Принцип работы аккумулятора

Активной массой пластин положительного блока заряженного аккумулятора служит двуокись свинца PbO₂, а отрицательного – свинец Pb. В свинцовом аккумуляторе токообразующие процессы объясняются теорией двойной сульфатации, названной так потому, что при разряде на пластинах обоих блоков образуется сернокислый свинец PbSO₄ (сульфат свинца). Электрохимические реакции в аккумуляторе происходят в результате взаимодействия материала пластин полублоков с положительными ионами водорода Н⁺ и отрицательными ионами кислотного остатка SO₄^2- , на которые распадаются молекулы серной кислоты. При разряде в электролит поступают положительные ионы свинца Pb²⁺, а на пластинах остаются избыточные заряды 2е^-, сообщающие им отрицательный потенциал. Эти заряды движутся по внешнему участку электрической цепи к пластинам положительного блока. Появившиеся положительные ионы Pb²⁺ вступают в реакцию с отрицательными ионами SO₄^2- электролита и образуют сернокислый свинец PbSO₄. Двуокись свинца PbO₂ пластин положительного электрода растворяется в электролите в значительно меньшем количестве, чем свинец пластин отрицательного полублока. В соединении с водой PbO₂ диссоциируется, образуя ионы четырехвалентного свинца Pb⁴⁺ и гидроксила ОН^- . Оставшиеся на пластинах полублока ионы Pb⁴⁺ сообщают ему положительный потенциал и, взаимодействуя с отрицательными зарядами 2е^-, поступающими по внешней цепи от пластин отрицательного полублока, превращаются в двухвалентные ионы Pb²⁺. Последние соединяются с ионами SO₄^2-, образуя сернокислый свинец. PbSO₄. Образовавшаяся в результате реакций соль белого цвета – сульфат свинца PbSO₄ осаждается на поверхностях пластин обоих полублоков. Одновременно образуется некоторое количество воды, концентрация электролита понижается, и плотность электролита уменьшается.

При заряде на пластинах обоих полублоков присутствуют ионы Pb²⁺ и SO₄^2- сульфата свинца, а также Н⁺ и ОН^- воды. От источника постоянного тока к пластинам отрицательного полублока поступают отрицательные заряды 2е^-, которые, взаимодействуя с двухвалентными ионами двухвалентного свинца Pb²⁺, нейтрализуют их и превращают в свинец Pb. Ионы SO₄^2- и Н⁺ образуют серную кислоту. На пластинах положительного полублока под действием зарядного тока двухвалентные ионы Pb²⁺ отдают по два электрона и превращаются в четырехвалентные ионы Pb⁴⁺. Последние, соединяясь с двумя ионами ОН^- , образуют через промежуточные реакции двуокись свинца PbO₂, которая выделяется на пластинах полублока. Ионы SO₄^2- и Н⁺ образуют серную кислоту. Таким образом, при указанных реакциях сульфат свинца PbSO₄ растворяется, и образуются активные массы: перекись свинца PbO₂ на положительном блоке и свинец Pb на отрицательном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает и плотность электролита увеличивается.

Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены общим уравнением:

PbO₂ + Pb + 2 H₂SO₄ 2PbSO₄ + 2H₂O. (3.1)

На рис. 3.3 приведена зависимость 1 напряжения аккумулятора от времени при заряде нормальным током, численно равным одной пятой от номинальной емкости и зависимость 2 напряжения аккумулятора от времени при разряде нормальным током, численно равным одной десятой от номинальной емкости.

В момент включения на заряд напряжение должно быть выше ЭДС аккумулятора и падения напряжения на его внутреннем сопротивлении. Это составляет 2,05…2,1 В. Затем напряжение интенсивно повышается до 2,2…2,25 В и плавно увеличивается до 2,4 В. При напряжении 2,4 В в аккумуляторе начинается процесс разложения воды электролита (поляризация). Для поддержания прежнего тока необходимо увеличивать напряжение с целью преодоления гальванической ЭДС поляризации, возникшей на пластинах полублоков. Это происходит, когда емкость аккумулятора восстанавливается до 75…80 % от номинальной. Для достижения полного заряда напряжение необходимо в конечном итоге увеличить до 2,7…2,8 В. С целью уменьшения интенсивности газовыделения рекомендуется после его начала уменьшать зарядный ток вдвое.

