Запуск двигуна внутрішнього згоряння навіть легкового автомобіля взимку, та ще й після тривалої стоянки, нерідко стає справжньою проблемою. Ще більшою мірою це питання актуальне для потужних вантажівок і автотракторної техніки, якої чимало вже перебуває у приватному користуванні, — адже експлуатуються вони здебільшого в умовах безгаражного зберігання.
І причина ускладненого пуску не завжди в тому, що акумуляторна батарея «не першої молодості». Її ємність залежить не лише від строку служби, а й від в’язкості електроліту, який, як відомо, густішає зі зниженням температури. А це призводить до уповільнення хімічної реакції за його участі та зменшення струму батареї в стартерному режимі (приблизно на 1% на кожен градус зниження температури). Таким чином, навіть нова батарея взимку значно втрачає свої пускові можливості.
1 — первинна обмотка (мідний провід ПЭТВ Ø2,12); 2 — вторинна обмотка (алюмінієва шина Sпер = 36 мм2); 3 — рукоятка з дерев’яною ручкою (сталева смуга 20×3); 4 — загальний вивід вторинної обмотки; 5 — плюсова клема (болт М10); 6 — скоби кріплення трансформатора до основи (сталевий пруток Ø7, обгорнутий скловолокном, просоченим епоксидною смолою, 2 шт.); 7 — мережевий вимикач із вбудованим тепловим захистом (типу АЕ-1031); 8 — мережевий шнур зі штепселем; 9 — мережеві введення первинної обмотки; 10 — виводи вторинної обмотки; 11 — основа (сталевий пруток Ø7); 12 — мінусова клема (болт М10); 13 — випрямні діоди (типу Д161 — Д250); 14 — підвідний провід (багатожильний мідний провід Ø12 у гумовій ізоляції, 2 шт.); 15 — затискач з рукояткою (кліщі, 2 шт.); 16 — з’єднання скоби з основою (дротяна скрутка, 4 шт.)
Щоб убезпечитися від зайвих клопотів, пов’язаних із запуском двигуна автомобіля в холодну пору року, я виготовив пусковий пристрій (ПП).
Розрахунок його параметрів виконувався за методикою, зазначеною в списку літератури [1].
Робочий струм акумуляторної батареї в стартерному режимі становить: Ір = 3 × С (А), де С — номінальна ємність батареї в А·год.
Як відомо, робоча напруга на кожному акумуляторі («банці») має бути не нижче 1,75 В, тобто для батареї, що складається з шести «банок», мінімальна робоча напруга акумуляторної батареї Uр становитиме 10,5 В.
Потужність, яка підводиться до стартера:
Рст = Uр × Ір (Вт)
Наприклад, якщо на легковому автомобілі встановлена акумуляторна батарея 6 СТ-60 (С = 60 А·год), Рст становитиме 1890 Вт.
Відповідно до цього розрахунку за схемою, наведеною в [2], було виготовлено ПП відповідної потужності.
Однак його експлуатація показала, що назвати прилад пусковим пристроєм можна було лише з певною часткою умовності. Прилад був здатний працювати лише в режимі «прикурювача», тобто спільно з акумуляторною батареєю автомобіля. За низьких температур зовнішнього повітря запуск двигуна з його допомогою доводилося здійснювати в два етапи:
— підзарядка акумуляторної батареї протягом 10 — 20 секунд;
— спільна (батареї та пристрою) розкрутка двигуна.
Прийнятна частота обертання стартера зберігалася протягом 3 — 5 секунд, а потім різко знижувалася, і якщо в цей час двигун не заводився, доводилося повторювати все спочатку, іноді кілька разів. Такий процес не лише виснажливий, а й небажаний із двох причин:
— по-перше, призводить до перегріву стартера та підвищеного його зносу;
— по-друге, скорочує строк служби акумуляторної батареї.
Стало зрозуміло, що уникнути зазначених негативних явищ можна лише тоді, коли потужність ПП буде достатньою для запуску холодного двигуна автомобіля без допомоги акумулятора.
Тому було вирішено виготовити інший прилад, що задовольняє зазначену вимогу. Але тепер розрахунок виконувався з урахуванням втрат у випрямному блоці, підвідних проводах і навіть на контактних поверхнях з’єднань при можливому їх окисненні. Також було взято до уваги ще одну обставину. Робочий струм у первинній обмотці трансформатора під час запуску двигуна може досягати значень 18 — 20 А, спричиняючи падіння напруги в підвідних проводах освітлювальної мережі на 15 — 20 В. Таким чином, до первинної обмотки трансформатора буде прикладено не 220, а лише 200 В.
Відповідно до нового розрахунку за методикою, зазначеною в [3], з урахуванням усіх втрат потужності (близько 1,5 кВт), для нового ПП знадобився понижувальний трансформатор потужністю 4 кВт, тобто вже майже у чотири рази більшої, ніж потужність стартера. (Відповідні розрахунки були проведені для виготовлення подібних приладів, призначених для пуску двигунів різних машин, як карбюраторних, так і дизельних, і навіть з бортовою напругою 24 В. Їх результати зведено в таблицю.)
При цих потужностях забезпечується така частота обертання колінчастого вала (40 — 50 об/хв — для карбюраторних двигунів і 80 — 120 об/хв — для дизельних), що гарантує надійний запуск двигуна.
Понижувальний трансформатор було виготовлено на тороїдальному осерді, взятому від статора згорілого асинхронного електродвигуна потужністю 5 кВт. Площа перерізу магнітопроводу Sст = a × b = 20 × 135 = 2700 (мм2) (див. рис. 2).
Кілька слів про підготовку тороїдального осердя. Статор електродвигуна звільняють від залишків обмотки і за допомогою гостро заточеного зубила та молотка вирубують його зубці. Зробити це не складно, оскільки залізо м’яке, але слід скористатися захисними окулярами та рукавицями.
Матеріал і конструкція рукоятки та основи ПП не критичні — аби вони виконували свої функції. У мене рукоятку зроблено зі сталевої смуги перерізом 20 × 3 мм, з дерев’яною ручкою. Смугу обмотано скловолокном, просоченим епоксидною смолою. На рукоятці змонтовано клему, до якої потім підключаються введення первинної обмотки та плюсовий провід пускового пристрою.
Основа-каркас зроблена зі сталевого прутка діаметром 7 мм у вигляді усіченої піраміди, ребрами якої вони і є. Пристрій притискується потім до основи двома П-подібними скобами, які теж обмотані скловолокном, просоченим епоксидною смолою.
До однієї бокової сторони основи прикріплено мережевий вимикач, до іншої — мідна пластина випрямного блоку (два діоди). На пластині змонтовано клему «мінус». Одночасно пластина слугує і радіатором.
Вимикач — типу АЕ-1031, із вбудованим тепловим захистом, розрахований на струм 25 А. Діоди — типу Д161 — Д250.
Передбачувана щільність струму в обмотках 3 — 5 А/мм2. Кількість витків на 1 В робочої напруги розраховувалася за формулою: T = 30/Sст. Кількість витків первинної обмотки трансформатора склала: W1 = 220 × T = 220 × 30/27 = 244; вторинної обмотки: W2 = W3 = 16 × T = 16 × 30/27 = 18.
Первинна обмотка — з проводу ПЭТВ діаметром 2,12 мм, вторинна — з алюмінієвої шини площею перерізу 36 мм2.
Спочатку була намотана первинна обмотка з рівномірним розподілом витків по всьому периметру. Після цього через мережевий шнур її вмикають і вимірюють струм холостого ходу, який не повинен перевищувати 3,5 А. Необхідно пам’ятати, що навіть незначне зменшення числа витків призводитиме до суттєвого збільшення струму холостого ходу і, відповідно, до падіння потужності трансформатора та ПП. Збільшення числа витків також небажане — воно зменшує ккд трансформатора.
SB1 — кнопковий вимикач (типів КУ-121-1, КУ-122-1М); К1 — магнітний пускач (типів ПМЛ-4000, ПМА-4000); VD1, VD2, VD3 — випрямні діоди типів Д161—Д250; Т1 — трифазний трансформатор 380/36 В; K1.1, К1.2, К1.3 — нормально-розімкнені контакти триполюсного вимикача
Витки вторинної обмотки теж рівномірно розподіляють по всьому периметру осердя. При укладанні використовують дерев’яний молоток. Виводи потім підключають до діодів, а діоди — до мінусової клеми на панелі. Середній загальний вивід вторинної обмотки з’єднують з «плюсовою» клемою, розташованою на рукоятці.
Тепер про проводи, що з’єднують пусковий пристрій зі стартером. Будь-яка недбалість у їх виготовленні може звести нанівець усі зусилля. Покажемо це на конкретному прикладі. Нехай опір Rпр всього з’єднувального тракту від випрямляча до стартера дорівнює 0,01 Ом. Тоді при струмі Ір = 250 А падіння напруги на проводах становитиме: Uпр = Ір × Rпр = 250 А × 0,01 Ом = 2,5 В; при цьому потужність втрат на проводах буде досить значною: Рпр = Uпр × Ір = 625 Вт.
