Лабораторная работа № 2

1 2 3 4

Исследование характеристик электростартера

Цель работы

1. Изучение основ теории и характеристик автотракторных электростартеров.

2. Освоение методов испытаний электростартеров.

Задание

1. Изучить основы теории электростартеров.

2. Определить тип, назначение и основные технические данные электростартера, предназначенного для испытаний.

3. Снять на тормозном стенде рабочую характеристику электростартера.

Пояснения к работе

Электростартер предназначен для вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания при пуске. В стартерах применяются электродвигатели постоянного тока с последовательным или смешанным возбуждением. Электродвигатели с последовательным возбуждением при равенстве потребляемых токов развивают большие пусковые моменты. Применение смешанного возбуждения вызвано стремлением уменьшить частоту вращений якоря в режиме холостого хода и, тем самым, увеличить срок службы электростартера.

Мощность стартера не ограничивается нагревом, так как он работает в режиме кратковременных нагрузок (несколько десятков секунд).

Электромагнитный вращающий момент стартера:

(1)

где - постоянная машины, не зависящая от режима ее работы;

- число пар полюсов;

- число активных проводников обмотки якоря;

- число пар параллельных ветвей обмотки якоря;

- ток в обмотке якоря;

- основной магнитный поток, проходящий через воздушный зазор и якорь электродвигателя

При вращении якоря в его обмотках индуцируется ЭДС, направление встречного по отношению к току якоря и подводимому напряжению:

где - постоянная машины, не зависящая от режима ее работы;

- частота вращения якоря, мин^-1.

Из уравнения (2) имеем:

(3)

Электромагнитная мощность, т.е. электрическая мощность, преобразуемая в полную механическую мощность,

(4)

Уравнение ЭДС для цепи питания стартерного электродвигателя:

(5)

где - номинальное напряжение аккумуляторной батареи;

- внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи;

- сопротивление стартерной сети (соединительных проводов и массы, служащей при однопроводной схеме обратным токопроводом);

- сопротивление обмотки якоря;

- сопротивление последовательной обмотки возбуждения;

- падение напряжения в щеточном контакте, принимаемое равным 1,0 – 1,3В для 12-вольтных стартеров и 2,0 – 2,5В для стартеров напряжением 24В.

С учетом (5) электромагнитная мощность:

(6)

Приравнивая первую производную функцию к нулю, находим силу тока, соответствующую максимуму электромагнитной мощности:

(7)

где - ток короткого замыкания стартера.

Максимальная электромагнитная мощность

(8)

Полезная мощность стартерного электродвигателя меньше электромагнитной на величину механических и магнитных потерь, которые возрастают с увеличением частоты вращения якоря:

(9)

где - механические потери на трение в подшипниках и щеток о коллектор;

- потери на перемагничивание и вихревые токи в стальном сердечнике якоря.

Полезный вращающий момент на валу электростартера:

(10)

Суммарное падение напряжения в обмотках стартера и под щетками называется тормозным напряжением:

(11)

Зависимости мощности , момента , частоты вращения якоря , напряжения стартера от силы тока якоря являются рабочими характеристиками электростартера (рисунок 1).

Рисунок 1- Рабочие характеристики стартерного электродвигателя

Мощностная характеристика представляет собой параболу с максимумом при силе тока несколько больше половины тока короткого замыкания.

Зависимость частоты вращения n_a от силы тока (скоростная характеристика) при малых тока близка по формуле к гиперболе. При высоких нагрузках стартера и больших токах наступает магнитное насыщение машины, частота вращения изменяется почти линейно и при полном торможении становится равной нулю.

Вращающий момент в зависимости oт тока якоря (моментная характеристика) при малых нагрузках, когда магнитный поток пропорционален силе тока, изменяется по параболе, а при больших нагрузках, когда можно считать магнитный поток постоянным, кривая момента близка к прямой.

На рабочих характеристиках можно выделить три основных режима:

· режим максимальной полезной мощности;

· режим полного торможения при токе короткого замыкания; когда частота вращения равна нулю, а вращающий момент максимален;

· режим холостого хода при токе I₀, когда частота вращения якоря максимальна;

На мощность и пусковой момент М_2к стартерного электродвигателя оказывают влияние:

· емкость аккумуляторной батареи: чем меньше емкость, тем больше внутреннее сопротивление батареи и, согласно уравнению (6), меньше мощность стартера;

· степень разряженности и температура электролита аккумуляторной батареи: при понижении температуры электролита и увеличении степени разряженности увеличивается внутреннее сопротивление батареи; кроме того, при разряде батареи уменьшается ее ЭДС, поэтому мощность пусковой системы и пусковой момент стартера уменьшаются;

· сопротивление стартерной сети: с увеличением длины стартерных проводов и ухудшением состояния переходных контактов между металлическими деталями массы повышается их сопротивление, а мощность и пусковой момент стартера уменьшается.

При пуске двигателя электростартер должен прокручивать коленчатый вал с частотой, при которой возможно нормальное протекание процессов подготовки к воспламенению и сгоранию топливовоздушной смеси. Наименьшая частота вращения коленчатого вала, при которой пуск двигателя осуществляется в пределах заданного промежутка времени, называется минимальной пусковой частотой вращения n_min

Режим работы стартера на двигателе определяется при совмещении характеристики момента сопротивления двигателя М_с=ƒ(n) и механической характеристики стартера М=ƒ(n). Механическая характеристика стартера приводится к коленчатому валу двигателя с учетом передаточного числа и КПД зубчатой передачи привода:

, (12)

(13)

где - передаточное число зубчатой передачи привода стартера;

- КПД зубчатой передачи привода.

Пересечение механических характеристик стартера и двигателя определяет частоту вращения коленчатого вала n_п в заданных условиях пуска (рисунок 2). Система электростартерного пуска считается пригодной для данного двигателя, если при заданной минимальной температуре пуска соблюдается условие