ЗАПУСК ЗИМОЙ — КАК ЛЕТОМ

Запуск двигателя внутреннего сгорания даже легкового автомобиля зимой, да еще после длительной стоянки зачастую является большой проблемой. В еще большей степени этот вопрос актуален для мощных грузовиков и автотракторной техники, коих немало уже в частном пользовании — ведь эксплуатируются они в основном в условиях безгаражного хранения.

И причина затрудненного пуска не всегда в том, что аккумуляторная батарея «не первой молодости». Ее емкость зависит не только от срока службы, но и от вязкости электролита, который, как известно, густеет с понижением температуры. А это приводит к замедлению химической реакции с его участием и уменьшению тока батареи в стартерном режиме (примерно на 1% на каждый градус понижения температуры). Таким образом, даже новая батарея зимой значительно теряет свои пусковые возможности.

Чтобы застраховаться от излишних хлопот, связанных с запуском двигателя автомобиля в холодный период года, я изготовил пусковое устройство (ПУ).

Расчет его параметров производился по методике, указанной в списке литературы [1].

Рабочий ток аккумуляторной батареи в стартерном режиме составляет: Iр = 3 х С (А),

где С — номинальная емкость батареи в А·ч.

Как известно, рабочее напряжение на каждом аккумуляторе («банке») должно быть не ниже 1,75 В, то есть для батареи, состоящей из шести «банок», минимальное рабочее напряжение аккумуляторной батареи Uр составит 10,5 В.

Мощность, подводимая к стартеру: Рст = Up х Ip (Вт).

К примеру, если на легковом автомобиле установлена аккумуляторная батарея 6 СТ-60 (С = 60А (4), Рст составит 1890 Вт.

Такому пусковому устройству под силу завести и трактор в самый лютый мороз

Рис. 1. Общий вид пускового устройства с однофазным трансформатором:

1 — первичная обмотка (медный провод ПЭТВ Ø2, 12); 2 — вторичная обмотка (алюминиевая шина Sceч = 36 мм2); 3 — рукоятка с деревянной ручкой (стальная полоса 20×3); 4 — общий вывод вторичной обмотки; 5 — плюсовая клемма (болт М10); 6 — скобы крепления трансформатора к основанию (стальной пруток Ø7, обернутый стеклотканью, пропитанной эпоксидной смолой, 2 шт.); 7 — сетевой выключатель с встроенной тепловой защитой (типа АЕ-1031); 8 — сетевой шнур с вилкой; 9— сетевые вводы первичной обмотки; 10 — выводы вторичной обмотки; 11 —основание (стальной пруток 07); 12 — минусовая клемма (болт М10); 13 — выпрямительные диоды (типа Д161 — Д250); 14 — подводящий провод (многожильный медный провод Ø12 в резиновой изоляции, 2 шт.); 15 — зажим с рукояткой (клещи, 2 шт.); 16 — соединение скобы с основанием (проволочная скрутка, 4 шт.)

Рис. 2. Магнитопровод (тороидальный сердечник) — доработанный статор асинхронного электродвигателя (зубцы срубить по кругу)

Пусковые устройства с тороидальными трансформаторами:

справа — с трехфазным, слева — с однофазным

Согласно этому расчету по схеме, приведенной в [2], было изготовлено ПУ соответствующей мощности.

Однако его эксплуатация показала, что назвать прибор пусковым устройством можно было только с известной долей условности. Прибор был способен работать лишь в режиме «прикуривателя», тоесть совместно с аккумуляторной батареей автомобиля. При низких температурах наружного воздуха запуск двигателя с его помощью приходилось осуществлять в два этапа:

— подзарядка аккумуляторной батареи в течение 10 — 20 секунд;

— совместная (батареи и устройства) раскрутка двигателя.

Приемлемая частота вращения стартера сохранялась в течение 3 — 5 секунд, а затем резко снижалась, и если в это время двигатель не заводился, приходилось повторять все сначала, иногда несколько раз. Такой процесс не только утомителен, но и нежелателен по двум причинам:

— во-первых, ведет к перегреву стартера и повышенному его износу;

— во-вторых, снижает срок службы аккумуляторной батареи.

Стало ясно, что избежать указанных отрицательных явлений можно лишь тогда, когда мощность ПУ будет достаточной для запуска холодного двигателя автомобиля без помощи аккумулятора.

Поэтому было решено изготовить другой прибор, удовлетворяющий указанному требованию. Но теперь расчет производился с учетом потерь в выпрямительном блоке, подводящих проводах и даже на контактных поверхностях соединений при возможном их окислении. Также принято во внимание еще одно обстоятельство. Рабочий ток в первичной обмотке трансформатора при запуске двигателя может достигать значений 18 — 20 А, вызывая падение напряжения в подводящих проводах осветительной сети на 15 — 20 В. Таким образом, к первичной обмотке трансформатора будет приложено не 220, а только 200 В.

Согласно новому расчету по методике, указанной в [3], беря во внимание все потери мощности (около 1,5 кВт), для нового ПУ потребовался понижающий трансформатор мощностью 4 кВт, то есть уже почти в четыре раза большей, чем мощность стартера. (Соответствующие расчеты были произведены для изготовления подобных приборов, предназначенных для пуска двигателей различных машин, как карбюраторных, так и дизельных, и даже с бортовой сетью напряжением 24 В. Их результаты сведены в таблицу.)

При этих мощностях обеспечивается такая частота вращения коленчатого вала (40 — 50 об/мин—для карбюраторных двигателей и 80 — 120 об/мин — для дизельных), которая гарантирует надежный запуск двигателя.

Понижающий трансформатор был изготовлен на тороидальном сердечнике, взятом от статора сгоревшего асинхронного электродвигателя мощностью 5 кВт. Площадь сечения магнитопровода Sст = а х b = 20 х 135 = 2700 (мм²) (см. рис.2).

Несколько слов о подготовке тороидального сердечника. Статор электродвигателя освобождают от остатков обмотки и с помощью остро заточенного зубила и молотка вырубают его зубцы. Сделать это не сложно, так как железо мягкое, но нужно воспользоваться защитными очками и рукавицами.

Материал и конструкция рукоятки и основания ПУ не критичны, лишь бы они выполняли свои функции. У меня рукоятка сделана из стальной полосы сечением 20 х 3 мм, с деревянной ручкой. Полоса обмотана стеклотканью, пропитанной эпоксидной смолой. На рукоятке смонтирована клемма, к которой подсоединяются потом ввод первичной обмотки и плюсовой провод пускового устройства.

Основание-каркас сделано из стального прутка диаметром 7 мм в виде усеченной пирамиды, ребрами которой они и являются. Устройство притягивается затем к основанию двумя П-образными скобами, которые тоже обмотаны стеклотканью, пропитанной эпоксидной смолой.

К одной боковой стороне основания прикреплен сетевой выключатель, к другой — медная пластина выпрямительного блока (два диода). На пластине смонтирована клемма «минус». Одновременно пластина служит и радиатором.

Выключатель — типа АЕ-1031, с встроенной тепловой защитой, рассчитанный на ток 25 А. Диоды — типа Д161 —Д250.

Предполагаемая плотность тока в обмотках 3 — 5 А/мм². Количество витков на 1 В рабочего напряжения рассчитывалось по формуле: Т = 30/Sст. Число витков первичной обмотки трансформатора составило: W1 = 220 х Т = 220 х 30/27 = 244; вторичной обмотки: W2 = W3 = 16 х Т = 16×30/27 = 18.

Первичная обмотка — из провода ПЭТВ диаметром 2,12 мм, вторичная — из алюминиевой шины площадью сечения 36 мм2.

Сначала была намотана первичная обмотка с равномерным распределением витков по всему периметру. После этого через сетевой шнур ее включают и замеряют ток холостого хода, который не должен превышать 3,5А. Необходимо помнить, что даже незначительное уменьшение числа витков будет приводить к существенному увеличению тока холостого хода и, соответственно, к падению мощности трансформатора и ПУ. Увеличение числа витков также нежелательно — оно уменьшает кпд трансформатора.

Витки вторичной обмотки тоже равномерно распределяют по всему периметру сердечника. При укладке используют деревянный молоток. Выводы затем подсоединяют к диодам, а диоды — к минусовой клемме на панели. Средний общий вывод вторичной обмотки соединяют с «плюсовой» клеммой, расположенной на рукоятке.

