Источники электрической энергии постоянного тока

Глава 2. ИСТОЧНИКИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1. СВИНЦОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электрическим аккумулятором называется химический источник тока, который обладает способностью накапливать (аккумулировать) электрическую энергию, получая ее от другого источника, и отдавать по мере надобности.

Запас химической энергии в аккумуляторе создается во время заряда его электрическим током от постороннего источника. При заряде аккумулятора подводимая к нему электрическая энергия преобразуется в химическою, которая может сохраняться и затем легко переходить снова в электрическую при разряде его.

Для заряда аккумулятор подключают к источнику постоянного тока, под действием которого вещества, входящие в состав аккумулятора, преобразуются в такое состояние, при котором они могут вступать между собой в химическую реакцию с выделением электрической энергии при последующем разряде.

Таким образом, аккумуляторы не производят электрическую энергию, а только накапливают ее при заряде и расходуют при разряде.

В зависимости от состава электролита аккумуляторы бывают кислотные и щелочные.

ТИПЫ СВИНЦОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

По конструкции свинцовые аккумуляторы можно разделить на две группы: открытые и закрытые. По своему основному назначению они делятся на:

стационарные аккумуляторы С и СК;

стартерные аккумуляторы СТ;

радионакальные батареи РН;

авиационные аккумуляторные батареи (бортовые и аэродромные);

мотоциклетные батареи МТ;

тяговые аккумуляторы для электрокар ЭН;

железнодорожные аккумуляторы для питания приборов автоблокировки АБН.

Конструктивно свинцовый аккумулятор состоит из кислотоустойчивого сосуда, наполненного электролитом, и который помещаются электроды, разделенные сепараторами. Сосуды могут быть стеклянными (до С-16) или деревянными, баками, выложенными внутри листовым свинцом (от С-16 до С-148).

Условные обозначения. Для электропитания предприятий связи применяются стационарные свинцовые аккумуляторы типов С, СК, СЗ, СЭ и СН. Буквы обозначают: С - стационарный; К - допускается кратковременный разряд большим током; 3 - в закрытом исполнении; Э - аккумуляторы собираются в эбонитовом баке (сосуде); Н - с намазными пластинами.

После  букв  ставится  число,  указывающее  номер  аккумулятора.  Например,  С-2  или  СК-2. Умножив это число на 36, получим значение номинальной емкости при 10-часовом режиме разряда. В обозначении стартерных батарей (6СТЭ-128) первая цифра 6 указывает число аккумуляторов в батарее, буквы СТ - две начальные буквы слов «стартерные».

КОНСТРУКЦИЯ СВИНЦОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Кислотным свинцовым аккумулятором называется гальванический элемент, в котором активным веществом положительного электрода служит двуокись свинца, а отрицательного - губчатый свинец, Электролитом в таких аккумуляторах служит водный раствор серной кислоты (H2SO4).

Простейший свинцовый аккумулятор состоит (рис. 2.1,а) из двух свинцовых пластин, погруженных в водный раствор серной кислоты. Положительным электродом служит свинцовая пластина (или свинцово-сурьмяная решетка), покрытая двуокисью свинца РbО2, отрицательным - пластина, покрытая губчатым свинцом Рb.

Электроды. Положительные электродные пластины бывают поверхностными или намазными (пастированными). Поверхностные пластины отливают из чистого свинца. Для увеличения активной поверхности и электрической емкости им придают ребристую форму.

Намазные положительные электродные пластины изготовляются путем вмазывания пасты, состоящей из окислов свинца, в ячейки решеток, отлитых из свинцово-сурьмяного сплава.

Отрицательные пластины могут быть намазными и коробчатыми. Намазные отрицательные пластины устроены так же, как и намазные положительные. Коробчатые отрицательные электродные пластины состоят из двух продольных свинцовых перфорированных листов, которые, будучи приложенными один к другому, образуют целые пространства - «коробки». В коробчатые пластины закладывается отрицательная пастообразная масса, и оба листа скрепляются заклепками.

При изготовлении положительные и отрицательные пластины одновременно подвергают формовке, в результате которой на положительных пластинах образуется темно-коричневая масса двуокиси свинца (PbO2), а на отрицательных - металлический свинец (Рb) губчатого строения серого цвета.

Несколько отрицательных пластин соединяют в блоки параллельно. Между ними помещают положительные пластины, также соединенные параллельно. Между каждыми двумя отрицательными пластинами помещается одна положительная. Следовательно, в каждом свинцовом аккумуляторе отрицательный блок содержит на одну пластину больше, чем положительный. Это необходимо для того, чтобы положительные пластины, располагаясь между отрицательными, не коробились. Каждый блок пластин работает как один электрод, площадь которого равна сумме площадей соединенных пластин. Таким образом, параллельное соединение одноименных пластин увеличивает емкость аккумулятора.

Соединение нескольких пластин в одном блоке осуществляется свинцовыми соединительными полосами.

Номинальное напряжение одного кислотного аккумулятора равно 2 В. Одним аккумулятором будем считать аккумулятор, состоящий из двух разноименных пластин или двух блоков разноименных пластин.

Для получения наиболее распространенных в устройствах связи номинальных напряжений 24 и 60 В аккумуляторы соединяются в блоки последовательно. Аккумуляторы С и СК соединяются двумя соединительными свинцовыми полосами, к одной из которых привариваются отводы от всех плюсовых пластин, а к другой - от всех отрицательных; аккумуляторы небольшой емкости (С-1, С-2, С-3, СК-1, СК-2, СК-3) - соединительными полосами. В этом случае аккумуляторы располагаются на стеллаже так, что их пластины направлены перпендикулярно продольной оси стеллажа. Аккумуляторы большой емкости располагаются так, чтобы пластины их были направлены вдоль оси стеллажа, а соединительные полосы - перпендикулярно этой оси.

В стационарных аккумуляторах открытого типа электролит непосредственно соприкасается с окружающим воздухом. Происходит интенсивное испарение воды, поэтому ее необходимо часто доливать. Аккумуляторы закрытого типа собираются в стеклянных сосудах, плотно закрытых эбонитовой крышкой. В крышке имеются три отверстия: два для выводов электродов и одно (в середине крышки) для заливки электролита, которое закрывается эбонитовой пробкой. Промежутки между крышкой и стенками сосуда, а также выводами электродов заливают специальной кислостойкой мастикой.

В электропитающих установках связи используются также и стартерные батареи. Стартерные свинцовые батареи изготавливаются обычно в виде моноблока в пластмассовых сосудах с тремя или шестью отделениями, в каждое из которых устанавливается одиночный аккумулятор. Затем все одиночные аккумуляторы соединяются последовательно свинцовыми полосами. Каждое отделение моноблока закрывается крышкой. Стыки крышек со стенками отделений моноблока заливаются кислотостойкой мастикой. Заливочные отверстия закрываются пробками.

Сепараторы не допускают замыкания пластин разной полярности и обеспечивают необходимый запас электролита в междуэлектродном пространстве. Они представляют собой перфорированные листы из кислотостойких синтетических микропористых материалов, располагаются между пластинами и удерживаются в нужном положении с помощью держателей. Держатели представляют собой полиэтиленовые или полистироловые палочки с продольной прорезью, в которую вставляется пластина сепаратора. Такие сепараторы обладают высокой механической прочностью, химической стойкостью, малым внутренним сопротивлением, повышенным сроком службы.

Электролит для свинцовых аккумуляторов состоит из серной кислоты и дистиллированной воды. Концентрированная аккумуляторная серная кислота представляет собой прозрачную маслянистую жидкость с желтоватым оттенком плотностью 1,83 г/см3. Она легко растворяется в воде, разъедает кожу, ткани. Температура замерзания -34°С.

Электролит приготавливают в чистой кислотостойкой посуде - эбонитовой, керамической, фаянсовой. В сосуд сначала наливают дистиллированную воду, а затем тонкой струей - серную кислоту. Так как серная кислота тяжелее воды, то выделяющееся при растворении тепло равномерно распределяется по всему объему электролита. Пользоваться стеклянной посудой нельзя, так как при растворении серной кислоты выделяется большое количество тепла и стеклянные сосуды, нагреваясь, могут лопнуть. Запрещается вливать воду в кислоту, так как при этом струя воды, соприкасаясь только с поверхностными слоями кислоты, быстро нагревается и разбрызгивается вместе с частицами серной кислоты. Попадая на кожу, эти брызги вызывают ожоги. Нейтрализовать попавшие на кожу или одежду серную кислоту и электролит необходимо 5…10 %-ным раствором соды или нашатырного спирта. После этого место поражения промыть водой.

Плотность электролита измеряют ареометром (денсиметром), который представляет собой запаянную с обеих сторон стеклянную трубку, в нижней части которой находится грузик, а в верхней - шкала.

Новые стационарные свинцовые аккумуляторы заполняют плотностью 1,18 г/см3, охлаждаемым до температуры 25°С. Незаряженные стартерные батареи залипают электролитом плотностью 1,22 г/см3 в южных районах и 1,25 г/см3 - в северных. Это делается потому, что с повышением плотности электролита понижается температура его замерзания. Так, электролит плотностью 1,2 г/см3 замерзает при температуре -27°, 1,25 г/см3 - при 52°С.

Но повышение плотности электролита ведет к сокращению срока эксплуатации и снижению качества работы свинцовых аккумуляторов.

Для приготовления электролита плотностью 1,125 г/см3 требуется чистой кислоты 200 г, а плотностью 1,185 г/см3 - 300 г, плотностью 1,2 г/см3 - 328 г кислоты на один литр электролита. В электролите плотностью 1,18 г/см3 на одну часть кислоты приходится пять частей воды.

2.2. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫВ СВИНЦОВОМ АККУМУЛЯТОРЕ

ПРИ ЗАРЯДЕ И РАЗРЯДЕ

Процессы, происходящие в свинцовом аккумуляторе, рассмотрим на примере одиночного аккумулятора, состоящего из двух пластин, погруженных в электролит (см. рис. 2.1). Положительная пластина заряженного аккумулятора покрыта двуокисью свинца РbО2, отрицательная - губчатым свинцом Рb.

В водном растворе серной кислоты под действием воды происходит электролитическая диссоциация, т.е. процесс распада молекул кислоты на положительные ионы водорода 2Н+ и отрицательные ионы кислотного остатка S04. Процесс диссоциации в водном растворе серной кислоты происходит независимо от того, погружены в него электроды или нет. Так как два иона водорода обладают в сумме двумя положительными зарядами и один ион кислотного остатка обладает двумя отрицательными зарядами, то раствор и целом остается электрически нейтральным. Молекула воды H2O также диссоциирует, распадаясь на положительный ион водорода Н+ и отрицательный одновалентный ион гидроокисла ОН. В итоге процесса ионизации две молекулы серной кислоты образуют два отрицательных двухзарядных иона кислотного остатка 2SО4 и четыре положительных иона водорода 4Н+. Около положительной пластины вследствие взаимодействия двуокиси свинца PbO2 с водой 2Н2О образуются четыре отрицательных иона гидроокисла 4ОН, а на пластине - четырехзарядный положительный ион свинца Рb++++. В результате сама пластина свинца оказывается заряженной положительно. Около отрицательной пластины выделяются двухвалентные ионы свинца Рb++ с двумя положительными зарядами. Они переходят в электролит. Часть из них, вступая в реакцию с ионами кислотного остатка, образует нейтральные молекулы сульфата свинца PbSО4, оседающего на пластине. Это повышает концентрацию положительных ионов водорода в электролите. Сама пластина вследствие и избытка электронов заряжается отрицательно (отрицательный электрод).

Таким образом, электроды оказываются заряженными.

Разряд. Если затем к электродам аккумулятора подключить нагрузку r, то он начнет разряжаться. Ток разряда Ip проходит от положительной пластины через нагрузку r к отрицательной и далее через электролит к положительной пластине.

Около положительной пластины: при протекании тока два электрона, пришедшие от отрицательной пластины через нагрузку к положительной пластине, соединяются с четырехзарядным положительным ионом свинца PS++++, делая его двухзарядный Рb++. А пришедший из электролита двухзарядный отрицательный ион кислотного остатка SO4 соединяется с ионом свинца Рb++ и образует нейтральную молекулу сульфата свинца PbS04. Одновременно с этим соединение четырех положительных ионов водорода 4Н+ с четырьмя отрицательными ионами гидроокисла 4ОН образует четыре молекулы воды 4H2O.

