CHƯƠNG III THIẾT KẾ BĂNG THỬ
3.1.3 Lựa chọn máy phát điện
Máy phát điện có rất nhiều loại, dựa theo tính chất dòng điện ta có thể phân ra làm hai loại chính: máy phát điện một chiều và máy phát điện xoay chiều. Tuy nhiên, các máy phát điện một chiều có nhiều nhược điểm như cồng kềnh, dòng điện qua cổ góp lớn làm mau hỏng cổ góp điện nên hiện nay ít phổ biến. Do vậy, máy phát điện lựa chọn là loại xoay chiều ba pha, kích thích kiểu điện từ có vòng tiếp điện được lắp sẵn bộ diod chỉnh lưu thành điện một chiều.
Hình 3.2 Cấu tạo 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 tiếp điện.
Stator: gồm khối thép từ được lắp ghép bằng các lá thép ghép lại với nhau, phía trong có xẻ rãnh đều để xếp các cuộn dây phần ứng. Cuộn dây stator có 3 pha mắc theo kiểu hình sao, hoặc theo kiểu hình tam giác
Hình 3.3. Các kiểu đấu dây
Hình 3.4 Stator của máy phát điện xoay chiều
a. Bố trí chung: 1. Khối thép từ stator; 2. Cuộn dây 3 pha stator.
b. Sơ đồ cuộn dây ba pha mắc theo hình sao.
Kiểu sao
Kiểu tam giác
Hình 3.5 Rotor máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điểm 1. Chùm cực từ tính S; 2. Chùm cực từ tính N; 3. Cuộn dây kích thích; 4. Các
vòng tiếp điện; 5. Trục rotor; 6. Ống thép từ.
Rotor: bao gồm trục 5 và ở phía cuối trục có lắp các vòng tiếp điện 4, còn ở giữa có lắp hai chùm cực hình móng 1 và 2. Giữa hai chùm cực là cuộn dây kích thích 3 được quấn trên ống thép dẫn từ 6. Các đầu dây kích thích được hàn vào các vòng tiếp điện
Khi có dòng điện một chiều đi qua cuộn dây kích thích Wkt thì cuộn dây và ống thép dẫn từ trở thành một nam châm điện mà hai đầu ống thép là hai từ cực khác dấu.
Dưới ảnh hưởng của các từ cực, các móng trở thành các cực của rotor, giống như cách tạo cực của loại rotor hình móng với nam châm vĩnh cửu.
Bộ chỉnh lưu
Hình 3.6 Bộ chỉnh lưu 6 diode và 8 diode
G
U W 3 V
B+
2
4
5
B _ +
WK
U W
V 3
B+
D+ 2
4 5
6
B _ +
Bộ tiết chế
Để biến đổi dòng điện xoay chiều của máy phát sang dòng điện một chiều, ta dùng bộ chỉnh lưu 6 diode, 8 diode hoặc 14 diode. 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 diode mắc từ dây trung hồ để tận dụng sóng đa hài bậc 3, làm tăng công suất máy phát khoảng 10 – 15% .
Hoạt động của bộ chỉnh lưu
Trên hình 3.7 là sơ đồ của máy phát chỉnh lưu 3 pha có bộ nắn dòng mắc theo sơ đồ nắn dòng 2 nửa chu kỳ, 3 pha. Các cuộn dây stator được đấu dạng sao.
Hình 3.7 Sơ đồ của máy phát chỉnh lưu 3 pha
Hình 3.8 Điện áp sau khi đã chỉnh lưu của máy phát 3 pha
Với kiểu mắc này thì quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện trên dây và
RL
D1 D3 D5
D4 D6 D2
A C B
Umf
Umax
t
t uA uB uC
trên pha là:
Un = √3U và In = I (3.1)
Ta giả thiết rằng tải của máy phát là điện trở thuần.
Điện áp tức thời trên các pha A, B, C là:
UA = Umsint (3.2)
UB = Umsin(t - 2/3) (3.3)
UC = Umsin(t + 2/3) (3.4)
Trong đó:
Um : điện áp cực đại của pha;
= 2f = 2.n.p/ 60 là vận tốc góc.
Ta cũng giả thiết là các diode mắc ở hướng thuận có điện trở Rt vô cùng bé (Rt
= 0) còn ở hướng ngược thì rất lớn (Rn = ).
