Характеристики электростартеров поршневых двигателей

Свойства электростартеров оцениваются по рабочим и механическим характеристикам. Рабочие характеристики представляются в виде зависимостей напряжения U_ст на выводах стартера, полезной мощности Р₂ на валу, полезного вращающего момента М₂, частоты вращения якоря n_a и КПД стартерного электродвигателя η_ст от силы тока якоря I_а (рис. 1).



При вращении якоря в его обмотке индуктируется ЭДС, которая вычисляется по формуле





где с_е - постоянная электрической машины, не зависящая от режима ее работы.

При электроснабжении стартера от аккумуляторной батареи ЭДС определяется таким образом:



где U_н - номинальное напряжение аккумуляторной батареи; R_a&summ; - суммарное сопротивление цепи якоря; R_пр - сопротивление стартерной сети; R_б - сопротивление аккумуляторной батареи; R_a - сопротивление обмотки якоря электростартера; R_c - сопротивление последовательной обмотки возбуждения электростартера.

С уменьшением нагрузки электродвигателя с последовательным возбуждением величина магнитного потока Ф падает, а частота вращения якоря n_а быстро возрастает до значения n_а0, соответствующего силе тока холостого хода I_а0. В стартерах смешанного возбуждения частота вращения якоря в режиме холостого хода ограничивается магнитным потоком параллельной обмотки возбуждения. При уменьшении нагрузки магнитный поток, создаваемый последовательной обмоткой, стремится к нулю, тогда как намагничивающая сила параллельной обмотки и создаваемый ею магнитный поток даже немного увеличиваются.



Электромагнитный вращающий момент рассчитывается по формуле



где с_м - постоянная электрической машины.

В электродвигателях с последовательным возбуждением через обмотку возбуждения проходит ток якоря I_а, поэтому магнитный поток возрастает с увеличением нагрузки стартера. При одинаковых номинальных параметрах электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением последние развивают большие полезные моменты M_2к в режиме полного торможения. Это улучшает их тяговые свойства, облегчает раскручивание коленчатого вала во время пуска двигателя при низких температурах.

Подводимая к стартеру мощность, исключая электрические потери, преобразуется в электромагнитную мощность. Электромагнитная или полная механическая мощность Р, меньшая, чем мощность Р₁, подводимая к стартеру на величину электрических потерь, равна



Максимальная электромагнитная мощность вычисляется из выражения





Зависимость электромагнитной мощности от силы тока представляет собой симметричную параболу с максимальным значением при силе тока I_m, равной половине силы тока I_к полного торможения.

Полезная мощность Р₂ на валу электродвигателя меньше электромагнитной на величину суммы механических потерь ΔР_м в подшипниках, в щеточно-коллекторном узле и магнитных потерь в пакете якоря.

Полезный вращающий момент на валу электродвигателя вычисляется из выражения



Сила тока, потребляемого электродвигателем со смешанным возбуждением, определяется по формуле



где I_s=U_ст/R_s - сила тока в параллельной обмотке возбуждения; R_s - сопротивление параллельной обмотки возбуждения.



Подводимая к стартерному электродвигателю мощность определяется по формуле



КПД стартерного электродвигателя вычисляется из выражения



Механические характеристики электростартера обычно представляют в виде зависимости частоты вращения якоря от полезного вращающего момента М₂ (рис. 2).





При снижении напряжения на выводах аккумуляторной батареи и стартера с понижением температуры Т или увеличением сопротивления стартерной сети (стартерный провод и масса) при той же силе тока I_a ЭДС Е_а, частота вращения якоря n_a и полезная мощность Р₂ электродвигателя уменьшаются (рис. 3, а). При той же частоте вращения якоря n_a по мере понижения температуры уменьшается вращающий момент М₂ (рис. 3, б).



Влияние сопротивления источника электроснабжения и стартерной сети на рабочие и механические характеристики стартерных электродвигателей требует однозначного указания условий, при которых определяется номинальная мощность стартера. Номинальной Р_н считают наибольшую полезную мощность Р₂ в кратковременном режиме работы при электроснабжении от аккумуляторной батареи максимально допустимой емкости, установленной в технических условиях на стартер, при степени заряженности батареи 100%, температуре электролита +20°C, при первой попытке пуска двигателя, без учета падения напряжения в стартерной сети. Номинальной мощности соответствуют номинальные значения силы тока I_н, частоты вращения якоря n_н и вращающего момента M_н.



Пусковая мощность Р_п определяется как наибольшая полезная мощность в кратковременном режиме работы при электроснабжении от аккумуляторной батареи, заряженной на 75%, при температуре -20°C в конце третьей попытки пуска двигателя с учетом падения напряжения в проводах.

Напряжение на выводах стартерного электродвигателя при определении номинальной мощности рассчитывается по формуле



где а_б - коэффициент, равный 0,05 для аккумуляторных батарей номинальной емкостью С₂₀ менее 100 А·ч, а также 0,038 и 0,046 соответственно для аккумуляторных батарей 6СТ-55ЭМ и 6СТ-190ТР.

Частоту вращения коленчатого вала двигателя электростартером n в различных условиях пуска определяют по точкам пересечения кривых момента сопротивления двигателя М_с и приведенного к коленчатому валу вращающего момента стартера М* от частоты вращения коленчатого вала n (рис. 4, а). Минимальную температуру пуска T_min определяют при совмещении на одном графике зависимостей частоты вращения коленчатого вала электростартером n* и минимальной пусковой частоты вращения коленчатого вала n_min от температуры Т окружающей среды (рис. 4, б).