АСТАТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР ЭЛЕКТРОСТАРТЕРНОГО ПУСКА ДИЗЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Предлагаемая полная модель относиться к электротехнике, а именно к электростартерному приводу энергоустановки транспортного средства и может использоваться для электростартерного пуска дизеля транспортного средства.
На серийных тепловозах отечественной и зарубежной постройки и некоторых судах запуск дизеля осуществляется прямым включением тягового генератора, выполняющего функцию стартерного двигателя. Обладая несомненным достоинством, такой способ имеет и заметные недостатки: большой пик пускового тока и стремительность его нарастания. Оба явления ускоряют износ аккумуляторной батареи, а по мере ее износа снижается надежность пуска дизеля.
В настоящее время для электростартерного пуска дизеля транспортного средства используются следующие способы:
1. Пневматический пуск
В мало- и среднеоборотных дизелях большой мощности почти исключительно используется цилиндровый щек с подачей воздуха через автоматические пусковые клапаны. При этом потенциальная энергия рабочего тела преобразуется в механическую работу поступательного движения поршневой группы и кинетическую энергию движущихся масс. [1, 2]
Недостатками такой системы является:
Сильное охлаждение пускового воздуха при ходе расширения способствует появлению трещин в нагретых деталях камеры сгорания при пуске горячего ДВС и затрудняет воспламенение топлива при пуске
холодного.
2. Стартерный двигатель с последовательным возбуждением
Система пуска состоит из стартера, аккумуляторной батареи и цепи стартера. Пуск осуществляется двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением, снабженного специальным устройством для сцепления с ДВС на время пуска. Источником питания стартера являются аккумуляторная батарея. [2]
Недостатками такой системы является:
Существенное недоиспользование магнитной цепи с целью усиления магнитного потока и снижения тока стартерного двигателя при трогании с места его вала, т.е. большой пусковой ток и повышенный износ аккумуляторной батареи. Кроме этого мощности аккумуляторной батареи и стартера близки между собой, поэтому при пуске двигателя напряжение аккумуляторной батареи значительно изменяется в зависимости от тока, потребляемого стартером. В таких условиях на пуск двигателя большое влияние оказывают состояние аккумуляторной батареи (ее температура, степень заряженности, износ) и состояние цепи стартера.
3. Электростартерный пуск с использование импульсного конденсатора сверх высокой емкости.
Штатная система пуска в этом случае дополняется конденсаторной батареей, подключенной через зарядный резистор и зарядно-разрядное устройство параллельно аккумуляторной батареи. Заряд конденсаторов до напряжения аккумуляторной батареи происходит в период предпусковой прокачки масла. Во время пуска дизеля конденсаторная и аккумуляторные батареи разряжаются через цепь якоря стартера. [3]
Недостатками такой системы является:
Ограниченная эффективность, т.е. более чем на 30% снижать пусковой ток батареи не рекомендуется, поскольку примерно в той же мере система увеличивает пусковые ток и момент стартерного двигателя. При этом
возрастают ударные механические нагрузки на конструктивные элементы дизеля, что весьма нежелательно.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является система пуска использующая трансформатор компенсирующий размагничивание стартерного двигателя смешанного возбуждения в момент пуска. [4] Условная схема прототипа приведена на фиг.1.
1
2
Прототип содержит стартер-генератор (G), снабженный якорем (LG) и независимой обмоткой возбуждения (LG).
Снижение пускового тока стартера возможно компенсировав размагничивание стартерного двигателя. В качестве компенсирующего устройства используется регулятор компенсационного типа на базе импульсного трансформатора большой мощности. Импульсный трансформатор, работающий в режиме передачи импульсов тока. Его первичная обмотка включена в цепь якоря, а вторичная подключена к аккумуляторной батареи. В установившемся режиме напряжение на обмотке независимого возбуждения равно напряжению аккумуляторной батареи, а в переходном - сумме напряжений аккумуляторной батареи и компенсационного регулятора. Максимальное значение магнитного потока в независимой обмотке обеспечивается при максимальном значении производной .
При проектирование импульсного трансформатора для данного регулятора необходимо учитывать длительность импульса тока в цепи якоря составляет 0,112 с, что позволяет однозначно определить в качестве материала для магнитопровода электротехническую сталь. Важным этапом расчета является определение мощности трансформатора, которая зависит от величины и длительности трансформируемого импульса. Импульс любой формы приводится к эквивалентному прямоугольному. Из сказанного выше вытекает, что проектируемый трансформатор будет иметь увеличенные
размеры окна магнитопровода и сечение проводников обмоток.
Недостатками такой системы является:
Большие массогабаритные показатели, дороговизна трансформатора компенсирующего размагничивание стартерного двигателя. Такой регулятор электростартеры ого пуска является статическим, а значит имеет большую статическую ошибку. [4]
В задачу предлагаемого изобретения положено снижение массогабаритных показателей, удешевление устройства, повышение устойчивости к внешним воздействиям.
Поставленная задача достигается тем, что он снабжен силовым транзистором и управляющим им генератно-импульсным преобразователем, состоящим из пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, генератора тактовых импульсов, генератора опорной частоты, сумматора для сложения трех управляющих сигналов, аналого-цифрового преобразователя, дешифратора и усилителя, при этом дешифратор, в свою очередь, состоит из счетчика, триггера и сравнивающего устройства.
Снижение пускового тока возможно используя независимую обмотку возбуждения, которая имеется в составе стартер-генератора, например, тепловоза ЧМЭЗ, однако в штатной схеме пуска она не задействована, т.к. ее включение не снижает пусковой ток, а наоборот, повышает его, что и было доказано опытным путем в железнодорожных депо. Пусковой ток возрастает из-за того, что последовательная и независимая обмотки имеют общий сердечник, т.е. они взаимоиндуктивно связаны, из-за чего ток в независимой обмотке в первоначальный момент времени протекает навстречу току якоря и размагничивает магнитную систему.
Компенсировать размагничивающее действие стартер-генератора при смешанном возбуждении можно в том случае если независимую обмотку возбуждения подключить к аккумуляторной батарее на одну или две секунды раньше, чем обмотку якоря, т.е. когда ток якоря равен нулю, а ток
возбуждения в независимой обмотке должен быть равен какому-то начальному значению. При подключении якоря стартер-генератора к аккумуляторной батареи ток якоря сформирует управляющий сигнал направленный на компенсацию размагничивания посредством приложения к независимой обмотке возбуждения импульса напряжения, причем суммарный управляющий сигнал будет состоять из дифференциальной и пропорциональной составляющей тока якоря, а также начального сигнала задания. Такое комбинированное управление позволит скомпенсировать индуктируемую в независимой обмотке встречную ЭДС и снизить пусковой ток стартер-генератора.
На фиг.2 изображена функциональная схема формирования периода и длительности импульсов напряжения широтно-импульсного преобразователя (ШИП) в системе стартерного электропривода с двигателем смешанного возбуждения.
На фиг.2 обозначено:
- АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
- G - стартер-генератор;
1
- LG - якорь стартера-генератора;
2
- LG - независимая обмотка стартера-генератора;
1
- VT - силовой транзистор;
- ПИД-регулятор - пропорционально-интегралъно-дифференциальный регулятор;
- ГОЧ - генератор опорной частоты.
