Химические источники тока

 

В период пуска дизеля тяговый генератор или стартер работает в режиме двигателя, получая электрическую энергию от установленной на тепловозе аккумуляторной батареи. Кроме того, аккумуляторная батарея служит для питания током цепей управления, электрических ламп, вспомогательных электродвигателей, когда не работает дизель тепловоза, а значит, не работает и вспомогательный генератор.

Таким образом, аккумуляторная батарея является вторым после дизеля источником энергии на тепловозе. При стоянках тепловоза дизель может не работать с целью экономии топлива и снижения износа деталей.

Электрическим аккумулятором называют устройство, преобразующее электрическую энергию в химическую, которая в случае надобности может быть вновь преобразована в электрическую энергию. Процесс превращения в аккумуляторе электрической энергии в химическую называется зарядом аккумулятора. Обратный процесс превращения химической энергии в электрическую называется разрядом аккумуляторов. При заряде электрическая энергия подводится к аккумулятору от постороннего источника постоянного тока; при разряде запасенная химическая энергия аккумулятора преобразуется в электрическую, и во внешней цепи, подключенной к аккумулятору, появляется ток. Поэтому аккумуляторы относятся к химическим источникам электрического тока.

Простейший электрический аккумулятор состоит из пластин, опущенных в электролит, находящийся в сосуде.

Различают положительные и отрицательные пластины аккумулятора. Положительные пластины соединяются при заряде с плюсовым выводом источника тока, отрицательные — с минусовым выводом. При прохождении тока через пластины и электролит происходят химические процессы, в результате которых изменяется химический состав пластин и электролита. Если после этого замкнуть выводы аккумулятора на внешнюю цепь, то в электролите и пластинах начнутся обратные химические процессы. Химические составы пластин и электролита возвращаются к первоначальному состоянию, но при этом в цепи проходит электрический ток. Процессы заряда и разряда аккумуляторов можно повторять много раз.

Аккумулятор как источник электрической энергии характеризуют следующие основные показатели: э. д. с, емкость, максимальный ток и внутреннее сопротивление. Электродвижущая сила аккумулятора зависит от его типа, степени заряженности, плотности электролита, тока разряда (нагрузки) и для широко распространенных типов аккумуляторов находится в пределах 1,4 — 2,2 В. Емкостью аккумулятора называют количество электричества, выраженное в ампер-часах (А-ч), которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при разряде до минимально допустимого напряжения на его выводах. Емкость определяется как произведение тока в амперах на время разряда в часах этим током. Например, если аккумулятор при токе разряда 10 А может работать 10 ч, то его емкость равна 10 А х 10 ч = 100 А-ч. Емкость аккумулятора зависит от размеров пластин, длительности времени разряда, величины разрядного тока, температуры и других факторов.

Для пуска дизеля требуется создать значительный вращающий момент и необходим ток большой силы. Поэтому к аккумуляторам, применяемым для пуска дизеля, получившим название стартерных, предъявляются высокие требования по устойчивой, надежной работе при большом токе разряда. Максимальная сила тока разряда аккумуляторов при пуске тепловозных дизелей достигает 1500—2000 А. В целях снижения внутренних потерь энергии при таких больших токах внутреннее сопротивление стартерных аккумуляторов делается минимальным; оно составляет сотые или тысячные доли ома.

На локомотивах применяются два типа электрических аккумуляторов — свинцовые (кислотные) и железоникелевые или кадмиевоникелевые (щелочные). Свое название аккумуляторы получили по материалу, из которого изготовлены их пластины, и используемому электролиту.

 

Свинцовый аккумулятор.

 

Пластины свинцового аккумулятора отливают из свинца. Количество энергии, которое можно накопить в аккумуляторе, пропорционально размерам поверхности его пластин, омываемой электролитом. Для увеличения этой поверхности аккумулятор имеет по нескольку положительных и отрицательных пластин. Все положительные и отрицательные пластины объединены в два отдельных полублока. Пластины изготовляют в виде решеток с ячейками. Ячейки заполняют пористой активной массой. Благодаря этому еще больше увеличивается поверхность соприкосновения пластин с электролитом.

 

 

При сборке аккумулятора после каждой отрицательной пластины вставляется положительная. По краям с двух сторон стоят отрицательные пластины, так как положительные пластины склонны к короблению. Поэтому в свинцовом аккумуляторе отрицательных пластин всегда на одну больше, чем положительных. Во избежание касания пластины в процессе сборки аккумулятора отделяют друг от друга прокладками-сепараторами. Сепараторы должны обеспечивать свободный доступ электролита к пластинам (за счет пористости), обладать высокой химической стойкостью и большой механической прочностью.

Для изготовления сепараторов используют полихлорвинил, стекловойлок и др.

Собранный блок положительных и отрицательных аккумуляторных пластин опускают в сосуд, называемый баком или банкой. Эти сосуды изготовлены из кислотоупорных материалов, чаще всего из эбонита или специальных пластмасс. Во избежание расплескивания электролита аккумуляторная банка сверху закрыта крышкой. В крышке имеются отверстия, через которые выводятся наружу контактные штыри-выводы аккумулятора.

Электролитом в свинцовых аккумуляторах служит раствор чистой серной кислоты (ее химическая формула H2SO4) в дистиллированной воде. Плотность электролита обычно находится в пределах 1,2— 1,4 г/см3.

Полностью собранный и заполненный электролитом аккумулятор подключают для заряда к источнику электрической энергии. В процессе первого специального заряда нового аккумулятора, который называют формовкой аккумулятора, в результате электрических процессов активная масса положительных пластин превращается в перекись свинца РЬО2, т. е. соединение свинца с кислородом, богато насыщенное последним. Активная масса отрицательных пластин переходит в чистый пористый свинец РЬ, называемый губчатым. Кроме того, при этих процессах выделяется серная кислота H2SO4, поэтому плотность электролита повышается.

Когда необходимо использовать энергию, накопленную в аккумуляторе, его включают в соответствующую электрическую цепь. Аккумулятор отдает энергию, вырабатываемую за счет химических процессов, в результате которых активная масса положительных и отрицательных пластин превращается в сернокислый свинец PbSO4, называемый также сульфатом свинца. При этих реакциях выделяется вода, разбавляющая электролит, поэтому его плотность падает.

Напряжение на зажимах аккумулятора в начале разряда составляет 2,1—2 В. Измерять напряжение аккумулятора нужно под нагрузкой с помощью специальной нагрузочной вилки с вольтметром. Лишь в этом случае мы определим действительное его значение. По мере разряда оно медленно снижается до 1,8—1,7 В. Дальнейший разряд аккумулятора должен быть прекращен, хотя при этом будет использовано лишь около 1/3 активной массы пластин. Более глубокие разряды аккумулятора губительно отзовутся на нем вследствие сульфатации пластин. Образование сульфата свинца на поверхности, в порах активной массы положительных и отрицательных пластин аккумулятора при его разряде является естественным химическим процессом, в результате которого происходит отдача электрической энергии. В первый период разряда аккумулятора образуются мелкие кристаллы сульфата свинца. Такие кристаллы не закупоривают поры в активной массе пластин. При последующем заряде аккумулятора они полностью превращаются в двуокись свинца на положительных пластинах и губчатый свинец на отрицательных пластинах. В случае глубоких разрядов аккумуляторов, а также при систематических недозарядах, загрязнении электролита, хранении в незаряженном состоянии и вследствие некоторых других причин сульфат свинца перекристаллизовывается и приобретает крупнокристаллическое строение. Пластины сульфатируются — покрываются белым слоем крупнокристаллического сульфата свинца, который имеет плохую электропроводность. Крупные кристаллы сульфата свинца закупоривают поры в активной массе пластин. В результате прекращается доступ электролита во внутренние слои активной массы пластин, повышается внутреннее сопротивление аккумулятора, снижается его емкость. Образование крупнокристаллического сульфата, занимающего большой объем, приводит также к разбуханию, выпучиванию и выпадению активной массы пластин. При заряде аккумулятора крупнокристаллический сульфат медленно и не полностью превращается в исходную активную массу пластин. Поэтому необходим своевременный заряд аккумуляторов. После включения на заряд напряжение на выводах аккумулятора быстро повышается с 1,7 — 1,8 до 2,1— 2,2 В и затем очень медленно до 2,3 В. В конце заряда происходит повышение напряжения до 2,6 — 2,8 В и начинается «кипение» аккумулятора, т. е. бурное выделение газов (водорода и кислорода) вследствие разложения воды электрическим током. Резкое повышение напряжения и «кипение» аккумулятора свидетельствуют об окончании заряда. После отключения аккумулятора от источника электрической энергии его напряжение почти сразу падает приблизительно до 2,1 В.

Выделение водорода и кислорода, хотя и менее интенсивное, происходит и при других режимах работы аккумуляторов. Известно, что водород и кислород образуют взрывчатую смесь, называемую гремучим газом. Поэтому категорически запрещается входить с огнем в аккумуляторные помещения.

Количество электричества, которое отдает в цепь аккумулятор при разряде, всегда меньше, чем полученное им при заряде, так как часть энергии теряется на нагревание электролита и побочные химические процессы. Отношение количества электричества в ампер-часах, отданного при разряде аккумулятора (емкости), к полученному при заряде количеству электричества называется коэффициентом отдачи аккумулятора по емкости. Для кислотных аккумуляторов эта величина достигает 90—95%.

Коэффициентом отдачи аккумулятора по энергии, т. е. коэффициентом полезного действия, называется отношение количества энергии в киловатт-часах, отданной при разряде, к количеству энергии, затраченной при заряде аккумулятора. КПД. кислотных аккумуляторов составляет 70—80%.

 

Щелочной аккумулятор.

 

Щелочной аккумулятор состоит из стального никелированного сосуда, блоков положительных и отрицательных пластин и электролита. В качестве электролита для этих аккумуляторов применяется раствор щелочи — едкого кали КОН в дистиллированной воде.

 

Пластины аккумулятора изготовлены в виде пакетов из тонкой никелированной стали и заполнены активной массой. Стенки пакетов имеют большое количество отверстий (перфорированные) для лучшего соприкосновения активной массы с электролитом. Как и в кислотных аккумуляторах, отрицательные пластины вставлены между положительными и отделены одна от другой сепараторами. В зависимости от состава активной массы отрицательных пластин щелочные аккумуляторы разделяют на два типа: железоникелевые и кадмиево-никелевые.

В незаряженном состоянии активная масса положительных пластин состоит из гидрата закиси никеля Ni(OH)2 с примесью мелкого графита, а активная масса отрицательных пластин—из гидрата закиси железа Fe(OH)2 в железоникелевом аккумуляторе или гидрата закиси кадмия Cd(OH)2 с примесью гидрата закиси железа в кадмиевоникелевом аккумуляторе. В процессе заряда аккумулятора происходит окисление активной массы положительных пластин, гидрат закиси никеля переходит в гидрат окиси никеля Ni(OH)3. Активная масса отрицательных пластин восстанавливается в виде порошкового (губчатого) железа Fe или смеси кадмия Cd и железа в губчатом состоянии.

При разряде аккумулятора происходит переход к первоначальному составу пластин: активная масса положительных пластин превращается в гидрат закиси никеля NI(ОН)2, а активная масса отрицательных пластин окисляется соответственно в гидрат закиси железа Fe(OH)2 или гидраты закиси кадмия Cd(OH)2 и железа Fe(OH)2.

Для полного использования отрицательных пластин положительные пластины щелочного аккумулятора должны содержать в два раза больше активной массы. Поэтому пакеты с активной массой положительных пластин делаются толще, чем отрицательных, и положительных пластин в аккумуляторе устанавливают на одну больше.

При заряде напряжение аккумулятора вначале быстро возрастает до 1,6 В, а затем увеличивается до 1,8— 1,85 В в конце заряда. Полностью заряженный аккумулятор после отключения от источника тока имеет э. д. с, равную примерно 1,45 В, т. е. значительно ниже, чем у кислотного аккумулятора. Вследствие более высокого внутреннего сопротивления щелочного аккумулятора его напряжение при разряде составляет 1,3—1,1 В. При напряжении аккумулятора 1 —1,1 В разряд следует прекратить.

Щелочные аккумуляторы имеют ряд преимуществ перед кислотными: большая механическая прочность, меньшая чувствительность к значительным разрядным токам, длительный срок службы и более простое обслуживание. Недостатками щелочных аккумуляторов являются низкие коэффициенты отдачи по емкости (70 — 71%) и по энергии (55—60%), малое напряжение элемента (в среднем 1,2 В вместо 2 В у кислотного аккумулятора) и повышенные габаритные размеры и масса. Кроме того, при низких наружных температурах, если не утеплить щелочные аккумуляторы, то их емкость резко снижается.

Электродвижущая сила одного кислотного или щелочного аккумулятора и, следовательно, отдаваемая им мощность весьма малы. Поэтому на локомативах устанавливаются аккумуляторные батареи, состоящие из многих аккумуляторов, соединенных по определенной схеме.