ĐỒ ÁN ĐIỆN HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................................... 3
Chương 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG CUNG CẤP TRÊN ÔTÔ........................................4
1.1. Công dụng............................................................................................................................ 4
1.2. Yêu cầu.................................................................................................................................. 4
1.3. Phân loại...............................................................................................................................5
1.4. Các thông số cơ bản của hệ thống cung cấp........................................................8
Chương 2. CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP..................................................9
2.1. Ắc Quy.................................................................................................................................... 9
2.1.1. Công dụng....................................................................................................................9
2.1.2. Yêu cầu......................................................................................................................... 9
2.1.3. Phân loại................................................................................................................... 10
2.1.3.1. Ắc quy axit.............................................................................................................10
2.1.3.2. Ắc quy kiềm......................................................................................................... 15
2.2. Máy phát điện..................................................................................................................16
2.2.1. Công dụng, phân loại, yêu cầu.........................................................................16
2.2.1.1. Công dụng.............................................................................................................16
2.2.1.2. Phân loại................................................................................................................17
2.2.1.3. Yêu cầu...................................................................................................................17
2.2.2. Máy phát điện xoay chiều..................................................................................18
2.2.2.1. Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu....18
2.2.2.2. Máy phát điện xoay chiều kích thích ki ểu điện từ..............................21
2.3. Bộ chỉnh lưu..................................................................................................................... 26
2.3.1. Công dụng.................................................................................................................26
2.3.2. Phân loại................................................................................................................... 26
2.3.3. Yêu cầu.......................................................................................................................30
2.4. Bộ điều chỉnh điện........................................................................................................31
2.4.1. Công dụng.................................................................................................................31

2.4.2. Phân loại................................................................................................................... 32
2.4.3. Yêu cầu.......................................................................................................................33
2.4.4. Nguyên lý điều chỉnh thế hiệu và hạn chế dòng.....................................33
2.4.5. Bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn.......................................................................34
SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

1


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

2.4.5.1. Bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn có tiếp điểm........................................35
2.4.5.2. Bộ điều chỉnh điện áp bãn dẫn không tiếp điểm................................37
2.5. Phân tích, lựa chọn sơ đồ cho hệ thống cung cấp...........................................40
2.5.1. Lựa chọn bộ chỉnh lưu........................................................................................40
2.5.2. Lựa chọn bộ điều chỉnh......................................................................................41
Chương 3. TÍNH CHỌN MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ CHIỀU DÀI DÂY DẪN........................43
3.1. Phân tích, lựa chọn máy phát điện.........................................................................43
3.2. Tính toán, chọn công suất máy phát......................................................................43
3.2.1. Sơ đồ các phụ tải công suất điện trên ô tô.................................................43
3.2.2. Công suất tiêu thụ cần thiết cho tất cả các ph ụ t ải hoạt đ ộng liên t ục
................................................................................................................................................... 45
3.2.3. Công suất tiêu thụ cần thiết cho các phụ tải gián đoạn.......................46
3.2.4. Công suất máy phát yêu cầu và chọn máy phát........................................49
3.2.5. Kết cấu máy phát tham khảo...........................................................................50
3.3. Tính toán lựa chọn dây dẫn.......................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................. 55

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

2


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

LỜI NÓI ĐẦU

Xã hội ngày càng tiến bộ, chủ trương công nghiệp hóa – hi ện đại hóa đ ất
nước của nhà nước ta đang được xúc tiến mạnh mẽ. Để phục vụ vận chuy ển cho
nền công nghiệp hiện đại, cũng như nhu cầu đi l ại ngày càng l ớn c ủa ng ười dân,
việc phát triển công nghiệp ôtô là hết sức cần thi ết. Bên cạnh đó, đ ời s ống c ủa
người dân ngày càng được nâng cao, nhu cầu đi lại, vận chuyển không ch ỉ d ừng
lại ở việc “đi tới nơi, về tới chốn” mà còn đòi hỏi tính tiện nghi, êm dịu. Do đó,
nền công nghiệp ôtô hiện đại cần phải đảm bảo được sự an toàn khi v ận hành,
tính thoải mái, êm dịu cho người sử dụng và điều khiển nhẹ nhàng cho người lái.
Ôtô là phương tiện chuyên chở hàng hóa đặc bi ệt quan tr ọng ở Vi ệt Nam
cũng như trên thế giới. Thiết nghĩ, việc nghiên cứu, chế tạo ôtô là điều cần làm ở
nước ta.
Là sinh viên ngành cơ khí động lực, sau khi học các h ọc ph ần Trang b ị đi ện
và điện tử động cơ, trang bị điện và điện tử thân xe, vi đi ều khi ển… thì vi ệc tìm
hiểu, nghiên cứu, tính toán và thiết kế hệ thống điện trong xe là r ất thi ết th ực
và bổ ích. Để giúp sinh viên rèn luyện được kỹ năng tìm hi ểu thông tin, c ủng c ố,
ứng dụng lý thuyết vào thực tế và bước đầu làm quen với vi ệc nghiên cứu, tính
toán kiểm nghiệm các hệ thống điện – điện tử trên xe, mỗi sinh viên đ ều đ ược
nhận Đồ án thiết kế hệ thống điện tử ô tô . Trong khuôn khổ nhiệm vụ được
giao, em xin trình bày nhiệm vụ Tính toán ki ểm nghiệm hệ th ống cung cấp .

