Электрооборудование малого судна

Б. С. Тараторкин

«Катера и яхты» №1 (65) январь-февраль 1977г.

 

Электрооборудование малого судна

 

Выбор напряжения сети

Напряжение бортовой сети в значительной мере определя­ет удобство всей электрической си­стемы судна и возможность приме­нения на нем промышленно выпу­скаемого оборудования. Выбор одно­го из стандартных напряжений: 6,3; 9; 12,6; 24—27; 32—36; 48В —принципиальный вопрос.

Например, преимущество приме­нения 6-вольтовой системы в том, что это напряжение абсолютно безопас­но для человека даже в самых не­благоприятных условиях. Для этой системы нетрудно приобрести осве­тительные лампы автомобильного или приборного типа. Главное же — достаточно одной стандартной акку­муляторной батареи (3 кислотных и 5 щелочных элементов). С другой стороны, применение столь низкого напряжения не дает возможности непосредственно включать в сеть ра­диоприемник, эхолот и другие радио­электронные приборы, питание кото­рых обычно рассчитывается на на­пряжение не менее 9 В. Кроме того, необходимо использовать провода увеличенного сечения, иначе часть энергии аккумуляторов будет тратиться на бесполезный разогрев про­водки.

9-вольтовая система питания на судах практически не применяется из-за отсутствия стандартного осве­тительного оборудования на 9 В.

В настоящее время наиболее рас­пространена 12-вольтовая система, так как это удачный компромисс между безопасностью, экономич­ностью и возможностью непосредст­венного подключения распространен­ной переносной электроосветитель­ной, радиоэлектронной и измеритель­ной аппаратуры. Имеется большой выбор 12-вольтового электрорадиооборудования   массового   выпуска.

Используя стандартные преобразова­тели постоянного тока в перемен­ный, можно применять и сетевые приборы, однако к. п. д. таких уста­новок низок.

Преимущества 24- или 27-вольто-вой системы состоят прежде всего в том, что предоставляется возмож­ность без переделок использовать авиационную аппаратуру (дистан­ционные компасы и другое навига­ционное оборудование, пригодное для установки на малых судах). Од­нако изредка бывают случаи электро­шокового поражения людей в не­благоприятных морских условиях напряжением 27 В.

Сети с напряжением более 27 В встречаются редко, главным образом на более крупных судах, где они применяются с целью уменьшения потерь в длинных проводах.

 

Выбор емкости источника питания

Основным источником электро­энергии на небольших катерах и па­русных яхтах служат аккумуляторы. Условия их эксплуатации существен­но отличаются от автомобильных. Прежде всего, на туристском и прогулочном судне аккумуляторная ба­тарея используется в режиме разря­да в течение продолжительного времени на ходу и на стоянках, когда включение подзарядного устройства невозможно или нежелательно, тог­да как в автомобиле основное назна­чение ее — обеспечить кратковре­менный, но сильный ток для стар­тера, а в остальное время аккумуляторы не используются или работа­ют в режиме подзарядки.

На судах, где отсутствует возмож­ность автономной периодической подзарядки, емкость аккумуляторов должна быть достаточной для обес­печения работы навигационных ог­ней и минимального освещения на период между заходами в порты, где

возможна их подзарядка от сети. Для яхты класса Л6, например, акку­муляторная батарея емкостью в 200 А-ч, обеспечивает двухнедельное плавание, а при разумной экономии в условиях летней Балтики — и ме­сячное. (Пример расчета — табл. 2.)

Для катеров со стационарными двигателями с экипажем 4—6 чело­век, обычно достаточно батареи ем­костью 22—60 А/ч, поскольку ее можно подзаряжать на ходу. Если двигатель имеет электростартер, то определяющим требованием стано­вится способность аккумуляторной установки обеспечить пусковые токи стартера, что также косвенно зави­сит от ее емкости.

Полная энергия, запасенная ак­кумуляторной установкой А а, опре­деляется произведением емкости в ампер-часах Q=I-t па напряжение питания U в вольтах:

Aa = U * (I-t) * 3600 (Дж).

Условием полного использования аккумуляторов является:

Ап * 3600 * 1000 < А

Ап — суммарный расход энергия потребителям в кВт • ч.

Поскольку напряжение источника питания в подавляющем большинст­ве случаев совпадает с напряжением, необходимым для питания потреб­ляющих установок, то в расчетах можно использовать не запасы энер­гии А, а электроемкость Q.

Тогда заряда аккумуляторов хва­тит на Т дней в соответствии с фор­мулой

Потребляемую суточную емкость можно определить через мощность оборудования Р расчетом по фор­муле

где U — принятое напряжение сети

в вольтах;

Pi — мощность, потребляемая t-тым электроприбором, в ватах;

T_i — среднее число часов работы t-того электроприбора в сут­ки;

n — общее число приборов-по­требителей.

 

Щелочные аккумуляторы

Щелочные — кадмиевоникелевые аккумуляторы широко используются на малых су­дах, благодаря надежности в экс­плуатации и неприхотливости в ухо­де. Они не боятся тряски, малочув­ствительны к коротким замыканиям и могут долго находиться в разря­женном состоянии.

кадмиевоникелевых (КН) аккумуляторов содержат по­ристые брикеты гидрата окисb ни­келя и графbта в положительных пластинах и кадмий и железо в от­рицательных. Обратимая реакции протекает в соответствии с уравне­нием:

 

в присутствии электролита, содержа­щего водный раствор едкого кали или натра плотностью 1,21-7-1,17 г/см3. Примечательно, что в щелочных ак­кумуляторах электролит активно в реакции не участвует, отчего его концентрация почти не меняется.

