2.8.1. Cơ sở lý thuyết điều chỉnh điện áp và phương pháp điều chỉnh.
* Công dụng:
Các máy phát điện ô tô máy kéo làm việc trong điều kiện số vòng quay, phụ tải và chế độ nhiệt luôn luôn thay đổi trong một giới hạn rộng (theo thống kê: số vòng quay của động cơ và bởi vậy của máy phát khi ô tô làm việc thay đổi trong giới hạn 1:8; đối với máy kéo: 1:3,5). Vì thế, để đảm bảo cho các trang thiết bị điện trên ô tô máy kéo làm việc đƣợc bình thƣờng và bảo đảm an toàn cho máy phát, thì phải có bộ điều chỉnh điện để:
- Điều chỉnh hiệu điện thế và hạn chế cƣờng độ dòng điện của máy phát.
- Phân phối chế độ làm việc giữa ắc quy và máy phát điện (một chiều) hoặc nối ngắt mạch giữa ắc quy và máy phát (xoay chiều).
Tuỳ theo loại máy phát sử dụng trên ô tô mà bộ điều chỉnh điện kèm theo nó có thể gồm có một hay một số bộ phận sau đây:
- Rơ le điều chỉnh hiệu điện thế: làm nhiệm vụ giữ cho hiệu điện thế máy phát ổn định, không sai lệch khỏi giá trị định mức quá giới hạn cho phép (3÷5%). Khi số vòng quay của máy phát thay đổi, ngƣời ta đã xác định đƣợc là: nếu hiệu điện thế máy phát tăng lên (10÷12)% so với định mức, thì thời hạn phục vụ của ắc quy và các bóng đèn sẽ giảm đi từ 2÷2,5 lần.
- Rơ le hạn chế dòng điện: làm nhiệm vụ của bộ phận an toàn, bảo vệ cho máy phát không bị quá tải bởi dòng điện quá lớn, có thể gây cháy hỏng cuộn dây và cách điện của nó.
- Rơ le dòng điện ngƣợc: làm nhiệm vụ phân phối chế độ làm việc giữa ắc quy và máy phát một chiều: nối máy phát vào mạch phụ tải khi hiệu điện thế của nó đạt
giá trị lớn hơn hiệu điện thế của ắc quy mắc song song với nó và ngắt máy phát ra khi hiệu điện thế của nó giảm xuống thấp hơn hiệu điện thế của ắc quy để tránh dòng điện ngƣợc từ ắc quy phóng lại làm cháy hỏng cuộn dây máy phát và có hại cho ắc quy.
- Rơ le đống mạch: làm nhiệm vụ nối ắc quy với máy phát xoay chiều khi bật khoá điện và ngƣợc lại: để tránh dòng điện ngƣợc từ ắc quy dò qua bộ chỉnh lƣu và các cuộn dây của máy phát khi máy phát không làm việc, làm ắc quy bị mất điện dần.
Đối với máy phát một chiều làm việc song song với ắc quy đòi hỏi phải sử dụng ba loại rơ le là: rơ le điều chỉnh hiệu điện thế (RLĐCTH), rơ le hạn chế dòng điện (RLHCDĐ) và rơ le dòng điện ngƣợc (RLDĐN).
Trong thực tế, đôi khi ngƣời ta không làm RLHCDĐ riêng mà làm kết hợp với RLĐCTH chung trong một kết cấu. Trong trƣờng hợp đó, rơ le kết hợp này đƣợc gọi là RLĐCTH giảm dần (vì nó không đảm bảo giữ cho hiệu điện thế máy phát ổn định, mà hiệu điện thế máy phát sẽ giảm dần khi Imf tăng). Thậm chí có trƣờng hợp cả ba loại rơ le trên đƣợc làm kết hợp chung trong một kết cấu.
Đối với các máy phát điện xoay chiều: do có bộ chỉnh lƣu bán dẫn nên việc sử dụng RLDĐN không cần thiết nữa, vì các đi ốt chỉnh lƣu không cho dòng điện đi ngƣợc từ ắc quy sang máy phát. RLHCDĐ cũng không cần thiết nữa, vì đa số các máy phát xoay chiều có đặc tính tự hạn chế dòng lớn.
