Transcript Základy elektrotechniky

ZÁKLADY ELEKTROTECHNIKY
Príprava na vyučovaciu hodinu
v systéme výučby s uzavretým cyklom
Škola:
SOŠT Volgogradská 1 PREŠOV
Ročník: prvý
Predmet: Základy elektrotechniky
Tematický celok: Aktívne súčiastky
Téma vyučovacej hodiny: Batérie a akumulátory
Ing. Ľubomír GREŠ
 Prečo žiadna
batéria, neposkytne
nekonečný elektrický
prúd, keď ju
prepojíme nakrátko?
 Ako možno vysvetliť rôznu
energetickú bilanciu troch
rovnakých elektrických článkov v
rôznom zapojení?
Batérie,
akumulátory
 nakresliť schému
skutočného zdroja
elektrickej energie a
jednotlivé prvky.
 uviesť spôsoby spájania
zdrojov elektrickej energie.
 uviesť použitie batérií
a akumulátorov.
 uviesť princípy
prevádzky a nabíjania
akumulátorov.
Vymenujte zložky
vnútorného odporu
reálneho zdroja
Vymenujte prevádzkové
vlastnosti chemických
zdrojov
Popíšte základné faktory
ovplyvňujúce životnosť
chemických elektrických zdrojov
Zapojenie
skutočného
elektrického zdroja
Sériové spájanie
Paralelné zapojenie
Starnutie chemických zdrojov:
Príčiny: 1. nedokonalosť
chemických zlúčenín
2. nevratnosť
chemickej reakcie
3. zlá prevádzka
4. chyba výroby
Nabíjanie akumulátorov
Zásady: 1. každý výrobca predpisuje iný
postup nabíjania
2. obsluha len s predpísanými
bezpečnostnými opatreniami
3. zrýchlenie nabíjania pri
prekročení nabíjacieho prúdu o
20-30%
Výmena akumulátorov
Zásady: 1. výmena len pri odpojenom
stave
2. skladovať na predpísanom
mieste – obsahujú škodlivé
látky
3. nové články je potrebné
naformátovať
• Technológia oznamovacích
zariadení musí byť v prevádzke
nepretržite t.j. 24 hodín, preto pre
napájanie elektrických obvodov sa
prevažne používajú akumulátory, ktoré
sú v normálnej prevádzke dobíjané zo
siete v prípade výpadku elektrickej
energie podľa daného typu musia byť
schopné napájať zariadenie 6 – 24
hodín. V praxi sa používajú: olovené
(kyslé), niklokadmiové (alkalické) a
striebrozinkové akumulátory.
• Doposiaľ najpoužívanejším akumulátorom je olovený
akumulátor, vynájdený roku 1859 Francúzom Gastonom
Planté. Jeho základom sú dosky zhotovené z inertného
nosiča, ktorý je upravený do tvaru mriežky, aby mal čo
najväčší povrch. Na mriežku sa nanáša pasta tvorená
síranom olovnatým PbSO4 a kyselinou sírovou H2SO4,
ktorá sa používa ako elektrolyt (20% roztok). Dosky sú
oddelené tzv. separátorom, ktorý je zhotovený zo
sklenenej vaty a obsahuje ďalšie prímesi. Ak ku
elektródam pripojíme zdroj jednosmerného elektrického
prúdu, na katóde (-) sa bude vylučovať tmavošedé olovo
Pb a na anóde (+) sa bude vytvárať vrstva
červenohnedého oxidu olovičitého PBO2. Týmto
spôsobom vznikne sústava, ktorú môžeme po odpojení
zdroja využiť ako galvanický článok. Jeho napätie je
približne 2V. Kapacita pri malých prevedeniach je 1-100
Ah u veľkých je cez 10 000Ah.
• Dosky elektród sa spájajú mostíkmi. Súbor
kladných a záporných dosiek tvoria článok. Dosky
sa striedajú (záporných je viac).
• Články sa spájajú do série, aby sa
dosiahlo príslušné napätie. Susediace
články sa spájajú svojimi opačnými
elektródami.
• Články sa dajú spájať aj paralelne
alebo sériovo-paralelne.
• Akumulovanie elektrickej energie
v akumulátore umožňujú
elektrochemické procesy, ktoré
prebiehajú vnútri jednotlivých
článkov. Tieto procesy sú vratné, čiže
po jednom cykle – nabitie – vybitie – sú
pomery v článku rovnaké.
• Článok sa nabíja
jednosmerným prúdom. Kladný
pól zdroja sa spojí s kladným
pólom akumulátora a záporný so
záporným pólom akumulátora.
Prúd prechádza z kladného pólu
zdroja cez kladnú elektródu
článku, elektrolyt, zápornú
elektródu k mínus pólu zdroja.
• Pri nabitom a vybitom akumulátore sa
zmení chemické zloženie v roztoku a
povrch elektród.
• Keď pri nabíjaní bol na zápornej
doske nahradený všetok síran
olovnatý - PbSO4 olovom - Pb
a na kladnej doske kysličníkom
olovičitým - PbO2 , začne sa
elektrolytický rozklad vody. Pri
tomto rozklade sa pri kladných
elektródach vytvára kyslík a pri
záporných vodík.
• Elektrolytický rozklad vody je hlavnou príčinou
poklesu hladiny elektrolytu v akumulátore.
• Aby vznikajúce plyny mali možnosť z nádoby
unikať, sú v zátkach otvory. Pri nabíjaní
akumulátora v nabíjacej stanici sa zátky z článkov
vyberajú.
• Pri nabíjaní sa z článkov akumulátora odparuje
voda, preto sa musí kontrolovať hladina
elektrolytu, tak aby elektródy neostali suché
a úbytok sa doplňuje destilovanou vodou.
• Hustota elektrolytu v akumulátore sa mení
najmä následkom chemických reakcií, ktoré
prebiehajú pri vybíjaní a nabíjaní akumulátora. Pri
nabíjaní hustota stúpa, pri vybíjaní klesá.
Hustota je jedným z ukazovateľov okamžitého
stavu akumulátora.
• Dôležitou hodnotou akumulátora je jeho
vnútorný odpor Rv. Má byť čo najmenší,
aby sa nadmerne nezohrieval pri prechode
elektrického prúdu. Vnútorný odpor je
súčtom odporu elektrolytu, činnej hmoty,
vývodov a mostíkov. Odpor závisí od stavu
nabitia. S pokračujúcim vybíjaním rastie
odpor činných hmôt, pretože v nich pribúda
síran olovnatý, ktorý je nevodič.
• Výkonnosť akumulátora ovplyvňuje najmä
teplota, lebo pri vybíjaní spomaľuje
chemické reakcie.
• Aktuálny stav akumulátora môžeme odmerať
hustomerom, ktorý odmeria hustotu elektrolytu a je
ciachovaný v ampérhodinách, čiže priamo zistíme
akú ma kapacitu daný článok akumulátora.
Spoľahlivejšie sa stav článkov zisťuje skúšačkou
akumulátorov (so zaťažovacím rezistorom). Nedá sa
však použiť na plastové prevedenia.
• Najdôležitejšie veličiny, ktoré charakterizujú
každý akumulátor sú napätie a kapacita. Tieto
údaje sa uvádzajú aj v typovom označení
akumulátorov. Napr. pri označení 3 ST 66 alebo 6 N
50 prvé číslo znamená počet článkov. Napätie
jedného článku je približne 2V. V prvom prípade ide
o 6V akumulátor, v druhom o 12V akumulátor.
Písmená označujú typ, číslo za typom sa udáva
kapacita v ampérhodináh. Prvý má teda kapacitu
66Ah druhý 50Ah.
• Kapacita C udávaná v ampérhodinách Ah je
veličina charakterizujúca schopnosť
akumulátora udržať – akumulovať
elektrickú energiu. Akumuluje sa
prostredníctvom chemických reakcií medzi
činnou hmotou a elektrolytom. Kapacita klesá
s teplotou elektrolytu.
• C = I . t (Ah) kde I je prúd a t je čas
• Príklad: Akumulátor s kapacitou 100Ah je
schopný dodávať prúd 5A počas 20 hodín až
do úplného vybitia. Napätie článku nemá
poklesnúť pod 1,75V!
• Olovený akumulátor sa používa najčastejšie
v automobiloch. Stredné napätie jedného článku
oloveného akumulátora býva asi 2V. V zapojení za
sebou sa využívajú olovené články v motocykloch
s napätím 6V , v osobných automobiloch 12V
a v nákladných automobiloch 24V. Používajú sa na
rozbehnutie motora, zapaľovanie paliva.
• Akumulátory, vrátane
oloveného sú
najvýznamnejšou skupinou,
ktorá sa podieľa na ohrození
životného prostredia. Skoro
všetky obsahujú zvlášť
nebezpečné látky – ťažké kovy
– ortuť – kadmium a olovo. Je
dokázané, že zaťaženie
životného prostredia ťažkými
kovmi je pre živé organizmy
v porovnaní s ostatnými
odpadmi 10 000 krát vyššie.
• Nevýhodou je veľká hmotnosť,
obmedzená životnosť, tepelná závislosť,
nebezpečné a neekologické chemické
materiály.
• Prednosťou je stálosť napätia, malý
vnútorný odpor, obnoviteľný zdroj
elektrickej energie a dobré kapacitné
vlastnosti.
•
Niklokadmiové akumulátory
• Patria do skupiny alkalických akumulátorov.
Ich charakteristickým znakom je použitie
elektrolytu z roztoku hydroxidu draselného
KOH (luh draselný).
• Menovité napätie jedného článku je 1,2V.
Elektródy sú vyrobené z oceľového
poniklovaného plechu. Elektródy sú
perforované s vreckami, v ktorých je lisovaná
aktívna látka. Na kladných elektródach je oxid
nikličný a oxid niklitý, na záporných
elektródach kadmium s prímesou železa.
Nádoba a veká sú z oceľového
poniklovaného plechu. Vývody pólov sú
riešené ako hrubé skrutkové svorky.
• Články sa spájajú do batérie po 5 kusoch na
napätie 6V a ukladajú sa do drevených
rámov, ktoré umožňujú ich prenos
a zapojenie do celkov 12 – 24V.
• Elektrolyt sa mení približne raz za rok.
V prevádzke sa do nich nalieva iba
destilovaná voda. Články môžu pracovať
v rozsahu +40 až -40 stupňov. Neškodí im
občasné hlboké vybitie, alebo prebíjanie.
Neškodia im otrasy. Majú 5krát dlhšiu
životnosť ako olovené akumulátory. Pri
rovnakej kapacite a napätí sú rozmernejšie,
ťažšie a asi 4krát drahšie.
• Akumulátor sa môže skladovať
so striebrozinkovým akumulátorom, ale
nesmie sa skladovať spolu s oloveným
akumulátorom. Pretože sa aktívne látky
navzájom neutralizujú.
Striebrozinkové akumulátory
• Elektródy sú vyrobené zo striebra a zinku.
Elektrolyt je hydroxid draselný KOH. Článok má
kapacitu v porovnaní s predchádzajúcimi
akumulátormi podstatne väčšiu, ale má menšie
rozmery. Používa sa na napájanie zariadení, kde je
požiadavka na zdroje malých rozmerov, malej
váhy, kde nie je rozhodujúca cena zariadenia –
letecká technika, vojenské zariadenia, napájanie
mobilných zariadení.
• Všeobecne pri všetkých druhoch akumulátorov
musíme dodržiavať bezpečné opatrenia z dôvodov
výbušných plynov, leptajúcich účinkov tekutín,
neekologických materiálov. Všetky akumulátory
musia mať evidenčné listy so zameraním na
výrobné číslo, účtovný celok, dátum: uvedenia do
prevádzky, dobíjania, kapacitnej skúšky, opravy
a vyradenia z prevádzky.
 Skratový prúd chemického zdroja
meriame:
1.
čo najkratšie
2.
čo najdlhšie
3.
so sériovvo zaradeným kondenzátorom
4.
s paralelne zapojenou cievkou
.
 Náhradná schéma batérie má zapojenie
ideálneho zdroja:
5.
napäťového s paralelným odporom
6.
napäťového so sériovým odporom
7.
prúdového so sériovým odporom
8.
prúdového so sériovým kondenzátorom
.
 Každý zo štyroch sériovo zapojených
reálnych zdrojov má rovnaký vnútorný odpor
Ri=2. Výsledný vnútorný odpor zapojenia
je:
9. 6
10. 7
.
11. 8
12. 9
 Nový akumulátor má pri plnom nabití
vnútorný odpor:
13.
nulový
14. nekonečný
.
15. malý, ktorý sa v čase vybíjania zväčšuje
16. malý, ktorý sa v čase vybíjania zmenšuje
 Vymenujte chemické zdroje,
ktoré majú najmenší vnútorný
odpor z energetického hľadiska.
 Popíšte rozdiely medzi
reálnym zdrojom prúdu a napätia.
 Uveďte dôvod, prečo niektoré
chemické zdroje majú na
svorkách pripojený
veľkokapacitný kondenzátor.
 Vysvetlite, akým spôsobom sa
dobíja a reguluje dobíjanie
autoakumulátora .
Výsledky úloh:
Priebežný test: 1, 6, 11, 15
Pre záujemcov:
 Najmenší vnútorný odpor
majú chemické zdroje
s najväčším výkonom a sú to
akumulátory v elektrárňach
v ponorkách a záložné batérie
pre veľké prevádzky.
 Napäťový zdroj sa skladá
zo sériovej náhrady ideálneho
napäťového zdroja a malého
odporu a prúdový zdroj je
paralelná kombinácia
ideálneho prúdového zdroja a
veľkého odporu.
 Niektoré zdroje majú na svojich
svorkách zapojený veľkokapacitný
kondenzátor, kvôli nečakanému
špičkovému odberu. Používajú sa tam,
kde trvalo nie je zdroj preťažovaný, ale
náhly pokles napätia by mohol
spôsobiť poruchu v obvode.
Kondenzátor má naakumulovanú
energiu, ktorú v prípade zvýšených
prúdových nárokoch môže poskytnúť
namiesto zdroja.
 Motor poháňa alternátor, ktorý od
veľkosti budiaceho napätia vyrába
striedavé napätie. To sa v usmerňovači
usmerní a dobíja akumulátor a zásobuje
automobil elektrickou energiu. Vyššie
harmonické a napäťové špičky sa
v akumulátore vysktratujú. Usmerňovač
sníma hladinu napätia akumulátora pri
chode motora a podľa potreby ju zvýši a
tým sa automaticky akumulátor dobíja. Ak
je hladina napätia vysoká, alternátor vyrába
menej energie a tým je batéria stále
maximálne nabitá.
Zdroje:
www.baterie.batteries.pl
www.avacom.cz
www.bateriedomobilu.cz
www.smodel.cz
www.solarexpert.com
Maťátko, J.: Elektronika. Alfa Bratislava: 1993
Ing. Ľubomír GREŠ