Em xin cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Phạm Quốc Thái.
Dưới sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy cùng sự cố gắng, nổ lực của bản thân, em đã
hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian quy định. Tuy nhiên, do ki ến th ức
hiểu biết có hạn, điều kiện tham khảo thực tế chưa có nhi ều nên không th ể
tránh khỏi những sai sót, nhầm lẫn. Do vậy, em mong các th ầy thông c ảm và ch ỉ
bảo thêm để em hoàn thiện hơn trong quá trình học tập và công tác sau này.
Đà Nẵng, ngày 02 tháng 03 năm 2019
Sinh viên thực hiện

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

3


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Phạm Phúc Nhật

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

4


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Chương 1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG CUNG CẤP TRÊN ÔTÔ

1.1. Công dụng
Hệ thống cung cấp điện có nhiệm vụ cung cấp năng lượng đi ện cho các
phụ tải với một hiệu điện thế ổn định ở mọi điều kiện làm vi ệc của ôtô máy
kéo.
Để cung cấp năng lượng cho các phụ tải trên ô tô, c ần ph ải có b ộ ph ận t ạo
ra nguồn năng lượng có ích. Nguồn năng lượng này được tạo ra từ mát phát đi ện
trên ô tô. Khi động cơ hoạt động, máy phát cung cấp đi ện cho các phụ t ải và n ạp
điện cho ắc quy. Để đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động một cách hi ệu qu ả, an
toàn thì năng lượng đầu ra của máy phát và năng l ượng yêu c ầu cho các t ải đi ện
phải thích hợp với nhau.
1.2. Yêu cầu
Hệ thống cung cấp điện trên ô tô phải tạo ra một đi ện áp ổn đ ịnh (13,8V –
14,2V đối với hệ thống điện 14V hoặc 27 - 28V với hệ thống đi ện 24V) trong
mọi chế độ làm việc của phụ tải.
Vì nếu điện áp dòng điện máy phát cung cấp chênh lệch quá l ớn so v ới đi ện
áp làm việc của phụ tải sẽ làm giảm tuổi thọ của phụ tải, thậm chí làm hỏng phụ
tải.
Máy phát phải có cấu trúc và kích thước nhỏ g ọn, tr ọng lượng nhỏ, giá
thành thấp và tuổi thọ cao.
Do xu hướng thiết kế các loại xe cần nhỏ gọn và giảm khối lượng nhất là
đối với các xe du lịch. Nên các hệ th ống trên cần đảm b ảo giá thành và tu ổi th ọ
để đảm bảo lượng tiêu thụ hàng năm và cạnh tranh với các hãng khác.
Có độ bền cao trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm lớn, có th ể làm vi ệc ở
những vùng có nhiều bụi bẩn, dầu nhớt và độ rung động lớn.
Để đáp ứng ở mọi điều kiện làm việc trên ô tô :
- Acquy có độ bền cao, đặc tính phóng nạp thỏa mãn quá trình kh ởi đ ộng
của động cơ.

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

5


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

- Khi khởi động, dòng điện cung cấp cho hệ thống khởi động có cường độ
rất lớn thường khoảng 600A, nên có phản ứng xảy ra trong ắc quy. Vì vậy, ắc
quy phải đáp ứng được yêu cầu trên, tránh việc ắc quy mất đi ện quá nhanh và
các tấm cực bị cong vênh, hư hỏng ắc quy.
- Ít tốn công chăm sóc và bảo dưỡng.
Ta đã biết hệ thống cung cấp có rất nhiều bộ phận, để chăm sóc và bảo
dưỡng hết các bộ phận của nó sẽ rất tốn thời gian và rất khó khăn. Ngoài ra, trên
ô tô còn có rất nhiều bộ phận khác đòi hỏi nhu cầu sữa chữa bảo dưởng lớn hơn.
Nên hệ thống cần có tính ổn định cao, ít chăm sóc và bảo dưỡng.
1.3. Phân loại
Hệ thống cung cấp trên ô tô có hai dạng chính sau:
- Hệ thống cung cấp với máy phát một chiều được thể hiện trên ( Hình 1.1).

Hình 1. 1 Sơ đồ hệ thống cung cấp dùng máy phát một chiều.
1- Máy phát; 2- Bộ ắc quy; 3- Đồng hồ ampe; 4- Bộ đi ều chỉnh.
 Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

6


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Máy phát điện một chiều là loại máy phát ra dòng điện có chi ều không thay
đổi trong suốt quá trình máy hoạt động.
- Hệ thống cung cấp với máy phát xoay chiều được thể hiện trên (Hình 1.2).

Hình 1. 2 Sơ đồ hệ thống cung cấp dùng máy phát xoay chiều
Ngày nay, máy phát điện lắp trên ô tô phổ biến là máy phát đi ện xoay chi ều
vì so với máy phát điện một chiều nó có những ưu điểm sau:
- Cấu tạo đơn giản
- Với cùng một công suất thì nó có kích thước và tải trọng bé hơn
- Do không có cổ góp nên tuổi thọ phục vụ lâu hơn
- Tiêu hao kim loại màu ít hơn
- Có thể tăng tỉ số truyền từ động cơ tới máy phát
- Dùng diot chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng một chi ều cung c ấp cho
phụ tải nên không cần rơ le hạn chế dòng điện do đó giảm được kết cấu của bộ
tiết chế và tăng độ tin cậy làm việc của máy phát điện.
Tuy có cách nối dây khác nhau nhưng các hệ th ống cung cấp trên xe ô tô
đều bao gồm hai nguồn năng lượng là ắc quy và máy phát mắc song song. Tuỳ
thuộc vào giá trị phụ tải và chế độ làm việc của ô tô máy kéo, mà acquy, máy phát

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

7

Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

sẽ riêng biệt hoặc đồng thời cả hai cung cấp năng lượng cho các b ộ ph ận tiêu
thụ (phụ tải).
Ngoài ra, tùy thuộc vào cấu tạo các bộ phận khác của hệ th ống cung cấp mà
ta có sự phân loại khác nhau như:
- Acquy: là nguồn cung cấp năng lượng phụ trên ô tô.
- Bộ điều chỉnh điện (BĐCĐ) làm nhiệm vụ: phân ph ối chế đ ộ làm vi ệc gi ữa
acquy và máy phát; hạn chế và ổn định thế hiệu của máy phát đ ể đảm bảo an
toàn cho các trang thiết bị điện trên xe; hạn chế dòng đi ện của máy phát đ ể đ ảm
bảo an toàn cho các cuộn dây của nó. Gồm bộ điều chỉnh đi ện áp, đi ều ch ỉnh
dòng điện, điều chỉnh dòng điện ngược…
- Bộ chỉnh lưu: chỉ có trong hệ thống cung cấp dùng máy phát xoay chi ều đ ể
biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều cung cấp cho các ph ụ tải trên xe
cũng như nạp vào acquy.
1.4. Các thông số của hệ thống cung cấp
Theo tài liệu [2], những thông số của hệ thống cung cấp bao gồm:
- Công suất máy phát: phải đảm bảo cung cấp điện cho tất cả các tải đi ện
trên xe hoạt động. Thông thường, công suất của các máy phát trên ôtô hi ện nay
vào khoảng Pmf = 700 – 1500W.
- Điện áp định mức: phải đảm bảo U đm = 14V đối với những xe sử dụng hệ
thống điện 12V, Uđm = 28V đối với những xe sử dụng hệ thống điện 24V.
- Dòng điện cực đại: là dòng điện lớn nhất mà máy phát có th ể cung c ấp
thông thường thì Imax = 70 – 140A.
- Tốc độ cực đại và tốc độ cực tiểu của máy phát: n max, nmin phụ thuộc vào
tốc độ của động cơ đốt trong.

