автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Ускоренный заряд свинцово-кислотных аккумуляторов сельскохозяйственной техники реверсивным током

ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

РГ5 ОД - ь Д£И Ю

На правах рукописи

ЛЮДИН ВАЛЕРИЙ БОРИСОВИЧ

УДК 631.371:621.355:621.314

УСКОРЕННЫЙ ЗАРЯД СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ РЕВЕРСИВНЫМ ТОКОМ

Специальность

05.20.02 - Электрификация сельскохозяйственного производства.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученной степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре "Электротехники и электрификации технологических систем" Всероссийского ордена "Знак Почета" сельскохозяйственного "института заочного обучения (ВСХИЗО).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ШИЧКОВ Л:П.

Официальные' оппоненты: - академик РАСХН, доктор технических

наук, профессор ПРИЩЕП Л. Г.; кандидат технических наук,

профессор ЗАГИНАЙЛОВ В. И.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).

Защита состоится .. -_^

часов на заседании специа/шзированного Совета К.120.30.01 при Всероссийском ордена "Знак Почета" сельскохозяйственном институте заочного обучения по адресу: 143900, Балашиха-8, ВСХИЗО.

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке ВСХИЗО.

• Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, направлять по адресу: 143900, Балашиха-8, ВСХИЗО, Ученый Совет. * . ^

Автореферат разослан -^У•• ^199Г г.

Ученый секретарь специализированного Совета к. т. н../7/зс^йссс^ А. М. ТРЕТЬЯКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Надежность эксплуатации самоходных мобильных сельскохозяйственных средств зависит от технического состояния бортовых автономных источников электрической энергии - аккумуляторных батарей (АБ). Улучшение эксплуатационных характеристик свинцово-кислотных АБ и продление их срока службы за счет совершенствования электротехнолбгии заряда и регенерации АБ позволяют повысить надежность работы сельскохозяйственной техники и уменьшить ежегодную потребность сельского хозяйства в свинцово-кислотных аккумуляторах.

Продолжительность заряда свинцово-кислотных АБ по массово-применяемым в сельском хозяйстве электротехнологиям составляет 8-12 часов, что существенно снижает эффективность эксплуатации АБ. Эта продолжительность режима может быть уменьшена' при ускоренном заряде, который проводится по правилу ампер-часов. Но использование ускоренного заряда для эксплуатируемых АБ сельскохозяйственной техники затруднено из-за интенсивного газовыделения и повышенной температуры электролита при заряде, ведущих к частичному разрушению пластин аккумуляторов и снижению их срока службы, особенно, если АБ в процессе эксплуатации подверглась полной или частичной "необратиной" сульфатации пластин. .

Поэтому, комплексное решение вопросов, связанных с разработкой интенсивной электротехнологии заряда и десульфатации свин-цово-кислотных АБ сельскохозяйственной техники и средств, реализующих данную электротехнологию, является актуальной научно-технической проблемой, решение которой позволит увеличить срок службы АБ и повысить коэффициент готовности сельскохозяйственной техники.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью работы является интенсификация электротехнологии заряда' широко используемых в сельскохозяйственном производстве свинцово-кислотных АБ реверсивным током и создание соответствующих электрифицированных технических средств, реализующих эту электротехнологию.

В соответствии с поставленной целью при выполнении работы решались следующие основные задачи:

- классифицировать и сопоставить способы заряда и электрической десульфатации (регенерации) АБ;

- дать теоретическое обоснование влияния параметров'

реверсивного тока на процессы заряда свинцово-кислотного аккумулятора и обосновать выбор режима заряда АБ;

- разработать диагностику исходного состояния свинцово-кислотных АБ и рекомендации для выбора соответствующего способа заряда и электрической десульфатации А_Б;

- разработать структуру энергетической части источника реверсивного тока для заряда и десульфатации свинцово-кислотных АБ сельскохозяйственной техники;

- осуществить автоматизацию различных модификаций источников реверсивного технологического тока для заряда и электрической десульфатации свинцово-кислотных аккумуляторов;

- провести производственную апробацию и внедрить в производство разработанные автоматизированные источники реверсивного технологического тока (ИРТТ), осуществить оценку их эффективности и надежности.

ОБ'ЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Режимы и технические средства электротехнологии • ускоренного заряда свинцово-кислотных АБ сельскохозяйственной техники.

' НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Изложенный в диссертации комплекс выполненных теоретико-экспериментальных исследований позволил разработать новую интенсивную электротехнологию заряда и электрической регенерации АБ реверсивным током и обосновать выбор параметров режимов этой электротехнологии. Предложены математические модели электрохимических и тепловых процессов в аккумуляторе для заряда реверсивным током. В результате теоретических исследований данных моделей проведена оптимизация параметров реверсивного тока заряда АБ, обоснован выбор параметров режима ускоренного заряда этих АБ и предложена методика их экспресс-диагностики, а также предложены принципиально новые технические решения, реализующие разработанную электротехнологию.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработаны и созданы принципиально новые технические средства и автоматизированные системы управления ИРТТ для реализации интенсивной электротехнологии заряда и электрической регенерации АБ сельскохозяйственной техники, даны обоснованные рекомендации по выбору основных элементов ИРТТ. Существенная новизна и полезность ряда технических решений защищена двумя авторскими свидетельствами на изобретения и одним патентом.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. На основе полученных результатов выпущены и получили практическое внедрение различ-

ные модификации ИРТТ для заряда и электрической регенерации стартерных и тяговых свинцово-кислотных АБ. В данных ИРТТ реализованы также новые технические средства автоматизации процессов заряда АБ. Кроме того, получила практическое внедрение разработанная методика экспресс-диагностики состояния АБ.

Главным практическим итогом реализации результатов диссертационной работы является разработка, внедрение и освоение выпуска различных модификаций ИРТТ внедренческими организациями: НПО "Релиз" (г. Москва), "Автоматизация и внедрение" (г. Балашиха), ВСХИЗО (г. Балашиха).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения.работы и результаты исследований в течение 1989-1994 г.г. ежегодно рассматривались и получили одобрение на научных и научно-практических конференциях и совещаниях ВСХИЗО, ВИЭСХ, МИИСП, МГАТУ.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертационной работы изложены в 13 научных работах, в том числе в двух описаниях к авторским свидетельствам и одному патенту и в 6 научных отчетах.

СТРУКТУРА И ОБ"ЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (120 наименований) и 13 приложений. Диссертация изложена на 198 страницах и содержит 12 таблиц и 52 иллюстрации.

СОДЕРХАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ содержит обоснование актуальности темы диссертации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ и дана классификация существующих электротехнологических способов заряда и электрической регенерации свинцово-кислотных АБ сельскохозяйственной техники. Рассмотрены электрифицированные средства, реализующие данные электротехнологические режимы. Указываются цель работы и задачи исследований.

Согласно исследованиям, проведенным А.' Г. Здрохом, А. П. Фурсовым, Л. П. Шичковым, В. Н. Куликовым, Ю. К. Розоновым и др., на скорость электрохимических процессов заряда в АБ существенным образом оказывает влияние вид тока заряда: постоянный или реверсивный. Причем, наиболее эффективно применение реверсивного периодического высокочастотного (РВЧ) тока, частота следования импульсов которого не менее промышленной частоты (50 Гц), предпочтительно 50-100 Гц. Этот ток в данных исследованиях трактуется как асимметричный.-

л-

( Начало

Диагностика ЙБ

Ъ^ \ Нет

^АБ

нсгогенмм 5вряд [_ РВ*-1 током

о .

^гс

Е!

РЕЧ током

Проверка состояния ЙБ

Да

Нет

Л2

{ Отбраковка ^

Рис.1. Блок-схема алгоритма электротехнологии ускоренного заряда и электрической десульфатации АБ сельскохозяйственной техники РВЧ током. (КЗ - короткое замыкание пластин (пл.) аккумулятора, эксплуат. - эксплуатация, восстанов. - восстановлена).

На основании анализа режимов заряда свинцово-кислотных АБ и характера условий их эксплуатации в сельскохозяйственном производстве предложена интенсивная электротехнология, обеспечивающая ускоренный заряд АБ, ее десульфатацию в многократном контрольно-тренировочном цикле (КТЦ) и хранение в режиме подзаря-да, - все эти режимы проводятся РВЧ током (рис.1). Особенностью режима ускоренного заряда является то, что при граничных условиях он переходит в известные гальваностатический или потенци-остатический режимы. Проведенный анализ также показал, что режим ускоренного заряда АБ РВЧ током может обеспечить повышение срока службы этих АБ за счет, во-первых, увеличения их емкости, благодаря росту количества пор активной массы пластин и, во-вторых, за счет частичной десульфатации АБ в процессе проведения этого режима. Кроме того, появляется возможность восстановления отработанных АБ с необратимой сульфатацией пластин в режиме КТЦ на РВЧ токе. Для выбора технологического режима и его параметров в соответствии с состоянием АБ в предлагаемой электротехнологии предусмотрена их диагностика.

В большинстве научных и опытно-конструкторских разработок источников РВЧ тока управление током заряда АБ осуществляется

регулированием среднего значения этого тока за счет изменения амплитуды его импульсов. Данный способ регулирования не позволяет получить "узкий" импульс4 обратного тока, который, как показали дальнейшие исследования, эффективно деполяризует приэлектродные слои в аккумуляторе и, который может быть доступно получен при фазово-импульсном регулировании. Поэтому, в разрабатываемом ИРТТ принят фазово-импульсный способ регулирования среднего значения выходного РВЧ тока.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ дано теоретическое обоснование параметров режимов электротехнологии ускоренного заряда и десульфатации АБ реверсивным током.

В отличие.от постоянного тока, скорость процесса заряда АБ РВЧ током определяется не только постоянной составляющей этого тока, но и формой, которая в свою очередь, характеризуется длительностями протекания тока в прямом (заряд) и. обратном (деполяризация) направлениях.

На основании анализа электрохимических процессов в АБ предложена схема замещения свинцово-кислотного аккумулятора на реверсивном токе (рис.2) и определена связь между ее параметрами и характеристиками аккумулятора:

Еа = Ео+Ке*1п(Кз), (1)

Сдс = Сду*Кз*Он, (2)

Ялд = Вэ/1, (3)

Иэ = Кэф*(Кго-Кг*1п(Кз) )/0н, (4)

где Еа - текущая ЭДС аккумулятора, В; Ео - ЭДС полностью заряженного аккумулятора. В; Ке - масштабный коэффициент приращения напряжения, В; Сдс - емкость двойного электрического слоя (ДЭС) электрода аккумулятора, Ф; Сду - удельная емкость ДЭС, Ф/Ач; 9н

- номинальная электрохимическая емкость аккумулятора, Ач; Илд -дифференциальное поляризационное сопротивление электрода,. Ом; Вэ - коэффициент Тафеля для электродной реакции, В; 1*э - активное суммарное сопротивление электролита и электродов, Ом; ЯэФ

- эффективное сопротивление аккумулятора, Ом*Ач;" Кго, Кг соответственно начальный и масштабный коэффициенты; Кз=б/(3н -коэффициент (степень) заряженности АБ; 0 - текущая электрохимическая емкость АБ, Ач; I - электрический ток заряда аккумулятора, А.

Эффективность процесса деполяризации ДЭС аккумулятора при

uno Ur

НЦ

*со||сасо Сдсп I I 'en

Кпо

Rnn

L-CZKJ

i Вз

rZU—О

Еа

><ГПО

'<рпп

ф

-О

Рис.2. Схема замещения свинцово-кислотного аккумулятора на РВЧ токе. <Еа - ЭДС аккумулятора. В; Сдсо, Сдсп - емкости ДЭС соответственно отрицательного и положительного электродов, Ф; Rno, Rnn - активные поляризационные сопротивления соответственно отрицательного и положительного.электродов. Ом; Ra -сопротивление электролита и электродов, Ом; I - ток заряда АБ, A; i$no, i<J>nn, ico, Icn - токи, протекающие через активные и емкостные сопротивления электродов, A; uno, unn - мгновенные поляризационные перенапряжения электродов, В).

заряде РВЧ током оценивается по величине остаточного, после завершения обратного импульса этого тока, поляризационного перенапряжения ДЭС, зависимость которого от параметров прямого и обратного импульсов тока получена на основании анализа математической модели аккумулятора:

Uo = -Вэ#1п[(Ка*ехр(-tn/Тдп)+ехр(-to/Тдо)-Ка-1)/

/((1мо/1о)*(ехр(-tn/Тдп)-ехр(-to/Тдо)))], (5)

где Ка=1мо/1мп - соотношение амплитуд импульсов обратного (1мо) и прямого (1мп) токов; Тдп, Тдо - соответственно постоянные времени процессов заряда и разряда ДЭС электрода, равные произведениям емкости ДЭС на соответствующие значения дифференциального сопротивления поляризации электрода, с; tn, to - соответственно длительности прямого и обратного импульсов, с; 1о - ток обмена электрода, А.

При заряде АБ РВЧ током желательна полная деполяризация ее ЭС, но, с другой стороны, связанное с этим увеличение длитель-ости обратного импульса приводит к уменьшению энергетической ФФективности процесса заряда:

Кэн = Из/Ип = 1з2/1й2. (6)

б)

Рис.3. Оптимизация параметров РВЧ тока при заряде свинцово-кислотных АБ (а) и графики зависимостей оптимальных соотношений длительностей обратного и прямого импульсов этого тока от их амплитуды (б).

где Кз - активная энергия, идущая на электрохимические процессы заряда АБ, Вт«ь; Wn - активная энергия,, потребляемая АБ при ее заряде, Вт-X-j 1з, Id - соответственно постоянная составляющая и действующее значение РВЧ тока, А.

Для выбора оптимального соотношения длительностей обратного и прямого токов заряда предложен критерий эффективности (рис.3,а):

Кэн#Кд -*• МАХ, (7)

где Кд=1-((Uon+Uoo)/UnT) - коэффициент деполяризации; Uon, Uoo - остаточные напряжения ДЭС соответствено положительного и отрицательного электродов аккумулятора. В; ипт - общее поляризационное перенапряжение ДЭС электродов при протекании через них постоянного тока 1з, В.

На рис.3,6 представлены зависимости оптимальных соотношений длительностей импульсов обратного и прямого токов от удельных амплитуд (Im/Qh) этих импульсов (при равенстве амплитуд).

В ходе дальнейшего анализа рассматриваемой модели была предложена методика экспресс-диагностики состояния аккумуляторов, новизна которой заключается в проведении трех оригинальных тестов в дополнение к общепринятым. Первый тест позволяет выявить "необратимую" сульфатацию пластин, для чего тестируемую АБ устанавливают на заряд в режиме стабилизации напряжения 2,4 В на аккумулятор и, если через 3-5 минут ток ее заряда численно превышает 0,05*Qh, то в АБ данный дефект отсуствует. Второй тест рационально проводить непосредственно после первого; он предназначен для обнаружения коротких замыканий в АБ. Для этого через 10-15 минут после завершения 3-5 минутного заряда измеряют ЭДС аккумуляторов .и, если ЭДС для каждого аккумулятора составляет не менее 2 В, то данный дефект отсуствует. Третий тест позволяет выявить аккумуляторы с разрушенными электродами (осыпание пластин). Для этого АБ устанавливают на заряд в режиме стабилизации тока, сила которого численно равна 0,2*Qh и, если через 3-5 минут в аккумуляторах нет бурного газовыделения, то данный дефект отсуствует.

На основании исследования режима ускоренного заряда АБ и, исходя из допустимых скорости процесса газовыделения в АБ и ее нагрева, установлена функциональная зависимость тока ускоренного заряда АБ 1з от времени заряда t в виде:

1з = 0н*(1-Кзо)*ехр(-1/Та)/(Та*Кэ), (8)

где Кзо - коэффициент заряженности АБ на начало процесса ее заряда; Та - нормированная постоянная времени процесса ускоренного заряда, ч; I - текущее время заряда, ч; Кэ - электрохимический КПД свинцово-кислотных АБ.

Параметры режима ускоренного заряда определяются выбором нормированной постоянной времени (рис.4), при этом общая продолжительность режима заряда составляет:

Тз = 3*Та (9)

На основании анализа математической модели тепловых процессов в АБ даны рекомендации по выбору минимального 'значения нормированной постоянной времени ускоренного заряда для массо-во-применяемых в сельском хозяйстве типов АБ и условий их охлаждения в процессе заряда: при естественном охлаждении Та=1..1,25 ч, при принудительном воздушном (со скоростью движения среды охлаждения Ус=6 м/с) - Та=0,75..1 ч, при принудительном водянном (Ус=1 м/с) - Та=0,5..0,75 ч. Следовательно, в режиме ускоренного заряда АБ РБЧ током можно ее полностью.

I з/1зо, Кз 0.8

а.6

0.4

0.2

0 0 0.8 1.4 2.2 3.0

Рис.4. Графики зависимостей относительного тока (1з/1зо) заряда АБ и ее коэффициента заряженности Кз при ускоренном заряде для Кзо=0 от относительного времени ^/Та), (1зо=0н*(1-Кзо)/(Та/Кэ) - начальный ток ускоренного заряда, А).

эарядить за 1,5..3,75 ч, что, как минимум, в 3 раза меньше продолжительности гальваностатического режима заряда АБ.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена разработке энергетических и Информационных цепей ИРТТ для электротехнологии ускоренного заряда и десульфатации АБ сельскохозяйственной техники.

