книги из ГПНТБ / Можаев В.Н. Электрооборудование колесных и гусеничных машин учебное пособие
.pdf
ВОЕННАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА АКАДЕМИЯ ТЫЛА! И ТРАНСПОРТА
В. Н. МОЖАЕВ Профессор
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
КОЛЕСНЫХ И ГУСЕНИЧНЫХ
МАШИН
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Утверждено начальником академии доцентом генерал-полковником К. Н. АБРАМОВЫМ
Л е н и н г р а д
S i 5 ^ 4
В В Е Д Е Н И Е
Боеготовность воинских частей и подразделений Советской Армии в значительной мере зависит от технического состояния автотракторной техники, частью которой является электрообору дование колесных и гусеничных машин.
Системы электрооборудования боевых и транспортных машин
взависимости от их целевого назначения различны по сложности
иколичеству элементов, их составляющих. Имеются, однако, эле менты, которые присущи каждой системе электрооборудования..
Электрическая энергия применяется в системах:
—пуска двигателей внутреннего сгорания;
—зажигания топливо-воздушной смеси;
—осветительного и сигнального оборудования;
—контроля за работой отдельных агрегатов машины;
—электропровода различного назначения;
—радио- и телефонной связи;
—управления огневыми средствами и др.
В зависимости от мощности потребителей электрической энер гии в бортовой сети применяют номинальное напряжение 12 или 24 в постоянного тока. Имеются также потребители и переменного тока с частотой 400 гц или потребители постоянного тока с на пряжением 115 в и выше.
Энергоснабжение бортовой сети обеспечивают два источника: генератор и аккумуляторная батарея. Применяют генераторные установки постоянного или переменного тока мощностью от 200 до нескольких тысяч ватт, работающие совместно с аккумулятор ными батареями емкостью от 42 а-ч до 195 а-ч. Наибольшее рас пространение имеют свинцово-кислотные аккумуляторы.
Все колесные и гусеничные машины, выпускаемые с 1960 г. согласно ГОСТу 3940—57, имеют бортовую сеть, соединенную с плюсовой клеммой источников электрической энергии, а «массу»,, соединенную с минусовой. Большинство потребителей включено по однопроводной системе.
Бурное развитие электроники за последние десять лет косну лось и электрооборудования боевых и транспортных машин. По
3
лупроводники получили применение в датчиках измерителей тем пературы, в средствах защиты контактов вибрационных регулято ров напряжения, как средство защиты на случай изменения по лярности генератора, в регулирующих устройствах генераторов, в системах зажигания топливо-воздушной смеси, в электроприводе оружия, в качестве выпрямителей тока трехфазных генераторов и других целей. Применение полупроводников значительно по влияло на конструкцию агрегатов, аппаратов и приборов, улуч шило их характеристики, повысило надежность и сроки их работы, значительно уменьшив их вес и габариты.
Работа электрооборудования протекает в тяжелых эксплуата ционных условиях: при наличии вибраций, сотрясений, изменений температур в больших пределах, в сильно запыленном воздухе или при большой влажности; часть агрегатов и приборов подвергается действию высоких напряжений. В результате этого возникают не исправности, вызывающие ухудшение работы или простои автомо билей и гусеничных машин. По статистическим данным 25% не исправностей автомобилей приходится на электрооборудование, а 2—3%> машин по этой причине становятся неработоспособными.
Одной из причин снижения коэффициента технической готов ности автотракторного парка является несоблюдение правил тех нического обслуживания, которое нередко является следствием недостаточного знания электрооборудования. Этими же причинами
объясняются преждевременный |
износ агрегатов и аппаратов, |
а также низкие экономические |
показатели двигателей и машин |
вцелом.
Взадачи курса «Электрооборудование колесных и гусеничных
машин» входит:
—изучение конструкции и схем агрегатов и приборов электро оборудования;
—понимание принципов работы и физической сущности явле
ний, сопровождающих ее;
— знание основных теоретических зависимостей в работе
иконструкции автотракторного электрооборудования;
—знание методов выявления неисправностей и умение пра вильно эксплуатировать электрооборудование.
Учебное пособие написано с учетом знаний, полученных при изучении общетехнических дисциплин первых трех курсов ВОЛАТТ, и знания устройства колесных и гусеничных машин.
Р А З Д Е Л I
ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Г Л А В А I
СТАРТЕРНЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ
Теория свинцово-кислотных аккумуляторов
Для пуска поршневых и газотурбинных двигателей, систем за жигания и других потребителей электрической энергии применяют аккумуляторные батареи. Потребность в электрической энергии, аккумулированной в батарее, возникает при неработающем дви гателе, при малом числе оборотов якоря генератора и в тех слу чаях, когда мощность генератора недостаточна для питания по требителя, работающего в режиме максимальной пиковой нагруз ки. Аккумуляторная батарея работает на колесных и гусеничных машинах в режиме кратковременного циклирования, которое со стоит из двух циклов: зарядного и разрядного.
Наибольшее применение в автотракторной технике получили свинцово-кислотные аккумуляторы, обладающие весьма хорошими электрическимии эксплуатационными свойствами при сравнитель но невысокой стоимости сырья. Простейший свинцово-кислотный аккумулятор состоит из двух электродов, погруженных в электро лит. В заряженном состоянии один электрод (анод) состоит из двуокиси свинца РЮ 2, а другой электрод (катод) из чистого свин ца РЬ. Электролитом является водный раствор серной кислоты
(H2SO4 -f- Н20 ) .
Если замкнута внешняя цепь, то катод отдает |
два |
электрона |
|||
аноду |
и катион |
катода РЬ2+ |
образует с кислотным |
остатком |
|
SO^" |
молекулу |
сернокислого |
свинца (PbS04). В |
результате по |
|
лучения анодом двух электронов четырехвалентный свинец РЬ4+ превращается в двухвалентный катион, который образует молеку лу сульфата свинца. Таким образом, при разрядке аккумулятора отрицательный электрод (РЬ) окисляется, а положительный
5
(РЬ02) восстанавливается. Такое преобразование веществ элект родов сопровождается выделением электрической энергии. Под
действием возникающей |
разности |
потенциалов в цепи появляет |
|||
ся ток. |
|
|
|
|
|
Кратко химическую реакцию свинцово-кислотного аккумуля |
|||||
тора при разрядке можно представить так: |
|
|
|||
анод |
катод |
разрядка |
анод |
катод |
(1) |
Р Ь 02+ |
Pb -|-2H 2S 0 4------ ^P b S 0 4 + |
PbS04 + 2Н ,0. |
|||
Реакции в свинцово-кислотном аккумуляторе обратимы и для зарядки аккумулятора заряжающий источник электрической энер гии подключают к аккумулятору одноименными полюсами. В этом случае необходимо иметь э.д.с. источника (/?„) выше э.д.с. акку мулятора (Еа) т. е. Еи > Еа.
При зарядке аккумулятора направление зарядного тока про тивоположно разрядному току и аккумулятор является потребите лем электрической энергии. В этом случае катод получает элек троны и двухвалентный свинец РЬ2+ восстанавливается в ме таллический свинец РЬ с одновременным освобождением кислот ного остатка (S 04). Анод при этом отдает два электрона, пре вращается в четырехвалентный свинец и переходит в двуокись свинца РЬ02.
Реакция при зарядке свинцово-кислотного аккумулятора про текает так:
анод |
катод |
зарядка анод |
катод |
PbS04 + |
PbS 04-f-2H20 ------- >-РЬО,+ |
Pb + 2 H 2S 04. (2) |
|
Из уравнения (1) и (2) следует, что при разрядке аккумуля тора количество молекул воды в электролите увеличивается, а ко личество молекул кислоты уменьшается, при зарядке — наоборот. Следовательно, по плотности электролита можно определить со стояние заряда аккумулятора, что является крайне необходимым при эксплуатации.
Электрические характеристики стартерных свинцово-кислотных аккумуляторов
Параметры, характеризующие аккумулятор, следующие:
электродвижущая сила покоя Е а\ внутреннее сопротивление |
R a; |
|
разрядное напряжение Up; зарядное |
напряжение U3; емкость |
Q; |
коэффициент полезного действия ij; |
/ a -я \ |
|
удельная емкость I ^ |
I ; |
|
коэффициент использования материалов электродов и срок службы.
Электродвижущая сила. Разность потенциалов между электро дами называется электродвижущей силой аккумулятора. Величи на э.д.с. свинцово-кислотного аккумулятора зависит от концент
6
рации электролита и имеет почти прямолинейную зависимость при изменении плотности электролита в пределах от 1,05 до 1,30 г/см3.
Эмпирическая формула для определения э.д.с. имеет следую щий вид:
£ а = 0,84-|-ч (вольт),
где f — плотность электролита при 15° С.
Влияние температуры на э. д.с. очень незначительное и повы шается на 0,2—0,4 мв/\°С при повышении температуры и на оборот.
Встартерных аккумуляторах плотность электролита различна
взависимости от состояния заряда и географического пояса, в ко тором эксплуатируют аккумуляторы. Численная величина плот ности 1,08—1,31 г/см3, в связи с'чем э.д.с. аккумулятора равна
1,92—2,15 в.
Внутреннее сопротивление аккумулятора. Электрическое со противление аккумулятора обусловлено сопротивлением электро лита, электродов и сепараторов.
Сопротивление электролита зависит от температуры и концен трации. С повышением температуры оно понижается, несмотря на уменьшение плотности. Минимальное сопротивление электролит
имеет при 7 — 1,225 г/см3 |
и температуре |
15°С. При изменении |
температуры электролита |
от —|—30 до |
— 30°С с плотностью |
1,30 г/см3 оно увеличивается в 9 раз.
Сопротивление электродов зависит от конструкции и геометри ческих размеров, пористости и химического состояния активной массы, качества электрического контакта между активной массой и решеткой электродов, конструкции решетки и поперечного сече ния «жилок».
Сопротивление сепараторов зависит от пористости материала, из которого они изготовлены, а также от толщины сепараторов.
Сопротивление свинцово-кислотного аккумулятора повышается по мере разрядки и к концу ее достигает двух- и даже трехкрат ной величины от первоначальной. В начале зарядки внутреннее сопротивление аккумуляторов повышено, но в дальнейшем оно уменьшается до появления газовыделения. Объясняется это тем, что сульфат свинца, образующийся при разрядке, является пло хим проводником. По мере зарядки его количество уменьшается и сопротивление снижается. Усиление газовыделения способствует повышению внутреннего сопротивления аккумулятора.
Стартерные аккумуляторы должны обеспечивать возможность кратковременной разрядки большими разрядными токами, дости гающими нескольких сотен ампер (до 2000 а) при пуске двигателя; в связи с этим внутреннее сопротивление аккумуляторов должно быть очень малым.
Эмпирическая формула для определения сопротивления свин цово-кислотного аккумулятора такова:
7
R |
_ |
Ц > . _ |
(3) |
|
17,1Qh ’ |
||||
|
|
|||
где Uv — разрядное напряжение аккумулятора; QH— номинальная емкость аккумулятора.
Разрядное напряжение аккумулятора. Величина напряжения на зажимах аккумулятора при разрядке и зарядке не остается по стоянной. При разрядке оно вследствие ряда причин понижается. Величина разрядного напряжения выражается уравнением
|
u p = K - i p R ~ Еп, |
(4> |
где £ ' — э. д. с. при |
разрядке; |
|
/ р — разрядный |
ток; |
|
R a — внутреннее |
сопротивление аккумулятора; |
|
Е„ — э. д. с. поляризации.
При разрядке аккумулятора э.д.с. Е'а < Е&, что объясняется
понижением электродных потенциалов вследствие соприкасания активной массы электродов с электролитом пониженной плотности. Разность между Е'а и Еа тем меньше, чем лучше диффузия в элек тролите.
Величина предельного (минимального) разрядного напряже ния для свинцово-кислотных аккумуляторов 1,7 в при десятича-
мuwjmoi ------------— t—-------------- uQctii
Рис. 1. Характеристики разрядного напряжения аккумуля тора.
совом разрядном режиме. При большом разрядном токе напря жение на зажимах аккумулятора понижается быстрее и предель ное напряжение меньше (рис. 1).
Величина разрядного напряжения зависит от температуры электролита, так как при понижении температуры повышается со
противление электролита и увеличивается падение напряжения: в аккумуляторе.
По мере разрядки происходит понижение плотности электро лита и соответствующее уменьшение Еа. Внутреннее сопротивле ние аккумулятора R a при разрядке увеличивается, так как обра зующийся сульфат свинца имеет значительно большее сопротив ление, чем чистый свинец или двуокись свинца. Кроме того, со противление контакта между решеткой электрода и сульфатом: свинца больше, чем между решеткой и губчатым свинцом.
Электродвижущая сила поляризации возникает под действием тока в электролите. Она численно равна величине изменения электродных потенциалов, возникающих под действием тока.
При зарядке аккумулятора величина зарядного |
напряжения |
|
U3 выше э.д.с. покоя Еа,-ц его величина выражается зависимостью |
||
|
и, = К + 1Л + Ев,. |
(5) |
где Е"а — э .д .с . при зарядке; |
|
|
/3 — зарядный |
ток. |
|
В этом случае |
Е"&~> Е&^ так как на поверхности |
электродов |
и в порах активной массы концентрация выше, чем в сосуде.
При зарядке аккумулятора величина зарядного напряжения постепенно повышается до 2,3 в, что объясняется повышением плотности электролита. Однако по достижении 2,3 в наблюдается более быстрый подъем зарядного напряжения, при этом появляет ся газовыделение («кипение»), т. е. свободное выделение водорода и кислорода в виде мелких пузырьков газа. Положительные ионы водорода, выделяющегося на катоде, присоединяют к себе элек троны и вызывают перенапряжение, достигающее 0,33 в.
В зависимости от температуры электролита находится величи на зарядного напряжения, которая повышается с понижением: температуры. В конце зарядки зарядное напряжение может дости гать 2,5—2,6 и даже 2,7 в.
Выделение пузырьков газа есть результат разложения воды,., содержащейся в электролите.
Газовыделение появляется при 2,3 в. Вначале выделяются кис лород и водород почти в равных количествах; когда напряжение достигнет 2,5 в, количество выделяющегося водорода будет в два раза больше, чем кислорода.
Интенсивность газовыделения находится в значительной зави симости от напряжения источника, которым осуществляют заряд ку, так как оно определяет величину зарядного тока. Если к концу зарядки ток снизить, то потенциал пластин понижается и газооб разование почти прекращается. Таким образом, «кипение» не яв ляется необходимым и достаточным признаком окончания зарядки свинцово-кислотного аккумулятора. Наиболее верным показате-
9-