Наше учебное пособие

Пакет статора набран из пластин электротехнической стали. В пазах статора размещены катушки трехфазной (или с большим числом фаз) обмотки. Число пазов на полюс и фазу для вентильных генераторов с клювообразным ротором вычисляется по формуле

	q	Z1	(6.2)
		2p m

где Z1 – число пазов статора;

2р – число полюсов генератора; т – число фаз генератора.

Большие значения q позволяют удовлетворить высокие требования к синусоидальности выходного напряжения и КПД. При меньших q можно получить высокотехнологичную и надежную в эксплуатации конструкцию генератора при малой ее стоимости.

Иногда в вентильных генераторах используют две самостоятельные обмотки. Обмотка с большим числом витков обеспечивает необходимую отдачу по мощности при низкой частоте вращения ротора, обмотка с меньшим числом витков - при большей частоте вращения ротора генератора.

Существенным недостатком генераторов, выполненных по схеме, представленной на рис. 6.1, является наличие контактного узла, состоящего из электрощеток и колец.

Пыль, грязь, топливо, масло и вода, попадая на контактный узел, быстро выводят его из строя. Специальная защита от загрязнения кардинально не решает проблему и существенно усложняет конструкцию генератора. Поэтому более долговечными являются бесщеточные вентильные генераторы индукторного типа.

Индукторные генераторы. Индукторный генератор представляет собой бесконтактную, одноименно-полюсную электрическую машину переменного тока с односторонним электромагнитным возбуждением. Стальная звездочка ротора вращается вместе с валом, который проходит внутри подвижной втулки. На втулке закреплена обмотка возбуждения, а на зубцах статора - обмотка статора. Все зубцы звездочки имеют одну полярность. Изменение магнитного потока связано с изменением магнитной проводимости воздушного зазора под зубцами статора. Поток в зубце статора достигает максимального значения Фmах, когда оси зубцов ротора и статора совпадают, и уменьшается до минимального значения Фmin после поворота на 180°, когда ось зубца статора совпадает с осью впадины звездочки ротора. Следовательно, магнитный поток в зубцах статора является пульсирующим, т.е. изменяется только по величине без изменения направления.

91

Для большей степени изменения магнитного потока и, следовательно, повышения мощности генератора во впадинах звездочки ротора закрепляют постоянные магниты. В трехфазных индукторных генераторах статора имеется 9 зубцов с обмотками, а в пятифазных - 10.

Магнитный поток индукторного генератора имеет постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая в наведении ЭДС в катушках статора не участвует и ухудшает использование материалов генератора. ЭДС в катушках наводит только переменная составляющая магнитного потока. Величина индуктируемой ЭДС зависит от амплитуды магнитного потока, числа витков обмотки статора и частоты п вращения ротора. Чем больше число витков, тем при меньшей частоте вращения ротора можно получить требуемое напряжение. Как правило, звездочка ротора имеет шесть зубцов, и частота переменного напряжения вычисляется из выражения f = n/10.

Обмотка каждой фазы может иметь несколько катушек, соединенных последовательно, параллельно и смешанно. Фазы обмотки статора соединяют в многолучевую звезду или многоугольник.

При соединении фаз в звезду концы всех фаз соединяют в общей нулевой точке, которую изолируют в генераторе или выводят отдельным нулевым проводом. Начала фаз соединяют с выпрямителем

Соединения фаз в звезду и треугольник отличаются соотношениями линейных Uл и фазных Uф напряжений, линейных Iл и фазных Iф токов. При соединении фаз в звезду справедливы выражения:

Iл Iф и Uл 3Uф ,

(6.3)

а при соединении в треугольник

Uл Uф и Iл 3Iф .

(6.4)

Приведенные соотношения справедливы для действующих значений синусоидально изменяющихся переменных напряжений и токов.

Выпрямитель выпрямляет тот переменный ток, который к нему подводится. При соединении в треугольник фазные токи в 31/2 раза меньше линейных, в то время как у звезды линейные и фазные токи равны. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе токи в обмотках фаз при соединении в треугольник значительно меньше, чем при соединении звездой. Поэтому в генераторах большой мощности часто применяют соединение в треугольник, так как при меньших значениях тока обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Однако линейные напряжения при соединении звездой в 31/2 раз больше фазного, в то время как при соединении в треугольник они равны, и для получения такого же выходного напряжения при тех же частотах вращения ротора

92

требуется соответствующее увеличение числа витков его фаз по сравнению с соединением звездой.

Более тонкий провод можно применять и при соединении в звезду. В этом случае обмотку статора выполняют из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в звезду, т.е. получается двойная звезда.

