Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô

Nếu nối các bản cực của ắc quynhư vậy với máy phát hay nguồn điện một chiều nào đó, thì dưới tác dụng củađiện áp nguồn, các điện tử sẽ theo mạch ngoài chuyển động đến cực âm của ắcquy cò

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Sau khi hoàn thành học phần trang bị điện và điện tử trên động cơ và trênôtô, sinh viên được giao nhiệm vụ làm đồ án môn học trang bị điện và điện tửđộng lực

Với nền công nghiệp phát triển ngày càng hiện đại, các nhu cầu trong laođộng và cuộc sống của con người càng được nâng cao Vấn đề vận chuyển hànghóa, đi lại của con người là một trong những nhu cầu rất cần thiết Ô tô là mộtloại phương tiện rất phát triển và phổ biến trên thế giới cũng như tại Việt Namhiện nay nhằm đáp ứng cho nhu cầu đó

Là một sinh viên ngành động lực, việc tìm hiểu các trang thiết bị điện vàphân tích các sơ đồ điện là một vấn đề rất quan trọng Đồ án môn học trang bịđiện và điện tử động lực giúp sinh viên nắm bắt và hiểu rõ được hệ thống điện bốtrí trên ôtô Cũng qua đây, sinh viên có cơ hội để nắm bắt rõ hơn về những kiếnthức mà sau này sẽ gặp trong công việc thực tế, nhờ đó tránh sự bỡ ngỡ ban đầu.Cuối cùng em xin cảm ơn đến thầy Phạm Quốc Thái đã tận tình hướng dẫn

và giúp đỡ em hoàn thành được đồ án của mình đúng tiến độ Vì tài liệu thamkhảo còn hạn chế nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, nhầm lẫn Do vậy, emrất mong các thầy thông cảm và chỉ bảo thêm để em được hoàn thiện hơn trongquá trình học tập của mình

Đà Nẵng, tháng 11 năm 2012.

Sinh viên

Trương Minh Huy

1 Tổng quan hệ thống cung cấp điện trên ô tô

1.1 Giới thiệu chung

Hệ thống cung cấp điện có nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện cho các phụtải 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 ranguồn năng lượng có ích Nguồn năng lượng này được tạo ra từ mát phát điệntrên ô tô Khi động cơ hoạt động, máy phát cung cấp điện cho các phụ tải và nạpđiện cho acquy Để đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động một cách hiệu quả, antoàn Năng lượng đầu ra của máy phát và năng lượng yêu cầu cho các tải điệnphải thích hợp với nhau

Hệ thống cung cấp điện trên ôtô bao gồm :

+ Ăcquy+ Máy phát điện+ Bộ chỉnh lưu+ Bộ điều chỉnh

STATOR COIL

FIELD COIL

Df R1

R2 R3

R4 ZD

Tr1 RECTIFIER

Hình 1.1 Sơ đồ mạch thống cung cấp điện trên ô tô (chỉnh lưu cầu 3 pha)

1.2 Ăcquy

1.2.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu

Trong hệ thống điện ô tô máy kéo, Ăc quy là nguồn năng lượng phụ, dùngđể:

- Cung cấp năng lượng cho máy khởi động khi khởi động động cơ;

- Cung cấp năng lượng cho tất cả các phụ tải khác khi động cơ không làmviệc hoặc làm việc ở số vòng quay nhỏ;

- Nếu phụ tải mạch ngoài lớn hơn công suất của máy phát, thì Ăc quy sẽcùng với máy phát cung cấp cho các phụ tải

Ăcquy ô tô máy kéo là Ăcquy khởi động, khác các Ăcquy dùng cho các thiết

bị khác

+ Theo tính chất dung dịch điện phân, Ăc quy được chia ra các loại:

- Ăc quy a xít: dung dich điện phân là axít H2SO4

- Ăc quy kiềm: dung dịch điện phân là KOH hoặc NaOH

So sánh hai loại Ăc quy a xít và kiềm thì Ăc quy a xít có suất điện động mỗingăn cao hơn (~2V), điện trở trong nhỏ hơn, nên khi phóng với dòng lớn độ sụtthế ít, chất lượng khởi động tốt hơn Ăc quy kiềm có suất điện động mỗi ngănkhoảng 1,38V, giá thành cao hơn (2 3 lần) do phải sử dụng các loại vật liệu quýhiếm như bạc, niken, cađimi, điện trở trong lớn hơn Tuy vậy, Ăc quy kiềm có

độ bền cơ học và tuổi thọ cao hơn (4 5 lần), làm việc tin cậy hơn

+ Các Ăc quy a xít, theo vật liệu vỏ bình chia ra: vỏ bằng êbônít, cao sucứng hay các vật liệu tổng hợp khác

+ Các Ăc quy kiềm, theo vật liệu cấu tạo bản cực chia ra các loại:

- Sắt - Niken (Fe - Ni);

- Cađimi - Niken (Cd - Ni);

- Phải có khả năng trong thời gian ngắn từ 5 10 S, cung cấp một dòngphóng lớn (tương ứng với dòng khởi động) mà sau đó trạng thái kỹ thuật củachúng hầu như không thay đổi;

- Có điện trở trong nhỏ, để khi phóng với dòng lớn độ sụt thế sẽ bé, đảm bảo

có thể khởi động dễ dàng động cơ trong mọi điều kiện sử dụng

Các Ăcquy có những đặc điểm trên được gọi là Ăcquy khởi động

Ngoài ra Ăcquy còn phải:

- Có điện dung lớn với khối lượng và kích thước tương đối bé;

- Có điện thế ổn định, hiện tượng tự phóng điện không đáng kể;

- Làm việc tin cậy khi nhiệt độ môi trường dao động trong giới hạn rộng;

- Phục hồi nhanh chóng điện dung khi được nạp trong các điều kiện sử dụngkhác nhau;

- Đơn giản trong bảo dưỡng và sửa chữa;

- Có độ bền cơ học cao, chịu được rung sóc, thời hạn phục vụ lớn và giáthành rẻ

1.1.2 Ăc quy axit

Khối bản cực : bao gồm các bản cực dương và âm đặt xen kẽ nhau, giữachúng có các tấm ngăn cách điện Mỗi bản cực gồm có phần cốt hình mắt cáo vàcác chất tác dụng trát trên nó Phần trên của cốt có tai để nối các bản cực cùngtên với nhau thành phân khối bản cực Phần dưới của cốt có các chân để tựa lêncác gân ở đáy bình Các chân được bố trí so le để tránh chập mạch qua sống đỡ

Hình 1.2 Cấu tạo chung của Acquy

1- Cọc bình; 2- Thanh nối ; 3- Hộc bình ; 4- Bản cực; 5- Dung dịch

6- Tấm chắn ; 7- Vỏ ; 8- Ngăn bình; 9- Nắp ; 10- Nút thông hơi

Nắp, nút, cầu nối : Để làm kín ắc quy, mỗi ngăn của nó được đậy bằng mộtnắp riêng chế tạo từ nhựa êbônít hay chất dẻo (hình 2.42) Trên nắp có ba lỗ: hai

lỗ hai bên để luồn các đầu cực của khối bản cực ra ngoài Còn lỗ giữa để đổ vàkiểm tra dung dịch điện phân Trong hai lỗ bên có ép các ống lót bằng chì Đểlàm kín những chỗ nối ghép giữa nắp và vỏ bình người ta dùng nhựa bitum

+ Nguyên lý làm việc

Ăcquy gồm hai bản cực chì 2 đặt trong bình 3 làm bằng vật liệu cách điện vàchịu a xít Khi đổ vào bình dung dịch điện phân là hỗn hợp giữa a xít H2SO4 vànước cất thì các bản cực chì sẽ bị ô xy hoá dưới tác dụng của a xít Trên bề mặtchúng tạo thành một lớp sun phát chì PbSO4 có màu xám nhạt Nồng độ dungdịch điện phân lúc này giảm đi do một lượng a xít đã tham gia phản ứng với chì

để tạo thành muối Quanh các điện cực dung dịch rất loãng, hầu như chỉ có nướcnguyên chất, phân ly thành các ion H+ và OH- Nếu nối các bản cực của ắc quynhư vậy với máy phát hay nguồn điện một chiều nào đó, thì dưới tác dụng củađiện áp nguồn, các điện tử sẽ theo mạch ngoài chuyển động đến cực âm của ắcquy còn trong dung dịch các ion mang điện sẽ chuyển động đén các điện cực tráidấu với nó

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc của Acquy axit

- Tại cực âm: các ion dương hoá trị 2 (Pb2+) sẽ nhận điện tử trở thành chìnguyên chất, còn các ion H+ và SO42- kết hợp tạo thành a xít, tức là có thể viết:

PbSO4 (Pb2+ + SO42-) - 2e + 4OH- + 2H+ > PbO2 + 2H2O + H2SO4

Quá trình đó chính là quá trình nạp ắc quy Sau khi nạp no, các phản ứngbiến đổi hoá học kết thúc thì bản cực dương trở thành đi ô xýt chì có màu nâuthẫm, bản cực âm là chì nguyên chất có màu ghi đá Lúc này nồng độ dung dichkhông tăng lên nữa và nếu tiếp tục nạp thì sẽ xảy ra hiện tượng phân giải (điệnphân) nước thành hyđrô và ô xy bay ra khỏi dung dịch dưới dạng bọt khí tương

tự như khi nước sôi, vì thế còn gọi là hiện tượng "sôi" Đó là những dấu hiệuchứng tỏ ắc quy đã được nạp no hoàn toàn.

Hình 1.4 Sơ đồ các quá trình điện hóa xảy ra khi nạp

Phương trình phản ứng chung cho cả quá trình điện hoá xảy ra trong ắc quykhi nạp có dạng:

2PbSO4 + 2H2O > PbO2 + Pb + 2H2SO4

Sau khi nạp no, giữa các bản cực của ắc quy xuất hiện một thế hiệu ≈2V.Nếu bây giờ nối ắc quy (đã được nạp) với phụ tải thì ắc quy sẽ phóng điện cungcấp năng lượng cho phụ tải và xảy ra các quá trình điện hoá ngược lại:

- Dòng điện trong mạch ngoài sẽ đi từ cực dương sang cực âm;

- Các bản cực sẽ biến đổi dần thành PbSO4

- Nồng độ dung dịch loãng dần thành nước

Hình 1.5 Sơ đồ các quá trình điện hóa xảy ra khi phóng

Khi các phản ứng hoá học kết thúc, ắc quy phóng hết thì dòng điện triệt tiêu

Để ắc quy có thể tiếp tục làm việc thì cần phải nạp lại Như vậy, ắc quy là một

bộ biến đổi năng lượng có tính thuận nghịch

+ Dung dịch điện phân

Trong ắc quy a xít, dung dịch điện phân là dung dịch H2SO4 được pha chế từ

a xít nguyên chất và nước cất theo nồng độ quy định phụ thuộc vào điều kiện khíhậu, mùa và vật liệu tấm ngăn (thường dao động trong khoảng 1,25 1,31 g/cm3

khi ắc quy đã được nạp no) Nồng độ cao quá sẽ làm cháy hỏng tấm ngăn, chóngrụng bản cực, ắc quy dễ bị sunphát hoá làm giảm tuổi thọ và điện dung Nồng độthấp quá thì suất điện động ắc quy giảm và dung dịch dễ bị đóng băng ở nhiệt độthấp

Khi pha chế dung dịch cần chú ý:

- Không được dùng a xít có thành phần tạp chất cao và nước không phảinước cất Vì dùng như vậy sẽ làm tăng quá trình tự phóng điện của ắc quy, cácbản cực chóng bị sunphát hoá và giảm điện dung;

- Các dụng cụ pha chế phải sạch và chịu a xít;

- Để đảm bảo an toàn khi pha chế, tuyệt đối không được đổ nước vào axítđặc mà phải đổ từ từ axít vào nước và khuấy đều.

1.3 Máy phát điện

1.3.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu

* 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.

* Phân loại

Máy phát trên ô tô máy kéo, theo tính chất dòng điện phát ra có thể chia làmhai 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, cókhả 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

Do đó loại máy phát này hiện nay ít thấy Vì vậy chúng ta chỉ đề cập đếnloại máy phát điều chỉnh ngoài

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)

Máy phát điện trên ô tô máy kéo làm việc trong những điều kiện đặc biệt, vìthế 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

1.3.2 Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ

Trên ô tô máy kéo sử dụng hai loại máy phát điện xoay chiều là máy phátxoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu và máy phát xoay chiều kíchthích kiểu điện từ (bằng nam châm điện)

Các máy phát kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, do công suất hạn chế nênchủ yếu chỉ được sử dụng trên xe máy và máy kéo Gần đây, kỹ thuật đã chế tạođược những hợp kim từ mới có chất lượng cao, nên loại máy phát này bắt đầu cókhả 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 thếhiệu, công suất hạn chế, giá thành cao, trọng lượng lớn hơn loại kích thích kiểuđiện 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.

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 chínhlà: rôto, stato, các nắp, puli, cánh quạt và bộ chỉnh lưu (bộ chỉnh lưư có thể tínhhoặc không tính vào thành phần cấu tạo của máy phát, tuỳ theo nó được đặt

trong máy phát hay riêng biệt bên ngoài).

+ 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 cuộndây kích thích được nối với các vòng tiếp điện 9 gắn trên trục máy phát Trụccủa rôto được đặt trên các ổ bi lắp trong các nắp 6 và 7 bằng hợp kim nhôm.Trên nắp, phía vòng tiếp điện còn bắt giá đỡ chổi điện 10 Một chổi điện đượcnối với vỏ máy phát, chổi còn lại nối với đầu ra cách điện với vỏ

+ Stato: là khối thép từ ghép từ các lá thép điện kỹ thuật, phía trong có xe

rãnh phân bố đều để đặt cuộn dây phần ứng

Hình 1.6 Cấu tạo Stator 1.4 Bộ diều chỉnh

1.4.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu

* Công dụng

Các máy phát điện ô tô máy kéo làm việc trong điều kiện số vòng quay, phụtải và chế độ nhiệt luôn luôn thay đổi trong một giới hạn rộng Vì thế, để đảmbảo cho các trang thiết bị điện trên ôtô máy kéo làm việc được bình thường vàbảo đảm an toàn cho máy phát, thì phải có bộ điều chỉnh điện 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) hoặcnối ngắt mạch giữa ắc quy và máy phát (xoay chiều);

Tuỳ theo loại máy phát sử dụng trên ô tô mà bộ điều chỉnh điện kèm theo nó

có thể gồm có một hay một số bộ phận sau đây:

- Rơ le điều chỉnh 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: nếu thế hiệumáy phát tăng lên 10% 12% so với định mức, thì thời hạn phục vụ của ắc quy

và các bóng đèn sẽ giảm đi từ 2 2,5 lần

- Rơ le hạn chế dòng điện: làm nhiệm vụ của bộ phận an toàn, bảo vệ cho

máy phát không bị quá tải bởi dòng điện quá lớn, có thể gây cháy hỏng cuộn dây

và cách điện của nó

- Rơ le dòng điện ngược: làm nhiệm vụ phân phối chế độ làm việc giữa ắcquy và máy phát một chiều: nối máy phát vào mạch phụ tải khi thế hiệu của nóđạt giá trị lớn hơn thế hiệu của ắc quy mắc song song với nó và ngắt máy phát rakhi thế hiệu của nó giảm xuống thấp hơn thế hiệu của ắc quy để tránh dòng điệnngược từ ắc quy phóng lại làm cháy hỏng cuộn dây máy phát và có hại cho ắcquy

- Rơ le đóng mạch: làm nhiệm vụ nối ắc quy với máy phát xoay chiều khibật khoá điện và ngược lại: để tránh dòng điện ngược từ ắc quy dò qua bộ chỉnhlưu và các cuộn dây của máy phát khi máy phát không làm việc, làm ắc quy bị

mất điện dần.

Đối với máy phát một chiều làm việc song song với ắc quy đòi hỏi phải sử

dụng ba loại rơ le là: rơ le điều chỉnh thế hiệu (RLĐCTH), rơ le hạn chế dòng

điện (RLHCDĐ) và rơ le dòng điện ngược (RLDĐN)

Trong thực tế, đôi khi người ta không làm RLHCDĐ riêng mà làm kết hợpvới RLĐCTH chung trong một kết cấu Trong trường hợp đó, rơ le kết hợp nàyđược gọi là RLĐCTH 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 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 RLDĐN không cần thiết nữa, vì các điốt chỉnh lưu không cho dòng điện

đi ngược từ ắc quy sang máy phát RLHCDĐ cũng không cần thiết nữa, vì đa sốcác 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 cóRLĐCTH và RL đóng mạch

+ Theo nguyên lý làm việc bộ điều chỉnh điện (ĐCĐ) được chia ra các loại:

- Loại rung;

- Loại bán dẫn có tiếp điểm điều khiển;

- Loại bán dẫn không có tiếp điểm điều khiển

+ Theo số lượng rơ le, loại rung được chia ra:

- Loại 1 rơ le;

- Loại 2 rơ le;

- Loại 3 rơ le;

- Loại 4 và loại 5 rơ le

Bộ ĐCĐ 4 rơ le được dùng trong trường hợp mạch kích thích của máy phátđược phân nhánh Lúc đó bộ ĐCĐ sẽ có 2 RLĐCTH tương ứng với các nhánhcủa 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

Bộ điều chỉnh điện cần đáp ứng những yêu cầu sau:

- Điều chỉnh chính xác;

- Làmv iệc 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.

1.4.2 Nguyên lý điều chỉnh thế hiệu và hạn chế dòng điện

Từ phương trình cân bằng mạch điện của máy phát, bỏ qua trở kháng củaphần ứng và độ rơi thế trên bộ chỉnh lưu (đối với máy phát xoay chiều):