3. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
3.1. PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Trong khi thiết kế, nhà chế tạo không phải lúc nào cũng lựa chọn những phương án chỉ tối ưu về mặt kỹ thuật vì như thế giá thành của sản phẩm sẽ rất cao và rất khó để ứng dụng rộng rãi. Vì vậy, việc lựa chọn các bộ phận trong hệ thống cung cấp điện cũng vừa phải đảm bảo tính kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu trong sử dụng, vừa hài hòa trong tính kinh tế, để sản phẩm đưa ra được thị trường phải cạnh tranh và được thị trường chấp nhận.
Dựa vào các nguyên tắc trên, em lựa chọn như sau:
- Ắc quy:
Ắc quy axit có: suất điện động mỗi ngăn (~2V), điện trở trong nhỏ, nên khi phóng điện với dòng lớn, độ sụt thế ít, chất lượng khởi động tốt hơn nhưng việc bảo dưỡng khó khăn và tuổi thọ thấp. Ắc quy kiềm có: suất điện động mỗi ngăn khoảng 1,38V, điện trở
trong lớn hơn. Tuy vậy, độ bền cơ học cao hơn, tuổi thọ cao hơn (4-5 lần) và làm việc tin cậy hơn nhưng giá thành cao hơn do sử dụng các loại vật liệu quý hiếm: Niken, bạc, cadimi...
Do đó, ta chọn loại ắc quy axit (dung dịch điện phân H2SO4) như các ô tô thông thường hiện nay vẫn sử dụng: bởi có những ưu điểm đã nêu trên, được sử dụng rộng rãi nên dễ thay thế và bảo dưỡng và chi phi giá thành thấp hơn.
- Máy phát điện:
Máy phát điện 1 chiều có ưu điểm đơn giản, dễ chế tạo nhưng có hạn chế: công suất không thể lớn do chổi than chóng mòn, gây tia lửa điện, tuổi thọ thấp và khối lượng lớn.
Máy phát điện xoay chiều 3 pha kích thích bằng nam châm vĩnh cửu có ưu điểm: 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 có nhược điểm: khó điều chỉnh thế hiệu, công suất hạn chế, giá thành cao, trọng lượng lớn hơn loại máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ cùng công suất. Ngoài ra, từ thông của nó còn phụ thuộc vào chất lượng hợp kim và kim loại chế tạo nhôm. Máy phát điện xoay chiều 3 pha kích thích kiểu điện từ có những
ưu điểm của máy phát điện xoay chiều nói chung, đồng thời khắc phục những nhược điểm máy phát điện xoay chiều kích thích bằng
32 nam châm vĩnh cửu: giá thành thấp hơn, công suất lớn hơn và đặc biệt có thể điều chỉnh thế hiệu được bằng cách thay đổi dòng kích thích.
Do đó, ta chọn loại máy phát điện xoay chiều kích thích điện từ loại có vòng tiếp điện được sử dụng rộng rãi trên các ô tô hiện nay.
- Bộ chỉnh lưu: Với bộ chỉnh lưu 6 đi ốt, khi máy phát có công suất lớn (P > 1000 W), sẽ 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. Để bổ sung sự thay đổi điện thế tại điểm trung hòa vào điện áp ra của máy phát không có đi ốt ở điểm trung hòa người ta bố trí thêm 2 đi ốt chỉnh lưu giữa cực ra B và cực E (mass) và nối với điểm trung hòa để tận dụng sóng đa hài bậc 3, làm tăng công suất máy phát khoảng 10 – 15%. Vì vậy, ta chọn bộ chỉnh lưu 8 đi ốt để sử dụng tối ưu hơn.
- Bộ điều chỉnh điện áp: Khi sử dụng bộ điều chỉnh điện áp cơ khí có hai nhược điểm quan trọng là tính trễ và đặc tính nhiệt độ của nó. Tính trễ gây ra sự sụt áp, khi tiếp điểm cơ khí làm việc ở tốc cao với dòng lớn sẽ sinh nhiệt lớn làm tiếp điểm nhanh mòn và phải thường xuyên bảo dưỡng. Do đó ta chọn bộ điều chỉnh bán dẫn IC bởi có nhiều ưu điểm hơn:
Điện áp điều chỉnh ổn định, biên độ dao động nhỏ.
Dải điện áp ra hẹp hơn và ít thay đổi theo thời gian.
Chịu được rung động và có độ bền cao do không có các chi tiết chuyển động.
33
1-Máy phát điện; 2-Bộ chỉnh lưu dòng điện; 3-Bộ điều áp bán dẫn IC; 4- Đèn báo nạp; 5-Công tắc điện; 6-Bộ sưởi nhiệt
34
Nguyên lý hoạt động của hệ thống cung cấp điện:
a. Hoạt động bình thường:
- Khi khoá điện ở vị trí ON và động cơ tắt máy:
Khi bật khoá điện lên vị trí ON, điện áp ắc quy được đặt vào cực IG. Kết quả là mạch M.IC bị kích hoạt và Tranzisto Tr1 được mở ra làm cho dòng kích từ chạy trong cuộn dây rôto. Ở trạng thái này dòng điện chưa được tạo ra do vậy bộ điều áp làm giảm sự phóng điện của ắc quy đến mức có thể bằng cách đóng ngắt Tranzisto Tr1 ngắt quãng. Ở thời điểm này điện áp ở cực P = 0 và mạch M.IC sẽ xác định trạng thái này và truyền tín hiệu tới Tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp
- Khi máy phát đang phát điện (điện áp thấp hơn điện áp điều chỉnh) :
Động cơ khởi động và tốc độ máy phát tăng lên, mạch M.IC mở Tranzisto Tr1 để cho dòng kích từ đi qua và do đó điện áp ngay lập tức được tạo ra. Ở thời điểm này nếu điện áp ở cực B lớn hơn điện áp ắc quy, thì dòng điện sẽ đi vào ắc quy để nạp và cung cấp cho các thiết bị điện. Kết quả là điện áp ở cực P tăng lên. Do đó mạch M.IC xác định trạng thái phát điện đã được thực hiện và truyền tín hiệu đóng Tranzisto Tr2 để tắt đèn báo nạp
- Khi máy phát đang phát điện (điện áp cao hơn điện áp điều chỉnh) :
Nếu Tranzisto Tr1 tiếp tục mở, điện áp ở cực B tăng lên. Sau đó điện áp ở cực S vượt quá điện áp điều chỉnh, mạch M.IC xác định tình trạng này và đóng Tranzisto Tr1. Kết quả là dòng kích từ ở cuộn dây rôto giảm dần thông qua điốt Đ1 hấp thụ điện từ ngược và điện áp ở cực B (điện áp được tạo ra) giảm xuống. Sau đó nếu điện áp ở cực S giảm xuống tới giá trị điều chỉnh thì mạch M.IC sẽ xác định tình trạng này và mở Tranzisto Tr1. Do đó dòng kích từ của cuộn dây rôto tăng lên và điện áp ở cực B cũng tăng lên. Bộ điều áp IC giữ cho điện áp ở cực S (điện áp ở cực ắc quy) ổn định (điện áp điều chỉnh) bằng cách lặp đi lặp lại các quá trình trên.
b. Hoạt động không bình thường:
- Khi cuộn dây Rôto bị đứt:
Khi máy phát quay, nếu cuộn dây Rôto bị đứt thì máy phát không sản xuất ra điện và điện áp ở cực P = 0.
Khi mạch M.IC xác định được tình trạng này nó mở Tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp cho biết hiện tượng không bình thường này.
- Khi cuộn dây Rôto bị chập (ngắn mạch):
Khi máy phát quay nếu cuộn dây rôto bị chập điện áp ở cực B được đặt trực tiếp vào cực F và dòng điện trong mạch sẽ rất lớn. Khi mạch M.IC xác định được
35 tình trạng này nó sẽ đóng Tranzisto Tr1 để bảo vệ và đồng thời mở Tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp để cảnh báo về tình trạng không bình thường này.
- Khi cực S bị ngắt :
Khi máy phát quay, nếu cực S ở tình trạng bị hở mạch thì mạch M.IC sẽ xác định khi không có tín hiệu đầu vào từ cực S do đó mở Tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp. Đồng thời trong mạch M.IC, cực B sẽ làm việc thay thế cho cực S để điều chỉnh Tranzisto Tr1 do đó điện áp ở cực B được điều chỉnh (xấp xỉ 14 V) để ngăn chặn sự tăng điện áp không bình thường ở cực B.
- Khi cực B bị ngắt:
Khi máy phát quay, nếu cực B ở tình trạng bị hở mạch, thì ắc quy sẽ không được nạp và điện áp ắc quy (điện áp ở cực S) sẽ giảm dần. Khi điện áp ở cực S giảm, bộ điều áp IC làm tăng dòng kích từ để tăng dòng điện tạo ra. Kết quả là điện áp ở cực B tăng lên. Tuy nhiên mạch M.IC điều chỉnh dòng kích từ sao cho điện áp ở cực B không vượt quá 20 V để bảo vệ máy phát và bộ điều áp IC.
Khi điện áp ở cực S thấp (11 tới 13 V) mạch M.IC sẽ điều chỉnh để ắc quy không được nạp. Sau đó nó mở tranzito Tr2 để bật đèn báo nạp và điều chỉnh dòng kích từ để sao cho điện áp ở cực B giảm đồng thời bảo vệ máy phát và bộ điều áp IC.
- Khi có sự ngắn mạch giữa cực F và cực E:
Khi máy phát quay, nếu có sự ngắn mạch giữa cực F và cực E thì điện áp ở cực B sẽ được nối thông với mát từ cực E qua cuộn dây rôto mà không qua cực tranzisto Tr1. Kết quả là điện áp ra của máy phát trở lên rất lớn vì dòng kích từ không được điều khiển bởi tranzisto Tr1 thậm trí điện áp ở cực S sẽ vượt điện áp điều chỉnh. Nếu mạch M.IC xác định được cực này nó sẽ mở tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp để chỉ ra sự không bình thường này.
36 3.2. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP