BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-------------------------------

NGUYỄN THANH PHÚC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
MÁY PHÁT ĐIỆN TRÊN Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-------------------------------

NGUYỄN THANH PHÚC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
MÁY PHÁT ĐIỆN TRÊN Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. BÙI ĐĂNG THẢNH

2. TS. PHẠM VĂN TRƯỜNG

Hà Nội – Năm 2017


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu trong
khóa luận là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng.
Hà Nội, tháng 10 năm 2017
Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Phúc

1


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đến nay, em đã nhận
được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của q thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô giáo Viện Điện –
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để
truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Bùi Đăng Thảnh, TS. Phạm Văn
Trường người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Nhờ sự

giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình của các thầy, em đã có được những kiến thức quý
báu về cách thức nghiên cứu vấn đề cũng như nội dung của đề tài, từ đó em có thể
hồn thành tốt khố luận tốt nghiệp của mình.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 10 năm 2017
Học viên thực hiện

Nguyễn Thanh Phúc

2


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................7
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MÁY PHÁT ĐIỆN TRÊN Ô TÔ ............................8
1.1. Cấu trúc hệ thống điện trong ô tô ..................................................................8
1.1.1. Chức năng của hệ thống cung cấp điện ...................................................... 8
1.1.2. Cấu tạo của hệ thống nạp và dòng điện trong mạch ................................. 10
1.2. Tổng quan về máy phát điện .......................................................................14
1.2.1. Chức năng của máy phát điện xoay chiều ................................................ 14
1.2.2. Phân loại ................................................................................................... 15
1.2.3. Cấu tạo ...................................................................................................... 16
1.2.4. Nguyên lý làm việc của máy phát điện xoay chiều 3 pha ........................ 22
1.3. Tổng quan về hệ thống điện và truyền động trên xe hybrid .......................30
1.3.1. Hệ thống song song (hybrid parallel system) ........................................... 31
1.3.2. Hệ thống liên hoàn (series hybrid system) ............................................... 32
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT .................................34
2.1. Mơ tả q trình cơng nghệ...........................................................................34

2.2. Thiết kế mơ hình phần cứng ........................................................................36
2.3. Sơ đồ thuật toán hệ thống ............................................................................37
2.4. Mơ hình hóa q trình hãm tái sinh và giải pháp thiết kế bộ điều khiển ....39
2.4.1. Mơ hình hóa quá trình hãm tái sinh .......................................................... 39
2.4.2. Giải pháp thiết kế bộ điều khiển ............................................................... 43
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HÃM TÁI SINH ..................................50
KẾT LUẬN ..............................................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................54
PHỤ LỤC .................................................................................................................55

3


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ơ tơ”

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 - Sơ đồ cung cấp hệ thống điện tổng quát ................................................... 8
Hình 1. 2 - Sơ đồ hệ thống nạp tiêu biểu .................................................................... 9
Hình 1. 3 - Sơ đồ hệ thống cung cấp điện tổng quát ................................................... 9
Hình 1. 4 - Máy phát điện ......................................................................................... 11
Hình 1. 5 - Điều áp trong máy phát điện ................................................................... 11
Hình 1. 6 - Ắc quy ..................................................................................................... 12
Hình 1. 7 - Đèn báo nạp trên đồng hồ hiển thị .......................................................... 12
Hình 1. 8 - Khóa điện trên ơ tơ.................................................................................. 12
Hình 1. 9 - Hiển thị đèn báo nạp khi khóa điện ở vị trí ACC và LOCK .................. 13
Hình 1. 10 - Hiển thị đèn báo nạp khi khóa điện ở vị trí ON.................................... 13
Hình 1. 11 - Cấu tạo cơ bản của hệ thống máy phát ................................................. 14
Hình 1. 12 - Máy phát. Chỉnh lưu. Điều áp............................................................... 14
Hình 1. 13 - Máy phát điện thơng thường ................................................................. 15
Hình 1. 14 - Máy phát điện SC ................................................................................. 16

Hình 1. 15 - Máy phát điện 3 cực.............................................................................. 16
Hình 1. 17 - Cấu tạo rotor ......................................................................................... 17
Hình 1. 16 - Cấu tạo chi tiết máy phát điện .............................................................. 16
Hình 1. 18 - Cấu tạo chổi than và cổ góp .................................................................. 17
Hình 1. 19 - Cấu tạo stator ........................................................................................ 18
Hình 1. 20 - Sơ đồ kết nối kiểu sao ........................................................................... 18
Hình 1. 21 - Sơ đồ kết nối kiểu tam giác .................................................................. 19
Hình 1. 22 - Bộ chỉnh lưu.......................................................................................... 19
Hình 1. 23 - Điốt sinh nhiệt khi chỉnh lưu ................................................................ 20
Hình 1. 24 - IC điều áp .............................................................................................. 21
Hình 1. 25 - Cuộn dây và nam châm ......................................................................... 22
Hình 1. 26 - Nguyên lý phát điện trong thực tế ........................................................ 23
Hình 1. 27 - Dịng điện xoay chiều 3 pha ................................................................. 24
Hình 1. 28 - Dịng điện chỉnh lưu ............................................................................. 24

4


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ơ tơ”
Hình 1. 29 - Khi khóa điện ON ................................................................................. 25
Hình 1. 30 - Khi máy phát đang phát điện ................................................................ 26
Hình 1. 31 - Khi điện áp máy phát điện cao hơn điện áp điều chỉnh ........................ 26
Hình 1. 32 - Khi rotor bị đứt ..................................................................................... 27
Hình 1. 33 - Khi rotor bị ngắn mạch ......................................................................... 28
Hình 1. 34 - Khi cực S bị ngắt .................................................................................. 28
Hình 1. 35 - Khi cực B bị ngắt ................................................................................. 29
Hình 1. 36 - Khi chân F bị mát.................................................................................. 30
Hình 1. 37 - Cấu tạo động cơ hybrid ......................................................................... 31
Hình 1. 38 - Nguyên lý của hệ thống song song ....................................................... 32
Hình 1. 39 - Nguyên lý của hệ thống liên hồn ........................................................ 32

Hình 1. 40 - Sơ đồ truyền động của động cơ hybrid kiểu liên hồn ......................... 33

Hình 2. 1 - Mơ tả q trình cơng nghệ ...................................................................... 34
Hình 2. 2 - Trạng thái khởi động lại và tăng gia tốc của ơ tơ ................................... 36
Hình 2. 3 - Sơ đồ khối cấu tạo hệ thống điều khiển .................................................. 36
Hình 2. 4 - Lưu đồ thuật tốn hệ thống ..................................................................... 37
Hình 2. 5 - Biểu diễn bằng đồ thị từ lưu đồ thuật tốn ............................................. 38
Hình 2. 6 - Mơ hình mạch điều khiển động cơ ......................................................... 39
Hình 2. 7 - Trạng thái động cơ hoạt động ................................................................. 40
Hình 2. 8 - Chiều dịng điện khi phanh tác động ban đầu ......................................... 41
Hình 2. 9 - Chiều dịng điện khi hãm sau 1 thời gian (L1/R1) ................................. 41
Hình 2. 10 - Khi động cơ giảm tốc độ (hãm) ............................................................ 42
Hình 2. 11 - Ắc quy được nạp điện trong quá trình hãm .......................................... 42
Hình 2. 12 - Điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM................................................ 43
Hình 2. 13 - Đồ thị đặc tính cơ của động cơ ............................................................. 43
Hình 2. 14 - Sức phản điện động và dịng điện ở các pha ở chế độ động cơ (a) và
hãm tái sinh (b).......................................................................................................... 45
Hình 2. 15 - Nghịch lưu làm việc với động cơ ......................................................... 45
Hình 2. 16 - Hãm tái sinh 1 van dẫn góc phần sáu thứ nhất ..................................... 46
Hình 2. 17 - Dịng điện pha khi hãm tái sinh ............................................................ 46
5


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ơ tơ”
Hình 2. 18 - Điều khiển dịng điện trong góc phần sáu thứ nhất .............................. 47
Hình 2. 19 - Sơ đồ phát xung với góc dẫn 120 độ .................................................... 48
Hình 2. 20 - Sơ đồ phát xung với góc dẫn 180 độ .................................................... 48
Hình 2. 21 - Sơ đồ điều khiển tổng quát ................................................................... 49
Hình 3. 1 - Q trình biến đổi cơng suất của ắc quy ................................................. 50
Hình 3. 2 - Quá trình biến đổi năng lượng tiêu hao của ắc quy ................................ 50

Hình 3. 3 - Ắc quy được nạp điện khi hãm tái sinh khi chưa hiệu chỉnh.................. 51
Hình 3. 4 - Ắc quy được nạp điện khi hãm tái sinh khi đã hiệu chỉnh ..................... 52

6


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, ngành Điều
khiển - Tự động hóa đã có những ảnh hưởng to lớn đến nhiều lĩnh vực và cũng đã
mở ra nhiều viễn cảnh mới trong thiết kế ô tô, cụ thể là thiết kế và áp dụng hàng loạt
các hệ thống trên xe được điều khiển bằng điện tử như: Hệ thống cân bằng điện tử,
hệ thống ABS, hệ thống chống trộm và hệ thống nạp điện cho ắc quy,...
Những tiến bộ vượt bậc trong đời sống xã hội khiến nhu cầu về đi lại, vận
chuyển của con người tăng lên rất nhiều. Nhắc đến lĩnh vực giao thông vận tải,
người ta không thể không nghĩ ngay tới lĩnh vực vận tải đường bộ, là loại hình giao
thơng được phát triển khá sớm.
Việt Nam là một nước đang phát triển về lĩnh vực giao thơng vận tải đóng vai
trị mấu chốt trong sự phát triển về mọi mặt. Với mức độ phát triển của nước ta hiện
nay, vận tải đường bộ cũng chiếm một vị thế quan trọng nhất trong lĩnh vực giao
thơng vận tải. Đặc biệt, hình thức vận tải bằng ô tô đã trở nên thông dụng với mọi
người Việt Nam, từ các tập đoàn vận tải lớn của nhà nước, cũng như các doanh
nghiệp vận tải tư nhân đến các cơ quan xí nghiệp và cả những gia đình, cá nhân, với
mức độ sử dụng có xu hướng tăng cao trong thời gian tới.
Vấn đề về môi trường và tiết kiệm nhiên liệu là yếu tố cần quan tâm ngay từ
lúc này. Chính vì vậy, “Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển máy phát điện” được
coi là một giải pháp giúp tiết kiệm nhiên liệu. Tuy nhiên hiện nay khi công nghệ xe
điện và hybrid đang ngày càng phát triển thì động cơ điện đang dần được thay thế
bằng động cơ xăng thông thường. Trong luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu việc

điều khiển động cơ điện để tạo ra năng lượng điện nạp điện cho ắc quy.

7


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MÁY PHÁT ĐIỆN TRÊN Ô TÔ
1.1. Cấu trúc hệ thống điện trong ô tô
Hệ thống điện trên ô tô có đầy đủ các trang thiết bị và chức năng phục vụ như
một hệ thống điện hồn chỉnh nói chung. Hệ thống này cũng bao gồm các bộ phận
phát điện, tích điện, truyền dẫn và tiêu thụ điện năng. Tuy nhiên, mạch điện sử dụng
trên xe là một chiều 12V hoặc 24V. Các bộ phận chính của hệ thống gồm: hệ thống
cung cấp điện (ắc quy và máy phát điện), hệ thống khởi động động cơ, hệ thống
đánh lửa và phun xăng điện tử trên động cơ, hệ thống chiếu sáng, hệ thống đồng hồ
và hệ thống thiết bị chẩn đoán và cảnh báo trên xe hiện đại. Sự hoạt động của các
trang thiết bị được kiểm soát và điều khiển bởi bộ xử lý điện tử trung tâm. [1,2]