Теперь о проводах, соединяющих пусковое устройство со стартером. Любая небрежность в их изготовлении может свести на нет все усилия. Покажем это на конкретном примере. Пусть сопротивление Rпр всего соединительного тракта от выпрямителя до стартера будет равно 0,01 Ом. Тогда при токе Ip = 250 А падение напряжения на проводах составит: Uпр = Iр х Rпр = 250 А х 0,01 Ом = 2,5 В; при этом мощность потерь на проводах будет весьма значительной: Рпр = Uпр х Iр = 625 Вт.

В результате к стартеру в рабочем режиме будет подведено напряжение не 14, а 11,5 В, что, конечно же, нежелательно. Поэтому длина соединительных проводов должна быть как можно меньше (Lп < 1,5 м), а площадь их поперечного сечения — как можно больше (Sn >100 мм²). Провода надо подобрать многожильные медные, в резиновой изоляции. Соединение со стартером для удобства делается быстроразъемным, с помощью клещей или мощных зажимов, например, тех, что применяют в качестве держателей электродов для бытовых сварочных аппаратов. Чтобы не перепутать полярность, ручка клещей плюсового провода обмотана красной изолентой, минусового — черной.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема пускового устройства с однофазным трансформатором

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема пускового устройства с трехфазным трансформатором:

SB1 — кнопочный выключатель (типов КУ-121-1, КУ-122-1М); К1 — магнитный пускатель (типов ПМЛ-4000, ПМА-4000); VD1, VD2, VD3 — выпрямительные диоды типов Д161 —Д250; Т1 —трехфазный трансформатор 380/36В; К1.1, К1.2, К1.3 — нормально-разомкнутые контакты трехполюсного выключателя

Кратковременный режим работы пускового устройства (5 — 10 секунд) допускает его использование в однофазных сетях. Для более мощных стартеров (свыше 2.5 кВт) трансформатор ПУ должен быть трехфазным.

Упрощенный расчет трехфазного трансформатора для его изготовления можно произвести по рекомендациям, изложенным в [3], или воспользоваться готовыми промышленными понижающими трансформаторами типа ТСПК — 20 А, ТМОБ — 63 и др., подключаемыми к трехфазной сети напряжением 380 В и выдающими вторичное напряжение 36 В.

В заключение несколько общих советов и рекомендаций.

Применение тороидальных трансформаторов для однофазных пусковых устройств не обязательно и продиктовано только их лучшими массово-габаритными показателями (масса около 13 кг). Вместе с тем технология изготовления ПУ на их основе наиболее трудоемка.

Расчет трансформатора пускового устройства имеет некоторые особенности. Например, расчет количества витков на 1 В рабочего напряжения, произведенный по формуле: Т = 30/Sct (где Sct — площадь поперечного сечения магнитопровода), объясняется желанием «выдавить» из магнитопровода максимум возможного в ущерб экономичности. Это оправдано его кратковременным (5 — 10 секунд) режимом работы. Если габариты не играют решающей роли, можно использовать более щадящий режим, проведя расчет по формуле: Т = 35/Sст. Магнитопровод берут тогда сечением на 25 — 30% больше.

Требуемая мощность трансформатора пускового устройства для стартеров различных машин и тракторов

Мощность, которую можно «снять» с изготовленного ПУ, примерно равна мощности трехфазного асинхронного электродвигателя, из которого изготовлен сердечник трансформатора.

При использовании мощного пускового устройства в стационарном варианте по требованиям ТБ его необходимо заземлить. Рукоятки соединительных клещей должны быть в резиновой изоляции. Во избежание путаницы «плюсовую» их часть желательно пометить, например, красной изолентой.

При пуске аккумуляторную батарею можно и не отключать от стартера. В этом случае клещи присоединяют к соответствующим выводам аккумулятора. Чтобы избежать перезарядки аккумулятора, пусковое устройство после запуска двигателя сразу отключают.

С. ГУРОВ, с. Ильинка, Ростовская обл.

Литература

1. Н. М.Ильин, Ю.Л. Тимофеев, В.Я. Ваня-ев. Электрооборудование автомобилей. М.: Транспорт, 1982.

2. И. П. Шелестов. Радиолюбителям полезные схемы. Книга 1, М.: «Солон», 1998.

3. И.Никифоров. Упрощенный расчет сетевого трансформатора, «Радио», 2000, № 10, с. 39.

4. В.Мотузас. Электропускач, «Сельский механизатор», 1988, № 4, с. 23—24.