vi điều khiển kiểm tra tính tốn đưa giá trị điều khiển cho PWM để cho chênh lệch e(t) gần thời gian định lúc đo điện áp máy phát gần ổn định không đổi giá trị Giá trị tính tốn theo phương trình: = Trong đó: giá trị + ( ) vịng lập trước hệ số thể khả đáp ứng tiết chế 3.5 Sơ đồ mạch điện cho hệ thống sạc accu Hình 3.19: Sơ đồ mạch điện cho hệ thống sạc 97 Với hệ thống máy phát đa điện áp người nghiên cứu đề xuất nguyên lý lắp đặt sơ đồ đấu dây cho hệ thống sạc xe thực tế thể hình 3.19 Sau thử nghiệm thành công phận hiển thị thiết kế chế tạo lắp đặt bên thay cho đèn báo sạc theo sơ đồ hình 3.19 sau cho tài xế quan sát nhìn thấy thơng tin tình trạng accu trạng thái hoạt động hệ thống sạc Điện trở shunt đo dòng điện lắp đặt cực âm accu kết nối với dây mass xuống mass thân xe Bộ tiết chế bố trí hộp thành điều khiển máy phát độc lập, lắp đặt gần máy phát cho thuận tiện việc đấu dây Vị trí cầu chì, chân B, IG, S dây xe khơng có thay đổi giống hệ thống sạc xe 98 Chương THỬ NGHIỆM MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP 4.1 Phương pháp thử nghiệm Do hạn chế kinh phí thực đề tài nên người nghiên cứu không thực chế tạo mơ hình hệ thống cung cấp điện độc lập mà tiến hành thử nghiệm mơ hình máy phát đa điện áp băng thử máy phát xưởng điện ô tô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Mơ hình thử nghiệm máy phát đa điện áp chia làm phần:  Băng thử máy phát điện: phần dẫn động cho máy phát, nhằm thay động xe hay động điện mơ hình Mục đích sử dụng băng thử để thay đổi tốc độ máy phát thông qua điều chỉnh thay đổi tốc độ motor băng thử giống động thực tế xe tăng giảm chân ga  Máy phát điện: Người nghiên cứu chọn máy phát điện HITACHI qua sử dụng tháo xe Nissan, bán thị trường, thơng số kỹ thuật máy phát trình bày bảng 4.1 Nhà sản xuất HITACHI Công suất danh định 12V – 60A Điện áp đầu tiết chế 14.1 – 14.7 (V) Chiều dài nhỏ chổi than 6,0 (mm) Lực nén lò xo lên chổi than 1,000 – 3,432 (N) Đường kính bên ngồi nhỏ cổ góp 26 (mm) Điện trở rotor (cuộn kích từ) 2,67 (Ω) Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật máy phát điện Để thực thực nghiệm cho đề tài người nghiên cứu tháo bỏ tiết chế máy phát đấu nối chân bên theo sơ đồ nguyên lý hình 3.3 hình dạng thực tế máy phát điện sau nối chân thể hình 4.1 99 Hình 4.1: Máy phát điện thử nghiệm Máy phát điện gá lắp băng thử máy phát điện, motor dẫn động qua dây curo Nhiệm vụ tạo dòng điện nạp cho accu có dịng điện kích từ tiết chế  Bộ tiết chế: đặt bên kết nối với máy phát điện dây dẫn qua chân bên theo sơ đồ thử nghiệm máy phát hình 4.2 Hình 4.2: Sơ đồ thử nghiệm máy phát đa điện áp  Bộ phận hiển thị: LCD Khi mạch tiết chế cấp nguồn công tắt máy ON hình hiển thị LCD bật lên dấu hai chấm vị trí báo SoH (chữ H LCD) xem hình 4.3 thay dấu “X” cho thấy hệ thống chưa sạc Các thông số điện áp U, 100 dòng điện I, SoC, SoH, tốc độ máy phát hiển thi lên hình LCD Khi máy phát hoạt động có điện áp từ chân P lúc dấu “X” hình LCD thể giống hình 4.3 Hình 4.3: Hoạt động hiển thị LCD  Accu: sử dụng accu nước axit – chì 12V bất kỳ, để thử nghiệm phương pháp tính tốn dung lượng chất lượng accu Đồng thời kiểm tra hoạt động sạc máy phát chế độ khác Thông số kỹ thuật accu chọn thể bảng 4.2 tham khảo từ nhà sản xuất 101 Loại accu Axit – chì Nhà sản xuất GS Điện áp danh định 12V Dung lượng danh định 45Ah Dung lượng phụ thuộc nhiệt độ 30 100% 25 90% 10 74% Điện trở (nạp no) < 8,0 Ω Dịng phóng lớn 160A Tự phóng điện (20 ) Sau tháng 5% Sau tháng 10% Sau tháng 19% Dung tích axit 3.0 Lít Điện áp nạp 13,5 – 15.0 (V) Dịng nạp lớn < 16A Kích thước accu 238 x 129 x 202 mm Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật accu Hình ảnh mơ hình máy phát điện mạch tiết chế sau kết nối theo sơ đồ thử nghiệm hình 4.2 gá lắp băng thử thể hình 4.4 102 Hình 4.4: Mơ hình thử nghiệm máy phát điện 4.2 Thực nghiệm