1

Tema de proiect:

Redresor automat pentru incarcarea acumlatoarelor de 12V/10A.

2

Cuprins. Introducere1. Generalitati despre baterile de acumlatoare1.1,Pile electrice 5,1.Potentialul de electrod 5,2.Caracteristicile ale pilelor eletrice 5,3.Pile electrice primare 5,4.Pile reversibile2,Acumlatoare electrice cu plumb 6,1.Principuil de functionare 6,2.Constructia specifica 6,3.Parametrii de baza 6,3,1.Tensiunea electromotoare 6,3,2.Tensiunea de la borne 6,3,3.Capacitatea de debitare 6,3,4.Rezistenta termica 6,5,5.Energia acumlatorului 6,3,6.Randamentul 6,3,7.Autodescarcareaacumlatorului 6,3,8.Durata de serviciu3. Studiul redresoarelor pentru incarcarea acumlatoarelor 2.1 Redresoare destinate incarcarii baterilor de acumlatoare 2.2.Structura si clasificarea redresoarelor 2.3.Redresoare pentru incarcarea acumlatoarelor 2.4 Redresoare cu incarcare automata 4, Solutia adoptata4,4.Consideratii teoretice. 4,1. Solutia de principiu a unui incarcator, cerintele impuse. 4,2.Modul de functionare 4,3.Functionarea traductoarelor de curent si de tensiune4,6.Dispozitive suplimentare pentru incarcarea acumlatoatrelor.5,Proiectarea redresorului?????

Proiectarea transformatorului de retea.7.1Disipatia termica Rezistenta termica Propagarea caldurii Capacitatea calorica Variatia puterii maxime de disipatie Temperatura ambianta maxima Determinarea regimului termic Dimensionarea radiatorului Montarea tiristoarelor pe radiator Calculul transformatorului Calculul radiatorului6. Instructiuni de protectie

3

7.Deviz

INTRODUCERE

Energia si in special energia electrica,reprezinta in zilele noastre vectorul cel mai semnificativ al pocesului in toate domenile de activitate .Deaca sursele chimice de curent si respectiv Acumulatoarele electrice nu au o pondere mare in totalulconsumului de energie,electrodul participa insa efectiv la punereav in valoare a celor mai noi realizarii ale tehnicii moderne. Domeniul lr de utilizare s-a estins extrem de mult si au devenit din copilarie pana la protezele auditive si stimulatoarele cardiace ale senectutii. Transportul terestru ,naval sau aerian,pana la cele mai sofisticate rachete cosmice este dependenta de aceste surse de energie .cu autonomie totola sau partiala,telecomunicatiile ,cu sau fara fir circuitele de comanda din automatizarii,aparatura portabila (intrumetele de masura, radioreceptoarele, calculatoare, casetofoanele minitelevizoare,etc) solicita surse de curent din ce in ce mai fiabile si la costuri tot mai reduse.

În prezent se observă că dezvoltare industrială avansează în toate domeniile activitaţii umane. Ea se realizează în special prin automatizare robotizare, cibernetizare si mecanizare. În electrotehnica progresele realizate în tehnologia de fabricaţie a semiconductoarelor , dar şi a microelectronicii, au permis realizarea de convertoare inteligente,pentru obţinerea unui control optim al puterii transferate. Controlul optim al puterii este o problema actuală cu implicaţii majore în domeniul automatizarii. El a devenit posibil abia după apariţia elementelor semiconductoare de putere , intucât acestea au permis controlul puterii prin comutaţia periodică a circuitelor electrice. Princomutaţia periodică, controlul puterii se realizează cu un randament ridicat deoarecepierderile sunt foarte mici faţa de cazul în care controlul puterii s-ar realiza cu precădere prin elemente disipative(rezistenţe ,etc.).

Problema controlului puterii este esenţiala pentru marile sisteme energetice.Până la apariţia semiconductoarelor de putere, controlul puterii se realiza, de regula,cu ajutorul reostatelor electrice. Controlul puterii prin intermediul reostatelor electrice are loc la un randament scazut, cauza pierderilor mari de energie.

Dupa apariţia elementelor semiconductoare de putere a devenit posibil controlul puterii cu randament ridicat, prin folosirea convertoarelor electrice.În particular în sistemele electrice de curent continuu, controlul transferului de putere din reţea lareceptoare se face cu ajutorul variatoarelor de curent continuu sau choppere.Aceştia permit conversia parametrilor energetici în concordanţa cu cerinţele consumatorilor, conversie care se realizeaza cu un randament ridicat si un conţinut de armonici superioare cât mai scazut. Variatoarele de curent continu permit controlul puterii electrice a sursei de alimentare şi a încalzirii, procese electrochimice, alimentărireglabile în curent continu, sudură electrică, acţionări cu motoare electrice de curentcontinu, etc.

Sursele primare clasice, care, istoric privite, sunt cele mai vechi, au fost supuse unui proces de întindere si diversificare ca sa poata face faţa miniaturizarilor impuse de electronica. Din punct de vedere economic sursele primare nu reprezintă însă o soluţie optimă. Faptul că materiile prime se utilizează într-un singur ciclu funcţional, reduce mult eficienţa globală, măreşte costurile specifice şi limitează domeniilede utilizare.

Sursele chimice secundare,acumulatoarele electrice, au devenit obiectul unei laborioase cercetări, urmându-se, alături de miniaturizarea si etanşarea acestora, creşterea numarului de cicluri functionale. Costurile specifice sunt cu atât mai reduse cu cât numarul de cicluri de funcţionare este mai ridicat. Miniaturizarea acumulatoarelor electrice,realizarea lor in construcţie etanşă şi diversificarea lor în raport cu exigenţele tehnicii, au constituit direcţii noi de cercetare. S-au înregistrat realizari remarcabile pe linia acumulatoarelor devenite clasice:acumulatorul alcalin în cuplurile Ni-Cd, Ni-Fe si Ag-Zn.

În prezent şi în viitorul apropiat acumulatorul acid cu plumb deţine primatul în fabricaţia mondiala atât din punct de vedere al volumului de fabricaţie (peste 90%), al costurilor specifice, al rezervei de materii prime si posibilitaţi de reciclare a acestora, al extensiei domeniului de utilizare cât şi al duratei de functionare într-o gama larga de solicitări.

4

Incarcarea acumlatoarelor se face din reteaua de curent alternativ ,prin intermediulredresoareelor,in cazul in care functioneazaintamponcureteaua decurent alternativ,precumsi in cazul in care avcumlatoarele sunt destinate alimentari sistemelorelecrice,indeplinite de reteauade curent alternativ. Structura redresoarelor pentru incarcarea acumlatoarelor elecrice este dependenta de natura si de parametrii acumlatoarelor, de procedeul de incarcare si de gradulde automatizre.pentru incarcarea acumlatoarelor elecrice de capacitatemica se utilizeaza, de obicei,redresoare monofazate necomandate.Pentru incarcarea acumlatoare lor de mare capacitate, cum sunt de pilda, cele din centralelesi statii electrice se utilizeazaredresoare trifazate punte comandata sau semicomandata,redresoare care fac obiectul proiectului de fata.

1. INCARCAREA BATERILOR DE ACUMLATORI

1.1. Domenii de utilizare ale acumlatoarelor

Pentru utilizarile ale acumlatoarelor electrice s-au impus anumite domenii ,cu un specific functional foarte bine determinat.In raoprt cu acest specific constructia acumlatoruli in toate partile componente ,ca si in ansamblu are caracteristicile bine definite.Astfel intalnim: -Acumlatoare pentru demaraj;iluminat si pentru aprindera motoarelor cu aprindere interna,denumite in literature de specialitate acumlatoare S.L.I.(Starting-Liighting-Ignition).In fabricatia interna ca si in cea mondiala au pondere cea mai mare.Ele alimenteaza demarorul motoarelor cu aredere interna si sunt solicitate cu curenti de ordinul sutelor sau chiar miilor de amperi,pentru o durata ce variaza intre 3 si 5 minute.Ca sa poata debita curenti atat de mari se impune: -placi electrodsubtire (0.8-1.3 mm)si avand un numar mare la fiecare polaritate(5-15 bucati). -distante intre electrozii de semn contraii cat mai mici(cel mult 1mm). -o stare de permanenta incarcare care se realizeaza prin functionarea I in tampon cu sursa de incarcare. -o greutate redusa, mai ales pentru demarajul motoarelor de avion.In utilizare lor nu se utilizeaza cicluri complete de incarcare –descarcare,de marajul angajand maxim 2% din capacitatea acumlatoatrelor,si acest lucru se realizeaza la temperaturi positive.Capacitatea acestor acumlatoare sunt relativ mici(20-150Ah) . -Acumlatoare de traciune,utilizate ca surse automone pentru alimntarea motoarelor de current continu destinate tractiunii electrice ,mla electrocare, electrostivuitoare,trenuri pentru exploatarii miniere. Volumul de fabricatie este mai mic decat cel inregistrat la avumlatoarele de demaraj,atat in fabricatia interna cat si in cea internationala, dar sufficient ca sa ridice problema de eficienta tehnica economica .Durata de viata fiind de ordinul 500-2500 de cicluri se impune constructii adecvate. -mono cellule(rareori celule de3-4 elemente) inserate in baterii cu tensiunii adecvate(12,24,36 sau 48 V) -placi electrod de grosimi mari (3-10mm)in constuctie robusta, -membrane separatoare mai groasesase asigure rezerva de electrolit necesara unor decarcarii profunde. -Acumlatoare destinare unor utilizari stationare, sunt din punct de vedere isroric cele mai vechi in fabricatia industriala si au domeniul cel mai larg de capacitati 27- 12000Ah.Exploatarea static, in incaperiseparete ,au o constructie mai robusta, pentru a putea acoperii odurata de exploatare de 15-30 de ani.In general,ele constituie unitatii de rezerva care lucreaza la tensiunea retelei(220-380V) si intervin in cazul intreruperilor de current pentru aimentarea unori consumatorii de “foc continuu” cum sunt centralele telefonice,iluminatul de siguranta in salile chirugicale , circuitele de comanda si de manevra din centralele elecrice sau dinpunctele de transformare,centralede calcul cu deozite imortante de date in memeoriib,sisteme de comanda si de racier in centralele elecrice.In raport cu importanta acestor utilaizarii se impun solutoii care sa confere o fiabilitate corespunzatoare:

5

-placi electrod robuste si rezistente chimice si mecanice pentru toata perioada de utilizare , -aliaje rezistente la coroziune, -o mare rezerva de electrolit,

- vase container din material rezistente la imbatrinire, -in medii cu pericol de explozie se folosesc constructii inchise cu dopuri anti flagrante. -Mini si microacumlatoare pentru aparatura portabila,in constructie etansa,inlocuiesc mai efficient si cu fiabilitae marita elelmemtele primare.Acest tip de acumlator,cu costuri initiale mult superioare celor ale surselor primare devin compettiv prin numarul mare de cicluri funtionale(200-2000) . -Acumlatoare destinate electromobilului.Din randul acumlatoarelor convventionale nu au putut fii selectate tipuri care sa poata asigurab vitezele obisnuite si un parcurs mediu intre doua incarcarii satisfacatoar.

2.STUDIUL REDRESOARELOR PENTRU INCARAREA ACUMLATOARELOR ELETRICE

2.1.Prezentare generala

Acumulatoarele electrice permit înmagazinarea energiei electrice de la surse şi restituirea energiei primite receptoarelor electrice cu funcţionare independentă de reţeaua electrică, respectiv receptoarelor electrice cu alimentare din reţeaua electrică, în cazul supraâncarcarii reţelei sau dispariţiei tensiunii de alimentare.

Receptoarele electrice de mica putere cu funcţionare independentă de reteaua electri-că sunt alimentate de la pile sau acumulatoare electrice de mică capacitate. Acumulatoarele electrice de mare capacitate se folosesc în sistemul electric al mijloacelor de transport cu funcţionare independenta de reteaua electrică. În sistemul electric al automobilelor, cu puţine excepţii (motociclete), acumulatorul funcţioneaza în tampon cu generatorul de energie electrică (alternator). Acumulatorul asigură pornirea motorului cu combustie internă ,după care, acumulatorul este încarcat de alternator, cît timp puterea receptoarelor este mai mică decât puterea alternatorului. Dacă puterea receptoarelor depăşeşte puterea alternatorului, sur-plusul de putere este preluat de acumulator.

Acumulatoarele electrice sunt utilizate, în regim de sursă şi tampon şi în sistemul de producere şi distribuţie a energiei electrice. Astfel se folosesc acumulatoare electrice în centra-le şi staţii electrice, pentru iluminatul de siguranţa, pentru alimentarea consumatorilor de energie electrică a căror oprire, în caz de avarie, nu este admisibilă, precum şi pentru alimenta-rea elementelor de semnalizare, control si comandă. Utilizarea acumulatoarelor electrice pentru iluminatul de siguranţă, soluţie practicată iniţial în centralele electrice, a fost extins şi în alte locuri: cinematografe, teatre, săli de conferinţă, sali de operaţii.

Încarcărea acumulatoarelor se face din reţeaua de curent alternativ, prin intermediul redresoarelor, în cazul în care funcţioneaza în tampon cu reţeaua de curent alternativ, precum şi în cazul în care acumulatoarele sunt destinate alimentarii sistemelor electrice independente de reţeaua de curent alternativ.Dacă în sistemele electrice independente de reţeaua de curent alternativ, acumulatorul funcţioneaza în tampon cu un generator de energie electrica acumula-torul se încarca de la generator, în intervale de timp, în care puterea solicitata de consumatori este mai mare decât puterea generatorului. Dacă generatorul este de curent continuu, încarca-rea acumulatorului se face de la alternator prin intermediul unui element (dioda), care nu per-mite trecerea curentului în sens invers (de la acumulator spre generator). În cazul în care ge-neratorul este de curent alternativ, încărcarea acumulatorului se face de la alternator, prin in-termediul unui redresor.