Trên sơ đồ chỉnh lưu 3 pha này có 6 diode; 3 diode ở nhóm trên hay còn gọi là các diode dương (VD1, VD3, VD5), có catod được nối với nhau; Nhóm dưới còn gọi là các diode âm (VD2, VD4, VD6) có các anode được nối với nhau. Ở hướng dẫn điện, một diode nhóm trên dẫn điện khi anode của nó có điện thế cao hơn, còn ở nhóm dưới diode dẫn có điện thế thấp hơn. Vì vậy, ở một thời điểm bất kỳ đều có 2 diode hoạt động, một diode cực tính dương (phía trên) và một diode cực tính âm (phía dưới). Mỗi diode sẽ cho dòng điện qua trong 1/3 chu kỳ (T/3).
Điện thế dây của máy phát được đưa lên bộ chỉnh lưu. Điện áp chỉnh lưu được xác định bởi các tung độ nằm giữa các đường cong trên và dưới của điện áp pha UA, UB, UC. Vì vậy, điện áp chỉnh lưu tức thời Umf sẽ thay đổi và tần số xung động của điện áp chỉnh lưu lớn hơn tần số của điện áp pha 6 lần:
Trị số nhỏ nhất của điện áp chỉnh lưu bằng 1,5Um, và lớn nhất là 1,73 Um. Sự thay đổi của điện áp chỉnh lưu:
Umf = (1,73 – 1,5).Um = 0,23 Um = 0,325 U (3.5) Từ đồ thị ở hình 4 -17c ta có thể xác định giá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu.
umf = 3Um .cost (3.6)
Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu (công thức 3.6)
12
12 12 12
1 6 1
3 cos . . 3 sin .
6
3 3. 1, 65.
T
T
mf m T
T
m
mf m
U t dt U t
T T
U U U
−
−
= =
= =
(3.7)
Với:
T = 2; f = 1/T
Umf = 1,65 2U = 2,34U = 1,35Ud U : điện thế hiệu dụng pha.
Ud: điện thế hiệu dụng dây.
Như vậy, đối với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha thì giá trị trung bình của điện áp lưu lớn gấp 2,34 lần so với điện áp pha và 1,35 lần so với điện áp dây. Xung độ của điện áp chỉnh lưu có thể biểu diễn qua điện áp chỉnh lưu trung bình, bằng cách đưa vào công thức (3.6) giá trị Umf xác định từ (3.7).
1,65 0,23U U
Δ mf= mf
= 0,139 Umf (3.8)
% xung độ của điện áp chỉnh lưu:
mf mf U mf
U =100U Δ
= 13,9 % (3.9)
Ví dụ ở trị trung bình của điện áp chỉnh lưu là 14 V thì độ xung độ là 1,95V.
Lúc này, giá trị cực đại của điện áp chỉnh lưu bằng 14V, còn trị cực tiểu là 12,7V.
Khi nối điện trở thuần R vào bộ chỉnh lưu thì dòng chỉnh lưu (trị tức thời):
R imf=Umf
(3.10) Hình dạng của dòng chỉnh lưu cũng tương tự như hình dạng của điện áp chỉnh lưu, tức là dòng chỉnh lưu dao động với biên độ:
R Im=Um
(3.11) Giá trị trung bình của dòng chỉnh lưu được tính bởi:
−
=
=
= 12
12
955 0 6 T 3
T
m m
m
mf I , I
dt . t.
cos . T I
I
(3.12) Như đã nêu, mỗi một diode sẽ cho dòng điện đi qua trong 1/3 chu kỳ (T/3). Vì vậy, giá trị tức thời dòng điện qua các diode i1, i2… i6 có đặc tính xung và giá trị trung bình của dòng điện qua một diode = Imf /3.
Dòng điện chạy trong các cuộn pha của máy phát có thể được xác định khi ta xét nút nối iA + i2 – i1 = 0 → iA = i1 – i2
Như vậy, dòng pha không sin và ngắt quãng.
Giá trị hiệu dụng dòng pha:
m T
T
m tdt I
T I
I .sin .. 0,755 4
3
3 2
2 =
=
−
(3.13)
Từ đó: I = 0.815Imf.