Бесщеточные вентильные генераторы с укороченными полюсами. Известны бесщеточные генераторы, являющиеся промежуточной конструкцией между генератором с клювообразным исполнением ротора и индукторным генератором. Магнитный поток в данном генераторе также имеет постоянное направление у каждой полюсной половины, как это характерно для индукторного генератора, но в целом магнитный поток, пронизывающий катушки фаз статора, изменяется по направлению.

6.4.Электростартеры транспортно-технологических машин

Характеристики электростартеров. Свойства электростартеров оцениваются по рабочим и механическим характеристикам. Рабочие характеристики представляются в виде зависимостей напряжения Uст нa выводах стартера, полезной мощности Р2 на валу, полезного вращающего момента М2, частоты вращения якоря na и КПД стартерного электродвигателя ηст от силы тока якоря Iа (рис. 6.2).

При вращении якоря в его обмотке индуктируется ЭДС, которая вычисляется по формуле

Ea cenaФ,

(6.5)

где се – постоянная электрической машины, не зависящая от режима ее работы.

При электроснабжении стартера от аккумуляторной батареи ЭДС определяется таким образом:

Ea Uн

Uщ Iа Rа Uн Uщ Ia (Rб Rпр Ra Rc ),

(6.6)

где UH - номинальное напряжение аккумуляторной батареи; Ra∑ - суммарное сопротивление цепи якоря;

Rпр - сопротивление стартерной сети;

Rб - сопротивление аккумуляторной батареи;

Rа - сопротивление обмотки якоря электростартера;

Rс - сопротивление последовательной обмотки возбуждения электростартера.

С уменьшением нагрузки электродвигателя с последовательным возбуждением величина магнитного потока Ф падает, а частота вращения

93

якоря nа быстро возрастает до значения пао, соответствующего силе тока холостого хода Iаo. В стартерах смешанного возбуждения частота вращения якоря в режиме холостого хода ограничивается магнитным потоком параллельной обмотки возбуждения. При уменьшении нагрузки магнитный поток, создаваемый последовательной обмоткой, стремится к нулю, тогда как намагничивающая сила параллельной обмотки и создаваемый ею магнитный поток даже немного увеличиваются.

Рис. 6.2. Рабочие характеристики стартерного электродвигателя с последовательным возбуждением:

Uщ - падение напряжения в контактах щетки-коллектора, М - электромагнитный вращающий момент, М2к, Мн – полезный момент в режиме полного торможения, номинальный, Eа - ЭДС обмотки якоря, Р - электромагнитная мощность (полная механическая мощность), Рт– максимальная электромагнитная мощность, соответствующая Iт, Рн - номинальная мощность, Рm - суммарные механические потери, Ф -магнитный поток, проходящий через воздушный зазор якоря электродвигателя, RCT -сопротивление обмоток стартера, пн, паo - частота вращения якоря номинальная и соответствующая силе тока холостого хода, Iк, Iн - сила тока полного торможения, номинальная

Электромагнитный вращающий момент рассчитывается по формуле:

M cm IaФ ,

(6.7)

где см - постоянная электрической машины.

В электродвигателях с последовательным возбуждением через обмотку возбуждения проходит ток якоря Iа, поэтому магнитный поток воз-

94

растает с увеличением нагрузки стартера. При одинаковых номинальных параметрах электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением последние развивают большие полезные моменты М2к в режиме полного торможения. Это улучшает их тяговые свойства, облегчает раскручивание коленчатого вала во время пуска двигателя при низких температурах.

Подводимая к стартеру мощность, исключая электрические потери, преобразуется в электромагнитную мощность. Электромагнитная или полная механическая мощность Р, меньшая, чем мощность, подводимая к стартеру на величину электрических потерь, равна

P naM /30 Ea Ia

(6.8)

Максимальная электромагнитная мощность вычисляется из выраже-

ния:

P (U	н	U	щ	)2	/(4R	a	)	(6.9)
т

Зависимость электромагнитной мощности от силы тока представляет собой симметричную параболу с максимальным значением при силе тока Iт, равной половине силы тока IК полного торможения.

Полезная мощность Р2 на валу электродвигателя меньше электромагнитной на величину суммы механических потерь РМ в подшипниках, в щеточно-коллекторном узле и магнитных потерь в пакете якоря.

Полезный вращающий момент на валу электродвигателя вычисляется из выражения:

M2 30P2 /( na )

(6.10)

Сила тока, потребляемого электродвигателем со смешанным возбуждением, определяется по формуле

I Ia Is

(6.11)

где Is = UCJ / RS - сила тока в параллельной обмотке возбуждения; RS -сопротивление параллельной обмотки возбуждения.