mơ hình đánh giá kết 4.2.1 Kiểm tra hoạt động ổn áp tiết chế máy phát Hoạt động ổn định điện áp tiết chế máy phát kiểm tra cách cho mơ hình thử nghiệm máy phát hoạt động băng thử với thông số thử nghiệm kết thể bảng 4.3 Thông số (V) (V) SoC (%) Tốc độ (vòng/phút) Thời gian (phút) (V) Lần Lần Lần 13,2 14,2 13,8 12,3 12,1 12,2 78 56 67 ÷ 2000 ÷ 3000 ÷ 2000 30 20 30 12,3 ÷ 13,3 12,1 ÷ 14,3 12,2 ÷ 13,9 Bảng 4.3: Thông số thử nghiệm chế độ ổn áp máy phát 103 Đánh giá lần thử nghiệm quan sát hình hiển thị ta thấy tốc độ máy phát tăng điện áp phát tăng theo đến tốc độ khồng 1100 vịng/ phút điện áp máy phát đạt ngưỡng 13,2V, tiếp tục tăng tốc độ máy phát điện áp có dao động chậm khoảng 13,2V đến 13,3V, tiếp tục tăng tốc độ máy phát lên đến khoảng 2000 vịng/phút điện áp cố định khơng vượt qua giá trị 13,3V Kết thí nghiệm qua quan sát mắt thường cho thấy tiết chế chế tạo hoạt động tự điều chỉnh điện áp tốt, điện áp có dao động khoảng 1V nằm giới hạn cho phép tương đương hoạt động tiết chế truyền thống xe 4.2.2 Kiểm tra phương pháp tính SoC, SoH Hai thơng số trạng thái accu SoC SoH kiểm tra cách kết nối tiết chế, accu với thiết bị sạc bên ngồi có qua điện trở shunt theo sơ đồ nguyên lý hình 4.5 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý kiểm tra SoC, SoH Do việc thử nghiệm cần thời gian dài để đo lượng điện nạp vào accu nên người nghiên cứu chọn máy sạc accu bên thay cho hoạt động nạp accu máy phát đa điện áp phải chạy băng thử để thử nghiệm Mục đích việc thử nghiệm đo dòng điện nạp vào accu theo phương pháp đề cặp chương để tính SoC SoH, nên việc thay máy nạp bên ngồi khơng làm ảnh hưởng đến kết thử nghiệm 104 SoC thử nghiệm cách cho accu nghĩ đo điện áp hở mạch OCV mạch tiết chế ghi nhận lại giá trị SoC1 Sau nạp máy sạc thời gian tiết chế lúc tính lượng điện nạp vào theo phương pháp đếm Coulomb xác định SoC2 mới, tiếp tục cho accu nghĩ thời gian đo lại điện áp OCV xác định SoC3 Để đánh giá ta so sánh giá trị SoC2 SoC3 Thông số thử nghiệm kết thể bảng 4.4 Thông số Lần Lần Lần SoC1 (%) 55 15 24 SoC2 (%) 71 36 49 SoC3 (%) 71 35 47 Thời gian nạp (giờ) Thời gian nghĩ (giờ) 0,5 0,5 SoC2 – SoC3 Bảng 4.4: Thông số kiểm tra đánh giá SoC Từ kết bảng 4.4 người nghiên cứu có nhận xét lần thử nghiệm thời gian sạc ngắn thời gian nghĩ vừa đủ để accu ổn định lại nên khơng có sai lệch phương pháp tính lần thử nghiệm thời gian nạp tương đối lớn thời gian nghĩ để accu ổn định điện áp ít, nên có chênh lệch giá trị SoC lần đo Cần thực nghiệm nhiều lần với giá trị SoC để có phương pháp hiệu chỉnh cơng thức xác định SoC cách xác Đối với người nghiên cứu mục đích đưa phương pháp xác định SoC để điều khiển hoạt động máy phát nên với sai số tính tốn theo quan điểm người nghiên cứu chấp nhận thời gian nghiên cứu ngắn việc thí nghiệm có hạn Riêng thơng số SoH đo điều kiện thí nghiệm chưa đủ thời gian có hạn nên người nghiên cứu đưa phương pháp tính SoH mang tính chất tham khảo cho đề tài làm máy phát đa điện áp, cần thử nghiệm kiểm tra đánh giá lại để đạt độ xác cao cho phương pháp tính 105 4.2.3 Kiểm tra chế độ hoạt động thay đổi điện áp máy phát Chế độ hoạt động máy phát kiểm tra cách cho máy phát hoạt động băng thử theo sơ đồ ngun lý hình 4.2 giá trị SoC accu xác định trước Khi kiểm tra điện áp phát từ máy phát để đánh giá kết Chế độ thử nghiệm kết thể bảng 4.5 Chế độ SoC < 60% Thời gian thử Tốc độ máy nghiệm (phút) phát(vòng/phút) Điện áp Dòng điện (V) (A) 20 1800 13,0 – 14,5 6–7 60%≤ < 80% 30 1800 13,8 – 14,5 4,4 – 4,6 80% ≤ ≤ 95% 30 1800 14,2 – 14,3 – 4,5 50 1500 13,2 – 13,3 1–2 SoC > 95% Bảng 4.5: Thông số thử nghiệm chế độ hoạt động máy phát Từ kết thử nghiệm bảng 4.5 người nghiên cứu có nhận xét:  Khi trạng thái sạc accu SoC > 80% gia đoạn sạc ổn áp tiết chế hoạt động tốt dòng điện sạc giảm dần accu no nguyên lý thiết kế  Khi trạng thái sạc accu 60% ≤