28.06.11

Исследование эксплуатационных режимов работы судовых аккумуляторных батарей

Цель работы

Изучение конструкции кислотных и щелочных аккумуляторных батарей. Изучение порядка подготовки, включения и производства зарядки кислотных и щелочных аккумуляторов. Снятие и исследование характеристик кислотных и щелочных аккумуляторов при зарядке и разрядке.

Программа работы
  1. Изучить конструкцию кислотных аккумуляторов.
  2. Провести подготовку 1-й кислотной аккумуляторной батареи к зарядке и включить ее на зарядку.
  3. Проверить состояние 2-й кислотной аккумуляторной батареи и включить ее на нагрузку.
  4. Снять характеристики кислотных аккумуляторов при зарядке и разрядке.
  5. Изучить конструкцию щелочных аккумуляторов.
  6. Провести подготовку 1-й щелочной аккумуляторной батареи к зарядке и включить ее на зарядку.
  7. Проверить состояние 2-й щелочной аккумуляторной батареи и включить ее на нагрузку.
  8. Снять характеристики щелочных аккумуляторов при зарядке и разрядке.

Общие сведения и основные теоретические положения

Аккумуляторы электрической энергии применяются в судовых электрических установках в качестве резервных, аварийных, а для отдельных устройств — основных источников электроэнергии. Они являются источниками питания малого аварийного освещения различных средств внутрисудовой связи, радиотехнических средств и сигнализации. Кроме того, аккумуляторные батареи служат для питания стартеров дизелей. Аккумуляторные батареи являются независимым источником питания, дающим постоянный ток без пульсации и высших гармоник.

В электрических установках применяются кислотные и щелочные кадмиево-никелевые аккумуляторы. Основным параметром аккумуляторов является емкость. Емкость аккумулятора определяется количеством электричества, которое отдается при разряде определенной величины тока до минимального допустимого напряжения. Емкость определяется формулой

C = It,

где: I — величина разрядного тока;
t — время разряда до минимального напряжения в час.

Емкость аккумуляторов зависит от типа пластин, количества активной массы, состояния и толщины ее слоя, количества, плотности и температуры электролита и величины разрядного тока.

Аккумуляторная батарея не может при разрядке отдать потребителю всей энергии, полученной при зарядке, так как часть энергии теряется в аккумуляторе на нагревание электролита, нормальный саморазряд и на разложение воды. Различают отдачу аккумулятора по емкости и по энергии. Отдача по емкости ηесть отношение отданного при разрядке количества электричества к полученному количеству электричества при зарядке:


Отдача по энергии есть ηэ отношение электрической энергии аккумулятора при разрядке к энергии, сообщенной ему при зарядке:


где СР, IP, tP, UP— соответственно емкость, ток, время и среднее напряжение при разрядке;
СЗ, IЗ, tЗ,UЗ — емкость, ток, время и среднее напряжение при зарядке.

В нормальном режиме «зарядка-разрядка» кислотных аккумуляторов отдача по емкости составляет 85—90%, по энергии — 65—70%.

Кислотные аккумуляторы

Кислотный аккумулятор состоит из сосуда с электролитом, в который погружаются блоки пластин положительных и отрицательных электродов. Сосуды могут быть пластмассовыми и эбонитовыми.

В качестве отрицательных электродов применяются пластины решетчатой формы, заполненные губчатым свинцом Рb.

В качестве положительных электродов применяются решетчатые пластины, изготовленные из сплава химически чистого свинца с сурьмой. Активная масса РbO2 вмазывается в мелкие ячейки решеток.

В качестве электролита применяется раствор химически чистой серной кислоты H2S04 в дистиллированной воде.

Электрический свинцовый аккумулятор является химическим источником электрической энергии, отличающимся от гальванических элементов тем, что протекающие в нем химические реакции обратимы. При пропускании через разряженный аккумулятор зарядного тока в нем происходит восстановление всех веществ до первоначального состояния. Во время разряда аккумулятора чистый свинец положительных пластин и перекись свинца отрицательных пластин превращаются в сульфат свинца;

Pb + 2H2SO4 + PbO2 → 2PbSO4 + 2H2O.

Этот процесс сопровождается уменьшением плотности электролита в аккумуляторе за счет образования сульфата свинца и выделения воды. При заряде аккумулятора процесс восстановления протекает в обратном порядке:

2PbSO4 + 2H2O → … → Pb + 2H2SO4 + PbO2.

Концентрация или плотность электролита в кислотных аккумуляторах является важнейшим фактором, определяющим его состояние во время работы. Изменение плотности электролита влияет на изменение ЭДС и соответственно на напряжение аккумулятора, как при разрядке, так и при зарядке.
На основании выполненных исследований установлена формула, определяющая зависимость ЭДС аккумулятора от плотности электролита:

E = 0,84 + d,

где Е — ЭДС аккумулятора;
d — плотность электролита;
0,84 — постоянное слагаемое.

Напряжение при разрядке и зарядке определяется выражением:

UP = 0,84 + d – IPRB;
UЗ = 0,84 +d + IЗRB,

где IP, I3 — разрядный и зарядный токи;
RB — внутреннее сопротивление, равное примерно 0,05 Ом.

Из первого выражения видно, что изменение напряжения при разрядке UP зависит почти исключительно от изменения плотности электролита, так как внутреннее падение напряжения представляет собой малую величину.

Кривая разрядки может быть разделена на три участка. Первый участок кривой характеризуется заметным снижением напряжения, которое вызывается снижением плотности электролита внутри активной массы до момента установления равенства между расходованием кислоты в порах на химическую реакцию и приходом ее в поры из пространства между пластинами. Второй участок, самый значительный по времени, представляет собой почти прямую линию, медленно снижающуюся вследствие общего снижения плотности электролита во всем объеме акку-мулятора. Последний участок характеризуется еще большим снижением напряжения, чем первый, вызываемым ослаблением диффузии электролита вследствие закрытия пор сульфатом свинца. Разрядка заканчивается, когда напряжение аккумулятора снижается до 1,8 В.

Кривую зарядки аккумулятора можно разделить на четыре участка. На первом участке наблюдается подъем зарядного напряжения, обусловленный возрастанием плотности электролита в порах активной массы до момента, когда наступает равенство между образованием новых количеств серной кислоты, расходованием воды в порах и действием диффузии. Второй участок характеризуется медленным возрастанием зарядного напряжения в связи с повышением плотности электролита во всем аккумуляторе. На третьем участке происходит крутой подъем кривой заданного напряжения, вызываемый поляризацией пластин и увеличением внутреннего сопротивления из-за покрытия пластин пузырьками водорода и кислорода. На четвертом участке кривая проходит параллельно оси времени вследствие постоянства плотности электролита.

После отключения аккумулятора с зарядки наблюдается снижение зарядного напряжения, так как исчезает внутреннее падение напряжения.

В зависимости от состояния кислотных аккумуляторов применяются следующие виды зарядки: а) нормальная зарядка; б) первая зарядка.

Нормальная зарядка является основным режимом зарядки аккумуляторов и производится током нормального зарядного режима в соответствии с паспортом аккумулятора.
Кислотные аккумуляторы должны заряжаться в две ступени. Величина зарядного тока первой ступени берется равной IЗІ = 0,1СН, т. е. одной десятой от величины паспортной емкости.

Данной величиной тока аккумулятор заряжается до начала газовыделения. Затем величину зарядного тока снижают: IЗІІ = 0,4IЗІ.

Окончание зарядки характеризуется повышением напряжения до 2,6÷2,8В на каждом элементе, повышением плотности электролита до 1,26÷1,27 и сильным газовыделением.

Первая зарядка является основным режимом зарядки аккумуляторов и производится током нормального зарядного режима в соответствии с паспортом аккумулятора.

Первую зарядку необходимо вести токами, величины которых в зависимости от типа аккумулятора рекомендованы для этого. Продолжительность первой зарядки может колебаться от 25 до 50ч для аккумуляторов с «частично   разряженными пластинами» в зависимости от длительности хранения батарей до пуска в эксплуатацию.

Во время первой и последующих зарядок необходимо периодически проверять температуру электролита и следить, чтобы она не поднималась выше 40°С. Признаком конца зарядки служит постоянство в течение 2—3 ч напряжения и плотности электролита, а также обильное газовыделение во всех элементах.

Щелочные аккумуляторы

На судах широко применяются щелочные кадмиево-никелевые аккумуляторы, обладающие большим сроком службы, значительной механической прочностью, отсутствием взрывоопасных выделений, простотой обслуживания в эксплуатации, возможностью действия при низких температурах и стойкостью против коротких замыканий.

К недостаткам щелочных аккумуляторов можно отнести относительно малую ЭДС (1,25 В), большое падение напряжения во время разрядки, небольшую удельную емкость (т. е. емкость, приходящуюся на единицу веса аккумулятора),   малую отдачу.

Щелочной аккумулятор состоит из стального бака, блока по-ложительных и отрицательных пластин и электролита.

Положительные и отрицательные пластины набирают из пакетов, оболочки которых изготовлены из стальной перфорированной ленты. Пакеты набивают активной массой. Разнополярные пластины изолируют друг от друга эбонитовыми палочками. Баки аккумуляторов изготавливают герметически закрытыми.

Активная масса положительных пластин состоит из гидрата окиси никеля Ni(OH)2 с примесью графита для повышения проводимости активной массы. Активная масса отрицательных пластин состоит из губчатого кадмия Cd. В качестве электролита применяется водный раствор едкого кали КОН или едкого натра NaOH плотностью 1,19÷1,21 с небольшим добавлением едкого лития LiОН, увеличивающего срок службы аккумуляторов.

Если при зарядке подключить аккумулятор к источнику постоянного тока, то на положительных пластинах гидрат окиси никеля переходит в гидрат закиси Ni(OH)3, а на отрицательных пластинах гидраты закиси кадмия превращаются в губчатый кадмий. При разряде в щелочном аккумуляторе происходят процессы, обратные процессам заряда, при этом при зарядке и разрядке плотность электролита остается неизменной. Химическая реакция записывается в следующем виде:

2Ni(OH)2 + Cd(OH)2  2Ni(OH)2 + Cd.

При зарядке вода разлагается на водород и кислород, которые выделяются в виде пузырьков газа, объем электролита постоянно уменьшается и его нужно доливать дистиллированной водой.

Режимы щелочного аккумулятора определяются его электродвижущей силой, внутренним сопротивлением, напряжением на зажимах, емкостью, отдачей и саморазрядом.
Внутреннее сопротивление щелочного аккумулятора в начале разрядки представляет сравнительно небольшую величину и определяется формулой


где СН — номинальная емкость, А/ч.

При разрядке до 80% сопротивление медленно возрастает, затем начинается более крутой подъем, и к концу разрядки сопротивление резко увеличивается. Такой характер кривой изменения внутреннего сопротивления отражается на кривой разрядки. Последний период разрядки характеризуется более быстрым снижением напряжения.

Напряжение аккумулятора как при разрядке, так и при зарядке зависит от силы тока:


Напряжение в конце зарядки номинальным током должно быть в пределах 1,78—1,85 В. Начальное напряжение 1,3—1,32 В. Номинальное напряжение аккумулятора 1,25 В. Напряжение в конце нормальной 8-часовой разрядки должно быть 1 В, а одночасовой — не менее 0,5 В.

Нормальным режимом зарядки щелочных аккумуляторов считается зарядка в течение 7 ч величиной тока, равной ІЗ=0,25 СH в одну ступень.

Разряжать щелочные аккумуляторы можно в течение 20, 10, 8, 5, 3, 2 и 1 ч. Во время разрядки должны быть вывернуты пробки аккумуляторов. Запрещается допускать при зарядке повышение температуры. электролита выше 45°С. При превышении температуры необходимо прерывать зарядку батареи.

Краткое описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает в себя:
1) кислотные аккумуляторные батареи — 2 шт;
2) щелочные аккумуляторные батареи — 2 шт.;
3) контрольно-измерительные приборы — амперметры и вольтметры для измерения токов и напряжений при зарядке и разрядке;
4) нагрузочную вилку;
5) нагрузочные сопротивления;
6) автоматы АП-50 для подключения аккумуляторных батарей на зарядку и разрядку;
7) выпрямительный мост;
8) автотрансформатор для регулирования величин тока зарядки с выведенными рукоятками управления;
9) ареометр с грушей.

Методика выполнения работы

1. Ознакомиться с особенностями и техническим состоянием аккумуляторной батареи, расшифровать ее марку и определить номинальные характеристики.
2. Ознакомиться с эксплуатационным состоянием батарей, для чего:
а) произвести измерение уровня, плотности и температуры электролита у всех аккумуляторов. При необходимости довести уровень электролита до нормы;
б) измерить напряжение и ЭДС всех аккумуляторов батареи, установить, какие из них заряжены, а какие разряжены.

Рис. 1. Принципиальная схема исследования кислотной аккумуляторной батареи

3. Определить величину тока зарядки.
4. Собрать электрическую схему зарядки и разрядки батареи (рис. 1 и 2). Определить полярность зажимов зарядного источника тока и аккумулятора.
Представить собранную схему и выбранный режим зарядки преподавателю (лаборанту) для проверки, и, получив его разрешение, включить батареи на зарядку и разрядку.
5. Установить реостатом соответствующую величину тока зарядки и поддерживать ее постоянной. Через каждые 15 мин производить измерения напряжения U, ЭДС — Е, плотности d, температуры электролита t и определять внутреннее сопротивление одного из аккумуляторов RB. Внутреннее сопротивление аккумуляторов определяется по формуле
где Ua — напряжение аккумуляторов; 
      Еа — ЭДС аккумулятора; 
       IЗ — ток зарядки. 
Результаты измерений заносить в таблицы наблюдений.

6. За 10 мин до конца занятия отключить батарею от зарядного источника, разобрать схему, протереть аккумулятор,  термометр, ареометр и другие приборы, уложить приборы, зарядные концы и сдать их лаборанту.

Рис. 2. Принципиальная схема исследования щелочной аккумуляторной батареи

Оформление отчета

1. Записать марки и данные аккумуляторных батарей, измерительных и других приборов, используемых в работе.
2. Описать техническое и исходное эксплуатационное состояние аккумуляторных батарей.
3. Обосновать выбранный режим зарядки.
4. Привести электрическую схему соединений и таблицу наблюдений.
5. Построить по данным таблиц графики зависимостей U=f(t).
6. Ответить на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое отдача аккумуляторных батарей по емкости и по энергии?
2.Каковы признаки окончания зарядки кислотных и щелочных аккумуляторов?
3.Какие меры предосторожности необходимы при работе с аккумуляторами?

ЛИТЕРАТУРА

1. Никифоровский Н. Н., Норневский Б. И. Судовые электрические станции. М.—Л., «Транспорт», 1974.
2. Яковлев Г. С. Судовые электроэнергетические системы. Л., Судпромгиз, 1961.

⇓ДОБАВИТЬ В ЗАКЛАДКИ⇓


⇒ВНИМАНИЕ⇐
  • Материал на блоге⇒ Весь материал предоставляется исключительно в ознакомительных целях! При распространении материала используйте пожалуйста ссылку на наш блог!
  • Ошибки⇒ Если вы обнаружили ошибки в статье, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье. Мы будем очень признательны!
  • Файлообменники⇒ Если Вам не удалось скачать материал по причине нерабочих ссылок или отсутствующих файлов на файлообменниках, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье.
  • Правообладателям⇒ Администрация блога отрицательно относится к нарушению авторских прав на www.electroengineer.ru. Поэтому, если Вы являетесь правообладателем исключительных прав на любой материал, предоставленный на ресурсе, то сообщите нам через контакты и мы моментально примем все действия для удаления Вашего материала.


⇓ОБСУДИТЬ СТАТЬЮ⇓

0 комментарии:

Отправить комментарий

 

Сисадмин мнил себя богом сети, электрик грубо развеял этот миф. Научись развеивать мифы! © Electrical Engineer's blog [2010-2016].