Около отрицательной пластины: после ухода двух электронов из отрицательной пластины новые положительные ионы свинца переходят в электролит и соединяются с пришедшими к отрицательной пластине ионами кислотного остатка SO4, Pb+SO4 = PbS04.

Таким образом, при разряде аккумулятора на положительных и отрицательных пластинах образуется сернокислый свинец (сульфат свинца) и уменьшается плотность электролита.

При глубоком разряде сернокислый свинец превращается в твердую крупнокристаллическую соль, которая плохо восстанавливается в процессе заряда. Поэтому разряжать аккумуляторы можно только до определенной плотности электролита. Для стационарных аккумуляторов она равна 1,17…1,15 г/см3.

Заряд аккумулятора осуществляется oт постороннею источника постоянною тока, для чего положительный плюс источника зарядного тока соединяемся с положительным электродом аккумулятора, а отрицательный - с отрицательным (рис 2.1,б).

При заряде сульфат свинца PbS04 из обеих пластин переходит в раствор и ионизируется, т.e. распадается на двухзарядный положительный ион свинца Рb++ и двухзарядный отрицательный ион кислотного остатка SO4 Вода диссоциируется, и из четырех молекул воды 4H2O образуются четыре положительных иона водорода 2Н+ и 2Н+ и четыре отрицательных иона гидроокисла 4OH.

Около положительной пластины: двухзарядные ионы свинца Рb++ под действием зарядного тока отдают два электрона зарядному устройству, превращаясь в четырехзарядные, а затем, соединяясь с четырьмя ионами гидроокисла 4ОН и двумя ионами кислорода 2О, образуют нейтральную молекулу двуокиси свинца PbO2, выделяющуюся на положительной пластине. Одновременно с этим в растворе образуются две молекулы воды.

Около отрицательной пластины двухзарядные ионы свинца Рb++, получая от зарядного устройства по два электрона, нейтрализуются ими и выделяются на пластине в виде нейтральной молекулы. В электролите каждый ион кислотного остатка SO4 соединяется с двумя положительными ионами водорода 2Н+ и восстанавливает у каждой пластины по одной молекуле серной кислоты.

Таким образом, в процессе заряда под действием электрического тока внешнего источника на отрицательном электроде восстанавливается губчатый свинец Рb, а на положительном - двуокись свинца РbO2. Плотность электролита повышается. Стационарные свинцовые аккумуляторы заряжают до плотности 1,2…1,21 г/см3, стартные - до 1,3 г/см3. После этого зарядный ток не восстанавливает активную массу на пластинах, а разлагает воду электролита на водород и кислород, которые могут образовать гремучий газ. Выделение водорода и кислорода в конце заряда обнаруживается по интенсивному выделению пузырьков на поверхности электролита («кипение»).

Электродвижущая сила полностью заряженного свинцового аккумулятора составляет 2,06…2,15 В. Номинальным напряжением принято считать 2 В.

2.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СВИНЦОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Электродвижущая сила (ЭДС) аккумулятора - это разность потенциалов между выводами разноименных электродов аккумулятора при отключенной нагрузке. Каждый электрод обладает определенным потенциалом относительно электролита. Двуокись свинца РbO2 положительного электрода обладает большим потенциалом, губчатый свинец Рb отрицательной пластины - меньшим. Эта разность потенциалов и равна ЭДС аккумулятора. Значение ЭДС аккумулятора зависит в основном от плотности электролита. Эта зависимость выражается эмпирической формулой

E = 0,85+d,

где d - плотность электролита в порах активной массы пластин.

У заряженных аккумуляторов С и СК плотность электролита составляет 1,2…1,21 г/см3, а у аккумуляторов СТ - 1,25…1,26 г/см3. Соответственно максимальное значение ЭДС у аккумуляторов типов С и СК Е = 0,85+1,21 = 2,06 В, у аккумуляторов СТ Е = 0,85+1,26 =   = 2,11 В.

Напряжение аккумулятора - это разность потенциалов между положительным и отрицательным электродами при включенной нагрузке. Оно состоит из ЭДС и падения напряжения на его внутреннем сопротивлении. Напряжение аккумулятора при заряде больше ЭДС на величину внутреннего падения напряжения: Uз = E+Iзr, а при разряде -меньше: Up = E-Ipr, где Iз и Ip - ток заряда и разряда соответственно; r - внутреннее сопротивление аккумулятора.

Напряжение аккумулятора при разряде. Для стационарных аккумуляторов номинальным напряжением принято считать 2 В. Это наименьшее допустимое напряжение на зажимах полностью заряженного аккумулятора в течение первого часа разряда в десятичасовом режиме при нормальной плотности электролита и его температуре 25°С. Предельно допустимое напряжение, до которого можно разрядить аккумулятор стационарного типа, составляет 1,8 В.

Напряжение аккумулятора при заряде. Для заряда аккумулятора напряжение источника тока заряда должно быть выше ЭДС аккумулятора на небольшую величину. При заряде постоянный ток от внешнего источника протекает в направлении, противоположном направлению разрядного тока. Если же напряжение зарядного устройства будет оставаться неизменным, то зарядный ток быстро уменьшится. Для поддержания постоянной величины зарядного тока необходимо в процессе заряда непрерывно повышать напряжение источника зарядного тока настолько, насколько повышается напряжение самого аккумулятора. В процессе заряда в порах активной массы пластин образуется серная кислота, в результате чего увеличиваются ЭДС и напряжение аккумулятора.

При восстановлении поверхностных слоев пластин серная кислота не задерживается в порах активной массы и легко выделяется из пластин. За это время напряжение аккумулятора медленно увеличивается до 2,3…2,4 В (рис 2.2,а).

Внутренние слои активных масс заряжаются труднее. И уже при напряжении 2,4 В только часть тока будет расходоваться на заряд, а часть - на разложение поды. Начинается выделение газов. При «кипении» электролита частицы активных веществ осыпаются на дно сосуда. Чтобы не допустить осыпания пластин, нужно уменьшить зарядный ток. При дальнейшем заряде во внутренних слоях активных масс, не соприкасающихся с внешним электролитом, быстро накапливается серная кислота. Поэтому напряжение аккумулятора быстро увеличивается с 2,4 до 2,8 В (рис. 2.2,а). К концу заряда, когда в активной массе пластин сульфат восстановлен, зарядный ток весь расходуется на разложение воды (аккумулятор бурно «кипит»). Напряжение аккумулятора перестает расти. Установившееся неизменным напряжение аккумулятора при прохождении зарядного тока указывает на то, что заряд окончен. Чтобы не допустить бурного «кипения» аккумулятора, нужно заряд его вести до конца, не повышая напряжения сверх 2,4 В. Если этого не сделать, то напряжение заряженного до 2 В аккумулятора после отключения зарядного устройства быстро уменьшится с 2,8 до 2,3 В. Это происходит потому, что прекращается падение напряжения на внутреннем сопротивлении Iзrв=0 и напряжение U становится равным ЭДС Е. После этого плотные части электролита из пор пластин переходят в общую массу электролита, в результате чего напряжение аккумулятора медленно снижается до конечного значения, определяемого плотностью электролита.

U = E = 0,85+d = 0,85+1,21 = 2,06 В.

Здесь d = 1,21 - плотность электролита заряженного стационарного аккумулятора.

На значение напряжения свинцового аккумулятора во время наряда существенно влияет температура его электролита. При понижении температуры электролит становится более вязким, а его частицы менее подвижными и внутреннее сопротивление аккумулятора возрастает настолько, что для создания зарядного тока зарядное напряжение надо увеличить до значения более высокого, чем конечное напряжение заряда. А при этом начинается электролиз воды электролита. Аккумулятор «кипит», но не заряжается.

Емкость. Номинальной емкостью аккумулятора называют количество электричества (Ач), которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при определенных для него условиях. Номинальная емкость соответствует определенному разрядному режиму. Для стационарных аккумуляторов С и СК номинальной емкостью является количество электричества, которое они могут отдавать при 10-часовом режиме разряда (С10) неизменным током до напряжения не ниже 1,8 В при нормальной плотности электролита в температуре его, равной 25°С.

Зарядной емкостью называется количество электричества, полученное аккумулятором при его заряде: Qз = Iзtз, где Iз - средний зарядный ток; tз - время заряда. При ускоренном заряде емкость аккумулятора уменьшается, так как активные вещества восстанавливаются не полностью.

С увеличением разрядного тока емкость аккумулятора уменьшается. Это происходит потому, что при большом разрядном токе поверхности пластин быстро покрываются сернокислым свинцом PbSO4, который ограничивает доступ электролита к внутренним слоям активных веществ и не позволяет им отдавать накопленную в них энергию.

Емкость аккумулятора зависит от его конструкции, количества и формы активных веществ, режима заряда и разряда, температуры электролита и его количества.

Отдача. Для аккумуляторов различают отдачу по емкости и энергии.

Отдачей аккумулятора по емкости  называется отношение количества электричества, отданного аккумулятором при разряде, к количеству электричества во время заряда. Часть электричества во время заряда затрачивается на разложение воды и саморазряд. Поэтому отдача аккумулятора по емкости  меньше единицы. Для стационарных свинцовых аккумуляторов  составляет 0,84…0,9.

Отдачей аккумулятора по энергии, или КПД аккумулятора, называется отношение электрической энергии, отданной аккумулятором при разряде, к электрической энергии, полученной им во время заряда. Отдача по энергии учитывает потери энергии на саморазряд, разложение воды и потери на внутреннем сопротивлении аккумулятора. Поэтому отдача аккумулятора по энергии w меньше отдачи по емкости и для свинцовых стационарных аккумуляторов составляет 0,63…0,7.

Саморазряд аккумулятора - это самопроизвольный процесс уменьшения его емкости при разомкнутой цепи нагрузки. Саморазряд вызывается несовершенством изоляции внешних выводов, неоднородностью пластин, неодинаковой плотностью электролита в различных частях сосуда.

Свинцовая основа пластин и ее активное вещество имеют различные свойства, в результате чего между ними возникает разность потенциалов, создающая местные токи. Плотность электролита в нижней части сосудов обычно выше, чем в верхней, что также является следствием появления местных токов.

Саморазряд свинцовых аккумуляторов в сильной степени зависит от температуры. Так, неработающие свинцовые аккумуляторы при положительной температуре (до 30°С) теряют за одни сутки до 1 % своей емкости. При отрицательных температурах (от 0 до -30°С) интенсивность саморазряда значительно снижается.

Временно неработающие аккумуляторы надо содержать при пониженных температурах и плотности электролита. У аккумуляторов С и СК потери емкости на саморазряд не должна превышать 30 % номинальной при бездействии аккумулятора в течение 30 суток. Аккумуляторы СТ могут терять в течение 30 суток около 0,5% своей емкости ежесуточно.

Внутреннее coпротивление свинцовых аккумуляторов постоянному току определяется конструкцией электродов, плотностью электролита, степенью разряженности аккумулятора и температурой окружающей среды. У заряженного аккумулятора внутреннее сопротивление меньше, чем у разряженного. Так, внутреннее сопротивление аккумуляторов СК-1 в заряженном состоянии составляет 0,0046 Ом, а в разряженном - 0,006 Ом. С понижением температуры внутреннее сопротивление возрастает, так как увеличивается вязкость электролита и замедляется ионный обмен.

2.4. ЭКСПЛУАТАЦИЯ СВИНЦОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

На предприятиях связи в настоящее время основным режимом эксплуатации батарей свинцовых аккумуляторов является буферный режим с постоянным подзарядом.

При буферном режиме полностью заряженная аккумуляторная батарее подключается параллельно выпрямительному устройству ВУ, питающему нагрузку (рис. 2.3). При этом батарея постоянно подзаряжается слабым током, компенсирующим ее саморазряд. На каждом аккумуляторе поддерживается напряжение 2,20,05 В. Для такого режима используются стабилизированные выпрямительные устройства серий ВУ, ВУК и др.

