Đất nước chúng ta ngày càng phát triển mạnh mẽ, tiến sâu vào công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Đóng góp vào phần đó không thể thiếu ngành công nghiệp ô tô. Hiện nay Đảng và Nhà nước rất chú trọng và ủng hộ vào việc phát triển ngành công nghiệp ô tô nước nhà lên tầm cao mới và đưa vào những ngành kinh tế chủ lực. Hiểu được những lợi thế đó sinh viên ngành kỹ thuật Cơ khí động lực của Khoa Cơ khí Giao thông ngày càng phấn đấu, học tập, trao dồi kiến thức vững vàng cả về lý thuyết và về thực hành thật chắc. Để sau khi ra trường có thể tự tin thích ứng với môi trường công việc khỏi bỡ ngỡ. Đồ án môn học Thiết kế hệ thống điện tử ô tô là một đồ án rất quan trọng, để hoàn thành được đồ án này sinh viên cần vận dụng kiến thức lý thuyết trên lớp và kiến thức thực tế sau khi đi thực tập dưới xưởng của Khoa, vì vậy em thấy đây là một đồ án rất là thiết thực và cần thiết cho sinh viên trước khi ra trường. Được sự hướng dẫn tận tình và tâm huyết của thầy TS.Nguyễn Việt Hải đã giúp em hoàn thành đồ án môn học này một cách tốt nhất và biết thêm được nhiều kiến thức thực tế. Tuy vậy do thời lượng không nhiều kiến thức thực tế còn chưa sâu rộng, nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Em mong được thầy đưa ra lời nhận xét để em hoàn thiện hơn.
Các thông số cơ bản của hệ thống cung cấp 3
Công suất máy phát điện trên ô tô cần đủ lớn để cung cấp điện cho tất cả các thiết bị hoạt động trên xe Hiện nay, công suất của các máy phát này thường dao động từ 700 đến 1500W.
- Dòng điện cực đại: Là dòng điện lớn nhất mà máy phát có thể cung cấp thông thường thì Imax = 70 ÷ 140A theo [1]
- Tốc độ cực tiểu và tốc độ cực đại của máy phát: nmin, nmax phụ thuộc vào tốc độ của động cơ đốt trong.
- Nhiệt độ cực đại của máy phát t o max: 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, đối với tải có điện áp Ut = 12V.
Sơ đồ tổng quát cung cấp cho các phụ tải của hệ thống cung cấp 4
Nguồn năng lượng điện chính của hệ thống cung cấp trên xe là máy phát điện, đảm nhận vai trò cung cấp điện cho các hệ thống như điều khiển động cơ, chiếu sáng, tín hiệu và thông tin Trong trường hợp máy phát chưa hoạt động, ắc quy sẽ cung cấp năng lượng cho hệ thống khởi động.
Hình 1.2- Sơ đồ hệ thống cung cấp điện tổng quát
CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THÔNG CUNG CẤP 5
Máy phát điện 5
2.1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu
Máy phát điện 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 số vòng quay trung bình và lớn của động cơ
- Máy phát trên ô tô máy kéo, theo tính chất dòng điện phát ra có 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 3)
+ Loại điều chỉnh ngoài (bằng bộ điều chỉnh điện kèm theo)
Máy phát điện một chiều loại điều chỉnh có cấu trúc đơn giản và khả năng tự động điều chỉnh dòng điện theo số vòng quay Tuy nhiên, loại máy này cũng gặp phải nhiều nhược điểm.
- Phải luôn nối mạch điện với ắc quy chúng mới làm việc được
- Cản trở việc điều chỉnh thế hiệu máy phát
- Làm giảm tuổi thọ của acqui.
Do đó, máy phát điện một chiều bây giờ không còn được sử dụng:
- 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)
Hiện nay, ô tô đã chuyển sang sử dụng máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ, nhờ vào những ưu điểm vượt trội so với máy phát sử dụng nam châm vĩnh cửu.
Máy phát điện trên ô tô 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
- Làm việc tin cậy trong môi trường có nhiệt độ cao, có nhiều hơi dầu mỡ nhiên liệu
- Kích thước, trọng lượng nhỏ
Máy phát xoay chiều có giá thành thấp hơn so với máy phát một chiều và sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội, như không có vòng đổi điện và cuộn dây rotor đơn giản hơn Do đó, xu hướng hiện nay là chuyển sang sử dụng máy điện xoay chiều.
2.1.3 Máy phát điện xoay chiều
2.1.3.1 Máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu
Cấu tạo gồm hai phần chính là rotor và stator
Rôto là phần quan trọng trong các máy phát điện hiện nay, với hầu hết các loại máy phát sử dụng nam châm quay Các máy phát này khác nhau chủ yếu ở cấu trúc của rôto, bao gồm các loại như rôto nam châm hình trụ, rôto nam châm hình sao (có hoặc không có các má cực), và rôto nam châm hình móng Trong số đó, rôto nam châm hình móng là loại phổ biến nhất được sử dụng trong ô tô hiện nay.
