Параллельное соединение обмоток статора стартера
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 19.09.2024
Автомобильный стартер — это электродвигатель постоянного тока, электромагнитное тяговое реле и привод — шестерня с обгонной муфтой, а иногда и с редуктором. Статор электродвигателя обычно четырехполюсный — с электромагнитной обмоткой возбуждения или с постоянными магнитами. Тяговое реле управляет силовыми контактами стартера и сцепляет шестерню привода с зубчатым венцом маховика двигателя. Роликовая обгонная муфта передает крутящий момент только от стартера к маховику.
Первые российские тяговые реле были с одной обмоткой — такие после срабатывания потребляли неоправданно большой ток (для удержания реле включенным нужен гораздо меньший). Современные реле, как правило, имеют две обмотки — втягивающую и удерживающую. При подаче питания на реле сначала работают обе, а после замыкания силовых контактов стартера втягивающая обесточивается, остается включенной лишь удерживающая.
У стартера с электромагнитным возбуждением есть любопытная особенность. Если подать на его контакты ток обратной полярности, якорь станет вращаться в прежнюю сторону — ведь ток в обмотках статора тоже изменится на обратный. Выходит, при проверке такого стартера полярность можно не соблюдать: он будет работать даже при питании током переменного напряжения 12 В.
В современных компактных стартерах четырехщеточный якорь вращается в магнитном поле постоянных магнитов. Отсутствие электромагнитного возбуждения позволяет экономней расходовать заряд АКБ.
Бывают и чисто механические проблемы. Так, при пусках в сильный мороз и чрезмерных температурных деформациях магниты могут отклеиться от статора и заклинить якорь. К счастью, эти случаи редки.
Схема соединений стартера с возбуждением постоянными магнитами: 1 — стартер в сборе с тяговым реле, где Я — якорь, М — постоянные магниты (2 шт.); К — силовые контакты стартера, замыкаемые тяговым реле 2; I и II — втягивающая и удерживающая обмотки тягового реле (напряжение его срабатывания не выше 8 В при температуре 15–25°С); 3 — генератор; 4 — АКБ. На схеме не показан планетарный редуктор, повышающий крутящий момент приводной шестерни в зацеплении с венцом маховика при сохранении оптимальных оборотов коленчатого вала — ныне весьма распространенное техническое решение.
Современный стартер с возбуждением от постоянных магнитов. Здесь 1 — корпус статора, остальные детали — те же, что и для стартера с электромагнитным возбуждением. Постоянные магниты — внутри корпуса. Держатся на клее, увы — без дополнительного подкрепления. Об этом говорит гладкий корпус, без намека на заклепки или винты. На более дорогих стартерах магниты подстрахованы на случай отклеивания дополнительными пружинными пластинами и т.п.
Если обмотка якоря электродвигателя и обмотка возбуждения подключены к различным источникам питания, данный двигатель называют двигателем с независимым возбуждением. Механические и электромеханические характеристики такого двигателя аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением (рис. 1), так как у него ток возбуждения Iв также не зависит от тока якоря Iя .
Из графиков, представленных на рис. 1, б и 1, в видно, что такие электродвигатели характеризуются малой зависимостью частоты вращения якоря от развиваемого вращающего момента, тогда как для стартерного электродвигателя предпочтительнее обратно пропорциональная зависимость между частотой вращения и развиваемым моментом в определенном интервале частот, характерных для режима пуска ДВС.
Последовательное возбуждение
В электродвигателях с последовательным возбуждением обмотка возбуждения подключается последовательно с обмоткой якоря, и поэтому ток в этих обмотках одинаковой величины: Iя = Iв (рис. 2). Следовательно, магнитный поток Ф двигателя является некоторой функцией тока якоря Iя .
Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При токе якоря Iя меньше 0,8…0,9 номинального тока якоря ( Iном ), когда магнитная система машины насыщена, можно считать, что поток линейно зависит от тока якоря Iя :
где kф – коэффициент пропорциональности, имеющий размерность индуктивности, остается практически постоянным в значительном диапазоне нагрузок.