При включенном выпрямителе, который питается от сети, питание аппаратуры связи и подзаряд батареи осуществляются от буферного выпрямителя. Аккумуляторы в этом случае выполняют две функции:

резервного источника питания;

элемента фильтра, сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения.

При выключении выпрямительного устройства (отключении сети) аппаратура связи питается от аккумуляторов. После восстановления напряжения переменного тока буферный выпрямитель одновременно питает аппаратуру связи и заряжает аккумуляторную батарею.

Буферная работа аккумуляторных батарей в режиме постоянного подзаряда имеет следующие достоинства:

высокую надежность электропитающей установки, так как полностью заряжённая батарея постоянно подключена параллельно нагрузке;

высокий КПД буферной установки, равный КПД буферного ВУ, 0,8…0,9;

большой срок эксплуатации аккумуляторов (до 20 лет);

аварийное питание нагрузки обеспечивается в течение 1…3 ч;

уход за аккумуляторной батареей в нормальных условиях прост и сводится только к доливке воды и поддержанию сухими и чистыми сосудов и стеллажей.

Эксплуатация батарей из аккумуляторов С и СК в буферном режиме с постоянным подзарядом должна осуществляться с соблюдением следующих правил:

перед вводом в эксплуатацию батарея должна обладать емкостью, равной 100 % номинального значения;

для компенсации саморазряда и содержания батарей аккумуляторов типов С и СК в полностью заряженном состоянии необходимо поддерживать на них напряжение 2,20,05 В на аккумулятор;

эксплуатация аккумуляторов при напряжении 2,20,05 В осуществляется без тренировочных зарядов - разрядов и перезарядов;

контрольные измерения напряжения каждого аккумулятора, плотности электролита и его температуры должны производиться не реже 1 раза в месяц. Постоянство плотности электролита указывает на то, что аккумулятор полностью сохраняет свою емкость;

контрольные разряды батареи аккумуляторов С и СК целесообразно производить 1 раз в два года и всякий раз, когда возникают подозрения о снижении емкости батареи.

Кроме буферного режима свинцовые аккумуляторы могут работать в режиме заряда-разряда. В этом режиме аккумуляторная батарея разделяется на две группы. В то время когда одна группа работает - разряжается на нагрузку, другая разряжается или заряженная находится в резерве. Через сутки группы меняют местами: первая группа подключается на заряд, а вторая - на работу для питания нагрузки.

Достоинством режима заряда-разряда является высокое качество питания нагрузки, так как ток от аккумуляторов не содержит гармоник, отрицательно влияющих па качество работы многих устройств и приборов. Но этот режим имеет следующие недостатки:

низкий КПД электропитающей установки (0,3…0,5);

значительную емкость и небольшой срок эксплуатации аккумуляторов (4…10 лет);

необходимость в постоянном уходе, так как заряжать группу аккумуляторов необходимо ежедневно.

2.5. ЗАРЯД АККУМУЛЯТОРОВ

Первый заряд новых аккумуляторов. Новые аккумуляторы С и СК заливают электролитом, температура которого не превышает 35°С. После окончания заливки батарея должна простоять 3…4 ч, но не более 6 ч. За это время все поры пластин хорошо пропитываются электролитом. Затем проверяют и доводят до нормального значения уровень электролита в каждом аккумуляторе. После этого аккумулятор подключают к зарядному устройству. Первый заряд называют формовочным. Он отличается от обычных своим режимом и длительностью. Во время этого заряда аккумуляторам С и СК необходимо сообщить такое количество электричества, которое численно равно 9-кратной величине их номинальной емкости N. Ток первого заряда должен быть не более 7N для аккумуляторов от N=1 до N=5. После сообщения аккумуляторам 4…5-кратной номинальной емкости надо сделать перерыв на 1 ч. После этого заряд продолжается тем же током до появления газовыделения у всех аккумуляторов. Снова одночасовой перерыв, и опять заряд, и т.д. Заряд заканчивается тогда, когда электролит включенного после часового перерыва аккумулятора сразу начинает «кипеть».

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ЗАРЯДЫ АККУМУЛЯТОРОВ

Заряд при постоянном значении зарядного тока может производиться как в одну, так и в две ступени. При двухступенчатом заряде наибольший зарядный ток аккумулятора СК на первой ступени составляет 0,25 их номинальной емкости 9N. Таким током аккумулятор заряжают до напряжения 2,4 В. Затем зарядный ток снижают до значения 4N и продолжают заряд до конца. Уменьшить зарядный ток на второй ступени надо для того, чтобы не допустить большого газовыделения, которое ведет к порче пластин. Конец заряда определяется по следующим признакам: напряжение аккумулятора достигает 2,7…2,8 В; плотность электролита становятся равной 1,205 г/см3; появляется интенсивное газовыделение.

Одноступенчатый заряд осуществляется неизменным зарядным током на протяжении всего времени заряда. Он устанавливается равным 4N. Конец заряда определяется по тем же признакам, что и при двухступенчатом заряде.

Заряд плавно убывающим током осуществляется от выпрямителя, зарядный ток которого автоматически уменьшается, а напряжение возрастает по мере заряда.

Одноступенчатый заряд при постоянном напряжении производится от зарядных устройств, работающих в режиме стабилизации напряжения. Выпрямленное напряжение поддерживается постоянным в пределах 2,2…2,35 В на аккумулятор. При постоянном напряжении заряда появляется «кипение» электролита на протяжении всего времени заряда. Такой режим заряда имеет следующие достоинства:

уменьшается выпадение активных веществ пластин на дно сосуда;

увеличивается срок эксплуатации аккумулятора;

значительно упрощается уход за аккумуляторными батареями.

Но такой заряд продолжается несколько суток. Признаком окончания заряда служит постоянство плотности электролита и зарядного тока в течение последних 10 ч заряда.

Модифнцированный заряд при постоянном напряжении осуществляется в две ступени. На первой ступени поддерживается постоянный ток заряда, не превышающий 9N. Напряжение аккумуляторов при этом постепенно увеличивается до 2,2…2,35 В. После этого зарядное устройство переводится в режим стабилизации напряжения. Заряд продолжается плавно убывающим током. Окончание заряда определяется по тем же признакам: постоянное значение зарядного тока и плотности электролита в последние часы заряда. Модифицированный заряд может производиться без отключения батареи от нагрузки.

Уравнительный заряд применяется для того, чтобы подогнать до нормы величину емкости каждого аккумулятора батареи. Он осуществляется при напряжении 2,3 В на аккумулятор.

Разряд свинцовых аккумуляторов можно осуществлять токами различного значения. Чем больше разрядный ток, тем меньше время разряда. Стационарные аккумуляторы отдают номинальную емкость при 10-часовом режиме разряда. Окончание разряда определяется следующими признаками: напряжение одного аккумулятора С уменьшается до 1,8 В, а СК -до 1,75 В (рис. 2.2,б); плотность электролита понижаемся до 1,15…1,17 г/см3. Разряженные аккумуляторы следуем поставить на заряд не позднее чем через 24 ч с момента окончания разряда.

2.6. НЕИСПРАВНОСТИ АККУМУЛЯТОРОВ

Сульфатация пластин - это процесс превращения сульфата свинца PbS04 на пластинах аккумулятора в крупнокристаллическое трудно разложимое вещество, которое не восстанавливается при нормальном заряде. Твердый сульфат покрывает пластины сверху и препятствует проникновению электролита к внутренним слоям активных масс. А в глубине пор активной массы пластин кристаллы сульфата растут и существенно снижают поры.

Признаки сульфатации:

плотность электролита становится ниже нормального значения;

быстрый разряд аккумулятора при подключении нагрузки;

закипание электролита раньше, чем в других аккумуляторах;

положительные пластины становятся светло-коричневыми, а отрицательные покрываются белыми пятнами.

Причины сульфатации.

разряд аккумулятора ниже 1,8…1,75 В;

разряд недопустимо большим током,

длительное хранение батареи в частично или полностью разряженном состоянии;

многократный недозаряд аккумуляторов;

низкий уровень электролита (при этом активная масса пластин подвергается длительному интенсивному воздействию кислорода воздуха).

Способы устранения сульфатации пластин:

длительный заряд аккумуляторов малым током;

заряд аккумуляторов в дистиллированной воде;

глубокие разряды аккумуляторов малыми токами

Длительный заряд аккумуляторов малым током применяется при незначительной и незапущенной сульфатизации пластин. Он проводится следующим образом. Засульфатированные аккумуляторы сначала доливают дистиллированной водой несколько выше нормального уровня и заряжают нормальным током до «кипения». Затем выключают зарядный ток на 30 мин и снова включают на заряд, уменьшив зарядный ток в 10 раз. Заряд продолжают снова до «кипения». Такой заряд уменьшенным током с перерывами проводят до тех пор, пока аккумуляторы, включенные на заряд после перерыва, сразу же не начинают «закипать». После этого восстанавливают плотность электролита до нормы и включают аккумуляторы на эксплуатацию.

При заряде малым током устраняется газовыделение в порах активной массы, и этим облегчается постепенный переход сульфата PbS04 в губчатый свинец Рb и двуокись свинца РbO2 на пластинах. Процесс этот идет медленно. Серная кислота, медленно выделяющаяся в порах, успевает диффундировать в окружающие пластины раствор кислоты, несмотря на то, что поры при сульфатации сужены. Поэтому плотность электролита в порах повышается медленно и напряжение повышается слабо.

Когда весь сульфат на пластинах будет преобразован в активную массу, у пластин усиливается газовыделение, а напряжение растет.

Окончание процесса десульфатации определяется по прекращению роста напряжения и плотности электролита.

Десульфатация пластин методом заряда аккумулятора в дистиллированной воде производится при глубокой, но незапущенной сульфатации пластин. Засульфатированные аккумуляторы разряжают до напряжения 1,8 В на каждый аккумулятор, выливают из сосудов электролит и заменяют его дистиллированной водой. Через час после заливки аккумуляторы включают на заряд таким током, чтобы напряжение на каждом аккумуляторе не превышало 2,3 В. Когда плотность электролита увеличится до 1,1…1,12 г/см3, зарядный ток надо уменьшить до 1/5 нормального зарядного тока. Заряд прекращают, когда плотность электролита установится постоянной и начнется бурное газовыделение. После этого аккумуляторы разряжают током, равным 1/50 их номинальной емкости, до конечного допустимого напряжения. Такие циклы заряда - разряда проводят несколько раз до полного восстановления емкости, после чего к ним можно подключать нагрузку.

Глубокий разряд малыми токами применяют для десульфатации сильной и застарелой сульфатации, при которой аккумулятор потерял более 50 % номинальной емкости. Для этого засульфатированные аккумуляторы заряжают с перезарядом током нормального значения. Затем аккумуляторы разряжают слабым током равным 1/50 их номинальной емкости, до напряжения 1,8…1,75 В. При этом происходит постепенное растворение твердого сульфата. Такие циклы заряда-разряда повторяют 7-8 раз до полного восстановления емкости аккумулятора.

В итого следует напомнить, что свинцовые аккумуляторы нельзя разряжать до напряжения ниже 1,8 В, так как при этом они сульфатируются. Поэтому хранить неработающие аккумуляторы с залитым электролитом можно только после их заряда. Для предохранения аккумулятора от сульфатации его надо заряжать каждые 30 дней. В сухом виде кислотные аккумуляторы должны храниться не более года.

Короткое замыкание пластин в аккумуляторах происходит по следующим причинам:

осыпавшейся активной массой, осевшей на дно сосуда, соединяются кромки разнополярных пластин;

искривление положительных пластин до соприкосновения с отрицательными;

износ и разрушение сепараторов;

попадание в аккумуляторы посторонних металлических предметов.

При заряде аккумуляторов с такими повреждениями основная часть зарядного тока проходит по токопроводящему соединению минуя электролит. Аккумулятор плохо заряжается. После заряда он непрерывно разряжается через короткозамыкающую внутреннюю перемычку. Короткое замыкание вызывает глубокую сульфатацию пластин. Место короткого замыкания в аккумуляторах с непрозрачными сосудами определяется компасом. Ток короткого замыкания создает магнитное поле, которое отклонит стрелку компаса от обычного направления. Причину короткого замыкания необходимо быстро устранить.

Меры безопасности. При проведении работ по обслуживанию аккумуляторов необходимо руководствоваться правилами технической эксплуатации электроустановок, правилами техники безопасности, а также ведомственными инструкциями. Некоторые из этих правил:

работать с аккумуляторами можно только в спецодежде (резиновые перчатки и галоши, прорезиненный фартук, защитные очки и др.);

вблизи помещения с аккумуляторами должны быть: нейтрализующие растворы питьевой соды, мыло, вода, умывальник, полотенце;

помещение аккумуляторной должно быть оборудовано исправной вентиляцией;

соблюдать все правила работы с электролитами.

2.7. ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Типы и устройства. Щелочные аккумуляторы применяются в переносной аппаратуре связи, а также на сельских АТС небольшой емкости. Наиболее часто применяются щелочные кадмневоникелевые (тип КН) и железоникелевые (тип ЖН) аккумуляторы емкостью до 100 Ач.

Достоинства таких аккумуляторов:

высокая механическая прочность;

сравнительно небольшая масса;

срок годности и хранения больше, чем у свинцовых.

Поэтому они используются в качестве переносных и временных источников питания некоторых устройств связи.

Но по сравнению со свинцовыми щелочные аккумуляторы имеют:

меньшую отдачу по энергии и емкости;

меньшее среднее разрядное напряжение;

большее изменение напряжения при разряде.

Щелочные аккумуляторы - это аккумуляторы закрытого типа. По конструкции и электрическим параметрам они примерно одинаковы.

Щелочной аккумулятор смонтирован в стальном никелированном корпусе. Пластины состоят из стальных перфорированных ламелей (оболочек), в которые закладывается активная масса. Одноименные пластины соединяют в блоки и помещают в стальной сосуд, заполненный электролитом. Сосуд закрывается крышкой, в которой размещены полосные выводы от положительных н отрицательных пластин, а также отверстие для заливки электролита, закрываемое пробкой с резьбой.

У аккумуляторов ЖН отрицательных пластин на одну больше, чем положительных. Крайние отрицательные пластины касаются корпуса, а положительные изолированы от корпуса. В аккумуляторах КН - наоборот: крайние пластины положительные, они касаются корпуса. Поэтому корпус в них оказывается соединен с положительным выводом.

У щелочных аккумуляторов обоих типов активная масса положительных пластин состоит из гидрата окиси никеля Ni(OH)3, смещенного с графитом, для повышения ее электропроводности. Активная масса отрицательных пластин у аккумуляторов КН состоит из смеси кадмия, железа и их окислов, а у аккумуляторов ЖН - только из железа и его окислов.

Электролитом служит водный раствор едкого натра NaOH или едкого кали КОН с добавкой 20 г едкого лития на 1 л электролита, увеличивающего в 2…2,5 раза срок службы аккумуляторов. Один раз в год электролит необходимо заменять свежим.

Условное обозначение аккумуляторов состоит из букв КН и ЖН и чисел. Число, стоящее впереди букв, обозначает, сколько аккумуляторов входит в эту батарею; число, стоящее после букв, указывает номинальную емкость аккумулятора. Например, 4КН10 - кадмиевоникелевый, состоящий из четырех аккумуляторов, емкость - 10 Ач.

Между пластинами и дном сосуда имеется свободное пространство, которое предохраняет пластины от соприкосновения с осадком, образующимся на дне сосуда в процессе работы аккумулятора.

В процессе разряда ЖН аккумуляторов активная масса положительных пластин превращается в гидрат закиси никеля Ni(OH)2, а активная масса отрицательных пластин - в гидрат закиси железа Fe(OH)2. Плотность электролита во время разряда нe изменяется, так как на преобразование гидрата окиси никеля Ni(OH)3 в гидрат закиси Ni(OH)2 едкий натр не затрачивается. Аналогично и на отрицательных пластинах.

При заряде щелочного аккумулятора пластины восстанавливаются до первоначального химического состава.

2.8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Электродвижущая сила щелочных аккумуляторов ниже, чем свинцовых. У полностью заряженного КН аккумулятора ЭДС составляет 1,4 В, у ЖН - 1,5 В; номинальное напряжение - 1,25 В. При заряде аккумуляторов напряжение достигает 1,75…1,85 В. Заряд рекомендуется проводить неизменным током. В конце разряда напряжение 1 В. Кривые изменения напряжения па зажимах КН аккумулятора при его заряде и разряде приведены на рис. 2.4.

Особенно большие перепады напряжения получаются в буферном режиме. При работе аккумулятора в режиме непрерывного подзаряда необходимо на каждом аккумуляторе поддерживать напряжение 1,6 В.

Относительно большое изменение напряжения КН аккумуляторов ограничивает применение их в стационарных установках связи. Срок годности КН аккумуляторов не менее 8 лет. Срок хранения без электролита: КН аккумулятора 5 лет; ЖН - 3,5 года.

Емкость щелочных аккумуляторов с повышением температуры возрастает, с понижением - падает. Замерзший аккумулятор после согревания может отдать оставшуюся в нем емкость.

Внутреннее сопротивление заряженных щелочных аккумуляторов постоянному току составляет от 0,22/0 до 0,32/0 Ом, где 0 - номинальная емкость. В процессе разряда сопротивление остается неизменным при разряде до 50 % номинальной емкости аккумулятора. При дальнейшем разряде сопротивление возрастает и к концу достигает значения, удвоенного по сравнению с первоначальным.

Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов примерно в 2 раза больше, чем свинцовых. Поэтому они менее чувствительные к коротким замыканиям, но имеют более низкий КПД.

Саморазряд щелочных аккумуляторов протекает неравномерно. Он очень интенсивен в первые дни после заряда, а затем понижается и стабилизируется. Не разряжаются они значительно. Так, ЖН аккумуляторы за 30 суток хранения теряют 30…50 % номинальной емкости. Саморазряд КН аккумуляторов в 2…2,5 раза меньше, чем ЖН.

