Электрические двигатели являются простыми и надежными машинами, но имеют и некоторые недостатки, которые усложняют их использование. В частности, при запуске такие устройства имеют высокие значения потребляемого тока и без специальных устройств запускаются с рывком из-за несогласованности крутящего момента двигателя и нагрузки на его валу. Дополнительными приборами, которые обеспечивают плавную работу двигателя при запуске и позволяют снизить пусковые токи называют устройствами плавного пуска.
Что такое устройство плавного пуска
Устройство плавного пуска (УПП) – это электротехнический прибор, который применяется в работе асинхронных двигателей и позволяет контролировать и управлять его запуском и параметрами для безопасной работы в сети переменного тока. Такое устройство снижает воздействие на двигатель ряда негативных факторов, в том числе уменьшает вероятность повышенного нагрева двигателя, устраняет рывки, обеспечивая плавный запуск и выход на рабочую нагрузку. Также устройства плавного пуска снижают негативное влияние на электрическую сеть посредством уменьшения пусковых токов электродвигателя.
Часто устройство плавного пуска электротехнические специалисты и люди, связанные с работой электродвигателей, называют такие приборы «мягкими пускателями». Это связано с тем, что на английском языке (а большинство качественных устройств – импортного производства) эти устройства называются «soft starter», что и означает «мягкий пускатель».
Плавный пуск электродвигателей с помощью преобразователей частоты и мягких пускателей позволяет решать большое количество задач и управлять работой электродвигателя в широких пределах его параметров. Особенно часто УПП применяют при работе в условиях тяжелого пуска (с большой инерцией или запуском под нагрузкой с четырехкратными пусковыми токами, с разгоном двигателя не менее 30 секунд) и особо тяжелого пуска (при шести или восьмикратных значения пусковых токов и большим временем разгона двигателя).
Типы подключений
Всего существует два метода подключения систем с дистанционным запуском двигателя:
- Установка блока автозапуска с комплекте с сигнализацией.
- Монтаж элемента автономно. Этот метод установки блока используется в тех случаях, когда автомобиль не оборудован охранной системой.
Стоит также отметить, что элемент автозапуска работает в двух режимах – дистанционном и автоматическом. В первом случае управление блоком осуществляет сам автовладелец. Управление может осуществляться при помощи брелока либо мобильного телефона с помощью СМС- или GPS-команды. Во втором случае запуск двигателя осуществляется при помощи таймера. Последний имеет функцию предварительного программирования, то есть водитель сам выбирает время прогрева мотора и нужную температуру в салоне.
Принцип работы
Главный минус электродвигателей асинхронного типа – это то, что момент силы на валу пропорционален квадрату напряжения, которое приложено к электродвигателю. Это создает сильные рывки при запусках и в момент прекращения работы, что также повышает значения индукционного тока.
Устройства плавного пуска могут быть механическими и электрическими, а также комбинированными сочетая в себе положительные черты обоих устройств.
Механические устройства плавного пуска работают по принципу противодействия резкому увеличению оборотов электродвигателя влияя на его ротор механическим способом при помощи тормозных колодок, различных муфт, противовесов, магнитных блокираторов и прочих механизмов. Такие механизмы в последнее время применяются не часто, так как есть более совершенные устройства электрического управления.
Электрические УПП постепенно повышают ток или напряжение от опорного уровня до максимального, что позволяет плавно наращивать обороты электродвигателя и снизить нагрузки и пусковые токи. Чаще всего электрические устройства плавного пуска управляются электронным способом при помощи компьютерных систем или электронных приборов, что позволяет изменять параметры запуска и контролировать динамические характеристики. Мягкие пускатели позволяют изменять режимы работы электродвигателя в зависимости от приложенной нагрузки и позволяют реализовать ту или иную зависимость между скоростью вращения вала и напряжением.
Принцип работы электрических устройств основывается на двух методах:
- Метод ограничения тока в обмотке ротора – реализуется при помощи катушек, соединенных по схеме «звезда»;
- Метод ограничения напряжения и тока в статоре (при помощи тиристоров, симисторов или реостата).
Общие сведения о системах пуска для тракторных двигателей
Для пуска двигателя внутреннего сгорания необходимо создать условия, при которых в его цилиндрах может происходить сгорание топлива, а давление полученных газов будет достаточным для преодоления сил трения и привода вспомогательных механизмов. Такие условия создаются при вращении коленчатого вала от постороннего источника энергии.
