2.3. Устройство и принцип действия стартера

В стартерах применяются электродвигатели постоянного тока. Основные характеристики электродвигателей постоянного тока, ко­торые подразделяются на двигатели последовательного, парал­лельного, смешанного и независимого возбуждения.

Характеристики:

где U - напряжение, подводимое к электродвигателю от источника питания; E – противо-ЭДС якоря; I_я - ток якоря; R_я - активное со­противление цепи якоря; С_е, С_м - конструктивные постоянные; Ф - магнитный поток; п - частота вращения якоря; М - момент электро­двигателя. Постоянные:

где р - число пар полюсов; N - число проводников обмотки якоря; а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Из выражений (2.3)...(2.5) можно получить формулы для опреде­ления частоты вращения якоря:

Рис. 2.7.

В электродвигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к источни­ку напряжения U (рис. 2.7,а). Особенностью этого двигателя является то, что ток возбуждения I_в не зависит от тока якоря I_я (нагрузки на валу). Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток Ф не зависит от нагрузки. С учетом этого выражения (2.5)...(2.7) примут вид:

Δn - падение частоты вращения.

Электромеханические характеристики электродвигателя с па­раллельным возбуждением, построенные по формулам (2.8) и (2.9), изображены на рис. 2.7,б, а механическая характеристика (2.10) - на рис. 2.7,в. Таким образом, обе они имеют линейный характер. Показатель n₀ = U/C_eФ называется частотой вращения идеального холостого хода. Он имеет конечное значение при М = 0 (I_я = 0) и уменьшается с ростом потока Ф. Падение частоты вращения Дл при увеличении нагрузки на двигатель (I_я) определяется сопротивлени­ем R_я якорной цепи.

В случае если обмотка якоря электродвигателя и обмотка воз­буждения подключены к различным источникам питания, его назы­вают двигателем с независимым возбуждением. Механические и электромеханические характеристики такого двигателя аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как у него ток возбуждения I_в также не зависит от тока якоря I_я.

Рис. 2.8.

В электродвигателях с последовательным возбуждением об­мотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря и поэтому I_я = I_в (рис. 2.8,а).

Следовательно, магнитный поток дви­гателя Ф является некоторой функцией тока якоря I_я. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При токе якоря I_я < (0,8...0,9) I_ном (I_ном - номинальный ток якоря), когда маг­нитная система машины не насыщена, можно считать, что поток линейно зависит от I_я:

где k_Ф - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность индуктивности, Гн, остается практически постоянным в значитель­ном диапазоне нагрузок.

Подставляя формулу (2.11) в уравнения (2.5) и (2.6), получим скоростную и моментную характеристики n = f (I_я), М = / (I_я) в этом диапазоне I_я в виде:

т. е. в диапазоне 0... I_я зависимость n = f (I_я) имеет гиперболи­ческий характер (при I_я = 0, n→∞), а зависимость М = f (I_я) - парабо­лический (рис. 2.8,б).

При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф растет мед­леннее, чем I_я, и при больших нагрузках (I_я > I_ном) можно считать Ф = const.

В этом случае скоростная и моментная характеристики стано­вятся линейными аналогично характеристикам двигателя с незави­симым возбуждением.

Механическая характеристика п = f(M) (см. рис. 2.8,в) может быть построена на основании уравнений (2.12) и (2.13). При токе якоря, меньшем (0,8...0,9)I_ном, частота вращения изменяется по закону

При токе якоря, большем I_ном зависимость п = f(M) становится линейной вида (2.10).

Из рис. 2.8,в следует, что механическая характеристика двига­теля с последовательным возбуждением является «мягкой». При малых нагрузках частота вращения п резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет «вразнос»). Несмотря на этот недостаток, такие двигатели широко применяются в различных электрических приводах, где происходит изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска. В частности, большинство стартерных электродви­гателей имеют последовательное возбуждение. Объясняется это тем, что «мягкая» характеристика рассматриваемого двигателя бо­лее благоприятна для указанных условий работы, чем «жесткая» характеристика двигателя с параллельным возбуждением. При же­сткой характеристике частота вращения почти не зависит от мо­мента (см. рис. 2.7, в), поэтому механическая мощность стартера

где С₄, - постоянная.

При «мягкой» характеристике двигателя с последовательным

возбуждением частота вращения п обратно пропорциональна (2.14), вследствие чего

где С'₄ - постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах, что характерно для пуска ДВС, мощность Р_c, а следовательно, электрическая мощность и токI_я у двигателей с последовательным возбуждением изменяются в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением. Кроме того, они лучше переносят перегрузки. Например, при заданной кратности перегруз­ки по моменту К_м = М/М_ном ток I_я в двигателе с параллельным воз­буждением увеличивается в К_м раз, а в двигателе с последователь­ным возбуждением - только в раз. По этой же причине двига­тель с последовательным возбуждением развивает больший пуско­вой момент, так как при заданной кратности пускового токаК_i = I_n /I_ном пусковой момент его, в то время как у двигателя с параллельным возбуждением

М_п = К_i²M_ном.

В электродвигателе со смешанным возбуждением магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения (рис. 2.9,а): параллельной (ОВ1) и последовательной (ОВ2). Поэтому его механическая характеристика (рис. 2.9,в, кривые 3, 4) располагается между характеристиками двигателей с па­раллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения магнитодвижущей силы (МДС) F = wI_в (w - число витков обмотки) параллельной (w₁I_в1) и последовательной (w₂I_в2) обмоток при номинальном режиме мож­но приблизить характеристику двигателя со смешанным возбужде­нием к характеристике 1 (при w₁I_в1 > w₂I_в2) или к характеристике 2 (w₁I_в1 < w₂I_в2). Одним из достоинств двигателя со смешанным воз­буждением, которые используются в некоторых конструкциях стар­теров, является то, что он, обладая «мягкой» механической харак­теристикой, может работать на холостом ходу, так как частота вра­щения холостого хода По имеет конечное значение.

Рис. 2.9

Таким образом, в стартерах используются двигатели постоянно­го тока с последовательным возбуждением. В отдельных случаях, рассмотренных ниже, используются двигатели со смешанным воз­буждением. В последние годы на стартерах стали применяться электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, кото­рые имеют пониженное энергопотребление вследствие отсутствия тока возбуждения. Однако такие стартеры имеют недостатки, ха­рактерные для электродвигателей независимого (параллельного) возбуждения. Кроме того, материал для изготовления постоянных магнитов еще очень дорог. Постоянные магниты используются только в маломощных стартерах.