При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф растет медленнее, чем ток якоря, и при больших нагрузках можно считать величину потока Ф постоянной. В этом случае скоростная и моментальная характеристики становятся линейными аналогично характеристикам двигателя с независимым возбуждением.
где С4 – постоянная.
Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах, что характерно для пуска ДВС, мощность Рс , а следовательно, и электрическая мощность Рэ = IяUя , и ток Iя у двигателей с последовательным возбуждением изменяются в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением. Кроме того, они лучше переносят перегрузки.
В электродвигателе со смешанным возбуждением (рис. 3) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения (рис. 3, а): параллельной (ОВ1) и последовательной (ОВ2). Поэтому его механическая характеристика (рис. 3, в; кривые 3, 4) располагается между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением.
Таким образом, в стартерах используются двигатели постоянного тока с последовательным и (в отдельных случаях) со смешанным возбуждением.
На рис. 4 представлены схемы внутренних соединений некоторых стартеров отечественного производства.
Возбуждение от постоянных магнитов
В последние годы на стартерах стали применять электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, которые имеют пониженное энергопотребление вследствие отсутствия тока возбуждения. Однако такие стартеры имеют недостатки, характерные для электродвигателей с независимым (параллельным) возбуждением.
Кроме того, материал для изготовления постоянных магнитов пока еще очень дорогой, поэтому постоянные магниты вместо обмотки возбуждения в настоящее время используются только для небольших стартеров легковых автомобилей.
Использование в стартерных электродвигателях постоянных магнитов для возбуждения потока дает снижение нагрузки на аккумуляторную батарею при пуске ДВС в связи с тем, что такой электродвигатель имеет малый момент и потребляет малые токи.
Повышается возможность пуска двигателя при низких температурах, снижается выходная мощность при малых нагрузках. Кроме того, такие стартера имеют меньшие габариты, по сравнению со стартерами, имеющими обмотку возбуждения.
Однако высокая частота вращения, характерная для таких двигателей в любом нагрузочном режиме, а также относительно небольшой развиваемый вращающий момент повлекли применение на таких стартерах дополнительной механической передачи, уменьшающей частоту вращения якоря и увеличивающего вращающий момент, передаваемый коленчатому валу ДВС. Обычно в качестве дополнительной механической передачи используется планетарный зубчатый редуктор, конструкция которого отличается компактностью.
К недостаткам, присущим стартерам с возбуждением от постоянных магнитов можно добавить тяжелые условия работы муфты свободного хода и щеточно-коллекторного узла электродвигателя, повышенный шум из-за высокой частоты вращения и наличия редуктора. Применение стартеров с редукторами потребовало изменить технологию их изготовления. В частности, для увеличения механической прочности вращающихся частей стали применять более прочную изоляцию обмоток якоря, пайка соединений в главных цепях заменена сваркой, производится точная балансировка вращающихся частей и т. п.
К валу двигателя подключена нагрузка (то, что он должен крутить)
Если проверить как будет меняться момент двигателя по мере разгона нагрузки, то оказывается, что сначала, он самый большой, постепенно снижается.
Механическая характеристика электродвигателя с последовательным возбуждением.
Из характеристики видно, что пока двигатель не тронулся с места (обороты раны нулю) крутящий момент максимальный.
Это самое подходящее свойство для пуска тяжелых нагрузок. Момент должен быть максимальным именно тогда, когда нагрузка еще не сдвинулась с места. Дальше, по мере разгона, момент сопротивления снижается, поэтому момент электродвигателя способен поддерживать вращение нагрузки. Такие свойства подходят для многих случаев, когда надо сдвинуть с места, например, электропоезд, подъемный механизм и т. д.
Начало вращения двигателя внутреннего сгорания тоже тяжелый процесс. Детали двигателя имеют внушительную массу, а кроме того, двигатель сразу же начинает сжимать воздух в части цилиндров, поэтому провернуть его очень непросто.
Таким образом, для стартера нужно использовать двигатель с последовательным возбуждением. У него самый большой крутящий момент, пока он еще не тронулся с места.
Схема электродвигателя стартера с последовательным возбуждением
Обмотки возбуждения расположены вокруг якоря с минимальным зазором, чтобы создать сильное магнитное поле. Ток возбуждения и ток якоря это один и тот же ток, он сначала проходит через одну обмотку возбуждения, потом через вторую, потом через плюсовые щетки, связанные перемычкой, проходит чрез якорь на минусовые щетки.
Другой вариант, тоже последовательное возбуждение, только ток возбуждения разветвляется на две ветви.
Еще одна схема на которой показана полярность намагничивания
Двигатель с последовательным возбуждением имеет опасный недостаток
Если его раскрутить и отпустить (снять нагрузку) он начнет легко раскручиваться дальше, обороты вырастут настолько, что проводники центробежной силой выдернет из ротора, это печальный конец, стартер заклинит и его надо будет сдать в металлолом.
Коротко можно записать так: электродвигатель с последовательным возбуждением склонен к разносу.
Электродвигатель с смешанным возбуждением
Двигатель с параллельным возбуждением значительно хуже справится с началом вращения, но зато, он не боится разноса.
Компромиссное решение состоит в том, что для стартерного электродвигателя применяют смешанную схему возбуждения – основная обмотка последовательная и вспомогательная параллельная. Параллельная обмотка тоже помогает крутить электродвигатель, он она еще и не дает стартеру уйти в разнос.
В этой схеме ток от аккумулятора разветвляется, часть тока идет через левую обмотку возбуждения и последовательно идет через щетки в якорь. Другая часть тока идет через правую, параллельную обмотку возбуждения, сразу на минус.
Большая часть поздних схем стартеров с электромагнитным возбуждением сделаны именно по такой схеме.
Типовые схемы подключения трехфазного двигателя к однофазной сети
1. Однофазные асинхронные двигатели. Такие электрические двигатели спроектированы для работы от однофазной сети, для создания вращающегося магнитного поля в их конструкцию заложен ряд особенностей (однофазная и вспомогательная обмотка на статоре, экранированные полюса и др.);
2. Асинхронные двигатели с трехфазной обмоткой на статоре. Для подключения к однофазной сети такого двигателя обычно используется дополнительное устройство, которое обеспечивает преобразование однофазного напряжения в трехфазное.
Энергетические показатели асинхронных двигателей с трехфазной обмоткой на статоре выше, чем у однофазных.
Однофазные двигатели изготавливаются серийно с номинальной мощностью менее 1 кВт, поэтому для устройств с большей мощностью используются трехфазные асинхронные двигатели с преобразователем количества фаз. В большинстве случаев мощность трехфазных двигателей бытовых устройств, подключаемых к однофазной сети, не превышает 3 кВт.
Из всех разработанных многочисленными исследователями методов подключения асинхронного электродвигателя на практике чаще всего применяется два, называемые способами:
Оба они используют конденсаторный запуск, отличающийся доступной элементной базой.
Название каждого метода дано по способу подключения обмоток статора в сеть. Их схема уже была показана здесь: Однофазное подключение трехфазного двигателя. Узнать же, как они собраны в конкретном двигателе, можно с помощью таблички, смонтированной на корпусе.
Обычно даже на старых моделях можно разобрать способ соединения обмоток и напряжение сети, на которые они созданы. Такой информации можно доверять, если двигатель уже опробован в работе и к нему нет претензий. Но, даже в этом случае необходимо провести электрические замеры.
Содержание статьи
Как проверить схему подключения обмоток электродвигателя
Начнем с плохого варианта выполнения монтажа статорных обмоток, когда их концы на заводе не обозначены, а сборка нуля для схемы звезды выполнена внутри корпуса и выведена одной общей жилой. Придется разбирать корпус, снимать крышки, демонтировать внутреннее соединение, разводить провода.
Определение фаз статора
После того. как концы проводов разъединены используется омметр. Один его щуп подсоединяют к произвольному проводу, а другим находят его окончание по показаниям омметра. Также поступают с остальными фазами. Не следует забывать их маркировать или помечать каким-то доступным способом.
Вместо омметра можно использовать самодельные прозвонки, состоящие из батарейки с лампочкой и проводами.
Определение полярности обмоток
Для нахождения одинакового расположенных концов рекомендуется воспользоваться одним из двух способов:
1. подачей импульса постоянного тока;
2. подключением источника переменного напряжения.
Оба этих варианта работают за счет подачи электрического напряжения на одну обмотку и трансформации его в остальные через магнитопровод сердечника.
Метод проверки с помощью батарейки и вольтметра постоянного тока
Принцип работы показан на картинке.
На клеммы одной из обмоток следует подключить чувствительный вольтметр постоянного тока, способный реагировать на появление импульса. К другой обмотке кратковременно прикладывают напряжение определённым полюсом, например, плюсом.
В момент подачи импульса наблюдают показание вольтметра: возможно отклонение стрелки в положительную или отрицательную сторону. Движение ее к плюсу означает совпадение полярностей обеих обмоток (размыкание контакта — стрелка к минусу). Процедуру повторяют для третьей обмотки.
Сменой обмотки для подключения батарейки осуществляют контрольную проверку правильности маркировки.
Метод проверки переменным напряжением
Две произвольных обмотки подключают параллельно соединенными концами к вольтметру, а на третью подают напряжение от трансформатора. Контролируют показания вольтметра: при совпадении полярностей обеих обмоток на вольтметре будет отображаться значение источника ЭДС, а при нарушении — ноль.
Сменой положения трансформатора на другую обмотку и переключением цепей вольтметра осуществляют проверку полярности третьей фазы, а затем выполняют контрольный замер.
О том, как определить неисправности в обмотке смотрите здесь: Как проверить состояние обмотки асинхронного двигателя
Она обеспечивается схемой подключения обмоток, использующей три разных цепи — фазы, объединенные общей точкой, нейтралью.
Схему собирают после проверки полярности подключения обмоток статора внутри двигателя. Двухфазное напряжение 220 вольт фазой через автоматический выключатель подают на начала двух разных обмоток. К одной из них в разрыв врезают конденсаторы: пусковые и рабочие.
Ноль сети питания подводится на третий вывод звезды.
Емкость рабочих конденсаторов подбирают по эмпирической формуле:
С раб = (2800 · I)/U.
Для схемы пуска эту величину увеличивают в 2÷3 раза. В процессе работы двигателя под нагрузкой следует проверить соотношения токов в обмотках замерами и провести корректировку рабочих конденсаторов применительно к усредненным нагрузкам привода. Иначе будет происходить перегрев оборудования, ведущий к старению изоляции.
Здесь уже встроена пара замыкающих контактов, которые одновременно подают напряжение на две параллельно подключенные схемы нажатием на кнопку Пуск. Причем при отпускании этой кнопки одна цепочка разрывается. Этот контакт и используют для пусковой цепочки.
Общее отключение напряжения производят нажатием на кнопку Стоп.
Она повторяет алгоритм предыдущей схемы в части запуска, но отличается способом подключения обмоток статора.
Токи, протекающие в них, превышают значения для цепей звезды. Рабочие конденсаторы требуют больших номиналов. Их рассчитывают по следующему выражению:
С раб = (4800 · I)/U.
Правильность подбора конденсаторов тоже определяют по соотношению токов в обмотках статора контрольными замерами под нагрузкой.
Последовательное, параллельное и смешанное возбуждение в двигателях постоянного тока
Электродвигатель постоянного тока работает от источников постоянного тока. В электродвигателе происходит превращение электрической энергии в механическую.
Электрический двигатель постоянного тока состоит из ротора (якоря) и статора (индуктора, магнита, обмотки возбуждения). Статор может быть либо постоянным магнитом, либо электромагнитом.
Якорь во многих электродвигателях представляет собой проволочные петли, надетые на сердечник из мягкого железа, на котором реверсируется питание его обмотки (посредством коммутатора или управляющей электронной схемы).
Большинство двигателей, работающих на постоянном токе, имеют коммутатор, состоящий из коллектора и щеток. Щетки установлены на статоре и не вращаются, а коллектор соединен с катушкой установленной на роторе (якоре).
Современные бесколлекторные двигатели (или бесщеточные двигатели, BLDC) имеют якорь из постоянных магнитов и не имеют коллектора и щеток, а работают со специальной электронной схемой.
Якорь двигателя двигателя постоянного тока имеет очень низкое сопротивление. По этой причине при запуске двигателя последовательно с ним включается переменное сопротивление, которое выводится по мере того, как якорь набирает скорость.
Когда проводник с током вносится в магнитное поле, на него начинает действовать сила, зависящая от трех факторов: от напряженности поля, от величины тока и от длины проводника.
Сила, приводящая во вращение якорь электродвигателя, зависит от тех же трех факторов. При этом эффективная длина обмотки приблизительно равна удвоенной длине якоря, умноженной на число витков.
Двигатель постоянного тока в разобранном виде
Электромагнит двигателя постоянного тока можно возбудить тремя различными способами, и в каждом из этих способов возбуждения двигатель работает по-разному.
Обмотка электромагнита и якорь могут быть соединены тремя способами: последовательно (сериесное возбуждение), параллельно (шунтовое возбуждение) и смешанно (компаунд-возбуждение).
В электродвигателе постоянного тока с последовательным возбуждением весь ток проходит как через якорь, так и через обмотку электромагнита.
Следовательно, вращающий момент, действующий на якорь, изменяется пропорционально квадрату тока, поскольку крутящее усилие зависит от тока в якоре и от напряженности магнитного поля, которая линейно меняется в зависимости от тока в обмотке электромагнита.
В результате, когда действие большой нагрузки замедляет вращение якоря двигателя с последовательным возбуждением, так что обратная э. д. с. становится малой, то через якорь и обмотку электромагнита идет сильный ток, создающий значительную силу для вращения якоря.
Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением используются в трамваях, электровозах, автомобильных стартерах и в других машинах, которые работают в условиях быстро прикладываемых значительных нагрузок.
Обычно такие двигатели соединяются с приводимыми в движение машинами с помощью шестереночных, а не ременных передач, поскольку если при работе двигателя нагрузка на него резко снижается, то двигатель разгоняется до опасной скорости (они не имеют ограничения скорости) . На холостом ходу двигатель может работать на высоких оборотах, когда существует риск механического разрыва ротора с возможным травмированием оператора.
Современные технологии с преобразователем частоты позволяют полностью и в равной степени заменить такие двигатели на трехфазные асинхронные двигатели, а в последних разработках - на трехфазные синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе.
Обладая такой же мощностью и такими же характеристиками крутящего момента, они меньше, легче и позволяют рекуперацию энергии, если это позволяют условия эксплуатации источника питания.
Схема подключения электродвигателя
В двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением ток разветвляется, одна часть его идет через якорь, а другая — через обмотку электромагнита. При этом полный ток в обеих ветвях равен току, питающему двигатель.
В результате вращающий момент якоря пропорционален первой степени тока, тогда как в двигателях с последовательным возбуждением этот момент меняется как квадрат тока.
Когда якорь двигателя с параллельным возбуждением начинает вращаться медленнее при повышении нагрузки на двигатель, через якорь пойдет больший, а через обмотку электромагнита — меньший ток.
В результате вращающий момент останется неизменным. Поэтому двигатель в течение всего времени, пока к нему приложена нагрузка, будет работать на скорости, пониженной по сравнению с его холостым ходом.
Такое подключение двигателя позволяет независимо регулировать и определять ток в обмотке возбуждения статора и обмотке ротора (якорь). Это позволяет изменять скорость и крутящий момент двигателя.
Двигатели с параллельным возбуждением непригодны для больших нагрузок. По этой причине они находят применение в таких установках, где нагрузка постоянная и где требуется постоянная скорость вращения, например электрических вентиляторах, воздуходувках, жидкостных насосах и т. п.
Электродвигатели постоянного тока со смешанным возбуждением имеют две обмотки возбуждения (одну для параллельного включения, другую - для последовательного). Они не разгоняются при ослаблении нагрузки и вместе с тем пригодны для больших нагрузок. Почему это так, предоставляю объяснить читателю и поделиться своими идеями в комментарии к статье.
Двигатели этого типа применяются в подъемниках, штамповочных прессах и других машинах, где в начальный момент работы машины необходимы значительные усилия. Последовательное возбуждение во многих случаях выключается после набора двигателем определенной скорости.
Вопрос. Какого вида возбуждения двигатель постоянного тока показан на фотографии в статье?
Читайте также: