ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế hệ thống cung cấp điện trên ô tô
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.. 1
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN HỆ THỐNG CUNG CẤP TRÊN ÔTÔ.. 2
1.1. Công dụng. 2
1.2. Yêu cầu. 2
1.3. Phân loại3
1.4. Các thông số cơ bản của hệ thống cung cấp. 5
CHƯƠNG 2 : CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP. 8
2.1. Máy phát điện. 8
2.1.1. Công dụng, phân loại, yêu cầu. 8
2.1.2. Máy phát điện một chiều. 9
2.1.3. Máy phát điện xoay chiều. 12
2.2 Bộ chỉnh lưu. 16
2.2.1. Công dụng. 16
2.2.2. Phân loại16
2.2.3. Yêu cầu. 17
2.3. Bộ điều chỉnh điện. 17
2.3.1 Công dụng. 17
2.3.2. Phân loại18
a. Nguyên lý điều chỉnh thế hiệu và hạn chế dòng. 19
b. Các bộ điều chỉnh sử dụng trên máy phát điện ô tô. 20
2.3.3. Yêu cầu. 30
Chương 3. CHỌN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CUNG CẤP VÀ TÍNH CHỌN MÁY PHÁT. 31
3.1. Phân tích, lựa chọn sơ đồ cho hệ thống cung cấp. 31
3.1.1.Lựa chọn máy phát31
3.1.2. Lựa chọn bộ chỉnh lưu. 32
3.1.3. Lựa chọn bộ điều chỉnh. 33
3.2. Cách tính chọn công suất máy phát34
3.2.1. Công suất tiêu thụ cần thiết cho tất cả các phụ tải hoạt động liên tục. 35
3.2.2. Công suất tiêu thụ cần thiết cho các phụ tải gián đoạn. 35
3.2.3. Công suất máy phát yêu cầu và chọn máy phát37
CHƯƠNG 4.TÍNH TOÁN LỰA CHỌN DÂY DẪN.. 40
4.1Lựa chọn dây dẫn. 40
4.2Tính tiết diện dây dẫn. 40
Tài liệu tham khảo:43
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 điện cho các phụ tải với một hiệu điện thế ổn định ở mọi điều kiện làm việc của ôtô máy kéo.
Để cung cấp năng lượng cho các phụ tải trên ô tô, cần phải có bộ phận tạo ra nguồn năng lượng có ích. Nguồn năng lượng này được tạo ra từ mát phát điện trên ô tô. Khi động cơ hoạt động, máy phát cung cấp điện cho các phụ tải và nạp điện cho acquy. Để đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động một cách hiệu quả, an toàn thì năng lượng đầu ra của máy phát và năng lượng yêu cầu cho các tải điện phải thích hợp với nhau.
1.2. Yêu cầu
Phải luôn tạo ra một điện áp ổn định (13,8V – 14,2V đối với hệ thống điện 14V hoặc27 - 28Vvới hệ thống điện24V) trong mọi chế độ làm việc của phụ tải.
Vì nếu điện áp dòng điện máy phát cung cấp chênh lệch quá lớn so với điện 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 gọn, trọng 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 thống trên cần đảm bảo giá thành và tuổi thọ 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 thể làm việc 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 khởi động của động cơ.
-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 điện quá nhanh và các tấm cực bị cong vênh , hư hỏng ắc quy.
- Ít 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 dưỡng 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 2 dạng chính sau:
- Hệ thống cung cấp với máy phát điện một chiều.
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 điều chỉnh điện.
Nguyên lý làm việc máy phát điện một chiều:
Máy phát điện 1 chiều là loại máy phát ra dòng điện có chiều không thay đổi trong suốt quá trình máy hoạt động
- Hệ thống cung cấp với máy phát xoay chiều
Hình 1.2 – Sơ đồ hệ thống cung cấp dùng máy phát xoay chiều
1-Máy phát; 2-Bộ điều chỉnh điện; 3-Khóa điện; 4-Đồng hồ ampe; 5-Phụ tải.
Ngày nay, máy phát điện lắp trên ô tô phổ biến là máy phát điện xoay chiều vì so với máy phát điện 1 chiều nó có những ưu điểm sau:
+Cấu tạo đơn giản
+Với cùng 1 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 1 chiều cung cấp 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.
Hai sơ đồ tuy có cách nối dây khác nhau nhưng 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 sẽ riêng biệt hoặc đồng thời cả hai cung cấp năng lượng cho các bộ phận tiêu thụ (phụ tải).
Ngoài ra, tùy thuộc vào cấu tạo các bộ phận khác của hệ thống 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 phối chế độ làm việc giữa acquy và máy phát; hạn chế và ổn định thế hiệu của máy phát để đảm bảo an toàn cho các trang thiết bị điện trên xe; hạn chế dòng điện của máy phát để đảm bảo an toàn cho các cuộn dây của nó. Gồm bộ điều chỉnh điện áp, điều chỉnh dòng điện, điều chỉnh dòng điện ngược…
- Bộ chỉnh lưu: chỉ có trong hệ thống cung cấp dùng máy phát xoay chiều để biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều cung cấp cho các phụ tải trên xe cũng như nạp vào acquy.
1.4. Các thông số cơ bản của hệ thống cung cấp
- 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 thông thường thì 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.
- Nhiệt độ cực đại của máy phát tomax:Là nhiệt độ tối đa mà máy phát có thể hoạt động.
- Điện áp hiệu chỉnh: Là điện áp làm việc của bộ tiết chế Uhc = 13,8 – 14,2V (với hệ thống 12V), và Uhc = 27 – 28V (với hệ thống 24V).
Hình 1.3Sơ đồ hệ thống cung cấp điện tổng quát.
Phụ tải điện trên ôtô có thể chia làm 3 loại: tải thường trực là những phụ tải liên tục hoạt động khi xe đang chạy, tải gián đoạn trong thời gian dài và tải gián đoạn trong thời gian ngắn. Trên (1.3) trình bày sơ đồ phụ tải điện có thể gặp trên ôtô hiện đại.
Hình 1.4Sơ đồ phụ tải điện trên ôtô
.....
CHƯƠNG 2 : CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP
2.1. Máy phát điện
2.1.1. Công dụng, phân loại, yêu cầu
2.1.1.1. Công dụng
Máy phát là nguồn điện chính trên ô tô máy kéo, nó có nhiệm 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 điện phát ra có thể 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 đơn giản, có khả năng hạn chế và tự động điều chỉnh dòng điện máy phát theo số 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:
+ 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 kiện 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 trường có nhiệt 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 chiều có nhiều ưu điểm hơn, vì nó không có vòng đổi điện và cuộn dây rô to đơn giản hơn do đó có tuổi thọ cao hơn và dễ dàng trong bảo dưỡng.
2.1.2. Máy phát điện một chiều
- Cấu tạo:
Cấu tạo của máy phát điện một chiều bao gồm các bộ phận sau:
- Phần cảm (Stato) gồm: vỏ máy, các má cực trên quấn cuộn dây kích thích.
+ Vỏ máy: Làm bằng thép ít các bon có từ dư và thường được chế tạo bằng cách uốn thép tấm thành ống rồi hàn lại. Trên vỏ có các cửa sổ để thông gió, kiểm tra và lắp các chổi điện.
+ Má cực: Được dập nguội hoặc chồn nguội từ phôi hình trụ bằng thép ít các bon và bắt chặt vào vỏ máy bằng các vít. Quanh má cực quấn cuộn dây kích thích bằng dây đồng tiết diện tròn với một hoặc hai lớp sơn cách điện.
Hình 2.6 – Kết cấu máy phát điện một chiều trên ô tô
1-Cửa thông gió;2- Puli dẫn động; 3,6- Các nắp trước và sau;4-Phần ứng;5-Vỏ.
- Phần ứng (Roto): Gồm trục máy phát điện, khối thép từ được chế tạo bằng cách ép chặt các lá thép điện kỹ thuật dày 0,5...1,0 mm, có hình dạng đặc biệt lên trục, sao cho các chỗ khuyết của chúng tạo thành rãnh để lắp đặt các khung dây.
+ Cuộn dây phần ứng: là tập hợp rất nhiều khung dây được quấn vào các rãnh của khối thép từ sau khi đã lót lớp cách điện. Các đầu khung dây được hàn vào các phiến đồng của vành đổi điện.Cuộn dây roto có thể được quấn theo hai phương pháp: quấn xếp hoặc quấn sóng.
+ Vành đổi điện: gồm nhiều phiến đồng có dạng đặc biệt ghép xen kẽ với các tấm mica cách điện hoặc nhựa cách điện cao cấp. Vành đổi điện được chế tạo bằng hai phương pháp: lắp ghép hoặc đúc với nhựa thành khối liền rồi lắp chặt lên trục máy phát điện.
Hình 2.7 – Cấu tạo vành đổi điện bằng mica và chất dẻo
1-Mica cách điện;2-Phiến đồng;3-Ống thép;4-Côn thép(hoặc chất dẻo đối với loại cách điện bằng chất dẻo) ;5-Côn mica
- Giá đỡ chổi điện: Được lắp trên nắp hoặc vỏ máy. Một nửa số giá đỡ được lắp cách điện với mát, nửa còn lại nối với mát.
Để giảm tia lửa điện sinh ra khi máy phát làm việc, chổi điện được lắp như trên hình 2.3: tức là không lắp theo chiều hướng kính mà chếch đi một góc khoảng 26O...28O và tỳ sát vào thành dẫn hướng phía trước. Với cách lắp như vậy, khi roto quay: lực ma sát từ phía vành đổi điện tác dụng lên chổi điện sẽ làm giảm áp lực và ma sát giữa chổi điện và thành dẫn hướng. Đồng thời, sự tiếp xúc giữa vành đổi điện và chổi điện được đảm bảo tốt hơn, ít bị mất tiếp xúc do rung động nên giảm được tia lửa hồ quang chỗ tiếp xúc.
Hình 2.8-Giá đỡ chổi điện.
1-Thân giá đỡ; 2-Chổi điện; 3-Đòn ép; 4-Lò xo.
- Chổi điện: được chế tạo từ hỗn hợp grafít, đồng và các chất phụ khác có tác dụng giảm điện trở và tăng khả năng chịu mài mòn của chổi.
- Ổ bi: roto của máy phát được đặt trên hai ổ bi lắp ở hai nắp. Các ổ bi được bôi trơn bằng mỡ đặc. Để giảm tiếng ồn, một số kết cấu có thể thay ổ bi bằng ổ trượt.
- Dẫn động máy phát: được thực hiện từ trục khuỷu động cơ thông qua puli và đai truyền. Trên puli có thể làm các cánh quạt gió để làm mát máy phát.
2.1.3. Máy phát điện xoay chiều
Trên ô tô máy kéo sử dụng hai loại máy phát điện xoay chiều là máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu và máy phát xoay chiều kích thích kiểu điện từ (bằng nam châm điện).
Các máy phát kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, do công suất hạn chế nên chủ yếu chỉ được sử dụng trên xe máy và máy kéo. Gần đây, kỹ thuật đã chế tạo được những hợp kim từ mới có chất lượng cao, nên loại máy phát này bắt đầu có khả năng sử dụng được trên ô tô.
Máy phát kích thích bằng nam châm vĩnh cửu có loại một pha và ba pha. Loại ba pha công suất có thể đạt tới 400VA hoặc lớn hơn.
Máy phát nam châm vĩnh cửu có nhiều ưu điểm hơn hẳn các máy phát kích thích kiểu điện từ như: làm việc tin cậy, kết cấu đơn giản, không có cuộn dây quay, hiệu suất cao, ít nóng, mức nhiễu xạ vô tuyến thấp.
Nhưng chúng cũng có một số nhược điểm quan trọng là: khó điều chỉnh thế hiệu, công suất hạn chế, giá thành cao, trọng lượng lớn hơn loại kích thích kiểu điện từ cùng công suất. Ngoài ra từ thông của nó còn phụ thuộc nhiều vào chất lượng hợp kim và kim loại chế tạo nam châm.
2.1.3.1. Máy phát xoay chiều kích thích bằng Nam châm vĩnh cửu
- Đặc điểm cấu tạo:
Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu 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 loại này khác nhau chủ yếu ở kết 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 điểm là chế tạo đơn giản, nhưng nhược điểm là hiệu suất sử dụng nam châm thấp. Vì thế chúng chỉ được sử dụng ở các máy phát cỡ nhỏ công suất £ 100 VA.
+ Thông dụng nhất là loại rôto nam châm hình sao. Loại này có ưu điểm là hệ số sử dụng vật liệu lớn. Số cực nam châm thường là sáu, vì nếu tăng số cực lên nữa thì hệ số sử dụng vật liệu lại kém đi.
Hình 2.9 – Roto nam châm hình sao
1. Nam châm hình sao; 2. Hợp kim không dẫn từ; 3. Trục Roto
Nhược điểm của rôto nam châm hình sao là khó nạp từ cho rôto, cường độ 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 điện của máy kéo với công suất giới hạn khoảng 180 VA.
+ Rôto nam châm hình móng ra đời khi xuất hiện các vật liệu từ mới có lực từ kháng lớn, cho phép chế tạo các nam châm mạnh.
Nam châm có dạng hình trụ rỗng được nạp từ theo chiều trục. Hai đầu của nó đặt hai tấm bích bằng thép ít các-bon, có các vấu cực nhô ra như những chiếc móng. Các móng cực của hai bích được bố trí xen kẽ nhau. Do chịu ảnh hưởng của hai cực từ khác dấu ở hai mặt đầu của nam châm, nên các móng cực của mỗi tấm bích cũng mang cực tính của cực từ tiếp xúc với nó. Như vậy các móng của 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.
