УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ МАГНИТНОГО ПОТОКА СТАРТЕРНОГО ДВИГАТЕЛЯ СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ПРИ ПУСКЕ

Предлагаемая полезная модель относится к транспортному машиностроению, в частности, к двигателестроению, и может быть использована для запуска главных судовых дизелей, судовых дизель-генераторов и дизелей тепловозов с электропередачей.
Повышение надежности пуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является актуальной проблемой современного транспортного машиностроения. На решение этой проблемы так или иначе направлены многие разработки, предметом которых являются различные новые устройства для пуска ДВС, в том числе и запатентованные в последние десятилетия (см., например, Su 1528942, Su 1792134, Ru 2046988, Ru 2049261, Ru 2075624, Ru 2075625, Ru 2076944, Ru 2076988, Ru 2078982, Ru 2079699, Ru 2166909, Ru 2187013, Ru 2233386 и др.). Наиболее близкие по технической сущности к предлагаемой полезной модели устройства описаны ниже.
Известно устройство для запуска дизеля тепловоза, содержащее аккумуляторную батарею, тяговый генератор с пусковой и включенной ей встречно независимой обмотками, имеющими общую магнитную систему, и с контактором возбуждения, возбудитель с якорем, стабилизирующий трансформатор, первичная обмотка которого выполнена с регулировочным сопротивлением и включена параллельно якорю возбудителя, а также сопротивление гашения поля тягового генератора и пусковые контакторы, один из пусковых контакторов, включаемый первым, выполнен с нормально-открытым блок-контактом, включенным параллельно
2
сопротивлению гашения поля тягового генератора (Ru С 2213250 МПК F 02 №11/08. Устройство для запуска дизеля тепловоза).
Такое устройство с шунтированием сопротивления гашения поля тягового генератора нормально-открытым блок-контактом позволяет, по мнению его автора, увеличить пусковой ток тягового генератора не за счет увеличения мощности аккумуляторной батареи, а за счет использования (вместо рассеивания на сопротивлении) ЭДС взаимоиндукции, возникающей во время запуска в независимой обмотке, так как она включена встречно-пусковой, и их токи направлены согласно, а магнитные потоки складываются. Далее авторы пишут, что такое выполнение позволяет уменьшить динамическое сопротивление внешней цепи аккумуляторной батареи, что увеличивает ее КПД, а также улучшить условия работы аккумуляторной батареи.
Однако описанное устройство обеспечивает ускорение запуска дизеля за счет резкого увеличения пускового тока, что является причиной сокращения эксплуатационного срока двигателя из-за быстрого изнашивания его элементов. Таким образом, говорить о повышении надежности работы устройства в данном случае нельзя.
Известно также, что описанное в патенте Ru 2233386 устройство электростартерного пуска дизеля, содержащее стартер-генератор, снабженный обмоткой якоря, обмоткой добавочных полюсов, пусковой и независимой обмотками, аккумуляторную батарею, к полюсам которой подключены нормально разомкнутые контакты пусковых контакторов, контакт второго по очередности включения пускового контактора подключен к выходу пусковой обмотки, и резистор, блок регулятора напряжения и блок регулятора тока возбуждения независимой обмотки, который включает трансформаторный датчик тока якоря, цепь последовательно соединенных сумматора, регулятора тока и широтно-импульсного преобразователя, подключенных к независимой обмотке, и узел обратной связи, входом подключенный к выходу широтно-
2
импульсного преобразователя, а выходом - ко второму входу сумматора, первый вход которого предназначен для подачи сигнала настройки, а к третьему входу подключен выход трансформаторного датчика тока якоря, первичная обмотка которого подключена между нормально разомкнутым контактом первого по очередности включения пускового контактора и входом обмотки якоря стартер-генератора, к которому подключены вторые входы регулятора тока и широтно-импульсного преобразователя, вторые выходы которых подключены к минусовому полюсу аккумуляторной батареи, при этом блок регулятора напряжения включает контактор регулятора напряжения с обмоткой и нормально замкнутым и нормально разомкнутым контактами, реле датчика тока якоря с нормально замкнутым контактом и обмоткой, которая с пусковой обмоткой стартер-генератора соединена входами и через диод в прямом направлении - выходами, и нормально разомкнутый контакт датчика напряжения вспомогательного генератора, причем обмотка контактора регулятора напряжения подключена к плюсовому полюсу аккумуляторной батареи через параллельное соединение своего замкнутого контакта и резистора и к минусовому полюсу аккумуляторной батареи подключена через параллельно соединенные нормально замкнутый контакт реле датчика тока якоря и нормально разомкнутый контакт датчика напряжения вспомогательного генератора, а между полусекциями указанной батареи с возможностью их параллельного и последовательного соединения включен нормально разомкнутый контакт контактора регулятора напряжения и между каждыми одноименными полюсами полусекций подключены диоды в прямом направлении (Ru C 2233386 МПК F 02 №11/08. Устройство электростартерного пуска дизеля).
Такое выполнение устройства позволяет значительно снизить пусковой ток аккумуляторной батареи путем подключения к независимой обмотке стертер-генератора блока регулятора тока независимой обмотки возбуждения, который усиливает магнитный поток стартер-генератора и
тем самым уменьшает его ток якоря, а также путем подключения к аккумуляторной батарее блока регулятора напряжения, который уменьшает напряжение, подводимое к якорю стартер-генератора в начальной фазе пуска и увеличивает его в заключительной фазе пуска, что также уменьшает пусковой ток якоря стартер-генератора, в результате чего повышается срок службы аккумуляторной батареи и надежность запуска дизеля, а также надежность устройства в целом.
Основным недостатком устройства является наличие большого количества элементов, сложность и трудоемкость комплектации, что не только затрудняет работу с устройством, но и может негативно сказываться на его надежности (увеличение вероятности неполадок, как правило, пропорционально количеству элементов).
1
За прототип предлагаемой полезной модели выбрано известное устройство запуска дизеля, содержащее стартер-генератор, снабженный якорем, независимой и пусковой обмоткой, аккумуляторную батарею, пусковой контактор с нормально разомкнутыми контактами для подключения пусковой обмотки к аккумуляторной батарее двух реле времени, кнопку пуска, дополнительный контактор, причем независимая и пусковая обмотки подключены цепями питания к аккумуляторной батарее (Su A 152 8942, МПК F 02 №11/08. Электрическая схема запуска дизеля).
Устройство, выбранное в качестве прототипа, характеризуется недостаточной надежностью пуска ДВС, особенно при низких температурах окружающего воздуха. Максимальное значение тока разряда стартерной батареи высокое, что обусловливает снижение эксплуатационного ресурса батареи при требуемом времени пуска. Значения потребляемой от стартерной батареи электрической мощности высоко, а среднепускового КПД привода, наоборот, недостаточно.
В задачу предлагаемой полезной модели положено повышение надежности пуска ДВС, уменьшение потребляемой от стартерной батареи электрической мощности и повышение среднепускового КПД привода.
Поставленная задача достигается тем, что устройство выполнено с возможностью осуществления пропорционально-дифференциального управления магнитным потоком стартерного двигателя в переходном режиме пуска, для чего оно дополнительно снабжено стабилизирующим трансформатором с защитным диодом от размагничивания стартерного двигателя. Устройство также дополнительно содержит два реле времени, дополнительный контактор и дополнительные контакты.
Одно из дополнительных реле времени обеспечивает создание постоянного магнитного потока возбуждения стартерного двигателя перед пуском (на приводимой далее фиг.1 оно обозначено 8). Второе дополнительное реле времени (далее на фиг.1 обозначено 9) необходимо для того, чтобы стабилизирующий трансформатор включался только на время пуска с целью уменьшения установленной мощности и массо-габаритных характеристик. Дополнительный контактор (далее на фиг.1 обозначен 7) обеспечивает шунтирование цепи трансформатора. Дополнительные контакты (далее на фиг.1 обозначены 72, 74) необходимы для обеспечения возможности выключения трансформатора.
На фиг.1 показана схема электрическая принципиальная пуска ДВС.
Схема содержит стартерный двигатель 1, стартерную батарею 2, контакторы 5, 6, 7 (катушка контактора 6 не показана) с главными контактами в силовой цепи 51, 61, 72, в цепи независимого возбуждения 62, 74, в цепи управления 71, 73, реле времени 8, 9, с контактами в цепях управления 81, 91, стабилизирующий трансформатор 3, рубильник 10, диод защиты от обратного тока 4, диод защиты от размагничивания стартерного двигателя 31, резистор задания тока возбуждения 32 и кнопку пуска 98.
Стартерный двигатель снабжен обмоткой якоря 11, последовательной 12, независимой 13 и компенсационной обмоткой 14.
В случае применения схемы для запуска дизеля тепловоза с электропередачей, в качестве стартерного двигателя используют главный генератор.
Питает стартерный двигатель 1 стартерная батарея 2, которая подключена последовательно с первичной обмоткой стабилизирующего трансформатора 3, обмоткой якоря 11, последовательной 12 и компенсационной обмоткой 14.
Описание схемы электрической принципиальной
Силовая цепь
К стартерной батарее подключен двухполюсный рубильник 10, к положительной клемме которого присоединен анод защитного диода 4. К катоду диода 4 последовательно включены нормально открытый контакт 51 пускового контактора 5, первичная обмотка стабилизирующего трансформатора 3, параллельно которой включен нормально закрытый шунтирующий контакт 72 вспомогательного контактора 7, обмотка якоря стартерного двигателя 11, последовательная 12 и компенсационная обмотка 14. Последовательно с компенсационной обмоткой 14 включены нормально открытый контакт 61 контактора 6 (не показан) и второй контакт двухполюсного рубильника 10, который присоединен к отрицательной клемме стартерной батареи 2.
Цепь независимого возбуждения
К катоду защитного диода 4 присоединен нормально открытый контакт 62 контактора 6 (не показан) с которым последовательно включены вторичная обмотка стабилизирующего трансформатора 3, диод защиты от размагничивания 31, задающий резистор 32 и независимая обмотка 13 стартерного двигателя 1. Последняя присоединена к нормально открытому контакту 61 и связана с отрицательной клеммой стартерной батареи 2 через рубильник 10. Параллельно вторичной обмотке стабилизирующего трансформатора 3 и контакту 62 включен нормально закрытый контакт 74 вспомогательного контактора 7.
Цепи управления
К положительной клемме стартерной батареи 2 через двухполюсный рубильник 10 и кнопку пуск 98, параллельно которой включен нормально открытый контакт 73 вспомогательного контактора 7, присоединен нормально закрытый контакт 91 реле времени 9, последовательно с которым включена катушка вспомогательного контактора 7, присоединяемая к отрицательной клемме стартерной батареи 2 через второй контакт рубильника 10.
К отрицательной клемме стартерной батареи 2 через рубильник 10 подключена катушка пускового контактора 5, последовательно с которой включен нормально открытый контакт 81 реле времени 8. Непосредственно катушки реле времени 8 и 9 включены параллельно. Через нормально открытые контакты 71, 62, защитный диод 4 и нормально открытый контакт 61 данная цепочка через рубильник 10 подключена к стартерной батарее 2.
Процесс пуска протекает следующим образом. После прокачки масла в циркуляционной системе смазки ДВС маслопрокачивающим насосом (не показан) в течении 30-50 с происходит срабатывание контактора 6 (не показан) и замыкаются нормально открытые контакты 61, в силовой цепи, и 62 в цепи независимого возбуждения. Непосредственно перед пуском включают рубильник 10 и нажимают кнопку пуска 98, поэтому катушка вспомогательного контактора 7 оказывается подключенной к стартерной батарее 2 через нормально закрытый контакт 91 реле времени 9. Вспомогательный контактор 7 встает на самопитание через свой нормально открытый вспомогательный контакт 73. Таким образом, к моменту замыкания контакта 61 нормально замкнутые контакты 72, 74 разомкнуты, а нормально открытые контакты 71, 73 -замкнуты. В момент замыкания нормально открытого контакта 62, происходит подача питания на реле времени 8 и 9 и обмотку независимого возбуждения 13 стартерного двигателя 1 через вторичную обмотку
стабилизирующего трансформатора 3, защитный диод 31 и резистор 32. Происходит нарастание тока возбуждения до значения, которое определяется задающим резистором 32. При этом в стартерном двигателе 1 создается постоянный магнитный поток.
После выдержки времени, определяемой реле времени 8, которое необходимо для достижения током независимой обмотки своего установившегося значения, замыкается нормально открытый контакт 81 и включает катушку пускового контактора 5, через предварительно подготовленные цепи управления маслопрокачивающей системы (не показаны). Замыкается контакт 51 в силовой цепи и происходит нарастание тока якоря. На вторичной обмотке стабилизирующего трансформатора 3 формируется напряжение пропорциональное производной от тока якоря, протекающего через его первичную обмотку. При этом происходит увеличение тока в независимой обмотке возбуждения 13, благодаря чему магнитный поток стартерного двигателя 1 не спадает до нуля, вследствие магнитной связи между последовательной обмоткой 12 и обмоткой независимого возбуждения 13. После того как ток якоря достигает максимального значения, а его производная станет равной нулю, закрывается диод 31, предотвращая протекание тока возбуждения в обратном направлении и снижение магнитного потока, создаваемого обмоткой независимого возбуждения 13.
После выдержки времени срабатывает реле времени 9, которое нормально закрытым контактом 91 разрывает цепь питания вспомогательного контактора 7. Контакты 71 и 73 размыкаются, обеспечивая отключение реле времени 8, 9 и катушки контактора 7. Одновременно замыкаются нормально закрытые контакты 72, 74 и шунтируют первичную и вторичную обмотки стабилизирующего трансформатора 3.
Время установки реле времени 9 определяется как сумма времени, необходимого для достижения током независимой обмотки возбуждения
своего установившегося значения (это время установки реле 8) и времени протекания тока якоря через нагрузку.
Включение стабилизирующего трансформатора 3 лишь на время пуска необходимо с целью снижения его установленной мощности и массогабаритных показателей.
Во время действия стабилизирующего эффекта трансформатора 3 требуемый электромагнитный момент стартерного двигателя 1 создается за счет усиления его магнитного потока и пропорционального снижения тока якоря. При этом максимальное значение тока разряда стартерной батареи 2 резко сокращается. Этим достигается повышение эксплуатационного ресурса батареи при требуемом времени пуска.
Устройство стабилизации магнитного потока позволяет уменьшить потребляемую от стартерной батареи 2 электрическую мощность и повысить среднепусковой КПД привода. Этим достигается повышение надежности пуска ДВС, особенно при низких температурах окружающего воздуха.