Hình 1. 1 - Sơ đồ cung cấp hệ thống điện tổng quát
1.1.1. Chức năng của hệ thống cung cấp điện
Ơ tơ được trang bị một số hệ thống và thiết bị điện để đảm bảo an toàn và tiện
nghi khi sử dụng. Chúng cần điện năng trong suốt thời gian hoạt động và ngay cả
khi động cơ đã dừng. Vì vậy, trên động cơ cần có một hệ thống nạp để nạp điện cho
ắc quy và cung cấp cho các phụ tải khi động cơ đang làm việc. Hệ thống cung cấp
điện sử dụng sự quay của động cơ để phát sinh ra điện. Nó khơng những cung cấp
điện năng cho những hệ thống và thiết bị điện khác mà còn nạp điện cho ắc quy
trong lúc động cơ đang hoạt động. Nguồn điện đó chỉ cho phép máy phát khi hoạt

8



Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”
động phát ra với nguồn điện áp tiêu chuẩn là 13.8V đến 14.2V đối với hệ thống điện
cấp điện áp 12V.

Hình 1. 2 - Sơ đồ hệ thống nạp tiêu biểu

Hình 1. 3 - Sơ đồ hệ thống cung cấp điện tổng quát
9


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”
 Những thông số cơ bản của hệ thống cung cấp điện
-

Hiệu điện thế định mức: Phải bảo đảm Uđm = 14V đối với những xe sử
dụng hệ thống điện 12V, Uđm = 28V đối với những xe sử dụng hệ
thống điện 24V.

-

Công suất máy phát: Phải đảm bảo cung cấp điện cho tất cả các tải điện
trên xe hoạt động. Thông thường, công suất của các máy phát trên ôtô
hiện nay vào khoảng Pmf = 700 –1500W.

-

Dòng điện cực đại: Là dòng điện lớn nhất mà máy phát có thể cung cấp.
Imax = 70 – 140A


-

Tốc độ cực tiểu và tốc độ cực đại của máy phát: nmax, nmin phụ thuộc vào
tốc độ của động cơ đốt trong.
Nmin = ni x i
Trong đó,

i

: tỉ số truyền, i = 1,5 - 2

ni

: tốc độ cầm chừng của động cơ

Hiện nay trên xe đời mới sử dụng máy phát cao tốc nên tỉ số truyền i
cao hơn.
-

Nhiệt độ cực đại của máy phát tomax: là nhiệt độ tối đa mà máy phát có
thể hoạt động.

-

Hiệu điện thế hiệu chỉnh: là hiệu điện thế làm việc của bộ tiết chế.
Uhc = 13,8 – 14,2V

1.1.2. Cấu tạo của hệ thống nạp và dòng điện trong mạch
Hệ thống nạp bao gồm chủ yếu các thiết bị sau đây :
(1) Máy phát điện

(2) Bộ điều áp
(3) Ắc quy
(4) Đèn báo nạp
(5) Khóa điện
(1) Máy phát điện
Khi động cơ đang nổ máy, máy phát tạo ra một lượng điện đủ cho các phụ tải
điện trên xe và để nạp điện cho ắc quy.
10


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ơ tơ”

Hình 1. 4 - Máy phát điện
(2) Bộ điều áp
Thiết bị này được đặt trong máy phát, được dùng để điều chỉnh điện áp được
tạo ra ngay cả khi tốc độ của máy phát thay đổi hoặc khi lượng điện tiêu thụ
trên xe thay đổi.

Hình 1. 5 - Điều áp trong máy phát điện
(3) Ắc quy
Đây là nguồn cung cấp điện khi động cơ không hoạt động. Nó cung cấp điện
cho các thiết bị điện khi khởi động động cơ hoặc khi máy phát không phát
điện. Tuy nhiên, dòng điện được tạo ra bởi máy phát và được nạp cho ắc quy
ngay lập tức khi động cơ bắt đầu khởi động.

