Проектируем электрооборудование малого судна.Часть 1.


Выбор напряжения сети.

 

Напряжение бортовой сети в значительной мере определяет удобство всей электрической системы судна и возможность применения на нем промышленно выпускаемого оборудования. Выбор одного из стандартных напряжений: 6,3; 9; 12,6; 24—27; 32—36; 48В —принципиальный вопрос.

Например, преимущество применения 6-вольтовой системы в том, что это напряжение абсолютно безопасно для человека даже в самых неблагоприятных условиях.

 

Для этой системы нетрудно приобрести осветительные лампы автомобильного или приборного типа. Главное же — достаточно одной стандартной аккумуляторной батареи (3 кислотных и 5 щелочных элементов). С другой стороны, применение столь низкого напряжения не дает возможности непосредственно включать в сеть радиоприемник, эхолот и другие радиоэлектронные приборы, питание которых обычно рассчитывается на напряжение не менее 9 В. Кроме того, необходимо использовать провода увеличенного сечения, иначе часть энергии аккумуляторов будет тратиться на бесполезный разогрев проводки.

 

9-вольтовая система питания на судах практически не применяется из-за отсутствия стандартного осветительного оборудования на 9 В.  

В настоящее время наиболее распространена 12-вольтовая система, так как это удачный компромисс между безопасностью, экономичностью и возможностью непосредственного подключения распространенной переносной электроосветительной, радиоэлектронной и измерительной аппаратуры. Имеется большой выбор 12-вольтового электрорадиооборудования массового выпуска.

 

Используя стандартные преобразователи постоянного тока в переменный, можно применять и сетевые приборы, однако к. п. д. таких установок низок.  

Преимущества 24- или 27-вольто-вой системы состоят прежде всего в том, что предоставляется возможность без переделок использовать авиационную аппаратуру (дистанционные компасы и другое навигационное оборудование, пригодное для установки на малых судах). Однако изредка бывают случаи электрошокового поражения людей в неблагоприятных морских условиях напряжением 27 В.

 

Сети с напряжением более 27 В встречаются редко, главным образом на более крупных судах, где они применяются с целью уменьшения потерь в длинных проводах.

 

Выбор емкости источника питания

 

Основным источником электроэнергии на небольших катерах и парусных яхтах служат аккумуляторы. Условия их эксплуатации существенно отличаются от автомобильных. Прежде всего, на туристском и прогулочном судне аккумуляторная батарея используется в режиме разряда в течение продолжительного времени на ходу и на стоянках, когда включение подзарядного устройства невозможно или нежелательно, тогда как в автомобиле основное назначение ее — обеспечить кратковременный, но сильный ток для стартера, а в остальное время аккумуляторы не используются или работают в режиме подзарядки.

 

На судах, где отсутствует возможность автономной периодической подзарядки, емкость аккумуляторов должна быть достаточной для обеспечения работы навигационных огней и минимального освещения на период между заходами в порты, где возможна их подзарядка от сети. Для яхты класса Л6, например, аккумуляторная батарея емкостью в 200 А-ч, обеспечивает двухнедельное плавание, а при разумной экономии в условиях летней Балтики — и месячное. (Пример расчета — табл. 2.)

 

Для катеров со стационарными двигателями с экипажем 4—6 человек, обычно достаточно батареи емкостью 22—60 А/ч, поскольку ее можно подзаряжать на ходу. Если двигатель имеет электростартер, то определяющим требованием становится способность аккумуляторной установки обеспечить пусковые токи стартера, что также косвенно зависит от ее емкости.

 

Полная энергия, запасенная аккумуляторной установкой А а, определяется произведением емкости в ампер-часах Q=I-t па напряжение питания U в вольтах:

 

Aa = U (I * t) 3600 (Дж).

 

Условием полного использования аккумуляторов является:

 

Ап 3600 * 1000 < А

 

Ап — суммарный расход энергия потребителям в кВт • ч.

 

Поскольку напряжение источника питания в подавляющем большинстве случаев совпадает с напряжением, необходимым для питания потребляющих установок, то в расчетах можно использовать не запасы энергии А, а электроемкость Q.

 

Тогда заряда аккумуляторов хватит на Т дней в соответствии с формулой:

 

 

 

Потребляемую суточную емкость можно определить через мощность оборудования Р расчетом по формуле:

Щелочные аккумуляторы

 

Щелочные — кадмиевоникелевые аккумуляторы широко используются на малых судах, благодаря надежности в эксплуатации и неприхотливости в уходе. Они не боятся тряски, малочувствительны к коротким замыканиям и могут долго находиться в разряженном состоянии.

 

Электроды кадмиевоникелевых (КН) аккумуляторов содержат пористые брикеты гидрата окись никеля и графита в положительных пластинах и кадмий и железо в отрицательных. Обратимая реакции протекает в соответствии с уравнением:

 

в присутствии электролита, содержащего водный раствор едкого кали или натра плотностью 1,21-7-1,17 г/см3. Примечательно, что в щелочных аккумуляторах электролит активно в реакции не участвует, отчего его концентрация почти не меняется. Качество любых аккумуляторов определяется отдачей по энергии или (без учета снижения напряжения) отдачей по емкости, что можно оценить с помощью коэффициентов отдачи по энергии  nА и по емкости nQ

 

где Iр, tp, Uр — соответственно ток, время и среднее напряжение разряда до минимального значения э. д. с. (Umin = 1,1В)

 

Iз. tз. Uз — те же величины для Заряда (Umax = 1,6 В).

 

Для кадмиевоникелевых аккумуляторов коэффициент отдачи по емкости nQ= 67%, а по энергии nА = 50%, если они эксплуатируются при нормальной температуре 20 °С. При пониженных температурах (до — 20 °С) КН-аккумуляторы сохраняют работоспособность, но емкость у них уменьшается на 50%, а при повышенных (до +45 °С) — увеличивается саморазряд, который в нормальных условиях пренебрежимо мал.

 

У более дешевых железоникелевых аккумуляторов (ЖН) отрицательные пластины не содержат кадмия, а в положительных брикетах используется гидрат закиси никеля. Их характеристики очень близки к характеристикам КН — аккумуляторов, но коэффициент отдачи по емкости составляет только 35—40%, а по энергии 45%. Кроме того, у них несколько выше саморазряд (рис.1.)

 

При зарядке щелочных аккумуляторов обычно применяется шестичасовой режим зарядки номинальным током Iн, величина которого численно равна значению емкости батареи, деленной на четыре Iн = Qн/4.  У исправных элементов щелочных аккумуляторов при нормальном зарядном токе начальное напряжение должно быть 1,4 — 1,45 В, а в конце зарядки — 1,75 ч- 1,85 В. Простейшая схема зарядной установки приведена на рис. 2.

Через каждые 10 циклов или после смены электролита следует применить режим усиленного заряда: 12 ч номинальным током. При необходимости ускоренного заряда используют следующий режим: 2,5 ч удвоенным номинальным током, затем — еще 2 ч номинальным током.

 

Иногда частично разряженные щелочные аккумуляторы с остаточной емкостью Qo приходится подзаряжать от источника, который не способен дать номинальное значение тока. Тогда время зарядки нужно увеличить по сравнению с нормальным режимом, исходя из того тока, который развивает источник I3, в соответствии с формулой:

Железоникелевые аккумуляторы хорошо переносят такой режим, yо для кадмиевоникелевых уменьшать ток более, чем вдвое против номинального не рекомендуется. За исключением усиленного и ускоренного режимов заряда, когда пробки банок обязательно следует вывинчивать, на остальных режимах зарядку аккумуляторов можно осуществлять и при ввернутых пробках с клапанами, что особенно удобно, когда батарея размещена в труднодоступных местах — в трюмных выгородках, под кокпитом и т. п.

 

Глухие пробки необходимо выворачивать во всех случаях. Уход за щелочными аккумуляторами в процессе эксплуатации состоит прежде всего в обеспечении правильности циклов заряд — разряд. Чтобы в любой момент знать, в каком состоянии находятся аккумуляторы, рекомендуется вести специальный журнал. Кроме того, необходимо периодически чистить и смазывать токоведущие части и гнезда пробок и контролировать уровень электролита.

 

Уровень злектролита должен быть не менее 5 мм и не более 12 мм над верхним краем пластин, что можно легко проверить стеклянной трубкой. Если электролит выплеснулся или выкипел (при усиленном заряде), его уровень надо восстановить. В походных условиях обычно бывает достаточно долить в банку несколько кубических сантиметров кипяченой питьевой воды, с тем, чтобы в порту довести электролит до нужной плотности.

 

В доливаемой воде не должны содержаться кислоты и соли и, если питьевая вода сомнительного качества, то лучше собрать немного дождевой. Надежнее всего, конечно, иметь в запасе готовый электролит в пластмассовой завинчивающейся банке с объемом, достаточным для полной заливки хотя бы одного элемента.

 

Через 100—150 циклов работы аккумуляторов нужно заменить электролит и произвести промывку банок от осадка. Поскольку судовые аккумуляторы не рассчитаны на работу при морозе, то для электролита лучше применить едкий натр (NaOH), добавление едкого лития при этом не обязательно.  

Чтобы определить количество твердого едкого натра m, нужного для приготовления L литров раствора с удельным весом 1,17 -:- 1,19, можно пользоваться следующей простой формулой:

 

                                                                        M = L/5,

 

которая получается из расчета 5 л воды на 1 кг твердой или 1,5 кг жидкой (р = 1,41) щелочи. Если имеется возможность, то на каждый литр электролита полезно добавить 10 г едкого лития (LiOH), что способствует увеличению срока службы электролита. Плотность электролита нужно измерять после того, как он остынет.

 

В отличие от кислотных для приготовления щелочных электролитов допустимо использовать кипяченую водопроводную воду, хотя применение дистиллированной даст меньше примесей. Разводить электролит следует в пластмассовой, эмалированной или железной посуде, остерегаясь брызг. Недопустимо использовать оцинкованные или медные емкости. Поскольку щелочь интенсивно разрушает органические вещества, ни в коем случае нельзя размешивать или пробовать уровень электролита деревянными палочками, так как это загрязняет электролит.

 

Перед заливкой свежего электролита аккумуляторы должны быть разряжены, банки должны быть от старого электролита промыты до такого состояния, чтобы из них перестал выходить черный осадок. При заливке нового электролита нужно следить, чтобы во всех банках его уровень был одинаков. Чтобы избежать белого налета углекиислотных солей, образующегося за счет углекислоты воздуха, поверх электролита нужно добавить 2-5 кубических сантиметров вазелинового масла, которое образует на поверхности изолирующую пленку.

 

До начала зарядки нужно убедиться, что банки не вспучены и не соприкасаются. Если расстояние между стенками банок меньше 2 — 3 им, банки нужно изолировать друг от друга пластинами гетинакса, текстолита или другого не гигроскопического изолятора. Поцарапанные корпуса банок нужно подкрасить битумным лаком. Осматривая пробки, следует убедиться, что газоотводящие отверстия не засорены, а уплотняющие резинки целы.

 

Подготовив таким образом аккумуляторную батарею, нужно дать ей усиленный заряд, потом за восемь часов разрядить на стандартную нагрузку до напряжения 1,05 В и определить реальную емкость.

 

Кислотные аккумуляторы

 

Кислотные аккумуляторы на борту судна требуют постоянной заботы, да и срок службы у них меньше, чем у щелочных. Но благодаря малому внутреннему сопротивлению и, следовательно, способности батареи даже небольшой емкости создавать большие токи, они очень удобны при использовании на катерах, оборудованных моторами с электрозапуском.

 

Поскольку в этих условиях частая подзарядка не составляет проблемы, емкость кислотной батареи может быть минимальной, например взятой из расчета потребления на полуторасуточной стоянке. Отрицательный электрод у кислотных аккумуляторов состоит из губчатого свинца, а положительный — из свинцовых пластин, покрытых двуокисью свинца.

 

При погружении в электролит — раствор серной кислоты в дистиллированной воде, на электродах в результате реакции кислоты с окислами свинца образуется тонкий слой сернокислого свинца. В процессе зарядки сернокислый свинец восстанавливается на отрицательных пластинах в губчатый свинец, а на положительных —образуется двуокись свинца согласно обратимому уравнению реакции:

 

Заметим, что, в отличие от щелочных аккумуляторов, в кислотных электролит участвует в реакции, отчего его плотность существенно меняется и по ней можно судить о состоянии заряда аккумулятора (у заряженного аккумулятора плотность электролита выше). Кислотные аккумуляторы имеют прекрасную отдачу как по емкости (nQ =85—90%), так и по энергии nА = 65—70%), что существенно лучше, чем у щелочных.

 

Кроме того у них значительно более высокое напряжение на элементе, составляющее 2,7 В в конце зарядки и 1,8 В — в конце разряда. Зарядно-разрядная характеристика кислотных аккумуляторов приведена на рис. 1. Однако у этих аккумуляторов наблюдается заметный саморазряд, составляющий за месяц 15—30% начальной емкости Q.

 

Если допустить, чтобы свинцовые аккумуляторы разрядились ниже напряжения 1,8 В на элемент, то на пластинах образуется труднорастворимый белый налет солей свинца (сульфатация пластин), что приведет к резкому повышению внутреннего сопротивления аккумулятора и падению емкости. В этом случае необходимо заменить аккумулятор новым.

 

Явление сульфатации наряду с саморазрядом создает трудности при зимнем хранении кислотных аккумуляторов, так как без подзарядки они могут выйти из строя за три месяца. Свинцовые аккумуляторы следует заряжать не позже чем через 24 часа после разряда до напряжения 1,8 В. Так как в процессе заряда кислотных батарей возникает сильное газообразование и испарение, они должны располагаться в легкодоступном и хорошо вентилируемом месте, позволяющем отвинчивать пробки перед зарядкой и проверять ареометром плотность и уровень электролита.

 

Уровень электролита должен быть на 5—15 мм выше верхнего края пластин, а его начальная плотность составлять примерно 1,1 г/см3.  

Зарядный ток свинцовых аккумуляторов может быть определен по формуле:

 

 

где QH — номинальная емкость аккумуляторной батареи в А*ч.

 

nQ = 0,88 – средний коэффициент отдачи по емкости;

 

t — время заряда (обычно t = 10 — 20 ч в зависимости от конструкции пластин).

 

Отметим, что плотность зарядного тока у кислотных аккумуляторов значительно меньше, а время заряда — соответственно больше, чем у щелочных. Объясняется это тем, что слишком бурный электролиз быстро разрушает пластины кислотных аккумуляторов. Нормальный зарядный ток обычно приводится в паспорте батареи.

 

Нормальным зарядным током свинцовые аккумуляторы заряжают до начала сильного газовыделения, которое появляется при напряжении на элементе около 2,4 В, когда набрано примерно 80% полной емкости. После этого зарядный ток следует уменьшить до половинного значения и, внимательно следя за аккумулятором, продолжать заряд до тех пор, дока не появятся одновременно следующие признаки:

 

а) напряжение на элементах 2,75 -:- 2,8 В;

 

б) происходит бурное газовыделение (кипение);

 

в) плотность электролита достигает значения 1,24 г/см3 (для некоторых составов электролитов могут быть указаны другие рекомендации);

 

г) емкость, сообщенная аккумулятору, на 12 -:-15% больше отданной им при разряде.

 

Свинцовые аккумуляторы очень чувствительны как к недозарядам, так и к перезарядам, поэтому зарядку нужно заканчивать своевременно. По окончании заряда пробки нужно завинчивать не сразу, а только через 3—4 ч.

 

Для продления срока службы пластин иногда применяется облегченный режим — зарядка малыми токами. Для этого при расчете время t берется равным 48 ч. Рассчитанным таким образом током аккумулятор заряжают 36 ч, затем делают трехчасовой перерыв, а потом еще раз подключают на 12 ч. Если после всего этого напряжение каждого элемента не достигнет 2,5—2,6 В, то после 3-часового перерыва аккумулятор вновь подключают к зарядному источнику, пока не будут получены все признаки конца зарядки (в таком режиме конечное напряжение на элементе должно составлять только 2,6 В вместо 2,75 — 2,8 В).

 

При зарядке кислотных аккумуляторов выделяются пары серной кислоты, хлор (особенно если в электролит попали брызги морской воды) и т. д. Поэтому заряжаемые аккумуляторы рекомендуется выносить под навес на свежий воздух.

 

Электролит для свинцовых аккумуляторов приготовляют в стеклянной или пластмассовой посуде попеременным доливанием дистиллированной воды и химически чистой (аккумуляторной) серной кислоты (плотность 1,83 — 1,84 г/см3). Плотность измеряют ареометром только тогда, когда разогревшийся при растворении кислоты электролит остынет до 25 «С, Для получения раствора с рабочей плотностью 1,24 г/см3 нужно на один литр дистиллированной воды добавить около 500 г концентрированной кислоты. Чтобы к моменту заливки электролит отстоялся и успел остыть, его рекомендуется приготовлять за 10—20 ч до начала заливки.

 

B. C. Tapaтоpкин.

 

Источник: «Катера и Яхты», №65.

 

Оставить комментарий

Комментарии: 1
  • #1

    rytuał miłosny (Вторник, 11 Апрель 2017 00:43)

    rytuał miłosny