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

Trang 1

Chương1

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


Trang 2

1.1. NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯNG 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 và
máy phát điện, chúng được nối song song với nhau để cùng cung cấp điện cho
phụ tải (hình 1.1).

5

1

4
6

2

3

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
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 lúc
này sẽ không có dòng điện phóng từ ắc quy sang máy phát vì ở trong máy phát
có bộ chỉnh lưu, chúng giữ vai trò khoá điện tử, chỉ cho dòng điện đi một chiều
từ máy phát sang ắc quy mà không cho phép đi theo chiều ngược lại.
1.2. YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯNG ĐIỆN

Chế độ làm việc luôn thay đổi của ôtô máy kéo có ảnh hưởng trực tiếp
đến chế độ làm việc của hệ thống cung cấp điện. Do đó xuất phát từ điều kiện
phải 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 mọi
điều kiện sử dụng trên ôtô máy kéo.
2) Đảm bảo các đặc tính công tác của hệ điều chỉnh tự động có chất lượng
cao và ổn định trong cả khoảng thay đổi tốc độ và tải của máy phát điện.


Trang 3

3) Đảm bảo nạp tốt cho ắc quy và đảm bảo khởi động động cơ ôtô máy
kéo 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 đích
giảm thời gian chết cưỡng bức và những tổn phí cho sửa chữa và bảo dưỡng kỹ
thuật.
6) Có trọng lượng và kích thước nhỏ nhất nhưng không được giảm tuổi
thọ 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 LƯNG 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
• Loại dùng bình ắc quy axít-chì
bình ắc quy
• Loại dùng bình ắc quy kiềm
Theo kết cấu
• Loại dùng máy phát một chiều
máy phát điện
• Loại dùng máy phát xoay chiều
Theo tính chất điều
• Loại dùng máy phát 1 chiều điều chỉnh
chỉnh của máy phát
trong
một chiều
• Loại dùng máy phát 1 chiều điều chỉnh
ngoài
Theo cách đấu dây
• Loại dùng máy phát một chiều lấy mát bên
cho cuộn kích từ của
trong
máy 1 chiều
• Loại dùng máy phát một chiều lấy mát bên
ngoài
• Loại dùng máy phát một chiều cuộn kích từ

có hai cọc đấu dây
Theo dòng điện kích
• Loại dùng máy phát xoay chiều kích thích
thích cho máy phát
bằng nam châm vónh cửu
xoay chiều
• Loại dùng máy phát xoay chiều kích thích
bằng điện từ


Trang 4

1.4. NGUYÊN LÝ SINH ĐIỆN CỦA CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG

CUNG CẤP NĂNG LÏNG ĐIỆN
1.4.1. Ắc Quy
1.4.1.1. Định nghóa
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 cực
khác nhau ngâm trong dung dịch axít, phản ứng hoá học làm phát sinh một hiệu
điện thế.
Một bản cực là chì-oxit ( Pb0 2 ) mầu nâu (ùtích điện dương). Bản còn lại là
chì xốp (pb) (tích điện âm). Dung dịch axít là hổn hợp của nước ( H 2 0) và axít
sulfuric, nó được gọi là dung dịch điện phân.

Phóng điện
Chì-0xit( Pb0 2 )

Nạp điện
Chì xốp(Pb)

Hình 1.2. Sơ đồ nguên lý của ắc quy chì-axít
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 ra
ngược với quá trình phóng, quá trình này tiếp tục cho đến khi các bản cực của ắc
quy hoàn lại điều kiện ban đầu.
1.4.1.3. Một số loại bình ắc quy sử dụng trên ôtô


Trang 5

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 điểm
sau:
- 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 số
của dòng điện nạp. Trị số này có thể lớn gấp 3 lần dòng điện định mức
cũng 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 vẫn
giữ chung một nhiệm vụ: Sản sinh ra điện năng để cung cấp cho thiết bị dùng
điện 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 đoạn
dây dẫn điện di chuyển cắt các đường sức của từ trường, trong dây sẽ phát sinh
dòng ứng điện. Cường độ dòng điện tùy thuộc vào: Sức mạnh của từ trường, tổng
số đoạn đây di chuyển cắt các đường sức và tốc độ di chuyển của dây.