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 giảm 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 điện kỹ thuật được cách điện với nhau bằng sơn cách điện để giảm dòng fucô. Mặt trong của stato có các vấu cực để quấn các cuộn dây phần ứng.
Hình 2.10 – Hệ thống từ của máy phát với nam châm hình sao
1. Stato; 2. Roto
2.1.3.2. Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ
Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ dùng cho ô tô máy kéo có hai loại:
- Loại có vòng tiếp điện.
- Loại không có vòng tiếp điện.
vĐặc điểm cấu tạo:
a. 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 chỉnh lưu (bộ chỉnh lưư có thể tính hoặc không tính vào thành phần cấu tạo của máy phát, tuỳ theo nó được đặt trong máy phát hay riêng biệt bên ngoài).
Hình 2.11 – Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ
1. Stato và cuộn dây; 2. Roto; 3. Cuộn kích thích; 4. Quạt gió; 5. Puli; 6,7. Nắp; 8. Bộ chỉnh lưu; 9. Vòng tiếp điện; 10. Chổi điện và giá đỡ.
+ Rôto: gồm hai chùm cực hình móng lắp then trên trục. Giữa các chùm cực có cuộn dây kích thích 3 đặt trên trục qua ống lót bằng thép. Các đầu của cuộn dây kích thích được nối với các vòng tiếp điện 9 gắn trên trục máy phát. Trục của rôto được đặt trên các ổ bi lắp trong các nắp 6 và 7 bằng hợp kim nhôm.
+ Stato: là khối thép từ ghép từ các lá thép điện kỹ thuật, phía trong có xẻ rãnh phân bố đều để đặt cuộn dây phần ứng.
Hình 2.12 – Stato và sơ đồ cuốn dây máy phát điện xoay chiều
1. Khối thép từ; 2. Cuộn dây 3 pha
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.
2.2 Bộ chỉnh lưu
2.2.1. Công dụng
Hiện nay, trên ô tô sử dụng máy phát điện xoay chiều 3 pha mà các thiết bị điện trên ô tô yêu cầu dòng một chiều để hoạt động và ắc-quy cần dòng một chiều để nạp. Do đó, cần có bộ phận chỉnh lưu để điều chỉnh dòng điện xoay chiều thành dòng 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 trên ô tô, thông dụng nhất là bộ chỉnh lưu cầu 3 pha, nhờ cấu tạo đơn giản, tính ổn định, tuổi thọ cao, phù hợp với điều kiện làm việc của hệ thống cung cấp trên ô tô.
Hình 2.13– Bộ chỉnh lưu mạch cầu 3 pha 6 đi-ốt
Hình 1.28 là bộ chỉnh lưu đơn giản và hiệu quả với máy phát công suất nhỏ. Tuy nhiên, đối với máy phát có công suất lớn (P > 1000 W), sự xuất hiện sóng đa hài bậc 3 trong thành phần của hiệu điện thế pha do ảnh hưởng của từ trường các cuộn pha lên cuộn kích làm giảm công suất máy phát. Vì vậy, người ta sử dụng cặp đi-ốt mắc từ dây trung hoà để tận dụng sóng đa hài bậc 3, làm tăng công suất máy phát khoảng 10 – 15% , Trong một số máy phát, người ta còn sử dụng 3 đi-ốt nhỏ (diode trio) mắc từ các pha để cung cấp cho cuộn kích đồng thời đóng ngắt đèn báo nạp.
Hình 2.14 – Sơ đồ máy phát có bộ chỉnh lưu mạch cầu 3 pha 8 đi-ốt
1. Cuộn Stato; 2. Cuộn kích thích; 3. Tiết chế
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.
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 việc trong điều kiện số vòng quay, phụ tải và chế độ nhiệt luôn luôn thay đổi trong một giới hạn rộng. Vì thế, để đảm bảo cho các trang thiết bị điện trên ôtô làm việc được bình thường và bảo đảm an toàn cho máy phát, thì phải có bộ điều chỉnh 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 điện (một chiều) hoặc nối ngắt mạch giữa ắc quy và máy phát (xoay chiều).
2.3.2. Phân loại
Theo chức năng điều chỉnh, BĐC gồm:
- BĐC Điện áp: 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%Udm). Khi số vòng quay của máy phát thay đổi, người ta đã xác định được là: nếu thế hiệu 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.
- BĐC 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.
- BĐC 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 phụ tải khi thế hiệu của 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 để tránh dòng điện ngược từ ắc quy phóng lại làm cháy hỏng cuộn dây máy phát và có hại 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 rò qua bộ chỉnh lưu và các cuộn dây của máy phát khi máy phát không làm việc, làm ắc quy bị mất điện dần.
- Ngoài ra, người ta còn tích hợp nhiều chức năng điều chỉnh trong một cơ cấu, gọi là bộ điều chỉnh đa chức năng.
Đối với máy phát một chiều làm việc song song với ắc quy đòi hỏi phải sử dụng: BĐC điện áp, BĐC dòng điện và BĐC dòng điện ngược .
Trong thực tế, đôi khi người ta không làm BĐC điện áp riêng mà làm kết hợp với BĐC dòng điện ngược chung trong một kết cấu. Trong trường hợp đó, BĐC kết hợp này được gọi là BĐC thế hiệu giảm dần (vì nó không đảm bảo giữ cho thế hiệu máy phát ổn định, mà thế hiệu máy phát sẽ giảm dần khi Imf tăng). Thậm chí có trường hợp cả ba loại điều chỉnh 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 BĐC dòng điện ngược không cần thiết nữa, vì các điốt chỉnh lưu không cho dòng điện đi ngược từ ắc quy sang máy phát. BĐC dòng điện cũng không cần thiết nữa, vì đa số các máy phát xoay chiều có đặc tính tự hạn chế dòng lớn. Như vậy, đối với máy phát xoay chiều bộ điều chỉnh điện lúc này chỉ cần có BĐC điện áp và bộ đóng mạch.
* 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.
a. Nguyên lý điều chỉnh thế hiệu và hạn chế dòng
Từ phương trình cân bằng mạch điện của máy phát, bỏ qua trở kháng của phần ứng và độ rơi thế trên bộ chỉnh lưu (đối với máy phát xoay chiều) [1]:
(1.4)
Trong đó:
E = CEnF:Suất điện động của máy phát;
ở đây:CE:Hằng số kết cấu của máy phát;
n:Số vòng quay phần ứng;
F: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;
: Hệ số phụ tải của máy phát.
