зарядки. Проверку напряжения следует делать при включенной нагрузке (люминесцентное освещение).

2.2.2.Кислотные аккумуляторы

Вкислотных аккумуляторах электродами служат свинцовые решетчатые пластины, покрытые активной массой. Положительный электрод (анод) покрыт

двуокисью свинца PbO2, а отрицательный (катод) – свинцом Pb, имеющим пористую структуру (губчатый свинец). В качестве электролита используется 25–

34% водный раствор серной кислоты H2SO4.

Электрохимические реакции кислотного аккумулятора описываются уравнением

PbO2 + Pb + 2 H2SO4 2 Pb SO4 + 2H2O.

В процессе разряда в электролите образуются положительные ионы водорода Н+ и отрицательные ионы кислотного остатка SO42-, которые направляются соответственно к катоду и аноду.

Электрохимическая реакция, происходящая на аноде при разряде, определяется уравнением:

PbO2+ H2+ H2SO4= Pb SO4+ 2H2O.

Двуокись свинца PbO2 в соединении с водой образует ионы 4-валентного свинца Pb4+ и гидроокисла ОН - . Ионы Pb4+ дают положительный потенциал и, взаимодействуя с отрицательными зарядами 2е-, поступающими по внешней электроцепи, превращаются в двухвалентные ионы Pb2+, в соединении с ионами SO42- они также образуют сульфат свинца Pb SO4. сульфат свинца оседает на электродах. Гидроокислы, взаимодействуя с ионами водорода, образуют воду.

Электрохимическая реакция, происходящая на катоде при разряде, определяется уравнением:

Pb + SO4= Pb SO4.

Свинец катода частично растворяется в электролите, т. е. в электролит поступают положительные ионы Pb2+, а на электроде остаются избыточные отрицательные заряды 2е-, отрицательные заряды по внешней электрической цепи движутся к положительному электроду – аноду. Pb2+ вступают в реакцию с отрицательными ионами электролита SO42-, образуя сернокислый свинец Pb SO4.

51

Таким образом, при разряде падает плотность электролита, а оседающий на электродах сернокислый свинец препятствует доступу электролита к активной массе пластин.

При заряде от источника постоянного тока к катоду поступают отрицательные заряды 2е–, которые превращают ионы свинца Pb2+ в свинец Pb.

На аноде под действием зарядного тока через промежуточные реакции Pb4+ и ОН – образуют двуокись свинца PbO2, а высвобожденные на обоих электродах ионы водорода Н+ и SO42- образуют серную кислоту:

Pb SO4+ SO4+ 2H2O= PbO2+ 2H2SO4 .

Полностью заряженный аккумулятор имеет ЭДС, равную 2,1–2,2 В, которая определяется плотностью электролита по эмпирической формуле

Еа = 0,85 +1000ρ ,

где ρ – плотность электролита, кг/м3 при 15 ºС.

При изменении плотности от 1,3 до 1,05 г/см3 ЭДС будет в пределах от 2,15 до 1,85 В. Напряжение при нагрузке зависит от внутреннего сопротивления аккумулятора, которое является нелинейным из-за процессов поляризации и сульфатации пластин. Напряжение аккумулятора в процессах разряда и заряда описывается уравнениями:

U р = E − Eп − Ir0 = E − I (r0 + rп ) ;

U з = E + Eп + Ir0 = E + I(r0 + rп ) ,

где r0 – суммарное сопротивление электродов, электролита и токопроводящих деталей;

rп – сопротивление поляризации, обусловленное изменением электродных потенциалов при прохождении тока.

Сопротивление поляризации зависит от природы активных веществ, концентрации электролита и величины разрядного тока. В процессе разряда аккумулятора внутреннее сопротивление его увеличивается, так как r0 и rп возрастают вследствие изменения химического состава электродов и снижения плотности электролита. Внутреннее сопротивление заряженного кислотного аккумулятора мало и составляет примерно 1–3 Ом на 1 м 2 поверхности пластины электрода. Это дает возможность получать большой ток при малом падении напряжения и потери мощности. Поэтому кислотные аккумуляторы нашли широкое применение в качестве стартерных аккумуляторов.

52

В начальный период разряда в порах активной массы электродов резко снижается плотность электролита. Вследствие различной плотности электролита в порах электродов и в основной массе электролита создается разность потенциалов, направленная встречно ЭДС аккумулятора, что приводит к резкому снижению напряжения (точка А). В дальнейшем наступает равновесный режим за счет диффундирования кислоты электролита в поры активной массы. Образующийся в ходе электрохимической реакции сульфат свинца Pb SO4 оседает на электродах, препятствуя доступу электролита в поры активной массы. В результате происходит постепенное снижение напряжения (участок АБ).

При дальнейшем разряде сульфат свинца почти полностью покрывает поры пластин, и напряжение аккумулятора резко падает (участок БВГ). В результате глубокого разряда происходит порча пластин электродов. Поэтому кислотные аккумуляторы не рекомендуется разряжать до напряжения ниже 1,8 В. Если разряженный аккумулятор остается без нагрузки, то через некоторое время его напряжение восстанавливается, и измерение напряжения без нагрузки не дает возможности определить работоспособность аккумулятора. Для проверки заряженности аккумулятора необходимо определять плотность электролита и измерять напряжение специальной нагрузочной вилкой.

При заряде напряжение, подаваемое на аккумулятор, должно быть значительно выше, чем при разряде. В начальный период заряда быстро поднимается до 2,2 В, это объясняется резким повышением плотности электролита в порах активной массы пластин. В дальнейшем плотность электролита в порах пластин и в основной массе электролита постепенно выравнивается, и ЭДС аккумулятора постепенно возрастает (участок ДЕ). При напряжении 2,3–2,4 В почти весь сульфат свинца переходит в активные массы PbO2 и Pb.

В конце процесса заряда напряжение повышается (участок ЕЖ) за счет разложения воды электролита на водород и кислород. На участкеЖЗ плотность почти не изменяется, а напряжение составляет 2,7–2,8 В, что свидетельствует об окончании процесса заряда.

После отключения аккумулятора от источника зарядного тока плотность электролита в порах пластин ив основной массе электролита постепенно выравнивается, а напряжение аккумулятора снижается до значенияUа, которое для полностью заряженного аккумулятора составляет 2,15 В.

53

2.2.3.Щелочные аккумуляторы

Вщелочных аккумуляторах активная масса анода состоит из гидрата оки-

си никеля Ni(OH)3, а катод выполнен из губчатого железа и никеля (никельжелезные аккумуляторы, НЖ) или из смеси кадмия Cd и железа Fe (никелькадмиевые аккумуляторы, НК). В качестве электролита используется 20 %-ный раствор едкого кали КОН или едкого натра NaOH. В электролит добавляют моногидрат лития LiOH c целью продления срока службы аккумулятора.

Впроцессе разряда на аноде гидрат окиси никеля Ni(OH)3 переходит в неполный гидрат окиси никеля NiOOH, при этом в электролит поступают отрицательные ионы гидроокисной группы ОН-, которые направляются к катоду, а на аноде остаются положительные заряды и образуется гидрат закиси никеля

Ni(OH)2.

На катоде в раствор переходят положительные ионы железа Fe2+ или кадмия ( Cd2+), а на электроде остаются избыточные отрицательные заряды 2е –. Масса катода, взаимодействуя с подходящими отрицательными ионами ОН-,

превращается в гидрат окиси железа Fe(OH)2 или Cd(OH)2. За счет электрохимической реакции между электродами возникает ЭДС 1,45 В.

Впроцессе заряда под действием внешнего источника электроэнергии

гидрат закиси никеля Ni(OH)2 превращается обратно в гидрат окиси Ni(OH)3, а отрицательные ионы ОН- переходят с отрицательных пластин на анод. Восстанавливается активная масса отрицательных пластин под действием положительных ионов Fe2+( Cd2+). Электрохимическая реакция описывается следующим уравнением:

2 NiOOH + Fe( Cd) + H2O 2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 (Cd(OH)2).

Электролит в данной электрохимической реакции не расходуется, что является существенным преимуществом щелочных аккумуляторов. Щелочной аккумулятор имеет большое внутреннее сопротивление, поэтому при номинальной нагрузке напряжение его падает до 1,25 В. Не допускается разряжать щелочной аккумулятор до напряжения, меньшего 1В, так как это приводит к потере его емкости и сокращению срока службы.

2.2.4.Технико-экономические показатели аккумуляторов

Основным параметром аккумулятора является емкость, Q – это количество электричества, которое может отдать аккумулятор при разряде до пре-

54

дельно допустимого напряжения. Номинальная емкость Qном указывается для 5– -10-часового разряда током, равным соответственно 0,2-0,1 Qном. Емкость аккумулятора Q в А·ч при постоянной величине разрядного тока Iр определяется по формуле

Q = I pτ p ,

где τр – время разряда, ч.

Емкость аккумулятора зависит от количества активной массы, а следовательно, от размеров пластин. В щелочных аккумуляторах используется только поверхностный слой пластин, в кислотных – более глубокие слои, поэтому активная масса щелочных аккумуляторов используется хуже, зато емкость их боле стабильна и не зависит от такого явления, как сульфатация пластин. Но у щелочных аккумуляторов меньше отдача по емкости и КПД, в два раза больше габариты.

Отдача по емкости – это отношение количества электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде к количеству электричества, полученному аккумулятором при заряде.

Коэффициент полезного действия аккумулятора – это отдача аккумулятора по энергии:

Для кислотных аккумуляторов ηс = 0,85–0,90 ηW = 0,65–0,75, для щелочных – ηс = 0,47-0,50, ηW = 0,65–0,70. Это объясняется большим внутренним сопротивлением. Существенным преимуществом щелочных аккумуляторов является меньший саморазряд.

На вагоноремонтных предприятиях аккумуляторы используются в качестве основных источников электроэнергии для внутрицехового транспорта. Существенным преимуществом аккумуляторных электротележек и электропогрузчиков является отсутствие выхлопных газов и бесшумность работы. Для получения напряжения, достаточного для работы электродвигателей, необходимое количество аккумуляторы собирают в последовательно соединенную батарею. Так, на электротележке типа ЭТ-2040 установлена аккумуляторная батарея типа 36ТНЖ-400, состоящая из 36 последовательно соединенных никельжелезных аккумуляторов емкостью 400 А·ч.

Для заряда батарей постоянным током используются полупроводниковые выпрямительные устройства. На рис. 2.4 приведена структурная электрическая схема автоматического зарядного устройства типа УЗА. Силовая часть устройства состоит из управляемого тиристорного выпрямителя ТВ, собранного по трехфазной мостовой схеме и подключенного через трансформатор к сети пе-

55