Устройство тяговых аккумуляторов для погрузчиков

Электропитающие устройства и линейные сооружения автоматики, телемеханики и связи железнодорожного транспорта

• Введение
• Классификация воздушных линий
• Типовые профили опор ВЛ, ВСЯ СЦБ и воздушных линий связи
• Материалы и арматура воздушных линий
• Деревянные опоры, железобетонные приставки и железобетонные опоры
• Основные типы опор воздушных линий СЦБ и связи
• Оборудование высоковольтных линий автоматики и телемеханики
• Оборудование воздушных линий связи
• Устройство удлиненных пролетов, пересечений и переходов
• Заземления в устройствах автоматики, телемеханики и связи
• Типы и конструкции заземляющих устройств
• Строительство воздушных линий
• Техническое обслуживание и ремонт воздушных линий
• Механизация работ при строительстве и ремонте воздушных линий
• Техника безопасности при работах на воздушных линиях
• Назначение и классификация кабельных линий
• Конструкция кабелей
• Кабели для устройств автоматики и телемеханики
• Железнодорожные кабели связи
• Оборудование, арматура и материалы кабельных линий
• Строительство кабельных линий
• Монтаж силовых электрических кабелей
• Монтаж силовых и контрольных кабелей. Паспортизация кабельных линий
• Механизация кабельных работ
• Техническое обслуживание и ремонт кабельных линий
• Техника безопасности при работах на кабельных линиях
• Влияние электрических железных дорог и линий электропередачи на воздушные и кабельные линии
• Средства защиты устройств автоматики, телемеханики и связи от опасных и мешающих влияний железных дорог и линий электропередачи
• Защита полупроводниковых приборов от перенапряжений
• Воздействие молнии на устройства автоматики, телемеханики и связи. Приборы защиты
• Защита устройств автоматики, телемеханики и связи от атмосферных перенапряжений
• Защита кабелей от коррозии
• Генераторы постоянного тока
• Реакция якоря и коммутация тока
• Типы генераторов и их характеристики
• Общие сведения о двигателях постоянного тока
• Электродвигатели постоянного тока и их характеристики
• Однофазный и трехфазный трансформаторы
• Автотрансформаторы и дроссели насыщения
• Трансформаторы железнодорожной автоматики и телемеханики
• Путевые дроссель-трансформаторы
• Асинхронные электродвигатели
• Синхронные генераторы
• Первичные химические источники тока
• Свинцовые аккумуляторы
• Электролит и химические процессы в свинцовых аккумуляторах
• Электрические характеристики свинцовых аккумуляторов
• Аккумуляторные батареи
• Правила эксплуатации и способы устранения неисправностей свинцовых аккумуляторов
• Щелочные никепь-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы. Аккумуляторные помещения
• Электрические вентили и выпрямительные устройства
• Классификация схем выпрямления переменного тока и их параметры
• Влияние характера нагрузки на работу выпрямительных схем
• Выпрямители, применяемые в устройствах автоматики и телемеханики
• Электромагнитные и полупроводниковые преобразователи
• Особенности электроснабжения устройств
• Энергоснабжение устройств автоблокировки
• Системы питания
• Электропитание устройств переездной сигнализации и полуавтоматической блокировки
• Техническое обслуживание устройств электропитания на перегонах и станциях
• Питающие пункты устройств автоматики и телемеханики
• Расчеты питающих устройств сигнальной точки автоблокировки
• Электропитание устройств автоматики и телемеханики крупных станций
• Унифицированная щитовая установка электропитания устройств централизации на крупных станциях при безбатарейной системе питания
• Электропитание устройств электрической централизации малых станций
• Устройства электропитания электрической централизации промежуточных станций
• Электропитающие установки безбатарейной и батарейной систем питания ЭЦ промежуточных станций
• Расчеты электропитающих устройств электрической централизации
• Автоматизированные дизель-генераторные установки и резервные электростанции

Основные технические характеристики аккумуляторов

Номинальная емкость аккумулятора

Номинальная емкость элемента – способность накапливать и отдавать электроэнергию постоянного тока, определяет время автономной работы ИБП. Емкость электрического аккумулятора показывает время питания подключенной к нему нагрузки.

