Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô

Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô

MỤC LỤC

-1-


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
LỜI NÓI ĐẦU
Sau khi hoàn thành học phần trang bị điện và điện tử trên động cơ và trên
ôtô, sinh viên được giao nhiệm vụ làm đồ án môn học trang bị điện và điện tử
động lực.
Với nền công nghiệp phát triển ngày càng hiện đại, các nhu cầu trong lao
động và cuộc sống của con người càng được nâng cao. Vấn đề vận chuyển hàng
hóa, đi lại của con người là một trong những nhu cầu rất cần thiết. Ô tô là một
loại phương tiện rất phát triển và phổ biến trên thế giới cũng như tại Việt Nam
hiện nay nhằm đáp ứng cho nhu cầu đó.
Là một sinh viên ngành động lực, việc tìm hiểu các trang thiết bị điện và
phân tích các sơ đồ điện là một vấn đề rất quan trọng. Đồ án môn học trang bị
điện và điện tử động lực giúp sinh viên nắm bắt và hiểu rõ được hệ thống điện bố
trí trên ôtô. Cũng qua đây, sinh viên có cơ hội để nắm bắt rõ hơn về những kiến
thức mà sau này sẽ gặp trong công việc thực tế, nhờ đó tránh sự bỡ ngỡ ban đầu.
Cuối cùng em xin cảm ơn đến thầy Phạm Quốc Thái đã tận tình hướng dẫn
và giúp đỡ em hoàn thành được đồ án của mình đúng tiến độ. Vì tài liệu tham
khảo còn hạn chế nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, nhầm lẫn. Do vậy, em
rất mong các thầy thông cảm và chỉ bảo thêm để em được hoàn thiện hơn trong
quá trình học tập của mình.

Đà Nẵng, tháng 11 năm 2012.
Sinh viên

Trương Minh Huy

-2-


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
1. Tổng quan hệ thống cung cấp điện trên ô tô
1.1 Giới thiệu chung
Hệ thống cung cấp điện có nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện cho các phụ
tải với một hiệu điện thế ổn định ở mọi điều kiện làm việc của ôtô máy kéo.
Để cung cấp năng lượng cho các phụ tải trên ô tô, cần phải có bộ phận tạo ra
nguồn năng lượng có ích. Nguồn năng lượng này được tạo ra từ mát phát điện
trên ô tô. Khi động cơ hoạt động, máy phát cung cấp điện cho các phụ tải và nạp
điện cho acquy. Để đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động một cách hiệu quả, an
toàn. Năng lượng đầu ra của máy phát và năng lượng yêu cầu cho các tải điện
phải thích hợp với nhau.
Hệ thống cung cấp điện trên ôtô bao gồm :
+ Ăcquy
+ Máy phát điện
+ Bộ chỉnh lưu
+ Bộ điều chỉnh
1
BATTERY

E20-1

2

1

E20-2
LAMP

SENSING

R2
RECTIFIER

FIELD
COIL

Df

R3

R1

ZD

R4
STATOR COIL

Tr1

Hình 1.1 Sơ đồ mạch thống cung cấp điện trên ô tô (chỉnh lưu cầu 3 pha)
1.2 Ăcquy

1.2.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu
• Công dụng

-3-


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
Trong hệ thống điện ô tô máy kéo, Ăc quy là nguồn năng lượng phụ, dùng
để:
- Cung cấp năng lượng cho máy khởi động khi khởi động động cơ;
- Cung cấp năng lượng cho tất cả các phụ tải khác khi động cơ không làm
việc hoặc làm việc ở số vòng quay nhỏ;
- Nếu phụ tải mạch ngoài lớn hơn công suất của máy phát, thì Ăc quy sẽ
cùng với máy phát cung cấp cho các phụ tải.
•

Phân loại
Ăcquy ô tô máy kéo là Ăcquy khởi động, khác các Ăcquy dùng cho các thiết

bị khác.
+ Theo tính chất dung dịch điện phân, Ăc quy được chia ra các loại:
- Ăc quy a xít: dung dich điện phân là axít H2SO4.
- Ăc quy kiềm: dung dịch điện phân là KOH hoặc NaOH.
So sánh hai loại Ăc quy a xít và kiềm thì Ăc quy a xít có suất điện động mỗi
ngăn cao hơn (~2V), điện trở trong nhỏ hơn, nên khi phóng với dòng lớn độ sụt
thế ít, chất lượng khởi động tốt hơn. Ăc quy kiềm có suất điện động mỗi ngăn
khoảng 1,38V, giá thành cao hơn (2...3 lần) do phải sử dụng các loại vật liệu quý
hiếm như bạc, niken, cađimi, điện trở trong lớn hơn. Tuy vậy, Ăc quy kiềm có
độ bền cơ học và tuổi thọ cao hơn (4...5 lần), làm việc tin cậy hơn.
+ Các Ăc quy a xít, theo vật liệu vỏ bình chia ra: vỏ bằng êbônít, cao su
cứng hay các vật liệu tổng hợp khác.
+ Các Ăc quy kiềm, theo vật liệu cấu tạo bản cực chia ra các loại:
- Sắt - Niken (Fe - Ni);

