سیستم شارژ باطری خودرو

[peyman sadeghian 30,244]

دینام و مدار باتری پر کنی

تولید برق

در شکل ۱ اصول کار دینام های تک فاز و سه فاز همراه با شکل خوجی آنها نشان داده شده است. اسا کار این دینام ها القای الکترومغناطیسی ناشی از یک آهنربای چرخان در داخل حلقه یا حلقه های ساکنی از سیم است. در دینام، آهنربای چرخان، آهنربای الکتریکی است که از طریق دو کلکتور به آن برق می رسد. در شکل ۲ رایجترین طرح نشان داده شده است که آن را آرمیچر(روتور) قطب پنجه ای می نامند. هر سه آرمیچر به تناوب قطب شما یا جنوب می شود و بنا بر این هر سنگ آرمیچر نیز به تناوب شمال یا جنوب خواهد شد. بیشتر از سنگ هایی با ۱۲ یا ۱۶ قطب استفاده می شود زیرا این سنگ ها بازد بالاتری دارند.

حلقه های سیم ساکن را باشتک(استاتور) می نامند که از سه فاز جداگانه تشکیل می شوند و هر فاز چند سیم پیچ دارد. سیم پیچ ها روی یک هسته لایه لایه (برای کاهش جریان های گردابی) قرار می گیرند؛ تعداد سیم پیچ ها باید با تعداد قطب های سنگ آرمیچر برابر باشد. در شکل ۲ چند نمونه از آرمیچر مشاهده می شود. سیم پیچ های سه فاز بالشتک را می توان به دو روش به هم متصل کرد که آنها را روش هاس ستاره و مثلث می نامند. این روش ها در شکل ۳ نشان داده شده اند. مشخصه های ولتاژ و جریان خروجی در دو حالت ستاره و مثلث متفاوت است.

اتصال ستاره را می توان نوعی اتصال متوالی فاز ها در نظر گرفت و بر اساس ولتاژ خروجی بین هر دو فاز معادل جمع برداری ولتاژ های هرفاز است. جریان خروجی نیز معادل جریان هر فاز است.

V = V_P × √۳I = I_P

که در آن :

V = ولتاژ خروجی

V_P = ولتاژ هر فاز

I = جریان خروجی

I_P = جریان هر فاز

Tan 60˚ = ۳ ریشه دوم = √۳

اتصال مثلث را نیز می توان نوعی مدار موازی تلقی کرد. در این صورت ولتاژ خروجی با ولتاژ هر فاز برابر است، اما جریان خروجی برابر جمع برداری جریان های هر فاز است.

V = V_PI = I_P ×√۳

در بیشتر دینام ها از سیم پیچ های با اتصال ستاره استفاده می شود، اما بعضی ماشین های سنگین کار از مزیت جریان خروجی بالاتر سیم پیچ های با اتصال مثلث استفاده کرده اند. در بیشتر دینام های جدیدی که سیم پیچ های با اتصال ستاره دارند از یک سوکننده ای با ۸ دیود استفاده می شود که در بخش بعدی آن را شرح می دهیم.

با استفاده از فرمولی ساده می توان فرکانس خروجی دینام را محاسبه کرد. فرکانس خروجی دینام به ویژه هنگامی اهمیت دارد که از جریان AC خروجی از استاتور برای به کار انداختن سنجه دور موتور استفاده می شود.

f = (P × n) / 60

که در آن:

f = فرکانس بر حسب Hz

n = دور دینام بر حسب دور در دقیقه

P = تعداد زوج های قطب (آرمیچر ۱۲ پنجه ای ۶ زوج قطب دارد)

وقتی موتور با دور آرام کار کند، دور دینام در حدود ۲۰۰۰ دور دقیقه است، که هرگاه آرمیچر ۱۲ پنجه ای باشد، فرکانس خروجی برابر خواهد بود با :

۶ × ۲۰۰۰/۶۰ = ۲۰۰ Hz

در بسیاری از دینام ها یک ترمینال برای گرفتن این خروجی وحود دارد که غالبا آن را با حرف w مشخص می کنند. این خروجی در حقیقت به صورت نیم موج یکسو شده است و در بعضی موارد برای کار اندازی ساسات برقی هم به کار می رود.

تبدیل جریان AC به DC

برای استفاده از خروجی دینام به منظور پر کردن باتری و برق رسانی به سایر وسایل برقی خودرو باید جریان متناوب خروجی از دینام را به جریان مستقیم تبدیل کرد. مناسب ترین عنصر الکترونیکی برای انجام این کار دیود سیلیسیمی است. اگر جریان تک فاز AC را از این دیود بگذرانیم، خروجی آن به صورت نیم موج یکسو می شود. در این مثال دیود فقط به نیم چرخه های مثبت اجازه میدهد که به طرف قطب مثبت باتری حرکت کنند.

چرخه های منفی نمی توانند از دیود عبور کنند. دیود را می توان شیر یک طرفه ای برای جریان برق در نظر گرفت. این قیاس خوبی است، اما یادآور می شویم که یک دیود خوب مانع عبور جریان با ولتاژ معکوس حدود ۴۰۰ ولت می شود؛ اما برای هدایت در جهت مستقیم به ولتاژ اندکی نیاز است.

برای یکسو سازی تمام موج یک دینام سه فاز شش دیود لازم است. این دیود ها، مطابق شکل ۵، به صورت پل به هم متصل می شوند؛ در این شکل مدار یکسو کننده از سه دیود مثبت و سه دیود منفی تشکیل می شود. خروجی این یکسو کننده ها با سیگنال های سه فاز مقایسه شده است. در مدار یکسو کننده غالبا از سه دیود مثبت دیگر هم استفاده می شود. این سه دیود معمولا از دیودهای اصلی کوچکتر و فقط برا تامین جریان اندک مورد نیاز سیم پیچ های روتور به کار می روند. این دیود ها را غالبا دیودهای میدان ساز یا دیود های تحریک کننده می نامند. در شکل ۶ طرح یک یکسو کننده شش دیودی نشان داده شده است

جریان زیادی از دیودهای اصلی می گذرد، به همین سبب نوعی گرماگیر لازم است تا دیود بر اثر گرما آسیب نبیند. در بعضی موارد دیود ها را به صورت موتزی متصل می کنند تا بتوانند عبور جریان های بیشتری را تحمل کنند و آسیب نبینند. دیودهای یکسو کننده مانع برگشت جریان از باتری به دینام می شوند. بدین ترتیب دینام را می توان، بدون نیاز به متعادل سازی، به صورت موازی بست، زیرا جریان متعادل ساز نمی تواند از یک وسیله به وسیله دیگری برود. در شکل ۷ چند نمونه از یکسو کننده های متداول نشان داده شده است. وقتی از دینامی با اتصال ستاره استفاده می شود، به طور نظری جمع ولتاژ ها در نقطه خنثی اتصال ستاره صفر است. اما در عمل، به سبب بی دقتی های اندک در ساخت بالشتک و آرمیچر، در این نقطه پتانسیل ایجاد می شود. این پتانسیل، که آن را هماهنگ سوم می نامند در شکل ۸ نشان داده شده است. فرکانس این پتانسیل سه برابر فرکانس بنیادی سیم پیچ های فاز است. با به کارگیری دو دیود دیگر، یکی مثبت و دیگری منفی، متصل به مرکز اتصال ستاره، این انرژی را می توان جمع آوری کرد. بدین ترتیب توان خروجی دینام تا حدود ۱۵ درصد افزایش می یابد.

در شکل زیر مدار کامل یک دینام با یکسو کننده تشکیل شده از ۸ دیود اصلی و سه دیود میدان ساز نشان داده شده است. در این نقشه آفتومات هم نشان داده شده است. آفتومات نقطه آغاز بحث در بخش آینده است. چراغ دینام که در مدار دینام قرار دارد دو کارکرد دارد؛ هم از مشکل در سیستم باتری پر کنی خبر می ده و هم تامین نشدن برق لازم برای تحریک اولیه سیم پیچ های میدان ساز را اعلام می کند. دینام همیشه به صورت خود به خود تحریک نمی شود زیرا مغناطیس باقی مانده در میدان ها معمولا برای تولید ولتاژی که بر ۰٫۶ یا ۰٫۷ ولت مورد نیاز برای بایاس کردن دیودهای یکسو کننده در جهت مستقیم غلبه کند کافی نیست. مصرف چراغ دینام معمولا دو وات است. اکنون بسیاری از سازندگان یک مقاومت را موازی با لامپ چراغ دینام می بندند تا هم به تحریک کمک کند و هم در صورت سوختن لامپ، مدار تحریک از کار نیافتد. وقتی دینام از طریق دیودهای میدان ساز، خروجی تولید می کند چراغ دینام خاموش می شود زیرا در این حالت ولتاژ دو سر لامپ برابر می شود و اختلاف پتانسیل دو سر لامپ صفر است.

تنظیم ولتاژ خروجی

برای جلوگیری از زیاد پر شدن باتری، ولتاژ تنظیم شده سیستم باتری پرکنی باید از ولتاژ گاز زایی باتری سرب- اسیدی کمتر باشد. در بسیاری از سیستم های باتری پرکنی ۱۲ ولت، اگر نگوییم در همه آنها، این رقم ۰٫۲ -+۱۴٫۲ ولت است. بافزایش روز افزون استفاده از سیستم های الکترونیکی تنظیم دقیق ولتاژ بسیار مهم است. با تنظیم ولتاژ ، استفاده از باتری های بسته نیز رایج تر شده است، زیرا در این صورت احتمال زیاد پر شدن باتری به حداقل می رسد. در شکل ۱۰ چند وسیله تنظیم ولتاژ، که آفتومات نامیده می شود، نشان داده شده است.

تنظیم ولتاژ خروجی دینام اتومبیل کاری دشوار است زیرا دور موتور همواره در تغییر است. هرگاه خروجی دینام تنظیم نشود به صورت خطی متناسب با دور موتور افزایش می یابد. خروجی دینام با شدت میدان مغناطیسی نیز متناسب است و شدت میدان مغناطیسی نیز به نوبه خود با جریان میدان ساز متناسب است

 

آفتومات باید متناسب با ولتاژ خروجی دینام این جریان میدان ساز را تنظیم کند. در شکل ۱۱ نمودار معرف نحوه کار آفتومات نشان داده شده است. این نمودا نحوه قطع جریان میدان ساز با افزایش ولتاژ خروجی دینام و سپس وصل مجدد آن با کاهش ولتاژ خروجی دینام را نشان می دهد. قطع ناگهانی جریان میدان ساز سبب تغییر ناگهانی ولتاژ خروجی نمی شود زیرا ضریب القاییدگی سیم پیچ های میدان ساز بسیار بزرگ است. کل فرایند قطع و وصل نیز فقط چند هزارم ثانیه طول می کشد. بسیاری از آفتومات ها نیز به نوعی سیستم جبران ساز دمایی مجهز اند که در هوای سرد جریان باتری پرکنی را افزایش و در دمای گرم آن را کاهش می دهد.

 

در هنگام بررسی مدارهای آفتومات باید به نقطه قطع مدار میدان ساز توجه کنید. مثلا در بعضی از مدارهای دینام، جریان ثابتی که دیودهای محرک آن را تامین می کنند، به سیم پیچ های میدان ساز می رسد و آفتومات فقط اتصال بدنه را قطع و وصل می کند. در بعضی سیستم های دیگر یک سر سیم پیچ های میدان ساز همواره به بدنه اتصال دارد و آفتومات اتصال مثبت را قطع و وصل می کند. در شکل ۱۲ این دو روش نشان داده شده است. دینام به وسیله ای برای تنظیم جریان نیاز ندارد، زیرا اگر ولتاژ خروجی تنظیم شود، آنگاه ولتاژ که به سیم پیچ های میدان ساز می رسد، از میزان معینی که از پیش تعیین شده است، فراتر نمی رود. همین محدودیت، به نوبه خود، سبب می شود که جریان معینی از سیم پیچ ها عبور کند زیرا سیم پیچ ها مقاومت معینی دارند؛ در نتیجه شدت میدان مغناطیسی محدود مس شود و همین حداکثر جریان تولیدی دینام را محدود می کند

آفتومات ها به دو دسته مکانیکی و الکترونیکی تقسیم می شوند؛ امروزه تقریبا در همه اتومبیل های مدرن از آفتومات الکترونیکی استفاده می شود. در آفتومات مکانیکی از یک سیم پیچ استفاده می شود که به خروجی دینام متصل است. مغناطیس تولید شده در این سیم پیچ با ولتاژ خروجی دینام متناسب است. یک دسته کنتاکت نزدیک به هم به آرمیچری متصل است که به وسیله فنر درجای خود نگه داشته شده است. جریانی که به سیم پیچ های میدان ساز می رسد، از همین کنتاکت ها عبور می کند. وقتی خروجی ولتاژ از میزان معین شده، مثلا۱۴ ولت، بالاتر می رود، مغناطیس تولید شده در سیم پیچ آفتومات بر نیروی فنر غلبه می کند و کنتاکت ها باز می شوند. در نتیجه جریان میدان ساز قطع می شود و ولتاژ خروجی دینام کاهش می یابد. وقتی ولتاژ خروجی دینام از میزان معینی کمتر شد، فنر کنتاکت ها را دوباره می بندد و این فرایند بارها تکرار می شود. در شکل ۱۳ مدار ساده شده یک آفتومات مکانیکی نشان داده شده است. اساس کار آفتومات مکانیکی سال هاست که تغییری نکرده است.

 

مشکل آفتومات های مکانیکی سایش کنتاکت ها و سایر قطعات محرک است. با استفاده از آفتومات الکترونیکی، که به سبب تلرانس های دقیقتر و سرعت قطع و وصل بیشتر، از آفتومات مکانیکی خیلی بهتر است، این مشکل حل شده است. آفتومات الکترونیکی خروجی پایدارتری تولید می کند. آفتومات های الکترونیکی جمع و جور تر و در برابر لرزش مقاوم تر اند، به همین سبب امروزه تقریبا روی همه دینام ها نصب می شوند. با استفاده از این نوع آفتومات تعداد سیم های واصل نیز کاهش می یابد.

عنصر اصلی در سیستم تنظیم ولتاژ الکترونیکی دیود زِنِر است. این دیود را می توان طوری ساخت که در ترازی خاص دچار شکست شود و جریان را در جهت معکوس هدایت کند. از این دیود به منضله عنصر حسگر در آفتومات الکترونیکی استفاده می شود. در شکل ۱۴ مدار ساده شده آفتومات الکترونیکی نشان داده شده است.

این آفتومات به شیوه زیر کار می کند: وقتی دور دینام برای اولین بار افزایش می یابد خروجی آن کمتر از میزان معین شده خواهد بود. در این وضعیت، با رسیدن ولتاژی به بیس ترانزیستور T₂ ، از طریق مقاومت R₃، این ترانزیستور وصل می شود. بدین ترتیب جریان میدان ساز به طور کامل عبور می کند. و ولتاژ خروجی را افزایش می دهد. وقتی ولتاژ خروجی دینام به مقدار از پیش تعیین شده رسید، دیود زِنِر شروع به هدایت می کند. مقاومت های R₁ و R₂ یک مدار متوالی ساده را تشکیل می دهند که کار آن تنظیم متناسب با مقدار مشخصه دیود، در زمانی است که ولتاژ رسیده به آن مثلا ۱۴٫۲ ولت است. وقتی Z₁ شروع به هدایت می کند، ترانزیستور T₁وصل می شود و ولتاژ بیس T₂ را به ولتاژ بدنه می رساند. به این ترتیب ترانزیستور T₂ و، بنابر این، جریان میدان ساز قطع می شود و ولتاژ خروجی کاهش می یابد. با افت ولتاژ خروجی Z₁ دیگر هدایت نمی کند، T₁ قطع می شود و به T₂ امکان می دهد که دوباره وصل شود و این چرخه ادامه می یابد. هدف از به کارگیری دیود معمولی D₁ جذب نیروی ضد محرکه الکتریکی از سیم پیچ های میدان ساز و جلوگیری از آسیب رسانی نیروی محرکه الکتریکی به سایر عنصر هاست.

آفتومات الکترونیکی را می توان طوری ساخت که ولتاژ باتری، ولتاژ دینام، یا ترکیبی از هر دو را حس کند. بیشتر سیستم های متداول فعلی ولتاژ دینام را حس می کنند، زیرا بدین ترتیب، در صورت قطع اتصال دینام و باتری، نوعی حفاظت در برابر افزایش ولتاژ دینام انجام می شود.

در شکل ۱۵ نقشه مدار یک آفتومات آمیخته نوع EL بوش نشان داده شده است. این آفتومات به صورت کاملا همراه با زغال و جعبه زغال عرضه می شود و آن را پشت دینام می بندند. در سیستم آمیخته عنصر های مجزا روی یک صفحه سرامیکی، با استفاده از روش های فیلم نازک، به هم متصل می شوند.بخش اصلی این آفتومات یک مدار مجتمع حاوی عنصر های حسگر و عنصر های جبران ساز دماست. مدار مجتمع یک طبقه خروجی، مانند یک ذوج دارلینگتون، را کنترل می کند. بدین ترتیب وسیله بسیار جمع و جوری ساخته می شود که به سبب کم بودن تعداد عنصر ها و اتصالات بسیار اعتماد پذیر است

در بعضی از کاربردها برای جلوگیری از آسیب دیدن عنصر های الکترونیکی به نوعی وسیله محافظت در برابر ولتاژ اضافی نیاز است. وقتی دینام به باتری اتومبیل متصل می شود ولتاژ، حتی در صورت از کار افتادن آفتومات، از ۲۰ ولت تجاوز نخواهد کرد زیرا مقتاومت باتری کم است و اثر جریان کشی دارد. اگر دینام جدا از باتری کار کند ( که توصیه نمی شود)، با بستن یک دیود زنر ولتاژ بالا بین دو سر خروجی، نوعی حفاظت به عمل می آید. اگر ولتاژ سیستم از ولتاژ شکست آن تجاوز کند دیود زِنِر هدایت می کند و ولتاژ سیستم را در محدوده معقولی نگه می دارد.

مشخصه های دینام

سازندگان دینام منحنی های مشخصه آن را نیز تهیه می کنند تا ویژگی های دینام ساخت خود را نشان دهند. در این نمودار ها، جریان خروجی( در ولتاژ پایدار شده) بر حسب دور دینام و توان ورودی بر حسب دور ورودی رسم می شود. در شکل ۱۷ یک منحنی مشخصه دینام نشان داده شده است.

نقطه های زیر را روی منحنی ها مشخص می کنند:

 

• نقطه شکست سرعت
  
• گستره دور آرام
  
• دوری که در آن ۲/۳خروجی نامی حاصل می شود.
  
• دوری که در آن خروجی نامی حاصل می شود
  
• دور حداکثر
  
• گستره جریان خروجی در دور آرام
  
• جریان در ۲/۳خروجی نامی
  
• خروجی نامی
  
• خروجی حداکثر
  

این نمودارها در وضعیت های خاص، مثلا با ولتاژ خروجی تنظیم شده و غالبا با دمای ثابت (۲۷˚C) رسم می شوند.

این منحنی ها هنگامی به کار می آیند که بخواهیم اندازه دینام لازم برای کاربردی خاص را تعیین کنیم. منحنی نشان داده شده در شکل ۱۷ ظاهرا مربوط به دینامی است که برای کاربرد ذکر شده در بخش محاسبات مربوط به باتری پرکنی مناسب است.ز منحنی توان برای تعیین نوع تسمه مورد نیاز برای انتقال قدرت یا گشتاور به دینام استفاده می شود. این نکته را هم اضافه کنیم که با استفاده از منحنی های توان و جریان می توان بازده دینام را محاسبه کرد. در هر دور خاص، وقتی حداکثر خروجی در آن دور تولید می شود، بازده دینام را میتوان به صورت زیر محاسبه کرد:

بازده (%) = توان ورودی/ توان خروجی × % ۱۰۰

در این مورد، بازده در دور ۸۰۰۰ چنین محاسبه می شود:

۱۴ V × ۷۰ A = 980 W980W/2200W × %۱۰۰ = % ۴۵

بازده دینام، در ۲/۳ خروجی حداکثر، به صورت زیر محاسبه می شود:

توان خروجی ۱۴ V × ۴۵ A = 630 W

630W/1000W × %۱۰۰ = % ۶۳

به کمک این ارقام می توان نشان داد که در فرایند تولید برق چه مقدار توان تولید میشود. پایین بودن بازده دینام عمدتا به سبب اتلاف آهن، اتلاف مس، اتلاف هواخورد و اصطکاک است. این انرژی به صورت گرما تلف می شود.

ملاحضات مکانیکی و بیرونی

در اغلب خودروهای سبک دینام به یک صورت نصب می شود. معولا یک پایه لولا دار در بغل موتور وجود دارد که به تسمه سفت کنی در بالا یا پایین مجهز است. اکنون روش رایج انتقال مستقیم توان از فلکه سر میل لنگ به فلکه دینام به کمک تسمه های چند شیاره است. این نوع تسمه، در مقایسه با تسمه های با مقطع V شکل معمولی گشتاور بیشتری را انتقال می دهد و آن را روی فلکه های کوچکتر انداخت.

شکل ۱۸ از اطلاعاتی که شرکت لوکاس در مورد نصب دینام مدل AS 123 و تسمه انداختن روی آن منتشر کرده استخراج شده است. نسبت انتقال بین فلکه سر میل لنگ و فلکه دینام بسیار مهم است. یکی از نسبت های رایج ۲٫۵:۱ است. به بیان ساده وقتی موتور در دور آرام کارمی کند، دینام باید با حداکثر سرعت بچرخد، اما در این وضعیت نباید دور دینام از دور نامی حداکثر وقتی موتور با حداکثر دور کار می کند، فراتر رود. بنابراین نسبت ایدآل را می توان به صورت زیر محاسبه کرد :

نسبت حد اکثر = دور حداکثر موتور/دور حداکثر دینام

مثلا : = ۲٫۵ ١۵٠٠٠/۶٠٠٠

در مرحله طراحی غالبا دینام را باید در جایی قرار داد که فضای موجود در محفظه موتور تعیین کننده آن است. اما در صورت امکان باید نکات زیر را در نظر گرفت:

۱- خنک شدن به اندازه کافی

۲- حفاظت در برابر آلاینده ها

۳- دسترس پذیری برای تنظیم و تعمیر

۴- حداقل لرزش در صورت امکان

۵- سفت شدن تسمه به اندازه توصیه شده

نوعی دینام رایج

در شکل ۱۹ دینام لوکاس مدل A127 نشان داده شده است که شرکت رَوِر و سایر خودروسازان به تعداد زیاد از آن استفاده می کنند. داده های اساسی مربوط به این نوع دینام به شرح زیر است:

 

• اتصال بدنه نفی ۱۲ ولت
  
• ولتاژ تنظیم شده ۱۴- ۱۴٫۴ ولت
  
• خروجی حد اکثر در هنگام داغ بودن = ۶۵ آمپر (برگشت از زمین)
  
• دور حداکثر = ۱۶۵۰۰ دور در دقیقه
  
• گستره دما = ۴۰- تا ˚۱۰۵+
  
• سرسیم بندی اروپایی (۷ میلیمتر)
  
• ترمینال فاز (W) × ۶/٧(V)
  

قطر پوسته این دینام ۱۲۷ میلیمتر و قطر محور محرک آن ۱۵ میلیمتر است. وزن این دینام ۴ کیلوگرم است.

مدار باتری پرکنی

در بسیاری از موارد مدار باتری پرکنی یکی از ساده ترین مدارها در اتومبیل است. خروجی اصلی دینام از طریق کابلی با اندازه مناسب یا در بعضی موارد، به منظور افزایش اعتماد پذیری، از طریق دو کابل به باتری متصل می شود. چراغ دینام از یک طرف به مغزی سوئیچ و از طرف دیگر به ترمینال دینام متصل است. در صورت استفاده از ترمینال فاز ممکن است سیمی هم به این ترمینال متصل شود. در شکل ۲۰ دو مدار سیمکشی متداول نشان داده شده است. خروجی دینام را غالبا به سیم اصلی استارت متصل می کنند تا سیمکشی ساده تر شود. اگر سیم ها تا حد امکان کوتاه باشند افت ولتاژ در مدار کاهش می یابد. افت ولتاژ بین دو سر سیم های اصلی، وقتی دینام جریان خروجی کامل را تولید می کند باید از ۰٫۵ ولت کمتر باشد.