Как закаляют сталь. Сказ про дедку, бабку... и сетку...("Сделай сам" №2∙2005)

Пусковое устройство для двигателя автомобиля

С.М. Гуров

Надежный запуск двигателя легкового автомобиля зимой иногда может превратиться в проблему. Особенно актуален этот вопрос для мощной автотракторной техники сельхозпредприятий, дорожно-коммунальных служб, которые эксплуатируют ее в условиях безгаражного хранения. Этого не произойдет, если под рукой будет электронный помощник, изготовить который может радиолюбитель средней квалификации.

Пусковое устройство такого типа было изготовлено по рекомендациям; описанным в статье «Пусковое устройство» (И.П. Шелестов. Радиолюбителям полезные схемы. Книга 1. — М.: Солон, 1998, с. 95–96). Первые испытания показали, что называть его пусковым устройством можно с известной долей условности. Оно способно работать лишь в режиме «прикуривателя», то есть совместно с аккумуляторной батареей автомобиля, а потому правильнее было бы называть его зарядно-пусковым устройством. При низких температурах окружающего воздуха запуск двигателя приходилось осуществлять в два этапа:

1) подзарядка аккумуляторной батареи в течение 10–20 секунд;

2) совместная «раскрутка» двигателя.

Приемлемая частота вращения стартера сохранялась 3–5 секунд, а затем резко снижалась. Если двигатель не заводился с первой попытки, приходилось повторять все сначала. Итак, несколько раз. Эта процедура не только утомительна, но и не желательна по двум причинам:

• ведет к перегреву стартера и его повышенному износу;

• снижает срок службы аккумулятора (зимой стартерные токи легковых автомобилей достигают 250 А. Они вызывают деформацию аккумуляторных пластин, отслоение активного вещества и т. д.).

И дело здесь не только в том, что аккумуляторная батарея «не первой свежести». Как известно из литературы (Н.М. Ильин, Ю.Л. Тимофеев, В.Я. Ваняев. Электрооборудование автомобилей. — М.: Транспорт, 1982), разрядная емкость зависит не только от срока службы аккумуляторов, но и температуры электролита. Номинальная емкость гарантируется ТУ при температуре электролита +25 °C. С понижением температуры увеличивается вязкость электролита, что приводит к уменьшению разрядной емкости примерно на 1 % на каждый градус понижения температуры. Таким образом, даже новая аккумуляторная батарея зимой значительно теряет свои пусковые возможности.

Избежать указанных недостатков можно только в том случае, если мощность пускового устройства будет достаточной для самостоятельного (без помощи аккумулятора) запуска холодного автомобиля. Это позволит также существенно продлить активный срок службы аккумуляторной батареи.

Попробуем, примерно, оценить параметры такого пускового устройства. Как известно из литературы [1], в стартерном режиме рабочий ток аккумулятора:

I_Р = 3∙С₂₀, А,

где С₂₀ — номинальная емкость батареи (А∙ч).

Напряжение в стартерном режиме на каждом аккумуляторе должно быть не ниже 1,75 В. Таким образом, для 12-вольтовой батареи:

U_p = 6∙1,75 В = 10,5 В,

где U_p — минимальное рабочее напряжение аккумуляторной батареи в стартерном режиме, В. Отсюда мощность, подводимая к стартеру:

P_ст = U_p∙I_Р, Вт

Например, если на легковом автомобиле установлена аккумуляторная батарея 6 СТ-60, то мощность, подводимая к стартеру, составит:

Р_ст = 10,5∙3∙60 = 1890 (Вт).

Исключением из этого правила является аккумуляторная батарея 6 СТ—55, стартерный ток которой составляет: 1_р = 255 А, а мощность, подводимая к стартеру, может составить:

Р_ст = 10,5 В х 255 А = 2677,5 Вт.

Используя данные таблицы 1, можно рассчитать мощность, подводимую к стартеру любого автомобиля.

При этой мощности обеспечивается такая частота вращения коленчатого вала (40–50 об/мин — для карбюраторных двигателей и 80-120 об/мин — для дизельных), которая гарантирует надежный запуск двигателя. (Таблица № 1).