Hình 2.3- Rôto nam châm hình móng
1 - Cực bắc nam châm; 2 - Cực nam của nam châm; 3 - Trục Rôto
Stato là một khối thép hình trụ rỗng, được cấu tạo từ các lá thép điện kỹ thuật cách điện bằng sơn cách điện nhằm giảm dòng fucô Bên trong stato có các vấu cực để quấn cuộn dây phần ứng.
Hình 2.4- Hệ thống từ của máy phát có stato dây đấu hình sao 1- Stato; 2 - Rôto
Khi động cơ hoạt động, trục khuỷu kéo rôto của máy phát quay thông qua bộ truyền đai Rotor, là nam châm vĩnh cửu với 6 cực, khi quay tạo ra từ trường thay đổi, cắt qua các vòng dây của cuộn stato Sự cắt này sinh ra sức điện động biến đổi về trị số và hướng trong cuộn dây Khi mạch được đóng, sức điện động cảm ứng này tạo ra dòng điện xoay chiều cung cấp cho phụ tải.
2.1.3.2 Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ
Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ cho ô tô máy kéo được chia thành hai loại: loại có vòng tiếp điện và loại không có vòng tiếp điện Loại có vòng tiếp điện sử dụng thiết bị tiếp điện để truyền tải điện năng, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và hiệu quả.
Máy phát điện loại có vòng tiếp điện được cấu tạo từ các bộ phận chính như rotor, stato, các cuộn dây stato, nắp, puli, cánh quạt và bộ chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu có thể được tính vào thành phần cấu tạo của máy phát hoặc đặt riêng biệt bên ngoài, tùy thuộc vào thiết kế.
Hình 2.5 – Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ
1-stator và cuộn dây; 2 - Rotor; 3 - Cuộn dây kích thích; 4 - Quạt gió ; 5 - pully; 6,7- Nắp; 8 - Bộ chỉnh lưu; 9-Vòng tiếp điện; 10- Chổi điện và giá đỡ.
Rôto bao gồm hai má cực từ hình móng ngựa bọc ngoài cuộn dây phần cảm lắp trên trục, với hai vòng than góp điện Khi dòng điện kích thích vào cuộn dây, hai má cực từ trở thành nam châm điện, tạo ra từ cực N-B xen kẽ nhau.
Hình 2.6- Cấu tạo rôto 1- Chùm 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; 7- Vòng tiếp điện.
+ 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 2.7- Stato và sơ đồ cuốn dây máy phát điện xoay chiều 1- Khối thép từ; 2- Cuộn dây;
Máy phát điện 3 pha có stato với ba cuộn dây giống nhau, được đặt lệch nhau 120° Dòng điện được sinh ra trong các cuộn dây này là dòng điện xoay chiều, với sự lệch pha 120°, tạo nên dòng điện 3 pha.
Các cách mắc cuộn dây của stator gồm: mắc hình sao và mắc hình tam giác (hình 2.8 và hình 2.9).
Hình 2.9- mắc hình tam giác
- Hiện nay trên ô tô chủ yếu sử dụng máy phát điện xoay chiều 3 pha kích thích kiểu điện từ có vòng tiếp điện. b Loại không có vòng tiếp điện
Máy phát điện không có vòng tiếp điện và máy phát điện có vòng tiếp điện về cấu trúc chính không có sự khác biệt lớn Sự khác biệt chủ yếu nằm ở việc loại không có vòng tiếp điện không sử dụng tiếp điện và chổi than, cùng với cuộn dây kích thích đứng yên Điều này dẫn đến việc máy phát điện không có vòng tiếp điện có tuổi thọ và độ tin cậy cao hơn đáng kể.
- Cuộn dây kích thích 3 được đặt ngay trên phần ống nhô ra của nắp sau hay cố định trên đĩa 6 bắt chặt vào khối thép từ của stato.
Máy phát điện xoay chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có nhiều ưu điểm như làm việc tin cậy, kết cấu đơn giản, hiệu suất cao và ít nóng Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số nhược điểm quan trọng, bao gồm khó điều chỉnh hiệu điện thế, công suất hạn chế, giá thành cao và trọng lượng lớn hơn so với loại điện từ cùng công suất Thêm vào đó, từ thông phụ thuộc nhiều vào chất lượng hợp kim và kim loại chế tạo nam châm Do đó, hiện nay, trên ô tô chủ yếu sử dụng máy phát xoay chiều kích từ bằng nam châm điện.
Trên ô tô, các thiết bị yêu cầu dòng 1 chiều để hoạt đông và ắc quy cần dòng
Máy phát ô tô chủ yếu sử dụng dòng điện xoay chiều, do đó cần có bộ phận chỉnh lưu để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
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.
Dựa vào chu kỳ chỉnh lưu ta có:
- Bộ chỉnh lưu một nữa chu kỳ
- Bộ chỉnh lưu hai nữa chu kỳ.
Hiện nay, bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với 6 di-ốt là thiết bị phổ biến nhất trên ô tô Với cấu tạo đơn giản, tính ổn định cao và tuổi thọ lâu dài, bộ chỉnh lưu này rất phù hợp với điều kiện làm việc của hệ thống cung cấp điện trên xe.
2.2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Bộ chỉnh lưu được cấu tạo từ các diode, là thiết bị bán dẫn cho phép dòng điện chỉ chạy theo một hướng và ngăn chặn dòng điện chảy ngược lại.
Bộ điều chỉnh điện 16
2.3.1 Công dụng, phân loại và yêu cầu
- 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
● Theo nguyên lý làm việc bộ điều chỉnh điện (ĐCĐ) được chia ra các loại:
- Loại rung (kiểu cơ khí)
- Loại bán dẫn có tiếp điểm.
- Loại bán dẫn không có tiếp
● Theo chức năng điều chỉnh :
Bộ đóng mạch cho máy phát điện 1 chiều hoạt động song song với ắc quy cần thiết phải sử dụng các thiết bị như bộ đóng mạch điện áp, bộ đóng mạch dòng điện và bộ đóng mạch dòng điện ngược.
Còn đối với máy phát điện xoay chiều thì chỉ cần BĐC điện áp và bộ đóng mạch
● Bộ điều chỉnh điện cần đáp ứng những yêu cầu sau:
- 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
2.3.2 Nguyên lý điều chỉnh điện áp
Nguyên lý hoạt động của rotor điện từ cho phép điều chỉnh từ thông bằng cách thay đổi cường độ dòng điện cung cấp cho rotor Khi cường độ dòng điện tăng, từ thông qua cuộn dây stator cũng tăng, dẫn đến điện áp đầu ra tăng theo Ngược lại, khi cường độ dòng điện giảm, từ thông và điện áp đầu ra cũng giảm Nhờ vào nguyên lý này, việc điều chỉnh điện áp đầu ra của máy phát trở nên khả thi, giúp duy trì điện áp trong hệ thống ở mức ổn định.
E = CEnΦ: Suất điện động của máy phát; ở đây: CE: Hằng số kết cấu của máy phát; n: Số vòng quay phần ứng; Φ: 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; β = I u R u
U : Hệ số phụ tải của máy phát.
Từ phương trình (1.4) ta có: (1+ β ) (1+ β )
Từ phương trình này ta thấy rằng:
Khi tốc độ và phụ tải của máy phát thay đổi, để duy trì thế hiệu không đổi, cần điều chỉnh từ thông Φ bằng cách thay đổi dòng điện kích thích của máy phát.
Dòng điện tải của máy phát được xác định bởi công thức Imf ≈ Iu = (U/Rft), trong đó Rft là tổng trở của tất cả các phụ tải Điều này cho thấy rằng khi phụ tải và số vòng quay của máy phát thay đổi, việc điều chỉnh dòng điện máy phát tương tự như việc điều chỉnh dòng kích thích của nó.
2.3.3 Bộ điều chỉnh điện áp loại rung
1- Cuộn dây, 2- Giá đỡ, 3- Cần tiếp điểm.
Hình 2.13- Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh loại rung
Cấu tạo của thiết bị bao gồm khung từ, lõi thép và cuộn dây từ hóa được đặt dưới điện thế máy phát Cần có khả năng quay quanh điểm tựa trên khung từ, với tiếp điểm kk’ Trong đó, k là má vít cố định, còn K’ là má vít động gắn trên cần tiếp điểm.
Lò xo (lx) có khuynh hướng giữ cho tiếp điểm kk’ luôn ở trạng thái đóng; điện trở phụ Rf mắc song song với kk’.
Nguyên lý hoạt động của máy phát điện là khi ở trạng thái không làm việc hoặc hoạt động với số vòng quay nhỏ, lực điện từ tạo ra bởi cuộn dây từ hóa wu (Fdt) nhỏ hơn lực kéo của lò xo Do đó, tiếp điểm kk’ giữ ở trạng thái đóng, khiến điện trở phụ Rf bị nối tắt và dòng điện kích thích sẽ đi theo mạch đã xác định.
(+) MF → a → b → cần (3) → KK’ → d →W kt → (-) MF
Khi tốc độ máy phát tăng, dòng điện kích thích và thế hiệu máy phát cũng tăng theo Khi Umf lớn hơn Uđm, dòng điện qua cuộn dây Wu tăng, khiến lực điện từ vượt qua lực lò xo, dẫn đến việc tiếp điểm KK’ mở ra Lúc này, điện trở tự động được kết nối vào mạch kích thích, làm giảm cường độ dòng kích thích và thế hiệu máy phát.
Thế hiệu máy phát giảm làm giảm lực hút điện từ của cuộn dây Wu và khi
Khi Umf < Uđm, lực lò xo sẽ thắng lực điện từ, dẫn đến việc đóng tiếp điểm KK’, làm cho điện trở phụ bị nối tắt và kích thích dòng điện cùng thế hiệu máy phát tăng lên Sự gia tăng thế hiệu máy phát làm tăng lực điện từ của cuộn dây, và khi Fđt > Flx, tiếp điểm KK’ sẽ mở ra Quá trình đóng mở tiếp điểm KK’ diễn ra lặp đi lặp lại với tần số cao, giúp duy trì sự ổn định cho hiệu điện thế mà máy phát tạo ra.
