CC BY
62
Lutonin Aleksandr Sergeevich, postgraduate, lutonin93@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Shklyarskiy Yaroslav Elievich, doctor of technical sciences, docent, js-10@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
УДК 621.355.29
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА
А.А. Постников
Приводятся описание эксперимента и результаты измерений внутреннего сопротивления стартерных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей на переменном токе. Выполненные измерения позволили построить зависимости внутреннего сопротивления аккумуляторных батарей от степени заряженности и температуры электролита.
Ключевые слова: емкость, техническое состояние, степень заряженности, внутреннее сопротивление.
В настоящее время аккумуляторные батареи используются в различных отраслях промышленности, однако, независимо от области применения аккумуляторных батарей (АБ), своевременная информация об их техническом состоянии крайне важна для эксплуатирующего персонала. Наибольшей достоверностью обладает метод оценки технического состояния АБ по величине фактической емкости, но этому методу присущи такие недостатки, как большая длительность, высокие стоимость и трудоемкость. По мнению широкого круга исследователей, наиболее перспективен метод оценки технического состояния АБ по внутреннему сопротивлению [1]. Помимо оценки технического состояния АБ и её правильной эксплуатации в реальных условиях, внутреннее сопротивление применяется и в математическом или имитационном моделировании работы АБ [2]. Различают методы измерения гвн, Ом, на переменном и постоянном токах. Методики измерения гвн подробно описаны в ГОСТ Р МЭК 60285-2002 [3], ГОСТ Р МЭК 61960-2007 [4].
Наиболее распространенными являются свинцово-кислотные АБ. Они применяются на транспорте, в системах бесперебойного электропитания телекоммуникационного оборудования, в качестве накопителей электроэнергии и др. Внутреннее сопротивление свинцово-кислотных батарей измеряется лишь на постоянном токе ГОСТ Р МЭК 60896-21-2013 [5], ГОСТ Р МЭК 60896-11-2015 [6]. Из ГОСТ Р 53165-2008 [7] следует, что измерение внутреннего сопротивления стартерных свинцово-кислотных АБ вовсе не предусмотрено. Тем не менее, исследователями продолжаются работы по совершенствованию методов измерения внутреннего сопротивления и оценки технического состояния свинцово-кислотных АБ, в том числе и при различных температурах окружающей среды [8].
415
В связи с этим, представляется важным на основе эксперимента выполнить проверку возможности оценки технического состояния стартер-ных свинцово-кислотных АБ по внутреннему сопротивлению. Таким образом, необходимо установить зависимость внутреннего сопротивления от количества электричества, которое АБ может отдать во внешнюю электрическую цепь при различных температурах электролита.
Описание экспериментальной установки. В качестве объекта исследования использовались стартерные свинцово-кислотные АБ типа 6СТ-190L(4) производства ООО «РАЗ Тангстоун» номинальным напряжением ином = 12 В и номинальной емкостью Сном = 190 А-ч. До начала эксперимента исследуемые АБ в эксплуатации не были. Эксперимент проводился в аттестованной лаборатории. Основу экспериментальной установки составили:
тестер аккумуляторных батарей «BITRODE LCN 6-50-12»; термопары (ТП) хромель-копелевые (ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ); климатическая камера «CRIO-KING ULTRA LOW»; набор ареометров АОН-1 (700 - 1840); мультиметр «ApPA 109N»;
измеритель-регулятор температуры «ОВЕН ТРМ-138»; тестер аккумуляторных батарей «Midtronics Celltron Start CTS-500»; USB осциллограф - генератор «PCSGU250»; портативный электроизмерительный прибор «Анализатор ЭДА». Регистрация измеряемых параметров АБ осуществлялась в ручном и автоматизированном режиме на электронно-вычислительной машине (ЭВМ) при помощи установленного программного обеспечения: VisuaLCN Lab Client; PC-LAB2000LT;
SCADA Owen Process Manager V. 1.
Предварительно выполнен монтаж термопар (ТП) в кислотостойкой оболочке внутри корпуса АБ. Всего смонтировано пять ТП. Общий вид АБ, размещенной в климатической камере со смонтированными ТП, представлен на рис. 1.
Три ТП размещались в крайних и среднем аккумуляторах, одна ТП смонтирована на выводе батареи и еще одна находилась в подвешенном состоянии для контроля температуры внутри морозильной камеры. К выводам АБ подключены «Midtronics Celltron Start CTS-500» и портативный электроизмерительный прибор «Анализатор ЭДА».
Экспериментальная установка позволяла измерять емкость АБ C, А-ч; степень заряженности АБ АСз, %; напряжение разомкнутой цепи Uнрц, В; напряжение под нагрузкой ин, В; ток разряда /р, А; время заряда
/з, А; плотность электролита р, кг/м , температуру электролита Тэл, К, (t^, °C); температуру окружающей среды Токр, К, (t^, °C);
время разряда тр, c; время заряда тз, c; ток холодной прокрутки /хп, А;
внутреннее сопротивление гвн, Ом.
а б
Рис. 1. Общий климатической камеры: а - общий вид климатической камеры; б - общий вид батареи внутри климатической камеры
Методика измерений. Перед экспериментом выполнены замеры параметров АБ. Контрольный разряд батарей выполнен в соответствии с методикой, изложенной в ГОСТ Р 53165-2008 [7]. Частичный разряд АБ осуществлялся при помощи универсального тестера аккумуляторных батарей «ЫТЯОБЕ ЬСК 6-50-12» путем подсчета электричества, отданного во внешнюю электрическую цепь на постоянную нагрузку. Каждому разряду предшествовал полный заряд АБ. Измерения параметров, за исключением количества отданного электричества, выполнялись после релаксации батарей не менее 12 часов. Результаты измерений представлены в таблице.
Усредненные значения эксплуатационных параметров батарей
АСз, % С, А-ч Р,х103, кг/м3 t °C Uнрц,В Гвн, х10 3, Ом
100 193 1,287 24,6 12,84 2,181
75 147 1,254 25,1 12,63 2,293
50 95 1,213 24,5 12,21 2,515
0 0 1,077 24,9 11,7 4,945
Контрольные замеры внутреннего сопротивления гвн выполнены «Анализатором ЭДА». Дополнительно изменения напряжения АБ ин при подаче тестового сигнала фиксировались USB осциллографом. Степень за-ряженности АБ АСз, ток холодной прокрутки /хп определялся при помощи «Midtronics Celltron Start CTS-500».
Затем АБ помещалась в морозильную камеру. Температура внутри нее устанавливалась ¿окр = -40 °C. Изменения значений температур записывались в автоматизированном режиме с периодичностью одна минута (рис. 2).
В целях исключения возможных ошибок и взаимного влияния друг на друга, измерительные приборы подключались к АБ поочередно. Периодичность измерений 15 минут. Величина внутреннего сопротивления гвн вычислялась по формуле
= AU ~ Гвн f / '
где гвн - внутреннее сопротивления АБ, измеренное на частоте сигнала £
Гц; Аи~ - изменение напряжения АБ при воздействии тестового сигнала, В; - переменный ток, пропускаемый через АБ, А.
а б
Рис. 2. Окно текущего процесса SCADA Owen Process Manager v.1: а - график изменения температур электролита, вывода АБ и климатической камеры; б - рабочее окно SCADA Owen
ProcessManager v.1
Для расчета гвн бралось действующее значение переменного напряжения DU ~. На генераторе устанавливалась частота переменного напряжения f=10 Гц с номиналом U~ = 100 мВ. Затем генератор подключался к выводам АБ. Параллельно к выводам АБ подключался USB осциллограф.
Результаты измерений. Эксперимент позволил выявить качественные особенности изменения внутреннего сопротивления АБ с различными степенью заряженности и температурой электролита. Зависимости емкости и внутреннего сопротивления полностью заряженной АБ типа 6СТ-190 от температуры представлены на рис. 3.
1,2 -
et о
О к н о
0,6 -
0,4 -
0,2
0 -
t • 1
• г '
., «
Г" ХУ
•
230
250
270
7", К
310
4.5 „ £
'3.5
2.5
•
»ч • ;
1
•
1 + 1
230
250
Г. К
290
а б
Рис. 3. Зависимости емкости и внутреннего сопротивления полностью заряженной АБ типа 6СТ-190 от температуры: а - зависимость емкости полностью заряженной АБ от температуры электролита; б - зависимость внутреннего сопротивления полностью заряженной АБ от температуры электролита 418
Зависимость емкости АБ от температуры электролита (рис. 3, а) не линейна, и изменяется в диапазоне рабочих температур примерно от 1,03 при температуре электролита 25 °С (298 К) до 0,5 отн. ед. при температуре электролита минус 40 °С (233 К) или от 195 до 95 А-ч. Внутреннее сопротивление полностью заряженной батареи (рис. 3, б) изменяется в диапазоне от 2,143 мОм при температуре электролита 25 °С (298 К) до 4,1 мОм при температуре электролита минус 40 °С (233 К). Дальнейшее снижение температуры электролита и глубокие разряды АБ могли спровоцировать их выход из строя.
Известно, что емкость АБ коррелирует с таким параметром, как степень заряженности батареи. Это позволило построить зависимости внутреннего сопротивления от степени заряженности АБ при различных значениях температуры электролита (рис. 4).
50 60 70_^ 80 АС, % 100
Рис. 4. Зависимость внутреннего сопротивления от степени заряженности батареи при различной температуре электролита
Представленные на рис. 4 зависимости внутреннего сопротивления от степени заряженности батареи при различной температуре электролита имеют практическую ценность и позволяют оценить техническое состояние АБ в различных условиях эксплуатации.
Анализ зависимостей, представленных на рис. 3, а, б и 4, позволил установить целевую функцию - внутреннее сопротивление АБ. На рис. 5 приведена функция внутреннего сопротивления АБ от температуры электролита и емкости АБ при частоте воздействующего переменного тока 10 Гц. Экспериментальные данные обработаны в среде пакета прикладных программ «8ТЛШТ1СЛ 10».
Функция отклика внутреннего сопротивления имеет вид
г = 0,0007х2 + 5,556у2 - 0,332х +17,968у - 0,099ху + 43,827, в натуральном масштабе гвн = 0,0007 • Т2 + 5,556 • С2 - 0,332 • Т + 17,968 • С - 0,099 • Т • С + 43,827.
В области нижней границы частотного диапазона импеданс достигает сравнительно больших значений, что объясняется более сильным характером поляризации диффузии, которая увеличивается при уменьшении частоты воздействующего тока.
При пропускании через батарею переменного тока с номиналом близким к 1000 Гц отклонение напряжения на выводах батареи составляло
около Лин~ »1,5 • 10-6 В, тогда как при частотах переменного тока около
10 Гц А ин~ » 2 -10"4 В и более. Отсюда следует, что изменение напряжения на выводах батареи в указанной области частот обладает большей чувствительностью, следовательно, с экономической точки зрения, предпочтительнее при измерениях.
Рис. 5. Зависимость внутреннего сопротивления (/ = 10 Гц)
батареи 6СТ-190 от емкости и температуры электролита
Несомненно, данные о связи внутреннего сопротивления гвн и напряжения на выводах АБ Аин могут быть достаточно информативны при контроле технического состояния АБ. Гораздо большую ценность представляют данные о связи внутреннего сопротивления гвн с емкостью АБ С. В таком случае гвн может быть успешно применено и при моделировании работы АБ.
Заключение. Таким образом, для определения технического состояния АБ может быть использовано внутреннее сопротивление. Экспериментальным путем установлена связь величины внутреннего сопротивления переменному току и емкости АБ при различной температуре электролита. Выполнены измерения внутреннего сопротивления стартерных свин-цово-кислотных АБ типа 6СТ-190Ц4) номинальной емкостью 190 А-ч и напряжением 12 В. Выявлено семейство зависимостей внутреннего сопротивления от степени заряженности батарей при различной температуре электролита.
Показано, что емкость АБ в диапазоне рабочих температур изменяется от 190 А-ч при температуре электролита 25 °С до 95 А-ч при температуре электролита минус 40 °С. Внутреннее сопротивление полностью заряженной батареи изменяется в диапазоне от 2,143 мОм при температуре электролита 25 °С до 4,1 мОм при температуре электролита минус 40 °С.
Установлено, что внутреннее сопротивление АБ, измеренное методом переменного тока частотой 10 Гц, обладает большей чувствительностью, чем в области частот близких к 1000 Гц. Следовательно, применение при измерениях внутреннего сопротивления области частот 10 Гц предпочтительнее.
420
Автор благодарен коллективу ООО «РАЗ Тангстоун» и лично генеральному директору Васильеву Ю.В. за предоставленные для эксперимента образцы аккумуляторных батарей, а также заместителю генерального директора по научной работе ООО «АК Бустер» Алешкину А.А. за ценные советы при планировании эксперимента.
Список литературы
1. Чупин Д.П. Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей: дисс. ... канд. техн. наук: 05.11.13. Омск, 2014. 203 с.
2. Афанасьев В.М., Григорьев А.С., Клестов К.А., Павлов Д.В., Пе-чак В.В. Измерение внутреннего сопротивления свинцово-кислотного аккумулятора в режиме его зарядки // Электрохимическая энергетика. 2014. Т. 14. № 3. С. 164-169.
3. ГОСТ Р МЭК 60285-2002. Аккумуляторы и батареи щелочные. Аккумуляторы никель-кадмиевые герметичные цилиндрические. Введ. 01.07.2003. М.: Изд-во стандартов, 2003. 15 с.
4. ГОСТ Р МЭК 61960-2007. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочные и другие некислотные электролиты. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи литиевые для портативного применения. Введ. 27.12.2007. М.: Стандартинформ, 2008. 10 с.
5. ГОСТ Р МЭК 60896-21-2013. Батареи свинцово-кислотные стационарные. Часть 21. Типы с регулирующим клапаном. Методы испытаний. Введ. 22.11.2013. М.: Стандартинформ, 2014. 31 с.
6. ГОСТ Р МЭК 60896-11-2015. Батареи свинцово-кислотные стационарные. Открытые типы. Общие требования и методы испытаний. Введ. 20.11.2015. М.: Стандартинформ, 2016. Часть 11. 15 с.
7. ГОСТ Р 53165-2008. Батареи аккумуляторные свинцовые стар-терные для автотракторной техники. Общие технические условия. Введ. 01.07.2009. М.: Стандартинформ, 2009. 33 с.
8. Алёшкин А.А., Бубнов Ю.И., Протопопов В.Х., Ягнятинский В.М. Метод оперативной диагностики основных эксплуатационных параметров свинцовых аккумуляторов (батарей) // Матер. 9-й междунар. конф. по свин-цово-кислотным аккумуляторам LABAT 2014. Sofia: Lead-Acid Batteries Department institute of Electrochemistry and Energy Systems, Bulgarian Academy of Sciences, 2014. С. 197-200.
Постников Александр Александрович, начальник учебной лаборатории, aapost-nikov@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское гвардейское высшее воздушно-десантное командное училище
EXPERIMENTAL STUDY CHANGES IN INTERNAL RESISTANCE LEAD-ACID BATTERY
A.A. Postnikov 421
The description and results of measurements of the internal resistance of the battery at different levels of charge and temperature of the electrolyte are given. It was found that the parameter change in the AB voltage has a greater sensitivity when exposed to alternating current in the frequency range less than 20 Hz.
Key words: capacity, technical condition, degree of charge, internal resistance.
Postnikov Alexander Alexandrovich, head of the training laboratory, aapost-nikov@mail.ru, Russia, Ryazan, Ryazan guards higher airborne command school
УДК 621.311.25
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МОДУЛЯМИ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ КУБА
Д.Д. Герра, Э.В. Яковлева, Я.Э. Шклярский
В статье представлены результаты моделирования в среде Matlab/Simulink различных электрических компонентов, составляющих солнечную электростанцию (СЭС) мощностью 5 кВт, подключенных к электрической сети региона Сантьяго-де-Куба (Республика Куба). Разработанная модель позволяет исследовать вольт-амперные характеристики (ВАХ) солнечных модулей в зависимости от таких метеорологических условий, как интенсивность солнечного излучения, температура окружающей среды, относительная влажность и скорость ветра, как для стационарных СЭС, так и для СЭС с системами слежения за солнцем. Кроме того, с помощью математической модели однофазного солнечного инвертора и однофазного электрического трансформатора, реализованного в программе, возможно исследовать поведение электрических переменных системы, таких как активная, реактивная и полная мощности, коэффициент мощности системы. В заключение следует отметить, что разработанная модель позволяет исследовать системы подключения СЭС к сети с учетом специфических климатических условий региона.
Ключевые слова: моделирование, солнечная электростанция, система слежения за солнцем, ВАХ солнечного модуля.
В данной статье описаны следующие этапы проведенных исследований - анализ существующей системы электроснабжения в регионе, моделирование солнечного модуля и системы слежения, включающее в себя моделирование движения Солнце по небосводу в данном регионе, произведенном на основании анализа метрологических особенностей региона, моделирование инвертора и трансформатора. Заключительным этапом было экспериментальное исследование СЭС в метрологических условиях региона Сантьяго де Куба.
В настоящее время экспериментальная фотоэлектрическая СЭС мощностью 5 кВт в провинции Сантьяго-де-Куб вырабатывает около 13,2 МВтч электроэнергии в год, которая поступает в электросеть региона. Она имеет 20 солнечных модулей с максимальной мощностью 250 Вт, которые образуют две цепи из 10 фотоэлектрических модулей с максимальной
422