Сопоставляя данные таблицы № 1 и расчеты, приведенные выше, можно сделать несколько выводов:

• для большинства легковых автомобилей реальная мощность, подводимая к стартеру, превышает его номинальную (паспортную) мощность в 2–2,5 раза и составляет:

1900 =< Р_ст =< 2700 [Вт];

• для грузовых автомобилей с карбюраторными двигателями этот показатель может быть еще выше:

2400 =< Р_ст =< 3310 [Вт];

• для автомобилей с дизельным двигателем (у них две батареи 6 СТ-190 включены последовательно):

Р_ст = 2∙10,5∙570 = 11970 [Вт].

При расчете понижающего трансформатора пускового устройства необходимо учесть потери на выпрямительном блоке, подводящих проводах, окисленных контактных поверхностях соединительных клещей и выводах стартера. Как показал опыт, мощность понижающего трансформатора пускового устройства для легкового автомобиля должна быть не менее Р_тр = 4 кВт.

За основу была взята схема; приведенная в [2], но с более мощным трансформатором Т₁ (рис. 1).

Рис. 1. Схема однофазного пускового устройства

В авторском варианте понижающий трансформатор был изготовлен на тороидальном сердечнике от статора сгоревшего асинхронного электродвигателя мощностью 5 кВт. Его данные выглядят следующим образом:

S_ст = 27 см², S_ст = а∙в (S_ст — площадь сечения магнитопровода, см²) (рис. 2).

Рис. 2,а, б. Магнитопровод

Количество витков на 1 В рабочего напряжения рассчитывалось по формуле:

Т = 30/S_cт.

Число витков первичной обмотки трансформатора составило:

W₁ = 220∙Т = 220∙30/27 = 244;

вторичной обмотки:

W₂ = W₃ = 16∙Т = 16∙Т = 16∙30/27 = 18.

Первичная обмотка намотана проводом ПЭТВ диаметром 2,12 мм, вторичная — алюминиевая шина сечением 36 мм². Выключатель SA1 типа АЕ-1031 (с встроенной тепловой защитой) на ток 25 А. Диоды VD1, VD2 типа Д161-250.

Амплитуда магнитной индукции в сердечнике трансформатора В_μ ~= 1,7 Тл. Ток холостого хода при таких значениях В„достигает значений I_xx = 3,5 А, что снижает КПД трансформатора. Однгко здесь необходимо принять во внимание следующее обстоятельство. Рабочий ток в первичной обмотке трансформатора I_I в момент запуска может достигать значений 18–20 А, вызывая падение напряжения в подводящих проводах осветительной сети на 15–20 В. Таким образом, к первичной обмотке трансформатора будет приложено не 220 В, а 200 В. Это снижает величину В„и ток холостого хода, что увеличивает КПД трансформатора в момент пуска.

Для желающих самостоятельно рассчитать параметры понижающего трансформатора можно воспользоваться методиками, изложенными в [2], [3] — см. список литературы.

Несколько советов о подготовке тороидального сердечника. Статор вышедшего из строя электродвигателя освобождают от остатков обмотки. С помощью остро заточенного зубила и молотка вырубают зубцы статора. Сделать это несложно, так как железо мягкое, но нужно воспользоваться защитными очками и рукавицами. Затем из металлического прутка диаметром 7–8 мм готовят две П-образные скобы, которыми сердечник трансформатора будет крепиться к рамке-основанию. На обоих концах скоб нарезают резьбу под гайки М6. Из металлической ленты, толщиной 3–4 мм и шириной 18–20 мм, согнутой П-образно, готовят рукоятку трансформатора. Края П-образной пластины дополнительно изгибают навстречу друг другу, получая «язычки» длинной 5–8 см, к которым крепят деревянную рукоятку. С этой целью в «язычках» просверливают отверстия диаметром 7 мм. Две скобы и металлическую часть рукоятки обматывают слоем ткани, пропитанной эпоксидной смолой, приклеивают к внутренней части тороида: рукоятку вверху, скобы внизу на некотором расстоянии друг от друга. Весь сердечник также покрывают одним-двумя слоями ткани, пропитанной эпоксидной смолой. После высыхания эпоксидной смолы приступают к намотке обмоток. Первичную обмотку мотают первой, равномерно распределяя по всему периметру. После выполнения первичной обмотки трансформатор включают в сеть и замеряют ток холостого хода, который не должен превышать 3,5 А. Необходимо помнить, что при В_μ = 1,7 Тл сердечник близок к насыщению, а потому даже незначительное изменение числа витков будет приводить к существенному изменению тока I_xx первичной обмотки.

Перед намоткой вторичной обмотки в металлической части рукоятки сбоку сверлят отверстие под болт с резьбой М12, который будет служить выводом от средней точки обмотки и одновременно «плюсовой» клеммой. Показанное на схеме соединение выпрямительных диодов позволяет использовать металлические элементы рамки-основания пускового устройства не только для крепления диодов, но и в качестве теплоотвода без диэлектрических прокладок.

Выводы вторичных полуобмоток соединяют с «плюсовой» клеммой, витки равномерно распределяют по всему периметру сердечника. При укладке используют деревянный молоток.

Далее с помощью сварки готовят рамку-основание. Для этого используют металлические прутки диаметром 10–12 мм. С одной стороны рамки на алюминиевой или медной пластине толщиной 3–4 мм крепят выпрямительные диоды. Здесь же сверлят отверстие под болт М12, который будет служить «минусом» устройства. На другой стороне рамки приваривают отрезок угольника и крепят к нему выключатель SA1.

Теперь о проводах, соединяющих пусковое устройство со стартером. Любая небрежность в их изготовлении может свести на нет все ваши усилия. Покажем это на конкретном примере. Пусть сопротивление R, всего соединительного тракта от выпрямителя до стартера будет равно: R_пр = 0,01 Ом, тогда при токе I_р = 250 А падение напряжения на проводах составит:

U_пр = I_р∙R_пр = 250 А ∙ 0,01 Ом = 2,5 В;

мощность потерь на проводах:

Р_пр = U_пр∙I_p = 625 Вт.

В результате к стартеру в рабочем режиме будет подведено напряжение не 14 В, а 11,5 В, что, конечно же, нежелательно. Следовательно, длина соединительных проводов должна быть как можно меньше (l_п =< 1,5 м), а площадь поперечного сечения, как можно больше (S_п >= 100 мм²). Провода должны быть многожильными медными в резиновой изоляции. Для удобства соединение со стартером делают разъемным с помощью клещей или мощных зажимов, применяемых в качестве держателей электродов для бытовых сварочных аппаратов. Общий вид однофазного пускового устройства показан на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид однофазного пускового устройства

Изложенная методика расчета пускового устройства является универсальной и применима к двигателям любой мощности. Продемонстрируем это на примере стартера СТ-222 А, применяемого на тракторах Т-16, Т-25, Т-30 Владимирского тракторного завода.

Основные сведения о стартере СТ-222 А:

• номинальное напряжение — 12 В;

• номинальная мощность — 2,2 кВт;

• тип аккумуляторной батареи — 2 3СТ-150.

Значит:

I_Р = 3∙С₂₀= 3∙150 А = 450 А.

Мощность, подводимая к стартеру, составит:

Р_ст = 10,5 В х 450 А = 4725 Вт.

Учитывая мощность потерь:

Р_тр = 1–1,3 кВт.

Мощность трансформатора пускового устройства:

Р_тр = Р_ст + Р_п = 6 кВт.

Сечение магнитопровода S_ст = 46–50 см².

Плотность тока в обмотках берут равной:

j = 3–5 А/мм².

Кратковременный режим работы пускового устройства (5-10 секунд) допускает его использование в однофазных сетях. Для более мощных стартеров трансформатор пускового устройства должен быть трехфазным. Расскажем об особенностях его конструкции на примере пускового устройства для мощного дизельного трактора «Кировец» (К-700, К-701). Его стартер СТ-103А-01 имеет номинальную мощность 8,2 кВт при номинальном напряжении 24 В. Мощность трансформатора пускового устройства (с учетом потерь) составит: Р_тр = 16–20 кВт. Упрощенный расчет трехфазного трансформатора производят с учетом рекомендаций, изложенных в [3]. Если есть возможность, можно воспользоваться промышленными понижающими трансформаторами типа ТСПК — 20 А, ТМОБ — 63 и др., подключаемыми к трехфазной сети напряжением 380/220 В и вторичным напряжением 36 В. Такие трансформаторы применяются для электрообогрева полов помещений в животноводстве, свиноводстве и т. д. Схема пускового устройства на трехфазном трансформаторе выглядит следующим образом (рис. 4).

Рис. 4. Пусковое устройство на трехфазном трансформаторе

МП — магнитный пускатель типа ПМЛ-4000, ПМА-4000 или подобные им для коммутации устройств мощностью 20 кВт. Пусковая кнопка SB1 типа КУ-121-1, КУ-122-1М и т. д.

Здесь применен трехфазный однополупериодный выпрямитель, позволяющий получить напряжение холостого хода 36 В. Его повышенное значение объясняется применением более длинных кабелей, соединяющих пусковое устройство со стартером (для крупногабаритной техники длина кабелей достигает 4 м). Применение трехфазного трансформатора дает более широкие возможности для получения требуемого напряжения пускового устройства. Его значение можно изменять, включая обмотки «звездой», «треугольником», применять однополупериодное или двухполупериодное (схема Ларионова) выпрямление.

В заключение несколько общих советов и рекомендаций:

• Применение тороидальных трансформаторов для однофазных пусковых устройств не обязательно и продиктовано их лучшими массово-габаритными показателями. Вместе с тем технология их изготовления наиболее трудоемка.

• Расчет трансформатора пускового устройства имеет некоторые особенности. Например, расчет количества витков на 1 В рабочего напряжения по формуле: Т = 30/S_ст, объясняется желанием «выдавить» из магнитопровода максимум возможного в ущерб экономичности. Это оправдано его кратковременным (5-10 секунд) режимом работы. Если габариты не играют решающей роли, можно использовать более щадящий режим, проведя расчет по формуле: Т = 35/S_ст. Сечение магнитопровода берут на 25–30 % больше.

• Мощность, которую можно «снять» с имеющегося тороидального сердечника, примерно равна мощности трехфазного асинхронного электродвигателя, из которого изготовлен этот сердечник. Если мощность электродвигателя неизвестна, то ее можно приблизительно рассчитать по формуле:

Р_дв = S_ст ∙ S_ок,

где Р_дв — мощность электродвигателя, Вт;

S_ст — площадь сечения магнитопровода, см²; S_ст = а х в (рис. 2);

S_ок — площадь окна магнитопровода, см²; S_ок = 0,785∙D² (рис. 2).

• Сердечник трансформатора к рамке-основанию крепят двумя П-образными скобами. С помощью изолирующих шайб необходимо избежать появления короткозамкнутого витка, образованного скобой с рамкой.

• Учитывая, что напряжение холостого хода в трехфазном пусковом устройстве выше 28 В, пуск двигателя производится в следующей последовательности:

1) соединить клещи пускового устройства с выводами стартера;

2) водитель включает стартер;

3) помощник нажимает на пусковую кнопку SB1 и после устойчивой работы двигателя сразу ее отпускает.

• При использовании мощного пускового устройства в стационарном варианте по требованиям ТБ (техники безопасности) его необходимо заземлить. Рукоятки соединительных клещей должны быть в резиновой изоляции. Во избежание путаницы «плюсовую» клешню желательно пометить, например, красной изолентой.

• При пуске аккумуляторную батарею можно и не отключать от стартера. В этом случае клещи присоединяют к соответствующим выводам аккумулятора. Чтобы избежать перезарядки аккумулятора, пусковое устройство после запуска двигателя отключают.

• Для уменьшения магнитного рассеяния, вторичные обмотки трансформатора лучше наматывать первыми на сердечник, а затем наматывают первичную обмотку.

_{Литература}

_{1. Ильин Н.М., Тимофеев Ю.Л., Ваняев В.Я. Электрооборудование автомобилей. — М.: Транспорт, 1982}

_{2. Шелестов И.П. Радиолюбителям полезные схемы. Книга 1. — М.: Солон, 1998.}

_{3. Никофоров И. Упрощенный расчет сетевого трансформатора. — М.: Радио, 2000, № 10, с. 39.}

_{4. Тракторы «Кировец», К-701, К-700 А. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. — М.: Трактороэкспорт.}

_{5. Мотузас В. Электропускач. — Сельский механизатор, 1988, № 4, с. 23–24.}