Nhƣ vậy, đối với máy phát xoay chiều bộ điều chỉnh điện lúc này chỉ cần có RLĐCTH và RL đóng mạch.
* Phân loại:
+ Theo nguyên lý làm việc bộ điều chỉnh điện (ĐCĐ) đƣợc chia ra các loại: - Loại rung.
- Loại bán dẫn có tiếp điểm điều khiển.
- Loại bán dẫn không có tiếp điểm điều khiển. + Theo số lƣợng rơ le, loại rung đƣợc chia ra:
- Loại 1 rơ le. - Loại 2 rơ le. - Loại 3 rơ le.
- Loại 4 và loại 5 rơ le.
Bộ ĐCĐ 4 rơ le đƣợc dùng trong trƣờng hợp mạch kích từ của máy phát đƣợc phân nhánh. Lúc đó bộ ĐCĐ sẽ có 2 RLĐCTH tƣơng ứng với các nhánh của mạch kích từ.
Trong trƣờng hợp cả mạch tải điện của máy phát cũng đƣợc phân nhánh, thì bộ ĐCĐ sẽ có thêm 1 rơ le nữa, tức là có 5 rơ le.
* Yêu cầu:
Bộ điều chỉnh điện cần đáp ứng những yêu cầu sau: - Thời gian ổn định nhanh.
- Điều chỉnh chính xác.
- Kết cấu, điều chỉnh, bảo dƣỡng và sửa chữa đơn giản. - Giá thành rẻ.
* Nguyên lý điều chỉnh hiệu điện thế và hạn chế dòng điện
Từ phƣơng trình cân bằng mạch điện của máy phát, bỏ qua trở kháng của phần ứng và độ rơi thế trên bộ chỉnh lƣu (đối với máy phát xoay chiều):
) 1 ( U ) U R I 1 ( U R I U E - - - -
Trong đó: E = CEn - Suất điện động của máy phát; CE - Hằng số kết cấu của máy phát; n - Số vòng quay phần ứng;
- Từ thông của máy phát.
U - Hiệu điện thế máy phát (trên hai đầu cuộn dây phần ứng);
Iƣ, Rƣ- Dòng điện và điện trở cuộn dây phần ứng. Đối với máy phát xoay chiều Iƣ là giá trị trung bình của dòng đã chỉnh lƣu;
U R I- -
- Hệ số phụ tải của máy phát.
Ta có: CE ) 1 ( n ) 1 ( E U
Từ phƣơng trình này ta thấy rằng:
- Khi tốc độ và phụ tải của máy phát thay đổi thì hiệu điện thế của máy phát chỉ có thể điều chỉnh (giữ không đổi) bằng cách thay đổi từ thông , tức là thay đổi dòng điện kích từ của máy phát.
- Dòng điện tải của máy phát Imf Iƣ = (U/Rft) (ở đây Rft - tổng trở của tất cả các phụ tải). Biểu thức này cũng cho thấy rằng: khi phụ tải và số vòng quay của máy phát thay đổi, việc điều chỉnh dòng điện máy phát cũng quy về việc thay đổi dòng kích từ của nó, tƣơng tự nhƣ cách điều chỉnh hiệu điện thế.
Để thay đổi dòng điện kích từ có thể dùng hai phƣơng pháp: - Sử dụng biến trở mắc nối tiếp với cuộn dây kích từ.
- Thay đổi thời gian cắt và nối điện trở phụ vào mạch kích từ khi giá trị điện trở phụ không đổi: Rf = const, để thay đổi giá trị hiệu dụng của nó.
Hình 2.32: Phương pháp thay đổi giá trị dòng kích thích. a- Biến trở; Wkt Wkt Rf Rf KK’ a) b)
Phƣơng pháp thứ hai đơn giản hơn và dễ thực hiện điều chỉnh tự động, nên nó đƣợc sử dụng rộng rãi trong các bộ ĐCĐ hiện nay.