Từ phương trình (1.4) ta có: (1.5) Từ phương trình này ta thấy rằng:
- Khi tốc độ và phụ tải của máy phát thay đổi thì thế hiệu của máy phát chỉ có thể điều chỉnh (giữ không đổi) bằng cách thay đổi từ thông F, 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 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 thích của nó, tương tự như cách điều chỉnh thế hiệu.
Để thay đổi dòng điện kích thích có thể dùng hai phương pháp:
- Thay đổi giá trị điện trở phụ mắc nối tiếp với cuộn dây kích thích.
- Thay đổi thời gian cắt và nối điện trở phụ vào mạch kích thích khi giá trị điện trở phụ không đổi: Rf = const, để thay đổi giá trị hiệu dụng của nó.
Hình 2.15 – Phương pháp thay đổi giá trị dòng kích thích
a. Điện trở phụ có giá trị thay đổi b. Điện trở phụ có giá trị không thay đổi
Phương pháp thứ hai đơn giản hơn và dễ thực hiện điều chỉnh tự động, nên nó được sử dụng rộng rãi trong các bộ ĐCĐ hiện nay.
Để thực hiện điều chỉnh tự động thế hiệu và dòng điện máy phát, hệ thống điều chỉnh cần phải có một số bộ phận chức năng liên kết với nhau.
b. Các bộ điều chỉnh sử dụng trên máy phát điện ô tô
- Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của BĐC điện áp loại rung được thể hiện như trên hình 1.17.
Hình 2.16 – Sơ đồ BĐC điện áp loại rung
a) Sơ đồ nguyên lý ; b) Sơ đồ cấu tạo
1. Lõi thép ; 2. Khung từ ; 3. Cần tiếp điểm.
Cấu tạo rơ le gồm: Khung từ 2; lõi thép 1, trên đó quấn cuộn dây từ hoá WU đặt dưới 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 được bắt cách điện với khung từ, còn K' là má vít động được gắn trên cần tiếp điểm 3; lò xo (lx) có khuynh hướng 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' được giữ ở trạng thái đóng. Lúc này điện trở phụ Rf bị nối tắt và dòng điện kích thích 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 thích và thế hiệu 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 --> điện trở phụ lúc này được tự động nối vào mạch kích thích, làm giảm cường độ dòng kích thích và thế hiệu máy phát. Dòng kích thích lúc này sẽ đi theo mạch sau:
(+)MF --> a --> Rf --> d --> Wkt (-)MF
Thế hiệu 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 thích và thế hiệu máy phát tăng lên. Thế hiệu 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 thế hiệu máy phát dao động răng cưa quanh giá trị trung bình định mức trong giới hạn cho phép.
b2. Ưu, nhược điểm và các vấn đề liên quan
-BĐC loại rung có ưu điểm như kết cấu đơn giản, giá thành rẻ, hiệu suất cao. Tuy vậy, chúng có nhược điểm quan trọng là điều chỉnh phức tạp, nhạy cảm với rung động và bụi bẩn, các tiếp điểm dễ bị oxy hóa, chóng mòn rỗ đặc biệt là khi cắt nối dòng điện có giá trị lớn. Nếu dùng các biện pháp để khắc phục thì làm kết cấu phức tạp, tăng giá thành và giảm độ tin cậy.
Hình 2.17 – Sơ đồ BĐC điện áp với điện trở gia tốc
a. Sơ đồ nguyên lý b. Sơ đồ kết cấu
Hình 2.18 – Sơ đồ kết cấu và nguyên lý của BĐC điện áp với cuộn dây gia tốc.
- Khi KK' đóng lại: Dòng điện đi từ cực dương máy phát, qua tiếp điểm KK' đến điểm d rồi tách thành hai nhánh: một nhánh qua cuộn dây kích thích còn một nhánh qua cuộn dây gia tốc, rồi trở về cực âm máy phát.
Chiều dòng điện trong cuộn dây gia tốc trùng với chiều dòng điện trong cuộn dây từ hoá WU, làm cho lực hút điện từ của lõi thép tăng đột ngột --> tiếp điểm KK' mở ra ngay.
- Khi tiếp điểm mở ra: Điện trở phụ được đưa vào mạch kích thícch làm dòng kích thích giảm đột ngột và gây ra một suất điện động tự cảm (etc). Suất điện động tự cảm này làm xuất hiện dòng tự cảm Itc có chiều trùng với chiều dòng kích thích ban đầu, khép kín mạch qua cuộn dây Wgt theo chiều ngược với chiều dòng điện qua nó lúc tiếp điểm đóng (chiều mũi tên chấm gạch), làm lực hút điện từ của lõi thép giảm đột ngột --> nên tiếp điểm đóng lại ngay. Quá trình cứ thế lặp lại với một tần số lớn.
Tóm lại: Nhờ các phần tử gia tốc (hoặc là cuộn dây hoặc là điện trở), tần số đóng mở tiếp điểm tăng lên nhiều, đạt khoảng 150...250 chu kỳ trong một giây. Tuy vậy, các biện pháp này có nhược điểm là làm giảm tính ổn định của thế hiệu điều chỉnh: khi n tăng thì thế hiệu điều chỉnh tăng theo và có thể tăng tới 15% ở số vòng quay cực đại. Điều đó xảy ra là do sự giảm sức từ động (tác dụng từ hoá) của cuộn dây WU khi n tăng.
- Bộ điều chỉnh dòng điện ngược
Trên ô tô máy kéo, ắc-quy và máy phát làm việc song song và bổ sung cho nhau.
Hình 2.19 – Sơ đồ nguyên lý quá trình làm việc song song giữa ắc-quy và máy phát
RL1. Rơ-le điều chỉnh điện áp; RL2. Rơ-le điều chỉnh dòng điện ngược
- Chế độ làm việc giữa ắc quy và máy phát được điều chỉnh tự động phụ thuộc vào số vòng quay của máy phát và giá trị của phụ tải.
Theo định luật Kiếc-khốp ta có thể viết được các phương trình cân bằng cho đoạn mạch ắc-quy - máy phát (chiều của các dòng điện được giả thiết như trên hình vẽ) như sau [1]:
Imf = In + Ift (1.6)
Ở đây:
In- Dòng điện nạp ắc quy;
Ift - Dòng điện cung cấp cho các phụ tải.
- Khi Umf > Eaq thì In > 0: tức là ở số vòng quay trung bình và cao, thì máy phát đảm bảo vừa cung cấp điện cho các phụ tải vừa nạp điện cho ắc-quy;
- Nếu DE = const: thì khi phụ tải, tức Ift tăng --> In sẽ giảm. Lúc DE = Ift.rmf thì In = 0. Còn khi DE < Ift.rmf thì In < 0, tức là ắc-quy không được nạp mà sẽ phóng điện, cùng máy phát cung cấp cho phụ tải;
- Khi Umf < Eaq --> In <0, tức là: khi máy phát không làm việc hay có số vòng quay thấp, thì máy phát trở thành phụ tải và ắc-quy sẽ phóng điện ngược sang nó.
