Sст = 27 см2, Sст = а∙в (Sст — площадь сечения магнитопровода, см2) (рис. 2).
Рис. 2,а, б. Магнитопровод
Количество витков на 1 В рабочего напряжения рассчитывалось по формуле:
Т = 30/Scт.
Число витков первичной обмотки трансформатора составило:
W1 = 220∙Т = 220∙30/27 = 244;
вторичной обмотки:
W2 = W3 = 16∙Т = 16∙Т = 16∙30/27 = 18.
Первичная обмотка намотана проводом ПЭТВ диаметром 2,12 мм, вторичная — алюминиевая шина сечением 36 мм2. Выключатель SA1 типа АЕ-1031 (с встроенной тепловой защитой) на ток 25 А. Диоды VD1, VD2 типа Д161-250.
Амплитуда магнитной индукции в сердечнике трансформатора Вμ ~= 1,7 Тл. Ток холостого хода при таких значениях В„достигает значений Ixx = 3,5 А, что снижает КПД трансформатора. Однгко здесь необходимо принять во внимание следующее обстоятельство. Рабочий ток в первичной обмотке трансформатора II в момент запуска 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 В, а 200 В. Это снижает величину В„и ток холостого хода, что увеличивает КПД трансформатора в момент пуска.
Для желающих самостоятельно рассчитать параметры понижающего трансформатора можно воспользоваться методиками, изложенными в [2], [3] — см. список литературы.
Несколько советов о подготовке тороидального сердечника. Статор вышедшего из строя электродвигателя освобождают от остатков обмотки. С помощью остро заточенного зубила и молотка вырубают зубцы статора. Сделать это несложно, так как железо мягкое, но нужно воспользоваться защитными очками и рукавицами. Затем из металлического прутка диаметром 7–8 мм готовят две П-образные скобы, которыми сердечник трансформатора будет крепиться к рамке-основанию. На обоих концах скоб нарезают резьбу под гайки М6. Из металлической ленты, толщиной 3–4 мм и шириной 18–20 мм, согнутой П-образно, готовят рукоятку трансформатора. Края П-образной пластины дополнительно изгибают навстречу друг другу, получая «язычки» длинной 5–8 см, к которым крепят деревянную рукоятку. С этой целью в «язычках» просверливают отверстия диаметром 7 мм. Две скобы и металлическую часть рукоятки обматывают слоем ткани, пропитанной эпоксидной смолой, приклеивают к внутренней части тороида: рукоятку вверху, скобы внизу на некотором расстоянии друг от друга. Весь сердечник также покрывают одним-двумя слоями ткани, пропитанной эпоксидной смолой. После высыхания эпоксидной смолы приступают к намотке обмоток. Первичную обмотку мотают первой, равномерно распределяя по всему периметру. После выполнения первичной обмотки трансформатор включают в сеть и замеряют ток холостого хода, который не должен превышать 3,5 А. Необходимо помнить, что при Вμ= 1,7 Тл сердечник близок к насыщению, а потому даже незначительное изменение числа витков будет приводить к существенному изменению тока Ixx первичной обмотки.
Перед намоткой вторичной обмотки в металлической части рукоятки сбоку сверлят отверстие под болт с резьбой М12, который будет служить выводом от средней точки обмотки и одновременно «плюсовой» клеммой. Показанное на схеме соединение выпрямительных диодов позволяет использовать металлические элементы рамки-основания пускового устройства не только для крепления диодов, но и в качестве теплоотвода без диэлектрических прокладок.
Выводы вторичных полуобмоток соединяют с «плюсовой» клеммой, витки равномерно распределяют по всему периметру сердечника. При укладке используют деревянный молоток.
Далее с помощью сварки готовят рамку-основание. Для этого используют металлические прутки диаметром 10–12 мм. С одной стороны рамки на алюминиевой или медной пластине толщиной 3–4 мм крепят выпрямительные диоды. Здесь же сверлят отверстие под болт М12, который будет служить «минусом» устройства. На другой стороне рамки приваривают отрезок угольника и крепят к нему выключатель SA1.
Теперь о проводах, соединяющих пусковое устройство со стартером. Любая небрежность в их изготовлении может свести на нет все ваши усилия. Покажем это на конкретном примере. Пусть сопротивление R, всего соединительного тракта от выпрямителя до стартера будет равно: Rпр = 0,01 Ом, тогда при токе Iр = 250 А падение напряжения на проводах составит:
Uпр = Iр∙Rпр = 250 А∙ 0,01 Ом = 2,5 В;
мощность потерь на проводах:
Рпр = Uпр∙Ip = 625 Вт.
