Режимы работы аккумуляторных батарей: буферный и циклический
Для всех видов техники устанавливается порядок ее эксплуатации, оптимальные условия использования, экстремальные нагрузки и недопустимые условия работы. В инструкции по эксплуатации каждого устройства, например стабилизатора напряжения или ИБП указаны условия эксплуатации (климатические например) и максимальные нагрузки, которые техника выдерживает.
Для аккумуляторных батарей также есть условия их эксплуатации. В этом обзоре мы рассматриваем режимы работы аккумуляторных батарей для ИБП. Как и в стабилизаторах напряжения и источниках бесперебойного питания важными являются климатические условия: оптимальной температурой эксплуатации является температура от +10 до +25 град.Цельсия. Вторым параметром, который заметно влияет на срок службы э то режим эксплуатации. Для аккумуляторных батарей установлены два основных режима – это буферный режим работы и циклический режим.
Циклический режим работы аккумуляторных батарей.
Несложно догадаться, что циклический режим работы аккумулятора это когда аккумулятор постоянно заряжается и постоянно разряжается по какому-то установленному графику (циклу). Например, это может быть применимо к солнечным системам (днем заряжаются – ночью разряжаются) или техника работающая от аккумуляторов (поломоечные машины, электрокары и др.) – это все примеры циклического режима работы аккумуляторов. Для циклического режима работы аккумуляторов характерно быстрый износ аккумуляторов.
Буферный режим работы аккумуляторных батарей.
Буферный или другими словами накопительный режим работы предназначен для работы в системах бесперебойного электропитания. Буферный режим работы аккумулятора можно описать как аварийный или резервный. Аккумуляторные батареи для ИБП практически всегда работают в буферном режиме, поскольку ИБП покупают для защиты техники от кратковременных отключений электричества. Принцип работы несложный, — во время когда сеть присутствует ИБП поддерживает аккумуляторы в заряженном состоянии, периодически тестирует их и по необходимости проводит заряд до необходимого значения. Очень редко встречаются ситуации когда ИБП работает в циклическом режиме и соответственно подвергает циклическому режиму работы аккумуляторы, установленных в нем.
Качественная и долговечная работа аккумуляторной батареи зависит от нескольких основных параметров: качество используемых материалов при производстве и условия эксплуатации. Косвенно на качество аккумуляторных батарей указывает также и вес аккумуляторов. Например, при равной емкости аккумуляторов разных производителей, предпочтение стоит отдать тому аккумулятору, у которого вес больше. Ну а про условия эксплуатации мы писали выше.
Большинство производителей указывают в характеристиках своих аккумуляторов для ИБП одним из параметров это количество циклов. Обычно считается, что цикличность аккумулятора составляет от 250 до 500 циклов. В некоторых случаях встречается цикличность 700 и более, и это может быть справедливо по отношению к гелевым аккумуляторам для ИБП. В ИБП могут применяться как стандартные свинцово-кислотные AGM аккумуляторы так и гелевые АКБ для ИБП. Для работы в циклическом режиме работы стоит обращать внимание в инструкции на заявленную производителем цикличность. Для работы в буферном режиме, при соблюдении температуры внешней среды эксплуатации, могут подойти аккумуляторные батареи с меньшим количеством циклов.
© Материал подготовлен специалистами компании НТС-групп для магазина СтабЭнерджи, 2020
Общие сведения об аккумуляторных батареях
Аккумуляторные батареи устанавливаются на колесных и гусеничных машинах и предназначаются:
- для питания электрической энергией системы электрического пуска двигателя машины;
- для питания электрической энергией потребителей во всех режимах, когда при работающем двигателе генератор не обеспечивает необходимой мощности;
- для питания потребителей на стоянке, когда двигатель не работает или работает на пониженных частотах вращения.
Стартерная аккумуляторная батарея состоит из нескольких аккумуляторов, соединенных между собой последовательно.
Аккумулятор — это химический источник тока, состоящий из положительного и отрицательного электродов и электролита, действие которого основано на использовании обратимых электрохимических систем.
Простейший свинцовый аккумулятор (рис. 1) состоит из положительного электрода, активным веществом которого является двуокись свинца РЬО2 (темно-коричневого цвета), и отрицательного электрода, активным веществом которого является губчатый свинец РЬ (серого цвета). Если оба электрода поместить в сосуд с электролитом (раствором серной кислоты H2SO4 в дистиллированной воде), то между электродами возникнет разность потенциалов. При подключении к электродам электрического сопротивления (потребителя) в цепи потечет электрический ток, и аккумулятор будет разряжаться. При разряде аккумулятора губчатый свинец и двуокись свинца отрицательного и положительного электродов преобразуются в сернокислый свинец (сульфат свинца) PbS04.
Во время разряда расходуется серная кислота из электролита и одновременно в электролит выделяется вода. Поэтому по мере разряда свинцового аккумулятора уменьшается концентрация серной кислоты, из-за чего плотность электролита понижается. При заряде происходят обратные химические реакции, в результате которых из сульфата свинца на положительном электроде вновь_образуется двуокись свинца, а на отрицательном электроде — губчатый свинец. Во время заряда в электролит выделяется серная кислота и расходуется вода. При этом плотность электролита по мере заряда возрастает.
Таким образом, свинцовый аккумулятор обладает свойством обратимости, т. е. способностью накапливать электрическую энергию от постороннего источника тока в процессе заряда, сохранять ее в течение некоторого времени и отдавать ее в процессе разряда.
Процессы, происходящие при разряде и заряде свинцового аккумулятора, можно представить следующим уравнением:
До разряда Разряд После разряда
Двуокись свинца (положительный электрод) + Губчатый свинец (отрицательный электрод) + Серная кислота (в электролите)⇔ Сульфат свинца (положительный электрод) + Сульфат свинца (отрицательный электрод) + Вода (в электролите)
После заряда Заряд До заряда
Поскольку при разрядах и зарядах изменяется плотность электролита, то по величине плотности можно судить о степени заряженности аккумулятора, чем и пользуются на практике.
Основными электрическими характеристиками аккумулятора являются электродвижущая сила, напряжение и емкость.
Электродвижущей силой (э.д.с.) аккумулятора называется разность потенциалов между электродами аккумулятора при разомкнутой внешней цепи. Величина э.д.с. исправного аккумулятора зависит от плотности электролита (степени его заряженности) и изменяется в пределах от 1,92 до 2,15 В.
При эксплуатации аккумуляторных батарей по величине э.д.с. ориентировочно определяют их состояние, а также проверяют короткое замыкание между разноименными электродами.
Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов между выводами аккумулятора под нагрузкой.
За номинальное напряжение свинцового аккумулятора принимается величина, равная 2 В.
Величина напряжения при разряде аккумулятора зависит от величины разрядного тока, продолжительности разряда и температуры электролита; она всегда меньше величины э.д.с. Разряжать аккумулятор ниже определенного предела, называемого конечным разрядным напряжением, недопустимо, так как это может привести к переполюсовке и разрушению активной массы электродов. Для разных величин разрядного тока принимается различное конечное разрядное напряжение.
При разрядном токе 10-часового разрядного режима, например, конечное разрядное напряжение составляет 1,7 В.
Величина напряжения при заряде зависит главным образом от степени заряженности аккумулятора, температуры электролита и всегда больше величины э.д.с.
Емкостью аккумулятора называется количество электричества, отдаваемое полностью заряженным аккумулятором при его разряде до допустимого конечного разрядного напряжения.
Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах и определяется как произведение величины разрядного тока (в амперах) на продолжительность разряда (в часах).
Емкость аккумулятора зависит от количества активной массы (количества и размера электродов), величины разрядного тока, плотности и температуры электролита, срока службы аккумулятора и является его важнейшей эксплуатационной характеристикой.
При больших величинах разрядных токов, при низких температурах электролита, а также в конце срока службы емкость, отдаваемая аккумулятором, снижается.
За номинальную емкость аккумулятора принимается емкость, которую должен отдавать аккумулятор при его разряде током 20- или 10-часового разряда, т. е. при величине разрядного тока, численно равной соответственно 0,05 и 0,1 величины номинальной емкости. Для аккумуляторных батарей, применяемых в войсковых частях, основным является 10-часовой режим разряда. Стартерная аккумуляторная батарея состоит из 3, 6 иди 12 одинаковых аккумуляторов, соединенных последовательно. При таком соединении номинальное напряжение батареи равно сумме номинальных напряжений отдельных аккумуляторов и составляет соответственно 6, 12 или 24 В, а номинальная емкость батареи остается такой же, как и емкость одного аккумулятора.
Источники и сети постоянного оперативного тока
На подстанциях для питания оперативных цепей постоянного тока используются, как правило, кислотные аккумуляторные батареи (стационарные и переносные) и в отдельных случаях щелочные. Стационарные аккумуляторные батареи составляют из отдельных аккумуляторов, обычно соединенных последовательно.
Аккумулятором называют вторичный химический источник тока, работа которого заключается в накоплении электрической энергии (заряд) и отдаче этой энергии потребителю (разряд).
Основными частями кислотного аккумулятора (рис. 1) являются свинцовые положительные 2 и отрицательные 1 пластины, соединительные свинцовые полосы 5, электролит, сепараторы 3 и сосуд. В качестве положительных используются свинцовые пластины с большим числом ребер, что увеличивает рабочую поверхность пластин, в качестве отрицательных— пластины коробчатого типа. После формовки на положительных пластинах образуется двуокись свинца РbO2, а на отрицательных — губчатый свинец Рb.
Рис. 1. Аккумуляторы типа СК-24 в деревянном сосуде: 1 — отрицательная пластина, 2 — положительная пластина, 3 — сепаратор, 4 — подпорное стекло, 5 — соединительная полоса, 6 — наконечник для ответвления
Электролит состоит из серной кислоты повышенной чистоты и дистиллированной воды. Плотность электролита стационарного заряженного аккумулятора при 25 °С равна 1,21 г/см3.
Между положительными и отрицательными пластинами аккумулятора установлены изоляционные перегородки — сепараторы, препятствующие замыканию пластин при их возможном короблении и выпадению из них активной массы.
Аккумулятор характеризуется емкостью, ЭДС, зарядным и разрядным токами. Номинальной емкостью аккумулятора (в ампер-часах) является его емкость при 10-часовом разряде и нормальной температуре (25 °С) и плотности (1,21 г/см3) электролита.
На подстанциях преимущественно применяют аккумуляторные батареи напряжением 220 В, собранные из аккумуляторов С, СК, СН.
Аккумуляторы С (стационарные) предназначены для разрядов длительностью от 3 до 10 ч и более. Аккумуляторы СК (стационарные для кратковременных режимов разряда) допускают разряд в течение 1—2 ч. Поэтому в аккумуляторах СК применяют усиленные соединительные полосы между пластинами, рассчитанные на большой ток.
Сосуды аккумуляторов С и СК — открытые, для номеров С-16, СК-16 и меньше — стеклянные, а для больших номеров — деревянные, выложенные изнутри свинцом (или керамические). Аккумуляторы типа СН характерны тем, что они помещаются в герметичных закрытых сосудах. Эти аккумуляторы имеют сравнительно небольшую массу и габариты, их можно устанавливать в одном помещении с другим электрооборудованием.
Номер аккумулятора (после буквенного обозначения) характеризует его емкость. Емкость в ампер-часах равна номеру аккумулятора, умноженному на единичную емкость отдельного аккумулятора с типовым номером 1. Для аккумуляторов типов С-1 и СК-1 эта емкость равна 36 А-ч, а для типов С-10 и СК-10 — 360 А-ч.
На небольших подстанциях при отсутствии значительных толчковых нагрузок и резких колебаний в сети оперативного тока (при включении выключателей и т. д.) применяют переносные стартерные аккумуляторные батареи небольшой емкости напряжением 24 и 48 В. На таких подстанциях батарея обычно длительно работает в нормальном режиме разряда и через определенное время — после потери ею своей номинальной емкости (что определяют контрольными замерами напряжения батареи) — заменяется резервной. Иногда применяют щелочные аккумуляторы, у которых электролитом служит водный раствор едкого калия с плотностью 1,19—1,21 г/см3.
В положительных пластинах щелочных, аккумуляторов активным веществом служит гидрат окиси никеля, а в отрицательных — кадмий с примесью железа (никель-кадмиевые аккумуляторы) или только железо (никель-железные аккумуляторы). На подстанциях чаще всего находят применение железоникелевые аккумуляторы из элементов типов НЖ и ТНЖ.
Свинцовые и щелочные аккумуляторы имеют свои преимущества и недостатки: свинцовые имеют по сравнению со щелочными более высокое разрядное напряжение (1,8— 2 и 1,1—1,3 В), более высокую отдачу емкости и энергии. Поэтому при составлении батареи одинакового напряжения свинцовых аккумуляторов требуется почти вдвое меньше. Особенностями щелочных аккумуляторов являются компактность, герметичность, механическая прочность, малый саморазряд и возможность эксплуатации в условиях низких температур.
Аккумуляторные батареи являются наиболее надежным источником питания вторичных устройств, так как они обеспечивают независимое (автономное) питание оперативных цепей при исчезновении напряжения переменного тока.
В аварийном режиме батареи принимают нагрузку всех электроприемников постоянного тока, обеспечивая действие релейной защиты и автоматики, а также возможность включения и отключения выключателей. Предельная продолжительность аварийного режима принимается равной 0,5 ч для всех электроприемников и цепей оперативного постоянного тока, а для средств связи и телемеханики 1— 2 ч. Таким образом обеспечивается наличие оперативного тока в течение времени, необходимого для ликвидации аварии (0,5—2,0 ч).
Применение аккумуляторных батарей ограничено из-за их высокой стоимости и сложности эксплуатации. Поэтому они устанавливаются на наиболее крупных подстанциях. На подстанциях 500 кВ и выше устанавливают по две батареи и больше.
В настоящее время для заряда аккумуляторов используют статические выпрямительные устройства, называемые зарядными агрегатами. На старых подстанциях пока продолжает эксплуатироваться значительное количество двигателей-генераторов.
При эксплуатации электрическая энергия, накопленная в аккумуляторе, непрерывно расходуется. Для ее пополнения служат подзарядные агрегаты, в качестве которых также могут быть использованы двигатели-генераторы и статические выпрямительные устройства. Мощность подзарядных агрегатов обычно составляет 20—25 % мощности зарядных агрегатов. В ряде случаев один и тот же агрегат может выполнять функции зарядного и подзарядного агрегата.
Двигатели-генераторы состоят из приводного асинхронного электродвигателя и генератора постоянного тока с параллельным возбуждением. Обе машины устанавливаются на одной раме, а их валы соединяются эластичной муфтой. При заряде аккумуляторной батареи напряжение генератора зарядного агрегата должно изменяться, поэтому генератор постоянного тока выбирают с регулированием напряжения в широких пределах путем изменения его возбуждения шунтовым реостатом. В качестве статических зарядных и подзарядных агрегатов широко используются кремниевые выпрямительные устройства.
В отличие от двигателя-генератора статические выпрямительные устройства дешевле, не имеют движущихся частей, более удобны в обслуживании, имеют большой срок службы и большую перегрузочную способность и поэтому наиболее распространены.
Распределение постоянного тока, связь зарядных и подзарядно-зарядных агрегатов с аккумуляторной батареей осуществляется через щиты постоянного тока (ЩПТ), на которых размещаются коммутационная аппаратура и контрольно-измерительные приборы. Для удобства действий дежурного персонала на ЩПТ наносятся мнемонические схемы постоянного тока.
Аккумуляторные батареи, ЩПТ, зарядные и подзарядные агрегаты, электроприемники постоянного тока связаны между собой кабельными линиями, а в отдельных случаях шинопроводами. В совокупности они образуют схему электрических соединений сети постоянного тока.
Различают три основных режима работы аккумуляторных батарей: постоянный подзаряд, заряд—разряд и заряд—покой—разряд.
На подстанциях аккумуляторные батареи обычно работают в режиме постоянного подзаряда . В этом случае подзарядный агрегат, оснащенный устройством стабилизации напряжения (с точностью ±2%), все время питает постоянно включенные электроприемники сети оперативного тока (сигнальные лампы, обмотки реле, контакторов), а также подзаряжает аккумуляторную батарею, компенсируя ее саморазряд.
Вследствие этого аккумуляторная батарея все время полностью заряжена. Кратковременные толчки нагрузки воспринимаются в основном батареей.
На рис. 2 представлена схема аккумуляторной установки подстанции напряжением 500 кВ. На подстанции установлены две аккумуляторные батареи и три подзарядно-зарядных агрегата, один из которых резервный. Аккумуляторные батареи собраны из кислотных свинцовых аккумуляторов типа СК, в качестве зарядно-подзарядных агрегатов использованы полупроводниковые выпрямительные устройства ВАЗП-380/260-40/80 . Щит постоянного тока собран из комплектных панелей постоянного тока серии ПСН-1200-71.
Рис. 2. Принципиальная схема аккумуляторной установки без дополнительных элементов: АБ1, АБ2 — аккумуляторные батареи, ВУ1, ВУ2, ВУЗ — выпрямительные устройства, УМС — устройство мигающего света, УКН — устройство контроля уровня напряжения, УКИ — устройство контроля изоляции, ШУ — шинки управления, ШС — шинки сигнализации, ( + ) —шинка мигания, I, II, III, IV — номера секций, ШП — шины питания электромагнитов включения выключателей
Шины щита разделены на две основные (I и II) и две вспомогательные (III и IV) секции. Электроприемники питаются от I или II секции, вспомогательные секции служат для взаимного резервирования источников питания: аккумуляторных батарей и выпрямительных зарядно-подзарядных агрегатов.
Подключение электроприемников и источников питания осуществляется с помощью автоматических выключателей серий А3700 и АК-63. Эти выключатели выполняют функции коммутационных аппаратов и защищают присоединения ЩПТ от КЗ. Щит оборудован устройствами мигающего света УМС, контроля изоляции УКИ и уровня напряжения УКН.
В установках, где для включения мощных электромагнитов масляных выключателей требуется повышенное напряжение, устанавливают дополнительные элементы. Батареи с дополнительными элементами состоят из 120, 128, 140 элементов вместо 108. В таких случаях схема несколько изменяется.
Чтобы предотвратить сульфатацию пластин дополнительных элементов, между отрицательным полюсом и ответвлениями от 108-го элемента включается регулируемый резистор, с помощью которого создается ток разряда, равный току разряда основных элементов. Таким образом обеспечиваются одинаковые условия работы основных и дополнительных элементов и исключается возможность глубоких зарядов и разрядов, что предотвращает сульфатацию и увеличивает срок службы аккумуляторов. В режиме постоянного подзаряда батарея всегда находится в заряженном состоянии и готова к питанию потребителей постоянным током.
В нормальном режиме напряжение на каждом включенном элементе батареи должно быть 2,2 В с допустимым колебанием ±2 %. В тех случаях, когда для питания вторичных устройств необходим постоянный ток различного напряжения, используют переносные аккумуляторные батареи и ответвления от промежуточных элементов батареи.
Например, для большинства устройств релейной защиты необходимо напряжение 220 В, для устройств телемеханики 24, 48 или 60 В, а для питания мощных электромагнитных приводов масляных выключателей — напряжение до 250 В и выше, чтобы при больших токах включения компенсировать падение напряжения в кабеле от батареи до РУ, где установлены выключатели.
В некоторых установках аккумуляторные батареи эксплуатируют в режиме заряда—разряда. В этом случае напряжение на зажимах аккумуляторов не остается постоянным, а изменяется в сравнительно широких пределах (для свинцовых батарей при разряде напряжение меняетсz от 2 до 1,8—1,75 В, а при заряде от 2,1 до 2,6—2,7 В).
Для поддержания стабильного уровня напряжения батареи во всех режимах на сборных шинах щита постоянного тока ЩПТ в схемах батарей, работающих по методу заряд—разряд, предусматривается элементный коммутатор, служащий для изменения числа аккумуляторов, подключенных к сборным шинам установки или к зарядному агрегату.
Работа аккумуляторных установок в режиме заряд — покой — разряд здесь не рассматривается, поскольку этот режим на подстанциях не применяется.
Аккумуляторные батареи напряжением 24, 36 или 48 В обычно составляют из нескольких переносных батарей, которые соединяют последовательно. В большинстве случаев устанавливают два комплекта таких батарей, из которых один является резервным.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Режим постоянного подзаряда аккумулятора
Кроме повышения надежности батарея, работающая в режиме постоянного подзаряда, улучшает динамические свойства источника энергии. Будучи подключенной параллельно выпрямителю, она устраняет или сглаживает броски напряжения преобразователя при резком изменении тока нагрузки. После отключения повышенной нагрузки батарея снова возвращается в режим постоянного подзаряда.
Если батарея при разряде в аварийном режиме или после часто повторяющихся толчков нагрузки сильно разрядилась, она должна быть заряжена от постороннего источника постоянного тока и только после этого может быть переведена в прежний режим.
Для того, чтобы компенсировать саморазряд и не допустить частичной потери емкости батареи, составленной из кислотных аккумуляторов, рекомендуется поддерживать напряжение на батарее из расчета 2,15–2,25 В на аккумулятор и из расчета 1,5–16 В на аккумулятор для негерметичных никель-железных и никель-кадмиевых. Критерием правильно установленного режима постоянного подзаряда для кислотной батареи является плотность электролита. Она должна быть равна 1200–1210 кг/м 3 при 20 о С. Если в процессе постоянного подзаряда плотность электролита снижается, это свидетельствует о превышении тока саморазряда над током подзаряда. В этом случае необходимо увеличить напряжение подзаряда, иначе в результате хронического недозаряда и эксплуатации при пониженной алотности электролита аккумуляторы могут необратимо потерять ёмкость.
Из-за большой разницы между напряжениями заряда и разряда непосредственное подключение аккумуляторных батарей к выходным клеммам источника постоянного тока, питающего аппаратуру невозможно. Для них режим постоянного подзаряда осуществляется другим способом. При наличии сети переменного тока нагрузка питается от специального выпрямительного устройства. Отдельный преобразователь малой мощности осуществляет постоянный подзаряд предварительно полностью заряженной батареи. Значение тока подзаряда устанавливается при исправной батарее автоматически. Исчезновение напряжения первичного источника энергии является сигналом переключения батареи в режим разряда. Контактные или бесконтактные переключатели в зависимости от требований к быстродействию коммутируют цепи питания потребителей.
При появлении постоянного напряжения на выходе питающего устройства батарея отключается от нагрузки и подключается к зарядному устройству. Критерием окончания заряда в этом режиме служит максимально допустимое напряжение, при достижении которого батарея переключается на подзарядный преобразователь.
Аккумуляторная батарея может быть подключена непосредственно к первичному источнику постоянного тока, а нагрузка питаться через отдельный регулятор напряжения, понижающей его, как указывалось выше, в 1,35–1,4 раза. При исчезновении первичного напряжения регулятор блокируется и питание нагрузки происходит от аккумуляторной батареи. Вместо специального регулятора напряжения в цепь нагрузки могут быть включены гасящие элементы, например, последовательная цепочка диодов. Возможна работа батареи в этом же режиме при разделении ее на две половины и включении при аварийном режиме последовательно. И, наконец, при питании нагрузки от статического преобразователя может быть использовано соотношение между средним и амплитудным значениями переменного напряжения.
Таким образом, соотношение между этими значениями составляет 1,56, т.е. примерно равно соотношению между зарядным и рабочим напряжениями щелочных аккумуляторов.
Строгое соблюдение требуемых напряжения подзаряда, уровня и температуры электролита, компенсации снятой емкости при аварийных режимах позволяет в несколько раз увеличить срок службы аккумуляторов.
Страницы этого раздела:
- Циклический режим работы аккумуляторной батареи
- Буферный режим работы батарей
- Режим постоянного подзаряда аккумулятора
- Отстой аккумуляторных батарей