11


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ơ tơ”


Hình 1. 6 - Ắc quy
(4) Đèn báo nạp
Đèn này để báo sự cố trong hệ thống nạp. Trước khi khởi động động cơ thì đèn
sáng, sau khi khởi động động cơ khoảng 3 giây mà đèn tắt thì hệ thống nạp
hoạt động bình thường. Nếu đèn không tắt, cần phải kiểm tra lại hệ thống nạp.

Hình 1. 7 - Đèn báo nạp trên đồng hồ hiển thị
(5) Khóa điện
Khóa điện dùng để khởi động động cơ làm cho máy phát phát điện.

Hình 1. 8 - Khóa điện trên ơ tơ
12


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ơ tơ”
 Khi khóa điện đang ở vị trí ACC hoặc LOCK:

Hình 1. 9 - Hiển thị đèn báo nạp khi khóa điện ở vị trí ACC và LOCK
 Khóa điện ở vị trí ON (động cơ chưa nổ máy):
Lúc này dòng điện đi từ ắc quy tới máy phát điện bởi vì: nam châm sử dụng
trong máy phát 3 pha là nam châm điện, cần phải cung cấp cho nó một dịng
điện để từ hóa cuộn dây khi đó máy phát mới có thể cung cấp điện.
 Khóa điện ở vị trí ON (khi động cơ đang nổ máy):
Lúc này máy phát đã tạo ra điện cung cấp cho hệ thống điện trên xe và ắc quy
nên đèn báo nạp tắt.

Hình 1. 10 - Hiển thị đèn báo nạp khi khóa điện ở vị trí ON

13



Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”
1.2. Tổng quan về máy phát điện
 Khái niệm
Máy phát điện hoạt động bởi lực quay động cơ xe thông qua dây đai để chuyển
năng lượng cơ học thành năng lượng điện và cung cấp điện năng cần thiết cho các
tải điện khác nhau. Ngoài ra, nó cịn chức năng sạc ắc quy trong khi xe chạy. Tùy
thuộc vào tốc độ động cơ thay đổi theo từng thời điểm lái xe, mà tốc độ quay của
máy phát điện cũng thay đổi, và do đó điện áp tạo ra cũng thay đổi theo. Điện áp
thay đổi sẽ làm ảnh hưởng đến hoạt động của các phụ tải điện, nên nó được chế ngự
để phù hợp với điện áp của phụ tải điện.

Hình 1. 11 - Cấu tạo cơ bản của hệ thống máy phát
1.2.1. Chức năng của máy phát điện xoay chiều
Máy phát điện xoay chiều đóng vai trị chính trong hệ thống nạp. Máy phát
điện xoay chiều có 3 chức năng:
(1) Tạo ra dịng điện
(2) Chỉnh lưu thành dịng điện một chiều
(3) Điều chỉnh điện áp

Hình 1. 12 - Máy phát. Chỉnh lưu. Điều áp
14


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”
(1) Phát điện
Việc truyền chuyển động quay từ động cơ tới máy phát thông qua dây đai sẽ
làm quay rotor máy phát và do đó tạo ra dòng điện xoay chiều trong cuộn dây
stator.
(2) Chỉnh lưu dịng điện

Vì dịng điện được tạo ra trong cuộn dây stato là dịng điện xoay chiều nên nó
khơng sử dụng được cho các thiết bị điện một chiều sử dụng trên xe. Để sử
dụng được dòng điện xoay chiều này, người ta sử dụng bộ chỉnh lưu để chỉnh
lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
(3) Điều chỉnh điện áp
Bộ điều chỉnh điện áp IC điều chỉnh điện áp sinh ra để có điện áp ổn định ngay
cả khi tốc độ máy phát hoặc cường độ dòng điện trong mạch thay đổi.
1.2.2. Phân loại
 Máy phát điện thông thường

Hình 1. 13 - Máy phát điện thơng thường
Là máy phát điện xoay chiều, thông qua việc gia cố lõi rotor, cải thiện mạch từ,
mạch tích hợp điều khiển.
Ưu điểm: kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và cơng suất cao, có khả năng kết
hợp với bộ điều chỉnh kiểu tiếp xúc điểm.
 Máy phát điện SC
Là máy phát điện xoay chiều sử dụng một dây dẫn phân đoạn cho cuộn dây
stator, có thể giảm một nửa sức đề kháng cuộn dây và mất nhiệt, và đồng thời,
để làm cho một bộ điều chỉnh một vi mạch IC. Ngoài ra, máy phát điện SC cịn
có khả năng giảm tiếng ồn gió một cách tối ưu.
Ưu điểm: nhỏ gọn, công suất lớn, hiệu quả cao.
15


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ơ tơ”

Hình 1. 14 - Máy phát điện SC
 Máy phát điện 3 cực
Là loại máy phát điện với tốc độ cao và tiếng ồn thấp bằng cách kết hợp hai
quạt nhỏ thay vì một quạt bên ngoài lớn, và bằng cách tiếp tục cải thiện cuộn

dây mật độ cao và làm mát.
Ưu điểm: giảm kích thước, trọng lượng nhẹ và tính sản lượng cao.

Hình 1. 15 - Máy phát điện 3 cực
1.2.3. Cấu tạo
1. Nắp trước
2. Pulley
3. Má cực từ
4. Bộ chỉnh lưu
5. Ổ bi
6. Vành tiếp điện
7. Chân điều khiển
8. Đầu ra
9. Cuộn rotor
10. Nắp sau
11. Rotor

Hình 1. 16 - Cấu tạo chi tiết máy phát điện

12. Cuộn stator

16


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ơ tơ”

 Rotor

Hình 1. 17 - Cấu tạo rotor
-


Rotor là một nam châm điện quay bên trong cuộn dây stator sinh ra từ
trường để tạo ra lực điện trường trong cuộn dây stator.

-

Các thành phần chính: cuộn dây, cực từ, trục.

-

Cuộn dây được cuốn xung quanh 6 cặp lõi cực (12 cực từ) và lực điện từ
được tạo ra khi có dịng điện chạy bên trong cuộn dây. Vì cường độ
dịng điện chạy vào rotor tăng dần, nên lực điện từ cũng mạnh dần lên.
Ở 2 đầu của rotor, người ta lắp một quạt để làm mát cuộn dây rotor,
cuộn dây stator và bộ chỉnh lưu để làm cho nhiệt độ của chúng thấp hơn
nhiệt độ giới hạn bằng cách hút khơng khí từ lỗ thơng gió ở khung phía
trước nhờ rotor quay.

 Chổi than và cổ góp
-

Chức năng: cho dịng điện chạy qua rotor để tạo ra từ trường.

-

Các thành phần chính: Chổi than, lị xo, vịng kẹp chổi than, vịng tiếp
điện.

Hình 1. 18 - Cấu tạo chổi than và cổ góp
17



Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”
Các chi tiết này tạo ra từ trường bằng cách cho dòng điện đi vào cuộn dây
rotor và được lắp vào phía sau của rotor. Nhìn chung chổi than được làm từ
graphit kim loại được sử dụng để giảm điện trở và điện trở tiếp xúc và đồng
thời chống được sự ăn mịn.
 Stator

Hình 1. 19 - Cấu tạo stator
-

Chức năng: Stator tạo ra dòng điện xoay chiều 3 pha bằng cách thay đổi
từ thông sinh ra bởi rotor quay. Stator gồm lõi và cuộn dây được đặt
trong khung phía trước.

-

Các thành phần chính: lõi thép, cuộn dây stator, cực ra.

-

Nhiệt sinh ra ở stator lớn so với các thành phần khác của máy phát, vì
vậy dây cuốn phải phủ lớp chịu nhiệt.

Cuộn dây stator có thể mắc theo 2 cách:
 Cách mắc kiểu hình sao:
Cho ra điện thế cao, được sử dụng phổ biến. Cuộn dây stator gồm 3
cuộn dây riêng biệt đầu chung của 3 cuộn dây được nối lại với nhau
thành đầu trung hịa.


