Основные теоретические положения

1. Основные теоретические положения.

Аккумулятор является химическим источником энергии. Его основными параметрами являются электродвижущая сила (ЭДС) Е и его внутреннее сопротивление R_В. ЭДС характеризует способность источника энергии создать ток в электрической цепи, она численно равна напряжению между его зажимами при отсутствии тока (холостой ход, нагрузка отключена), и внутри источника направлена от отрицательного зажима к положительному (рис.1).

Если к аккумулятору подключить нагрузочный реостат с сопротивлением R, то в цепи возникает ток, величина которого определяется по закону Ома для электрической цепи с ЭДС

 (1)

Преобразуем это выражение и получим формулу зависимости напряжения на зажимах приемника от тока нагрузки (рис.1)

Так как IR=U, то U=E-IR_B. (2)

Величина внутреннего сопротивления аккумулятора R_B практически постоянна и составляет сотые доли Ом, поэтому падение напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора IR_B растет пропорционально току нагрузки. Таким образом, величина напряжения на зажимах аккумулятора (приемника) будет уменьшаться с увеличением тока нагрузки. При этом внутри аккумулятора теряется часть мощности, . Величина выделившейся тепловой энергии определяется по закону Джоуля-Ленца.

ч, (3)

где t - время прохождения тока, ч.

Следовательно, внутреннее сопротивление - параметр, характеризующий тепловые потери в источнике и влияющий на его энергетические характеристики. Внутреннее сопротивление аккумулятора может быть определено на основании закона Ома по данным режимов холостого хода и какого-либо рабочего режима

 (4)

или по эмпирической формуле для 100% заряженного аккумулятора (кислотного) при температуре 20°С

, (5)

где U_{ном -} напряжение на зажимах аккумулятора при номинальном разрядном токе, В;

Q - емкость аккумулятора, А×ч.

Величина внутреннего сопротивления аккумулятора может быть определена по его внешней характеристике - зависимости напряжения на зажимах аккумулятора от тока нагрузки. Напряжение на зажимах аккумулятора линейно зависит от силы тока и нагрузки и графически изображается в виде прямой линии, пересекающей оси I и U (рис.2). Точка пересечения с осью U (I=0, R¥, режим холостого хода) дает величину ЭДС, а точка пересечения с осью I (U=0, R=0, режим короткого замыкания) дает величину тока в нагрузке при сопротивлении внешней нагрузки, равной нулю. В этом случае:

E=I_K×R_B и , (6)

где I_K - ток короткого замыкания.

Если известна только часть внешней характеристики (рис.2), то внутреннее сопротивление аккумулятора можно определить по формуле

, Ом (7)

Важнейшими эксплуатационными параметрами аккумулятора являются также его зарядный и разрядный токи, максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку и коэффициент полезного действия. Эти величины указываются в паспортных данных аккумулятора. При практических расчетах величина зарядного тока принимается

, А - кислотные аккумуляторы (8)

, А - щелочные аккумуляторы (9)

Величина разрядного тока зависит от мощности нагрузки, а его номинальное значение равно примерно зарядному току. Максимальное значение разрядного тока I_{раз. max}=3×Q для кислотных стартерных аккумуляторных батарей (пуск стартера). Коэффициент полезного действия h равен отношению полезной мощности приемника Р₂ ко всей мощности источника Р:

 (8)

Или

Отсюда следует, что при холостом ходе (R=¥) КПД приближается к единице, при коротком замыкании (R=0) он равен нулю, в согласованном режиме (R=R_B) он равен 0,5. При режиме отдачи максимальной мощности, т.е. I=E/2R_ВН, получим:

 (9)

Такой низкий КПД недопустим в электрических установках большой мощности. Поэтому стремятся, чтобы внутреннее сопротивление источника было значительно меньше сопротивления приемника. В ряде случаев один аккумулятор не обеспечивает нормальную работу потребителя. В этом случае используют последовательное, параллельное или смешанное соединение аккумуляторов. При последовательном соединении величина тока в нагрузке равна

, А (10)

Напряжения на зажимах источников соответственно равны:

U₁=E₁-IR_B1; U₂=E₂-IR_B2; U_n=E_n-IR_Bn.

Напряжение на зажимах потребителя можно определить по формулам:

U   (11)

Из формул видно, что при последовательном соединении аккумуляторов в батареи режимы эксплуатации (ток разряда и заряда) в значительной степени зависят от внутреннего сопротивления наихудшего элемента. Увеличение внутреннего сопротивления приводит к увеличению потерь в аккумуляторе, DP=I²R_ВН и невозможности создания необходимых зарядных и разрядных токов.

При параллельном соединении аккумуляторы соединяются между собой зажимами одинаковой полярности и ток в нагрузке определяется по первому закону Кирхгофа:

I=I₁+ I₁+... + I_n,

где I - ток в нагрузке, А;

I₁... I_n - токи источников, А.

При параллельном соединении аккумуляторов анализ их работы следует вести, используя метод узловых потенциалов. Напряжение на зажимах приемников равно:

 (12)

где E_i - ЭДC i-го источника, В;

G_i - проводимость i-й параллельной ветви.

Токи в ветвях определяются по закону Ома:

 (13)

Из формулы видно, что токи в ветвях распределяются обратно пропорционально сопротивлениям ветвей. Поэтому, если параллельно соединены два аккумулятора с равными ЭДС и разными внутренними сопротивлениями (различное техническое состояние аккумуляторов), то ток нагрузки будет распределяться между ними обратно пропорционально их внутренним сопротивлениям:

 (14)

При неравных ЭДС один из источников может работать в режиме приемника электрической энергии (ток со знаком “минус”), что приведет к саморазряду аккумулятора-источника даже при отключенной нагрузке.

Данные теории и практики указывают на то, что ЭДС аккумулятора не зависит от размера пластин, но изменяется в зависимости от плотности электролита согласно эмпирической формуле:

Е=0,84 + g (15)

где g - плотность электролита при 15°, г/см³;

Е - ЭДС аккумулятора, В.

Поскольку процессы заряда и разряда аккумулятора сопровождаются изменением плотности электролита, ЭДС и напряжение аккумулятора тоже должны изменяться. В процессе разряда начальное значение ЭДС аккумулятора при плотности электролита 1, 28 г/см³ составляет 2,1 В. Разряд аккумулятора следует прекращать, когда напряжение будет на 10...15% ниже номинального значения, что соответствует 1, 7 В при плотности электролита 1, 16 г/см³.

В стационарных условиях заряд аккумуляторных батарей проводят или при постоянном напряжении или при постоянном токе. При этом в конце заряда допускают предельное значение напряжения, равное 2,5...2.6 В на аккумулятор или 15...15.6 В на батарею из шести элементов. Следовательно, напряжение зарядного устройства должно быть 15...16 В. На автомобиле в нормальных условиях величина напряжения генератора не превышает 14,4 В и ограничивает заряд в указанных пределах. Общее напряжение для заряда шестивольтовых батарей 7,5 В. Для подсчета наибольшего возможного числа аккумуляторных батарей m, которое можно соединить последовательно в группу, следует учитывать напряжение зарядной сети и напряжение на один аккумулятор 2,7 В в конце заряда m=_C/2,7 (16)

Достоинствами заряда при постоянном напряжении являются:

возможность заряжать аккумуляторы различной емкости;

заряд происходит быстрее (для получения 90-95% емкости требуется 4-5 часов);

большой ток в начале заряда батарее не вредит, т.к величина его быстро уменьшается;

газообразование в конце заряда меньше, что благоприятно сказывается на пластинах;

регулировочный резистор в зарядной цепи позволяет заряжать сульфатированные аккумуляторы (рис.3)

 (17)

В процессе эксплуатации техническое состояние аккумуляторной батареи может быть проверено аккумуляторным пробником, например Э107, Ф108. Если напряжение отдельных аккумуляторов батареи отличается более чем на 0,1 В или в течение 5 сек. проверки оно падает, батарею следует зарядить или отправить в ремонт.

Степень разряженности батареи определяется также пробником.

Напряжение на аккумуляторе, В	Разрядка аккумулятора,%
1,7...1,8	0 (полностью заряжен)
1,6...1,7	25
1,5...1,6	50
1,4...1,5	75

2. Задание по работе

Измерить ЭДС исследуемых источников.

Определить номинальные зарядный и разрядный токи источников.

Составить схему исследований и снять внешнюю характеристику:

3.1 Двух источников, соединенных последовательно;

3.2 Двух источников, соединенных параллельно.

4. Определить внутреннее сопротивление, потери мощности и КПД источников при номинальном разрядном токе.

