Chương IV: Hệ thống cung cấp điện trên ô tô
4.3.2 Đặc tính máy phát điện
4.3.2.1 Đặc tính của máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu Trên hình 4.18 là sơ đồ và đặc tính tải theo số vòng quay của máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu (không có cơ cấu điều chỉnh tự động) làm việc với phụ tải điện thuần (các bóng đèn).
Hình 4.18: Sơ đồ tính toán máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu.
Điện trở của các đèn ký hiệu là R, còn điện trở thuần và cảm kháng của cuộn dây stator ký hiệu là r và XL, trong đó XL là cảm kháng của máy phát điện.
Ở chế độ không tải, tức là khi Imf = 0, thế hiệu của máy phát điện bằng sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stator:
Uo = E = 4k.f.Φo = 4k.w.(p.n/60)Φo = Co.n.Φo (4.14) Trong đó:
Φ: từ thông của một cặp cực nam châm ở chế độ không tải.
w: tổng số vòng dây của cuộn dây stator.
k: hệ số tính đến dạng đường cong của sức điện động cảm ứng.
p: số đôi cực nam châm của rotor.
n: số vòng quay của rotor (min-1).
f: tần số của dòng điện cảm ứng trong cuộn stator, Hz.
Ce = 4k.w.p/60: Hằng số
Khi đóng phụ tải điện sức điện động cảm ứng sẽ tạo nên dòng điện của máy phát.
Imf =
Trong đó cảm kháng phụ thuộc vào tần số của máy phát.
Biên soạn: PGS-TS Đỗ Văn Dũng
Imf = (4.15)
Phân tích phương trình trên ở tốc độ thấp, ta thấy giá trị Cx2.n2 rất bé so với (r + R)2 và có thể bỏ qua, lúc đó:
Imf n →0 =
Như vậy ở số vòng quay thấp (đoạn đầu của đồ thị) dòng điện phụ thuộc vào số vòng quay một cách tuyến tính.
Hình 4.19: Đặc tính của máy phát điện xoay chiều kích bằng nam châm vĩnh cửu.
Ở số vòng quay cao giá trị Cx2.n2 rất lớn so với (r + R)2 nên có thể bỏ qua, khi đó:
Imf n → ∞ = = const
Khi số vòng quay của máy phát điện tăng, dòng điện của nó sẽ tiến gần tới giá trị không đổi, còn hiệu điện thế của máy phát sẽ bằng độ sụt thế ở mạch ngoài, tức là Umf
= Imf.R. Nếu chọn điện trở tải cố định thì điện thế của máy phát sẽ thay đổi tỉ lệ thuận với dòng điện. Trong thực tế, điện trở của bóng đèn có tăng lên khi cường độ dòng điện qua nó tăng, do đó hiệu điện thế máy phát tăng nhanh hơn cường độ dòng điện.
Phương trình thu được còn cho thấy điện thế của máy phát điện thay đổi tỉ lệ với sự thay đổi của điện trở tải trong khoảng từ Umf = 0 với R = 0 đến Umf = Uo với R = ∞, vì trong máy phát điện loại này, chỉ có dòng điện Imf được tự điều chỉnh và hạn chế, còn điện thế Umf là hàm của Imf và R.
Qua nghiên cứu đặc tính, chúng ta thấy rõ rằng máy phát điện xoay chiều loại này có thể sử dụng bình thường ở số vòng quay giới hạn và với một trị số định mức của phụ tải điện.
Nhược điểm này hạn chế khả năng sử dụng các máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, vì trong thực tế sử dụng cần phải thay đổi phụ tải điện.
4.3.2.2 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 UΦ
• 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 4.3.2.3 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 4.20).
Biên soạn: PGS-TS Đỗ Văn Dũng Theo đặc tính, ta xác định được hệ số đặc trưng số vòng của máy phát.
Kn = nmax/nmin = 8 ÷ 10 Sức điện động pha được xác định bởi:
EΦ = 4k.ωΦ.n.Φ.p/60.
Trong đó
k: Hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy phát.
(k = 1,1 đối với máy phát xoay chiều)
ωΦ : Số vòng dây quấn trên một cuộn dây pha Φ : Từ thông đi qua khe hở giữa rotor và stator 4.3.2.4 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 4.20b).
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:
Trong đó:
RΦ : điện trở thuần của pha.
XL : trở kháng của pha.
L : độ cảm của cuộn pha.
Giá trị của ZΦ phụ thuộc vào số vòng quay n, vì vậy, khi n tăng lên thì độ cong của điện áp Umf tăng lên.
4.3.2.5 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 4.21a).
If = f(n); Uf = Uđm; Ik = const.
Ở 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 4.21).
Imfđm = 2/3Imax.
Hình 4.21: Đặc tuyến tải theo số vòng quay.
Với: Ce = 4KK1wφ.p/ 60 K1 = 2,34
Ở tốc độ thấp:
Vì vậy:
Ở tốc độ cao: