Một phụ tải điện sẽ sinh ra nhiệt khi dòng đi qua. Bộ xông kính chẳng hạn, nó đã sử dụng nhiệt này. Máy phát sinh nhiệt ở nhiều dạng khác nhau như trình bày ở phần trên. Chúng bao gồm : 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.
3.2 Các loại máy phát khác:
3.2.1 Máy phát đời cũ và tiết chế loại rung
Máy phát điện đời cũ thường nặng hơn và có kích thước lớn hơn so với máy phát loại mới có cùng công suất.Nó thường được sử dụng với tiết chế loại rời.
Cấu trúc bên trong của máy phát đời cũ về cơ bản giống như loại đời mới nhưng nó có một số đặc điểm khác:
- Không có bộ tiết chế lắp chung
- Chỉ lắp một quạt bên ngoài
- Cuộn dây stator và bộ chỉnh lưu được hàn thành một khối trên thân.
Tiết chế loại rung có kích thước lớn nên không thể lắp thành một khối với máy phát.
Hình 17. Máy phát đời cũ
Hình 18. Tiết chế loại rung
3.2.2 Máy phát có bơm chân không
Hình 19. Máy phát có bơm chân không
Hình 20. Hình 21.
Cấu tạo của máy phát có bơm chân không Máy phát điện không có vòng tiếp điện
Máy phát có bơm chân không thường được lắp trên xe có động cơ diesel. Bơm chân không được trang bị để cung cấp chân không cho trợ lực lái và các thiết bị khác. Bơm chân không được lắp chung nên quay cùng với trục của máy phát. Có hai loại, loại có bơm chân không đặt phía puli và loại đặt phía đối diện puli.
Loại máy phát có bơm chân không giống như các loại máy phát khác nhưng có thêm bơm chân không. Cấu tạo của bơm chân không gồm có: Vỏ, Rotor, Cánh, Van an toàn (van một chiều).
3.2.3 Máy phát không có vòng tiếp điện
Máy phát không có vòng tiếp điện được sử dụng trên máy kéo, xe tải lớn, xe công trình. Nó không sử dụng chổi than và vòng tiếp điện để nâng cao tuổi thọ. Nó chỉ có các cực từ xoay còn cuộn dây phần cảm đứng yên.
4. ĐIỆN ÁP CHỈNH LƯU BỞI MÁY PHÁT
4.1. Dòng điện xoay chiều 3 pha
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.
Hình 22. Dòng điện xoay chiều 1 pha
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 dòng 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 xoay chiều một pha". Một chu kỳ ở đây là 3600 và số chu kỳ trong một giây được gọi là tần số.
Để phát điện được hiệu quả hơn, người ta bố trí 3 cuộn dây trong máy phát như hình vẽ.
Hình 23. Dòng điện xoay chiều 3 pha
Mỗi cuộn dây A, B và C được bố trí cách nhau 1200 và độc lập với nhau. Khi nam châm quay trong các cuộn dây sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều trong mỗi cuộn dây. Hình vẽ cho thấy mối quan hệ giữa 3 dòng điện xoay chiều và nam châm, dòng điện được tạo ở đây là dòng điện xoay chiều 3 pha. Tất cả các xe hiện đại ngày nay được sử dụng máy phát xoay chiều 3 pha.
4.2. Bộ chỉnh lưu
4.2.1 Cấu tạo
Máy phát điện xoay chiều trong thực tế có trang bị mạch chỉnh lưu như Hình A để nắn dòng điện xoay chiều 3 pha. Mạch này có 6 diode và được đặt trong giá đỡ của bộ chỉnh lưu.
Hình 24. Dòng điện chỉnh lưu
4.2.2 Chức năng
Khi rotor quay một vòng, trong các cuộn dây Stator dòng điện được sinh ra trong mỗi cuộn dây này được chỉ ra từ (a) tới (f) trong Hình C. Ở vị trí (a), dòng điện có chiều dương được tạo ra ở cuộn dây III và dòng điện có chiều âm được tạo ra ở cuộn dây II. Vì vậy dòng điện chạy theo hướng từ cuộn dây II tới cuộn dây III.
Dòng điện này chạy vào tải qua diode 3 và sau đó trở về cuộn dây II qua diode 5. Ở thời điểm này cường độ dòng điện ở cuộn dây I bằng 0. Vì vậy không có dòng điện chạy trong cuộn dây I.
Bằng cách giải thích tương tự từ các vị trí (b) tới (f) dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu bằng cách cho qua 2 diode và dòng điện tới các phụ tải được duy trì ở một giá trị không đổi.
4. 3. Máy phát điện có điện áp điểm trung hoà
4.3.1. Điện áp điểm trung hoà
Hình 25. Điện áp điểm trung hoà
Máy phát điện xoay chiều thông thường dùng 6 diode để chỉnh lưu dòng điện xoay chiiều 3 pha (AC) thành dòng điện một chiều (DC).
Điện áp ra tại điểm trung hoà là nguồn cung cấp điện cho rơle đèn báo nạp. Có thể thấy điện áp trung bình của điểm trung hoà bằng 1/2 điện áp ra một chiều. Trong khi dòng điện ra đi qua máy phát, điện áp tại điểm trung hoà phần lớn là dòng điện một chiều nhưng nó cũng có một phần là dòng điện xoay chiều. Phần dòng điện xoay chiều này được tạo ra mỗi pha. Khi tốc độ của máy phát vượt quá 2,000 tới 3,000 vòng/phút thì giá trị cực đại của phần dòng điện xoay chiều vượt quá điện áp ra của dòng điện một chiều.
Điều đó có nghĩa là so với đặc tính ra của máy phát điện xoay chiều không có các diode tại điểm trung hoà, điện áp ra tăng dần dần từ khoảng 10 tới 15% ở tốc độ máy phát thông thường là 5,000 vòng/phút.
4.3.2 Sơ đồ mạch điện và cấu tạo
Để bổ sung sự thay đổi điện thế tại điểm trung hoà vào điện áp ra một chiều của máy phát không có diode ở điểm trung hoà người ta bố trí 2 diode chỉnh lưu giữa cực ra (B) và đất (E) và nối với điểm trung hoà. Những diode này được đặt ở giá đỡ bộ chỉnh lưu.
5. HOẠT ĐỘNG CỦA TIẾT CHẾ
5.1. Điều chỉnh dòng điện phát ra
5.1.1 Sự cần thiết phải điều chỉnh cường độ dòng điện phát ra
Máy phát điện dùng trên xe quay cùng với động cơ. Vì vậy, khi xe hoạt động tốc độ động cơ thường xuyên thay đổi và do đó tốc độ của máy phát không ổn định. Nếu máy phát không có bộ ổn áp thì hệ thống nạp không thể cung cấp dòng điện 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 không đổi và tuỳ theo sự thay đổi cường độ dòng điện trong mạch cần phải điều chỉnh. Trong máy phát xoay chiều việc điều chỉnh như trên được điều chỉnh bởi bộ tiết chế vi mạch.
5.1.2 Nguyên lí điều chỉnh
Hình 27. Tự điều khiển dòng điện Hình 28. Nguyên tắc tiết chế
Nhìn chung cường độ dòng điện tạo ra có thể được thay đổi bằng phương pháp sau đây.
-Tăng hoặc giảm lực từ trường(Rotor)
-Tăng tốc hoặc giảm tốc độ quay của nam châm.
Khi áp dụng phương pháp thay đổi tốc độ của rotor 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 một cách tự do trong máy phát 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 tiết chế vi mạch điều chỉnh cường độ dòng điện của máy phát xoay chiều bằng cách điều khiển dòng điện tạo từ trường do đó điện áp tạo ra luôn ổn định khi tốc độ quay của rotor thay đổi và khi dòng điện sử dụng thay đổi.
Tự điều khiển đối với dòng điện ra cực đại:
Đặc tính của máy phát điện là dòng điện 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 quá dòng điện ra cực đại thì điện áp sụt. Một đặc tính khác của máy phát điện xoay chiều là dòng điện ra giảm đi khi máy bị nóng vì điện trở ở mỗi bộ phận thay đổi theo nhiệt độ ngay cả khi tốc độ không đổi.
Gợi ý khi sửa chữa:
- Nếu đai chữ V bị trượt thì tốc độ máy phát sẽ thấp hơn yêu cầu và dòng điện tạo ra sẽ giảm xuống làm cho ắc qui hết điện điện.
- Nếu dòng điện tiêu thụ lớn hơn so với dòng điện tạo ra thì điện áp vào ắc qui sẽ bị tiêu thụ và làm cho ắc qui bị hết điện.
- Khi máy phát quay ở tốc độ thấp (khi động cơ quay không tải) dòng điện tạo ra có cường độ thấp. Vì vậy khi nhiều thiết bị điện chẳng hạn như bộ sưởi ấm và đèn pha đang bật, thì phải sử dụng điện từ ắc qui. Nếu tình trạng này kéo dài thì ắc qui sẽ hết điện.
Đối với một số loại máy phát đời cũ, người ta dùng một tiết chế riêng để ổn định điện áp. Đó là tiết chế loại rung và tiết chế bán dẫn.
5.2 Tiết chế loại rung
Tiết chế loại rung thường gồm một relay điều chỉnh điện và một relay đèn báo nạp. Nó hiệu chỉnh điện áp máy phát bằng cách đóng mở tiếp điểm.
Relay điều chỉnh điện có cấu tạo như hình bên dưới. Lực điện từ làm thay đổi vị trí của tiếp điểm.
Hình 29. Hoạt động của tiếp điểm
Sơ đồ của máy phát đời cũ và tiết chế loại rung được trình bày như hình bên dưới.
Hình 30. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một tiết chế loại rung
Hình vẽ trên là một sơ đồ mạch điện ví dụ của một tiết chế loại rung. Cơ sở hoạt động của các tiết chế loại rung là các relay. Trên hình vẽ, có hai relay, relay điều chỉnh điện với cuộn dây Wu và relay điều khiển đèn báo nạp.
- Khi bật IG/SW, có dòng điện:
Ø + accu → đèn báo nạp → tiếp điểm K1' → khung relay đèn báo → mát: đèn báo nạp sáng.
Ø + accu → IG → tiếp điểm K1 → khung relay điều chỉnh điện → F → Wkt → mát: cung cấp một dòng kích từ ban đầu cho máy phát.
- Khi rotor máy phát quay, có sự biến thiên từ thông đi qua stator làm sinh ra điện áp xoay chiều 3 pha.
Ø Dòng điện tại điểm trung hòa của stator → N → Wdgm → khung relay đèn báo → mát: tiếp điểm K1' ngắt, K2' dẫn, đèn báo nạp tắt.
Ø + accu → IG → Wu → R3 → K2' → mát: cung cấp dòng điện qua cuộn dây relay điều chỉnh điện.
- Khi điện áp máy phát đủ lớn, dòng điện qua Wu đủ khả năng hút tiếp điểm K1 hở ra, dòng điện qua Wkt không thể đi qua K1 nữa nên có dòng điện đi từ IG → R1 → F → Wkt → mát: dòng điện qua cuộn kích từ lúc này bị hạn chế bởi điện trở R1. Tiết chế sẽ dẫn và ngắt (rung) ở tiếp điểm K1 để duy trì điện áp phát ra.
- Khi tốc độ máy phát tăng quá cao, điện trở R1 không còn khả năng hạn dòng, điện áp tăng lên. Lúc này, dòng điện qua Wu đủ lớn để kéo cần tiếp điểm, làm K2 dẫn. Hai đầu Wkt nối mát nên không có dòng điện đi qua. Tiếp điểm K2 được dẫn và ngắt (rung) để duy trì điện áp máy phát.
- Điện trở R2 dùng để bảo vệ tiếp điểm K1, khi K1 dẫn và ngắt làm sinh ra sức điện động trong Wkt, dòng điện này sẽ đi qua R2 mà không phóng qua K1.
- R3 là điện trở bù nhiệt. Nhiệt độ môi trường tăng lên hay do sự tỏa nhiệt của các thiết bị làm điện trở của Wu (làm bằng đồng) tăng lên → điện áp hiệu chỉnh tăng lên. R3 là loại nhiệt điện trở âm bù lại sự tăng của Wu, ổn định điện áp máy phát theo nhiệt độ.
5.3 Tiết chế bán dẫn
Hình 31. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một tiết chế bán dẫn
Tiết chế bán dẫn hoạt động dựa trên nguyên tắc nhận biết điện áp máy phát bằng diode Zenner để điều khiển dòng qua cuộn kích từ bằng transistor công suất. Điện áp máy phát được đưa qua một cầu phân áp để dẫn (ngắt) Zenner. Tín hiệu này được cho qua một bộ điều khiển trung gian để cuối cùng ngắt (dẫn) transistor điều khiển dòng qua cuộn kích từ, duy trì điện áp tại mức hiệu chỉnh. Sau đây là ví dụ về hoạt động của một tiết chế bán dẫn.
- Khi bật IG/SW, có dòng điện:
Ø + accu → đèn báo nạp và R5 → R1: phân cực thuận cho T2 và T3 làm T2 và T3 dẫn.
Ø + accu → đèn báo nạp và R5 → Wkt → F → T2, T3 → mát: cung cấp dòng kích từ ban đầu cho máy phát.
- Khi rotor máy phát quay, từ thông qua stator biến thiên làm sinh ra dòng điện xoay chiều 3 pha. Dòng điện này được chỉnh lưu bởi TriO để tắt đèn báo nạp và cung cấp vào đầu dương của Wkt.
- Khi tốc độ rotor đủ lớn làm cho điện áp phát ra lớn hơn điện áp hiệu chỉnh, điện áp rơi trên R3 trong cầu phân áp R2,R3 đủ lớn làm cho Zenner Dz dẫn → T1 dẫn → T2,T3 ngắt → ngắt dòng qua Wkt → điện áp máy phát giảm xuống. Quá trình lặp lại để ổn định điện áp tại mức hiệu chỉnh.
- D2 dùnh để dập sức điện động tự cảm sinh ra trong Wkt khi T2, T3 dẫn và ngắt.