Đặc tuyến máy phát xoay chiều kích thích bằng điện từ
Đặc tính của các máy phát xoay chiều được xác định bằng các mối quan hệ giữa các đại lượng cơ bản sau:
- Điện thế của pha U - Điện thế dây Ud - Điện thế chỉnh lưu - Dòng điện của pha - Dòng điện tải máy phát - Dòng điện kích Ik
- Số vòng quay của máy phát n Đặc tuyến không tải
Là những đường cong đặc trưng cho mối quan hệ điện thế của máy phát và dòng điện kích thích: Umf = f(Ik) khi số vòng quay không đổi nmf = const và dòng điện tải Imf = 0.
Đặc tuyến không tải được xác định từ phương trình phụ thuộc của sức điện động máy phát vào số vòng quay. Vì dòng điện kích và từ thông tương ứng (ở khe hở không khí) phụ thuộc vào số vòng quay của máy phát điện, nên sức điện động không tỉ lệ thuận với số vòng quay của máy phát điện. Do đó đặc tính không tải của máy phát điện gồm những đường cong tương ứng với số vòng quay (Hình 3.9).
Hình 3.9 Đặc tính không tải của máy phát điện a. Đặc tuyến không tải ứng với số vòng quay khác nhau.
b. Đặc tuyến ngoàiứng với số vòng quay khác nhau.
Theo đặc tính, ta xác định được hệ số đặc trưng số vòng của máy phát.
IKmax
IKmin IMF
Kn = nmax/nmin = 8 10
Sức điện động pha được xác định bởi:
E = 4k..n..p/60. (3.14)
Trong đó:
k: Hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy phát.
(k = 1,1 đối với máy phát xoay chiều)
: Số vòng dây quấn trên một cuộn dây pha
: Từ thông đi qua khe hở giữa rotor và stator Đường đặc tuyến ngoài
Là những đường cong đặc trưng cho mối quan hệ giữa điện thế máy phát điện sau chỉnh lưu và dòng điện tải (hình 3.9b).
Umf = f(Imf) Với n = const;
Uk = Uđm = const, và điện trở kích thích Rk = const.
Khi tải máy phát tăng điện thế Umf giảm nhanh.
Nguyên nhân giảm điện thế khi điện tải tăng là do độ sụt áp tăng (độ sụt áp trong diode, độ sụt áp trên điện trở thuần và cảm kháng của cuộn dây), do ảnh hưởng của phần ứng làm từ thông qua stator giảm và do hiện tượng phản từ.
Điện trở toàn phần của pha trong cuộn stator:
2 2
2 2
.60 . . 2
60 . . . . 2
+
=
=
= +
=
p L n R
Z
L n L p
X
X R Z
L
L
(3.15)
Trong đó:
R : điện trở thuần của pha.
XL: trở kháng của pha.
L: độ cảm của cuộn pha.
Giá trị của Z phụ thuộc vào số vòng quay n, vì vậy, khi n tăng lên thì độ cong của điện áp Umf tăng lên.
Đặc tuyến tải theo số vòng quay:
Đặc tuyến tải theo số vòng quay là những đường cong đặc trưng cho quan hệ giữa dòng điện tải và số vòng quay (hình 3.10a).
If = f(n); Uf = Uđm; Ik = const.
Ở tốc độ cao, dòng điện phát ra tăng chậm và giá trị cực đại của nó không vượt
qua giá trị cực đại đã định, tức là máy phát có tính chất tự hạn chế dòng (hình 3.10).
Imfđm = 2/3Imax. (3.16)
Hình 3.10 Đặc tuyến tải theo số vòng quay
( )2 2 ( )2 2
60 . 2 . . .
60 .
2 .
+ +
=
+ +
=
L n R p
R
n C L
n R p
R I E
L e
L mf mf
(3.17) Với:
Ce = 4K1.p/60, K1 = 2,34 Ở tốc độ thấp:
( )2 2
60 . . . .
2
+ npL
R
R L
(3.18) Vì vậy:
L
mf Re R
nφ I C
→ +
(3.19) Ở tốc độ cao:
( )2 2
60 . . . .
2
+ npL
R
R L
(3.20) Do đó:
const Lp/60 2
Imf→ Ce =
(3.21)
Như vậy máy phát sẽ có khả năng tự hạn chế dòng ở tốc độ cao.