nmin  ni �i

(1.1)

Trong đó:
i: tỉ số truyền ( i = 1,5 - 2)
Hiện nay trên xe đời mới sử dụng máy phát cao tốc nên tỉ số truyền i cao hơn.
ni: tốc độ cầm chừng của động cơ.
SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

8


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

- Nhiệt độ cực đại của máy phát t omax: là nhiệt độ tối đa mà máy phát có thể
hoạt động.
- Điện áp hiệu chỉnh: là điện áp làm việc của bộ ti ết ch ế U hc = 13,8 – 14,2V
(với hệ thống 12V), và Uhc = 27 – 28V (với hệ thống 24V).

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

9


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Chương 2

CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP

2.1. Máy phát điện
2.1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu
2.2.1.1 Công dụng
Máy phát là nguồn điện chính trên ô tô máy kéo, nó có nhi ệm vụ:
- Cung cấp điện cho tất cả các phụ tải.
- Nạp điện cho ắc quy ở các số vòng quay trung bình và lớn của động cơ.
2.1.1.2 Phân loại
- Máy phát trên ô tô máy kéo, theo tính chất dòng đi ện phát ra có th ể chia
làm hai 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 điều chỉnh ngoài (bằng bộ điều chỉnh điện kèm theo).
- Các máy phát điện một chiều loại điều chỉnh trong có kết cấu đ ơn gi ản, có
khả năng hạn chế và tự động điều chỉnh dòng điện máy phát theo s ố vòng quay.
Tuy vậy nó có nhiều nhược điểm như:
+ Phải luôn luôn nối mạch điện 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.
- Máy phát điện xoay chiều, theo phương pháp kích thích chia ra:
+ Loại kích thích bằng nam châm vĩnh cửu.
+ Loại kích thích kiểu điện từ (bằng nam châm điện).
- Theo số pha của dòng điện máy phát cung cấp ta có:
SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

10


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

+ Máy phát 1 pha
+ Máy phát 3 pha
2.1.1.3. Yêu cầu
Máy phát điện trên ô tô máy kéo làm việc trong những điều ki ện đặc biệt, vì
thế chúng phải đáp ứng được các yêu cầu chính sau:
- Chịu được rung sóc bụi bẩn và làm việc tin cậy trong môi tr ường có nhi ệt
độ cao, có nhiều hơi dầu mỡ nhiên liệu.
- Tuổi thọ cao.
- Kích thước và trọng lượng nhỏ, giá thành thấp.
So với máy phát một chiều thì máy phát xoay chi ều có nhi ều ưu đi ểm h ơn,
vì nó không có vòng đổi điện và cuộn dây rô to đơn giản hơn do đó có tu ổi th ọ
cao hơn và dễ dàng trong bảo dưỡng.
2.1.2. Máy phát điện xoay chiều
2.1.2.1. Máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu
a. Đặc điểm cấu tạo
Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh c ửu
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 lo ại này khác nhau ch ủ y ếu ở k ết
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 đi ểm là ch ế tạo đ ơn gi ản,
nhưng nhược điểm là hiệu suất sử dụng nam châm thấp. Vì th ế chúng ch ỉ đ ược
sử dụng ở các máy phát cỡ nhỏ công suất  100 VA.
- Thông dụng nhất là loại rôto nam châm hình sao. Lo ại này có ưu đi ểm là
hệ số sử dụng vật liệu lớn. Số cực nam châm thường là sáu, vì n ếu tăng s ố c ực
lên nữa thì hệ số sử dụng vật liệu lại kém đi.

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

11


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Hình 2. 1 Rôto nam châm hình trụ rỗng
1-Nam châm; 2-Các má cực; 3-các cuộn dây cố định Stato.

Hình 2. 2 Rôto nam châm hình sao
1. Nam châm hình sao; 2. Hợp kim không dẫn từ; 3. Tr ục Roto
Nhược điểm của rôto nam châm hình sao là khó nạp từ cho rôto, c ường đ ộ

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 đi ện
của máy kéo với công suất giới hạn khoảng 180 VA.
- Rôto nam châm hình móng ra đời khi xuất hiện các v ật li ệu t ừ m ới có l ực
từ kháng lớn, cho phép chế tạo các nam châm mạnh.
Nam châm có dạng hình trụ rỗng được nạp từ theo chiều tr ục. Hai đ ầu c ủa
nó đặt hai tấm bích bằng thép ít các-bon, có các vấu c ực nhô ra nh ư nh ững chi ếc
móng. Các móng cực của hai bích được bố trí xen kẽ nhau. Do ch ịu ảnh hưởng
của hai cực từ khác dấu ở hai mặt đầu của nam châm, nên các móng cực của m ỗi
tấm bích cũng mang cực tính của cực từ tiếp xúc v ới nó. Như vậy các móng c ủa
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.