Để thực hiện điều chỉnh tự động hiệu điện thế và dòng điện máy phát, hệ thống điều chỉnh cần phải có một số bộ phận chức năng liên kết với nhau theo sơ đồ nhƣ trên hình 2.34.
Cơ cấu đo gồm bộ phận cảm biến: theo dõi hiệu điện thế của máy phát và bộ phận định trị (ấn định giá trị hiệu điện thế định mức của máy phát).
Hình 2.34: Sơ đồ chức năng của bộ điều chỉnh thế hiệu. 1- Cảm biến và biến đổi; 4- Bộ khuếch đại;
2- Bộ phận định trị; 5- Đối tượng điều chỉnh; 3- Cơ cấu điều chỉnh; 6- Nguồn.
Bộ điều chỉnh tự động 1 Mạch liên hệ ngƣợc 2 3 4 5 6
Hình 2.33: Sơ đồ điều chỉnh thế hiệu máy phát. a- Bằng tay; b- Tự động. Đ/Tƣợng đ/chỉnh Cơ cấu đ/chỉnh Ngƣời Đ/chỉnh Đ/Tƣợng
đ/chỉnh Cơ cấu đ/chỉnh Phần tử cảm biến Máy phát Máy phát Biến trở Biến trở Nam châmđiện từ Bộ điều chỉnh Mạch liên hệ ngƣợc a) b)
2.8.2. Các bộ tiết chế tiêu biểu.
- Bộ tiết chế loại rung (loại má vít).
Rơ le điều chỉnh hiệu điện thế loại rung.
Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của RLĐCTH loại rung nhƣ trên hình 2.35.
Cấu tạo rơ le gồm: khung từ 2; lõi thép 1, trên đó quấn cuộn dây từ hoá WU đặt dƣới điện thế của máy phát (mắc song song với nó); cần tiếp điểm 3 có thể quay quanh điểm tựa trên khung từ; tiếp điểm KK': trong đó K là má vít cố định đƣợc bắt cách điện với khung từ, còn K' là má vít động đƣợc gắn trên cần tiếp điểm 3; lò xo (lx) có khuynh hƣớng giữ cho tiếp điểm K-K' luôn luôn ở trạng thái đóng; điện trở phụ Rf mắc song song với KK'.
Nguyên lý làm việc:
- Ở trạng thái không làm việc hay khi máy phát làm việc ở số vòng quay nhỏ: lực điện từ tạo nên bởi cuộn dây từ hoá WU là Fđt nhỏ hơn lực kéo của lò lo (Fđt < Flx) nên tiếp điểm KK' đƣợc giữ ở trạng thái đóng. Lúc này điện trở phụ Rf bị nối tắt và dòng điện kích từ sẽ đi theo mạch sau:
(+)MF a b cần 3 KK' d Wkt (-)MF
- Khi tốc độ quay của máy phát tăng lên: thì dòng điện kích từ và hiệu điện thế của máy phát tăng theo. Khi Umf > Uđm thì dòng qua cuộn dây WU lớn, lực điện từ của nó lúc này thắng lực lò xo (Fđt > Flx), hút tiếp điểm KK' mở ra làm điện trở phụ lúc này đƣợc tự động nối vào mạch kích từ, làm giảm cƣờng độ dòng kích từ và hiệu điện thế máy phát. Dòng kích từ lúc này sẽ đi theo mạch sau:
(+)MF a Rf d Wkt (-)MF
Hiệu điện thế máy phát giảm làm giảm lực hút điện từ của cuộn dây WU và khi Umf < Uđm, lực lò xo lại thắng lực điện từ và đóng tiếp điểm KK' lại điện trở phụ Rf lại bị nối tắt, làm dòng kích từ và hiệu điện thế máy phát tăng lên. Hiệu điện thế tăng lên làm tăng lực điện từ của cuộn WU, khi Fđt > Flx KK' lại mở ra. Quá trình đóng - mở tiếp điểm KK' cứ lặp đi lặp lại theo chu kỳ với một tần số khá lớn (rung) đảm bảo giữ cho hiệu điện thế máy phát dao động răng cƣa quanh giá trị trung bình định mức trong giới hạn cho phép.