Do điện trở trong của ắc quy và máy phát khá nhỏ, nên khi máy phát không làm việc, dòng điện ngược 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 ngược và tránh cho ắc quy khỏi bị mất điện vô ích, người ta sử dụng một bộ phận đặc biệt gọi là rơ le dòng điện ngược (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 BĐC dòng điện ngược như sau:
Hình 2.20– Sơ đồ và đặc tính của Rơ-le điều chỉnh dòng điện ngược
a) Sơ đồ; b) Đặc tính
- Ở trạng thái không làm việc: tiếp điểm KK' (dưới 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 --> trong cuộn dây đóng mạch xuất hiện dòng điện Iđg từ hoá lõi thép của rơ le. Số vòng quay và thế hiệu của máy phát tăng dần làm Iđg tăng theo.
- Khi thế hiệu máy phát đạt giá trị Uđg > Eaq (ứng với số vòng quay nđg): thì lực từ hoá đủ lớn, thắng được lực lò xo hút cần tiếp điểm xuống làm tiếp điểm KK' đóng lại.
Thế hiệu của máy phát ở thời điểm đóng tiếp điểm được xác định theo công thức rút ra từ phương trình cơ bản tương tự công thức của BĐC điện áp theo [1]:
(1.6)
ở đây:
C- Hằng số phụ thuộc mạch từ;
RWđg, Wđg- Điện trở và số vòng dây của cuộn dây đóng mạch;
dm- Khe hở không khí giữa cần tiếp điểm và lõi thép khi rơ-le ở trạng thái mở.
Thế hiệu đóng mạch thường bằng 12,5...13,5V, đây là mốc thứ nhất để điều chỉnh rơ le. Giá trị của thế hiệu này được điều chỉnh bằng cách thay đổi sức căng lò xo và khe hở không khí dm.
- Khi KK' đóng: xuất hiện dòng điện Imf0 chạy trong mạch:
(+)MF --> a --> WIng --> b --> KK' --> (AQ+Phụ tải) --> (-)MF
Làm thế hiệu máy phát giảm đột ngột một lượng bằng độ sụt thế trong cuộn dây phần ứng DU = Imf0.RƯ. 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 được giữ không đổi bằng Uđm nhờ RLĐCTH. Như vậy: Eaq < Uđg < Uđm.
- Khi số vòng quay máy phát giảm: thì Umf và Imf giảm theo .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 ngược lại theo mạch:
(+)AQ --> KK' --> b --> WIng --> a --> (+)MF --> Rôto MF --> (-)MF --> (-)AQ
Chiều dòng điện trong cuộn dây WIng lúc này ngược với chiều ban đầu nên làm lực từ hoá tổng giảm đột ngột và tiếp điểm mở ra nhanh do Flx > Fđt.
- Bộ điều chỉnh dòng điện
Để đảm bảo máy phát không bị quá tải khi ắc-quy phóng điện nhiều hay phụ tải quá lớn hoặc có hư hỏng trong mạch điện, người ta sử dụng thêm một cơ cấu điền từ phụ gọi là rơ-le hạn chế dòng điện hay BĐC dòng điện. BĐC này tự động hạn chế, giữ cho dòng điện mà máy phát phát ra không vượt quá giá trị cho phép.
Nguyên lý làm việc của BĐC dòng điện cũng tương tự như BĐC điện áp loại rung, chỉ khác là cuộn dây từ hóa chính của nó có đường kính khá lớn và được mắc nối tiếp trong mạch phụ tải.
Hình 2.21 – Sơ đồ nguyên lý BĐC dòng điện.
Trong BĐC điện dùng cho máy phát một chiều, BĐC dòng điện được sử dụng cùng với BĐC điện áp. Trên hình 1.25 là sơ đồ nối dây (a) và đặc tính của máy phát khi làm việc với hai loại rơ le này ở những số vòng quay khác nhau.
Hình 2.22 – Sơ đồ nối BĐC điện áp và BĐC dòng điện
a. Sơ đồ b. Đặc tính
- Nguyên lý làm việc:
- Trong khoảng thay đổi Imf từ 0 đến Iđm: chỉ có BĐC điện áp làm việc, giữ cho thế hiệu máy phát không đổi. BĐC dòng điện lúc này không làm việc và tiếp điểm của nó đóng.
- Khi Imf > Iđm: BĐC dòng điện làm việc, tiếp điểm của nó đóng mở theo chu kỳ, làm cho dòng điện máy phát cũng có dạng răng cưa dao động xung quanh Iđm. Lúc này thế hiệu máy phát sẽ giảm dọc theo đường Iđm = const, do đó BĐC điện áp không làm việc và tiếp điểm của nó luôn đóng.
- Bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn
Các bộ điều chỉnh điện áp loại rung có ưu điểm: kết cấu đơn giản, giá thành rẻ, hiệu suất cao. Tuy vậy chúng có nhược điểm quan trọng là: điều chỉnh phức tạp, nhạy cảm với rung động và bụi bẩn, các tiếp điểm dễ bị ôxyhoá, chóng mòn rỗ, đặc biệt là khi cắt nối dòng điện có giá trị lớn. Nếu dùng các biện pháp để khắc phục (như phân nhánh mạch kích thích, 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 hướng dùng các bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn thay thế cho các bộ điều chỉnh loại rung. Các bộ điều chỉnh này có hai loại là có tiếp điểm và không có tiếp điểm. Trong các bộ điều chỉnh bán dẫn có tiếp điểm vẫn còn tiếp điểm làm việc kiểu rung, nhưng dòng đi qua tiếp điểm trong trường hợp này chỉ là dòng điều khiển, nhỏ hơn rất nhiều so với dòng kích thích của máy phát. Vì thế giảm được tia lửa, tăng tuổi thọ và độ tin cậy làm việc của tiếp điểm. Tuy vậy trong kết cấu của bộ điều chỉnh 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 bộ điều chỉnh 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.
* các sơ đồ điều chỉnh điện áp bán dẫn có tiếp điểm.
Sơ đồ nguyên lý của bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn có tiếp điểm như hình 1.27a.
Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý của bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn có tiếp điểm.
Hình 1.25 Sơ đồ bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn có tiếp điểm với máy phát xoay chiều.
a- Sơ đồ đơn giản b- Sơ đồ hoàn thiện hơn.
Nguyên lý làm việc của bộ điều chỉnh như sau:
+ Khi Umf < Udm thì KK‘ mơ vì Fwu < Flx . Cực gốc B của T lúc này được nối với cực âm của nguồn qua Rb, do đó xuất hiện dòng điều khiển(dòng cực gốc).Ib chạy theo mạch: (+)Bộ nắn dòng à Eà B à RB à mát à (-) Bộ nắn dòng .
Transitor lúc này mở à cho dòng kích thích chạy qua.