На основании анализа режимов электротехнологии ускоренного заряда и десульфатации АБ на РВЧ токе и условий эксплуатации электрооборудования в сельскохозяйственном производстве к ИРТТ, реализующим эти режимы, пред'являются следующие требования:

- Формирование прямого и обратного импульсов выходного тока с частотой их следования 50-100 Гц;

- независимое регулирование средних значений прямого и

сеть

Рис.5. Обобщенная функциональная схема ИРТТ ( Т - согласующий трансформатор; В - выпрямитель; И - инвертор; 4> - индуктивный Фильтр нижних частот; УСТв, УСТи - усилители сигнала обратной связи по току соответственно каналов выпрямителя и инвертора; УСЙ - усилитель сигнала обратной связи по напряжению, ИП -измерительный преобразователь; РТв, РТи - регулирующий ток каскады соответственно каналов выпрямителя и инвертора; А1, А2 - узлы сравнения; СИФУв, СИФУи - соответственно каналы системы импульсно-фазового управления СПК выпрямителя и инвертора; 11зв, Чзи - задающие напряжения соответственно каналов выпрямителя и инвертора, В; БРП - блок регулирования параметров выходного тока, БА - блок автоматики).

ратного токов в диапазоне 0-1002 от их номиналов; - автоматическая компенсация влияния нестабильностей в пи-ющей сети на выходные токи;

- фазово-импульсное управление силовыми преобразовательными ючами (СПК) в энергетических цепях:

- быстродействующая защита СПК в аварийных режимах;

- автоматическое регулирование параметров выходного тока в ответствии с требуемым технологическим режимом;

- автоматическая коррекция параметров выходного тока по !мпературе электролита в АБ;

- контроль степени зараженности АБ и автоматическое 'екращение технологического рехима при полном заряде или ¡сульфатации АБ.

В соответствии с данными требованиями предложена обобщенная гнкциональная схема ИРТТ (рис.5), на основании которой были »зработаны однофазный и двухфазно-трехфазный ИРТТ. Для обес-гчения требуемой перегрузочной способности и надежности в 1ергетических цепях данных ИРТТ использованы тиристорные СПК и зеспечены условия для их естественного запирания.

С этой целью были разработаны принципиально новые решения кемотехники преобразовательных цепей и соответствующих цепей правления ИРТТ /7-9/. На рис.6 приведены функциональная схема гих цепей однофазного ИРТТ (а) и временные диаграммы, раз'яс-яющие их работу. Особенностью данного решения является форми-ование обратного импульса РВЧ тока в интервалы времени, когда ПК выпрямителя, формирующего импульсы прямого тока, гарантиро-анно заперты из-за наличия противо-ЭДС нагрузки (аккумулято-а). Для этого каналы системы импульсно-фазового управления СИФУ) синхронизируются относительно моментов равенства напря-ений на входе и выходе преобразовательной схемы. Во избежание прорыва" преобразователя в схему управления введен распредели-ель импульсов (03-05).

Особенностью принципиально нового схемотехнического решения 7/ энергетических цепей и СИФУ двухфазно-трехфазного ИРТТ рис.7) является выделение временного интервала для формирова-1ия обратного импульса в течение периода сетевого напряжения, !а счет исключения из фазы "с" трехфазного нулевого выпрямителя •иристорного СПК и синхронизации канала СИФУ управления СПК

2) инвертора отрицательными полуволнами напряжения фазы "Ь1'. i результате такого решения получена возможность независимого

Т

СЕТЬ j а-Э

VS1

VS3

-тп,—. L Hi ЬВ1

fill

D2

ffe

ЙЗ НЮ

R3

ТНЧ

Й i

Й4

Ш

шн

=ЕНЖ>^Н1

UiE

УТР -I

R12

1_ угР —1

03

D1

R5

R?

R9

1 04

04 R13

шжз-^ш-

U3I

— УГР

05

R14

J=PT]_ утр _

"a ub

\fl ! В/\С i O-'vfl

Ж

Ni-

Ufi4

UR6

^Ck!

;ий1э

ID

fv

£

«а "b

ГГ1Щ KF; Nil"-

lit

л вас ¡>p в^с iFx

k^I

N__A-

UQ (03)

Ufi5

T|Hl

! Цм ; Vo5

Б)

Рис.6. Функциональная схема энергетических цепей и цепей управления однофазного ИРТТ (а) и временные диаграммы ее работы (б): ФНЧ - фильтр нихних частот; АЗ, А4 - триггеры Шмитта; ГПН -генератор пилообразного напряжения; А7, А8 - узлы уравнения; А9, А10 - пороговые элементы; УГР - устройство гальванической развязки; Изв, 11зи - задающие напряжения для каналов СИФУ соответственно выпрямителя и инвертора.

регулирования длительностей импульсов прямого и обратного токов без угрозы возникновения "прорыва" преобразователя.

Проведен анализ работы энергетических цепей рассматриваемых

•ЙН

¿.Л

У53 _И

501

\ Г \'52

I. л св1

11-.В

Нэп

т А2 ВЗ А4 Н5

X

ГПН ж

сита Ва

р«Н1№Е

СПИ Вь

СИФУ И

«ь

' 715Г Л

«сн

ч

V

\

"ей

и?и

Рис.7. Функциональная схема энергетических цепей и СИФУ двухфа-зно-трехфаэного ИРТТ (а) и временные диаграммы их работы: СИФУ За, СИФУ ВЬ, СИФУ И - каналы системы импульсно-фазового управ-тения СПК соответственно выпрямителя фаз "а" и "Ь" и инвертора; 'С - узел синхронизации; АЗ - узел сравнения; ГПН - генератор шлообразного напряжения; А4 - пороговый элемент; УГР - устройство гальванической развязки; . Чзв, изи - задающие напряжения зля каналов СИФУ соответственно выпрямителя и инвертора.

ИРТТ, на основании которого даны рекомендации по выбору их элементов и величины напряжения питания этих цепей: Так, выбор этого напряжения, с одной стороны, ограничен требованиями по обеспечению среднего тока заряда АБ, а с другой - тем, что увеличение напряжения питания преобразователя приводит к повышению коэффициента формы выходного тока за счет уменьшения интервала проводимости СПК выпрямителя, и, в целом, к росту тепловых потерь в ИРТТ и АБ. Проведенная оптимизация выбора напряжения питания преобразовательных цепей ИРТТ показала, что амплитуда этого синусоидального напряжения должна составлять, без учета потерь в элементах преобразователя, 4 В на каждый заряжаемый аккумулятор в АБ.

При выборе индуктивности сглаживающего дросселя "Ь"(рис.6,7) учитывалось ее влияние на коэффициент формы выходного тока и, следовательно, на тепловые потери в ИРТТ и АБ, а также на длительность обратного импульса выходного тока. Этот выбор ограничен наибольшим средним обратным током и условиями "прорыва" преобразователя. Вследствие этого, индуктивность дросселя:

Рис.8. Функциональная схема формирователя параметров режима ускоренного заряда АБ: ПНЧ - преобразователь напряжение-частота; Онк - цифровой код, соответствующий электрохимической емкости заряжаемой АБ; ивых - выходное напряжение.

Ь <= 0,58*(Вй+йп)/и, (10)

е Ь - индуктивность дросселя, Гн; Ид - активное внутреннее противление заряжаемой АБ, Ом; Ип - выходное активное сопро-вление ИРТТ, Ом; и - циклическая частота в цепи дросселя, д/с; <= - знак "не более".

Программное управление параметрами выходного тока в режимах коренного и ступенчатого зарядов осуществляется формировате-ми задающих напряжений в блоке регулирования параметров РП). Оригинальное решение схемотехники (рис.8) формирователя дающего напряжения в режиме ускоренного заряда (ФРУ) позво-ет учитывать при программном управлении током заряда АБ от-онения от закона регулирования (8), вызываемые колебаниями тевого напряжения и температурной коррекцией режима заряда !. Это достигается введением в ФРУ обратной связи по электро-мической емкости заряжаемой АБ. Информационный сигнал обрат->й связи по емкости получается в результате интегрирования ¡версивными счетчиками (02, ЭЗ) импульсов, частота следования >торых пропорциональна среднему значению тока заряда АБ. Эти тульсы вычитаются из установленного в данных счетчиках кода, ютветствующего номинальной электрохимической емкости АБ. Поденный в результате этого код превращается цифро-аналоговым зеобразователем (ЦАП) в задающее напряжение СИФУ, которое про->рционально недостающей в АБ электрохимической емкости.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена экспериментальным исследованиям 1ектротехнологии ускоренного заряда и десульфатации свинцово-юлотных АБ реверсивным током.

Для проверки разработанной методики экспресс-диагностики АБ оценки эффективности рекомендованных режимов заряда или десу-зфатации АБ РВЧ током были проведены экспериментальные иссле-эвания на установке, базой которой является двухфазно-трехфаз-лй ИРТТ.

Экспериментальная проверка методики экспресс-диагностики сказала, что в 872 случаев предварительно определенное по анной методике состояние АБ подтвердилось.

При анализе эффективности режима десульфатации АБ по азработанной электротехнологии сравнивались два режима:

- базовый: циклирование процессов заряда и разряда АБ малы-*-и постоянными токами, в которой электролит заменен на дис-

ти ллированную воду;

-.оригинальный: многократный КТЦ АБ-на РВЧ токе. Эффективность режима оценивалась по восстановленной у АБ емкости и общей его продолжительности. На рис.9,а,б приведены сос-

о с

1 2 3 4 5 6 7 Цикли десульфатацми А)

1 2 3 4 5 6 7 Циклы десуль«атацпи Б)

В)

Рис.9. Результаты экспериментальных исследований: а) динамика восстановления электрохимической емкости (8/<Зн) свинцово-кис-лотных АБ при десульфатации ; б) продолжительности циклов десу-льфатации (Тц); в) экспериментальная (1) и теоретическая (2) зависимости температуры (1;°) электролита АБв режиме ее ускоренного заряда РВЧ током (Та=1 ч; охлаждение естественное).

