cơ sở lý thuyết hệ thống cung cấp năng lượng điện ô tô

NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG ĐIỆNHệ thống làm nhiệm vụ cung cấp dòng một chiều, điện áp thấp 12 vôn cho các thiết bị phụ tải điện trên ôtô.. Khi động cơ chưa làm việc hoặc l

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG ĐIỆN ÔTÔ

1.1 NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

Hệ thống làm nhiệm vụ cung cấp dòng một chiều, điện áp thấp (12 vôn)

cho các thiết bị phụ tải điện trên ôtô Hệ thống gồm hai nguồn điện là ắc quy vàmáy phát điện, chúng được nối song song với nhau để cùng cung cấp điện cho

phụ tải (hình 1.1).

Khi động cơ chưa làm việc hoặc làm việc ở tốc độ quay thấp, điện áp của máy phát bằng không hoặc còn nhỏ hơn sức điện động của ắc quy: tuy nhiên lúcnày sẽ không có dòng điện phóng từ ắc quy sang máy phát vì ở trong máy phátcó bộ chỉnh lưu, chúng giữ vai trò khoá điện tử, chỉ cho dòng điện đi một chiềutừ máy phát sang ắc quy mà không cho phép đi theo chiều ngược lại

1.2 YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

Chế độ làm việc luôn thay đổi của ôtô máy kéo có ảnh hưởng trực tiếpđến chế độ làm việc của hệ thống cung cấp điện Do đó xuất phát từ điều kiệnphải luôn luôn đảm bảo cho các phụ tải làm việc bình thường mà người ta đã đề

ra cho hệ thống cung cấp điện những yêu cầu sau:

1) Đảm bảo độ tin cậy tối đa của hệ thống điều chỉnh tự động trong mọiđiều kiện sử dụng trên ôtô máy kéo

Hình 1.1 Sơ đồ nối ắc quy và máy phát điện

1- Ắc quy 2- Máy phát 3-Bộ điều chỉnh điện

4- Khóa điện 5- Đèn báo nạp 6-Rơ le đèn báo nạp

2) Đảm bảo các đặc tính công tác của hệ điều chỉnh tự động có chất lượngcao và ổn định trong cả khoảng thay đổi tốc độ và tải của máy phát điện.

3) Đảm bảo nạp tốt cho ắc quy và đảm bảo khởi động động cơ ôtô máykéo dễ dàng với độ tin cậy cao

4) Kết cấu đơn giản và hoàn toàn tự động làm việc ở mọi chế độ

5) Chăm sóc và bảo dưỡng kỹ thuật ít nhất trong sử dụng, vơi mục đíchgiảm thời gian chết cưỡng bức và những tổn phí cho sửa chữa và bảo dưỡng kỹthuật

6) Có trọng lượng và kích thước nhỏ nhất nhưng không được giảm tuổithọ và độ tin cậy trong sử dụng

7) Có độ bền cao, đảm bảo chịu rung và xóc tốt

8) Đảm bảo thời gian phục vụ lâu dài

1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

Bảng 1-1 Phân loại tổng quát hêï thống cung cấp năng lượng điện ôtô

Tiêu chí phân loại Các loại hệ thống cung cấp năng lượng điện ôtô

Theo kết cấu

bình ắc quy

 Loại dùng bình ắc quy axít-chì

 Loại dùng bình ắc quy kiềmTheo kết cấu

máy phát điện

 Loại dùng máy phát một chiều

 Loại dùng máy phát xoay chiềuTheo tính chất điều

chỉnh của máy phát

Theo cách đấu dây

cho cuộn kích từ của

Theo dòng điện kích

thích cho máy phát

1.4 NGUYÊN LÝ SINH ĐIỆN CỦA CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LUỢNG ĐIỆN

1.4.1.1 Định nghĩa

Ắc quy là một thiết bị điện hoá, dùng để biến đổi năng lượng dưới dạng

điện năng thành hoá năng (khi nạp) và ngược lại biến hoá năng thành điện năng (khi phóng).

1.4.1.2 Nguyên lý sinh điện của ắc quy chì-axít

Ắc quy chì-axít hoạt động theo một nguyên lý đơn giản: Khi hai bản cựckhác nhau ngâm trong dung dịch axít, phản ứng hoá học làm phát sinh một hiệuđiện thế

Một bản cực là chì-oxit (Pb0 2) mầu nâu (ùtích điện dương) Bản còn lại làchì xốp (pb) (tích điện âm) Dung dịch axít là hổn hợp của nước (H2 0) và axítsulfuric, nó được gọi là dung dịch điện phân

Nếu có đường dẫn và 1 phụ tải nối giữa 2 bản cực, thì dòng điện được lưu

thông (hình vẽ) Qúa trình phóng điện này sẽ tiếp tục cho đến khi 2 bản cực tiến

về cùng bản chất và nồng độ điện dịch giảm Khi nạp điện, phản ứng sinh rangược với quá trình phóng, quá trình này tiếp tục cho đến khi các bản cực của ắcquy hoàn lại điều kiện ban đầu

1.4.1.3 Một số loại bình ắc quy sử dụng trên ôtô

Hình 1.2 Sơ đồ nguên lý của ắc quy chì-axít

Chì xốp(Pb) Chì-0xit(Pb0 2)

Trên ôtô sử dụng hai loại bình ắc quy là: Ắc quy axít và ắc quy kiềm.Nhưng thông dụng nhất từ trước đến nay vẫn là ắc quy axít; vì so với ắc quy

kiềm nó có sức điện động của mỗi (cặp bản) cực cao hơn, có điện trở trong nhỏ

và đảm bảo chế độ khởi động tốt Tuy nhiên ắc quy kiềm nó lại có các ưu điểmsau:

- Có độ bền lớn và thời gian sử dụng dài

- Qúa trình nạp điện cho ắc quy kiềm không đòi hỏi nghiêm ngặt về trị sốcủa dòng điện nạp Trị số này có thể lớn gấp 3 lần dòng điện định mứccũng chưa làm hỏng được ắc quy

1.4.2 MÁY PHÁT ĐIỆN

Máy phát điện dùng trên ôtô có thể là máy phát một chiều hoặc máy

phát điện xoay chiều Dù thuộc máy phát khác nhau, nhưng trên ôtô chúng vẫngiữ chung một nhiệm vụ: Sản sinh ra điện năng để cung cấp cho thiết bị dùngđiện trên ôtô khi ôtô đã thực hiện xong quá trình khởi động máy

1.4.2.1 Máy phát điện một chiều

1.4.2.1.1 Nguyên lý sinh điện

Máy phát điện được chế tạo theo nguyên lý cảm ứng từ: Khi một đoạndây dẫn điện di chuyển cắt các đường sức của từ trường, trong dây sẽ phát sinhdòng ứng điện Cường độ dòng điện tùy thuộc vào: Sức mạnh của từ trường, tổngsố đoạn đây di chuyển cắt các đường sức và tốc độ di chuyển của dây

Hình vẽ 1.3 trình bày sơ đồ thí nghiệm về cảm ứng từ gồm hai cực của nam châm vĩnh cữu và một đoạn dây dẫn nối với ampe kế thật nhạy Nếu dichuyển đoạn dây từ trên xuống cắt các đường sức ta thấy kim ampe kế sẽ di

Hình1.3 Thí nghiệm về cảm ứng từ:

chuyển qua trái chứng tỏ có dòng điện chạy trong dây Nếu di chuyển từ dướilên, kim sẽ dao động qua phải chứng tỏ dòng điện ứng chạy trong dây theo chiềungược lại Nếu di chuyển các đoạn dây song song với các đường sức sẽ không códòng điện phát sinh

Trên thực tế máy phát điện dùng nam châm điện thay cho nam châm vĩnhcửu vì loại này tạo được từ trường mạnh

Hình 1.4 trình bày máy phát điện một chiều DC đơn giản gồm:

- Hai cuộn dây cảm điện tạo từ trường khi có dòng điện kích thích chạy qua

- Một vòng dây ứng lúc quay sẽ cắt từ trường

- Hai chổi than và cổ góp điện gồm 2 nữa vòng thau để hứng điện từ vòngdây ứng ra

Khi quay vòng dây theo chiều kim đồng hồ dòng điện ứng sẽ phát sinhtrong dây Trên nhánh phải điện chạy từ sau ra trước trên nhánh trái điện chạy

từ trước ra sau ( theo nguyên tắc bàn tay phải).

Ở mạch ngoài dòng điện chạy từ nửa vòng thau và chổi than bên phải quabộ phận tiêu thụ điện rồi trở lại vòng dây ứng qua vòng thau và chổi than đốidiện một phần dòng điện ứng chạy qua hai cuộn cảm tạo từ trường mạnh cho haikhối cực

Dòng điện phát sinh trong vòng dây ứng là dòng điện xoay chiều vì mỗilần vòng dây xoay 1800, điện đổi chiều trong dây, nhưng nhờ hai nửa vòng thau

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý máy phát điện một chiều DC đơn giản

cùng quay theo vòng dây nên dòng điện lấy được ở mạch ngoài là dòng mộtchiều.

1.4.2.1.2 Một số loại máy phát một chiều sử dụng trên ôtô

1 Máy phát điện một chiều hệ A

Trong loại này, cuộn cảm lấy mát bên ngoài máy phát Một đầu cuộn cảmnối với chổi than dương, đầu kia nối cới cọc bắt dây F để tiếp mát tại bộ điềuchỉnh điện Cọc F cách mát với vỏ Cọc bắt dây ký hiệu A cách mát với vỏ đượcnối với chổi than dương

2 Máy phát điện một chiều hệ B

Cuộn cảm lấy mát ngay bên trong máy phát Một đầu cuộn cảm nối vớicọc bắt dây F cách mát vỏ, đầu kia nối với chổi than âm hay hàn vào vỏ máyphát Cũng như loại trên chổi than dương luôn luôn nối với cọc bắt dây ký hiệu

A nơi vỏ

3 Máy phát một chiều có khối cực trung gian

Từ thông của máy phát điện làm cho các đường sức từ trường chính giữa

các khối cưc bị lệch và phân phối không đều (hình 1.7) Từ cảm ở khe hở không khí (khe hở giữa các khối cực và phần ứng) trong vùng tay phải của khối cực tăng

hơn nhiều hơn vùng tay trái Hiện tượng này gọi là phản ứng của phần ứng

Hiện tượng phản ứng của phần ứng làm sai lệch vị chí trung hòa của cácchổi than, làm phát sinh nhiều tia lửa hồ quoang phá hoại cổ góp điện nhanhtróng Để cải tiến trong máy phát điện một chiều loại công suất lớn và tốc độcao, người ta thêm khối cực và cuộn cảm đặc biệt gọi là khối cực trung gian

(hình1.8a) Khối cực này được bố chí giữa hai khối cực chính và được quấn bằng

tiết diện lớn, toàn bộ dòng điện do phần ứng phát ra lưu thông qua cuộn nàytrong quá trình phát điện từ trường của cuộn trung gian sẽ phản lại từ trường củaphần ứng điện Nhờ vậy các đường sức của từ trường ít bị lệch nên vị trí trunghòa các chổi than ít bị ảnh hưởng

4 Máy phát điện một chiều có cuộn phản từ

Một số máy phát được thiết kế đặc biệt trong đó, phần cảm điện có quấnthêm một số cuộn dây phụ giúp cho máy phát điện tốt ở vận tốc thấp Khi máylàm việc ở chế độ cao tốc, điện phát sẽ vượt quá mức cho dù lúc bây giờ các

Hình 1.7 a Sơ đồ máy phát điện một chiều có khối cực trung gian

b Sơ đồ máy phát một chiều có cuộn dây phản từ

cuộn cảm điện đã hở mạch, từ sót trong các khối cực vẫn đủ khả năng kích thíchcho phần ứng phát ra dòng điện quá mức đó Để chống lại độ từ sót này, người

ta quấn thêm cuộn phản từ trên một khối cực chính

Ở vận tốc thấp cuộn phản từ không tác động gì tới hoạt động sinh điệncủa máy phát; tuy nhiên ở chế độ cao tốc, sau khi từ trường chính được giảm bớt

do hoạt động của bộ tiết chế điện, cuộn phản từ sẽ phát từ trường và triệt tiêubớt từ sót các khối cực, ngăn cản máy phát điện quá mước

5 Máy phát điện một chiều có hai mạch kích từ song song

Loại máy phát này có hai mạch kích từ riêng rẽ, mỗi mạch gồm hai cuộncảm và khối cực Dòng điện kích từ chạy qua hai mạch được tiết chế do hai bộđiều chỉnh điện riêng biệt Trên vỏ máy có hai cọc vít bắt dây kích từ F1 và F2.Loại máy phát này có những ưu điểm sau đây:

- Cường độ dòng điện kích từ đi qua các cuộn cảm có trị số lớn nhất nênsinh từ trường mạnh

- Ở vận tốc thấp máy vẫn phát được dòng điện cao

- Tuổi thọ các tiếp điểm trong cuộn tiết chế tương đối dài hơn loạithường

Kiểu máy phát điện một chiều này rất thích hợp cho xe bus lưu thôngtrong thành phố đông đúc, và các loại xe cơ giới nặng di chuyển chậm.

6 Máy phát điện một chiều 3 chổi than

Trên loại này điện kích thích đi vào các cuộn cảm không lấy nơi chổi thanchính mà được lấy ở cổ góp điện nhờ chổi than thứ 3 mảnh hơn hai chổi thanchính Có thể dịch chuyển chổi than thứ ba theo chiều quay của phần ứng để lấythêm điện kích từ cho máy phát khẻo hơn

Loại máy phát này chỉ tự tiết chế được cường độ dòng điện phát, thế hiệucủa nó vẫn tăng theo tốc độ quay của phần ứng điện

7 Máy phát điện một chiều có 4 chổi than 4 khối cực

Hình vẽ giới thiệu loại máy phát điện một chiều có 4 chổi than, 4 khốicực và cuộn cảm công suất lớn Nguyên lý hoạt động và điều chỉnh điện giốngloại hai chổi than, hai khối cực.

1.4.2.1.3 Những nhược điểm chính của máy phát điện một chiều trên ôtô

Việc sử dụng máy phát điện một chiều trong mạng điện truyền thống củaôtô máy kéo chỉ vì tồn tại của ắc quy, và nguồn điện để nạp cho ắc quy do đóphải là nguần điện một chiều Song tất cả các máy phát một chiều đều có phầnứng quay và việc dẫn điện ra ngoài, việc chỉnh lưu dòng điện đều được thực hiệnnhờ cơ cấu chổi điện- vành đổi điện Có thể nói cơ cấu này là nơi tập hợp chungnhững nhược điểm chính của máy phát điện một chiều và cũng là nơi gây nhiềuphiền phức trong tính toán thiết kế và sử dụng, cụ thể là:

1) Qúa trính chuyển mạch kém theo sự xuất hiện SĐĐ (sức điện động) tự

cảm trong các khung dây bị chuyển mạch của cuộn dây phần ứng và gây nên tialửa hồ quang dưới chổi điện Muốn cho máy phát làm việc đảm bảo thì các tialửa hồ quang phải không vượt quá giá trị nguy hiểm Vấn đề này dẫn đến việcphải hạn chế phụ tải điện từ và giảm mật độ dòng điện ở tiếp giáp chổi điệnvành đổi điện Kết cục là khả năng giảm kích thước và trọng lượng của máyphát điện với công suất đã định cũng bị hạn chế trong tính toán, thiết kế

2) Tiếp giáp chổi điện-vành đổi điện chỉ có thể làm việc bình thường ởnhiệt độ không quá 150-1800C Vấn đề này hạn chế việc sử dụng những ưuđiểm của các chất cách điện đặc biệt chịu nhiệt, có khả năng làm việc ở nhiệtđộ cao hơn nữa và nếu sử dụng chúng có thể tăng được công suất riêng của máyphát điện

3) Nếu mật độ dòng điện ở tiếp giáp chổi điện-vành đổi điện lớn quá vàquá trình chuyển mạch không thỏa mản thì chổi điện và vành đổi điện mòn rấtnhanh, đặc biệt ở số vòng quay lớn

4) Vành đổi điện được lắp gép từ những phiến đồng riêng nên rất khóđảm bảo độ vững chắc Thường thường có độ ôvan và có từng phiến đồng nhôlên làm cho chổi điện càng chóng mòn Chất lượng làm việc của máy phát điệncũng kém đi

Trong máy phát điện xoay chiều hầu như không có những nhược điểmtrên vì cuộn dây phần ứng nằm cố định ở stato và điện được dẫn ra mạch ngoàiqua các đầu nối cố định

Đối với máy phát xoay chiều kích thích kiểu điện từ thì dòng điện kíchthích tuy phải dẫn qua chổi điện và các vòng tiếp điện vào rôto nhưng chỉ tiếp

xúc trượt, không có quá trính chuyển mạch nên chổi điện làm việc không có tialửa hồ quang còn số vòng quay của rôto có thể tăng vô cùng, chỉ phụ thuộc vào

ổ bi và đai truyền

Đặc tính của máy phát điện xoay chiều cũng có thể chọn sao cho ở hànhtrình không tải của động cơ ôtô máy phát điện đã có thể cung cấp một phầncông suất cho mạng điện

1.4.2.2 Máy phát điện xoay chiều

1.4.2.2.1 Nguyên lý sinh điện

Trong máy phát điện một chiều, phần ứng điện quay, phần cảm điệnđứng Trong máy phát điện xoay chiều kết cấu ngược lại: Phần ứng điện đứng,phần cảm điện quay

Hình vẽ giới thiệu nguyên lý một máy phát điện xoay chiều đơn giản gồmmột nam châm điện quay trong vòng dây ứng điện Nam châm điện được kích từbằng dòng điện một chiều qua hai vòng thau tiếp điện

Khi cực bắc của nam châm quét ngang nhánh dây ứng bên phải, dòng

điện ứng chạy từ trước ra sau (hình a) Nam châm quay 1800 cực nam quoétngang qua nhánh dây bên phải, dòng điện ứng trong nhánh này chạy từ sau ra

trước (hình b) dòng điện phát sinh trong vòng dây ứng là dòng điện xoay chiều.

Sức mạnh của dòng điện ứng tùy thuộc vào ba yếu tố:

- Tốc độ quay của phần cảm điện (nam châm quay).

- Sức mạnh từ trường phần cảm điện

- Số vòng dây ứng điện

1.4.2.2.2 Một số loại máy phát xoay chiều sử dụng trên ôtô

Trong mạng điện của ôtô máy kéo người ta sử dụng hai loại máy phátđiện xoay chiều sau:

1 Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu

2 Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ

Về nguyên lý làm việc thì các máy phát điện này là những máy phát điệnđồng bộ làm việc ở những số vòng quay luôn luôn thay đổi

Các máy phát điện kích thích bằng nam châm vĩnh cửu có hàng loạt ưuđiểm so với các máy phát điện kích thích kiểu điện từ đó là: Làm việc đảm bảo,kết cấu đơn giản, không có cuộn dây quay, hiệu suất cao, ít nóng, mức nhiễu xạvô tuyến thấp và có khả năng cung cấp cho phụ tải dòng điện cao dần Bên cạnhnhững ưu điểm trên chúng còn những nhược điểm sau: Khó điều chỉnh thế hiệu,công suất bị giới hạn, giá thành chế tạo cao và trọng lượng lớn hơn loại kíchthích kiểu điện từ cùng công suất Các máy phát điện xoay chiều kích thích bằngnam châm vĩnh cửu từ thông còn phụ thuộc nhiều vào chất lượng của hợp kim vàkim loại

Máy phát điện trên ôtô ngày nay thường dùng là loại máy phát điện xoaychiều, 3 pha kích thích kiểu điện từ, có vòng tiếp điện và chỉnh lưu bán dẫn vì sovới máy phát điện một chiều có cùng công suất, nó có những ưu điểm sau:

- Kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn hơn ( không có cổ góp điện).

- Làm việc ổn định và chắc chắn

- Giá thành hạ, sự tiêu hao dây đồng để quấn giảm được khoảng 2.5 lần

Công suất riêng đạt 1000W/1kG trọng lượng (máy phát điện một chiều chỉ đạt 45W/1KG).

- Ở điện áp định mức, cho phép tăng tốc độ của rôto lên tới 2000vòng/phút Khi rôto có tốc độ quay thấp, công suất của máy phát cũng đạt được40% công suất định mức

- Dùng điốt để chỉnh lưu dòng điện nên không cần rơle ngăn dòng điệnngược và rơle hạn chế dòng điện, do đó làm giảm bớt kết cấu của bộ tiết chế vàtăng độ tin cậy làm việc cho máy phát

Chương 2CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG ĐIỆN ÔTÔ

2.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

Hình vẽ là sơ đồ hệ thống cấp điện với máy phát điện một chiều (hình a) và máy phát điện xoay chiều có chỉnh lưu bán dẫn (hình b).

Trong các sơ đồ hệ thống cung cấp điện ta thấy ắc quy và máy phát điệnmắc song song với nhau, hỗ chợ cho nhau tùy thuộc vào phụ tải và cùng cungcấp điện cho phụ tải theo chế độ quy định Cụ thể: Ở chế độ thứ nhất-khi động

cơ ôtô không làm việc hoặc làm ở số vòng quay thấp, máy phát điện chưa cókhả năng cung cấp điện cho mạch phụ tải thì ắc quy sẽ cung cấp điện cho phụ

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống cấp điện

a) Với máy phát một chiều b) Với máy phát xoay chiều có

chỉnh lưu bán dẫn.1-Ắc quy; 2-Máy phát điện; 3-Bộ điều chỉnh điện;

4-Máy khởi động điện.

tải Chế độ thứ hai-khi động cơ ôtô làm việc ở số vòng quay trung bình và cao,máy phát điện sẽ cung cấp điện cho phụ tải và nạp điện cho ắc quy Chế độ thứba-khi ắc quy đã được nạp đủ, nó cùng với máy phát điện cùng cung cấp điệncho các phụ tải Ngoài ra còn phải kể thêm trường hợp khi có những phụ tải lớnvà máy phát điện không đủ đảm bảo cung cấp điện thì ắc quy sẽ gánh chịu vớimáy phát điện và cả hai đều cung cấp điện cho phụ tải đó Sau đây ta sẽ đi tìmhiểu các bộ phận cơ bản của hệ thống cung cấp điện trên ôtô.

2.2 CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG ĐIỆN ÔTÔ

Mặc dù có cấu trúc khác nhau, nhưng mỗi hệ thống cung cấp điện ôtô đềuđược cấu thành từ 3 thành tố: Ắc quy, máy phát điện một chiều hoặc xoay chiều

và bộ điều chỉnh điện (sơ đồ cấp điện như hình 2.1).

2.2.1 Ắc quy

Bình ắc quy-được xem như trái tim của hệ thống điện ôtô Công dụng củanó là cung cấp một dòng điện cường độ lớn vài trăm ampe để quay máy khởiđộng thực hiện quá trình khởi động động cơ Trong thời gian máy phát điện cònquay chậm chưa phát đủ điện Aéc quy phóng điện cung cấp cho các phụ tải Sauđó khi vận tốc máy phát đủ nhanh, ắc quy nhận và tích luỷ dòng điện nạp củamáy phát điện Trong hệ thống nạp điện, ắc quy còn đóng vai trò như một cáiđệm làm thăng bằng điện thế trong lưới điện

Hình 2.2 Hình dáng bên ngoài của bình ắc

quy chì loại 12V

Yêu cầu đối với bình ắc quy trên ôtô là: Phải có khả năng cung cấp được

dòng điện lớn (cở vài trăm ampe hoặc lớn hơn) trong thời gian khởi động động cơ

và nó phải có điện áp phù hợp

2.2.2 Máy phát điện

Máy phát điện dùng trên ôtô có thể là máy phát điện một chiều hoặcmáy phát điện xoay chiều Dù thuộc loại máy phát khác nhau, nhưng trên ôtôchúng vẫn giữ chung một nhiệm vụ: Sản sinh ra điện năng để cung cấp cho cácthiết bị dùng điện trên ôtô khi ôtô đã thực hiện xong quá trình khởi động máy

2.2.2.1 Máy phát điện một chiều

2.2.2.1.1 Cấu tạo của máy phát điện một chiều

Máy phát điện một chiều trên ôtô có cấu tạo tương tự như máy phát điệnmột chiều khác, tức là nó cũng có hai bộ phận chính: Phần tĩnh gọi là stato và

phần động gọi là rôto (như hình vẽ).

1 Phần tĩnh stato

a) Vỏ: Là một ống thép gia công mặt trong, các khối cực gắn cứng vào

vỏ nhờ vis Khối cực dùng làm lõi quấn các cuộn cảm và trở thành cực bắc namkhi có dòng điện kích thích chạy qua Vỏ có nhiệm vụ làm cầu nối mạch cho từtrường lưu thông giữa các khối cực Máy phát điện thường có hai khối cức cáchnhau 180 0 hay 4 khối cực cách nhau 90 0(như hình 2.3).

b) Cuộncảm điện: Cáccuộn cảm điệnđược quấnbằng dây cáchđiện thành khung dây, sau đó bọc vải thép vệt ni Các cuộn cảm được đấu nốitiếp nhau, khi có điện kích thích chạy qua, các khối cực tạo từ trường Hình 2.3trình bầy mạch từ lưu thông trong vỏ máy phát DC loại 2 và 4 khối cực

Hinh 2.3 Kết cấu của máy phát điện một chiều

1-Vỏ, 2-Phần ứng điện, 3-Cọc nối dây, 4-Cổ góp, 5-Nắp phía cổ góp

6-Nắp trước, 7,8 Khối cực và cuộn cảm, 9-Chuổi than

Sau khi cắt dòng điện kích thích các khối cực vẫn còn lưu lai một ít từtrường do tính từ sót Đối với máy phát điện mới chế tạo hay mới phục hồi cầnphải mồi điện ắc quy để tạo từ trường trước khi đem sử dụng.

c) Nắp máy phát điện DC:

Trên máy phát điện một chiều có hai nắp máy: Nắp trước và nắp sau Mỗinắp có vòng bi đỡ trục phần ứng điện Mặt trong nắp sau còn làm nơi gá đỡ chổithan Vành ngoài có bố chí chén chứa dầu bôi trơn, trên một vài loại ôtô nắp cònlàm nơi gắn bơm thủy lực

Với máy phát DC hai chổi than, có một giá đỡ chổi than cách mass cho chổithan dương, giá đỡ còn lại tiếp mát cho chổi than âm Loại 4 chổi than có hai giá đỡđối diện cách mát, hai giá kia tiếp mát Nắp phải được cố định trên vỏ nhờ chốt địnhvị

d) Chổi than: Chổi than được chế tạo từ hổn hợp graphít, đồng và một sốphụ chất giảm điện trở và mức mài mòn Chổi than tỳ lên cổ góp điện, được đặtnghiêng một góc 26 0-28 0đối với chiều hướng kính cổ góp điện nhằm mục đíchgiảm tia lửa hồ quoang Một lò xo luôn luôn ấn chổi than tiếp xúc tốt với cổ gópđiện để hứng dòng điện một chiều ra tiêu thụ

Hình 2.4 Mạch từ lưu thông trong vỏ máy phát điện DC

loại 4 khối cực và 2 khối cực.

Hình 2.5 Bố trí chổi than trên cổ góp điện.

A-Ổ tựa chổi than, 1-Lò xo 2-Chổi than

b) Dây quấn phần ứng: Cuộn dây phần ứng của máy phát điện một chiềulà tập hợp của rất nhiều khung dây quấn trong các rãnh có lót lớp cách điện,những đầu mối hàn vào cổ góp điện Cách quấn dây phần ứng điện phải đạt yêucầu kĩ thuật là hai nhánh của mỗi khung dây phải luôn luôn đặt dưới hai khối cựckhác tên Phần ứng điện máy phát của động cơ ôtô thường được quấn theo haicách: quấn xếp và quấn sóng.

- Quấn xếp: Hình 2.7a cho thấy cách quấn xếp trên phần ứng máy phátđiện DC 2 cực Hình vẽ chỉ trình bày hai khung dây Hai nhánh của mỗi khungdây được đặt trong hai rãnh gần đối diện nhau Đầu mối của khung dây bắt đầu

Trục Lõi Dây quấn phần ứng

Cổ góp điện

Hình 2.6 Kết cấu của phần ứng điện

từ phiến đồng số 1 nơi cổ góp điện, chui dọc theo rãnh 12 của lõi và trở lại theorãnh 4 sau đó hàn vào phiến đồng số 2 Mỗi rãnh chứa hai lớp dây có nghĩa làchứa hai nhánh của hai khung dây Mỗi khung dây có thể quấn từ nhiều vòngdây.

Khung dây thứ 2 bắt đầu từ phiến đồng số 2 qua rãnh 13 và rãnh 5 trở lạiphiến đồng số 3 Sau khi quấn song mỗi rãnh của lỏi phần ứng điện chứa hainhánh của khung dây và mỗi phiến đồng của cổ góp điện hàn hai đầu mối củahai khung dây Với phần ứng được quấn theo cách này hai chổi than được đặt đốidiện nhau 180 0

- Quấn sóng : Hình2.7b trình bầy cách quấn sóng thích hợp cho phần ứngmáy phát điện 4 khối cực và có thể dùng 2 hay 4 chổi than Hai nhánh của vòngdây đặt cách nhau 90 0 Hai đầu mối của khung dây hàn vào hai phiến đồng đốidiện Sau khi quấn song mỗi phiến đồng cổ góp điện có hai cuộn dây hàn vào

c) Cổ góp điện

Công dụng của cổ góp điện là đổi dòng điện xoay chiều trong các cuộnđây ứng điện thành dòng điện một chiều và nhờ chổi than đưa ra ngoài cung cấpcho phụ tải Cổ góp gồm nhiều phiến đồng dạng mang cá, ghép xen kẻ với tấmmica cách điện Cổ góp điện có thể chế tạo theo hai cách: lắp ghép hay ép nhựathành một khối liền rồi gắn chặt trên trục phần ứng điện

Hình 2.7 Kỹ thuật quấn dây phần ứng điện

Hình 2.8 Kết cấu cổ góp điện

a-Lắp ghép, b-Ép nhựa cách điện.

1-Lam đồng, 2-ống lót, 3-Vành chêm, 4,5-Lớp cách điện, 6-Nhựa cách

điện, 7-Khe mica

2.2.2.1.2 Hoạt động của máy phát điện một chiều

Như đã biết điều kiện cần thiết để máy phát điện phát ra được điện làrôto phải quay trong từ trường

Từ trường trong máy phát điện một chiều được tạo nên bằng nam châmđiện, cụ thể là: Khi có dòng điện kích thích chạy trong cuộn dây kích từ, thì cựctừ trong lòng cuộn dây sẽ bị từ háo để trở thành nam châm điện Nam châm nàymạnh hay yếu là tùy thuộc vào dòng điện kích thích lớn hay bé, số vòng dây củacuộn kích thích nhiều hay ít Ban đầu chưa có dòng điện kích thích thì các cực từchỉ có độ từ dư nhỏ do bản thân nó được từ hóa trước Rôto ban đầu muốn quayđược phải nhờ lực kéo truyền từ trục khuỷu động cơ ôtô qua đai truyền đến bánhđai ghép ở đầu trục rôto, khi rôto đã quay các vòng dây phần ứng của rôto sẽ cắtngang từ trường yếu do từ dư ở các cực nam châm điện Lúc đó trong cuộn dâyphần ứng suất hiện suất điện động cảm ứng không lớn Cuộn dây kích từ đượcđấu với mạch ngoài của máy phát điện, nên lúc này nó được cung cấp dòng điệnkhông lớn nhưng cũng làm cho cực từ của nam châm điện được từ hóa thêm, dẫnđến máy phát sẽ phát ra được dòng điện lớn thêm Cứ như vậy dòng điện kích từđược tăng dần và máy phát sẽ phát ra được dòng điện định mức

2.2.2.1.3 Sử dụng và bảo dưỡng máy phát điện một chiều

1 Sử dụng

Quá trình sử dụng máy phát điện một chiều trên ôtô thường xuyên chú ýtới chế độ làm việc của nó, cụ thể phải quan tâm đến các vấn đề sau:

- Lượng điện phát ra: Trong điều kiện làm việc bình thường, điện năngcủa máy phát điện phát ra phải đảm bảo cho các thiết bị dùng điện trên ôtô hoạtđộng bình thường.

- Hiện tượng bên ngoài: Không có va cơ khí Độ nóng trong phạm vi chophép Không có mùi cháy, không có khói và tia lửa phát ra

- Chế độ làm việc: Không để máy phát làm việc trong điều kiện nặng tải.Bằng cách không sử dụng nhiều thiết bị dùng điện liền một lúc trong cùng mộtthời điểm Thời gian làm việc của máy phát không nên kéo dài liên tục quá lâunếu ôtô phải hoạt động với cung độ quoãng đường dài thì cứ trong khoảng 2-3giờ nên cho máy nghỉ tối thiểu 20-30 phút

Khi dừng máy thường xuyên kiểm tra độ căng của dây đai cánh quạt,bánh đai trên trục rôto và dây đai nối với bánh đai trên trục khuỷu

- Định kì bảo dưỡng: Muốn cho máy phát điện trên ôtô hoạt động tốt ngườisử dụng phải nắm được các yêu cầu kỹ thuật cơ bản đối với máy phát điện,thường xuyên kiểm tra bảo dưỡng:

+ Trục của rôto quay trơn không bị đảo, độ đảo theo hướng kính lớn nhất

cho phép là 0.1mm Độ côn và độ ôvan không quá 0.05mm

+ Các tấm mi ca cách điện trên cổ góp không được nhô lên khỏi các lágóp hoặc lệch so với cổ trục 0.05mm Trường hợp cổ góp có độ mòn không đềucần phải tiện láng lại

+ Chổi than không được mòn quá ½ chiều dài khi còn mới, mặt tiếp xúccủa chổi than với các phiến góp phải bảo đảm >75% diện tích cắt ngang Dâyđiện nối ở chổi than ra ngoài phải hoàn toàn chắc chắn, tin cậy

+ Toàn bề mặt cổ góp phải luôn luôn sạch bóng và đều đặn, nếu có vếtcháy hoặc lồi lỏm thì dùng giấy ráp mịn để đánh bóng lại, sau đó dùng hơi sìsạch bụi bẩn

+ Ổ trục rôto phải luôn đủ mỡ bôi trơn Nếu ổ bi có lắp ống lót thì khe hởkhông quá 0,07mm độ lỏng theo chiều dọc của ổ bi chỉ được phép nằm trongphạm vi (0,1-0,3)mm

+ Khe hở giữa nắp trước của máy phát điện tới lá thông gió không đượchẹp hơn 0,5mm

+ Nhiệt độ ngoài của máy phát điện khi làm việc với phụ tải lớn nhấtcũng không được vượt quá 45 0, nhiệt độ cổ góp không quá 60 0

2 Bảo dưỡng

Máy phát điện trên ôtô được bảo dưỡng theo ba cấp

a) Bảo dưỡng cấp1: Gồm các công việc sau

- Kiểm tra các đầu dây nối điện

- Kiểm tra độ căng các dây đai

b) Bảo dưỡng cấp 2: Ngoài công việc như bảo dưỡng cấp 1 còn thêm:

- Lau hết bụi bẩn bám bên ngoài máy phát

- Dùng khí nén thổi sạch toàm bộ máy phát

c) Bảo dưỡng cấp 3: Thường được tiến hành theo mùa Hàng năm trướckhi bước vào mùa đông để chuẩn bi cho máy làm việc tốt cần phải bảo dưỡngcấp3 cho máy phát điện

- Tháo máy phát điện ra khỏi ôtô

- Mở giá đỡ chuổi than, kiêm tratình trạng cổ góp , vành tiếp xúc chổithan và các vòng bi Khi cần thiết phải tháo rời các chi tiết bị mòn hoặc hỏng

- Dùng khí nén thổi sạch bên trong máy phát sau đó mới lắp lại

- Đưa máy phát điện đã lắp ráp hoàn chỉnh lên giá đỡ và cho chạy vớiphụ tải định mức để kiểm tra

- Khi kiểm tra thấy máy phát làm việc hoàn toàn tin cậy, bảo đảm chế độđịnh mức mới đem lắp ráp vào ôtô

2.2.2.1.4 Các hư hỏng thường gặp của máy phát một chiều trên ôtô và cách sửa chữa

1 Các hư hỏng và nguyên nhân gây hư hỏng

Hư hỏng của máy phát điện một chiều trên ôtô biểu hiện dưới dạng hiệntượng có thể quan sát, cảm thấy hoặc đo đạc được Ở đây sẽ nêu các hiện tượngđồng thời liệt kê các nguyên nhân gây ra Qua đó với mỗi trường hợp cụ thể cóthể xác định chính xác nguyên nhân nào rồi chọn biện pháp sử lý phù hợp

a Máy bị nóng quá mức quy định

Sự phát nóng của máy phát là do các nguyên nhân sau:

- Máy phát làm việc ở chế độ quá tải: Có thể số lượng thiết bị dùng điệnđồng thời nhiều quá hoặc có chỗ bị chập mạch

- Việc thông gió cho máy máy phát bị vật cản hoặc lõi sắt và bề mặt dâyquấn bị phủ lớp bụi bẩn cách nhiệt

- Góc nghiêng của cánh quạt làm mát bị thay đổi hoặc dây đai cánh quạt

bị chùng

- Dây quấn phần ứng phát nóng:

+ Khe hở giữa phần ứng và các cực từ không bằng nhau

+ Ngắn mạnh ở một hoặc vài phần tử dây quấn phần ứng

+ Cuộn kích từ bị ngắn mạch

- Dây quấn kích từ phát nóng:

+ Ngắn mạch trong cuộn kích từ

+ Dòng kích từ quá lớn

- Cổ góp và chổi than quá nóng :

+ Có tia lửa ở chổi than, do bề mặt cổ góp không đều hoặc bề mặtchổi than bị sê dịch khỏi vị chí ban đầu

+ Chổi than bị sạm đen, do chổi than tì quá mạnh lên cổ góp

b Điện áp phát ra không bình thường:

Khi thấy điện áp phát ra của máy phát bị thấp ta phải chú ý tới cácnguyên nhân sau:

- Tốc độ quay của rôto máy phát còn thấp

- Chổi than đã bị sê dịch khỏi vị chí ban đầu

- Đứt hoặc tiếp xúc không tốt trong mạch kích từ

- Ngắn mạch giữa các vòng dây trong búi dây phần ứng

c Máy phát không phát ra điện Trường hợp này xẩy ra là do các

nguyên nhân sau:

- Sự truyền động từ trục khuỷu tới trục của rôto máy phát không làm việc

- Đầu nối dây đưa mạch ra của máy phát bị hở mạch

- Đầu tiếp mát của máy phát bị đứt

- Cực từ của máy phát đã bi khử hết từ dư hoặc cuộn dây kích từ bị đứtmạch

2 Sửa chữa các chi tiết chính của máy phát một chiều

a Kiểm tra và sửa chữa cuộn dây phần ứng điện

Để kiểm tra phần ứng điện của máy phát, người ta cần đến thiết bịchuyên dùng gọi là Growler Hình2.10 giới thiệu thiết bị này, thiết bị náy gồmhai biến áp với lõi 9 dạng hai khối lăng trụ Hai khối lăng trụ này không nối

nhau nhằm để hở mạch từ của máy biến áp (hình 2.10b).

Khi kiểm tra, ta đặt phần ứng lên giữa hai khối lăng trụ, lõi phần ứng điệnsẽ khép kín mạch từ của của thiết bị, các cuộn dây ứng trở thành cuộn dây thứcấp của máy biến áp

* Thử chạm mát với đèn thử 110V.

Đấu đèn thử như sơ đồ hình 2.9, một đầu chạm vào lõi, đầu kia chạm vàocổ góp điện Nếu đèn thử cháy sáng là do các vòng dây ứng hay cổ góp chạmmát Thường bị chạm mát nơi cổ dây bẻ gắp của đầu dây vô ra trên răng lõiphần ứng điện.

Thử chạm mát với Growler Hình 2.10d: Bật công tắc nối điện vào thiết bịchạm một đầu que thử váo cổ góp điện chạm đầu kia vào lõi nếu đèn kiểm tracháy sáng là phần ứng bị chạm mát

*Thử các cuộn dây ứng bị nối tắt (Hình 2.10c) Đặt phần ứng lên 2 khối

trụ, đặt lưỡi cưa mỏng lên từng rãnh chứa các vòng dây ứng

Bật công tắc nối thiết bị vào lưới điện xoay chiều, lúc này các vòng dâyứng sẽ cảm ứng một sức điện động Nếu vòng dây còn tốt thì không có dòngđiện lưu thông trong cuộn dây Nếu có chập mạch giữa các vòng dây sẽ xuấthiện dòng điện làm từ hóa các rãnh của lõi thép phần ứng điện, lưỡi cưa 8 sẽrung động trước rãnh có hiện tượng chập mạch

*Kiểm tra phần ứng điện bị đứt.(hình 2.10b)

Chạm đầu đo 13 có hai que đo lên 2 phiến đồng kề nhau của cổ góp điện,Theo dõi đồng hồ miliampe 10 Nếu kim đồng hồ dao động nghĩa là vòng dâyứng không bị đứt Tiếp tục xoay từ từ phiến đồng đối diện 14 trên thiết bị đểkiểm tra tất cả các phiến đồng trên cổ góp điện

Hình 2.9 Kiểm tra tình trạng chạm mát của các vòng dây phần ứng với đèn thử 110V

*Kiểm tra giá đỡ chổi than.

Dùng hai đầu 4 của thiết bị Growler để kiểm tra như sau:

- Chạm một đầu 4 vào nắp máy phát

- Đầu 4 còn lại chạm vào giá đỡ chổi than dương, đèn thử không cháysáng là tốt, nếu cháy sáng là chạm mát nơi nắp

- Vẫn giữ một đầu 4 chạm nắp đầu kia chạm vào giá đỡ chổi than âm, đèncháy sáng là tốt

Hình 2.11 Kiểm tra sữa chữa chổi than

a-Kiểm tra tiếp mạch của giá đỡ chổi than, b- Rà chổi than

Hình 2.10 Thiết bị chuyên dùng Growler dùng kiểm tra phần ứng máy phát điện

a-Hình dáng Growler kiểu 533 liên xô, b-Kiểm tra liên mạch các cuộn dây phần ứng, c-Kiểm tra tình trạng chập mạch, nối tắt trong các vòng dây ứng điện, d-Kiểm

tra dây ứng bị chạm mát.

1-Thân thiết bị 2-Công tắc 3,4-Đầu dây thử 5-Phích cắm điện.

6-Nút chuyển mạch của biến trở miliampemét 7-Khung kiểm tra cuộn cảm 8-Lưỡi cưa mỏng 9-Khối lăng trụ máy biến áp 10-miliampe.

11-Đèn kiểm tra 12-Nút chuyển mạch 13-Đầu thử 2 que phiến đồng cổ góp điện 14-Phần ứng máy phát điện cần kiểm tra.

Khi thay chổi than mới phải tiến hành già chổi than nhằm mục đích làmcho chổi than ôm khít mặt cong của cổ góp

b Kiểm tra sửa chữa các cuộn cảm

* Quan sát tình hình vải bọc cách điện của các cuộn cảm: xem các mối

hàn mối nối giữa các cuộn cảm

* Thử mạch hở

Đấu đèn thử như sơ đồ hình vẽ Nếu đèn thử cháy sáng chứng tỏ các cuộncảm bị chạm mát Kiểm tra tìm kiếm nơi chạm mát, có thể chạm nơi các cuộndây, có thể chạm nơi cọc vít bắt dây

Nếu tìm thấy cuộn cảm bị chạm mát, ta chèn vào đó một miếng giấymỏng Nếu chạm mát nặng nên tháo cuộn dây ra, quấn lại vải cách điện, khôngnên quấn quá dầy sẽ làm cộm cuộn dây Sau đó quét vẹt ni cách điện và sưởikhô

2.2.2.2 Máy phát xoay chiều

Có thể hình dung máy phát điện xoay chiều giống như máy phát điện mộtchiều không có cổ góp và trong đó cực từ kích thích bằng dòng điện một chiềuvà được đặt ở phần quay, còn dây quấn phần ứng được đặt ở phần tĩnh Máyphát xoay chiều dùng trên ôtô thuộc loại máy phát đồng bộ ba pha Dưới đây làhình vẽ giới thiệu sơ bộ về máy phát xoay chiều

Hình 2.12 Kết cấu của máy phát điện xoay chiều

1-Nắp sau 2-Bộ chỉnh lưu 3-Điốt phát 5-Bộ điều chỉnh điện áp và các chổi than tiếp điện 4-Điốt kích từ 6-Phần ứng stato 7-Phần cảm rôto 8-Quạt 9-Buli 10-Chân gắn

Về kết cấu và nguyên lí làm việc của máy phát xoay chiều tôi xin trìnhbầy cụ thể ở chương 3.

Yêu cầu đối với máy phát điện trên ôtô là:

- Đủ công suất để nạp nhanh cho ắc quy

- Điện năng phát ra là dòng một chiều DC có điện áp ổn định

- It bảo dưỡng và gọn nhẹ

2.2.3 Bộ tiết chế

Bộ tiết chế là một bộ phận không thể thiếu được trong hệ thống trang bịđiện của ôtô Bộ tiết chế được chế tạo hợp với từng máy phát điện, nhưng nhìnchung bộ tiết chế đảm nhận chức năng chính sau:

1 Ổn định điện áp của máy phát điện

Như đã biết, trục của máy phát điện được truyền động từ trục khuỷu củađộng cơ ôtô bằng cơ cấu truyền lực buli–đai với tỉ số truyền ( i=1.7-2) Khi ôtôchạy trên đường, tốc độ nhỏ nhất của trục khuỷu bằng khoảng(500-600)vòng/phút tốc độ lớn nhất có thể đạt tới (4000-5000)vòng/phút Nhưvậy dải thay đổi tốc độ của trục khuỷu động cơ ôtô có thể đạt tới trị số:

D - dải thay đổi tốc độ

nmax - tốc độ tối đa

nmin- tốc độ tối thiểu

Điện áp phát ra của máy phát điện bằng

U F`= K e n-I U R U

Trong đó U F`-điện áp phát ra của máy phát điện

e

K -hệ số kết cấu của máy phát

 -từ thông kích từ của máy phát

n -tốc độ quay của máy phát

U

I -dòng phần ứng của máy phát R U -tổng trở của mạch phần ứng

Từ biểu thức trên ta thấy rằng điện áp phát ra của máy phát phụ thuộc

vào tốc độ quay của máy phát (cũng chính là tốc độ quay của trục khuỷu ôtô) và

cường độ dòng điện phụ tải Mặt khác tất cả các thiết bị điện lắp trên ôtô đặcbiệt là các đèn pha, đèn cốt, đèn tín hiệu đồng hồ đo lường và kiểm tra được chếđộ với điện áo cung cấp 12V hoặc 24V Do đó muốn cho các thiết bị này có chếđộ làm việc bình thường, thì nguần điện cung cấp cho nó phải đảm bảo ổn định,cụ thể là máy phát điện trên ôtô phải luôn phát ra được mức điện áp ổn định Đểổn định điện áp phát ra của máy phát điện, không phụ thuộc vào tốc độ quay củatrục máy phát, không phụ thuộc vào dòng điện phụ tải máy phát người ta dùngmột thiết bị gọi là bộ điều chỉnh điện áp

2 Ngăn chặn dòng điện ngược

Khi tốc độ quay của trục khuỷu động cơ thấp hơn trị số 700 vòng/phútđiện áp phát ra của máy phát thấp hơn điện áp của ắc quy Nếu không cắt ắcquy ra khỏi máy phát, thì ắc quy sẽ phóng điện vào máy phát, dễ làm chónghỏng cuộn dây của máy phát điện Khi tốc độ quay của trục khuỷu động cơ tănglên, cần phải đóng máy phát vào hệ thống trang bị điện ôtô Tự động đóng máyphát vào hệ thống trang bị điện ôtô khi điện áp máy phát lớn hơn điện áp của ắcquy và tự động cắt máy phát ra khỏi hệ thống trang bị điện ôtô khi điện áp máyphát thấp hơn điện áp của ắc quy ta dùng một thiết bị có tên gọi là rơ le dòngđiện ngược

3 Bảo vệ quá tải

Máy phát điện được thiết kế chế tạo với một công suất phát ra lớn nhấtcho phép Nếu trong hệ thống trang bị điện ôtô có sự cố như là ắc quy bị quá

“đói”làm cho dòng nạp tăng hơn trị số định mức cho phép, có sự cố ngắn mạch ởmật thiết bị nào đó vv… Nếu máy phát phải làm việc dài hạn trong tình trạngquá tải như vậy sẽ gây ra hiện tượng phát nhiệt làm cháy cuộn dây của máyphát điện Để bảo vệ quá tải cho máy phát, người ta dùng một bộ hạn chế dòng

Tất cả ba bộ: Bộ điều chỉnh điện áp, bộ ngăn chặn dòng điên ngược, bộhạn chế dòng điện được lắp trong một bộ chung gọi là bộ tiết chế.

Tuy nhiên trong một số bộ tiết chế lắp hợp bộ với máy phát xoay chiềukhông có rơ le dòng điện ngược và bộ hạn chế dòng Nhưng chức năng: ngănchặn dòng điện ngược, bảo vệ quá tải được thực hiện bằng những thiết bị kháclắp trong máy phát điện

Hiện nay trên ôtô sử dụng một số loại bộ tiết chế sau :

- Bộ tiết chế dùng thiết bị điện từ

- Bộ tiết chế dùng thiết bị điện từ kết hợp với thiết bị bán dẫn

- Bộ tiết chế dùng thiết bị bán dẫn

Chương 3KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG

LƯỢNG ĐIỆN ĐIỂN HÌNH

3.1 ẮC QUY AXÍT- CHÌ

3.1.1 Cấu tạo của bình ắc quy axít-chì

Hình.3.1 Cấu tạo của bính ắc quy chì-axít

1-Cực âm 2-Nút thông hơi 3-Mắt kiểm tra 4-cựcdương

5-dung dịch 6-Ngăn ắc quy 7-Bản cực 8- Nắp

9-Tấm cách 10-Tấm cực dương 11-Tấm cực âm 12-Khung lưới 13-Thanh nối

Bình ắc quy được cấu tạo bởi các bộ phận sau đây:

1.Vỏ bình

Vỏ bình được đúc thành khối và chế tạo bằng nhựa êbônít, cao su cứnghay bằng tổng hợp nhựa axphantơpec Phía trong chia thành ngăn kín riêng biệt.Dưới đáy mỗi ngăn có 4 sống đỡ các bản cực tạo thành khoảng chống giữa đáybình và các bản cực chánh tình trạng chập mạch Vỏ phải bền chắc không bị axítăn mòn, chịu được nhiệt độ

2 Bản cực hay lá chì

Bản cực hay lá chì được cấu tạo bằng cách trát đấy chất tác dụng (bột chì)

lên cốt khung lưới Cốt được đúc bằng hợp kim chì và stibi (87-95% pb và

13% sb) Cốt khung lưới có nhiệm vụ làm nơi bám bột chì và phân bố dòng điệnđều trên bản cực Bản cực dương trát đầy bột ôxít chì PbO2 , bản cực âm trát chìxốp Pb Sau khi trát và ép chất tác dụng, người ta ngâm các bản cực vào dungdịch A-xít sulfuric loãng và nạp dòng điện nhỏ Sau quá trình tạo cực này ở bảndương hoàn toàn trở thành PbO2 mầu nâu, bản âm thành chì xốp Pb mầu xámđen Độ dầy bản cực dương khoảng 2-2.5 ly, âm 1.8- 2.05 ly.

Giai đoạn kế, các bản cực đem sấy khô và hàn thành nhóm bản cực:Nhóm bản dương và nhóm bản âm Nhóm bản âm nhiều hơn nhóm bản dương

một bản

3 Phần tử bình ắc quy

Nhóm bản âm và nhóm bản dương đặt lồng xen kẽ vào nhau qua trung

gian các tấm ngăn và được ngâm trong hộc A-xít sulfuric và nước tạo thành một

phần tử ắc quy Cứ mỗi bản dương có hai bản âm kẹp hai bên ( một phần tử có

9 bản sẽ có 4 dương và 5 âm) Mục đích sử dụng triệt để các bản dương.

4 Tấm ngăn

Trong các phần tử bình ắc quy tấm ngăn có nhiệm vụ:

- Không cho các bản âm, dương đụng nhau gây chậm mạch

- Giữ và đỡ chất tác dụng tức bột chì khỏi rơi ra Các tấm ngăn phải cáchđiện tốt, phải xốp để cho nước điện tích lưu thông tự do quanh các bản cực Tấmngăn được chế tạo bằng êbônít xốp, gỗ hóa học, cao su xốp, bông thủy tinhghép với gỗ vv…

5 Nắp, nút và cầu nối

Nắp đậy hộc bình có lổ đổ và kiểm tra nước điện tích Nút bảo vệ khôngcho nước điện tích sánh ra ngoài và ngăn tạp chất rơi vào bình Trong quá trìnhhoạt động của ắc quy nước điện tích bị hao đần dưới hình thức bốc hơi hay ga

Do đó nắp có lỗ thông hơi từ trong ra ngoài Nếu nắp làm kín thì lổ thông hơi nơinắp ngăn bình Cầu nối là những thanh chì có sức tải điện lớn, nối tiếp các hộcbình với nhau

6 Nước điện tích

Nước điện tích hay dung dịch điện phân là dung dịch A-xít sulfuric nguyênchất và nước cất Nồng độ pha chế tùy thuộc vào khí hậu và vật liệu của các tấmngăn, thông thường trong khoảng 1.21 g/cm đến 1.31 g/cm ở nhiệt độ 150C Nếunồng độ dung dịch quá cao, các tấm ngăn sẽ mau hỏng các bản cực chóng bị rãbột và sulfat hóa làm điện dung giảm nhanh

Sulfat hóa là hiện tượng những tinh thể sulfát chì PbSO4 mầu trắng kếttinh trên các bản cực âm và dương Lớp tinh thể này cứng và có điện trở cao.

Các nước sứ nóng như việt nam nồng độ nước điện tích trước lần nạp đầutiên là 1.21 g/cm ở 15 0C

Nếu nồng độ nước điện tích tăng hay giảm so với mức 15 0C phải chỉnhlại số đọc nơi tỷ trọng kế

Khi tiến hành pha chế nước điện tích cần lưu ý các điều an toàn sau đây:

- Phải dùng A-xít sulfuric nguyên chất (HB 2 BSOB 4 B) và nước cất hay nướcmưa

- Dụng cụ pha chế phải bằng thủy tinh, sứ hay nhựa, phải sạch không dínhdầu mở hay tạp chất

- Phải đổ từ từ a-xít vào nước và khuấy đều với que thủy tinh tuyệt đốikhông được đổ nước vào a-xít

3.1.2 Nguyên lý hoạt động

1 Lúc phóng điện

Lúc phóng điện nghĩa là lúc bình đang cung cấp một dòng điện cho bộphận tiêu thụ, phản ứng xẩy ra nơi hộc bình được tóm tắt như hình 3.2 Phần tửaxít sulfuric được tách ra H2và SO4, một phần SO4 kết hợp với pb nơi bản cựcâm, phần SO4 kết hợp với Pb nơi bản cực dương tạo thành sulfat chì PbSO4

phản ứng này phóng hai nguyên tử oxy (O2) ra khỏi bản cực dương kết hợp vớihyđrô tạo thành nước (H2O)

Ở cực dương phản ứng xảy ra như sau:

PbOB 2 B + 3H+HSO4 + 2e  PbSO4+2H2O

Ở bản cực âm xẩy ra như sau:

Pb+H2 SO4  PbSO4 +2e+2H

Hình 3.2 Phản ứng hóa học trong ắc quy lúc phóng và nạp

Quá trình phóng điện làm cho nước tăng lên nhưng lại làm giảm lượngaixít sulfuríc, do đó nồng độ điện dịch giảm, các bản cực tiến dần đến cùng bảnchất là PbSO4làm cho thế hiệu giữa chúng giảm dần.

Phản ứng xẩy ra mạnh hay yếu, số lượng các hoạt chất tham gia nhiềuhay ít… tùy thuộc vào khả năng phân ly, khếch tán của SO4và H Do đó nồngđộ điện dịch, độ xốp của các bản cực, điện thế và cường độ dòng điện nạp…lànhân tố ảnh hưởng đến khả năng mạnh, yếu, sâu, nông ở các bản cực

2 Lúc nạp điện

Khi nạp điện lại cho ắc quy các electron bị dồn vào bản cực âm và cácelectron ở bản cực dương bị lấy bớt đi nhờ nguồn điện một chiều Chiều củadòng điện nạp vào ắc quy ngược với chiều lúc nó phóng điện Trong quá trìnhnạp điện nước trong dung dịch điện phân được phân ra thành hydro và oxy thànhphần SO4 tách khỏi các bản cực trở về dung dịch điện phân kết hợp với hyđrotạo thành axít sulfuric

Ở cực dương phản ứng xảy ra như sau:

3.1.3 Ký hiệu ắc quy

* Theo tiêu chuẩn việt nam chẳng hạn như 3-OT-70-TCVN.

3 : Số ngăn bình ắc quy

OT : Bình dùng cho ôtô máy kéo

70 : Dung lượng định mức 70 ampe giờ

NT : Tấm ngăn kép làm bằng nhựa xốp và bông thủy tinh

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

Ngoài ra mã hóa nhận biết ắc quy còn được biểu diễn trên hình 3.3

Hình 3.3 Ký hiệu ắc quy

1-Dung lượng ắc quy 2-Chiều rộng và chiều cao

3-Chiều dài 4-Vị chí cực âm

3.1.4 Các thông số cơ bản của ắc quy.

1 Tỷ trọng của dung dịch điện phân.

Tỉ trọng của dung dịch điện phân là số chỉ mật độ của chất điện phân haynói cách khác là trọng lượng của dung dịch điện phân so với nước nguyên chấtcó cùng thể tích Trong đó tỉ trọng của nước nguyên chất được xem bằng 1 đơnvị

Tỉ trọng của dung dịch điện phân có giá trị tùy theo từng nhà sản xuất.Tuy nhiên tỉ trọng của dung dịch điện phân các loại ắc quy đang dùng trên các

xe du lịch khi ở trạng thái được nạp đầy vào khoảng 1.28 và không vượt quá1.30

Các trị số điển hình của tỉ trọng này ở trạng thái làm việc khác nhau tạinhiệt độ 15 5 0C như sau:

- Khi nạp đầy hoàn toàn 1.27-1.29

- Khi phóng khoảng nữa dung lượng 1.19-1.21

- Khi phóng hoàn toàn 1.11-1.13

Khi ắc quy làm việc ở môi trường mà nhiệt độ không khí lớn hơn 32oCthì phải lấy tỉ trọng thấp hơn vì nhiệt độ càng cao thì các phản ứng hóa học xảy

ra càng mạnh hơn Các trị số điển hình khi ắc quy làm việc ở nhiệt độ cao:

- Khi nạp hoàn toàn 1.21-1.23

- Khi phóng khoảng nữa dung lượng 1.13-1.15

- Khi phóng hoàn toàn 1.05-1.07

Để đo tỉ trọng người ta thường dùng ống Bômê hoặc dùng tỉ trọng kế

Tỉ trọng của dung dịch điện phân luôn biến đổi theo nhiệt độ, cứ khi nhiệtđộ tăng lên 3 0C thì tỉ trọng giảm đi 0.002 và ngược lại khi nhiệt độ giảm đi 3 0

C thì tỉ trọng cũng tăng lên 0.002

Khi kiểm tra một ắc quy đã nạp hoàn toàn hoặc khi chuẩn lại thì tỉ trọngsau khi kết thúc quá trình nạp lần đầu tiên của ắc quy mới ở nhiệt độ môi trườngthử nghiệm ta dựa vào các chuẩn tỉ trọng nói ở trên Tỉ trọng đo được phải quyvề nhiệt độ 15 5 0C bằng cách cộng vào hoặc trừ đi độ tăng hoặc giảm tỉ trọngtheo sự giảm hay tăng của nhiệt độ môi trường so với nhiệt độ chuẩn

Bảng 3.1: Liên hệ giữa tỉ trọng và độ Bômê

2 Dung lượng của ắc quy

Dung lượng của ắc quy là tích số thời gian cần thiết (tính bằng giờ) để ắc quy phóng điện với dòng điện phóng ( tính bằng ampe) hay đó chính là số lượng

điện mà ắc quy đầy điện có thể cho khi phóng điện đến giới hạn cho phép (điện

thế giảm xuống dưới 1.7V) tại một nhiệt độ nhất định.

Đơn vị của dung lượng là ampe giờ (Ah), đó chính là dung lượng của ắcquy có thể phóng với dòng điện cường độ 1A trong thời gian 1 giờ.

Dòng điện phóng hay còn gọi là tốc độ phóng, khi tăng tốc độ phóngdung lượng của ắc quy có thể giảm xuống nên khi dùng ắc quy cần phải biết tốcđộ phóng hay dòng điện phóng cho phép và thời gian phóng của ắc quy Tốc độphóng tiêu chuẩn của ắc quy trên ôtô khoảng từ 10 đến 20 giờ

Dung lượng phóng của ắc quy phụ thuộc vào các yếu tố sau đây

- Số bản cực trong một ngăn bình

- Bề mặt và bề dầy các bản cực

- Kích thước của các ngăn tạo nên ắc quy

- Dung tích, tỉ trọng và nhiệt độ của dung dịch điện phân Nếu cho ắc quy phóngđiện với cường độ dòng điện không đổi đến điện áp cuối cùng thì dung lượng sẽcao hơn khi nhiệt độ dung dịch tăng lên và ngược lại Sở dĩ có được kết quả khácnhau như vậy là vì dung dịch có thể hòa tan dễ dành hơn khi nhiệt độ cao, chophép nhiều chất hoạt tính phản ứng hóa học với nó Ngoài ra điện trở của dungdịch điện phân giảm và điện tích có thể chuyển động dễ dàng hơn khi nhiệt độcao hơn Kết quả là điện ắc quy sẽ tăng lên

Cường độ dòng điện phóng càng lớn thì dung lượng càng giảm, bởi vì khiắc quy phóng điện với dòng cao, axít sulfuric không được cung cấp đủ nhanh đếncác bản cực Khi nạp, phóng cường độ phản ứng xảy ra triệt để, nghĩa là toàn bộsố hoạt chất của bản cực đều tham gia thì dung lượng mới lớn

3 Điện áp định mức của mỗi ngăn ắc quy

Điện áp định mức của một ngăn là điện áp giữa hai cực của nó khi mạch

ngoài bị hở nghĩa là không có sự nạp, phóng điện Giá trị định mức của mộtngăn là 2V và không phụ thuộc váo kích thước các bản cực Điện áp khi mạchhở này nằm trong giới hạn từ 2-2.2V tùy vào việc nạp trước đó

4 Điện trở trong ắc quy

Do bên trong ắc quy luôn tồn tại một điện trở trong của dung dịch điệnphân và của các bản cực nên nó có tác dụng như vật cản gây sụt áp giữa các cựccủa ắc quy Do đó điện áp thực tế của ắc quy tạo ra luôn nhỏ hơn lý thuyết Nóicách khác điện áp thực tế do ắc quy phát ra có thể biểu diễn bằng công thức: V=E-Ir

Trong đó :

E : Điện áp lý thuyết do ắc quy tạo ra

I : Cường độ dòng điên trong mạch.

R : Sụt áp giữa các cực ắc quy

Như vậy điện trở trong của ắc quy làm cho điện áp phát ra giảm khi dòngđiện chạy qua nó tăng Điều này có tầm quan trọng đối với những mạch điện cómôtơ khởi động hay đèn pha… vì khi đó điện áp phát ra giảm nên công suất phát

ra cũng giảm theo Điện trở trong ắc quy tăng theo thời gian sử dụng của nó

3.1.5 Sử dụng ắc quy

1 Lắp ghép ắc quy trên ôtô

Ắc quy sử dụng trên ôtô cần phải thỏa mản hai yêu cầu cơ bản về kĩ

thuật: - Có dung lượng đủ lớn để đảm bảo khởi động được ôtô

- Điện áp ra của ắc quy phải phù hợp với điện áp ra của máy phát trênôtô

Khi kiểm tra ắc quy thỏa mản hai điều kiện trên mới quyết định dùng.Việc lắp ghép ắc quy vào ôtô phải xem xét cẩn thận cực tính của ắc quy và cựctính của máy phát điện trên ôtô để đấu dây cho đúng

Cực bắt ra mass của ắc quy phải cùng tên với cực bắt ra mass của máyphát điên Nếu máy phát bắt ra mass bằng cực dương mà ắc quy bắt ra massbằng cực âm thì trong mạch điện ôtô lúc ấy ắc quy được xem là đấu nối tiếp vớimáy phát, do đó lúc máy phát làm việc mạch ngoài của máy phát bị đoản mạchqua ắc quy nên tất cả năng lượng điện của máy phát sinh ra sẽ bị triệt tiêu trênắc quy, các thiết bị dùng điện khác trên ôtô sẽ không còn năng lượng điện để

hoạt động, máy phát sẽ chịu điều kiện làm việc quá tải (đoản mạch ngoài) dẫn

tới cháy máy phát và bộ tiết chế, Với ôtô dùng máy phát điện xoay chiều nếuđấu sai chiều của ắc quy sẽ làm cháy ngay bộ nắn điện

Để tránh hiện tượng trên, khi dùng phải xem kĩ các dấu đã được khắc tạibên cạnh các đầu cực của ắc quy Đầu cực dương của ắc quy bao giờ cũng khắcdấu (+), còn đầu cực âm khắc dấu (-) Nến đầu này bị mờ hoặc mất đi thì dùngmột trong các biện pháp sau để xác định cực tính của chúng

* Dùng vôn kế một chiều: Đặt hai đầu của vôn kế một chiều lên hai cực

của ắc quy Nếu kim của vôn kế quay theo chiều thuận thì que đo dương của vônkế đã chạm vào cực dương của ắc quy Nếu kim vôn kế quay theo chiều nghịchthì que đo dương của vôn kế đã tiếp xúc với cực âm của ắc quy

Chú ý khi đo bằng vôn kế phải tiến hành nhanh theo kiểu chấm quẹt que

đo vào đầu cực của ắc quy để đề phòng nếu rơi vào trường hợp đặt ngược que đocũng không bị hỏng que đo

* Phân biệt bằng mầu sắc của hai cọc cực trên ắc quy: Trong quá trình sửdụng ắc quy, khi nạp điện cho ắc quy thì ở cực dương là chì oxít (PbO2) bámvào, còn ở cực âm là chì nguyên chất (pb), do đó làm cho mầu sắc ở đầu cựccũng thay đổi Cụ thể ở cực dương của ắc quy sẽ có mầu nâu còn cọc cực âm sẽcó mầu xám.

2 Những điều cần chú ý trong quá trình sử dụng ắc quy trên ôtô Khi ắc quy đã được lắp sẵn, trong quá trình sử dụng ta cần chú ý những

điều sau:

- Thường xuyên theo dõi mức dung dịch điện phân trong bình, nếu bị cạndưới mức quy định thì dùng nước cất để bổ sung Tuyệt đối không được dùngnước tạp chất, dung dịch mới hoặc axít sulfuric để bổ sung vì như vậy sẽ làm cho

tỉ trọng dung dịch của ắc quy thay đổi dẫn tới tính năng hoạt động của các bảncực không đảm bảo, bản cực của ắc quy sẽ mau hỏng

- Thường xuyên theo dõi độ nóng của ắc quy, độ thông thoáng của các lổthoát hơi trên bình, sự rạn nứt và các vết rò rỉ trên bình ắc quy

- Khi ôtô nghĩ hoạt động quá 24 giờ, phải tháo dời đầu dây đấu từ cọc cựctrên ắc quy đến mass Sau một cung độ ôtô đã đi được 1000Km phải thông lạicác lỗ thông hơi và cạo sạch đầu cọc đấu dây, các đầu nối dây của ắc quy Đấudây vào cọc cực phải nhẹ nhàng, chắc chắn, không dùng búa để gõ mạnh khi nốidây ở đầu cực vì như thế sẽ làm bong lớp hoạt tính trên bản cực, tạo ra sự ngắnmạch trong ắc quy

- Quá trình khởi động động cơ ôtô mỗi lần không được phép kéo dài quá5s, số lần khởi động không được quá 3 lần liên tiếp

- Trên bề mặt của ắc quy phải giữ gìn khô ráo, sạch sẽ, không đặt bất cứdụng cụ gì đè lên mặt bình, đặc biệt là các vật bằng kim loại và các đồ vật ẩm

vì như thế dễ gây ra đoản mạch ngoài cho ắc quy

- Khi thấy hiện tượng ắc quy mất điện thì biện pháp kiểm tra đơn giản như

sau; Dùng tuốc nơ vít lách tiếp súc vào các chỗ nối của ắc quy (lúc này chỉ để công tắc còi) tới khi nào còi hoạt động thì sửa lại điểm nối đó Nến biện pháp

này mà không hiệu quả thì tháo đầu kẹp dây tiếp mass của ắc quy ra, lần lượtcho tiếp xúc với điện áp 12V, 10V, 8V, 6V, 4V, 2V Khi tiếp xúc với ngăn nàođó mà còi kêu hoặc có tia lửa thì chứng tỏ ngăn ắc quy hỏng ở phần đã thử qua.Theo chiều dây mass mà vẫn chưa phát hiện được ngăn ắc quy hỏng thì đảo lạibằng cách nối dây mass của ắc quy như củ rồi tháo đầu dây ở đầu kia đem lần