起动电机限流起动器及其控制方法与流程

本发明涉及一种起动电机限流起动器及其控制方法，属于电机保护装置技术领域。

背景技术：

起动电机是发动机起动时的动力源，用于将发动机从静止状态拖动到发动机能够内部点火起动的转速。

柴油机由静止到独立运转，需要外力驱动。起动电机就是利用蓄电池的电能转化为机械能，将柴油机由静止拖动到起动着火的电器装置。要使柴油机成功起动，拖动转速应为1420～200r/min。起动电机的负载力矩包括：柴油机机械件的惯性和摩擦阻力、汽缸工质的初始压缩力。根据发动机结构、负载特性、使用环境的不同，对起动电机性能的要求也不同。

起动电机消耗的电流随转速增加快速下降，以6.6kW起动电机为例，起动瞬间峰值电流可达1600A～2000A，当起动电机转速上升到驱动力矩与柴油机阻力矩平衡时，电流为500A～900A。由于大电流会使线圈温度快速升高，因此限制了每次起动发动机时，持续起动时间和间隔起动时间。

蓄电池是发动机和车辆上供电电源，当发电机发电时通过将电能转化为化学能进行充电，当需要向外输出电流时，将以化学能形式存储的能量转化为电能输出。目前使用的起动电机为直流起动电机，在接通起动电机开关瞬间，此时的电流通常可达2000A左右，如果电瓶容量加大，电流还会更高。

瞬间起动电流过高带来以下问题：

1、对起动电机的损伤，大电流一方面会增加线路发热、触点负荷，另一方面会使起动电机输出扭矩增加，带来轴承、齿轮等的损害；

2、对起动线路的损害；

3、对发动机的损害，过大的起动电流产生过高的起动扭矩，导致飞轮齿圈受力增加而损坏，影响使用寿命。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种起动电机限流起动器及其控制方法，解决起动电流过大对起动电机、发动机和起动线路的损害，可根据实际工作状况控制起动电流大小，使起动电机工作于安全界限值内，减小电池消耗和线圈发热。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种起动电机限流起动器的控制方法，通过改变串入起动线路中限流电阻的等效阻值来控制起动电机的起动电流大小。

本发明技术方案的进一步改进在于：限流电阻为若干只并联的限流子电阻。

本发明技术方案的进一步改进在于：各限流子电阻的阻值呈等比数列的规律变化，当起动电机的起动电流超过安全界限值或者超过起动电机当前转速点的最大电流时，按照阻值由小到大的顺序依次断开串入起动线路中的限流子电阻，直至起动电流限制在安全界限值内或不超过起动电机当前转速点的最大电流。

本发明技术方案的进一步改进在于：起动电机上电后，起动电机限流起动器检测起动电机的起动电流，得出当前起动电流值I₀，同时检测发动机的转速，间接得出起动电机转速v，根据如下公式I＝(U_BAT-k*v)/(r_line+r₀+r₁)，计算出起动电机当前转速点的最大电流I，其中：

I为起动电机当前转速点的最大电流；

U_BAT为蓄电池电动势；

k*v为起动电机旋转时产生的感生电动势，与蓄电池电动势反向；

k为常数；

v为起动电机转速；

r_line为外部线路和触点的总电阻；

r₀为蓄电池内部电阻；

r₁为限流电阻的等效电阻；

然后起动电机限流起动器对当前起动电流值I₀是否过大进行判断，如果当前起动电流值I₀超过安全界限值I’，或者当前起动电流值I₀没有超过安全界限值I’，但高于起动电机当前转速点的最大电流I，则起动电流控制器根据公式r＝(U_BAT-k*v)/I-r_line-r₀，计算出需要的电阻值r，进而控制限流电阻最接近的等效电阻r₁，使得r₁≥r。

一种起动电机限流起动器，包括起动电流控制器、与起动电流控制器分别连接的接触器和发动机转速传感器、连接在接触器线圈与接触器常闭触点之间的限流电阻、与接触器常闭触点连接的用于测定起动电机的起动电流的电流互感器，电流互感器还连接起动电流控制器，限流电阻通过蓄电池连接起动电机。

本发明技术方案的进一步改进在于：限流电阻为6～20只限流子电阻并联而成，每一个限流子电阻均对应连接一个接触器常闭触点。

本发明技术方案的进一步改进在于：各限流子电阻的阻值呈等比数列的规律变化。

本发明技术方案的进一步改进在于：起动电流控制器为51单片机。

本发明技术方案的进一步改进在于：起动电机为直流起动电机。

本发明技术方案的进一步改进在于：蓄电池为铅酸蓄电池，如可以为两组串联的12V铅酸蓄电池。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