(+)Bộ nắn dòng à Eà K à Wkt à mát à (-) Bộ nắn dòng.
(+) Khi Umf > Udm thì KK‘ mơ vì Fwu >Flx à KK‘ bị hút đóng lại,nối hai cực E và B với nhau Dòng IB lúc này mất đi làm transitor đóng và dòng kích thích phải chạy qua Rf nên giá tị giảm xuống làm Umf giảm là FWU < Flx nên KK‘ mở ra. Quá trình trên cứ tieps diễn theo chu kỳ đảm bảo cho Umf ~ Udm
+ Trong bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn có tiếp điểm, dòng qua các tiếp điểm của rơ le chỉ sử dụng để điều khiển transitor có giá trị rất nhỏ( không vượt quá 0,2A) nên khi tiếp điểm làm việc tia lửa sinh ra giảm và tuổi thọ tiếp điểm tăng lên.
+ Để giảm biên độ dao động của điện áp điều chỉnh và ảnh hưởng của nhiệt độ đến giá trị của nó cũng như đến sự làm việc của transitor , để bảo vệ transitor khỏi hư hỏng do quá áp ,người ta dùng sơ đồ phức tạp hơn như có thêm một số linh kiện mới như Rgt ,Rbt Dht,Dbv.
* Các sơ đồ điều chỉnh điện áp bán dẫn không có tiếp điểm
Hình 1.26 Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh điện áp loại bán dẫn không tiếp điểm
I. Cơ cấu đo; II. Cơ cấu điều chỉnh.
Nguyên lý làm việc:
+ Khi Umf < Uôđ: điốt ổn áp Đo chưa bị đánh thủng nên không có dòng chạy qua nó --> UEB1 = 0 --> T1 đóng. Lúc này: R(T1)>> R3 --> B của T2 được nối với cực âm qua R3 --> T2 mở --> cho dòng kích thích đi qua theo mạch:
(+)MF --> Đht --> T2 --> Wkt --> Mát --> (-)MF
+ Khi Umf > Uôđ: điốt ổn áp Đo bị đánh thủng --> có dòng chạy qua và gây sụt áp trên R1 --> UEB1 tăng lên (>0) --> T1 mở --> R(T1) giảm --> nối cực gốc B2 với cực dương (+) --> UEB2» 0 --> T2 đóng --> Rf được nối vào mạch kích thích làm Ikt giảm xuống và Umf giảm theo. Umf giảm < Uôđ lại làm T2 mở ra cho dòng kích thích đi qua --> Umf lại tăng lên. Quá trình cứ lặp lại như vậy theo chu kỳ, đảm bảo cho Umf» Uôđ.
2.3.3. Yêu cầu
-Bộ điều chỉnh điện phải đảm bảo giữ cho điện áp của máy phát và dòng điện của máy phát,phát ra ổn định trong một phạm vi nào đó không vượt ra giá trị quy định.
-Hoạt động ổn định.
- Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy
- Đơn giản, giá thành rẻ.
Chương 3. CHỌN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CUNG CẤP VÀ TÍNH CHỌN MÁY PHÁT
3.1. Phân tích, lựa chọn sơ đồ cho hệ thống cung cấp
3.1.1.Lựa chọn máy phát
Hiện nay các thiết bị trên xe đều dùng dòng điện 1 chiều. Tuy nhiên, việc dùng máy phát 1 chiều có nhiều nhược điểm như do cấu tạo máy phát 1 chiều có vòng đổi điện cuộn dây roto phức tạp nên tuổi thọ thấp, sữa chữa bảo dưởng khó khăn, ngoài ra máy phát điện 1 chiều có cổ góp nên dể mòn bởi ma sát và hạn chế dòng điện phát ra.
Trong khi đó máy phát xoay chiều không có vòng đổi diện và cuộn dây roto đơn giản hơn do đó có tuổi thọ cao và dể dàng trong bảo dưỡng. Máy phát xoay chiều có dòng kích thích nhỏ nên không cháy vòng tiếp điện. Có thể tăng tỉ số truyền từ động cơ đên máy phát đạt tới trị số 2.5÷3 lần vì vậy, khi động cơ ô tô chạy không tải máy phát có thể phát ra công suất đạt tới (25÷30%) công suất định mức, cải thiện điều kiện nạp cho ắc quy. Cấu tạo đơn giản, cùng 1 công suất nhưng kết cấu gọn nhệ hơn. Tiêu hao kim loại màu ít hơn.
Máy phát xoay chiều được chia làm máy phát 3 pha và máy phát 1 pha. Do thiết kế là xe tải nên ta chọn máy phát xoay chiều 3 pha do loại máy này có kết cấu gọn hơn hiệu suất cao hơn máy phát điện 1 chiều có cùng 1 công suất.
Trong các loại máy phát điện xoay chiều 3 pha, ta chọn loại kích thích bằng nam châm điện. Bởi vì máy phát điện xoay chiều 3 pha kiểu kích thích bằng nam châm vĩnh cửu có những nhược điểm vô cùng quan trọng như khó điều chỉnh thế hiệu, công suất hạn chế, giá thành cao và trọng lượng lớn. Ngoài ra, từ thông của nó còn phụ thuộc nhiều vào chất lượng hợp kim và kim loại chế tạo nam châm. Trong khi đó, máy phát xoay chiều 3 pha kiểu kích thích bằng nam châm điện ít tốn kém hơn và dể điều chỉnh điện áp dể dàng hơn.
Do đó, để thỏa mãn các yêu cầu của hệ thống cung cấp cho xe thiết kế nói chung và máy phát nói riêng ta chọn máy phát xoay chiều ba pha, kích từ bằng nam châm điện. Hệ thống điện trên xe dùng dòng điện 12V.
Hình 3.1 –Máy phát điện xoay chiều 3 pha, kích từ bằng nam châm điện.
1. Stato và cuộn dây; 2. Roto; 3. Cuộn kích thích; 4. Quạt gió; 5. Puli; 6,7. Nắp; 8. Bộ chỉnh lưu; 9. Vòng tiếp điện; 10. Chổi điện và giá đỡ.
3.1.2. Lựa chọn bộ chỉnh lưu
Ta đã chọn dòng điện máy phát là dòng xoay chiều 3 pha vì thế để các thiết bị trên ô tô sử dụng được và nạp điện được cho ắc quy , ta cần dùng bộ chỉnh lưu.
Ta chọn bộ chỉnh lưu 3 pha 8 đi-ốt vì nó có hiệu quả cao hơn khi công suất máy phát đạt cao hơn 1000W thì trong thành phần của hiệu điện thế xuất hiện sống đa hài bậc 3. Vì thế ta chọn bộ chỉnh lưu này để tận đụng ưu thế đó, giúp nâng cao công suất máy phát và đạt được hiệu quả chỉnh lưu cao hơn.
.
Hình 3.2 Sơ đồ bộ chỉnh lưu
3.1.3. Lựa chọn bộ điều chỉnh
Trong các loại role điều chỉnh gồm bộ điều chỉnh bán dẫn và bộ điều chỉnh loại rung .Ta thấy bộ điều chỉnh loại rung có nhiều nhược điểm quan trọng như điều chỉnh phức tạp nhạy cảm với rung đọng bụi bẩn , các tiếp điểm dễ bị oxy hóa ….. Vì thế ta chọn bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn cho xe thiết kế , vì những ưu điểm vượt trội của nó như gọn nhẹ , làm việc tin cậy chịu được rung xóc , không bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn , tuổi thọ cao , ít bảo dưởng.
Hình 3.3 – Sơ đồ bộ điều chỉnh.
Sau khi lựa chọn các bộ phân cơ bản cho hệ thống cung cấp, ta có được sơ đồ cụ thể như hình 3.4.
Hình 3.4 – Sơ đồ hệ thống cung cấp
1-Phụ tải; 2-Ắc quy; 3-Cầu chì; 4-Công tắc tổng; 5-Báo đèn nạp; 6-Diode zenner; 7-Điện trở; 8-Transitor; 9-Điot chỉnh lưu; 10-Cuộn dây stator; 11-Cuộn dây rotor; I-Máy phát; II-Bộ chỉnh lưu; III-Bộ điều chỉnh.
3.2. Cách tính chọn công suất máy phát
Để xác định đúng loại máy phát cần lắp trên ôtô với điều kiện đảm bảo đủ công suất cấp cho các phụ tải,ta cần tính toán công suất máy phát theo công suất tiêu thụ của phụ tải bao gồm phụ tải liên tục và phụ tải gián đoạn như sau:
Công suất tổng: P= P1 + P2. (3.1)
Trong đó :
P1: Công suất cung cấp cho tải hoạt động liên tục.
P1= ∑Pi1 Với i là số phụ tải hoạt động liên tục.
P2: Công suất cung cấp cho tải hoạt động gián đoạn.
P2= ∑Pi2λi (3.2)
Với λi: là hệ số sử dụng phụ tải thứ i. Được xác định theo kinh nghiệm, phụ thuộc vào điều kiện hoạt động và cách sử dụng của tài xế.
3.2.1. Công suất tiêu thụ cần thiết cho tất cả các phụ tải hoạt động liên tục
Phụ tải liên tục là các thiết bị điện và điện tử trên xe mà luôn hoạt động ở tất cả thời gian khi động cơ hoạt động. Do đó, hệ số sử dụng phụ tải của tất cả các phụ tải này là 1.
Theo đề bài cho, ta có được bảng 2.1, từ đó ta tính được tổng công suất cần thiết cho các phụ tải hoạt động liên tục.
Bảng 2.1 – Công suất tiêu thụ của phụ tải liên tục
|
STT |
Tên phụ tải |
Công suất thực |
Hệ số sử dụng |
Công suất tương đương |
||
|
(W) |
( i) |
(W) |
||||
|
1 |
HT đánh lửa |
35 |
1 |
35 |
||
|
2 |
Bơm nhiên liệu |
55 |
1 |
55 |
||
|
3 |
Phun nhiên liệu |
80 |
1 |
80 |
||
|
4 |
ECU |
140 |
1 |
140 |
||
|
Tổng công suất |
310 |
|||||
Như vậy, tổng công suất của các phụ tải liên tục là P1 = 310 [W].
3.2.2. Công suất tiêu thụ cần thiết cho các phụ tải gián đoạn
Phụ tải gián đoạn là phụ tải chỉ hoạt động 1 khoảng thời gian nào đó trong quá trình vận hành ôtô, do đó hệ số sử dụng của loại phụ tải này là
Việc lựa chọn máy phát do đó cũng phụ thuộc vào loại xe, điều kiện làm việc để chọn được thời gian sử dụng phụ tải gián đoạn thích hợp, đảm bảo máy phát cung cấp đủ công suất cho tất cả các phụ tải ở điều kiện làm việc thường xuyên, còn các trường hợp đặc biệt thì công suất ắc-quy sẽ bổ xung với máy phát.
Hệ số sử dụng phụ tải λ của mỗi phụ tải phụ thuộc vào thời gian sử dụng phụ tải đó. Tùy điều kiện bên ngoài như nắng, mưa, sương mù, hay ngày và đêm mà tần số sử dụng mỗi phụ tải là khác nhau
Ta phân tích hệ số sử dụng phụ tải như sau:
- Radio là phương tiện giải trí trên xe, tùy vào sở thích mỗi người lái mà tần số sử dụng này là khác nhau.Ta chọn λ= 0.3
- Đèn báo trên bảng Taplo, đèn kích thước , đèn biển số , đèn cốt , đèn stop, dùng vào ban đêm,trong khoảng thời gian hoạt động của xe nên ta chọn λ= 0.5
- Đèn đổ xe, đèn lùi , đèn đèn báo rẻ , đèn sương mù hoạt động ít hơn, sử dụng chỉ trong trường hợp cần thiết như dừng xe, lùi hay rẽ, và cũng chỉ trong thời gian ngắn nên λ= 0.1
- Còi,đèn pha là thiết bị quan trọng sử dụng thường xuyên và là thiết bị dung khá nhiều ở Việt Nam nên λ=0.4
- Đèn trần dùng vào ban đêm, tuy nhiên không phải sử dụng thường xuyên như đèn Taplo, đèn pha…mà chỉ dung khi người sử dụng thấy cần thiết nên λ=0.2
- Motor điều khiển kính dung rất ít nên λ=0.1
- Sấy kính, mồi thuốc ít nên λ=0,1
- Quạt điều hòa nhiệt độ sử dụng tương đối nên λ= 0.6
- Motor phun nước rửa kính và motor gạt nước mưa tùy thuộc vào điều kiện môi trường Việt Nam nên λ= 0,3
-Moto bơm abs sử dụng thường xuyên nên λ=0,4
-Quạt làm mát động cơ sử dụng nhiều λ= 0,9
- Motor khởi động chỉ dung khi khởi động xe, tần số sử dụng ít, nên λ=0.1
Bảng 2.2 – Công suất tiêu thụ của phụ tải không liên tục
|
STT |
Tên phụ tải |
Công suất thực |
Hệ số sử dụng |
Công suất tương đương |
|
|
[W] |
λ |
[W] |
|||
|
1 |
Radio |
35 |
0,3 |
10,5 |
|
|
2 |
Đèn Taplô |
55 |
0,5 |
27,5 |
|
|
3 |
Đèn kích thước xe |
4x12 |
0,5 |
24 |
|
|
4 |
Đèn đỗ xe |
4x4 |
0,1 |
1,6 |
|
|
5 |
Đèn biển số |
2x10 |
0,5 |
10 |
|
|
6 |
Đèn cốt |
2x50 |
0,5 |
50 |
|
|
7 |
Đèn pha |
2x60 |
0,5 |
60 |
|
|
8 |
Đèn báo rẽ |
2x23 |
0,1 |
4,6 |
|
|
9 |
Đèn Stop |
2x22 |
0,5 |
22 |
|
|
10 |
Đèn trần |
2x5 |
0,2 |
2 |
|
|
11 |
Motor nâng/hạ kính |
4x35 |
0,1 |
14 |
|
|
12 |
Quạt điều hòa |
2x70 |
0,6 |
84 |
|
|
13 |
Sấy kính |
120 |
0,1 |
12 |
|
|
14 |
Motor rửa kính |
60 |
0,3 |
18 |
|
|
15 |
Còi |
40 |
0,4 |
16 |
|
|
16 |
Đèn sương mù |
2x30 |
0,1 |
6 |
|
|
17 |
Đèn lùi |
2x24 |
0,1 |
4,8 |
|
|
18 |
Motor gạt mưa |
70 |
0,3 |
21 |
|
|
19 |
Motor khởi động |
1200 |
0,1 |
120 |
|
|
20 |
Quạt làm mát động cơ |
2x120 |
0,9 |
216 |
|
|
21 |
Mồi thuốc |
100 |
0,1 |
10 |
|
|
22 |
Moto bơm ABS |
90 |
0,4 |
36 |
|
|
Công suất tổng cộng P2 |
721 (w) |
||||
Vậy công suất phụ tải gián đoạn là 721 [w]
3.2.3. Công suất máy phát yêu cầu và chọn máy phát
Dựa vào bảng 1.1 và bảng 1.2, ta có thể dễ dàng tính được công suất của phụ tải yêu cầu trong thời gian làm việc như sau:
P = P1 + P2 = 310 + 721 = 1031 [W]
Chọn điện áp định mức cho máy phát là Udm=14(V).
Cường độ dòng điện yêu cầu của máy phát là:
Cường độ dòng điện định mức của máy phát, với hiệu suất là η=0,9 là:
Vậy nên ta cần chọn máy phát có Udm=14V và Idm>81,82[A].Ta chọn máy phát trên xe iskra loại AAK COMPACT có thông số như sau:
|
STT |
Tên thông số |
Giá trị |
|
1 |
Điện áp định mức |
14[V] |
|
2 |
Dòng điện định mức |
70-120 [A] |
|
3 |
Khối lượng |
5,3kg |
|
4 |
Tốc độ quay tối đa |
20000 RPM |
|
5 |
Đường kính stato |
125[mm] |
Kết cấu máy phát điện
1- Puli dẫn động; 2- Ổ bi trước; 3- Vỏ phía trước ; 4- Stato; 5- Roto; 6- Vỏ phía sau; 7- Vòng lò xo; 8- Bộ chỉnh lưu; 9- Nắp bảo vệ; 10- Cọc B+,D+ của máy phát; 11- Ổ bi sau; 12- Vòng tiếp điện; 13- Chổi than; 14- Bộ điều chỉnh điện; 15- Lò xo; 16- Đệm cao su; 17- Vòng chặn; 18- Cánh quạt ; 19- Nắp chặn ổ bi;
CHƯƠNG 4.TÍNH TOÁN LỰA CHỌN DÂY DẪN
4.1 Lựa chọn dây dẫn
Các hư hỏng trong hệ thống diện ô tô ngày nay chủ yếu bắt nguồn từ dây dẫn vì đa
số các linh kiện bán dẫn đã được chế tạo với độ bền khá cao. Ô tô càng hiện đại, số dây dẫn càng nhiều thì xác suất hơ hỏng càng lớn. Vì vậy việc chọn tiết diện dây dẫn phù hợp là rất quan trọng.
Dây dẫn trong ô tô thường là dây đồng có bọc chất cách điện là nhựa PVC. Chất cách điện bọc ngoài day đồng không những có điện trở rất lớn (1012Ω/mm) mà còn phải chụi được xăng dầu, nhớt, nước và nhiệt độ cao, nhất là đối với các dây dẫn chạy ngan qua nắp máy.
Thông thường tiết diện dây dẫn phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy trong dây. Tuy nhiên, điều này lại bị ảnh hưởng không ít bởi nhà chế tạo vì lý do kinh tế. Dây dẫn có kích thước càng lớn thì độ sụt áp trên đường dây càng nhỏ và dây cũng sẽ nhẹ hơn. Điều này đồng nghĩa với tăng chi phí do phải mua thêm đồng. Vì vậy mà nhà sản xuất cần phải có sự so đo giữa hai yếu tố trên.
|
Hệ thống (12v) |
Độ sụt áp (v) |
Sụt áp tối đa (v) |
|
Hệ thống chiếu sang |
0,1 |
0,6 |
|
Hệ thống cung cấp điện |
0,3 |
0,6 |
|
Hệ thống khởi động |
1,5 |
1,9 |
|
Hệ thống đánh lửa |
0,4 |
0,7 |
|
Các hệ thống khác |
0,5 |
1,0 |
Độ sụt áp tối đa trên dây dẫn kể cả mối nối
4.2Tính tiết diện dây dẫn
Ta có tiết diện dây dẫn được tính bởi công thức:
Trong đó:
I: cường độ dòng điện chạy trong dây tính bằng ampe là tỷ số giữa công suất của phụ tải điện và hiệu điện thế định mức.
ρ = 0,0178 Ω.mm2 /m điện trở suất của đồng
l: chiều dài dây dẫn
. Bảng chiều dài dây dẫn
|
Phụ tải |
Đèn pha/cốt |
Còi |
Mô tơ gạt nước |
Sấy kính phía sau |
|
Chiều dài dây dẫn (m) |
1,3 |
1,6 |
1,1 |
4,5 |
- Đèn pha:
Chọn độ sụt áp ∆U = 0,1
Ta có tiết dây dẫn
Đường kính dây dẫn
- Đèn cốt:
Chọn độ sụt áp ∆U = 0,1
Ta có tiết dây dẫn
Đường kính dây dẫn
- Còi:
Chọn độ sụt áp ∆U = 0,5
Ta có tiết dây dẫn
Đường kính dây dẫn
- Mô tơ gạt nước:
Chọn độ sụt áp ∆U = 0,5
Ta có tiết dây dẫn
Đường kính dây dẫn
- Sấy kính phía sau:
Chọn độ sụt áp ∆U = 0,5
Ta có tiết dây dẫn
Đường kính dây dẫn
Tài liệu tham khảo:
[1].TH.S Phạm Quốc Thái: Bài giảng môn học trang bị điện và điện tử trên động cơ đốt trong
[2]. PGS.TS Đỗ Văn Dũng: Hệ thống điện và điện tử trên ô tô hiện đại – Hệ thống điện động cơ.