ст P2 /P1

(6.12)

Механические характеристики электростартера обычно представляют в виде зависимости частоты вращения якоря от полезного вращающего момента М2 (рис. 6.3).

95

Рис. 6.3. Механические характеристики стартерных электродвигателей

Влияние сопротивления источника электроснабжения и стартерной сети на рабочие и механические характеристики стартерных электродвигателей требует однозначного указания условий, при которых определяется номинальная мощность стартера.

Напряжение на выводах стартерного электродвигателя при определении номинальной мощности рассчитывается по формуле

Uст Uн (1 aб Ia /C20 )

(6.13)

где аб - коэффициент, равный 0,05 для аккумуляторных батарей номинальной емкостью С20 менее 100 А ч, а также 0,038 и 0,046 соответственно для аккумуляторных батарей 6СТ-55ЭМ и 6СТ-190ТР.

Частоту вращения коленчатого вала двигателя электростартером п в различных условиях пуска определяют по точкам пересечения кривых момента сопротивления двигателя Мс и приведенного к коленчатому валу вращающего момента стартера М от частоты вращения коленчатого вала п (рис 6.4, а). Минимальную температуру пуска Тmin определяют при совмещении на одном графике зависимостей частоты вращения коленчатого вала электростартером п и минимальной пусковой частоты вращения коленчатого вала nmm от температуры Т окружающей среды (рис. 6.4,6)

Система «Стоп - старт». Система «Стоп - старт» выполняет функции автоматического управления остановкой и пуском двигателя, обеспечивая дополнительную экономию топлива за счет сокращения длительности работы двигателя в режиме холостого хода при остановке автомобиля и при медленном его движении с установленным в нейтральном положении рычагом коробки передач. Система начинает автоматически функционировать в том случае, если первоначальный пуск был осуществлен пусковой системой с электростартером, и двигатель прогрет до температуры 65 … 100 °С.

96

Рис.6.4. Характеристики работы двигателя на автомобиле ГАЗ-3110 «Волга»

6.5. Комплексные системы управления зажиганием и впрыском топлива. Электронные системы управления двигателем

Комплексные системы управления двигателем. Регулятор давления системы впрыска топлива «KE-Jetronic» (рис. 6.5) обеспечивает его непрерывное распределение. Дозирование топлива осуществляется по определенной программе и обеспечивается электронным блоком управления (БУ). К дозатору топливо подводится под постоянным перепадом давления, которое поддерживается стабилизатором. Плунжер дозатора изменяет давление топлива, поступающего к форсункам, в зависимости от расхода воздуха. Так как подача топлива определяется давлением на входе в форсунку, последняя имеет постоянное проходное сечение.

Рис. 6.5. Схема системы впрыска топлива «КЕ-Jetronic»

97

Программа дозирования топлива на некоторых режимах работы двигателя (пуск, прогрев, разгон, полная нагрузка) может корректироваться по сигналам БУ, который получает информацию от соответствующих датчиков. Корректор электрогидравлического типа может увеличивать или уменьшать давление топлива, устанавливаемое основным дозатором.

Электронное управление системой впрыска «KE-Jetronic» позволяет автоматически поддерживать заданную частоту вращения коленчатого вала в режиме холостого хода, ограничивать ее максимальное значение.

На автомобилях кроме микропроцессорных систем управления зажиганием и экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ) применяются и комплексные системы управления зажиганием и впрыском топлива.

Взаимосвязанное управление впрыском топлива и зажиганием средствами электроники позволяет в большей степени приблизить программу управления УОЗ к оптимальной.

Количество впрыскиваемого топлива устанавливается БУ с учетом информации от датчиков, измеряющих объем и температуру воздуха на впуске, частоту вращения коленчатого вала, нагрузку двигателя и температуру охлаждающей жидкости.

На основании сигналов датчиков БУ рассчитывает количество впрыскиваемого топлива для получения оптимального соотношения топлива и воздуха в горючей смеси. Количество впрыскиваемого топлива определяется временем открытия электромагнитного клапана форсунки. Основное время впрыска топлива – время для получения смеси с теоретически необходимым коэффициентом избытка воздуха. Количество воздуха, поступающего в цилиндр за цикл, рассчитывается БУ по данным датчиков расхода воздуха и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

При работе двигателя достигнуть высокой степени очистки отработавших газов по компонентам СО, СН и NOХ можно с помощью трехкомпонентного нейтрализатора. При этом состав горючей смеси по коэффициенту избытка воздуха должен быть близок к стехиометрическому. Стабилизация стехиометрического состава горючей смеси обеспечивается с помощью датчика кислорода, устанавливаемого в выпускном трубопроводе.

Электронные системы управления дизелем. Электронное управление дизелем необходимо для уменьшения количества токсичных веществ в отработавших газах, уменьшения дымности, вибрации, уровня шума, оптимизации и стабилизации частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу и т.д. С помощью электронного БУ, в котором обрабатывается информация о состоянии двигателя, полученная от различных датчиков, выдаются управляющие сигналы, обеспечивается оптимизация количества подаваемого топлива и момента его впрыскивания.

Схема системы управления дизелем автомобиля «Toyota» приведена на рис. 6.6. Система обеспечивает управление количеством подаваемого

98

топлива, моментом начала подачи топлива, воздушной заслонкой, частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу и свечой накаливания.

Рис. 6.6. Система управления дизелем автомобиля «Toyota»:

1 - специальный клапан управления; 2 - датчик угла поворота коленчатого вала; 3 - жиклер для впуска топлива; 4 - корректирующий резистор; 5 - жиклер для выпуска топлива; 6 - электромагнитный перепускной клапан; 7 - электромагнитный клапан; 8 - датчик температуры поступающего в двигатель воздуха; 9 - система турбонаддува; 10; 16 -клапаны; 11 - датчик воспламенения; 12 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 13 - датчик давления поступающего в двигатель воздуха; 14 - сигнал положения педали подачи топлива; 15 - электронный БУ; 17 - воздушные заслонки; 18 - датчик частоты вращения коленчатого вала

Управление количеством подаваемого топлива осуществляется электронным БУ на основании данных о частоте вращения коленчатого вала и положении педали подачи топлива с учетом поправок на температуру и давление воздуха на впуске, температуру жидкости и т.д.

Момент подачи топлива выбирается БУ по сигналам датчика положения педали подачи топлива, давления воздуха на впуске. Используя сигналы датчика воспламенения, установленного в камере сгорания, БУ обеспечивает совпадение зарегистрированного момента воспламенения с расчетным моментом.

Управляя воздушной заслонкой во впускном трубопроводе, можно уменьшить вибрацию двигателя на холостом ходу и устранить вибрацию при остановке двигателя. При отказах системы управления воздушная заслонка автоматически наполовину открывается, что предотвращает чрезмерно резкое увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя. Получая информацию от различных датчиков, БУ обеспечивает подачу та-

99

кого количества топлива, чтобы частота вращения в режиме холостого хода не отличалась от расчетной. Сила тока свечей накаливания при пуске дизеля регулируется БУ в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и ряда других параметров.

6.6.Перспективы развития электрооборудования автотракторной

техники

Внастоящее время практически отработана концепция автомобилей

сповышенным до 42 В бортовым напряжением. Так существует два накопителя энергии: аккумуляторные батареи с напряжением 36 и 12 В, молекулярный емкостный накопитель на напряжении 42 В. Кроме того, в составе должны быть DC/DC-преобразователи напряжения, система предохранителей и развязывающих диодов в силовых сетях, стартер-генератор, электронный модуль управления и регулирования, а также ряд датчиков, обеспечивающих функционирование стартеров и генераторного режимов и системы «стоп-старт». Применение двухуровневой системы обусловлено резким возрастанием числа и мощности бортовых потребителей электроэнергии (электрические исполнительные устройства в системах управления двигателем, активной подвеской т.п.).

При напржении 42 В повышаются требования к коммуникационной аппаратуре. Поскольку стартер-генератор – это бесщеточная индукционная машина, то для регулировки его напряжения в режиме «генератор» нужен принципиально новый регулятор, а также устройство, исключающее перегрев якоря на высоких частотах. При этом ТТМ приобретут принципиально новые потребительские качества. Например, втрое, с 900 до 300 мс, со-

кратится время пуска прогретого двигателя, так как частота прокрутки его коленчатого вала возрастет с 200 до 600 мин-1; снизится неравномерность вращения коленчатого вала на холостом ходу; уменьшится нагрузка на аккумуляторную батарею при холодном пуске двигателя; с 50 … 70 (классическая конструкция генератора) до 82 % повысится КПД стартергенератора в генераторном режиме; за счет режима «стоп – старт» на 15 … 20 % снизится расход топлива в городском режиме.

Система электроснабжения. Основная тенденция развития этой системы – повышение срока службы генератора до 300 тыс. км пробега или до 7500 мото-часов работы без обслуживания за счет довольно многочисленных конструктивных и технологических мероприятий. В том числе, таких как: закрытие подшипников и щеточно-коллекторных узлов; твердотельный регулятор напряжения с адаптивным алгоритмом регулирования и встроенным стабилизатором защиты; большой (полутора-двухкратный) запас по тепловому режиму за счет запаса мощности; более интенсивное охлаждение

100