Кислотные являются наиболее распространенными
среди вторичных химическихисточников тока. Обладая сравнительно высокой
мощностью в сочетании снадежностью и относительно низкой стоимостью. Эти аккумуляторы находятразнообразное практическое применение. Своей популярностью и широкиммаштабом производства они обязаны стартерным батареям, предназначенным дляразличных средств передвижения и прежде всего автомобилей. В этой области ихмонопольное положение устойчиво и сохраняется долгое время. На базе свинцовыхаккумуляторов комплектуется подавляющее большинство стационарных изначительная часть вагонных батарей. Успешно конкурируют с щелочными тяговыесвинцовые аккумуляторы.
Все более широкоераспространение получают малоуходные стартерные батареи, а также безуходныебатареи, предназначенные в основном для питания приборов бытовой электроники.Если в конце 20в номинальная удельная энергия лучших свинцовых аккумуляторовдостигла 8 Вт*ч/кг и 300-500 циклов, лучшие тяговые аккумуляторы обладаютресурсом до 1800 циклов.
Разрядные токиаккумуляторных батарей при пуске двигателя стартером составляют 100-1000 А взависимости от мощности стартера и температуры пуска. С понижением температурыпуска и увеличением мощности стартера, потребляемые стартером токи,увеличиваются.
Свинцовый аккумуляторпредставляет собой обратимый электрический источник тока, в котором при разрядеего химическая энергия восстанавливается путем подвода энергии от внешнегоисточника (генератора).
Аккумуляторы –устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счет прямого преобразованияхимической энергии окислительно-восстановительных реакций.
Окислительно-востановительныеэлектрохимические реакции повторяются многократно в процессе срока службысвинцового аккумулятора.
Активнымимассами заряженного свинцового аккумулятора — вступающими в процесстокообразования, являются двуокись свинца (темно-коричневого цвета) наположительной пластине, губчатый свинец Pb (темно-серого цвета) на отрицательной пластине и электролитводный раствор серной кислоты, в который помещены пластины.
В процессеразряда свинцового аккумулятора активные массы положительной и отрицательнойпластин преобразуются в сернокислый свинец PbSO4. Вэлектролите, при разряде расходуются ионы сульфата SO4, плотность электролита уменьшается от начальных значений(1,25…1.31)*10^3 кг/м^3, до конечных (1,09..1.15)*10^3 кг/м^3. Расход сернойкислоты в процессе разряда больше около положительной пластины.
В процессезаряда под влиянием тока от внешнего источника электроэнергии на пластинахпроисходят обратные процессы восстановления активных масс: сульфат свинца PbSO4 на положительной пластине преобразуется в двуокись свинца PbO2, а на отрицательной пластине – в губчатый свинец Pb. Плотностьэлектролита при этом повышается от(1,09..1.15)*10^3кг/м^3 до(1,25…1.31)*10^3кг/м^3 из — за освобождения ионов сульфата SO4 при разложении сульфата свинца PbSO4.
После полногопреобразования активных масс положительной и отрицательной пластин плотностьэлектролита перестает повышаться, что служит признаком конца зарядааккумулятора. При дальнейшем заряде (переразряде) происходит разложение воды накислород и водород, характеризующиеся появлением на поверхности электролитагазовых пузырьков, называемое ”кипение” электролита.
Окислительно-востановительныереакции, происходящие в свинцовом аккумуляторе при разряде и заряде, согласнотеории двойной сульфатации могут быть упрощено представлены в виде следующегоуравнения:
PbO2+Pb+2H2SO4=PbSO4+2H2
При чтениислева направо уравнение описывает процесс разряда, а справа на лево процессзаряда.
Окислительно-востановительныереакции происходят на границе раздела активных веществ пластин и электролита.Для увеличения граничной поверхности и облегчения доступа электролита пластинысвинцового аккумулятора выполняются простыми.
Основнымиэлектрическими характеристиками свинцовых стартерных аккумуляторных батарейявляются электродвижущая сила, напряжение и емкость.
Электродвижущейсилой аккумулятора называется разность потенциалов положительной иотрицательной пластин при разомкнутой внешней цепи. ЭДС полностью заряженногосвинцового аккумулятора составляет около 2,1В. ЭДС аккумуляторной батареи,состоящей из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, равна суммеЭДС аккумуляторов.
Напряжениеаккумуляторной батареи при разряде меньше ее ЭДС на величину внутреннегопадения, обусловленного в основном сопротивлением пластин, электролита и др.токоведущих деталей.
Емкостьюаккумулятора называется количество электричества, выраженное в ампер-часах,получаемое от аккумулятора при разряде его до допустимого напряжения. Припоследовательном соединение аккумуляторов одинаковой емкости, емкостьаккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора.
Номинальная емкость- это количество электричества, выраженное в ампер-часах, получаемое принепрерывном разряде полностью заряженной батареи при температуре +25 током0,05С20 (С20-номинальная емкость, указанная вусловном обозначении батареи) до достижения конечного напряжения на полюсныхвыводах.
Режим заряда и разряда.
Ресурс ЭАсоставляет 800-1000 циклов у тяговых и 1000-3000 циклов у стационарных, срокслужбы 4-10 лет у тяговых и 10-30 лет у стационарных.
Ведутсяисследования по повышению ресурса путем введения добавок –фосфорной кислоты,улучшения сепараторов, применения воздушного перемешивания и др. Экономическиепоказатели зависят как от удельных характеристик ЭА, так и от режима разряда. Сувеличением времени разряда удельные капитальные затраты на единицу мощностирастут, а на единицу энерго запаса падают. Удельные затраты на ЭА изменяются изза колебаний цен на свинец и другие материалы. Удельные затраты складываются иззатрат на единицу мощности (60-80) руб/кВТ и на единицу энергии (60-100)руб/(кВТч). Удельные затраты на новые ЭА за рубежом оцениваются в пределах40-20 долл./кВТ.
Были оцененыпоказатели энергоустановок на основе свинцовых ЭА с энергозапасом 50МВТч (5ичасовой разряд) оценивается в 11млн.долл.т.е. 220долл./кВТч или1100долл./кВТ.
ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЯВЛЯЕМЫЕК ИСТОЯНИКАМ ПИТАНИЯ
Современные виды электрических нагрузок, вособенности чувствительное электронное оборудование, предъявляют высокиетребования к качеству электропитания и его бесперебойной подаче. Обычноекачество коммунального электропитания в большинстве случаев не выдерживаетникакой критики .
Главная проблема коммунального электропитаниязаключается в невозможности прогнозировать перебои в подаче электроэнергии инедопустимые отклонения ее параметров. Выбросы в питающих напряжениях,наличие гармонических составляющих и другие нарушения в электропитании могутприводить к отказу или разрушению чувствительного оборудования .
Воздействие неблагоприятных факторовкоммунальной электросети полностью исключается при питании нагрузок с помощьюсистем бесперебойного электропитания. Их основным элементом являются источникибесперебойного питания ( ИБП ), получившие в настоящее время всеобщеепризнание и широкое применение .
Основные требования
К системам бесперебойного питанияпредъявляются следующие требования :точность стабилизации выходного напряжения; точность стабилизации выходной частоты; синусоидальность выходного напряжения; время и характер перехода питания нагрузки с основной сети на резервную и обратно; продолжительность работы нагрузки от резервного ( аккумуляторной батареи – АКБ ) источника; время заряда АКБ после полного (90% ) разряда; уровень создаваемых шумов; возможность включения системы при отсутствии напряжения основного питания (“ холодный старт ”); наличие защиты от внешних перенапряжений; наличие автоматического управления и контроля режима и состояния АКБ.
Выбор ИБП не может быть ограничен оценкойпараметров оборудования и должен определяться совокупностью технических,экономических и экологических факторов, обеспечивающих необходимыепотребительские свойства ИБП .
Выбор структуры ИБП
Решение этого вопроса распадается на рядзадач :выбор конфигурации системы бесперебойного электропитания – централизованная, децентрализованная, смешанная; выбор вторичных источников энергии; оценка необходимости параллельной работы источников бесперебойного электропитания.
При централизованной структуре сетиэлектроснабжения используется один достаточно мощный агрегат, с выходакоторого электропитание разводится на все нагрузки. Недостаток такой системы –значительный объем электромонтажных работ при установке и полная зависимостьбесперебойной работы системы от надежности входного агрегата .
В децентрализованной системе каждый изпотребителей получает электропитание от индивидуального агрегатасоответствующей мощности. К недостаткам такой системы следует отнестинеобходимость обстоятельного и тщательного проектирования, а также трассировкисвязей для исключения взаимного влияния электромагнитных наводок. Такимсистемам свойственна высокая стоимость как при установке, так и приэксплуатации .
Для особо ответственных потребителей можноиспользовать т. н. смешанную, в частности древовидную, конфигурациюпостроения системы электропитания. В такой структуре на ее входе используетсяодин мощный агрегат, с выхода которого через индивидуальные агрегаты каждый изпотребителей снабжается электрической энергией необходимого только для негокачества. Т. о., данная конфигурация в полной мере приобретает всеположительные качества как централизованных, так и децентрализованных систем ив значительной мере утрачивает присущие им недостатки, хотя
стоимость систем с такой конфигурацией внесколько раз выше стоимости каждой из систем с более простой конфигурацией .
Источники энергии
Любая система резервного или автономногоэлектроснабжения предполагает наличие запаса энергии, который может бытьизрасходован при необходимости ввода системы в действие. Запас энергии можетсодержаться в каком–либо топливе или электрическом аккумуляторе .
Кроме функции накопления энергииаккумуляторная батарея выполняет еще две важные функции — стабилизациюэлектрических параметров системы и усиление потребляемой мощности. Энергия,запасенная в аккумуляторных батареях, без дополнительных преобразований можетбыть использована лишь как электроэнергия постоянного тока. Однако большинствошироко применяемых электрических нагрузок предполагают обязательное питаниеэлектроэнергией переменного тока со стандартными параметрами. Поэтому основнымрежимом преобразователя энергии является режим преобразования запасенной ваккумуляторах энергии в электроэнергию переменного тока стандартного напряженияи частоты ( режим инвертора ) .
При построении систем резервногоэлектроснабжения важным режимом преобразователя энергии является режимзарядного устройства, обеспечивающий возобновление запаса энергии в накопителеот внешней электрической сети после ее восстановления. В режиме зарядногоустройства преобразователь должен предоставлять возможность :трехступенчатой процедуры зарядки аккумуляторной батареи, обеспечивающей наиболее полную зарядку и максимальный ресурс батареи; защиты от перезаряда батареи.
Применяемые в системах автономного ирезервного электроснабжения специальные аккумуляторные батареи предназначеныдля эксплуатации в условиях многократного глубокого разряда аккумуляторов иотличаются по конструкции от широко применяемых в автомобильной техникеаккумуляторных батарей стартового типа .
Наиболее часто встречающиеся типыаккумуляторов в зависимости от назначения и условий эксплуатации :свинцово–кислотные обслуживаемые; свинцово–кислотные необслуживаемые; никель–железные; никель–кадмиевые.
Обслуживаемые свинцово–кислотные аккумуляторыобычно применяются для построения систем электроснабжения общего назначения.Их главный недостаток – необходимость размещения в хорошо проветриваемомпомещении и периодического контроля за уровнем электролита; достоинства –более низкая стоимость, чем у остальных перечисленных типов аккумуляторов .
Необслуживаемые свинцово–кислотныеаккумуляторы предназначены преимущественно для офисных и учрежденческих системрезервного электроснабжения. Эти аккумуляторы лишены ранее упомянутыхнедостатков и могут быть установлены в помещениях без специальной системыпроветривания, однако они более дороги. Данный тип аккумуляторов используетсяв в ИБП систем охраны и безопасности .
Никель–железные аккумуляторы, как правило,предназначены для специального промышленного применения .
Никель–кадмиевые аккумуляторы являютсянаиболее надежным и долговечным типом необслуживаемых аккумуляторов, однакоиз-за своей высокой стоимости они могут применяться только в специальныхсистемах электроснабжения .
Кроме мощных систем бесперебойного питания,обеспечивающих электроснабжение всего объекта напряжением 220 В, в системахбезопасности применяются ИБП, обеспечивающие подачу электроэнергии постоянноготока с напряжением, характерным для систем охранно – пожарной сигнализации ипр., а именно 12 и 24 В. Использование таких устройств с относительнонебольшой мощностью нагрузки позволяет оптимально решать конкретные задачибесперебойного питания отдельных охранных приборов или групп приборов .
СПИСОКИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1.Богодский В.С. Скундин А. И. Химические источники тока изд. 1981 г.
2Большойэнциклопедический словарь.
3 Электронныйсайт лантан- т азбука источники бесперебойного питания.
4 ВарапаевХимические источники тока.
5 БольшаяРоссийская энциклопедия 2001 г.