Процесс заряда свинцового аккумулятора

Процесс заряда свинцового аккумулятора

Во время заряда

- на плюсовых пластинах электрода, присоединенного к положительной клемме внешнего источника тока, сернокислый свинец превращается в двуокись свинца. Это превращение сопровождается поглощением из раствора электролита
некоторого количества воды и выделением серной кислоты.

- на минусовых (отрицательных) пластинах электрода, присоединенного к
минусовой клемме внешнего источника тока, сернокислый свинец восстанавливается в чистый губчатый свинец с выделением некоторого количества серной кислоты.

(+) PbSO₄ + SO4 + Н2О_______________________________________________________________________________________ ► РbО₂ + 2 H2SO4

(-) PbSO₄ + Н2------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- » Рb+ H2SO4

Таким образом, плотность электролита при заряде повышается, а при разряде - уменьшается.

После превращения сульфата свинца PbSО4 в двуокись свинца на положительном электроде и Рb - чистый губчатый свинец на отрицательном электроде прохождение электрического тока через аккумулятор сопровождается интенсивным выделением продуктов разложения (электролиза) воды (происходит «кипение» электролита).

- Н2 водорода на отрицательном электроде;

- О2 кислорода на положительном электроде;

которые смешиваясь, образуют взрывоопасную смесь, называемую гремучим газом.

«Кипение» электролита - интенсивное выделение пузырьков водорода и кислорода является, во-первых, одним из признаков окончания процесса заряда аккумулятора и, во-вторых, способствует перемешиванию электролита, поэтому с эксплуатационной точки зрения является полезным, если оно разумно ограничено. Хотя с энергетической стороны процесс разложения воды является нежелательным (расходуется энергия и образуется взрывоопасная смесь).

Признаками окончания процесса заряда кислотно-свинцовых аккумуляторов принято считать:

1. Интенсивное газовыделение на обоих электродах.

2. Постоянство напряжения на уровне 2,5 - 2,8 В (в зависимости от типа аккумуляторов).

3. Постоянство плотности электролита в течение 2-3 часов.

Состояние заряженности кислотно-свинцовых аккумуляторов определяют (измеряют) только с помощью ареометра (денсиметра).

ЭДС (разность потенциалов на электродах) не является мерой определения состояния заряженности кислотно-свинцового аккумулятора, т.к. в процессе разряда ЭДС изменяется незначительно.

 

Процесс разряда аккумулятора

До погружения электродов (положительных и отрицательных пластин) в раствор серной кислоты H2SO4 их поверхности покрыты тонким слоем окислов свинца. При погружении, в результате взаимодействия этих окислов с кислотой, на поверхности пластин обоих электродов образуется очень тонкий слой сернокислого свинца PbSO4 (сульфат свинца) светло-серого цвета, поэтому электродвижущая сила (ЭДС) такого аккумулятора Е = 0 и схематически электрохимическую систему для такого незаряженного (разряженного) аккумулятора упрощенно можно представить так:

Характер химических реакций при заряде и разряде можно записать в виде:

Как видим из реакции: оба электрода (РbО₂ и Pb) превращаются в сульфат свинца (PbSO4), на образование которого затрачивается некоторое количество серной кислоты.
Реакция у положительного электрода сопровождается выделением воды, в результате чего плотность электролита уменьшается.

(+) РbО₂ + Н₂ + H2SO4 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ► PbSO₄ + 2Н2О

)Pb+SO4 ►PbO4

При глубоком разряде (ниже U_k = 1,75-1,8 В) в порах пластин электродов происходит процесс образования гидроокиси свинца [Pb (ОН)₂] крупнокристаллическая соль, плохо восстанавливаемая в процессе заряда.

 

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭПУ

Структурная схема установки электропитания МРЦ вы­полняется на основе произведенных расчетов и комплектации ее питающими панелями выбранного типа.

Структурная схема показывается в однониточном изобра­жении, за исключением цепей включения преобразователей частоты на панели ПП25-ЭЦК. Проводность цепей межпа­нельных соединений и нагрузок обозначается на схеме числом штрихов на них.

При разработке структурной схемы следует учесть, что на участках с электротягой постоянного тока во избежание подмагничивания блуждающими токами преобразователей частоты 50/25 Гц панели ПП25-ЭЦК изолируются от земли (сети переменного тока) трансформатором типа ТСЗ. Транс­форматор ТСЗ (см. рис. 1) подключается к вводной панели взамен нагрузки устройств связи, которые в этом случае включаются на трансформатор ТСЗ через отдельный авто­матический выключатель АВ.

На панелях ПП25-ЭЦК показывается схема включения путевых и местных преобразователей с учетом их фазировки, соответствующей условиям задания.

Известно, что для нормальной работы фазочувствитель-ных рельсовых цепей необходимо, чтобы путевые и местные преобразователи частоты были жестко сфазированы между собой.

Поскольку частота 25 Гц в два раза меньше частоты 50 Гц, то при синфазном включении параметрических дели­телей частоты в сеть переменного тока фаза возбуждаемых в них колебаний относительно частоты 50 Гц может с одина ковой вероятностью принять значения 0° или 180°, т. е. 25 Гц в путевых и местных преобразователях относительно друг друга могут оказаться либо в фазе, либо в противофазе. Чтобы обеспечить жесткую фазировку путевых и местных ПЧ 50/25, на панелях ПП25-ЭЦК все преобразователи снаб­жены фазирующими устройствами ФУ с соответствующими фазирующими реле.

На выходах преобразователей фазирующие устройства обеспечивают получение напряжений 25 Гц, совпадающих по фазе, если в сеть переменного тока преобразователи вклю­чаются синфазно, и напряжений, сдвинутых друг относитель­но друга на 90°, если они включаются в сеть противофазно. На участках с электротягой постоянного тока фазочувст-вительные рельсовые цепи рассчитаны на синфазное питание их путевых трансформаторов и местных элементов реле. По­этому путевые и местные преобразователи в этих случаях должны быть включены в сеть переменного тока синфазно. На участках с автономной и электротягой переменного тока используются фазочувствительные рельсовые цепи, рас­считанные на питание их от сдвинутых друг относительно друга напряжений по фазе на 90°. Поэтому путевые и мест­ные преобразователи на таких участках должны быть вклю­чены в сеть переменного тока противофазно.

 

Напряжения местных элементов путевых реле являются опорными по отношению к напряжениям путевых элементов.

Поэтому выходные напряжения местных преобразователей должны совпадать между собой по фазе, для чего на каждой панели они всегда включаются синфазно.

Первый местный преобразователь на панели принимается в качестве ведущего преобразователя, по отношению к кото­рому фазируются все остальные местные и путевые преоб­разователи. Поэтому на преобразователе 1П фазирующее устройство ФУ может не устанавливаться.

Преобразователи частоты ПЧ 50/25, как известно, рабо­тают с использованием лишь одного полупериода перемен­ного тока 50 Гц, второй полупериод запирается вентилем. Поэтому по вторичной обмотке силового трансформатора, от которого питаются преобразователи, протекает постоянная составляющая тока, которая подмагничивает сердечник, сни­жает использование трансформатора и вызывает дополнитель­ные потери энергии.

Подмагиичивающий ток ие превышает допустимого значе­ния (12 А) на панели, где местные и все путевые преобразо­ватели включены противофазно. При синфазном же включе­нии преобразователей панели для непревышения допустимого тока подмагничивания местные преобразователи настраиваются на работу лишь с четырьмя путевыми преобразовате­лями. Остальные два путевых преобразователя, если отсут­ствуют на станции рельсовые цепи, требующие сдвига напря­жений по фазе на 90°, работают в холостом режиме и вклю­ченные в сеть противофазно с местными преобразователями используются лишь для уменьшения тока подмагничивания.

В случае установки на станции двух или более панелей последние включаются противофазно друг относительно дру­га для уменьшения подмагничивания сердечника.

Однако при противофазном включении панелей рельсовые цепи, питаемые от них, не защищаются от опасного влияния друг на друга на границе раздела при сходе изолирующих стыков. В связи с этим предусматривается стыкование рель­совых цепей на границе районов питания только питающими трансформаторами. Синфазное же включение панелей не требует такого размещения трансформаторов. Поэтому в тех случаях, когда необходима установка двух панелей, но общее число преобразователей, создающих подмагничивание, не превышает четырех, разрешается синфазное включение этих панелей. Неиспользуемые преобразователи в этих случаях должны быть отключены от сети.

При трех панелях третья панель подключается синфазно к любой из первых двух, включенных противофазно.

При синфазном включении панелей фазировка преобра­зователей второй (дополнительной) панели осуществляется от первого местного преобразователя основной панели. Мест­ный преобразователь 1П дополнительной панели в таком слу­чае фазируется при помощи своего фазирующего устройства 1ФУ.

При противофазном включении двух панелей их фази­рующие устройства питаются от своих местных преобразо­вателей 1П, 2П

В качестве примера на рис. 1 показаны противофазное и синфазное включения местных и путевых преобразователей на панелях. Включение панелей между собой показано про­тивофазным. Их синфазное включение на рис. 1 отражено пунктиром.

 

ПЧ 50-25

Преобразование тока промышленной час­тоты 50 Гц в ток частотой 25 Гц осуществ­ляется параметрическими преобразовате­лями частоты. Принцип параметрического преобразования частоты основан на том, что принудительное изменение какого-либо параметра колебательного контура (Z. или С) вызывает в нем колебания с часто­той, в определенное число раз отличаю­щееся от той, с которой изменяется пара­метр. Если потери в контуре будут компен­сироваться за счет внешнего источника

энергии, то эти колебания будут незатухающими. Схема контура (рис.1) со­стоит из дросселя L, конденсатора С, резистора R и источника тока Е. Если параметры одного из элементов контура, например, емкость конденсатора С (рис.2) периодически изменять по косинусоидальному закону, то ток в конту­ре будет изменяться по синусоидальному закону с частотой, в два раза меньшей частоты тока внешнего источника пита­ния. Изменять индуктивность дросселя проще, для этого достаточно изменять

ток подмагничивания его сердечника, вследствие чего будут изменяться его магнитная проницаемость и соответ­ственно индуктивность.

Преобразователь  частоты (ПЧ) состоит из магнитопровода (рис.3), выполненного в виде двух П - образных или кольцеобразных сер­дечников с тремя обмотками. На средних стержнях сердечников раз­мещена контурная обмотка W_K ин­дуктивность которой совместно с емкостью конденсатора С_к образует колебательный контур с резонансной частотой 25 Гц. На крайних стержнях сердечников размещены обмотки подмагничивания W _П1 и W _П2, соеди­ненные так, что при прохождении по ним переменного тока создаваемые в средних стержнях магнитные потоки Ф_П1 и Ф_П2 направлены встречно и в обмотке W_K не индуцируется пере­менный ток.

Обмотки W_П1 и W_П2 подклю­чены к сети переменного тока 50 Гц через диод VD, который обеспечива­ет однополупериодное выпрямление, постоянная составляющая выпрям­ленного тока вызывает вынужденное намагничивание сердечников.

Тиристор

Тиристоры имеют четырехслойную структуру р j - n j-р₂~^и2 (Р^ис- 3.15, а). При такой структуре образуются три перехода Ш, П2 и ПЗ. Электрод, соединенный со слоем р_х, является анодом А, а электрод, соединенный со слоем и₂, катодом К. Электрод, подключенный к слою/?₂, называют управляющим электродом У. Если к аноду тиристора приложить «+» источника электрического тока, а к катоду «-»(прямое напряжение U), то два перехода Ш и ПЗ будут открыты, а П2 закрыт. При монотонном увеличении прямого напряжения ток в основной цепи тиристора будет возрастать незначительно, оставаясь соизмеримым с обратным током обычного диода. Этот участок вольт-амперной характеристики (рис. 3.15, б, кривая 4) соответствует закрытому состоянию тиристора. При повышении напряжения до основного напряжения переключения U начинается лавинный пробой перехода П2. Прямое напряжение на тиристоре резко снижается до малого значения порядка 1,5...2 В, и ток в основной цепи практически ограничивается только сопротивлением нагрузки R_H. Этот режим соответствует открытому состоянию тиристора (кривая 2).

Для того чтобы закрыть тиристор, необходимо снизить ток, проходящий через прибор, до тока удержания / При изменении полярности напряжения, приложенного между анодом и катодом тиристора (обратное напряжение (С/^Д переходы П1 и ПЗ будут закрыты, а переход П2 открыт. Через тиристор будет протекать малый ток, аналогичный обратному току диода (кривая 5). В случае увеличения обратного напряжения до V _{п б} начинается режим пробоя тиристора. Если при наличии прямого

напряжения между основными электродами на управляющий электрод тиристора подать положительный потенциал относительно катода, то импульс прямого тока через переход ПЗ нейтрализует действие потенциального барьера закрытого перехода П2, и тиристор может быть открыт при напряжении, меньшем чем U (кривая 3). Напряжение U_BK, при котором тиристор включается, зависит от амплитуды импульса тока I, протекающего в цепи управляющего электрода. При определенном значении этого тока вольт-амперная характеристика тиристора преобразуется в характеристику, соответствующую диоду (кривая 1), в которой отсутствует участок отрицательного сопротивления (а, б). Характерно, что в открытом состоянии тиристор теряет управляемость, т.е. после открывания тиристора управляющий электрод не влияет на прохождение прямого тока.

Для того чтобы закрыть тиристор, нужно снизить ток, проходящий через прибор, ниже тока удержания или отключить и снова включить напряжение U, или кратковременно приложить к тиристору обратное напряжение.

Процесс заряда свинцового аккумулятора

Во время заряда

- на плюсовых пластинах электрода, присоединенного к положительной клемме внешнего источника тока, сернокислый свинец превращается в двуокись свинца. Это превращение сопровождается поглощением из раствора электролита
некоторого количества воды и выделением серной кислоты.

- на минусовых (отрицательных) пластинах электрода, присоединенного к
минусовой клемме внешнего источника тока, сернокислый свинец восстанавливается в чистый губчатый свинец с выделением некоторого количества серной кислоты.

(+) PbSO₄ + SO4 + Н2О_______________________________________________________________________________________ ► РbО₂ + 2 H2SO4

(-) PbSO₄ + Н2------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- » Рb+ H2SO4

Таким образом, плотность электролита при заряде повышается, а при разряде - уменьшается.

После превращения сульфата свинца PbSО4 в двуокись свинца на положительном электроде и Рb - чистый губчатый свинец на отрицательном электроде прохождение электрического тока через аккумулятор сопровождается интенсивным выделением продуктов разложения (электролиза) воды (происходит «кипение» электролита).

- Н2 водорода на отрицательном электроде;

- О2 кислорода на положительном электроде;

которые смешиваясь, образуют взрывоопасную смесь, называемую гремучим газом.

«Кипение» электролита - интенсивное выделение пузырьков водорода и кислорода является, во-первых, одним из признаков окончания процесса заряда аккумулятора и, во-вторых, способствует перемешиванию электролита, поэтому с эксплуатационной точки зрения является полезным, если оно разумно ограничено. Хотя с энергетической стороны процесс разложения воды является нежелательным (расходуется энергия и образуется взрывоопасная смесь).

Признаками окончания процесса заряда кислотно-свинцовых аккумуляторов принято считать:

1. Интенсивное газовыделение на обоих электродах.

2. Постоянство напряжения на уровне 2,5 - 2,8 В (в зависимости от типа аккумуляторов).

3. Постоянство плотности электролита в течение 2-3 часов.

Состояние заряженности кислотно-свинцовых аккумуляторов определяют (измеряют) только с помощью ареометра (денсиметра).

ЭДС (разность потенциалов на электродах) не является мерой определения состояния заряженности кислотно-свинцового аккумулятора, т.к. в процессе разряда ЭДС изменяется незначительно.