Prostowniki i akumulatory

Rodzaje, budowa i zasada działania prostowników

      Prostowniki są urządzeniami służącymi do przetwarzania prądu przemiennego na prąd stały. Aktualnie stosowane są głównie prostowniki półprzewodnikowe krzemowe, charakteryzujące się największą sprawnością oraz rzadziej selenowe.

      Do niedawna w urządzeniach przemysłowych i trakcyjnych wykorzystujących prąd stały o dużym natężeniu stosowane były prostowniki rtęciowe i prostowniki lampowe (z żarzoną katodą). Obecnie w ich miejsce stosowane są głównie prostowniki lub zespoły prostownikowe krzemowe.

      Elementy prostownika charakteryzujące się właściwościami jednokierunkowego przewodzenia prądu stanowią zawory elektryczne. Zawór krzemowy jest diodą monokrystaliczną tworzącą złącze p-n.

      Cienka płytka krzemu o strukturze monokrystalicznej zawiera z jednej strony domieszki akceptorowe, a z drugiej donorowe, co stwarza możliwości przepływów prądu od p do n przy bardzo niskim napięciu polaryzującym.

      Przepływ w kierunku od n do p wymaga bardzo znacznego napięcia polaryzującego (od kilkuset do tysiąca kilkuset V a jeśli nie jest ono osiągnięte, złącze działa zaworowo.

      W układach prostowników szerokie zastosowanie znalazły tyrystory, czyli diody monokrystaliczne sterowane krzemowe i germanowe. Diody takie składają się z czterech warstw o charakterze na przemian donorowym i akceptorowym. Powstają więc trzy złącza p-n, z których pierwsze i trzecie jest spolaryzowane w jedną stronę. Układ taki działa obustronnie zaworowo. Jeżeli napięcie doprowadzone ma biegunowość taką, aby jako zawór działało złącze drugie, to po przekroczeniu napięcia polaryzacji, następuje jonizacja lawinowa całego monokryształu i następuje przepływ prądu już przy małym spadku napięcia.

      W skład prostowników wchodzą zwykle następujące elementy:

- transformator prostownikowy,

- właściwy element prostujący (krzemowy lub selenowy),

- układ regulacyjny,

- układ sterowniczo-zabezpieczeniowy,

- układ pomiarowy.

      Uproszczone schematy prostownika jednofazowego (mostkowego) i trójfazowego dwukierunkowego pokazano na rys. 14.

Rys. 14. Schemat prostownika:

a) jednofazowego mostkowego, b) 3-fazowego dwukierunkowego.

Oznaczenia:

U~ – napięcie przemienne zasilania,

U_o – napięcie wyprostowane odbiornika,

R_o – rezystancja odbiornika,

L_o – indukcyjność odbiornika,

TP – transformator prostownikowy.

 

      Przy większych mocach prostowniki wymagają zastosowania chłodzenia. Zabezpieczenie prostowników powinno być dostosowane do wymagań podawanych przez producentów. Prostowniki powinny być zabezpieczone przed:

a) skutkami zwarć w sieci prądu stałego,

b) skutkami zwarć w prostowniku,

c) skutkami przeciążeń,

d) nadmiernym wzrostem temperatury,

e) skutkami przepięć.

 

      Regulacja napięcia wyprostowanego może być dokonywana przez zmianę:

— napięcia zasilającego przy zastosowaniu transformatora regulacyjnego,

— napięcia elektrody sterującej prostowników tyrystorowych.

       W przypadku konieczności uzyskania bardzo dużych prądów stałych należy stosować pracę równoległą prostowników. Wymaga to jednak odpowiedniego doboru mocy i charakterystyki współpracujących prostowników, aby nie nastąpiło przeciążenie niektórych z nich.

      W celu doboru odpowiedniego zespołu prostowników należy:

1) dobrać typ zespołu prostownikowego w zależności od zastosowania i warunków pracy,

2) dobrać odpowiednie napięcie znamionowe,

3) dobrać odpowiedni prąd znamionowy,

4) sprawdzić dane dotyczące zasilania zespołu prostownikowego.

 

      Pod względem zastosowania zespoły prostownikowe dzieli się na zespoły do:

a) ładowania baterii akumulatorów,

b) ochrony przed korozją,

c) zasilania urządzeń galwanizerskich,

d) zasilania układów sygnalizacji, sterowania i obwodów pomiarowych,

e) spawania łukowego,

f) zasilania urządzeń telekomunikacyjnych.

 

      Ze względu na rodzaj regulacji rozróżniamy zespoły prostownikowe z regulacją:

1) automatyczną, z charakterystyką wielofunkcyjną,

2) automatyczną, z charakterystyką jednofunkcyjną,

3) bez regulacji, niestabilizowane,

4) niestabilizowane, o płynnej regulacji napięcia lub prądu wyprostowanego,

5) niestabilizowane o regulacji zaczepowej na transformatorze (skokowej),

6) niestabilizowane o regulacji parametrycznej.

 

      Napięcie znamionowe wyprostowane zespołu prostownikowego należy dobrać zgodnie z napięciem znamionowym urządzenia, do którego ma być zastosowany zespół.

      Prąd znamionowy zespołu prostownikowego jest przeważnie równocześnie jego największym dopuszczalnym prądem obciążenia ciągłego. Dlatego przy wyborze zespołu prostownikowego należy zwrócić uwagę, aby żądany największy pobór prądu był mniejszy, a co najmniej równy znamionowemu prądowi zespołu. Prąd znamionowy zespołu prostownikowego do ładowania baterii akumulatorów określamy ze wzoru:

 

 

gdzie:

I_sn — maksymalny prąd ładowania, prąd znamionowy zespołu w amperach (wartość średnia),

 Q —pojemność znamionowa baterii akumulatorów w amperogodzinach,

 t — czas ładowania w godzinach.

      Po wybraniu odpowiedniego zespołu prostownikowego należy sprawdzić:

— jakie warunki zasilania należy spełnić dla zespołu: rodzaj (jedno- czy trójfazowy), wartość napięcia

    i częstotliwość sieci zasilającej, prąd pobierany z sieci zasilającej, współczynnik mocy

    (dla zespołów dużej  mocy lub przy większej ich liczbie może być konieczna kompensacja cos φ);

— warunki pracy zespołu: temperaturę otoczenia, wilgotność względną, pozycję i miejsce pracy;

— powierzchnię potrzebną na ustawienie zespołu, wytrzymałość podłogi lub konstrukcji wsporczej,

    na której zespół ma być umieszczony.

 

Rodzaje i charakterystyka akumulatorów.

      Akumulatory są elektrochemicznymi źródłami prądu, które umożliwiają wielokrotne pobieranie z nich energii elektrycznej po uprzednim naładowaniu ze źródła prądu zewnętrznego. Zarówno ładowanie jak i wyładowanie energii realizowane jest na drodze przemian chemicznych w substancjach stanowiących część składowaną płyt akumulatorowych.

 

      Aktualnie zastosowanie praktyczne znajdują głównie akumulatory kwasowo-ołowiowe, które występują w wykonaniu:

a) otwartym (klasycznym) z elektrolitem ciekłym,

b) szczelnym typu VRLA (regulowane zaworem).

 

      Ogniwo akumulatorowe klasyczne kwasowo-ołowiowe składa się z:

— elektrody dodatniej – PbO₂,

— elektrody ujemnej – Pb,

— elektrolitu – H₂SO₄ + H₂O (wodny roztwór kwasu siarkowego),

— naczynia.

 

    W akumulatorach tych w trakcie ładowania następuje:

— zamiana energii elektrycznej w chemiczną,

— odsiarczanie płyty dodatniej i ujemnej,

— powstanie kwasu siarkowego jako efekt odsiarczenia (powoduje to wzrost gęstości elektrolitu do wartości

    nominalnej).

 

      Natomiast w trakcie rozładowania ma miejsce:

— zamiana energii chemicznej na energię elektryczną,

— zasiarczenie płyty dodatniej i ujemnej, będące efektem elektrolizy kwasu siarkowego (elektrolitu)

    oraz reakcji reszty kwasowej z ołowiem,

— ubytek kwasu siarkowego z elektrolitu i zmniejszenie się jego gęstości.

      W pracy akumulatorów kwasowo-ołowiowych w wykonaniu otwartym występują niekorzystne zjawiska, takie jak: wydzielanie tlenu przy płycie dodatniej, co powoduje jej korozję i ulatnianie do atmosfery oraz wydzielanie wodoru, który jest gazem silnie wybuchowym, przy płycie ujemnej. Z tego względu akumulatory te należy instalować w specjalnych pomieszczeniach, nazywanych akumulatorniami.

      W akumulatorach szczelnych typu VRLA, wprowadzono modyfikacje konstrukcyjne, które prowadzą do łączenia się tlenu i wodoru do atmosfery. Akumulatory te są zamknięte zaworem bezpieczeństwa, który działa na zasadzie przepony w momencie wzrostu ciśnienia wewnątrz akumulatora. Kratki w płytach wykonane są ze specjalnego stopu ołowiu bezantymonowego przez co ogranicza się emisję gazów, a elektrolit jest w postaci uwięzionej (zżelowanej).

      Sprawność rekombinacyjna akumulatorów VRLA wynosi 95%, a zużycie wody z elektrolitu jest minimalne, gdyż ogniwo samo uzupełnia poziom elektrolitu. Dzięki zasadzie „zrównoważenia wodorowego” akumulatory z ogniwami VRLA mają deklarowany czas eksploatacji 3÷15 lat. Wadą tych baterii jest większa wrażliwość na przeładowywania, niedoładowywania, pracę w wysokiej temperaturze i jakość prądu ładowania oraz niejednorodność właściwości chemicznych poszczególnych ogniw baterii, co stwarza problemy przy pracy buforowej. Główną zaletą akumulatorów VRLA jest możliwość ich ustawienia w „normalnych” pomieszczeniach.

      Podstawowymi parametrami charakteryzującymi akumulator są: pojemność znamionowa, prąd znamionowy, napięcie i sprawność.

      Znamionową pojemnością akumulatora nazywa się ilość ładunku elektrycznego wyrażoną w amperogodzinach [Ah], która może być pobrana z normalnie naładowanego akumulatora przy wyładowaniu prądem znamionowym do odpowiedniego napięcia końcowego i przy temperaturze elektrolitu 20°C; oznacza się ją Q_n.

      Znamionowy prąd wyładowania akumulatora jest to prąd wynikający z podzielenia pojemności znamionowej przez znamionowy czas wyładowania, który jest określony dla danej konstrukcji akumulatora. Jeżeli akumulator o pojemności znamionowej 100 Ah wyładowuje się prądem znamionowym o natężeniu 20 A, to czas wyładowania będzie wynosił 5 godzin.

      Napięcie jest to różnica potencjałów elektrod dodatnich i ujemnych mierzona między końcówkami biegunowymi akumulatora (w stanie nieobciążonym). W praktyce stosuje się kilka określeń rodzajów napięć:

— napięcie znamionowe – jest to wartość napięcia charakterystyczna dla danego układu

    elektrochemicznego; stanowi ona zwykle średnią wartość napięcia źródła podczas wyładowania

    w warunkach znamionowych,

— napięcie końcowe wyładowania– jest to wartość napięcia pod obciążeniem, poniżej którego

    eksploatacja akumulatora jest nieefektywna, a nawet szkodliwa; dopuszczalne napięcie końcowe

    jest ustalane zależnie od rodzaju konstrukcji i wartości prądu wyładowania.

 

      Sprawność energetyczna akumulatora określa się stosunkiem energii [Wh] oddanej podczas wyładowania do energii przyjętej podczas ładowania. Najczęściej spotykane napięcia baterii wynoszą: 6 V, 12V, 24V, 48V, 110V, 220V. Baterie akumulatorowe są to zespoły szeregowo połączonych jednakowych ogniw akumulatorowych.

 

      Pojemność baterii jest równa pojemności pojedynczego ogniwa, napięcie jest sumą napięć poszczególnych ogniw. Podstawowe dane charakterystyczne ogniw kwasowo-ołowiowych podano w tablicy 4.

 

Tablica 4. Dane charakterystyczne ogniw kwasowo-ołowiowych

      Zalecane sposoby ładowania akumulatorów uzależnione są od wielkości prądu ładowania i czasu trwania procesu ładowania.

      Najczęściej stosowanymi sposobami ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych są:

— ładowanie stałą wartością prądu (ok. 20 godzin),

— ładowanie prądem, którego wartość maleje z czasem (ok. 12 godzin),

— ładowanie dwustopniowe: najpierw większą wartością prądu aż do wystąpienia gazowania

    i następnie mniejszą, również stałą wartością prądu aż do pełnego naładowania (ok. 10 godzin).

      Do ładowania akumulatorów najczęściej służą prostowniki lub prądnice prądu stałego napędzane silnikiem asynchronicznym.

      Baterie mogą pracować w cyklu ładowanie-rozładowanie lub w systemie buforowym, polegającym na stałej równoległej pracy baterii ze źródłem prądu. Najlepszym systemem pracy baterii jest system buforowy stabilizowany, ze stałym doładowywaniem baterii.

      Akumulatory kwasowo-ołowiowe najczęściej są stosowane:

— do rozruchu silników spalinowych, agregatów prądotwórczych i silników lotniczych;

— w trakcji elektrycznej (do zasilania urządzeń mobilnych i podnośnikowych);

— do zasilania urządzeń stacjonarnych (m.in. urządzeń potrzeb własnych i układów kontroli

    i bezpieczeństwa, w telekomunikacji, systemów oświetlenia awaryjnego i alarmowego oraz przy

    magazynowaniu energii słonecznej);

— w napędach łodzi podwodnych.

      W mniejszych obiektach można jeszcze spotkać akumulatory zasadowe kadmowo-niklowe o napięciu znamionowym równym 1,2 V.

Zasady eksploatacji urządzeń prostownikowych i akumulatorowych

Ogólne zasady eksploatacji

      Eksploatację urządzeń prostownikowych i akumulatorowych należy prowadzić w oparciu o Rozporządzenie Ministra Gospodarki dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [Dz.U.07.93.623 ogłoszony dnia 29 maja 2007 r.].

 

      Pomocne mogą być do wykorzystania jako zasady, obecnie już nieobowiązujące:

- zarządzenie MGiE oraz MGMiP z dnia 18.17.1986 r. w sprawie ogólnych zasad eksploatacji

  urządzeń i instalacji energetycznych oraz

- zarządzenie MGiE z dnia 07.07.1987 r. w sprawie szczegółowych zasad eksploatacji urządzeń

  prostownikowych  i akumulatorowych.

 

      Na podstawie ww. zarządzeń opracowano podane w dalszej części zasady eksploatacji. Przy eksploatacji urządzeń prostownikowych i akumulatorowych należy przestrzegać następujących zasad ogólnych:

1) przyjęcie do eksploatacji urządzeń nowych lub po remoncie może nastąpić po przeprowadzeniu

    prób i pomiarów z wynikiem pozytywnym,

 

2) eksploatację urządzeń prostownikowych i akumulatorowych należy prowadzić zgodnie z instrukcją

    ruchu i eksploatacji oraz w oparciu o program pracy tych urządzeń,

3) w programach pracy urządzeń prostownikowych i akumulatorowych należy uwzględnić

   w szczególności:

      a) przewidywane obciążenia,

      b) charakterystykę zasilanych odbiorników i wymagane wartości natężeń,

      c) układy połączeń dla ruchu normalnego i w warunkach zakłóceniowych;

4) w razie samoczynnego wyłączenia urządzenia prostownikowego lub akumulatorowego przez

    zabezpieczenie, ponowne włączenie do ruchu tego urządzenia może nastąpić po ustaleniu

    i usunięciu przyczyny, która spowodowała wyłączenie,

5) baterie akumulatorów powinny pracować w wydzielonych pomieszczeniach, zwanych

    akumulatorniami, do których wstęp powinny mieć tylko osoby upoważnione,

6)  pomieszczenie baterii akumulatorów powinno być wyposażone w następujący sprzęt:

— areometr i termometr (do pomiaru gęstości i temperatury elektrolitu),

— woltomierz,

— lampę przenośną hermetyczną,

— gumowe rękawice, kalosze, fartuch i okulary ochronne,

— naczynia na elektrolit,

— naczynia z piaskiem i trocinami,

— apteczkę ze środkami do udzielania pierwszej pomocy,

7)  podczas przygotowywania elektrolitu należy pamiętać o tym, że wolno dolewać — i to bardzo

     małym strumieniem — kwas do wody destylowanej, a nigdy odwrotnie,

8) przy eksploatacji akumulatorów zabronione jest:

— wchodzenie do akumulatorni z otwartym ogniem,

— spożywanie posiłków i napojów w akumulatorni,

— używanie lamp przenośnych z wyłącznikiem,

— zwieranie baterii akumulatorów,

— wyrzucanie elektrolitu przed zneutralizowaniem,

— wyrzucanie akumulatorów do ogólnodostępnych składowisk odpadów.

9) do najważniejszych zaleceń, które powinny być przestrzegane należą:

— utrzymywanie odpowiedniego poziomu i gęstości elektrolitu w naczyniach ogniw akumulatorów,

—  nieprzekraczanie dopuszczalnej temperatury elektrolitów podczas procesu ładowania

    i rozładowywania akumulatorów,

— nieprzekraczanie dopuszczalnych wartości prądu ładowania i rozładowania,

— niepozostawianie akumulatorów w stanie rozładowania,

— utrzymywanie w stanie czystym zewnętrznych połączeń i zacisków,

10) zalecane jest zastosowanie monitoringu baterii z ogniwami VRLA w celu wyeliminowania zbyt

    dużego zróżnicowania się ogniw wewnątrz baterii.

 

Zakres i terminy oględzin i przeglądów

      Oględziny urządzeń prostownikowych i akumulatorowych należy przeprowadzać:

1) w obiektach ze stałą obsługą urządzeń — raz na zmianę w ograniczonym zakresie określonym

    w instrukcji eksploatacji, i w pełnym zakresie — nie rzadziej niż raz w miesiącu,

2) w obiektach bez stałej obsługi urządzeń — nie rzadziej niż raz w miesiącu.

 

      Podczas przeprowadzania oględzin urządzeń prostownikowych należy sprawdzić w szczególności:

1) zgodność układu połączeń z ustalonym programem pracy,

2) stan napisów i oznaczeń informacyjno-ostrzegawczych,

3) stan zespołów prostownikowych, rozdzielni i instalacji,

4) stan urządzeń zabezpieczających, sterowniczych i sygnalizacyjnych,

5) działanie przyrządów kontrolno-pomiarowych,

6) wartości napięcia przy buforowej pracy z baterią akumulatorów,

7) stan łączników,

8) działanie oświetlenia elektrycznego w miejscu zainstalowania urządzeń prostownikowych,

9) stan skuteczności działania urządzeń wentylacyjnych pomieszczeń oraz urządzeń grzewczych

    w miejscu zainstalowania urządzeń prostownikowych,

10) stan pomieszczeń, ogrodzeń i zamknięć przy wejściach do pomieszczeń z urządzeniami

      prostownikowymi,

11) wysokość temperatury występującej w pomieszczeniach i warunki chłodzenia urządzeń,

12) stan ochrony przeciwporażeniowej i zabezpieczeń przeciwpożarowych, 

13) stan i warunki przechowywania oraz przydatności do użytku sprzętu ochronnego

      i przeciwpożarowego,

14) kompletność dokumentacji eksploatacyjnej.