Cơ sở lý thuyết điều chỉnh điện áp (công suất)
Hoạt động điều chỉnh điện áp và cường độ dòng điện của máy phát khi có yêu
cầu về sự thay đổi công suất phát ra của máy phát để tạo tải cản cân bằng với công suất động cơ cần đo đặc tính. Để đơn giản hóa và tự động trong trong vận hành, tải máy phát không đổi và điều khiển thay đổi từ thông kích từ của máy phát. Vì vậy, cần phải có sự điều chỉnh dòng điện cấp cho cuộn dây kích từ. Trong quá trình vận hành máy phát, có thể có những trường hợp dòng điện vượt quá trị số định mức. Điều này sẽ dẫn đến hiện tượng bị cháy, quá nhiệt. Vì vậy, ta cần thiết kế để đảm bảo dòng điện của máy phát không vượt quá dòng điện định mức.
Điện thế của máy phát một chiều hoặc xoay chiều có thể được biểu diễn bởi công thức:
Umf = Ce.n. - 2Uo - Rtđ.Imf (3.22) Trong đó:
Ce: hằng số kết cấu của máy phát.
Ce = pn/60.a (đối với máy phát một chiều).
Ce = 4.kp.k.ko.p.w/60 (đối với máy phát xoay chiều)
kp: hệ số chỉnh lưu, xác định qua tỉ số giữa điện áp chỉnh lưu trung bình và điện áp pha.
n: vận tốc quay của rotor máy phát.
2Uo: độ sụt áp trên bộ chỉnh lưu của máy phát (với máy phát một chiều 2Uo là độ sụt áp trên chổi than).
Rtd: điện trở tương đương của máy phát có tính đến độ sụt áp trong máy phát và bộ chỉnh lưu (với máy phát xoay chiều Rtd: là một biến số phụ thuộc vào vận tốc quay của rotor).
Imf : dòng điện của máy phát.
Ko : hệ số dây quấn.
K : hệ số dạng từ trường.
Từ thông của máy phát được kích thích bằng điện từ biểu diễn qua dòng kích thích.
) . (a ob I kk
I +
+
=
(3.23) Trong đó:
o : từ dư.
a, b : các hệ số của đường cong từ hóa.
Hình 3.11 Đặc tuyến từ và hiệu điện thế máy phát phụ thuộc vào dòng kích Bỏ qua ảnh hưởng của từ dư o và độ sụt áp trên bộ chỉnh lưu 2Uo đối với những điểm đã chọn, ta có thể viết:
U1 = Ce.n.Ik1/(a + bIk1).
U2 = Ce.n.Ik2/(a + bIk2).
Giải hệ phương trình này ta được:
a = [Ce.n.Ik1.Ik2(U2 – U1)] / [U1.U2(Ik2 – Ik1)].
b = [Ce.n. (U1. Ik2 – U2.Ik1)] / [U1.U2(Ik2 – Ik1)].
Nếu tính đến những giả thiết đã nêu, phương trình (3.22) sẽ có dạng:
Umf = Ce.n.Ik / (a + b.Ik) - Rtđ.Imf (3.23) Như vậy, để thay đổi điện áp (công suất) máy phát khi vận tốc của phần ứng thay đổi, tải không đổi, cần phải thay đổi dòng điện kích thích. Quy luật thay đổi dòng kích thích có thể xác định từ (3.23).
Ik = [(Umf + Rtđ.Imf).a] / [Ce.n – (Umf + Rtđ.Imf).b] (3.24) Vì vậy, với một yêu cầu về tải cản nhất định trong quá trình vận hành, khi vận tốc phần ứng máy phát tăng thì dòng điện kích thích phải giảm và ngược lại.
Phương pháp điều chỉnh dòng điện kích thích
Có hai phương pháp điều chỉnh dòng kích thích: điều chỉnh dòng liên tục và điều chỉnh dòng gián đoạn.
Phương pháp điều chỉnh liên tục có tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh có dạng là một hàm liên tục theo thời gian.
Phương pháp điều chỉnh gián đoạn thực hiện việc thay đổi tín hiệu theo điều biến bề dài xung (PWM) với điện áp kích thích Ukt không đổi. Quá trình điều chỉnh công suất xảy ra như sau: Khi công suất máy phát nhỏ hơn yêu cầuthì sẽ hệ thống xuất hiện quá trình tăng độ rộng xung dòng kích thích. Do vậy, dòng điện kích thích tăng lên và công suất (điện áp và dòng điện) của máy phát sẽ tăng lên. Quá trình điều chỉnh ngược lại với trường hợp cần giảm công suất của máy phát. Sự thay đổi vận tốc quay
0
Umf
U2
U1
IK1 IK2
IK
IK
của phần ứng sẽ ảnh hưởng lên dòng điện kích thích trung bình.