Hình1.3. Thí nghiệm về cảm ứng từ:
Hình vẽ 1.3 trình bày sơ đồ thí nghiệm về cảm ứng từ gồm hai cực của
nam châm vónh cữu và một đoạn dây dẫn nối với ampe kế thật nhạy. Nếu di
chuyển đoạn dây từ trên xuống cắt các đường sức ta thấy kim ampe kế sẽ di


Trang 6

chuyển qua trái chứng tỏ có dòng điện chạy trong dây. Nếu di chuyển từ dưới
lên, kim sẽ dao động qua phải chứng tỏ dòng điện ứng chạy trong dây theo chiều
ngược lại. Nếu di chuyển các đoạn dây song song với các đường sức sẽ không có
dòng điện phát sinh.
Trên thực tế máy phát điện dùng nam châm điện thay cho nam châm vónh
cửu 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 vòng
dây ứng ra.

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý máy phát điện một chiều DC đơn giản 1Chiều quay
2-Phụ tải
Khi quay vòng dây theo chiều kim đồng hồ dòng điện ứng sẽ phát sinh

trong 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 qua
bộ phận tiêu thụ điện rồi trở lại vòng dây ứng qua vòng thau và chổi than đối
diện một phần dòng điện ứng chạy qua hai cuộn cảm tạo từ trường mạnh cho hai
khối cực.
Dòng điện phát sinh trong vòng dây ứng là dòng điện xoay chiều vì mỗi
lần vòng dây xoay 180 0 , điện đổi chiều trong dây, nhưng nhờ hai nửa vòng thau


Trang 7

cùng quay theo vòng dây nên dòng điện lấy được ở mạch ngoài là dòng một
chiều.
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 cảm
nối với chổi than dương, đầu kia nối cới cọc bắt dây F để tiếp mát tại bộ điều
chỉnh điện. Cọc F cách mát với vỏ. Cọc bắt dây ký hiệu A cách mát với vỏ được
nối với chổi than dương.

b
a

Khối cực và cuộn cảm
Hình 1.5 a-Sơ đồ mạch đây máy phát một chiều hệ A
b-Sơ đồ mạch dây máy phát một chiều hệ B
2. Máy phát điện một chiều hệ B
Cuộn cảm lấy mát ngay bên trong máy phát. Một đầu cuộn cảm nối với
cọc bắt dây F cách mát vỏ, đầu kia nối với chổi than âm hay hàn vào vỏ máy

phát. 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.


Trang 8

Hình 1.6: hiện tượng phản ứng của phần ứng
trong máy phát một chiều.
Hiện tượng phản ứng của phần ứng làm sai lệch vị chí trung hòa của các
chổi than, làm phát sinh nhiều tia lửa hồ quoang phá hoại cổ góp điện nhanh
tróng. Để cải tiến trong máy phát điện một chiều loại công suất lớn và tốc độ
cao, 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 này
trong quá trình phát điện từ trường của cuộn trung gian sẽ phản lại từ trường của
phần ứng điện. Nhờ vậy các đường sức của từ trường ít bị lệch nên vị trí trung
hòa các chổi than ít bị ảnh hưởng.

a.

b.

Khối cực trung gian
Hình 1.7.

Cuộn phản từ

Cuộn cảm chính

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

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 quấn
thêm một số cuộn dây phụ giúp cho máy phát điện tốt ở vận tốc thấp. Khi máy
làm việc ở chế độ cao tốc, điện phát sẽ vượt quá mức cho dù lúc bây giờ các


Trang 9

cuộn cảm điện đã hở mạch, từ sót trong các khối cực vẫn đủ khả năng kích thích
cho 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 điện
của 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 tiêu
bớt 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 cuộn
cảm và khối cực. Dòng điện kích từ chạy qua hai mạch được tiết chế do hai bộ
điều 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:

Hình 1.8. Máy phát điện một chiều có hai mạch kích từ
song song

F1, F2-Các cọc kích từ
A-Cọc phát
G-cọc mát
- Cường độ dòng điện kích từ đi qua các cuộn cảm có trị số lớn nhất nên
sinh 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 loại
thường.


Trang 10

Kiểu máy phát điện một chiều này rất thích hợp cho xe bus lưu thông
trong 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 than
chính mà được lấy ở cổ góp điện nhờ chổi than thứ 3 mảnh hơn hai chổi than
chính. Có thể dịch chuyển chổi than thứ ba theo chiều quay của phần ứng để lấy
thêm điện kích từ cho máy phát khẻo hơn.
Loại máy phát này chỉ tự tiết chế được cường độ dòng điện phát, thế hiệu
của nó vẫn tăng theo tốc độ quay của phần ứng điện.
Chổi than thứ ba

Chổi than chính

Chổi than chính
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý máy phát điện 3 chổi than
N-Cực bắc
S-cực nam.
7. Máy phát điện một chiều có 4 chổi than 4 khối cực

Hình 1.10. Mạch dây của máy phát điên một chiều
công suất lớn có 4 khối cực 4 chổi than

`


Trang 11

Hình vẽ giới thiệu loại máy phát điện một chiều có 4 chổi than, 4 khối
cực và cuộn cảm công suất lớn. Nguyên lý hoạt động và điều chỉnh điện giống
loại 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 của
ôtô máy kéo chỉ vì tồn tại của ắc quy, và nguồn điện để nạp cho ắc quy do đó
phải là nguần điện một chiều. Song tất cả các máy phát một chiều đều có phần
ứng quay và việc dẫn điện ra ngoài, việc chỉnh lưu dòng điện đều được thực hiện
nhờ cơ cấu chổi điện- vành đổi điện. Có thể nói cơ cấu này là nơi tập hợp chung
những nhược điểm chính của máy phát điện một chiều và cũng là nơi gây nhiều
phiền 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 tia
lửa hồ quang dưới chổi điện. Muốn cho máy phát làm việc đảm bảo thì các tia
lửa hồ quang phải không vượt quá giá trị nguy hiểm. Vấn đề này dẫn đến việc
phải hạn chế phụ tải điện từ và giảm mật độ dòng điện ở tiếp giáp chổi điện
vành đổi điện. Kết cục là khả năng giảm kích thước và trọng lượng của máy
phát 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 ở
nhiệt độ không quá 150-180 0 C . Vấn đề này hạn chế việc sử dụng những ưu
điểm của các chất cách điện đặc biệt chịu nhiệt, có khả năng làm việc ở nhiệt

độ cao hơn nữa và nếu sử dụng chúng có thể tăng được công suất riêng của máy
phát điện.
3) Nếu mật độ dòng điện ở tiếp giáp chổi điện-vành đổi điện lớn quá và
quá trình chuyển mạch không thỏa mản thì chổi điện và vành đổi điện mòn rất
nhanh, đặc biệt ở số vòng quay lớn.
4) Vành đổi điện được lắp gép từ những phiến đồng riêng nên rất khó
đảm bảo độ vững chắc. Thường thường có độ ôvan và có từng phiến đồng nhô
lên làm cho chổi điện càng chóng mòn. Chất lượng làm việc của máy phát điện
cũng kém đi.
Trong máy phát điện xoay chiều hầu như không có những nhược điểm
trên vì cuộn dây phần ứng nằm cố định ở stato và điện được dẫn ra mạch ngoài
qua các đầu nối cố định.
Đối với máy phát xoay chiều kích thích kiểu điện từ thì dòng điện kích
thích tuy phải dẫn qua chổi điện và các vòng tiếp điện vào rôto nhưng chỉ tiếp


