Электрооборудование автомобилей

     Принципиальные  схемы электродвигателей с независимым (а) и параллельным (б) возбуждением.

     Характеристики  электродвигателей с независимым  и параллельным возбуждением: а —  скоростные и моментная; б — механические; в — рабочие

     при этом будет изменяться и частота  вращения п. В цепь обмотки возбуждения  никаких выключателей и предохранителей  не устанавливают, так как при  разрыве этой цепи резко уменьшается  магнитный поток электродвигателя (в нем остается лишь поток от остаточного магнетизма) и возникает  аварийный режим. Если электродвигатель работает при холостом ходе или небольшой  нагрузке на валу, то частота вращения, как следует из формулы резко возрастает (двигатель идет вразнос). При этом сильно увеличивается ток в обмотке якоря Iя  и может возникнуть круговой огонь. Во избежание этого защита должна отключить электродвигатель от источника питания. Резкое увеличение частоты вращения при обрыве цепи обмотки возбуждения объясняется тем, что в этом случае резко уменьшаются магнитный поток Ф (до значения потока Фост от остаточного магнетизма) и э. д. с. Е и возрастает ток Iя. А так как приложенное напряжение U остается неизменным, то частота вращения п будет увеличиваться до тех пор, пока э. д. с. Е не достигнет значения, приблизительно равного U (что необходимо для равновесного

     состояния электрической цепи якоря, при котором E=U — Iя ? Rя). 

     При нагрузке на валу, близкой к номинальной, электродвигатель в случае разрыва  цепи возбуждения остановится, так  как электромагнитный момент, который  может развить двигатель при  значительном уменьшении магнитного потока, уменьшается и станет меньше нагрузочного момента на валу. В этом случае так же резко увеличивается ток Iя и машина должна быть отключена от источника питания. 

     Следует отметить, что частота вращения n0 соответствует идеальному холостому  ходу, когда двигатель не потребляет из сети электрической энергии и  его электромагнитный момент равен  нулю. В реальных условиях в режиме холостого хода двигатель потребляет из сети ток холостого хода I0, необходимый  для компенсации внутренних потерь мощности , и развивает некоторый момент М0, требуемый для преодоления сил трения в машине. Поэтому в действительности частота вращения при холостом ходе меньше.

        Зависимость частоты вращения n и электромагнитного момента М от мощности Р2  на валу двигателя, как следует из рассмотренных соотношений, является линейной. Зависимости тока обмотки якоря Iя и мощности Р1 от Р2 также практически линейны. Ток Iя и мощность Р1 при Р2 = 0 представляют собой ток холостого хода I0 и мощность Р0, потребляемую при холостом ходе. Кривая к. п. д. имеет характер, общий для всех электрических машин

     Электродвигатель  с параллельным возбуждением. В этом электродвигателе  обмотки возбуждения  и якоря питаются от одного и того же источника электрической энергии  с напряжением U. В цепь обмотки  возбуждения включен регулировочный реостат Rрв, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат Rп. В рассматриваемом электродвигателе имеет место, по существу, раздельное питание цепей обмоток якоря и возбуждения, вследствие чего ток возбуждения Iв не зависит от тока обмотки якоря Iв. Поэтому электродвигатель с параллельным возбуждением будет иметь такие же характеристики, как и двигатель с независимым возбуждением. Однако двигатель с параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением. 

     При питании электродвигателя от источника  с изменяющимся напряжением (генератор  или управляемый выпрямитель) уменьшение питающего напряжения U вызывает соответствующее  уменьшение тока возбуждения Iв и магнитного потока Ф, что приводит к увеличению тока обмотки якоря Iя [см. формулу (66) ]. Это ограничивает возможность регулирования частоты вращения якоря путем изменения питающего напряжения U. Поэтому электродвигатели, предназначенные для питания от генератора или управляемого выпрямителя, должны иметь независимое возбуждение.

     Электродвигатель  с последовательным возбуждением. Для  ограничения тока при пуске в  цепь обмотки якоря включен пусковой реостат Rп (рис. 127, а), а для регулирования частоты вращения 

Принципиальная  схема электродвигателя с последовательным возбуждением (а) и зависимость его  магнитного потока Ф от тока Iя в обмотке якоря (б)

     Характеристики  электродвигателя с последовательным возбуждением: а — скоростные и  моментная; б — механические; в — рабочие

     параллельно обмотке возбуждения может быть включен регулировочный реостат  Rрв. Характерной особенностью этого электродвигателя является то, что его ток возбуждения Iв равен или пропорционален (при включении реостата Rрв) току обмотки якоря Iя, поэтому магнитный поток Ф зависит от нагрузки двигателя. 

     При токе обмотки якоря Iя, меньшем (0,8—0,9) номинального тока Iном, магнитная система машины не насыщена и можно считать, что магнитный поток Ф изменяется прямо пропорционально току Iя. Поэтому скоростная характеристика электродвигателя будет мягкая — с увеличением тока Iя частота вращения n будет резко уменьшаться Уменьшение частоты вращения n, как следует из формулы происходит из-за увеличения падения напряжения Iя?Rя во внутреннем сопротивлении ? Rя цепи обмотки якоря, а также из-за увеличения магнитного потока Ф.

     Электромагнитный  момент М при увеличении тока Iя будет резко возрастать, так как в этом случае увеличивается и магнитный поток Ф, т. е. момент М будет пропорционален току Iя. Поэтому при токе Iя, меньшем (0,8-0,9) Iном, скоростная характеристика имеет форму гиперболы, а моментная — параболы.

     При токах Iя > Iном зависимости М и п от Iя линейны, так как в этом режиме магнитная цепь будет насыщена и магнитный поток Ф при изменении тока Iя меняться не будет

     Механическая  характеристика, т. е. зависимость п от М может быть построена на основании зависимостей n и М от Iя. Кроме естественной характеристики 1, можно путем включения в цепь обмотки якоря реостата с сопротивлением Rп получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4. Эти характеристики соответствуют различным значениям Rп1, Rп2 и Rп3; при этом чем больше Rп, тем ниже располагается характеристика. Механическая характеристика рассматриваемого двигателя мягкая и имеет гиперболический характер. При малых нагрузках магнитный поток Ф сильно уменьшается, частота вращения n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет вразнос). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка для двигателей большой и средней мощности составляет (0,2-0,25) Iном. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты недопустимо.

     Несмотря  на указанный недостаток, двигатели  с последовательным возбуждением широко применяют, особенно там, где имеют  место изменения нагрузочного момента  в широких пределах и тяжелые  условия пуска: во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, электропоезда, электрокары, электропогрузчики и пр.), а также в приводах грузоподъемных механизмов (краны, лифты и пр.). Объясняется это тем, что при мягкой характеристике увеличение нагрузочного момента приводит к меньшему возрастаний тока и потребляемой мощности, чем у двигателей с независимым и параллельным возбуждением; поэтому двигатели с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Кроме того, эти двигатели имеют большой пусковой момент, чем двигатели с параллельным и независимым возбуждением, так как при увеличении тока обмотки якоря при пуске соответственно увеличивается и магнитный поток.

     Если  принять, например, что кратковременный  пусковой ток может в 2 раза превышать  номинальный рабочий ток машины, и пренебречь влиянием насыщения, реакцией якоря и падением напряжения в  цепи его обмотки, то в двигателе  с последовательным возбуждением пусковой момент будет в 4 раза больше номинального (в 2 раза увеличиваются и ток, и  магнитный поток), а в двигателях с независимым и параллельным возбуждением — только в 2 раза больше. В действительности из-за насыщения магнитной цепи магнитный поток не увеличивается пропорционально току, но все же пусковой момент двигателя с последовательным возбуждением при прочих равных условиях будет значительно больше пускового момента такого же двигателя с независимым или параллельным возбуждением.

     Зависимости п и М от мощности Р2 на валу электродвигателя (рис. 128, в), как следует из рассмотренных выше положений, являются нелинейными; зависимости P1, Iя и ? от Р2 имеют такую же форму, как и у двигателей с параллельным

     возбуждением.

     5. Требования к системам  зажигания. Основные  параметры. Понятие  угла опережения зажигания.

     Исходя  из условий работы ДВС к системам зажигания предъявляют следующие основные требования:

• система зажигания должна развивать напряжения, достаточные для пробоя искрового промежутка свечи, обеспечивая при этом бесперебойное искрообразование на всех режимах работы двигателя;
• искра, образующаяся между электродами свечи, должна обладать достаточными энергией и продолжительностью для воспламенения рабочей смеси при всех возможных режимах работы двигателя;
• момент зажигания должен быть строго определенным и соответствовать условиям работы двигателя;
• работа всех элементов системы зажигания должна быть надежной при высоких температурах и механических нагрузках, которые возникают на двигателе;

     - эрозия электродов свечи должна находиться в пределах допуска. Исходя из этих требований любая система зажигания характеризуется следующими основными параметрами:

      20 °с - развиваемым вторичным

     юо °с    напряжением в пусковом и зоо °°с    Р^абочем Режимах работы t/_2m; 500 °с       - коэффициентом запаса по вторичному напряжению К₃;

• скоростью нарастания вторичного напряжения d(7_2m/df;
• энергией W_p и длительностью индуктивной составляющей искрового разряда т_р;

     - зазором между электродами свечей 8;

     - углом опережения зажигания 0.

     Коэффициентом запаса по вторичному напряжению К₃ называется отношение вторичного напряжения l/_2m, развиваемого системой зажигания, к пробивному напряжению U_np между электродами свечи, установленной на двигателе: К₃ = U_2m I U_np.

     Пробивным напряжением называется напряжение

     при котором происходит пробой искрового промежутка свечи. При этом свеча, ввернутая в камеру сгорания двигателя, является своеобразным разрядником. Пробивное напряжение для однородных полей согласно экспериментальному закону Пашена прямо пропорционально давлению смеси р и зазору между электродами 5 и обратно пропорционально температуре смеси 7", т. е. U_np = f{p_bIT\ Кроме того,

     на  напряжение U_np оказывают влияние состав смеси, длительность и форма приложенного напряжения, полярность пробивного напряжения, материал электродов и условия работы двигателя. Так, например, при пуске холодного двигателя стенки цилиндра и электроды свечи холодные, всасываемая топливно-воздушная смесь имеет низкую температуру и плохо перемешана. При сжатии смесь слабо нагревается и капли топлива не испаряются. Попадая в межэлектродное пространство свечи, такая смесь увеличивает пробивное напряжение на 15...20%.

     Увеличение  частоты вращения коленчатого вала двигателя первоначально вызывает некоторое

     увеличение  пробивного напряжения ввиду роста давления сжатия, однако далее происходит уменьшение 1/_пр, так как ухудшается наполнение цилиндров свежей смесью и возрастает температура центрального электрода свечи.

      Максимального значения пробивное напряжение достигает  при пуске и разгоне двигателя, минимального - при работе на установившемся режиме на максимуме мощности.

     В течение первых 2 тыс. км пробега  нового автомобиля пробивное напряжение повышается на 20...25% за счет округления кромок электродов свечи. В дальнейшем напряжение растет за счет износа электродов и увеличения зазора, что требует проверки и регулировки зазора в свечах через каждые 10... 15 тыс. км пробега. Если двигатель работает на неустановившихся режимах в результате неоднородности рабочей смеси, поступающей в цилиндры, пробивное напряжение в отдельных цилиндрах может значительно отличаться, а в