Вторичные источники электрической энергии аккумуляторы

ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Источники электропитания – это устройства, обеспечивающие электрическим током электроприборы, аппараты и т. д. Они подразделяются на два вида:

• первичные;
• вторичные.

Первичные сами вырабатывают электрическую энергию путем преобразования в нее других видов энергии, полученной в результате химических и прочих реакций.

К ним относятся различные электростанции (тепловые, атомные, гидравлические), химические преобразователи (аккумуляторы, гальванические и топливные элементы), термоэлектрические и фотоэлектрические генераторы (солнечные батареи) и др.

Вторичные предназначены для преобразования получаемой от первичного источника электроэнергии в напряжение с требуемыми параметрами. Для питания и нормального функционирования большинства электронных приборов требуется стабильное напряжение с различными значениями.

Вторичные источники имеют вид отдельных блоков или входят в состав различных электронных узлов. Кроме самого источника питания узлы могут включать дополнительные устройства, поддерживающие его нормальную работу при воздействии разных внешних факторов. К вторичным относятся трансформаторные и инверторные преобразователи, выпрямители и т. п.

Понятие первичных и вторичных источников относительно. Например, бытовая электросеть является первичным источником для домашних электроприборов, так как большинство устройств имеет свой внешний или встроенный блок питания, преобразующий входное напряжение до необходимых значений.

В свою очередь, трансформаторная подстанция, от которой питается бытовая электросеть, сама является вторичным источником по отношению к электростанции.

ИСТОЧНИКИ ПЕРВИЧНОГО ПИТАНИЯ

Как было сказано, к первичным источникам относятся устройства, преобразующие различные виды энергии в электроэнергию. Это может быть химическая, механическая энергия, световая, тепловая и энергия атомного распада.

Основные виды первичных источников:

• гидроэлектростанции – преобразуют в электроэнергию гравитационную энергию воды;
• химические источники (аккумуляторы, топливные и гальванические элементы) – переводят химическую энергию в электрическую;
• дизель-генераторы – химическая энергия преобразуется сначала в механическую, потом в электрическую;
• солнечные батареи – преобразуют энергию солнечного света в электрическую на основе физического закона фотоэффекта;
• ветряные генераторы – преобразуют кинетическую энергию воздушных частиц;
• термоэлектрические преобразователи – преобразуют тепловую энергию в электрическую.

Химические источники обычно используются в маломощных устройствах и как резервные источники. Работа топливных элементов основана на электрическом окислении топлива. В термоэлектрических устройствах электрический потенциал создает разница температур.

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ПИТАНИЯ

Вторичные источники подключаются к первичным и преобразуют получаемую электроэнергию в выходное напряжение с требуемыми параметрами частоты, пульсации и т. д.

Основные функции вторичных источников:

• обеспечение передачи требуемой мощности с наименьшими потерями;
• преобразование формы напряжения (переменного напряжения в постоянное, изменение частоты, формирование импульсов;
• преобразование значение напряжения (повышение или понижение его величины, формирование нескольких величин для разных цепей);
• стабилизация напряжения (его показатели на выходе должны находиться в заданном диапазоне);
• защита (чтобы напряжение, превысившее допустимые значения вследствие неисправности, не вывело из строя аппаратуру или сам ИП);
• гальваническое разделение цепей.

Существует два основных типа источников вторичного питания (ИВП) – трансформаторный и импульсный.

Трансформаторный блок питания.

Трансформаторный, или линейный ИВП – классический блок питания. Регулировка выходного напряжения происходит в нем непрерывно, то есть линейно.

В его конструкцию последовательно входят:

• трансформатор (корректирует напряжение в ту или иную сторону до нужной величины);
• выпрямитель (преобразует переменное напряжение в постоянное);
• фильтр (сглаживает пульсацию (колебания) в выпрямленном напряжении).

Также схема может включать защиту от короткого замыкания, фильтр высокочастотных помех, стабилизатор и др.

Достоинства трансформаторных ИВП:

• простота конструкции;
• гальваническая развязка от сети;
• надежность в эксплуатации.

Недостатки:

• большие габариты и вес, которые прямо пропорциональны его мощности;
• относительно низкий КПД.

В бытовой технике линейные ИП малой мощности используются для питания плат управления стиральных машин, микроволновок, отопительных котлов.

Импульсный блок питания устроен принципиально иначе и имеет более сложную конструкцию.

Он содержит:

• выпрямитель (входное напряжение сначала выпрямляется – преобразуется из переменного в постоянное);
• блок широтно-импульсной модуляции – ШИМ (преобразует постоянное напряжение в импульсы определенной частоты и скважности);
• частотный фильтр (в блоках без гальванической развязки);
• трансформатор (в блоках с гальванической развязкой от сети).

В импульсных источниках вторичного напряжения стабилизация реализуется посредством обратной связи, что позволяет поддерживать выходное напряжение на заданном уровне независимо от скачков входных параметров.

Например, в блоках с гальванической развязкой в зависимости от величины выходного сигнала изменяется скважность (отношение частоты следования импульсов к их длительности) на выходе ШИМ-контроллера.

Достоинства импульсных источников питания:

• малый вес и небольшие размеры;
• высокий КПД (до 98%);
• широкий диапазон допустимого входного напряжения;
• встроенная защита от короткого замыкания и других форс-мажоров;
• невысокая цена;
• по надежности сравнимы с трансформаторными ИП.

Недостатки:

• являются источниками высокочастотных помех, которые нельзя полностью устранить;
• имеют ограничение по минимальной мощности нагрузки: не включаются, если она ниже требуемой.

Импульсные источники – это зарядки мобильных телефонов, блоки питания компьютеров, оргтехники, бытовой электроники.

БЕСПЕРЕБОЙНЫЕ И РЕЗЕРВНЫЕ ИСТОЧНИКИ

Источники бесперебойного и резервного энергоснабжения необходимы при краткосрочных и длительных отключениях электроэнергии. При отсутствии таких устройств частный дом может остаться без света, отопления и всей электротехники на неопределенный срок.

Эти устройства обеспечивают работоспособность подключенных электроприборов и техники при кратковременных перебоях в поставках электроэнергии. Также они выполняют функцию защиты от скачков напряжения и помех.

Бесперебойники делятся на три категории:

Имеют самую простую конструкцию, высокий КПД и низкую стоимость. При отключении электроэнергии или выходе параметров напряжения за допустимые пределы источник автоматически включает встроенный аккумулятор.

Имеют аналогичную конструкцию плюс встроенный стабилизатор. Аккумулятор включается только тогда, когда стабилизатор неспособен справиться со стабилизацией входного напряжения. Его основные недостатки, как и у предыдущего устройства – это наличие промежутка времени, требуемого на переключение режимов работы, и невозможность корректировать частоту сети.

У таких источников самое высокое качество и стоимость. Они работают по принципу двойного преобразования: входное напряжение сначала преобразуется в постоянное, а затем с помощью инвертора обратно в переменное. Здесь не требуется время на переключение на питание от внешнего аккумулятора, он подключен в цепь и при стабильном энергоснабжении находится в буферном режиме.

Бесперебойные источники могут обеспечить кратковременную работу электротехники на протяжении от нескольких минут до суток и используются:

• для безопасного отключения устройств при перебоях в сети;
• в охранно пожарной сигнализации, видеонаблюдении, контроле доступа;
• для оборудования системы умный дом.

Резервные источники питания.

Эти устройства необходимы для питания электроприборов при длительных отключениях электроэнергии или когда объект находится далеко от линии электропередач.

Автономные электростанции бывают следующих видов:

Эффективны, но потребляют много топлива. Работают бесшумно, хорошо запускаются в зимний период.

Работают практически в любых условиях, но также требуют значительных финансовых вложений. Целесообразно их использование при суммарной потребляемой мощности свыше 6 кВт.

Используют природный источник энергии – солнечный свет. Их применение выгодно в условиях климата с большим количеством солнечных дней. Станции не имеют подвижных частей и отличаются высокой надежностью.

Они должны размещаться на возвышенности и в местности с регулярным движением воздуха, желательно в одном направлении. Конструкция имеет большой вес, осложняет ситуацию наличие подвижных частей.

Использование солнечных и ветряных генераторов целесообразно при их постоянной эксплуатации как альтернативных систем электроснабжения, так как они требуют значительных затрат на приобретение и установку и окупаются не сразу.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Источник

Вторичные источники или электрические аккумуляторы

Принцип действия, устройство и конструктивные схемы АКБ

АКБ относится к химическим источникам электроэнергии. Химическим источником электроэнергии (тока) называется устройство, в котором за счет протекания пространственно разделенных окислительно-восстановительных химических реакций их свободная энергия преобразуется в электрическую [4].

По xарактеру работы эти источники делятся на две группы:

• первичные химические источники электроэнергии (тока) или гальванические элементы;

Первичные источники допускают только однократное использование, так как вещества, образующиеся при их разряде не могут быть превращены в исходные активные материалы. Полностью разряженный гальванический элемент, как правило, к дальнейшей работе непригоден − он является необратимым источником энергии.

Вторичные химические источники тока являются обратимыми источни­ками энергии – после глубокого разряда их работоспособность можно восстановить путем заряда. Для этого через вторичный источник достаточно пропустить, электрический ток в направлении, обратном тому, в котором он протекал при разряде. В процессе заряда образовавшиеся при разряде вещества, превращаются в первоначальные активные материалы. Так происходит многократное превращение свободной энергии химического источника тока в электрическую энергию (разряд аккумулятора) и обратное превращение электрической энергии в свободную энергию химического источника тока (заряд аккумулятора).

Прохождение тока через электрохимические системы связано с происходящими при этом химическими реакциями (превращениями). Поэтому между количеством вещества, вступившего в электрохимическую реакцию и подвергшегося превращениям, и количеством затраченного или высвободившегося при этом электричества существует зависимость, которая была установлена Майклом Фарадеем.

Согласно первому закону Фарадея масса вещества, вступившего в электродную реакцию или получившегося в результате ее протекания (Δm), пропорциональна количеству электричества (q), прошедшего через систему:

,

где I – сила тока, проходящего через электрохимическую систему; t – время, в течении которого проходит ток; k_э – коэффициент пропорциональности, который называется электрохимическим эквивалентом и характеризует количество вещества, прореагировавшего при прохождении через систему единицы электрического заряда.

Согласно второму закону Фарадея, при равном количестве прошедшего через систему электричества массы прореагировавших веществ относятся между собой как их химические эквиваленты А (А = m_А / Z, где m_А – атомный вес вещества, Z – заряд иона):

.

На практике этот закон не соблюдается, так как параллельно основным электрохимическим реакциям идут побочные. Это учитывает параметр B_m – выход по току:

,

где q_i – количество электричества, расходуемого на основную реакцию; Σq_i – общее количество прошедшего через систему электричества.

Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израсходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде.

Химический источник тока представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции от­дает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восста­навливается. Электролитом, как правило, является жидкое химическое соеди­нение, обладающее хорошей ионной и малой электронной проводимостью.

В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца) РЬО₂ (окислитель) положительного электрода, губчатый свинец РЬ (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H₂SО₄). Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу с диаметром пор 1,5 мкм у PbO₂ и 5…10 мкм у губчатого свинца. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии – около 50%.

Источник

Вторичные источники электрической энергии аккумуляторы

Аккумуляторы — вторичные химические источники электрической энергии — обладают способностью накапливать (аккумулировать) химическую энергию под действием электрического тока и затем, по меренадобности, отдавать ее в виде электрической энергии во внешнюю цепь.

При правильной эксплуатации аккумуляторы выдерживают до 500и более циклов заряд — разряд. В буферном режиме, когда аккумуляторвключен параллельно с генератором постоянного тока и служит главным образом для сглаживания колебаний напряжения последнего, срокслужбы исчисляется годами.

В настоящее время широкое применение находят кислотные (свинцовые), щелочные (кадмиево-никелевые, железоникелевые, серебряно-цинковые) аккумуляторы.

В серебряно-цинковых аккумуляторах в качестве активных материалов участвуют серебро и окись цинка. Электролитом служит раствор едкого калия. Эти батареи в 6 раз легче и в 5 раз меньше по размерам, чем свинцово-кислотные того же заряда. Онииспользуются в ответственных электроустановках.

В свинцовых аккумуляторах в качестве активного вещества на положительном электроде служит двуокись свинца Рb0₂.на отрицательном электроде — губчатый металлический свинец Рb.Электролит — раствор серной кислоты H₂S0₄ плотностью 1,18. 1,29 г/см3. При разряде свинцового аккумулятора происходит химический процесс, описываемый уравнением Pb0₂ + Pb + 2H₂S0₄ — 2PbS0₄ + 2Н₂0. (3.3) При заряде процесс идет в обратном направлении.

В кадмиево-никелевых аккумуляторах активными веществами положительного электрода являются окислы никеля, смешанные для увеличения электропроводности с графитом, а отрицательного электрода — губчатый металлический кадмий в смеси с губчатым железом. Электролитом служит раствор едкого кали или едкого натра, иногда с добавлением едкого лития.

В железоникелевых аккумуляторах вместо кадмия использован мелкий порошок железа, поэтому их стоимость значительно ниже. Недостаток железоникелевых аккумуляторов — значительный саморазряд.

В обозначении аккумуляторов первое число показывает, сколько аккумуляторных банок в батарее, последнее — каков электрический заряд* батареи в ампер-часах или кулонах: 1 А • ч = 3,6 кКл. Буквы в маркировке кислотных аккумуляторов означают: С — стационарный для продолжительных режимов разряда, СК- стационарный для Кратких и продолжительных режимов разряда с усиленными соединительными полосами, СЭ — стационарный в эбонитовом баке, СЗ — закрытого исполнения, СТ — стартерный для автомобилей и других машин, МТ — мотоциклетный, А — авиационный, РА — радиоанодный, РН — радионакальный и т. д.

В щелочных аккумуляторах буквы в маркировке означают: КН — кадмиево-никелевый, ЖН — железоникелевый, ТЖН — тяжелый железоникелевый и т.д.

Основной характеристикой аккумуляторов является их электрический заряд измеряемый в ампер-часах. Его вычисляют как произведение силы тока при разряде на продолжительность этого режима. Так, если электрический заряд равен 100 Ач, то при силе тока 10 А обеспечивается работа токоприемника в течение 10 ч, при силе тока 5 А — в течение 20 ч и т. д. Электрический заряд зависит от конструкции аккумулятора, от качества его зарядки, а также от силы разрядного тока.

Для питания транзисторных приборов промышленность выпускает миниатюрные-герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы серии Д, ЦНК, КНГ с электрическим зарядом от 0,06 до 1,5 Ач, рассчитанные более чем на 100 циклов разряд — заряд.

* Термин «электрическая емкость» устарел.

Источник