Trang 12

xúc trượt, không có quá trính chuyển mạch nên chổi điện làm việc không có tia
lửa 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 hành
trình không tải của động cơ ôtô máy phát điện đã có thể cung cấp một phần
công 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 điện
đứng. 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 gồm

một nam châm điện quay trong vòng dây ứng điện. Nam châm điện được kích từ
bằng dòng điện một chiều qua hai vòng thau tiếp điện.
Phần cảm điện

Vòng ứng điện

Điện ắc quy
đến kích từ
Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý kết cấu và hoạt động
của máy phát điện xoay chiếu một pha.
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 180 0 cực nam quoét
ngang 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:


Trang 13

- 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 phát
điện xoay chiều sau:
1. Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vónh 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 điện
đồng bộ làm việc ở những số vòng quay luôn luôn thay đổi.
Các máy phát điện kích thích bằng nam châm vónh cửu có hàng loạt ưu

điểm 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 xạ
vô tuyến thấp và có khả năng cung cấp cho phụ tải dòng điện cao dần. Bên cạnh
những 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 kích
thích kiểu điện từ cùng công suất. Các máy phát điện xoay chiều kích thích bằng
nam châm vónh cửu từ thông còn phụ thuộc nhiều vào chất lượng của hợp kim và
kim loại.
Máy phát điện trên ôtô ngày nay thường dùng là loại máy phát điện xoay
chiều, 3 pha kích thích kiểu điện từ, có vòng tiếp điện và chỉnh lưu bán dẫn vì so
với 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 2000
vòng/phút. Khi rôto có tốc độ quay thấp, công suất của máy phát cũng đạt được
40% công suất định mức.
- Dùng điốt để chỉnh lưu dòng điện nên không cần rơle ngăn dòng điện
ngược và rơle hạn chế dòng điện, do đó làm giảm bớt kết cấu của bộ tiết chế và
tăng độ tin cậy làm việc cho máy phát.


Trang 14

Chương 2

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

Trang 15

2.1. SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

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.
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 điện
mắc song song với nhau, hỗ chợ cho nhau tùy thuộc vào phụ tải và cùng cung
cấp 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 có
khả năng cung cấp điện cho mạch phụ tải thì ắc quy sẽ cung cấp điện cho phuï


Trang 16

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 thứ
ba-khi ắc quy đã được nạp đủ, nó cùng với máy phát điện cùng cung cấp điện
cho các phụ tải. Ngoài ra còn phải kể thêm trường hợp khi có những phụ tải lớn
và máy phát điện không đủ đảm bảo cung cấp điện thì ắc quy sẽ gánh chịu với
máy phát điện và cả hai đều cung cấp điện cho phụ tải đó. Sau đây ta sẽ đi tìm
hiểu 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 LƯNG

ĐIỆN ÔTÔ

Mặc dù có cấu trúc khác nhau, nhưng mỗi hệ thống cung cấp điện ôtô đều
được 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 của
nó là cung cấp một dòng điện cường độ lớn vài trăm ampe để quay máy khởi
động thực hiện quá trình khởi động động cơ. Trong thời gian máy phát điện còn
quay chậm chưa phát đủ điện. c quy phóng điện cung cấp cho các phụ tải. Sau
đó khi vận tốc máy phát đủ nhanh, ắc quy nhận và tích luỷ dòng điện nạp của
máy phát điện. Trong hệ thống nạp điện, ắc quy còn đóng vai trò như một cái
đệm làm thăng bằng điện thế trong lưới điện.

Yêu cầu đối với bình ắc quy trên ôtô là: Phải có khả năng cung cấp được
Hình 2.2. Hình dáng bên ngoài của bình ắc quy
dòng điện lớn (cở vài trăm ampe hoặc lớn hơn) trong thời gian khởi động động cơ
chì loại 12V
và nó phải có điện áp phù hợp.


Trang 17

2.2.2. Máy phát điện
Máy phát điện dùng trên ôtô có thể là máy phát điện một chiều hoặc
máy phát điện xoay chiều. Dù thuộc loại máy phát khác nhau, nhưng trên ôtô
chúng vẫn giữ chung một nhiệm vụ: Sản sinh ra điện năng để cung cấp cho các
thiết 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 điện
một chiều khác, tức là nó cũng có hai bộ phận chính: Phần tónh gọi là stato và
phần động gọi là rôto (như hình vẽ).
1. Phần tónh 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 nam
khi có dòng điện kích thích chạy qua. Vỏ có nhiệm vụ làm cầu nối mạch cho từ
trường lưu thông giữa các khối cực. Máy phát điện thường có hai khối cức cách
nhau 180 0 hay 4 khối cực cách nhau 90 0 (như hình 2.3).

b) Cuộn
cảm điện: Các
cuộn cảm điện
được
quấn
Hinh 2.3. Kết cấu của máy phát điện một chiều bằng dây cách
điện thành khung dây, sau đó bọc vải thép vệt ni. Các cuộn cảm được đấu nối
1-Vỏ, 2-Phần ứng điện, 3-Cọc nối dây, 4-Cổ góp, 5-Nắp phía cổ góp 6tiếp nhau, khi có điện kích thích chạy qua, các khối cực tạo từ trường. Hình 2.3
trình bầy mạchNắp trước,n7,8 Khối cựmáy phán DC loại 2 và i4than i cực.
từ lưu thô g trong vỏ c và cuộ t cảm, 9-Chuổ khố
Sau khi cắt dòng điện kích thích các khối cực vẫn còn lưu lai một ít từ
trường do tính từ sót. Đối với máy phát điện mới chế tạo hay mới phục hồi cần
phải mồi điện ắc quy để tạo từ trường trước khi đem sử dụng.
c) Nắp máy phát điện DC:


Trang 18

Trên máy phát điện một chiều có hai nắp máy: Nắp trước và nắp sau. Mỗi
nắp có vòng bi đỡ trục phần ứng điện. Mặt trong nắp sau còn làm nơi gá đỡ chổi

than. Vành ngoài có bố chí chén chứa dầu bôi trơn, trên một vài loại ôtô nắp còn
làm nơi gắn bơm thủy lực.

Hình 2.4. Mạch từ lưu thông trong vỏ máy phát điện DC
loại 4 khối cực và 2 khối cực.
Với máy phát DC hai chổi than, có một giá đỡ chổi than cách mass cho chổi
than dương, giá đỡ còn lại tiếp mát cho chổi than âm. Loại 4 chổi than có hai giá đỡ
đối diện cách mát, hai giá kia tiếp mát. Nắp phải được cố định trên vỏ nhờ chốt định
vị.
d) Chổi than: Chổi than được chế tạo từ hổn hợp graphít, đồng và một số
phụ chất giảm điện trở và mức mài mòn. Chổi than tỳ lên cổ góp điện, được đặt
nghiêng một góc 26 0 - 28 0 đối với chiều hướng kính cổ góp điện nhằm mục đích
giảm tia lửa hồ quoang. Một lò xo luôn luôn ấn chổi than tiếp xúc tốt với cổ góp
điện để hứng dòng điện một chiều ra tiêu thụ.

Hình 2.5. Bố trí chổi than trên cổ góp điện.
A-Ổ tựa chổi than, 1-Lò xo 2-Chổi than


Trang 19

2. Phần ứng (rôto)
Phần ứng máy phát điện một chiều gồm: Trục, lõi, các cuộn dây ứng điện
và cổ góp điện.
a) Lõi phần ứng điện: Dùng để dẫn từ và gá lắp dây quấn phần ứng. Nó
được chế tạo từ những tấm thép kó thuật điện, sơn cách điện mỏng ở hai mặt rồi
ép chặt lại để giảm tổn hao do đòng điện xoáy gây nên. Trên mỗi lá thép có dập
hình dạng rãnh để đặt dây quấn phần ứng, các lá thép phần ứng được ép cứng
trên trục của rôto, do đó khi trục của rôto quay sẽ làm tất cả các chi tiết phần
ứng quay theo.

Trục

Lõi

Dây quấn phần ứng

Cổ góp điện
Hình 2.6. Kết cấu của phần ứng điện
b) Dây quấn phần ứng: Cuộn dây phần ứng của máy phát điện một chiều
là 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 yêu
cầu kó thuật là hai nhánh của mỗi khung dây phải luôn luôn đặt dưới hai khối cực
khác tên. Phần ứng điện máy phát của động cơ ôtô thường được quấn theo hai
cách: quấn xếp và quấn sóng.
- Quấn xếp: Hình 2.7a cho thấy cách quấn xếp trên phần ứng máy phát
điện DC 2 cực. Hình vẽ chỉ trình bày hai khung dây. Hai nhánh của mỗi khung
dây được đặt trong hai rãnh gần đối diện nhau. Đầu mối của khung dây bắt đầu
từ phiến đồng số 1 nơi cổ góp điện, chui dọc theo rãnh 12 của lõi và trở lại theo
rãnh 4 sau đó hàn vào phiến đồng số 2. Mỗi rãnh chứa hai lớp dây có nghóa là
chứa hai nhánh của hai khung dây. Mỗi khung dây có thể quấn từ nhiều vòng
dây.


Trang 20

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

Hình 2.7. Kỹ thuật quấn dây phần ứng điện
- Quấn sóng : Hình2.7b trình bầy cách quấn sóng thích hợp cho phần ứng
máy phát điện 4 khối cực và có thể dùng 2 hay 4 chổi than. Hai nhánh của vòng
dây đặt cách nhau 90 0 . Hai đầu mối của khung dây hàn vào hai phiến đồng đối
diện. 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 cuộn
đây ứng điện thành dòng điện một chiều và nhờ chổi than đưa ra ngoài cung cấp
cho phụ tải. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng dạng mang cá, ghép xen kẻ với tấm
mica cách điện. Cổ góp điện có thể chế tạo theo hai cách: lắp ghép hay ép nhựa
thành một khối liền rồi gắn chặt trên trục phần ứng điện.


Trang 21

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 là
rôto phải quay trong từ trường.
Từ trường trong máy phát điện một chiều được tạo nên bằng nam châm
điện, cụ thể là: Khi có dòng điện kích thích chạy trong cuộn dây kích từ, thì cực
từ trong lòng cuộn dây sẽ bị từ háo để trở thành nam châm điện. Nam châm này
mạnh hay yếu là tùy thuộc vào dòng điện kích thích lớn hay bé, số vòng dây của
cuộn kích thích nhiều hay ít. Ban đầu chưa có dòng điện kích thích thì các cực từ
chỉ có độ từ dư nhỏ do bản thân nó được từ hóa trước. Rôto ban đầu muốn quay
được phải nhờ lực kéo truyền từ trục khuỷu động cơ ôtô qua đai truyền đến bánh

đai ghép ở đầu trục rôto, khi rôto đã quay các vòng dây phần ứng của rôto sẽ cắt
ngang từ trường yếu do từ dư ở các cực nam châm điện. Lúc đó trong cuộn dây
phần ứng suất hiện suất điện động cảm ứng không lớn. Cuộn dây kích từ được
đấu với mạch ngoài của máy phát điện, nên lúc này nó được cung cấp dòng điện
không lớn nhưng cũng làm cho cực từ của nam châm điện được từ hóa thêm, dẫn
đến máy phát sẽ phát ra được dòng điện lớn thêm. Cứ như vậy dòng điện kích từ
được 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 ý
tới chế độ làm việc của nó, cụ thể phải quan tâm đến các vấn ñeà sau:


Trang 22

- Lượng điện phát ra: Trong điều kiện làm việc bình thường, điện năng
của máy phát điện phát ra phải đảm bảo cho các thiết bị dùng điện trên ôtô hoạt
động bình thường.
- Hiện tượng bên ngoài: Không có va cơ khí. Độ nóng trong phạm vi cho
phép. 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 một
thời điểm. Thời gian làm việc của máy phát không nên kéo dài liên tục quá lâu
nếu ôtô phải hoạt động với cung độ quoãng đường dài thì cứ trong khoảng 2-3
giờ 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 người
sử 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 lá
góp hoặc lệch so với cổ trục 0.05mm. Trường hợp cổ góp có độ mòn không đều
cần phải tiện láng lại.
+ Chổi than không được mòn quá ½ chiều dài khi còn mới, mặt tiếp xúc
của chổi than với các phiến góp phải bảo đảm >75% diện tích cắt ngang. Dây
điện 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 vết
cháy hoặc lồi lỏm thì dùng giấy ráp mịn để đánh bóng lại, sau đó dùng hơi sì
sạch bụi bẩn.
+ Ổ trục rôto phải luôn đủ mỡ bôi trơn. Nếu ổ bi có lắp ống lót thì khe hở
không quá 0,07mm độ lỏng theo chiều dọc của ổ bi chỉ được phép nằm trong
phạm vi (0,1-0,3)mm.
+ Khe hở giữa nắp trước của máy phát điện tới lá thông gió không được
hẹp hơn 0,5mm.
+ Nhiệt độ ngoài của máy phát điện khi làm việc với phụ tải lớn nhất
cũng 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.


Trang 23

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 trước
khi bước vào mùa đông để chuẩn bi cho máy làm việc tốt cần phải bảo dưỡng
cấp3 cho máy phát điện.
- Tháo máy phát điện ra khỏi ôtô.
- Mở giá đỡ chuổi than, kiêm tratình trạng cổ góp , vành tiếp xúc chổi
than 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 với phụ
tải định mức để kiểm tra.
- Khi kiểm tra thấy máy phát làm việc hoàn toàn tin cậy, bảo đảm chế độ
định 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 hiện
tượng có thể quan sát, cảm thấy hoặc đo đạc được. Ở đây sẽ nêu các hiện tượng
đồng thời liệt kê các nguyên nhân gây ra. Qua đó với mỗi trường hợp cụ thể có
thể 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 điện
đồng 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 dây
quấn 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.

Trang 24

+ 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 mặt
chổi 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 các
nguyên 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 đứt
mạch.
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 bị
chuyên dùng gọi là Growler. Hình2.10 giới thiệu thiết bị này, thiết bị náy gồm
hai 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 điện
sẽ khép kín mạch từ của của thiết bị, các cuộn dây ứng trở thành cuộn dây thứ
cấp của máy biến áp.
* Thử chạm mát với đèn thử 110V.


Trang 25

Đấu đèn thử như sơ đồ hình 2.9, một đầu chạm vào lõi, đầu kia chạm vào
cổ góp điện. Nếu đèn thử cháy sáng là do các vòng dây ứng hay cổ góp chạm
mát . Thường bị chạm mát nơi cổ dây bẻ gắp của đầu dây vô ra trên răng lõi
phần ứng điện.
Thử chạm mát với Growler Hình 2.10d: Bật công tắc nối điện vào thiết bị
chạm một đầu que thử váo cổ góp điện chạm đầu kia vào lõi nếu đèn kiểm tra
cháy sáng là phần ứng bị chạm mát.

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

*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 dây
ứng sẽ cảm ứng một sức điện động. Nếu vòng dây còn tốt thì không có dòng
điện lưu thông trong cuộn dây. Nếu có chập mạch giữa các vòng dây sẽ xuất
hiện dòng điện làm từ hóa các rãnh của lõi thép phần ứng điện, lưỡi cưa 8 sẽ
rung 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 nghóa là vòng dây
ứng không bị đứt. Tiếp tục xoay từ từ phiến đồng đối diện 14 trên thiết bị để
kiểm tra tất cả các phiến đồng trên cổ góp điện.