Емкость всегда указывается на корпусе АКБ, а также на упаковке, ведь именно по этому критерию большинство пользователей выбирают нужную модель.

Пусковой ток

Величину, характеризующую параметр тока, протекающего в стартере автомобиля в момент пуска силового узла, принято считать пусковым током. Пусковой ток или стартерный возникает в момент, когда в замке зажигания поворачивается ключ и начинает проворачиваться стартер. Единица измерения величины – Ампер. Он же ток холодной прокрутки является показателем, как аккумулятор поведет себя в морозную погоду и сможет запустить двигатель при минусовых показателях. Определяется мощностью тока, которую батарея может выдать в течение первых 30 секунд при температуре -18°С. При высоких показателях пускового тока увеличиваются шансы завести машину при минусовой температуре.

Полярность

Порядок расположения на крышке аккумулятора присоединительных клемм, которые являются токовыводящими соединительными элементами, называется полярностью. Полюса всего два – положительный и отрицательный, вариантов расположения – прямое и обратное.

Прямая полярность – отечественная разработка. Чтобы ее определить, нужно повернуть аккумулятор таким образом, чтобы этикетка была перед глазами. При расположении плюсовой клеммы слева, а минусовой справа, можно утверждать, что акб с прямой полярностью. На иномарках устанавливаются аккумуляторные батареи обратной полярности.

Прямая, обратная полярность

Исполнение корпуса

Корпус большинства аккумуляторов состоит из ударопрочного полипропилена, который характеризуется как материал легкий, не вступающий в химическую реакцию с агрессивным электролитом АКБ. Полипропилен довольно стоек к перепадам температур, возникающих под капотом автомобиля, нагрев может достигать до +60 ̊С, а при морозах до -30°С. Корпус большинства АКБ состоит из ручки для переноса, пробок, индикатора заряда, клемм для подключения к электросети. Вес АКБ емкостью 55Ач около 16,5 кг. Традиционно появились американский, европейский, азиатский и российский типы корпусов.

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты. Например, у батарей емкостью 60 Ач общая высота от 17,5 до 19 сантиметров. У азиатских этот показатель немного выше, до 22 сантиметров за счет верхнего расположения электродов

Именно поэтому важно корректно анализировать возможности посадочного места под капотом, чтобы надежно закрепить АКБ прижимной планкой и избежать замыкания при случайном касании токоотводами металлических частей кузова

У АКБ с европейским типом корпуса клеммы находятся в углублении, их верхний край не выступает над плоскостью крышки. Иногда клеммы дополнительно защищены от внешнего воздействия специальными крышечками. Азиатский тип корпуса – это коробка, на которой клеммы расположились на верхней крышке, верхний край клемм является самой высокой точкой аккумулятора. Какую клемму снимать с аккумулятора первой читайте здесь. 

Российский стандарт акб

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты

Тип и размер клемм

Распространены аккумуляторы с клеммами трех разных стандартов: тип Euro – Type 1, и Asia –Type 3, «под болт» – американский стандарт. В типе Euro плюсовая клемма имеет диаметр 19,5 мм, минусовая клемма – 17,9 мм. В типе Asia клемма плюс имеет диаметр 12,7 мм, клемма минусовая – 11,1 мм. Клеммы «под болт» находятся на боковой стенке аккумулятора и сверху. Болт, соединённый с проводом, продевается в отверстие клеммы и фиксируется гайкой.

Американский стандарт

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Наверняка более 90% автомобилистов знают об устройстве своего аккумулятора только из школьных уроков физики. Да в повседневной жизни это уже и не требуется. Купил – установил – забыл.

Характеристики аккумуляторных батарей, на которые обращают внимание автомобилисты при его выборе: тип батареи (обслуживаемая или безуходная), электрическая ёмкость батареи, номинальное напряжение батареи, саморазряд. Термин «электрическая ёмкость АКБ» означает количество электричества, отдаваемого аккумулятором при разряде

Ёмкость определяется в ампер-часах

Термин «электрическая ёмкость АКБ» означает количество электричества, отдаваемого аккумулятором при разряде. Ёмкость определяется в ампер-часах.

Разрядная ёмкостью СР — количество электричества в ампер-часах, получаемое при разряде аккумулятора до допустимого напряжения. Разрядную ёмкость определяют исходя из формуле:

СР  = Iр* tр

Ёмкость САБ существенным образом зависит от температуры электролита, особенно на стартерных режимах разряда.

Ёмкость аккумулятора может быть выражена двояко: в амперчасах или в ваттчасах. Термин «ёмкость» обозначает то количество электричества, которое можно получить от данного источника питания. Ёмкость же в ваттчасах есть мера энергии или способности производить работу.

При определении емкости какой-либо аккумуляторной батареи необходимо отмечать режим, при котором производится разряд, температуру и конечное напряжение. Ёмкость аккумулятора в основном определяется тремя факторами: разряд, температура и конечное напряжение, а при маркировке устанавливается в амперчасах.

Стандартной величиной номинального напряжения одного элемента аккумулятора является 2 вольта. Для легковых автомобилей выпускают аккумуляторы с напряжением 12в., а на грузовых применяют с напряжением 24в. Для специальной техники могут изготавливаться АКБ с напряжением, установленным производителем.

Самопроизвольный разряд аккумулятора – потеря емкости в процессе хранения, отключения внешних потребителей, температурного режима эксплуатации и качества ТО. При этом его рабочие характеристики снижаются.

Одной из причин повышенного саморазряда обслуживаемых аккумуляторов является применение не дистиллированной воды, содержащей примеси железа, хлора и различных солей.

Также при переворачивании батареи или сильной тряске происходит осыпание активного вещества с пластин.

Заглянем что внутри?

Принципиально конструкция аккумуляторов осталась неизменной со времени их изобретения: свинцовые пластины и кислота. Внутреннее пространство заполнено электролитом, состоящим из 38%-ной серной кислоты и дистиллированной воды. В каждой батарее отрицательные и положительные электроды чередуются. Между пластинами размещаются пластмассовые сепараторы. Все перемычки между элементами и батареями изготовлены из свинца.

Принцип действия аккумуляторов

Принцип действия аккумулятора основан на образовании разности потенциалов между двумя электродами, погруженными электролит. При подключении нагрузки (электротехнических устройств) к клеммам аккумулятора в реакцию вступают электролит и активные элементы электродов. Происходит процесс перемещения электронов, который, по сути, и является электротоком.

При разряде аккумулятора (подключении нагрузки) губчатый свинец анода выделяет положительные двухвалентные ионы свинца в электролит. Избыточные электроны перемещаются по внешней замкнутой электрической цепи к катоду, где происходит восстановление четырехвалентных ионов свинца до двухвалентных.

Ионы кислорода от диоксида свинца катода и ионы водорода из электролита соединяются, образуя молекулы воды. Поэтому плотность электролита понижается.

При заряде происходят обратные реакции. Под воздействием внешнего напряжения ионы двухвалентного свинца положительного электрода отдают по два электрона и окисляются в четырехвалентные. Эти электроны движутся к аноду и нейтрализуют ионы двухвалентного свинца, восстанавливая губчатый свинец. На катоде, путем промежуточных реакций, снова образуется двуокись свинца.

Из видео Вы сможете более подробно узнать, как работает аккумулятор.

Базовые понятия о работе аккумуляторов

2.1 Базовые понятия для свинцово-кислотных аккумуляторов

Рис 3: Состояния свинцово-кислотного аккумулятора

Полностью заряженный элемент имеет разность потенциалов между анодом и катодом около 2 В. Во время разряда электроны проходят через внешнюю электрическую цепь, одновременно химические реакции внутри аккумулятора обеспечивают баланс зарядов . На рис. 3 показаны химические состояния полностью заряженного и полностью разряженного свинцово-кислотного аккумулятора.

Свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть разделен на 2 категории: с жидким электролитом и герметизированные (SLA или VRLA). По своей химии эти категории идентичны (см. рис.3).  Различия — в технологии исполнения, которая влияет и на эксплуатационные характеристики. Аккумуляторы с жидким электролитом требуют следующих 3 условий, которые не требуются герметизированным аккумуляторам:

1. Определенное положение для предотвращения вытекания электролита
2. Вентилируемое помещение для удаления газов, образующихся во время заряда и разряда
3. Регулярное обслуживание электролита.

Ввиду этих различий, необходимо учитывать сложность и стоимость технического обслуживания АКБ с жидким электролитом, которая может нивелировать их более низкую стоимость. Герметизированные аккумуляторы делятся на 2 группы: гелевые и AGM (Absorbed Glass Mat). Они различны по состоянию электролита. В гелевых аккумуляторах в электролит добавлено загущающее вещество, которое превращает электролит в гель. В AGM аккумуляторе используется стеклянная «губка» для связывания жидкого электролита.

Внутри каждой категории свинцово-кислотных аккумуляторов различаются аккумуляторы “глубокого циклирования” и аккумуляторы для “буферного режима” с небольшой глубиной разряда. «Буферные» герметизированные аккумуляторы обычно используются в автомобилях в качестве стартерных — они должны выдавать мощные импульсы энергии в течение короткого времени. В стационарных системах электроснабжения применяются аккумуляторы «глубокого разряда», которые обычно разряжаются относительно небольшими токами, но в течение длительного времени. 

2.2 Литиевые аккумуляторы

Концепция литий-ионных аккумуляторов была разработана в 1970-х годах. Широкое распространение они получили в 1990-х годах. Принцип работы заключается в том, что ионы лития курсируют туда-сюда между анодом и катодом во время заряда и разряда. На рис.4 показано устройство разновидности литий-ионного оаккумулятора  LiCoO₂.

Рис 4: Реакции в литий-ионном аккумуляторе

Особенности химических процессов на аноде, катоде и в электролите влияют на эффективность работы аккумулятора. Также влияет конструкция элемента литий-ионного аккумулятора. Наиболее часто производитель меняет форму и состав катода:  они могут быть LFP, NCM, NCA, Cobalt, или Manganese.  Более 90% литиевых анодов состоят из графита; кремний и титан используются гораздо реже.

Электролит обычно находится в жидкой форме, но в «литий-полимерных» аккумуляторах электролит находится в абсорбированном виде в полимерной мембране. Это позволяет для ограничения объема аккумулятора использовать «мешочек»  вместо металлического корпуса, который обычно используется с жидким электролитом в цилиндрических и призматических элементах.

Несмотря на различия в химических процессах, литий-ионные аккумуляторы могут быть разделены на 2 групы: литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO₄) и металл-оксидные (NCM, NCA, Cobalt, Manganese — Оксид марганца лития (LiMn₂O₄) и оксид лития никеля и марганца кобальта (LiNiMnCoO₂)). БатареиLiMn₂O₄и LiNiMnCoO2 относятся к литиевым батареям среднего размера по размеру, весу, безопасности, сроку службы и стоимости.

В таблице 1 показаны различия между этими 2 химическими процессами. Значения отражают среднюю величину, возможны флуктуации в ту или другую сторону.

Таблица 1: Сравнение литий-ионных технологий аккумуляторов

RC литий-полимерные батареи (RC LiPo). LiPo — это самые маленькие, самые дешевые, легкие и мощные литиевые батареи. К их недостаткам относятся короткая продолжительность жизни и склонность к возгорания в гигантские огненные шары, поэтому мы в данной статье их не рассматриваем.

Все литий-ионные аккумуляторы выдерживают глубокий разряд. Срок службы аккумулятора существенно возрастает, если глубина разряда не более 80% от номинальной емкости.

Правила эксплуатации и хранения, обслуживание

Срок службы свинцового аккумулятора во многом зависит от правильности его эксплуатации.

Дополнительные рекомендации:

Запускайте двигатель при отключенном сцеплении. 

Во время пуска прокручивайте стартер продолжительностью до 5-7 секунд и делайте перерыв не более 60 секунд.

Своевременно выявляйте и устраняйте неисправности в системе пуска мотора, ведь они могут привести к перегрузке АКБ.

Раз в квартал проверяйте падение напряжения в момент пуска мотора. Измеренный параметр не должен снижаться ниже отметки в 11 В.

Уровень напряжения должен соответствовать требованиям производителя грузового автомобиля. Чаще всего требуется установка двух АКБ напряжением 12 В для получения 24 В.

Запрещена эксплуатация в режиме недозаряда (напряжение меньше 13,9 В) или перезаряда (напряжение от 14,4 В и выше)

При использовании необслуживаемого АКБ особенно важно исключить перезаряд.

Проверяйте объем электролитической жидкости для обслуживаемых АКБ и используйте дистиллят для доливки.

Контролируйте работу электрического оборудования автомобиля и своевременно устраняйте поломки. Периодических проверяйте систему на факт наличия тока утечки

Если он превышает 0,5 А, источник питания будет разряжаться при выключенном моторе.

Поддерживайте АКБ в заряженном состоянии. Выполняйте зарядку свинцового аккумулятора раз в квартал, в первую очередь, при появлении трудностей с пуском.

Для продления ресурса при хранении требуется отбросить «минус», а потом «плюс», почистить корпус АКБ от загрязнений, протереть клеммы и глянуть на уровень заряда (от 12,4 до 12,7 В) и плотность электролита (от 1,26 до 1,28 г/см3.

При обратной установке необходимо снова почистить корпус и клеммы, а также осушить контакты, после чего подключить «плюс», а потом «минус». Для поддержания АКБ в рабочем состоянии рекомендуется хотя бы раз в месяц выполнять подзарядку.

Типы АКБ

В зависимости от состава электролита, материалов электродов и особенностей конструкции можно выделить три распространённых типа аккумуляторов.

Свинцово-кислотные

Эти АКБ имеют самую долгую историю популярности в качестве автономных источников питания. Большинство таких батарей изготовлены из свинцовых пластин или сеток, где одна из решёток (положительный электрод) покрыта диоксидом свинца в кристаллической форме. Электролит, состоящий из серной кислоты, участвует в реакциях свинца и диоксида свинца с образованием сульфата свинца. Перемещение ионов последнего образует ток разряда. Заряд происходит при помощи восстановления током заряда диоксида свинца на катоде.

Этот тип батарей был востребован на протяжении более чем сотни лет благодаря следующим особенностям:

• широкому диапазону возможностей как при производстве сильных, так и слабых токов;
• надёжностью в течение сотен циклов в присутствии контроля заряда;
• относительно низкой стоимости (свинец дешевле в пересчёте на ёмкость чем никель, кадмий, литий или серебро);
• большой срок годности при хранении для перезаряжаемого устройства;
• высокое напряжение единичной ячейки;
• простотой изготовления (литьё, сварка, прокатка).

Щелочные батареи

В этом типе батарей электрическая энергия генерируется в результате химических реакций в щелочном растворе с использованием различных электродных материалов.

Наиболее известные из них:

• Никель-кадмиевые. Способны выдавать исключительно высокие токи, перезаряжаться сотни раз, терпимы к ошибкам в обслуживании. Но, в сравнении со свинцово-кислотными, тяжелы и имеют ограниченную плотность энергии. Их долговечность напрямую зависит от полной разрядки в каждом цикле. Если её не делать, элементы проявляют так называемый эффект памяти, который выражается в снижении их ёмкости. Используются широко для запуска авиадвигателей, систем аварийного жизнеобеспечения и в сочетании с источниками солнечной энергии.
• Никель-цинковые. Самые привлекательные, с точки зрения их развития. Если их жизненный цикл будет значительно продлён, системы такого рода могут стать жизнеспособной заменой для никель-кадмиевых и свинцово-кислых батарей.
• Никель-железные. Могут обеспечить тысячи циклов, но не перезаряжаются эффективно. При пополнении ёмкости заметно выделяют тепло и потребляют много электроэнергии.
• Никель-водородные. Были изобретены прежде всего для космической программы США. Водород в таких системах служит активным анодным материалом. Заменяют собой никель-кадмиевые во многих областях, благодаря высокой мощности на единицу объёма и терпимости к качеству обслуживания. Используются в электрических транспортных средствах.
• Цинково-марганцевые. Применяются в системах, не нуждающихся в большом количестве электричества. Высокая плотность энергии и низкая стоимость этих батарей способствует дальнейшей инженерной работе над их усовершенствованием.
• Серебряно-цинковые. Одни из самых дорогих. Используются там, где высокая плотность мощности, малый вес и малый объём имеют решающее значение: в специальных транспортных средствах и портативных радиолокационных узлах.

Литиевые перезаряжаемые устройства

К ним относятся аккумуляторы с литиевым анодом или использованием в электрохимической реакции ионов лития. 

Благодаря высокой плотности накапливаемой энергии и ничтожному саморазряду, этот тип АКБ популярен как источник питания потребительской электроники. Главный недостаток литиевых батарей — риск неожиданного возгорания от перегрева. 

Литий полимерные батареи — более совершенные в своём классе. В них вместо жидкого электролита используют твёрдый полимерный. Эти батареи легче обычных литий ионных, но из-за высокой цены не смогли полностью их заменить.

Общие правила зарядки свинцово кислотных АКБ

Даже герметичные батареи требуют периодической подзарядки. В зависимости от особенностей эксплуатации — это действие может требоваться, как после каждого рабочего цикла, или раз в полгода-год (автомобильные АКБ).

Информация о емкости указывается непосредственно на корпусе аккумулятора.

Также часто можно услышать рекомендации, что обязательно требуется открывать крышки. Современные герметичные АКБ не требуют этого. В крышках имеется специальная система вентиляции, поэтому проблем не возникает.

Обязательно зарядка должна производиться при комнатной температуре.

Батареи с электролитом-гелем можно сразу заряжать зарядом до 20-30% от емкости. Это не принесет им вреда. Оптимально для таких АКБ использовать автоматические зарядные устройства, которые без вашего участия отрегулируют необходимую силу тока.

Нельзя хранить свинцово-кислотные батареи в разряженном состоянии. Поэтому, обязательно после разряда сразу заряжайте аккумулятор, это продлит срок его эксплуатации.

Как обслуживать свинцово-кислотный аккумулятор

По статистике 80% неполадок аккумулятора заключается в его сульфатации, появившейся из-за отсутствия технического обслуживания. Как проверить аккумулятор читайте здесь.

Чтобы предотвратить этот процесс, достаточно регулярно выполнять три процедуры:

• контролировать уровень дистиллированной воды;
• поддерживать чистоту;
• выравнивать заряд.

Как восстановить аккумулятор и убрать потерю емкости, читайте тут.

В процессе работы часть электролита испаряется, концентрация серной кислоты увеличивается, а уровень жидкости в банке понижается, что становится причиной контакта железных пластин с воздухом. Во избежание повреждения ячеек электродов нужно следить за количеством электролита и при необходимости добавлять в банку батареи дистиллированную воду.

Пользователи знают, насколько важна чистота АКБ: наличие грязи, пыли, подтёков кислоты может поспособствовать возникновению тока утечки, и аккумулятор разрядится и разбалансируется. Поэтому необходимо регулярно проводить чистку батареи, например, при помощи пароочистителя.

Чем чаще используется источник тока, тем больше ёмкость его ячеек будет отличаться друг от друга, что обязательно приведёт к проблемам в режиме зарядки. Чтобы урегулировать ситуацию, специалисты советуют пользоваться выравнивающим зарядным устройством, которое подаёт слабый ток и увеличивает время процесса на несколько часов, однако позволяет заряду распределиться равномерно и до 100% пополнить энергию.

Стандартное время зарядки пустой батареи составляет 10-12 часов

При этом крайне важно выставлять ток значением до 10% от ёмкости батареи. Обычно схема питания АКБ состоит из двух этапов: на первом аккумулятор заряжается постоянным током, на второй – постоянным напряжением

Чтобы осуществить проверку работоспособности, существует множество способов, как традиционных, так и современных. К последним относится контроль системы при помощи электронных тестеров, которые показывают более правильные результаты, но могут оказаться дорогостоящими. Конечно, без подобного оборудования не обойтись при проверке современных герметичных аккумуляторов. Но для более традиционных устройств подойдут простые методы, проверенные временем.

1. Контроль плотности жидкости. При помощи ареометра нужно зарегистрировать значение плотности и сравнить с эталонными показателями. Для обеспечения нормальной работы параметр должен быть не ниже 1,23 г/см3, но не выше 1,4 г/см3.
2. Контроль уровня электролита. Жидкость должна полностью покрывать свинцовые пластины и возвышаться на 1-1,5 см.
3. Контроль с помощью нагрузочной вилки. Данное устройство измеряет напряжение АКБ под действием силы тока в десятки и сотни ампер. Такой метод весьма качественен для определения работоспособности батареи, однако, в случае частого использования нагрузочной вилки существует вероятность износа аккумулятора.