CAP. 19. BATERIA DE ACUMULATOARE.

În capitolul 5 s-au prezentat sistemele de iluminat de siguranţă, pentru care sunt

necesare surse de alimentare de rezervă de siguranţă respectiv, baterii de

acumulatoare, iar în capitolul 8 s-au evidenţiat şi alte tipuri de receptori pentru care

se impune asigurarea alimentării de rezervă de siguranţă, tot cu bateria de

acumulatoare. 19.1. ELEMENTE COMPONENTE.

Bateria de acumulatoare este un ansamblu de elemente acumulatoare,(EA)

conectate în serie şi/sau în paralel pentru a obţine tensiunea nominală şi capacitatea

electrică necesară.

Elementul acumulator este format din:

- electrozi, caracterizaţi fiecare printr-un anumit potenţial electric, iar diferenţa

celor două potenţiale reprezintă tensiunea nominală a elementului acumulator;

- electrolit, lichid sau pastă, care reprezintă calea de curent pentru purtătorii de

sarcină acumulaţi pe electrozi;

- vasul în care se montează electrozii, acoperiţi cu electrolit;

- plăci separatoare, electroizolante, între electrozi.

În funcţie de domeniul în care va fi folosită bateria de acumulatoare având în

vedere, mai ales, considerente economice, rezultă natura elementului chimic din care

se realizează electrozi (Ni, Cd, Pb, Li, etc.) şi în consecinţă natura electrolitului.

Pentru utilizări curente s-a impus elementul acumulator cu plăci de plumb, pentru

care electrozii sunt de plumb şi bioxid de plumb, iar electrolitul este o soluţie

diluată de acid sulfuric a cărei densitate este în jurul a 1.25g/cm3.

Vasul se execută din bachelită, sticlă sau ceramică, în funcţie de condiţiile de

exploatare.

La baza funcţionării unui element acumulator stau fenomene fizico, electro-

chimice complexe, care pot fi sintetizate în ecuaţia chimică:

PbO2+Pb+2H2SO4-----------2PbSO4+2H2O (19.1)

418

19.2. CARACTERISTICILE ELEMENTULUI ACUMULATOR

CU PLĂCI DE PLUMB.

Mărimile cu care se caracterizează un element acumulator (EA) şi dependenţa

acestora de modul de realizare a acestuia sunt:

a) Tensiunea la borne, care în timpul funcţionării are diferite valori:

U=E – E’ –R I (19.2)

unde : E- tensiunea electromotoarte a elementului acumulator, care are valoarea de

2.05V, fiind tensiunea care se măsoară când elementul acumulator [EA] este în gol;

E’ - tensiunea unor acumulări galvanice locale, care se formează în timpul

încărcării EA;

R- rezistenţa electrică internă a EA;

I- curentul de descărcare.

Pentru tensiunea la borne se definesc următoarele valori caracteristice:

V - tensiunea minimă admisă la

sfârşitul descărcării precizată de firma producatoare; când tensiunea pe EA a ajuns la

această valoare acesta este complet descărcat;

V - tensiunea minimă pe EA în timpul conectării

receptorilor cu şocuri; valoarea exactă este precizată de firma producatoare;

V - tensiunea pe EA în regim de încărcare permanentă;

V - tensiunea maximă pe EA la sfârşitul încărcării

ocazionale.

În timpul descărcării tensiunea pe EA scade neliniar şi cu atât mai intens cu cât

durata descărcării este mai mică.

Tensiunea pe un EA este influenţată şi de densitatea electrolitului, pentru acelaşi

nivel de descărcare.

b) Rezistenţa interioară, are valori cuprinse între (0.36-6) 10-3Ω şi depinde de

varianta constructivă, nivelul de încărcare/descărcare al EA, uzură,etc.

c) Capacitatea elementului acumulator, reprezintă cantitatea de electricitate, [Ah],

ce o poate ceda EA la o descărcare completă.

419

S-a definit această mărime şi nu puterea [VA] sau energia electrică

[VAh], în primul rând datorită domeniului larg în care variază tensiunea pe EA în

timpul funcţionării.

Că urmare, capacitatea nominală a EA se defineşte pentru o descărcare

completa în 10h. Cu scăderea duratei de descarcăre, cantitatea de electricitate

respectiv, energia cedată, scade până la aproximativ jumătate dacă această

durata este de 1h. Firma producătoare indică valoarea capacităţii pentru diferite

durate ale descărcării.

Pentru a indica, în simbolul de identificare (L), capacitatea EA se foloseşte o

cifră care rezultă din împărţirea capacităţii nominale cu 36.

Valoarea capacităţii unei EA depinde de modul de realizare a electrozilor

respectiv, de accesibilitatea electrolitului la o cantitate cât mai mare din substanţa

electrodului; din acest motiv un EA are mai multe plăci, pentru fiecare electrod; la

rândul lor plăcile electrozilor se realizează cu nervuri sau sub formă spongioasă.

Diminuarea în timp a capacităţii unui EA este determinată atât de diminuarea

cantitativă a electrozilor, dar şi de reducerea accesibilităţii determinată de depunerile

de PbSO4 pe plăci. Cantitatea de electricitate livrată de un EA în timpul descărcării,

fiind rezultanta unor reacţii chimice, este sensibil influenţată şi de temperatura

mediului.

d) Randamentul nominal, este definit ca raportul dintre capacitatea nominală

şi cantitatea de electricitate absorbită de EA în urma unei încărcări complete:

( 19.3)

La temperatură redusă are loc o reducere a randamentului deoarece EA nu poate

furniza cantitatea de electricitate nominală, datorită diminuării intensităţii reacţiilor

fizico-electro-chimice, însă aceasta rămâne; un fenomen similar are loc şi la scăderea

duratei descărcării.

e) Durata de serviciu, se exprimă prin număr de cicluri de încărcare -descărcare pe

care îl suportă EA. Această este determinată de modul de realizare a electrozilor şi

de regimul de exploatare. La EA cu plăci de Pb, numărul de cicluri pentru plăcile de

420

Pb(-) este cuprins între 1500- 1900, iar pentru cele din PbO2(+) este cuprins între

800-1000.

f) Autodescărcarea, este un fenomen natural şi cu atât mai intens cu cât EA este

mai încărcat. Firma producătoare indică durata autodescărcării. Intensitatea

autodescărcării depinde de calitatea materialului electrozilor, a plăcilor separatoare şi

a calitaţii execuţiei EA. 19.3. METODE DE ÎNCĂRCARE.

Încărcarea unei baterii de acumulatoare este necesară atât la formarea acesteia

cât şi ori de câte ori ajunge în faza finală de descărcare.

Sursa de încărcare , de curent continuu, poate fi:

- un generator electric de curent continuu;

- un regresor comandat, care să permită reglarea tensiunii.

Încărcarea bateriei de acumulatoare este o operaţie complexă care urmăreşte:

- determinarea cât mai exactă a cantităţii de electricitate absorbite, necesară la

evaluarea randamentului (19.3);

- solicitarea în limite admise a BA în sensul menţinerii curentului de încărcare în

limitele recomandate de producător;

- o durata de încărcare cât mai mică;

- intervenţia cât mai redusă a personalului de exploatare.

Pe seama acestor considerente se folosesc următoarele metode de încărcare:

- încărcarea la curent constant;

- încărcarea la curent constant în trepte;

- încărcarea la tensiune constantă.

19.3.1. Încărcarea la curent constant.

Încărcarea la o valoare constantă a curentului are avantajul evaluării exacte a

lui Qabs şi a unei durate relativ mici a încărcării , însă are şi o serie de dezavantaje.

Din expresia curentului de încărcare:

(19.4)

421

rezultă necesitatea modificării permanente a tensiunii de încărcare, U inc, pentru a

compensa creşterea lui E şi scăderea rezistenţei de încărcare datorită

scăderii rezistenţei interne a bateriei de acumulatoare. Aceasta presupune fie,

încărcarea cu o instalaţie de încărcare prevazută cu un sistem automat de menţinere a

Iinc constant, fie intervenţia permanentă a personalului de exploatare.

Valoarea maximă a curentului de încărcare în faza iniţiala de încărcare,

suprasolicită BA şi reduce randamentul acesteia, deoarece o parte din energia

absorbită se consumă în procese secundare. Tensiunea de încărcare, pe un element

acumulator al BA, ajunge la valoarea maximă mentionată anterior, respectiv

(2.6-2.8)V.

19.3.2. Încărcarea la curent constant în trepte.

Prin reducerea în trepte a valorii curentului de încărcare se diminuează unul din

dezavantajele de la paragraful anterior, dar devine şi mai complexă operaţia de

încărcare, prin modificarea valorii prescrise a sistemului automat de încărcare, iar în

cazul încărcării manuale intervenţia personalului este şi mai complexă,iardurata

încărcării creşte faţă de durata încărcării la curent constant.

19.3.3. Încărcarea la tensiune constantă.

Încărcarea la tensiune constantă pe element are avantajul simplităţii instalaţiei de

încărcare şi a intervenţiei reduse din partea personalului de exploatare, dar are şi

următoarele dezavantaje:

- nu se poate evalua cantitatea de electricitate absorbită;

- în faza iniţială de încărcare tensiunea pe EA este relativ mare şi curentul de

încărcare este de asemenea mai mare;

- durata încărcării este mult mai mare decât în cazul celorlalte metode, putând

ajunge până la 20h. 19.4. REGIMURILE DE FUNCŢIONARE ALE BATERIEI DE

ACUMULATOARE.

Bateria de acumulatoare este singura sursă de energie electrică care furnizează o

energie acumulată fiind, că urmare, sursa cea mai sigură, în limita cantităţii de

422

electricitate de care dispune. Din acest motiv, aşa cum s-a arătat în cap.5 şi cap.8 ,

receptorii care nu admit ţntreruperi în alimentare sau admit durate limitate, se prevăd

cu sursă de rezervă neîntreruptibilă (de siguranţă), respectiv bateria de acumulatoare.

Receptorii pentru care se prevede că sursă şi o baterie de acumulatoare au

anumite caracteristici:

- pot fi alimentaţi atât la tensiune continuă cât şi la alternativă;

- admit variaţii ale tensiunii între anumite limite;

- sunt o sarcină permanentă sau ,deşi sunt alimentaţi numai de la BA, sunt o

sarcină temporară; eventual cu caracter de soc;

- sunt o sarcină permanentă , dar numai în regimul de avarie al sursei de bază.

Pe seama acestor caracteristici se impune o anumită corelare între cei 3 factori:

- bateria de acumulatoare (BA);

- sursă de încărcare (SI);

- receptori.

care determină un anumit regim de funcţionare pentru BA.

În practică o BA se poate afla în unul din următoarele regimuri de funcţionare:

- încărcare / descărcare (ocazional);

- încărcare permanentă;

- tampon.

19.4.1. Regimul de funcţionare ocazional

În fig. 19.1 se prezintă schema electrică a unei BA aflată în regim de încărcare-

descărcare(ocazional).

În regim normal BA este conectată la barele de curent continuu BC (K1-normal

inchis), asigurând alimentarea receptorilor.

Scăderea tensiunii, datorită descărcării EA, se compenseaza prin introducerea

de EA suplimentare cu comutatorul P1. În momentul în care s-a introdus ultimul EA,

din cele (ns) suplimentare, BA se consideră complet descărcată şi ca urmare, se

trece pe sursă de încărcare SI, prin trecerea lui k2 de pe poziţia de regim normal (0),

pe pozitia 1.

423

Prin intermediul comutatorului P2 se modifică numărul EA aflate în regim de

încărcare, prin deplasare spre stânga, compensand faptul că EA suplimentare nu sunt

complet descărcate ; când BA ajunge în stadiul final de încărcare se deconectează SI.

Acest regim de funcţionare are avantajul alimentării receptorilor de la BA care este

o sursă cu tensiunea perfect continuă.

Acest avantaj este însoţit însă de urmatoarele dezavantaje:

- sursa de încărcare trebuie să permită modificarea tensiunii în limite largi;

- bateria are un număr suplimentar de elemente care sunt folosite mai puţin;

- la reâncărcarea completă este necesară o sursă suplimentară de încărcare

deoarece sursa normala nu suporta simultan curentul de sarcină al receptorilor

şi pe cel al unei reâncărcări totale;

- exista riscul ca o eventuală avarie a sursei de bază să se producă când BA se

afla la limita regimului de descărcare şi ca urmare rezerva de energie să fie

practic nulă;

- exploatarea dificilă, datorită acţionarii permanente a comutatoarelor P1 şi

P2.Error: Reference source not found

19.4.2. Regimul de încărcare permanentă.

În cazul în care receptorii pot fi alimentaţi în regim normal de la SI, atunci BA

este deconectată de la BC, fig. 19.2.

424

SI

K2 K1

BA P1

BC

Fig. 19.1.

Receptori

Pentru a compensa fenomenul de autodescărcare, BA este conectată, pe o cale

separată şi unidirectională, prevazută şi cu un comutator voltmetric(CV), şi pe sursa

de încărcare.

La căderea sursei de bază se închide K1 şi se asigură alimentarea receptorilor.

Acest regim de funcţionare al BA elimină dezavantajele regimului anterior, dar se

aplică numai în cazul receptorilor care admit o întrerupere limitată a alimentării.

19.4.3. Regimul de funcţionare tampon.

În cazul receptorilor care nu admit întreruperi în alimentare se funcţionează cu

K1, fig. 19.2, normal închis, obţinându-se regimul de funcţionare tampon. Pe seama

caracteristicilor U(I), fig. 19.3, ale BA şi SI, receptorii pot fi alimentaţi de la BI,

când SI nu este în funcţiune, sau când curentul solicitat de aceştia creşte peste Icr.

Când SI este în funcţie şi curentul de sarcină este mai mic decât Icr ,BA se

află în regim de încărcare permanenentă pe o cale separată şi unidirectională,

prevazută şi cu comutator voltmetric CV, fig. 19.2.

19.5. DIMENSIONAREA BATERIEI DE ACUMULATOARE.

Dimensionarea bateriei de acumulatoare se face în funcţie de regimul ei de

funcţionare şi constă în determinarea numărului de elemente conectate în serie şi

eventual în paralel şi a numărului de tip N.

425

BA

CV

SI

K1 K2

Uc

Fig.20.2

Receptori

Fig.19.2.

19.5.1. Determinarea numărului de elemente acumulatoare

conectate în serie.

Numărul de EA a unei BA depinde de tensiunea nominală a receptorilor

alimentaţi, de tensiunea pe un EA, de căderile de tensiune pe căile de curent şi cele

admise de receptori.

Ţinând cont de pierderile de tensiune pe căile de curent, dintre BA şi receptori, se

impune:

(19.5)

unde: ΔUmin% este căderea de tensiune minimă, în procente, în regim normal şi

sarcină minimă.

Tensiunea UB, astfel determinată , trebuie s asigure tensiunea minimă la receptori,

Umin, în regim de sarcină maximă:

(19.6)

unde: ΔUmax- căderea de tensiune pe căile de curent la sarcină maximă ;

Umin- cea mai mică dintre tensiunile minime admise de receptori.

Dacă BA are un număr fix de elemente atunci numărul de EA al BA este:

n= (19.7)

426

U0SI

U0BA

BA

SI

I Icr

Fig.20.3 Fig.19.3.

unde: UB- este tensiunea care satisface ( 19.5) şi ( 19.6);

Uip- tensiunea pe EA în regim de încărcare permanentă.

În cazul BA ce funcţionează în regim ocazional nnumărul suplimentar de EA este

determinat de tensiunea minimă Udmin şi de tensiunea maximă a sursei de încărcare

Usmax:

(n+ns)Udmin=UB ( 19.8)

(n+nsUimax=USmax 19.9)

19.5.2. Determinarea numărului de tip –N-

Capacitatea minimă necesară a unei BA se determină din condiţia:

(19.10)

unde: Ia- este curentul de avarie de durată;

ta- durata normală a avariei care poate fi:

o 3 ore- în cazul în care sursă de bază nu este prevazută cu rezervă ;

o 1 oră- în cazul în care sursa de bază are cale suplimentară ;

o ¼ oră – când există grup electrogen cu pornire imediată.

Numărul de tip N rezultă din:

N (19.11)

unde: 1.1- coeficient de siguranţă ce ţine seama de uzura BA;

θmin- temperatura minimă a mediului în camera BA;

Q1 - capacitatea EA în regim de descărcare de o oră la θ=

19.5.3. Verificarea numărului de tip.

O primă verificare se efectuează din punct de vedere al EA şi verifică dacă în

regim de şoc curentul de descărcare satisface condiţia:

( 19.12)

unde: Iasoc- curent de sarcină cu caracter de şoc;

427

Dacă această condiţie nu este îndeplinită se măreşte numărul de tip la valoarea

N1, care îndeplineşte condiţia ( 19.12).

Urmează verificarea tensiunii pe EA la sfârşitul perioadei de avarie. În acest scop

se folosesc nomogramele din fig. 19.4. cu care se determină tensiunea pe EA la

sfârşitul avariei (ta) în funcţie de raportul Ia/N1 şi ta. Tensiunea pe element la sfârşitul

avariei nu trebuie să scadă sub Udmin, care trebuie să satisfacă cerinţa:

( 19.13)

unde: Umin – este cea mai mare dintre tensiunile minime admise de receptori, în

regim de avarie.

Dacă această condiţie nu este îndeplinită se alege un EA cu o capacitate mai

mare, respectiv un număr de tip N2>N1>N.

Ultima verificare constă în determinarea tensiunii pe un EA în regim de şoc

Udşoc, utilizând nomogramele din fig. 19.5, în care pe abscisă se stabileşte valoarea

raportului (Ia+Isoc)/N2, iar pe ordonată se poate citi:

- Udşoc- la sfârşitul avariei pe curba descărcării în timp de o oră, sau pentru

valorile raportului Ia/N; această tensiune nu trebuie să scadă sub limita admisă

de EA;

- Uşoc- tensiunea pe EA, în regim normal de încărcare, având ca parametru

tensiunea pe element în regim de încărcare. Această tensiune nu trebuie să

scadă sub limita admisă de receptori în regim de şoc Umin.

Elementul acumulator este dimensionat corect dacă cele două tensiuni nu scad

sub limitele admise, în caz contrar se alege un EA cu N3>N2>N1>N. Dacă N3 este

prea mare, sau nu există un asemenea EA, atunci se conectează mai multe EA în

paralel. Ca urmare, numărul de tip necesar al unui EA se reduce de 2,3 sau np ori,

corespunzator numărului np de EA conectate în paralel.

Evident, numărul total de EA al unei BA va fi:

nt=n*np ( 19.14)

428

sau nt=(n+ns)np ( 19.15)

19.6. Formarea şi întreţinerea bateriei de acumulatoare.Încărcarea de formare (punere în funcţiune) a BA are o importanţă deosebită

asupra acesteia determinând, pe de o parte, asigurarea capacităţii nominale cât şi

garantarea celorlalte caracteristici ale acesteia (de ex. durata de serviciu). Încărcarea

de formare se face la curent constant, care poate fi curentul maxim de încărcare

indicat de producător, sau unul mai mic, dar nu mai mic de 40%din cel maxim şi

începe după cel puţin (4-6) ore de la turnarea electrolitului în EA.

429

Fig. 19.4

Fig. 19.5

Încărcarea de formare este în trepte şi cu pauze astfel :

-se încarcă 14 ore şi se face o pauză de o oră, apoi 6 ore, 3 ore, 2 ore, 1 oră şi

încă o oră, cu pauză de o oră între fiecare. Încărcarea trebuie să asigure un

Qabs =(8-10)Qn.

La unele BA, formarea poate să comporte un număr mai mare de încărcări –

descărcări, până i se asigură Qn .

În timpul exploatării BA trebuie desfăşurată o activitate corectă de întreţinere.

Descărcarea intensă a unei BA (1-3 ore) trebuie oprită când tensiunea pe un

EA a ajuns la 1,8 V, iar dacă durata descărcării este de 1 oră, tensiunea pe element nu

trebuie să scadă sub 1,75 V.

Densitatea electrodului în regim de descărcare nu trebuie să scadă sub 1,12 g/cm3.

Reâncărcarea se recomandă să înceapă după minim 20 minute şi maxim 2 ore

de la oprirea descărcării.

Metoda optimă de reâncărcare este la curent constant la 1/3 din valoarea

curentului maxim recomandat de încărcare. Deoarece cu acest curent durează mult

reâncărcarea, se recomandă următoarea procedură : se începe încărcarea cu valoarea

maximă a curentului de încărcare până când tensiunea pe un EA ajunge la 2,4 V,apoi

se reduce curentul la 1/3 şi se continuă încărcarea la curent constant până când

tensiunea de încărcarea pe EA ajunge la (2,5- 2,6) V, după care se reduce curentul la

1/10.

În timpul încărcării temperatura electrolitului nu trebuie să depăşească 40 0C,

în caz contrar se opreşte încărcarea până când temperatura scade la 300C.

430

Sfârşitul încărcării se apreciază prin :

- valoarea lui Qabs≥Qn/η ;

- degajare intensă de gaze ;

- curentul de încărcare pentru Ui max nu mai scade timp de 2 ore;

- stabilizarea densităţii la (1,2 ÷1,25) g/cm3 timp de 2 ore.

În timpul funcţionării toate EA ale BA trebuie să aibă practic aceeaşi densitate

a electrolitului şi aceeaşi temperatură.

Pentru BA care funcţionează în regim tampon sau de încărcare permanentă,

lunar se efectuează o descărcare-reâncărcare de egalizare. Pentru BA ce funcţionează

în regim ocazional, la două-trei luni, se efectuează descărcarea-reâncărcarea de

egalizare.

Nivelul electrolitului în cuvă trebuie să depăşească cu (1,5-2) cm nivelul

plăcilor separatoare, iar completarea electrolitului se face numai cu apă distilată.

Dacă o baterie formată nu este exploatată se produce sulfatarea plăcilor

(apreciată prin creşterea tensiunii şi a temperaturii la încărcare), iar încărcarea ei

exagerată degradează materia activă.

19.7. Instalaţii de încărcare a bateriilor de acumulatoare.O instalaţie de încărcare a BA este formată din :

- celule redresoare;

- transformator;

- autotransformator;

- aparate electrice de comandă, reglaj, măsură, protecţie şi automatizare.

Instalaţia de încărcare trebuie să aibă posibilitatea reglării tensiunii la borne în

limitele –15% şi +10 % în raport cu tensiunea nominală a BA. Reglajul tensiunii se

face cu ajutorul prizelor de reglaj, brut sau fin, ale transformatorului sau şi cu sisteme

automate de reglaj (redresoare comandate).

În fig. 19.6. se prezintă două scheme electrice pentru instalaţii electrice de

redresare.

19.8. Montarea bateriei de acumulatoare.

431

Aşa cum s-a arătat în cap.16, bateriile de acumulatoare se amplasează în spaţii

special amenajate, deoarece mediu prezintă pericol de explozie.

Pe lângă restricţiile prezentate în paragraful 16.3.2, referitoare la instalaţiile

electrice, la montarea unei BA se mai are în vedere :

- materialele şi aparatele folosite nu trebuie să fie sensibile la coroziune;

pereţii şi plafonul încăperii în care se instalează BA uşile, ferestrele, părţile

metalice şi toate elementele supuse coroziunii se vopsesc cu vopsea antiacidă;

a)Ac- aparat de conectare;Tr- transformator monofazat;Rd- redresor;K1- comutator

de reglaj ; S1,S2-sigurante fuzibile ; Sa-= siguranta automata;L lampa de semnalizare.Ac- aparat de conectare;Tr- transformator monofazat;Rd- redresor;K- comutator de

reglaj;S1,S2-sigurante fuzibile;A-ampermetru;V-voltmetru;L- lampa de semnalizare

b)

432

Fig. 19.6.

- barele colectoare după ce se vopsesc se acoperă cu vaselină ;

- geamurile sunt mate sau acoperite cu vopsea albă;

- radiatoarele instalaţiei de încălzire sunt complet sudate, iar flanşele, mufele

şi organele de închidere şi reglare sunt în afara încăperii.

Bateria se instalează pe postamente speciale, simplu (P1), sau dublu parter (P2) cu

asigurarea anumitor distanţe faţă de pereţii laterali şi între rândurile de elemente (D).

Înălţimea încăperii este de minim 2,10 m dacă EA se montează pe un singur

nivel şi minim 2,40 m dacă se montează cu etaj.

Elementele acumulatoare se aşează pe postamente prin intermediul

izolatoarelor de porţelan şi a rondelelor de PVC.

Trecerea căilor de curent prin pereţi se face prin intermediul unei plăci de

trecere, izolantă, fixată pe zid şi etanşă.

Legăturile între EA se execută cu şine de plumb sudate.

433