2.3.4 Bộ điều chỉnh điện áp lại bán dẫn
Các bộ điều chỉnh rung có ưu điểm như kết cấu đơn giản, giá thành rẻ và hiệu suất cao Tuy nhiên, nhược điểm của chúng bao gồm việc điều chỉnh phức tạp, nhạy cảm với rung động và bụi bẩn, cùng với việc các tiếp điểm dễ bị ô xi hóa và chóng mòn, đặc biệt khi kết nối với dòng điện lớn Do đó, xu hướng hiện nay là sử dụng bộ điều chỉnh bán dẫn không có tiếp điểm để khắc phục những vấn đề này.
Bộ điều chỉnh điện áp không tiếp điểm sử dụng transistor, như được minh họa trong hình (2.14), bao gồm một mạch đo với các thành phần R1, R2, R, và diode VD1, cùng với thiết bị điều chỉnh dạng transistor PNP, bao gồm các linh kiện VT1, VT2, diode VD2, và các biến trở R3, R4, cùng với Ro.
Tải của transistor là cuộn dây kích thích Wkt của máy phát được mắc song song với diode VD3.
Khi điện áp trên điện trở R1 thấp hơn điện áp mở của diode zener VD1, diode sẽ không dẫn điện, dẫn đến cường độ dòng điện trong mạch R-VD1 gần như bằng không Điều này cũng có nghĩa là điện áp tại mối nối BE của transistor UEB1 sẽ nhỏ hơn 0.
Vì vậy, transistor VT1 sẽ ở trạng thái ngắt, VT2 dẫn dòng điện đi theo mạch sau:
(+) MF → R 0 → VD2 → VT2 → W kt → (-) MF Tạo ra dòng kích thích MF
When the voltage across resistor R1 exceeds the Zener diode's breakdown voltage VD1, the diode becomes conductive This causes the voltage at the base-emitter junction of transistor VT1 to be greater than 0.7V, leading to the conduction of transistor VT1 while transistor VT2 remains off.
Dòng điện đi theo mạch sau: (+) MF → R 0 → VD2 → VT2 → R 4 → (-) MF.
Khi dòng điện không qua Wkt, máy phát mất dòng kích thích, dẫn đến giảm điện áp và cường độ dòng điện Khi Umf nhỏ hơn UR1, diode VD1 sẽ ngắt, và chu trình này sẽ lặp lại Nhờ đó, điện áp Umf được duy trì ổn định.
Hình 2.14- Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh loại bán dẫn
Một số mạch của hệ thống cung cấp thực tế trên xe 21
2.4.1 Loại dùng bộ điều chỉnh kiểu bán dẫn
Bộ điều chỉnh này hoạt động dựa trên nguyên tắc nhận diện điện áp máy phát thông qua diode Zenner, điều khiển dòng qua cuộn kích từ bằng transistor công suất Khi điện áp máy phát đi qua diode Zenner, diode sẽ dẫn tùy thuộc vào giá trị điện áp, từ đó tạo ra tín hiệu được gửi đến bộ điều khiển trung gian Cuối cùng, tín hiệu này sẽ ngắt hoặc dẫn transistor, giúp duy trì điện áp ở mức hiệu chỉnh.
Theo [3], ta có sơ đồ nguyên lý được biểu diễn ở hình (2.15)
Hình 2.15- Sơ đồ nguyên lý của hệ thống cung cấp sử dụng bộ điều chỉnh bán dẫn
1- Ắc quy; 2- Công tắc; 3- Phụ tải; 4- Cuộn dây Stator; 5- Cuộn dây Rotor; 6- Diode; 7- Diode zenner; 8- Đèn báo nạp; 9-Transistor; 10-Điện trở; 11- Cầu chì;I- Máy phát; II- Bộ chỉnh lưu; III- Bộ điều chỉnh.
- Khi bật IG/SW, thì sơ đồ hoạt động như sau : Từ (+) Ắc quy → đèn báo nạp và R5 → R1 : phân cực thuận cho T2 và T3 làm T2 và T3 dẫn
+ Từ (+) Ắc quy→ đèn báo nạp và R5 → Wkt → F → T2, T3 → mát : cung cấp dòng kích từ ban đầu cho máy phát.
Khi rotor của máy phát quay, từ thông qua stator thay đổi, tạo ra dòng điện xoay chiều 3 pha Dòng điện này sau đó được chỉnh lưu bởi 3 diode, kết nối với đèn báo nạp, nhằm tắt đèn báo nạp và cung cấp điện cho đầu dương của Wkt.
Khi tốc độ rotor đạt ngưỡng tối ưu, điện áp phát ra sẽ vượt quá điện áp hiệu chỉnh, dẫn đến điện áp rơi trên R3 trong cầu phân áp R2, R3 đủ lớn để kích hoạt Zenner Dz Sự kiện này khiến T1 dẫn, trong khi T2 và T3 ngắt, làm ngắt dòng qua Wkt và dẫn đến giảm điện áp máy phát Quá trình này lặp lại nhằm ổn định điện áp tại mức hiệu chỉnh.
- D7 dùng để dập sức điện động tự cảm sinh ra trong Wkt khi T2, T3 dẫn và ngắt.
2.4.2 Loại dùng bộ điều chỉnh kiểu IC
Loại dùng tiết chế IC, tham khảo tài liệu [3]
Bộ điều chỉnh này bao gồm cánh tản nhiệt và giắc nối, giúp hệ thống trở nên nhỏ gọn và tiện lợi hơn.
- Chức năng của bộ tiết chế vi mạch là:
+ Cảnh báo khi máy phát không phát điện và tình trạng nạp không bình thường
+ Bật đèn báo nạp khi có sự cố xảy ra
+ Khi điện áp máy phát thấp hơn điện áp hiệu chỉnh
Hình 2.16- Sơ đồ điều chỉnh khi điện áp máy phát thấp hơn định mức
B- Cực nối với đầu ra của máy phát; P- Cực nối đầu ra của stator; F- Cực nối đầu ra của cuộn dây kích từ; E- Cực nối mass; IG- Cực nối với đầu đánh lửa;
Cực S kết nối với đầu ắc quy, trong khi cực L nối với đèn báo nạp Mạch M điều khiển các transistor Tr1 và Tr2, cho phép động cơ khởi động và tăng tốc độ máy phát IC kích hoạt transistor Tr1, cho phép dòng kích từ đi qua và tạo ra điện áp ngay lập tức Nếu điện áp ở cực B lớn hơn điện áp ắc quy, dòng điện sẽ nạp vào ắc quy và cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện, dẫn đến việc điện áp ở cực P tăng lên.
Mạch M.IC xác định trạng thái phát điện và truyền tín hiệu để tắt đèn báo nạp bằng cách đóng Transistor Tr2 Theo tài liệu số [3], sơ đồ hoạt động của bộ điều chỉnh được trình bày khi điện áp máy phát thấp hơn điện áp hiệu chỉnh.
Hình 2.17- Khi điện áp máy phát cao hơn điện áp hiệu chỉnh
B- Cực nối với đầu ra của máy phát; P- Cực nối đầu ra của stator; F- Cực nối đầu ra của cuộn dây kích từ; E- Cực nối mass; IG-Cực nối với đầu đánh lửa; S -Cực nối với đầu ắc-quy; L- Cực nối với đèn báo nạp; D1- Diode; Tr1, Tr2 -Các transistor.
+ Khi điện áp máy phát cao hơn điện áp hiệu chỉnh:
Khi Transistor Tr1 mở, điện áp tại cực B tăng lên, dẫn đến việc điện áp ở cực S vượt quá giá trị điều chỉnh, khiến mạch M IC đóng Transistor Tr1 Hệ quả là dòng kích từ qua cuộn dây rotor giảm, làm giảm điện áp ở cực B Nếu điện áp ở cực S giảm xuống giá trị điều chỉnh, mạch M IC sẽ mở lại Transistor Tr1, tăng dòng kích từ và điện áp ở cực B Bộ điều chỉnh liên tục duy trì điện áp ở cực S ổn định thông qua quá trình lặp lại này Diode D1 hấp thụ sức điện động ngược phát sinh từ cuộn rotor khi transistor Tr1 đóng mở.
Phân tích, lựa chọn sơ đồ cho hệ thông cung cấp 25
Hiện nay, các thiết bị trên xe sử dụng dòng điện một chiều, nhưng máy phát một chiều gặp nhiều nhược điểm Cấu tạo phức tạp của vòng đổi điện cuộn dây rotor khiến tuổi thọ máy phát thấp và việc sửa chữa, bảo dưỡng trở nên khó khăn.
Máy phát xoay chiều có cuộn dây rotor đơn giản, giúp tăng tuổi thọ và dễ bảo trì Với dòng kích thích nhỏ, máy phát này không gây cháy vòng tiếp điện Tỉ số truyền từ động cơ đến máy phát có thể đạt 2.5÷3 lần, cho phép máy phát phát ra công suất từ 25÷30% công suất định mức khi động cơ ô tô chạy không tải, cải thiện điều kiện nạp cho ắc quy.
Chúng tôi chọn máy phát điện xoay chiều 3 pha với hệ thống kích thích bằng nam châm điện vì nó có nhiều ưu điểm nổi bật Máy phát này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn dễ dàng điều chỉnh điện áp, trong khi máy phát kiểu kích thích bằng nam châm vĩnh cửu gặp nhiều nhược điểm như khó điều chỉnh điện áp, công suất hạn chế, giá thành cao và trọng lượng lớn Hơn nữa, hiệu suất của máy phát bằng nam châm vĩnh cửu còn phụ thuộc vào chất lượng hợp kim và kim loại chế tạo nam châm, điều này không xảy ra với máy phát kích thích bằng nam châm điện.
Để đáp ứng yêu cầu của hệ thống cung cấp điện cho xe, đặc biệt là máy phát, chúng tôi đã chọn máy phát xoay chiều ba pha với kích từ bằng nam châm điện Xe được thiết kế là xe tải và hệ thống điện sử dụng dòng điện 12V.
Hình 2.18 – Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ
1-stator và cuộn dây; 2 - Rotor; 3 - Cuộn dây kích thích; 4 - Quạt gió ; 5 - pully; 6,7- Nắp; 8 - Bộ chỉnh lưu; 9-Vòng tiếp điện; 10- Chổi điện và giá đỡ.
2.5.2 Lựa chọn bộ chỉnh lưu
Để chuyển đổi dòng điện xoay chiều 3 pha thành dòng điện một chiều, cần sử dụng bộ chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu sẽ thực hiện quá trình chuyển đổi từ dòng điện xoay chiều (AC) sang dòng điện một chiều (DC).
Hình 2.19- Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha và tia
Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng kích từ nam châm điện hiện nay được ưa chuộng nhờ vào khả năng tạo ra dòng điện ổn định với biên độ dao động thấp và thiết kế đơn giản Trong đồ án này, tôi sẽ áp dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha và cấu hình mắc song song.
2.5.3 Lựa chọn bộ điều chỉnh
Bộ điều chỉnh điện áp loại rung nổi bật với kết cấu đơn giản, giá thành thấp và hiệu suất cao Tuy nhiên, chúng cũng gặp phải một số nhược điểm như khả năng điều chỉnh phức tạp, nhạy cảm với rung động và bụi bẩn, cùng với các tiếp điểm dễ bị oxy hóa và mòn rỗ, đặc biệt khi cắt nối dòng điện lớn Để khắc phục những vấn đề này, có thể áp dụng các biện pháp như phân nhánh mạch kích thích hoặc sử dụng bộ điều chỉnh điện áp hai nấc.
…) thì làm phức tạp kết cấu, tăng giá thành và giảm độ tin cậy.
Hiện nay, xu hướng sử dụng bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn đang gia tăng, thay thế cho các bộ điều chỉnh loại rung Trong đồ án này, tôi sẽ lựa chọn bộ điều chỉnh bán dẫn không có tiếp điểm do chúng có độ tin cậy cao, khả năng chịu rung xóc tốt và không yêu cầu bảo dưỡng định kỳ thường xuyên trong quá trình vận hành.
Hình 2.20 - Bộ điều chỉnh loại bán dẫn
Sau khi đã chọn máy phát, bộ chỉnh lưu và bộ điều chỉnh ta có sơ đồ mạch điện của hệ thống cung cấp như sau:
Hình 2.15- Sơ đồ nguyên lý của hệ thống cung cấp sử dụng bộ điều chỉnh bán dẫn
1- Ắc quy; 2- Công tắc; 3- Phụ tải; 4- Cuộn dây Stator; 5- Cuộn dây Rotor; 6- Diode; 7- Diode zenner; 8- Đèn báo nạp; 9-Transistor; 10-Điện trở; 11- Cầu chì;
I- Máy phát; II- Bộ chỉnh lưu; III- Bộ điều chỉnh.
TÍNH TOÁN MÁY PHÁT VÀ DÂY DẪN 29
Tính toán công suất máy phát 29
Phụ tải điện trên ô tô được phân loại thành ba loại chính: tải thường trực, tải gián đoạn dài hạn và tải gián đoạn ngắn hạn Tải thường trực là những phụ tải hoạt động liên tục khi xe di chuyển, trong khi tải gián đoạn có thể chia thành hai loại dựa trên thời gian hoạt động Hình 3.1 minh họa sơ đồ các loại phụ tải điện thường gặp trên ô tô hiện đại.
Để chọn loại máy phát phù hợp cho ô tô, cần tính toán công suất máy phát dựa trên tổng công suất tiêu thụ của các phụ tải, bao gồm cả phụ tải liên tục và gián đoạn, nhằm đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho các thiết bị.
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.
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.
3.1.1 Công suất tiêu thụ cần thiết cho tất cả các phụ tải hoạt động liên tục
Phụ tải liên tục trên xe bao gồm các thiết bị điện và điện tử hoạt động liên tục khi động cơ đang chạy Hệ số sử dụng của những phụ tải này luôn là 1, cho thấy chúng luôn tiêu thụ điện năng trong suốt thời gian hoạt động của xe.
Theo đề bài cho, ta có được bảng 3.1, từ đó ta tính được tổng công suất cần thiết cho các phụ tải hoạt động liên tục.
Bảng 3.1- Công suất tiêu thụ của phụ tải liên tục
3 Hệ thống phun nhiên liệu 80 1 80
4 Hệ thống điều khiển (ECU) 170 1 170
3.1.2 Công suất tiêu thụ cần thiết cho các phụ tải gián đoạn
Phụ tải gián đoạn là loại phụ tải chỉ hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định trong quá trình vận hành ô tô, với hệ số sử dụng nhỏ hơn 1 và thay đổi theo từng giai đoạn sử dụng Việc lựa chọn máy phát điện phù hợp phụ thuộc vào loại xe và điều kiện làm việc, nhằm đảm bảo thời gian sử dụng phụ tải gián đoạn hợp lý, giúp máy phát cung cấp đủ công suất cho tất cả các phụ tải trong điều kiện vận hành thường xuyên.
Hệ số sử dụng phụ tải λ của từng thiết bị phụ thuộc vào thời gian hoạt động của nó Tần suất sử dụng các phụ tải này thay đổi theo các điều kiện môi trường như nắng, mưa, sương mù, cũng như sự khác biệt giữa ngày và đêm.
Dựa vào tài liệu [1] kết hợp với phân tích theo điều kiện sử dụng ở nước ta.
Ta có cá hệ số sử dụng phụ tải như sau:
- Radio là phương tiện giải trí trên xe, tùy vào sở thích từng tài xế lái xe Ta chọn λ= 0,2
- Đèn báo trên bảng táp lô thường gồm các đèn tín hiệu và đèn cảnh báo…, các đèn này hoạt động khá nhiều nên ta chọn λ= 0,6
- Đèn kích thước trong khoảng thời gian hoạt động của xe nên thời gian hoạt động chiếm gần nửa thời gian, ta chọn λ= 0,6
- Đèn biển số thì lúc nào xe chạy ban đêm thì mới được sử dụng hơn, vì vậy ta chọn λ= 0,3
Khi đỗ xe, đèn tín hiệu chỉ được bật khi xe dừng lại Tùy thuộc vào công việc của từng người lái xe, như tài xế taxi hay nhân viên, cách thức đỗ xe sẽ có sự khác biệt Do đó, việc lựa chọn đèn đỗ xe phù hợp là rất quan trọng.
Đèn pha và đèn cos thường được sử dụng vào ban đêm và không thể hoạt động cùng lúc Do đó, thời gian hoạt động của mỗi loại đèn được coi là tương đương Trong trường hợp này, chúng ta chọn λ = 0,4.
- Đèn stop bào hiệu khi xe dừng tạm thời và khi phanh Với điều kiện giao thông ở nước ta thì ta chọn λ= 0,1
Đèn trần thường được sử dụng vào ban đêm, nhưng không phải là nguồn sáng chính như đèn Taplo hay đèn pha, mà chỉ được bật khi người dùng cảm thấy cần thiết, với hệ số λ = 0,3.
- Motor nâng/hạ kính được sử dụng khi muốn mở kính, ta chọn λ= 0,1
- Quạt điều hòa nhiệt độ sử dụng khá nhiều do khí hậu nước ta có 2 mùa nóng lạnh khá rõ rệt nên λ= 0,6
- Sấy kính sử dụng để làm khô kính khi bị hơi ẩm bám vào, được sử dụng vào mùa đông Ta chọn λ= 0,2
- Motor khởi động chỉ dùng khi khởi động xe, motor rửa kính tần số sử dụng thấp, chỉ khi muốn làm sạch kính nên λ=0,1
- Còi là thiết bị quan trọng sử dụng thường xuyên và là thiết bị dụng khá nhiều ở Việt Nam nên λ= 0,2
- Đèn sương mù rất ít được sử dụng do điều kiện khí hậu của nước ta ít sương mù nên ta chọn λ = 0,1
Đèn đổ xe, đèn lùi và đèn báo rẽ được sử dụng ít hơn và chỉ trong những trường hợp cần thiết như dừng xe, lùi hoặc rẽ Thời gian sử dụng của các loại đèn này thường ngắn, do đó hệ số λ được xác định là 0,1.
Quạt làm mát động cơ hiện nay không còn hoạt động liên tục như trước, mà chỉ kích hoạt khi nhiệt độ động cơ vượt quá ngưỡng cho phép Để tối ưu hóa hiệu suất, chúng ta chọn hệ số λ là 0,7.
- Mồi thuốc ít dùng vì hút thuốc trong xe sẽ tạo ra rất nhiều tác hại nên λ 0,1
- Motor gạt nước mưa được sử dụng nhiều vào mùa mưa, tùy thuộc vào điều kiện môi trường Việt Nam nên λ= 0,3
- Motor bơm ABS được sử dụng khi phanh đối với đường xá Việt Nam, ta chọn λ= 0,2.
Theo bảng 3.2, chúng ta có thể tính toán tổng công suất cần thiết cho các phụ tải hoạt động không liên tục, dựa trên hệ số sử dụng đã được chọn.
Bảng 3.2- Công suất tiêu thụ của phụ tải gián đoạn
Công suất tiêu thụ của phụ tải gián đoạn STT Tên phụ tải
11 Mô tơ nâng/ hạ kính 140 0.2 28
Dựa vào bảng 3.1 và bảng 3.2, ta có thể dễ dàng tính được công suất của phụ tải yêu cầu: P∑ = P1 + P2 = 345 + 668.8= 1013.8 [W]
Chọn điện áp định mức cho máy phát là Uđm [V]
Cường độ dòng điện yêu cầu của máy phát theo [1]
Cường độ dòng điện định mức của máy phát, với hiệu suất của máy phát điện η = (0,85÷0,9) Chọn η = 0,85
Để đáp ứng yêu cầu, chúng ta cần chọn máy phát có điện áp Udm = 14 [V] và dòng điện Idm > 85,19 [A] Dựa vào catalog của máy phát (tài liệu [4]), máy phát tham khảo được chọn là loại AAK COMPACT với các thông số như đã nêu trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3 – Thông số cơ bản máy phát tham khảo
STT Tên thông số Giá trị
3 Tốc độ lớn nhất của rotor 18000[rpm]
5 Trọng lượng (không tính trọng lượng puly) 5,3[kg]
6 Điều kiện nhiệt độ -40°C tới +110°C
Hình 3.3- Catalogue máy phát điện AAK COMPACT
Kết cấu máy phát tham khảo:
Hình 3.4- Kết cấu máy phát điện AAK COMPACT
1- Puli dẫn động; 2- Ổ bi trước; 3- Vỏ phía trước; 4- Stato; 5- Roto; 6- Vỏ phía sau; 7- Bộ chỉnh lưu; 8- Nắp bảo vệ; 9- Cọc B+, D+ của máy phát; 10- Ổ bi sau; 11- Vòng tiếp điện; 12- Chổi than; 13- Bộ điều chỉnh điện; 14- Đệm cao su
Tính toán lựa chọn dây dẫn 36
Hư hỏng trên ô tô chủ yếu xuất phát từ dây dẫn, trong khi các linh kiện bán dẫn hiện đại có độ bền cao Sự gia tăng số lượng dây dẫn trong những chiếc ô tô hiện đại làm tăng xác suất gặp sự cố.
Dây dẫn trong ô tô thường là dây đồng có bọc chất cách điện là nhựa PVC.
Dây điện trong ô tô được thiết kế với khả năng dẫn điện và cách điện tốt hơn so với dây điện sử dụng trong nhà Chất cách điện bao bọc dây đồng có điện trở rất lớn, giúp bảo vệ an toàn cho hệ thống điện trong xe.
Dây dẫn cần có điện trở từ 10 đến 12 Ω/mm và khả năng chịu đựng xăng dầu, nhớt, nước cùng với nhiệt độ cao Điều này đặc biệt quan trọng đối với các dây dẫn chạy ngang qua nắp máy trong hệ thống phun xăng và đánh lửa.
Tiết diện dây dẫn thường phụ thuộc vào cường độ dòng điện, nhưng cũng bị ảnh hưởng bởi yếu tố kinh tế từ nhà chế tạo Dây dẫn có kích thước lớn giúp giảm độ sụt áp, nhưng cũng làm tăng trọng lượng và chi phí do cần nhiều đồng hơn Do đó, nhà sản xuất cần cân nhắc giữa độ sụt áp và chi phí vật liệu Độ sụt áp trên dây dẫn được tính theo công thức: ΔU=I.R= I.ρ.l.
Suy ra tiết diện dây dẫn các tải là:
I: dòng điện qua dây dẫn [A] ρ: điện trở suất dây dẫn [Ωm],ρ = 1,72x10 -8 [Ωm] l: chiều dài dây dẫn [m]
S: tiết diện dây dẫn [m 2 ] P: công suất phụ tải [W]
U: điện áp nguồn [V], theo đề ra Ung = 14 [V] Để tính được dây dẫn thì phải có được thông số sụt áp trên các đường dây theo từng hệ thống trong ô tô theo bảng sụt áp sau đây.
Bảng 3.4 - Độ sụt áp trên dây dẫn kể cả mối nối
Hệ thống [12V] Độ sụt áp [V] Sụt áp tối đa [V]
Hệ thống cung cấp điện 0,3 0,6
Theo tài liệu [1] độ sụt áp cho phép trên đường dây thường nhỏ hơn 10% điện áp định mức
Theo đề ta có bảng thông số về chiều dài của các đường dây dẫn điện như dưới đây:
Bảng 3.5 Giá trị công suất các phụ tải cần tính
Phụ tải Chiều dài dây dẫn [m] Đèn pha/cốt 1,7
Theo công thức (3.7), giá trị công suất các phụ tải và độ sụt áp chọn được ta tính toán được tiết diện dây dẫn như sau:
Bảng 3.6- Bảng các đại lượng và tiết diện tính toán được
Phụ tải Chiều Chọn độ Công Tiết diện dài dây dẫn [m] sụt áp
● Chọn dây dẫn theo tiêu chuẩn Leoni [5], trang 25
Bảng 3.7- Bảng dây điện chọn theo tiêu chuẩn Leoni
Phụ tải Tiết diện S [mm 2 ] Đèn cốt 0,35 Đèn pha 0,35
[1] PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG, Hệ thống điện và điện tử trên ô tô hiện đại
[2] TS NGUYỄN HOÀNG VIỆT, Bài giảng trang bị điện và điện tử trên ô tô
[3] PHẠM VĂN KIÊM, Trang bị điện, điện tử trên động cơ đốt trong.
