Embed Size (px)
Citation preview
ECHIPAMENTUL ELECTRICAL AUTOVEHICULELOR
Alimentator pentru încărcareaacumulatorilor auto
Pb-acid 6V
PROIECT
Îndrumător:
Prof. dr. ing. Dan Bidian
2011
1
CuprinsTEMA DE PROIECTARE............................................................................................................................2
INTRODUCERE...........................................................................................................................................3
Principiul de functionare............................................................................................................................5
Mărimile caracteristice ale acumulatoarelor cu plăci de plumb................................................................7
Utilizarea acumulatoarelor.......................................................................................................................12
Metode de încărcare a acumulatoarelor...................................................................................................13
SCHEMA ELECTRONICĂ A ALIMENTATORULUI.............................................................................17
BREVIAR CALCUL TRANSFORMATOR DE REŢEA..........................................................................20
Calcului circuitului magnetic...................................................................................................................20
Calculul înfăşurărilor...............................................................................................................................23
Calcului pierderilor şi curentului de funcţionare în gol...........................................................................27
Calculul termic.........................................................................................................................................30
INSTRUCŢIUNI DE PROTECŢIE ŞI DE PUNERE ÎN FUNCŢIUNE....................................................31
Punerea în funcţiune................................................................................................................................31
Intreţinerea bateriilor de acumulatoare....................................................................................................31
Măsuri de protecţie la încărcarea şi exploatarea acumulatoarelor cu Pb-acid.........................................32
EVALUARE COST ECHIPAMENT..........................................................................................................34
ANEXA 1.....................................................................................................................................................35
1
TEMA DE PROIECTARE
Se cere să se proiecteze un alimentator pentru încărcarea acumulatorilor auto care să
aibă urmatoarele date tehnice:
tensiunea de alimentare:
curentul maxim de alimentare:
tensiunea bateriei:
capacitatea bateriei:
Alimentatorul va fi prevăzut cu un transformator, un redresor şi o schemă de comandă
pentru încărcarea automată a acumulatorului. Dispozitivul semiconductor va fi montat pe un
radiator. Se vor prevedea aparate de măsură pentru tensiune şi curent. Se va evalua costul
echipamentului.
Proiectul va cuprinde calculul transformatorului de reţea, alegerea redresorului utilizat
şi schema electrică a regulatorului electronic cu care este prevăzut acest încărcător. În partea
introductivă se va trata chestiuni teoretice referitoare la acumulatori electrici auto, utilizarea lor,
modul de utilizare şi de încărcare a acestora.
În final se vor prezenta şi câteva instrucţiuni de protecţie şi de punere în funcţiune a
echipamentului proiectat.
2
INTRODUCERE
Pilele sunt generatoare electrochimice de curent continuu constituite din doi electrozi
metalici introduşi într-o soluţie de electrolit.
Acumulatoarele sunt dispozitive care acumulează energia electrică prin conversie
electrochimică. Ele sunt reversibile, în sensul că acumulează energie electrică în regimul de
încărcare de la o sursă de curent cuntinuu şi generează energia acumulată atunci când sunt
conectate la un circuit receptor.
La baza funcţionării pilelor şi acumulatoarelor electrice stau fenomenele electrochimice.
Când se introduce un electrod metalic într-o soluţie de electrolit apare, în stratul de
contact, un câmp electric imprimat galvanic şi deci o tensiune de contact între electrod şi soluţie.
Această tensiune depinde de materialul electrodului, de concentraţia electrolitului, de
temperatură, e.t.c. şi se numeşte potenţial de electrod.
Măsurarea potenţialului de electrod se face în raport cu un potenţial de referinţă (al
hidrogenului) iar valorile pentru cateva elemente sunt indicate în tabelul următor:
Valori ale potenţialului de electrod [V]
Zn Fe Cd Ni Pb Sn H Cu Hg Ag Pt
-0.77 -0.43 -0.42 -0.23 -0.15 -0.14 0 +0.34 +0.76 +0.8 +1.2
Tensiunea electromotoare a unei pile electrice formate din electrozi de materiale diferite
este:
unde: Ve1 este potenţialul de electrod pozitiv;
Ve2 este potenţialul de electrod negativ.
3
O pilă electrică conectată la un circuit exterior produce un curent electric prin circuit. Prin
circulaţia acestui curent, se produce în interiorul pilei acumularea ionilor hidroxil (OH-) la anod
(polul +) şi a ionilor de hidrogen la catod. Drept rezultat, se produce o scădere a t.e.m a pilei şi
deci a curentului din circuit, fenomen denumit polarizare electrolitică.
Rezistenţa internă a pilei creşte, iar curentul debitat în circuitul exterior scade. Limitarea
acestor fenomene se face prin folosirea de substante cu rol de depolarizant.
Toate tipurile de acumulatoare sunt caracterizate de aceleaşi mărimi ca şi pilele electrice
(tensiune electromotoare, rezistentă internă şi capacitatea de debitare) şi în plus de urmatoarele:
- curentul maxim de descărcare (care nu trebuie de depăşit);
- randamentul în calitate de electricitate:
care are valori de 80-90% la ambele tipuri de acumulatoare.
- randamentul energetic:
unde Wdesc este energia eliberată la descărcare;
Winc este energia primită la încărcare.
valorile tipice sunt 70-80% la acumulatoarele cu plumb si 45-55% la acumulatoarele
alcaline.
4
Principiul de functionare
Spre deosebire de pile, acumulatoarele sunt reversibile în sensul că reacţiile produse la
descărcare (când funcţionează ca generator) se succed în mod invers la încărcare (când
acumulatorul este conectat la o sursă de curent continuu).
Cele mai utilizate acumulatoare sunt cele acide (cu plumb) şi cele alcaline.
Acumulatoarele alcaline au electrolitul constituit din soluţii alcaline. Cele mai utilizate
construcţii sunt cele cu electrozi de nichel-fier, nichel-carmiu şi zinc-argint.
Comparativ cu acumulatoarele cu plumb, cele alcaline au o serie de avantaje şi anume:
durata mare de serviciu (pot ajunge la 4000 cicluri);
etanşietate şi rezistenţa mare la şocuri mecanice;
realizarea unei densităţi energetice suplimentare;
întreţinere nepretenţioasă.
Acumulatoarele cu nichel-cadmiu au t.e.m. cuprinsa între 1,3-1,5 V;
Descărcarea se face până la limita de 1 V. Durata medie de serviciu poate ajunge la 4000 cicluri
încărcare-descărcare.
Acumulatoarele cu zinc-fier au t.e.m. de 1,3-1,5 V pe element şi o energie specifică de 30
Wh/kg.
Acumulatoarele cu zinc-argint au o energie specifică mare (circa 100 WH/kg) şi pot
suporta curenţi mari de descărcare. Au ca dezavantaj principal durata redusă de exploatare (40-
200 cicluri) şi un cost ridicat.
Acumulatorul cu plumb este prezentat schematic în figura 1. Electrozii sunt realizaţi
iniţial din gratare de plumb acoperite cu un amestec de oxizi de plumb (exemplul minium de
plumb Pb3O4 si litargă PbO) şi scufundaţi într-o soluţie apoasă de acid sulfuric.
Prin operaţia de „formare” (a cărei desfăşurare este indicată de catre producător) ce se
face prin alimentarea cu curent a acumulatorului, electrozii se transformă astfel:
plăcile pozitive ajung de culoare cafenie prin formarea de oxid de plumb PbO2
plăcile negative devin cenuşii, fiind acoperite cu plumb spongios.
5
Fig. 1: 1-cuva cu 6 compartimente; 2-plăci negative; 3-plăci separatoare;4-plăci pozitive; 5-borna pozitivă; 6-conexiuni între elemente;
7-borna negativă
Un acumulator încărcat are o tensiune electromotoare de circa 2,2 V. La descărcare,
aceasta scade repede la 1,95 V; rămâne constantă mult timp şi apoi scade lent. La 1,8 V
descărcarea trebuie oprită, întrucât reactiile nu mai sunt complet reversibile. În timpul încărcării
tensiunea creşte rapid la 2,2 V pe element, apoi lent până la 2,33 V, iar la sfârşitul încărcării
poate ajunge la 2,6-2,75 V.
Acumulatoarele se realizează de regulă sub formă de elemente înseriate, amplasate într-o
cuvă comună de material plastic (sau de sticlă) şi despărţituri. Numărul de elemente depinde de
tensiunea nominală; deosebit de utilizate sunt acumulatoarele de 12 V care au 6 elemente.
Energia electrică de curent continuu este înmagazinată în acumulator sub forma de energie
chimică în timpul încărcării printr-un proces electrochimic care are loc în acumulator şi
restituita în timpul descărcării, prin procesul electrochimic reversibil.
Teoria dublei sulfatări conduce la următoarea reacţie chimică totală din acumulator :
Cu alte cuvinte prin descărcare, atât dioxidul de plumb cât şi plumbul spongios se
transformă în sulfat de plumb, iar la încărcare, materiile active ale acumulatoarelor revin în stare
iniţială, trecând din nou în dioxid de plumb la electrodul pozitiv şi în plumb spongios la
electrodul negativ.
6
Din reacţia de mai sus, se mai constată ca la descărcare, în locul acidului sulfuric, în
electrolit apare apa, ceea ce face ca densitatea electrolitului să scadă. La încărcare, din cauza
consumului molecular de apă şi a reformării acidului sulfuric, densitatea electrolitului creşte.
Această variaţie a densitaţii electrolitului în timpul descărcării şi încărcării serveşte, în timpul
exploatării, la determinarea stării de descărcare sau de încărcare a acumulatorului ( limitele sunt
indicate de fabrică ).
Reacţiile electrochimice din acumulator sunt însoţite de schimb de caldură cu exteriorul :
la descărcare se absoarbe din mediu înconjurător o anumită cantitate de căldură, iar la încărcare
se degajă această cantitate de căldură.
De asemenea, în timpul încărcării se produc scăpări de ioni de hidrogen ( H ) în mediul
înconjurător, ceea ce obligă la măsuri speciale în proiectare şi exploatarea spaţiului în care sunt
instalate bateriile de acumulatoare ( încăperea să fie separată printr-un spaţiu tampon de restul
instalaţiilor, să fie ventilată, pereţii, podelele şi ferestrele să fie vopsite antiacid, instalaţia de
iluminat să fie antiexplozivă etc. ).
Mărimile caracteristice ale acumulatoarelor cu plăci de plumb
Masa specifică a electrolitului [ g/cmc]. La acumulatoarele staţionare, limitele
aproximative de variaţie ale acesteia sunt : 1,29 g/cmc, când acumulatorul este încărcat şi 1,15
g/cmc, când acumulatorul este descărcat.
Tensiunea electromotoare E [V] reprezintă tensiunea la bornele acumulatorului, când
circuitul exterior al acestuia este deschis. Valoarea ei se determină aproximativ cu urmatoarea
relatie empirică :
E [V] = 0,84 + [g/cmc].
Rezultă că această tensiune nu ramâne constantă nici la încărcarea, nici la descărcarea
acumulatorului, deoarece este legată de masa specifică a electrolitului, , care, după cum s-a
văzut, variază între anumite limite. Aceste limite fiind mici şi variaţiile lui E sunt mici. De
exemplu : la = 1,18 corespunde E = 2,02 V, iar la = 1,21 corespunde E = 2,05 V. De aici
se desprinde urmatoarea regulă practică : pentru a constata că un acumulator este încărcat sau
descărcat se va măsura tensiunea la bornele sale cu circuitul exterior închis, deoarece variaţia
7
foarte mică a tensiunii electromotoare E, în cazul circuitului exterior deschis nu este sesizată de
instrumentele de masură industriale.
Rezistenţa interioară totală [ Ω ] este valoarea rezistenţei care se opune la trecerea
curentului continuu. În general, ea are valori de 0,01 – 0,001 Ω. Rezistenţa interioara se
micşorează în timpul încărcării şi se măreşte în timpul descărcării.
Valoarea ei medie ( aproximativă ) se poate determina cu formula empirică :
În care : C este capacitatea acumulatorului în Ah, pentru un regim de descărcare de 10 h,
iar numărătorul variază în limitele 0,1…0,2 funcţie de distanţa între plăci şi de contracţia
acidului.
Această rezistenţă variază în timpul funcţionării acumulatorului, datorită efectului de
polarizare a electrozilor. Această polarizare, întâlnită doar la curenţi unidirecţionali ( c.c. )
constă în modificarea valorii potenţialelor de electrod faţă de valoarea pe care o au în cazul
stării de echilibru. Electrozii, al caror potenţial se modifică prin trecerea curentului, se numesc
electrozi polarizaţi. Ca efect, apare o modificare a valorii tensiunii electromotoare. Variaţia în
plus sau în minus a tensiunii electromotoare poate fi exprimată matematic, prin introducerea
unei mărimi denumită tensiune de polarizare a electrozilor şi care variază în funcţie de
valoarea curentului, de concetraţia electrolitului, de forma electrozilor etc.
Dacă se raportează această tensiune de polarizare la valoarea curentului, rezultă o mărime
de dimensiunile unei rezistenţe, denumită rezistenţa de polarizare :
În concluzie rezistenţa interioară totală a unui acumulator ra se compune din doi termeni :
- rezistenţa de polarizare
- rezistenţa ohmică r, care este suma tuturor rezistenţelor părţilor traversate de curent (în care
nu apar t.e.m. de polarizari ). Prin
urmare :
8
Tensiunea la bornele acumulatorului U [ V ] este tensiunea măsurată la borne, când
circuitul exterior este închis, fie pe consumator, fie pe sursa de încărcare. Valoarea ei depinde de
regimul de funcţionare al bateriei :
- la încărcare :
- de descărcare :
în care :
este curentul la încărcare, în A ;
este curentul de descărcare, în A.
Rezultă că valoarea acestei tensiuni nu este constantă nici la încărcare, nici la descărcare.
Variaţia ei depinde de regimul de descărcare al acumulatorului ( regim de 3 h, regim de 10 h,
etc. ),de valorile curenţilor la descărcare sau încărcare, de concentraţia electrolitului, etc.
În fig. 2 se indică aspectul calitativ al curbelor U = f( t ) la curent consumat atât la
încărcare cât şi la descărcare, precum şi influenţa intensitaţii curentului asupra caracteristicii de
descărcare ( cu cât curentul creşte, cu atât caracteristica descreşte ).
Fig.2. Caracteristica u = f( t ) sub current constant, la încărcarea şi descărcarea acumulatorului
9
La descărcare, tensiunea la bornele acumulatorului nu poate depaşi valoarea minimă
indicată de fabricant, deoarece există pericolul scăderii bruşte a tensiunii (porţiunea de curbă
punctată pe figură ), cu consecinţe grave atât pentru consumatori cât şi pentru acumulator.
Capacitatea acumulatorului C [ Ah ] este cantitatea de electricitate care poate fi obţinută
de la acumulator prin descărcarea sa până la o anumită tensiune minimă admisibilă, într-un
anumit timp ( 10 ; 7 ; 5 ; 3 ; 2 ; 1 h ). Această capacitate este cu atât mai mare cu cât regimul de
descărcare este mai îndelungat ( de ex. : C10h > C3h ).
Curentul de descărcare Id [ A ] este valoarea de curent presupusă constantă sub care se
descarcă acumulatorul în regimul de descărcare ales şi se obţine din relaţia :
în care :
- este timpul de descărcare în h, în regimul de descărcare ales
C- este capacitatea acumulatorului corespunzător acestui regim.
De exemplu, un element are = 36 Ah ( capacitatea la un regim de descărcare de 10
ore ). Deci :
Curentul de încărcare maxim [ A ] este valoarea maximă a curentului cu care poate
fi încărcat acumulatorul respectiv. Fabrica indică urmatoarele valori : Ls1, 11 A şi pentru L1, 9
A. Pentru alte capacitaţi se înmulţesc aceste valori cu indicele elementului respectiv. De
exemplu : L6 va avea un curent de încărcare maxim = 6 x 9 = 54 A.
Curentul de şoc [ A ] este valoarea curentului maxim admis la descărcarea
acumulatorului într-un regim de descărcare de scurtă durată ( < 5 s ). El are valoarea de 2,5 ori
10
mai mare decât a curentului corespunzător regimului de descărcare de 1 h ( numai la elementele
Ls5 ), adică isoc = 2,5 Id1h. Tensiunea nu trebuie să scadă în timpul şocului la o valoare sub
78% din valoarea pe care o avea în momentul şocului.
Randamentul în cantitatea de electricitate reprezintă raportul între cantitatea de
electricitate cedată de acumulator în timpul descărcării şi cantitatea de electricitate primită
de acumulator la încărcare , adică :
Valoarea acestui randament la tipurile L de acumulatoare cu plăci de plumb este de 85 – 90%.
Randamentul de energie al acumulatorului reprezintă raportul dintre energia electrică
cedată de acumulator la descărcare şi cea primită la , adică :
în care : şi sunt valorile mediale tensiunilor la descărcarea, respectiv la
încărcarea acumulatorului în limitele admise de furnizor.
Acest randament pentru tipul L este de 70 – 80%.
Un fenomen de care trebuie ţinut seama atât în proiectarea cât şi la exploatarea instalaţiilor
de c.c. cu baterii de acumulatoare cu plăci de plumb, este fenomenul autodescărcării.
Autodescărcarea este pierderea nerecuperabilă a capacitaţii elementului, atât în circuitul
exterior deschis cât şi în circuit închis, ca urmare a unor procese interne ca de exemplu :
reacţia secundară dintre electrolit şi placa negativă ;
lanţul electrochimic al masei active în scurtcircuit, format la placa pozitivă de
PbO2 cu plumbul grătarului, în prezenta soluţie de acid sulfuric ;
formarea unor elemente parazite prin depunerea la catod a unor impuritaţi
metalice.
Prin autodescărcare, acumulatoarele cu plăci de plumb,stationare, pierd zilnic până la 0,5
– 1% din capacitatea lor.
11
Utilizarea acumulatoarelor
Acumulatoarele sunt utilizate drept surse de curent continuu în instalaţii fixe sau mobile.
Utilizarea în instalaţii fixe se face sub forma de baterii tampon, ca rezervă pentru
iluminatul de siguranţă (în cazul întreruperii accidentale a alimentării cu curent alternativ),
respectiv pentru iluminat şi comanda în cazuri de avarie în locuri unde trebuie asigurată
alimentarea cu energie electrică în mod continuu (spitale,centre telefonice,centrale electrice,
camere de comanda etc.)
Frecvent, acumularoarele sunt utilizate în instalaţii mobile ca, de exemplu:
-la autovehicule, unde au rolul de a asigura demarajul motorului şi respectiv
alimentarea cu energie electrică în timpul staţionării (iluminat şi semnalizare); în acest caz,
reîncărcarea bateriei se face în mod automat în timpul mersului;
-la vagoanele de călători, pentru iluminatul şi siguranţa în timpul staţionării;
- la avioane şi vapoare, pentru a asigura alimentarea de siguranţă, iluminatul şi
transmisiile radio în timpul staţionării;
- la submarine, unde asigură atât iluminatul de siguranţă, transmisiile, cât şi deplasarea în
anumite cazuri;
- la aparatele portabile de radioemisie şi radiorecepţie;
- la lămpile portabile cu acumulatori (minieri, ceferisti etc.).
Metode de încărcare a acumulatoarelor
Acumulatoare se încarcă de la o sursă de curent (redresor) continuu, la ieşirile căruia
tensiunea este mai mare decât tensiune bateriei de acumulatoare. La conectarea acumulatorului
către redresor bornele pozitive şi negative trebuie să fie unite corespunzător la bornele pozitive şi
negative a redresorului. Curentul de încărcare se poate de determinat după relaţia:
unde Ur – tensiunea redresorului, V;
UBA – tensiunea bateriei de acumulatoare, V;
R – rezistenţa sumară a circuitului de încărcare.
12
În condiţii staţionare se poate efectua încărcarea acumulatorului prin 2 metode:
încărcarea la curent constant;
încărcarea la tensiune constantă.
Tensiunea dispozitivului de încărcare se micşorează prin majorarea curentului de încărcare.
Pentru menţinerea constantă a unuia din parametrii de bază a regimului de încărcare e necesar de
aplicat dispozitive de reglare.
Încărcarea la curent constant. În acest caz bateriile se unesc între ele în serie şi se
conectează la dispozitivul de încărcare. Pentru menţinerea constantă a intensităţii curentului în
procesul de încărcare e necesar de modificat tensiunea sursei de curent sau rezistenţa circuitului
de încărcare. Metodele de bază de reglare a intensităţii curentului sunt:
- Conectarea în circuitul de încărcare în serie cu acumulatorul a unui reostat;
- Aplicarea regulatoarelor de curent, în particular, pe bază de tiristoare, care menţin
valoarea medie constantă a curentului de încărcare datorită periodice în circuitul de încărcare a
unui rezistor suplimentar;
- Modificarea tensiunii sursei de curent cu regulatoare manuale sau automate în
corespundere cu indicaţiile ampermetrului, etc.
Numărul de acumulatoare conectate concomitent la încărcare depinde de tensiunea
dispozitivului de încărcare sau reţelei de încărcare. Pentru asigurarea încărcării depline a unui
acumulator de 12V trebuie să i se aplice o tensiune de 16,2V, adică 2,7V la fiecare element.
Corespunzător, numărul de baterii cu Un=12V, concomitent conectate la dispozitivul de
încărcare, se poate de calculat după formula:
unde Ur – tensiunea dispozitivului de încărcare (reţelei de încărcare);
Us.î. – tesiunea acumulatorului la sfârşitului procesului de încărcare.
Intensitatea curentului de încărcare se alege reeşind din regimul ales de încărcare.
La regimul de 10 ore de încărcare Iî=0,1C20A, la regimul de 20 ore de încărcare
Iî=0,05C20A.
13
Încărcarea la tensiune constantă. În acest caz bateriile se unesc între ele în paralel şi se
conectează la dispozitivul de încărcare după care se menţine tensiunea constantă (vezi fig.3).
După măsura încărcării FEM şi tensiunea la bornele acumulatoarelor cresc şi curentul de
încărcare scade. La momentul iniţial intensitatea curentului de încărcare depinde de gradul de
descărcare a acumulatorului, temperatura electrolitului, valoarea tensiunii de ieşire a
dispozitivului de încărcare, şi poate să atingă (1-1,5)C20A.
Alegerea valorii optimale a tensiunii de încărcare depinde de temperatura electrolitului şi
de starea tehnică a acumulatorului. Cu cât e mai mare tensiunea de încărcare cu atât e mai
intensiv procesul de încărcare, dar e mai mare degajarea de gaze şi apariţia diferitor factori
naturali. Prin această metodă de încărcare este posibilă supraîncălzirea acumulatorului în
rezultatul intensităţii curentului de încărcare la începutul încărcării. Încărcarea la tensiune
constantă se înrăutăţeşte în condiţiile temperaturilor joase, aşa cum brusc creşte rezistenţa
interioară a acumulatorului.
Fig.3. Încărcarea acumulatorului la tensiune constantă:a – schema de conectare a bateriei de acumulatoare la dispozitivul de încărcare;
b – caracteristicile de încărcare.Tensiunea de încărcare pe fiecare acumulator trebuie să alcătuiască 2,4-2,5V,
corespunzător, tensiunea de încărcare pentru acumulatorul de 6V trebuie să fie 7,2-7,5V, iar
pentru acumulatorul de 12V – 14,4-15V. Intensitatea curentului de încărcare pentru fiecare
acumulator se stabileşte automat. După această metodă de încărcare se poate asigurat încărcarea
deplină a acumulatorului timp de 4-4,5 ore, iar până la 90% din capacitatea nominală se încarcă
timp de 2,5 ore.
14
La tensiune constantă se reîncarcă acumulatoarele pe automobile. Deoarece încărcarea
deplină în acest caz nu este posibilă, se recomandă periodic de demontat acumulatorul de pe
automobil şi de petrecut încărcarea deplină la curent constant în condiţii staţionare.
Se mai cunosc şi altele metode de încărcare a acumulatoarelor, dintre care sunt:
Încărcarea modificată. Scopul încărcării modificate este de a reduce intensitatea curentului
la începutul perioadei de încărcare şi micşorarea influenţei variaţiei tensiunii în reţeaua de
încărcare asupra curentului de încărcare. În circuitul de încărcare se conectează un rezistor nu
prea mare (0,0091Ω). Tensiunea în reţeaua de încărcare se menţine constantă în limitele de la 2,5
până la 3,0V pe fiecare acumulator. Optimal pentru acumulatorul cu plumb tensiunea de 2,6V
asigură o încărcare aproximativ în timp de 8 ore.
Încărcarea forţată. Pentru restabilirea rapidă a capacităţii de funcţionare a acumulatoarelor
foarte descărcate se petrece încărcarea forţată cu un curent de 0,7C20A. Timpul încărcării forţate
trebuie să fie cu atât mai mic cu cât e mai mare curentul de încărcare (30 min la un curent de
0,7C20A, 45 min la un curent de 0,5C20A şi 90 min la un curent de 0,3C20A,). La creşterea
temperaturii electrolitului mai sus de 40ºC încărcarea se stopează. Aplicarea încărcării forţate se
poate numai în cazuri excepţionale, aşa cum repetarea de mai multe ori a acestei metode de
încărcare duce la reducerea excesivă a termenului de exploatare a acumulatorului.
Încărcarea de nivelare. La petrecerea încărcării de nivelare cu curent mai mic de 0,1C20A
se asigură uniformitatea densităţii electrolitului şi gradul de încărcare a acumulatoarelor în parte
a bateriei, se restabileşte masa activă pe electrozi, se neutralizează acţiunile puternice de
descărcări pe electrodul negativ. Încărcarea de nivelare de obicei se foloseşte pentru înlăturarea
sulfatării posibile pe electrozi şi se finisează peste 3 ore după restabilirea uniformităţii densităţii
electrolitului.
15
SCHEMA ELECTRONICĂ A ALIMENTATORULUI
Acest încărcător este destinat recuperării şi menţinerii în stare de funcţionare a
acumulatoarelor cu plumb, şi are următoarele date tehnice:
sursă de tensiune stabilizată
reglaj fin al tensiunii de ieşire: 6-8V
curent maxim limitat la ieşire: 1,55A
protecţie la scurtcircuit
semnalizare optică la încărcare şi la defect
Încărcătorul a fost conceput pentru baterii cu plumb şi electrolit sau stare de gel şi nu
pentru acumulatoare cu NiCd.
Ca să aibă o durată lungă de exploatare, un acumulator cu plumb este recomandat să fie
încărcat cu un curent al cărui valoare trebuie să fie 1/10 din valoarea capacităţii sale electrice şi
la o tensiune de 2,4V pe element.
Aceasta înseamnă ca o baterie cu tensiunea nominală de 6V trebuie încăcată la o tensiune
maximă de 7,2V
16
Important este ca încărcarea să se facă cu un dispozitiv (încărcător) care să limiteze
curentul de încărcare la valoarea maximă de 1/10 din capacitatea, şi sub o tensiune constantă.
Acumulatoarele cu plumb când sunt descărcate, au rezistenţă internă mică pentru curentul
de încărcare şi deci sunt capabile sa absoarbă un curent foarte mare. Această rezistenţă îşi
măreşte valoarea pe măsură ce acumulatorul se încarcă. Dacă acumulatorul este încărcat şi i se
aplică o tensiune mai mare de 2,2V pe element începe procesul chimic de electroliză a apei, ceea
ce se traduce prin deteriorarea acumulatorului: începe ceea ce se cunoaşte ca proces de sulfatare.
La utilizare, când acumulatorul este încărcat, poate debita curenţi de valori mari, ceea ce
înseamnă o rezistenţă internă mică şi pe măsură ce se descarcă, rezistenţa sa internă creşte. Deci
un fenomen invers faţă de încărcare.
Analizând schema electrică a încărcătorului propus, încărcător la care pot fi prestabilite
valorile curentului maxim de încărcare şi a tensiunii până la care se poate încărca acumulatorul,
se observă în primul rând simplitatea sa.
Din schemă se poate observa că realizarea nu implică un cost ridicat, iar procesul de
confecţionare nu este complicat.
Elementul regulator al tensiunii este circuitul LM150/LM350A/LM350, care poate
suporta până la 3A pe ieşire (vezi Anexa1).
Stabilirea valorii tensiunii de încărcare este impusă de grupul R5-R6-R7. Exactitatea
acestei valori ( de exemplu 7,2V) este operată din rezistenţa semireglabilă R7.
De la puntea redresoare, curentul trece prin siguranţa fuzibilă F1, ajungând la circuitul
LM150 prin rezistoarele R2. Se observă prezenţa, lângă F1, a grupului D1-D2-R1. Acesta are
rolul de a semnaliza când fuzibilul este întrerupt, atunci D1, care este un LED de culoare roşie,
luminează.
La bornele rezistorului R2 apare conectat tranzistorul Q1, de tip PNP cu siliciu, model
BC117.
Rolul acestui tranzistor este de a scoate din funcţiune încărcătorul când consumul absorbit
depăşeşte o anumită limită.
Ca un tranzistor să se deschidă, tensiunea bază-emitor trebuie să fie de cel puţin 0,65V.
Deci dimensionarea rezistorului R2 se face ţinând cont de această impunere.
Capacitatea bateriei de acumulatoare din tema de proiect are 15,5Ah. Conform celor
exprimate deja, curentul de încărcare nu trebuie să depăşească 1,55A.
17
Deci R se alege de 0,42 , şi puterea de 1W.
Când se absoarbe un curent mai mare decât cel prestabilit, tranzistorul Q1 se deschide şi
aduce în conducţie tranzistorul Q2 care implicit pune la masă terminalul de comandă a circuitului
LM150.La ieşirea încărcătorului este montată dioda D4 care împiedică descărcarea
acumulatorului pe încărcător când dispare tensiunea de reţea. Funcţionarea în limitele prestabilite
impuse este indicată optic de dioda D3 de culoare verde. La terminarea plantării componentelor
se montează ca sarcină un rezistor de aproximativ 120 şi se manevrează R8 până când, la
ieşire, pe scala voltmetrului se ajunge la 7,2V.După această simplă operaţiune încărcătorul este
apt de a fi introdus în exploatare. Circuitul LM150 este montat pe radiator.
Transformatorul de reţea este o piesă care se calculează separat.
18
BREVIAR CALCUL TRANSFORMATOR DE REŢEA
Pentru a putea calcula tensiune secundară a transformatorului am luat în considerare
căderea de tensiune pe circuitul regulator – 2,5V (vezi Anexa1), căderea de tensiune pe cele două
diode din punte – 1,4V, căderea de tensiune pe dioda D4 – 0,7V şi tensiunea de încărcare a
bateriei – 7,2V:
Se adoptă .
Datele transformatorului:
tipul constructiv: în manta
sistemul de răcire: în aer
Puterea aparentă:
19
Se adoptă
Calcului circuitului magnetic
1. Secţiunea coloanei:
Unde: este constantă de calcul.
-
2. Dimensiunile miezului coloanei de formă dreptunghiulară considerând
rezultă:
de unde se obţine lungimea pachetului:
- lăţimea coloanei:
Prin rotunjire, se stabilesc următoarele dimensiuni ale coloanei:
pentru care rezultă următoarea secţiune a coloanei:
3. Secţiunea coloanei, considerând miezul în manta:
20
Dimensiunile înfăşurărilor şi miezului transformatorului monofazat în manta:1- carcasa bobinelor; 2- izolaţia dintre înfăşurări
Fiind un transformator mic, lăţimea T a ferestrei se va determina după dimensionarea
înfăşurărilor; în prealabil se va stabili înălţimea coloanei şi deci a bobinei.
4. Înălţimea coloanei:
Pentru transformatoarele mici ( ), cu sistem de răcire în aer care au miezul în
manta din tole profil E + I din tablă silicioasă laminată la rece cu cristale neorientate, cu grosime
de 0,5 mm se aproximează:
-
-
-
Prin rotunjire se alege .
21
Calculul înfăşurărilor
22
Randamentul şi căderea de tensiune (în procente)ale transformatoarelor de mică putere
1. T.e.m. din primar şi din secundar:
în care am luat
2. Numărul de spire al înfăşurărilor:
3. Valorile definitive ale fluxului magnetic şi inducţiilor magnetice:
23
a. Fluxul magnetic util:
b. Inducţia magnetică în coloană:
c. Inducţia magnetică în jug:
d. Curenţii nominali ai transformatorului:
unde s-a considerat , iar din figură.
e. Secţiunile orientative ale conductoarelor
unde s-a luat pentru ambele înfăşurări utilizându-se conductoare de
cupru.
- Dimensiunile conductoarelor se aleg din tabele:
24
- Pentru înfăşurarea primară, conductor rotund izolat cu un strat de email tereftalic
(ET):
pentru a lucra cu acoperire s-a luat , rezultând:
- Pentru înfăşurarea secundară, tot conductor rotund izolat cu un strat de email
tereftalic (ET):
pentru a lucra cu acoperire s-a luat , rezultând:
- Valorile definitive ale densităţilor de curent:
- Dimensiunile înfăşurărilor
- Înălţimea bobinelor:
- Numărul de spire pe un strat
o pentru primar:
o pentru secundar:
25
- Numărul straturi
o pentru primar:
- adică 11 straturi
o pentru secundar:
- adică 2 straturi
- Grosimile bobinelor
o pentru primar:
o pentru secundar:
- Lăţimea ferestrei transformatorului:
unde:
1mm - jocul (pe o parte) între interiorul carcasei şi miez
2mm - grosimea carcasei
3mm – distanţa de asamblare, care include şi grosimea izolaţiei dintre bobine
Calcului pierderilor şi curentului de funcţionare în gol
- Rezistenţa înfăşurărilor având conductoare din cupru şi clasa de izolaţie F:
o pentru înfăşurarea primară:
o pentru înfăşurarea secundară:
26
unde lungimile medii sunt:
- Pierderi în înfăşurări, considerând :
o pentru înfăşurarea primară:
o pentru înfăşurarea secundară:
o pierderi totale:
- Masa conductoarelor înfăşurărilor:
- Masa netă a fierului:
unde:
- Pierderi totale în fier:
27
unde: pentru secţiunea dreptunghiulară a miezului magnetic, s-a adoptat:
; pentru miez din tablă silicioasă laminată la rece, cu cristale
neorientate şi grosime 0,5 mm.
- Curentul de funcţionare în gol:
- componenta activă:
- componenta reactivă, sau curentul de magnetizare:
unde:
pentru
pentru
pentru un miez cu formă dreptunghiulară
pentru îmbinări făcute în unghi drept
, deoarece utilizând tole profil E+I, numărul rosturilor de
îmbinare dintre tole este mic.
- Curentul total la funcţionarea în gol:
sau în procente din
valoare cam mare, dar obişnuită pentru transformatoarele mici cu miez feromagnetic din
tablă silicoasă cu cristale neorientate.
28
- Randamentul transformatorului la sarcină nominală ( ), în procente:
care este mai mare decât valoarea considerată: 83%.
Calculul termic
- Estimarea încălzirii transformatorului
- suprafaţa liberă a bobinei este:
şi reprezintă suprafaţa laterală exterioară a bobinei mai puţin partea din dreptul ferestrei
transformatorului (a coloanelor laterale).
- suprafaţa liberă a miezului (suprafaţa laterală + frontală, fără cea interioară):
unde:
este coeficientul mediu de transmitere a căldurii de
pe suprafeţele deschise ale înfăşurărilor şi miezul transformatorului.
este căderea de temperatură de la straturile interioare ale
infăşurării la cele exterioare.
29
Se observă că:
care este temperatura maximă pentru clasa de izolaţie F, ceea ce înseamnă ca
transformatorul a fost bine dimensionat.
INSTRUCŢIUNI DE PROTECŢIE ŞI DE PUNERE ÎN FUNCŢIUNE
Punerea în funcţiune
Înainte de punerea în funcţiune a redresorului pentru încărcarea bateriei de acumulatoare
se vor respecta:
redresorul se va monta în încăperi aerisite, fără agenţi termici sau chimici, cu
temperatura mediului ambiant cuprinsă între şi umiditate relativă maximă de
la
se verifică dacă nu există fire scoase din redresor şi borne cu papucii slăbiţi
se montează ca sarcină un rezistor de aproximativ 120 şi se manevrează R8 până
când, la ieşire, pe scala voltmetrului se ajunge la 7,2V
cablurile de alimentare a bateriei de acumulatoare să fie bine montate din punct de
vedere mecanic şi al polarităţii
se verifică capacitatea bateriei
se porneşte redresorul şi se urmăreşte ca ampermetrul să indice curent
Intreţinerea bateriilor de acumulatoare
30
După anumite perioade (care depind de felul instalaţiei), se verifică starea exterioară a
bateriei. In cazul în care legăturile de fixare s-au slăbit, se va proceda la strângerea lor, pentru a se
evita ruperea legăturilor electrice.
De asemenea, bateria trebuie curaţita de murdărie. Ea va fi ştearsă cu o cârpă uscată
şi curată. Dacă pe suprafaţa bacului a curs electrolit, locul udat va fi şters cu o cârpă muiata în
soluţie de amoniac sau de sodă pentru a se neutraliza efectul acidului.
Bornele bateriei de acumulatoare trebuie curaţite de oxizi. Curăţirea se face atât la
suprafaţă, cât şi la partea interioară de contact cu conductoarele, folosindu-se pânză de şlefuit
(şmirghel) pentru suprafeţele exterioare şi o pila rotundă pentru găurile bornelor. După aceasta, se
strâng bine şuruburile care fixează cablurile de borne şi se unge totul cu un strat subţire de
vaselină pentru a se preveni formarea de noi oxizi şi deci un contact electric defectuos.
De asemenea, trebuie îndepărtată cu grijă murdăria de pe punţile de legătură dintre
elemente, pentru a nu se introduce impuritaţi în interiorul acumulatorului prin găurile de aerisire.
Nivelul electrolitului trebuie verificat săptamânal, în special în sezonul de vară. El
trebuie să fie întotdeauna cu 10-20 mm deasupra plăcilor ; dacă electrolitul nu acoperă plăcile,
acestea se deteriorează, prin desprinderea pastei de pe ele.
Nivelul electrolitului se poate controla fie vizual, folosindu-se pentru iluminare o lampă
electrică portabil, fie cufundându-se în elemente, prin orificiul dopului acumulatorului, capătul
unui tub curat de sticlă deschis la ambele capete, iar când tubul se sprijină cu un capăt pe plăcile
de element, prin astuparea celuilalt capat cu un deget se fixează coloana de lichid. Inălţimea
coloanei de lichid fixate în tub arată înălţimea nivelului electrolitului deasupra plăcilor.
Dacă micşorarea nivelului electrolitului este cauzată de evaporare sau de descompunere
chimică, completarea se face cu apă distilată ; dacă micşorarea cantităţii de electrolit se datoreşte
scurgerii din bac, se adaugă soluţie de acid sulfuric în apă (apă acidulată), la greutatea specifică
corespunzatoare soluţiei din elemente.
Măsuri de protecţie la încărcarea şi exploatarea acumulatoarelor cu Pb-acid
În operaţiile de încărcare, la sfârşit, după ce tensiunea pe element depăşeşte 2,35V
(respectiv
31
7,2 V pe baterie) în paralel cu conversia electrochimică are loc şi un proces de electroliză: apa se
descompune în hidrogen şi oxigen, la nivelul electrolitului se produce un fel de fierbere, datorită
bulelor de gaze care ies în atmosferă.
La încărcări prelungite, respectiv la supraîncărcări, cantitatea de hidrogen care iese în
atmosferă şi se adună în părţile superioare ale încăperii, poate realiza un amestec de 4% cu
aerul, amestec deosebit de exploziv. Un chibrit aprins sau o scânteie electrică pot declanşa
explozia cu atât mai violentă cu cît spaţiul în care are loc este mai restrâns. De aceea, la
încărcările prelungite ale unui acumulator într-un spaţiu redus (baie, mic atelier, hol etc), se
impune o ventilare care să antreneze şi aerul din vecinătatea plafonului (tiraj natural sau forţat).
Explozia poate avea loc însă şi în spaţiul redus al unei celule. Dacă încărcarea are loc
cu dopurile strânse şi unul din dopuri are gaura de aerisire obturată, hidrogenul şi oxigenul se
strâng sub capac. Dacă în această situaţie apare şi o scânteie pe traiectul electric şubrezit, se
declanşează o explozie, cu urmări grave dacă sînt persoane în apropiere. De aceea se insistă ca
la operaţiile de încărcare să se slăbească dopurile şi eventual să se scoată. Pentru a împiedica
stropii de acid, antrenaţi de gaze, să se împrăştie în jur, sub acumulator se aşază o folie de
material plastic, iar peste orificii o foaie de hârtie cerată sau de polietilenă,
Explozia unei celule de acumulator poate avea loc şi pe parcursul exploatării. Un dop
poate avea orificiul de ieşire a gazelor astupat total sau parţial de praf îmbâcsit cu acid. La
încărcare, în rulare pe distanţe lungi şi cu viteze relativ ridicată, acumulatoarele pot ajunge în
stadiul de final de încărcare cu degajare de hidrogen şi oxigen.
Între suprafaţa electrolitului şi capac se poate realiza un amestec exploziv. Dacă nivelul
electrolitului este scăzut, plăcile sudate de punte rămân în aer. La un şoc provocat de un
accident de, drum una din plăci prost încastrată se poate desprinde. Fiind sub încărcare, la
desprindere apare o scânteie care angajează explozia. În cel mai fericit caz explozia distruge
acumulatorul şi paralizează funcţionarea vehiculului.
Pentru prevenirea unor asemenea situaţii se verifică periodic (săptămânal) dacă orificiile
de aerisire sînt degajate şi se menţine pe cît posibil nivelul electrolitului constant, prin adăugare
de apă distilată. În acest fel puntea este acoperită cu lichid şi o eventuală scânteie se stinge, fără
sa declanşeze explozia.
Să se evite, în cazul unui acumulator sulfatat, încărcări cu valori ridicate de curent (chiar
şi cele de ordinul 0,1 C20). Un acumulator cu plăci sulfatate consumă energia electrică debitată
32
de sursa de încărcare, într-un proces de electroliză, cu atât mai activ cu cît curentul este mai
mare. Electrolitul se descompune în hidrogen şi oxigen, gaze care pot atinge într-un spaţiu
închis (boxă de încărcare neventilată sau celulă obturată) concentraţia critică.
Pentru desulfatări se aplică unul din regimurile recomandate, se desfac buşoanele şi se
asigură ventilarea încăperii.
EVALUARE COST ECHIPAMENT
Nr.
Crt.Componenta Bucăţi
Cost/bucată
[RON]
Cost
[RON]
1 Regulator LM150 1 5 5
2 Tranzistor BC177 1 0,2 0,2
3 Tranzistor BC107 1 1,3 1,3
4Punte redresoare KBU8J
8A/600V1 1,9 1,9
5 Diodă 1N4004 2 0,07 0,14
6 LED 2 0,1 0,2
7Condensator electrolitic 1000
F/16V1 0,22 0,22
8Condensator electrolitic 4,7
F/16V2 0,05 0,1
9 Rezistor 0,39 /3W 1 0,1 0,1
10 Rezistor 7 0,05 0,35
11 Siguranţă fuzibilă 2A 1 0,1 0,1
12 Soclu siguranţă fuzibilă panou 1 0,4 0,4
13 Trafo reţea 220/12V 80W 1 30 30
33
14 Cablaj sticlostratitex 70/90mm 1 1,65 1,65
TOTAL 41,66
Costul total estimat al echipamentului proiectat, mai puţin aparatele de măsură
(ampermetrul şi voltmetrul) care pot fi de mai multe tipuri, este de 41,66 RON.
34
ANEXA 1
35
36
37
38
39