5. Составить схему исследований, выполнить необходимые расчеты и обследовать режимы зарядки:

5.1. Одного аккумулятора;

5.2. Двух аккумуляторов, соединенных последовательно;

5.3. Двух аккумуляторов, соединенных параллельно.

6. На основании результатов исследований составить краткие выводы по соответствующим пунктам задания, обосновав их необходимыми расчетами, графическими зависимостями.

7. Ответить на вопросы самоконтроля знаний.

8. Составить отчет по лабораторной работе.

3. Методические указания по выполнению работы

Составить план проведения исследований, таблицы регистрации расчетных и экспериментальных данных.

Произвести внешний осмотр измерительных приборов, устройств и оборудования. Написать в отчет их технические данные.

Составить и собрать схемы экспериментальных исследований.

При работе с кислотными и щелочными аккумуляторами соблюдать инструкции по охране труда.

Определение внутреннего сопротивления аккумулятора по его внешней характеристике производить в следующей последовательности:

5.1. Составить схему исследований;

5.2. составить таблицу для регистрации экспериментальных и расчетных данных;

5.3. при нескольких положениях движка реостата зафиксировать показания амперметра и вольтметра;

5.4. построить внешнюю характеристику аккумулятора (соединить несколько полученных точек прямой линией и продолжить ее до пересечения с осями координат);

5.5. определить значения ЭДС и тока короткого замыкания аккумулятора;

5.6. определить внутреннее сопротивление одного аккумулятора, двух аккумуляторов при последовательном и параллельном соединениях.

4. Вопросы самоконтроля

Какие системы электроизмерительных приборов могут быть использованы при измерениях в цепях постоянного тока?

Как измерить ЭДС и напряжение на зажимах источника?

Как определить внутреннее сопротивление источника?

Как рассчитать потери и КПД источника?

Как определить напряжение на зажимах потребителя при параллельном соединении аккумуляторов?

При каких условиях два аккумулятора, включенные параллельно, будут саморазряжаться при отключенной нагрузке?

Как определить зарядный ток аккумуляторов при их последовательном соединении к зарядному устройству?

Приведите начальные и конечные значения плотности электролита ЭДС одного элемента кислотного аккумулятора.

Приведите предельное значение напряжения на одном элементе кислотного аккумулятора в конце заряда.

Как рассчитать величину добавочного сопротивления при заряде 12-вольтового аккумулятора от 24-вольтового?

Как определить полярность клемм аккумуляторной батареи?

При каких значениях напряжений батарея не допускается к эксплуатации?

Какие правила техники безопасности нужно соблюдать при работе с аккумуляторной батареей?

Охарактеризуйте режим зарядки аккумулятора при постоянном напряжении.

Охарактеризуйте режим зарядки аккумулятора при постоянном токе.

Какие электроизмерительные приборы применяются при проверке работоспособности аккумулятора?

Как определить номинальный разрядный ток аккумулятора?

Приведите несколько марок аккумуляторов и дайте их расшифровку.

Как рассчитать сопротивление нагрузки потребителя?

Как рассчитать количество тепла, выделяющееся в аккумуляторе при его работе?

Приведите выражение законов Ома и Кирхгофа для исследуемой схемы.

Какие источники электрической энергии вы знаете? Какие виды энергии они используют?

Какие режимы работы источников вам известны?

Каковы характерные особенности режима холостого хода?

Каковы характерные особенности режима короткого замыкания?

Что такое внешняя характеристика источника и каково ее значение?

№	Из опыта			Из расчета
	E	U	I	IRB	RB	P1	P2	DP	h
	B	B	A	B	Ом	Вт	Вт	Вт
1
2
3
4

 pА

G

Е

 pV  R

 R_вн U  U

Рис. 1. Схема исследования аккумулятора.

U

E

 

U

I

I

Ik

Рис. 2. Внешняя характеристика аккумулятора.

Рис.3. Схема зарядки аккумулятора при U=const.

Рис.4. График заряда аккумулятора при U=const.

Литература

1. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. - М.: Высшая школа, 1984, с.15 - 19,190 - 193.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983,с.15 - 25, 252 - 254.

Методические указания к лабораторной работе №3

 

“ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ"

Цель работы.

В работе проводится экспериментальное определение активного сопротивления и индуктивности катушки. По опытным данным делается заключение о техническом состоянии катушки индуктивности.