Войти на сайт
Логин:
Пароль:
Регистрация  :  Пароль?  :  Закрыть
Главная Контакты Реклама на сайте Подписаться RSS

Источники тока (аккумуляторы, генераторные установки, регуляторы напряжения)

Опубликовано : 2-02-2012, 16:54 | Категория: Электрооборудование   
(голосов:)
Аккумулятор – это химический источник электроэнергии, то есть устройство, в котором электрическая энергия получается непосредственным преобразованием химической энергии активных веществ посредством электрохимических реакций. Он является так называемым вторичным химическим источником тока – устройством многократного использования за счет восстановления химической энергии при протекании тока в направлении, обратном направлению разряда.
Аккумуляторная батарея предназначена для питания электроэнергией потребителей автомобиля при неработающем двигателей (при работающей двигателе она работает вместе с генераторной установкой, повышая отдаваемую им силу тока).

Аккумуляторные батареи автомобилей должны удовлетворять следующим требованиям:
- малое внутреннее сопротивление, что обеспечивает минимальные потери в самой батарее и высокое разрядное напряжение на выводах батареи;
- достаточно большая емкость при небольших размерах и массе;
- хорошая работа при низких температурах, что облегчает пуск двигателя;
- простота технического обслуживания;
- высокая механическая прочность;
- большой срок службы (желательно равный или кратный периоду ремонтный работ автомобиля);
- минимальный саморазряд;
- невысокая стоимость.

Простейший свинцово-кислотный аккумулятор состоит из бачка (изготовлен из диэлекрика), двух электродов, установленных в бачке, заполняемом электролитом. В качестве электролита применяется 25-30%, раствор серной кислоты H₂SO₄ (его плотность 1,25-1,31 г/см³). Активным веществом электродов является диоксид свинца, или перекись свинца PbO₂ (положительный электрод). Химические процессы (двойная сульфатация), протекающие в бачке, обеспечивают заряд или разряд аккумулятора.

При заряде под действием напряжения постоянного тока, приложенного к электродам извне, электрическая энергия преобразуется в химическую энергию. Происходит это следующим образом: под действием напряжения источника постоянного тока (аккумулятор включен в его цепь) во внешней цепи аккумулятора свободные электроны двигаются к отрицательному электроду аккумулятора. При этом находящиеся в растворе электролита ионы воды и сульфата свинца (H⁺, OH⁻, Pb²⁺, SO₄²⁻) преобразуются соответствующим образом: около положительного электрода происходит преобразование двухвалентных ионов свинца в четырехвалентные, из которых затем образуется выделяемая на электроде перекись свинца, и образование серной кислоты; около отрицательного электрода тоже образуется серная кислота, а двухвалентные ионы свинца восстанавливаются, превращаясь в губчатый свинец. То есть, при заряде плотность электролита повышается.

Когда аккумулятор полностью зарядился, плотность электролита перестает увеличиться, а если процесс заряда продолжить, то происходит «закипание» электролита (выделение из электролита кислорода и водорода, образующихся при электрическом разложении воды).

При разряде, когда электроэнергия поступает от аккумулятора к потребителям, химическая энергия преобразуется в электрическую, на положительном электроде восстанавливается оксид PbO, а на отрицательном свинец окисляется. При этом количество серной кислоты уменьшается, воды – увеличивается (так как на обоих электродах образуется сульфат свинца PbSO₄), плотность электролита и ЭДС батареи уменьшаются. Происходит это следующим образом: в электролите свинец отрицательного электрода частично растворяется и при окислении образует положительные ионы свинца Pb²⁺, а освободившиеся избыточные электроны обеспечивают отрицательный заряд этого электрода и начинают двигаться по внешней цепи в направлении положительного электрода. При этом положительные ионы свинца образуют сульфат свинца PbSO₄, который осаждается на поверхности отрицательного электрода (т.к. слабо растворяется) и изменяет его серый цвета на светло-серый. Диоксид свинца положительного электрода тоже растворяется в электролите, но значительно меньше, чем губчатый свинец отрицательного электрода. При диссоциации диоксид свинца образует положительные ионы четырехвалентного свинца Pb⁴⁺ (обеспечивает положительные потенциал этого электрода) и отрицательные гидроксида OH⁻. Электроны, пришедшие на положительный электрод по внешней цепи от отрицательного электрода, восстанавливают четырехвалентный свинец до двухвалентного, который также образует сульфат свинца PbSO₄. То есть происходит преобразование перекиси свинца PbO₂ (активная масса положительного электрода) в сульфат свинца, при этом цвет положительного электрода изменяется из светло-коричневого в темно-коричневый.

На образование сульфата свинца расходуется серная кислота (из 4-х молекул серной кислоты образуется 4 молекулы воды, две из которых идут на гидротацию), что приводит к уменьшению плотности электролита при разряде.

Разряду и заряду аккумулятора соответствует следующее уравнение обратимой химической реакции:

Источники тока (аккумуляторы, генераторные установки, регуляторы напряжения)

Левая часть уравнения соответствует заряженному состоянию аккумулятора, права – разряженному.

Основные характеристики аккумулятора?
1. ЭДС (электродвижущая сила, разность электронный потенциалов, измеренная при разомкнутой внешней цепи) аккумулятора Ea , измеряется в вольтах, В, равна работе источника тока, потраченной на перенос единичного заряда по замкнутой цепи, зависит от плотности электролита и свойств активной массы. ЭДС батареи Еб при последовательном соединении аккумуляторов может быть вычислена по следующей формуле:

Источники тока (аккумуляторы, генераторные установки, регуляторы напряжения)

где n – количество аккумуляторов в батарее, g – плотность электролита при 15°С, г/см³, а при параллельном соединении ЭДС батареи равна ЭДС одного аккумулятора Ea.

В действительности после выключения разрядного или зарядного тока в порах электродов и в межэлектродном пространстве концентрация электролитов различна, то есть электродная поляризация некоторое время сохраняется и после выключения тока. То есть для реального аккумулятора следует различать равновесную и неравновесную ЭДС, которая соответствует переходному периоду от размыкания цепи до установившегося равновесного состояния. Именно равновесная ЭДС вычисляет по формуле:

Источники тока (аккумуляторы, генераторные установки, регуляторы напряжения)

Она не зависит от размеров и формы электродов, количества электролита и количества активных масс.
2. Внутреннее сопротивление (сопротивление, которое оказывается аккумулятором протекающему внутри току) r. Полное внутреннее сопротивление равно сумме омического сопротивления электродов, электролита и прочих частей аккумулятора и сопротивления поляризации, появляющегося при изменении электродных потенциалов во время прохождения тока:

Источники тока (аккумуляторы, генераторные установки, регуляторы напряжения)

3. Напряжение аккумулятора (разность потенциалов положительного и отрицательного электродов при замкнутой внешней цепи) в среднем равно 2В. Это напряжение не равно ЭДС аккумулятора (из-за наличия внутреннего сопротивления аккумулятора): либо больше ЭДС (при заряде), либо меньше (при разряде), зависит от температуры электролита и силы тока (зарядного или разрядного). При заряде напряжение аккумулятора сначала увеличивается скачком, потом продолжает возрастать (сначала достаточно резко, потом плавнее), после отключения внешнего источника постоянного тока (заряд окончен) напряжение резко уменьшается до величины, неравновесной ЭДС, а затем до причины, равновесной ЭДС, но не так резко. При разряде напряжение аккумулятора резко падает и продолжает достаточно быстро уменьшаться. Если разряд прекращен, то напряжение возрастает до величины, неравновесной ЭДС, и затем более плавно – до величины, равновесной ЭДС.

Среднее напряжение – это среднее арифметическое напряжений, измеренных через равные промежутки времени. Обычно применяются батареи с напряжением 6, 12 или 24 В.

4. Емкость С (разрядная емкость) аккумуляторной батареи (количество электричества, которая способна отдать полностью заряженная батарея при непрерывном разряде), измеряется в ампер часах (А*ч), равна Ср =Iptp, где Ip – сила тока разрядного, tp - время разряда. Разрядная емкость зависит от следующих факторов:
- пористость активной массы (чем больше пористость, тем больше емкость);
- толщина электродов (чем меньше толщина, тем больше емкость);
- пористость и конструкция сепаратором (чем больше пористость, тем больше емкость);
- плотность электролита;
- сила разрядного тока (чем больше разрядный ток, тем меньше емкость);
- температура электролита (чем ниже температура, тем меньше емкость);
- степень заряженности (чем больше степень зараженность, тем больше емкость).

5. Энергия аккумулятора W равна произведению зарядной (разрядной) емкости на среднее зарядное (разрядное) напряжение, измеряется в ватт-часах;

6. Мощность аккумулятора – количество энергии, отдаваемой аккумулятором в единицу времени, равна произведению величины разрядного тока на среднее разрядной напряжение;

7. Сила тока холодной прокрутки (определяет максимальную пусковую способность аккумулятора) – численно равна разрядному току, при котором разрядное напряжение менее 7,2В (для батареи напряжением 12В) при определенной температуре (минус 18°С или 29°С) на тридцатой секунде разряда.

8. Саморазряд – снижение емкости аккумуляторной батареи при разомкнутой внешней цепи вследствие окислительно-восстановительных процессов, протекающих на электродах произвольно (особенно на отрицательном электроде), или при образовании проводящей пленки между электродами снаружи из-за загрязнения. Саморазряд зависит от температуры электролита (чем ниже температура, тем меньше саморазряд), к концу срока службы батареи он увеличивается.

В состав аккумуляторной батареи может входить 3, 6 или 12 аккумуляторов, находящихся в отсеках моноблока батареи и соединенных последовательно перемычками. Крышки аккумуляторов имеют заливные отверстия с пробками. Основной частью аккумулятора являются положительные и отрицательные пластины, разделенные сепараторами (изоляторами) и установленные на призмы, расположенные на дне моноблока. Токоведущие баретки, аккумулятора, соединяющие пластины в группы – полублоки, имеют выходные штыри. Пластины устаналиваются в такой последовательности: отрицательная, …, отрицательная (т.е. отрицательных больше на одну пластину). Моноблок изготавливается из эбонита, термопласта или асфальтопековой пластмассы, в него запрессовываются кислотоупорные вставки. Между призмами моноблока имеется шламовая камера, предназначенная для сбора оседающего шлама (выпадающих частиц активного вещества).

Конструктивно пластины аккумулятора представляют собой решетку из свинцово-сурьмянистого сплава с нанесенной на нее активной массой: для положительных пластин свинцовый сурик Pb₃O⁴ и оксид свинца PbO (свинцовый глет), для отрицательных – свинцовый порошок, свинцовый глет, серная кислота в растворе, расширители. На заводе-изготовителе пластины, помещенные в емкость с электролитом, заряжаются (проходят формовку), при этом активные вещества переходят в перекись свинца (на положительной пластине) и в губчатый свинец (на отрицательной). Пластины становятся пористыми. Выпускаются с заводов батареи с сухими заряженными пластинами. Перед установкой на автомобиль батарея с сухозаряженными пластинами заливается электролитом.
Сепараторы предназначены для изоляции пластин друг от друга, то есть они предотвращают замыкание, но при этом не препятствуют переносу электролита от одного электрода (пластины) к другому. Сепараторы представляют собой тонкие (1-2 мм) листы пористого кислостойкого материала: мипора (микропористая резина) или мипласта, поровинила, пилоэтилена (микропористой пластмассы). По размеру больше пластин, с одной стороны они гладкие, с другой – ребристые. Устанавливаются ребристой стороной к положительной пластине, что облегчает доступ электролита к ней. Со стороны отрицательной пластины на сепараторе также имеются ребра, но они небольшие по высоте (0,15-0,2 мм), предназначены для облегчения диффузии и конвекции электролита около отрицательного электрода и для предотвращения «прорастания» сепаратора в процессе эксплуатации.

Электролит изготавливается из чистой серной кислоты плотности 1,83 г/см³ и дистиллированной воды, начальная плотность раствора 1,4-1,45 г/см³, затем плотность раствора меняется в зависимости от условий применения и составляет 1,23-1,3 г/см³. При индивидуальном изготовлении электролита надо выполнять следующие правила:
- посуда должна быть кислотостойкой, например, керамической;
- кислота в посуду заливается только после того, как туда будет налита вода;
- уровень электролита в батарее должен быть выше верхнего края сепаратора на 10-15 мм.

Плотность электролита измеряется денсиметром.

Аккумуляторная батарея может быть заряжена от любого источника постоянного тока, имеющего напряжение выше напряжения батареи. Заряд аккумуляторной батареи может производится при постоянном токе или при постоянно напряжении.

Заряд батареи при постоянном токе имеет несколько разновидностей:
- модифицированный заряд (приближается к заряду при постоянном напряжении), позволяет уменьшить силу тока в начале заряда и снизить влияние колебаний напряжения,
- уравнительный заряд (сила тока численно равна 10% номинальной емкости или меньше), обеспечивает полное восстановление всех активных масс батареи, не допускает вероятную сульфатацию электродов,
- форсированный заряд (сила тока численно равна 70% номинальной емкости, промежуток времени небольшой), для одной и той же батареи применять более одного раза не рекомендуется, т.к. срок службы снижается значительно,
- постоянный подзаряд (ток приблизительно равен току саморазряда), позволяет достаточно долго поддерживать батарею в состоянии полного заряда, но ускоряет процесс коррозии положительных электродов.

Маркируются аккумуляторные батареи следующим образом в указанно порядке:
- цифра, соответствующая количеству аккумуляторов в батарее,
- буквы, обозначающие тип батареи (пример, СТ – стартерный тип);
- после тире указывается номинальная емкость батареи;
- материал моноблока (Т – термопласт, Э - эбонит);
- материал сепаратора (М – монопласт, С – стекловолокно, Р - мипор);
- наличие буквы Н в конце записи говорит о том, что батарея не сухозаряженная;
- тропическое исполнение обозначается добавлением буквы Т.

Генераторные установки переменного тока установлены на многих автомобилях. Они являются основным источником электроэнергии, предназначены для питания всех потребителей и для подзарядки аккумуляторной батареи, обеспечивает номинальное напряжение в пределах от 13,2 до 15,5 В. Наиболее часто применяются синхронные трехфазные генераторы с электромагнитный возбуждением, вырабатывающие ток, частота которого пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя.

На разных автомобилях устанавливаются разные генератора, например на ВАЗ-2121 устанавливается генератор Г221, на ВАЗ-2104, -2105 – генератор Г222, на ГАЗ-3307 – генератор Г250. Но они имеют много унифицированных деталей, одинаковый принцип действия. На рисунке 29 приведена электрическая схема генератора переменного тока.

Основными частями генератора (трехфазные 12-полюсный генератор Г250) является стартер, ротор, две алюминиевые крышки, вентилятор, приводной шкив, выпрямительный блок диодов.

Источники тока (аккумуляторы, генераторные установки, регуляторы напряжения)

Стартер имеет сердечник, набранный из тонких изолированный друг от друга лаком листов электротехнической стали. В его неподвижной обмотке индуцируется ЭДС. Обмотка статора распределена на три фазы, имеющие по шесть последовательно соединенных катушек. Катушки установлены на зубцах внутренней поверхности статора. Фазные обмотки соединены «звездой».

Ротор с обмоткой возбуждения (намотана на установленной на валу ротора втулке, питается постоянным током от аккумулятора или выпрямителя) генератора создает при вращении подвижной электромагнитное поле. Он состоит из двух стальных наконечников, напрессованных на его вал с двух сторон и имеющих по шесть зубцов. Один из наконечников имеет северный магнитный полюс, другой – южный, и в совокупности они образуют 12-полюсную электромагнитную систему. Вал ротора вращается в двух запрессованных в крышках шарикоподшипниках. К концам обмотки возбуждения припаяны контактные кольца.
Генератор имеет три вывода: положительный (+), корпус (-), шунт (Ш). Вывод корпус (-) и шунт (Ш) соединены с графитовыми щетками (каждый вывод со своей щеткой), расположенными в пластмассовом щеткодержателе. Щеткодержатель устанавливается на передней крышке генератора, щетки прижимаются к контактным кольцам пружинами.

Приводной шкив, посаженный на валу генератора, для разных типов генераторов имеет разные геометрические размеры.
Выпрямительный блок предназначен для преобразования переменного тока, вырабатываемого в катушках статора, в постоянный ток. Он состоит из 6 кремниевых диодов, расположенных по два в трех секциях корпуса, расположенного на передней крышке генератора. Поверхность секций снабжена ребрами для охлаждения диодов.

Генератор работает по следующему принципу: при включении зажигания ток от аккумуляторной батареи, проходя по обмоткам возбуждения, вызывает намагничивание наконечников ротора. Ротор вращается, и при этом в катушках обмотки статора индуцируется переменный ток, который диодами выпрямительного блока преобразуется в постоянный.

Регуляторы напряжения предназначены для поддержания постоянного напряжения, создаваемого генератором, за счет изменения силы тока в обмотке возбуждения при изменении частоты вращения коленчатого вала и защиты генератор от перегрузок.

Существуют различные регуляторы: вибрационные реле-регуляторы, полупроводниковые контактно-транзисторные и бесконтактно-транзисторные регуляторы.
Вибрационные реле-регуляторы работают с генераторами постоянного тока, к их недостаткам следует отнести излишнее искрообразование между контактами при размыкании, что уменьшает мощность генератора.

Бесконтактные транзисторные регуляторы своей эмиттерно-коллекторной цепью соединены с обмоткой возбуждения генератора. При уменьшении напряжения на клеммах генератора ток возбуждения пропускается выходным транзистором. При возрастании напряжения происходит запирание транзистора, сила тока в обмотке возбуждения меняется. Отпирание-запирание транзистора происходит с большой частотой, что и обеспечивает постоянство создаваемого генератором напряжения.

Источники тока (аккумуляторы, генераторные установки, регуляторы напряжения)

На многих автомобилях, например на ЗИХ, легковых ГАЗ, генераторы взаимодействуют с более сложными электронными генераторами, состоящими из измерительного блока, управляющего транзистора, предусилителя, выходного каскада, схемы защиты и др.

Пожожие новости
Система электрического пуска предназначена для вращения коленчатого вала с частотой (пусковая частота) 40—100 об/мин (для
К основным элементам системы зажигания можно отнести катушку зажигания, распределитель зажигания, датчик-распределитель, свечи
Система зажигания состоит из приборов и устройств автомобиля, обеспечивающих воспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя в
Комментарии