авленные на основе экспериментальных данных гистограммы, кото-ые характеризуют усредненную динамику восстановления емкости ккумуляторов в циклах десульфатации и продолжительность этих иклов. Эти данные подтверждают высокую эффективность десу-ьфатации АБ РВЧ током, продолжительность которой примерно в ри раза меньше по сравнению с базовым режимом при большей осстанавливаемой конечной емкости АБ#.

При проведении режимов ускоренного заряда стартерных и тяго-ых свинцово-кислотных аккумуляторных батарей РВЧ током, пара-етры которых выбраны в соответствии с минимально-допустимыми ормированными постоянными времени Та (при естественном охлаж-ении корпуса АБ - Та=1 ч, при принудительном воздушном а=0,75 ч и при водянном - Та=0,5 ч), не наблюдалось превышения аксимально-допустимой температуры электролита и бурного газо-ыделения в этих АБ.

При проведении данных режимов ускоренного заряда снимались кспериментальные зависимости изменения температуры АБ в провесе заряда и сопоставлялись с теоретически рассчитанными ависимостями (рис.9,в). При их сопоставлении наблюдались ощу-■имые отклонения этих зависимостей друг от друга в конце заря-,а, что можно об'яснить дополнительным рассеиванием тепловой :нергии на поляризационных сопротивлениях, не учтенном при юделировании тепловых процессов. Однако, эти отклонения су-(ественно не влияют на выбор параметров режима ускоренного 1аряда, так как в области максимальных температур эксперимен-■альная и теоретическая зависимости фактически совпадают.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены результаты производственной апро->ации ИРТТ, разработаны мероприятия по увеличению их надежности I оценена экономическая эффективность ускоренного заряда АБ РВЧ •оком.

Разработанные и изготовленные экспериментальные образцы !РТТ используются с 1989 г. по настоящее время в различных 1ариантах исполнения для заряда и десульфатации тяговых и стар-ерных аккумуляторных батарей на ряде предприятий, в частности, 1а Красногвардейском мясоперерабатывающем заводе (г. Москва), (а Митрофанопском авторемзаводо ПО "Воронехагропромремонт", [еровской автодормехбазе (г. Москва).

В целом, многолетняя производственная апробация электротех-юлогии ускоренного заряда спинцово-кислотных АБ РВЧ током и юответсвующих модификаций ИРТТ подтвердила их высокую эффек-

тивность: уменьшена продолжительность процесса заряда по сравнению с ранее используемыми процессами'в среднем в 3-4 раза с продлением срока службы АБ и повышена степень восстанавливаемости АБ с сульфатированными пластинами.

Годовой экономический эффект от внедрения электротехнологии ускоренного заряда на каждую АБ составил 25% от цены этой АБ -для тяговых свинцово-кислотных аккумуляторов и 20% - для стар-терных. Общий годовой экономический эффект от внедрения в производство всех разработанных ИРТТ составил на июль 1992 г. в действующих на тот период ценах 150 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Дана классификация способов заряда и электрической десу-льфатации и обоснован выбор способа заряда АБ РВЧ током с учетом ее технического состояния.

2. Проведен анализ процессов, проходящих при заряде аккумулятора РВЧ током, предложена математическая модель этих процессов и определены ее параметры.

3. Определены оптимальные значения параметров РВЧ тока для заряда АБ сельскохозяйственной техники.

4. Предложена математическая модель процесса разогрева аккумуляторной батареи при заряде и найдена связь между параметрами этой модели и электрохимической емкостью свинцово-кислотной АБ, а также количеством аккумуляторов в ней.

5. Предложена методика экспресс-диагностики свинцово-кислотных аккумуляторов сельскохозяйственной техники, позволяющая выявить .и идентифицировать дефекты АБ в течение короткого интервала времени.

6. Рекомендована методика выбора параметров режима ускоренного заряда АБ и, в частности, предложено проводить данный режим при стабилизации поляризационного перенапряжения в АБ.

7. Разработаны обобщенная функциональная схема ИРТТ для ускоренного заряда и регенерации АБ, энергетические и информационные цепи этого ИРТТ, а также даны рекомендации по выбору элементов энергетических цепей.

8. Предложены схемы и принципиально новые технические решения автоматического управления параметрами режимов заряда.

1есульфатации и разряда АБ по интенсивной электротехнологии.

9. Разработанные схемы и технические решения реализованы при 1эготовлении экспериментальных образцов ИРТТ. Лабораторные и [роизводственные испытания данных образцов подтвердили соответствие их выходных параметров требованиям интенсивной элек-•ротехнологии заряда свинцово-кислотных АБ.

10. Методика экспресс-диагностики и рекомендаци по выбору >ежимов ускоренного заряда и десульфатации АБ получили экспери-(ентальное подтверждение своей эффективности.

11. Многолетняя производственная апробация показала высокую эффективность использования ИРТТ для ускоренного заряда и де-¡ульфатации АБ, что позволяет рекомендовать их к промышленному зыпуску.

12. Экономический эффект от применения электротехнологии Ускоренного заряда и десульфатации АБ РВЧ током составил в :реднем на одну АБ 20-25% в год от ее цены, что достигнуто, 1режде всего, за счет повышения срока службы АБ и снижения трудозатрат на их эксплуатацию.

Публикации по теме диссертации

1. Разработка, исследование и внедрение полупроводниковых преобразователей для ускоренной зарядки, зарядки-тренировки и восстановления аккумуляторных батарей электропогрузчиков. Отчет о НИР (заключит.) / ВСХИЗО - Тема 89-68; N ГР 01890008620; инв.Н 02900032925. - Балашиха, 1989. - 67с.

2. Разработка устройства управления,исследование и изготовление источника технологического тока. Отчет о НИР (заключит.) / ВСХИЗО - Тема 89-90; N ГР 01900036594 ; инв.И 02900052346. - Балашиха, 1990. - 60с.

3. Разработка и внедрение электрифицированных технологических систем и установок с программным управлением. Отчет о НИР (промежут.) / ВСХИЗО - Тема 91-110; N ГР01910001234; инв.И 02940001027.-Балашиха, 1993. - 31 с.

4. Обоснование параметров, режимов работы и автоматизации силовых полупроводниковых преобразователей гальванотехнологических электроустановок:Отчет о НИР (промежуточ.) / ВСХИЗО Тема 20.3; N ГР 01910039005; инв. N 02920004369. - Балашиха, 1991. - 17с.

5. Разработка и исследование трехфазного источника технологи-

ческого тока (ИТТ) для гальванотехнологий: Отчет о НИР (про-межуточ.) / ВСХИЗО - Тема 20.3; N ГР01910039005; инв. N 02930000835 - Балашиха, 1992. - 29 с.

6. Разработка и внедрение источника технологического тока для постов местного железнения: Отчет о НИР (промежуточ.) / ВСХИЗО - Тема 86-1 ; н ГР01860003542; инв.н 02900047566. -Балашиха, 1989. - 63с.

7. A.c. N 1700685 (СССР). Устройство для зарядки аккумуляторных батарей асимметричным током / Л.П. Шичков, О.П. Мохова, В.Б. Людин // Б.И., 1991,N 47

8. Положительное решение от 27.04.92 на заявку N 4933857/07 Источник для заряда аккумуляторной батареи периодическим током с обратным импульсом / Л.П. Шичков, В.Б. Людин

9. Патент РФ N 1759041. Устройство для микродугового оксидирования металлов и сплавов / И.К. Залялетдинов, В.¡Б. Людин, Ю.Б. Пазухин, Б.В. Харитонов, Л.П. Шичков, A.B. Эпельфельд.

10. Шичков Л.П., Людин В.Б-. Ускоренный заряд стартерных аккумуляторных батарей. / Электромеханические и электротехнологические системы и управление ими в АПК // Сб. научных трудов. М. .-ВСХИЗО, 1992.- С. 126-136

11. Людин В.Б., Карпов Д.А. Нагрузочные характеристики источника питания установки МДО. // XX Гагаринские чтения: Тезисы докладов. - М.:МГАТУ, 1994. - С.12-13

12. Шичков Л.П., Людин В.Б. Электрическая регенерация свинцово-кислотных аккумуляторов./ ВСХИ30-АГР0ПР0МЫШЛЕНН0МУ КОМПЛЕКСУ // Сб. научных трудов. М.:ВСХИЗО, 1994. - С.182-184.

13. Людин В.Б. Экспресс-диагностика состояния стартерных свин-цово—кислотных аккумуляторов. / ВСХИЗО-АГРОПРОМЫШЛЕННОМУ КОМПЛЕКСУ // Сб. научных трудов. М.:ВСХИЗО, 1994. - С.189-190.