KHẢO SÁT VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM TRÊN ÔTÔ
Các định luật v cuộn cảm
2 Các định luật về cuộn cảm:
Năm 1831, Faraday đã chứng minh rằng từ trường có khả năng tạo ra dòng điện thông qua thí nghiệm Cụ thể, khi từ thông trong một mạch kín thay đổi, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.
Khi mắc nối tiếp một ống dây điện với một điện kế G tạo thành mạch kín và đặt một thanh nam châm vào trong ống dây, kim của điện kế sẽ lệch, cho thấy sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong ống dây.
Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chi u ngược lại
Cường độ dòng điện cảm ứng I c sẽ tăng lên khi thanh nam châm di chuyển nhanh hơn Ngược lại, nếu giữ thanh nam châm đứng yên so với ống dây, dòng điện cảm ứng sẽ bằng không Tương tự, khi thay thế nam châm bằng một ống dây có dòng điện chạy qua và thực hiện các thí nghiệm như vậy, chúng ta cũng nhận được kết quả tương tự.
*Faraday rút kết luận từ các thí nghiệm :
- Từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó
- Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông qua mạch kín biến đổi
- Cường độ của dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi từ thông
- Chi u dòng điện cảm ứng phụ thuộc sự tăng hay giảm của từ thông qua mạch
2.2 Định luật Lenz: Đồng thời với Faraday, Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ và đã tìm ra định luật tổng quát giúp ta xác định chi u của dòng điện cảm ứng, gọi là định luật Lenz
Nội dung của định luật :
Dòng điện cảm ứng phải có chi u sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó
Khi từ thông qua mạch tăng, từ trường cảm ứng sinh ra sẽ chống lại sự tăng của từ thông, và ngược chiều với từ trường ngoài Ngược lại, khi từ thông giảm, từ trường cảm ứng sẽ chống lại sự giảm của từ thông và cùng chiều với từ trường ngoài Để xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong vòng dây, ta cần phân tích tình huống một cách chi tiết.
Khi nam châm đi xuống, từ thông qua vòng dây tăng lên, dẫn đến sự xuất hiện dòng điện cảm ứng I c Từ trường B c do dòng I c tạo ra cần phải chống lại sự tăng của từ thông, do đó B c phải ngược chiều với B, suy ra từ trường B c có hướng lên Áp dụng quy tắc bàn tay phải (đinh ốc), ta nhận thấy dòng I c có chiều ngược lại với kim đồng hồ.
Nếu nam châm chuyển động ra xa cuộn dây thì từ thông giảm, khi đó B c cùng chi u B, kết quả dòng I c cùng chi u kim đồng hồ
Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng luôn có xu hướng phản kháng lại sự dịch chuyển của thanh nam châm, do đó, việc di chuyển thanh nam châm yêu cầu một lượng công nhất định Công sức bỏ ra trong quá trình này sẽ được chuyển hóa thành điện năng của dòng điện cảm ứng.
2.3 Suất điện động cảm ứng:
Sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong mạch có suất điện động cảm ứng Để hiểu biểu thức của suất điện động này, ta cần dịch chuyển một vòng dây dẫn kín trong từ trường, làm thay đổi từ thông gửi qua vòng dây Giả sử trong thời gian dịch chuyển, từ thông biến thiên một lượng dΦ và dòng điện cảm ứng xuất hiện là Ic Công thức lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng được biểu diễn bằng dA = I dΦ Trong quá trình dịch chuyển, ta đã tốn một công cơ học dA’, theo định luật Lenz, lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng ngăn cản sự dịch chuyển của vòng dây, do đó công lực từ dA là công cản và có trị số bằng nhưng ngược dấu với công dA’ Từ đó, ta có dA' = -dA = -I dΦ Gọi ξc là suất điện động cảm ứng, năng lượng của dòng điện cảm ứng tỏa ra trong thời gian dt được tính bằng dW = Ic ξc dt Công dA’ mà ta tốn được chuyển thành năng lượng của dòng điện cảm ứng, do đó dA' = dW.
Từ đó suy ra : c d dt
Vậy : Suất điện động cảm ứng v trị số bằng nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gửi qua điện tích của mạch điện
Dấu trừ (-) trong biểu thức (1.3) nói lên dòng điện cảm ứng có chi u tuân theo định luật Lenz
Giả sử mạch điện kín, kim điện kế G nằm ở vị trí a nào đó (hình
- Nếu ngắt mạch điện, ta thấy kim điện kế G lệch v quá vị trí số 0 rồi mới quay trở lại số 0
- Nếu đóng mạch, kim điện kế lệch quá vị trí a lúc nãy rồi mới quay lại vị trí a Giải thích :
- Khi ngắt K : Φ m qua mạch biến thiên I c cùng chi u với I qua mạch, I c phóng qua điện kế G làm kim của G lệch quá vị trí 0 rồi mới quay v 0
- Khi đóng K : I c ngược chi u với I qua ống dây, dòng điện qua nhánh có điện kế
G nhi u hơn do đó kim điện kế G vượt quá vị trí a rồi sau đó mới v vị trí a
=> Hiện tượng trên gọi là hiện tượng tự cảm, dòng điện xuất hiện trong mạch gọi là dòng điện tự cảm
Hiện tượng tự cảm xảy ra trong mạch kín khi có dòng điện xoay chiều chạy qua, hoặc trong mạch điện một chiều khi ta thực hiện việc đóng hoặc ngắt mạch.
Hình 2.17: Thí nghiệm hiện tượng tự cảm
2.4.2 Suất điện động tự cảm:
Suất điện động tự cảm là suất điện động gây ra dòng điện tự cảm Theo định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ, suất điện động tự cảm được biểu thị bằng công thức: tc d dt.
dΦ: là từ thông do dòng điện trong mạch biến thiên sinh ra và gửi qua điện tích của mặt đó
Từ thông Φ tỉ lệ thuận với từ trường B do dòng điện trong mạch sinh ra, và từ trường B lại tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện I của mạch.
Kết quả là : Φ tỉ lệ thuận với I Do đó ta có thể đặt :
Hệ số tự cảm (L) của mạch điện là một đại lượng tỉ lệ, phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của mạch và đặc tính của môi trường xung quanh.
Thay Φ từ biểu thức (1.4) vào biểu thức của c ta được : tc d d(LI) dI dt dt L dt
Suất điện động tự cảm tỷ lệ thuận với tốc độ biến đổi của cường độ dòng điện trong mạch Dấu trừ (-) trong công thức cho thấy rằng suất điện động tự cảm luôn có tác dụng chống lại sự thay đổi của cường độ dòng điện trong mạch.
2.4.3 Hệ số tự cảm của một ống dây thẳng dài:
Để tính toán hệ số tự cảm của một ống dây có N vòng, chiều dài l và bán kính R, ta cần xem xét dòng điện I chạy qua mỗi vòng dây Hệ số tự cảm (L) phụ thuộc vào số vòng dây, kích thước của ống dây và dòng điện, cho phép xác định khả năng tạo ra từ trường xung quanh ống dây khi có dòng điện chạy qua.
Bỏ qua hiệu ứng cạnh và áp dụng định luật Ampe từ trường bên trong ống dây được tính bởi phương trình : 0 NI 0
Với N n l là số vòng dây trên một đơn vị chi u dài Từ thông xuyên qua mỗi vòng dây là :
A R 2 : diện tích mặt cắt ngang của ống dây
Do đó, hệ số tự cảm là :
Ta thấy L chỉ phụ thuộc vào cỏc yếu tố hỡnh học (n,R, à 0 và l) mà khụng phụ thuộc vào dòng điện I
2.4.4 Hệ số tự cảm của cuộn dây hình xuyến :
Để tính toán hệ số tự cảm L của cuộn dây hình xuyến, cần xem xét các thông số quan trọng như số vòng dây N, bán kính trong a, bán kính ngoài b và chiều cao h của cuộn dây.
Hình 2.18: Hệ số tự cảm của ống dây thẳng dài
Hình 2.19: Hệ số tự cảm của cuộn dây hình xuyến
Theo định luật Ampe ta có:
Cường độ của từ trường bên trong cuộn dây hình xuyến được cho bởi công thức :
Từ thông xuyên qua một vòng dây của hình xuyến có thể được tính bằng cách lấy tích phân trong mặt cắt ngang hình chữ nhật, với dA=h.dr :
Ta có tổng các từ thông là N.Φ B Vì vậy độ tự cảm là :
Một lần nữa ta thấy độ tự cảm chỉ phụ thuộc vào các yếu tố hình học Xét tình huống mà khi đó a >> b-a Ta có : b b a b a ln ln 1 a a a
Khi đó độ tự cảm sẽ có giá trị là:
Với A = h(b-a) : diện tích mặt cắt ngang và l 2 a
2.4.5 Phương pháp triệt tiêu suất điện động tự cảm xuất hiện trong các linh kiện diện tử khi đóng hoặc ngắt mạch :
*Điện áp tự cảm (suất điện động ngƣợc)
Tổng quan hệ thống điện trên ô tô
Ô tô ngày nay được trang bị nhiều thiết bị điện và điện tử đa dạng, mỗi nhóm thiết bị có cấu tạo và tính năng riêng, phục vụ cho mục đích cụ thể Những thiết bị này tạo thành các hệ thống điện riêng biệt trên ô tô, có thể được phân loại theo chức năng, bao gồm các hệ thống chính.
Bao gồm accu, máy khởi động một chi u, relay bảo vệ khởi động
Hệ thống cung cấp điện
Gồm accu, máy phát, tiết chế, các relay và đèn báo nạp
Gồm accu, công tắc máy, bộ chia điện, bobine, IC, bugi và các cảm biến
Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu
Gồm đèn chiếu sáng, đèn tín hiệu, còi và các relay
Hệ thống điều khiển ô tô
Gồm hệ thống lái, hệ thống đi u khiển phanh chống hãm cứng bánh xe ( hệ thống phanh ABS), hộp số tự động, cảm biến tốc độ bánh xe…
Hệ thống điều hòa không khí
Gồm máy nén, giàn nóng, van tiết lưu, giàn lạnh, các relay đi u khiển, hộp đi u khiển,…
Các hệ thống phụ khác
Hệ thống gạt mưa rửa kính, điều khiển gương chiếu hậu, điều khiển ghế và cửa, cùng với hệ thống điều khiển từ xa và hệ thống thông tin, tạo nên một trải nghiệm lái xe tiện nghi và hiện đại.
3.1 Sử dụng cuộn cảm trên hệ thống điện ô tô:
Cuộn cảm là một thành phần quan trọng trong các hệ thống điện của ô tô, được sử dụng với nhiều công dụng khác nhau Vai trò của cuộn cảm trong hệ thống điện và điện tử của xe hơi không thể thiếu, góp phần đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định.
Trong hệ thống khởi động thì cuộn cảm được ứng dụng làm công tắc từ và motor điện trong máy khởi động
Khi công tắc máy ở vị trí START, dòng điện sẽ đi qua cuộn hút và cuộn giữ, tạo ra lực từ nhờ suất điện động cảm ứng Sự hoạt động của hai cuộn dây này khiến lõi bị hút vào, dẫn đến việc đóng tiếp điểm chính và làm cho motor bắt đầu quay.
Khi tiếp điểm chính ngắt điện, cuộn hút không còn hoạt động, nhưng cuộn giữ vẫn tiếp tục làm việc Lực từ do cuộn giữ tạo ra vẫn đủ mạnh để giữ tiếp điểm ở trạng thái đóng.
Hình 2.27a: Dòng điện trong mạch ở giai đoạn hút
Hình 2.27b: Dòng điện trong mạch ở giai đoạn giữ
Công tắc khởi động ngắt hoạt động khi dòng điện đi qua cuộn hút và cuộn giữ, tạo ra suất điện động ngược chiều nhau, dẫn đến việc khử lẫn nhau Kết quả là công tắc từ mở ra nhờ lực của lò xo hồi vị, làm cho motor ngừng hoạt động.
3.1.2 Hệ thống cung cấp điện:
Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khi khung dây quay trong một từ trường không đổi, từ thông qua khung dây sẽ biến đổi liên tục, dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện xoay chiều cảm ứng trong khung.
Hình 2.27c: Dòng điện trong mạch ở giai đoạn hồi vị
Hình 2.28: Máy phát xoay chi u và cuộn dây
Cảm biến chủ yếu bao gồm một cuộn cảm, một nam châm vĩnh cửu và một rotor, với số răng tùy thuộc vào loại động cơ.
Khi cựa răng của rotor không nằm đối diện với cực từ, từ thông qua cuộn dây cảm ứng sẽ thấp do khe hở không khí lớn, dẫn đến từ trở cao Khi cựa tiến gần cực từ, khe hở không khí giảm, làm tăng nhanh từ thông Do sự biến thiên này, cuộn dây sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng.
Khi cựa răng rotor tiếp xúc với cực từ của cuộn dây, từ thông đạt giá trị tối đa nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng không Khi cựa răng rotor rời khỏi cực từ, khe hở không khí tăng lên, dẫn đến sự giảm từ thông và sinh ra suất điện động theo chiều ngược lại Các tín hiệu điện áp này sẽ được gửi đến ECU để giúp ECU xác định thời điểm đánh lửa tối ưu.
Hình 2.29: Cảm biến G và Ne
Khi transistor T ngắt, từ thông trong cuộn sơ cấp giảm đột ngột, tạo ra suất điện động ngược lại với sự giảm từ thông Hiệu ứng tự cảm trong cuộn sơ cấp tạo ra suất điện động khoảng 500 V, trong khi hiệu ứng hỗ cảm ở cuộn thứ cấp tạo ra suất điện động khoảng 30 kV Suất điện động này khiến bougie phát ra tia lửa.
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây của kim phun, nó tạo ra một lực từ đủ mạnh để vượt qua sức căng của lò xo, lực trọng trường và áp lực của nhiên liệu, cho phép kim nhích ra khỏi bệ khoảng 0.1mm, từ đó phun nhiên liệu ra ngoài Khi dòng điện ngừng, lực từ biến mất, và lực lò xo sẽ kéo ty kim xuống, kết thúc quá trình phun nhiên liệu.
Hình 2.31: Kim phun và sơ đồ mạch đi u khiển Hình 2.30: Bobine và sơ đồ hệ thống đánh lửa
3.1.5 Hệ thống điều khiển ô tô (ABS, ESP, TCS,…):
Rotor cảm biến được thiết kế với các răng bên ngoài, khi rotor quay, từ thông trong cuộn dây biến thiên, tạo ra điện áp xoay chiều Tần số của điện áp này tỉ lệ thuận với tốc độ quay của rotor, và cảm biến sẽ truyền tín hiệu điện áp này đến ECU.
Khi dòng điện được cấp vào cuộn dây của van điện từ, nó tạo ra từ trường xung quanh, kéo van lên Khi ngắt điện, từ trường biến mất và van trở về vị trí ban đầu nhờ lực lò xo.
3.1.6 Ứng dụng cuộn cảm trên các bộ phận khác:
Cuộn cảm chủ yếu được sử dụng trong các bộ phận khác như relay và động cơ điện một chiều, nhằm điều khiển và dẫn động các cơ cấu.
KHẢO NGHIỆM, ĐO ĐẠC
Thiết bị đo
Hình 3.1: Đồng hồ vạn năng
- Đo cường độ dòmg điện:
- Đo tụ điện: 2 nF – 2000 àF ± 5%
- Đo tần số: 2 KHz – 10 MHz ± 0.8%
- Hỗ trợ kiểm tra diode, transistor và thông mạch
Kết quả đo R, L của một số cuộn cảm trên ôtô và các giá trị tham khảo khác
Giá trị đo được: Điện trở (Ω) Độ tự cảm (mH)
Giá trị tham khảo khác: Điện trở (Ω) Độ tự cảm (mH)
3 Năng lƣợng điện cảm tích lũy
Cuộn cảm lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường và suất điện động của nó phụ thuộc vào mức độ thay đổi dòng điện Khác với tụ điện, nơi dòng nạp phụ thuộc vào sự thay đổi điện áp, cuộn cảm yêu cầu công suất vào hoặc ra từ mạch khi dòng điện thay đổi Điều này có nghĩa là dòng điện trong cuộn cảm không thể thay đổi nhanh chóng, trong khi điện áp qua nó có thể thay đổi rất nhanh.
Khi đóng khóa K, thời điểm t = 0, suất điện động của cuộn cảm được tính:
L d d(LI) dI dt dt L dt
- Dòng điện qua cuộn cảm không thay đổi tức thì được Nếu có trường hợp đó thì dI/dt = ∞, suy ra ξ L = ∞ Đây là đi u bất hợp lý
- Điện áp qua cuộn dây sẽ thay đổi ngay lập tức để chống lại thay đổi dòng điện
=> Ta rút ra nhận xét cuộn cảm cũng giống như nguồn điện trong thời gian ngắn
Ta lại có: năng lượng chính là tích phân của công suất qua thời gian, công suất của mạch là P = I.U, suy ra:
dt Lấy tích phân cho P: t t
Dòng điện trong cuộn cảm không còn phụ thuộc vào thời gian t nữa Khi bắt đầu, dòng điện có giá trị 0 và khi thời gian đạt đến t, dòng điện trong cuộn cảm đạt giá trị I cuối Năng lượng tích lũy trong cuộn cảm được tính toán dựa trên giá trị này.
Thực tế ta thấy, có sự mất mát năng lượng trong cuộn cảm chủ yếu đến từ nguyên nhân sau:
Điện trở của cuộn cảm được xác định bởi số lượng vòng dây và kích thước của dây quấn, bao gồm chiều dài và bán kính của mỗi vòng.
Vật liệu làm lõi với độ từ thẩm cao sẽ làm tăng hệ số tự cảm, từ đó ảnh hưởng đến khả năng tích lũy năng lượng.
Ta tiến hành vẽ đồ thị bằng Matlab với các giá trị đã đo đạc dược:
Kim phun hoạt động trong thời gian t = 0.01 s, R = 14.6 Ω, L = 14.8 mH
Năng lượng tích lũy tăng dần đến mức cực đại
Hình 3.3: Đồ thị quá trình tích lũy năng lượng của kim phun
Tương tự vẽ đồ thị bằng Matlab với các giá trị đã đo đạc dược:
Relay hoạt động trong thời gian t = 0.01 s
Solenoid hoạt động trong thời gian t = 0.01 s
Hình 3.4: Đồ thị quá trình tích lũy năng lượng của relay
Hình 3.5: Đồ thị quá trình tích lũy năng lượng của solenoid
56 Đối với mạch đánh lửa, ở đây ta xét cuộn sơ cấp của bobine:
Năng lượng cũng được tính: L 1 2
2 Nhưng I = ae cos(yt) + ze sin(yt) xt xt Chương 4 sẽ phân tích rõ hơn
R + r d = L Cr Các thông số là:
Hình 3.6: Đồ thị quá trình tích lũy năng lượng của cuộn sơ bobine
L eq : độ tự cảm tương đương của mạch sơ cấp
R: Điện trở của mạch sơ cấp r : Điện trở rò của tụ C i 1 : Dòng điện đi qua điện trở R i 2 : Dòng điện đi qua tụ C i 3 : Đòng điện rò qua tụ C
Trong mạch điện điều khiển kim phun, điện trở trong của ECU và igniter trong mạch đánh lửa cần được xem xét Để đạt được kết quả chính xác, giá trị điện trở Rt phải được cộng thêm vào công thức tính năng lượng tích lũy của cuộn cảm Điều này cũng áp dụng cho mạch kim phun, relay và solenoid.
Đối với mạch của cuộn sơ cấp bobine:
Tại thông số trung gian c và d: R = R bobine + Rt
Giá trị năng lượng tích lũy trên cuộn dây (J) Thời gian: 0.01 s: Điện trở (Ω) Độ tự cảm (mH) Năng lượng (J)
Bảng 3.1: Giá trị năng lượng cuộn cảm tích lũy được
Năng lượng điện cảm tích lũy
PHÂN TÍCH VÀ LẬP PHƯƠNG TRÌNH
Mô hình hóa cho mạch RL
Xét mạch RL bên dưới đây là mạch nguyên lý, mạch đơn giản nhất nhưng được sử dụng nhi u trên hệ thống điện ô tô
R: là tổng điện trở của cuộn dây
L: là độ tự cảm của cuộn dây
Tại thời điểm t = 0, khi khóa K được đóng lại, dòng điện một chiều sẽ chạy từ cực dương của accu qua R và L1 đến cực âm của accu Kết quả là, trên L1 sẽ xuất hiện một suất điện động tự cảm.
(4.1) ξ mang dấu dương vì , cường độ dòng điện trong mạch lúc này đang tăng Áp dụng định luật Kirchoff vào sơ đồ mạch điện trên ta có:
Thực hiện biến đổi Laplace cho phương trình (4.2) ta sẽ được :
Do mạch không tích trữ năng lượng ban đầu nên i(0 ) 0, phương trình (4.3) sẽ được viết lại như sau:
Hình 4.1: Mô hình mạch RL
Dạng của I S không phải là dạng cơ bản, nên ta tiếp tục biến đổi phương trình trên:
A, B là 2 số cần xác định, tiến hành quy đồng mẫu số vế phải và cân bằng 2 vế ta được:
R Thay A và B vào (4.4) ta được: s
Tiến hành biến đổi ngược Laplace cho phương trình trên ta có được:
Từ (4.1) ta cũng có điện áp tự cảm cuộn dây :
Đặt , phương trình (4.5) sẽ được viết lại: t (t)
Phương trình (2.5) thể hiện quá trình tăng trưởng dòng điện I trong cuộn dây
Khi dòng điện I t đạt giá trị cực đại I (ng) thì quá trình tích lũy năng lượng kết thúc
Cuối quá trình này, năng lượng tích lũy trên cuộn dây đạt một giá trị tỷ lệ với dòng
I (ng) với công thức sau: t 2
(4.7) t: là thời gian tích lũy năng lượng t T 120
T: chu kỳ đánh lửa (s) n : số vòng quay trục khuỷu động cơ (v/p)
M : số xylanh của động cơ γ : thời gian tích lũy năng lượng tương đối
Dựa vào các số liệu cho trước như sau: U = 14 V, R = 14.6 Ω, L = 0.0148 H Kết hợp với các phương trình ở trên ta có thể vẽ được các đồ thị bằng Matlab
* Đồ thị quá trình tăng trưởng của dòng trong cuộn dây:
Hệ số tự cảm L làm cho dòng điện không đạt giá trị cực đại ngay lập tức, mà phải tăng dần Khi hệ số tự cảm L của cuộn dây giảm, độ dốc của đường biểu diễn dòng điện sẽ tăng lên, và ngược lại.
* Khi cho động cơ hoạt động trong số vòng quay 0 – 5000 vòng/phút ta xác định được giá trị cực đại của dòng điện Lấy γ =2/3
Khi số vòng quay động cơ tăng, thời gian tích lũy năng lượng giảm, dẫn đến giá trị cực đại của cường độ dòng điện cũng giảm theo Điều này khiến năng lượng tích lũy trên cuộn dây giảm dần khi số vòng quay động cơ tăng.
Hình 4.2: Quá trình tăng trưởng của dòng điện
Hình 4.3: Dòng điện cực đại trong cuộn dây ở số vòng quay 0 – 5000 v/p
* Dùng phương trình (4.7) ta sẽ xác định được năng lượng tích lũy trên cuộn dây tại những khoảng thời gian tích lũy năng lượng khác nhau
* Ngoài ra có thể xác định năng lượng tích lũy cực đại trên cuộn dây tại các số vòng quay từ 0 – 5000 vòng/phút
Hình 4.5: Năng lượng cực đại trong cuộn dây ở số vòng quay 0 – 5000 v/p
Hình 4.4: Quá trình tích lũy năng lượng trong cuộn dây
Mô hình hóa cho mạch LC
Khi công tắc được đóng, tụ C đã nạp đầy sẽ bắt đầu phóng điện, dẫn đến việc năng lượng điện trong tụ giảm dần Đồng thời, dòng điện phóng ra từ tụ sẽ tạo ra năng lượng từ trường trong cuộn cảm L Tổng năng lượng trong mạch LC khi công tắc được đóng là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Trên thực tế thì W không đổi nên ta có:
= + LI = + LI = 0 dt dt 2 C 2 C dt dt
I = -dQ dt dI d Q dt = - dt
Vậy nghiệm tổng quát của phương trình (4.9) là:
Hình 4.6: Mô hình mạch LC
Q0: biên độ dòng nạp vào tụ C
: là pha của dòng nạp ω 0: là tần số góc
LC Tương ứng ta có dòng điện trong mạch là:
Từ dữ kiện ban đầu Q (t=0) = Q 0 và I (t=0) = 0, pha ban đầu = 0 ta có:
Sử dụng các giá trị cho trước:
* Đồ thị biểu diễn giá trị Q và I theo thời gian t được vẽ bên dưới:
Mạch không có phần tử R dẫn đến việc năng lượng điện trong tụ Q và cường độ dòng điện I dao động tuần hoàn Sự chuyển đổi năng lượng diễn ra giữa tụ C và cuộn cảm L, nơi năng lượng điện trong tụ được chuyển hóa thành năng lượng từ trường trong cuộn cảm.
Từ đó ta có được phương trình dao động năng lượng điện trong tụ C và năng lượng từ trường trong cuộn cảm L:
Với W c : năng lượng tích lũy trong tụ C
W L : năng lượng tích lũy trong cuộn cảm L
Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn dao động của giá trị Q theo thời gian t
Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn dao động của giá trị I theo thời gian t
* Đồ thị biểu diễn dao động của năng lượng tích lũy trong tụ và trong cuộn cảm như sau:
Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn dao động của giá trị Wc theo thời gian t
Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn dao động của giá trị WL theo thời gian t
Mô hình hóa cho mạch RLC
Xét mạch RLC Đây là mạch sát với thức tế nhất
Khi tụ C được nạp đầy với giá trị Q0 và công tắc K được đóng, dòng điện sẽ bắt đầu chảy trong mạch Năng lượng tổn thất tại điện trở được tính bằng công thức dW2/dt = -I R, trong đó dấu trừ cho thấy năng lượng điện đang giảm dần.
Mà ta có: dW Q dQ dI dt C dt LI dt
Dòng điện trong mạch tỉ lệ với giá trị Q nạp vào 2 bản cực của tụ C theo thời gian:
dt Chia 2 vế PT (2) cho I rồi biến đổi, ta được:
Nghiệm tổng quát của phương trình trên là: t
Q(t)Q e0 cos( 't )Hình 4.11: Mô hình mạch RLC
2L: là hệ số suy giảm
2 2 w ' w 0 : là tần số góc của dao động tắt dần
Giả sử đi u kiện ban đầu là Q(t=0)= Q 0 và pha ban đầu là 0, ta có: t
Q(t)Q e0 cos 't Dòng điện trong mạch sẽ có phương trình là :
Sử dụng các số liệu cho trước:
* Đồ thị Q và I dao động tắt dần theo thời gian t:
Hai đồ thị dưới cho thấy vì trong mạch có chứa phần tử R nên dòng điện sẽ bị tiêu hao khi qua R và giảm dần theo thời gian
Hình 4.12: Đồ thị biểu diễn dao động của giá trị Q theo t
Mô hình hóa cho mạch đánh lửa
5.1 Tổng quan hệ thống đánh lửa: Đối với động cơ xăng, hỗng hợp hòa khí được hình thành và đưa vào động cơ, sau đó được đốt cháy bằng tia lửa điện của bougie Hệ thống đánh lửa trên ô tô có nhiệm vụ biến đổi dòng điện thấp áp (12 V hay 24 V) thành các xung điện có điện áp rất cao ( từ 15000 đến 40000 V) Các xung điện này sẽ được truy n tới bougie theo thứ tự đánh lửa của động cơ Để tạo được các xung điện cao áp như vậy thì đối với xe Camry 2001 và các xe cùng thế hệ thì ta cần dùng tới bobine
Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn dao động của giá trị I theo t
Hình 4.14: Sơ đồ mạch đánh lửa thường
5.2 Phân tích quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp khi xuất hiện tia lửa ở bougie:
* Sự ảnh hưởng tương tác của dòng điện qua 2 cuộn dây:
Xét mạch như hình vẽ bên dưới:
Hai phương trình mô tả điện áp của mỗi cuộn dây bobine được xác định bởi hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp (L1), hệ số tự cảm của cuộn thứ cấp (L2) và hệ số hỗ cảm (M).
Nếu cuộn thứ cấp được nối tắt, lúc đó U 2 = 0 thì ta có:
= - dt L dt (4.12) Thay (4.12) vào (4.11a) thì ta tính toán được hệ số tự cảm tương đương:
Hình 4.15: Mô hình xác định ảnh hưởng tương tác giữa hai cuộn dây
Với L eq là độ tự cảm tương đương trong mạch sơ cấp
Với hệ số hỗ cảm M = k L L 1 2
* Quá trình tăng trưởng của dòng điện sơ cấp khi xuất hiện tia lửa:
Dựa vào kết quả tính toán phần trên, ta có phương trình
Sở dĩ mang dấu âm là do lúc này cường động dòng điện qua mạch đang giảm
Ta có mô hình tính toán mạch đánh lửa thực tế:
L eq : độ tự cảm tương đương của mạch sơ cấp
R: Điện trở của mạch sơ cấp r : Điện trở rò của tụ C i 1 : Dòng điện đi qua điện trở R i 2 : Dòng điện đi qua tụ C i 3 : Đòng điện rò qua tụ C
Hình 4.16: Mô hình tính toán
73 Áp dụng định luật Kirchoff cho mạch ta có:
Ta tiến hành biến đổi Laplace cho hệ (4.15): eq 1S 1 + 1S 3S
Do cuộn dây lúc này có tích trữ năng lượng ban đầu và thụ không tích trữ năng lượng ban đầu nên:
Cường độ dòng điện ở mạch sơ cấp tại thời điểm kết thúc quá trình tích trữ năng lượng trong mạch thứ cấp được ký hiệu là I(0) = 0 và q(0) = 0 Hệ phương trình (4.16) có thể được diễn đạt lại dưới dạng: eq 1S eq 0 1S 3S.
Giả hệ phương trình ta tìm được giá trị I 1S
Thay vào phương trình (4.17) ta được
Biến đổi Laplace ngược cho phương trình (4.18) ta được: c 2 c 2
Phương trình (4.19) chính là phương trình cường độ dòng điện của cuộn sơ cấp khi xuất hiện tia lửa bougie
Ta tiến hành rút gọn các thông số bằng cách đặt:
Phương trình (4.19) được viết lại thành: xt xt i (t) = ae cos(yt) + ze sin(yt)1 (4.20)
Sử dụng phần m m Matlab và các giá trị cho trước:
* Đồ thị đường đặc tính cường độ dòng điện của cuộn sơ cấp:
Hình 4.17: Đồ thị cường độ dòng điện của cuộn sơ cấp khi xuất hiện tia lửa tại bougie theo thời gian tại số vòng quay 1000 v/p
5.3 Tính toán điện áp trên cuộn sơ cấp khi xuất hiện tia lửa ở bougie:
Ta tiến hành đạo hàm phương trình (4.20):
xt xt xt xt di 1
= ax.e cos yt - ay.e sin yt + zx.e sin yt + zy.e cos yt dt
= ax+zy e cos yt + zx-ay e sin yt
Thay kết quả tính được vào phương trình
U t = -L ax + zy e cos yt + zx - ay e sin yt
Sử dụng phần m m Matlab và các giá trị cho trước:
* Đường đặc tính điện áp của cuộn sơ cấp:
Hình 4.18: Đồ thị điện áp của cuộn sơ cấp khi xuất hiện tia lửa ở bougie theo thời gian tại số vòng quay 1000 v/p
5.4 Tính toán điện áp trên cuộn thứ cấp khi xuất hiện tia lửa ở bougie: Đặt cuộn 2 là cuộn thứ cấp, cuộn 1 là sơ cấp, hình dưới mô tả sự thay đổi từ thông qua lòng cuộn thứ cấp do sự thay đổi cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp theo thời gian gây ra
Cuộn sơ cấp có N 1 vòng dây và đang được cấp dòng điện I 1 sẽ gây ra từ trường B 1
Khi cuộn sơ cấp tạo ra một lượng từ trường, từ thông Φ21 sẽ đi qua cuộn thứ cấp Sự thay đổi cường độ dòng điện I1 theo thời gian sẽ tạo ra suất điện động cảm ứng ξ trên cuộn thứ cấp.
Ta có được sự thay đổi thông lượng Φ 21 tỷ lệ với sự thay đổi cường độ dòng điện I 1 theo thời gian
- N = M dt dt (4.24) Với M là hệ số hỗ cảm
Từ (4.23) và (4.24) ta tính được : dI 1 ξ = -M dt (4.25) Hình 4.19: Từ thông qua lòng hai cuộn dây
xt xt ξ = -M ax + zy e cos yt + zx - ay e sin yt (4.26) Phương trình (4.26) biểu diễn điện áp cuộn thứ cấp khi xuất hiện tia lửa ở bougie
Sử dụng các số liệu như đã cho mục 5.3
* Đường đặc tính điện áp của cuộn thứ cấp:
Hình 4.20: Đồ thị điện áp của cuộn thứ cấp khi xuất hiện tia lửa ở bougie theo thời gian tại số vòng quay 1000 v/p
ĐÁNH GIÁ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM TRÊN ÔTÔ
Ảnh hưởng năng lượng điện cảm trên ôtô
Suất điện động tự cảm trong cuộn dây được sinh ra do hiện tượng cảm ứng điện từ, thường xảy ra khi đóng ngắt các hệ thống điện Điện áp này có thể ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của các hệ thống liên quan.
+ Gây nhiễu tín hiệu – làm cho việc đi u khiển không chính xác nữa
+ Gây hiện tượng phóng điện làm cháy tiếp diểm, hỏng các linh kiện điện tử khác trong mạch
- Bobine và kim phun là hai bộ phận sinh ra suất điện động lớn mà ta cần chú ý và khắc phục
2 Tiềm năng của năng lƣợng điện cảm trên ôtô:
- Cuộn cảm đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện, điện tử của ôtô ngày nay
Trước tình hình ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nhiên liệu, năng lượng điện cảm trên ô tô trở thành nguồn năng lượng quan trọng cần được thu hồi và tái sử dụng Để thực hiện điều này, cần tiến hành khảo sát và đo đạc thực tế trên ô tô, từ đó thu thập số liệu làm cơ sở cho nghiên cứu và chế tạo thiết bị thu hồi năng lượng hiệu quả.
- Năng lượng thu được sẽ được sử dụng cho các tải gián đoạn trên ôtô như:
+ Hệ thống chiếu sáng: đèn phanh, đèn lùi, đèn soi biển số, đèn xi-nhan
+ Hệ thống tiện nghi: radio
+ Một số tải khác: nâng hạ kính, gạt mưa, còi
Tận dụng hiệu quả năng lượng điện cảm là giải pháp thực tiễn giúp tiết kiệm năng lượng và nhiên liệu cho ôtô, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Suất điện động tự cảm trên các cuộn dây có thể gây hại cho linh kiện điện tử trong ô tô, vì vậy việc hạn chế và triệt tiêu điện áp này là cần thiết Tuy nhiên, nếu biết cách tận dụng, suất điện động này có thể trở thành giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả cho ô tô Ý tưởng tích lũy năng lượng từ suất điện động tự cảm có thể mang lại lợi ích lớn trong việc tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng.
Cuộn cảm là một linh kiện điện tử quan trọng, có khả năng tích lũy năng lượng dưới dạng từ trường Đặc biệt, cuộn cảm hình xuyến (vòng) nổi bật với khả năng tập trung từ thông cao trong lòng cuộn dây, giúp nâng cao hiệu suất trong các ứng dụng điện.
Nguyên lý biến áp xung dựa trên sự tự cảm của cuộn cảm L1, nơi tích lũy năng lượng và ổn định điện áp Khi L1 đạt đủ năng lượng, nó sẽ giải phóng sang cuộn cảm L2, thể hiện ý tưởng lưu trữ năng lượng hiệu quả.
Sử dụng siêu tụ mang lại nhiều lợi ích nhờ khả năng phóng nạp nhanh, lưu trữ năng lượng cao và điện áp ổn định trong thời gian dài Ý tưởng tái sử dụng năng lượng điện cảm từ bốn bộ phận khảo sát như kim phun, relay, solenoid và bobine có thể giúp cung cấp năng lượng cho các tải gián đoạn trên xe, tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng.
Theo chương 3, ta có mức năng lượng thu được từ các bộ phận trong thời gian làm việc 0.01 s :
Kim phun Bobine Relay Solenoid
Tổng năng lượng thu được sau 10 phút hoạt động Xét trường hợp 4 kim phun, 2 bobine, 1 relay và 1 solenoid :
+ Giả sử xe chạy tốc độ 2000 vòng/phút Thì 1 phút bobine và kim phun hoạt động
1000 lần Sau 10 phút hai bộ phận này hoạt động 10000 lần
+ Giả sử trong 10 phút : relay và solenoid hoạt động 1 lần
Ta lấy toàn bộ năng lượng thu được trong 10 phút sử dụng trên một số tải gián đoạn trên ôtô Thì sử dụng được trong thời gian :
Tải điện gián đoạn Công suất điện (W) Thời gian (s)
3 Hiệu suất tích lũy năng lƣợng điện cảm:
Cuộn cảm có khả năng tích trữ năng lượng và ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong việc chế tạo các bộ chuyển đổi điện áp Hiệu suất của cuộn cảm sẽ thay đổi ra sao khi dòng điện qua nó đạt trạng thái ổn định bão hòa là điều cần được tìm hiểu.
Dựa vào mạch RL ta có được phương trình bên dưới Tính toán chi tiết ở chương 4:
Năng lượng cuộn cảm được tính:
Thế phương trình (3.4) vào (3.7) Đi u kiện ban đầu I =0 tại t = 0: t 2 L
Tương tự ta cũng thiết lập được năng lượng từ nguồn Bằng cách lấy tích phân công suất nguồn P nguon = I.U: nguon
W I.Udt (3.9) Được kết quả Đi u kiện ban đầu I = 0 tại t =0
Hiệu suất tích lũy năng lượng trong cuộn sơ cấp của bobine mạch đánh lửa vẫn chưa được nhóm nghiên cứu tìm thấy thông tin tham khảo để thực hiện.
Ta tiến hành vẽ đồ thị bằng Matlab với các giá trị đã đo đạc dược:
Khi năng lượng trong cuộn cảm tăng đến mức bão hòa, hiệu suất của nó giảm dần theo thời gian Quá trình này diễn ra nhanh chóng, và hiệu suất của cuộn cảm kim phun sẽ đạt tối đa khi năng lượng tích lũy ở mức cao nhất.
Hình 5.1: Đồ thị quá trình tích lũy năng lượng và hiệu suất của kim phun
Tương tự vẽ đồ thị bằng Matlab với các giá trị đã đo đạc dược:
Trong thời gian t = 0.01 s Hiệu suất khi năng lượng tích trữ max: 9.47 %
Trong thời gian t = 0.02 s Hiệu suất khi năng lượng tích trữ max: 7.16 %
Hình 5.2: Đồ thị quá trình tích lũy năng lượng và hiệu suất của relay
Hình 5.3: Đồ thị quá trình tích lũy năng lượng và hiệu suất của solenoid
Hiệu suất tích lũy trong thời gian 0.01 s:
Kim phun Relay Solenoid Bobine
Hiệu suất tích lũy năng lượng hiện nay còn khá thấp, điều này tạo ra thách thức trong quá trình thiết kế thiết bị thu hồi và lưu trữ năng lượng.