Число оборотов коленчатого вала в минуту, при котором происходит пуск двигателя, называют пусковым.
Пусковые обороты дизеля сравнительно высоки (200—250 об/мин), так как температура воздуха, нужная для самовоспламенения топлива в цилиндрах, может быть достигнута только при быстром нарастании давления в камерах сжатия, а для этого необходима большая скорость движения поршней.
Для пуска карбюраторного двигателя трактора достаточно иметь горючую смесь, способную воспламеняться и создавать хорошее искрообразование, что достигается при 30—60 об/мин коленчатого вала.
К системе пуска трактора относятся устройства для вращения коленчатого вала и для облегчения и ускорения пуска (декомпрессионный механизм, подогреватели и т.д.).
Существуют следующие способы пуска двигателей: ручной, электрический и вспомогательным бензиновым двигателем.
При ручном пуске коленчатый вал карбюраторного двигателя вращают рукояткой, пусковым шнуром и т. п. Этот способ не пригоден для пуска дизеля, так как вследствие большой степени сжатия велико его сопротивление прокручиванию. Ручной способ пуска современного карбюраторного двигателя предусмотрен лишь как резервный, на случай повреждения системы электрического пуска.
Схема системы электрического пуска:
1 — зубчатый венец маховика; 2 — шестерня стартера; 3 — рычаг включения стартера; 4 — стартер; 5 — коленчатый вал двигателя
Электрический пуск применяют как на карбюраторных, так и на дизельных двигателях. Для этого служит электрический двигатель-стартер 4 (рис. выше), шестерню 2 которого, установленную на шлицах, вводят в зацепление с зубчатым венцом 1 маховика. Одновременно с этим стартер включается в цепь аккумуляторной батареи, в результате чего его вал вместе с шестерней 2 начинает вращаться и приводит во вращение коленчатый вал двигателя. После пуска стартер выключается, а шестерня 2 возвращается в исходное положение.
Электрический пуск при хорошем уходе за аккумуляторной батареей и стартером достаточно надежен и значительно облегчает работу тракториста. Этот способ применяют и на пусковых двигателях современных тракторов.
Устройство и техническое обслуживание приборов электрического пуска изучаются в специальном курсе и здесь не описываются.
Пуск дизельного двигателя вспомогательным (пусковым) бензиновым двигателем надежнее других способов, так как позволяет длительное время прокручивать коленчатый вал. Тепло, отводимое от пускового двигателя охлаждающей водой и отработавшими газами, используется для подогрева дизеля, что повышает надежность пуска.
Схема системы пуска с вспомогательным (пусковым) бензиновым двигателем:
1 — коленчатый вал пускового двигателя; 2, 3, 9 и 11 — шестерни; 4 — рычаг муфты сцепления; 5 — вал механизма передачи; 6 — коленчатый вал дизельного двигателя; 7 и 8 — ведомый и ведущий диски муфты сцепления; 10 — зубчатый венец маховика дизельного двигателя; 12 — рычаг включения механизма передачи
Такая система состоит из пускового двигателя и механизма передачи. Этот двигатель трактора пускают вручную или электростартером. Вращение от его коленчатого вала 1 (рис. выше) передается на коленчатый вал 6 дизельного двигателя через шестерни 2, 3 и 9, вал 5 и шестерню 11, которую перемещают по шлицам вала и вводят в зацепление с зубчатым венцом 10 маховика.
Так как перед пуском венец маховика неподвижен, зацепить с ним шестерню 11 можно только при неподвижном вале 5. Поэтому в механизме передачи есть муфта сцеплений, которая позволяет плавно соединять и разъединять с валом 5 свободно вращающуюся на нем шестерню 9. Достигается это путем прижатия и разведения дисков 7 и 8.
Передача от пускового двигателя к дизельному понижающая. Это значит, что число зубьев ведущих шестерен 2 и 11 меньше, чем ведомой шестерни 9 и зубчатого венца 10 маховика. Поэтому число оборотов коленчатого вала дизельного двигателя во много раз уменьшается по сравнению с числом оборотов пускового двигателя, но зато соответственно увеличивается подводимый крутящий момент, что необходимо для преодоления больших сопротивлений при пуске.
После пуска дизельного двигателя трактора вследствие резкого увеличения числа оборотов зубчатый венец 10 маховика и шестерня 9 из ведомых становятся ведущими, в результате чего число оборотов пускового двигателя может стать аварийно большим.
Чтобы предотвратить это, шестерня 11 выводится из зацепления с венцом маховика сразу же после пуска специальным автоматом выключения (на рис. он не показан).
Механизмы передач ряда дизельных двигателей имеют более сложную схему. Например, у двигателей с большим литражом (АМ-01, Д-108) есть редуктор, позволяющий увеличивать крутящий момент, передаваемый на коленчатый вал, в начале пуска холодного двигателя.
В системе пуска большинства современных дизельных двигателей для лучшего предохранения пускового двигателя есть еще муфта свободного хода. Это дает возможность применять автомат выключения, срабатывающий при повышенных оборотах, т. е. не во время первых вспышек, а при достаточно устойчивой работе дизельного двигателя, что значительно улучшает надежность пуска.
Схема подключения электродвигателя к УПП
Для того, чтобы подключить устройство плавного пуска к электродвигателю и питающей сети следует руководствоваться инструкцией на данный тип прибора, там будут указаны все важные аспекты при подключении: последовательность цепи, выводы заземления и нейтрали, а также правильная наладка пуска, разгона и торможения. Но в целом, существуют стандартные способы подключения, которые подходят для большинства устройств плавного пуска.
Каждое УПП имеет контакта на входе и столько же на выходе для подключения фаз, систему управления пуском и остановкой (кнопки ПУСК, СТОП), другие кнопки и контакты управления. К устройству подводят питающие кабели на входные клеммы (обычно это обозначения L1, L2, L3), а от выводных клемм (обозначения T1, T2, T3) подключают электродвигатель. При этом важно подключать УПП к сети через вводной автомат защиты и использовать при подключении двигателя к устройству плавного пуска и самого УПП к сети кабели с номинальным сечением, соответствующем предельному значению тока двигателя.
Некоторые устройства могут управляться не только с переключателей и устройств управления на самом приборе, но и через контакты реле или контроллера – это усложняет схему подключения прибора, но расширяет его возможности.
Запуск двигателя дистанционно – рай для угонщиков?
На сегодняшний день в России существует немало мастерских, занимающихся продажей и установкой подобных систем. Однако, как показывает практика, многие автомобилисты не доверяют данным сигнализациям, мол, они обладают низким противоугонными свойствами. Но на самом деле это не так. Специалисты утверждают, что противоугонные свойства любой сигнализации напрямую зависят от правильности ее установки. И особенно это актуально для систем с дистанционных запуском. Для того чтобы она исправно работала, следует соблюдать правильную технологию ее монтажа и настройки. В противном случае данная сигнализация может попросту заклинить и вывести всю электронику автомобиля из строя. Поэтому не следует доверять монтаж столь сложных систем сомнительным мастерам.
В случае правильной установки охранные возможности данной сигнализации будут на высоте. При автозапуске любые открывающиеся элементы машины (будь это двери, багажник или капот) остаются под надежной охраной. В случае попытки их открытия мотор глохнет и автоматически блокируется, а сирена и брелок непременно проинформируют автовладельца о случившемся. Более того, если угонщик попытается украсть машину на эвакуаторе (бывали и такие случаи) или буксире, срабатывает датчик движения, и в автомобиле начинает выть сирена. Безусловно, все это передается на дисплей брелока, поэтому водитель всегда будет знать, что происходит с его транспортным средством.
Но и это еще не все. В случае если вор попытается проникнуть в заведенный автомобиль через разбитое стекло, машина сразу же заглохнет после того, как будет снята с «ручника». Или если злоумышленник нажмет на любую из педалей в салоне.
По каким критериям подбирают устройство плавного пуска
Существует несколько важных критериев, которые позволяют правильно подобрать устройство плавного пуска к электродвигателю и режимам его работы.
- Ток электродвигателя: устройство плавного пуска выбирается по полному току нагрузки двигателя, который не должен быть выше, чем ток максимальной нагрузки УПП. Лучше всего, если ток, на который рассчитан мягкий пускатель будет выше, чем максимальный ток нагрузки электродвигателя.
- Предельное число запусков в час: чаще всего этот параметр ограничен типом устройства плавного пуска и для надежной и долговечной работы прибора важно, чтобы этот параметр не превышал допустимый для конкретного устройства.
- Напряжение питающей сети: устройства плавного пуска отличаются по своему функционалу и работе в сетях с разным напряжением, поэтому напряжение должно соответствовать паспортному значению прибора.
Все эти параметры обязательно указываются в паспорте на устройство плавного пуска и подбор к конкретным условиям работы электродвигателя и питающей сети должен подбираться в обязательном случае при выборе мягкого пускателя.
Дистанционный запуск двигателя – цена
Специалисты говорят, что качественная сигнализация может обойтись в 5-6 процентов от общей стоимости автомобиля. Сейчас наиболее дешевые варианты стоят порядка 20-22 тысяч рублей. Сколько стоит качественный автозапуск? Цена таких систем колеблется в районе от 40 до 60 тысяч рублей и выше. Данная стоимость указана уже с установкой. Одной из таких систем является AutoStart Webasto IT. Она предназначена для предварительного прогрева мотора, что заметно облегчает запуск в зимнее время, а также для прогрева салонного пространства. Осуществляется запуск двигателя дистанционно: через телефон, таймер или автоматически (при достижении температуры салона ниже, чем это установил водитель). Дополнительно оснащается датчиками чувствительности. Все это значительно усложняет угон и ускоряет автозапуск. Цена такой системы вместе с установкой составляет около 59-60 тысяч рублей.
«Экзотические» способы
Direct Start (непосредственный запуск)
Немецкая фирма BOSCH опубликовала в 2000 году результаты экспериментов по исследованию возможности прямого (без внешнего прокручивания) запуска бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива. Суть заключается в следующем: в неработающем двигателе с 4 и более цилиндрами в одном из цилиндров поршень стоит в положении, соответствующем рабочему ходу. Зная положение коленчатого вала, можно рассчитать объём воздуха в этом цилиндре, впрыснуть туда необходимую дозу топлива и поджечь его искрой. Поршень начнёт двигаться, вращая коленчатый вал. Далее процесс развивается лавинообразно и двигатель запускается. Эксперимент был признан удачным, но, как заявляет руководство фирмы BOSCH, до применения Direct Start на серийных автомобилях ещё далеко. По крайней мере, по состоянию на 2020 год информации о практическом применении Direct Start нет.
Подобную систему запуска имели некоторые двигатели начала XX века: вначале двигатель проворачивался вручную до наполнения одного из цилиндров горючей смесью, затем подавался импульс искрового зажигания, и при удачном стечении обстоятельств двигатель начинал работать[6] Самозапуск был возможен и в нефтяных двигателях: если в процессе нагрева калоризатора в цилиндре была свежая смесь, то после её вспышки двигатель, как правило, запускался, правда направление запуска было малопредсказуемым.Система остановки и перезапуска двигателя в холостом режиме i-stop от Mazda, как и другие подобные системы позволяют сэкономить приблизительно 10% топлива за счет остановки двигателя автомобиля в режиме холостого хода. Но, в отличие от других систем, использующих стартер для перезапуска двигателя, система i-stop осуществляет перезапуск двигателя методом впрыска в один из цилиндров топливной смеси и дальнейшего ее поджига. Но, что интересно, стартер всё равно принимает участие в пуске двигателя, хоть на него и не ложится основная нагрузка. И хотя обороты двигателя в момент пуска поддерживаются стартерным мотором, специфика i-stop здесь состоит как раз в том, что двигатель работает почти полностью на энергии вспышки. Стартер просто помогает произвести пуск и «докручивает».
Пиростартёр
Для запуска двигателя могут применяться газы от пиропатрона. Первоначальный вариант, известный с начала XX века на стационарных моторах и тракторах, предусматривал подачу пороховых газов прямо в цилиндр поршневого двигателя[7], причём патрон мог воспламеняться ударом обыкновенного молотка. Более поздняя конструкция, появившаяся в 1930-х годах в авиации, представляла собой поршень, приводимый в движение пороховыми газами, при поступательном движении через винтовой валик проворачивавший торцевой храповик двигателя (т. н. Coffman starterruen). Пиростартёр до сих обязателен для двигателей спасательных шлюпок, так как в экстремальной ситуации на её борту может не оказаться других источников энергии для запуска. Встречаются пиростартёры и на некоторых двигателях для снегоходов.
