Джерела енергії постійного струму

1. Призначення і класифікація акумуляторних батарей (АБ)

2. Електричні параметри свинцевих АБ

3. Експлуатація свинцевих АБ

4. Заряджання акумуляторів

5. Несправності АБ

 

I. Призначення і класифікація акумуляторних батарей (АБ)

Електричним акумулятором (АБ) називають хімічне джерело живлення, що має здатність накопичувати електричну енергію, одержуючи її від іншого джерела і віддаючи при необхідності. Запас електроенергії в АБ накопичується під час заряду електричним струмом від зовнішнього джерела.

Таким чином АБ не виробляє електроенергію, а тільки накопичує її при заряджанні і витрачає при розряджанні.

АБ поділяються на кислотні та лужні.

 

Класифікація свинцевих АБ:

1. по конструкції:

- відкриті;

- закриті.

2. по функціональному призначенню: стаціонарні, радіоканальні, авіаційні, автомобільні, залізничні…

 

II. Електричні параметри свинцевих АБ

Електричними параметрами свинцевих батарей є:

1) ЕРС АБ – різниця потенціалів між різнойменними електродами АБ при відключеному навантаженні. Значення ЕРС залежить від щільності електроліту, визначається за формулою:

E = 0,85 + d

де d – це щільність електроліту: 1,21 - як правило

Е = 0,85 + 1,21 = 2,06 (В)

2) напруга АБ – різниця потенціалів між різнойменними електродами АБ при підключеному навантаженні. Напруга складається з ЕРС і падіння напруги на її внутрішньому опорі. Тому напруга АБ при заряді більша ніж ЕРС на величину внутрішнього падіння напруги, а при розряді менша на цю величину.

3) ємність – кількість електрики (ампер на годину А/год.) що може віддати цілком заряджена АБ, при визначених для неї умовах. Наприклад, для стаціонарної АБ номінальною ємністю є кількість електрики, яку вона може віддати при десятигодинному режимі розряду при нормальній щільності електроліту і температурі 25 ⁰С).

4) віддача – розрізняють:

А) віддача по ємності – відношення кількості електрики відданої АБ при розряді до кількості електрики отриманої під час заряду. Частина електрики витрачається на розпадання води і саморозряд, тому як правило для АБ віддача становить 0,84 … 0,9).

Б) віддача по енергії (ККД) – відношення електричної енергії відданої при розряді до електроенергії отриманої при заряді (0,65 … 0,7).

5) саморозряд АБ – мимовільний процес зменшення ємності при розімкненому навантаженні.

 

III. Експлуатація свинцевих АБ

На підприємствах зв’язку основними режимами експлуатації АБ є:

А) буферний режим – при цьому режимі заряджена АБ підключається до випрямляючого пристрою (рис. 1).

 

Рис.1 Підключення АБ через випрямляючий пристрій

 

При цьому АБ постійно заряджається слабким струмом, який компенсує її саморозряд.

АБ при такому включенні виконують функції:

- резервування джерела живлення;

- елемента фільтра (який згладжує пульсацію випрямлячі напруги).

Переваги такого режиму:

- висока надійність установки живлення. Тому що, цілком заряджена АБ постійно паралельно підключення до навантаження;

- високий ККД, який дорівнює ККД випрямляючого пристрою (80 - 90%);

- великий термін експлуатації АБ (до 20 років);

- аварійне живлення споживача забезпечується протягом однієї-трьох годин;

- догляд за АБ в нормальних умовах дуже простий і зводиться до доливання дистильованої води і підтримання сухими та чистими судинні стелажі.

 

Б) режим заряду-розряду – в цьому режимі АБ ділиться на 2 групи: в той час коли одна група працює – розряджається на споживача, інша або заряджається або заряджена знаходиться в режимі готовності. Через добу їх міняють місцями.

Переваги:

- висока якість живлення споживача, так як, струм від акумулятора не містить гармонічних складових.

Недоліки:

- низький ККД (30 – 50%)

- значна ємність і невеликий термін експлуатації АБ (4 – 10 років);

- необхідність в постійному догляді, так як, заряджати АБ потрібно щоденно.

 

IV. Заряджання акумуляторів

Розрізняють:

А) первинний зрад нової АБ: нові АБ заливають електролітом (температура не більше 35 ⁰С); АБ залишають на 3 – 4 години (не більше 6 годин); доводять рівень електроліту до нормального; заряджають АБ формувальним зарядом (він відрізняється режимом і тривалістю) – дев’ятикратна кількість електрики відносно номінальної; одна година перерви; надають чотирикратну кількість електрики; година перерви; потім заряд продовжують цим же струмом до повного газовиділення (закінчують заряджати тільки тоді, коли електроліт можна відразу замінити при відключення зарядного пристрою).

Б) експлуатаційне заряджання АБ:

- двоступінчастий;

- одноступінчастий з незмінним струмом протягом всього заряду;

- заряд с поступовим зменшенням струму (струм зарядки автоматично зменшується, а напруга при цьому автоматично зростає);

- модифікований заряд при постійній напрузі;

- зрівнювальний заряд.

 

V. Несправності АБ

А) сульфітація пластин, процес перетворення сульфату свинцю на пластинах АБ в важко розкладаєму речовину, яка не відновлюється при нормальному заряді і перешкоджає проникненню електроліту до внутрішніх шарів активних мас.

Ознаки:

- щільність електроліту нижча нормального значення;

- швидкий розряд АБ при підключенні навантаження;

- закипання електроліту в деяких АБ раніше ніж в інших;

- позитивні платини стають світло коричневі, а негативні покриваються плямами.

Причини:

- розряд АБ нижче 1,8 – 1,75 В;

- розряд неприпустимо великим струмом;

- тривале збереження АБ в цілком розрядженому стані або частково в розрядженому стані;

- багаторазовий недозаряд АБ;

- низький рівень електроліту.

Способи усуненню:

- тривалий заряд малим струмом – застосовується при незначній не запущеній сульфітації пластин;

- заряд АБ в дистильованій воді – застосовується при глибокій, але не запущеній сульфітації;

- глибокі розряди АБ малими струмами – застосовують при сильній і застарілій сульфітації пластин.

Б) коротке замикання

Причини виникнення:

- обсипання активних мас, осідання на дно і замикання країв різнойменних пластин;

- викривлення позитивних пластин і доторкання їх до негативних;

- зношування і руйнування сепараторів (фільтрування);

- попадання в АБ сторонніх металевих предметів.

Місце короткого замикання можна визначити за допомогою компаса (струм створює власне магнітне поле, яке відхиляє стрілку компаса).

 

 

ВИПРЯМЛЯЧІ

1. Класифікація, принцип роботи і застосування

2. Різновиди трьохфазних випрямлячів

 

I. Класифікація, принцип роботи і застосування

Випрямляч – пристрій, який перетворює змінну напругу в пульсуючу

 

Класифікація:

1. По способу керування:

- некеровані (діод в основі);

Випрямлена напруга в процесі експлуатації не змінюється.

- керовані (тиристори).

Напруга в процесі експлуатації може регулюватись.

2. По числу фаз:

- однофазні;

- трифазні.

В колах однофазного змінного струму використовують три схеми випрямлячів:

 

А) однонапівперодний (рис. 1а)

 

Б) двонапівперіодний з виводом середньої точки обмотки трансформатора (рис. 1б)

            

В) однофазний – мостовий (рис. 1в)

        

 

Порівняльна характеристика однофазних випрямлячів:

Переваги схеми рис.1а перед іншими випрямлячами:

- простота схеми;

Недоліки:

- велика частота пульсації випрямленої напруги, що вимагає більш дорогого згладжую чого фільтру;

- велика зворотна напруга на діоді

U_зв = 3,14 * U_d (випрямлення);

- великий максимальний струм через діод

I_max = 3,14 * I_d (випрямлення);

- мале використання трансформатора по потужності, оскільки він працює тільки пів періоду, що вимагає збільшення його габаритів маси і вартості.

Застосування:

Через зазначені недоліки ця схема застосовується тільки малопотужних випрямлячах з високим навантаженням. (для передачі високої напруги на аноди електронно-променевої трубки – кінескоп (16-20 кВ).

Переваги рис. 1б перед рис. 1а:

- менші габарити і маса трансформатора, тому що, простіше використовуються обмотки і відсутнє змішане підмагнічування осердя;

- менші габарити і маса згладжувального фільтру;

- максимальне значення струму через діод вдвічі менше

I_max = 1,75 * I_d

I_d = струм випрямлення

Недоліки:

- наявність двох діодів замість одного;

- велика зворотна напруга

U_зв = 3,14 * U_d

- складна конструкція трансформатора, так як потрібен вивід з середньої точки обмотки трансформатора.

Підсумок: ці схеми використовують малопотужних випрямлячах.

 

Переваги схеми рис. 1в перед попередніми:

- розміри і маса трансформатора менші (число витків вторинної обмотки w2 в два рази менша, так як не потрібен вивід середньої точки)

-  зворотна напруга на діоді вдвічі менша:

U_зв  = 1,57 * U_d

Недоліки:

- наявність чотирьох діодів замість двох;

- збільшені втрати напруги і потужності через послідовне з’єднання діодів, особливо високоомних;

- площа перетину вторинної обмотки збільшення на 20% так як значення струму збільшується в  раізв.

Підсумок:

Мостові випрямлячі використовують в малопотужних випрямлячах при напрузі до 600 В.

 

II. Різновиди трьохфазних випрямлячів

Є дві схеми трифазних випрямлячів:

А) однонапівперіодна - схема Міткевича (рис. 2а)

Б) двонапівперіодна - схема Ларіонова (рис. 2б)

     

 

Переваги рис. 2а перед однофазними:

- менші габарити і маса згладжую чого фільтра;

- краще використання обмоток трансформатора;

- більш рівномірне навантаження на мережу трифазного змінного струму.

Недолік:

- примусове підмагнічування, що призводить до збільшення струму в первинній обмотці.

Переваги схеми Ларіонова перед Міткевича:

- менші габарити і маса трансформатора і згладжую чого фільтра:

- відсутність примусового підмагнічування осердя.

Недоліки:

- більша кількість діодів: 6 замість 3-х;

- неможливість заземлення вторинної обмотки трансформатора при заземленні одного із полюсів навантаження.

Використання: схеми Ларіонова використовують в випрямлячах середньої та великої потужності при різних вихідних напругах, а схеми Міткевича в випрямлячах малої і середньої потужності.

 

Правила експлуатації обслуговування АБ:

А) працювати з АБ можна тільки в спеціальному одязі (гумові рукавиці і калоші, прорезинений фартух, захисні окуляри);

Б) поблизу з приміщеннями АБ повинні бути: нейтралізуючі розчини питної соди, мило вода, рукомийник, рушник.

В) приміщення повинне бути обладнане вентиляцією;

Г) дотримуватись правил роботи з електролітами.

 

 

КЕРОВАНІ ВИПРЯМЛЯЧІ

1. Помножувачі напруги. Практичне застосування

2. Схеми керованих випрямлячів

 

I. Помножувачі напруги. Практичне застосування

Помножувачами напруги називаються схеми випрямлячів у яких значення напруги в режимі ХХ в 2 і більше разів перебільшу значення напруги на вторинній обмотці трансформатора.

Кратність множення напруги залежить від кількості ділянок діод – конденсатор і як правило є: при кратності від 2 до 80 випрямлена напруга це сотні, тисячі В; кратність від 50 до 100 при випрямленій напрузі десятки кВ.

Схеми помноження напруги, дозволяють отримати високі значення випрямленої напруги без використання високовольтних трансформаторів.

Принцип дії такої схеми полягає в:

Конденсатор заряджається через діод включений з ним в пару від низьковольтної обмотки трансформатора; вихідна напруга при цьому дорівнює сумі напруги на всіх конденсаторах і може декілька разів перевищувати напругу вторинної обмотки трансформатора.

 

Схема мостового випрямляча подвоєння напруги

 

U_вих­ = U_vd1 + U_c1 = 2U_m

Внутрішній опір схеми множення росте із збільшенням конденсаторів, тому струми навантаження для таких схем, як правило невеликі.

Основними недоліками цих схем є:

- велика габаритна потужність трансформатора;

- значна зворотна напруга на діодах;

- велика амплітуда струму через діод.

Переваги:

- вихідна напруга вдвічі більша ніж в звичайного мостового випрямляча;

- досить високе використання трансформатора;

- менше діодів ніж в звичайній мостовій (2 замість 4).

 

 

II. Схеми керованих випрямлячів

В схемах керованих випрямлячів діоди заміняють тиристорами – напівпровідниковий прилад, який може мати два сталих стани (Вкл і Викл) і переключатись з одного стану і інший по сигналу ззовні.

Бувають:

А) динистор

Б) тринистор

Застосування тиристорів вносить ряд суттєвих особливостей в режим роботи випрямляча. Змінюється форма вихідного струму і напруги на елементах і змінюється режим роботи приладів.

Використання в схемі тиристорів дозволяє затримувати на потрібні величину початок проходження струму через послідовний прилад по відношенню до моменту його дійсного включення.

 

Схема керованого випрямляча

 

 

Зазвичай керовані випрямлячі складаються по тим же схемам що і не керовані, але замість діодів включаються тиристор. Включення яких здійснюється подачею імпульсу від схеми керування на керуючий електрод.

Важливою характеристикою цих випрямлячів є регульована характеристика, яка показує зміну випрямленої напруги в залежності від регулювання (α).

При збільшенні кута регулювання, відношення дійсного струму до середнього значення збільшується, що треба враховувати при виборі елементів схеми.