В результате к стартеру в рабочем режиме будет подведено напряжение не 14 В, а 11,5 В, что, конечно же, нежелательно. Следовательно, длина соединительных проводов должна быть как можно меньше (lп =< 1,5 м), а площадь поперечного сечения, как можно больше (Sп>= 100 мм2). Провода должны быть многожильными медными в резиновой изоляции. Для удобства соединение со стартером делают разъемным с помощью клещей или мощных зажимов, применяемых в качестве держателей электродов для бытовых сварочных аппаратов. Общий вид однофазного пускового устройства показан на рис. 3.
Рис. 3.Общий вид однофазного пускового устройства
Изложенная методика расчета пускового устройства является универсальной и применима к двигателям любой мощности. Продемонстрируем это на примере стартера СТ-222 А, применяемого на тракторах Т-16, Т-25, Т-30 Владимирского тракторного завода.
Основные сведения о стартере СТ-222 А:
• номинальное напряжение — 12 В;
• номинальная мощность — 2,2 кВт;
• тип аккумуляторной батареи — 2 3СТ-150.
Значит:
IР = 3∙С20= 3∙150 А = 450 А.
Мощность, подводимая к стартеру, составит:
Рст = 10,5 В х 450 А = 4725 Вт.
Учитывая мощность потерь:
Ртр = 1–1,3 кВт.
Мощность трансформатора пускового устройства:
Ртр = Рст + Рп = 6 кВт.
Сечение магнитопровода Sст = 46–50 см2.
Плотность тока в обмотках берут равной:
j = 3–5 А/мм2.
Кратковременный режим работы пускового устройства (5-10 секунд) допускает его использование в однофазных сетях. Для более мощных стартеров трансформатор пускового устройства должен быть трехфазным. Расскажем об особенностях его конструкции на примере пускового устройства для мощного дизельного трактора «Кировец» (К-700, К-701). Его стартер СТ-103А-01 имеет номинальную мощность 8,2 кВт при номинальном напряжении 24 В. Мощность трансформатора пускового устройства (с учетом потерь) составит: Ртр = 16–20 кВт. Упрощенный расчет трехфазного трансформатора производят с учетом рекомендаций, изложенных в [3]. Если есть возможность, можно воспользоваться промышленными понижающими трансформаторами типа ТСПК — 20 А, ТМОБ — 63 и др., подключаемыми к трехфазной сети напряжением 380/220 В и вторичным напряжением 36 В. Такие трансформаторы применяются для электрообогрева полов помещений в животноводстве, свиноводстве и т. д. Схема пускового устройства на трехфазном трансформаторе выглядит следующим образом (рис. 4).
Рис. 4.Пусковое устройство на трехфазном трансформаторе
МП — магнитный пускатель типа ПМЛ-4000, ПМА-4000 или подобные им для коммутации устройств мощностью 20 кВт. Пусковая кнопка SB1 типа КУ-121-1, КУ-122-1М и т. д.
Здесь применен трехфазный однополупериодный выпрямитель, позволяющий получить напряжение холостого хода 36 В. Его повышенное значение объясняется применением более длинных кабелей, соединяющих пусковое устройство со стартером (для крупногабаритной техники длина кабелей достигает 4 м). Применение трехфазного трансформатора дает более широкие возможности для получения требуемого напряжения пускового устройства. Его значение можно изменять, включая обмотки «звездой», «треугольником», применять однополупериодное или двухполупериодное (схема Ларионова) выпрямление.
В заключение несколько общих советов и рекомендаций:
• Применение тороидальных трансформаторов для однофазных пусковых устройств не обязательно и продиктовано их лучшими массово-габаритными показателями. Вместе с тем технология их изготовления наиболее трудоемка.
• Расчет трансформатора пускового устройства имеет некоторые особенности. Например, расчет количества витков на 1 В рабочего напряжения по формуле: Т = 30/Sст, 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. Сечение магнитопровода берут на 25–30 % больше.
• Мощность, которую можно «снять» с имеющегося тороидального сердечника, примерно равна мощности трехфазного асинхронного электродвигателя, из которого изготовлен этот сердечник. Если мощность электродвигателя неизвестна, то ее можно приблизительно рассчитать по формуле:
Рдв = Sст∙Sок,
где Рдв — мощность электродвигателя, Вт;
Sст — площадь сечения магнитопровода, см2; Sст = а х в (рис. 2);
Sок — площадь окна магнитопровода, см2; Sок = 0,785∙D2 (рис. 2).
• Сердечник трансформатора к рамке-основанию крепят двумя П-образными скобами. С помощью изолирующих шайб необходимо избежать появления короткозамкнутого витка, образованного скобой с рамкой.