|
С помощью зарядного устройства
переменный ток преобразуется в постоянный, необходимый для зарядки
аккумуляторных батарей.
Номинальные значения мощности, силы тока и напряжения
указываются в паспорте зарядного устройства.
Для этой цели применяются различные конструкции зарядных устройств,
например с генераторами постоянного тока, приводимыми в движение обычно
асинхронными электродвигателями переменного тока, с ртутными или твердыми
(сухими) выпрямителями.
В первом случае энергия переменного тока преобразуется
электродвигателем в механическую энергию, а затем механическая энергия
преобразуется в электрическую энергию постоянного тока. Такие преобразования
производятся агрегатом, состоящим из электродвигателя переменного тока,
соединенного муфтой с генератором постоянного тока. Во втором случае
переменный ток выпрямляется при помощи выпрямительного устройства и его
преобразование в постоянный ток происходит в приборах, не
содержащих ка- ких-либо вращающихся частей.
Рассмотрим работу, преимущества и недостатки каждого из
этих видов зарядных устройств.
Двигатель-генератор представляет собой () сочетание
электродвигателя переменного тока (обычно трехфазного асинхронного) с
генератором постоянного тока. Обе машины устанавливаются на общей раме
(основании); которая крепится на фундаменте. Между собой машины соединяют при
помощи эластичной муфты.
В качестве генераторов постоянного тока используются
машины серии ПН, в качестве электродвигателей — асинхронные электродвигатели
единой серии. Данные некоторых двигатель- генераторов с машинами серии ПН
приведены в табл. 11. Машины серии ПН имеют к. п. д. в пределах 0,90—0,92.
Отечественной промышленностью также выпускаются
смонтированные зарядные преобразователи серии ЗП.
Зарядный преобразователь представляет собой смонтированный
в одном корпусе агрегат, состоящий из двигателя переменного тока и генератора
постоянного тока.
Выбор мощности зарядного агрегата можно пояснить
следующим примером. Допустим, что нам необходимо произвести зарядку батареи
26ТЖН-250, имеющую следующие параметры: номинальное напряжение 32 в, число
элементов 26, емкость 250 а-ч, сила тока зарядки 63 а (допускается ток
зарядки до 80 а при постоянном напряжении).
Напряжение на зажимах батареи в конце заряда должно быть
U6am = 26-1,55 = 40 е.
Максимальная сила тока (при зарядке при постоянном
напряжении) составит 80 а.
Принимаем стандартное ближайшее значение напряжения генератора
постоянного тока, равное 48 в. Тогда необходимая мощность на зажимах
генератора составит
рген = 48.80 = 3840 вт = 3,84 кет.
этим требованиям удовлетворяет зарядный преобразователь
типа ЗП 7,5/60, имеющий минимальное напряжение 48 в и мощность 7,6 кет. Может
быть принят также двигатель-генератор, состоящий из комбинации генератора
постоянного тока типа ПН-68 мощностью 5 кет, напряжением 115 в, и
асинхронного электродвигателя единой серии типа А52/4 мощностью 7,0 кет,
напряжением 220/380 в.
В обоих случаях генераторы и электродвигатели будут
недогружены, а при использовании указанного двигатель-генератора значительную
часть напряжения придется гасить реостатом, включенным последовательно с
заряжаемой батареей.
Преимуществом зарядных устройств типа ЗП и двигатель-ге-
нераторов является легкость регулировки силы тока и напряжения, которая
осуществляется плавно в широких пределах и с наименьшими потерями путем
изменения тока в обмотке возбуждения генератора.
Недостатками их являются: большой вес, сравнительно
небольшой к. п. д. (порядка 0,6—0,8), наличие вращающихся частей (роторы
машин, эластичная муфта, коллектор), необходимость периодической смазки,
осмотра и ремонта, шум при работе. От перечисленных недостатков свободны
ртутные и твердые выпрямители.
Ртутный выпрямитель является распространенным
устройством, предназначенным для выпрямления переменного тока в постоянный,
который необходим для зарядки аккумуляторов.
На 93 представлена простейшая схема ртутного-выпрями-
теля небольшой мощности. Выпрямитель состоит из стеклянной колбы, из которой
откачан воздух до высокого вакуума. На дне колбы находится жидкая ртуть,
являющаяся катодом. В боковые отростки колбы впаяны проводники, снабженные
графитовыми наконечниками, являющимися анодами. Рядом с катодом находится еще
один отросток, содержащий вспомогательный анод. Он необходим для включения
выпрямителя в работу. Во время включения выпрямителя вспомогательный анод
приходит в соприкосновение с катодом. Соприкосновение достигается наклоном
колбы с помощью соответствующего приспособления, которое обычно имеет ручное
управление (может быть сделано и автоматическим). По возвращении колбы в
вертикальное положение между катодо^ и вспомогательным анодом возникает дуга.
Дуговой разряд переходит на рабочие аноды, так как вся колба заполнена парами
ртути.
В момент образования дуги на поверхности ртутного катода
возникает светящееся катодное пятно, являющееся источником электронов.
Электроны направляются к аноду, находящемуся в данный момент под
положительным потенциалом относительно катода. На своем пути к аноду
электроны выбивают из атомов ртути такие же электроны, которые также
двигаются к аноду. Образовавшиеся ионы ртути (лишенные электронов атомы)
будут двигаться к катоду, так как они имеют положительный заряд. Ударяясь об
атомы ртути катода, ионы будут выбивать из него новые электроны, а сами будут
превращаться в атомы ртути.
Видимый при работе ртутного выпрямителя дуговой разряд
между катодом и анодами состоит из двух противоположно направленных потоков
(потока электронов от катода к тому из анодов, который находится под
положительным потенциалом, и потока ионов в сторону катода). Этот процесс в
выпрямителе происходит с большой скоростью, определяемой частотой
выпрямляемого переменного тока. При частоте сети 50 гц (периодов в секунду)
каждая полуволна переменного тока будет иметь продолжительность 0,01 сек,
следовательно, дуга будет перебрасываться с одного анода на другой через 0,01
сек. Как видно, выпрямленный ток будет не строго постоянным, а пульсирующим,
т. е. он будет иметь неизменное направление, но периодически изменяющуюся
величину. Сглаживание пульсаций тока может быть произведено электрическим
фильтром.
Отметим, что при разомкнутой внешней цепи, т. е. без
нагрузки, ртутный выпрямитель работать не будет. Поэтому после каждого отключения
нагрузки и включения новой нагрузки ртутный выпрямитель надо включать в
работу снова.
Кроме рассмотренных ртутных выпрямителей со стеклянными
колбами в более мощных устройствах (обычно выше 100 кет) используют стальные
резервуары, из которых во время работы воздух удаляется непрерывно вакуумными
насосами. В настоящее время имеются конструкции мощных выпрямителей и без
насосов (с постоянным вакуумом). Ртутные выпрямители имеют ряд достоинств:
они не требуют времени для разогрева катода, легко могут быть построены на
токи в сотни и тысячи ампер, допускают большие мгновенные перегрузки без
опасности повреждений, у них отсутствуют вращающиеся части (если не считать
вакуумных насосов мощных установок). Однако ртутные выпрямители не лишены и
недостатков. Основными недостатками являются: невысокий к. п. д. при малых
мощностях, не превышающий соответствующий к. п. д. у двигатель-генератора;
зависимость величины выпрямленного напряжения от величины приложенного
напряжения переменного тока, заставляющая прибегать к специальным мерам (что
усложняет установку и уменьшает ее к. п. д.); неустойчивость работы при малых
нагрузках; неудобство регулирования величины выпрямленного тока и напряжения.
Конструктивно стеклянные ртутные выпрямители выполняются в
виде шкафов из стали, внутри которых устанавливаются выпрямительная колба,
трансформатор питания, вентилятор охлаждения и другая аппаратура. На передней
панели находятся измерительные приборы, на нее же выводятся штурвал качания
колбы и кнопка зажигания.
Большим преимуществом зарядных ртутных выпрямителей типа
ВАРЗ является то, что они обеспечивают устойчивый режим зарядки за счет круто
падающей нагрузочной характеристики, которая создается завышением напряжения
холостого хода и применением анодного реактора. С увеличением тока нагрузки
выпрямителя растет падение напряжения в реакторе, чем и обеспечивается
соответствующее уменьшение напряжения на заряжаемых аккумуляторах.
Твердые (или сухие) выпрямители за последнее время
получили широкое распространение и успешно применяются не только для зарядки
аккумуляторов, но и в других случаях в различных областях техники. Работа
твердых выпрямителей основана на выпрямляющем свойстве контактного слоя между
металлом и полупроводником. Это достигается применением полупроводников, у
которых электрическое сопротивление слоя в запирающем направлении от металла
к полупроводнику во много раз больше, чем в обратном направлении. В
зависимости от типа полупроводника различают меднозакисные (купроксные),
селеновые и кремниевые выпрямители.
Наиболее широкое распространение получили селеновые и
меднозакисные выпрямители.
Устройство селенового выпрямителя показано на 95.
Выпрямительный элемент состоит из алюминиевой или стальной пластины или шайбы
/, на поверхность которой с одной стороны нанесен запирающий слой, образуемый
поверхностью кристаллического селена 4 с непосредственно примыкающим к нему
катодным слоем 2.
Электрический контакт с катодным слоем осуществляется с
помощью пружинной шайбы 3.
Такой выпрямительный элемент, называемый «шайбой», хорошо
проводит ток только в одном направлении (от запорного слоя к пластине 1).
Устройство купроксного выпрямителя подобно вышеописанному с той разницей, что
вместо слоя селена наносится слой закиси меди.
По сравнению с купроксными, селеновые выпрямители
допускают большую плотность тока и большее напряжение на каждую шайбу и имеют
более высокий к. п. д.
Наибольшая плотность тока купроксного выпрямителя 0,1 —
0,15 а/см2 при допустимом напряжении до 8 в на один выпрямляющий слой. К- п.
д. выпрямителя колеблется в пределах 20—30%. В селеновом выпрямителе
допустимая плотность тока составляет 0,2—0,3 а/см2 при напряжении на одном
выпрямляющем слое 16—18 в. К- п. д. селеновых выпрямителей достигает 85%.
Отметим, что в последнее время разработаны твердые
выпрямители, выпрямляющий контакт которых образуется путем сплавления
монокристаллического германия с индием. Такие полупроводниковые" приборы
называют германиевыми диодами. Они~до- пускают напряжение до 200 в при токе
до нескольких ампер на
один контакт. Количество и качество их выпуска
промышленностью непрерывно возрастают. Применяются они для получения
значительных сил токов. Недостатком их является большая чувствительность к
температуре: снимаемый с них выпрямленный ток при повышении рабочей
температуры должен уменьшаться во избежание их порчи. Германиевые выпрямители
имеют очень высокий к. п. д.—падение напряжения в них составляет десятые доли
вольта.
Дальнейшим шагом в области техники выпрямления явилось
создание кремниевых диодов (вентилей). Промышленностью выпускаются кремниевые
вентили типа ВКД, предназначенные для работы в мощных выпрямительных
агрегатах. Они допускают более высокую рабочую температуру по сравнению с
германиевыми диодами; падение напряжения в них также очень мало, а к. п. д.
очень высок.
В последнее время разработаны и выпускаются кремниевые
управляемые вентили (тиристоры) серии УПВКЛ.
Управление током, проходящим через вентиль, производится
посредством подачи на вспомогательный контакт соответствующего напряжения.
Перевод вептшгяз закрытого в открытое состояние
осуществляется подачей, на этот контакт прямого напряжения выше определенной
величины, называемой напряжением переключения. Чтобы перевести вентиль в
закрытое состояние, надо снизить протекающий через него ток до величины,
называемой током выключения.
Диапазон рабочих температур тиристоров от —60 до +120° С,
номинальное напряжение от 200 до 800 в, номинальные токи от 50 до 200 а.
Селеновые и купроксные выпрямители могут работать в
агрессивных средах, например в гальванических цехах они работают бесшумно,
колебания нагрузки совершенно не отражаются на их работе, их можно включать
как параллельно, так и последовательно. Отечественная промышленность
выпускает в настоящее время много типов селеновых и купроксных выпрямителей
на токи от тысячных долей ампера до нескольких тысяч ампер.
Для зарядки аккумуляторных батарей применяются следующие
типы.
Выпрямители ВУ-2М и ВУ-2ММ предназначены для зарядки и
формовки стартерных аккумуляторных батарей ЗСТЭ-112 и 6СТЭ-128 емкостью от 80
до 144 а-ч.
Оба типа выпрямителей выполняются по трехфазной схеме
выпрямления.
Выпрямитель ВУ-2М собирается из меднозакисных выпрямительных
элементов размером 80x300 мм, а выпрямитель ВУ-2ММ — из селеновых
выпрямительных элементов размером 100x100 мм. Напряжение питания для обоих
типов 220/380 в трехфазного переменного тока частотой 50 гц.
Верхняя передняя панель 3 имеет на себе амперметр 4 и
вольтметр 6 выпрямленного тока, закрытый крышкой 7 щиток с предохранителями в
цепи переменного тока, трехфазный коммутатор 8 на 24 положения и выключатель
сети 2.
Под верхней панелью расположена панель 1 с зажимами для
присоединения к питающей сети (с левой стороны), и выпрямленного тока с
предохранителем в цепи выпрямленного тока (с правой стороны). Все это закрыто
дверцами 9, снабженными замком. Ниже панели расположены блоки выпрямительных
элементов 10. Верхняя крышка каркаса имеет сетку, на боковых стенках имеются
прорези для вентиляции. Для сигнализации положения «Включено» служит смонтированная
между измерительными приборами сигнальная лампа 5. Силовой трансформатор
находится в верхней части шкафа.
Выпрямители ВКАП-1 и ВСАП-2 предназначены для зарядки и
формовки аккумуляторных батарей электрокаров и электропогрузчиков, имеющих
емкость 250 и 500 а-ч; они, как и выпрямители ВУ-2М и ВУ-2ММ, собраны по
трехфазной схеме выпрямления и питаются от сети переменного тока 220/380 в с
частотой 50 гц.
Выпрямители ВКАП-1 собираются из меднозакисных
выпрямительных элементов размерами 80x300 мм, выпрямители ВСАП-2 — из
селеновых выпрямительных элементов.
Регулирование величины выпрямленного тока и напряжения
также осуществляется ступенчатым коммутатором.
Для улучшения вентиляции оба выпрямителя имеют в нижней
части шкафа вентилятор, который включается в работу одно- временно с
включением питания.
Конструктивно они выполнены одинаково. Верхняя крышка
каркаса имеет сетку для улучшения вентиляции.
В связи стем, что выпрямители этих типов имеют большой
вес, каркасы их снабжены катками 10 для удобства передвижения и установки.
Силовой трансформатор размещен в верхней части каркаса за
панелью приборов. Выпрямительные блоки установлены под панелью приборов. С
правой стороны в верхней части каркаса установлен магнитный пускатель 7,
доступ к которому имеется через крышку; в нижней части каркаса с этой же
стороны расположена панель нагрузки с зажимами, обозначенными знаками (+) и
(—), а также с предохранителями 8, закрытыми крышкой.
Включение и выключение выпрямителя производится кнопками
11 «Включено» — «Выключено». Одновременно с нажатием кнопки «Включено»
включается сигнальная лампочка 3 и вентилятор. Нижняя часть каркаса имеет
дверцы 9, снабженные, во избежание несчастных случаев, замком.
ВКД-200, предназначенных для зарядки щелочных
аккумуляторных батарей для электрокаров.
В схеме выпрямителя предусмотрена электрическая
блокировка, исключающая неправильное включение батареи на зарядку. Если
батарея включена неправильно, то через обмотку реле Рг ток проходить не
будет. Вследствие этого его контакт Рг, находящийся в цепи обмотки магнитного
пускателя К2, будет разомкнут. Так как н. о. контакт этого магнитного
пускателя находится в цепи кнопки «Пуск», то нажатие этой кнопки не приведет
к запуску агрегата.
Для обеспечения нормальной работы агрегат снабжен
вентилятором с двигателем Д и реле протока воздуха РВ. Если вентиляция
недостаточная, то н. о. контакт этого реле, находящийся в цепи обмотки
магнитного пускателя Къ будет разомкнут, что также запретит пуск агрегата.
Агрегат снабжен автоматической стабилизацией величины
выпрямленного тока.
Устройство автоматической стабилизации работает следующим
образом.
Дроссель насыщения ДН кроме обмотки /, включенной в цепь
выпрямленного тока, снабжен короткозамкнутой обмоткой //, обмоткой III,
находящейся в цепи обмотки магнитного усилителя МУ wd и обмоткой IV, питаемой
от источника тока (фаза—нуль). Величина тока в обмотке IV, а следовательно, и
напряжение на выходе выпрямителя, состоящего из 4 диодов (2Д—5Д) типа Д7Ж,
будет пропорциональна величине тока в короткозамкнутой обмотке II дросселя
ДН, а также и величине полного сопротивления обмотки wd магнитного усилителя
МУ.
Заметим, что величина тока в обмотке IV будет также
пропорциональна и величине выпрямленного тока, так как при изменении величины
тока в обмотке / дросселя ДН будет изменяться величина намагничивания
сердечника, а следовательно, и величина полного сопротивления обмотки IV.
В схеме агрегата имеется трехкаскадный усилитель на
транзисторах 1ГТ—ЗГТ, собранный посхемес общим эмиттером. На вход этого
усилителя подается напряжение с выхода выпрямителя 2Д—5Д. Выход усилителя
питает обмотку управления магнитного усилителя МУ. Кроме обмоток wy и wd
магнитный усилитель имеет еще обмотку смещения wCM, служащую для выбора
рабочей точки.
Транзисторный усилитель питается стабилизированным
напряжением от выпрямителя БВ2. Напряжение стабилизируется стабилитроном
Д810.
Таким образом, при изменении величины тока в цепи
заряжаемой батареи изменится величина намагничивания сердечника дросселя ДН.
Это приводит к изменению величины тока в цепи обмотки IV этого дросселя,
изменению напряжения на входе транзисторного усилителя и изменению напряжения
на его выходе. Вследствие этого изменится величина потока намагничивания,
создаваемого обмоткой wy магнитного усилителя МУ, что приводит к изменению
полного сопротивления обмотки wd усилителя, а это вызовет изменение тока в
обмотке///дросселя насыщения ДН, а следовательно, и величины тока в обмотке
IV дросселя. Последнее обстоятельство вызовет изменение напряжения на входе
транзисторного усилителя.
Таким образом, описанный зарядный агрегат является
наиболее совершенным из существующих.
|