Отдача по емкости у щелочных аккумуляторов составляет 0,66, по энергии - 0,5; их срок эксплуатации - 750 циклов заряда-разряда.

Серебряноцинковые аккумуляторы (СЦ) по своему устройству аналогичны безламельным КН аккумуляторам. Активной массой положительных пластин служит окись серебра, активная масса отрицательных пластин состоит из окиси и порошка цинка. В качестве электролита используется химически чистый раствор едкого кали КОН плотностью 1,4 г/см3. Корпус СЦ аккумуляторов из пластмассы. Количество электролита незначительное. Поэтом; они могут устанавливаться в любое положение. Номинальное напряжение - 1,5 В.

Достоинства серебряноцинковых аккумуляторов:

малый саморазряд: за год потери емкости на саморазряд не превышают 30 %;

малая масса - в 4-6 раз меньше свинцовых;

малое внутреннее сопротивление - тысячные доли ома;

возможность разряжаться значительными токами (например, аккумулятор емкостью в 85 Ач может разряжаться током в 600 А, а в импульсном режиме - током до 2000 А).

Недостатки:

высокая стоимость материалов;

малый срок эксплуатации – 10…100 циклов заряда-разряда;

чувствительность к переразряду и перезаряду.

2.9. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Щелочные аккумуляторы выпускаются без электролита и хранятся в сухом виде. Заливаются они водным раствором едкого натра NaOH или едкого кали КОН плотностью 1,19…1,21 г/см3 на 8…10 мм выше верхних краев пластин. Через 2 ч после заливки новые аккумуляторы ставят на заряд.

Первый заряд производится нормальным током, равным 0,250 (0 - номинальная емкость), в течение 12 ч. После этого батарею разряжают до напряжения 1 В на каждый элемент током 8-часового режима разряда 0,1250 в течение 4 ч. После проведения 2-3 таких циклов аккумулятор ставят на эксплуатацию. Эксплуатационные заряды щелочных аккумуляторов проводятся нормальным током неизменной величины в течение не менее 7 ч.

Разряжать щелочные аккумуляторы можно до конечного напряжения 1,15…1 В при нормальном разряде и до 0,6 В при ускоренном разряде.

2.10. НЕИСПРАВНОСТИ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

У щелочных аккумуляторов потеря емкости может происходить по следующим причинам:

длительные разряды слишком малым током;

систематические недозаряды;

короткое замыкание внутри аккумулятора или между соседними сосудами;

загрязнение электролита;

понижение уровня электролита ниже верхних кромок пластин;

утечка тока по загрязненной поверхности аккумулятора.

При этих неисправностях потеря емкости является следствием неполного восстановления активной массы, находящейся в глубине пакетов пластин. После устранения причин короткого замыкания или утечки токов аккумуляторам сообщают усиленный заряд.

Саморазряд, превышающий допустимую норму, происходит вследствие загрязнения электролита.

У глубоко разряженных исправных аккумуляторов во время заряда очень слабо выделяются газы. Слабое выделение газов наблюдается:

при коротком замыкании пластин;

после глубокого разряда аккумулятора.

В этом случае короткое замыкание надо устранить, а глубоко разряженному аккумулятору дать дополнительный усиленный заряд. Чрезмерно сильное выделение газов в неработающих аккумуляторах. Происходит вследствие загрязнения электролита.

Короткое умыкание между пластинами вызывает понижение напряжения у заряженного аккумулятора. Понижение уровня электролита приводит к резкому падению напряжения аккумулятора под нагрузкой.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Какие источники постоянного тока называются химическими?
  2.  Дайте определение гальванических элементов и аккумуляторов.
    1.  Какие типы свинцовых аккумуляторов выпускаются промышленностью?
    2.  Поясните конструкцию свинцовых аккумуляторов.
    3.  Как приготовить электролит для свинцового аккумулятора?
    4.  Поясните принцип действия свинцового аккумулятора.
    5.  Поясните химические процессы а аккумуляторе.
    6.  Как осуществляется заряд свинцового аккумулятора?
    7.  Назовите электрические параметры свинцовых аккумуляторов.
    8.  В чем заключается буферный режим работы аккумулятора?
    9.  Как осуществляется заряд аккумулятора?
    10.  Какие виды заряда применяются?
    11.  Какие бывают неисправности свинцовых аккумуляторов?
    12.  Что такое сульфатация пластин свинцового аккумулятора и как ее устранить?
    13.  Поясните устройство щелочного аккумулятора.
    14.  Назовите электрические параметры щелочных аккумуляторов.
    15.  Поясните устройство серебряноцинковых аккумуляторов.
    16.  Поясните особенности щелочных аккумуляторов.

Рис. 2.1. Принцип устройства свинцового аккумулятора

Рис. 2.2 Кривые изменения напряжения на зажимах свинцового аккумулятора при его заряде и разряде

Рис. 2.3. Схема включения аккумуляторной батареи при буферном режиме работы

Рис 2.4. Кривые изменения напряжения на зажимах щелочного аккумулятора при заряде и разряде

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Свинцовые аккумуляторы общие сведения. Электрохимические процессыв свинцовом аккумуляторе при заряде и разряде. Электрические параметры свинцовых аккумуляторов. Эксплуатация свинцовых аккумуляторов. Заряд аккумуляторов. Неисправности аккумуляторов. Электрические параметры щелочных аккумуляторов

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

«Зеленые» технологии и производства в утилизации отходов жизнедеятельности человека

Проблема полного уничтожения или частичной утилизации твердых бытовых отходов (ТБО). Предварительная сортировка. Санитарная земляная засыпка. Сжигание. Переработка горючих, гниющих отходов. Переработка использованных шин. Линии демонтажа старых автомобилей. Утилизация медицинских отходов.

Социологическая теория

Маршрут обработки детали «зубчатое колесо»

Контрольная работа по дисциплине: Технология машиностроения

История отечественного государства и права. Тесты по ИОГП

Материалы, дополняющие содержание и порядок проведения текущего контроля успеваемости, промежуточной и итоговой аттестации студентов. Тесты по проверке остаточных знаний. Предмет, метод и периодизация истории отечественного государства и права.

Какой выбрать септик для дома

Как сделать септик в частном доме Где купить септик

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok