Конструкция, принцип действия характеристики и оценка технического состояния стартера

Цель работы: практическое применение знаний о стартере.

Задача работы: Изучить основные параметры стартера

Теоретические сведения и методические указания

 

Основным источником энергии на автомобиле при работающем двигателе является генератор. При неработающем – питание потребителей осуществляется от аккумуляторной батареи. В процессе эксплуатации автомобиля возможен режим, когда мощность подключенных потребителей превышает мощность генератора. В этом случае недостающую мощность компенсирует батарея, работающая параллельно с генератором.

В состав системы (рис.2.1) входят: генератор Г, регулятор напряжения бортовой сети РН, аккумуляторная батарея АБ и потребители, выраженные их суммарным сопротивлением RH. Другие обозначения, имеющиеся на рис.2.1: ОВ и СТ – обмотка возбуждения и статор генератора соответственно; ВБ – выпрямительный блок.

На рис.2.2 в одной системе координат показаны характеристики: UАБ =f1 (JБ) – вольт-амперная характеристика АБ (ВАХ); UГ = f2(JГ) – внешняя характеристика генератора переменного тока, работающего совместно с регулятором напряжения (ВАХ генератора).

Следует обратить внимание на то, что внешняя характеристика генератора, работающего в системе автоматического регулирования напряжения бортовой сети, идет практически параллельно оси токов до некоторого максимального значения JГmax. Эта величина зависит от настройки регулятора напряжения.

При параллельной работе генератора и АБ, в зависимости от величины нагрузки, возможны следующие состояния системы:

1. Двигатель автомобиля не работает, ротор генератора не вращается. В этом случае АБ отдает ток в нагрузку. Участок а – б ВАХ аккумуляторной батареи. При JH=0 напряжение бортовой сети UБС равно ЭДС батареи (точка Е).

2. Двигатель автомобиля работает, ротор генератора вращается JH=0. Напряжение UБС равно регулируемому Uрег, которое определяется установкой регулятора РН. Ток JГ весь идет на заряд J32 АБ (точка 1)

3. Нагрузка включена. Напряжение UБС равно регулируемому. Ток генератора JГ=J32+JH (точка 2). С увеличением нагрузки точка 2 будет перемещаться на характеристике UГ=f2(JГ). Ток J32 будет постоянным до момента JH+JГ>JГmax. Если нагрузка возрастает и дальше (точка 3), то ток зарядки J3 уменьшается, пока не станет равным нулю (точка 4). При такой нагрузке UБС=Е. Последующее увеличение нагрузки приведет к тому, что UБС станет меньше Е и нагрузку будут питать АБ и генератор совместно: JН=JГ+JР (точка 5).

Из приведенного анализа работы системы электроснабжения видно, что существуют режимы, когда АБ отдает энергию потребителям, а когда восстанавливает (подзаряжается). При этом мощность установленного на автомобиле генератора должна быть такой, чтобы обеспечивался положительный зарядный баланс батареи, т.е. количество электричества, полученное при заряде, должно полностью компенсировать количество электричества, отданное при разряде.

Важнейшим элементом системы электроснабжения является генератор. Генераторы могут быть постоянного и переменного тока. Первые из них в настоящее время не применяются на автомобилях из-за низких массагабаритных показателей. Название «генератор переменного тока» несколько условно и касается особенностей внутренней конструкции генератора, заключающийся в том, что она снабжена встроенным выпрямителем, и генератор питает потребителей уже выпрямленным однополярным напряжением. Принцип действия генератора поясняется рис.2.3.

Генератор представляет собой синхронную электрическую машину, принцип действия которой состоит в следующем.

При включении замка зажигания на обмотку возбуждения 5 подается ток через щетки 2 и токосъемные кольца 1. Этот ток, проходя по обмотке, создает магнитный поток Ф, рабочая часть которого распределяется по клювообразным полюсам ротора. Выйдя из полюсов, магнитный поток пересекает воздушный зазор δ между статором и ротором, проходит по обмотке 4 статора, еще раз пересекает воздушный зазор, входит в полюса другой полярности и замыкается через втулку и вал.

