CC BY
68
УДК. 622.22
ГУТАРЕВИЧ В.О., д.т.н., профессор (Донецкий национальный технический
университет)
РЯБКО К.А., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) ЗАХАРОВ В.А., ассистент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Исследование условий работы аккумуляторных батарей локомотивов
Gutarevich V.O., Doctor of Technical Science, Professor (DONNTU), Ryabko K.A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DRTI) Zakharov V.A., Assistant (DRTI)
Study of the operating conditions of locomotive batteries
Введение
В настоящее время на локомотивах, широко применяются кислотные аккумуляторные батареи, которые служат для пуска дизельной установки, питания приборов
безопасности и низковольтных цепей. Разрядка аккумуляторных батарей происходит в двух режимах: длительном, малыми токами (питание приборов безопасности и цепей управления) и кратковременном, пиковым разрядом (пуск дизельной силовой установки). Первый режим не оказывает существенного влияния на срок службы и работоспособность батареи. При пуске дизеля (второй режим) пиковые значения разрядного тока могут достигать значений 900...1500 А [1]. Зарядка
аккумуляторной батареи представляет собой процесс, обратный разрядке.
Анализ последних исследований и публикаций
На данный момент свинцово-кислотные аккумуляторные батареи довольно широко изучены [2, 3, 4]. Данный тип аккумуляторов получил применение еще в начале двадцатого
века [3], однако они применяются и по нынешнее время на магистральных локомотивах, подземном рельсовом транспорте и т.д. Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи имеют 500 и более циклов заряда-разряда. При соблюдении правил эксплуатации РД 34.50.502-91 [5] жизненный цикл можно увеличить вдвое. Также продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи могут лечебные методы заряда [6]. Однако условия эксплуатации аккумуляторных батарей на
локомотивах не соответствуют стандартам, указанным в ГОСТ Р МЭК 62485-3 [7].
Цель работы
Рассмотреть процессы,
протекающие в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях при работе на подвижном составе, основные недостатки существующих зарядных устройств, влияющие на срок службы аккумуляторных батарей и провести их сравнительный анализ.
Основная часть
Выполним оценку влияния условий работы аккумуляторной
батареи на тяговом подвижном составе с целью определения резервов продления ее срока службы.
При работе аккумуляторная батарея отдает свою емкость потребителям. Отдача емкости батарей при пуске дизельной установки представляет собой процесс, который можно описать следующим уравнением [6]:
Сп = 1Р • г,
(1)
где 1р - средний разрядный ток при пуске дизеля, А;
^ - время пуска дизеля (1 = 3.. .5 с) при этом средний разрядный ток при пуске дизеля составляет 565 А [1].
Разрядка батарей в длительном режиме так же может быть описана уравнением (1), где 1р принимает значение тока разряда на цепи управления и приборы безопасности, время I принимает значение времени питания вспомогательных цепей.
В процессе эксплуатации тягового подвижного состава возникают технологические остановки дизеля. Разрядная емкость батареи, которая приходится на пуск дизеля за смену, будет определяться следующим выражением:
С
П.СМ
= СП ■п,
(2)
где п - количество пусков дизеля за смену.
На разряженность
аккумуляторной батареи влияют не только рабочие разряды при пуске дизеля, но и саморазряд батареи [3]. Как и все электрохимические системы, свинцовые аккумуляторные батареи обладают потерей емкости при отсутствии нагрузки. Саморазряд аккумуляторной батареи является
последствием не только температурной нестабильности, но и фактического срока эксплуатации аккумуляторной батареи. С понижением температуры саморазряд батареи уменьшается, а у аккумуляторных батарей, которые не были в эксплуатации, стремится к нулю. Однако при пониженных температурах происходит естественная потеря емкости вследствие замедления электрохимических процессов.
С учетом среднесуточного саморазряда аккумуляторной батареи, равной 0,015С %, саморазряд батареи определяется из выражения:
Сср = гп • 0,015С,
(3)
где ^ - средняя продолжительность простоя локомотива с отключенной аккумуляторной батареей, сут.
Величина средней разрядной емкости составляет 0,78 А-ч. в зависимости от продолжительности пуска дизеля, окружающей температуры и других факторов, оказывающих влияние на ее работоспособность, без учета ее саморазряда при нахождении локомотива в холодном простое.
При емкости штатных
аккумуляторных батарей 150.450 А-ч эта величина чрезмерно мала и составляет порядка 0,2.0,5 % емкости. Поэтому актуальным является вопрос оценки не только разрядки аккумуляторных батарей, но и их зарядки.
Для анализа процесса зарядки, прежде всего, необходимо знать расчетное время заряда разряженной аккумуляторной батареи, которое определяется формулой (4).
г = Ас • ^ • I .
р.з с.з -
Ла
(4)
где Ас - процент разряженности аккумуляторной батареи, %;
сп - номинальная емкость аккумуляторной батареи, А-ч;
Лс - КПД отдачи по емкости; 1СЗ - средний зарядный ток аккумуляторной батареи, А.
Коэффициент полезного действия отдачи по емкости в полной мере зависит от состояния аккумуляторной батареи и определяется по формуле:
СР
Лс= -100%,
с С
(5)
где С - емкость аккумуляторной батареи, отданная при разряде, А-ч;
С - емкость аккумуляторной
батареи, сообщенная ей при заряде, А-ч.
При этом стоит отметить, что для каждого режима разряда имеется нижний предел напряжения,
граничащий с образованием толстого слоя сульфата свинца в порах активных веществ, что приводит к трудностям в последующем заряде аккумуляторной батареи, так как сернокислый свинец обладает низкой электропроводностью. Процесс образования, которого можно описать следующим выражением:
РК + т2- + 4Н+ + 2е" <->РЬБО. + 2НО ;(б)
РЬ + БО2~ - 2е -<-
->РЬ8О4.
(7)
На тяговом подвижном составе процесс заряда аккумуляторной батареи осуществляется с помощью бортового зарядного устройства, исполненного, как по полупроводниковой схеме, так и с помощью контактного регулятора напряжения.
На основании теоретического анализа рассмотрим, как влияет на разрежённость батареи
продолжительность ее работы [5]. Рабочие разряды батареи
осуществляются только при запуске дизеля и работе цепей управления и приборов безопасности. При пуске дизеля разрядный ток изменяется от 1000.1800 А, при реальной длительности пуска, равный
3.5 секунд, потребляемая разница емкости необходимая для одного запуска дизеля невелика и колеблется в пределах 0,6...1 А-ч. В связи с тем, что чередование периодичности запуска дизеля является случайным процессом, то есть работа на холостом ходу или остановка не регламентированы, а на маневровых локомотивах
непредсказуема, то аккумуляторная батарея может находиться в рабочем состоянии самое разнообразное время. В результате систематических недозарядов возникает невосполнимая потеря емкости, так как они приводят к образованию плотной сульфатной пленки, преобразование которой в активную массу электродов затрудняет процесс заряда аккумуляторной батареи, требуя большой затраты как тока, так и времени для ее заряда.
Наряду с проблемой недозаряда стоит перезаряд [2]. Достигнув состояния полной заряженности, заряд аккумуляторной батареи следует прекратить, во избежание перезаряда. Однако в реальных условиях, вследствие отсутствия устройств, которые позволяют прервать заряд батареи, зарядка аккумуляторной батареи продолжается.
Систематические перезаряды
способствуют разрыхлению и оползанию активной массы пластин. Активная масса отрицательных электродов при перезаряде батареи уплотняется, что приводит к потере емкости аккумуляторной батареи. Отсюда следует, что аккумуляторные
батареи практически постоянно находятся в режиме либо недозаряда, либо перезаряда, соответственно нарушается их энергетический баланс.
Для нормальной работы аккумуляторной батареи и продления ее срока службы, необходимым является реализовать работу зарядного устройства таким образом, чтобы соблюдался энергетический баланс аккумуляторной батареи. Для соблюдения энергетического баланса батареи количество ампер-часов, полученных при заряде, должно соответствовать количеству ампер-часов, отданных от батареи при разряде с учетом коэффициента использования зарядного тока.
Определить емкость, сообщенную батарее при заряде батареи можно, исходя из следующего выражения:
С = I ■ г,
зар 5
(8)
где I - математическое ожидание
зарядного тока, А;
t - средняя продолжительность работы аккумуляторной батареи, сут.
Зарядное устройство питает аккумуляторную батарею
несглаженным, прерывистым током, величина которого зависит от состояния аккумуляторной батареи и мгновенного значения напряжения на выходе из выпрямителя [4].
I =
и - Е Я„
(9)
где I - мгновенное значение зарядного тока, А;
и - мгновенное значение выпрямленного напряжения, В;
Е - ЭДС аккумуляторной батареи,
В;
Я - суммарное сопротивление цепи заряда вместе с внутренним сопротивлением батареи, Ом.
Проанализировав данную формулу видим, что при использовании неуправляемого выпрямителя ток заряда пульсирующий, причем в течение всего времени работы локомотива происходит непрерывный заряд аккумуляторной батареи этим током. Согласно характеристикам бортового зарядного устройства, заряд аккумуляторной батареи производится постоянным напряжением, при этом зарядный ток уменьшается.
Существующий эксплуатационный режим, при котором все время работы локомотива аккумуляторной батарее сообщается зарядный ток, неприемлем, так как сообщенная аккумуляторной батарее емкость превышает емкость, затраченную на пуск дизельной установки, что нарушает требования ГОСТа Р МЭК 62485-3 [7] и, в свою очередь, вызывает ее преждевременный выход из строя. Также постоянный заряд аккумуляторных батарей приводит к повышению температуры электролита. Учитывая особенности климата в регионе Донецкой железной дороги, можно прийти к выводу, что батареи в теплое время года могут эксплуатироваться при температурах, свыше предельных, при которых разрешается заряд аккумуляторных батарей. Находясь на солнце, аккумуляторный отсек локомотива нагревается, и температура воздуха в нем может значительно возрасти до запрещенных стандартом температур -45 оС, что негативно влияет на состояние аккумуляторной батареи.
По данным за июнь-август 2018г. температура атмосферного воздуха достигала максимальных значений в пределах 27.30 оС [6].
На основании экспериментальных данных, полученных в локомотивном депо Ясиноватая, температура в машинном отделении достигала 50.60 оС. Проанализировав
вышесказанное, можно сделать вывод, что схема заряда аккумуляторных батарей нуждается в модернизации, а именно контроле времени, тока и напряжения зарядки. Данные методы расчета справедливы для всего подвижного состава, включая рудничный, на котором установлены свинцово-кислотные аккумуляторные батареи.
Приведенные уравнения (1-9)
справедливы локомотивов Однако на происходит
также для гибридных подземного транспорта.
данных локомотивах более глубокий разряд
вследствие дополнительного отбора электроэнергии на питание тяговых электродвигателей [11].
Рассмотрим методы заряда аккумуляторных батарей локомотивов для определения параметров окончания заряда [12]:
- заряд постоянным по величине током (рис. 1). При данном методе ток в процессе заряда остается постоянным, а напряжение на аккумуляторной батарее зависит от тока и времени заряда.
Рис. 1. Схема зарядного устройства при постоянном токе
Изменение напряжения
предпочтительнее, так как оно не вызывает дополнительных потерь. При данном методе в схему обычно включают дополнительное
сопротивление. Зарядка
аккумуляторной батареи производится номинальным током, а
продолжительность зарядки
ограничивается началом «кипения» электролита. После появления пузырьков заряд данным током аккумуляторной батареей не
воспринимается, а идет на разложение воды и разрушение пластин. Для более
полной зарядки этим методом зарядный ток необходимо уменьшить в 2 раза. Данный процесс может быть продолжен при условии непостоянства плотности электролита до его уравнения.
Исходя из вышесказанного, следует, что данный метод зарядки аккумуляторных батарей не приемлем для применения на тяговом подвижном составе, так как в схеме отсутствуют приборы автоматического отключения питания аккумуляторной батареи, что приводит к процессам разрушения описанным выше;
- заряд при постоянном по величине
напряжении (рис. 2). При данном методе зарядное напряжение поддерживается неизменным, а ток в
процессе заряда убывает с ростом напряжения на аккумуляторной батарее.
Рис. 2. Схема зарядного устройства при постоянном напряжении
Данный метод широко
распространен на отечественном подвижном составе. Источником тока данной схемы является
вспомогательный генератор
локомотива. Процесс зарядки в данном случае происходит в течение всего времени работы локомотива, и, как следствие, приводит к перезаряду аккумуляторной батареи [12].
Штатные схемы зарядки аккумуляторных батарей практически одинаковы. Цепь включает в себя диод зарядки батареи, разделяющий напряжение вспомогательного
генератора и аккумуляторной батареи. В процессе работы аккумуляторная батарея отдает свою емкость, теряя при этом свое напряжение, после чего диод открывается, пропуская рабочий ток питания аккумуляторной батареи. После повышения напряжения на
аккумуляторной батарее диод закрывается, не пропуская ток в обратном направлении. Однако недостатком данной схемы также является отсутствие приборов
автоматического отключения зарядки, что приводит, как было сказано ранее, к перезаряду и, соответственно, к преждевременному выходу ее из строя; - заряд функционально зависящим током. При данном методе заряда величина тока заряда зависит от определенного параметра. Это можно рассмотреть на примере метода, известного под названием «Закон ампер-часов», который заключается в следующем: аккумуляторная батарея заряжается током, равным 95 % емкости, которую необходимо сообщить аккумуляторной батарее. Метод «ампер часов наиболее перспективен и позволит улучшить условия работы аккумуляторной батареи.
Выводы
При исследовании условий работы свинцово-кислотных
аккумуляторных батарей тягового подвижного состава были выявлены факторы, негативно влияющие на срок
их эксплуатации. Работа
аккумуляторных батарей происходит при частых сменах температурного режима, причем зачастую температуры в аккумуляторных отсеках превышают допустимые нормы, что приводит к потере ее емкости. Постоянные недозаряды и перезаряды (вследствие постоянной работы зарядного устройства локомотива) в значительной мере сокращают срок службы, что требует модернизации подвижного состава иными зарядными
устройствами, ограничивающими время подачи и регулирования напряжения и тока на аккумуляторную батарею. При этом режимы заряда не должны быть ниже пределов, граничащих с образованием толстого слоя сульфат свинца, что, в свою очередь, усложняют последующую эксплуатацию
аккумуляторной батареи.
Список литературы:
1. Тартаковский Е.Д. Анализ экспериментальных данных и их сравнение с результатами теоретических исследований на основании разработанной адаптивной математической модели аккумуляторных батарей системы пуска тепловозных дизелей / Е.Д. Тартаковский, Ю.В. Кривошея, К.О. Рябко // Сборник научных трудов. - Донецк: ДонИЖТ, 2011. -Вып 28. - С. 136-142.
2. Шахтный подземный транспорт: справ. изд. : Т. 1. Шахтный локомотивный и рельсовый транспорт / Ю. Ф. Бутт [и др.] / Под общ. ред. Б. А. Грядущего; Науч.-исслед. ин-т. горн. механики им. М. М. Федорова. -Изд. 2-е, перераб. и доп. - Донецк: ВИК, 2011. - 481 с.
3. Кретчмар Ф.Е. Болезни свинцовых аккумуляторов, их
возникновение, установление,
устранение, предупреждение. - М.: Госэнергоиздат, 1934. - 216 с.
4. Лызнов Ю.В. Сборник работ по химическим источникам тока - М.: Энергия, 1981. - 263 с.
5. Инструкция по эксплуатации стационарных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. - Введен 01.10.97. - М.: Топлива и энергетики РФ, 1996. - 31 с.
6. Гинделис Я.Е. Химические источники тока. Процессы при эксплуатации и характеристики источников тока. - М.: Энергия, 1975. -258 с.
7. Адаптивные методы заряда свинцовых аккумуляторов. - Режим доступа http://adopt-zu.soroka.org.ua/vosst.html. - Заглавие с экрана.
8. ГОСТ Р МЭК 62485-3-2013. Батареи аккумуляторные и аккумуляторные установки. Требования безопасности. Часть 3. - Введ. 2015.01.01 - М.: Стандартинформ, 2014.
9. Русин А.И. Химические источники тока. - М.: Энергия, 1984. -352 с.
10. Погода в Донецке за июнь, июль, август 2018г. - Режим доступа: https //www.gismeteo.ua/weather- donetsk-5080/month/. - Заглавие с экрана.
11. Варакин А.И. Маневровый и универсальный локомотив с гибридной силовой установкой и накопителем энергии на базе электрохимических конденсаторов / А.И. Варакин, И.Н. Варакин, В.В. Менухов // Наука и техника транспорта. - Москва: МГУПС императора Николая II, 2007. - Вып. 2. -С. 34-40.
12. Заряд аккумуляторной батареи. - Режим доступа: https://pandia.ru/text/78/450/33234.php. -Заглавие с экрана.
Аннотации:
В данной статье рассмотрены процессы, методы и схемы зарядки свинцово -кислотных аккумуляторных батарей. В работе были рассмотрены основные параметры при работе аккумуляторных батарей и методы их расчета. Выявлен ряд недостатков при работе батарей на тяговом подвижном составе, которые существенно снижают срок их эксплуатации.
При проведении сравнительного анализа существующих схем зарядных устройств, следует, что зарядное устройство, применяемое на тяговом подвижном составе, не соответствует предъявляемым требованиям, необходимым для правильной работы аккумуляторных батарей, а, следовательно, нуждается в модернизации.
Ключевые слова: тяговый подвижной
состав, аккумуляторная батарея, емкость, заряд, разряд, ток, напряжение, зарядное устройство.
This article discusses the processes, methods and schemes for charging lead-acid batteries. Also, the main parameters of the operation of the batteries and methods for their calculation were considered. In the course of work, a number of shortcomings were identified during the operation of batteries on traction rolling stock, which significantly reduced their useful life. When conducting a comparative analysis of existing charger circuits, it follows that the charger used on traction rolling stock does not meet the requirements for the proper operation of the batteries, and therefore needs to be modernized.
Keywords: traction rolling stock, battery, capacity, charge, discharge, current, voltage, charger.
