В судовых электростанциях аккумуляторные батареи резервируют электрическую энергию на случай отключения генераторов, обеспечивая при этом энергией сети аварийного освещения, радио- и телефонии, сигнализации, аварийного питания систем дистанционного управления главными дизелями, рулевого управления и станций сигнальных огней; аккумуляторы используются также для стартерного пуска дизелей.
Применение химических источников тока (аккумуляторов) вызвано необходимостью иметь постоянно готовый к действию источник энергии при аварийном режиме работы судовой электростанции, а также для питания электрических сетей, требующих постоянного напряжения.
Виды судовых аккумуляторов
В зависимости от состава электролита аккумуляторы бывают кислотные и щелочные; щелочные в свою очередь разделяются на железо-никелевые, кадмиево-никелевые и серебряно-цинковые.
Кислотные аккумуляторы на судах используют главным образом в качестве стартерных, при пуске в ход дизелей. Основные технические данные кислотных аккумуляторов приведены в таблице 1.
Как видно из таблицы, кислотные аккумуляторные батареи состоят из трех или шести последовательно включенных элементов, соединенных в одном блоке или ящике; их общее напряжение соответственно 6 или 12 В.
Каждая кислотная батарея имеет условное обозначение (маркировку), которое ставится на межэлементных соединениях и на деревянном ящике. По маркировке можно определить номинальные емкость, напряжение, материал сепаратора и моноблока или бачка, а также месяц и год выпуска.
Первая цифра условного обозначения показывает количество элементов в батарее. Буквы, следующие за ней, обозначают назначение батареи: СТ — стартерная, СТК — стартерная для катеров. Цифры после букв характеризуют номинальную емкость в ампер-часах. Буквы, стоящие в конце, обозначают материал блоков: Э — эбонит, П — пластмасса, М — моноблок из эбонита, а также материал сепараторов: М — мипор, мипласт или материал, комбинированный с ними. Если батарея сухозаряженная, то после буквы, указывающей материал сепаратора, ставят букву С.
Кислотные аккумуляторы имеют сравнительно малое внутреннее сопротивление, поэтому их широко используют в судовых электростартерных установках. Однако в связи с падающей вольт-амперной характеристикой, зависящей от степени разряда, сравнительно слабой механической прочностью активной массы пластин и химически неустойчивыми соединениями с образованием в конечном итоге крупнозернистого сульфата свинца требуется тщательное соблюдение инструкции при их эксплуатации и хранении.
Емкость аккумуляторов зависит от плотности электролита. Для каждого аккумулятора существует оптимальная плотность электролита (в пределах 1,2 - 1,3 г/см3) в зависимости от режима разряда, температуры электролита и пр. В начале эксплуатации аккумулятора емкость его несколько ниже той, которую он получает после нескольких циклов заряда и разряда, так как формирование пластин аккумуляторов заканчивается в процессе их эксплуатации. При правильной эксплуатации емкость аккумуляторов остается в течение продолжительного времени неизменной, а затем вследствие постепенного выпадения активной массы из пластин, их сульфитации и увеличения саморазряда уменьшается. На рис. 1 приведены кривые, характеризующие работу кислотных аккумуляторов при различных условиях их разряда.
Кадмиево-никелевые аккумуляторы на судах находят применение для питания средств связи, сигнализации и для других целей. В табл. 2 приведены основные технические данные щелочных аккумуляторов.
Щелочные аккумуляторные батареи имеют значительные преимущества перед кислотными: возможность длительного хранения в полузаряженном и даже разряженном состоянии; большая перегрузочная способность по току и стойкость к коротким замыканиям; большой срок службы (в 3—4 раза больше, чем у кислотных аккумуляторных батарей); значительно большая механическая прочность; простота эксплуатации; несущественная зависимость емкости от разрядного тока.
Значительное внутреннее сопротивление кадмиево-никелевых и железоникелевых щелочных аккумуляторов ограничивает возможность их применения в стартерных установках вместо кислотных. Внутреннее сопротивление аккумуляторов определяется отношением напряжения к току разряда по характеристикам, указанным на рис. 2. Состав и изменение активных масс аккумуляторов при заряде и разряде приведены в табл. 3.
Размеры аккумуляторной батареи определяются ее напряжением и емкостью. Для повышения напряжения аккумуляторы включают последовательно, для увеличения емкости - параллельно.
В зависимости от назначения аккумуляторной батареи ее емкость и условия эксплуатации регламентируются Правилами Регистра.
Например, емкость аккумуляторной стартерной батареи для главных двигателей должна обеспечивать не менее 10 последовательных пусков дизеля от его холодного состояния без дополнительного подзаряда.
Стартерные аккумуляторные батареи могут заряжаться в буферном режиме от навешенных на дизели зарядных генераторов. Мощность этих генераторов должна быть достаточной для питания на ходу судна работающих приемников энергии и заряда батареи. Для заряда аккумуляторных батарей на судах, имеющих электростанцию на переменном токе, предусматривается зарядное устройство.
На серийных судах применяются автоматические зарядные устройства типа ВАКЗ (выпрямительные агрегаты кремниевые зарядные) или типа УЗА (устройство зарядное автоматическое). Основными элементами силовой части устройства ВАКЗ-2-40-2И (рис. 3) являются силовой трансформатор трехфазного тока Т1 с двумя вторичными обмотками и управляемый тиристорный выпрямитель V1—V3. Элементами управления устройства служат блок обратной связи по току БОС, блок стабилизации тока БСТ и блок формирования импульсов БФИ.
Принцип действия схемы основан на свойстве тиристоров изменять в широких пределах среднее значение выходного напряжения путем фазового регулирования, т. е. вследствие задержки момента открытия тиристоров по отношению к началу положительной полуволны питающего напряжения. Выпрямительный мост выполнен по несимметричной трехфазной мостовой схеме и состоит из тиристоров V1—V3 и вентилей V4—V6. Управление тиристорами осуществляется блоком формирования импульсов. Автоматическая стабилизация среднего значения зарядного тока обеспечивается с помощью отрицательной обратной связи. В качестве датчиков обратной связи используются трансформаторы тока Т2. Сигнал обратной связи от трансформаторов тока через выпрямительный мост диодов V7—V12 и переключатель зарядного тока S1 поступает в блок стабилизации тока БСТ, который в свою очередь определяет текущее значение фазы управляющих импульсов блока БФИ. Таким образом, аккумуляторная батарея заряжается при стабилизации зарядного тока, выпрямленное напряжение при этом растет по мере заряда батареи. Зарядное устройство имеет два параллельных блока, что позволяет вести заряд двух аккумуляторных батарей. Контроль тока и напряжения осуществляется амперметром и вольтметром, включаемыми переключателями S2, S3.
Устройство УЗА-60-32 аналогично устройству типа ВАКЗ, получает питание от судовой трехфазной сети и на таком же принципе обеспечивает автоматическую стабилизацию зарядного тока. Оно имеет автоматическое выключение аккумуляторной батареи в конце заряда. Специальным переключателем устанавливают длительность цикла заряда, по истечении которого срабатывает программное реле времени и отключает устройство.
Включение его возможно лишь при правильно подключенной аккумуляторной батарее, от напряжения которой срабатывает реле подготовки цепи магнитного пускателя.
Автоматизация судовых электростанций обеспечивает возможность непрерывного питания ответственных приемников энергии при переключении на аварийные источники тока.
Если напряжение на шинах ГЭРЩ внезапно снижается или отключается, ответственные приемники ходового режима (рулевой электропривод, ДАУ с электроприводом, аварийное освещение, рулевые указатели, машинный телеграф и сигнальные огни) получают питание от аварийных аккумуляторных батарей, схема которых приведена на рис. 4.
Включение батарей на разряд и на подзарядку происходит автоматически. Во время хода судна пакетный выключатель Q на щите батарей включен. При исчезновении напряжения на шинах ГЭРЩ или уменьшении его до 90 В реле напряжения К2 размыкает свой контакт К2.1, и катушки контакторов К1, К3, К4 обесточиваются. Главные контакты К1.1 отключают шины основных приемников от ГЭРЩ. Контакты К4.1 и К4.2 размыкаются, а К3.1 и К3.2 замыкаются.
Две группы батарей напряжением 56 В каждая с помощью контакта К3.2 соединяют последовательно и подключают на разряд. Одновременно получает питание катушка реле времени К5, контакты которого мгновенно замыкаются, подготавливая цепь для включения катушки контактора К4. Через вспомогательный контакт К3.1 включается звонок Н1, установленный в рубке и сигнализирующий о разрядке батарей.
При появлении на ГЭРЩ напряжения 100—110 В катушка реле напряжения К2 получает питание, и реле, замыкая свой контакт К2.1, включает контакторы К1 и К3. Контакт К3.2 размыкается, а контакты К1.1 замыкаются. Одновременно получает питание катушка контактора К4 через замкнутый контакт реле времени К5.1. Контакты К4.1 и К4.2 замыкаются.
Батареи соединяются параллельно двумя группами и через аккумуляторы идет зарядный ток. Контакт К3.1 размыкается, и катушка реле времени К5 обесточивается, но вследствие выдержки времени будет удерживать контакт К5.1 в замкнутом положении в течение 3 с после момента отключения.
Если батарея не разрядилась, зарядный ток будет небольшой и падение напряжения на регулирующем резисторе R5 будет недостаточным для срабатывания реле напряжения К6.
Поэтому по истечении выдержки времени реле К5 отключит питание катушки контактора К4. Контакты К4.1 и К4.2 разомкнутся, отключив батарею от шин ГЭРЩ.
Если же батарея сильно разрядилась и зарядный ток составляет более 6 А, на резисторах R5 и R6 создается падение напряжения, достаточное для срабатывания реле напряжения К6.
Контакт К6.1 замыкается и шунтирует контакт реле времени К5.1, который по истечении выдержки времени размыкается. Катушка контактора К4 получает питание через замкнутый контакт К6.1, и контакты К4.1 и К4.2 остаются замкнутыми.
По мере зарядки батареи зарядный ток уменьшается. При токе меньше 6 А падение напряжения на регулирующем реостате становится недостаточным для удержания реле напряжения К6. Контакт К6.1 размыкается, отключая питание катушки контактора К4, который размыкает зарядную цепь. Для принудительного включения батареи на зарядку предусмотрен выключатель S1. Падение напряжения, при котором срабатывает реле К6, регулируют с помощью движка резистора R4, а также изменением напряжения пружины реле К6.
Пример. На судах в качестве аварийных батарей используют девять аккумуляторов емкостью 45 А • ч, напряжением 12,5 В соединенных последовательно в две группы.
Виды судовых аккумуляторов
В зависимости от состава электролита аккумуляторы бывают кислотные и щелочные; щелочные в свою очередь разделяются на железо-никелевые, кадмиево-никелевые и серебряно-цинковые.
Кислотные аккумуляторы на судах используют главным образом в качестве стартерных, при пуске в ход дизелей. Основные технические данные кислотных аккумуляторов приведены в таблице 1.
Табл. 1. Основные технические данные кислотных аккумуляторов
Как видно из таблицы, кислотные аккумуляторные батареи состоят из трех или шести последовательно включенных элементов, соединенных в одном блоке или ящике; их общее напряжение соответственно 6 или 12 В.
Каждая кислотная батарея имеет условное обозначение (маркировку), которое ставится на межэлементных соединениях и на деревянном ящике. По маркировке можно определить номинальные емкость, напряжение, материал сепаратора и моноблока или бачка, а также месяц и год выпуска.
Первая цифра условного обозначения показывает количество элементов в батарее. Буквы, следующие за ней, обозначают назначение батареи: СТ — стартерная, СТК — стартерная для катеров. Цифры после букв характеризуют номинальную емкость в ампер-часах. Буквы, стоящие в конце, обозначают материал блоков: Э — эбонит, П — пластмасса, М — моноблок из эбонита, а также материал сепараторов: М — мипор, мипласт или материал, комбинированный с ними. Если батарея сухозаряженная, то после буквы, указывающей материал сепаратора, ставят букву С.
Кислотные аккумуляторы имеют сравнительно малое внутреннее сопротивление, поэтому их широко используют в судовых электростартерных установках. Однако в связи с падающей вольт-амперной характеристикой, зависящей от степени разряда, сравнительно слабой механической прочностью активной массы пластин и химически неустойчивыми соединениями с образованием в конечном итоге крупнозернистого сульфата свинца требуется тщательное соблюдение инструкции при их эксплуатации и хранении.
Емкость аккумуляторов зависит от плотности электролита. Для каждого аккумулятора существует оптимальная плотность электролита (в пределах 1,2 - 1,3 г/см3) в зависимости от режима разряда, температуры электролита и пр. В начале эксплуатации аккумулятора емкость его несколько ниже той, которую он получает после нескольких циклов заряда и разряда, так как формирование пластин аккумуляторов заканчивается в процессе их эксплуатации. При правильной эксплуатации емкость аккумуляторов остается в течение продолжительного времени неизменной, а затем вследствие постепенного выпадения активной массы из пластин, их сульфитации и увеличения саморазряда уменьшается. На рис. 1 приведены кривые, характеризующие работу кислотных аккумуляторов при различных условиях их разряда.
Рис. 1. График изменения напряжения на элементе кислотного аккумулятора типа СТК-180 в зависимости от времени разряда при режимах: 1 — 3-часовом; 2 — 6-часовом: 3 — 10-часовом; 4 — 18-часовом; 5 — 24-часовом
Кадмиево-никелевые аккумуляторы на судах находят применение для питания средств связи, сигнализации и для других целей. В табл. 2 приведены основные технические данные щелочных аккумуляторов.
Табл. 2. Основные технические данные щелочных аккумуляторов
Щелочные аккумуляторные батареи имеют значительные преимущества перед кислотными: возможность длительного хранения в полузаряженном и даже разряженном состоянии; большая перегрузочная способность по току и стойкость к коротким замыканиям; большой срок службы (в 3—4 раза больше, чем у кислотных аккумуляторных батарей); значительно большая механическая прочность; простота эксплуатации; несущественная зависимость емкости от разрядного тока.
Значительное внутреннее сопротивление кадмиево-никелевых и железоникелевых щелочных аккумуляторов ограничивает возможность их применения в стартерных установках вместо кислотных. Внутреннее сопротивление аккумуляторов определяется отношением напряжения к току разряда по характеристикам, указанным на рис. 2. Состав и изменение активных масс аккумуляторов при заряде и разряде приведены в табл. 3.
Размеры аккумуляторной батареи определяются ее напряжением и емкостью. Для повышения напряжения аккумуляторы включают последовательно, для увеличения емкости - параллельно.
Табл. 3. Состав и изменение активных масс аккумуляторов при заряде и разряде
В зависимости от назначения аккумуляторной батареи ее емкость и условия эксплуатации регламентируются Правилами Регистра.
Рис. 2. Кривые изменения напряжения кадмиево-никелевого аккумулятора в зависимости от времени разряда при режимах: 1 — 2-часовом; 2 — 5-часовом; 3 — 10-часовом: 4 — 20-часовом
Например, емкость аккумуляторной стартерной батареи для главных двигателей должна обеспечивать не менее 10 последовательных пусков дизеля от его холодного состояния без дополнительного подзаряда.
Стартерные аккумуляторные батареи могут заряжаться в буферном режиме от навешенных на дизели зарядных генераторов. Мощность этих генераторов должна быть достаточной для питания на ходу судна работающих приемников энергии и заряда батареи. Для заряда аккумуляторных батарей на судах, имеющих электростанцию на переменном токе, предусматривается зарядное устройство.
На серийных судах применяются автоматические зарядные устройства типа ВАКЗ (выпрямительные агрегаты кремниевые зарядные) или типа УЗА (устройство зарядное автоматическое). Основными элементами силовой части устройства ВАКЗ-2-40-2И (рис. 3) являются силовой трансформатор трехфазного тока Т1 с двумя вторичными обмотками и управляемый тиристорный выпрямитель V1—V3. Элементами управления устройства служат блок обратной связи по току БОС, блок стабилизации тока БСТ и блок формирования импульсов БФИ.
Рис. 3. Принципиальная схема зарядного устройства типа ВАКЗ-2-40-2И
Принцип действия схемы основан на свойстве тиристоров изменять в широких пределах среднее значение выходного напряжения путем фазового регулирования, т. е. вследствие задержки момента открытия тиристоров по отношению к началу положительной полуволны питающего напряжения. Выпрямительный мост выполнен по несимметричной трехфазной мостовой схеме и состоит из тиристоров V1—V3 и вентилей V4—V6. Управление тиристорами осуществляется блоком формирования импульсов. Автоматическая стабилизация среднего значения зарядного тока обеспечивается с помощью отрицательной обратной связи. В качестве датчиков обратной связи используются трансформаторы тока Т2. Сигнал обратной связи от трансформаторов тока через выпрямительный мост диодов V7—V12 и переключатель зарядного тока S1 поступает в блок стабилизации тока БСТ, который в свою очередь определяет текущее значение фазы управляющих импульсов блока БФИ. Таким образом, аккумуляторная батарея заряжается при стабилизации зарядного тока, выпрямленное напряжение при этом растет по мере заряда батареи. Зарядное устройство имеет два параллельных блока, что позволяет вести заряд двух аккумуляторных батарей. Контроль тока и напряжения осуществляется амперметром и вольтметром, включаемыми переключателями S2, S3.
Устройство УЗА-60-32 аналогично устройству типа ВАКЗ, получает питание от судовой трехфазной сети и на таком же принципе обеспечивает автоматическую стабилизацию зарядного тока. Оно имеет автоматическое выключение аккумуляторной батареи в конце заряда. Специальным переключателем устанавливают длительность цикла заряда, по истечении которого срабатывает программное реле времени и отключает устройство.
Включение его возможно лишь при правильно подключенной аккумуляторной батарее, от напряжения которой срабатывает реле подготовки цепи магнитного пускателя.
Автоматизация судовых электростанций обеспечивает возможность непрерывного питания ответственных приемников энергии при переключении на аварийные источники тока.
Если напряжение на шинах ГЭРЩ внезапно снижается или отключается, ответственные приемники ходового режима (рулевой электропривод, ДАУ с электроприводом, аварийное освещение, рулевые указатели, машинный телеграф и сигнальные огни) получают питание от аварийных аккумуляторных батарей, схема которых приведена на рис. 4.
Рис. 4. Принципиальная схема аварийных аккумуляторных батарей
Включение батарей на разряд и на подзарядку происходит автоматически. Во время хода судна пакетный выключатель Q на щите батарей включен. При исчезновении напряжения на шинах ГЭРЩ или уменьшении его до 90 В реле напряжения К2 размыкает свой контакт К2.1, и катушки контакторов К1, К3, К4 обесточиваются. Главные контакты К1.1 отключают шины основных приемников от ГЭРЩ. Контакты К4.1 и К4.2 размыкаются, а К3.1 и К3.2 замыкаются.
Две группы батарей напряжением 56 В каждая с помощью контакта К3.2 соединяют последовательно и подключают на разряд. Одновременно получает питание катушка реле времени К5, контакты которого мгновенно замыкаются, подготавливая цепь для включения катушки контактора К4. Через вспомогательный контакт К3.1 включается звонок Н1, установленный в рубке и сигнализирующий о разрядке батарей.
При появлении на ГЭРЩ напряжения 100—110 В катушка реле напряжения К2 получает питание, и реле, замыкая свой контакт К2.1, включает контакторы К1 и К3. Контакт К3.2 размыкается, а контакты К1.1 замыкаются. Одновременно получает питание катушка контактора К4 через замкнутый контакт реле времени К5.1. Контакты К4.1 и К4.2 замыкаются.
Батареи соединяются параллельно двумя группами и через аккумуляторы идет зарядный ток. Контакт К3.1 размыкается, и катушка реле времени К5 обесточивается, но вследствие выдержки времени будет удерживать контакт К5.1 в замкнутом положении в течение 3 с после момента отключения.
Если батарея не разрядилась, зарядный ток будет небольшой и падение напряжения на регулирующем резисторе R5 будет недостаточным для срабатывания реле напряжения К6.
Поэтому по истечении выдержки времени реле К5 отключит питание катушки контактора К4. Контакты К4.1 и К4.2 разомкнутся, отключив батарею от шин ГЭРЩ.
Если же батарея сильно разрядилась и зарядный ток составляет более 6 А, на резисторах R5 и R6 создается падение напряжения, достаточное для срабатывания реле напряжения К6.
Контакт К6.1 замыкается и шунтирует контакт реле времени К5.1, который по истечении выдержки времени размыкается. Катушка контактора К4 получает питание через замкнутый контакт К6.1, и контакты К4.1 и К4.2 остаются замкнутыми.
По мере зарядки батареи зарядный ток уменьшается. При токе меньше 6 А падение напряжения на регулирующем реостате становится недостаточным для удержания реле напряжения К6. Контакт К6.1 размыкается, отключая питание катушки контактора К4, который размыкает зарядную цепь. Для принудительного включения батареи на зарядку предусмотрен выключатель S1. Падение напряжения, при котором срабатывает реле К6, регулируют с помощью движка резистора R4, а также изменением напряжения пружины реле К6.
Пример. На судах в качестве аварийных батарей используют девять аккумуляторов емкостью 45 А • ч, напряжением 12,5 В соединенных последовательно в две группы.