选用传统的直流起动电机而不是减速起动电机，由于减速起动电机是通过齿轮变速来提高电机的转速和输出扭矩，减小起动电流，但减速起动电机转速提高后，对轴承、绕组、电刷等带来了不利影响，使其使用寿命要远短于传统的直流起动电机。同时本发明除接触器外不存在运动部件，自身和起动电机使用寿命不存在影响问题，使用寿命长，使用精度高。

各限流子电阻的阻值呈等比数列的规律变化，改变串入起动线路中限流电阻的等效阻值时，首先断开较小的阻值，是因为较小阻值的限流子电阻的通过电流最大，然后慢慢断开较大的，既可以保证较大的电阻覆盖范围，还可以保证较小的接地电流，防止产生电弧。

选用铅酸蓄电池，极板材料是铅和铅的氧化物，电解液为硫酸溶液，铅酸蓄电池具有内阻小、转化效率高(可达75％～84％)、短时间输出大电流时电压下降幅度小的优点，其放电时电动势较稳定，工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好(尤其适于干式荷电贮存)、造价低廉。

附图说明

图1是本发明控制方法的流程图；

图2是本发明的结构示意图；

其中，1、起动电流控制器，21、接触器线圈，22、接触器常闭触点，3、发动机转速传感器，4、限流电阻，5、电流互感器，6、蓄电池，7、起动电机。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1和图2所示，一种起动电机限流起动器，包括起动电流控制器1、与起动电流控制器1分别连接的接触器和发动机转速传感器3、连接在接触器线圈21与接触器常闭触点22之间的限流电阻4、与接触器常闭触点22连接的用于测定起动电机7的起动电流的电流互感器5，电流互感器5还连接起动电流控制器1，限流电阻4通过蓄电池6连接起动电机7。

限流电阻4为6～20只限流子电阻并联而成，每一个限流子电阻均对应连接一个接触器常闭触点22，各限流子电阻的阻值呈等比数列的规律变化，如可以为1欧姆、2欧姆、4欧姆、8欧姆，并以此类推。起动电流控制器1为51单片机，接触器为西门子系列，起动电机7为直流起动电机。电池6为两组串联的12V铅酸蓄电池。

限流控制方法为：通过改变串入起动线路中限流电阻4的等效阻值来控制起动电机7的起动电流大小，各限流子电阻的阻值呈等比数列的规律变化，当起动电机7的起动电流超过安全界限值或者超过起动电机当前转速点的最大电流时，按照阻值由小到大的顺序依次断开串入起动线路中的限流子电阻，直至起动电流限制在安全界限值内或不超过起动电机当前转速点的最大电流。

具体过程为：

起动电机7上电后，内部51单片机通过电流互感器5和发动机转速传感器3检测起动电流的数值和发动机的转速，得出当前起动电流值I₀，由于发动机和起动电机7通过齿轮连接，通过测出发动机转速，可以间接得出起动电机转速，进而求出起动电机旋转时产生的感生电动势。根据如下公式I＝(U_BAT-k*v)/(r_line+r₀+r₁)，计算出起动电机当前转速点的最大电流I，其中：

I为起动电机当前转速点的最大电流；

U_BAT为蓄电池电动势；

k*v为起动电机旋转时产生的感生电动势，与蓄电池电动势反向；

k为常数；

v为起动电机转速；

r_line为外部线路和触点的总电阻；

r₀为蓄电池内部电阻；

r₁为限流电阻的等效电阻；

在接通起动电机开关瞬间，转速为0，如果起动线路中不设有限流电阻，此时的电流为：I＝U_BAT/(r_line+r₀)，电流非常大，可以达到2000A以上。因此必须在起动线路接入合适的限流电阻。

然后内部51单片机当前起动电流值I₀是否过大进行判断，如果当前起动电流值I₀超过安全界限值I’，或者当前起动电流值I₀没有超过安全界限值I’，但高于起动电机当前转速点的最大电流I，则起动电流控制器根据公式r＝(U_BAT-k*v)/I-r_line-r₀，计算出需要的电阻值r，进而控制限流电阻最接近的等效电阻r₁，通过接触器线圈21控制接触器通断，改变串入起动线路中限流电阻4的等效阻值r₁，断开原则是先断开最小欧姆的限流子电阻，如果不能限制到合适的电流值，则继续断开第二小的限流子电阻，最终使得r₁≥r，从而实现对起动线路总电阻的改变，将当前起动电流值I₀限制到安全界限值内。

本发明有效解决起动电流过大对起动电机、发动机和起动线路的损害，可根据实际工作状况控制起动电流大小，避免瞬间起动电流过大或设备运行中突发状况的发生，快速、及时地使起动电机工作于安全界限值内，减小电池消耗和线圈发热，提高设备使用寿命，具有较高的推广应用价值。