- Cađimi - Niken (Cd - Ni);
- Bạc - kẽm (Ag - Zn).
Ngoài ra Ăc quy còn có thể phân loại theo thế hiệu, theo dung lượng, theo
vật liệu tấm cách, ...
•

Yêu cầu
Các Ăcquy dùng trên ô tô máy kéo có nhiệm vụ quan trọng là cung cấp năng
lượng cho máy khởi động khi khởi động động cơ, với dòng tiêu thụ rất lớn từ
400...600A, thậm chí có trường hợp tới 2000A, vì thế các Ăc quy ô tô máy kéo
trước hết phải đảm bảo các yêu cầu:
-4-


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
- Phải có khả năng trong thời gian ngắn từ 5...10 S, cung cấp một dòng
phóng lớn (tương ứng với dòng khởi động) mà sau đó trạng thái kỹ thuật của
chúng hầu như không thay đổi;
- Có điện trở trong nhỏ, để khi phóng với dòng lớn độ sụt thế sẽ bé, đảm bảo
có thể khởi động dễ dàng động cơ trong mọi điều kiện sử dụng.
Các Ăcquy có những đặc điểm trên được gọi là Ăcquy khởi động.
Ngoài ra Ăcquy còn phải:
- Có điện dung lớn với khối lượng và kích thước tương đối bé;
- Có điện thế ổn định, hiện tượng tự phóng điện không đáng kể;
- Làm việc tin cậy khi nhiệt độ môi trường dao động trong giới hạn rộng;
- Phục hồi nhanh chóng điện dung khi được nạp trong các điều kiện sử dụng
khác nhau;
- Đơn giản trong bảo dưỡng và sửa chữa;
- Có độ bền cơ học cao, chịu được rung sóc, thời hạn phục vụ lớn và giá
thành rẻ.

1.1.2 Ăc quy axit
+ Cấu tạo
Vỏ bình : Có dạng hình hộp chữ nhật, làm bằng nhựa êbônít, cao su cứng
hay chất dẻo chịu a xít và được chia thành các ngăn tương ứng với số lượng các
ắc quy đơn cần thiết. Trong các ngăn đó được đặt các khối bản cực. Dưới đáy vỏ
bình có các gân dọc hình lăng trụ để đỡ các khối bản cực. Khoảng trống dưới
đáy giữa các gân dùng để chứa các chất kết tủa, các chất tác dụng bong ra từ các
bản cực, để chúng không làm chập (ngắn mạch) các bản cực khác dấu.
Khối bản cực : bao gồm các bản cực dương và âm đặt xen kẽ nhau, giữa
chúng có các tấm ngăn cách điện. Mỗi bản cực gồm có phần cốt hình mắt cáo và
các chất tác dụng trát trên nó. Phần trên của cốt có tai để nối các bản cực cùng
tên với nhau thành phân khối bản cực. Phần dưới của cốt có các chân để tựa lên
các gân ở đáy bình. Các chân được bố trí so le để tránh chập mạch qua sống đỡ.

-5-


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô

Hình 1.2 Cấu tạo chung của Acquy
1- Cọc bình; 2- Thanh nối ; 3- Hộc bình ; 4- Bản cực; 5- Dung dịch
6- Tấm chắn ; 7- Vỏ ; 8- Ngăn bình; 9- Nắp ; 10- Nút thông hơi
Nắp, nút, cầu nối : Để làm kín ắc quy, mỗi ngăn của nó được đậy bằng một
nắp riêng chế tạo từ nhựa êbônít hay chất dẻo (hình 2.42). Trên nắp có ba lỗ: hai
lỗ hai bên để luồn các đầu cực của khối bản cực ra ngoài. Còn lỗ giữa để đổ và
kiểm tra dung dịch điện phân. Trong hai lỗ bên có ép các ống lót bằng chì. Để
làm kín những chỗ nối ghép giữa nắp và vỏ bình người ta dùng nhựa bitum.
+ Nguyên lý làm việc
Ăcquy gồm hai bản cực chì 2 đặt trong bình 3 làm bằng vật liệu cách điện và
chịu a xít. Khi đổ vào bình dung dịch điện phân là hỗn hợp giữa a xít H 2SO4 và

nước cất thì các bản cực chì sẽ bị ô xy hoá dưới tác dụng của a xít. Trên bề mặt
chúng tạo thành một lớp sun phát chì PbSO 4 có màu xám nhạt. Nồng độ dung
dịch điện phân lúc này giảm đi do một lượng a xít đã tham gia phản ứng với chì
để tạo thành muối. Quanh các điện cực dung dịch rất loãng, hầu như chỉ có nước
nguyên chất, phân ly thành các ion H+ và OH-. Nếu nối các bản cực của ắc quy
như vậy với máy phát hay nguồn điện một chiều nào đó, thì dưới tác dụng của
điện áp nguồn, các điện tử sẽ theo mạch ngoài chuyển động đến cực âm của ắc
quy còn trong dung dịch các ion mang điện sẽ chuyển động đén các điện cực trái
dấu với nó.
-6-


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc của Acquy axit
- Tại cực âm: các ion dương hoá trị 2 (Pb 2+) sẽ nhận điện tử trở thành chì
nguyên chất, còn các ion H+ và SO42- kết hợp tạo thành a xít, tức là có thể viết:
PbSO4 (Pb2+ + SO42-) + 2e + 2H+ --> Pb + H2SO4
- Tại cực dương: các ion dương hoá trị 2 (Pb 2+) cho điện tử, bị ô xy hoá
thành ion hoá trị 4 (Pb 4+) và kết hợp với các ion OH - tạo thành đi ô xýt chì PbO 2
và nước. ở đây, các ion H + và SO42- cũng kết hợp tạo thành a xít làm tăng nồng
độ dung dịch, tức là có thể viết:
PbSO4 (Pb2+ + SO42-) - 2e + 4OH- + 2H+ --> PbO2 + 2H2O + H2SO4
Quá trình đó chính là quá trình nạp ắc quy. Sau khi nạp no, các phản ứng
biến đổi hoá học kết thúc thì bản cực dương trở thành đi ô xýt chì có màu nâu
thẫm, bản cực âm là chì nguyên chất có màu ghi đá. Lúc này nồng độ dung dich
không tăng lên nữa và nếu tiếp tục nạp thì sẽ xảy ra hiện tượng phân giải (điện
phân) nước thành hyđrô và ô xy bay ra khỏi dung dịch dưới dạng bọt khí tương
-7-

Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
tự như khi nước sôi, vì thế còn gọi là hiện tượng "sôi". Đó là những dấu hiệu
chứng tỏ ắc quy đã được nạp no hoàn toàn.

Hình 1.4 Sơ đồ các quá trình điện hóa xảy ra khi nạp
Phương trình phản ứng chung cho cả quá trình điện hoá xảy ra trong ắc quy
khi nạp có dạng:
2PbSO4 + 2H2O ----> PbO2 + Pb + 2H2SO4
Sau khi nạp no, giữa các bản cực của ắc quy xuất hiện một thế hiệu ≈2V.
Nếu bây giờ nối ắc quy (đã được nạp) với phụ tải thì ắc quy sẽ phóng điện cung
cấp năng lượng cho phụ tải và xảy ra các quá trình điện hoá ngược lại:
- Dòng điện trong mạch ngoài sẽ đi từ cực dương sang cực âm;
- Các bản cực sẽ biến đổi dần thành PbSO4
- Nồng độ dung dịch loãng dần thành nước.

-8-


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô

Hình 1.5 Sơ đồ các quá trình điện hóa xảy ra khi phóng
Khi các phản ứng hoá học kết thúc, ắc quy phóng hết thì dòng điện triệt tiêu.
Để ắc quy có thể tiếp tục làm việc thì cần phải nạp lại. Như vậy, ắc quy là một
bộ biến đổi năng lượng có tính thuận nghịch.
+ Dung dịch điện phân
Trong ắc quy a xít, dung dịch điện phân là dung dịch H 2SO4 được pha chế từ
a xít nguyên chất và nước cất theo nồng độ quy định phụ thuộc vào điều kiện khí
hậu, mùa và vật liệu tấm ngăn (thường dao động trong khoảng 1,25...1,31 g/cm 3
khi ắc quy đã được nạp no). Nồng độ cao quá sẽ làm cháy hỏng tấm ngăn, chóng

rụng bản cực, ắc quy dễ bị sunphát hoá làm giảm tuổi thọ và điện dung. Nồng độ
thấp quá thì suất điện động ắc quy giảm và dung dịch dễ bị đóng băng ở nhiệt độ
thấp.
Khi pha chế dung dịch cần chú ý:
- Không được dùng a xít có thành phần tạp chất cao và nước không phải
nước cất. Vì dùng như vậy sẽ làm tăng quá trình tự phóng điện của ắc quy, các
bản cực chóng bị sunphát hoá và giảm điện dung;
- Các dụng cụ pha chế phải sạch và chịu a xít;

-9-


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
- Để đảm bảo an toàn khi pha chế, tuyệt đối không được đổ nước vào axít
đặc mà phải đổ từ từ axít vào nước và khuấy đều.
1.3 Máy phát điện
1.3.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu
* Công dụng
Máy phát là nguồn điện chính trên ô tô máy kéo, nó có nhiệm vụ:
- Cung cấp điện cho tất cả các phụ tải;
- Nạp điện cho ắc quy ở các số vòng quay trung bình và lớn của động cơ.
* Phân loại
Máy phát trên ô tô máy kéo, theo tính chất dòng điện phát ra có thể chia làm
hai loại chính:
+ Máy phát điện một chiều.
+ Máy phát điện xoay chiều.
Máy phát điện một chiều, theo tính chất điều chỉnh chia ra:
+ Loại điều chỉnh trong (bằng chổi điện thứ ba).
+ Loại điều chỉnh ngoài (bằng bộ điều chỉnh điện kèm theo).
Các máy phát điện một chiều loại điều chỉnh trong có kết cấu đơn giản, có

khả năng hạn chế và tự động điều chỉnh dòng điện máy phát theo số vòng quay.
Tuy vậy nó có nhiều nhược điểm như:
- Phải luôn luôn nối mạch điện với ắc quy chúng mới làm việc được.
- Cản trở việc điều chỉnh thế hiệu của máy phát.
- Làm giảm tuổi thọ của ắc quy.
Do đó loại máy phát này hiện nay ít thấy. Vì vậy chúng ta chỉ đề cập đến
loại máy phát điều chỉnh ngoài.
- 10 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
Máy phát điện xoay chiều, theo phương pháp kích thích chia ra:
+ Loại kích thích bằng nam châm vĩnh cửu.
+ Loại kích thích kiểu điện từ (bằng nam châm điện).
• Yêu cầu
Máy phát điện trên ô tô máy kéo làm việc trong những điều kiện đặc biệt, vì
thế chúng phải đáp ứng được các yêu cầu chính sau:
Chịu được rung sóc bụi bẩn và làm việc tin cậy trong môi trường có nhiệt
độ cao, có nhiều hơi dầu mỡ nhiên liệu.
Tuổi thọ cao.
Kích thước và trọng lượng nhỏ, giá thành thấp.
So với máy phát một chiều thì máy phát xoay chiều có nhiều ưu điểm hơn,
vì nó không có vòng đổi điện và cuộn dây rô to đơn giản hơn.
1.3.2 Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ
Trên ô tô máy kéo sử dụng hai loại máy phát điện xoay chiều là máy phát
xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu và máy phát xoay chiều kích
thích kiểu điện từ (bằng nam châm điện).
Các máy phát kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, do công suất hạn chế nên
chủ yếu chỉ được sử dụng trên xe máy và máy kéo. Gần đây, kỹ thuật đã chế tạo
được những hợp kim từ mới có chất lượng cao, nên loại máy phát này bắt đầu có

khả năng sử dụng được trên ô tô.
Máy phát kích thích bằng nam châm vĩnh cửu có loại một pha và ba pha.
Loại ba pha công suất có thể đạt tới 400VA hoặc lớn hơn.
Máy phát nam châm vĩnh cửu có nhiều ưu điểm hơn hẳn các máy phát kích
thích kiểu điện từ, như: làm việc tin cậy, kết cấu đơn giản, không có cuộn dây
quay, hiệu suất cao, ít nóng, mức nhiễu xạ vô tuyến thấp.

- 11 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
Nhưng chúng cũng có một số nhược điểm quan trọng là: khó điều chỉnh thế
hiệu, công suất hạn chế, giá thành cao, trọng lượng lớn hơn loại kích thích kiểu
điện từ cùng công suất. Ngoài ra từ thông của nó còn phụ thuộc nhiều vào chất
lượng hợp kim và kim loại chế tạo nam châm.
a/ Đặc điểm cấu tạo
• Loại có vòng tiếp điện
Cấu tạo của máy phát điện loại có vòng tiếp điện gồm những bộ phận chính
là: rôto, stato, các nắp, puli, cánh quạt và bộ chỉnh lưu (bộ chỉnh lưư có thể tính
hoặc không tính vào thành phần cấu tạo của máy phát, tuỳ theo nó được đặt
trong máy phát hay riêng biệt bên ngoài).

+ Rôto: gồm hai chùm cực hình móng lắp then trên trục. Giữa các chùm cực
có cuộn dây kích thích 3 đặt trên trục qua ống lót bằng thép. Các đầu của cuộn
dây kích thích được nối với các vòng tiếp điện 9 gắn trên trục máy phát. Trục
của rôto được đặt trên các ổ bi lắp trong các nắp 6 và 7 bằng hợp kim nhôm.
Trên nắp, phía vòng tiếp điện còn bắt giá đỡ chổi điện 10. Một chổi điện được
nối với vỏ máy phát, chổi còn lại nối với đầu ra cách điện với vỏ.

- 12 -

Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô

+ Stato: là khối thép từ ghép từ các lá thép điện kỹ thuật, phía trong có xe
rãnh phân bố đều để đặt cuộn dây phần ứng