Tính toán lựa chọn máy phát
Do yêu cầu đo động cơ cỡ nhỏ có tốc độ làm việc cao nên loại máy phát lựa chọn phù hợp nhất là máy phát điện 3 pha pha có công suất lớn sử dụng cho các loại xe hạng nặng (xe đầu kéo, xe tải cỡ lớn, …). Máy phát điện trên ô tô thường tích hợp bộ chỉnh lưu và bộ điều chỉnh điện. Tuy nhiên, khi sử dụng trên băng thử với tải là điện trở cố định, chỉ cần đảm bảo dòng điện qua cuộn dây stator trên máy phát không vượt quá giá trị định mức và thay bộ điều chỉnh định bằng bộ điều khiển công suất máy phát. Lúc này, khi thay đổi công suất máy phát thì cùng lúc thay đổi điện áp và dòng điện qua cuộn dây stator máy phát và điện trở tải.
Hình 3.12 Chọn máy phát điện Thông số máy phát chọn:
- Hãng: Mitsubishi;
- Điện áp định mức Uđm = 24V (DC);
- Dòng điện định mức Iđm = 110A;
- Tốc độ định mức nđm = 1800 v/p;
Tính toán sơ bộ chọn máy phát điện
Căn cứ trên thông số định mức của máy phát điện, ta có xác định được công suất điện định mức của máy phát là:
Pđm = Uđm . Iđm = 24 . 110 = 2.640 [W]
Chọn hiệu suất phát điện định mức đm = 0,8, ta tính được công cơ khí kéo máy phát điện ở chế độ định mức:
Pck = Pđm / đm = 2.640 / 0,8 = 3.300 [W]
Vậy, mô men cản cơ khí do máy phát tạo ra là:
Mck = Pck / đm = Pck . 60 / (nđm . ) = 35 [N.m]
Với Mck = 35 [N.m] ở tốc độ định mức như vậy, căn cứ vào các giá trị mô men và công suất của các nhà sản xuất động cơ công bố thì ta có thể đo được mô men động cơ đốt trong cỡ nhỏ có dung tích xy lanh đến 175cm3.
Tính toán sơ bộ chọn điện trở tải:
Vì máy phát chọn không có thông số đặc tính công suất, điện áp theo tốc độ và chưa có điều kiện thử nghiệm. Để đảm bảo dòng điện không vượt quá giá trị định mức khi tốc độ động cơ cao hơn tốc độ định mức trong điều kiện máy phát không có bộ điều chỉnh điện áp, ta sơ bộ chọn Umax = 4.Uđm = 96 [V]. Như vậy, ta tính được giá trị điện trở cần có lúc này là:
R = Umax / Iđm = 96 / 110 = 0,87 []
Vậy ta chọn điện trở tải là R = 0,9 .
Nguồn cấp vào máy phát:
Sử dụng nguồn Switching power- nguồn tổ ong 24V-20A để tạo môi trường điện từ gây momen cản.
Hình 3.13 Nguồn 24V cấp cho cuộn dây kích từ
* Các tính năng:
- Nguồn 1 chiều 24V DC, sử dụng công nghệ nguồn xung.
- Bộ nguồn hoạt động ổn định, cho hiệu suất cao - Chất lượng cao, bền và an toàn.
* Điểm nổi bật:
- Nguồn điện được thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng khi vận chuyển và lắp đặt.
- Dòng điện ổn định, an toàn khi sử dụng.
- Vỏ nguồn được làm từ nhôm cao cấp, bền bỉ với thời gian.
- Thiết bị có thêm phần quạt tản nhiệt giúp hoạt động tốt hơn.
Hình 3.14 Sơ đồ thiết kế bộ nguồn 24V DC Thông số kỹ thuật:
- Điện áp đầu vào : 110/220V-50/60Hz
- Điện áp đầu ra : 24V- 20A
- Nhiệt độ làm việc : 0- 40 °C - Quạt làm mát, tải nhiệt : Có