UNIVERSITATATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICA SI STIINTA CALCULATOARELOR

Specializarea:Informatica aplicata in inginerie electricaAnul IV

- PROIECT -

Student: Rotaru Dragos

Indrumator ştiinţific: Prof.univ.dr.ing. BIDIAN D.S.

1

2011 Tema de proiectare:

Se cere să se proiecteze un alimentator pentru încărcarea acumulatorilor auto care să aibă următoarele date tehnice:

- tensiunea de alimentare: - capacitatea bateriei:

- curentul maxim de alimentare:

Alimentatorul va fi prevăzut cu un transformator, un redresor şi o schemă de comandă pentru încărcarea automată a acumulatorului. Dispozitivul semiconductor va fi montat pe radiator. Se vor prevedea aparate de măsură pentru tensiune şi current. Se va evalua costul echipamentului proiectat.

Proiectul va cuprinde calculul transformatorului de reţea, alegerea redresorului utilizat şi schema electrică a regulatorului electronic cu care este prevăzut acest încărcător. În partea introductivă se va tratat chestiuni teoretice referitoare la acumulatori electrici auto, utilizarea lor, modul de utilizare şi de încărcărea acestora.

În final se vor prezenta şi câteva instrucţiuni de protecţie şi de punere în funcţiune a echipamentului proiectat.

2

CUPRINS

Introducere1. Acumulatoare electrice cu plumb. 1.1. Principiul de funcţionare; 1.2. Construcţia specifică; 1.3. Parametri de bază. 1.3.1. Tensiunea electromotoare; 1.3.2. Tensiunea de la borne; 1.3.3. Capacitatea de debitare; 1.3.4. Rezistenţa termică; 1.3.5. Energia acumulatorului; 1.3.6. Randamentul; 1.3.7. Autodescărcarea acumulatorului; 1.3.8. Durata de serviciu.2. Studiul transformatorului de reţea. 2.1. Disipaţia termică; 2.2. Rezistenţa termică; 2.3. Propagarea căldurii; 2.4. Capacitatea calorică; 2.5. Variaţia puterii maxime de disipaţie; 2.6. Temperatura ambiantă maximă; 2.7. Determinarea regimului termic;3. Proiectarea transformatorului de reţea. 3.1. Calculul transformatorului.4. Studiul redresoarelor pentru incărcarea acumulatoarelor. 4.1. Redresoare destinate încărcării bateriilor de acumulatoare; 4.1.1. Structura şi clasificarea redresoarelor; 4.2. Redresoare pentru încărcarea acumulatoarelor; 4.3. Redresoare cu încărcare automată.5. Proiectarea circuitului redresor. 5.1.Calculul redresorului cu datele de proiectare.6. Instrucţiuni de protecţie şi punere in funcţiune.

INTRODUCERE

3

Energia şi în special energia electrică reprezintă în zilele noastre vectorul cel mai semnificativ al procesului în toate domeniile de activitate. Dacă sursele chimice de curent şi respectiv acumulatoarele electrice nu au o pondere mare în totalul consumului de energie, electrodul participă însă efectiv la punerea în valoare a celor mai noi realizări ale tehnicii moderne. Transportul terestru, naval sau aerian, până la cele mai sofisticate rachete cosmice, este dependentă de aceste surse de energie cu autonomie totală sau parţială, telecomunicaţiile, cu sau fară fir, circuitele de comandă din automatizări, aparatura portabilă (instrumentele de masură, radioreceptoarele, calculatoarele, casetofoanele, minitelevizoarele, etc) solicită surse de curent din ce în ce mai fiabile şi la costuri tot mai reduse. În prezent se observă că dezvoltarea industrială avansează în toate domeniile activităţii umane. Ea se realizează în special prin automatizare, robotizare, cibernetizare si mecanizare. În electrotehnică 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 problemă actuală cu implicaţii majore în domeniul automatizări. El a devenit posibil abia după apariţia elementelor semiconductoare de putere întrucât acestea au permis controlul puterii prin comutaţia periodică a circuitelor electrice. Prin comutaţia periodică, controlul puterii se realizează cu un randament ridicat deoarece pierderile sunt foarte mici faţă de cazul în care controlul puterii s-ar realiza cu precădere prin elemente disipative (rezistenţe). Problema controlului puterii este esenţială pentru marile sisteme energetice. Până la apariţia semiconductoarelor de putere, controlul puterii se realiza de regulă cu ajutorul reostatelor electrice. Controlul puterii prin intermediul reostatelor electrice are loc la un randament scăzut, cauza pierderilor mari de energie. După 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 la receptoare se face cu ajutorul variatoarelor de curent continuu sau choppere. Aceştia permit conversia parametrilor energetici în concordanţă cu cerinţele consumatorilor, conversie care se realizează cu un randament ridicat si un conţinut de armonici superioare cât mai scazut. Variatoarele de curent continuu permit controlul puterii electrice a sursei de alimentare şi a încălzirii, procese electrochimice, alimentări reglabile în curent continuu, sudură electrică, acţionări cu motoare electrice de curent continuu, etc. Sursele primare clasice care, istoric privite, sunt cele mai vechi, au fost supuse unui proces de întindere si diversificare ca să poată face faţă miniaturizărilor impuse de electronică. 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 domeniile de utilizare. Sursele chimice secundare, acumulatoarele electrice, au devenit obiectul unor laborioase cercetări, urmându-se alături de miniaturizarea şi etanşarea acestora, creşterea numărului de cicluri functionale. Costurile specifice sunt cu atât mai reduse cu cât numărul de cicluri de funcţionare este mai ridicat. Miniaturizarea acumulatoarelor electrice, realizarea lor în construcţie etanşă şi diversificarea lor în raport cu exigenţele tehnicii au constituit direcţii noi de cercetare. S-au înregistrat realizări 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 mondială atât din punct de vedere al volumului de fabricaţie (peste 90%), al costurilor specifice, al rezervei de materii prime si posibilităţii de reciclare a acestora, al extensiei domeniului de utilizare

4

cât şi al duratei de funcţionare într-o gamă largă de solicitări. Încărcarea acumulatoarelor se face din reţeaua de curent alternativ, prin intermediul redresoarelor, în cazul în care funcţionează în tampon cu reţeaua de curent alternativ precum şi în cazul în care acumulatoarele sunt destinate alimentării sistemelor elecrice, îndeplinite de reţeaua de curent alternativ. Structura redresoarelor pentru încărcarea acumulatoarelor electrice este dependentă de natura şi de parametrii acumulatoarelor, de procedeul de încărcare şi de gradul de automatizare pentru încărcarea acumulatoarelor elecrice de capacitate mică se utilizează de obicei redresoare monofazate necomandate. Pentru încărcarea acumulatoarelor de mare capacitate, cum sunt de pildă cele din centralele şi staţiile electrice se utilizeaza redresoare trifazate punte comandate sau semicomandate, redresoare care fac obiectul proiectului de faţă.

1. Acumulatoare electrice cu plumbTeoria proceselor de electrod.

Acumulatoarele electrice sunt pile reversibile formate dintr-un grup de electrozi de specia intâi şi dintr-un alt grup de electrozi de specia a doua.

Acumulatorul electric constitue o soluţie practică şi eficientă pentru stocarea energiei electrice. Energia electrică într-un proces ştiinţific 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 continue.

Cel mai vechi şi cel mai răspândit acumulator electric este acumulatorul cu electrolit acid şi electrozi de plumb. Acumulatorul cu plumb prezintă caracteristici superioare altor acumulatoare T.e.m. are valori mai ridicate (E=2,035 V) iar tensiunea de la borne în timpul descărcării este constantă, pentru diferite valori ale intensitaţii 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.

1.1 Principiul de functionare

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

Lanţul electrochimic se poate scrie sub forma:

(+)PbO2│(Ccq)H2SO4 │Pb(-)

5

La electrodul negativ procesele chimice sunt descrise prin reacţia:

Pb↓+SO42-↔PbSO4↓+2e-

iar la electrodul pozitiv prin reacţia:

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, tensiunea la borne poate creşte. La o încărcare completă tensiunea 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 atmosferă 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+2H2O

Este 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 într-un sens sau altul prin membrana separatoare dintre electozi. Membrana separatoare are rolul de a izola electrozii (să împiedice scurtcircuitele), dar trebuie să fie suficient de poroasă pentru ca ionii

6

să o poată străbate cu uşurinţă. Însă porii acestor membrane se impun să fie atât de mici încât să nu poate fi străbătuţi de masa activă a electrozilor sau de particule 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 funcţiune a întregului acumulator .

1.2 Construcţia specificăa) . Elementul acumulator.

Unitatea de bază a unui acumulator este celula sau elementul. El se compune, în principiu din două plăci de 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, constituie 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 rezistenţă 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 grd C. Acest vas-cuvă, în construcţiile curente este din: ebonită, polipropilenă-copolimer, ABS, polistiren, PVC-plastifiat. În fabricaţile 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 acelaşi 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 capacul de 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 de profil adecvat sau prin termosudură. 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.

7

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

2H2O+O2=2H2O

iar apa rezultată se întoarce în element restabilind nivelul.

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 compartimentată. Fiecare compartiment reprezintă un element . Fiecare element are acelaşi 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.

1.3 Parametrii de baza1.3.1. Tensiunea electromotoare

Unitatea de măsură este voltul, iar tensiunea unui element acid cu plumb este dată de diferenţa dintre potenţialul grupului de plăci pozitive şi cea a grupului de plăci negative. Dacă se ţine seama de activităţile componenţilor care participă la procesul curentului electric, rezultă relaţia generală:

E=E0-

E = valoarea standard a t.e.m. pentru ai=1;

z este valenţa,

αi este coeficientul a cărui valoare pentru produsele iniţiale este αi= -1,

iar pentru produsele finale αi=1;

βi sunt coeficienţi stoechimici din ecuaţia F=96500 C,

T este temperatura exprimată în scara Kelvin,

iar R constanta gazelor perfecte.

Pentru acumulatorul cu plumb relaţia 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-

8

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

E+=1,2+0,8d

E-=0,36-0,2d

de unde:

U=0,84+d

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

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

Valorile caracteristice 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 electrolitul cu 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 (Uf). Tensiunea finală variază între 1,0-1,8v/element, în funcţie de mărimea curentului de descărcare.

Figura 5: Curbele de variaţie a tensiunii cu regimul de descărcare.

Tensiunea de încărcare- nu este o tensiune specifică 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. 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%. 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).

9

Figura 6: Curbele de variaţie a tensiunii de încărcare:

a- în regim de 3h

b- în regim de 10h

1.3.2. Tensiunea de la borne

Tensiunea de la bornele acumulatorului depinde de mai mulţi factori impotanţi şi variază cu timpul, crescător la încărcarea şi descrescător la descărcarea acumulatorului.

Tensiunea de încărcare Ui se poate exprima prin relaţia:

Ui=E+Ep+rciIi

iar tensiunea de descărcare Ud prin relaţia :

Ud=E+Ep-rcId.

unde Ii si Id sunt intensităţile curentului de încărcare si respectiv de descărcare, iar rci si rd rezistenţele interioare produse de polarizaţia de concentraţie.

Valoarea medie a tensiunii de la borne se poate determina prin relaţia :

U = sau U =

Tensiunea de la borne în timpul descărcării variază după funcţia U=U(t).Variaţia tensiunii de lucru poate fi exprimată prin caracterstica tensiune-curent U = U(I). Mărimea rezistenţei interioare poate fi calculată conform relaţiei:

r=

1.3.3. Capacitatea de debitare.

10

Capacitatea de debitare caracterizează acumulatorul din punct de vedere al cantităţii de electricitate pe care o poate acumula şi debita apoi la descărcare. Funcţionând reversibil, acumulatoarele electrice se caracterizează prin capacitatea de încărcare:

Ci= Ii(t)dt

şi prin capacitatea de debitare a curentului electric: 

C= I(t)dt

unde Ii şi I sunt intensităţile curenţilor de încărcare şi respectiv de descărcare.

Capacitatea de debitare depinde de factorii care determină funcţionarea acumulatorului, în special de suprafaţa activă a electrozilor si de densitatea curentului de descărcare.

La descărcarea acumulatorului prin curenţi de intensitaţi mici, procesul de difuzie se poate desfasura intens şi cu usurinţă pană în profunzimea elecrozilor de plumb, fapt care asigură un schimb de substanţe aproape completă între electrolit si plăcile de plumb prelungind durata de descărcare. Aceasta are ca efect creşterea capacităţii de debitare a acumulatorului. Descărcarea cu intensităţi mari de curent electric duce la creşterea polarizării electrozilor, ceea ce limitează procesul de difuzie şi duce la transformarea parţială a masei active. Din această cauză apare o sulfatare accentuată a suprafaţei electrozilor şi drept urmare o descreştere rapidă a tensiunii la borne. In consecinţă, capacitatea de debitare a acumulatorului se micşorează.

Capacitatea nominală - se măsoară în amper-oră (Ah) şi reprezintă cantitatea de electricitate pe care o poate debita un element complet încărcat în regim de 20 h până la tensiunea limită de 1,75v, la temperatura de 25 grade C. Capacitatea nominală scade cu temperatura conform figurii 7 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]

Figura 7: 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-oră şi reprezintă o fracţiune din capacitatea nominală:

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

11

Figura 8: Curba de variaţie a capacităţii cu regimul de descărcare.

În diagrama din figura 8 este ilustrată variaţia capacităţii disponibile în funcţie de 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 conectarea elementelor în serie, capacitatea bateriei are valoarea capacităţii modulului complet. La conectarea în paralel, capacitatea se amplifică cu numărul elementelor legate în paralel.

1.3.4. Rezistenta termică

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: numărul de 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.

12

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.

1.3.5. 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:

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 dintre electrozi, 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:

13

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 mod capacitatea depinde într-o măsură mai mică de intensitatea de descărcare.

1.3.6. Randamentul

Randamentul reprezintă gradul de utilizare a cantităţii de electricitate acumulate (încarcate). 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 capacitatea debitată şi capacitatea încărcată:

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 pierderilor energetice pe rezistenţa 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 influentează puternic tensiunea de la borne.

1.3.7. Autodescărcarea acumulatorului.

Din punct de vedere economic este foarte important ca un acumulator să-şi poată 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.

14

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 capacitatea măsurată după N zile de nefolosiinţă.

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

Temperatura [C] Acumulator clasic Acumulator fără întreţinere

10 35 6

20 50 9

30 80 14

40 100 25

Tabelul1: Autodescărcarea, la diferite temperaturi, după trei luni de

depozitare în stare complet încărcată.

1.3.8. Durata de serviciu

Durata de serviciu sau durata de funcţionare sau durata de viaţă a acumulatorului cu plumb se caracterizează prin numărul de cicluri incărcare-descărcare, pană când capacitatea se reduce la o anumită valoare limită. 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 limită minimă la acumulatoarele pentru pornire este de 70% din capacitatea nominală. 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 accidentate (autobasculante sau autocamioane de şantier, tractoare). Acumulatoarele cu care se echipează acestea din urmă, fiind mai solicitate, durează mai puţin. Cauzele micşorării duratei de serviciu a acumulatoarelor sunt atribuite proceselor de coroziune a grătarelor, deformarea acestora în timpul funcţionării, sulfatării ireversibile a electrozilor de plumb, precum şi scăderea masei active a electrodului pozitiv.

Durata de serviciu a acumulatoarelor depinde şi de temperatura mediului ambiant la care are loc exploatarea lor. S-a constatat că durata de serviciu a acumulatoarelor de pe autovehicule este

15

mai mare in cazul funcţionării la temperaturi cuprinse între 35 si 50ºC în timp ce la temperaturi cuprinse intre 19 si 32º C acestă durată se reduce mult.

Masa activă a electrodului îşi pierde foarte rapid capacitatea, în special la descărcări prin curenţi de intensităţi mari datorită pasivizării electrodului şi contracţiei plumbului spogios.

2. Studiul transformatorului de reţea .

Date iniţiale.

Datele de plecare la calculul transformatorului de reţea pentru un alimentator sunt în general următoarele:

-tensiunea efectivă din primar: E, de obicei 230V,

-cresterea procentuală posibilă a tensiunii reţelei: 100ΔE1/E1 (de obicei 5…10%),

-tensiunea efectivă în fiecare înfăşurare secundară (dacă sunt mai multe ): E2i (I-1,2,…) in V.

-curentul efectiv maxim în fiecare înfăşurare secundară: I2i in A (la tensiunea E2imax),

-rezistenţa totală a transformatorului: r2i pentru fiecare înfăşurare secundară.

a) Se determină puterea aparentă maximă necesară în fiecare circuit secundar (incluzând şi pierderile în înfăşurări prin folosirea tensiunii efective în gol):

P2i= E2iI2i (I=1,2,….) [VA]

şi puterea aparentă totală din secundar:

P1= P2i

Pentru un redresor bialternanţă cu punct de nul puterea P2i se adună de două ori.

b) Se determină curentul efectiv total din primarul transformatorului:

I1=(1,4;….1,8) I1i[A]

unde I1i reprezintă curentul primar consumat datorită înfaşurării secundare de ordinul I, iar factorul din faţa sumei include creşterea datorată curentului de magnetizare al transformatorului şi pierderile de putere în miezul feromagnetic, creştere valabilă pentru cazul utilizării unei inducţii B=0,8…1,2T (valoarea mai mare pentru B=1,2T).

16

Deşi folosirea unei inducţii B mai mare este indicată în literatura de specialitate pentru transformatoare de putere redusă (în scopul reducerii cantităţii de conductor de bobinaj utilizat), se observă din relaţia de mai sus un efect negativ al inducţiei mari.

Pentru înfaşurări secundare ce furnizează curentul alternativ unor sarcini rezistive sau unui redresor în punte, calculul curentului I1i se face cu ajutorul raportului de transformare al transformatorului pentru acea infăşurare :

I1i =

unde :

ni =

Pentru înfăşurări secundare se alimentează alte tipuri de redresoare, curentul din primar se calculează cu una din relaţiile:

- pentru redresor monoalternanţă

I1i =

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

I1i =

c) Se calculează puterea aparentă maximă din secundarul transformatorului:

P1 =

d) Se calculează puterea medie a transformatorului:

P=

e) Se determină secţiunea miezului (coloanei pe care se află plasate bobinajele) conform:

SFe=(1,4…1,9) [cm2]

unde valorile mai reduse ale coeficientului se adaptează pentru puterea P mai mici (de ordinul câţiva waţi ).

f) Se determină dimensiunea modulară pentru tole de tip E + I cu relaţia:

a=(3,7…4,4) [mm]

SFe se masoară in [cm2] asigurându-se astfel un raport optim între laturile secţiunii miezului (un cost mai redus al transformatorului).

Dimensiunea d trebuie normalizată.

17

g) Se determină lăţimea pachetului de tole :

b [min]

considerându-se factorul de umplere a miezului apropiat de 1.

In cazul unui produs de serie merită să se solicite datele carcaselor de plastic injectate la intreprinderi de profil spre a se găsi eventual o carcasă potrivită pentru transformatorul ce se proiectează.

h) Se determină numarul de “spire pe volt” (necesar pentru a se obţine o tensiune de 1v la o anumită inducţie maximă B)

Nv = (cu Bin [T]si SFe in [cm2]) ,

unde B este maxima admisă (subvaloarea de saturaţie a tolelor folosite). In mod obişnuit B=0,8….!,2 T, recomandându-se valoarea superioară pentru puteri mai mici şi tole subţiri

(0,35 mm). Totuşi trebuie ţinut cont că o inducţie de valoarea mare conduce la o creştere importantă a curentului de magnetizare şi deci a curentului total din primar.

i) Se determină numarul de spire al infăşurărilor din primar şi din secundar:

N1=NVE1

N2i =NvE2i

In relaţia de mai sus nu s-a mai inclus un factor de 1,05…1,1 cum apare în îndrumătoarele de calcul, deoarece se utilizeză tensiunile in gol ale secundarului (nu mai trebuie ţinut cont de căderea de tensiune pe bobinaj).

j) Se determină grosimea în fereastră a fiecărei înfăşurări în urma unei distribuiri aproximative a lăţimii ferestrei proportional cu amper-spirele Ni Ii ale fiecărei înfăşurări. Astfel, grosimea bobinajului înfăşurării de ordinul i se calculează cu relaţia:

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

cu grosimea gc a peretelui coloanei carcasei pe care se va executa bobinajul în mm .

k) Se determină lungimea spirei medii a fiecărei înfăşurări

l1med 2(2a+b+4c)+πg1 [mm]

l21med l1med+π(g1+g21) [mm]

l22med l21med+π(g21+g22). [mm]

La realizarea transformatorului se va respecta ordinul de bobinaj a înfăşurărilor care a fost presupus aici la calcul.

Deşi în mod obişnuit, înfăşurările secundare pentru un redresor cu punct de nul se bobinează cu acelasi tip de conductor, este posibil (şi mai corect) în principiu să se calculeze diametrul necesar pentru fiecare din ele astfel încât să rezulte aceleaşi rezistente r2. De aceea, lungimea spirei medii se calculează separat pentru fiecare secundar din cele două.

l) Se determină lungimile totale ale conductorelor de bobinaj:

18

l1=N1l1med10-3 [mm]

l2i=N2il2i 10-3 [mm]

m) Se repartizează rezistenţa totală a transformatorului pe înfăşurările primare şi secundare.

Acestă repartizare ar trebui făcută astfel încât să se obţină o încălzire mai uniformă a acestora (densitatea de curent uniformă). In cazul când din secundarul transformatorului se alimentează un singur redresor, condiţia de mai sus se poate prinde intr-o relaţie simplă.

Pentru redresor monoalternanţă:

ŕ1 0,4 rT si r2- 0,6 rT

pentru redresor în punte :

ŕ1 0,38 rT si r2 0,62 rT

şi pentru un redresor cu punct de nul :

ŕ1 0,3 rT si r2 0,7 rT

Se calculează apoi rezistenţa :

rc=n2ŕ1

Pentru cazul când transformatorul alimentează mai multe redresoare sau sarcini, o astfel de condiţie este greu de dedus şi se recomandă să se stabilească direct rezistenţa primarului r1 din condiţia ca densitatea de curent prin conductoare din primar să fie de 3 A/mm2 :

r1

(I in[m] si I1 in [A]) .

Apoi pentru fiecare înfăşurare în parte se va determina r2 cu relaţia:

r2i=

m) Se determină diametrul condensatoarelor de bobinaj din condiţia de realizare a rezistenţelor impuse anterior :

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

o) Se citesc curenţii efectiv admişi (în ipoteza unei densităţi de curent de 3 A/mm2) prin conductoarele de bobinaj din cupru cu diametrele (fără izolaţie) apropiate de cele de mai sus, în scopul verificării depăşirii acestora de către curenţii calculaţi I1 si I2i. Diametrele normalizate ale conductoarelor de cupru sunt cele recomandate de STAS 11143-78. In ceea ce priveşte densitatea de curent admisă prin conductoare, indicaţiile din literatura de specialitate sunt mult prea diferite (2…4,5A).Valoarea medie nu depăşeşte cel mai mult tamax+50ºC.

Dacă rezistenta r1 a fost determinată si numai I1 este sensibil mai mare decât curentul citit în tabel pentru diametrul apropiat de d este necesar să se revină la punctul m, pentru a se reduce rezistenţa r1, ceea ce duce la creşterea diametrului d1.

19

Dacă rezintenţa r1 a fost determinată din relaţia de mai sus si numai I2i este sensibil mai mare decât curentul citit în tabel pentru diametrul d2i , se poate face o redistribuire a rezistenţei rT la punctul m astfel încât să se scadă r2i şi să se mărească r1(r1). Se reia apoi calculul diametrelor şi verificarea.

Dacă I2i sau atat I1 cat si I2i sunt sensibil mai mari decât curenţii din tabel corespunzători diametrelor d1 si d2i, este necesar să se reia calculul de ordinul i, cu o valoare mai mare pentru căderea relativă de tensiune λi .

Dacă I2i sau atat I1 cat si I2i sunt sensibil mai mici decât curenţii din tabel corespunzători diametrelor d1 si d2i (bobinaj neeconomic), se poate relua calculul stabilizatorului de tensiune (dacă există) şi calculul redresoarelor de ordinul i, cu o valoare mai mare pentru λi.

După ce s-a obţinut un rezultat corespunzător, se normalizează diametrele conductoarelor din primar şi din secundar la valorile cele mai apropiate din tabel.

p) Se verifică dacă bobinajele încap în fereastra transformatorului.Verificarea bazată pe stabilizarea numărului de straturi este greoaie. In practică s-a verificat în marea majoritate a cazurilor că bobinajele încap în ferestrele transformatoarelor dacă un coeficient de umplere a ferestrei, definit ca mai jos, nu depăşeşte o valoare :

Fu = 0,38 …0,41

în care Af [mm2] este aria ferestrei transformatorului şi pentru tole normalizate Af=3a2 .

Valoarea superioară a factorului Fu se admite pentru un bobinaj îngrijit. Dacă factorul de umplere Fu rezultă mai mic decat 0,3 (rămâne mult spaţiu nefolosit în fereastră), se poate relua calculul transformatorului de la punctul e sau f micşorându-se fie secţiunea miezului, fie dimensiunea d a tolelor, fie amândouă (dacă există rezerve la factorii adaptaţi în relaţiile acestora).

Dacă factorul Fu rezultă cuprins între 0,3…0,35 fereastra nefiind complet ocupată, cum s-a întamplat la scrierea relaţiilor de mai sus, se va relua calculul de la punctul k, stabilindu-se grosimea bobinajelor cu relaţiile:

g1= a ; g2=a ;

unde numărul fracţiilor este deja calculată cu ocazia determinării factorului de umplere Fu .

Dacă factorul de umplere Fu rezultă mai mare decat 0,41, bobinajul nu încape in fereastră şi SFe, a sau B (dacă există rezervă la B pana la 1,2T).

Pentru protejarea transformatorului în cazul unui scurtcircuit la sarcină este indicat să se intercaleze la ieşirea fiecărui redresor cate o siguranţă fuzibilă dimensionată la un curent cu 20%…30% mai mare decat curentul Iro. Pentru evitarea aprinderii transformatorului în cazul unei străpungeri între spirele primarului sau in cazul unui scurtcircuit în redresor este indicat să se prevadă si în primar o siguranţă fuzibilă, dimensionată la un curent cu 30 …50% mai mare decat I1.

In mod obisnuit se stabileste în cazul proiectului si greutatea transformatorului ceea ce însă nu se reprezintă aici.

2.1 Disipaţia termică.

20

In interiorul dispozitivelor semiconductoare de putere (tranzistoare, diode,etc.) se dezvoltă în timpul funcţionării, prin efectul Joule, cantităţi însemnate de caldură. Dacă nu se iau măsuri eficiente de evacuare într-un ritm corespunzător a acestei energii în mediul ambiant, temperatura joncţiunilor poate creşte peste limitele admise ducând la distrugerea componentelor respective (strapungeri, joncţiunea prin avalanşă termică).

2.2.Rezistenţa termică.

In calea fluxului de energie care se scurge de la joncţiunea spre mediul ambiant se interpun anumite obstacole pe care le vom numi rezistenţe termice. Efectul lor este de a frâna, de a încetini, respectiv de a micşora fluxul de energie termică, întocmai cum o rezistenţă electrică se interpune la trecerea curentului provocat de o diferenţă de potenţial. In cazul nostru, cauza fluxului de caldură o constituie diferenţa de temperatură dintre joncţiune şi aerul ambiant, Δt=tj-ta pe care am putea–o numi prin analogie tensiune termică.

Curentul termic ar fi masura cantităţii de caldură transferată în unitatea de timp de la joncţiune la ambiant, adică tocmai puterea disipată Pd.

Putem enunţa legea lui Ohm termică:

Rezistenţa termică (Rth)=

Rezistenţa termică se exprimă in ºC/W.

Rezistenţa termică joncţiune-ambiant

O prima rezistenţă, notată Rthj-c(rezistenţa termică joncţiune-capsulă), este cea care limitează transferul de caldură între joncţiune şi capsula tranzistorului. Ea este determinată prin construcţie si deci nu avem cum sa o influenţăm.Valoarea ei este dată în cataloage. Ajuns la capsulă , fluxul termic se ramifică. O parte, mult mai mică o ia pe calea relativ “îngustă” a rezistenţei termice dintre capsulă şi aerul ambiant este singura cale de disipaţie termică, rezistenţa echivalentă joncţiune-ambiant fiind în acest caz:

Rthj-a=Rthj-c+Rthc-a

Cealaltă parte a fluxului termic ajuns la capsulă se îndreaptă spre radiator prin rezistenţa termică Rthc-

r (capsulă-radiator). In fine, de la radiator energia calorică este disipată în aerul ambiant prin rezistenţa Rthr-a (radiator-ambiant).

Calculăm rezistenţa echivalentă a circuitului termic joncţiune-ambiant:

Rthj-a=Rthj-c+Rthc-a//(Rthc-r+Rthr-a)

Rthj-a=Rthj-c+

2.3.Propagarea căldurii.

21

Conducţia este principala cale de a propaga o caldură prin substanţe solide şi între corpurile solide aflate în contact direct. Acesta este cazul contactului capsulă-joncţiune (se ştie că spaţiul intermediar este umplut cu vaselină siliconică), precum şi al contactului capsulă-radiator, pentru aceasta nebăgând în seamă şi propagarea căldurii prin masa radiatorului.

Cantitativ, transportul de caldură prin conducţie în unitatea de timp este direct proporţională cu aria suprafeţei străbătute de curentul termic şi de derivata temperaturii după normala la această suprafaţă. Factorul de proporţionalitate se numeşte coeficient de conducţie şi de natura corpului. El se notează de obicei cu λ şi se exprimă in W/ºCm.

Concluzii:

• exploatarea la maxim a suprafeţelor disponibile de contact pentru a se asigura un contact cât mai intim cu radiatorul, iar suprafeţele de contact trebuie să fie cât mai netede; pentru înlăturarea stratului de aer datorat imperfecţiunilor suprafeţelor de contact se recomandă înainte de montare ungerea acestora cu un strat fin de vaselină siliconică;

• cand izolarea termică se impune, utilizarea unor mediatori de contact avand grosimea cât mai mică si conductivitatea termică mare;

• confecţionarea radiatorului din metale cu conductivitate termică mare, cum sunt cuprul si aluminiul;

• asigurarea unei grosimi suficient de mare a radiatorului, în special în zona centrală sau în vecinătatea locului de prindere a cuprului;

• plasarea cât mai central pe radiator, sau dacă sunt mai multe tranzistoare, plasarea lor cât mai uniformă;

• asigurarea unei temperaturi de lucru cât mai coborate a radiatorului.

• utilizarea unor radiatoare cu suprafaţa totală cât mai mare; foarte avantajoase sunt metodele cu “aripioare” care permite suprafaţă mare la volumul redus.

2.4. Capacitatea calorică.

Prin capacitate calorică se înţelege cantitatea de caldură pe care trebuie sa o primească sau să o cedeze un corp dat pentru a-şi modifica temperatura cu 1ºC. Numeric, capacitatea calorică C, este egală cu produsul dintre masa m a corpului şi căldura specifică cu substanţa din care este alcătuit :

C=mc

c - este constantă de material şi reprezintă capacitatea calorică a unui kilogram din substanţa care alcătuieşte corpul dat. Ansamblul tiristor-radiator-mediul ambiant formează un circuit termic complex cu rezistenţe şi capacităţi distribuite.

Constanta de timp τ este timpul recomandat de aşteptare de la pornire atunci când se urmăreşte efectuarea unor masurători de precizie sau asupra lor. Se indică de obicei să se aştepte

15-30 de minute în cazul aparatelor care conţin radiatoare mari.

Pentru a putea prelua de la capsula tiristorului o cantitate mare de caldură, fără a-şi ridica apreciabil temperatura, radiatorul trebuie sa aibă o cantitate calorică mare. Acesta înseamnă ori masă

22

mare, ori caldură specifică mare, ori amândouă în acelasi timp. Din metalele cu conductivitate termică mare, două sunt mai accesibile, anume cuprul cu λ=390W/mºC si aluminiul cu λ=220W/mºC .

Pentru radiatoarele mici (S<50cm2) natura metalului nu are totuşi o influenţă prea mare asupra rezistenţei termice putându-se folosi cuprul, aluminiul, alama, oţelul etc. cu rezultate foarte puţin diferite.

2.5. Variaţia puterii maxime de disipaţie.

Se ştie că joncţiunea cu germaniul se distrug la cca.120ºC, iar cele de siliciu la cca.220ºC. De aceea, parametrul de catalog tjmax este situat de obicei între 75ºC si 100ºC pentru tranzistoarele cu germaniu respectiv între 150ºC si 200ºC pentru cele cu siliciu pentru extrapolarea dependenţei liniare exprimate de legea lui Ohm termică :

Pdmax(tc)=

putem a trasa astfel o dreaptă de disipaţie maximă pentru tranzistorul dat.

In cataloage nu este menţionată întotdeauna temperatura critică. Ea poate fi dedusă prin trasarea graficului de variaţie Pdmax(ta)=f(ta) dacă se cunosc marimile Pdmax,Pjmax si Pthj-a; în caz contrar se poate lua tcr= cu valoarea temperaturii ambiante pentru care s-a dat in catalog Pdmax .

2.6. Temperatura ambiantă maximă.

Desi m reprezintă propriu-zis un parametru al dispozitivului semiconductor sau al aparatelor electrice în ansamblu, temperatura mediului ambiant ta are un rol determinant în ceea ce priveşte “ritmul” de disipaţie termică, limitând puterea maximă “reala” a tranzistorului. Când proiectăm un aparat, trebuie sa ţinem cont neapărat de domeniul asortat de variaţie a temperaturii ambiante, mai precis de valoarea maximă preconizată tmax, ea fiind cea care dictează limita inferioară garantată a puterii maxime de disipaţie.

Temperatura ambiantă maximă se alege în funcţie de destinaţia aparatului, orientativ între 30ºC si 40ºC pentru aparatele care urmează să funcţioneze în condiţii ”climatice” normale, respectiv între 40ºC si 50ºC pentru aparatele de uz industrial.

Temperatura ambiantă nu se confundă întru totul cu temperatura din încăpere. Se ştie că în interiorul aparatelor, cu toate măsurile de autoventilaţie, temperatura este de obicei cu cateva grade mai mare decât în încăpere din cauza energiei calorice disipate de toate componentele, în special de redresoare, transformatoare, becuri, rezistoare etc. De aici şi recomandarea facută anterior că tranzistoarele de putere împreună cu radiatoarele să fie amplasate de preferinţă la exterior, pentru a beneficia de o temperatură ambiantă mai scazută, deci pentru a li se putea exploata mai bine disponibilităţile de disipaţie termică.

2.7. Determinarea regimului termic.

23

Circuitul termic joncţiune-ambianţă se reduce la rezistenţele joncţiune-capsulă si capsula-ambiant aflate în serie:

Rthj-a=Rthj-c+R thc-a

Din datele de catalog rezultă:

Rthj-c=(tjmax-tc)/Pdmax(tc)=100ºC-25ºC/150W=0,5ºC/W

Prin urmare Rthj-a=0,5ºC/W+20ºC/W=20,5ºC/W.

In ceea ce priveşte puterea de disipaţie maximă ne interesează, fireşte, limita inferioară garantată, adică aceea care corespunde temperaturii ambiante maxime , tamax (cazul cel mai nefavorabil) .Obţinem:

Pdmax(tamax)= =3,4W

Pentru acelaşi tranzistor ne-am procurat sau am confecţionat un radiator bun, despre care ştim că are rezistenţa termică Rthr-a=1ºC/W . In aceste condiţii ne intereseaza cum variază puterea de disipaţie maximă în funcţie de temperatura ambiantă. Concret, dorim să determinăm puterea de disipaţie maximă pentru tamax=35ºC .

Ne lipseşte un singur element şi anume rezistenţa capsulă–radiator. Acesta depinde de izolatoare, (cu sau fără peliculă intermediară de vaselină siliconică), de gradul de strangere în suruburi etc.

Vom considera cazul montării directe a capsulei pe radiator (fără rondela izolatoare), însă cu feţele de contact unse în prealabil cu vaselină siliconică. Pentru o strângere bună în şuruburi putem conta pe o rezistenţă Rthc-r foarte mică, să zicem de 0,2ºC/W (0,1…1ºC/W). Oricum, pentru capsulele mai precise se vor consulta în prealabil fişele tehnice complete ale tranzistorului, unde producătorul face referiri şi la acest parametru.

Pdmax(35ºC)= =40W

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

Disipaţia rezistenţei Rthc a simplificat mult calculele, dar e important din alt motiv şi anume pentru acest parametru nu poate fi întotdeauna găsit în cataloage (depinde de tipul corpului, de aria suprafeţelor cu care e în contact direct cu aerul ambiant, de culoarea, de poziţia capsulei etc).

Calculul transformatorului

3.1.Să se proiecteze un transformator monofazat de mică putere cu următoarele date:-

- -

24

- - tip constructiv: în manta- sistem de răcire: în aer

A. Calculul circuitului magnetic

→Secţiunea coloanei:

unde:Ct

= constanta de calcul şi are valoarea (4 - 6)·10-4, în medie se alege Ct = 5·10-4

→Dimensiunea miezului de formă dreptunghiulară, considerănd:

şi va rezulta:

kFe = 0,95, pt tablă laminată la rece cu grosimea de 0,55 mm.

→Lăţimea coloanei:

Prin rotunjire se stabilesc:

Pt care rezultă următoarea secţiune a coloanei:

→Secţiunea jugului, considerând miezul în manta:

Fiind un transformator mic, lăţimea T a ferestrei se va determina după dimensiunile înfăşurărilor. În prealabil însă se va stabili înălţimea coloanei şi deci a bobinei.

→Înălţimea coloanei:

25

unde:A – pătura de curent; 80 A/cm (adoptat din tabelul 3.2)e1 – t.e.m pe o spiră:

Bc = 1 T, deoarece miezul fiind în manta din tole de profil E şi I, se utilizează tablă silicoasă laminată la rece cu grosimea de 0,55 mm.

Prin rotunjire se alege Lc=13 cm.

B. Calculul înfăşurărilor→T.e.m:

- din primar:

∆u[%] = 16 (conform figurii 3.5)- din secundar:

→Numărul de spire:

→Valorile definitive ale fluxului magnetic şi inducţiile magnetice:- fluxul magnetic util:

- inducţia magnetice în coloană:

26

- inducţia magnetică în jug:

→Curenţii nominali:

unde:- η = 0,9 (conform figurii 3.5)- m = 1 (monofazat)- cosφ1 = 0,9

→Secţiunile orientative ale conductoarelor:

unde:- J1 = J2 = 2,6 A/mm2 (conform tabelului 3.2)

→Dimensiunile conductoarelor se aleg din STAS 685 – 75, astfel:- pt înfăşurarea primară (conductor rotund izolat cu un strat de email tereftalic)

- pt înfăşurarea secundară (conductor rotund izolat cu un strat de email tereftalic)

Din anexa 3 vom obţine:

→Valorile definitive (recalculate) ale densităţilor de curent:

27

- pt primar:

- pt secundar:

→Dimensiunile înfăşurărilor:- înălţimea bobinei:

- numărul de spire pe un strat:o pt primar:

o pt secundar:

- numărul de straturi:o pt primar:

o pt secundar:

- grosimea bobinelor:o pt primar:

o pt secundar:

28

→Lăţimea ferestrei transformatorului:

unde:1 mm – jocul între interiorul carcasei şi miez;2 mm – grosimea carcasei:(3-5) mm – distanţa de asamblare.

C. Calculul pierderilor şi curentului de funcţionare în gol- rezistenţa înfăşurărilor, având conductoarele din cupru şi clasa de izolaţie F:o pt înfăşurarea primară:

La care:

o pt înfăşurarea secundară:

La care:

→Pierderile în înfăşurari, considerând - pt înfăşurarea primară:

- pt înfăşurarea secundară:

- pierderile totale în înfăşurări:

29

→Masa conductoarelor înfăşurărilor:

unde:

→Masa netă a fierului:

unde:

→Pierderile totale în fier:

unde:- p10/50=2,3W/kg, considerând miezul din tablă laminată la rece cu cristale orientate şi grosimea de 0,55 mm.Kp=1,03

→Curentul de funcţionare în gol:- componenta activă:

- componenta reactivă sau curentul de magnetizare:

30

unde:Din anexa 5 adoptăm:

- pt Bc = 1T → Hc = 5,02 A/cm- pt Bj = 1T → Hj = 5,02 A/cm- nδ = 4 – fiind un miez de forma indicate în figura 3.6.c- Bi = Bc = 1T – îmbinările formându-se sub un unghi drept- δi = 0,015·10-3 – deoarece utilizăm tole profil (E şi I); numărul rosturilor de îmbinare

dintre tole este mai mic.→Curentul total la funcţionarea în gol:

Sau în procente:

→Randamentul transformatorului la sarcina nominală (β = 1), în procente:

D. Calculul termic→Estimarea încălzirii transformatorului:

unde:α0 = 10·10-4

∆θ = 15

suprafaţa

liberă a bobinei

suprafaţa liberă a miezului (laterală + frontală)

Este satisfacută condiţia: , pt clasa de izolaţie F, ceea ce înseamnă ca transsformatorul este bine dimensionat.

31

4. Studiul redresoarelor pentru incărcarea acumulatoarelor.Prezentare generală.

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 supraâncărcării reţelei sau dispariţiei tensiunii de alimentare.

Receptoarele electrice de mică putere cu funcţionare independentă de reteaua electrică 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 independentă 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 încărcat de alternator, cît timp puterea receptoarelor este mai mică decât puterea alternatorului. Dacă puterea receptoarelor depăşeşte puterea alternatorului, surplusul 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 centrale şi staţii electrice, pentru iluminatul de siguranţă, pentru alimentarea consumatorilor de energie electrică a căror oprire, în caz de avarie, nu este admisibilă, precum şi pentru alimentarea 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.

Încărcarea acumulatoarelor se face din reţeaua de curent alternativ, prin intermediul redresoarelor, în cazul în care funcţionează în tampon cu reţeaua de curent alternativ, precum şi în cazul în care acumulatoarele sunt destinate alimentării sistemelor electrice independente de reţeaua de curent alternativ. Dacă în sistemele electrice independente de reţeaua de curent alternativ, acumulatorul funcţionează în tampon cu un generator de energie electrică acumulatorul se încarcă de la generator, în intervale de timp, în care puterea solicitată de consumatori este mai mare decât puterea generatorului. Dacă generatorul este de curent continuu, încărcarea acumulatorului se face de la alternator prin intermediul unui element (dioda), care nu permite trecerea curentului în sens invers (de la acumulator spre generator). În cazul în care generatorul este de curent alternativ, încărcarea acumulatorului se face de la alternator, prin intermediul 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 ori mai mare decât valoarea corespunzatoare încărcării 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

32

- încărcare mixtă

Figura 9: Referitoare la procedeele de încărcare a acumulatoarelor.

În cazul încărcării cu tensiune constantă (figura 9.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 constituie curentul mic, la sfârşitul procesului de încărcare şi deci nu se impune o supraveghere deosebită a acumulatorului. Având degajări reduse de gaze, nu există pericol de deteriorare a acumulatorului 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 9.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 încărcarea, 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 parţială 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 acumulatoarelor, 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 şi 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 încărcarea 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 (0.05-0.11)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

t

us

i

i

i

us

tt

us

33

punerea în funcţiune a bateriilor staţionare noi sau după reparaţii capitale, la tratamente de înlăturare a stărilor anormale ale bateriilor de acumulatoare.

Încărcarea mixtă (figura 9.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 acumulatorului 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, deoarece 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 întreprinderii 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 încărcare prescris, nu trebuie să difere între ele cu mai mult de 0.1v. De asemenea, electrolitul trebuie să aibă aceeaşi densitate şi acelaşi 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. Încărcarea pemanentă în rezervă se aplică bateriilor staţionare, în scopul evitării autodescărcării. Încărcarea se realizează cu ajutorul unui redresor de mică putere, cu tensiunea constantă (2,15v/element). În caz de avarie, bateria este aclanşată automat. După înlăturarea avariei, bateria rămâne in 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

34

1,221,20

d[g/cm3]

la 1,93 V/element, cu un curent egal cu Inom. Scopul acestei descărcări este reactivarea materiei active.

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, a densităţii electrolitului sau a cantităţii de gaze degajate în unitatea de timp q.

4.1. Redresoare destinate încărcării baterilor de acumulatoare.

4.1.1. Structura si clasificarea redresoarelor.

Redresoarele permit transferarea curentului alternativ în curent continuu. Ele au numeroase aplicaţii determinate de faptul că energia electrică se obţine, cu precădere, sub formă de curent alternativ, iar utilizarea energiei electrice se face atat în curent alternativ cat şi în curent continuu. Ponderea folosirii energiei elecrice sub formă de curent continuu fiind în prezent de peste 25% .

Principalele elemente ale redresorului rezultă din schema de structură dată în figura următoare:

Fig.10. Functia si structura redresoarelor.

35

1,181,16

[g/cm3]g[cm3/h]

Funcţia de structură din figura 10.b. redresoarele utilizate în practică pot avea o structură mai simplă sau mai complexă. Astfel, se utilizează redresoare necomandate care constau doar din elemente de reglare, protecţie şi supraveghere. In funcţie de comanda elementelor de comutaţie din structura redresorului deosebim:

-redresoare necomandate (cu diode),

-redresoare comandate (cu tiristoare sau tranzistoare în regim de comutaţie).

Redresoarele pot fi cu sau fără transformatoare. Cele fără transformator se caracterizează prin simplitate, gabarit mic şi pret de cost scăzut. Deşi prezintă aceste avantaje, redresoarele fără transfomator sunt utilizate pe scară redusă. Introducerea transformatorului în circuitul energetic al redresorului permite rezolvarea urmatoarelor probleme: transformarea tensiunii sursei, astfel încat sa fie în concordanţă cu tensiunea receptorului; transformarea numărului de faze (mărirea numărului de faze) în scopul “neteziri” tensiunii şi a curentului redresat, obţinerea punctului de nul pentru circuitul de redresare în conexiunea stea; izolarea reţelei de curent alternativ de reţeaua de curent continuu; îmbunăţătirea formei curentului primar, realizarea redresoarelor cu scheme de redresoare complexe.

Schemele de redresoare complexe prezintă următoarele avantaje:

-micsorează pulsaţia tensiunii redresate ,

-îmbunătăţesc gradul de utilizare a ventilelor.

Redresoarele pot fi împărţite în două mari clase:

1. Redresoare cu un singur tact, denumit şi redresoare monoalternate sau redresoare cu conexiunea stea.

2. Redresoare cu doua tacte sau redresoare punte.

Redresoarele cu un singur tact se caracterizează prin aceea că fiecare fază a sursei de energie este parcursă de curent numai o data, în decursul unei perioade. La redresoarele punte fiecare fază a sursei de energie este parcursă de curent, în ambele semialternanţe. La redresoarele de mare putere se utilizează grupe de ventile legate în serie şi în paralel.

4.2. Redresoare pentru incărcarea 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 unitatea 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 11.

36

Figura 11. Schema unui redresor monofazat în punte, necomandată.

Redresoarele 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 încărcare devine greu si voluminos.

Reglarea tensiunii de alimentare a punţii redresoare se poate realiza prin mai multe metode:

a. Modificarea în trepte a tensiunii secundarului transformatorului de alimentare.

Fig.12. Redresor care are o tensiune variabilă în secundar.

Dispozitivul este simplu de exploatat. Presupune realizarea unui transformator cu mai multe prize în secundar.

b. Reglerea tensiunii cu ajutorul unei scheme cu tranzistoare. Ea necesită tranzistoare de putere ceea ce scumpeste dizpozitivul.

c. Reglarea tensiunii cu ajutorul tiristorului.

Exista o varietate de scheme bazate pe acelasi principiu care au avantaje, dar si un dezavantaj de baza: comanda dificilă a tiristorului.

37

Figura 13. Schema bloc a redresorului monofazat comandat ce utilizează numai un tiristor, în cadrul unei scheme simple de comandă.

In figura 14. se utilizează un transformator coborator de tensiune 220V/42V cu putere de 250VA. Tiristorul D5 funcţionează pe baza principiului realizării fazei pe poartă, iar tranzistorul T1 si T2 realizează reacţia de la iesirea schemei si comanda momentului deschiderii tiristorului.

Fig.14. Redresor cu un transformator coborator de tensiune.

Micsorarea curentului de încărcare pană la 100-200 mA se obţine cu ajutorul rezistorului variabil. Avantajul schemei constă in faptul că este universală.

Factorii principali care duc la distrugerea bateriilor de acumulator, în special a celor care intră în echiparea autovehiculelor sunt:

-balanţă energetică deficitară, fără încărcare exterioră suplimentară,

-suprasolicitarea în timpul pornirilor de catre motoarele reci, în special iarna.

Aceste deficienţe se înlătură aproape total prin:

-încărcarea suplimentară a bateriei, utilizând un redresor alimentat de la reţea,

-reglarea corectă a regulatorului de curent de pe automobil,

-utilizarea unui redresor legat în paralel pe bornele acumlatorului pentru pornirea motoarelor reci pe timp de iarnă.

Se dau cateva soluţii constructive de încărcare de acumulatoare. In figura 15. se prezintă un redresor simplu fără decuplarea curentului de încărcare a acumulatorului si fără posibilităţi de citire si reglare a curentului de încărcare. Utilizarea acestui tip de încărcător este recomandat pentru încărcări de scurtă durată cu urmărirea permanentă a comportării elecrolitului din celulele acumulatorului.

38

Redresoare pentru protejarea bateriilor la suprasolicitări de curent.

Aceste redresoare se utilizeaza cu precădere pe timp de iarnă la pornirea motoarelor reci pentru protejarea bateriilor la suprasolicitările de curent. Redresorul se leagă în paralel cu bateria, se lasă să se încarce bateria 10-20 de minute, după care se porneste motorul “la cheie”. După pornirea motorului la 2-5 minute se opreste redresorul si se scot cablurile de legatură si cordonul din priză. 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 se construiesc la Electrotehnica Bucureşti, pentru valori nominale ale tensiunii de ieşire de 24v , 110v sau 220v. Un redresor cu schema bloc 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 a tensiunii 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; 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.

39

4.3. Redresoare cu încărcare automată.

Majoritatea dispozitivelor de încărcare din comerţ au o schemă care se reduce la asocierea unui transformator şi a unui redresor, având uneori şi câteva rezistenţe.

La conceperea schemei s-a pornit de la următoarele indicaţii:

- curentul de sarcină trebuie să fie limitat la o valoare dată, atunci când bateria este complet descarcată, pentru a se evita deteriorarea elementelor acestuia,

- încărcarea trebuie să se efectueze la un curent constant, limitat la valoarea menţionată anterior, când bateria este complet “golită”. Acest curent trebuie să crească uniform, pană când tensiunea de la bornele bateriei atinge o valoare dată.

In plus, s-a dorit ca montajul sa fie protejat faţă de toate erorile posibile în ceea ce priveşte conexiunile. Astfel, bateria poate să suporte fără a fi periclitată:

- scurtcircuitul permanent la ieşirile sale,

- conectarea în sens greşit a bornelor sale,

40

- sarcina prelungită când este total descărcată.

5. Proiectarea circuitului redresor .

Date iniţiale. Datele iniţiale pentru calculul redresorului sunt în general următoarele:- curentul mediu redresat maxim sau curentul continuu maxim consumat de sarcină ( la tensiunea de reţea nominală ): Ir0;- tensiunea medie redresată sau tensiunea continuă pe sarcină (la curentul Ir0): Ur0;- căderea relativă de tensiune pe rezistenţa internă a redresorului: λ;- pulsaţia tensiunii redresate, exprimată prin amplitudinea componentei fundamentale a pulsaţiilor (egală aproximativ cu amplitudinea pulsaţiei nesinusoidale – ½ din pulsaţia varf la varf – u r1m; - creşterea procentuală posibilă a tensiunii reţelei: 100 * Δ E1/E1 ( de obicei 5….10 % );- pulsaţia tensiunii pe sarcină, după filtrul RC (în cazul în care se foloseşte un astfel de filtru): u s1m ; La stabilirea curentului Ir0 trebuie ţinut cont de faptul că, la un curent maxim pe care trebuie să-l furnizeze redresorul este curentul la care acţionează protecţia (I lim = 1,05 ….1,10 * I smax) şi care nu se modifică la creşterea tensiunii reţelei peste valoarea nominală. In celelalte cazuri (inclusiv în cazul cand după redresor urmează un stabilizator cu diodă Zener), deoarece tensiunea redresată Ur0

creşte şi ea cu acelaşi procent. De această creştere se va ţine cont la calculele care vor urma. In mod obişnuit, căderea relativă de tensiune pe rezistenţa internă a redresorului, definită: λ = Ir0 * Rir / Ur0, se adoptă intre 0,1….0,2 ( adică între 10….20 % ). Rir reprezintă rezistenţa internă a redresorului cu filtru. Pulsaţiile tensiunii redresate pot fi stabilite plecand de la sarcină şi ţinand cont de eventuala reducere a lor de către filtrul de rezistenţă–capacitate. O valoare obişnuită a tensiunii ur1m , pentru care nu rezulta un condensator de filtraj cu capacitate exagerată , este dată de relaţia : ur1m = ν * Ur0 = ( 0,01…0,1 ) * Ur0 valorile mai mici ale factorului ν corespund unor curenţi de sarcină de ordinul sutelor de mA, iar valorile mai mari – unor curenţi de ordinul amperilor. Pentru domeniul tensiunilor uzuale, în circuitele electronice (5–20v) rezultă ur1m = 0,2 …0,8v la curenţi mici de sarcina si 0,4…2v la curenţi de ordinul amperilor. Redresoarele monofazate cu filtru capacitiv se pot realiza în bune condiţiuni pentru curenţi pană la 5…10A. Pentru valori mai ridicate trebuie admise pulsaţiile mai mari. Pentru redresoarele monofazate există posibilitatea de alegere între: redresor monoalternanţă, bialternanţă cu punct de nul, bilaternanţă in punte. Pană la determinarea prin calcul a tuturor parametrilor circuitului redresor este necesar să se anticipeze tipul diodelor redresoare. Diodele se adoptă pe baza următoarelor date : - tensiunea inversă maximă:

VRRM > 3 * Ur0

pentru redresoarele monoalternanţă şi bialternanţă cu punct nul şi:

VRRM > 1,5 * Ur0

pentru redresoare în punte;- curentul mediu redresat maxim:

I0 * ( IFAV ) > Ir0 max / m

41

unde m este numărul de alternanţe redresate, iar Ir0 max este acelasi cu Ir0 (egal cu Is max sau I lim) în cazul unui redresor urmat de un stabilizator de tensiune cu element de reglare serie, sau:

I r0 max = ( 1 + Δ E1/E1 ) * U r0 In alte cazuri , - curentul de vârf repetitiv maxim:

I FRM > 8 * I r0max / m

După stabilirea diodei cu datele de mai sus, mai trebuie extrasă din catalog mărimea I FSM (curentul de suprasarcină maxim) iar din caracteristica tensiune curent a diodei, liniarizată, începând din zona curentului de vârf repetitiv i Dm = 8 * Ir0max / m se determină mărimile UD0 si rezistenţa dinamică rd

rd = u Dm – U D0 / I Dm

Calculul circuitului redresor include astfel următoarele etape: a) Determinarea amplitudinii tensiunii din secundarul transformatorului în gol cu relaţia:

e2m = U r0 * ( 1 + 1,5 λ ) + p * Ud

unde Ud reprezintă tensiunea de deschidere a diodei având valoarea de cca. 0,1v pentru germaniu si 0,4v pentru siliciu, iar p este numărul de diode în serie (la punte p = 2). Din tensiunea e2m rezultă valoarea efectivă a tensiunii secundarului transformatorului în gol:

E2 = e2m / √ 2

b ) considerând că tensiunea pe sarcină (deci pe condensatorul de filtraj) este constantă (adică neglijând pulsaţiile tensiunii redresate), prin dioda redresoare trece curent numai într-un interval 2θ în care:

e2 > U r0 + p * U D0 .

Unghiul 2θ se numeşte ,,unghi de deschidere a diodei“. Semiunghiul de deschidere se poate determina prin relaţia:

U r0 + p * U D0 = e 2m * cos θ = √ 2 * E2 * cos θ Se poate evita însă folosirea unghiului θ prin folosirea mărimii:

B = E2 / U r0 + p * U D0

Marimea B se calculează din raportul tensiunilor si apoi, în funcţie de aceasta, se extrag marimile F, D, H, utilizate în continuare la calculul unor caracteristici importante ale circuitului redresor.

c ) Se calculează curentul de vârf repetitiv:i Dm = I r0 max / m * F

care trebuie să fie mai mic decat IFRM al diodei adoptate. In caz contrar, calculul se reia pentru o diodă de curent de vârf repetitiv mai mare.

42

d ) Calculul curentului efectiv maxim printr-o diodă redresoare: I Defm = I r0 max / m * D

care pentru redresorul monoalternanţă şi bialternanţă cu punct de nul reprezintă şi curentul efectiv prin secundarul transformatorului:

I2 = I Defm

Pentru redresorul bialternanţă în punte: I2 = √ 2 * I Defm

e ) Determinarea capacităţii condensatorului de filtraj necesar pentru obţinerea pulsaţiilor impuse cu relaţia:

C = U r0 + p * U D0 * H / Rr * ur1m

unde Rr este rezistenţa internă a redresorului fără filtru. Intrucât s-a impus λ ca dată de proiectare, rezultă:

Rir = λ* U r0 / I r0iar din aceasta se obţine rezistenţa Rr.

Cu aceasta se poate calcula capacitatea C pentru care se va adopta o valoare normalizată imediat superioară celei calculate. Condensatorul necesar este de tip electrolitic si aduce cu el o serie de dezavantaje. Se poate ţine eventual cont de toleranţa negativă a acestui condensator. Tensiunea nominală a condensatorului electrolitic trebuie să depăşească valoarea tensiunii maxime in gol a redresorului:

U r0max = ( e2m – p * Ud ) * ( 1 + Δ E1/E1 )

tinând cont de creşterea tensiunii reţelei peste valoarea nominală. Curentul ondulatoriu admis de condensator trebuie să fie mai mare decât iDm / 2. Cand redresorul este utilizat pentru alimentarea unor circuite în care apar comutări rapide ale curentului, condensatorul electrolitic trebuie completat cu un condensator ceramic de valoare cat mai mare (100 nF). Tinând cont că un condensator electrolitic prezintă o toleranţă pozitivă de + (50 ...100)%, la realizarea redresorului se pot obţine tensiuni Ur0 cu câteva procente mai ridicate şi pulsaţii mai reduse decât cele impuse.

f ) Calculul curentului de suprasarcină nonrepetitiv care apare la conectarea redresorului la reţea. Intrucât diagramele date în acest scop sunt prea complicate, s-a dedus pe baza lor o relaţie aproximativă pentru curentul de suprasarcină în cazul cel mai defavorabil:

iDs = ( 1,8……2 ) * 10 * Ir0 max / ω* m * H

în care ω este pulsaţia reţelei ( 2πf = 314 ).factorul 1,8 se foloseşte pentru redresorul bialternanţă, iar factorul 2 se foloseşte pentru redresor monoalternanţă. Acest curent trebuie să fie mai mic decât IFSM, în caz contrar dioda adoptată provizoriu se înlocuieşte cu alta de curent mai mare. Mai există, de asemenea, soluţia de a se mări λ sau de a se introduce în serie cu secundarul transformatorului o rezistenţă suplimentară. In acest caz calculul trebuie reluat de la început.

43

In cazul în care iD rezultă foarte apropiat de IFEM, se mai verifică şi durata impulsului de curent prin diodă în cazul când condensatorul are capacitatea maximă:

ii = ( 1 + tp / 100 ) * Rr * C

(unde tp este toleranţa pozitivă maximă, în procente, a condensatorului de filtraj) care nu trebuie sa depăşească 10 ms (timp în care dioda suportă curentul IFSM).

g ) Pentru calculul transformatorului este necesar să se precizeze rezistenţa totală a acestuia (vazută din secundar):

r T = r1 + r2 = Rr – prd

h ) La ieşirea redresorului nu se poate obţine un filtru capacitiv pulsaţii u r1m ≤ u s1m cum pretinde sarcina, se intercalează un filtru suplimentar RC. Dimensionarea acestui filtru se face astfel: rezistenţa se determină din căderea de tensiune continuă admisă pe ea la stabilirea tensiunii necesare Ur0:

Rp = Ur0 – Us0 / Ir0

iar condensatorul din condiţia aproximativă de divizare a pulsaţiilor:

Cp = ur1m / us1m * m * ω * Rp

în care raportul celor două tensiuni se numeşte „factor de netezire’’. Si acest condensator electrolitic trebuie completat cu unul ceramic de valoare mare pentru decuplarea la frecvenţe mari (in impulsuri). Se determină apoi puterea disipată maximă de rezistenţa Rp (la curentul Ir0 max) pentru adoptarea puterii nominale a acesteia.

i ) In cazul folosirii unor diode redresoare cu radiator, diode care au curentul I0 sensibil mai mare decât Ir0 max / m, nu este obligatoriu utilizarea radiatorului livrat de producătorul diodelor şi se poate dimensiona un radiator plan corespunzător. Pentru aceasta este necesar să se calculeze puterea disipată medie pe o diodă redresoare:

Pd med = UD0 * Ir0 max + I² Defm *rd

5.1.Calculul circuitului redresor

Pt adoptarea diodei se calculează:

44

Din tabelul cu diode redresoare se alege dioda F057 de siliciu cu datele:

Caracteristica diodei se limitează ducând o tangentă în punctul cu curent de ordinal iDm în figura ….Se calculează rezistenţa dinamică a diodei:

Amplitudinea tensiunii din secundarul transformatorului în gol va fi:

unde:

Iar valoarea efectivă:

Cu acestea se determină mărimea B, astfel:

Pe baza căruia din diagrama dată în figura 2.4 sau tabelul 2.2 se obţin mărimile de calcul:

45

Vom determina:

Pt calculul condensatorului de filtraj se determină:

Fiind necesar un condensator din categoria celor de mare capacitate care au o toleranţă negativă de 10%, cu o tensiune nominală care depăşeşte valoarea:

Şi cu un current ondulatoriu mai mare de .

Se adoptă un condensator de 680 μF/25V (curentul ondulatoriu I0 = 6,8A), tip EG 74.73.Curentul de suprasarcină prin diodă va fi în cazul cel mai defavorabil:

Prin urmare dioda adoptată provizoriu corespunde şi poate fi utilizată. Rezistenţa totală a transformatorului de reţea este:

46

Dioda de tip 1N4002 satisface condiţia , iar în acest caz nu este necesar un

radiator.

6. 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 strânse 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 gradul de încărcare al bateriei de acumulator. În timpul probelor de punere în funcţiune nu se recomandă modificarea reglajelor la blocurile electronice. Prezentele măsuri se urmăresc îndeosebi 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;4. Tomuţa, O.; Clondescu, Gh.-Acumulatoare electrice. Întreţinere şi reparare. Editura Tehnică Bucureşti-1977;

47

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