У результаті до стартера в робочому режимі буде подано напругу не 14, а 11,5 В, що, звісно, небажано. Тому довжина з’єднувальних проводів має бути якомога меншою (Lп < 1,5 м), а площа їх поперечного перерізу — якомога більшою (Sп > 100 мм2). Проводи треба підібрати багатожильні мідні, в гумовій ізоляції. З’єднання зі стартером для зручності робиться швидкороз’ємним, за допомогою кліщів або потужних затискачів, наприклад, тих, що застосовують як тримачі електродів для побутових зварювальних апаратів. Щоб не переплутати полярність, ручка кліщів плюсового проводу обмотана червоною ізолентою, мінусового — чорною.
Короткочасний режим роботи пускового пристрою (5 — 10 секунд) допускає його використання в однофазних мережах. Для більш потужних стартерів (понад 2,5 кВт) трансформатор ПП має бути трифазним.
Спрощений розрахунок трифазного трансформатора для його виготовлення можна виконати за рекомендаціями, викладеними в [3], або скористатися готовими промисловими понижувальними трансформаторами типу ТСПК-20А, ТМОБ-63 та ін., що підключаються до трифазної мережі напругою 380 В і видають вторинну напругу 36 В.
На завершення кілька загальних порад і рекомендацій.
праворуч — з трифазним, ліворуч — з однофазним
Застосування тороїдальних трансформаторів для однофазних пускових пристроїв не обов’язкове і продиктоване лише їх кращими масово-габаритними показниками (маса близько 13 кг). Разом з тим технологія виготовлення ПП на їх основі є найбільш трудомісткою.
Розрахунок трансформатора пускового пристрою має деякі особливості. Наприклад, розрахунок кількості витків на 1 В робочої напруги, виконаний за формулою: T = 30/Sст (де Sст — площа поперечного перерізу магнітопроводу), пояснюється бажанням «видавити» з магнітопроводу максимум можливого на шкоду економічності. Це виправдано його короткочасним (5 — 10 секунд) режимом роботи. Якщо габарити не відіграють вирішальної ролі, можна використовувати більш щадний режим, провівши розрахунок за формулою: T = 35/Sст. Магнітопровід беруть тоді з перерізом на 25 — 30% більшим.
Необхідна потужність трансформатора пускового пристрою для стартерів різних машин і тракторів
| Тип стартера | Номін. потужність, кВт | Номін. напруга, В | Застосовується на двигунах | Тип акумуляторної батареї | Необхідна потужність трансформатора, кВт |
|---|---|---|---|---|---|
| СТ 230А, СТ 230Б, СТ 230К | 1,03 | 12 | Автомобілі «Волга» | 6СТ-60 | 4 |
| ГАЗ-53А | 6СТ-75 | 4 | |||
| ГАЗ-66 | 6СТ-75 | 4 | |||
| ЗІЛ-130 | 6СТ-90 | 5 | |||
| СТ 221 | 1,25 | 12 | ВАЗ | 6СТ-55 | 4 |
| СТ 117А | 1,18 | 12 | «Москвич» | 6СТ-55 | 4 |
| СТ 222А | 2,2 | 12 | Трактори: Т-16, Т-25, Т-30 | 2×3СТ-150 | 6 |
| СТ 142 | 7,73 | 24 | Автомобілі: КамАЗ, МАЗ, КРАЗ, ЗІЛ-133 ГЯ | 2×6СТ-190 | 16 — 20 |
| СТ-103А-01 | 8,2 | 24 | Трактор «Кіровець» | 2×6СТ-190 | 16 — 20 |
Потужність, яку можна «зняти» з виготовленого ПП, приблизно дорівнює потужності трифазного асинхронного електродвигуна, з якого виготовлено осердя трансформатора.
При використанні потужного пускового пристрою в стаціонарному варіанті за вимогами ТБ його необхідно заземлити. Рукоятки з’єднувальних кліщів мають бути в гумовій ізоляції. Щоб уникнути плутанини, «плюсову» їх частину бажано позначити, наприклад, червоною ізолентою.
При пуску акумуляторну батарею можна і не відключати від стартера. У цьому разі кліщі підключають до відповідних виводів акумулятора. Щоб уникнути перезарядки акумулятора, пусковий пристрій після запуску двигуна відразу відключають.
Література
1. Н. М. Ільїн, Ю. Л. Тимофєєв, В. Я. Ваняєв. Електрообладнання автомобілів. М.: Транспорт, 1982.
2. І. П. Шелестов. Радіоаматорам корисні схеми. Книга 1, М.: «Солон», 1998.
3. І. Нікіфоров. Спрощений розрахунок мережевого трансформатора, «Радіо», 2000, № 10, с. 39.
4. В. Мотузас. Електропускач, «Сільський механізатор», 1988, № 4, с. 23 — 24.
«Моделіст-конструктор» № 1’2007, С. ГУРОВ