Hình 1.6 Cấu tạo Stator
1.4 Bộ diều chỉnh
1.4.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu
* Công dụng
Các máy phát điện ô tô máy kéo làm việc trong điều kiện số vòng quay, phụ
tải và chế độ nhiệt luôn luôn thay đổi trong một giới hạn rộng. Vì thế, để đảm
bảo cho các trang thiết bị điện trên ôtô máy kéo làm việc được bình thường và
bảo đảm an toàn cho máy phát, thì phải có bộ điều chỉnh điện để:
- Điều chỉnh thế hiệu và hạn chế cường độ dòng điện của máy phát;
- 13 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
- Phân phối chế độ làm việc giữa ắc quy và máy phát điện (một chiều) hoặc
nối ngắt mạch giữa ắc quy và máy phát (xoay chiều);
Tuỳ theo loại máy phát sử dụng trên ô tô mà bộ điều chỉnh điện kèm theo nó
có thể gồm có một hay một số bộ phận sau đây:
- Rơ le điều chỉnh thế hiệu: làm nhiệm vụ giữ cho thế hiệu máy phát ổn
định, không sai lệch khỏi giá trị định mức quá giới hạn cho phép (3%...5%). Khi
số vòng quay của máy phát thay đổi, người ta đã xác định được là: nếu thế hiệu
máy phát tăng lên 10%...12% so với định mức, thì thời hạn phục vụ của ắc quy
và các bóng đèn sẽ giảm đi từ 2...2,5 lần.
- Rơ le hạn chế dòng điện: làm nhiệm vụ của bộ phận an toàn, bảo vệ cho

máy phát không bị quá tải bởi dòng điện quá lớn, có thể gây cháy hỏng cuộn dây
và cách điện của nó.
- Rơ le dòng điện ngược: làm nhiệm vụ phân phối chế độ làm việc giữa ắc
quy và máy phát một chiều: nối máy phát vào mạch phụ tải khi thế hiệu của nó
đạt giá trị lớn hơn thế hiệu của ắc quy mắc song song với nó và ngắt máy phát ra
khi thế hiệu của nó giảm xuống thấp hơn thế hiệu của ắc quy để tránh dòng điện
ngược từ ắc quy phóng lại làm cháy hỏng cuộn dây máy phát và có hại cho ắc
quy.
- Rơ le đóng mạch: làm nhiệm vụ nối ắc quy với máy phát xoay chiều khi
bật khoá điện và ngược lại: để tránh dòng điện ngược từ ắc quy dò qua bộ chỉnh
lưu và các cuộn dây của máy phát khi máy phát không làm việc, làm ắc quy bị
mất điện dần.
Đối với máy phát một chiều làm việc song song với ắc quy đòi hỏi phải sử
dụng ba loại rơ le là: rơ le điều chỉnh thế hiệu (RLĐCTH), rơ le hạn chế dòng
điện (RLHCDĐ) và rơ le dòng điện ngược (RLDĐN).
Trong thực tế, đôi khi người ta không làm RLHCDĐ riêng mà làm kết hợp
với RLĐCTH chung trong một kết cấu. Trong trường hợp đó, rơ le kết hợp này
được gọi là RLĐCTH giảm dần (vì nó không đảm bảo giữ cho thế hiệu máy phát
- 14 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
ổn định, mà thế hiệu máy phát sẽ giảm dần khi I mf tăng). Thậm chí có trường hợp
cả ba loại rơ le trên được làm kết hợp chung trong một kết cấu.
Đối với các máy phát điện xoay chiều: do có bộ chỉnh lưu bán dẫn nên việc
sử dụng RLDĐN không cần thiết nữa, vì các điốt chỉnh lưu không cho dòng điện
đi ngược từ ắc quy sang máy phát. RLHCDĐ cũng không cần thiết nữa, vì đa số
các máy phát xoay chiều có đặc tính tự hạn chế dòng lớn.
Như vậy, đối với máy phát xoay chiều bộ điều chỉnh điện lúc này chỉ cần có
RLĐCTH và RL đóng mạch.

•

Phân loại
+ Theo nguyên lý làm việc bộ điều chỉnh điện (ĐCĐ) được chia ra các loại:
- Loại rung;
- Loại bán dẫn có tiếp điểm điều khiển;
- Loại bán dẫn không có tiếp điểm điều khiển.
+ Theo số lượng rơ le, loại rung được chia ra:
- Loại 1 rơ le;
- Loại 2 rơ le;
- Loại 3 rơ le;
- Loại 4 và loại 5 rơ le.
Bộ ĐCĐ 4 rơ le được dùng trong trường hợp mạch kích thích của máy phát

được phân nhánh. Lúc đó bộ ĐCĐ sẽ có 2 RLĐCTH tương ứng với các nhánh
của mạch kích thích.
Trong trường hợp cả mạch tải điện của máy phát cũng được phân nhánh, thì
bộ ĐCĐ sẽ có thêm 1 rơ le nữa, tức là có 5 rơ le.
•

Yêu cầu

Bộ điều chỉnh điện cần đáp ứng những yêu cầu sau:
- Điều chỉnh chính xác;
- Làmv iệc tin cậy, ổn định, chịu rung xóc tốt và tuổi thọ cao;
- Kết cấu, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa đơn giản;
- Giá thành rẻ.
1.4.2 Nguyên lý điều chỉnh thế hiệu và hạn chế dòng điện
Từ phương trình cân bằng mạch điện của máy phát, bỏ qua trở kháng của
phần ứng và độ rơi thế trên bộ chỉnh lưu (đối với máy phát xoay chiều):

- 15 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
E = U + I ­ R ­ = U (1 +

I­ R­
) = U (1 + β)
U

Trong đó:
E = CEnΦ

- Suất điện động của máy phát;

Ở đây: CE - Hằng số kết cấu của máy phát;
n - Số vòng quay phần ứng;
Φ - Từ thông của máy phát.
U - Thế hiệu máy phát (trên hai đầu cuộn dây phần ứng);
Iư, Rư - Dòng điện và điện trở cuộn dây phần ứng. Đối với máy phát
xoay chiều Iư là giá trị trung bình của dòng đã chỉnh lưu;
β=

I­ R­
U

U=
Ta có:

- Hệ số phụ tải của máy phát.
E
n
=
C Eφ
(1 + β) (1 + β)

Từ phương trình này ta thấy rằng:
- Khi tốc độ và phụ tải của máy phát thay đổi thì thế hiệu của máy phát chỉ
có thể điều chỉnh (giữ không đổi) bằng cách thay đổi từ thông Φ, tức là thay đổi
dòng điện kích thích của máy phát.
- Dòng điện tải của máy phát Imf ≈ Iư = (U/Rft) (ở đây Rft - tổng trở của tất cả
các phụ tải). Biểu thức này cũng cho thấy rằng: khi phụ tải và số vòng quay của
máy phát thay đổi, việc điều chỉnh dòng điện máy phát cũng quy về việc thay đổi
dòng kích thích của nó, tương tự như cách điều chỉnh thế hiệu.
Để thay đổi dòng điện kích thích có thể dùng hai phương pháp:

- 16 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
- Thay đổi giá trị điện trở phụ mắc nối tiếp với cuộn dây kích thích
- Thay đổi thời gian cắt và nối điện trở phụ vào mạch kích thích khi giá
trị điện trở phụ không đổi: Rf = const để thay đổi giá trị hiệu dụng của nó.

Hình 1.7. Phương pháp thay đổi giá trị g kích thích.
a-Điện trở phụ có giá trị thay đổi; b- Điện trở phụ có giá trị không đổi.

Phương pháp thứ hai đơn giản hơn và dễ thực hiện điều chỉnh tự động, nên
nó được sử dụng rộng rãi trong các bộ ĐCĐ hiện nay.

Để thực hiện điều chỉnh tự động thế hiệu và dòng điện máy phát, hệ thống
điều chỉnh cần phải có một số bộ phận chức năng liên kết với nhau.
Cơ cấu đo gồm bộ phận cảm biến: theo dõi thế hiệu của máy phát và bộ phận
định trị: ấn định giá trị thế hiệu định mức của máy phát.
1.4.3 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh điện
- Khi Umf < Uổn định : diod ổn áp VD1 chưa bị đánh thủng nên không có dòng
điện chạy qua nó và cường độ dòng điện qua BE1 gần như bằng không. Điện áp
- 17 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
đặt lên mối nối BE của transitor bằng không, làm cho VT1 đóng. Lúc này : điện
trở của VT1 lớn hơn rất nhiều so với R3 nên cực B của VT2 được nối với âm
nguồn qua R3 làm cho VT2 mở dòng điện kích thích sẽ có chiều : (+)MF → R0
→ VD2 →VT2 → Wkt → mát → (-)MF.
- Khi Umf > Uổn định : diod ổn áp VD1 bị đánh thủng, lúc này có dòng điện
chạy qua và gây sụt áp trên R1 làm cho UBE1 tăng lên (>0) dẫn đến VT1 mở. Vì
VT1 mở nên điện trở của VT1 giảm dần, khi đó cực B của VT2 được nối với
dương nguồn thông qua VT1, UBE2 lúc này xấp xỉ bằng không (VT2 dẫn). Khi
VT2 dẫn, R0 được nối vào mạch kích thích lam I kt giảm xuống và Umf giảm theo.
Umf giảm đến khi nhỏ hơn Uôđ lại làm cho VT2 mở ra cho dòng kích thích đi qua
lại làm cho Umf tăng lên. Quá trình trên được lặp đi lặp lại theo chu kỳ. đảm bảo
cho Umf ≈ Uôđ.
1.5 Bộ chỉnh lưu
1.5.1 Nhiệm vụ
Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện
một chiều. Bộ chỉnh lưu được áp dụng làm nguồn điện áp một chiều; làm nguồn
điện một chiều có điều khiển cấp cho các thiết bị mạ, thiết bị hàn một chiều ;

nguồn điện cho các truyền động động cơ điện một chiều, nguồn cung cấp cho
mạch kích từ của máy điện một chiều hoặc máy điện đồng bộ. Bộ chỉnh lưu còn
dùng để chuyển đổi điện xoay chiều thành dạng một chiều để truyền tải đi xa.
1.5.2 Một số dạng chỉnh lưu thường dùng
a/ Bộ chỉnh lưu 6 diod

- 18 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô

Hình 1.9 Bộ chỉnh lưu 6 diod
Để biến đổi dòng điện xoay chiều của máy phát sang dòng điện một chiều, ta
dùng bộ chỉnh lưu 6 diode, 8 diode hoặc 14 diode. Đối với máy phát có công
suất lớn (P > 1000 W), sự xuất hiện sóng đa hài bậc 3 trong thành phần của hiệu
điện thế pha do ảnh hưởng của từ trường các cuộn pha lên cuộn kích làm giảm
công suất máy phát.
b/ Bộ chỉnh lưu 8diod

Hình 1.10 Bộ chỉnh lưu 8diod
Vì vậy người ta sử dụng cặp diode mắc từ dây trung hoà để tận dụng sóng đa
hài bậc 3, làm tăng công suất máy phát khoảng 10 – 15% . Trong một số máy
- 19 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
phát, người ta còn sử dụng 3 diode nhỏ (diode trio) mắc từ các pha để cung cấp
cho cuộn kích đồng thời đóng ngắt đèn báo nạp.
c/ Bộ chỉnh lưu 14 diod

Hình 1.11 Bộ chỉnh lưu 14 diod
1. Acquy; 2. Cuộn kích (G); 3. Cuộn dây stator; 4. Diode chỉnh lưu (+);
5. Diode chỉnh lưu (-); 6. Diode trio; 7. Các diode công suất; 8. Diode chỉnh lưu
dòng trung hòa; 9. Tụ điện; 10. Đầu cuối của cuộn dây máy phát (W).
+ Hoạt động của bộ chỉnh lưu
Trên hình 1.12 là sơ đồ của máy phát chỉnh lưu 3 pha có bộ nắn dòng mắc
theo sơ đồ nắn dòng 2 nửa chu kỳ, 3 pha. Các cuộn dây stator được đấu dạng
sao. Với kiểu mắc này thì quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện trên dây
và trên pha là:
Un = 3 UΦ và In = IΦ
Ta giả thiết rằng tải của máy phát là điện trở thuần.
Điện áp tức thời trên các pha A, B, C là:
UA = Umsinωt
UB = Umsin(ωt - 2π/3)
UC = Umsin(ωt + 2π/3)
- 20 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
Trong đó:
Um : điện áp cực đại của pha.
ω = 2πf = 2π.n.p/ 60 là vận tốc góc.
Ta cũng giả thiết là các diode mắc ở hướng thuận có điện trở Rt vô cùng bé
(Rt = 0) còn ở hướng ngược thì rất lớn (Rn = ∞).
Trên sơ đồ chỉnh lưu 3 pha này có 6 diode; 3 diode ở nhóm trên hay còn gọi
là các diode dương (D1, D3, D5), có catod được nối với nhau; Nhóm dưới còn gọi
là các diode âm (D2, D4, D6) có các anode được nối với nhau. Ở hướng dẫn điện,
một diode nhóm trên dẫn điện khi anode của nó có điện thế cao hơn, còn ở nhóm
dưới diode dẫn có điện thế thấp hơn. Vì vậy, ở một thời điểm bất kỳ đều có 2
diode hoạt động, một diode cực tính dương (phía trên) và một diode cực tính âm

(phía dưới). Mỗi diode sẽ cho dòng điện qua trong 1/3 chu kỳ (T/3).
A
D1

D3

D5

Ua
R
Ub

Uc

D2

D4

D6

B
C
C

Hình 1.12 Sơ đồ chỉnh lưu máy phát 3 pha và điện áp sau khi chỉnh lưu.

- 21 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô

Điện thế dây của máy phát được đưa lên bộ chỉnh lưu. Điện áp chỉnh lưu
được xác định bởi các tung độ nằm giữa các đường cong trên và dưới (hình 1.12)
của điện áp pha UA, UB, UC. Vì vậy, điện áp chỉnh lưu tức thời Umf sẽ thay đổi và
tần số xung động của điện áp chỉnh lưu lớn hơn tần số của điện áp pha 6 lần.
1.6 Kết luận
- Sau một quá trình tìm hiểu chung về hệ thống cung cấp, tìm hiểu cấu tạo
và nguyên lý làm việc từng bộ phận của hệ thống cung cấp, cũng như phân tích
các ưu, nhược điểm của từng loại. Ta đi đến việc chọn hệ thống cung cấp và vẽ
sơ đồ mạch điện của hệ thống như sau:
+ Loại máy phát mà ta chọn là máy phát điện xoay chiều 3 pha kích thích
kiểu điện từ.
+ Hệ thống sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha.
+ Bộ điều chỉnh điện được sử dụng ở đây là bộ điều chỉnh bán dẫn không
có vòng tiếp điện.
- Sau đây là sơ đồ mạch điện của hệ thống cung cấp được chọn:

