автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка и обоснование параметров вентильно-конденсаторного преобразователя для регенерации стартерных аккумуляторов сельскохозяйственной техники

005010235

Струков Алексей Николаевич

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕНТИЛЬНО-КОНДЕНСАТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ СТАРТЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность: 05.20.02. - Элекхротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ОЕЗ 2012

Москва 2012

005010235

Работа выполнена на кафедре “Информационные и электротехнические системы и технологии” ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

заслуженный работник Высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Шичков Леонид Петрович

доктор технических наук, профессор Герасенков Александр Александрович;

доктор технических наук Иванов Юрий Григорьевич

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства

Защита состоится/^’ 2012 г. в часов на заседании специа-

лизированного совета Д 220.056.03 Российского государственного аграрного заочного университета по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха 8, ул. Ю. Фучика, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГАЗУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, направлять по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха 8, ул. Ю. Фучика, д. 1, ученый совет.

Автореферат разослан 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., профессор

О.П. Мохова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Электрохимические аккумуляторы (АК) нашли широкое применение во всех бортовых системах мобильной сельскохозяйственной техники, оснащённой двигателями внутреннего сгорания (ДВС) в виде стартерных аккумуляторных батарей (АКБ), которые обеспечивают стартер-ный пуск ДВС и являются автономными источниками электрической энергии потребителей бортовой сети при неработающем двигателе. Особым технологическим требованиям, предъявляемым к стартерным АКБ, наиболее полно удовлетворяют свинцово-кислотные (СК) аккумуляторы. Вместе с генератором АКБ является основной системой электрообеспечения мобильного средства, отказ которой ведёт к полному простою соответствующей техники и значительному технологическому ущербу. Поэтому разработка и создание принципиально новых зарядных средств, используемых для продления срока службы стартерных СК аккумуляторов мобильной сельскохозяйственной техники путём эффективного регенеративного (восстановительного) заряда, является актуальной задачей не только по экономическим соображениям, а и по повышению экологической безопасности окружающей среды.

Объест исследования. Вентильно-конденсаторный (ВКГТ) преобразователь с дозированной передачей энергии (ДПЭ) для осуществления регенеративного заряда стартерных аккумуляторов мобильной сельскохозяйственной техники импульсным током.

Методы исследования. Базируются на элементах теории проектирования электрических цепей с применением современного программного обеспечения и компьютерной техники. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях.

Цель работы и задачи исследования. Разработка и обоснование параметров вентильно-конденсаторного преобразователя электроэнергии зарядной установки для регенерации стартерных аккумуляторов сельскохозяйственной техники импульсным током.

В связи с этим решаются следующие основные задачи:

1. На основании анализа технологий и средств заряда стартерных СК АКБ в службах сельского хозяйства обосновать возможность использования вентильно-конденсаторного преобразователя с дозированной передачей энергии в качестве зарядного устройства стартерных СК АКБ с возможностью электрической регенерации батарей.

2. Обосновать схемотехническое выполнение энергетических цепей вентильно-конденсаторного преобразователя с дозированной передачей энергии для регенеративного заряда стартерных СК АКБ.

3. Произвести анализ и расчёт параметров энергетической части зарядного преобразователя.

4. Разработать конструктивное выполнение энергетической части преобра-

5. Разработать математическую модель и обосновать параметры схемы замещения аккумулятора, как нагрузки с противо-ЭДС. при заряде им-

зователя

пульсным током.

п

з

6. На основании математической модели схемы замещения аккумулятора обосновать электротехнологию и требования к средству регенеративного заряда стартерных СК АКБ импульсным током.

7. Оценить тепловой режим силовых элементов преобразователя и аккумулятора при электрической регенерации импульсным током от вентильноконденсаторного преобразователя с дозированной передачей энергии.

8. Обосновать и осуществить выбор технических средств измерения и управления контролируемых параметров преобразователя.

9. Провести цикл экспериментальных исследований для апробации эффективных технологических режимов.

10. Дать технико-экономическую оценку эффективности разработанной электротехнологии регенеративного заряда аккумуляторов от вентильноконденсаторного преобразователя с дозированной передачей энергии. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Обоснована возможность использования вентильно-конденсаторного преобразователя с дозированной передачей энергии (ВКП с ДПЭ) в качестве зарядного средства стартерных СК АКБ импульсным током с возможностью электрической регенерации батарей.

2. Предложены схемотехнические решения ВКП с ДПЭ для регенеративного заряда стартерных АКБ импульсным током, защищённые патентами на изобретения.

3. Разработана методика расчёта и обоснованы параметры энергетической части ВКП с ДПЭ для восстановительного заряда стартерных АКБ импульсным током.

4. На основании схемы замещения АКБ разработана математическая модель процессов заряда и разряда ёмкости двойного электрического слоя (ДЭС) при заряде стартерных АКБ импульсным током от ВКП с ДПЭ.

5. Установлено, что ВКП с ДПЭ по отношению к аккумуляторной нагрузке обладает свойствами источника стабильного тока.

6. Предложена программная автоматизация процесса регенеративного заряда стартерных АКБ в режиме гальваностатического заряда.

7. Обоснована технология регенеративного заряда стартерной АКБ импульсным током от ВКП с ДПЭ в зависимости от исходного состояния батареи.

Практическая значимость работы. Спроектированы, созданы и проверены на практике опытные образцы ВКП с ДПЭ в качестве эффективного средства регенерации стартерных АКБ импульсным током, подтверждённое патентом РФ на изобретение № 2 415 505, опубликовано 27.03.2011, бюл.9. Технические решения и результаты, полученные в данной работе, позволяют развивать современные электротехнологии и проектировать средства восстановительного заряда стартерных АКБ на основе ВКП с ДПЭ.

Реализапия результатов исследования. Результаты исследования были использованы при проектировании, изготовлении и при лабораторных и производственных испытаниях опытных образцов ВКП с ДПЭ, для регенерации ут-

раченных стартерных АКБ импульсным током, внедрённые в учебный процесс дисциплины «Силовая преобразовательная техника» кафедры ЙЭСТ РГАЗУ и в производственный процесс сельскохозяйственного производственного кооператива «Кузьминский» Московской области, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными испытаниями и опытной эксплуатацией ВКП с ДПЭ в качестве средства регенерации стартерных АКБ импульсным током, а также сопоставлением расчётных и опытных данных.

Апробация работы. Основные результаты исследования рассматривались и получили одобрение на ежегодных научных и научно-практических конференциях, совещаниях и семинарах различных организаций, в том числе РГАЗУ (г. Балашиха), ВИЭСХ (г. Москва), МКТ-Групп (г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе в 2-х описаниях к патентам РФ на изобретения и в 3-х научных статьях в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и приложения; содержит 122 с. машинописного текста. Основной материал диссертации изложен на 116 с. машинописного текста, вспомогательный в виде приложения - на 6 страницах.

На защиту выносятся:

1. Обоснование возможности использования ВКП с ДПЭ в качестве бес-трансформаторного средства регенеративного заряда стартерных АКБ импульсным током.

2. Схемотехническое выполнение и обоснование параметров двухтактного ВКП с ДПЭ для регенеративного заряда стартерных АКБ сельскохозяйственной техники.

3. Электротехнология, параметры нагрузки и режимы регенерации стартерных АКБ импульсным током ВКП с ДПЭ.

4. Конструктивное выполнение ВКП с ДПЭ для регенерации стартерных АКБ сельскохозяйственной техники.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВР ГТРНИЕ содержит обоснование актуальности темы диссертации. Отмечено, что значительный вклад в исследования по разработке средств и электротехнологий эффективного заряда аккумуляторов внесли учёные: Бородин И.Ф., Бухаров А.И., Емельянов И.А., Здрок А.Г., Зорохович А.Е., Людин В.Б., Северный А.Э., Тюхтин К.И., Ходасевич А.Г., Фурсов А.П., Шичков Л.П. и другие. ^

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ «Состояние темы исследования, цель работы и решаемые задачи» проанализировано состояние вопроса. Рассмотрены стартер-ные АКБ сельскохозяйственной техники, их эксплуатационные характеристики и способы и средства их регенеративного (восстановительного) заряда. Уста-

новлено, что в период эксплуатации основными факторами преждевременного выхода стартерных СК АКБ из строя из-за «необратимой сульфатации» и повышенного саморазряда являются следующие основные причины:

• загрязнение электролита примесями при эксплуатации АКБ и при доливке в батарею;

• пониженный уровень электролита в батарее;

• повышенная или пониженная плотность электролита;

• перезаряд или недозаряд батареи при хранении, установке или обслуживании;

• повышенный или пониженный уровень напряжения в бортовой сети мобильного средства или на клеммах АКБ из-за неисправности электрических цепей или неправильной работы бортового электрооборудования;

• глубокие разряды батареи при частых и затяжных пусках ДВС;

• недопустимые механические воздействия на батарею;

• отсутствие должного контроля за состоянием батареи в процессе эксплуатации;

Поэтому всегда возникает задача возможности восстановления работоспособности стартерной АКБ, в частности, путём электрической регенерации импульсным током. При этом достигается регенерация и полное восстановление стартерной СК АКБ, с так называемой «необратимой сульфатацией» пластин аккумулятора и повышенным саморазрядом. В связи с этим, разработка надёжного и доступного в массовом использовании на предприятиях и в фермерских хозяйствах АПК зарядного устройства импульсного тока, реализующего эффективные режимы заряда и электрической регенерации стартерных СК АКБ, является актуальной задачей, решаемой данным исследованием.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ «Выполнение и параметры энергетической части вентильно-конденсаторного преобразователя с дозированной передачей энергии для регенерации стартерных аккумуляторов» дано обоснование схемотехнического выполнения бестрансформаторного средства восстановительного заряда стартерных АКБ импульсным током в виде вентильно-конденсаторного преобразователя с дозированной передачей энергии (ВКП с ДПЭ).

Практически все типовые зарядные средства, предназначенные для заряда и обслуживания стартерных СК АКБ напряжением 6-24 В в условиях централизованного электропитания от сети переменного тока 380/220 В частотой 50 Гц, содержат в энергетической части силовой понижающий трансформатор и типовой выпрямитель на полупроводниковых вентилях в виде силовых диодов и тиристоров. Исключить из состава зарядного средства стартерных АКБ относительно крупногабаритный и тяжёлый силовой согласующий трансформатор

и, соответственно, уменьшить массу и габариты возможно, если зарядную установку стартерных АКБ выполнить на основе ВКП с ДПЭ, рис.1. В этом случае отпадает необходимость принудительного формирования импульсного тока регенеративного заряда стартерной АКБ, так как это свойство присуще самому зарядному средству в виде ВКП с ДПЭ, рис.2. При этом исключается система

автоматической стабилизации тока заряда АКБ, так как такой преобразователь обладает свойствами источника тока. То есть, при изменении ЭДС и внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи значение тока её заряда остаётся практически неизменным.

Зарядное средство импульсного тока в виде ВКП с ДПЭ рис.1 содержит выходы для подключения нагрузки переменного тока (Выход 1~) и постоянного тока (Выход 2=). Это расширяет его функциональные возможности при восстановлении работоспособности стартерных АКБ. Например, при ншкой температуре электролита АКБ для его предварительного разогрева до рабочей температуры АКБ подключается к выходу переменного тока (Выход 1~). При повышенном саморазряде АКБ для устранения этой неисправности, путём разрушения замыкающих микромостиков сепараторов, АКБ так же может подключаться к выходу переменного тока. Выход переменного тока может быть использован и для устранения дефектов внешних соединений АКБ путём их контактной сварки на переменном токе для исключения электролиза на свариваемых соединениях. В остальных случаях для регенеративного заряда постоянным импульсным током АКБ подключается к выходу постоянного тока (Выход 2=). Если при работе используется нагрузка только одного выхода, то другой выход замыкается накоротко перемычкой.

Рис.1. Электрическая схема базового зарядного средства импульсного тока с двухтактным ВКП и выходами на переменном токе (Выход 1~) и на постоянном (Выход 2=) и с семью ступенями регулирования тока заряда АКБ.

Для регулирования тока нагрузки батарея дозирующих конденсаторов содержит три независимо коммутируемые секции С1 - СЗ, ёмкости которых находятся в соотношении 1:2:4. Это позволяет за счёт переключателей 81-83 устанавливать семь возможных значений тока нагрузки с одинаковой единичной дискретностью 1,2,3,...7.

Рис.2. Временные диаграммы работы базовой зарядной установки с двухтактным ВКП согласно схеме рис.1.

Преобразование электрической энергии переменного тока сети в постоянный ток заряда АКБ по схеме рис.1 осуществляется в два такта. Первый такт (такт заряда емкостного накопителя С) производится при приложении к аноду диода УО! положительных полупериодов сетевого напряжения питания Ш . При этом тиристор УБ1 закрыт из-за отсутствия напряжения управления на его управляющем электроде. Ток заряда емкостного накопителя С и заряда аккумуляторной батареи йВ протекает по цепи: диод УЛ1 - плюс ёмкости С - диод И02 - плюс АКБ - минус АКБ - диод ¥03 - минус ёмкости С, фис.2).

Второй такт преобразования (такт разряда емкостного накопителя С) осуществляется при приложении к диоду УО! отрицательных полуволн сетевого напряжения. В этом случае диоды УО! и ¥02 закрыты, а к управляющему электроду тиристора ЮТ приложено отпирающее напряжение от инвертирующего сетевое напряжение вспомогательного трансформатора ТУ1 системы фазового управления (СФУ). В результате этого, тиристор ЮТ открывается и накопительная ёмкость С разряжается током по цепи: плюс ёмкости С - тиристор ЮТ - плюс АКБ - минус АКБ - диод КОЗ - минус ёмкости С. Направления тока через заряжаемую АКБ йВ в обоих тактах совпадают (рис. 2) и обеспечивают заряд батареи постоянным импульсным током, который способствует её повышенной регенерации и заряду. Частота импульсов постоянного тока в рассматриваемом базовом варианте ВКП с ДПЭ остаётся постоянной и при частоте питающей сети 50 Гц составляет 100 Гц. Для повышения функциональности зарядного ВКП с ДПЭ путём введения возможности изменения частоты и скважности импульсов тока заряда АКБ система фазового управления (СФУ) на вспомогательном трансформаторе ТУ дополняется каскадом изменяемой временной задержки импульсов управления силовым тиристором ЮТ для второго такта преобразования. Это решение приведено в диссертации в виде двух дополнительных вариантов выполнения зарядного ВКП с ДПЭ по отношению к исходному базовому.

Для двухтактного ВКП с ДПЭ (рис.1), энергия заряда и разряда накопительного конденсатора за один период коммутации Тк «заряд-разряд» отдаётся

в аккумуляторную нагрузку дважды, следовательно, мощность Ра, отдаваемая в нагрузку за период Тк, удваивается и составит:

Р^^ = С'Ш"т~Вл)'-=С-Щ„-Ел)г-/1,, (1)

Тк Тк

где ип - напряжение питания преобразователя, В; ЕА - ЭДС аккумуляторной батареи; /к - частота коммутации циклов «заряд-разряд» накопительного конденсатора, Г ц.

Так как мощность электрической нагрузки АКБ в цепи постоянного тока определяется классической формулой РА- (ип - Еа) -1а, то действующее значение тока заряда аккумуляторной батареи от ВКП с ДПЭ с учётом выражения (2) определяется формулой:

1-=С'ШъВ‘1=с<и"-Е^- га

Из анализа временной диаграмм рис. 2 следует, что продолжительность полного заряда накопительной ёмкости преобразователя до максимально возможного значения напряжения, которое определяется амплитудным значением напряжения питания и„ = V2-11п , составляет четверть периода Г/4. Следовательно, максимальная ёмкость накопительного конденсатора из условия его полного заряда до амплитудного значения напряжения питания £/„ определится для частоты питания/= 50 Гц следующими соотношениями.

Т = 1 // ,

Т _ 1 (3)

3 " 4 " 4 •/ ’

Из условия полного заряда накопительного конденсатора за четыре постоянных времени tз = Фг, где г = Л'С постоянная времени переходного процесса заряда накопительного конденсатора (рис. 2), то максимально целесообразное значение тт из этого условия:

т =Ь- = _1_ = _!—= 0,00125 с (4)

и 4 16-/ 16-50

Соответственно, получаем зависимость максимального значения ёмкости накопительного конденсатора ВКП с ДПЭ из условия его полного заряда до амплитудного значения напряжения питающей сети:

г 1 0,00125 ^ „ 1250 . ...

С =-£- =--------=-------,Ф или С =-——,мкФ . (5)

т Я 16-/ -К Л я

Учитывая, что энергия запасаемая, а затем отдаваемая накопительным конденсатором в двухтактном преобразователе за каждый период Т сетевого напряжения осуществляется за время 2'(Т/4) (рис. 2), имеем соответственно и значения средней максимальной мощности Р„ (Вт), отдаваемой в нагрузку с учётом полного заряда-разряда накопительного конденсатора через нагрузку:

р =и££_.и)-«п ~еа)2_.= ъ11^_.(У2-с/д -еа)2. (б) т к 0.01 Я л> к }

Мощность цепи постоянного тока равна Р = {77. С учётом (6) имеем соответствующую формулу по определению максимального действующего значения тока 1т заряда АКБ из условия полного заряда-разряда накопительного конденсатора с учётом, что 11п » Ел:

(7)

Я -ип я Я

Из проведённого анализа следует, что максимально возможные значения тока и мощности рассмотренного двухтактного ВКП с низкочастотным питанием от сети переменного тока частотой 50 Гц определяются сопротивлением цепи нагрузки Я и предельной ёмкостью Ст накопительного конденсатора. Соответствующие зависимости этих величин приведены на рис. 3.

Связь между средним и действующим значениями тока определяется коэффициентом формы кривой тока Кф = I / Ы, где / -действующее значение тока, А; и — среднее значение тока, А. Поэтому количество электричества () в кулонах, полученное АКБ при заряде или отданное при разряде, определяется соотношением Q = №, где I—продолжительность заряда или разряда АКБ, с.

Коэффициент формы кривой тока может быть определён экспериментально путём деления показания амперметра электромагнитной системы измерения на показания амперметра магнитоэлектрической системы измерения, которые включены последовательно в цепь нагрузки. Расчётным путём коэффициент формы кривой тока Кф при отсутствии аналитической зависимости тока от времени достаточно точно (с погрешностью не превышающей 4%) определяется по формуле, предложенной доктором технических наук профессором Шичковым Л.П.:

Кф=К^-4ч, (8).

где Кфо - опорный коэффициент, равный 1 при постоянном токе без пульсаций, 1,11 — при форме кривой тока, приближающейся к синусоидальной и 1,16 - при форме кривой тока, приближающейся к треугольной; q = Т / (ц~ скважность импульсов тока, равная отношению периода следования импульсов тока Т к их длительности в периоде.

Таким образом, определение среднего значения тока Ы нагрузки преобразователя с ДПЭ по известному значеншо действующего тока I производится по соотношению:

, 1/"Та0’877 ■1(9)

К ф 1.14 • -у] у

где е = 1/ц = ^/Т- относительная продолжительность импульсов тока ti^ в периоде их следования Т.

Сопротивление нагрузки, Ом

а)

Я

ё

о

X

Э

о

2

Сопротивление цепи нагрузки, Ом б)

*

£

Сопротивление цепи на1рузки, Ом . в)

Рис. 3. Зависимости предельных значений накопительной ёмкости Сиш (а), мощности Ртах (б) и действующего значения тока 1т (в) ВКП от сопротивления цепи нагрузки.

Входное напряжение преобразователя изменяется по синусоидальному закону, поэтому для мгновенных значений напряжения и тока сети имеем:

«„ = U т ,sin( ® -О = V т 'sin

' (10)

с dt dt где Um - амплитудное значение напряжения на входе преобразователя, В; со = 2irf -круговая частота напряжения на входе преобразователя, рад/с; и - обобщённая переменная.

В первом такте преобразования происходит заряд накопительного конденсатора С от переменного напряжения питающей сети. Тогда среднее значение тока через нагрузку в виде АКБ:

(И)

•* о 1

где Uа - среднее значение изменения напряжения на накопительном конденсаторе при его заряде в первом такте преобразования, которое в первом такте преобразования при условии заряда накопительного конденсатора до амплитудного значения напряжения питания определяется выражением:

Ud,=(Ua-Ea)-Idl- (л/А + Д2), (12)

где t/m = ~Jl ■ Un - максимальное значение напряжения питания, В; Хс = 1/(соС)=1/(2xfC), R - соответственно значения сопротивлений накопительного конденсатора и активного сопротивление цепи нагрузки в первом такте преобразования, Ом.

С другой стороны значение Ud! из (11) равно:

-Г

----- , (13)

Решая совместно уравнения (12) и (13) относительно 1ц получим:

. ~J2-U„-Ea _

-------1 .....— ■ (14)

1 L 1 ч 2 . п2

I

'L '—У + я

С-/ Л/ 2л-Г-С Во втором такте преобразования происходит разряд накопительного конденсатора через нагрузку. С учетом полного разряда накопительного конденсатора во втором такте преобразования и отсутствия постоянной составляющей тока, то очевидно:

Л/2=Лл. (15)

С учётом соотношений (14) и (15) формула по расчёту среднего значения тока нагрузки в двух тактах преобразования приобретает вид:

, 2-(л/2 -ип-Еа) _

----1 , ..... • (16)

—+ (---------Ї---)2+Л2

С • f Т2

Во втором такте преобразования происходит разряд накопительного конденсатора через нагрузку (рис. 1). При этом полярность напряжения на Выходе.

2, к которому подключена АКБ, сохраняется, а на Выходе 1 меняется на противоположную полярность. С учетом полного разряда накопительного конденсатора во втором такте преобразования и отсутствия постоянной составляющей тока, то очевидно:

Iл = Iа\ • (17)

С учётом соотношений (17) и (16) формула по расчёту среднего значения тока нагрузки в двух тактах преобразования приобретает вид:

2-(У2-Цп-Е.)

/«=■

£

1

(18)

7У + я:

С-/ Х2я-/-С‘

На основании формулы (18) на рис. 4 приведены регулировочные характеристики ((С) для различных значений активного сопротивления К цепи нагрузки применительно к АКБ с номинальным напряжением 12 вольт и действующим напряжением питающей сети переменного тока 220 В. Переход от среднего значения тока 1^ нагрузки к действующему значению 1 осуществляется через коэффициент формы кривой тока (9), рис. 5.

Зависимость 1б=Г(С)

< '

8 1*1 (С)

Н •••• - '

I 1<15(С)

О

й -—?

я ї аю(С)

Ш

8

30

24

18

12

б

0

в= 1 Ом ■

И=5 0ї

*^=16 Ом/

110

-4 '*■4

2^10 3-ИГ*

Ёмкость, <Х>

4 -10 5-Ю

Рис.4. Зависимости среднего значения тока нагрузки преобразователя с ДПЭ от значений ёмкости накопительного конденсатора и активного сопротивления цепи нагрузки при \Jn~220 В и Ед=12 В.

■ Так как 17п » Ел> то влияние значения напряжения стартерной АКБ на регулировочные характеристики рис. 4 и рис. 5 практически отсутствует, что подтверждают характеристики рис. 36. Из анализа характеристик рис. 4 и рис. 5 следует, что изменение сопротивления нагрузки в достаточно широком диапазоне от 1 Ом до 10 Ом, то есть в 10 раз, не оказывает существенного влияния на ток. Поэтому на основании изложенного можно утверждать, что ВКП с ДПЭ является универсальным для . всех типов стартерных АКБ и является источником тока.

с

«г

I

I ХКС)

Ш

I и.

£ 11б(С) 20

I-------

& 10

50

40

30

а*

«)

»=1 Ои*

&=5..0ь

^=10 Ом/

0 1-10"4 2 10^ З-Ю"4 4-Ю"4

Ёмкость. Ф

5-10

Рис. 5. Зависимости действующего значения тока нагрузки преобразователя сДПЭ от значения ёмкости накопительного конденсатора и активного сопротивления цепи нагрузки при 1!п=220 В и Ед-12 В.

В работе показано, что при естественном воздушном охлаждении силовых вентилей преобразователя их нагрузочная способность снижается с увеличением скважности импульсов тока нагрузки, рис.6.

ы £оо==£с/2н & 0.5

^ 10 20 30 40 50

Скважностьимпульсов

Рис. 6. Нагрузочная способность полупроводниковых вентилей ВКП с ДПЭ по току в зависимости от скважности генерируемых импульсов тока при естественном воздушном охлаждении.

Требуемая теплоотдающую поверхность Р накопительного конденсатора должна соответствовать условию: .

= , (19) «•(©кн -©о)

где а — удельная теплоотдача в окружающую среду, которая при естественной конвективной теплоотдаче со скоростью естественного конвективного движения воздуха на уровне 1 м/с равна а = 9,6 Вт/(м2-град); /*’- требуемая теплоотдающая поверхность конденсатора, м2; - фактическая теплоотдающая по-

верхность конденсатора, м2; 0КН и ©о - соответственно допускаемая (норма-

тивная) температура корпуса конденсатора и температура воздуха окружающей среды, град.

Если условие (19) не выполняется, конденсатор следует заменить или оснастить соответствующим охладителем.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ «Электротехнология регенерации стартерных аккумуляторов с использованием импульсного тока» для импульсного режима заряда дано обоснование схемы замещения АКБ, представленной на рис.7, и определены параметры и режимы регенерации АКБ импульсным током.

Из анализа схемы замещения АКБ рис.7 следует, что продолжительности заряда и разряда ёмкости двойного электрического слоя (ДЭС) Сдс зависит от параметров исходного состояния АКБ. В частности, продолжительность заряда ёмкости ДЭС будет определяться постоянной времени заряда тз, а длительность разряда ёмкости ДЭС после отключения зарядного напряжения зависит от постоянной времени уже цепи разряда ёмкости ДЭС тР.

Рис. 7. Схема замещения аккумуляторной нагрузки при регенерирующем заряде импульсным током низкой и тфранизкой частоты: Яэ - сопротивление электролита и цепи питания; Яп - активное сопротивление поляризации;

Сдс -суммарная ёмкость двойного электрического слоя (ДЭС).

Для установления указанной зависимости на основании расчётной схемы замещения рис.7 при включении АКБ на заряд согласно второму закону Кирхгофа имеем следующее соотношение между напряжениями замкнутого контура электрической цепи:

ил-Еа=1а-К3 + 1„-Яп, (20)

где и а и Еа - соответственно, действующее значение напряжения заряда и ЭДС АКБ, 1а = гс + , а = ип/Я„.

На основании (20) далее имеем:

иа-Еа=0с + 1п)-Я3 + ип. (21)

• _ п ^и„

Учитывая, что К ~ Чд ‘ , получаем дифференциальное уравнение

относительно переменной и„:

и-Е=С

д

п

А

1л

Я.

(22)

На основании решения уравнения (22) для режимов включения и отключения аккумуляторной нагрузки из условия полного разряда ёмкости ДЭС и сопоставив продолжительности разряда и заряда ёмкости ДЭС в виде отношения их постоянных времени, имеем:

(*П ' С

дс

(Дэ • СдС

)•(! + —)

Я.

(23)

То есть, продолжительность разряда ёмкости ДЭС //> ~ 4-т? должна быть больше продолжительности её заряда & 4-т3 в соотношении (23). На основании этого в работе предложены в дополнение к базовой системе фазового управления (СФУ) преобразователем (рис.1) варианты СФУ для широтночастотного и широтного регулирования импульсов тока заряда АКБ. При этом, исходя из равенства тепловых потерь в АКБ при типовом 10-часовом гальвано-статическом режиме заряда батареи, установлены зависимости изменения действующего и среднего значений тока от скважности регенерирующих импульсов, рис. 8.

Рис. 8. Зависимости относительного изменения действующего 1/1ю и среднего 1л/1ю значений импульсного тока заряда АКБ в зависимости от скважности регенерирующих импульсов.

В ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ «Система контроля и управления вентильноконденсаторным преобразователем и его выполнение» произведён выбор технических средств контроля и управления ВКП с ДПЭ в системе регенерации АКБ импульсным током и предложены соответствующие конструктивные варианты выполнения зарядного средства на основе ВКП с ДПЭ.

Рис.9. Функционально-технологическая схема автоматизированного ВКП сДПЭ в системе регенеративного заряда стартерной АКБ.

На рис. 9 представлена функциональная схема автоматизированной системы заряда стартерных АКБ на основе ВКП с ДПЭ. Информационную часть зарядного преобразователя представляют приборы контроля среднего РА1 и действующего РА2 значений тока заряда АКБ и напряжения РУ на АКБ, а также сигнальные и информационные средства входящих управляющих устройств: СФУ, программируемых микропроцессорных реле температуры РТ (2ТРМ1) и времени РВ (УТ24) фирмы «Овен». По показаниям амперметров РА1 магнитоэлектрической системы измерений и РА2 электромагнитной системы измерений определяют соответственно среднее 1^ и действующее I значения тока заряда АКБ, а по их отношению рассчитывается коэффициент формы кривой тока нагрузки Кф! —I /!& Система фазового управления (СФУ) в зависимости от назначения может быть выполнена с постоянной частотой и скважностью импульсов тока заряда АКБ, с широтно-частотным регулированием или только с широтным. Во всех возможных вариантах выполнения базовое регулирование зарядного тока АКБ осуществляется изменением ёмкости накопительной конденсаторной батареи КБ.

ПЯТАЯ ГЛАВА «Оценка вентильно-конденсаторного преобразователя с дозированной передачей энергии в электротехнологии регенерации стартерных аккумуляторов» посвящена результатам лабораторных и производственных испытаний опытных образцов зарядных ВКП с ДПЭ и технико-экономической оценке разработки. Перспективным направлением совершенствования электротехнологии заряда и регенерации АКБ является использование постоянного импульсного тока. Широкое применение данной электротехнологии сдерживалось отсутствием доступных средств заряда АКБ, реализующих их заряд постоянным импульсным током изменяемой скважности и значения. Использование ВКП с ДПЭ в качестве зарядного средства АКБ данная электротехнология становится доступной для массового применения. Прежде всего, за счёт свойства ВКП с ДПЭ, как источника тока и его импульсного функционирования. Осо-

бенно это перспективно для регенеративного заряда стартерных АКБ, которые обладают повышенной токовой перегрузкой и наиболее эффективно заряжаются относительно малыми токами.

При испытаниях основным объективным способом определения ёмкости заряженной стартерной АКБ в А-ч являлась величина, равная произведению постоянного тока разряда (А) на время (ч) при 20-часовом режиме разряда до конечного напряжения 1.65 В, приходящегося на каждый аккумулятор батареи. Разряд стартерной АКБ производился на искусственную резистивную нагрузку в виде регулировочного реостата. Несмотря на трудоёмкость данного способа из-за длительности процесса разряда АКБ, он является наиболее объективным. Повышенная эффективность восстановления стартерных СК АКБ импульсным током ВКП с ДПЭ помимо доступности преобразователя в изготовлении обусловлена следующими причинами. Это, прежде всего, свойство самого ВКП с ДПЭ как источника стабильного импульсного тока, что позволяет реализовать наиболее эффективный, с точки зрения восстановления работоспособности батареи, её гальваностатический заряд без использования дополнительных технических средств стабилизации тока заряда батареи. Кроме этого, необходимо отметить высокую эффективность самого импульсного тока для регенерации аккумуляторов, которая доказана многочисленными исследованиями. Поляризационное сопротивление ДЭС существенно снижается при заряде АКБ импульсным током за счёт регенерации приэлектродного слоя в момент бестоко-вой паузы и возникновения микрокавитационных явлений при подаче импульса тока. Проведённые испытания показали, что наиболее эффективно регенерация стартерных АКБ достигается при использовании импульсного тока в режиме 10-часового гальваностатического заряда, который практически исключает перегрев АКБ при заряде и обеспечивает эффективное разрушение межэлектрод-ных микроперемычек сепараторов за счёт высокой плотности тока импульса. На основании акта-внедрения выполненной разработки в сельскохозяйственном производственном кооперативе «Кузьминский» Сергиево-Посадского района Московской области количество восстановленных импульсным током стартерных СК АКБ из числа утраченных составило 6 единиц. Это при продлении срока службы этих батарей всего на один год даёт дополнительную прибыль в размере 6 х 1750 = 10500 руб./год. Соответственно срок окупаемости Тх зарядного ВКП с ДПЭ составит в этом случае при принятых действующих ценах Тх = 5000/10500 и 0,5 года. Это существенно меньше нормативного срока окупаемости, что подтверждает высокую экономическую эффективность выполненной разработки.

Общие выводы

1. Выполнен анализ средств и технологий регенеративного заряда и заряда-разряда стартерных АКБ в службах сельского хозяйства. Преимущественное использование получили стационарные средства регенеративного заряда стартерных АКБ постоянным током с согласующим силовым трансфор-

матором и соответствующим выпрямителем, которые имеют низкую эффективность регенерации АКБ и значительные массогабаритные показатели.

2. На основе анализа существующих зарядных средств стартерных АКБ и элекгротехнологий их регенеративного заряда для реализации прогрессивной электротехнологии регенерации АКБ импульсным током разработано зарядное средство без силового согласующего трансформатора в виде ВКП с ДПЭ, новизна и полезность которого защищена патентами на изобретение. Установлено, что зарядный ВКП с ДПЭ обладает свойствами источника тока и не требует специальных средств стабилизации тока заряда АКБ. При условии полного заряда накопительной ёмкости в течение четверти периода сетевого напряжения 220 В частотой 50 Гц, то изменение сопротивления цепи нагрузки от 1 до 10 Ом и напряжении АКБ от 6 до 24 В вызывают нестабильность тока заряда АКБ, не превышающую 10% от заданного значения.

3. На протекание электрохимических процессов в аккумуляторе существенное влияние оказывают поляризационные явления в ДЭС, которые по природе их возникновения обуславливаются запорными слоями адсорбционным и диффузионным. Поляризационное сопротивление указанных слоев существенно понижается при заряде АКБ импульсным током за счёт их регенерации за счёт бестоковой паузы и возникновения микрокавитационных явлений при подаче импульса тока, что ведёт к более эффективной десульфата-ции аккумулятора и прожигу микроперемычек через изолирующие сепараторы.

4. На основании разработанной схемы замещения аккумуляторной нагрузки при заряде импульсным током получены расчётные соотношения по определению параметров аккумуляторной нагрузки и в зависимости от состояния стартерной АКБ установлены рациональные продолжительности вклю-

. чения = 0,01 ...0,02 с и отключения г0 = 0,5...1 с тока заряда АКБ и диапазон инфранизких частот коммутаций ВКП с ДПЭ, составляющий /к — 1.. .2 Гц.

5. Проведён анализ теплового режима стартерной АКБ при регенеративном заряде импульсным током изменяемой скважности по сравнению с типовым гальваностатическим зарядом на постоянном токе в режиме 10-часового заряда.

6. Разработаны схемотехнические решения и дана методика расчёта параметров элементов энергетических цепей зарядного средства на основе ВКП с ДПЭ. Приведены схемные и конструктивные решения основных блоков.

7. Использование при разработке ВКП с ДПЭ и его выполнении блочномодульного построения с использованием современной унифицированной комплектации позволило обеспечить его высокую надёжность и широкую функциональность за счёт возможной программной автоматизации.

8. В результате испытаний установлена высокая эффективность регенеративного заряда АКБ импульсным током. За один цикл регенерации ёмкость стартерной АКБ в среднем возрастает на 45% по сравнению с исходной ём-

костью, а после второго цикла регенерации, как правило, АКБ, не восстанавливаемая до этого на постоянном токе, становится пригодной к дальнейшей эксплуатации.

9. Экономический эффект, подтверждённый производством при использования разработанного ВКП с ДПЭ для регенерации стартерных АКБ импульсным током, в расчёте на одно зарядное средство составляет 22000 руб./год, которое в среднем стоит 5000 руб. и при среднем восстановлении 6-ти стартерных АКБ окупается примерно через полгода.

Публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ

1. Шичков Л.П., Тюхтин К.И., Струков А.Н. Выпрямитель для регенеративного заряда аккумуляторов // Мех. и эл. с.х. №7, с. 25-27,2009.

2. Шичков Л.П., Тюхтин К.И., Струков А.Н. Восстановление ёмкости аккумуляторных батарей импульсным током обратной полярности // Мех. и эл. с.х. №4, с.24-26,2010.

3. Патент РФ на изобретение 2 415 505 «Преобразователь с дозированной передачей энергии и питанием от сети переменного тока» // Шичков Л.П., Струков А.Н., опубликовано 27.03.2011, бюл.9.

4. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение «Преобразователь с импульсной передачей энергии и питанием от сети переменного тока» II Шичков Л.П., Людин В.Б., Мохова О.П., Струков А.Н., №2011134983/07(0517850 От 19.10.2011.

5. Шичков Л.П., Мохова О.П., Струков А.Н., Гулько О.Д. Источник тока для специальных технологий // Вестник Курской ГСХА., 2012 (в печати).

Публикации в других изданиях

6. Струков АЛ. Компьютерное моделирование преобразователя с дозированной передачей энергии // Юбилейный сборник «Вестник РГАЗУ», №8(13). С.111-113, 2010.

7. Шичков Л.П., Гулько О.Д., Струков А.Н. Программная автоматизация установок электронагрева // Электронный сборник «Вестник РГАЗУ»,чЛ, №421000045/0036,2010.

8. Шичков Л.П., Струков А.Н. Проблемы моделирования преобразователей в АПК // Актуальные вопросы развития аграрного образования и науки: Материал международной науч.-практ.конф.Ч.1. М.: РГАЗУ, 2010. С.240-242.

Подписано в печать 19.01.2012 г.

Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 1,0 п.л. Заказ 2 5 Тираж 100 экз.

Издательство ФГБОУ ВПО РГАЗУ 143900, Балашиха 8 Московской области

61 12-5/1207

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Российский государственный аграрный заочный университет»

(ФГБОУ ВПО РГАЗУ)

На правах рукописи

Струков Алексей Николаевич

УДК 631.371:621.314

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕНТИЛЬНО-КОНДЕНСАТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ СТАРТЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ

ТЕХНИКИ

Специальность:

05.20.02. - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный работник Высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Шичков Леонид Петрович

Москва - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

с

ВВЕДЕНИЕ....................................................................

1 СОСТОЯНИЕ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ЦЕЛЬ РАБОТЫ И РЕ.. 8

ШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ...............................................................

1.1. Стартерные аккумуляторы электрической энергии сельскохозяйственной техники и их эксплуатационные свойства.............................. 8

1 2 Способы и средства электрической регенерации аккумуляторов и их

......... 16

сравнительная оценка........................................................

24

1.3. Выводы, цель и задачи исследования........................................

2. ВЫПОЛНЕНИЕ И ПАРАМЕТРЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ВЕНТИЛЬНО-КОНДЕНСАТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ДОЗИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ СТАР-

ТЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ.................................................... 27

2.1. Обоснование схемотехнического выполнения энергетических цепей

27

преобразователя........................................................................

2.2. Анализ и расчёт параметров энергетической части преобразовате-

.......... 39

ля...............................................................................

2.3. Обоснование параметров и выбор элементов энергетической части

преобразователя........................................................................ ^

2.4. Выводы.............................................................................. ^

3. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ РЕГЕНЕРАЦИИ СТАРТЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА.......... 59

3.1. Схема замещения и нагрузочные параметры аккумулятора при им-

.............. 59

пульсном заряде..........................................................

3.2. Параметры и режимы электрической регенерации стартерных акку-

..... 64

муляторов импульсным током................................................

3.3. Электротехнология регенерации стартерных аккумуляторов им-

........... 70

пульсным током.......................................................... •

........................ 78

3.4. Выводы........................................................... ттттттт^

4 СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-

КОНдаНСАТОРНЫМПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМИЕГОВЫПОЛНЕНИЕ 80

4.1. Выбор технических средств системы контроля и управления.......... 80

4.2. Автоматизация управления преобразователем при заряде АКБ........ 90

4.3. Конструктивное выполнение преобразователя............................ ^

4.4. Выводы.......................................................................

5. ОЦЕНКА ВЕНТИЛЬНО-КОНДЕНСАТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ДОЗИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ РЕГЕНЕРАЦИИ СТАРТЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ 95 5 1 Лабораторные и производственные испытания вентилыю-

............ 95

конденсаторного преобразователя....................................

5.2. Оценка электротехнологии регенерации стартерных аккумуляторов

импульсным током вентильно-конденсаторного преобразователя.......... 99

101

5 3 Технико-экономическая оценка разработки................................

........ 103

5.4. Выводы............................................................

........ 104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................

. 108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................

........ 117

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АК - аккумулятор,

АКБ - аккумуляторная батарея,

АПК - агропромышленный комплекс,

ВКП - вентильно-конденсаторный преобразователь,

ДВС - двигать внутреннего сгорания,

ДПЭ - дозированная передача энергии,

ДЭС - двойной электрический слой,

КТЦ - контрольно-тренировочный цикл,

НК - никель-кадмиевый тип аккумулятора,

НЖ - никель-железный тип аккумулятора,

НРЦ- напряжение разомкнутой цепи,

ПИП - первичный измерительный преобразователь (датчик),

СК - свинцово-кислотный тип аккумулятора,

СПК - силовой преобразовательный ключ,

СИФУ - система импульсно-фазового управления,

ФСУ - фазосмещающее устройство,

ЭДС - электродвижущая сила.

ВВЕДЕНИЕ

Мобильные транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) в виде различных автомобилей, тракторов, комбайнов и другой мобильной сельскохозяйственной техники имеют в составе бортового электрооборудования соответствующие стартерные аккумуляторные батареи (АКБ) для обеспечения стартерного пуска ДВС и резервного энергообеспечения потребителей бортовой сети при неработающем ДВС. В ряде случаев АКБ выполняет функции основной энергосиловой установки нагруженной на соответствующую нагрузку. Вместе с генератором АКБ является основной системой электрообеспечения мобильного средства, отказ которой ведёт к полному простою соответствующего мобильного средства и значительному технологическому ущербу. АКБ агрегатируются из отдельных аккумуляторов (АК) для получения требуемых напряжений и токов. Особым технологическим требованиям, предъявляемым к стартерным АКБ, наиболее полно удовлетворяют свинцово-кислотные (СК) аккумуляторы, которыми и оснащаются бортовые системы электропитания мобильных средств с ДВС, используемые в агропромышленном комплексе (АПК). Ёмкости стартерных АКБ, используемых в составе бортовых систем электропитания автомобильного, тракторного и комбайнового электрооборудования, находятся в диапазоне от 45 до 240 А-ч при напряжениях от 6 до 24 В. При этом стартерные токи достигают значений от 100 А до 1000 А. Прежде всего, основными достоинствами СК АКБ для бортовых систем мобильных средств с ДВС являются:

• высокое значение ЭДС отдельного аккумулятора;

• низкое внутреннее сопротивление и, соответственно, повышенные токи нагрузки;

• высокие значения коэффициента отдачи по ёмкости и коэффициента полезного действия (КПД);

• повышенная удельная энергоёмкость и невысокая удельная стоимость одного ватт-часа стартерного свинцово-кислотного (СК) ак-

кумулятора, которая в зависимости от исполнения АКБ составляет на настоящий период (3... 5) руб./(Вт-ч).

В таблице В.1 представлены показатели СК аккумулятора в сравнении с

НК и НЖ аккумуляторами.

Таблица В.1

Основные показатели химических аккумуляторов, используемых в составе бортового электрооборудования мобильной сельскохозяйственной техники

Показатель СК НК НЖ

ЭДС заряженного аккумулятора, В 2,1—2,15 йб 1.4

Среднее напряжение при разряде, В 2.0 1,2 1,2

Напряжение буферного режима, В 2,15 1,45 1,6

Напряжение начала заряда, В 2,1 1,35 1,5

Напряжение конца заряда, В 2.7 1,8 1,85

Внутреннее сопротивление, Ом 0,2 / (}н 0,3 / Он 0,45 /(^н

Коэффициент отдачи по емкости 0,85 0,66 0,66

Энергетический КПД 0,75 0,55 0,5

Удельная емкость. (А-ч)/кг 15-37 13—33 13—24

Удельная энергия, (Вт-ч)/кг 15—47 15—55 15—50

Продолжительность типового заряда, ч 10—20 6-7 6—7

Продолжительность типового разряда, ч 10—20 8 8

Ток типового заряда, А (5н/10 (2н/4 Он/4

Ток типового разряда, А (^н /(10-20) (2н/8 <Зн/8

Срок службы, циклы "ЗАРЯД - РАЗРЯД" 250- 1500 1000-2000 1000-2000

Саморазряд за месяц при 20°С, % 15—20 15—20 40—60

Относительная стоимость 1 Вт-ч энергии 1 6—8 2

Процессы, происходящие в химических аккумуляторах, взаимно обратимы. Так активные вещества электродов после цикла "ЗАРЯД - РАЗРЯД" должны иметь в идеале тот же состав и тоже количество, что и до начала цикла. Для

обеспечения этих требований необходимо строго соблюдать определённые режимы заряда и разряда аккумуляторов, несоблюдение которых ведёт к преждевременному выходу аккумулятора из строя, а, с учётом широчайшего использования химических аккумуляторов, в целом - к значительным ущербам. Поэтому продление срока службы аккумуляторов мобильных сельскохозяйственных машин путём эффективного регенеративного заряда, является актуальной задачей не только по экономическим соображениям, а и по повышению экологической безопасности окружающей среды.

Значительный вклад в исследования по разработке средств и электротехнологий регенеративного заряда аккумуляторов внесли учёные: Бородин И.Ф., Бухаров А.И., Емельянов И.А., Здрок А.Г., Зорохович А.Е., Людин В.Б., Северный А.Э., Тюхтин К.И., Ходасевич А.Г, Фурсов А.П., Шичков Л.П. и другие. Вместе с тем, несмотря на достигнутые результаты по новым электротехнологиям регенерации химических аккумуляторов, остаётся масса проблем, связанных с раскрытием и теоретическом обоснованием процессов, происходящих при их заряде и разряде. Существующие электротехнологии заряда и электрической регенерации аккумуляторов наряду с преимуществами по сравнению с другими способами имеют и свойственные им недостатки, ограничивающие их применимость. Поэтому основная задача рассматриваемого исследования состояла в разработке и обосновании параметров полупроводникового вентиль-но-конденсаторного преобразователя (ВКП) с дозированной передачей энергии (ДПЭ) для эффективной регенерации стартерных СК АКБ мобильной сельскохозяйственной техники с учётом особенностей стартерных СК АКБ.

1. СОСТОЯНИЕ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ЦЕЛЬ РАБОТЫ И

РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ

1.1. Стартерные аккумуляторы электрической энергии сельскохозяйственной техники и их эксплуатационные свойства

Стартерные АКБ, используемые в настоящее время в составе электрооборудования мобильной сельскохозяйственной техники с ДВС по причине особенностей их работы, являются свинцово-кислотными /4,11,23,93-95/. В основу их функционирования заложен известный с 1858 года принцип двойной сульфатации, который описывается классической формулой /18,27,78/:

разряд

РЪ + РЬО + H2SO* PbSO* + Н2О (U)

! заряд

электролит сульфат стшца

положите.пышн пластина вода

отрицательная пластина ' ' '

Как следует из формулы (1.1), при разряде батареи (стрелка вправо) происходит взаимодействие активной массы положительных и отрицательных пластин с электролитом (серной кислотой), в результате чего образуется сульфат свинца, осаждающийся на поверхности отрицательно заряженной пластины и вода. В итоге плотность электролита понижается. При заряде батареи от внешнего источника происходят обратные электрохимические процессы (стрелка влево), что приводит к восстановлению на отрицательных электродах чистого свинца и на положительных - диоксида свинца. При этом плотность электролита повышается. Таким образом, косвенно степень заря-женности или разряженности АКБ можно контролировать по плотности электролита /62,91-95/. Чем ниже плотность электролита, тем сильнее АКБ разряжена. Плотность электролита полностью заряженной СК АКБ составляет 1.27- 1.28 г/см3.. Уменьшение плотности на 0.01 г/см3 по сравнению с номинальным значением 1.27- 1.28 г/см3 означает, что батарея разрядилась примерно на 6 - 8%. Глубокий разряд СК АКБ до плотности электролита серной кислоты 1.12 - 1.15 г/см3 приводит к началу процесса, так называемой «необратимой сульфатации» свинцовых пластин /61,62,91,92/. Пластины постепенно покрываются белым налетом, который постепенно кристаллизует-

ся, после чего работоспособность батареи практически невозможно восстановить традиционными способами в виде контрольно-тренировочного цикла (КТЦ) на постоянном токе, и она подлежит утилизации. В частности, указанное явление нарушения работоспособности СК АКБ по причине «необратимой сульфатации» имеет место при длительном хранении или бездействии СК батарей из-за их саморазряда и отсутствии периодического дозаряда. Это имеет место, например, при сезонном хранении сельскохозяйственной техники /57,62,63/. Поэтому необходимо постоянно следить за состоянием стар-терных батарей, периодически замерять плотность электролита и при необходимости дозаряжать. Особенно актуально это в зимний период, когда при отрицательных температурах ёмкость АКБ существенно понижается и её глубокая разрядка может привести не только к сульфатации пластин, а к замерзанию электролита в батареи и её полному выходу из строя. Так, при плотности электролита 1.20 г/см3, температура его замерзания составляет уже около -20°С. На рис. 1.1 представлены характерные зависимости снижения плотности электролита (рис. 1.1 а) и напряжения (рис.1.1 б) исправной и полностью заряженной СК АКБ с шестью последовательно соединёнными аккумуляторами от продолжительности её хранения.

Плотность, г/см3

1,28

2 4 6 8 Ю Продолжительность хранения,

месяцы

Рис. 1.1а. Снижение плотности электролита СК АКБ при саморазряде.

12,8 12,6 12,4 12,2 12,0

Рис. 1.16. Снижение напряжения СК АКБ при саморазряде.

Стартерные СК АКБ, поставленные на хранение после эксплуатации, имеют повышенные токи саморазряда по сравнению с новыми батареями из-за загрязнения электролита и возникновения микроперемычек между разно-полярными пластинами через изоляционные сепараторы и в силу ряда других причин, что ведёт их к ускоренному саморазряду /57,62,63,91/.

Таблица 1.1

Состояния заряженности СК АКБ в зависимости от плотности

электролита

Степень заряда СК АКБ 1 ————— -............. ■ "■ п ..... Плотность электролита, г/см

100% 1,28 - норма

75% 1,24 - предельно допустимое значение зимой

50% 1,20 - предельно допустимое значение летом

20% 1,16 - не допустимое значение

При отсутствии периодической дозарядки АКБ в период хранения или простоя мобильного средства формируется «необратимая сульфатация» пластин, которая не устраняется традиционными методами заряда АКБ и приводит к ускоренному выходу батареи из строя. Впрочем, зачастую периодической подзарядки требуют и находящиеся в эксплуатации батареи, особенно при относительно частых пусках ДВС мобильных средств и эксплуатируе-

Напряжение, В

г -р 1

1

Продолжительность хранения, месяцы

мых в зимний период. В таблицах 1.1 и 1.2 приведены значения состояния заряженности СК АКБ в зависимости от плотности электролита и напряжения разомкнутой цепи для 12-ти вольтовой батареи. Естественно, что хранение СК АКБ в разряженном состоянии при плотности электролита менее 1,20 г/см3 недопустимо /57,62,63,91,95/.

Таблица 1.2

Состояния заряженности 12-ти вольтового СК АКБ в зависимости от напря-

жения разомкнутой цепи при различных температурах электролита

Степень заряда СК АКБ Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) при различных температурах, В

+20...+25 С0 +5...-5 С0 -10...+10 С0

100% 12,70-12,90 12,80-13,00 12,90-13,10

75% 12,55-12,65 12,55-12,75 12,65-12,85

Опасная зона

50% 12,20-12,30 12,30-12,40 12,40-12,50

25% 11,95-12,10 12,10-12,20 12,20-12,30

0% 11,60-11,80 11,70-11,90 11,80-12,00

На сегодняшний день стартерные СК АКБ выпускаются трех подвидов /95/: кальциевые, гибридные и малосурьмянистые батареи. Отличие их от обычных сурьмянистых, заключается в том, что эти виды меньше подвержены выкипанию электролита и саморазряду. Кальциевые батареи обладают мощными токовыми характеристиками, т.е. пусковые токи у них увеличены в 2—2,5 раза, эти аккумуляторы почти не выкипают, и саморазряд сведен к минимуму. Но они требовательны к качественной работе электрооборудования автомобиля, они же - самые дорогие. Малосурьмянистые батареи имеют не столь высокие токи, но они менее требовательны к работе электрооборудования. Гибридные АКБ занимают промежуточное положение, сочетая в себе преимущества обеих технологий: высокие пусковые токи, низкий расход воды — как у кальциевых батарей и выносливость — как у малосурьмянистых. Основными отечественными производителями стартерных СК АКБ являются Подольский аккумуляторный завод - ЗАО «ПАЗ», основанный в 1935 году, и Борский, расположенный в г.Бор Нижегородской области - компании TUBOR, которая образована в 1999 году и являющаяся партнёром известной

зарубежной фирмы TUDOR. Оба завода производят широчайшую номенклатуру стартерных СК АКБ, как обслуживаемых аккумуляторов, так и необслуживаемых, в том числе аккумуляторы TITAN, производимые по кальциевой технологии с легированием пластин серебром /94/. Но все типы стартерных СК АКБ сохраняют основные электрохимические реакции при заряде, разряде и бездействии. Значительно понизилась интенсивность разложения воды из электролита в газ при зарядно-разрядных процессах, но процессы «необратимой сульфитации», замыкание разнополярных пластин АКБ через изолирующие сепараторы и интенсивность снижения уровня электролита в батарее как зависели, так и зависят от режима эксплуатации АКБ.

Одной из основных причин преждевременного выхода стартерных СК АКБ из строя является их саморазряд /57,62,63,78/. Саморазряд СК АКБ естественный процесс, вызываемый окислительно-восстановительными реакциями, самопроизвольно протекающими как на отрицательном, так и на положительном электродах. Саморазряду особенно подвержен отрицательный электрод вследствие самопроизвольного растворения свинца (отрицательной активной массы) в растворе серной кислоты. Саморазряд отрицательного электрода сопровождается выделением газообразного водорода. Скорость самопроизвольного растворения свинца с