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

12


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Rôto hình móng có một loạt các ưu điểm, như:
- 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 gi ảm được kích
thướcđường kính của nam châm hoặc tăng công suất của máy phát.

* Stato: là một khối thép từ hình trụ rỗng, ghép từ các lá thép đi ện kỹ thu ật
được cách điện với nhau bằng sơn cách điện để gi ảm dòng fucô. Mặt trong c ủa
stato có các vấu cực để quấn các cuộn dây phần ứng.

Hình 2. 3 Hệ thống từ của máy phát với nam châm hình sao
1- Stato; 2- Roto nam châm.

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

13


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Hình 2. 4 Máy phát xoay chiều với nam châm vĩnh cửu hình sao.
1-Stato và các cuộn dây; 2-Rôto (nam châm quay)
b. Nguyên lý làm việc
Khi động cơ hoạt động, thông qua bộ truyền đai, trục khuỷu động c ơ kéo rôto
của máy phát quay. Rôto là một nam châm vĩnh cửu có 6 cực. Khi rôtô quay t ừ
trường thay đổi cắt các vòng dây của cuộn stato. Trong cu ộn dây xuất hiện s ức
điện động thay đổi cả về trị số và hướng. Khi đóng mạch thì s ức đi ện đ ộng c ảm
ứng sẽ sinh ra dòng điện xoay chiều cung cấp cho các phụ tải.
2.2.2.2. Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ
a. Đặc điểm cấu tạo

 Loại có vòng tiếp điện
Cấu tạo của máy phát điện loại có vòng tiếp điện gồm những bộ phận
chính là: rôto, stato, các nắp, puli, cánh quạt và bộ ch ỉnh l ưu (b ộ ch ỉnh l ưư có th ể

tính hoặc không tính vào thành phần cấu tạo của máy phát, tuỳ theo nó được đ ặt
trong máy phát hay riêng biệt bên ngoài).

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

14


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Hình 2. 5 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 tiết điện
+ Stator: là khối thép từ ghép từ các lá thép đi ện kỹ thu ật, phía trong có x ẻ
rãnh phân bố đều để đặt cuộn dây phần ứng.

Hình 2. 6 Cấu tạo Stator
1. Cọc trung tính; 2. Cọc dương; 3. Đi ốt chỉnh lưu; 4. Cu ộn stato; 5. Ba đ ầu
cuộn dây stato; 6. Rãnh lắp cuộn dây; 7. Bọc cách điện; 8. Khối thép t ừ.

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

15


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

a)

b)
Hình 2. 7 Các kiểu đấu dây
a-Kiểu sao; b- Kiểu tam giác.
Cuộn dây phần ứng thường có 3 pha nối theo hình sao. Mỗi pha gồm một số
cuộn nhỏ mắc nối tiếp. Đầu của các cuộn dây pha được nối ra bộ chỉnh lưu 8 đặt
trong vỏ máy phát theo sơ đồ chỉnh lưu cầu.
+ Rotor: bao gồm hai má cực từ có nam châm hình móng ngựa b ọc ngoài
cuộn dây phần cảm lắp trên trục. Có hai vòng than góp đi ện . Khi có dòng đi ện
kích thích đi vào trong cuộn dây thì hai má cực từ tr ở thành nam châm đi ện. Nam
châm điện có từ cực N-B xen kẻ nhau (hình 2.8)

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

16


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Hình 2. 8 Cấu tạo rotor
1-Chùm cực từ tính S; 2- Chùm cực từ tính N; 3- cuộn dây kích thích;
4- Trục rotor; 5- Đường sức từ; 6- Ổ bi; 7-Vòng tiếp điểm.

 Loại không có vòng tiếp điểm
Máy phát điện loại không có vòng tiếp điện nói chung không có gì khác so
với loại có vòng tiếp điện. Nhưng lại có ưu điểm là tăng tuổi th ọ và độ tin cậy.

