Хімічні джерела струму

У період пуску дизеля тяговий генератор або стартер працює в режимі двигуна, отримуючи електричну енергію від встановленої на тепловозі акумуляторної батареї. Крім того, акумуляторна батарея служить для харчування струмом ланцюгів управління, електричних ламп, допоміжних електродвигунів, коли не працює дизель тепловоза, а значить, не працює і допоміжний генератор.

Таким чином, акумуляторна батарея є другим після дизеля джерелом енергії на тепловозі. При стоянках тепловоза дизель може не працювати з метою економії палива і зниження зносу деталей.

Електричним акумулятором називають пристрій, що перетворює електричну енергію в хімічну, яка в разі потреби може бути знову перетворена в електричну енергію. Процес перетворення в акумуляторі електричної енергії в хімічну називається зарядом акумулятора. Зворотний процес перетворення хімічної енергії в електричну називається розрядом акумуляторів. При заряді електрична енергія підводиться до акумулятора від стороннього джерела постійного струму; при розряді запасені хімічна енергія акумулятора перетвориться в електричну, і у зовнішній ланцюга, підключеної до акумулятора, з'являється струм. Тому акумулятори відносяться до хімічних джерел електричного струму.

Найпростіший електричний акумулятор складається з пластин, опущених в електроліт, що знаходиться в посудині.

Розрізняють позитивні і негативні пластини акумулятора. Позитивні пластини з'єднуються при заряді з плюсовим висновком джерела струму, негативні - з мінусовим висновком. При проходженні струму через пластини і електроліт відбуваються хімічні процеси, в результаті яких змінюється хімічний склад пластин і електроліту. Якщо після цього замкнути висновки акумулятора на зовнішній ланцюг, то в електроліті і пластинах розпочнуться зворотні хімічні процеси. Хімічні склади пластин і електроліту повертаються до первісного стану, але при цьому в ланцюзі проходить електричний струм. Процеси заряду і розряду акумуляторів можна повторювати багато разів.

Акумулятор як джерело електричної енергії характеризують такі основні показники: е. д. з, ємність, максимальний струм і внутрішній опір. Електрорушійна сила акумулятора залежить від його типу, ступеня зарядженості, щільності електроліту, струму розряду (навантаження) і для широко поширених типів акумуляторів знаходиться в межах 1,4 - 2,2 В. Ємністю акумулятора називають кількість електрики, виражене в ампер-годинах (А -год), яке може віддати повністю заряджений акумулятор при розряді до мінімально допустимого напруги на його висновках. Ємність визначається як добуток електричного струму на час розряду в годинах цим струмом. Наприклад, якщо акумулятор при струмі розряду 10 А може працювати 10 год, то його ємність дорівнює 10 А х 10 год = 100 А-ч. Ємність акумулятора залежить від розмірів пластин, тривалості часу розряду, величини розрядного струму, температури і інших чинників.

На локомотивах застосовуються два типи електричних акумуляторів - свинцеві (кислотні) і железонікелевие або кадміевонікелевие (лужні). Свою назву акумулятори отримали за матеріалом, з якого виготовлені їх пластини, і використовуваному електроліту.

Пластини свинцевого акумулятора відливають зі свинцю. Кількість енергії, яке можна накопичити в акумуляторі, пропорційно розмірам поверхні його пластин, що омивається електролітом. Для збільшення цієї поверхні акумулятор має по кілька позитивних і негативних пластин. Всі позитивні і негативні пластини об'єднані в два окремих напівблоки. Пластини виготовляють у вигляді решіток з осередками. Осередки заповнюють пористою активною масою. Завдяки цьому ще більше збільшується поверхня дотику пластин з електролітом.

При складанні акумулятора після кожної негативної пластини вставляється позитивна. По краях з двох сторін стоять негативні пластини, так як позитивні пластини схильні до викривлення. Тому в свинцевому акумуляторі негативних пластин завжди на одну більше, ніж позитивних. Щоб уникнути торкання пластини в процесі складання акумулятора відокремлюють один від одного прокладками-сепараторами. Сепаратори повинні забезпечувати вільний доступ електроліту до пластин (за рахунок пористості), мати високу хімічну стійкість і велику механічну міцність.

Для виготовлення сепараторів використовують поліхлорвініл, стекловойлок і ін.

Зібраний блок позитивних і негативних акумуляторних пластин опускають в посудину, званий баком або банкою. Ці судини виготовлені з кислототривких матеріалів, найчастіше з ебоніту або спеціальних пластмас. Щоб уникнути расплесківанія електроліту акумуляторна банку зверху закрита кришкою. У кришці є отвори, через які виводяться назовні контактні штирі-елемента живлення.

Електролітом в свинцевих акумуляторах служить розчин чистої сірчаної кислоти (її хімічна формула H2SO4) в дистильованої воді. Щільність електроліту зазвичай знаходиться в межах 1,2 1,4 г / см3.

Повністю зібраний і заповнений електролітом акумулятор підключають для заряду до джерела електричної енергії. У процесі першого спеціального заряду нового акумулятора, який називають формуванням акумулятора, в результаті електричних процесів активна маса позитивних пластин перетворюється на перекис свинцю РЬО2, т. Е. З'єднання свинцю з киснем, багато насичене останнім. Активна маса негативних пластин переходить в чистий пористий свинець РЬ, званий губчастий. Крім того, при цих процесах виділяється сірчана кислота H2SO4, тому щільність електроліту підвищується.

Коли необхідно використовувати енергію, накопичену в акумуляторі, його включають в відповідну електричну ланцюг. Акумулятор віддає енергію, що виробляється за рахунок хімічних процесів, в результаті яких активна маса позитивних і негативних пластин перетворюється на сірчанокислий свинець PbSO4, званий також сульфатом свинцю. При цих реакціях виділяється вода, розбавляються електроліт, тому його щільність падає.

Напруга на затискачах акумулятора на початку розряду становить 2,1-2 В. Вимірювати напругу акумулятора потрібно під навантаженням за допомогою спеціальної навантажувальної вилки з вольтметром. Лише в цьому випадку ми визначимо дійсне його значення. У міру розряду воно повільно знижується до 1,8-1,7 В. Подальший розряд акумулятора повинен бути припинений, хоча при цьому буде використано лише близько 1/3 активної маси пластин. Більш глибокі розряди акумулятора згубно відгукнуться на ньому внаслідок сульфатации пластин. Освіта сульфату свинцю на поверхні, в порах активної маси позитивних і негативних пластин акумулятора при його розряді є природним хімічним процесом, в результаті якого відбувається віддача електричної енергії. У перший період розряду акумулятора утворюються дрібні кристали сульфату свинцю. Такі кристали не закупорюють пори в активній масі пластин. При подальшому заряді акумулятора вони повністю перетворюються на двоокис свинцю на позитивних пластинах і губчастий свинець на негативних пластинах. У разі глибоких розрядів акумуляторів, а також при систематичних недозаряд, забрудненні електроліту, зберіганні в незарядженому стані і внаслідок деяких інших причин сульфат свинцю перекрісталлізовивают і набуває крупнокристалічного будова. Пластини сульфатується - покриваються білим шаром крупнокристалічного сульфату свинцю, який має погану електропровідність. Великі кристали сульфату свинцю закупорюють пори в активній масі пластин. В результаті припиняється доступ електроліту у внутрішні шари активної маси пластин, підвищується внутрішній опір акумулятора, знижується його ємність. Освіта крупнокристалічного сульфату, що займає великий обсяг, призводить також до розбухання, випучіванію і випадання активної маси пластин. При заряді акумулятора крупнокристаллический сульфат повільно і не повністю перетворюється в вихідну активну масу пластин. Тому необхідний своєчасний заряд акумуляторів. Після включення на заряд напруга на висновках акумулятора швидко підвищується з 1,7 - 1,8 до 2,1- 2,2 В і потім дуже повільно до 2,3 В. У кінці заряду відбувається підвищення напруги до 2,6 - 2, 8 В і починається «кипіння» акумулятора, т. е. бурхливе виділення газів (водню і кисню) внаслідок розкладання води електричним струмом. Різке підвищення напруги і «кипіння» акумулятора свідчать про закінчення заряду. Після відключення акумулятора від джерела електричної енергії його напруга майже відразу падає приблизно до 2,1 В.

Кількість електрики, яке віддає в ланцюг акумулятор при розряді, завжди менше, ніж отримана ним при заряді, так як частина енергії втрачається на нагрівання електроліту і побічні хімічні процеси. Відношення кількості електрики в ампер-годинах, відданого при розряді акумулятора (ємності), до отриманого при заряді кількості електрики називається коефіцієнтом віддачі акумулятора по ємності. Для кислотних акумуляторів ця величина досягає 90-95%.

Коефіцієнтом віддачі акумулятора по енергії, т. Е. Коефіцієнтом корисної дії, називається відношення кількості енергії в кіловат-годинах, відданої при розряді, до кількості енергії, витраченої при заряді акумулятора. ККД. кислотних акумуляторів становить 70-80%.

Лужний акумулятор складається з сталевого нікельованого судини, блоків позитивних і негативних пластин і електроліту. В якості електроліту для цих акумуляторів застосовується розчин лугу - їдкого калі КОН в дистильованої воді.

Пластини акумулятора виготовлені у вигляді пакетів з тонкою нікельованої сталі і заповнені активною масою. Стінки пакетів мають велику кількість отворів (перфоровані) для кращого зіткнення активної маси з електролітом. Як і в кислотних акумуляторах, негативні пластини вставлені між позитивними і відокремлені одна від одної сепараторами. Залежно від складу активної маси негативних пластин лужні акумулятори поділяють на два типи: железонікелевие і кадмієво-нікелеві.

У незарядженому стані активна маса позитивних пластин складається з гідрату закису нікелю Ni (OH) 2 з домішкою дрібного графіту, а активна маса негативних пластин-з гідрату закису заліза Fe (OH) 2 в залізонікелевого акумуляторі або гідрату закису кадмію Cd (OH) 2 з домішкою гідрату закису заліза в кадміевонікелевом акумуляторі. В процесі заряду акумулятора відбувається окислення активної маси позитивних пластин, гідрат закису нікелю переходить в гідрат окису нікелю Ni (OH) 3. Активна маса негативних пластин відновлюється в вигляді порошкового (губчастого) заліза Fe або суміші кадмію Cd і заліза в губчатому стані.

При розряді акумулятора відбувається перехід до початкового складу пластин: активна маса позитивних пластин перетворюється в гідрат закису нікелю NI (ОН) 2, а активна маса негативних пластин окислюється відповідно в гідрат закису заліза Fe (OH) 2 або гідрати закису кадмію Cd (OH) 2 і заліза Fe (OH) 2.

Для повного використання негативних пластин позитивні пластини лужного акумулятора повинні містити в два рази більше активної маси. Тому пакети з активною масою позитивних пластин робляться товщі, ніж негативних, і позитивних пластин в акумуляторі встановлюють на одну більше.

При заряді напруга акумулятора спочатку швидко зростає до 1,6 В, а потім збільшується до 1,8 1,85 В в кінці заряду. Повністю заряджений акумулятор після відключення від джерела струму має е. д. з, рівну приблизно 1,45 В, т. е. значно нижче, ніж у кислотного акумулятора. Внаслідок більш високого внутрішнього опору лужного акумулятора його напруга при розряді складає 1,3-1,1 В. При напрузі акумулятора 1 -1,1 В розряд слід припинити.

Лужні акумулятори мають ряд переваг перед кислотними: велика механічна міцність, менша чутливість до значних розрядних струмів, тривалий термін служби і більш просте обслуговування. Недоліками лужних акумуляторів є низькі коефіцієнти віддачі по ємності (70 - 71%) і по енергії (55-60%), мала напруга елемента (в середньому 1,2 У замість 2 В у кислотного акумулятора) і підвищені габаритні розміри і маса. Крім того, при низьких зовнішніх температурах, якщо не утеплити лужні акумулятори, то їх ємність різко знижується.

Електрорушійна сила одного кислотного або лужного акумулятора і, отже, що віддається їм потужність дуже малі. Тому на локомативом встановлюються акумуляторні батареї, що складаються з багатьох акумуляторів, з'єднаних за певною схемою.