MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 3 Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG CUNG CẤP TRÊN ÔTÔ 4 1.1. Công dụng 4 1.2. Yêu cầu 4 1.3. Phân loại 5 1.4. Các thông số của hệ thống cung cấp 7 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 xoay chiều 9 2.2. Bộ chỉnh lưu 16 2.2.1. Công dụng 16 2.2.2. Phân loại 17 2.2.3. Yêu cầu 20 2.3. Bộ điều chỉnh điện 20 2.3.1. Công dụng 20 2.3.2. Phân loại 21 2.3.3. Yêu cầu 22 2.3.4. Nguyên lý điều chỉnh thế hiệu và hạn chế dòng 22 2.4. Phân tích, lựa chọn sơ đồ hệ thống cung cấp 28 2.4.1. Lựa chọn bộ chỉnh lưu 28 2.4.2. Lựa chọn bộ điều chỉnh 28 Chương 3 TÍNH CHỌN MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ CHIỀU DÀI DÂY DẪN 30 3.1. Phân tích, lựa chọn máy phát điện 30 3.2. Tính toán, chọn công suất máy phát 30 3.2.1. Sơ đồ các phụ tải công suất điện trên ô tô 30 3.2.2. Công suất tiêu thụ cần thiết cho tất cả các phụ tải hoạt động liên tục 32 3.2.3. Công suất tiêu thụ cần thiết cho các phụ tải gián đoạn 32 3.2.4. Công suất máy phát yêu cầu và chọn máy phát 35 3.3. Tính toán lựa chọn dây dẫn 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 LỜI NÓI ĐẦU Xã hội ngày càng tiến bộ, chủ trương công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước của nhà nước ta đang được xúc tiến mạnh mẽ. Để phục vụ vận chuyển cho nền công nghiệp hiện đại, cũng như nhu cầu đi lại ngày càng lớn của người dân, việc phát triển công nghiệp ôtô là hết sức cần thiết. Bên cạnh đó, đời sống của người dân ngày càng được nâng cao, nhu cầu đi lại, vận chuyển không chỉ dừng lại ở việc “đi tới nơi, về tới chốn” mà còn đòi hỏi tính tiện nghi, êm dịu. Do đó, nền công nghiệp ôtô hiện đại cần phải đảm bảo được sự an toàn khi vận hành, tính thoải mái, êm dịu cho người sử dụng và điều khiển nhẹ nhàng cho người lái. Ôtô là phương tiện chuyên chở hàng hóa đặc biệt quan trọng ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Thiết nghĩ, việc nghiên cứu, chế tạo ôtô là điều cần làm ở nước ta. Là sinh viên ngành cơ khí động lực, sau khi học các học phần Trang bị điện và điện tử động cơ, trang bị điện và điện tử thân xe, vi điều khiển… thì việc tìm hiểu, nghiên cứu, tính toán và thiết kế hệ thống điện trong xe là rất thiết thực và bổ ích. Để giúp sinh viên rèn luyện được kỹ năng tìm hiểu thông tin, củng cố, ứng dụng lý thuyết vào thực tế và bước đầu làm quen với việc nghiên cứu, tính toán kiểm nghiệm các hệ thống điện – điện tử trên xe, mỗi sinh viên đều được nhận Đồ án thiết kế hệ thống điện tử ô tô. Trong khuôn khổ nhiệm vụ được giao, em xin trình bày nhiệm vụ Tính toán kiểm nghiệm hệ thống cung cấp. Em xin cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Phạm Quốc Thái. Dưới sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy cùng sự cố gắng, nổ lực của bản thân, em đã hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian quy định. Tuy nhiên, do kiến thức hiểu biết có hạn, điều kiện tham khảo thực tế chưa có nhiều nên không thể tránh khỏi những sai sót, nhầm lẫn. Do vậy, em mong các thầy thông cảm và chỉ bảo thêm để em hoàn thiện hơn trong quá trình học tập và công tác sau này. Đà Nẵng, ngày 02 tháng 03 năm 2019 Sinh viên thực hiện Phạm Phúc Nhật 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 ắc quy. 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 Hệ thống cung cấp điện trên ô tô phải tạo ra một điện áp ổn định (13,8V – 14,2V đối với hệ thống điện 14V hoặc 27 28V với hệ thống điện 24V) 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 tốn công chăm sóc và bảo dưỡng. Ta đã biết hệ thống cung cấp có rất nhiều bộ phận, để chăm sóc và bảo dưỡng hết các bộ phận của nó sẽ rất tốn thời gian và rất khó khăn. Ngoài ra, trên ô tô còn có rất nhiều bộ phận khác đòi hỏi nhu cầu sữa chữa bảo dưởng lớn hơn. Nên hệ thống cần có tính ổn định cao, ít chăm sóc và bảo dưỡng. 1.3. Phân loại Hệ thống cung cấp trên ô tô có hai dạng chính sau: Hệ thống cung cấp với máy phát một chiều được thể hiện trên (Hình 1.1). Hình 1. 1 Sơ đồ hệ thống cung cấp dùng máy phát một chiều. 1 Máy phát; 2 Bộ ắc quy; 3 Đồng hồ ampe; 4 Bộ điều chỉnh. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều Máy phát điện một 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 được thể hiện trên (Hình 1.2). Hình 1. 2 Sơ đồ hệ thống cung cấp dùng máy phát xoay chiều Ngày nay, máy phát điện lắp trên ô tô phổ biến là máy phát điện xoay chiều vì so với máy phát điện một chiều nó có những ưu điểm sau: Cấu tạo đơn giản Với cùng một công suất thì nó có kích thước và tải trọng bé hơn Do không có cổ góp nên tuổi thọ phục vụ lâu hơn Tiêu hao kim loại màu ít hơn Có thể tăng tỉ số truyền từ động cơ tới máy phát Dùng diot chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng một 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. Tuy có cách nối dây khác nhau nhưng các hệ thống cung cấp trên xe ô tô đều bao gồm hai nguồn năng lượng là ắc quy và máy phát mắc song song. Tuỳ thuộc vào giá trị phụ tải và chế độ làm việc của ô tô máy kéo, mà acquy, máy phát 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 của hệ thống cung cấp Theo tài liệu 2, những thông số của hệ thống cung cấp bao gồm: Công suất máy phát: phải đảm bảo cung cấp điện cho tất cả các tải điện trên xe hoạt động. Thông thường, công suất của các máy phát trên ôtô hiện nay vào khoảng Pmf = 700 – 1500W. Điện áp định mức: phải đảm bảo Uđm = 14V đối với những xe sử dụng hệ thống điện 12V, Uđm = 28V đối với những xe sử dụng hệ thống điện 24V. Dòng điện cực đại: là dòng điện lớn nhất mà máy phát có thể cung cấp thông thường thì Imax = 70 – 140A. Tốc độ cực đại và tốc độ cực tiểu của máy phát: nmax, nmin phụ thuộc vào tốc độ của động cơ đốt trong. (1.1) Trong đó: i: tỉ số truyền ( i = 1,5 2). Hiện nay trên xe đời mới sử dụng máy phát cao tốc nên tỉ số truyền i cao hơn. ni: tốc độ cầm chừng của động cơ. 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). Chương 2 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP 2.1. Máy phát điện 2.1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu 2.2.1.1 Công dụng Máy phát là nguồn điện chính trên ô tô máy kéo, nó có 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 xoay chiều 2.1.2.1. Máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu a. Đặc điểm cấu tạo Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh 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. 1 Rôto nam châm hình trụ rỗng 1Nam châm; 2Các má cực; 3các cuộn dây cố định Stato. Hình 2. 2 Rôto nam châm hình sao 1. Nam châm hình sao; 2. Hợp kim không dẫn từ; 3. 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 cácbon, 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 ms 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. 3 Hệ thống từ của máy phát với nam châm hình sao 1 Stato; 2 Roto nam châm. Hình 2. 4 Máy phát xoay chiều với nam châm vĩnh cửu hình sao. 1Stato và các cuộn dây; 2Rôto (nam châm quay) b. Nguyên lý làm việc Khi động cơ hoạt động, thông qua bộ truyền đai, trục khuỷu động cơ kéo rôto của máy phát quay. Rôto là một nam châm vĩnh cửu có 6 cực. Khi rôtô quay từ trường thay đổi cắt các vòng dây của cuộn stato. Trong cuộn dây xuất hiện sức điện động thay đổi cả về trị số và hướng. Khi đóng mạch thì sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện xoay chiều cung cấp cho các phụ tải. 2.2.2.2. Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ a. Đặc điểm cấu tạo Loại có vòng tiếp điện Cấu tạo của máy phát điện loại có vòng tiếp điện gồm những bộ phận chính là: rôto, stato, các nắp, puli, cánh quạt và bộ chỉnh lưu (bộ chỉnh lưu 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. 5 Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ 1,2Quạt làm mát; 3Bộ chỉnh lưu; 4vỏ; 5Stator; 6 Rotor; 7Bộ tiết chế và chổi than; 8Vòng tiết điện + Stator: 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. 6 Cấu tạo Stator 1. Cọc trung tính; 2. Cọc dương; 3. Đi ốt chỉnh lưu; 4. Cuộn stato; 5. Ba đầu cuộn dây stato; 6. Rãnh lắp cuộn dây; 7. Bọc cách điện; 8. Khối thép từ. a) b) Hình 2. 7 Các kiểu đấu dây aKiểu sao; b Kiểu tam giác. Cuộn dây phần ứng thường có 3 pha nối theo hình sao. Mỗi pha gồm một số cuộn nhỏ mắc nối tiếp. Đầu của các cuộn dây pha được nối ra bộ chỉnh lưu 8 đặt trong vỏ máy phát theo sơ đồ chỉnh lưu cầu. + Rotor: bao gồm hai má cực từ có nam châm hình móng ngựa bọc ngoài cuộn dây phần cảm lắp trên trục. Có hai vòng than góp điện . Khi có dòng điện kích thích đi vào trong cuộn dây thì hai má cực từ trở thành nam châm điện. Nam châm điện có từ cực NB xen kẻ nhau (hình 2.8) Hình 2. 8 Cấu tạo rotor 1Chùm cực từ tính S; 2 Chùm cực từ tính N; 3 cuộn dây kích thích; 4 Trục rotor; 5 Đường sức từ; 6 Ổ bi; 7Vòng tiếp điểm. Loại không có vòng tiếp điểm Máy phát điện loại không có vòng tiếp điện nói chung không có gì khác so với loại có vòng tiếp điện. Nhưng lại có ưu điểm là tăng tuổi thọ và độ tin cậy. Do những ưu điểm trên, máy phát điện loại này được sử dụng ngày càng nhiều trên các ôtô làm việc trong điều kiện nặng nhọc và trên các máy kéo nông nghiệp. Hình 2. 9 Sơ đồ máy phát điện xoay chiều không có vòng tiếp điện. 1Stato; 2Vòng không dẫn từ; 3Cuộn dây kích thích cố định; 4,5Các móng cực; 6Đĩa lắp cuộn dây kích thích. Từ các sơ đồ ta thấy: mọi bộ phận của máy phát không có vòng tiếp điện đều có kết cấu tương tự như ở máy phát điện loại có vòng tiếp điện. Chỉ có điểm khác biệt là: cuộn dây kích thích 3 được đặt ngay trên phần ống nhô ra của nắp sau (hình 2.9) hay lắp cố định trên đĩa 6 bắt chặt vào khối thép từ của stato. Tức là cuộn dây kích thích trở thành một bộ phận của stato và điện được dẫn vào cuộn kích thích qua các đầu nối cố định trên stato. So với các máy phát loại có vòng tiếp điện, máy phát loại không có vòng tiếp điện nói chung có khối lượng và kích thước lớn hơn. Tuy vậy, độ tin cậy cao và tuổi thọ lớn hoàn toàn có thể bù lại được cho những nhược điểm trên của chúng. b. Ưu nhược điểm So với máy phát điện một chiều, máy phát xoay chiều có những ưu điểm sau: Cấu tạo đơn giản hơn. Với cùng một công suất, có kích thước và trọng lượng bé hơn. Tuổi thọ phục vụ dài hơn do không có cổ góp. Tiêu hao kim loại màu ít hơn ( giảm 2 – 2,5 lần so với máy phát một chiều). Có thể tăng tỉ số truyền từ động cơ ô tô đến máy phát tới trị số 2,5 – 3, vì vậy khi động cơ chạy không tải, máy phát có thể phát ra công suất đạt tới ( 2530%) công suất định mức, cải thiện điều kiện nạp điện cho ắc quy. c. Phạm vi ứng dụng Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, có kết cấu đơn giản, nhưng công suất phát ra không lớn thường được sử dụng trên các xe gắn máy và cho xe đạp điện. Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm điện có cuộn cảm quay thường được sử dụng trên các ô tô. Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm điện có cuộn cảm đứng yên ( không có các vòng tiếp điện và chổi than). Do có tuổi thọ cao và độ tin cậy cao hơn hai loại trên nên thường dùng trên các máy kéo và các loại ô tô đặc biệt. 2.2. Bộ chỉnh lưu 2.2.1. Công dụng Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Bộ chỉnh lưu làm nguồn điện một chiều có điều khiển cấp cho các thiết bị mạ, thiết bị hàn một chiều; nguồn điện cho các truyền động động cơ điện một chiều, nguồn cung cấp cho mạch kích từ của máy điện một chiều. 2.2.2. Phân loại Dựa vào chu kỳ chỉnh lưu ta có: Bộ chỉnh lưu một nữa chu kỳ. Bộ chỉnh lưu hai nữa chu kỳ. Dựa vào số điốt chỉnh lưu: Bộ chỉnh lưu 6 điốt. Bộ chỉnh lưu 8 điốt. Bộ chỉnh lưu 14 điốt. Hiện nay, 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. 10 Bộ chỉnh lưu mạch cầu 3 pha 6 điốt Nguyên lý chỉnh lưu Sơ đồ trên trình bày nguyên lý chỉnh lưu của máy phát xoay chiều ba pha đấu sao. Khi rotor quay từ thông xuyên qua các cuộn dây Stator lệch nhau 1200. Qúa trình chỉnh lưu được mô tả như sau: Giả sử khi rotor quay ở vị trí α=300. Khoảng này điện áp trên FIII dương nhất, điện áp trên FII âm nhất nên có dòng điện chỉnh lưu như hình a. Ở vị trí α=300600 trong khoảng này điện áp trên FI dương nhất, điện áp trên FII âm nhất nên có dòng điện chỉnh lưu như hình b. Ở vị trí α=1800 trong khoảng này điện áp trên FII dương nhất, điện áp trên FIII âm nhất nên có dòng điện chỉnh lưu như hình c. Như vậy, dòng điện qua R lúc nào cũng theo một chiều và điện áp chỉnh lưu (Uct) vẫn còn dạng nhấp nhô như đồ thị (hình 2.11). Hình 2. 11 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu 6 diode Hoạt động của bộ chỉnh lưu Trên (hình 2.12) là sơ đồ của máy phát chỉnh lưu 3 pha có bộ nắn dòng mắc theo sơ đồ nắn dòng 2 nửa chu kỳ, 3 pha. Các cuộn dây stator được đấu dạng sao. Với kiểu mắc này thì quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện trên dây và trên pha là: Un = 3 UΦ và In = IΦ (2.1) Ta giả thiết rằng tải của máy phát là điện trở thuần. Điện áp tức thời trên các pha A, B, C là: UA = Umsinωt (2.2) UB = Umsin(ωt 2π3) (2.3) UC = Umsin(ωt + 2π3) (2.4) Trong đó: Um : điện áp cực đại của pha. ω = 2πf = 2π.n.p 60 là vận tốc góc. Hình 2. 12 Sơ đồ chỉnh lưu máy phát 3 pha Hình 2. 13 Điện áp sau khi chỉnh lưu. Ta cũng giả thiết là các diode mắc ở hướng thuận có điện trở Rt vô cùng bé (Rt = 0) còn ở hướng ngược thì rất lớn (Rn = ∞). Trên sơ đồ chỉnh lưu 3 pha này có 6 diode; 3 diode ở nhóm trên hay còn gọi là các diode dương (D1, D3, D5), có catod được nối với nhau; Nhóm dưới còn gọi là các diode âm (D2, D4, D6) có các anode được nối với nhau. Ở hướng dẫn điện, một diode nhóm trên dẫn điện khi anode của nó có điện thế cao hơn, còn ở nhóm dưới diode dẫn có điện thế thấp hơn. Vì vậy, ở một thời điểm bất kỳ đều có 2 diode hoạt động, một diode cực tính dương (phía trên) và một diode cực tính âm (phía dưới). Mỗi diode sẽ cho dòng điện qua trong 13 chu kỳ (T3). Điện thế dây của máy phát được đưa lên bộ chỉnh lưu. Điện áp chỉnh lưu được xác định bởi các tung độ nằm giữa các đường cong trên và dưới (hình 2.13) của điện áp pha UA, UB, UC. Vì vậy, điện áp chỉnh lưu tức thời Umf sẽ thay đổi và tần số xung động của điện áp chỉnh lưu lớn hơn tần số của điện áp pha 6 lần. 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). 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, rơ le hạn chế dòng điện, rơle dòng điện ngược, rơ le đóng mạch. Đối với máy phát một chiều làm việc song song với ắc quy: đòi hỏi phải sử dụng ba loại rơle là: rơ le điều chỉnh thế hiệu, rơ le hạn chế dòng điện và rơ le dòng điện ngược. Trong thực tế, đôi khi người ta không làm rơ le hạn chế dòng điện riêng mà làm kết hợp với rơ le điều chỉnh thế hiệu chung trong một kết cấu. Trong trường hợp đó, rơ le kết hợp này được gọi là rơ le điều chỉnh thế hiệu 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 rơ le dòng điện ngược không cần thiết nữa, vì các điốt chỉnh lưu không cho dòng điện đi ngược từ ắc quy sang máy phát. Rơle hạn chế 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 rơ le điều chỉnh thế hiệu và rơ le đóng mạch. 2.3.2. Phân loại + Theo đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc, BĐC điện được chia làm: BĐC loại rung (kiểu cơ khí). BĐC loại bán dẫn có tiếp điểm điều khiển. BĐC loại bán dẫn không có tiếp điểm điều khiển. + Theo số lượng rơle, loại rung được chia ra: Loại 1 rơ le; Loại 2 rơ le; Loại 3 rơ le; Loại 4 và 5 rơ le. Bộ ĐCĐ 4 rơ le được dùng trong trường hợp mạch kích thích của máy phát được phân nhánh. Lúc đó bộ ĐCĐ sẽ có 2 rơ le điều chỉnh thế hiệu tương ứng với các nhánh của mạch kích thích. Trong trường hợp cả mạch tải điện của máy phát cũng được phân nhánh, thì bộ ĐCĐ sẽ có thêm 1 rơ le nữa, tức là có 5 rơ le. 2.3.3. Yêu cầu Bộ điều chỉnh điện cần đáp ứng những yêu cầu sau: Điều chỉnh chính xác. Làm việc tin cậy, ổn định, chịu rung xóc tốt và tuổi thọ cao. Kết cấu, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa đơn giản. Giá thành rẻ. 2.3.4. Nguyên lý điều chỉnh thế hiệu và hạn chế dòng Từ phương trình cân bằng mạch điện của máy phát, bỏ qua trở kháng của phần ứng và độ rơi thế trên bộ chỉnh lưu (đối với máy phát xoay chiều) 1: (2.5) Trong đó: E = CEn: Suất điện động của máy phát; ở đây: CE: Hằng số kết cấu của máy phát. n: Số vòng quay phần ứng. : Từ thông của máy phát. U: Thế hiệu máy phát (trên hai đầu cuộn dây phần ứng). Iu, Ru: Dòng điện và điện trở cuộn dây phần ứng. Đối với máy phát xoay chiều Iu là giá trị trung bình của dòng đã chỉnh lưu. : Hệ số phụ tải của máy phát. Từ phương trình (2.5) ta có: (2.6) 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 , tức là thay đổi dòng điện kích thích của máy phát. Dòng điện tải của máy phát Imf Iu = (URft) (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. 14 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. 2.3.5. 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 ôxy hoá, 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 sử dụng các linh kiện bán dẫn: diode, diode ổn áp (diode zener), transistor . Nên có độ tin cậy cao, chịu rung sóc tốt và không cần thiết phải điều chỉnh định kỳ trong quá trình vận hành. 2.3.5.1. Bộ 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 2.15) Hình 2. 15 Sơ đồ nguyên lý của bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn có tiếp điểm Hình 2. 16 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‘ mở 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 E B RB mát () Bộ nắn dòng . Transitor lúc này mở cho dòng kích thích chạy qua. (+)Bộ nắn dòng E K Wkt mát () Bộ nắn dòng. + Khi Umf > Udm thì KK‘ mơ vì Fwu >Flx 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 tiếp 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 2.3.5.2. Bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn không tiếp điểm .Có 2 loại bộ điều chỉnh bán dẫn khác biệt ở transistor mắc nối tiếp với cuộn kích thích. Nếu dùng transistor loại PNP thì cuộn kích thích được nối trực tiếp ra mass còn dùng transistor loại NPN thì một đầu cuộn kích thích sẽ được nối với dương qua công tắc máy. Hình 2. 17 Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh điện áp loại bán dẫn không tiếp điểm dụng transistor PNP 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. Hình 2. 18 Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh điện áp loại bán dẫn không tiếp điểm dụng transistor NPN Tiết chế bán dẫn loại này gồm hai thành phần: thành phần đo: R1, R2, D1 và thành phần hiệu chỉnh T1, T2. Nguyên lý làm việc như sau: Khi bật công tắc máy, dòng điện từ ắc quy đến bộ điều chỉnh, đến R1→ R2 → mass. Điện áp đặt vào D1=U.R2(R1 + r2 )< UOZ điện thế làm việc của D1, nên T1 đóng. Do đó dòng đi theo mạch R3 → D2 → R4 → mass. Khi số vòng quay n của máy phát tăng cao, hiệu điện thế tăng và điện áp đặt vào D1 tăng khiến nó dẫn làm T1 dẫn bảo hòa và T2 đóng. Dòng điện trong cuộn kích thích WKT xuất hiện một suất điện động tự cảm và diode D2 dùng để bảo vệ transistor T2. Trong sơ đồ này người ta sử dụng mạch hồi tiếp âm bao gồm Rs và tụ C. Khi T2 chớm đóng, điện áp tại cực C tăng làm xuất hiện dòng điện nạp Ic (Wkt → T1 →C→ R5 → R → mass).Điện thế tại chân B của T1 tăng vì UBE1 = (R + Ic tăng) khiến T1 chuyển nhanh sang trạng thái bão hòa và T2 chuyển sang trạng thái đóng. Khi T2 chớm mở, tụ C bắt dầu phóng theo mạch +C →T2→R→ C. Dòng phóng đi qua điện trở R theo chiều ngược laị và điện áp đặt vào mối nối BE của T1 có giá trị : UBE=(I – Ic) khiến T1 chuyển sang trạng thái đóng và T2 chuyển sang trạng thái bảo hòa. Như vậy mạch hồi tiếp giúp tăng tầng số đóng mở của bộ điều chỉnh. 2.4. Phân tích, lựa chọn sơ đồ hệ thống cung cấp Sau khi tìm hiểu về hệ thống cung cấp điện trên ô tô, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận, kết hợp với tham khảo hệ thống cung cấp của một số hãng xe thì hệ thống cung cấp của xe thiết kế được chọn như sau: 2.4.1. 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. Trong các bộ chỉnh lưu đang được sử dụng rộng rãi ta chọn bộ chỉnh lưu cầu 3 pha 6 diot. vì với P