УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОСТАРТЕРНОГО ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Устройство электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания
Полезная модель относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания, в том числе высокооборотных V-образных дизелей мощностью от 750 до 1000 кВт, используемых в автомобилях и гусеничных машинах средней и тяжелой категории по массе.
Известны стартер-генераторы инерционного типа, например по авторским свидетельствам СССР №1331436 и №1562514, где электродвигатель, запитываемый от аккумуляторной батареи, приводит во вращение маховик, который затем входит в зацепление с валом двигателя. Такие устройства имеют сложную конструкцию, при этом для электропитания бортовой сети машины и подзарядки аккумуляторной батареи требуется установка генератора.
Известно устройство электростартерного пуска по патенту RU 2123130. Устройство содержит маховик двигателя, являющийся ротором стартер-генератора, статор, расположенный соосно с маховиком, закрепленным на картере. По торцам маховика закреплены полюсные кольца с когтевыми полюсами. С обоих сторон маховика расположены управляющие обмотки. При работе в режиме стартера на трехфазную обмотку статора подается трехфазный ток повышенной частоты от преобразователя. После запуска двигателя статорная обмотка отключается от преобразователя и подключается к выпрямителю. Стартер-генератор переключается на работу в режиме генератора. При этом на управляющие обмотки подается напряжение от аккумулятора для создания подмагничивающего поля. Для регулирования напряжения генератора в диапазоне от 12 до 14 вольт управляющая обмотка подключается к регулятору напряжения.
Основным недостатком известного устройства являются его ограниченные функциональные возможности.
Известно устройство электростартерного пуска по патенту RU 2265133, принятое за прототип. Известное устройство содержит маховик двигателя, являющийся ротором стартер-генератора, датчик положения ротора, постоянные магниты, расположенные на роторе, пакет обмоток статора, установленный на картере двигателя соосно маховику и коленвалу. На выходе стартер-генератора введен высоковольтный преобразователь напряжения, управляющий вход которого связан с контроллером через регулятор напряжения. В устройство также включены трехфазный мостовой инвертор, фильтр, выпрямитель, аккумуляторная батарея. В режиме стартера ток с аккумуляторной батареи через выпрямитель (диод) и инвертор подается на обмотки статора, при этом по сигналу с датчика положения ротора контроллер переключает обмотки статора. После запуска двигателя контроллер закрывает ключи в инверторе и режим стартера выключается. Инвертор начинает работать в режиме трехфазного мостового выпрямителя и таким образом осуществляется перевод электрической машины в режим генератора. По сигналу контроллера включается регулятор напряжения. С его выхода сигнал поступает на силовой ключ преобразователя напряжения, который преобразует напряжение с выхода генератора, стабилизирует его до величины напряжения бортовой сети машины и подает его в бортовую сеть. Основным недостатком прототипа, как и предыдущего аналога, являются его ограниченные функциональные возможности.
Задачей и техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат достигается тем, что в устройстве электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания, содержащем маховик двигателя, являющийся ротором стартер-генератора, расположенные на роторе постоянные магниты, датчик положения ротора, статор, расположенный соосно маховику и коленчатому валу двигателя и закрепленный на картере двигателя, трехфазные обмотки статора,
аккумуляторную батарею, электронный блок, включающий инвертер-выпрямитель, реверсивный преобразователь напряжения, модуль управления, согласно полезной модели, устройство снабжено датчиками температуры фазных обмоток статора в виде терморезисторов по одному на каждую фазу, электронный блок снабжен выходом для подключения сварочного аппарата, портом для подключения компьютера и портом с интерфейсом RS-485.
К электронному блоку может быть подключена система управления двигателем.
К электронному блоку может быть подключен компьютер.
В качестве датчика положения ротора применен резольвер, имеющий одну входную обмотку возбуждения и две выходных обмотки: синусную и косинусную
К устройству электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания подключен емкостный накопитель электрической энергии.
Статор стартер-генератора снабжен рубашкой, предназначенной для циркуляции в ней охлаждающей жидкости.
Снабжение устройства электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания датчиками температуры фазных обмоток статора в виде терморезисторов по одному на каждую фазу позволяет оператору контролировать рабочую температуру обмоток статора, что обеспечивает дополнительные функции при запуске двигателя, т.е. расширяет функциональные возможности устройства.
Снабжение электронного блока выходом для подключения сварочного оборудования, портом для подключения компьютера и портом с интерфейсом RS-485 также способствует расширению функциональных возможностей устройства.
Подключение системы управления двигателем к электронному блоку устройства позволяет управлять электронным блоком, а именно подавать команду на запуск стартера, на перевод его в режим генератора, на работу устройства от внешнего источника электроэнергии, на работу инвертора и
преобразователя напряжения в режиме сварки, на передачу диагностических данных от датчиков.
Подключение к электронному блоку устройства компьютера облегчает работу наладчиков на этапе наладки устройства и обеспечивает диагностику устройства, дополняя его функциональные возможности.
На фиг. 1 показан общий вид двигателя со стартер-генератором.
На фиг. 2 показана схема устройства электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания.
Схема контурными линиями разбита на функциональные блоки, имеющие следующие цифровые и буквенные обозначения:
- электромагнитный преобразователь (ЭМП), включающий стартер-генератор (СГ) - 1;
- электронный блок управления (БУСГ) - 2;
- ротор - 3;
- датчик положения ротора (ДПР) - 4;
- статор - 5;
- трехфазные обмотки статора - 6;
- аккумуляторная батарея (АБ) - 7;
- модуль коммутатора (МК) - 8;
- инвертор-выпрямитель (ИВ) - 9;
- реверсивный преобразователь напряжения (ПН) - 10;
- модуль управления (МУ) - 11;
- датчик температуры трехфазных обмоток статора - 12;
- система управления двигателем (СУД) - 13;
- компьютер (ЭВМ) - 14;
- сварочный аппарат - 15;
- емкостный накопитель электроэнергии (Н) - 16;
- бортовая сеть (БС) - 17;
- внешний источник питания (ВИП) - 18.
Устройство электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания состоит из стартер-генератора 1 (т.е. электромеханического преобразователя ЭМП), размещенного со стороны отбора мощности, соосно с коленчатым валом (вал на схеме не показан), и электронного блока управления 2 (БУСГ). Устройство электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания содержит маховик двигателя, являющийся ротором 3 стартер-генератора 1, расположенные на роторе 3 постоянные магниты (на схеме не показаны), датчик 4 положения ротора 3, статор 5, расположенный соосно маховику и коленчатому валу двигателя и закрепленный на картере двигателя, трехфазные обмотки 6 статора 5, аккумуляторную батарею 7, электронный блок 2, включающий инвертер-выпрямитель 9, реверсивный преобразователь напряжения 10, модуль управления 11. Устройство снабжено датчиками 12 температуры фазных обмоток статора 5 в виде терморезисторов по одному на каждую фазу. К электронному блоку 2 подключены система управления двигателем 13 и компьютер 14. Электронный блок 2 снабжен выходом для подключения сварочного аппарата 15, портом (на схеме не показан) для подключения компьютера 14 и портом (на схеме не показан) с интерфейсом RS-485.
Устройство также содержит емкостный накопитель 16 (Н). К схеме подключена бортовая сеть 17 (БС).
Стартер-генератор 1 представляет собой трехфазную многополюсную синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов, которая при пуске двигателя внутреннего сгорания работает в режиме вентильного двигателя (ВД), а при работающем ДВС - в режиме синхронного генератора. Радиально намагниченные постоянные магниты, образующие полюса машины, расположены на внешней поверхности ротора 3. Якорная обмотка уложена в пазы, расположенные на внутренней поверхности статора 5. В пазах статора 5 располагаются датчики температуры 12 (Дтемп1, Д темп2, Д темп3) фазных обмоток 6, представляющие собой терморезисторы, по одному на каждую
фазу. Сигналы с датчиков температуры 12 (Хтемп) поступают в модуль управления 11 (МУ) электронного блока 2 (БУСГ).
На роторе 3 стартера расположен датчик положения 4 (ДПР), представляющий из себя резольвер, имеющий одну входную обмотку 6 возбуждения (gen) и две выходных обмотки 6: синусную (sin) и косинусную (cos). По сигналам датчика 4 положения ротора (Хдпр) осуществляется переключение фаз стартер-генератора 1 при работе в режиме стартера. За формирование и обработку сигналов резольвера отвечает модуль управления 11 электронного блока 2 (БУСГ).
Стартер-генератор 1 имеет жидкостное охлаждение. Охлаждающая жидкость низкотемпературного контура циркулирует через рубашку (на схеме не показана) охлаждения статора 5 стартер-генератора 1.
Блок управления 2 (БУСГ) предназначен для питания обмоток электромеханического преобразователя, управления электромагнитным преобразователем (ЭМП) при работе в режиме стартера, а также для преобразования переменного напряжения на выходе электромагнитного преобразователя в постоянное напряжение заданного уровня при работе стартер-генератора в режиме генератора.
Электронный блок 2 имеет вход для подключения внешнего источника питания 18 (ВИП), выход для подключения сварочного аппарата 15, порт для подключения компьютера 14 на этапе отладки и диагностики (ЭВМ), порт с интерфейсом RS-485 для связи с системой управления двигателем 13 (СУД).
Инвертор-выпрямитель 9 (ИВ) и реверсивный преобразователь напряжения 10 (ПН) на схеме выделены в блок - модуль коммутатора 8 (МК). Инвертор-выпрямитель 9 обеспечивает преобразование постоянного напряжения аккумуляторной батареи (Uaб) в переменное напряжение (Uэмп) для питания электромагнитного преобразователя 1 в режиме стартера. В генераторном режиме инвертор-выпрямитель 9 обеспечивает выпрямление переменного напряжения на обмотках (Uэмп) электромагнитного
преобразователя 1. Преобразователь напряжения 10 обеспечивает понижение выпрямленного напряжения на выходе инвертора-выпрямителя 9 и его стабилизацию в заданных пределах при работе стартер-генератора в режиме генератора. Кроме того модуль коммутатора 8 обеспечивает усиление и формирования сигналов управления ключами инвертора-выпрямителя 9 и преобразователя напряжения 10 (Yив, Yпн), поступающих от модуля управления 11, осуществляет контроль режима работы силовых ключей, отключение силовых ключей при аварийных режимах работы, сбор диагностической информации для последующей передачи в модуль управления 11 (сигналы Siив, Suив, Siпн, Suпн).
Модуль управления 11 (МУ) обеспечивает ввод и обработку внешних входных сигналов: сигналов от системы управления двигателем 13 (СУД), сигналов с датчиков 4 положения ротора (Хдпр), сигналов с датчиков 12 температуры обмотки статора (Хтемп), а также сигналов, поступающих из внутренних цепей электронного блока 2: с датчиков токов и напряжений фаз, зарядного тока и напряжения аккумуляторной батареи 7, тока бортовой сети (Siив, Suив, Siпн, Suпн); формирование и вывод управляющих сигналов для переключения силовых ключей модуля коммутатора 8 (Yив, Yпн), формирование и вывод сигнала возбуждения датчиков положения ротора 4 (ДПР), формирование и вывод сигналов для системы управления двигателем 13 (Худ). Сигналы управления силовыми ключами (Yив, Yпн) передаются от модуля управления 11 на соответствующие входы модуля коммутатора 8.
С диагностических выходов модуля коммутатора 8 сигналы по шинам Siив, Suив, Siпн, Suпн поступают на входы модуля управления 11. Сигналы для системы управления двигателем 13 передаются по линии связи RS-485. При осуществлении наладки и диагностики электрооборудования стартер-генератора возможно подключение модуля управления 11 к персональному компьютеру 14 по интерфейсу USB.
Для гарантированного запуска в любых условиях устройство оснащается емкостным накопителем электроэнергии 16 (Н), имеющим низкое внутреннее сопротивление и способным быстро отдавать запасенную энергию. При низких температурах окружающей среды уменьшается эдс аккумуляторной батареи 7 и увеличивается ее внутреннее сопротивление. При этом отдаваемой батареей мощности может оказаться недостаточно для запуска ДВС. Накопитель 16 (Н) постоянно подзаряжается от аккумуляторной батареи 7, а при старте работает совместно с ней.
Накопитель 16 состоит из набора супер-конденсаторов напряжением 2,7 В и емкостью 3000 Ф каждый, количеством 12 шт. Данные конденсаторы соединены последовательно.
Аккумуляторная батарея 7 (АБ) представляет из себя четыре аккумулятора 12СТ-140Р, соединенных последовательно-параллельно для получения напряжения 24 В.
Система управления двигателем 13 (СУД) управляет электронным блоком 2: выдает команды на запуск стартера, на перевод в режим генератора, на работу от внешнего источника и в режиме сварки, на передачу диагностических параметров из модуля управления (МУ).
Устройство электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
После включения питания накопитель 16 заряжается от бортовой сети до заданного напряжения. По команде от системы управления двигателем 13 (СУД) на запуск ДВС модуль управления 11 переводит стартер-генератор 1 в режим в вентильного двигателя. Питание обмоток электромагнитного преобразователя при этом осуществляется от аккумуляторной батареи 7 (Uaб) и подключенного параллельно ей накопителя 16. В соответствии с сигналами от датчика 4 углового положения ротора (Хдпр) модулем управления 11 формируются сигналы управления (Yив) силовыми ключами ИВ модуля коммутатора 8. При этом на обмотках ЭМП формируется синусоидальное трехфазное напряжение. Ротор 3 ЭМП начинает вращаться и вращает
коленчатый вал ДВС. С помощью модуля управления 11 по сигналам Хдпр, Siив, Suив осуществляется вычисление электромагнитного момента, развиваемого вентильным двигателем. Падение его до нуля или изменение знака показывает, что ДВС начал работу. Если же по достижению определенного значения скорости вращения коленчатого вала (информация о скорости вращения также поступает от датчика 4 углового положения ротора) ДВС не завелся, модуль управления 11 прекращает выдавать команды переключения силовых ключей модуля коммутатора 8, ЭМП останавливается и попытка старта повторяется. Если ДВС перешел в рабочий режим, то с помощью модуля управления 11 ЭМП переводится в режим генератора. При этом инвертор-выпрямитель 9 модуля коммутатора 8 в соответствии с сигналами Yив модуля управления 11 осуществляет функции преобразования переменного напряжения в постоянное. Реверсивный преобразователь напряжения 10 модуля коммутатора 8 в соответствии с сигналами Yпн модуля управления 11 стабилизирует выпрямленное напряжение на уровне напряжения бортовой сети, осуществляя питание потребителей бортовой сети 17 и заряд аккумуляторной батареи 7. Модуль управления получает информацию с датчиков токов силовых ключей, напряжения и тока заряда аккумуляторной батареи, тока бортовой сети (сигналы Siив, Suив, Siпн, Suпн) и, при отклонении этих параметров от заданных, корректирует работу преобразователя напряжения 10.
При работающем ДВС возможно использование стартер-генератор в качестве источника питания сварочного аппарата. Для этого в электронном блоке управления 2 предусмотрен специальный выход с напряжением Uсв, поступающим от модуля коммутатора 8.
При необходимости можно осуществить запуск ДВС, подавая питание на стартер-генератор от внешнего источника с напряжением Uвип, подключаемого через специальный вход БУСГ, параллельно аккумуляторной батарее 7.
Во всех режимах работы стартер-генератора осуществляется диагностика его состояния. Для этого дополнительно в модуль управления 11 поступает информация о температуре фазных обмоток ЭМП (Хтемп) и параметрах работы силовых ключей модуля коммутатора 8 (Siив, Suив, Siпн, Suпн), по которой восстанавливаются осциллограммы фазных токов и напряжений и осуществляется их сравнение со стандартными. Кроме того, модулем управления 11 осуществляется расчет электромагнитного момента, который должен находиться в допустимых пределах. При отклонении сигналов датчиков 12 от нормы модуль управления 11 прекращает подачу управляющих сигналов коммутации силовых ключей модуля коммутатора 8 (Yив, Yпн), электромагнитный преобразователь (ЭМП) отключается от бортовой сети 17. Информация о результатах диагностирования передается в систему управления двигателем 13 (сигнал Худ).
На этапе наладки и диагностирования стартер-генератора возможен обмен диагностической информацией и управляющими сигналами между электронным блоком 2 и внешней ЭВМ 14 (сигналы Хэвм, Yэвм). Внешняя ЭВМ 14 подключается к специальному порту электронного блока 2 (БУСГ) посредством интерфейса USB.