Dht

Khóa di?n

R1
D4 D5

D6

T1
Rf
T2

D0

D1 D2 D3

R2

Rt

R3

R4

Wkt

Dbv

Hình 1.13 Sơ đồ mạch điện hệ thống cung cấp trên ô tô
- Nguyên lý làm việc của hệ thống:
Khi đóng công tắc điện ắc quy cung cấp điện áp cho máy khởi động làm
khởi động động cơ. Động cơ làm việc kéo máy phát quay tạo ra dòng điện xoay
chiều ba pha, nhờ có bộ chỉnh lưu cầu ba pha biến dòng điện xoay chiều của máy
phát thành dòng một chiều cung cấp cho phụ tải và nạp lại điện cho ắc quy. Máy
- 22 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
phát điện ô tô làm việc trong điều kiện số vòng quay, phụ tải và chế độ nhiệt
luôn thay đổi trong giới hạn rộng.
Khi Umf < Uôd: điốt ổn áp Do chưa bị đánh thủng nên không có dòng chạy
qua nó  UEB1 = 0  T1 đóng. Lúc này: R(T1) >> R3  B của T2 được nối với
cực âm qua R3  T2 mở  chio dòng kích thích đi qua theo mạch:

(+)MF  Đht  T2  Wkt  Mát  (-)MF.
Khi Umf > Uôd: điốt ổn áp Do bị đánh thủng  có dòng chạy qua và gây
Sụt áp trên R1  UEB1 tăng lên (>0)  T1 mở  R(T1) giảm  nối cực gốc
B2 với cực dương (+)  UEB2 = 0  T2 đóng  Rf được nối vào mạch kích
thích làm Ikt giảm xuống và Umf giảm theo. Umf giảm < Uôd lại làm T2 mở ra cho
dòng kích thích đi qua  Umf lại tăng lên. Quá trình cứ lặp lại như vậy theo chu
kỳ, đảm bảo cho Umf ≈ Uôd.
2. Tính toán lựa chọn công suất máy phát
Công suất tổng của máy phát được xác định từ công suất cung cấp cho các
tải liên tục và tải gián đoạn trên ô tô.
∑

Công suất tổng: P = P1 + P2. [W]
Với P1: Công suất cung cấp cho tải hoạt động liên tục.
P1 =

∑

Pi.

P2: Công suất cung cấp cho tải hoạt động gián đoạn.
Pj : Công suất tải gián đoạn.
λ
j

: Hệ số sử dụng của tải gián đoạn.
P2=

∑

Pj

× λ
j.

.

Bảng 1: Các phụ tải hoạt động liên tục

- 23 -


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô

Tải điện hoạt động liên tục

Công suất( W)

Hệ thống đánh lửa

25

Bơm nhiên liệu

65

Hệ thống phun nhiên liệu

100

Hệ thống điều khiển

120

Tổng công suất P1 (W)

310

Suy ra được tổng công suất của phụ tải hoạt động liện tục:
P1= 25+65+100+120= 310 [W]
Ta khảo sát với xe du lịch chạy trên đường cao tốc. Khi đó ta chọn các hệ số
sử dung của các hệ thống điện trên xe như sau.
Bảng 2 : Tính toán công suất tiêu thụ cần thiết cho tấc cả các phụ tải hoạt động gián
đoạn.
ST

Phụ tải hoạt động gián

Giá trị thực

T

đoạn

(W)

1

Radio

35

0,3

10,5

2

Đèn báo trên Taplô

50

0,9

45

3

Đèn kích thước

4x12

0,5

24

4

Đèn đỗ xe

4x4

0,2

3,2

5

Đèn cốt

2x55

0,5

55

6

Đèn pha

2x60

0,2

24

7

Đèn biển số

4x10

0,5

20

8

Đèn báo rẽ

4x21

0,3

25,2

9

Đèn stop

2x21

0,4

16,8

10

Đèn trần

5

0,5

2,5

11

Motor nâng / hạ kính

4x30

0,2

24

- 24 -

Hệ số sử dụng

λ

Công suất tương
đương (W)


Tính toán hệ thống cung cấp và dây dẫn trên ôtô
12

Quạt điều hòa nhiệt độ

2x80

0,5

80

13

Sấy kính

120

0,1

12

14

Motor rửa kính

60

0,1

6

15

Còi

40

0,2

8

16

Đèn sương mù

2x40

0,1

8

17

Đèn lùi

2x24

0,1

4,8

18

Motor gạt nước mưa

75

0,2

15

19

Motor khởi động

900

0,1

90

20

Quạt làm mát động cơ

2x120

0,9

216

21

Mồi thuốc

90

0,1

9

22

Motor bơm ABS

90

0,2

18

Tổng công suất tiêu thụ của các phụ tải hoạt động không liên tục
P2( W)

Có tổng công suất của phụ tải gián đoạn:
P2 = 717 [W].
Suy ra tổng công suất làm việc của máy phát:
P

∑

= P1 + P2 = 310 + 717 = 1027[W].

Cường độ dòng điện yêu cầu máy của máy phát:

It =

P∑ 1027
=
= 85,58
Ung
12

[A].
Cường độ dòng điện định mức của máy phát:

I đm =

It
η

- 25 -

717