Обмотки 4 расположены в зубцах статора. При вращении ротора под каждым зубцом статора проходит попеременно то положительный, то отрицательный полюс ротора. Таким образом, магнитный поток, пересекающий обмотку статора, меняется по величине и направлению. При этом согласно закону электромагнитной индукции в обмотке статора будет наводиться ЭДС.

Форма и размеры полюсов статора и ротора выбраны так, что при вращении ротора магнитный поток меняется синусоидально. Тогда ЭДС статора также будет синхронно меняться по гармоничному закону и в нагруженной обмотке появится переменный электрический ток. В статоре автомобильного генератора расположена не одна, а три обмотки, соединенные в звезду, поэтому генератор генерирует трехфазный переменный ток, который выпрямляется трехфазным мостовым двухполупериодным выпрямителем.

Выходное напряжение генератора пропорционально величине ЭДС статорной обмотки, которая выражается формулой

 

E = 4,44 f w k is,                                                                                                (2.1)

 

где f ‑ частота вращения ротора; w – число витков обмотки статора; k ‑ постоянный коэффициент; is ‑ ток возбуждения ротора.

Если генератор имеет нагрузку JH, то фазное напряжение будет равно

 

U = 4,44 f w k is - Z0JH,                                                                                    (2.2)

 

где Z0 ‑ модуль полного сопротивления генератора.

Модуль полного сопротивления зависит от частоты f, активного сопротивления R, индуктивности L обмотки статора и выражается формулой

 

Z0 = .                                                                                (2.3)

 

Подставляя Z0 в предыдущую формулу, получим

 

U = 4,44 f w k is - JH · .                                               (2.4)

 

Анализируя это выражение, можно сделать выводы:

1. С увеличением нагрузки JH выходное напряжение генератора уменьшается (f, is = const).

2. С увеличением тока возбуждения iв выходное напряжение увеличивается (f, JH= const).

3. С увеличением скорости вращения ротора выходное напряжение увеличивается стремясь к некоторому пределу.

Поясним последний вывод. С увеличением частоты вращения ротора генератора и, следовательно, с увеличением частоты f индуцированного в обмотке статора переменного тока увеличивается индуктивное сопротивление обмотки статора  Вследствие этого с увеличением частоты вращения напряжение генератора увеличивается, асимптотически стремясь к некоторому предельному значению. На этом основано свойство самоограничения максимального тока генератора.

Регулирование напряжения бортовой сети автомобиля

Независимо от типа генератора в системе электроснабжения необходим регулирующий элемент, который должен менять ток возбуждения при изменении нагрузки и скорости вращения ротора. Совместно с генератором регулирующий элемент образует систему автоматического регулирования (САР) напряжения бортовой сети, структурная схема которой приведена на рис.2.1.

 

Рис.2.1. САР напряжения бортовой сети автомобиля

 

САР может быть выполнена на электромагнитных реле, электронно-механических или чисто электронных элементах. Ранее регуляторы строились только на реле, поэтому за такими устройствами закрепилось название «реле – регулятор». Такие регуляторы и до настоящего времени применяются в автомобилях старых моделей, например, электронно-механические работают в системах электроснабжения автомобилей ЗАЗ, ЛУАЗ, «Москвич» и др. Как и вся система, элементы САР могут строиться на разных физических принципах. В электронных регуляторах задающим элементом (ЗЭ) является стабилитрон, во всех остальных – пружина, удерживающая якорь реле. Элемент сравнения (ЭС) не имеет четкого конструктивного выражения. Он сравнивает выходное напряжение генератора (ОБ – объект регулирования) с величиной задающего воздействия. Усилители (УС) существуют только в электронных регуляторах. Исполнительным органом (ИО) в электронных регуляторах является транзистор, коллектор – эмиттерный переход которого включен последовательно с обмоткой возбуждения генератора. В регуляторах, выполненных на электромагнитных реле, исполнительный 1рган – контакты реле.

На рис.2.5 приведена принципиальная схема электроснабжения автомобиля с генератором типа Г 250, регулятором РР362 и аккумуляторной батареей 6СТ75. Такая схема применяется на автомобилях ГАЗ-53 А, ГАЗ – 52-04, некоторых моделях автомобилей «Москвич». Эта схема взята за основу при построении настоящей лабораторной работы.

Электронно-механический реле-регулятор (РР3Б2) содержит реле напряжения РН, реле защиты Р3 и транзистор VT1, который является исполнительным органом. Задающим элементом служит пружина, поддерживающая нормально закрытые контакты РН в замкнутом состоянии. После включения замка зажигания ВЗ до момента срабатывания реле РН, т.е. до достижения генератором регулируемого напряжения, схема находится в следующем состоянии.

База транзистора VT1 через резисторы R3, RT, RД и обмотку реле РН соединена с коллектором. Поэтому транзистор VT1 открыт и ток возбуждения идет по следующей цепи: клемма В3, защитный диод VD1, коллектор-эмиттерный переход транзистора VT1, клемма Ш, обмотка возбуждения ОВ, клемма М – масса. При увеличении напряжения генератора ток в катушке РН возрастает, влияя на величину магнитной силы, притягивающей к сердечнику якорь реле РН. Величина этой силы пропорционально квадрату напряжения бортовой сети UБС:

 

,                                                                                           (2.5)

где k – постоянный коэффициент.

Как только FM станет больше силы пружины, реле РН замкнет якорь. При этом контакт РН перейдет в положение 2. База транзистора окажется замкнутой на эмиттер. Транзистор запирается и ток возбуждения пойдет по цепи: клемма ВЗ, диод VD2, резисторы R1, RД, клемма Ш, обмотка возбуждения, масса. При закрытом транзисторе ток возбуждения составляет 100…150 мА, напряжение генератора уменьшается, сила пружины реле РН становится больше FM, контакт Р3 размыкается, РН замыкается. После этого описанный выше процесс повторяется, обеспечивая постоянство регулируемого напряжения.

При коротком замыкании клеммы Ш на массу (аварийный режим) обмотка реле защиты Р3 через нормально закрытые контакты РН оказывается включенной на полное напряжение бортовой сети. Реле Р3 срабатывает, контакты его замыкаются, база транзистора соединяется с эмиттером и транзистор закрывается, что предохраняет его от перегрузки током.

Преимущество электронно-механических регуляторов перед регуляторами, выполненными на электромагнитных реле, заключается в том, что контакты РН, будучи нагружены малым током базы транзистора, не подгорают и не изнашиваются. Кроме того, величина тока возбуждения определяется лишь характеристиками транзистора и не влияет на работоспособность контактов.

Недостатком электронно-механических регуляторов является нестабильность регулируемого напряжения, т.к. вследствие старения меняются характеристики возвратной пружины реле РН. Поэтому в эксплуатации данный регулятор должен периодически проверяться.

Содержание работы

1. Изучить принцип действия и конструкцию генератора.

2. Изучить электрическую схему контактно-транзисторного регулятора напряжения бортовой сети.

3. Снять зависимости: тока генератора JГ, тока аккумуляторной батареи JАБ, тока возбуждения JВ, напряжения бортовой сети UБС от скорости вращения вала генератора при отключенной нагрузке и заданной установке регулятора напряжения.

4. Изменить установку напряжения генератора (выполняет преподаватель) и повторить пункт 3.

5. Подключить к генератору нагрузку и снять зависимости по пункту 3.

Работа выполняется на испытательном стенде модели КИ–968.

Порядок выполнения работы

Перед началом работы преподаватель знакомит студентов с назначением, выполняемыми функциями, конструкцией стенда и правилами техники безопасности при работе на нем.

1. Для записи полученных впоследствии экспериментальных данных студентам необходимо заготовить табл.2.1 – 2.3 по приведенной ниже форме.

 

Таблица 2.1

Частота вращения вала генератора, n, мин-1	Нагрузка отключена. Уставка 1UБС= В
	Ток генератора JГ,А	Ток АБ JАБ,А	Ток возбуждения JВ,А	Напряжение бортовой сети, UБС,В

 

Таблица 2.2

Частота вращения вала генератора, n, мин-1	Нагрузка отключена. Уставка 2UБС= В
	Ток генератора JГ,А	Ток АБ JАБ,А	Ток возбуждения JВ,А	Напряжение бортовой сети, UБС,В

 

Таблица 2.3

Частота вращения вала генератора, n, мин-1	Нагрузка включена. Уставка UБС= В
	Ток генератора JГ,А	Ток АБ JАБ,А	Ток возбуждения JВ,А	Напряжение бортовой сети, UБС,В

 

2. Включить привод стенда на левое направление вращения вала генератора (если гайка крепления шкива генератора имеет правую резьбу) и, задавая скорость вращения вала генератора 600, 800, 1100, 1400, 1700, 2000, 2300 мин-1, регистрировать показания контрольных приборов, записывая результаты измерений в табл. 2.1. При этом переключатель вольтметра стенда поставить в положение «Генератор» и записывать величину постоянного напряжения. Ток батареи надо записывать с учетом знака: зарядный «+», разрядный «-». Ток генератора определяется как алгебраическая сумма всех остальных токов. Так как точность используемых в работе амперметров неодинакова, то, учитывая, что ток генератора не может быть отрицательным, на малых оборотах вала генератора следует корректировать показания грубых амперметров по более точным, например, ток батареи по току возбуждения. По окончании снятия характеристик генератора, работающего на аккумуляторную батарею, снизить частоту вращения вала генератора до минимальной частоты и выключить привод стенда.

Величина установки напряжения, поддерживаемого регулятором, определяется с помощью вольтметра, с того момента, когда якорь реле РН начнет совершать колебательные движения.

3. Изменить величину уставки и повторить п.2. Полученные экспериментальные данные заносятся в табл.2.2.

4. Включить рубильником внешнюю нагрузку и, повторяя операции, перечисленные в п.2, снять характеристики генератора, работающего совместно с аккумуляторной батареей на внешнюю нагрузку. Результаты измерений записать в табл.2.3. Величина тока нагрузки при испытании задается преподавателем.

Рис.2.2. Пример расположения графиков:

UБС – напряжение бортовой сети; Jг, JН, Jаб, JВ – токи генератора, нагрузки, батареи и возбуждения, соответственно; а – без нагрузки; б– с нагрузкой

 

5. Выключить аккумуляторную батарею и отключить стенд от сети настенным рубильником.

6. Пользуясь табличными данными, построить графики рабочих характеристик генератора. При этом все характеристики, относящиеся к режиму работы генератора без нагрузки, должны строиться на одной системе координат, а характеристики, относящиеся к режиму работы генератора совместно с АБ на внешнюю нагрузку, на другой такой же системе координат. Масштабы всех напряжений и токов должны быть одинаковыми между собой.

Примеры расположения графиков приведены на рис.2.2, а,б.

Контрольные вопросы

5. Из каких основных узлов состоит система электроснабжения автомобиля?

6. В каких режимах работы системы электроснабжения аккумуляторная батарея отдает ток в нагрузку?

7. В каких режимах работы системы электроснабжения ток зарядки аккумуляторной батареи равен нулю?

8. Поясните действия генератора переменного тока.

9. Почему генераторы современных автомобилей обладают свойствами самоограничения максимального тока?

10. Для чего предназначен регулятор напряжения бортовой сети и на каких элементах он может быть построен?

11. С помощью какого элемента задается напряжение бортовой сети и контактно-транзисторных регуляторов?

12. Поясните принцип действия контактно-транзисторного регулятора напряжения бортовой сети.

13. Почему контакты реле в контактно-транзисторном регуляторе не подгорают?

14. Что произойдет с контактно-транзисторным регулятором РР362, если обмотка возбуждения генератора окажется замкнутой накоротко?

15. В каком случае напряжение генератора растет с увеличением частоты вращения быстрее: в режиме с нагрузкой или без?

16. Чем можно объяснить смещение максимума тока возбуждения в сторону большей частоты вращения вала генератора в режиме с нагрузкой, по сравнению с режимом без нагрузки?

17. Что представляет собой статорная обмотка генератора?

18. Как устроен ротор генератора Г-250?

19. Как устроен и где установлен выпрямитель генератора Г‑250?

20. При какой частоте вращения вала генератора ток батареи меняет свое направление в режиме без нагрузки и в режиме с нагрузкой?

21. Какой источник тока питает обмотку генератора при малой частоте вращения вала генератора, при большой частоте?

22. При какой частоте вращения вала генератор начинает питать потребители током?

23. При каком соотношении напряжения батареи и собственного напряжения генератора на выходе его выпрямителя появляется ток?

Основная литература: ОЛ1ОЛ2

Дополнительная литература: ДЛ5ДЛ6

Практическая работа № 3