Cap.1 INSTALAŢIA ELECTRICĂ A AUTOMOBILULUI. 1.1. Destinaţie ...
Cap.1 INSTALAŢIA ELECTRICĂ A AUTOMOBILULUI. 1.1. Destinaţie ...
Cap.1 INSTALAŢIA ELECTRICĂ A AUTOMOBILULUI. 1.1. Destinaţie ...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Cap.1</strong> <strong>INSTALAŢIA</strong> <strong>ELECTRICĂ</strong> A <strong>AUTOMOBILULUI</strong>.<br />
<strong>1.1.</strong> <strong>Destinaţie</strong>. Structură generală.<br />
Instalaţia electrică a automobilului este ansamblul tuturor echipamentelor electrice şi<br />
electronice, generatoare şi receptoare instalate la bordul său şi interconectate prin cabluri şi/sau<br />
conductori electrici având ca scop [1]:<br />
producerea (generarea) şi stocarea energiei electrice la bordul automobilului;<br />
alimentarea cu energie electrică a tuturor receptorilor la o valoare cât mai constantă a<br />
tensiunii de alimentare, atât în mers cât şi în staţionare;<br />
asigurarea pornirii şi funcţionării motorului cu ardere internă de tip MAS(scânteie) şi<br />
respectiv MAC (compresie Diesel) al automobilului;<br />
controlul (măsurare, afişare) a parametrilor funcţionali ai motorului şi a celorlalte sisteme<br />
ale automobilului;<br />
iluminarea drumului şi a vehiculului (în interior şi exterior) la circulaţia nocturnă,<br />
semnalizare optică şi acustică;<br />
asigurarea confortului ambiental (şofer plus pasageri) independent de condiţiile de<br />
funcţionare ale motorului şi de condiţiile climatice externe.<br />
Echipamentul electric presupune orice dispozitiv implicat în procesul de producere,<br />
transport/distribuţie şi utilizare a energiei electrice.<br />
Generatorul electric este echipamentul electric ce transformă o anumită formă de energie<br />
(mecanică, termică, luminoasă, etc.) în energie electrică.<br />
Receptorul electric este echipamentul electric ce transformă energia electrică în alte forme de<br />
energie (mecanică, termică, luminoasă) pentru utilizare.<br />
Consumatorul electric reprezintă totalitatea receptorilor din cadrul unei instalaţii electrice<br />
interconectaţi conform unui scop comun.<br />
Echipamentele electrice şi electronice din cadrul instalaţiei electrice auto se grupează în sisteme<br />
electrice funcţionale; o imagine sintetică a structurii generale este reprezentată<br />
în schema-bloc din fig. 1.:<br />
- Sistemul de alimentare cu energie electrică: produce, furnizează şi înmagazinează energia<br />
electrică necesară alimentării tuturor receptorilor instalaţi pe autovehicul;<br />
- Sistemul de pornire: realizează punerea în mişcare (funcţionare) a MAS/MAC cu ajutorul<br />
unui motor electric („demaror”) prevăzut cu dispozitiv electromecanic de cuplare a pinionului<br />
cu coroana dinţată a volantei de pe arborele cotit al MAI;<br />
- Sistemul de aprindere realizează la momente precise, succesiv în fiecare cilindru, scânteile<br />
necesare aprinderii amestecului carburant din cilindrii MAI tip MAS;<br />
- Sistemul de carburaţie electronică: permite dozarea precisă şi reglarea optimă a amestecului<br />
(carburant – aer) în funcţie de mai mulţi parametrii ca: turaţia AC(arbore cotit), debit de aer<br />
admis (depresiunea din galeria de admisie), temperatura motorului şi a aerului ambiant, poziţia<br />
clapetei de acceleraţie, compoziţia gazelor de eşapament. Se compune din: injectoare, ventile<br />
electromagnetice şi circuite de comandă electronice aferente;<br />
- Sistemul de măsură şi control a parametrilor,semnalizare internă a avariilor: realizează<br />
măsurarea şi afişarea la bord a parametrilor funcţionali ai motorului şi ai autovehiculului în<br />
general. Se compune din: traductoare specifice (mărimi fizice neelectrice→mărimi electrice)<br />
conectate la bornele aparatelor indicatoare,lămpilor sau avertizoarelor;<br />
- Sistemul de iluminare şi semnalizare : asigură (pe timpul nopţii sau în condiţii de vizibilitate<br />
redusă) iluminarea drumului şi a autovehiculului (exterior/interior), precum şi semnalizarea<br />
optică (schimbarea de direcţie, frânare, mers înapoi) şi acustică. Se compune din: corpuri de<br />
1
iluminat echipate corespunzător cu surse electrice de lumină (faruri, lămpi de poziţie, direcţie,<br />
frână, mers înapoi etc.), aparataj electric aferent, claxon şi/sau sirenă;<br />
- Sisteme auxiliare: au rol de a facilita conducerea automobilului şi de a spori siguranţa<br />
circulaţiei rutiere precum şi de a asigura confortul ambiental în habitaclu. Se referă la:<br />
- ştergătore de parbriz acţionate electric;<br />
- electropompă pentru spălarea parbrizului,farurilor,etc.;<br />
- rezistori pentru dezgheţare/dezaburire lunetă;<br />
- aerotermă / sistemul de climatizare;<br />
- brichetă electrică;<br />
- sistem electric/electronic de securizare/antifurt;<br />
- echipamente radio/audio, cass,TV,telefon,etc.<br />
fig.1 Schema bloc a instalaţiei electrice auto.<br />
2
1.2. Cerinţe tehnico-funcţionale specifice.<br />
Construcţia şi funcţionarea echipamentelor electrice[1] şi electronice[2] instalate pe automobile<br />
sunt determinate esenţial atât de condiţiile de mediu şi de exploatare – mult mai dificile, în general,<br />
faţă de cazul echipamentelor electrice staţionare - precum şi de multiple condiţii tehnice specifice<br />
(parametrii funcţionali, fiabilitate, tipizare, implicaţii asupra securităţii şi siguranţei circulaţiei rutiere<br />
etc.) normalizate în standarde/normative.<br />
Condiţii impuse de mediul ambiant şi de modul de exploatare:<br />
Echipamentele electrice auto ca şi celelalte sisteme funcţionale existente pe automobil sunt<br />
supuse în funcţionare unor condiţii mecano-climatice variabile în limite largi datorate atât climei locale<br />
(dependentă de zona geografică, anotimp, altitudine etc.) cât şi căldurii, vibraţiilor şi şocurilor produse<br />
prin funcţionarea motorului şi rularea automobilului.<br />
Factori de mediu:<br />
1.Temperatura mediului ambiant (variabilă funcţie de radiaţia solară şi căldura transmisă prin<br />
funcţionarea motorului, funcţie de condiţiile de ventilaţie în repaus sau în mers):<br />
-temperatura nominală: 20 o C±5 o C (climat temperat normal - N);<br />
-temperatura externă maximă admisibilă:45 o C;<br />
-temperatura maximă admisibilă în habitaclu:65 o C;<br />
-temperatura maximă admisibilă în compartimentul motorului:80 o C-95 o C;<br />
-temperatura minimă admisibilă pentru funcţionarea sigură:-20 o C;<br />
-temperatura minimă de funcţionare:-40 o C;<br />
-temperatura minimă de pornire cu demaror electric:-18 o C.<br />
2.Umiditatea relativă a mediului ambiant: 10 – 80%<br />
Acţiunea umidităţii poate fi simultană cu cea a căldurii sau a atmosferei corozive (de exemplu:<br />
ceaţă salină).<br />
3.Pătrunderea corpurilor străine solide şi a apei: echipamentul electric trebuie protejat<br />
corespunzător prin carcase, garnituri, etanşări etc., contra pătrunderii apei, prafului, noroiului,<br />
pietrelor, insectelor etc.<br />
Grade normale de protecţie(IPxy) sunt precizate în detaliu în [3] (prima cifră(x) reprezintă<br />
protecţia contra pătrunderii corpurilor străine solide; a doua cifră(y) reprezintă protecţia contra<br />
pătrunderii apei ).<br />
4.Şocuri şi vibraţii (mai importante pentru elementele montate direct pe motor, comparativ cu<br />
cele pe caroserie): zdruncinături de transport (frecvenţă =1÷3Hz, acceleraţie=3g ÷15g), vibraţii<br />
mecanice întreţinute (frecvenţă =10÷55Hz, amplitudini de zecimi de milimetri).<br />
Prin concepţie şi execuţie, toate componentele şi subansamblurile echipamentelor electrice auto<br />
trebuie ca în aceste condiţii mecano-climatice dificile să poată funcţiona corect un timp cât mai<br />
lung ceea ce înseamnă fiabilitate.<br />
În scopul evaluării performanţelor echipamentelor electrice auto din acest punct de vedere,<br />
acestea se supun (în totalitate sau prin sondaj) unor încercări mecano - climatice riguroase,<br />
standardizate în: frig, căldură uscată, căldură umedă continuă/ciclică, impact/şoc, zdruncinări, cădere<br />
liberă, vibraţii, atmosferă corozivă, praf şi nisip, variaţii de temperatură etc.<br />
După efectuarea încercărilor, aparatajul trebuie să-şi menţină capacitatea de funcţionare normală,<br />
să nu prezinte deteriorări mecanice etc.<br />
Condiţii tehnice generale de calitate privind siguranţa funcţionării dispozitivelor electronice<br />
(incluzând radio-casetofon etc.) instalate pe automobil sunt prevăzute în standarde specifice conţinând<br />
valorile parametrilor de influenţă şi metodele de încercare adecvate la solicitări mecano-climatice.<br />
Alte condiţii tehnice generale pentru echipamentul electric auto:<br />
1.Condiţii de normalizare – tipizare – unificare:,<br />
-tensiunea nominală de funcţionare:<br />
3
•6V – tensiune continuă (motociclete, Trabant, Wartburg);<br />
•12V – tensiune continuă (majoritatea autoturismelor şi autocamioanelor de tonaj mic şi mediu);<br />
•24V – tensiune continuă (autobuze, autocamioane de tonaj mare (la Pinst>700W)).<br />
-polaritatea: minusul autovehiculului(-) la masă;plusul(+)-cablat, (în trecut a existat (+) la<br />
caroserie dar s-a renunţat la această idee); în prezent, aproape în totalitate automobilele au<br />
receptorii conectaţi printr-un singur conductor la sistemul de alimentare cu energie electrică,<br />
închiderea circuitului realizându-se prin masa metalică a şasiului şi caroserieiautomobilului<br />
(cablaj optimizat din punct de vedere al volumului,masei,costului);<br />
-sensul de rotaţie al unor aparate din cadrul echipamentului electric auto:de exemplu sens orar<br />
pentru ansamblul ruptor -distribuitor (delco) privit dinspre capac;<br />
-regimul nominal de funcţionare: continuu, de lungă durată (aprindere, iluminat), intermitent<br />
(claxon, relee semnalizare, ştergătoare de parbriz) şi de scurtă durată (demaror, brichetă, pompa de spălat<br />
parbrizul).<br />
2.Condiţii impuse de necesitatea asigurării fiabilităţii în exploatare: majoritatea<br />
elementelor echipamentului electric auto trebuie să poată funcţiona corect, fără defecţiuni grave pe<br />
întreaga durată de viaţă normală a automobilului, sau cel puţin până la prima reparaţie capitală (în<br />
condiţiile respectării riguroase a indicaţiilor de exploatare şi întreţinere ale producătorului).<br />
Orientativ se dau următoarele durate de funcţionare prescrise[1],[2]:<br />
-bateria de acumulatori: 250 – 350 de cicluri normale de încărcare/descărcare (după care<br />
capacitatea poate scădea cu 50 – 70%);<br />
-dinam+releu regulator cu contacte: max. 150.000 km;<br />
-alternator +releu regulator electronic: max. 350.000 km;<br />
-demaror: min. 5000 de porniri;<br />
-bujii: 10.000 – 30.000 km;<br />
-ruptor cu contacte din aliaje Wo („platini”): 5000 – 10.000 km;<br />
-bobina de inducţie: max. 250.000 km;<br />
-sistem de aprindere electronică: 100.000 – 150.000 km;<br />
-lămpi cu incandescenţă: 200 – 500 de ore.<br />
3.Condiţii determinate de normele de securitate şi siguranţă a circulaţiei rutiere:<br />
reglementări naţionale conforme cu recomandări internaţionale[4] pentru măsuri unitare şi eficiente<br />
de creşterea siguranţei circulaţiei rutiere, reducerea poluării mediului ambiant, limitarea<br />
consumului de carburant etc.: sunt condiţii tehnice minime în care trebuie să se încadreze<br />
constructiv şi funcţional echipamentul electric auto. De exemplu: structura şi parametrii funcţionali<br />
obligatorii (putere nominală,culoare,număr de lămpi,etc) ai sistemului de iluminat şi semnalizare<br />
optică.<br />
4.Nivelul maxim al perturbaţiilor radio – electrice generate cu motorul în funcţionare nu<br />
trebuie să depăşească limitele câmpului perturbator conform:<br />
-100μV/m - pentru autovehiculele fără radioreceptori la bord;<br />
-50μV/m - pentru autovehiculele cu radioreceptor la bord;<br />
-10μV/m - pentru autovehiculele cu echipamente de radiocomunicaţie profesionale la bord.<br />
Pentru autovehiculele care nu respectă aceste condiţii se impun măsuri de antiparazitare<br />
corespunzătoare.<br />
Comisia Economică pentru Europa din cadrul O.N.U(CEE-ONU) a elaborat un ansamblu de<br />
Acorduri şi Convenţii[4] care reglementează în mod uniform,pentru ţările semnatare ,principalele<br />
aspecte caracteristice activităţii de transporturi rutiere în trafic internaţional(condiţii tehnice,<br />
juridice,etc). În cadrul Convenţiei[4] au fost iniţiate şi adoptate peste 90 de reglementări tehnice prin<br />
intermediul cărora se urmăreşte amplificarea elementelor de securitate rutieră,reducerea efectelor<br />
nocive,de agresiune a autovehiculelor asupra mediului înconjurător,în condiţiile creşterii spectaculoase<br />
a traficului rutier şi saturării pieţei de automobile.<br />
Instituţia naţională competentă în acest domeniu şi recunoscută oficial pe plan internaţional<br />
este Registrul Auto Român(R.A.R) din cadrul Ministerului Transporturilor.<br />
4
1.3. Prezent şi perspective în evoluţia echipamentelor electrice şi electronice auto.<br />
În anul 1902 BOSCH a produs prima bujie; începând cu anul 1925 aceeasi companie impune<br />
etaloane şi în domeniul înaltei precizii, oferind dispozitive de aprindere tranzistorizate, diferite tipuri<br />
de bobine de inducţie,piese pentru aprindere(contacte platinate,rotoare,capace de distribuitoare,etc.);în<br />
anul 1986 BOSCH începe producţia primelor sisteme de injecţie Diesel - electronice destinate<br />
automobilelor.<br />
Până în prezent, automobilul este „departe” de a fi un vehicul adaptat la protecţia ecologică.<br />
Automobilul electric este capabil să contribuie indirect la evitarea distrugerii structurilor fragile ale<br />
mediului ambient. În pofida orientărilor pe termen lung adoptate de o serie de legislatori influenţi care<br />
intenţionează să vadă progresele în dezvoltarea automobilelor mult mai „prietenoase” mediului,<br />
limitări serioase în tehnologia bateriilor conduc inevitabil la ideea că doar dezvoltarea automobilului<br />
electric cu adevărat viabil rămâne ultima „ţintă” spre care orice producător de automobile trebuie să<br />
aspire în viitor. În acelaşi timp ,motoarele care se bazează pe derivaţi ai combustibililor fosili ca sursă<br />
de energie primară, vor continua să asigure în principal sistemul de propulsie al automobilelor.<br />
Legislatorii pot conta pe menţinerea presiunii asupra producătorilor de automobile pentru reducerea<br />
emisiilor poluante.<br />
Electronica din componenţa automobilului creşte continuu datorită cerinţelor crescute privind<br />
protecţia mediului, securitatea şi consumul sporit de energie electrică.<br />
Cu 60 de ani în urmă (~1950) conţinutul de electronică din componenţa automobilului era<br />
aproape zero. În anul 1998 valoarea medie a electronicii în automobil era de cca. 500 USD; în anul<br />
2001 aceasta valoare a depaşit 1000 USD/automobil. Această piaţă de cca. 100 bilioane USD a fost<br />
creată datorită reglementărilor de antipoluare şi economie de energie. Acest lucru a permis startul<br />
electronicii auto; ulterior, această industrie a descoperit imensele posibilităţi ale electronicii: creşterea<br />
numărului de funcţii pentru control, eficienţă, fiabilitate şi alte aplicaţii electronice.<br />
Prima introducere a electronicii în anasamblul automobilului a fost pentru managementul<br />
motorului (presiunea „verde” mondială datorată poluării).<br />
În al doilea rând electronica s-a introdus pentru sporirea siguranţei („airbag-uri”, sistemul ABS<br />
(Anti-Brake-Locking-System)), îmbunătaţirea confortului (suspensii active, control electric al direcţiei,<br />
control inteligent al iluminatului).<br />
Expansiunea electronicii pe automobile are rolul de a realiza integrarea cât mai eficientă a<br />
următoarelor principale aplicaţii:<br />
Tracţiune:<br />
-injecţie de benzină integrată;<br />
-control aprindere,transmisie,cutie de viteze;<br />
-diagnostic la bord.<br />
Securitate şi şasiu:<br />
-airbag-uri inteligente, laterale/spate;<br />
-evitare coliziuni;<br />
-sistem frânare ABS;<br />
-control suspensii active, direcţie.<br />
Conducere inteligentă:<br />
-sistem de navigaţie (GPS);<br />
-recunoaştere vocală;<br />
-control activ.<br />
Electronica în habitaclu:<br />
-control climatizare habitaclu;<br />
-afişaje;<br />
-imobilizatoare;<br />
-acces fără cheie;<br />
-sistem integrat de comunicaţii;<br />
-atenuare zgomot.<br />
5
În anul 1978 „Motorola” a realizat primul microcontroller pentru managementul motorului.<br />
Astfel noxele au scăzut de 4÷5 ori în perioada 1970÷2000. Noile sisteme de control al motorului<br />
constau dintr-o unitate centrală cu injector şi aprindere cu comutatoare statice. Fiecare tip de sarcină al<br />
fiecărui sistem dintre cele enumerate mai sus e controlat de un microprocesor descentralizat; comanda<br />
diverselor sarcini locale se realizează prin interfeţe şi electronică de putere.<br />
Sistemul de iluminare necesită electronică pentru îmbunătăţirea performanelor actuale<br />
(creşterea eficienţei lămpii) prin adoptarea lămpilor de tip HID (High Intensity Discharge); tensiunile<br />
înalte de amorsare şi de descărcare în arc, necesare pentru funcţionarea acestui tip de lămpi, impun<br />
utilizarea cel puţin a unui balast electronic.<br />
Controlul presiunii în anvelope este, de asemenea un sistem recent care contribuie la<br />
îmbunătăţirea siguranţei şi a confortului automobilelor.<br />
Toate aceste sarcini electrice conduc la o importantă creştere a consumului de energie.<br />
Actualmente puterea electrică stocată la bordul autovehiculelor în bateriile de 12V depăşeşte valoarea<br />
de 2000W. Aceasta ar însemna un curent mediu total de 200A, adică conductoare groase de cupru cu<br />
masă relativ mare. O soluţionare a acestei probleme este: baterii cu tensiuni mai mari de 42V sau<br />
instalarea unor sisteme multiplexate.<br />
În stadiul actual, în ansamblul eforturilor privind reducerea costurilor şi a noxelor, creşterea<br />
confortului şi a securităţii active şi pasive, etc., varianta de automobil electric sau cu hibridizare (cu<br />
motor termic) constituie o soluţie promiţătoare atât pentru transportul rutier urban cât şi pentru cel<br />
interurban [5].<br />
Avantajele automobilelor electrice:<br />
- randamentul (energia mecanică furnizată/energia absorbită) motorului electric<br />
este ~ 90%, faţă de cca.(33÷35)% la motorul termic de tip MAS(Otto), respectiv<br />
de ~40% la motorul termic MAC (Diesel) ;<br />
- acţionarea electrică directă a roţilor motoare (de tracţiune) reduce aproape la<br />
zero pierderile mecanice prin eliminarea cutiei de viteze (funcţia acesteia e<br />
preluată de module electronice de alimentare cu un raport „tensiune/frecvenţă”<br />
variabil);<br />
- degajările de noxe, cca. (140÷215)g. CO2/kilometru la un vehicul cu motor<br />
termic, devin nule la un vehicul integral electric;<br />
Motorul electric pentru automobile trebuie sa corespundă unor cerinţe specifice:<br />
- valori cât mai mari pentru raportul de performanţă: putere dezvoltată/unitate de<br />
masă[kW/kg];<br />
- robusteţe ridicată la solicitările mecano climatice (umiditate, praf, temperaturi<br />
extreme, şocuri, vibraţii,etc.);<br />
- capacitate de răcire cât mai eficientă;<br />
- dimensiuni de gabarit minime(compacte); posibilitatea încorporării<br />
motorului electric în butucul roţii de tracţiune a automobilului („ACTIVE<br />
WHEEL”), precum şi posibilitatea frânării electrice recuperative (motorul<br />
electric este reversibil);<br />
- energia de frânare (aproximativ 80%) poate fi reconvertită electric pentru<br />
încărcarea bateriilor de acumulatori.<br />
Bateria de acumulatoare este, în cadrul sistemului electric al acestui tip de automobile „veriga<br />
slabă” care împiedică ofensiva automobilelor electrice pe piaţa auto.<br />
La o cantitate specifică de energie electrică stocată de 200w*h/kg (maximum de performanţă<br />
atins în prezent), aceasta reprezintă doar 1/50 din echivalentul energetic al carburanţilor lichizi (10000<br />
w*h/kg). În consecinţă autonomia automobilului electric este limitată la aproximativ (200÷350)km,<br />
acceptabilă doar pentru transport urban.<br />
Se au în vedere acumulatori de tipul NiMeH (nichel-metal-hidruri) cu o capacitate specifică de<br />
stocare a energiei electrice de cca. (130÷140)w*h/kg şi o durată de viaţă de peste 1000 de cicluri<br />
convenţionale şi acumulatori de tipul litiu-ion-polymer membrană cu o capacitate de cca. (180÷200)<br />
w*h/kg şi o durată de viaţă de maximum 2000 de cicluri.<br />
6
Cap.2 SISTEMUL DE ALIMENTARE CU ENERGIE <strong>ELECTRICĂ</strong>.<br />
Sistemul de alimentare cu energie electrică (SAE) al oricărui autovehicul furnizează energia<br />
electrică necesară funcţionării (la parametrii adecvaţi) tuturor receptorilor instalaţi/conectaţi la bordul<br />
acestuia.<br />
Se compune din (fig.2):<br />
fig.2 Schema electrică a sistemului de alimentare cu energie electrică.<br />
GE – generator electric rotativ(„alternator”);<br />
RRT- releu regulator de tensiune;<br />
BA- bateria de acumulatoare;<br />
Rd- redresor.<br />
1 bateria de acumulatoare (BA) cu rolul de a:<br />
-alimenta electromotorul (demarorul) şi sistemul de aprindere la pornire, precum şi restul<br />
receptorilor de pe autovehicul în staţionare(cu motorul oprit);<br />
-contribui (alături de releul regulator de tensiune) la menţinerea unei tensiuni continue constante<br />
(6,12V sau 24V) în ansamblul instalaţiei electrice a auto, independent de variaţia turaţiei şi de numărul variabil<br />
de receptori alimentaţi;<br />
-prelua vârfurile de sarcină (de încărcare) ce apar când puterea electrică absorbită de receptoare<br />
depăşeste puterea electrică maximă debitată de generator (noaptea,iarna).<br />
Bateria de acumulatoare, conectată în paralel cu generatorul electric rotativ (conexiune în<br />
“tampon”), stochează energie electrică şi alimentează consumatorii în repaus (pe durata opririi<br />
motorului MAS/MAC);<br />
2 generator electric rotativ (GE) (în c.c.-dinam sau în c.a. alternator cu redresor înglobat)<br />
antrenat în mişcare de motorul cu ardere internă al automobilului transformă energia mecanică în<br />
energie electrică cu care se alimentează toate receptoarele de la bordul autovehicului şi încarcă bateria<br />
de acumulatoare la tensiuni relativ constante (6V sau 12V sau 24V).<br />
Avantajele alternatoarelor: mai robuste, mai fiabile, construcţie şi întreţinere mai simplă, puterea<br />
specifică (W/kg) de 3-5 ori mai mare ca dinamul, funcţionare bună (I,U) într-o plajă largă de turaţii<br />
(950-10000 rot./min).<br />
3 releu regulator de tensiune (RRT ) (electric sau electronic) – cu rol de a stabiliza tensiunea<br />
electrică (în general prin reglarea excitaţiei GE) debitată de generator. Variaţiile de tensiune depind de<br />
turaţia MAI şi de sarcină.<br />
4 elemente componente de cablaj şi conectică: conductori, cabluri, papuci, conectori, siguranţe<br />
fuzibile, întrerupătoare şi comutatoare.etc.<br />
7
2.1. Bateria de acumulatoare (BA).<br />
Cele mai vechi şi cele mai utilizate baterii sunt cele cu plăci de plumb şi electrolit acid,<br />
folosite ca baterii de pornire[1]. Pentru utilizări specifice (de exemplu la motociclete 6V) se fabrică în<br />
mod curent şi acumulatoare alcaline (electrolit alcalin: soluţie apoasă de KOH sau NaOH, electrozii<br />
sunt cupluri de : Ni-Cd,Ni-Fe,Ni-Zn,Ag-Zn etc).<br />
Bateriile de acumulatoare sunt formate din elemenţi (celule) de acumulatoare. Un element<br />
(celulă) acumulator e o pilă electrică reversibilă-generator de c.c. electrochimic constituit principial<br />
din doi electrozi metalici de natură diferită introduşi într-un electrolit (conductor de speţa II (conducţie<br />
ionică)). La contactul între un metal (conductor speţa I) şi un electrolit (conductor speţa II) apare un<br />
câmp electric imprimat galvanic (Ei [V/m]) care creează t.e.m. de contur. Tensiunea electrică<br />
imprimată se exprimă prin relaţia (1):<br />
Ui=∫ΓEidl [V] (1)<br />
După rolul pe care îl îndeplinesc pe autovehicul bateriile de acumulatoare pot fi: baterii de<br />
pornire şi baterii pentru tracţiune.<br />
Bateriile de pornire, conectate în paralel cu generatorul de curent îndeplinesc următoarele<br />
funcţii: alimentează demarorul şi sistemul de aprindere la pornirea motorului, alimentează<br />
consumatorii când motorul este în repaus, preiau vârfurile de sarcină când cererile de curent sunt peste<br />
posibilităţile generatorului, contribuie la menţinerea unei tensiuni constante în instalaţia electrică,<br />
indiferent de regimul de lucru al generatorului.<br />
La alimentarea demarorului, aceste baterii trebuie să asigure un curent foarte mare (de ordinul<br />
sutelor de amperi) dar pentru o durată scurtă. Pentru a putea face faţă curenţilor mari, fără ca tensiunea<br />
la borne să scadă prea mult, este necesar să aibă o rezistenţă internă foarte mică([mΩ]).<br />
Construcţie<br />
Bateria de acumulatoare este formată dintr-o carcasă (cuvă) confecţionată din ebonită sau<br />
material plastic, compartimentată în 3 sau 6 elemente (celule) ( fig. 3).<br />
fig.3 Bateria de acumulatoare acidă<br />
Fiecare element constituie un acumulator având o tensiune nominală de 2 V, format dintr-un<br />
ansamblu de plăci pozitive şi negative izolate între ele prin separatori confecţionaţi din material<br />
plastic. Plăcile de aceeaşi polaritate sunt legate între ele prin punţi de plumb pe care se aşează borna de<br />
legătură. Celulele se leagă între ele în serie , rămânând la exterior doar bornele principale ale bateriei.<br />
Electrozii sunt formaţi din grătare de Pb care sunt iniţial pastate (acoperite) cu o pastă din oxizi<br />
de plumb (miniu=Pb3O4 ; litarga=PbO) în aşa numita “stare neformată”. Electrozii sunt scufundaţi în<br />
soluţie apoasă de H2SO4 despartiti prin membrane microporoase (separatori) care permit transferul de<br />
ioni dar împiedica atingerea (contactul) directă = scurtcircuit. Totul este amplasat intr-o cuva (bachelit,<br />
termoplaste) rezistenta la H2SO4.Prin aşa-numita operaţie de ”formare” (a cărei reţetă diferă de la un<br />
procedeu de fabricaţie la altul) care constă în principal în alimentarea cu curent a acumulatorului,<br />
electrozii se transformă astfel:<br />
- plăcile pozitive se acoperă cu PbO2 (culoare cafenie);<br />
- plăcile negative se acoperă cu Pb spongios (culoare cenuşie);<br />
iar electrolitul ajunge la concentraţia caracterizată prin densitatea de 1,27 g/cm 3 .<br />
Funcţionare<br />
Funcţionarea bateriei are loc în baza reacţiilor chimice reversibile de încărcare- descărcare care<br />
se produc în interiorul celulelor.<br />
8
Procesul de încărcare are loc dacă la bornele elementului accumulator se aplică o tensiune<br />
electrică Ub>Ui cu polaritatea corespunzătoare(fig.4).<br />
fig. 4 Procesul de incărcare al bateriei<br />
La încărcare reacţiile chimice sunt:<br />
Starea iniţială (încărcare). Electrod (+) Electrolit Electrod(-)<br />
PbSO4 H2O/H2SO4 PbSO4<br />
Sens Iî în element: --------------><br />
Circulaţia ionilor: SO4 -- H2 ++ <br />
Reacţii chimice la electrozi:<br />
PbSO4+SO4+2H2O= PbSO4 + H2=<br />
PbO2+2H2SO4 Pb+H2SO4<br />
Starea finală a electrozilor: PbO2 Pb spongios<br />
(cafeniu) (cenusiu)<br />
Rezultă ca prin încărcarea acumulatorului se regenereză substanţele active: sulfatul de Pb şi apa<br />
se transformă în Pb ce se depune poros pe plăcile (-), peroxid de Pb (PbO2) ce se depune pe plăcile (+)<br />
şi H2SO4 ceea ce înseamnă creşterea densităţii electrolitului la valoarea caracteristică de încărcare<br />
(1.27g/cm 3 ). Reacţile electro-chimice din cursul procesului de încărcare regenerează atât pasta activă<br />
de pe plăci cât şi densitatea H2SO4, paralel cu diminuarea sulfatului de plumb; în consecinţă Ui creşte<br />
şi Ri scade.<br />
Tensiunea la bornele elementului de acumulatori este dată de relaţia (2) :<br />
Ub = U0 + Ii*Ri [V] (2)<br />
Unde:U0≈Ui – tensiunea de mers în gol (valoarea măsurabilă cea mai apropiată de tensiunea<br />
internă Ui).<br />
Un element acumulator cu plumb şi electrolit acid încărcat are tensiunea nominală de 2V.<br />
Procesul de descărcare se produce dacă la bornele exterioare(+ ; -) ale elementului respectiv se<br />
închide circuitul printr-o rezistenţă RS şi ia naştere curentul de conducţie Id conform legii conducţiei<br />
electrice (legea lui Ohm, vezi fig.5.)<br />
fig.5 Procesul de descărcare al bateriei<br />
9
Descărcarea acumulatorului comportă urmatoarele reacţii globale:<br />
Starea înainte de desc. Electrod (+) Electrolit Electrod(-)<br />
PbO2 H2SO4/H2O Pb spongios<br />
(cafeniu) (cenusiu)<br />
Sens Id în element: Ri încărcată), rezistenţa legăturilor. Ri are o importanţă deosebită la<br />
pornire deoarece la curenţi de sute de amperi rezultă căderi mari de tensiune ∆Ui=Id*Ri.<br />
Caracteristici tehnice<br />
Energia necesară pentru pornirea electrică a unui motor cu ardere internă cât şi alimentarea<br />
consumatorilor trebuie furnizată de către BA. În general, mărimea BA este determinată de puterea<br />
necesară pentru pornire, caracteristicile demarorului, momentul de torsiune pe care trebuie să-l asigure<br />
demarorul şi turaţia necesară la pornire.<br />
Din cauza condiţiilor de pornire variate şi în special din cauza influenţei temperaturii, se cer<br />
cunoştinţe precise asupra proprietăţilor bateriei de acumulatoare:<br />
1.CAPACITATEA (C) – cantitatea de sarcini electrice stocate masurată convenţional prin<br />
produsul curent(Id sau Ii) x timp(h) într-un anumit regim de funcţionare până la limitele admisibile ale<br />
descărcării (sau încărcării):<br />
Cd=Id*td [Ah] ; Ci=Ii*ti [Ah] (4)<br />
Capacitatea depinde de cantitatea de masă activă a plăcilor şi de numărul lor (de fapt din<br />
întreaga masă activă doar 50-60% ia parte la reacţiile electrochimice rezultând coef. de utilizare a<br />
masei active). Capacitatea plăcilor (-) Pb spongios e mai mare decât a plăcilor (+) PbO2.<br />
Capacitatea bateriilor noi e mai mică, ea creşte după câteva cicluri de încărcare-descărcare apoi<br />
scade pe masură ce bateria se uzează (în principal datorită sulfatării).<br />
Capacitatea nominală (C20h)=produsul între valorile standard ale curentului [A] şi timpului [h].<br />
Capacitatea nominală se obţine pentru un curent constant: Id=0.05*C20h [A] care trebuie să descarce<br />
bateria în timpul td=20h până la tensiunea de 1.75V pe element la θ o ref. electrolit=25 o C. (Ex: BA 12V/45Ah<br />
⇒Id=0.05*45=2.25A; Id*td=1.25*20=45Ah sau 12V/55Ah ⇒ Id=0.05*55=2.75A;<br />
Id*td=2.75*20=55Ah)<br />
2.TENSIUNEA NOMINALĂ (UN) e determinată de numarul de elemente în serie (6V;12V)<br />
3.CAPACITATEA DE DESCĂRCARE RAPIDĂ – caracterizează proprietaţile bateriei din punct<br />
de vedere al pornirii electrice a motoarelor, la temperaturi scăzute: -18±1[°C]. Se descarcă bateria sub<br />
10
un anumit curent de descărcare. Id=(3-3.5)*C20h [A] un timp td=3min; descărcarea se opreşte când<br />
Ub→6V (pt UN=12V)<br />
(Ex: BA 12/45Ah ⇒ Id=135-157.5A ; 12/55Ah ⇒ Id=165-192.5A)<br />
4.CURENTUL DE ÎNCĂRCARE (Iî) = curentul pe care o baterie nouă, încărcată în prealabil,<br />
poate să-l absoarbă după ce a fost descărcată timp de 5h. cu un curent Id=0.1C20h [A]. Acesta este<br />
curentul de încărcare al BA etapa I.<br />
5.RANDAMENTUL BA = raportul dintre cantitatea de electricitate cedată la descărcare faţă de<br />
cea primită la încărcare. Este: ηc= Ah cedaţi*100/Ah absorbiţi = 85-90% funcţie de capacitate.<br />
ηw= Wh cedaţi*100/Wh absorbiţi = 75-85% funcţie de energie<br />
Randamentul scade dacă bateria de acumulatoare se încarcă cu o tensiune mai mare ca cea<br />
normală (supravoltat), dacă se descarcă sub limitele admisibile, dacă Ri este mai mare decât valorile<br />
normale.<br />
6.AUTODESCĂRCAREA (S) = pierderea capacitatii bateriei pe durata depozitarii sau<br />
nefolosirii (STAS: max 20% în 28zile)<br />
S=(C-C’)*100/C [%] (5)<br />
C=capacitatea medie obţinută în cursul a două descărcări iniţiale [Ah]<br />
C’=capacitatea măsurată după depozitarea bateriei un număr de zile [Ah]<br />
7.DURATA DE FUNCŢIONARE (DF) = numărul de cicluri încărcare-descărcare până la care<br />
capacitatea scade la 60-70% din cea nominală. DF este limitată de distrugerea progresivă a plăcilor<br />
pozitive (mai subţiri, mai puţin rezistente ca cele (-): 250 cicluri pt plăci (+) si 300 cicluri pt plăci (-).<br />
În prezent cu perfecţionări tehnice de fabricaţie, DF a putut fi crescută de la 18 luni (respective 40.000<br />
km) la 26-30 luni (50-60.000km). Pentru prelungirea DF se iau următoarele măsuri: control periodic,<br />
completare electrolit (la 1000-2000km), verificarea tensiunii elemenţilor şi densitatea electrolitului (la<br />
10000-15000km).<br />
Bateria de acumulatoare pentru sistemele de alimentare cu energie electrică al autovehiculelor<br />
se alege în funcţie de următoarele criterii:<br />
-tensiunea nominală;<br />
-capacitatea nominală (funcţie de principalul consumator);<br />
-curentul debitat la demaraj;<br />
-tipul constructiv, dimensiuni (funcţie de locul de montaj);<br />
-criterii economice.<br />
11
2.2. Generatorul electric rotativ.<br />
Generatorul electric rotativ (GE) antrenat în mişcare de motorul cu ardere internă al automobilului<br />
(doar în timpul funcţionării) – transformă energia mecanică în energie electrică; alimentează toate<br />
receptoarele de la bordul autovehiculului şi încarcă bateria de acumulatoare la tensiuni aproximativ<br />
constante (6V / 12V / 24V).<br />
Alternatoarele pentru automobile (fig.6) sunt generatoare sincrone trifazate prevăzute cu redresoare<br />
statice, care folosesc de obicei diode cu siliciu, şi ca urmare nu mai necesită colectoare cu lamele ca în<br />
cazul dinamurilor. Ele au rolul de a alimenta cu curent electric consumatorii (receptoarele) şi de a<br />
încărca BA. Reprezentarea convenţională a alternatorului este arătată în figura de mai jos:<br />
fig.6 Schema electrică a alternatorului cu redresor încorporat<br />
B + - borna pozitivă; D - -borna negativă; DF –borna de excitaţie;<br />
Bex – înfăşurarea de excitaţie a rotorului; K- comutatorul cheii de<br />
contact; RT –regulator de tensiune.<br />
Puterea instantanee dezvoltată de alternator este:<br />
p1 = ue1·i1 + ue2·i2 + ue3·i3<br />
Puterea activă medie pe o perioadă este:<br />
T<br />
1<br />
P =<br />
T ∫<br />
0<br />
(6)<br />
pdt =3·Uf ·If ·cosφ = 3 ·Ul ·If ·cosφ (7)<br />
În regim de funcţionare autonom (ω=2*π*f) nu este fixă, ci dependentă de turaţia de<br />
antrenare(n1):<br />
p ⋅ n<br />
f =<br />
60<br />
1<br />
[Hz] (8)<br />
pentru n1=750 rpm ÷ 6000 rpm şi p=6(perechi de poli)<br />
f=75÷600[Hz]<br />
12
Între mărimile electrice (I,U) în c.a. şi mărimile electrice (Is,Us) în c.c. există următoarele relaţii,<br />
ţinând cont de configuraţia redresorului de tip punte trifazată necomandată:<br />
2<br />
I(1)(2)(3) = ·Is ≈0,816·Is (9)<br />
3<br />
U(1)(2)(3) =<br />
U(RS)(ST)(TR) =<br />
π<br />
·Us ≈0,42·Us<br />
3 6<br />
π<br />
·Us ≈0,74·Us<br />
3 2<br />
Puterea aparentă necesară a fi debitată pe sarcină:<br />
Curentul printr-un element al punţii redresoare:<br />
(10)<br />
(11)<br />
π<br />
SGS = ·Us·Is ≈1,047·Ps (12)<br />
3<br />
1<br />
IV = ·Is·ks (13)<br />
3<br />
unde ks =coeficient de supraîncărcare (1,3÷1,5).<br />
Tensiunea în stare de blocare a unei diode:<br />
π<br />
UV = ·Us·βu (14)<br />
3<br />
Pentru cazul specific instalaţiilor electrice de pe autovehicule (generator sincron autonom care<br />
debitează pe o reţea proprie), principalele caracteristici relevante pentru funcţionarea alternatoarelor<br />
sunt prezentate în fig. 7:<br />
-Caracteristica de mers în gol (fig. 7a) : Ue= f(Iex)(n=nN=constant, I=0, Uerem≈(5÷10)%UN );<br />
-Caracteristica externă (fig. 7b): U= f(I)(n=nN=ct., Iex=ct., unde: curba a. ( cosφ =1) pentru<br />
receptori cu caracter rezistiv; curba b. ( cosφ>1) pentru receptori cu caracter inductiv; curba c.<br />
(cosφ1) pentru receptori cu caracter inductiv; curba c<br />
( cosφ
Bilanţul energetic al alternatorului se va prezenta în fig. 8, unde:<br />
P1= pm + Pδ ; Pδ= P2 + pcu2 + pFe2 ; P1= M1·Ω; P2= 3 Ul·If ·cosφ (15)<br />
fig.8 Bilanţul energetic al alternatorului<br />
P1-puterea mecanică de antrenare; pm – pierderi mecanice(prin frecare la arbore, autoventilaţie);<br />
pFe2- pierderi prin curenţi turbionari; Pδ- puterea electromagnetică care se transferă în întrefier;<br />
P2- puterea utilă (de ieşire); pcu2 - pierdere ohmică în înfaşurările statorice;<br />
În general, alternatoarele pentru automobile se construiesc cu indusul în stator şi inductorul în<br />
rotor. Inductorul poate fi cu excitaţie electromagnetică sau cu magnet permanent. În prezent,<br />
construcţia cea mai răspândită este cea a alternatorului cu excitaţie electromagnetică cu două inele<br />
colectoare, având polii inductorului sub formă de gheare. La acest tip, înfăşurarea de excitaţie se<br />
compune dintr-o singură bobină aşezată concentric pe axul rotorului, ceea ce permite o construcţie<br />
simplă,compactă şi economică. Datorită polilor în formă de gheare şi a suprafeţelor trapezoidale ale<br />
tălpilor acestora se obţine o formă de undă aproape sinusoidală pentru inducţia (Bδ),în întrefier. Cele<br />
mai răspândite construcţii pentru puteri mai mari de 500 W, sunt cele trifazate cu redresor în punte<br />
având şase diode (fig.6).<br />
14
2.3. Releul regulator de tensiune.<br />
Deoarece generatoarele electrice ale autovehiculelor funcţionează în regim de turaţie şi sarcină<br />
variabilă tensiunea la bornele generatoarelor este variabilă. În vederea asigurării funcţionării normale a<br />
consumatorilor, generatoarelor sunt ehipate cu regulatoare automate de tensiune (RRT) care pot fi<br />
electromecanice sau electronice.<br />
Funcţionarea generatorului (dinam sau alternator) în “tampon“ cu bateria de acumulatoare şi<br />
consumatorii din instalaţia electrică a autovehiculelor impune respectarea unor condiţii:<br />
1. – asigurarea unei tensiuni constante;<br />
2. – limitarea creşterii curenţilor peste o valoare maxim admisibilă;<br />
3. – asigurarea conectării/deconectării automate a generatorului de la baterie.<br />
1.Tensiunea debitată de generator depinde de turaţie (variabilă în limite largi, conform<br />
regimului de funcţionare al MAI) şi de sarcină (numărul şi puterea consumatorilor alimentaţi la un<br />
moment dat). Un receptor este caracterizat de tensiunea nominală UN şi de puterea nominală PN,deci<br />
IN=PN/UN. Prin urmare se impune asigurarea unei tensiuni constante(UN±ΔU) folosind un dispozitiv<br />
regulator.<br />
2.Limitarea curentului debitat de generator este necesară pentru protejarea generatorului la<br />
curenţi de suprasarcină în cazul: PΣ consumatori >Pmax generator. Uzual, alternatoarele “obişnuite” (500<br />
- 700W) au proprietatea de autolimitarea curentului prin construcţie (datorită saturaţiei magnetice).<br />
3.Conectarea/deconectarea automată a generatorului de la baterie e necesară numai la<br />
generatoarele de tip dinam: în staţionare, bateria s-ar putea descărca pe înfăşurarea de indus a<br />
dinamului; pentru eliminarea acestei disfunctionalităţi se foloseşte un releu conjunctor – disjunctor<br />
care cuplează generatorul la bornele bateriei doar când UGE>UBA şi invers. La alternatoare, prezenţa<br />
punţii redresoare trifazate evită implicit manifestarea acestei disfuncţionalităţi.<br />
Releele electromagnetice cu contacte vibratoare.<br />
Cele mai răspândite regulatoare de tensiune în sistemul de alimentare cu energie electrică/auto sunt<br />
cele de tip releu electromagnetic cu contacte vibratoare. Acestea pot fi cu un element de tensiune<br />
(electromagnet) sau cu două elemente de tensiune şi fac parte din categoria regulatoarelor discontinue.<br />
Funcţionarea lui se bazează pe modificarea în trepte a curentului de excitaţie a alternatorului (de la<br />
Iex=IexN la Iex=0) în funcţie de limitele(UMIN÷UMAX) prescrise pentru variaţia admisibilă (acceptabilă) a<br />
tensiunii la bornele generatorului.<br />
• RRT cu o treaptă de reglaj (fig. 9): resortul ce acţionează asupra clapetei este elementul<br />
de prescriere, Fr →UPrescrisă . Înfăşurarea electromagnetului ID prcursă de curentul ID<br />
dezvoltă în întrefier o forţă Fm→ Umăsurată.<br />
I D =<br />
U<br />
R<br />
→ Fm<br />
; I EX =<br />
U<br />
R<br />
; I ' EX =<br />
R<br />
U<br />
+<br />
〈 I EX ; I R Rr<br />
= I EX + I ID (16)<br />
ID<br />
EX<br />
Pentru Um < Up (Fm < Fr) contactul este închis rezultă că IEX are valoarea nominală în funcţie de<br />
U şi REX ~5,6 Ω ,respectiv GS debitează curent în instalaţie, în acest caz tensiunea creşte.<br />
Pentru Um ≥ Up (Fm ≥ Fr) armătura mobilă este atrasă şi contactul se deschide rezultând I′EX < IEX<br />
(f. introd. Rr), iar tensiunea la bornele GS/ GE scade,în acest caz contactul revine la poziţia închis.<br />
15<br />
EX
fig.9 Schema de principiu a unui RRT cu o treaptă de reglaj<br />
RT –regulator de tensiune; ID – electromagnet (înfăşurare derivaţie); GS –generator sincron ; GE –generator electric;<br />
Rr-rezistenţă de reglaj; Rct-rezistenţă de compensare termică; Rex – rezistenţă înfaşurare excitaţie generator.<br />
• RRT cu două trepte de reglaj (fig. 10): răspunde mai bine la o gamă de turaţii extinsă:<br />
U<br />
-până la o anumită tensiune contactul este închis pe treapta I şi rezultă I EX = (nominal);<br />
REX<br />
-la tensiune mai mare armătura mobilă oscilează între I şi II, într-o poziţie intermediară<br />
rezultând I′EX < IEX (tensiunea scade la turaţie constantă);<br />
-pentru tensiune mai mare armătura mobilă este atrasă mai mult şi închide contactul<br />
II,rezultând IEX ” ≈0 (înfăşurarea de excitaţie este scurtcircuitată la masă şi tensiunea scade la orice<br />
turaţie).<br />
Pentru a creşte precizia de reglare a tensiunii e necesară o creştere a frecvenţei de comutaţie a<br />
contactului I÷II.<br />
16
fig.10 Schema de principiu a unui RRT cu două trepte de reglaj<br />
Releele electronice regulatoare de tensiune<br />
Releele electronice regulatoare de tensiune[2] fac parte din categoria regulatoarelor continue.<br />
Sunt realizate cu componente semiconductoare (tranzistori, cicuite integrate, diode, diode<br />
Zener, etc.). Pot fi: electronice cu contacte (ieşire pe releu) – semitranzistorizate sau regulatoare<br />
electronice fără contacte care sunt mai răspândite.<br />
Avantaje:<br />
- statice, fără piese în mişcare;<br />
- funcţionează bine la curenţi de excitaţie mai mari (la autobuze şi autotrenuri);<br />
- durata de funcţionare fără întreţinere este mai mare;<br />
- volum, greutate, gabarit – reduse;<br />
Dezavantaje:<br />
- sensibile la influenţa temperaturii (deriva termică a dispozitivelor semiconductoare);<br />
- posibilitate de distrugere la conectări greşite.<br />
Un exemplu de RRT electronic tranzistorizat este prezentat în fig. 11<br />
17
Funcţionare:<br />
fig.11 Schema de principiu a regulatorului electronic tranzistorizat<br />
T2 – tranzistor (pnp) de putere; T1 – tranzistor (pnp) de comandă; DZ – diodă Zener stabilizatoare;<br />
R1R2 – divizor de tensiune; D – diodă de descărcare a autoinducţiei din excitaţia generatorului;<br />
-la tensiuni mici ale alternatorului (≤13V) ce se aplică prin divizorul R1 şi R2 dioda DZ şi în baza<br />
tranzistorului T1, tranzistorul T1 este blocat (necomandat) rezultă că tensiunea în baza<br />
tranzistorului T2 este aproximativ egală cu tensiunea debitată de alternator, aeasta înseamnă că<br />
tranzistorul T2 este în conducţie, saturat deci circuitul T2 –E-C este închis, prin T2 trece curentul<br />
care ajunge în înfăşurarea de excitaţie;<br />
-dacă tensiunea alternatorului creşte peste o anumită limită (de exemplu >14V) dioda DZ<br />
străpunge, intră în conducţie deci creşte tensiunea de polarizare a tranzistorului T1, tranzistorul<br />
T1 intră în conducţie, polarizarea în baza tranzistorului T2, acesta se blochează şi curentul prin<br />
înfăşurarea de excitaţie scade, până la anulare şi tensiunea U debitată de generator scade.<br />
Dioda D inversă de descărcare este conectată în paralel cu înfăşurarea de excitaţie şi este absolut<br />
necesară pentru că la variaţia curentului de excitaţie apar supratensiuni periculoase pentru T2, de aici<br />
rezultă necesitatea “scurgerii” tensiunii autoinduse.<br />
Un alt exemplu este un regulator electronic cu circuit integrat (amplificator operaţional - AO)<br />
(fig.12) care asigură menţinerea unei tensiuni constante la bornele bateriei de acumulatoare(funcţie de<br />
consum şi turaţie) prin reglarea curentului din înfăşurarea de excitaţie a alternatorului.<br />
fig.12 Schema de principiu a regulatorului cu circuit integrat (amplificator operaţional)<br />
Funcţionare:<br />
Elementul de bază este circuitul integrat AO conectat într-un circuit comparator-inversor<br />
- pe intrarea (+) neinversoare se aplică tensiunea de referinţă stabilizată cu dioda Zener (6.2 V);<br />
18
- pe intrarea (-) inversoare se aplică o parte din tensiunea de alimentare (mărimea reglată) prin<br />
divizorul potenţiometric R2-P-Th. Termistorul Th (cu coeficient negativ de temperatură) compensează<br />
variaţiile temperaturii mediului.<br />
În funcţie de UREF-UMĂS>0 ,T1 este în conducţie,T2 este în conducţie rezultă că prin înfăşurarea de<br />
excitaţie a alternatorului trece un curent.Dacă UREF-UMĂS
Cap.3 SISTEMUL ELECTRIC DE PORNIRE.<br />
3.1. Factorii care determină pornirea MAI.<br />
Sistemele de pornire electrică au rolul de a antrena MAI cu o turaţie şi un cuplu determinat,<br />
din starea de repaus până în momentul aprinderii amestecului carburant - momentul intrării în<br />
funcţiune a MAI.<br />
Sistemul electric de pornire (SEP) trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:<br />
• asigurarea turaţiei şi cuplului necesar pornirii MAI pentru cele mai grele condiţii de pornire:<br />
• funcţionarea sigură într-un domeniu extins de temperatură : -20°C ÷ 60°C;<br />
• decuplarea automată a SEP după momentul pornirii(intrării în funcţiune) a MAI<br />
• caracteristici tehnico-economice convenabile : dimensiuni reduse, greutate, mică, preţ de cost<br />
redus, întreţinerea simplă şi uşoară în expoatare.<br />
Factorii necesari a fi realizaţi de SEP pentru punerea în funcţiune a MAI sunt turaţia, cuplul şi<br />
puterea (fig.13).<br />
fig.13 Diagrama M=f(n) pentru corelarea parametrilor principali<br />
ai demarorului (puterea[CP]) şi ai bateriri de acumulatoare (tensiunea[V] şi capacitatea nominală[Ah])<br />
Turaţia de pornire (np)<br />
Turaţia de pornire minimă depinde de tipul constructiv al MAI :<br />
- MAS sau MAC cu variante.<br />
Între turaţia de pornire şi durata pornirii Δp (Fig.14) există o legătură obiectivă:<br />
- cu cât turaţia de pornire este mai mare cu atât mai mică este Δp. Durata necesară uzual pentru o<br />
pornire promptă, la o turaţie suficientă este : Δp = 3 ÷ 8sec.<br />
20
fig.14 Diagrama Δp = f(np)<br />
Pentru motoare de tip MAS turaţia np necesară depinde de :<br />
- sistemul de aprindere (calitatea scânteii la turaţii mici şi la rece);<br />
- sistemul de alimentare cu carburant (debit, presiune, pompă de benzină, etanşeitatea sistemului);<br />
- caracteristicile carburatorului (in special circuitele de pornire şi de mers în gol);<br />
- temperatura motorului(mediului la pornire).<br />
OBS: La turaţii mici, depresiunea în carburator este mică determinând astfel ca formarea<br />
amestecului carburant să fie deficitară. La temperaturi scăzute, amestecul carburant în contact cu<br />
pereţii reci ai cilindrilor suferă condensarea vaporilor de benzină determinând astfel un amestec mai<br />
“sărac” ce conduce la “înecare”.<br />
Turaţia minimă la pornire npmin = 40÷70 rpm la MAS în condiţii de mediu (θ°amb =<br />
0°C÷5°C).Pentru asigurarea pornirii prompte, sigure în cele mai grele condiţii, SEP pentru MAS<br />
realizează turaţii de cca: np=100÷150 rpm.<br />
Pentru motoare de tip MAC turaţia de pornire necesară np depinde de :<br />
- sistemul de injecţie (construcţie pompă de injecţie, bujiiincandescente, etc);<br />
- temperatura din cilindrii la pornire;<br />
- temperatura mediului ambiant;<br />
La turaţii scăzute, presiunea generată de pompa de injecţie poate fi insuficientă pentru a determina<br />
pulverizarea combustibilului. De asemenea, aerul comprimat rece nu va ajunge la temperatura de<br />
autoaprindere a amestecului. Cu cât temperatura mediului ambiant este mai mică, cu atât trebuie ca<br />
turaţia de pornire np să fie mai mare(iar când θ°amb
Cuplul rezultat datorită frecărilor (Mf ) depinde de frecarea pistoanelor de pereţii cilindrilor,<br />
frecarea in lagărele arborelui cotit şi bielelor, frecările în pistoanele auxiliare (pompe apă, ulei,<br />
distribuţie, injecţie, etc). Cuplul Mf depinde de tipul uleiului de motor (vâscozitatea acestuia) şi de<br />
temperatura motorului / mediului la pornire.<br />
La MAS se cere realizarea pornirii la temperatura θ°min = -18°C, la MAC pornirea făra<br />
preâncălzire la θ°min = -5°C ÷ 0°C (Costul SEP, inclusiv bateria de acumulatoare, este mai mare cu<br />
50% la –18°C faţă de θ°amb = -10°C).<br />
Cuplul de pornire Mp se poate determina prin calcul sau prin măsurători experimentale. Prin<br />
calcul simplificat[1] :<br />
Mp = C ⋅V ⋅K [daNm] (18)<br />
unde:<br />
- C [daNm/dm 3 ] - coeficientul de volum al MAI;<br />
- V [dm 3 ] - capacitatea cilindrică totală a MAI ;<br />
- K = 0.5÷1.0 - coeficientul de vâscozitate, funcţie de tipul de ulei motor,vâscozitate, temperatură.<br />
Pornind de la valoarea parametrilor cinematici (turaţia-np şi cuplul-Mp) necesar a fi realizaţi la<br />
arborele cotit al MAI, parametrii necesari a fi realizaţi de SEP sunt :<br />
•turaţia la pornire a demarorului npd :<br />
npd = kd ⋅ np [rpm] (19)<br />
unde: kd este raportul de transmisie - pinion/coroana dinţată a volantei.<br />
kd = zvolant / zpinion >>1 (20)<br />
•cuplul de pornire al demarorului (Mpd) :<br />
Mpd = Mp / kd ⋅ ηtr [daNm] (21)<br />
unde: ηtr – randamentul transmisiei mecanice pinion/volantă<br />
•puterea la pornire a demarorului Ppd<br />
Ppd = Mpd ⋅ npd / 975 [kw] = Mpd ⋅ npd / 716.2 [CP] (22)<br />
Principalele componente ale SEP sunt electromotorul de pornire (demarorul) şi electromagnetul<br />
(solenoidul).<br />
22
3.2. Electromotorul de pornire(demarorul).<br />
Motorul electric care corespunde cel mai bine condiţiilor impuse pornirii MAI este motorul de<br />
c.c. cu excitaţie serie, care, pe lângă alte avantaje, realizează cel mai mare cuplu de pornire (fig .15).<br />
Ecuaţiile de funcţionare:<br />
fig.15 Schema electrică a demarorului<br />
- tensiunea electromotoare indusă E este :<br />
E= K⋅Ω⋅Φ [V] (23)<br />
unde:<br />
- K=1/2π ⋅ p/a ⋅N – constanta motorului<br />
- parametrii p –nr. de perechi de poli<br />
constructivi N –nr. de conductoare înseriate<br />
a – nr. de perechi de poli în paralel<br />
- cuplul electromagnetic M în întrefier este :<br />
M = P / Ω = EI / Ω [Nm] M = K ⋅ Φ ⋅ I [Nm] (24)<br />
- -expresia analitică a caracteristicii mecanice Ω = f(M) (sau n = f(M)) este :<br />
( ) R<br />
Ω =<br />
Κ Φ<br />
a +<br />
−<br />
Κ ⋅<br />
rezultând din înlocuiri în relaţia de echilibru :<br />
R M U<br />
es<br />
2 2<br />
Φ<br />
U = E + I(Ra+Res) (26)<br />
În aceste relaţii fluxul magnetic Φ în întrefier nu este constant ci depinde de sarcina(încărcarea)<br />
motorului: Φ = Φ(I) (considerând miezul magnetic nesaturat rezultă că fluxul maşinii variată<br />
proporţional cu curentul) adică caracteristica macanică (fig.16) este o hiperbolă echilateră având<br />
asimptote: axa ordonatelor şi orizontala la -Ωa rezultând la mers în gol (M=0 ; I=0) Ω → ∞ , iar la un<br />
cuplu (curent)infinit : M/ I → ∞ , viteza unghiulară tinde la : Ω → -Ωa .<br />
23<br />
(25)
fig.16 Caracteristica mecanică a demarorului.<br />
Practic, la pornire (Ω = 0), curentul corespunzător cuplului de pornire (Mp = K ⋅ Φ(Isc) ⋅ Isc)<br />
este curentul de scurtcircuit: Isc = U / (Ra+Res) , iar la mersul în gol, corespunzător unui curent Io ≠ 0<br />
(datorat cuplurilor de frecări, autoventilaţie, etc) turaţia/viteza unghiulară creşte la valori periculoase.<br />
Demaroarele de construcţie actuală sunt saturate din punct de vedere magnetic, adică<br />
caracteristica mecanică reală diferă (destul de mult) de hiperbola teoretică, dar alura şi comportarea se<br />
menţin.<br />
Caracteristicile mecanice artificiale (o infinitate-fig.17a) se obţin prin modalităţile (fig.17b):<br />
- modificarea tensiunii de alimentare (U < Un);<br />
- introducere reostat în circuitul rotoric (Rad ≠ 0)<br />
- slăbire de câmp (prin şuntarea excitaţiei cu Rs ≠ ∞) .<br />
Caracteristica mecanică naturală Ω = f(M): caracteristica de funcţionare la parametri nominali<br />
de alimentare (Un) fără elemente de circuit suplimentare (Rad, Rs).<br />
3.3. Configuraţia SEP.<br />
b) a)<br />
fig.17 Caracteristicile mecanice artificiale ale demarorului.<br />
a) alura curbelor Ω = f(M); b) modalităţi de obţinere<br />
24
Din punct de vedere istoric,evolutiv sistemele electrice de pornire (SEP) au fost iniţial[2]:<br />
a)Cu alimentare directă a electromotorului (fig.18) de la bateria de acumulatoare prin<br />
întreruptorul de pornire (ÎP). Acest sistem are dezavantaje :<br />
- lungime relativ mare a conductoarelor de legătură BA – ÎP - EP ;<br />
- contact electric imperfect cu ÎP(acţionat manual), datorită unei presiuni (forţe de apăsare)<br />
insuficiente între contactele fixe şi cele mobile .<br />
fig. 18 Schemele electrice a SEP cu alimentare directă a EP<br />
Apar căderi de importante de tensiune ΔUp = (Rcond + Rct) ⋅ Ip la curenţii de pornire absorbiţi<br />
de electromotor, ceea ce determină o scădere a puterii disponibile a demarorului.<br />
Ulterior, în scopul eliminării dezavantajelor menţionate, SEP s-au perfecţionat la varianta<br />
actuală:<br />
b)Cu alimentare indirectă a electromotorului (EP) (fig.19) prin intermediul releului auxiliar<br />
(RA) de pornire montat în apropierea sau chiar în interiorul demarorului rezultând astfel eliminarea<br />
dezavantajelor precizate :<br />
- comanda pornirii de la contactul cu cheie (ÎP) situat în bord (la distanţă aproximativ mare de<br />
electromotor) se face la curenţi mici;<br />
fig. 19 Schema electrică a SEP cu alimentare indirectă a EP<br />
25
- electromagnetul (RA) asigură o presiune constantă, mare între contactele de forţă (parcurse de<br />
curenţii de pornire Ip);<br />
- circuitul de forţă (BA - RA -EP) necesită conductoare scurte, de secţiune corespunzătoare;<br />
Rezultă astfel ΔUp căderi de tensiune pe parcursul funcţionării SEP cu mult mai mici. În<br />
schema din fig.19, electromagnetul RA este prevăzut cu două înfăşurări: - N1 = înfăşurarea de cuplare<br />
(de apel, de atracţie) conectată în serie cu EP.Astfel,are loc o pornire aproximativ lentă a EP în gol (pe<br />
o caracteristică Ω (M) artificială) concomitent cu deplasarea pinionului spre angrenare cu coroana<br />
dinţată;<br />
- N2 – înfăşurarea de menţinere – după închiderea contactelor de forţă N1 este scurtcircuitată şi EP<br />
funcţionează pe caracteristica naturală,în sarcină.<br />
După modul de intrare / ieşire în/din angrenaj a pinionului demarorului cu coroana dinţată a<br />
volantului MAI, se utilizează :<br />
• SEP cu cuplare/decuplare prin ejecţie (demaroare BENDIX) la care pinionul se deplasează axial<br />
spre volant când nEP > nMAI şi în sens contrar (iese din angrenare) când nMAI > nEP ;<br />
• SEP cu cuplare mecanică (forţată), numite şi demaroare cu pedală, la care deplasarea axială a<br />
pinionului sspre volant se realizează cu o pârghie acţionată mecanic de şofer printr-o pedală sau<br />
levier(manetă), concomitent cu închiderea circuitului electric;<br />
SEP cu cuplare/decuplare electromagnetică (cu solenoid) – în prezent cel mai frecvent utilizate.<br />
Demaroarele cu cuplare cu servomecanism electromagnetic au în prezent cea mai mare<br />
utilizare la motoarele autovehiculelor obişnuite. La acestea, mişcarea de angrenare a pinionului cu<br />
coroana este comandată de către un electromagnet auxiliar montat la exterior pe carcasa demarorului şi<br />
care acţionează asupra pinionului prin intermediul unei pârghii.<br />
Electromagnetul (fig.20) este un magnet temporar, a cărui acţiune de atragere a unei armături<br />
feromagnetice mobile este determinată de prezenţa curentului electric într-un circuit (înfăşurare) de<br />
excitaţie.<br />
fig. 20 Schema constructivă a electromagnetului plonjor de c.c.<br />
Electromagnetul RA este organul motor atât pentru etajul de comutaţie electrică (închiderea<br />
contactelor în circuitul de alimentare al electromotorului EP şi eventual contacte auxiliare) căt şi<br />
pentru servomecanismul de cuplare mecanică (acţionarea pârghiei cu furcă ce introduce pinionul<br />
demarorului în angrenare cu coroana dinţată a volantului MAI ).<br />
26
BIBLIOGRAFIE<br />
[1] - Tocaiuc Gh.: Echipamentul electric al automobilelor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1982.<br />
[2] - Drăgulănescu N., Ciucă M.: Echipamentul electronic al automobilului, Editura Tehnică,<br />
Bucureşti, 1987;<br />
[3] - *** SR EN 60529 – 1995, Grade de protecţie asiurate prin carcase (cod IP);<br />
[4] - *** Convenţia privind adoptarea de condiţii tehnice uniforme pentru aprobarea şi recunoaşterea<br />
reciprocă a aprobării autovehiculelor echipate şi părţilor componente, Comisia Economică pentru<br />
Europa din cadrul ONU (CEE-ONU);<br />
[5] - Ing.dipl. Ulm Ion Păunel, „Automobilul electric de azi şi de mâine”, „Univers Ingineresc” Nr.<br />
16(446)/16-23,aug. 2009;<br />
27