а
Принцип работы системы заключается в следующем: на ПИД-регулятор, состоящий из интегрального и дифференциального звена, с шунта подается пропорциональная составляющие тока якоря стартер генератора I, с выхода ПИД-регулятора получаем два сигнала, которые подаем на
а
Сумматор:  дифференциальную, I пропорциональную составляющие
зад
тока якоря стартер генератора (полученные с ПИД-регулятора) и I, устанавливающий начальный ток обмотки возбуждения. Суммарный аналоговый сигнал в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) преобразуется в цифровой и подается на сравнивающее устройство. Генератор вырабатывает положительную последовательность импульсов, которая подается на счетчик, счетчик устанавливает триггер во включенное состояние далее полученный импульс усиливается и открывает транзисторный ключ, включенный последовательно с независимой обмоткой возбуждения. Кроме триггера сигнал со счетчика подается на сравнивающее устройство. Когда цифровой сигнал на счетчике станет равным цифровому сигналу на АЦП, сравнивающее устройство переключает триггер в ноль. Чем больше сигнал на входе сумматора тем большее время работает счетчик, а значит и тем больше длительность импульса на выходе триггера. Если же входной сигнал сумматора не велик, то счетчик быстро выставит на своем выходе такой же цифровой код и сравнивающее устройство сбросит триггер в ноль, а в обмотку возбуждения будет подан более короткий импульс. Генератор тактовых импульсов сбрасывает счетчик в ноль в начале каждого такта, для сохранения постоянного периода повторения импульсов. Таким образом, формируется импульсная последовательность, импульсов напряжения, длительность которых определяет среднее напряжение, приложенное к зажимам независимой обмотки возбуждения.
На фиг.3 показаны графики, характеризующие процесс пуска стартер-генератора на тепловозе ЧМЭЗ.
зад
a
а
Перед началом пуска ток в независимой обмотке возбуждения Ie=45 A, который формируется по сигналу I. При подключении стартер-генератора к АБ ток якоря плавно нарастает, а его пик I=575 A достигается за 1,8 с. Стремительность нарастания тока снижена на порядок, а сам пик тока уменьшен более чем в три раза. В момент прохождения пика тока I его производная равна нулю. Поэтому действие компенсатора прекращается, а
ток в независимой обмотке приобретает исходное значение Ie=45 A.
После этого знак производной тока меняется на обратный, а компенсатор вырабатывает ЭДС отрицательного знака, снижая ток в независимой обмотке. Это способствует увеличению ускорения стартер-генератора и более быстрому нарастанию скорости со, что, в свою очередь, способствует уверенному запуску дизеля. [5, 6, 7]
Преимущества предлагаемого изобретения:
а.ПУСК
1. Низкий пусковой ток стартера (в штатной схеме пуска I=1800 А),
2. Снижение разрядного пускового тока аккумуляторной батареи и продление ее срока эксплуатации,
3. Возможность пуска дизеля от изношенной аккумуляторной батареи,
4. Незначительная стоимость и массогабаритные показатели,
5. Повышенная устойчивость к внешним воздействиям:
температуре, относительной влажности, ударам, и вибрации, т.е. возможность установки импульсного преобразователя в машинном отделении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пуск и реверс судовых дизелей. Кузьмин Р.В., Карпович В.А. Изд-во «Транспорт», 1972, 144 с.
2. Ванштейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. - Л.: Судпромгиз, 1962. - 544 с: ил.
3. Кошевой В.А., Корнев А.Н., Нопяшов Л.И., Радионов Н.И. Применение импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости в системах электростартерного пуска дизель-генераторных установок тепловозов // Вестник ВНИИЖТ №  1, 1996, с.5-8.,
4. Ерилин Е.С., Репин А.С., Савинов А.Н., Способ регулирования магнитного потока двигателя смешанного возбуждения // XX Научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электроэнергетики»: Тезисы докладов / НГТУ. Н.Новгород, 2001, 70 с.
5. Сычушкин И.В. Совершенствование стартерного электропривода энергоустановки транспортного средства. // 10-я Нижегородская сессия молодых ученых (технические науки) «Голубая Ока», 2005.
6. Ерилин Е.С., Репин А.С., Сычушкин И.В., Шумков Е.Б., Усовершенствовали пуск дизеля. // Локомотив №2, 2004 г.
7. Сычушкин И.В. Широтно-импульсный преобразователь в системе регулирования возбуждения стартерного электропривода // Труды Нижегородского технического университета. Электрооборудование промышленных установок, том 49, 2005.