Hình 1. 20 - Sơ đồ kết nối kiểu sao
 Cách mắc kiểu tam giác:
Cho ra dòng điện lớn. Cuộn dây stator gồm 3 cuộn dây riêng biệt, được
nối liên tiếp các đỉnh với nhau hình tam giác.
18


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ơ tơ”

Hình 1. 21 - Sơ đồ kết nối kiểu tam giác
 Bộ chỉnh lưu
Vai trò của bộ chỉnh lưu: biến dòng điện xoay chiều 3 pha trong stator
thành dòng điện một chiều để nạp vào ắc quy và sử dụng cho các thiết bị
trên xe nhờ 6 điốt hoặc 8 điốt với các điốt ở điểm trung tính.
Bộ chỉnh lưu gồm có cực (cực ra), cánh tản nhiệt, điốt và giá đỡ có cấu trúc
2 lớp để cải thiện khả năng bức xạ nhiệt đồng thời giúp cho kích thước của
bộ nắn dịng nhỏ lại.

Hình 1. 22 - Bộ chỉnh lưu
Nhiệt độ của bộ chỉnh lưu: Điốt được sử dụng để chỉnh lưu sẽ sinh ra nhiệt
khi có dịng điện đi qua. Tuy nhiên, vì các phần tử của điốt lại chịu nhiệt
kém (chất bán dẫn) nên việc nung nóng điốt sẽ làm giảm khả năng chỉnh
lưu. Vì vậy, cần phải bố trí các cánh tản nhiệt để diện tích tỏa nhiệt được
tăng lên tới mức có thể.

19


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ơ tơ”


Hình 1. 23 - Điốt sinh nhiệt khi chỉnh lưu
 Hoạt động
 Sự cần thiết phải điều chỉnh điện áp phát ra
Máy phát điện dùng trên xe quay cùng với động cơ. Vì vậy, khi xe hoạt
động, tốc độ của động cơ thay đổi thường xuyên và do đó tốc độ của
máy phát khơng ổn định. Nếu máy phát khơng có bộ ổn áp thì khơng thể
cung cấp điện áp ổn định cho các thiết bị điện. Do đó, mặc dù tốc độ
của máy phát thay đổi thì điện áp ở các thiết bị điện vẫn phải duy trì
khơng đổi. Trong máy phát điện xoay chiều việc điều chỉnh như trên
được thực hiện bởi bộ điều áp IC.
 Nguyên lý điều chỉnh
-

Tăng hoặc giảm lực từ trường rotor

-

Tăng tốc hoặc giảm tốc độ quay của nam châm

Khi áp dụng phương pháp này đối với máy phát điện xoay chiều trên xe,
tốc độ quay của rotor không thể điều khiển được vì nó quay cùng với
động cơ. Nói cách khác, điều kiện có thể thay đổi tự do trong máy phát
điện xoay chiều trên xe là lực từ trường (rotor). Trong thực tế, việc thay
đổi cường độ dòng điện đi vào cuộn dây rotor (dòng tạo từ trường) sẽ
làm thay đổi lực từ trường. Bộ điều áp IC điều chỉnh điện áp máy phát
xoay chiều bằng cách điều khiển dịng điện tạo từ trường do đó điện áp
tạo ra luôn ổn định khi tốc độ quay của rotor thay đổi.

20



Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”
 Tự điều khiển đối với dịng điện cực đại
Đặc tính của máy phát điện là dòng điện tạo ra hầu như ổn định khi tốc
độ quay của máy phát vượt quá một tốc độ nhất định (tự điều khiển). Vì
vậy, khi tải vượt q dịng điện ra cực đại thì điện áp sụt. Một đặc tính
khác của máy phát điện xoay chiều là dịng điện sẽ giảm đi khi máy bị
nóng vì điện trở ở mỗi bộ phận thay đổi theo nhiệt độ ngay cả khi tốc độ
máy phát không đổi.
 Bộ điều áp IC
 Chức năng của bộ điều áp IC
- Điều chỉnh điện áp
- Cảnh báo khi máy phát không phát điện và nạp khơng bình thường
 Cấu tạo của bộ điều áp IC
Bộ điều áp IC chủ yếu gồm có IC lai, cánh tản nhiệt và giắc nối, việc sử
dụng IC lai làm cho bộ điều áp có kích thước nhỏ gọn.

Hình 1. 24 - IC điều áp
 Phân loại bộ điều áp IC
-

Loại nhận biết ắc quy: loại điều áp IC này nhận biết ắc quy nhờ cực
S (cực nhận biết ắc quy và điều chỉnh điện áp ra theo giá trị quy
định).

-

Loại nhận biết máy phát: Loại điều áp IC này xác định điện áp bên
trong của máy phát và điều chỉnh điện áp ra theo giá trị quy định.


21


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”
 Chế độ cảnh báo
Bộ điều áp IC cảnh báo bằng cách bật sáng đèn báo nạp khi xác định
được các sự cố sau đây:
-

Đứt mạch hoặc ngắn mạch rotor

-

Cực S bị ngắt

-

Cực B bị ngắt

-

Điện áp tăng vọt quá lớn (điện áp ắc quy tăng do ngắn mạch giữa
cực F và cực E)

 Quạt
 Nguồn nhiệt
Nhiệt sinh ra trên vật dẫn (ở các cuộn dây và diode), trên các lõi thép do
dòng fuco và do ma sát (ở ổ bi, chổi than và với không khí). Nhiệt sinh
ra làm giảm hiệu suất của máy phát.

 Vai trị
Khi quạt quay, khơng khí được hút qua các lỗ trống làm mát cuộn rotor,
stator và bộ chỉnh lưu làm giảm nhiệt độ của các bộ phận này ở mức cho
phép.
 Đặc điểm
-

Có hai quạt hút từ hai phía để cung cấp đủ lượng gió cần thiết;

-

Khơng khí mát được hướng vào cuộn stator, nơi phát sinh ra nhiều
nhiệt nhất.

1.2.4. Nguyên lý làm việc của máy phát điện xoay chiều 3 pha
Có nhiều phương pháp tạo ra dịng điện, trong những máy phát điện người ta
sử dụng cuộn dây và nam châm làm phát sinh ra dòng điện trong cuộn dây.

Hình 1. 25 - Cuộn dây và nam châm

22


Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển máy phát điện trên ô tô”
Thay đổi các thông số: cuộn dây, nam châm, tốc độ dịch chuyển, thì lượng
điện sinh ra khác nhau. Chúng ta biết rằng điện có thể tạo ra nhờ cuộn dây và nam
châm, đường sức từ của nam châm khi di chuyển sẽ cắt qua các vòng của cuộn dây.
Khi nam châm được mang lại gần cuộn dây, từ thông xuyên qua cuộn dây tăng lên.
Ngược lại khi đưa cuộn dây ra xa, đường sức từ xuyên qua cuộn dây giảm xuống.
Bản thân cuộn dây không muốn từ thơng xun qua nó biến đổi nên cố tạo ra từ

thông theo hướng chống lại những thay đổi xảy ra.


Nguyên lý máy phát điện trong thực tế:
-

Nam châm vĩnh cửu được thay thế bằng nam châm điện nên từ thơng có thể
thay đổi được;

-

Có thêm lõi thép sẽ làm tăng từ thông qua cuộn dây;

-

Sinh ra từ thông móc vịng làm từ thơng thay đổi liên tục.

Hình 1. 26 - Nguyên lý phát điện trong thực tế
 Dòng điện xoay chiều được sinh ra
Khi nam châm quay trong một cuộn dây, điện áp sẽ được tạo ra giữa hai đầu
của cuộn dây. Điều này sẽ làm xuất hiện dòng điện xoay chiều.
Mối quan hệ giữa dòng điện sinh ra trong cuộn dây và vị trí của nam châm
được chỉ ra ở hình vẽ. Cường độ dịng điện lớn nhất được tạo ra khi các cực
nam (S) và cực bắc (N) của nam châm gần cuộn dây nhất. Tuy nhiên, chiều
của dòng điện trong mạch thay đổi ngược chiều nhau sau mỗi nửa vòng quay
của nam châm. Dòng điện hình sin được tạo ra theo cách này gọi là "dòng điện

23