Do những ưu điểm trên, máy phát điện loại này được sử dụng ngày càng nhi ều
trên các ôtô làm việc trong điều kiện nặng nhọc và trên các máy kéo nông
nghiệp.

Hình 2. 9 Sơ đồ máy phát điện xoay chiều không có vòng tiếp điện.
1-Stato; 2-Vòng không dẫn từ; 3-Cuộn dây kích thích cố định; 4,5-Các móng c ực; 6Đĩa lắp cuộn dây kích thích.

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

17


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Từ các sơ đồ ta thấy: mọi bộ phận của máy phát không có vòng ti ếp đi ện
đều có kết cấu tương tự như ở máy phát điện loại có vòng tiếp điện. Chỉ có đi ểm
khác biệt là: cuộn dây kích thích 3 được đặt ngay trên phần ống nhô ra c ủa n ắp
sau (hình 2.9) 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 đi ện đ ược d ẫn vào
cuộn kích thích qua các đầu nối cố định trên stato.
So với các máy phát loại có vòng tiếp điện, máy phát lo ại không có vòng ti ếp
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 đi ểm trên của
chúng.
b. Ưu nhược điểm
- So với máy phát điện một chiều, máy phát xoay chi ều có những ưu đi ểm
sau:
- Cấu tạo đơn giản hơn.

- Với cùng một công suất, có kích thước và trọng lượng bé hơn.
- Tuổi thọ phục vụ dài hơn do không có cổ góp.
- Tiêu hao kim loại màu ít hơn ( giảm 2 – 2,5 lần so v ới máy phát m ột
chiều).
- Có thể tăng tỉ số truyền từ động cơ ô tô đến máy phát t ới tr ị s ố 2,5 – 3, vì
vậy khi động cơ chạy không tải, máy phát có thể phát ra công su ất đ ạt t ới ( 2530%) công suất định mức, cải thiện điều kiện nạp điện cho ắc quy.
c. Phạm vi ứng dụng
- Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, có k ết c ấu
đơn giản, nhưng công suất phát ra không lớn thường được sử dụng trên các xe
gắn máy và cho xe đạp điện.
- Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm đi ện có cu ộn c ảm
quay thường được sử dụng trên các ô tô.
- Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm đi ện có cu ộn c ảm
đứng yên ( không có các vòng tiếp điện và chổi than). Do có tu ổi th ọ cao và đ ộ
tin cậy cao hơn hai loại trên nên thường dùng trên các máy kéo và các lo ại ô tô
đặc biệt.
SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

18


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

2.2. Bộ chỉnh lưu
2.2.1. Công dụng
Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chi ều thành dòng đi ện
một chiều. Bộ chỉnh lưu làm nguồn điện một chi ều có đi ều khi ển c ấp cho các
thiết bị mạ, thiết bị hàn một chiều; nguồn điện cho các truy ền đ ộng đ ộng c ơ

điện một chiều, nguồn cung cấp cho mạch kích từ của máy điện một chiều.
2.2.2. Phân loại
Dựa vào chu kỳ chỉnh lưu ta có:
- Bộ chỉnh lưu một nữa chu kỳ.
- Bộ chỉnh lưu hai nữa chu kỳ.
Dựa vào số đi-ốt chỉnh lưu:
- Bộ chỉnh lưu 6 đi-ốt.
- Bộ chỉnh lưu 8 đi-ốt.
- Bộ chỉnh lưu 14 đi-ốt.
Hiện nay, thông dụng nhất là bộ chỉnh lưu cầu 3 pha, nhờ cấu tạo đ ơn gi ản,
tính ổn định, tuổi thọ cao, phù hợp với điều kiện làm việc của hệ thống cung cấp
trên ô tô.

Hình 2. 10 Bộ chỉnh lưu mạch cầu 3 pha 6 đi-ốt
 Nguyên lý chỉnh lưu

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

19


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Sơ đồ trên trình bày nguyên lý chỉnh lưu của máy phát xoay chiều ba pha
đấu sao. Khi rotor quay từ thông xuyên qua các cuộn dây Stator lệch nhau 120 0.
Qúa trình chỉnh lưu được mô tả như sau:
- Giả sử khi rotor quay ở vị trí α=30 0. Khoảng này điện áp trên FIII dương
nhất, điện áp trên FII âm nhất nên có dòng điện chỉnh lưu như hình a.

- Ở vị trí α=300-600 trong khoảng này điện áp trên FI dương nhất, điện áp
trên FII âm nhất nên có dòng điện chỉnh lưu như hình b.
- Ở vị trí α=1800 trong khoảng này điện áp trên F II dương nhất, điện áp trên
FIII âm nhất nên có dòng điện chỉnh lưu như hình c.
Như vậy, dòng điện qua R lúc nào cũng theo một chi ều và đi ện áp ch ỉnh l ưu
(Uct) vẫn còn dạng nhấp nhô như đồ thị (hình 2.11).

Hình 2. 11 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu 6 diode

 Hoạt động của bộ chỉnh lưu
Trên (hình 2.12) là sơ đồ của máy phát chỉnh lưu 3 pha có b ộ nắn dòng mắc
theo sơ đồ nắn dòng 2 nửa chu kỳ, 3 pha. Các cuộn dây stator được đấu dạng sao.
Với kiểu mắc này thì quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện trên dây và
trên pha là:
Un = 3 UΦ và In = IΦ
SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

(2.1)
20


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Ta giả thiết rằng tải của máy phát là điện trở thuần.
Điện áp tức thời trên các pha A, B, C là:
UA = Umsinωt

(2.2)

UB = Umsin(ωt - 2π/3)

(2.3)

UC = Umsin(ωt + 2π/3)

(2.4)

Trong đó:
Um : điện áp cực đại của pha.
ω = 2πf = 2π.n.p/ 60 là vận tốc góc.

Hình 2. 12 Sơ đồ chỉnh lưu máy phát 3 pha

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

21


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

Hình 2. 13 Điện áp sau khi chỉnh lưu.
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 (D1, D3, D5), có catod được nối v ới nhau; Nhóm d ưới còn
gọi là các diode âm (D2, D4, D6) có các anode được nối v ới nhau. Ở hướng d ẫn

điện, một diode nhóm trên dẫn điện khi anode của nó có đi ện thế cao h ơn, còn ở
nhóm dưới diode dẫn có điện thế thấp hơn. Vì vậy, ở một th ời đi ểm b ất kỳ đ ều
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 (hình 2.13) c ủa
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 l ần.
2.2.3. Yêu cầu
Bộ chỉnh lưu làm việc liên tục, do đó cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Hoạt động ổn định, điện áp ra ít dao động.
- Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy.
- Đơn giản, giá thành rẻ.

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

22


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

2.3. Bộ điều chỉnh điện
2.3.1. Công dụng
Khác với các máy phát điện tĩnh tại, các máy phát điện ô tô làm vi ệc trong
điều kiện số vòng quay, phụ tải và chế độ nhiệt luôn luôn thay đổi trong m ột
giới hạn rộng. Vì thế, để đảm bảo cho các trang thi ết b ị đi ện trên ôtô làm vi ệc
được bình thường và bảo đảm an toàn cho máy phát, thì phải có bộ đi ều ch ỉnh
điện (BĐC) để:

- Điều chỉnh thế hiệu và hạn chế cường độ dòng điện của máy phát.
- Phân phối chế độ làm việc giữa ắc quy và máy phát đi ện (m ột chi ều) ho ặc
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 đi ện kèm theo
nó có thể gồm có một hay một số bộ phận sau đây:
- Rơ le điều chỉnh thế hiệu: làm nhiệm vụ giữ cho thế hiệu 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, người ta đã xác định được là: n ếu th ế hi ệu
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 th ể gây cháy h ỏng cu ộn dây
và cách điện của nó.
- Rơ le dòng điện ngược: làm nhiệm vụ phân phối chế độ làm việc giữa ắc
quy và máy phát một chiều: nối máy phát vào mạch ph ụ tải khi th ế hi ệu c ủa nó
đạt giá trị lớn hơn thế hiệu của ắc quy mắc song song với nó và ngắt máy phát ra
khi thế hiệu của nó giảm xuống thấp hơn thế hiệu của ắc quy đ ể tránh dòng
điện ngược từ ắc quy phóng lại làm cháy hỏng cuộn dây máy phát và có h ại cho
ắc quy.
- Rơ le đóng mạch: làm nhiệm vụ nối ắc quy với máy phát xoay chiều khi
bật khoá điện và ngược lại: để tránh dòng điện ngược từ ắc quy dò qua b ộ ch ỉnh
lưu và các cuộn dây của máy phát khi máy phát không làm vi ệc, làm ắc quy b ị
mất điện.

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

23

Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

- 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 thế hiệu, r ơ le h ạn ch ế dòng đi ện
và rơ le dòng điện ngược.
Trong thực tế, đôi khi người ta không làm rơ le hạn ch ế dòng đi ện riêng mà
làm kết hợp với rơ le điều chỉnh thế hiệu chung trong một kết cấu. Trong
trường hợp đó, rơ le kết hợp này được gọi là rơ le điều chỉnh thế hiệu gi ảm dần
(vì nó không đảm bảo giữ cho thế hiệu máy phát ổn định, mà th ế hi ệu máy phát
sẽ giảm dần khi Imf tăng). Thậm chí có trường hợp cả ba loại rơ le trên được làm
kết hợp chung trong một kết cấu.
- Đối với các máy phát điện xoay chiều: do có bộ chỉnh lưu bán dẫn nên
việc sử dụng rơ le dòng điện ngược không cần thiết nữa, vì các đi ốt ch ỉnh l ưu
không cho dòng điện đi ngược từ ắc quy sang máy phát. Rơ le hạn chế dòng đi ện
cũng không cần thiết nữa, vì đa số các máy phát xoay chi ều có đặc tính tự hạn
chế dòng lớn.
Như vậy, đối với máy phát xoay chiều bộ điều chỉnh điện lúc này ch ỉ cần có
rơ le điều chỉnh thế hiệu và rơ le đóng mạch.
2.3.2. Phân loại
+ Theo đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc, BĐC điện được chia làm:
- BĐC loại rung (kiểu cơ khí).
- BĐC loại bán dẫn có tiếp điểm điều khiển.
- BĐC loại bán dẫn không có tiếp điểm điều khiển.
+ Theo số lượng rơle, loại rung được chia ra:
- Loại 1 rơ le;
- Loại 2 rơ le;
- Loại 3 rơ le;
- Loại 4 và 5 rơ le.
Bộ ĐCĐ 4 rơ le được dùng trong trường hợp mạch kích thích của máy phát

được phân nhánh. Lúc đó bộ ĐCĐ sẽ có 2 rơ le đi ều chỉnh th ế hi ệu tương ứng v ới
các nhánh của mạch kích thích.
Trong trường hợp cả mạch tải điện của máy phát cũng được phân nhánh,
thì bộ ĐCĐ sẽ có thêm 1 rơ le nữa, tức là có 5 rơ le.
SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

24


Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp trên ô tô

2.3.3. Yêu cầu
Bộ điều chỉnh điện cần đáp ứng những yêu cầu sau:
- Điều chỉnh chính xác.
- Làm việc tin cậy, ổn định, chịu rung xóc tốt và tuổi thọ cao.
- Kết cấu, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa đơn giản.
- Giá thành rẻ.
2.3.4. Nguyên lý điều chỉnh thế hiệu và hạn chế dòng
Từ phương trình cân bằng mạch điện của máy phát, bỏ qua tr ở kháng của
phần ứng và độ rơi thế trên bộ chỉnh lưu (đối với máy phát xoay chiều) [1]:
E  U  I u Ru  U (1 

I u Ru
)  U (1   )
U

(2.5)

Trong đó:
E = CEn:

Suất điện động của máy phát;

ở đây: CE:

Hằng số kết cấu của máy phát.

n:

Số vòng quay phần ứng.

:

Từ thông của máy phát.

U:

Thế hiệu máy phát (trên hai đầu cuộn dây phần ứng).

Iu, Ru:

Dòng điện và điện trở cuộn dây phần ứng. Đối với máy phát xoay

chiều Iu là giá trị trung bình của dòng đã chỉnh lưu.



Iu Ru

U :

Hệ số phụ tải của máy phát.

Từ phương trình (2.5) ta có:

U

E
n

C E
(1   ) (1   )

(2.6)

Từ phương trình này ta thấy rằng:
- Khi tốc độ và phụ tải của máy phát thay đổi thì th ế hi ệu c ủa máy phát ch ỉ
có thể điều chỉnh (giữ không đổi) bằng cách thay đ ổi từ thông , tức là thay đổi
dòng điện kích thích của máy phát.
- Dòng điện tải của máy phát Imf  Iu = (U/Rft) (ở đây Rft - tổng trở của tất cả
các phụ tải). Biểu thức này cũng cho thấy rằng: Khi ph ụ tải và s ố vòng quay c ủa

SVTH: Phạm Phúc Nhật

Hướng dẫn: T.s Phạm Quốc Thái

25