При отрицательных температурах электролита зарядная кривая будет несколько выше изображенной и процесс поляризации наступит при меньшей степени заряженности. Это приведет к более интенсивному разложению воды электролита, а, следовательно, к более частой доливке аккумулятора водой.

Разряжать аккумулятор до выравнивания химических составов активных масс полублоков недопустимо, так как на пластинах аккумулятора возникает крупно кристаллический сульфат свинца, который при заряде аккумулятора практически не растворяется и аккумулятор выходит из строя. Поэтому кислотный аккумулятор допускается разряжать до напряжения не ниже 1,8 В.

4. СРАВНЕНИЕ ЩЕЛОЧНЫХ И КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

К положительным качествам щелочных аккумуляторов можно отнести следующее.

Большая механическая прочность (аккумуляторы не боятся тряски, вибрации, ударов и пр.) и бόльшая удельная энергия на единицу массы. Для современного щелочного аккумулятора она составляет 20…25 Вт·ч/кг, в то время как для кислотных панцирных она равна 13…20 Вт·ч/кг и 8…11 Вт·ч/кг для поверхностных аккумуляторов.

Щелочные аккумуляторы могут долгое время находиться в полузаряженном и даже полностью разряженном состоянии, что совершенно недопустимо для кислотных (у них возникает сульфатация и резко снижается емкость). Кроме того, щелочные аккумуляторы не выходят из строя вследствие действия отрицательных температур. Они имеют большую перегрузочную способность, т.е. могут работать при больших токах при заряде и разряде. Кратковременное короткое замыкание и глубокие разряды, а также длительное пропускание тока после окончания заряда не выводят их из строя. Усваиваемая при заряде емкость аккумулятора практически мало зависит от силы разрядного тока. Для этих аккумуляторов характерен большой срок службы и срок хранения. Среднестатистический срок службы щелочных аккумуляторов на вагонах эксплуатационного парка составляет 5,5 лет.

У щелочных аккумуляторов саморазряд, т.е. снижение емкости при хранении, невелик (после 9 месяцев хранения теряют 20 % запасенной емкости), в то время как у кислотных суточный саморазряд составляет 0,5…0,7 % запасенной емкости.

При эксплуатации щелочные аккумуляторы не выделяют вредных паров и газов, что характерно для кислотных.

В то же время щелочные аккумуляторы имеют ряд недостатков. Их напряжение при разряде почти на 40 % ниже кислотных, вследствие чего при одном и том же напряжении в системе электроснабжения вагона количество аккумуляторов в батарее должно быть больше. В результате этого по величине удельной энергии батареи, состоящей из щелочных или кислотных аккумуляторов, оказываются, примерно, одинаковы.

Внутреннее сопротивление щелочного аккумулятора значительно больше кислотного. Следовательно, его напряжение, особенно при больших токах разряда, снижается гораздо быстрее. Это сказывается и на низком КПД и коэффициенте отдачи. У щелочных аккумуляторов КПД не превышает 47…50 %, а коэффициент отдачи в лучшем случае составляет 70 %, в то время как у кислотных – 75…80 % и 85…90 % соответственно. Отсюда следует, что при заряде щелочной батареи требуется сообщить ей в 1,5 раза больше количества электричества, чем она способна отдать при разряде.

Щелочные аккумуляторы снижают работоспособность при отрицательных температурах. При температуре электролита минус 30 °С практически они неработоспособны, в то время, как кислотные еще могут отдать до 30 % номинальной емкости.

Щелочные батареи, установленные на вагоне, из-за большого газовыделения более взрывоопасны. Это предъявляет повышенные требования к вентиляции аккумуляторных отсеков.

5. ВЫБОР ЕМКОСТИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

На выбор емкости аккумуляторной батареи влияет тип электрохимической системы (кислотные или щелочные аккумуляторы); суммарная мощность потребителей, неотключаемых на длительных стоянках вагона; средняя продолжительность длительных стоянок, соотношение продолжительностей темного и светлого периода суток, температура наружного воздуха и другие факторы, влияние которых можно определить с некоторой долей вероятности.

Вагоны имеют различную энерговооруженность. В вагонах с прину-дительной вентиляцией суммарная мощность потребителей не превышает 10 кВт, к тому же на стоянках не могут работать все потребители или их мощность ограничивается. В вагонах с установками кондиционирования воздуха мощность потребителей в 3 раза больше.

Температурные условия влияют на коэффициент отдачи батареи. При положительных температурах наружного воздуха он достигает 0,8 у кислотных и 0,5 у щелочных аккумуляторов. При температуре ниже минус 20 °С коэффициент отдачи уменьшается в двое.

При длительных стоянках вагона в пункте формирования или отстоя не всегда возможен стационарный подзаряд батареи. Поэтому необходим 30…35 % запас емкости батареи для работы неотключаемых потребителей.

Экспериментально установлено, что с момента прибытия поезда из рейса до момента отправления в рейс на неотключаемые потребители расходуется до 70 А∙ч. Следовательно емкость батареи должна составлять 210 А∙ч. При отрицательной температуре наружного воздуха за счет увеличения внутреннего сопротивления аккумуляторов примерно 20…25 % энергии расходуется на преодоление сопротивления электролита. Таким образом, емкость батареи должна быть не менее 250 А∙ч. Использование в настоящее время аккумуляторных батарей емкостью 250 и 300 А∙ч оправдано.

6 РЕГУЛИРОВАНИЕ ЗАРЯДНОГО ТОКА

Работа аккумуляторной батареи в системе электроснабжения вагона характеризуется чередованием неравномерных разрядных токов, обусловленных включением различных вагонных потребителей, и неравномерных зарядных токов, обусловленных неравномерной скоростью движения, а, следовательно, и неравномерной частотой вращения генератора. На рис. 6.1 приведены осциллограммы тока и напряжения батареи, а также зависимость скорости движения поезда от времени. В таком режиме работы сложно определить окончание заряда батареи или недопустимо большой ее разряд.

В скорых поездах суммарное время движения несравнимо больше суммарного времени стоянок. Поэтому вагонные батареи этих поездов как правило находятся в режиме полного заряда, но они, оставаясь подключенными к зарядной цепи, потребляют электроэнергию, расходуя ее в основном на разложение воды электролита. Это вызывает частые доливки батареи дистиллированной водой в пунктах оборота и подготовки вагонов в рейс.

Для межобластных и пассажирских поездов характерны частые и длительные стоянки, невысокие скорости движения. Это приводит к недостаточному заряду батарей в период рейса, что требует регулярной их подзарядки в пунктах оборота и подготовки вагонов в рейс.

Следует также учесть, что температурный режим работы батарей пассажирских вагонов за время рейса изменяется в широком диапазоне: летом температура электролита находится от плюс 15 до плюс 55 °С, зимой - от минус 35 до плюс 15 °С. Работа аккумуляторов при высоких температурах приводит к разрушению активной массы, а при низкой - к снижению коэффициента отдачи аккумуляторов.

Для поддержания положительного баланса аккумуляторной батареи за время рейса необходимо, чтобы при различных температурах электролита энергия W_Р, отнятая при разрядах, не превышала произведения коэффициента отдачи h_Э на энергию W_З, сообщенную при зарядах аккумуляторной батареи.

W_Р ≤ k_t·h_Э·W_З, (6.1)

где k_t - температурный коэффициент, учитывающий влияние температуры на коэффициент отдачи аккумуляторной батареи.

Энергию, отнятую при разряде, за период рейса можно определить по следующей зависимости

W_Р = , (6.2)

где i_Р - текущее значение разрядного тока батареи; u_АБ - текущее значение напряжения батареи; t_н - время начала рейса; t_к - время окончания рейса.

Рис. 6.1. Осциллограмма тока и напряжения батареи, график скорости движении вагона: а - изменение тока батареи; б - изменение напряжения батареи;

в - график скорости поезда в пути следования со станции отправления

А до станции прибытия Б (заштрихованные участки – движение поезда,

не заштрихованные – стоянка).

Энергию, сообщенную при заряде, за период рейса можно определить по следующей зависимости

W_З = , (6.3)

где i_З - текущее значение зарядного тока батареи.

Преобразовав выражение 6.1, получаем

k_t·h_Э. (6.4)

Из анализа выражения 6.4 следует вывод - для того чтобы при возвращении из рейса батарея была заряженной, отношение энергии разряда к энергии заряда должно быть не выше коэффициента отдачи с учетом влияния температуры электролита. Для щелочной батареи это значение должно быть в пределах 0,6, для кислотной – 0,8. Чем ближе его значение к 1, тем большая вероятность, что батарея окажется разряженной, и чем меньше, тем больше энергии будет истрачено на разложение воды электролита.

Ранее указано, что на степень усвоения зарядного тока влияют многие факторы, основными из которых являются скважность и температурный режим. Это потребовало введения в систему электроснабжения специальных устройств в виде магнитных усилителей, тиристорных регуляторов и защитно-регулировочных комплексов, в которых под действием определяющих заряд факторов, меняется напряжение генератора.

Магнитный усилитель работает на принципе изменения индуктивности, а, следовательно, и индуктивного сопротивления рабочих обмоток, последовательно включенных в цепь заряда до выпрямителя, за счет подмагничивания железа магнитопровода. Из общей электротехники известно, что сопротивление цепи переменного тока определяется выражением

Z= ,

где: R – активное, Х – реактивное сопротивление рабочих обмоток.

При отсутствии подмагничивания магнитопровода суммарное сопротивление рабочих обмоток максимально. Заряд батареи осуществляется минимальным током. По мере подмагничивания магнитопровода зарядный ток увеличивается. Величина тока подмагничивания выбирается или вручную дискретно изменением сопротивления в обмотке подмагничивания, или по сигналу термодатчика, размещенного в аккумуляторном отсеке. Изменение тока в рабочих обмотках будет происходить до тех пор, пока не произойдет насыщение магнитопровода магнитными силовыми линиями от тока в обмотке подмагничивания.

График изменения тока в рабочих обмотках от тока в обмотке подмагничивания представлен на рис. 6.2.

В тиристорном блоке регулировании зарядного тока (рис. 6.3) используется свойство тиристоров становиться проводящими в зависимости от угла их открытия. Полупроводниковый блок воспринимает сигналы о напряжении генератора, токе заряда, температуре в аккумуляторном отсеке и, в зависимости от сочетания полученных данных, определяет угол открытия тиристоров. Тиристоры включены до выпрямителя последовательно в цепь заряда. В защитно-регулировочных комплексах блоки регулирования заряда так же получают сигналы о напряжении генератора, зарядном токе, температуре в аккумуляторном отсеке, крутящем моменте на валу генератора. В зависимости от сочетания полученных данных регулируют напряжение генератора изменением тока в цепи его возбуждения.

Библиографический список

1. Грачев К. Я. Щелочные аккумуляторы / К. Я. Грачев. М.: Государственное энергетическое издательство, 1951. 192 с.

2. Драчев Г. Г. Аккумулятора подвижного состава / Г. Г. Драчев. М.: Транспорт, 1970. 160 с.

3. Зорохович А. Е. Электро- и радиооборудование пассажирских вагонов / А. Е. Зорохович, А. З. Либман. М.: Транспорт, 1985. 343 с.

Учебное издание

КУЧЕРЕНКО Виктор Константинович, ПОДОЛЯК Сергей Иванович

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

Конспект лекций

__________________________

Редактор Н. А. Майорова

***

Подписано в печать . Формат 60 × 84 ¹/₁₆.

Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. _,_. Уч-изд. л. _,_.

Тираж 150 экз. Заказ ___.

**

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа

Типография ОмГУПСа

*

644046, г. Омск, пр. Маркса, 35