2. TỔNG QUA N:
3.2.2.1. Mục đích của việc tính tốn dây dẫn:
Tất cả các hệ thống điện trên xe sử dụng dây dẫn để truyền tải điện năng từ ắc quy hoặc máy phát đến các phụ tải. Sự làm việc của phụ tải cĩ được đảm bảo hay khơng phụ thuộc lớn vào khả năng chịu tải của dây dẫn.
Nếu sử dụng các dây dẫn cĩ tiết diện khơng đảm bảo, trong quá trình hoạt động, dịng điện chạy qua sẽ làm cho dây dẫn nĩng lên quá mức, gây hiện tượng ngắn mạch do dây dẫn nĩng chảy hoặc cháy nổ đối với hệ thống điện.
Mặt khác trong hệ thống, điện năng truyền tải từ nguồn điện (Ắc quy hoặc máy phát) đến phụ tải luơn tồn tại tổn thất, tổn thất này phụ thuộc vào tiết diện của dây dẫn. Như vậy tiết diện của dây dẫn phải đảm bảo đủ lớn, để tổn thất điện áp trên hệ thống nhỏ hơn tổn thất điện áp cho phép ∆U, để các phụ tải làm việc bình thường.
Chính vì vậy, việc tính tốn kiểm nghiệm dây dẫn nhằm mục đích đánh giá khả năng làm việc của dây dẫn sử dụng cĩ đảm bảo cho hệ thống hoạt động bình thường hay khơng, tránh những sự cố điện đáng tiếc xảy ra trong hệ thống.
3.2.2.2. Cơ sở tính tốn:
Khi tính tốn kiểm nghiệm dây dẫn, ta cần xác định nhu cầu tải thực tế lớn nhất. Từ đĩ, sẽ tính được tiếp diện dây dẫn trong mạch, so sánh với tiết diện của nhà sản xuất đưa ra và kết luận.
Xác định điện áp tính tốn:
Đối với xe du lịch 5 chổ 1,153 tấn hệ thống điện sử dụng điện thế 12V và các phụ tải được mắc nối song song với nhau. Do vậy, điện thế tại các đầu vào của từng mạch đều cĩ điện thế bằng nhau, bằng điện thế nguồn và bằng 12V.
Trong hệ thống điện của xe sử dụng dịng điện một chiều, do vậy điện thế tính tốn của mạch là:
Hoặc (V) I
P
U (2)
Trong thực tế thì trên mạch điện luơn cĩ sự tổn thất, nên trong bất kỳ mạch điện luơn cĩ sự sụt áp ∆U nhất định tại điểm đầu so với điểm cuối của quá trình truyền tải điện. Nhìn chung độ sụt áp ∆U cho phép trên dây thường nhỏ hơn 10% điện áp định mức. Đối với hệ thống sử dụng nguồn 12V thì độ sụt áp cho phép của dây dẫn trên một số hệ thống điện trên xe cĩ giá trị như bảng (3- 4) .
Mặt khác ta cĩ: . . (3) S L I U
Trong đĩ: ∆U - à độ sụt áp cho phép của dây dẫn trong hệ thống.
I - là cường độ dịng điện chạy trong dây dẫn tính theo Ampe. L- là chiều dài dây dẫn trong hệ thống.
ρ - là điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn.
Từ (3) ta thấy, trong hệ thống điện với các điều kiện I, L và ρ như nhau thì độ sụt áp ∆U tỷ lệ nghịch với tiết diện S của dây dẫn. Như vậy để hệ thống làm việc bình thường thì tiết diện dây dẫn (S) tính theo độ sụt áp cho phép phải nhỏ hơn hoặc bằng tiết diện tiêu chuẩn dây dẫn của nhà sản xuất sử dụng của hệ thống trên xe.
Bảng 3- 4. Độ sụt áp tối đa trên dây dẫn kể cả mối nối
Hệ thống 12V Độ sụt áp (V) Độ sụt áp tối đa (V) Hệ thống chiếu sáng 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 Cơng suất đặt Pđ (KW):
Cơng suất đặt trong mạch là tổng của các cơng suất định mức của tất cả các thiết bị tiêu thụ điện trong từng mạch điện.
Theo định luật Ơm ta cĩ: (A) R U I (4) Hoặc (A) U P I (5)
Để hệ thống hoạt động an toàn thì dịng điện qua cuộn dây phải nhỏ hơn dịng điện của cầu chì bảo vệ cho mạch điện.
Xác định tiết diện của dây dẫn:
Độ sụt áp trên dây dẫn thường được tính bởi cơng thức
S I.L.ρ ΔU Suy ra (6) ΔU I.L.ρ S
Với là điện trở suất của dây dẫn bằng đồng, = 0,0178 (Ω.mm2/m).
3.2.2.3. Tính tốn mạch điện đèn pha-cốt:
Hình 3- 2 Sơ đồ tính tốn mạch điện đèn pha-cốt 1- Đèn pha - cốt bên trái; 2- Đèn pha - cốt bên phải.
Các thiết bị tiêu thụ điện trong mạch gồm 2 bĩng đèn pha - cốt, 2 bĩng đèn hậu. Các bĩng đèn này được bố trí thành 2 mạch nhánh, mạch nhánh bên phải ACD và mạch bên trái ABD. Mỗi nhánh gồm 1 bĩng đèn pha - cốt cơng suất 75 W và Cơng suất đặt trên mỗi mạch nhánh của mạch đèn pha-cốt.
P = 75 + 75 = 150 (W)
Để đảm bảo tính kinh tế và độ bền nhiệt của dây dẫn, nếu chọn độ sụt áp nhỏ thì tiết diện dây dẫn sẽ phải lớn khi đĩ thỏa mãn điều kiện bền nhưng lại khơng kinh tế, cịn khi ta chọn độ sụt áp quá cao sẽ dẫn đến dây dẫn cĩ tiết diện quá bé, lúc này sẽ khơng đảm bảo độ bền. Do đĩ theo (bảng 3- 4) trên ta chọn độ sụt áp trên dây dẫn
trong mạch đèn pha - cốt là ∆U = 0,3 V nằm trong khoảng giữa của độ sụt áp bé nhất và độ sụt áp tối đa.
Cường độ dịng điện trên mỗi mạch nhánh của mạch đèn pha - cốt
Theo (5) ta cĩ: 12,5 (A) 12 150 U P I Xét mạch nhánh ACD:
Khảo nghiệm thực tế trên xe, ta cĩ chiều dài đoạn dây dẫn AC là LAC = 2,0 m. Tiết diện dây dẫn AC trong mạch, theo (6) ta cĩ:
2 (mm 1,48 0,3 2 . 0,0178 . 12,5 ΔU I.L.ρ S ) Xét mạch nhánh ABD:
Khảo nghiệm thực tế, ta cĩ chiều dài đoạn dây dẫn AB là LAB=2,5 m. Tiết diện dây dẫn AB trong mạch, theo (6) ta cĩ.
2 (mm 1,85 0,3 2,5 . 0,0178 . 10,7 ΔU I.L.ρ S )
Vậy để đảm mạch hoạt động ổn định và an tồn, ta chọn dây dẫn cĩ tiết diện Sdd = 2,0 mm2.
3.2.2.4. Tính tốn mạch điệnđèn sương mù:
Hình 3- 3 Sơ đồ tính tốn mạch điện đèn sương mù 1- Đèn sương mù trước; 2- Đèn sương mù sau
Các thiết bị tiêu thụ điện trong mạch gồm 4 bĩng đèn sương mù và 2 bĩng đèn hậu. Các bĩng đèn này được bố trí thành 2 mạch nhánh, 1 mạch nhánh phía trước ACE và 1 mạch phía sau BDE. Mỗi nhánh gồm 2 bĩng đèn sương mù cơng suất 60 W và 1 bĩng đền hậu 25W.
P = 60+60+25= 145 (W)
Để đảm bảo tính kinh tế và độ bền nhiệt của dây dẫn, nếu chọn độ sụt áp nhỏ thì tiết diện dây dẫn sẽ phải lớn khi đĩ thỏa mãn điều kiện bền nhưng lại khơng kinh tế, cịn khi ta chọn độ sụt áp quá cao sẽ dẫn đến dây dẫn cĩ tiết diện quá bé, lúc này sẽ khơng đảm bảo độ bền. Do đĩ theo (bảng 3-4) trên ta chọn độ sụt áp trên dây dẫn trong mạch đèn sương mù là ∆U = 0,3 V nằm trong khoảng giữa của độ sụt áp bé nhất và độ sụt áp tối đa.
Cường độ dịng điện trên mỗi mạch nhánh của mạch đèn sương mù Theo (5) ta cĩ: 12,08 (A) 12 145 U P I Xét mạch nhánh BDE:
Khảo nghiệm thực tế trên xe, ta cĩ chiều dài đoạn dây dẫn BD là LBD=2,7 m. Tiếp diện dây dẫn BD trong mạch, theo (6) ta cĩ.
) (mm 93 , 1 0,3 2,7 . .0,0178 12,08 ΔU I.L.ρ S 2
Vậy để đảm mạch hoạt động ổn định và an tồn, ta chọn dây dẫn cĩ tiết diện Sdd=1,5 mm2.
3.2.2.5. Tính tốn mạch cịi điện:
Hình 3- 4 Sơ đồ tính tốn mạch điện cịi điện 1- Cịi điện
Các thiết bị tiêu thụ điện trong mạch: Hai cịi điện cĩ cơng suất là 30W. Cơng suất đặt trong mạch là: P = 30+30=60 (W)
Để đảm bảo tính kinh tế và độ bền nhiệt của dây dẫn, nếu chọn độ sụt áp nhỏ thì tiết diện dây dẫn sẽ phải lớn khi đĩ thỏa mãn điều kiện bền nhưng lại khơng kinh tế, cịn khi ta chọn độ sụt áp quá cao sẽ dẫn đến dây dẫn cĩ tiết diện quá bé, lúc này sẽ
khơng đảm bảo độ bền. Do đĩ theo (bảng 3- 4) trên ta chọn độ sụt áp trên dây dẫn trong mạch cịi điện là ∆U = 0,6V nằm trong khoảng giữa của độ sụt áp bé nhất và độ sụt áp tối đa.
Cường độ dịng điện I trong mạch:
A 5 12 60 U P I U.I P : cĩ Ta
Khảo nghiệm thực tế trên xe, ta cĩ chiều dài đoạn dây dẫn AB là LAB= 2,4 m. Tiết diện dây dẫn AB trong mạch, ta cĩ.
) (mm 0,71 0,6 2,4 . 0,0178 . 5 ΔU I.L.ρ S 2
Vậy để đảm mạch hoạt động ổn định và an tồn, ta chọn dây dẫn cĩ tiết diện Sdd=1,0 mm2.
3.3. Kết cấu các cụm chi tiết của hệ thống cung cấp thiết kế:
3.3.1. Máy phát điện xoay chiều:
Máy phát điện xoay chiều trên xe, cung cấp nguồn năng lượng chính, cĩ nhiệm vụ cung cấp điện cho các phụ tải và nạp điện cho ắc quy. Dịng điện cực đại máy phát cĩ thể cung cấp ở xe thiết kế là Imax = 80 [A], hiệu điện thế định mức Uđm = 14 [V].
Máy phát điện xoay chiều là máy phát điện ba pha cĩ tích hợp bộ chỉnh lưu gồm 6 diode chỉnh lưu 3 pha và 2 diode chỉnh lưu ở điểm trung hịa để bổ sung sự thay đổi điện thế tại điểm trung hồ vào điện áp ra một chiều của máy phát.
Rơ to gồm cĩ hai chùm cực hình mĩng lắp then trên trục, 3 cuộn dây mắc hình sao, rơ to là một nam châm điện, thiết kế này cho phép điều khiển dịng kích từ để điều khiển điện áp máy phát độc lập với tốc độ để tránh tình trạng ắc quy bị nạp quá.
Cuộn dây rơ to được cấp điện từ ắc quy thơng qua hai vịng trượt và hai chổi than. Chổi than luơn tì vào vịng trượt do lực lị xo. Đa số các máy phát đều được trang bị một mạch điện điều khiển dịng kích từ để điều khiển điện áp đầu ra.
F
Hình 3- 5 Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ và sơ đồ mạch. 1, 10- Vỏ sau và trước máy phát; 2- Bộ chỉnh lưu; 3-Vành chổi điện; 4- Cuộn dây staror; 5, 12- Bu lơng; 6- Lõi thép kỹ thuật; 7, 21- Rotor phải trái; 8, 17, 19- Đai ốc; 9- Quạt làm mát; 11, 12- Bu lơng; 13- Bích chặn; 14- Puly; 15- Then bán nguyệt; 16-
Trục máy; 18, 25- Ổ bi; 20- Cuộn dây kích từ; 22- Dây điện; 23- Ống cách điện; 24- Cực B; 26- Vành khuyên.
Chức năng của máy phát điện xoay chiều: Máy phát điện xoay chiều đĩng vai trị quan trọng trong hệ thống nạp. Máy phát điện xoay chiều cĩ 3 chức năng: Tạo ra dịng điện, chỉnh lưu thành dịng điện 1 chiều và điều chỉnh điện áp.
- Phát điện: Việc truyền chuyển động quay của động cơ đến puli máy phát thơng qua dây đai sẽ làm quay rơ to máy phát từ đĩ tạo ra dịng điện xoay chiều trong cuộn dây Stato.
Nguyên lý sinh ra dịng điện xoay chiều 3 pha: Khi nam châm quay từ trường quét vịng qua các cuộn dây stato sẽ biến thiên làm suất hiện dịng điện cảm ứng trong stato, các cuộn dây của stato đặt lệch nhau 120o (Tất là khi nam châm quay thì từ thơng cực đại qua mỗi cuộn dây sẽ hơn kém nhau về thời gian bằng 1/3 chu kỳ, tức là lệch pha nhau gĩc 2π/3) → các đầu dây suất hiện một dịng điện xoay chiều 3 pha.
Mối liên hệ giữa dịng điện sinh ra trong cuộn dây và vị trí của nam châm được chỉ ra trong hình 3- 6. Dịng điện lớn nhất được sinh ra khi cực N và cực S của nam châm gần với cuộn dây nhất. Tuy nhiên, chiều dịng điện ở mỗi nửa vịng quay của nam châm lại ngược nhau.
Mỗi cuộn A, B, C được đặt chênh nhau 1200. Khi nam châm quay giữa chúng cĩ dịng điện xoay chiều được sinh ra trong mỗi cuộn dây. Dịng điện bao gồm 3 dịng xoay chiều được gọi là “dịng xoay chiều 3 pha”.
- Chỉnh lưu dịng điện: Vì dịng điện được tạo ra trong cuộn dây Stato là dịng điện xoay chiều nên nĩ khơng sử dụng được cho các thiết bị điện một chiều lắp trên ơ tơ. Để sử dụng được dịng điện xoay chiều này người ta phải sử dụng bộ chỉnh lưu để chỉnh lưu dịng điện xoay chiều thành dịng điện một chiều.
0 90° 150° 240° S N 120° 120° 120° 180° 30° 120° 210° 270° 330° A B C A B C V (+) V (-) t
Hình 3- 7 Sơ đồ nguyên lý dịng điện xoay chiều 3 pha. N S N S N S N S 470° 360° 270° 180° 90° 0° N S N S N S a) b) t V (+) V (-)
Hình 3- 6 Sơ đồ nguyên lý sinh điện.
- Điều chỉnh điện áp: Bộ điều chỉnh điện áp IC điều chỉnh điện áp sinh ra để cĩ được điện áp ổn định ngay cả khi tốc độ máy phát hoặc cường độ dịng điện trong mạch thay đổi liên tục.
3.3.2. Ắc quy:
Trên ơ tơ du lịch 5 chổ sử dụng là ắc quy a xít: Dung dich điện phân là a xít H2SO4, năng lượng điện một chiều, cĩ dịng phĩng lớn, độ sụt thế tương đối bé và điện thế ổn định, cĩ khả năng phục hồi trong thời gian ngắn từ 5...10 S mà sau đĩ trạng thái kỹ thuật của chúng hầu như khơng thay đổi.
- 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 khơng làm việc hoặc làm việc ở số vịng quay nhỏ.
- Nếu phụ tải mạch ngoài lớn hơn cơng suất của máy phát, thì ắc quy sẽ cùng với máy phát cung cấp cho các phụ tải.
- Cĩ điện dung lớn với khối lượng và kích thước tương đối bé. - Cĩ điện thế ổn định, hiện tượng tự phĩng điện khơng đáng kể.
- Làm việc tin cậy khi nhiệt độ mơi trường dao động trong giới hạn rộng.
- Phục hồi nhanh chĩng điện dung khi được nạp trong các điều kiện sử dụng khác nhau.
Cĩ độ bền cơ học cao, chịu được rung sĩc, thời hạn phục vụ lớn.
Ắc quy trên xe là ắc quy khởi động, được trang bị một bình 12V, với dung lượng 80AH, cĩ 6 ngăn. Trong mỗi ngăn cĩ đặt khối bản cực gồm khối bản cực dương (+) và khối bản cực âm (-), ngăn cách với nhau bằng các tấm ngăn, mỗi ngăn như vậy gọi là ắc quy đơn.
Mỗi ắc quy đơn sản sinh ra một điện áp khoảng 2,1V, các ngăn được mắc nối tiếp với nhau bằng các cầu nối tạo thành bình ắc quy. Mỗi ngăn bao gồm các tấm cực dương (+) làm bằng monoxide chì, tấm ngăn cĩ cấu trúc rỗng tổ ong cho phép axit đi qua, cực âm (-) làm bằng chì nguyên chất và dung dịch điện là axit sulfuric (H2SO4) cho phép dịng điện chạy qua. Các tấm cực dương (+) nối với nhau tạo thành cực dương (+), các tấm cực âm (-) nối với nhau tạo thành cực âm (-). Trong quá trình hoạt động (nạp điện hoặc phĩng điện) sẽ cĩ sự chuyển dịch các ion điện tích từ cực dương (+) qua điện dịch điện phân đến các cực âm (-).
Hình 3- 8 Cấu tạo bình ắc quy axít
1- Điện cực (-); 2- Nút vặn để kiểm tra và đổ dung dịch H2SO4; 3- Nắp trên ắc quy ; 4- Cầu nối; 5. Điện cực (+); 6- Thanh nối;. 7- Tấm bản cực; 8- Tấm ngăn; 9- Viền
giữ; 10- Vỏ ắc quy.
Khi ắc quy được nạp đầy điện, tỉ trọng của dung dịch điện dịch là 1,25g/cm3 (với một số nước nhiệt đới tỉ trọng thấp hơn là 1,23g/cm3 nếu nồng độ qúa cao chĩng hỏng tấm ngăn và bản cực, nếu quá thấp thì điện dung định mức và thế hiệu ắc quy giảm). Trong điều kiện thời tiết lạnh, cơng suất ắc quy và khả năng khởi động lạnh sẽ giảm xuống do phản ứng hĩa học xảy ra chậm hơn. Khi ắc quy được nạp đầy điện, điện áp của một ngăn cĩ thể lên đến ( 2,2V), khi ắc quy được coi là phĩng điện hoàn