Hình 2.35: Sơ đồ rơ le điều chỉnh thế hiệu loại rung. a- Sơ đồ nguyên lý; b- Sơ đồ cấu tạo.
1- Lõi thép; 2- Khung từ; 3- Cần tiếp điểm.
Rơ le hạn chế dòng điện ngƣợc
Do điện trở trong của ắc quy và máy phát khá nhỏ, nên khi máy phát không làm việc, dòng điện ngƣợc từ ắc quy phóng sang có thể rất lớn, gấp vài lần dòng điện định mức của máy phát. Vì thế cuộn dây của máy phát có thể cháy hỏng và ắc quy mất điện rất nhanh.
Để bảo vệ cho máy phát khỏi bị quá tải bởi dòng điện ngƣợc và tránh cho ắc quy khỏi bị mất điện vô ích, ngƣời ta sử dụng một bộ phận đặc biệt gọi là rơ le dòng điện ngƣợc (RLDĐN) - làm nhiệm vụ tự động nối mạch giữa ắc quy và máy phát khi Umf > Eaq và ngắt mạch đó khi Umf < Eaq.
Cấu tạo của RLDĐN nhƣ trên hình.
Rơ le cũng gồm khung từ, lõi thép, cần tiếp điểm, tiếp điểm và lò xo tƣơng tự nƣ ở RLĐCTH. Nhƣng có điểm khác là:
- Tiếp điểm ở đây bình thƣờng (khi rơ le chƣa làm việc) ở trạng thái mở.
- Trên lõi thép của RLDĐN có hai cuộn dây: cuộn từ hoá chính có nhiều vòng và đƣờng kính dây nhỏ mắc song song với máy phát gọi là cuộn đóng mạch (Wđg) và cuộn từ hoá phụ gồm một số vòng dây với đƣờng kính lớn, mắc nối tiếp giữa ắc quy và máy phát ở mạch phụ tải.
Ở trạng thái không làm việc: tiếp điểm KK' (dƣới tác dụng của lực lò xo) mở, do đó tất cả các phụ tải đều dùng điện của ắc quy. Sau khi khởi động động cơ: máy phát bắt đầu làm việc làm trong cuộn dây đóng mạch xuất hiện dòng điện Iđg từ hoá lõi thép của rơ le. Số vòng quay và hiệu điện thế của máy phát tăng dần làm Iđg tăng theo.
Khi hiệu điện thế máy phát đạt giá trị Uđg > Eaq (ứng với số vòng quay nđg): thì lực từ hoá đủ lớn, thắng đƣợc lực lò xo hút cần tiếp điểm xuống làm tiếp điểm KK' đóng lại. Khi KK' đóng: xuất hiện dòng điện Imf0 chạy trong mạch: (+)MF a
WIng b KK' (AQ+Phụ tải) (-)MF. Làm hiệu điện thế máy phát giảm đột
Hình 2.36: Sơ đồ và đặc tính của rơ le dòng điện ngược (RLDĐN). a- Sơ đồ; b- Đặc tính.
Wkt
ngột một lƣợng bằng độ sụt thế trong cuộn dây phần ứng U = Imf0.RƢ. Dòng điện phụ tải lúc này chạy qua cuộn WIng theo chiều trùng với chiều dòng điện trong cuộn dây Wđg, làm tăng lực từ hoá tổng và tiếp điểm đóng chắc hơn. Sau khi KK' đóng: nếu số vòng quay tăng thì Umf và Imf tăng lên, sau đó đƣợc giữ không đổi bằng Uđm
nhờ RLĐCTH. Nhƣ vậy: Eaq < Uđg < Uđm.
Khi số vòng quay máy phát giảm: thì Umf và Imf giảm theo (đƣờng chấm gạch trên hình 2.83). Khi Umf < Eaq, do quán tính cơ và từ của rơ le nên tiếp điểm của nó không kịp mở ra ngay. Bởi vậy, ắc quy sẽ phóng điện ngƣợc lại theo mạch: (+)AQ
KK' b WIng a (+)MF Rô to MF (-)MF (-)AQ
Chiều dòng điện trong cuộn dây WIng lúc này ngƣợc với chiều ban đầu nên làm lực từ hoá tổng giảm đột ngột và tiếp điểm mở ra nhanh do Flx > Fđt.
* Rơ le đóng mạch (RLĐM)
Về cấu tạo, RLĐM khác RLDĐN ở chỗ: nó chỉ có một cuộn dây từ hoá chính Wđg. Về đặc điểm làm việc thì nó không làm việc tự động mà đƣợc điều khiển bằng khoá điện nối mạch đánh lửa.
Trên hình 2.37 là sơ đồ bộ điều chỉnh điện với RLĐM dùng cho máy phát xoay chiều.
* Rơ le hạn chế dòng điện
Để bảo vệ cho máy phát khỏi quá tải trong những trƣờng hợp nhƣ: - Khi ắc quy bị phóng điện nhiều.
- Phụ tải quá lớn hoặc có những hƣ hỏng trong mạch điện.
Hình 2.37. Sơ đồ bộ điều chỉnh điện PP-115.
Đến cuộn đánh lửa Ắc quy Chỉnh lƣu Đầu nối dây Chổi than Tấm cách Lõi thép Dây lƣỡng kim RLĐM Tiếp điểm KK’
Ngƣời ta dùng một cơ cấu điện từ phụ gọi là rơ le hạn chế dòng điện (RLHCDĐ). Rơ le này tự động hạn chế, giữ cho dòng điện mà máy phát phát ra không vƣợt quá giá trị cho phép.
Nguyên lý làm việc của RLHCDĐ tƣơng tự nguyên lý làm việc của RLĐCTH, chỉ khác ở chỗ: cuộn dây từ hoá chính WI của nó (có đƣờng kính dây khá lớn, số vòng dây ít) đƣợc mắc nối tiếp trong mạch phụ tải.
* Bộ tiết chế bán dẫn và IC.
Các bộ điều chỉnh điện áp loại rung có ƣu điểm: kết cấu đơn giản, giá thành rẻ, hiệu suất cao. Tuy vậy chúng có nhƣợc điểm quan trọng là: điều chỉnh phức tạp, nhạy cảm với rung động và bụi bẩn, các tiếp điểm dễ bị ôxy hoá, chóng mòn rỗ đặc biệt là khi cắt nối dòng đoện có giá trị lớn. Nếu dùng các biện pháp để khắc phục (nhƣ phân nhánh mạch kích từ, dùng bộ điều chỉnh điện áp hai nấc, ...) thì làm phức tạp kết cấu, tăng giá thành và giảm độ tin cậy.
Vì thế hiện nay có xu hƣớng dùng các bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn thay thế cho các bộ điều chỉnh loại rung. Các BĐC này có hai loại là có tiếp điểm và không có tiếp điểm. Trong các BĐC bán dẫn có tiếp điểm vẫn còn tiếp điểm làmv iệc kiểu rung, nhƣng dòng đi qua tiếp điểm trong trƣờng hợp này chỉ là dòng điều khiển, nhỏ hơn rất nhiều so với dòng kích từ của máy phát. Vì thế giảm đƣợc tia lửa, tăng tuổi thọ và độ tin cậy làm việc của tiếp điểm. Tuy vậy trong kết cấu của BĐC vẫn còn có lò xo, nên độ tin cậy làm việc vẫn thấp do lực đàn hồi của lò xo có thể thay đổi trong quá trình làm việc và đòi hỏi phải điều chỉnh định kỳ.
Các BĐC bán dẫn không tiếp điểm không có tiếp điểm và lò xo nào nên có độ tin cậy cao, chịu rung sóc tốt và không cần thiết phải điều chỉnh định kỳ trong quá trình vận hành.
- Bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn có tiếp điểm PP-362: