Зарядный генератор
Генератор лодочного двигателя почти всегда слишком слаб для установленной на катере или яхте сервисной аккумуляторной батареи. Вернуть аккумуляторам потраченную за день энергию он часто может только за несколько часов непрерывной работы двигателя. Если владельца лодки это не устраивает, то проблему энергоснабжения он пытается решить с помощью дополнительных источников зарядки – солнечных панелей или переносного генератора. Однако часто лучших результатов можно добиться, если заменить имеющийся генератор на более мощное устройство или установить на двигатель второй генератор
Генераторы для зарядки аккумуляторов
Генераторы выпускаются в компактном, стандартном или большом корпусах. Компактные генераторы надежны и широко распространены, поэтому именно их используют на большинстве лодочных двигателей.
Из-за небольших размеров корпуса температура компактных генераторов во время работы быстро растет. Чем больший ток отдает генератор, тем сильнее нагреваются обмотки статора и внутренние электронные компоненты. Чтобы охлаждать генератор на вал насаживают одну или две крыльчатки, которые вращаясь затягивают внутрь корпуса воздух. Но поскольку КПД компактных моделей редко превышает 50-60%, то при токе 100 А из 2800 Вт потребляемых генератором, 1400 Вт превращается в тепло
Сгоревший статор генератора. Генератор без температурной компенсации работал на зарядку AGM аккумуляторной батареи большой емкости до тех пор, пока из-за высокой температуры не сгорела изоляция на обмотках статора. Тоже самое может случится с генератором, если не ограничивать его ток во время зарядки LiFePo4 аккумулятора
Как долго генератору придется работать с максимальной нагрузкой зависит от отношения его мощности к емкости аккумуляторной батареи, типа аккумуляторов и их текущего состояния. Если мощный генератор работает на небольшую жидко-кислотную батарею, то поверхностное напряжение аккумуляторных пластин быстро вырастет. Регулятор заметит это и уменьшит ток возбуждения генератора
При целевом напряжении 14 Вольт, в первый раз регулятор сработает, когда аккумулятор зарядится до 50% емкости. Поскольку напряжение аккумулятора продолжит расти, ток снизится, генератор постепенно остынет и продолжит работать в «комфортных» для себя условиях. Дополнительная защита от перегрева такому генератору не потребуется
Но если емкость аккумуляторной батареи в несколько раз больше номинала генератора (например, аккумулятор 500 Ач, генератор 100 А), а ток в цепи ничем не ограничен, то генератору придется работать на максимальной мощности несколько часов подряд. Без температурной защиты он может не выдержать нагрузки
Без температурной защиты и ограничения тока генераторы в компактном корпусе не подходят для зарядки аккумуляторов большой емкости
Мощность зарядного генератора
Согласно ISO 8854 генераторы проверяют при температуре окружающей среды 23± 5 С, напряжении 13,5 Вольт и частоте вращения 6000 об/мин. Номинальным током генератора считается ток, который прогретый генератор дает при этих значениях напряжения, частоты вращения и температуры.
Стандартизованная процедура проверки не ставит свой целью определить, как долго генератор проработает на полной мощности, поэтому ни один изготовитель генераторов эти данные в спецификации не указывает.
Токоскоростные характеристики генератора в холодном и горячем состояниях
Некоторые производители предоставляют токоскоростную характеристику генератора как холодном, так и в горячем состоянии (при 90 С). Но эти данные также не дают представления о том сколько проработает генератор под постоянной нагрузкой. Они лишь характеризуют падение напряжения в обмотках статора увеличивающиеся из-за нагрева меди. Ток отдаваемый горячим генератором может быть ниже чем у холодного примерно на 20-25%.
Мощность зарядного генератора выбирают исходя из емкости и типа используемых аккумуляторов. Разряженный на 50% аккумулятор безопасно заряжать током в 20 – 50% от емкости. Медленнее всего принимают заряд аккумуляторы с жидким электролитом. Для них зарядный ток не должен превышать 0,15-0,2С (где С — емкость аккумулятора). Для AGM аккумуляторов это значение равно 0,3-0,4С, а для LiFePO4 1С и более. Однако большинство производителей литиевых ячеек рекомендуют также ограничивать зарядный ток величиной 0,3-0,5С.
Схема подключения зарядного конвертера. Чтобы подключить DC-DC устройство зарядки аккумуляторов не нужно разбирать генератор и вмешиваться в существующую электрическую систему автомобиля или катера. Положительные клеммы стартового и сервисного аккумуляторов подключаются соответственно на вход и выход устройства, а отрицательные к минусу зарядного. Температурный датчик и датчик контроля напряжения аккумуляторов подключать не обязательно
К зарядному току аккумуляторов необходимо добавить ток, потребляемый бортовым оборудованием во время работы двигателя (в данном случае имеется в виду оборудование, подключенное к сервисной аккумуляторной батарее — холодильник, инвертор и т.д.). А затем увеличить полученное значение на 20-25%, чтобы не допустить продолжительной работы генератора на максимальной мощности.
Таким образом, если используется батарея AGM аккумуляторов емкостью 300 Ач, то ее безопасно заряжать током 300 x 0,3 = 90 Ампер. Такой ток длительное время может давать генератор номиналом – 90 х 1,2 х 1,2 = 130 А
Номинал генератора в компактном корпусе лучше увеличить до 180 А. Можно модернизировать и менее мощную модель, расположив выпрямительные диоды генератора во внешнем корпусе с собственным охлаждением. Однако это более трудоемкий вариант.
Модели в стандартном или увеличенном корпусах выдерживают длительную работу под нагрузкой, поэтому для них запас по току может быть меньше. Но для обоих типов генераторов ток в цепи необходимо контролировать. Это удобно делать с помощью зарядного DC-DC конвертера. Для рассматриваемого примера подойдет устройство номиналом 120 А с выходным током 100 – 105 А. С шагом 10% ток можно уменьшать
Генератор как зарядное устройство
Генератор и аккумуляторы являются компонентами единой бортовой системы зарядки, которая будет работать эффективно, только тогда, когда ее элементы правильно подобраны друг к другу. Мощность генератора должна соответствовать емкости аккумуляторной батареи, а настройки регулятора напряжения типу аккумуляторов.
Особенно важно это для LiFePO4 батарей. Напряжение железо-фосфатных аккумуляторов во время зарядки растет очень медленно, поэтому, чтобы поднять его до уровня при котором начнет срабатывать регулятор, генератору может понадобится несколько часов. В течении этого времени он будет отдавать близкий к максимальному ток и сильно нагреется
Предположим литиевая аккумуляторная батарея емкостью 400 Ач подключена к генератору номиналом 100 А. Если аккумулятор разряжен на 80%, то чтобы зарядить его генератору потребуется три часа непрерывной работы на полной мощности
Зарядный конвертер превращает генератор в мощное зарядное устройство:
Источник
Зарядные генераторы
Регулярная недозарядка вредит тяговым аккумуляторам. Их емкость постепенно уменьшается и аккумуляторы выходят из строя, если зарядное устройство полностью не возвращает им потраченную энергию. Поскольку генератор ходового мотора часто единственный источник зарядки на катере или яхте, то от правильного выбора его рабочих характеристик зависят продолжительность зарядки, срок службы аккумуляторов и затраты на обслуживание двигателя.
Если двигатель работает долго, а аккумуляторы разряжаются не сильно, то для зарядки достаточно небольшого генератора на 50-60 ампер. Режим его работы напоминает автомобильный – полная мощность в течении нескольких минут для подзарядки разряженных на 5-10% аккумуляторов, затем уменьшение выходного тока для питание бортового оборудования. Однако, если тяговые аккумуляторы разряжаются глубоко, а время работы двигателя ограничено, стандартный генератор не справится с их зарядкой. Потребуется специальный генератор повышенной мощности. Решающий фактор при выборе его характеристик — скорость приема заряда аккумуляторами.
Для разряженного на половину тягового аккумулятора безопасен ток в 25 и более процентов от емкости. Но по мере того, как аккумулятор заряжается, скорость приема заряда падает. При уровне зарядки 70% — 80%, она составляет уже 10 — 15% от емкости. Если в этот момент не уменьшить зарядный ток, температура аккумулятора повысится и электролит в нем закипит.
У каждого типа аккумуляторов глубокого разряда свой максимальный ток зарядки. Гелевые и AGM заряжаются быстрее, чем жидко-кислотные батареи с толстыми пластинами.
Считается, что при разряде в 50% для AGM аккумуляторов безопасен ток в 40 % от емкости. Однако последние эксперименты показали, что некоторые типы этих аккумуляторных батарей выдерживают зарядный ток равный емкости. Литий ионные аккумуляторы допускают ток заряда, превышающий 100% емкости.
Мощность генератора
Мощность зарядного генератора определяют, используя свойство аккумулятора принимать высокий ток в сильно разряженном состоянии. Поскольку для заряженного наполовину аккумулятора безопасен ток в 25-40% от емкости, минимальная мощность генератора должна быть равна этой величине. К полученному значению добавляют ток, потребляемый бортовым оборудованием во время работы двигателя. (Эта нагрузка может быть достаточно высокой, если установлен холодильник и через инвертор работает оборудование переменного тока.)
Реальная мощность генератора отличается от номинальной. Номинальная мощность характеризует максимальный ток, вырабатываемый генератором при температуре 25 ° C и заданной скорости вращения. Однако во время работы генератор нагревается и его мощность снижается примерно на 25%. Генераторы автомобильного типа работают на полной мощности лишь в течении нескольких минут после запуска двигателя, после чего уменьшают выдаваемый ток. Некоторые модели автомобильных генераторов не выдерживают длительной работы под высокой нагрузкой — они сгорают и выходят из строя.
Изменение выходного тока генератора в зависимости от температуры. По сравнению с генератором на предыдущем рисунке у этой модели выходной ток при 2500 об/мин составляет 80 А, а не 98 А
Для быстрого восстановления емкости сильно разряженных аккумуляторов глубокого разряда требуется генератор повышенной мощности. Его задача — непрерывно работать с максимальной нагрузкой при температуре до 93 С. Однако даже лучшие морские генераторы служат дольше, если работают чуть ниже предела своих возможностей, поэтому при определении мощности для защиты генератора применяют дополнительный поправочный коэффициент равный 0,25.
Таким образом для зарядки аккумуляторной батареи емкостью 200 Ач потребуется зарядный генератор номиналом 50 А (200 х 0,25). Но чтобы не допустить его работу в предельном режиме, правильнее выбрать устройство на 25% мощнее (50 + 25% = 62,5 А) и к полученному значению добавить ток, потребляемый оборудованием во время работы двигателя. Если вместо аккумуляторов с жидким электролитом установлены стандартные AGM аккумуляторы, то мощность генератора можно повысить до 100 А, а для литиевых аккумуляторов до 250 А.
Количество оборотов
Для генераторов существуют графики или таблицы, связывающие выходной ток со скоростью вращения ротора. Некоторые модели достигают номинальной мощности на гораздо более низких оборотах, чем другие. Чем ниже обороты двигателя при полной мощности генератора, тем больше он подходит для зарядки аккумуляторов на холостом ходу.
Стандартные шкивы двигателей и шкивы высоконагруженных генераторов иногда не позволяют выдавать им полную мощность в желаемом диапазоне оборотов. Это связано с тем, что шкивы рассчитаны на автомобильные двигатели, работающие при 2500 — 3500 об / мин, а при зарядке аккумуляторов на холостом ходу обороты двигателя 700 — 1000 об / мин. Поскольку двигатели и их режимы эксплуатации на катерах и яхтах различаются, размер шкива генератора необходимо подбирать индивидуально по следующей процедуре:
- Определите каким оборотам двигателя должен соответствовать максимум мощности генератора
- Найдите максимально допустимое количество оборотов генератора (обычно 10 000 об / мин).