Există deosebiri, nu numai în privinţa surselor de încărcare ci şi a procedeelor de în-cărcare a acumulatoarelor. Astfel, după durata procesului de încărcare a acumulatoarelor acesta poate fi:

normală rapidă

În cazul încarcării normale, curentul de încărcare are valoarea de (0.08-0.02)Cn , unde Cn este capacitatea nominală a acumulatorului în Ah, iar în cazul unei încărcări rapide valoarea curentului de încărcare este de 5-10

6

ori mai mare decât valoarea corespunzatoare încarcării normale. Timpul de încărcare este de ordinul 8-12h la încărcarea normală şi de circa 1/2h la încărcarea rapidă.

După modul de variaţie a curentului şi tensiunii în timpul încărcării, se deosebesc următoarele procedee de incărcare:

încărcare cu tensiune constantă încărcare cu curent constant încărcare mixtă

Figura 1.1: Referitoare la procedeele de încărcare a acumulatoarelor

În cazul încărcării cu tensiune constantă (figura 1.1.a), tensiunea sursei de încărcare se menţine la tensiune constantă , prin reglare automată; curentul de încărcare scade odată cu încărcarea acumulatorului, ca urmare a creşterii tensiunii acumulatorului. Limitarea valorii curentului, la începutul procesului de încărcare se face prin înserierea unei rezistenţe. Durata încărcării este de 8-12h. Principalul avantaj al acestui mod de încărcare îl constitue curentul mic, la sfârşitul procesului de încărcare si deci nu se impune o supraveghere deosebita a acumulatorului.Având degajări reduse de gaze, nu există pericol de deterioare a acumulatoru-lui chiar dacă timpul de încărcare depăşeşte timpul normal de încărcare determinat de atingerea tensiunii de sfârşit de încărcare. Procedeul de încărcare cu tensiune constantă este preferat în atelierele de reparaţii autovehicule, pentru încărcarea bateriilor de acumulatoare în cursul nopţii.

Încărcarea cu curent constant (figura 1.1.b),de valoare mai mare decât curentul de încărcare, prezintă avantajul reducerii duratei încărcării. În schimb, în faza finală a încărcării, apare pericolul deteriorării acumulatorului. Pentru evitarea acestui pericol se întrerupe încărca-rea, când tensiunea pe element are valoarea cuprinsă între 2.3-2.4V. În felul acesta, încărcarea este parţială, cantitatea de electricitate primită de acumulator fiind de ordinul a (0.4-0.6)Cn. Încărcarea partială permite utilizarea intensă a bateriilor de acumulatoare, în aplicaţii în care se impun 2-3 cicluri încărcare/descărcare pe zi (electrocare, locomotive de mină etc.).

O variantă a încărcării cu curent constant, care permite încărcarea completă a acumu-latoarelor, o constitue încărcarea cu curent constant în trepte.În acest caz, se începe încărcarea cu un curent constant mare şi se menţine acest curent până cănd tensiunea pe element atinge valoarea 2.3-2.4V.Se reduce curentul la jumătate si se continuă încărcarea până ce tensiunea atinge din nou valoarea corespunzătoare degajării de gaze (2.3-2.4V). Se reduce din nou valoarea curentului la o treime din curentul treptei a doua şi se continuă încărcarea, până la în-cărcarea completă a acumulatorului.

La bateriile de acumulatoare mici şi mijlocii se aplică procedeul de încărcare cu curent constant în două trepte: prima treaptă cu curentul maxim de încărcare admisibil; a doua treaptă, cu un curent redus la (0.05-

t

us

i

i

i

us

tt

us

7

0.11)Cn. Rezultate mai bune se obţin prin metoda încărcării cu curent constant cu pauze. Aceste procedee sunt asemănătoare cu procedeele de încărcare cu curent constant, respectiv, cu curent constant în trepte, cu deosebirea că încărcarea se întrerupe şi se reia după o pauză de 1-2h, cu aceeaşi valoare a curentului sau cu curentul corespunzător treptei următoare.Încărcarea cu curent constant cu pauze, respectiv cu curent constant în trepte, cu pauze, se aplică: la punerea în funcţiune a bateriilor staţionare noi sau după reparaţii capitale, la tratamente de înlăturare a stărilor anormale ale bateriilor de acu-mulatoare.

Încărcarea mixtă (figura 1.1.c) constă dintr-o încărcare cu curent constant, de valoare mai mare decât curentul normal de încărcare, până când tensiunea pe element atinge valoarea corespunzătoare degajării de gaze (2.3-2.4V).În continuare încărcarea se face la tensiune constantă, curentul de încărcare micşorându-se odată cu creşterea valorii tensiunii acumulato-rului spre tensiunea de sfârşit de încărcare (2.65V/element).Această metodă se aplică, pe scară largă, la încărcarea parţială, rapidă, a bateriilor de acumulatoare destinate autovehiculelor.

Procedeele de încărcare prezentate mai sus, respectiv combinaţii ale acestor procedee de bază, se aplică la diferite tipuri de încărcări care se pot ivi în exploatarea acumulatoarelor: încărcarea de punere în funcţiune, încărcarea de serviciu, încărcarea de egalizare, încărcarea permanentă în rezervă şi încărcarea permanentă de păstrare.

Încărcarea de punere în funcţiune se face de către utilizatorii acumulatoarelor, deoa-rece livrările de acumulatoare cu electrolit, în stare de funcţionare, sunt foarte rare. Pentru punerea în funcţiune a acumulatoarelor cu plumb, se procedează la umplerea acumulatorului cu acid sulfuric diluat la densitatea prescrisă şi la încărcarea potrivit cu instrucţiunile întreprin-derii constructoare. Încărcarea de punere în funcţiune este o încărcare cu curent constant cu pauze, cu controlul riguros al valorii curentului de încărcare prescris şi a duratei pauzelor. La terminarea încărcării, tensiunile elementelor acumulatorului,sub curentul de încarcare prescris, nu trebuie să difere între ele cu mai mult de 0.1V. De asemenea, electrolitul trebue să aibă aceeaşi densitate şi aceeaşi nivel în toate elementele acumulatorului.

Încărcările de serviciu sunt încărcări curente în exploatarea acumulatoarelor, care se execută după descărcarea acumulatoarelor, ele pot fi complete sau parţiale. Încărcările de serviciu complete sunt încărcări normale, executate, de regulă, cu curent constant, durata încărcării fiind de cca 12h. Aceste încărcări au avantajul că asigură o omogenizare a stării plăcilor. Când timpul disponibil nu permite executarea unei încărcări complete, se execută o încărcare parţială. Încărcările parţiale sunt încărcări rapide, executate de regulă după procedeul încărcărilor mixte: curent constant de valoare 2Inom (valoarea nominală Inom este dată în catalog) până când tensiunea atinge valoarea corespunzătoare degajării de gaze ; în continuare se menţine constant tensiunea sursei de încărcare.

Încărcările de egalizare se aplică acumulatoarelor cu încărcări de serviciu parţiale, acumulatoarelor cu funcţiune în tampon, acumulatoarelor utilizate puţin sau celor care au suferit descărcări puternice. Ele se execută periodic, după prescripţiile fabricii. Sunt încărcări complete, cu curent constant (0.1-0.2Inom) sau cu tensiune constantă. Încărcările de egalizare sunt controlate cu atenţie , prin măsurarea tensiunii, densităţii electrolitului şi a temperaturii pe cât posibil, la toate elementele. Bateriile de acumulatoare cu 2-3 încărcări rapide în timpul zilei şi o încărcare completă în timpul nopţii, sunt supuse încărcării de egalizare de două ori pe lună. Bateriile care în exploatare sunt supuse doar la încărcări parţiale, li se execută încărcarea de egalizare, de două ori pe săptămâmă. Încarcarea pemanentă în rezervă se aplică bateriilor staţionare, în scopul evitarii autodescărcării.Încărcarea se realizează cu ajutorul unui redresor de mică putere, cu tensiunea constantă (2,15 V/element).În caz de avarie, bateria este aclanşată automat. După nlăturarea avariei,bateria rămâne n tampon cu sursa de energie principală şi este încărcată. La sfărşitul încărcării, bateria trece din nou în rezervă.În timpul încărcării permanente în rezervă, valoarea curentului nu trebuie să coboare sub 0,03/36*Cnom (STAS 445-75), pentru ca bateria să se găsească, în permanenţă, la capacitatea nominală completă. Periodic la trei luni sau după fiecare descărcare sub 0,5*Cnom bateria trebuie încărcată complet.Încărcarea completă a bateriei este precedată de o descărcare până la 1,93 V/element, cu un curent egal cu Inom. Scopul acestei descărcări este reactivarea materiei active.

1,221,20

d[g/cm3]

8

Fig. 1.2:Caracteristicile de încărcare ale elementelor acumulatoarelor de plumb

Încărcarea permanentă de păstrare se aplică bateriilor scoase din utilizare pe o perioada lungă (de ex. 1 an). Bateriile pot fi menţinute în stare încărcată prin încărcare permanantă cu tensiune constantă de 2,15-2,18 V/element şi un curent de 0,002-0,003Inom. Gradul de încărcare al acumulatoarelor poate fi controlat prin măsurarea tensiunii electromotoare e, a densităţii electrolitului sau a cantităţii de gaze degajate în unitatea de timp q.

3.REDRESOARE DESTINATE INCARCARII BATERIILOR DE ACUMULATOARE

3.1.Structura si clasificare redresoarelor

Redresoarele permit transferarea curentului alternativ in curenr continuu.Ele au numeroase aplicatii determinate de faptul ca energeia electrica se obtine ,cu precadere ,sub forma de current alternativ,iar utilizarea energiei elecrice se face atat in current alternativ cat si in vcurent continuu.Ponderea folosirii energie elecrice sub forma de current continuu fiind in prezent de peste 25% . Principalele elemente ale redresorului rezulta din schema de structura data in figura urmatoare:

1,181,16

[g/cm3]

g[cm3/h]

9

Fig.3.1.Functia si structura redresoerelor

Functia de structura din figura 3.1.b.redresoerale utilizate in practica pot avea o structura mai simpla sau mai complexa.Astfel se utilizeaza redresoare necomandate care constau doar din elemente de reglare ,protectie si supravechere.In functie de comanda a elementelor decomutatie dinstructura redresorului deosebim: -redresoare nenomandate(cu diode), -redresoere comandate(cu tiristoare sau tranzistoare in regeim de comutatie). Redresoerele pot fii cu sau fara transformatoare. Cele fara transformator se caracterizeza prin simplitate,gabarit mic si prêt de cost scazut.Desi prezinta aceste avantaje ,redresoerelefara transfomator sunt utilizate pe scara redusa.Introducerea transformatorului in circuitul engetic al redresorului permite rezolvare a urmatoarelor probleme:tansformarea tensiunii sursei,astfel incat sa fie in concordanta cu tensiunea receptorului;transformarea numarului de faze (marirea numarului de faze) in scopul “netezirii”tensiuni si a curentului redresat,obtinerea puntului de nul pentru circuitului de redresare in conexiune stea ;izolarea retelei de curent alternetiv de retaua de curent continuu;imbunatatirea formei curentului primar, realizarea redresoarelor cu scheme de redresoere complexe.Schemele de redresoare complexa prezinta urmatoarele avantaje: -micsoreaza pulsatia tensiunii redresate , -imbunatatesc gradul de utilizare a ventilelor.Redresoarele pot fi impartite in doua mari clase:1,Redresoare cu un singur tact ,denumit si redresoare monoalternate sau reresoare cu conexiunea stea.2,Redresoare cu doua tacte sau redresoare punte Redresoarele cu un singur tact se caracterizeaza prin aceea ca fiecare faza a sursei de energie este parcursa de curent ,numai odata ,in decursul unei perioade.La redresoarele punte fiecare faza asursei de energie este parcursa de current ,in ambele semialternante.La redresoarele de mare putere se utilizeaza grupe de ventile legate in serei si in paralel.

3.2. Redresoare pentru incarcarea acumulatoarelor

În figura de mai jos sunt prezentate pentru un element a unui acumulator de plumb, variaţia tensiunii electromotoare, a densităţii acumulatorului şi a cantităţii de gaze degajate în unitate de timp,la încărcarea acumulatorului.

Structura redresoarelor pentru încărcarea acumulatoarelor electrice este dependentă de natura şi parametrii acumulatoarelor,de procedeul de încărcare şi de gradul de automatizare.Pentru încărcarea acumulatoarelor electrice de capacitate mică se utilizează,de obicei, redresoare monofazate necomandate.

Schema electrică a unui redresor monofazat în punte, cu diode semiconductoare, pentru încărcare cu tensiune constantă a acumulatoarelor pentru autovehicule este reprezentată în figura 3.2

10

Figura 3.2.Schema unui redresor monofazat în punte, necomandaRedresoarele necomandate au o construcţie simplă, dar prezintă următoarele dezavantaje:

-curent mare la începutul procesului de încărcare, -durată mare de încărcare (10-12h),

-consum sporit de energie , -dispozitivul de incarcare devine greu si voluminous. Reglarea tensiunii de alimentare a puntii redresoare se poate realiza prinmai multe metode:a.Modificarea in trepte a tensiunii secundarului transformatorului de alimentare.

Fig.3.3.Redresor care are o tensiune variabila in secundar.

Dispozitivul este simplu de exploatat .Presupune realizarea unui trnsformator cu mai multe prize in secundar.b.Reglerea tensiunii cu ajutorul unei scheme cu tranzistoare .Ea necesita tranzistoare de putere ,ceea ce scumpeste dizpozitivul .c.Reglarea tensiunii cu ajutorul tiristorului. Exista o variateta de scheme bazate pa acelasi principiu ,care au o seama de avantaje,dar si un dezavantaj de baza :comanda dificila a tiristorului.

Figura 3.4. Schema bloc a redresorului monofazat comandat ce utilizeaza numai un tiristor, in cadrul unei scheme simple de comanda.

In figura 3.5. avem o schema de incarcare fara punte redresoare cu un simplu tiristor ce realizeza monoalternanta si reglarea tensiunii.

11

In figurile urmatoare se prezinta doua scheme de dizpozitive de incarcare a acumlatoarelor cu comanda prin tiristor ,ceva mai elaborate.In figura 3.6..se utilizeaza un transformator coboritor de tensiune 220V/42V cu putere de 250VA.Tiristorul D5 functioneaza pe baza principiului realizarii fazei pe poarta ,iar tranzistorul T1 si T2 realizeaza reactia de la iesirea schemei si comanda momentului deschiderii tiristorului.

Fig.3.6.Redresor cu un transformator coborator de tensiune.

Micsorarea curentului de incarcare pana la 100-200 mA se obtine cu ajutorul rezistorului variabil.Avantajul svhemei consta in faptul ca este universala. In figura 3.7. avem o schema ce seamana cu schemele de reglare a intensitatii luminoase a becurilor din locuintele noastre .

Functionarea schemei este reletiv simpla .In alternanta pozitiva C2 se incarca prin R3,D!, R!,R2, cu o tensiune pozitiva la bornele lui R4,iar in alternanta negetiva se incarca la aceeasi tensiune dar cu o polaritate inversa (desemn contrar),pe traseulR2,R1,D2,R5. In momentul in care tensiunea la bornele lui C2 atinge pragul de aprindereal becului cu neon HL1, acesta se aprinde.Condensatorul se va descarca radid prin bec si prin electrodul de comanda al tiracului VS1,care se va deschide .La sfarsitul semiperioadei ,triacul se bloceaza. Procesul descries se repeat la fiecare semiperioada a retelei. Factorii principali care duc la distrugera bateriilor de acumlaror, in speciala celor care intra in echiparea autovechiculelor sunt: -balanta energetica deficitara ,fara incarcare exteriora suplimentara, -supra solicitarea in timpulpornirilor de motoare reci in special iarna.Aceste deficiente se inlatura aproape total prin:

12

-incarcarea suplimentara a bateriei, utilizind unredresor alimentetde la retea, -reglarea corecta a regulatorului de curent de pe automobil, -utilizrea unui redresor lega in paralel pe bornele acumlatoruluipentru pornire motoarelor reci pe timp de iarna.

Se dau cateva solutii constructive de incarcare de acumlatoare.In figura 3.8. se prezinta un redresor simplu fara decuplarea curentului de incarcare a acumlatorului si fara posibilitatii de citire si reglare a curentului de incarcare.

Utilizarea acestui tip de incarcator este recomandat pentru incarcari de scurta durata cu urmarirea permanenta a comportarii elecrolitului din celulele acumlatorului. Transformatorului va fi de 250VA si 2x12V in secundar pentru variatia constructive pentru autoturismesi de mimimum500VA si 2x24Vinsecundarul pentru autocamioane cu instalatia electrica de 24V.Diodele redreoare D2-D2 vafi de tipul DSO NOS sau echivalentul pentru autoturisme.

Fig.3.9.Redresoare pentru protejarea bateriilor la suprasolicitarii de curent.

Aceste redresoarese utilizeaza cu precadere in timp de iarna la pornire motoarelor reci ,pentru protejare bateriilor la supra solicitarie la current.Redresorulse lega in parallel cu bateria ,se lasa sa se incarca bateria 10-20 de minute ,dupa care se porneste motorul “la cheie”.Dupa pornire motorului la 2-5 minute se opreste redresorul si se scot cablurile de legatura si cordonul din priza.

Redresoarele destinate a funcţiona în tampon cu bateriile de acumulatoare de mare capacitate, cum sunt de pildă cele din centrale şi staţii electrice, se realizează cu bucle de reglare a curentului şi tensiunii. Astfel de redresoare cu schema bloc prezentată în figura 1.4 se construiesc la Electrotehnica Bucureşti, pentru valori nominale ale tensiunii de ieşire de 24V , 110V sau 220V. Un redresor cu schema bloc din figura 1.4 alimentează consumatorii de curent continuu conectaţi la linia L şi menţine în stare încărcată bateria de acumulatoare B. Bateria de acumulatoare asigură alimentarea principalilor consumatori în caz de dispariţie atensiunii în reţeaua de curent alternativ, şi acoperă surplusul de energie electrică în cazul suprasarcinilor.Redresorul poate funcţiona în următoarele regimuri:

automat, în care menţine tensiunea constantă, corespunzătoare valorii de 2,15 V/element; încărcare rapidă, în care caz tensiunea este menţinută la valoarea corespunzătoare valorii de 2,25

V/element, cu un timp de încărcare care poate fi reglat între 0-12h;

13

manual, în care caz valoarea tensiunii de ieşire poate fi modificată între limitele corespunzătoare modificării de tensiune pe element: între 1,75-2,7 V/element

La funcţionarea în regim de încărcare rapidă după trecerea intervalului de încărcare stabilit iniţial, redresorul trece în mod automat din regimul de încărcare rapidă în regimul automat. În oricare regim valoarea limită a curentului debitat de redresor poate fi reglată între 0,9-1,1 In, valoarea limită a curentilui debitat de baterie este de 0,25In.

14

4.REDRESOARE DE INCARCARE AUTOMATA

Majoritatea dispozitivelor de incarcare din comert au o schema care se reduce la asocierea unui transformator si a unui redressor , avind uneori si cateva rezistente.

15

La conceperea schemei s-a pornit de la urmatoarele indicatii: -curentul de sarcuna trebuie sa fie limitat la o valoare data,atunci caund bateria este complet descarcat,pentru a se evita deteriorarea elementelor acestuia, -incarcarea trebuie sa se efectueze la un current constat,limitat la valoarea mentionata anterior, candbateria este complat “golita”.Acest current trebuie sa creasca uniform,pana cand tensiunea de la bornele bateriei atinge o valoare data. In plus ,s-a dorit ca montajul sa fie protejatfata de toate erorile posibile in ceea ce priveste conexiunile.Astfel,bateria poate sa suporte fara a fi pereclitata: -scurtcircuitul permanent la iesirile sale, -conectarea in sens gresita bornelor sale, -sarcina prelungita cand este total descarcata.

4.1Constructia de principiua unui incarcator, cerinte impuse

In principiu dispozitivele de incarcare pot fi reletiv simple ,intucat forma de tensiune furnizata ca si coeficientul de ondulatie nu sint importante.Inconstructia unui astfel de incarcator se pot distinge in general trei blocuri;transmormatorul coborator de tensiune ,sistemul de redresare a tensiunii de iesire . Atunci cand se proieteaza ,constructia sau alegeun incarcator trebuie cunoscute urmatoarele caracteristicii :tensiunea de alimentare de la reteua electrica ,tensiunea bateriei de incarcat,(6,V;12Vsau24V),curentrul maxim de incarcare ce va trebui asigurat de incarcator(in princiriu mai mic de 10A, eventual cu posibilitatii de reglare). Un incarcator ideal trebuie sa asigure: -protectia la conectarea inversa a poliilor bateriei; -protectia in cazul unui scurtcircuit la iesire; -furnizata unui current care sa corespunda stadiului de incarcare a bateriei.Incarcarea acumlatoarelor impuse o sursa de constructie speciala care sa permita debitarea unor curenti si tensiunii cu parametrii bine stabilitii.Sursa aleasa si prezentata in continuare are urmatoarele facilitatii. -protectie la conectarea inversa a bateriei, -adaptarea permanenta a curentului la gradul de incarcare a bateriei, -limitarea automata a curentului maxim de incarcare, -oprirea automata la incheierea incarcarii, -functionarea in impulsuri (contribuie la prelungirea duratei de viata a bateriei).Tensiunae pulsatorie furnizata de blocul redresor, este aplicata bateriei ,de incarcate prin intermediul unui tiristor cu rol de comutare static.Amorsarea tiristorului este controlata simultan de catre un circuit care “masoara” tensiunae la bornele acumlatorului si un alt circuit care sesizeaza valoarea curentului de incarcare.Reglarea se face prin deschiderea intermitenta a tiristorului,comandat cu patru tranzistoare.Comutatia statica reduce substantial pierderile de energie prin disipatie termica,inevitabil in cazul redresoarelor simple,cu elementele de limitre pasive (rezistente de putere,becuri).

4.2.Modul de functionare

Tensiunea furnizata de un redresor de putere adecvata,nefiltrata (transformator plus punte redresoare )s-a stability mai mare decit tensiunea la bornele unui acumlator de 12 V complet incarcat(cca 14,4V).Diferenta de la 20 V la 14,4V fiind necesara pentru a compensa caderile de tensiune pe tiristorul in conductie si pe R12.

16

Dupa ce s-a conectat acumlatorul ce urmeaza a fi incarcat,tensuinea dela bornele acumlatorului produce prin divizorulR7-R3, ca si prin R4 devenind sufficient pentru deschiderea tranzistorului T1.In acest caz a fost prevazut butonul de pornire,prin apasarea caruia T1 intra in conductie,T4 la fel si tiristorulse amortizeaza.Apasarea butonului pornire trebuie sa dureze cateva zecii de secunde cat timp tensiunea bateriei creste la pragul necesar automentinerii incarcarii.

4.3.Functionarea traductoarelor de curent si de tensiune pentru controlul amortizarii Curentul de incarcare produse la bornele rezistentei R12 o cadere de tensiune mediata de condenzatorul C1.Cand acesta depaseste o valoare prestabilita ,tranzistorul T2 se deschide si il bloceaza pe T1 impiedicad amorsarea tiristorului,stabilizandu-se astfel o limita maxima a curentului de incarcare reglabila din potentiometrul P1. Tensiunea la bornele bateriei este sesizata de T3.Atunci cand aceast tensiune depaseste valoarea fixata prin P2,tranzistorul T3 se deshide si il blocheaza pe T1 impiedicand amorsarea tiristorului. Dioda electro luminiscenta LED1 serveste ca indicaror visual a curentului mediu de incarcare. Montajul are o limitare:nu a fost conceput decat pentru baterile de 12V si aceasta din mai multe motive :baterile de 6V sunt din ce in ce mai rare.

4.4.Consideratii teoretice

Constatam ca trebuie realizata unmontaj care sa poata functiona ca un generator de curent constant pentru faza initiala a incarcarii,apoi ca un generator de tensiune constanta,cand bateria este complet incarcata. Trecerea de la un mod la celalalt trebuie sa fie progresiva, automata si bidirectionala. S-a apelat la un sistem utilizand tiristorul.Aceasta componenta prezinta avantaje importante,dar are si un inconvenient:fiind comandat prin poarta cu ajutorul unui current foarte slab,spatial anod-catod este adus in stare de conductie.Dar odata amorsat cu ajutorul portii,nu se mai poate dezamorsa.Singura solutie consta in anularea curentului anod-catod sau a tensiunii anod-catod.Conditia este usor de realizat cu current alternativ intrucat acesta trece prin zero de o suta de ori intr-o secunda(in cazul retelei avind f=50Hz)dar mult mai dificil este de a gasi o solutie in current continuu. Schema contine un transformator ce furnizeaza 18V, care sunt redresati dar nefiltrati si de un circuit de incarcare este maxim ,iar cand tiristorul este amorsat, curentul de incarcat este nul.Circuitul de masura a curentului controleazaamorsarea tiristorului limitind curentul la valoarea maxima dorita,iar circuitul de masura a tensiunii are rolul de a interzice aceste amorsarii cand tensiunea de la bornele bateriei atinge valoarea corespunzatoare incarcarii complete. Tiristorul se va dezamorsa tot de o suta de ori pe secunda.Aceasta va determina o reglare foarte precisa a curentului mediu care circula prin baterie in timpul incarcarii.Ceea ce conteaza insa este curentul mediu care traverseaza bateria si nu valoarea instantanee a acetuia. Tranzistorul T4 este folosit pentru amplificare curentului de comanda a tiristorului.Un curent de 2mA in baza lui T4 este sufficient pentru a declansa orice tiristor.Functionarea montajului, cand bateria este conectata in sensul corect,un current de iesire al dispozitivului de incarcare traverseaza jonctiunea baza-emitor a lui T1,precum si R5, in stare de conductie. Curentul care parcurge R1 este suficient pentru a mentine T4 in stare de conductie si a amorsa tiristorul,producand o anumita cadere de tensiune si pe R12. Circuitul de masura a tensiunii nu va dezamorsa tiristorul ,dar va impiedica amorsarea sa. Tensiunae de la bornele bateriei este masurata cu ajutorul lui T3, cand acesta depaseste valoarea fixata prin reglajul P2,T3 intra in conductie si bloceaza T1 ceea ce impiedica amorsarea tiristorului .LED-ul L1 indica prezenta tensiunii retelei ,in timp ce L2 da o indicatie vizuala asuypra valorii medii a curentului de incarcare.Rolul

17

butonului de pornire Peste de-a permite demararea dispozitivului de incarcare pentru baterile complet descarcate.Cand tensiunea la bornele acestea este de 4V,curentul care parcurge R3,R5 nu este sufficient de mare pentru a mentine T1 un stare de conductie,la apasarea butonului P se amorseaza tiristorul.Tensiunea la bornele baterie creste foarte repede,ceea ce permite eliberarea butonului dupa cateva zeci de secunde.Potentiometrul P1 serveste la reglarea curentului maxim de incarcare. 4.5.Obsevatii

S-a montat in afara circuitului imprimat,deoarece se incalzeste,iar degajarea de caldura a acestuia poate determina chiar arderea epoxidului. Cu ajutorul acestui montaj se pot incarca si bateriile de 6V,dar acestea nu beneficiaza de intreruperea automata la sfarsitul incarcarii,deci nu se vor lasa conectate un timp prea indelungat.Luminozitatea LED-ului L2 variaza in functie de curentul de incarcare ;LED-ul va lumina foarte slabla sfarsitul incarcarii.In cazul bateriilor de foarte mare capacitate (60A/h),LED-ul va ramane in permanenta aprins.Daca firele de iesire sunt in scurtcircuit, siguranta fuzibila se topeste ,evitandu-se astfel eventualele pagube.

4.6.Dispozitive pentru incarcarea acumlatoarelor

Bateriilor de acumlatoare folosite in automobile li se impun conditii de functionare relativ dure in special iarna intrucat desi la pornire (pentru un timp de5-10s),demarorul consuma un current de ordinul zecilor –sutelor de amperi (de aproximativ 10 oricurentul debitat normal ),tensiunea la bornelebateriei nu tebuie sa scada prea mult.

Tipul de acumlator ce raspunde acesui deziderat est5e cel acid,bateria de acumlator cu plumb fiind aztazi folosita aproape in exlusivitate in sistemele de alimentare cu energie electrica a autovehiculelor. In practica la automobile se intalnesc baterii de acumlator de 6V(din ce in ce mai rar ),de 12V (cazul cel mai frecvent ),precum si de 24 V (pentru puteri instalate mari).

5.PILE ELECTRICE

Stratul dublu electric.

18

5.1.Potentialul de electrod.

Un metal introdus in apa sau in solutia sari sale,manifesta o tensiune de dizolvare P caracterizata prin tendinta de a trimite ioni in apa sau in solutia care il inconjoara.Ionii pozitivii dupa parasirea metalului, incarca lichidul cu sarcini positive ,in timp ce electrodul de metal ramane cu un surplus de electronii, incarcandu-se negativ.Intre sarcina de semn contrar se exercita forte cuolumbiene F de atractie ,care formeaza ,de fiecare parte o suprafata de contact metal-solutie ,un strat dublu-solutie ,un strat dublu electric,comparabil cu un condensator plan de dimensiuni moleculare.

Fig.5.1.Formarea stratului dublu electric Presiunea osmatica p se opune trecerii ionilor de pe metal in solutie.In consecinta ,tendintametalului dea trimite ioni insolutie I se opun forte care datoresc stratului dublu electric si presiunii osmotice,dupa cum urmeaza: a)Daca tensiunea de dizolvare a metalului este egala cu presiunea osmotica a ionilor deja dizolvatii,ceea ce anuleaza practic efectul,atunci electrodul Mnu se va incarca electric,deoareca,daca metalul trimite un numar de ioni in solutie,sub actiunea presiunii osmotice un numar egal de ioni din solutie trec inapoi pe metal si se anuleaza:

b)Daca tensiunea de dizolvare este superioara presiunii osmotice initiale (P>p),atunci ioni de metal trec in solutie,iar metalul se incarca negativ si solutia pozitiv.Datirita fortelor cuolumbiene si cresterii presiunii osmotice se va stabilii un echilibru:

La un momemt dat, trecera ionilor de metal in solutie se opreste. c)Dca tensiunea de dizolvare a metalului este mai mica decat presiunea osmatica a ionilor formati (P>p),ca,de exemplu ,in cazul unui electrod de cupru introdus intr-o solutie de sulfat de cupru,ionii din solutie se vor depune pe electrod ionii negativi ,forminu-se astfel un strat dublu electric cu orientarea in sens invers fata de cazul anterior.La echilibru se poate scrie relatia :

Stratul dublu poate fi asimilat cu un condesator plan a carui capacitata este data de relatia:

19

C=

Daca introducem in solutie de electrolit un electrod electropozitiv,adicaun electrod dintr-un metal a carui tensiune de dizolvare este mai mica decit presiunea osmatica,atunci pe elecrtrod se depun ioni din solutie ,incarcandu-l pozitiv.Potentialul de electrid va avea in acest caz forma:

Sau

De exemplu un electrod de cupru intr-o solutie de sulfatcupric, atunci:

Sau

Prin [Zn2+]si [Cu2+]se intelege concentratile ,a ionilor de zinc si respective ,a ionilor de cupru in solutie corespunzatoare.

5.2.Caracteristici ale pilelor electrice

Factorii fizico-chimici din reactile de acidoreducere sunt esentiali.Pentru realizarea debitarii optime estev insa necesara sa se tina seama si de alti factori,proprii unei pile galvanice ,care influenteaza procesul de producere a curentului electric. Cantitatea de electricitate furnizata exprima capacitatea de debitare a pilei electrice si se poate scrie sub forma :

C= I(t)dt

20

Unde I=I(t)este intensitatea curentului debitat de pila in intervalul de timp de la zero la t.Timpul t se stabileste in functie de diferenta de potential de la borne. Diferenta de potential U(t)de la bornele pilei la momentul t se scrie sub forma :

U(t)=E(t)-I(t)r(t)

Unde E(t)este t.e.m.a pilei,r(t)rezistenta interna a pilei la momentul t ,exprimata prin relatia :r(t)=rc(t)+rp(t)

Rezistenta de concentrare rcse datoreaza polarizatii de concentratie.Ea mareste rezistenta interna.Rezistenta de polarizare rpapare in urma polarizarii care se opune t.e.m. a pilei.Rezistenta interna creste cu cresterea rezistentei de polarizare rp=rp(I). Densitatea de curent ,i joaca un rol important la descarcarea pilei galvanice :O densitate mare de curent provoaca o crestere a polarizarii electrodului,care ,la limita se poate duce la pasivizarea acestuia,pasivizare in timpul caruia inceteaza oxidarea metalului si are loc o degejare de O2 la electrod.La pilele care necesita densitatii mari de current la descarcare,se urmareste constituirea unui eleltrozi cu suprafete active mari care se pot realiza prin dublarea sau chiar trplarea electrozilorb intr-un anumit volum.Aceasta implica riscl unor scurtcircuitari, care micsoreaza capacitatea de debitare a pilei.Energia de debitare exprima prin relatia :

W= U(t)I(t)dt

Capacitaea specifica Cs reprezinta raportul dintre capacitatea de debitare C si masa totala m a generatorului.

Cs= C / m si Ws= W / m

Wsfiind energia specifica a generatorului.

Determinarea rezistentei interne Rezistenta unei pile electrice se poate determina comparind celula galvanica cu un circuit echivalent de genul celui din figura,unde C este capacitatea stratului dublu electruc ce apare la electrozii pilei,rprezistenta introdusa in circiutdatorita polarizarii electrozilor,iar R0rezistenta ohmica a celulei :este supratensiunea care apare datorita polarizarii electrozilor.Expresia impedantei este:

Z= +Rp[

Capacitatea de debitare a pilei electrice se poate exprima in general prin relatia :

C=

21

Unde Re = constant este rezistenta circuitului exterior.

5.3.Pile electrice primare

Pile Leclanché Pilele primare se caracterizeaza prin faptul ca dupa epuizarea substantei active nu mai pot functiona fara inlociurea acestuia.O pila ireversibila este pila Volta,cu Lantul electrochimic: (-)ZnH2SO4│Ag(+)In timpul functionarii pilei,de pe electrod trec ioni de zinc in solutie iar pe electrod de argint se neutralizeaza ionii de hydrogen.T.e.m. a acestor pile scade rapid in timpul functionarii,din cauza polarizarii puternice care apare la electrodul de argint.La interuperea circiutului de debitare ,polarizarea dispare treptat,iart.e.m. revine incet la valoarea initiala.Introducerea unei substante oxidante in jurul electrodului pozitiv duce la o polarizare mai rapida.George Leclanché a inventat (1867)pila care-I poarta numele,folosind lantul electrochimic:

(-)Zn/NH4Cl/MnO2(+)T.e.m. a pilei Leclanché este de 1,5 V,iar capacitatea de debitarev depinde de constructia pilei.

Fig.5.2.Caracteristicile electrice ale pilei Leclanché uscate.

Pila Grenet

22

Este formata dintr-un electrod de zinc si un electrid de carbune introdusi intr-un vas de sticla.Electrodul care se utilizeaza este formata dintr-o solutie apoasa de acid sulfuric amestecata cu biocromat de potasiu,cu rol de depolarizant.Lantul electro chimic are urmatoarele componente:

(-)Zn| H2SO4+K2Cr2O7| C(+)Pila Grenet se caracterizeaza prin debitarea unor curenti de intensitatii mari.T.e.m.este de 2 V.Pila Grenet sa fie utilizata in special pentru descarcarea de scurta durata la curenti intensi.

Fig.5.3.Caracteristica de descarcare U=U(t) a pilei Grenet. 5.4.Pile reversibile

Pile reversibile se deosebesc de pilele primare prin aceea ca ,atunci cand li se aplica o t.e.m. de sens opus,procesele care au la electrozi se inverseaza . Daca in timpul debitari curentului,ionii de metal trec in solutie,pila debitand current electric ,la aplicarea unei t.e.m. in pila este introdus un current electric si datorita elecrololizei care ia nastere,ionii din solutie se depun pe electrodul negativ. Dintre pilele reversibile,mai important sunt pila Daniell-Jacobi,pile de concentratie, acumlatoare electrice, etc.

Pila Daniell-Jacobi Se compune dintr-un electrod de zinc scufundat intr-o solutei de sulfat de zinc si dintr-un electrod de cupru introdus intr-o solutie de sulfat de cupru. Lantul electrochimic:

(-)Zn |Zn SO4 |Cu SO4| Cu (+)

23

Valoarea t.e.m. determinate experimental este E=1,093 V.

Fig.5.4.Caracteristicile de descarcare a pilei Daniell-Jacobi

Contributi romanesti in dezvoltarea pilelor electrice

Cercetarile in domeniul pilelor electrice intalnim inca de la inceputul secolului al XX-lea in preocuparile unor mari fizicieni romani.Stefan Procopiu a studiat variatia t.e.m. a unor pile galvanice, prin agitarea mecanica a unuia dintre electrozi.N.Vasilescu-Karpen a realizat un nou tip de pila cu particularitati desebite pe care a denumit pila K[18].Academicianul Th.V.Ionescu a contribuit la dezvoltarea studiului proceselor producatoare de curent electric in pile galvanice. Pila K.

Pila K au fost construite si studiate indelung de N Vasilescu-Karpen.Sunt alcatuite din electrozi de metal neatacabile chimic:platrina platinata neagra ,platina platinata cenusie,platina lucie,aur platinat.Electrolitul poate fi apa distilata, acid sulfuric pur,in care se introduce la presiune foarte mici, o cantitate mica de oxigensau de hidrugen.Este alcatuita dintr-un electrod de platina si aur.Lantul electrochimic este:

(+)Pt| H2O| Au(-) sau Pt| alcool metilic|apa | Pt.

6. ACUMULATOARE ELECTRICE CU PLUMB.

Teoria proceselor de electrod.

Acumulatoarele electrice sunt pile reversibile formate dintr-un grup de electrozi de specia intai si dintr-un alt grup de eklectrozi de specia a doua. Acumulatorul electric constitue o soluţie practică şi eficientă pentru stocarea energiei electrice. Energia electrică, într-un proces ştinţific de conversie,este transformată în energie chimică, în timpul încărcării acumulatorului, iar energia chimică este reconstituită în energie electrică sub un randament de conversie ridicat în timpul unei descărcări intermitente sau continui.

Cel mai vechi şi cel mai răspândit acumulator electric, este acumulatorul cu electrolit acid şi electrozi de plumb.Acumlatorul cu plumb prezinta caracteistici superioare altor acumlatoare .T.e.m. are valori mai ridicate (E=2,035 V),iar tensiunae de la borne in timpul descarcarii este constanta, pentru diferite valori ale intensitati curentului electric. În fabricaţiile curente, pentru utilizări specifice există şi alte tipuri de acumulatoare alcaline. Denumirea provine de la electrolitul alcalin(o soluţie apoasă de hidroxid de potasiu şi sodiu). Electrozii acumulatoarelor alcaline sunt cuplurile: nichel-cadmiu, nichel-fier, nichel-zinc, argint-zinc şi altele.

Pentru demarajul auto se folosesc aproape în exclusivitate acumulatoarele acide cu electrozi de plumb.Utilizarea acumulatoarelor alcaline este nejustificată datorită costurilor foarte mari şi faptului că materialele active din componenţa lor sunt limitate, mai greu recuperabile şi strict dirijate.

6.1. Principiul de funcţionare

Sub forma lui cea mai simplă, un element de acumulator constă dintr-o cuvă în care sunt introdusi doi electrozi tip placă, unul de polaritate pozitivă, numit anod,farmat din PbO2 şi altul de polaritate negativă, denumit

24

catod format din plumb spongios.Lichidul în care sunt imersaţi electrozii este o soluţie apoasă de acid sulfuric.Între electrozi se interpun, ca elemente de separare, nişte membrane microporoase, care permit transferul de ioni, dar împiedică contactul direct (scurtcircuitul).Lantul electrochimic se poate scrie sub forma :

(+)PbO2│(Ccq)H2SO4 │Pb(-) La electrodul negativ procesele chimice sunt descries prin reactia : Pb↓+SO4

2-↔PbSO4↓+2e-

iar la electrodul pozitiv prin reactia :

PbO2 ↓+SO42-+4H++2e-↔PbSO4+2H2O

se produce procesul global.La un element în stare încărcată,masa activă a catozilor este bioxidul de plumb (PbO2), iar la anozi ea are

o structură spongioasă pe plumb.Electrolitul pentru acumulatorul încărcat are densitatea cuprinsă între 1,27 g/cm3

şi 1,29 g/cm3. Se subliniază că în procesul de încărcare-descărcare electrolitul ia parte activă. În stare descărcată densitatea electrolitului este cuprinsă între 1,15 g/cm3 şi 1,26 g/cm3, în funcţie de profunzimea descărcării. Prin încărcare sulfatul de plumb din plăcile pozitive se transformă în acid sulfuric şi bioxid de plumb, iar plăcile negative în plumb spongios şi acid sulfuric (teoria dublei sulfatări):

2PbSO4+2H2O PbO2+Pb+2H2SO4

Două molecule de apă din electrolitul diluat, prin desulfatarea electrozilor, refac două molecule de acid sulfuric şi procesul continuă până la completa dispariţie a sulfatului de plumb din electrozi (la încărcare). Acidul sulfuric rezultat se dizolvă în electrolit mărindu-i concentraţia.

Pe măsură ce se încarcă acumulatorul, ten siunea la borne poate creşte. La o încărcare completă tensiunra la borne poate ajunge la 2,65-2,75 V/element, respectiv 16-16,5 V la o baterie de 12V. O încărcare prelungită peste 2,35 V/element, respectiv 14,1 V/baterie angajează un proces secundar de electroliză a apei şi se degajă în atmosfră n molecule de O2 şi 2n molecule de H2. În acest fel, prin pierderea unei cantităţi de apă electrolitul se concentrează şi mai mult. Acest proces nedorit se corectează prin limitarea tensiunii de încărcare la 2,35V şi prin completarea nivelului de electrolit cu apă distilată sau demineralizată de câte ori este nevoie.

În procesul de descărcare, când se restituie energia electrică stocată în acumulator atât placa anod cât şi placa catod se sulfatează progresiv, parţial sau total, în funcţie de profunzimea descărcării. La descărcare mecanismul de reacţie este invers:

PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O

Sulfatul de plumb care se formează acoperă superficial sau profund electrozii, iar apa care se formează măreşte diluţia electrolitului şi face să crească rezistenţa internă. Mărindu-se rezistenţa internă scade tensiunea la borne până la valoarea de oprire, cu atât mai intens cu cât curentul de descărcare este mai ridicat.

În ansamblu, mecanismul dublei sulfatări se prezintă astfel:

PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2OEste evident că apa joacă un rol activ în exploatarea acumulatorului şi rezultă de aici importanţa unei

întreţineri corecte, cu completarea periodică a apei pierdute la încărcări prelungite sau supraîncărcări.În procesul de încărcare, respectiv de decărcare, are loc un transfer de ioni. Aceşti ioni trec trec într-un

sens sau altul prin membrana separatoare dintre electozi. Membrana separatoare are rolulde a izola electronii

25

electrozii (să împiedice scurtcircuitele), dar trebuie să fie suficient de poroasă pentru ca ionii să o poată străbate cu uşurinţă. Însă porii acestor membrane se impune să fie atât de mici încât să nu poate fi străbătuţi de masa activă a electrozilor sau de paricule metalice coloidale.

Cu toate acestea,membranele separatoare trebuie să aibă o rezistenţă mecanică suficient de mare ca să suporte operaţiile tehnologice şi presiunea internă de exploatare. În stare încărcată plăcile electrod au volumul cel mai mic, în timpul descărcării însă transformat în sulfat de plumb, îşi măresc volumul de 1,5 -1,8 ori. Supratensiunea provocată de creşterea volumului o suportă membranele separatoare. Degradarea lor dă naştere scurtcircuitelor, respectiv la scoaterea din fincţiune a întregului acumulator.

6.2. Construcţia specifică

a.Elementul acumulator.Unitatea de bază a unui acumulator este celula sau elementul.El se compune, în prinvipiu, din două plăci electrod. Un număr de n plăci pozitive (n fiind mai mare sau egal cu 1 şi mai mic sau egal de 15), se leagă în paralel prin intermediul unei punţi de plumb, constituind grupul catodic al elementului; un număr de n+1 plăci negative legate în paralel tot prin sudură, de o punte de plumb, constitue grupul anodic. Cele două grupuri de plăci se întrepătrund astfel ca fiecare placă pozitivă să fie cuprinsă între două plăci negative, iar pentru prevenirea contactului direct între plăcile de semn contrar se interpune un separator microporos. Numărul membranelor separatoare pe element va fi de minim 2n (dacă ansamblul de grupuri are joc în celulă se poate adăuga pentru împănare şi câte un separator de margine, care nu are practic un rol funcţional).

Ansamblul de grupuri şi separatoare se introduce într-un vas-container, cu rezistenţa mecanică la vibraţii, zdruncinări şi impact, cu o bună rezistenţă chimică la acţiunea corozivă a electrolitului pe bază de acid sulfuric, în limitele de variaţie termică cuprinse între –40 şi +50 grade C. Acest vas-cuvă, în construcţiile curente este din: ebonită, polipropilenă-copolimer, ABS, polistiren, PVC-plastifiat… .În fabricaţiile moderne este preferată polipropilena-copolimer pentru o superioară rezistenţă mecanică şi chimică, pentru că permite termoetanşarea şi pentru faptul că poate fi asociată unor variante constructive mai economice.

La introducerea electrolitului se are în vedere ca grupul de plăci electrod să fie complet acoperit. Nivelul electrolitului se ridică cu 10-20 mm peste marginea superioară a separatorilor. Un capac din aseaşi material cu vasul cuvă, realizează închiderea. Etanşarea vas-cuvă se face în mai multe variante:

la ebonită, prin adezivi de etanşare de natură bitumioasă, din răşini epoxilice sau poliuteranice la polipropilenă-copolimer prin sudură termică, fără adaos auxiliar de material la polistiren, ABS sau PVC etanşarea se face prin lipire cu o soluţie adezivă realizată din materialul de

bază şi un solvent corespunzător acestuia

Prin capaculde închidere trec polii bornă, iar etanşarea capac-pol se realizează în mod diferit: prin sudură, de o bucşă de plumb încorporată în capac, prin intermediul unor garnituri elastice d profil adecvat sau prin termosudură. În figura 1.7 s-a prezentat schematic un element cu reperele sale componente. În capac se înşurubează un dop care are următoarele funcţii:

permite evacuarea gazelor, reţinând particulele de electrolit permite controlul nivelului de electrolit şi prelevări în vederea măsurării densităţii permite completări de nivel sau înlocuirea electrolitului în caz de nevoie

Pentru acumulatoarele fără întreţinere dopurile, de construdţie specială, facilitează recombinarea:

2H2O+O2=2H2O

iar apa rezultată se întoarce în element restabilind nivelul.

26

b.Bateria modul.Acumulatoarele electrice pentru demarajul motoarelor termice sunt unităţi de 6, 12 sau 24V. Unităţile de 6 şi 12V sunt în construcţie monobloc de 3 sau 6 elemente montate într-o cuvă compartimentală. Fiecare compartiment reprezintă un element. Fiecare element are aceaşi număr de plăci electrod, cu capacitate sensibil egală. Prin înserierea acestor elemente se obţine la bornele terminale o tensiune de 3x2=6V, sau 6x2=12V.

Există şi alte variante de înseriere, cu compartimentări în două şiruri paralele, cu bornele pe partea frontală a bateriei. Bateriile cu masă mai mare de 25 kg sunt prevăzute cu mânere pentru siguranţă în transport şi în manevrările impuse de întreţinere. Pentru realizarea unor tensiuni mai mari de 12V se folosesc, în general, module de 12V înseriate.

6.3. Parametrii de bază

Aşa cum am arătat anterior unitatea acumulatorului electric este elementul. Parametrii caracteristici ai elementului stau la baza parametrilor fincţionali ai bateriei.

6.3.1.Tensiunea electromotoare.Unitatea de măsură este voltul, iar tensiunea unui element aci cu plumb este dată de diferenţa dintre potenţialulu grupului de plăci pozitive şi cea a grupului de plăci negative.Daca se tine seama de activitatiile componentilor care participa la procesul curentului electric, rezulta relatia generala :

E=E0-

E valoarea standard a t.e.m. pentru ai=1;z este valenta ,αieste coeficientul a carui valoare pentru produsele initiale este αi= -1,iar pentru produsele finale αi=1;βi sunt coeficienti stoechimici din ecuatia F=96500 C,T este

temperatura exprimata in scara Kelvin ,iar R constanta gazelor perfecte.Pentru acumlatorul cu plumb relatia de mai sus are forma:

E=E0+

Tensiunea unui element acid cu electrozi de plumb depinde de potenţialul grupului de plăci pozitive (care creşte cu starea de încărcare respectiv cu densitatea electrolitului) şi de potenţialul grupului de plăci negative (care scade cu starea de încărcare):

U=E+-E-

O formulă empirică ne dă valoarea potenţialelor electrod în funcţie de densitatea electrolitului (a cărui valoare depinde de starea de încărcare):

E+=1,2+0,8dE-=0,36-0,2d

de unde:

27

U=0,84+d

Pentru starea completă încărcată când d=1,28 g/cm3 rezultă:

U=0,84+1,28=2,12V

Valori caracteristici ale tensiunii electrice la acumulatoare sunt considerate:

Tensiunea nominală (Un)- reprezintă tensiunea specifică a sistemului şi are valoarea de 2,0V. Ea se consideră a fi o valoare medie între starea complet încărcată a elementului şi starea descărcată, dacă descărcarea se face în regim de 20h.

Tensiunea în circuit deschis (tensiunea în gol)- se notează cu U0 şi reprezintă valoarea tensiunii la borne. În stare încărcată a elementului, la 2-3h după oprirea încărcării, pentru electrolitulcu densitate normală are valoarea de 2,10-2,15V/element, respectiv 12,6-12,9V pe bateria cu 6 elemente.

Tensiunea de sarcină- se notează cu Us, are valori care depind de mărimea curentului de sarcină şi de nivelul de descărcare a acumulatorului. Valoarea tensiunii în sarcină este mai mică decât U0 şi mai mare sau egală cu tensiunea la care se opreşte descărcarea, respectiv tensiunea finală (U f). Tensiunea finală variază între 1,0-1,8 V-element, în funcţie de mărimea curentului de descărcare. Pentru variaţia tensiunii în sarcină vezi figura 1.8:

Figura 6.1: Curbele de variaţie a tensiunii cu regimul de descărcare

Tensiunea de încărcare-nu este o tensiune cpecifică acumulatorului, ea depinde de sursa şi metoda de încărcare. În încărcările rapide curenţii fiind mai mari, tensiunea poate atinge repede 2,75 V/element, provocănd pierderi importante de apă din cauza unui proces secundar de electroliză, asociat încărcării, când tensiunea depăşeşte 2,35 V/element. Pentru variaţia tensiunii de încărcare vezi figura 1.9. Se remarcă faptul că la încărcarea în regim de 3h (curba a) punctul critic c, de începere a procesului de electroliză, se atinge după 1,85h, când stadiul de încărcare al bateriei este de 56%, la încărcarea în regim de 10h punctul critic c se atinge după 7,25h, când stadiul de încărcare al bateriei este de 68%.

28

În practică nu se lucrează cu elemente, ci cu baterii de elemente. O baterie se realizează prin conectarea mai multor elemente (în serie, în paralel sau mixt).

Figura 6.2:Curbele de variaţie a tensiunii de încărcare:a-în regim de 3h

b-în regim de 10h 6.3.2.Tensiunea de la borne. Tensiunea de la bornele acumlatorului depinde de mai multi factori impotanti si variaza cu timpul,crescator la incarcarea si descarcator la descarcarea acumlatorului. Tensiunea de incarcare Uise poate exprima prin relatia:

Ui=E+Ep+rciIi Iar tensiunea de descarcare Ud prin relatia :

Ud=E+Ep-rcId.Unde Ii si Id sunt intensitatile curentului de incarcare si respective de descarcare ,iar rci si rd rezistentele interioare produse de polarizatia de concentratie. Valoarea medie a tensiunii de la borne se poate determina prin relatia :

U= sau U=

Tensiunea de la borne in timpul descarcarii variaza dupa funtia U=U(t).Variatia tensiunii de lucru poate fi exprimata prin caracterstica tensiune-curentU=U(I).Marimea rezistentei interiore poate fi calculata conform relatie:

29

r=

6.3.3.Capacitatea de debitare.

Capacitatea de debitare caracterizeaza acumlatorul din punct de vedere al cantitati de elecricitate pe care o poate acumla si debita apoi la descarcare.Functionand reversibil, Acumulatoarele electrice se caracterizeaza prin capacitatea de incarcare.

Ci= Ii(t)dt

si prin capacitaea de debitare a curentului electric;

C= I(t)dt

unde Ii si I sunt intensitatile curentilor de incarcare si respective de descarcare. Capacitatea de debitare depinde de factori care determina functionarea acumlatorului in special de supra fata activa a electrozilor si de densitatea curentului de descarcare. La descarcarea acumlatorului prin curenti de intensitati mici procesul de difuzie se poate desfasura intens si cu usurinta ,pana in profunzimea elecrozilor de plumb,fapt care asigura un schimb de substante aproape completa intre electrolit si placile de plumb,prelungind durata de descarcare. Aceasta are ca efect cresterea capacitati de debitare a acumlatorului. Descarcarea cu intensitati mari de current electric duce la cresterea polarizarii electozilor,ceea ce limiteaza procesul de difuzie si duce transformarea partiala a masei active.Din aceasta cauza apare osulfatare accentuata a suprafatei elecrozilor si drept urmare,a descrestere rapida a tensiunii la borne.In consetinta capacitatea de debitare a acumlatorului se micsoreaza. Capacitatea nominală-se măsoară în amper-ore (Ah) şi reprezintă cantitatea de electricitate pe care o poate

debita un element complet încărcat în regim de 20h până la tensiunea limită de 1,75V, la temperatura de 25 grade C. Capacitatea nominală scade cu temperatura comform figurii 1.10, şi de aceea demarajul la temperaturi joase este mai dificil. Capacitatea nominală, în regim de 20h se notează cu C20. Asociat acestei capacităţi se defineşte curentul nominal, care reprezintă a douăzecea parte din valoarea capacităţii nominale, respectiv:

In=0,05C20 [A]

30

Figura 6.3:Curba de variaţie a capacităţii cu temperatura

Capacitatea disponibilă-este capacitatea debitată (Cd) de un element în regimuri de descărcare mai severe decât cel nominal. Se măsoară tot în amper-ore şi reprezintă o fracţiune din capacitatea nominală:

C[%]=Cd[Ah] / Cn[Ah]x100

Figura 6.4:Curba de variaţie a capacităţii cu regimul de descărcare

În diagrama din figura 6.2 este ilustrată variaţia capacităţii disponibile în funcţiede regimul de descărcare:

Un element care are capacitatea de 70 Ah în regim de 20h are numai 65% din capacitatea nominală, respectiv 46 Ah. Rezultă că elementul respectiv descărcat cu 23 A, după 2h ajunge la tensiunea finală de oprire. La

31

conectarea elementelor în serie, capacitatea bateriei are valoarea capacităţii modulului complet.La conectarea în paralel, capacitatea se amplifică cu numărul elementelor legate în paralel.

6.3.4.Rezistenţa electrică.Prin rezistenţă internă a unui acumulator se înţelege rezistenţa electrică pe care o opune acest acumulator la trecerea curentului electric.Rezistenţa internă a acumulatoarelor de plumb este relativ mică, de ordinul zecilor de miliohmi. Ea depinde de:

specificul constructiv: numărulde electrozi, membrane separatoare,electrolit, piese accesorii şi modul lor de asamblare într-o baterie

regimul funcţional:intensitatea curenţilor de sarcină, modul de exploatare (continuu sau intermitent) starea de încărcare:complet încărcat, parţial descărcat, total descărcat.

Dintre toate acumulatoarele acide cu plumb, acumulatoarele pentru demaraj au un specific constructiv de natură să asigure cea mai mică rezistenţă internă:plăci subţiri şi numeroase membrane separatoare de grosime mică, cu legături de înseriere scurte şi cu densitate mai ridicată a electrolitului.

Componenta de polarizare a rezistenţei interne, prin faptul că regimul de funcţionare este intermitent, nu ia valori semnificative, decât în cazul unor repetate încercări de pornire nereuşite, cu o durată de acţionare prelungită.

Rezistenţa internă creşte cu starea de descărcare datorită plăcilor electrod parţial sulfatate şi densităţii reduse a electrolitului. De aceea prin funcţionare în paralel cu sursa de încărcare, acumulatorul trebuie să fie permanent încărcat.

În funcţie de specificul constructiv, rezistenţa unui element de acumulator destinat demarajului, având o capacitate de 1 Ah, este cuprins între 0,1-0,15 .Elementul cu o capacitate Cn va avea o rezistenţă internă cuprinsă în domeniul:

0,1/Cn-0,15 Cn.

Având în vedere că rezistenţa internă a acumulatorului este mică, se înţelege că un scurtcircuit la nivelul bornelor angajează curenţi de intensitate mare, în cele mai multe cazuri, provoacă degradarea lui.Rezistenţa internă a unei baterii rezultată din înserierea a n elemente este:

Rib=nrie []

unde rie este rezistenţa internă a unui element

Rezistenţa unei baterii provenită din conexiuni mixte va fi:

Ri0= rie / p*n []

în care p este numărul elementelor legate în paralel, iar n este numărul de astfel de unităţi, legate în serie.6.3.5.Energia acumulatorului.

Energia electrică debitată de acumulator se determină făcând produsul dintre tensiunea de descărcare şi capacitatea dată:

W=UC

sau, dacă se ţine cont de relaţia:

32

W=

în timpul funcţionării acumulatorului, la descărcare printr-o rezistenţă constantă, variază atât tensiunea la borne, cât şi intensitatea curentului. În acest caz P=P(t).Cn=220 Ah (tip PAS). Aria cuprinsă între curba P=P(t) şi axele de coordonate este numeric egală cu energia debitată de acumulator.

Densitatea de capacitate cc este dată de raportul dintre capacitatea de debitare şi masa acumulatorului:

cc= = [Ah / kg]

Energia specificată este dată de raportul:

ws= = [Wh / kg]

Creşterea capacităţii specifice şi a energiei specifice debitate se pot obţine prin mărirea masei active a acumulatorului, prin micşorarea distanţei dinter electroyi, ca şi prin reducerea grosimii acestuia.

O altă caracteristică o reprezintă puterea specifică ps, care este dată de raportul dintre puterea acumulatorului şi masa sa:

ps= = [W/kg]

mărime importantă pentru acumulatoarele utilizate în regimuri grele de exploatare.Pentru a realiza acumulatoare cu puteri specifice maxime se caută să se utilizeze electrozi subţiri, de

grosime aproape naglijabilă şi foarte apropiaţi între ei. În acest modcapacitatea depinde într-o măsură mai mică de intensitatea de descărcare.

6.3.6.Randamentul funcţional. Randamemtulreprezinta gradul de utilizare a cantitati de electricitate acumlate (incarcate). Acumulatorul de demaraj are un randament funcţional bun. El poate fi exprimat în două moduri: Raportul dintre cantitatea de electricitate disponibilă în stare încărcată şi cantitatea de electricitate

consumată pentru încărcarea acumulatorului. Acest raport are valori cuprinse între 0,8 şi 0,9 respectiv între 80% şi 90%. Valorile mari sunt pentru elemente noi şi valorile mici pentru cele cu vechime funcţională mai îndelungată. Inversul acestui raport ne dă valoarea factorului de încărcare. Un acumulator cu randamentul de 83% are un factor de încărcare 12 ceea ce înseamnă că pentru o încărcare bună, la capacitatea nominală de 100 Ah, se consumă 120 Ah.Randamentul depinde de gradul de utilizare a cantităţii de electricitate acumulate (încărcate) şi se exprimă prin raportul dintre capacitate debitată şi capacitatea încărcată:

33

w=

Randamentul energetic este raportul dintre energia disponibilă a unui acumulator, în stare încărcată, în regim nominal de descărcare şi energia consumată la încărcare. Randamentul energetic are valori cuprinse între între 65% şi 75%, din cauza pirderilor energetice pe retistenţa internă. Valoarea medie a tensiunii de încărcare este sensibil mai mare decât media tensiunii la descărcare, în regim nominal. Se consumă cu aproximativ 30% mai multă energie decât poate restitui acumulatorul, imediat după încărcare.Randamentul energetic se poate exprima prin raportul:

w=

Randamentul energetic este mai mic decât randamentul de curent şi depinde în mai mare măsură de regimul de încărcare-descărcare, care influen’eay[ puternic tensiunea de la borne.

6.3.7. Autodescărcarea acumulatoarelor.Din punct de vedere economic este foarte important ca un acumulator să-şi poate păstra capacitatea, în timpul perioadelor de conservare, cât mai constantă.

Acumulatoarele de demaraj, de construcţie clasică, au o pierdere medie zilnică, într-o perioadă de 30 de zile de conservare, de 0,6 -1%. După o lună de conservare inactivă se pierde 18-30% din capacitate şi de aceea se impun încărcări repetate la o depozitare prelungită, cu această periodicitate.

Acumulatorul modern, cu întreţinere redusă sau fără întreţinere, are o autodescărcare mult mai mică şi încărcarea periodică de conservare se impune după 3 luni, respectiv 6 luni, autodescărcarea lor fiind de 3 ori, respectiv 6 ori mai mică.

Coeficientul de autodescărcare se determină cu ajutorul relaţiei:

Cn=

Cn fiind capacitatea nominală pe care o are acumulatorul la utilizare-imediat după terminarea încărcării- la intensitatea nominală, iar C fiind capacitata măsurată după N zile de nefolosinţă.

În tabelul 1 s-au înscris valorile autodescărcării pentru acumulatoarele clasice şi cele moderne la temperaturi diferite:

Temperatura [C] Acumulator clasic Acumulator fără întreţinere10 35 620 50 930 80 14

34

40 100 25

Tabelul1:Autodescărcarea, la diferite temperaturi, după trei luni de depozitare în stare complet încărcată.

6.3.8. Durata de serviciu. Durata de serviciu sau durata de functionare sau durata de viata a acumlatorului cu plumb se caracterizeaza prin numarul de cicluri incarcare-descarcare,pana cand capacitatea se reduce la o anumita valoare limita . În exploatarea curentă se folosesc baterii modul de 6, 12 sau 24V. Durata de viaţă a unei astfel de baterii este limitată de durata celui mai slab element. Într-o fabricaţie omogenă elementele au aproximativ aceaşi durată de viaţă.Durata limita minima la Acumulatoarele pentru pornire este de 70% din capacitatea nominala.

Statistic s-a constatat că bateriile de fabricaţia curentă durează 2-6 ani, în funcţie de intensitatea solicitărilor şi modul de întreţinere şi exploatare.

Un autovehicul cu porniri rare, care rulează pe şosele asfaltate pe distanţă lungă (transport internaţional sau interurban), solicită mai puţin acumulatorul decât autovehiculele cu multe porniri, cu parcurs mediu limitat şi drumuri accidentale (autobasculante sau autocamioane de şantier, tractoare). Acumulatoarele cu care se echipează acestea din urmă, fiind mai solicitate, durează mai puţin Cauzele micsorarii duratei de serviciu a Acumulatoarele sunt atribuite proceselor de coroziune a gratarelor ,deformarea acestora in timpul functionarii,sulfatarii ireversibile a electrozilor de plumb, precum si scaderea masei active a electrodului pozitiv. Durata de serviciu a acumlatoarelor depinde si de temperatura mediului ambient la care are loc exploatarea lor.S-a constatat ca durata de serviciu a cumlatoarelor de pe autevehicule este mai mare in cazul functionarila temperaturi cuprinse intre 35 si 50ºC in timp ce la temperaturi cuprinse intre 19 si 32º C(acesta durata se reduce mult). Masa activa a electrodului isi pierde foarte rapid capacitatea ,in special la descarcari prin curenti de intensitati mari datorita pasivizarii electrodului si cotractiei plumbului spogios.

7. PROIECTAREA TRANSFORMATORULUI DE RETEA

DATE INITIALE

Date de plecare la calculul transformatorului de retea pentru un alimentator sunt in general urmatoarele: -tensiunea efectiva din primar :E,de obicei 220V, -cresterea procentuala posibila a tensiunii retelei :100ΔE1/E1(de obicei 5…10%),

35

-tensiunea efectiva in fiecare infasurare secundara (daca sunt mai multe ):E2i (I-1,2,…)in V. -curentul efectiv maxim in fiecare infasurare secundara:I2i in A (la tensiunea E2imax), -rezistenta totala a transformatorului:r2ipentru fiecare infasurare secundara .

7.1.Proiectarea transformatorului

a)Se determina puterea aparenta maxima necesara in fiecare ci rcuit secundar (incluzind si pierderile in infasurari prin folosirea tensiunii effective in gol).

P2i= E2iI2i (I=1,2,….) [VA]

si puterea aparenta totala din secundar

P1= P2i

Pentru un redresor bialternanta cu punct de nul puterea P2i se aduna de doua ori. b)Se determina curentul efectiv total din primarul transformatorului

I1=(1,4;….1,8) I1i[A]

unde I1i reprezinta curentul primar consumat datorita infasurarii secundare de ordinul I, iar factorul din fata sumei include cresterea datorata curentului de magnetizare al transformatorului sipierderile de putere in miezul ferromagnetic, crestere valabila pentru cazul utilizarii unei inductii B=0,8…1,2T (valoarea mai mare pentru B=1,2T). Desi folosirea unei inductiiB mai mare este indicata in literature de specialitate pentru transformatoare de putere redusa(in scopul reducerii cantitatii de conductor de bobinaj utilaizat),se observa din relatia de mai sus un efect negativ al inductiei mari. Pentru infasurarii secundare ce furnizeaza curentul alternativ unor sarcini rezistive sau unui redresor in punte,calculul curentului I1i,se face cu ajutorul raportului de transformare al transformatorului pentru aceea infasurare.

I1i =

unde

ni =

Pentru infasurari secundare se alimenteaza alte tipuri de redresoare,curentul din primar se calculeaza cu una din relatiile:

36

-pentru redresor monoalternanta

I1i =

-pentru redresor bialternanta cu punct de nul (se calculeaza curentul din primar datorat ambelor secundare)

I1i =

c)Se calculeaza puterea aparenta maxima din secundarul transformatorului:

P1 =

d)se calculeaza puterea medie a transformatorului:

P=

e)Se determina sectiunea miezului (coloanei pe care se afla plasate bobinajele conform):

SFe=(1,4…1,9) [cm2]

Unde valori;e mai reduse ale coeficientului se adapteaza pentru puterea P mai mici (de ordinul cativa watt ). f)Se determina dimensiunea modulara pentru tole de tip E+I cu relatia:

a=(3,7…4,4) [mm]

SFe se masoara in [cm2],asigurandu-se astfelun raport optim intre laturile sectiunii miezului (un cost mai redus al transformatorului).Dimensiunea d trebuie normalizata. g)Se determina latimea pachetului de tole:

b [min]

consideridu-se factorul de umplere a miezului apropiat de 1. In cazul unui produs de serie merita sea se solicite datele carcaselor de plastic injectate la intreprinderi de profil spre a se gasii eventual o carcasa potrivita pentru transformatorul ce se proiecteaza. h)Se determina numarul de “spire pe volt” (necesar pentru a se obtine o tensiune de 1 V a o anumita inductie maxima B)

Nv = (cu Bin [T]si SFe in [cm2]),Unde B este maxima admisa (subvaloarea de saturatie a tole;or folosite).In mod obisnuit B=0,8….!,2 T, recomandandu-se valoarea superioara pentru puteri mai mici si tole subtiri (0,35 mm).Totusi trebuie tinut cont ca o

37

inductie de valoarea mare conduce la ocrestere importanta a curentului de magnetizare si deci a curentului total din primar. i)Se determina numarul de spire al infasurarilor din primar si din secundare:

N1=NVE1

N2i =NvE2i

In relatia de mai sus nu s-amai inclus un factor de 1,05…1,1 cum apare in indrumatoarele de calcul,deoarece se utilizeza tensiunile in gol ale secundarului(nu mai trebuie tinut cont de caderea de tensiune pe bobinaj). j)Se determina grosimea in fereastra a fiecarui infasurari in urma unei distribuiri aproximative a latimii ferestrei proportional cu amperspirele Ni Iiale fiecarei infasurari.Astfel grosimea bobinajului infasurari de ordinul ise calculeaza cu relatia:

g1=(a+gc) =(a- ) [mm]

cu grosimea gca peretelui coloanei carcasei pe care se va executa bobinajul in mm. k)Se determina lungimea spirei medii a fiecarei infasurar,considerand ca prima infasurare ce se bonoineaza pe carcasa este cea primeaza

l1med 2(2a+b+4c)+πg1 [mm] l21med l1med+π(g1+g21), l22med l21med+π(g21+g22).La realizarea transformatorului se va respecta ordinul de bobinaj a infasurarilor care a fost presupus aici la calcul. Desi in mod obisnit infasurarile secundare pentru un redresor cu punct de nul se bobineaza cu aceeasi tip de cindudtor, este posibil(si mai corect) in principiu sa se calculeze diametrul necesar pentru fiecare din ele astfel incat sa rezulte aceasi rezistente r2.De aceea,lungimea spirei medii se calculeaza separate pentru fiecare secundar din cele doua. l)Se determina lungimile totale ale conductorelor de bobinaj:

l1=N1l1med10-3[mm] l2i=N2il2i 10-3[mm]

m)Se repartizeaza rezistenta totala a transformatorului pe infasurarile primare si secundare. Acesta repartizata ar trebui facuta astfelincat sa se obtina o incalzire mai uniforma a acestora(densitatea de curent uniforma).In cazul cand din secundarul transformatorului se alimenteaza un singur redresor,conditia de mai sus se poate prinde intr-o relatie simpla.Pentru redresor monoalternanta. ŕ1 0,4 rT si r2- 0,6 rT

pentru redresor in punte ŕ1 0,38 rT si r2 0,62 rT

si pentru un redresor cu punct de nul

ŕ1 0,3 rT si r2 0,7 rT Se calculeaza apoi rezistenta : rc=n2ŕ1

38

Pentru cazul cand transformatorul alimenteaza mai multe redresoare sau sarcini, o astfel de conditie este greu de dedus si se recomanda sa se stabileasca direct rezistenta primarului r1 din conditia ca densitatea de current prin conductoare din primar sa fie de 3 A/mm2.

r1

(I in[m] si I1 in [A]).Apoi pentru fiecare infasurare in parte se va determina r2 cu relatia:

r2i=

m)Se determina diametrul condensatoarelor de bobinaj din conditia de realizare a rezistentelor impuse anterior:

d1=0,15 ;d2=0,15 [mm]

o)Se citesc curenti efectiv admisi (in ipoteza unei densitati de curent de 3 A/mm2)prin conductoarele de bobinaj dincupru cu diametrele (fara izolatie) apropiate de cele de mai sus, inscopul verificarii depasirii acestora de catre curentii calculati I1 si I2i.Diametrele normalizate ale conductoarelor de cupru sunt cele recomandate de STAS 11143-78.In ceea ce priveste densitatea de current admisa prin conductoare,indicatile din literature de specialitate sunt mult prea diferite (2…4,5A).Valoarea medie cel mai mult nu depaseste tamax+50ºC. Daca rezistenta r1 a fost determinate si numau I1 este sensibil mai mare decat curentul citit in tabel pentru diametrul apropiat de d este necesar sa se revina la punctual m,pentru a se reduce rezistenta r1, ceea ce duce la cresterea diametrului d1. Daca rezintenta r1 a fost determinate din relatia de mai sus si numai I2i este sensibil mai mare decat curentul citit in tabel pentru daimetrul d2i,se poate face o redistribuire a rezistentelei rT la punctual m astfel incat sa se scada r2isi sa se mareasca r1(r1).Se reia apoi calculul diametrelor si verificarea. Daca I2isau atat I1 cat si I2i sunt sensibil mai mari decat curenti din tabel , corespunzatori diametrelor d1 si d2i, este necesar sa se reia calculul de ordinul i,cu o valoare mai mare pentru cadera relativa de tensiunea λi. Daca I2i sau atat I1cat si I2i sunt sensibil mai mici decat curenti din tabel corespunzatori diametrelor d1 si d2i (bobinaj neeconomic),se poate relua calculul stabilizatorului de tensiune (daca exista) si calculul redresoarelor de ordinul i, cu o valoare mai mare pentru λi. Dupa ce s-a obtinut un rezultat corespunzator,se normalizeaza diametrele conductoarelor din primar si din secundar la valorile cele mai apropiate din tabel. p)Se verifica daca bobinajele incap in ferestra transformatorului.Verificarea bazata pe stabilizarea numarului de straturi este greoaie .In practica s-a verificat in marea majoritate a cazurilor ca boninajele incap in ferestrele transforamatoarelor daca un coeficient de umplere a ferestrei,definit ca mai jos,nu depaseste o valoare:

Fu = 0,38 …0,41

In care Af[mm2]este aria ferestrei transformatorului si pentru tole normalizate Af=3a2. Valoarea superioara a factorului Fu se admite pentru un bobinaj ingrijit.Daca factorul de umplere Fu

rezulta mai mic decat 0,30(ramane mult spatiu nefolosit in fereastra),se poate relua calculul transformatorului de la punctual e sau f micsorindu-se fie sectiunea miezului fie dimensiunea d a tolelor,fie amandoua (daca exusta reserve la factorii adaptati in relatiile acestora).

39

Daca factorul Fu rezulta cuprins intre 0,30…0,35 ferastra nefiind complet ocupata,cum s-a intamplat la scrierea relatiilor de mai sus ,se va relua calculul de la punctul k,stabilindu-se grosimea bobinajelor cu relatiile:

g1= a ; g2=a ;

unde numarul fractiilor este deja calculata cu ocazia determinarii factorului de umplere Fu. Daca factorul de umplere Fu rezulta mai mare decat 0,41, bobinajul nu incape in fereastra si SFe, a sau B(daca exista rezerva la B pana la 1,2T). Pentru protejarea transformatorului in cazul unui scurtcircuit la sarcina este indicat sa se intercaleze la iesirea fiecarui redresor cate o siguranta fuzibila dimensionata la un current cu 20%…30%mai mare decat curentul Iro.Pentru evitarea aprinderii transformatorului in cazul unei strapungeri intre spirele primarului sau in cazul unui scurtcircuit in redresor este indicat sa se prevada si in primar o siguranta fuzibila, dimensionata la un curent cu 30 …50% mai mare decat I1. In mod obisnuit se stabileste in cazul proietului si greutatea transformatorului ceea ce insa nu se reprezinta aici.

8.DISIPATIA TERMICA. In interiorul dispozitivelor semiconductoare de putere (tranzistoare ,diode,etc.)Se dezvolta in timpul functionarii,prin efectul Joule ,cantitati insemnate de caldura .Daca nu se iau masuri eficiente de evacuare intr-un ritm corespunzator a acestei energii in mediul ambiant,temperatura jonctiunilor poate creste peste limitele admise ducand la distrugerea componentelor respective (strapungeri,jonctiunea prin avalnsa termica).

Rezistenta termica.

Incalea fluxului de energie care se scurge de la jonctiunea spre mediul ambiant se interpun anumite obstacole pe care le vom numi rezistente termice.Efectul lor este de a frana ,de a incetinii,respective de a micsora fluxul de energie termica,intocmai cum o rezistenta electrica se interpune la trecerea curentului,provocat de o diferenta de potential.In cazul nostru,cauza fluxului de caldura o constituie diferenta de temperatura dintre jonctiunea si aerul ambient, Δt=tj-ta pe care am putea–o numi,prin analogie tensiune termica. Curentul termic ar fi masura cantitati de caldura transferate in unitatea de timp de la jonctiunea la ambient,adica tocmai puterea disipata,Pd.Putem enunta legea lui Ohm termica:

Rezistenta termica (Rth)=

Rezistenta termica se exprima in ºC/W. Rezistenta termica jonctiune-ambiant O prima rezistenta, notata R thj-c (rezistenta termica jonctiune-capsula),este cea care limiteaza transferul de caldura intre jonctuinea si capsula tranzistorului.Ea este determinate prin constructie si deci nu avem cum sa o influentam.Valoarea ei este data in cataloage.Ajuns la capsula ,fluxul termic se ramifica.O parte , mult mai mica ,o ia pe calea relativ “ingusta”a rezistentei termice dintre capsula si aerul ambient este singura cale de disipatie termica ,rezistenta echivalenta jonctiunea-ambiant fiind in acest caz:

40

Rthj-a=Rthj-c+Rthc-a

Cealalta parte a fluxlui termic ajuns la capsula se indreapta spre radiator,prinrezistenta termica R thc-r (capsula-radiator).Infine ,de la radiator energia calorica este disipata in aerulambiant prin rezistenta Rthr-a(radiator-ambiant). Calculam rezistenta echivalenta a circuitului termic jonctiunea-ambiant: Rthj-a=Rthj-c+Rthc-a//(Rthc-r+Rthr-a)

Rthj-a=Rthj-c+

Propagarea caldurii.

Conductia este principala cale de a pripaga o caldura prin substante solide si intre corpurile solide aflate in contacat direct .Aceasta este cazul contctului capsula-jonctiune.(se stie ca spatial intermediar este umplut cu vaselina siliconica ),precum si al contactului capsula-radiator,pentru a ne mai vorbind de propagarea calduriprin masa radiatorului. Cantitativ,transportul de caldura princonductie in unitatea de timp este direct proportionala cu aria suprafetei strabatute de curentul termic si de derivata temperaturii dupa normala la aceasta suprafata.Factorul de proportionalitate se numeste coefficient de conductie si de natura corpului.El se noteaza de obicei cu λ si se exprima in W/ºCm. Concluzii: •exploatarea la maxim a suprafetelor disponibile de contact pentru a se asigura un contact cat mai imtim cu radiatorul,iar suprafetele de contact trebuie sa fie cat mai netede;pentru ainlaturarea stratului de aer datorat;imperfectiunile suprafetelor de contact se recimanda inainte de montare,ungerea acestora cu un strat fin de vaselina siliconica; •cand izolarea termica se impune,utilizarea unor medietori de contact avand grosimea cat mai mica si conductivitatea termica mare •confectionarea radiatorului din metale conductivitate termica mare,cumsunt cuprul si aluminiul; •asigurarea unei grosimi suficiente de mare a radiatorului,in specialin zona centrala sau in vecinatatea locului de prindere a cuprului; •plasarea cat mai central pe radiator, sau daca sunt mai multe tranzistoare ,plasarea lor cat mai uniforma; •asigurarea unei temperaturi de lucru cat mai coborite a radiatorului. Convectia,cale specifica de propagare a caldurii prin fluide,este intalnita si in cazul nostru datorita curentilor de aer care “scalda”radiatorul si capsula. Schimbul de caldura prin convectie in unitatea de timp este direct proportionala cu aria suprafetei intere fluide si corpul solid in cauza si cu diferenta de temperatura dintre peretele corpului si fluid. Concluzii: •utilizarea unor radiatoare cu suprafatatotala cat mai mare;foarteavantajoase sunt metodele cu “aripioare”care permite suprafata mare la volumul redus. •pozitionarea radiatoarelor astfel incat sa fie posibila circulatia maxima a curentilor de aer pe intreaga suprafata(cu aripioarele in pozitie verticala); •plasarea radiatorului la exteriorul aparatelor; •atunci cand se impune utilizarea unor ventilatoare electrice pentru racirea fortata; •plasarea radiatorului cat mai departe de celelalte surse importante de caldura din incinta aparatului sau din exterior; •utilizarea unor radiatoare cu suprafete cat mai netede si nici un caz vopsite pentru a nu frana curentii de aer.

41

Radiatia,o cale omniprezenta de propagare a calduri, se face simtita cu cat temperatura de lucru a capsulei si a radiatorului este mai mare.Energua radianta emisa sau absorbita de un corp in unitatea de timp este direct proportionala cu aria suprafetei emitatoare sau receptoaqre si cu puterea a patra a temperaturii absolute a suprafetei. La emisia si receptia energiei radiante o importanta deosebita are culoarea suprafetei.un corp negru-mat absoarbe practic toate radiatilecare cad pe el,deci are o rezistenta termica scazuta la radiatii,pe cand un corp alb-stralucitor reflecta cea mai mare parte din radiatiile incidente. Din punct de vedere al preluari energiei radiante de cpsula,este fara discutie preferabil ca radiatorul sa fie negru mat.Atunci cand radiatorul este plast in interiorul aparatului,negru-mat ofera si avantajul preluarii unei bune parti din energia radianta de la alte piese calde dinapropiere ,pe care,deasemenae, avem interesul sa le racim(vomtine cont la acaseta la dimensionarea radiatorulu,luandin calcule regimul termic a temperaturi ambiante mai ridicata). Pentru radiatoarele de dimensiuni mai mari , diferenta alb-negru se face tot mai putin simtita. Radiatoarele din aluminiu se innegresc prin metode elecrochimice iar daca vrem sa le pastram albe , se cufunda intr-o solutie diluata de hidroxid de sodium pentru matuire.

Capacitatea calorica Prin capacitatea calorica se intelege cantitatea de caldura pe care trebuie sa o primeasca sau sa o cedeze un corp dat pentru a-si modifica temperatura cu 1ºC.Numeric,capacitatea calorica,C,este egala cu produsul dintre masa m a corpului si caldura specifica ca substanta din care este alcatuit. C=mcc-este constabta de material si e capacitaea calorica a unui kilogram din substanta care alcatuieste corpul dat.Ansamblul tiristor–radiator mediul ambiant formeaza un circuit termic complex cu rezistente si capacitatii distribuite. Constanta de timp τ este timpul recomandat de asteptare de la pornirea atunci cand se urmareste efectuarea unor masuratori de precizie sau asupra lor. Se indica de obicei sa se astepte 15-30 de minute in cazul aparatelor care contin radiatoare mari. Pentru a putea prelua de la capsula tiristorului o cantitate mare de caldura, far a-si ridica apreciabil temperatura ,radiatorul trebuie sa aiba o cantitate calorica mare.Acesta inseamna ori masa mare ,ori caldura specifica mare ,ori amindoua in acelasi timp.Din metalele cu conductivitate termica mare doua sunt mai accesibile,anume cuprul cu λ=390W/mºC si aluminiul cu λ=220W/mºC. Pentru radiatoarele mici (S<50cm2),natura metalui nu are totusi o influenta prea mare asupra rezistentei termice,putandu-se folosii cuprul aluminiul,alama ,otel etc.cu rezultate foarte putin diferite.

Variatia puteri maxime de disipatie.

Se stie jonctiunea cu germaniu se distrug la cca.120ºC,iar cele de siliciu la cca.220ºC.De aceea parametrul de catalog tjmax este situat de obicei intre 75ºC si 100ºC pentru tranzistoarele cu germaniu respective intre 150ºC si 200ºC pentru cele cu siliciu pentru extrapolarea dependentei liniare exprimate de legea lui Ohm termica.

Pdmax(tc)=

42

putem trasa astfel o dreapta de disipatie maxima pentru tranzistorul dat. In cataloage nu este mentionat intotdeauna temperatura critica.Ea poate fi dedusa prin trasarea graficului de variatie Pdmax(ta)=f(ta)daca se cunosc marimile Pdmax,Pjmax si Pthj-a;in caz contrarse poate lua tcr= cu valoarea temeraturii ambiante pentru care s-a datin catalog Pdmax.

Temperatura ambianta maxima.

Desi m reprezinta propriu-zis un parametru al dispozitivului semiconductor sau a aparatelor electrice in ansamblu,temperatura mediului ambient ,taare un rol determinant in ceea ce priveste “ritmul”disipatie termice, limitand,puterea maxima “reala”a tranzistorului.Cand proiectam un aparat, trebuie sa tinem cont neaparatde domeniul ascontat de variatie a temperaturiiambiante mai précis de valoarea maxima preconizata,tmax la fiind cea care dicteza limita inferioara garantata a puterii maxime de disipatie. Temperatura ambianta maxima se alege in functie de destinatia aparatului,orientativ intre 30ºC si 40ºC pentru aparatele care urmeaza sa functioneze in conditii”climatice”normale,respective intre 40ºC si 50ºCpentru aparatele de uz industrial. Temperatura ambianta nu se confunda intru totul cu temperatura din incapere.se stie ca ininteriorul aparatelor ,cu toate masurile de autoventilatie,temperatura este deobicei cu cateva grade mai mare decat in incapere, din cauza energie calorice disipete de toate componentele, in special de redresoare ,transformatoare,becuri,rezistoare etc.De aici si recomandrea facuta anterior ,ca tranzistoarele de putere impreuna cu radiatoarele sa fie amplasate de preferinta la exterior, pentru a beneficia de o temperatura ambianta mai scazuta ,deci pentru a li se putea exploata mai bine disponibilitatile de disipatie termica.

Determinarea regimului termic

Circiutul termic jonctiunea-ambianta se reduce la rezistentele jonctiunea-capsula si capsula-ambiant aflate in serie. Rthj-a=Rthj-c+R thc-a

Din datele de catalog rezulta:Rthj-c=(tjmax-tc)/Pdmax(tc)=100ºC-25ºC/150W=0,5ºC/WPrin urmare Rthj-a=0,5ºC/W+20ºC/W=20,5ºC/W. In ceea ce priveste puterea de disipatie maxima,neinttereseaza,fireste limita inferioara garantata , adica aceea care corespunde temperaturii ambiante maxime,tamax(cazul cel mai nefavorabil) .Obtinem:

Pdmax(tamax)= =3,4W

Pentru acelasi transistor ne-am procuratsau am confectionatun radiator bun, despre care stim ca are rezistenta termica Rthr-a=1ºC/W.Un aceste conditi ne intereseaza cum variaza puterea de disipatie maixima in functie de temperatura ambianta.Concret,dorim sa determinam puterea de disipatie maxima pentru tamax=35ºC. Nelipseste un singur element si anume rezistenta capsula–radiator.Acesta depinde de izolatoare, (cu sau fara pelicula intermediara de vaselina siliconica),de gradul de strangere in suruburi etc. Vom considera cazul montari directe a capsuleipe radiator (fara rondela izolatoare),insa cu fetele de contact unse in prealabil cu vaselina siliconica.Pentru o strangere buna in suruburi,putem conta pe o rezistenta R thc-

r foarte mica,sa zicem de 0,2ºC/W (0,1…1ºC/W).Oricum,pentru capsulele mai precise se vor consulta in prealabil fisele tehnice complete ale tranzistorului,unde producatorul face referir si la acest parametru.

43

Pdmax(35ºC)= =40W

La tmax=35ºC Pdmax(35ºC)=(100-35)/0,5=130W

Disipatiea rezistentei Rthc-a simplificat mult calculele ,dar e important din alt motiv, si anume pentru acest parametru nu poate fi intotdeauna gasit in cataloage (depindev de tipul corpului de aria suprafetelor cu care e in contact direct cu aerul ambient,de culoarea, de pozitia capsulei,etc).

Dimensionarea radiatoarelor.

Rezistenta termica a radiatorului Rr depinde de:–natura metalului din care este confectionat,in special de conductibilitatea sa termica –grosimea radiatorului,d respective grosimea medie ,daca sectiunea nu este uniforma–suprafata totala a radiatorului,S–gradul de finisare a suprafetei–culoarea suprafetei–pozita radiatorului(R maxim pentru radiator orizontal,R minim pentru radiator vertical)–pozitia tranzistorului pe radiator 1)Pentru valori constante ale celorlalti factorii rezistenta R r scade pe masura ce creste grosimea materialului la suprafete mari la cele mici grosimea nu conteza. 2)Chiar daca suprafata radiatorului creste foarte mult ,rezistenta termica ramane finita 3)Conditiade innegrire este maiimportanta decat pozitionarea verticala.

Montarea tiristoarelor pe radiator

Tiristoarele de putere se fixeaza pe radiator prin strangere in suruburi.Inainte de montarea atat tiristorul cat si suprafata zonei de contact se ung cu un strat subtire de vaselina siliconica.In unele situatii se impun izolarea electrica a capsulei tiristorului fata de radiator,atunci cand radiatorul este comun pentru mai multe tiristoare,cand este montat direct pe carcasa.

8.CALCULUL TRANSFORMATORULUI

1,Determinarea puterii maxime transferata in sarcina de catre infasurarea secundara:

P2=U2I2=20* 10=200W 2,Aprecierea randamemtului de transfer (randamentul de transfer este inevitabil subunitar datorita pierderilor in miez,in cupru in radiatie etc.).Se poate aprecia un randament de calcul pentru materialele feromagnetice uzuale cu respectarea orientativa a modului de calcul de cca.80%.

=P2/P1=0,83, Determinarea puterii absorbita in primar:

P1=1,25*P2=1,25*200=250W

4, Deducerea curentului maxum absorbita in primar:

44

I1=P1/U1=250/220=1,136 A

5,Aria sectiunii transversale reprezinta produsul dintre grosimea pachetului si latimea elementului centralal tolei”E” si este exprimata in cm2.

S= =15,81 cm2

6,Aflarea numarului de spire /volt minimum acceptabil.Pe baza datelor de catalog cu o constanta empiriala de 55.Formula este:

n1=55/S=3,5 spire /voltDatorita pierderilor suplimentare subforma de caderi de tensiune pe condenzator de bobinaj mai ales la curenti mari,numarulde spire /volt din infasurarea secundara poate fi majorata pana la 10% adica:

n2=1,1*n1=3.82 spire/voltvom considera in calcule 4 spire/volt.7,Determinarea numarului de spire N1 si N2 din primar,respective din secundar:

N1=n1*U1=770 spireconsideram 800 spire din considerente de siguranta in exploatarea pentru primar.

N2=n2*U2=76.4 spireconsideram 80 de spire.8,Alegerea diametrelor minime pentru pentru conductoarele de bobinaj.Aceste diameter se determina in functie de valorile maxime ale curentilor ce vor strabate infasurarile,factorul limitant contituindu-l densitatea de curent maxima admisa pentru pierderile neneglijabile.J=I/SPentru infasurarile cu racier mai accentuata se considera diametrul conductoarelor fara isolator cu o densitate de current de J=2,5A/mm2,rezulta:

d2= = =2,24mm

Pentru infasurarile interiopare ,cele din primar are un numar de spire mai mare ,care nu benefifiaza deracire eficienta, luam;

d1=0,8 =0.85mmd1,d2 diametrele conductoarelor din primar respective din secundar. 9,Verificam daca infasurarile calculate incap in fereastra miezului pe care ureaza sa-l utilizam.Calculam aria totala ocupata efectiv de sectiunile transversale ale conductoarelor din toate infasurarile.La sectiunea spirelor tinem cont de diametrul conductorului incluzand si izolatorul. Siz=0,8*d2

iz

A2=80*2.3=184 A1=800*0,85=680 Atot=(A1+A2)*3=2592mm2=2,6cm2. Tinem cont de spatile goale dintre spire ,de spatiile ocupate de carcasa ,de hartia izolatoareb dintre straturi.10,Enumararea valorilor obtinute:

Sectiunea miez transformator; S=16 cm2

45

Numar de spire din primar; N1=800 spireNumar de spire din secundar; N2=80 spireDiametrul conductoarelor infasurarilor; d1=0,85mm d2=2.3mm.Tensiunea primar; U1=220VTensiunea secundar; U2=20VCurent admisibil secundar; I2=10A.

9.CALCULUL RADIATORULUI

Tipul tiristorului ales: T22NO5Puterea maxima disipata:Pdmax=30WTemperatura capsulei:Tc=25CTemperatura ambianta:Ta=40C Rezistenta termica jonctiunea-capsula:Rthj-c =1,1C/WRezistenta capsula-radiator: Rthj-r=1/iSc [C/W]=0,3C/WSc=suprafata de contact; i=coeficient de strangere (0,2…0.8) W/Cm2

Rezistenta termica radiator-ambiant:Rthj-r=1C/W pentru radiator. Puterea disipata in cazul cel mai nefavorabil la temperatura ambianta tamax;

Pdmax= =20W

Pdmax=Pc2

Pc1=30WPc2<Pc1 deci este necesar utilizarea radiatoarelor de racire. La temperatura de 40C tiristorul nu poate disipa decat 20W, diferenta trebuie acoperita:

Rthj-a=Rthj-c+

Rthj-a=1,1+ =2.25˚C/W

Rthj-a=(85-40)/30=1,5˚C/W

Din catalog Rthc-a=10C/Wpentru capsula TO48.Rezistenta termica a radiatorului:

Rthj-a= =0,41˚C/W

Expresia suprafete radiatorului:Coeficientul convectie –radiatie pentru radiator:orizontal-corp lustruit 1Cm2/W -corp innegrit 0,5Cm2/W

46

vertical-corp lustruit 0,85Cm2/W -corp innegrit 0,45Cm2/W Expresia finala a suprafetei daca avem un radiator corp negru in pozitie verticala este:

S= 161cm2

Instrucţiuni de protecţie şi punere în funcţiune

Înainte de punerea în funcţiune a redresoarelor pentru încărcarea bateriilor de acumulatoare trebuiesc urmate instrucţiunile de protecţie şi punere în funcţiune şi anume:

Se verifică dacă redresorul este montat în încăperi aerisite fără agenţi termici sau chimici, cu temperatura mediului ambiant cuprinsă între 0-40C şi umiditate relativă maximă de 80% la 30C

Se verifică dacă instalaţia este completă (lămpi, indicatoare, relee, siguranţe normale şi ultrarapide, placi electronice)

Se verifică dacă şuruburile de fixare ale aparatelor sunt bine stânse Se verifică în special dacă instrumentele de măsură de pe panou sunt blocate sau avariate Se verifică dacă nu există fire scoase din redresor şi borne cu papucii slăbiţi Se verifică dacă elementele grele ale instalaţiei (transformatorul de forţă, bobina de filtraj) sunt corect fixate Se leagă partea metalică a instalaţiei la centura de pământ şi se verifică dacă rezistenţa acestei legături este în

conformitate cu normele în vigoare Se verifică dacă cablurile de forţă cu care se leagă redresorul la reţea şi pe partea de utilizare au secţiuni

adecvate curenţilor Se verifică calitatea reţelei (puterea instalată) precum şi capacitatea bateriei Se porneşte redresorul şi se urmăreşte curentul de ieşire

Curentul debitat de redresor depinde de gradulde încărcare al bateriei de acumulator.În timpul probelor de punere în funcţiune nu se recomandă modificarea reglajelor la blocurile electronice. Prezentele măsuri se urmăresc în deosebi la punerea în funcţiune a redresoarelor pentru lucrul în tampon cu bateriile de acumulator pentru alimentările de siguranţă.

BIBLIOGRAFIE

1. Cioc, I.; Vlad, I.; Calotă, G.-Transfofmatorul electric.Construcţie. Teorie. Proiectare. Fabricare. Exploatare.Editura Didactică şi Pedagogică Bucureşti;

2. Iulian, I.-Contribuţii la studiul şi proiectarea variatoarelor de c.c. cu aplicaţii în sistemele d acţionare ale autovehiculelor.Ministerul Educaţiei Naţionale, Universitatea Transilvania din Braşov;

3. Tomuţa, O.; Ragoveanu, N.; Iliescu, P.-Acumulatoare pentru autovehicule. Editura Tehnică Bucureşti-1990;

47

4. Tomuţa, O.; Clondescu, Gh.-Acumulatoare electrice. Întreţinere şi reparare. Editura Tehnică Bucureşti-1977;

5. Matlac,I.;Iulian,L.;Marinescu,C.;Helerea,E.-Convertoare electronice. Elemente de comutaţie semiconductoare.;

6. Matlac,I.-Convertoare electroenergetice. Editura Facla Timişoara-1987;7. Giugudean, M.-Proiectarea unor circuite electronice.

Editura Facla Timişoara-1983;8. Iosif, N.-Tiristoare şi module de putere.

Editura Tehnică Bucureşti-1984;9. ***Hight capacitance low-loss electrolytics with low hf impedance.

TDA 1016-a.;10. ***Indicator de norme de deviz pentru lucrări pentru automatizare.Instalaţii. Institutul central de

cercetare, proiectare şi directivare în construcţii-1981; 11.D.Dasclau;L.Turic-Circuite electrice Ed.Didactica si Pedagogica Bucuresti-1981 12.Almanah tehnium 13.V.Ciugarin-Acumlatoare acide Ed.Militara Bucuresti-1967 14.W.Szabo-Bazele elecrotehnici Univ.Transilvania Brasov-1977 15.Colectia tehnium.

48

10°C

-10°C