 

      Podczas przeprowadzania oględzin urządzeń akumulatorowych należy sprawdzić w szczególności:

1) zgodność układu połączeń z ustalonym programem pracy,

2) stan napisów i oznaczeń informacyjno-ostrzegawczych,

3) stan ogniw akumulatorowych i połączeń między nimi a rozdzielnią,

4) stan urządzeń zabezpieczających,

5) działanie przyrządów kontrolno-pomiarowych,

6) działanie oświetlenia elektrycznego w miejscu zainstalowania urządzeń akumulatorowych,

7) stan i skuteczność działania urządzeń wentylacji pomieszczeń z urządzeniami akumulatorowymi,

8) stan pomieszczeń i zamknięć przy wejściach do pomieszczeń z urządzeniami akumulatorowymi,

9) wysokość temperatur występujących w pomieszczeniach i warunki chłodzenia urządzeń,

10) stan zbiorników z elektrolitem i wodą destylowaną, jak również pojemników z zapasowymi

      częściami ogniw,

11) stan czystości pomieszczeń z urządzeniami akumulatorowymi,

12) stan wyposażenia w środki do neutralizacji elektrolitu,

13) stan ochrony przeciwporażeniowej i zabezpieczeń przeciwpożarowych,

14) stan i warunki przechowywania oraz przydatności do użytku odzieży ochronnej, sprzętu

     ochronnego i przeciwpożarowego.

 

      Przeglądy urządzeń prostownikowych i akumulatorowych powinny być przeprowadzane nie rzadziej niż raz w roku. Przeglądy urządzeń prostownikowych powinny obejmować w szczególności:

1) oględziny, o których mowa wyżej,

2) pomiary rezystancji izolacji w stosunku do ziemi obwodów głównych oraz obwodów i urządzeń

    pomocniczych,

3) sprawdzenie:

   a) stanu technicznego zespołu prostownikowego, rozdzielni i instalacji,

   b) działania urządzeń zabezpieczających, sterowniczych i sygnalizacyjnych,

   c) działania łączników oraz ich stanu technicznego,

   d) ciągłości i stanu połączeń głównych torów prądowych,

   e) stanu osłon, blokad i innych urządzeń zapewniających bezpieczeństwo pracy,

4) konserwację i naprawy urządzeń.

 

      Przeglądy urządzeń akumulatorowych powinny obejmować w szczególności:

1) oględziny, o których mowa wyżej,

2) pomiary:

   a) napięć ogniw akumulatorowych,

   b) rezystancji łączników wewnątrz baterii akumulatorów,

   c) rezystancji izolacji w stosunku do ziemi baterii akumulatorów,

3) sprawdzenie:

   a) stanu technicznego ogniw akumulatorowych i rozdzielni,

   b) działania urządzeń zabezpieczających,

   c) ciągłości i stanu połączeń głównych torów prądowych,

   d) stanu osłon i innych urządzeń zapewniających bezpieczeństwo pracy,

   e) warunków przechowywania i stanu zapasu elektrolitu, wody destylowanej i części zamiennych,

4) konserwację i naprawę urządzeń.

      Remont urządzeń prostownikowych i akumulatorowych należy przeprowadzać na podstawie instrukcji ruchu i eksploatacji, w terminach odpowiadających terminom remontu odbiorników z nich zasilanych.

Ocena warunków pomiarów urządzeń prostownikowych i akumulatorowych.

      Wyniki pomiarów należy uznać za prawidłowe, jeżeli:

1) rezystancja izolacji urządzeń prostownikowych w stosunku do ziemi jest nie niższa niż 0,5 MW

   dla napięcia do 500 V i 1 MW dla napięcia 500÷1000 V,

2) napięcie ogniwa akumulatorowego zmierzone przy obciążeniu baterii akumulatorów nie różni się

   więcej niż o 0,03 V od wartości średniej napięć ogniw akumulatorowych,

3) rezystancja łącznika wewnątrz baterii akumulatorów jest nie wyższa niż 130% wartości średniej

    rezystancji łączników,

4) pojemność baterii akumulatorów jest nie mniejsza niż 80% jej pojemności znamionowej,

5) rezystancja izolacji baterii akumulatorów w stosunku do ziemi jest nie niższa niż 500 W na 1 V

    napięcia znamionowego baterii akumulatorów i nie niższa niż 10 kW dla całej baterii akumulatorów.