- Определите минимальную скорость работы двигателя при нормальном использовании (или скорость вращения двигателя для зарядки аккумуляторов и работы холодильника, если двигатель чаще всего используется для этих целей во время стоянки)
- Выберите шкив генератора для достижения максимальной требуемой мощности при выбранной минимальной частоте вращения двигателя. Проверьте, чтобы генератор не превышал допустимую скорость вращения при максимальных оборотах двигателя. Если ротор генератора превышает допустимую скорость вращения, измените передаточное отношение таким образом, чтобы максимальная скорость генератора достигалась при максимальных оборотах двигателя.
На яхте установлен генератор с номинальным током 130 ампер. Максимальная требуемая мощность 100 ампер (77% от номинальной мощности). Генератор выдает 100 ампер при 3000 об / мин. Максимальная безопасная рабочая скорость вращения составляет 10000 об / мин. Лодка проводит большую часть своего времени на якоре. На стоянке двигатель работает на холостых оборотах при 1000 об / мин для зарядки аккумуляторов.
Чтобы на холостых оборотах двигателя ротор генератор вращался со скоростью 3 000 об / мин передаточное отношение шкивов должно быть 3: 1. Максимальная частота вращения двигателя также 3000 об / мин. При таких оборотах скорость генератора составит 9000 об / мин, что находится в безопасных рабочих пределах.
Установка дополнительного генератора
Высокопроизводительные генераторы создают значительные нагрузки, которые усиливаются гармонической вибрацией. В результате даже прочные монтажные кронштейны иногда разрушаются. Чтобы этого не произошло, мощный генератор лучше всего устанавливать с помощью проверенного комплекта для монтажа, выпущенного производителем генератора.
Во многих случаях наилучшее решение – это не замена имеющегося устройства, а установка второго зарядного генератора в дополнение к уже существующему.
Требования к мощности двигателя
Реальное напряжение на выходе 12-вольтового генератора — около 14 вольт. Выходная мощность такого генератора при токе 100 А — 14 вольт × 100 ампер = 1400 Вт. В одной лошадиной силе 746 Вт, поэтому для привода этого генератора теоретически потребуется 1,400 / 746 = 1,88 лошадиных сил. Однако КПД генераторов при преобразовании энергии составляет всего 50-60%, поэтому его потребляемая мощность вдвое больше — 3,76 л.с. Поскольку в ремне и шкиве также возникают потери, для привода генератора, выдающего ток 100 А требуется 4-5 лошадиных сил. При меньших нагрузках потребляемая мощность меньше.
Если генератор большой мощности устанавливают на маломощный двигатель, то дополнительные затраты энергии могут уменьшить мощность на винте. Чтобы этого не произошло, используют регулятор напряжения, ограничивающий выходной ток генератора и поддерживающий его ниже определенного уровня. У генераторов с внешним управлением цепью возбуждения, устанавливают переключатель, с помощью которого отключают генератор, когда для движения требуется полная мощность двигателя.
Охлаждение зарядного генератора
КПД генераторов — 50-60%. Это значит, что при токе 100 А, генератор потребляет (14 вольт × 100 ампер) /0,5 = 2800 Вт. Из них 1400 Вт идут на нагрев окружающего воздуха. Крыльчатка на роторе генератора разгоняет горячий воздух, но даже с ней генератор быстро нагревается. Если температура внутри генератора повышается до 120 С диоды или обмотка могут сгореть. Риск увеличивается, если генератор используется с разряженными AGM или литиевыми аккумуляторами, которые допускают высокий ток зарядки. Чтобы генератор раньше времени не вышел из строя, он должен быть рассчитан на работу при высокой температуре.
Датчик температуры, подключаемый к регулятору напряжения, помогает контролировать состояние высоконагруженного генератора. Независимо от уровня разряда аккумуляторов и тока зарядки, регулятор уменьшает выходной ток, если температура генератора превышает допустимый предел.
Задайте вопрос,
и получите консультацию по электрооборудованию для катера, яхты, автодома или кемпера
Источник