Качество любых аккумуляторов определяется отдачей по энергии или (без учета снижения напряжения) отдачей по емкости, что можно оце­нить с помощью коэффициентов от­дачи по энергии и по емкости 

где Iр, tp, Uр — соответственно ток, время и среднее напряжение разря­да до минимального значения э. д. с.

Iз. tз. Uз— те же величины для

Заряда (t/max = 1,6 В).

Для кадмиевоникелевых аккуму­ляторов коэффициент отдачи по ем­кости t1q=67%, а по энергии гА=50%, если они эксплуатируются при нормальной температуре 20 °С. При пониженных температурах (до — 20 °С) КН-аккумуляторы со­храняют работоспособность, но ем­кость у них уменьшается на 50%, а при повышенных (до +45 °С) — уве­личивается саморазряд, который в нормальных условиях пренебрежимо мал.

Рис. 1. Зарядо-разрядные характе­ристики кислотных (СТ), железоникелевых (ЖН) и кадмиевоникелевых (КН) аккумуляторов. Параметры выпускаемых промышленностью ба­тарей кислотных и щелочных акку­муляторов даны в таблице 1.

У более дешевых железоникелевых аккумуляторов (ЖН) отрица­тельные пластины не содержат кад­мия, а в положительных брикетах используется гидрат закиси никеля. Их характеристики очень близки к характеристикам КН-аккумулнторов, но коэффициент отдачи по емкости составляет только 35—40%, а по энергии 45%. Кроме того, у них не­сколько выше саморазряд (рис.1.)

При зарядке щелочных аккумуля­торов обычно применяется шестича­совой режим зарядки номинальным током /н, величина которого числен­но равна значению емкости батареи, деленной  на  четыре  

У исправных элементов щелочных аккумуляторов при нормальном за­рядном токе начальное напряжение должно быть 1,4-4-1,45 В, а в конце зарядки — 1,75 ч- 1,85 В. Простейшая схема зарядной установки приведена на рис. 2.

Через каждые 10 циклов или пос­ле смены электролита следует при­менить режим усиленного заряда: 12 ч номинальным током.

При необходимости ускоренного заряда используют следующий ре­жим: 2,5 ч удвоенным номинальным током, затем — еще 2 ч номиналь­ным током.

Иногда частично разряженные щелочные аккумуляторы с остаточ­ной емкостью Qo приходится под­заряжать от источника, который не способен дать номинальное значение тока. Тогда время зарядки нужно увеличить по сравнению с нормаль­ным режимом, исходя из того тока,  который развивает источник /3, в  соответствии с формулой:

Железоникелевые аккумуляторы хорошо переносят такой режим, по для кадмиевоникелевых уменьшать ток более, чем вдвое против номи­нального не рекомендуется.

За исключением усиленного и ускоренного режимов заряда, когда пробки банок обязательно следует вывинчивать, на остальных режимах зарядку аккумуляторов можно осу­ществлять и при ввернутых проб­ках с клапанами, что особенно удоб­но, когда батарея размещена в труд­нодоступных местах — в трюмных выгородках, под кокпитом и т. п. Глухие пробки необходимо вывора­чивать во всех случаях.

Уход за щелочными аккумулято­рами в процессе эксплуатации состо­ит прежде всего в обеспечении пра­вильности циклов заряд — разряд. Чтобы в любой момент знать, в ка­ком состоянии находятся аккумуля­торы, рекомендуется вести спе­циальный журнал. Кроме того, не­обходимо периодически чистить и смазывать токоведущие части и гнезда пробок и контролировать уро­вень электролита.

Уровень злектролита должен быть не менее 5 мм и не более 12 мм над верхним краем пластин, что можно легко проверить стеклянной трубкой. Если электролит выплеснулся или выкипел (при усиленном заряде), его уровень надо восстановить. В поход­ных условиях обычно бывает доста­точно долить в банку несколько ку­бических сантиметров кипяченой питьевой воды, с тем, чтобы в порту довести электролит до нужной плотности. В доливаемой воде не должны содержаться кислоты п соли н, если питьевая вода сомнительного качест­ва, то лучше собрать немного дожде­вой. Надежнее всего, конечно, иметь в запасе готовый электролит в пласт­массовой завинчивающейся банке с объемом, достаточным для полной заливки хотя бы одного элемента.

Через 100—150 циклов работы ак­кумуляторов нужно заменить элект­ролит и произвести промывку банок от осадка. Поскольку судовые акку­муляторы не рассчитаны на работу при морозе, то для электролита луч­ше применить едкий натр (NaOH), добавление едкого лития при этом не обязательно.

Чтобы определить количество твердого едкого натра т, нужного для приготовления L литров раствора с удельным весом 1,17 -j- 1,19, можно пользоваться следующей простой формулой:  

которая получается из расчета 5 л воды на 1 кг твердой или 1,5 кг жид­кой (р = 1,41) щелочи. Если имеется возможность, то на каждый литр электролита полезно добавить 10 г едкого лития (LiOH), что способст­вует увеличению срока службы электролита. Плотность электролита нужно измерять после того, как он остынет.

В отличие от кислотных для при­готовления щелочных электролитов допустимо использовать кипяченую водопроводную воду, хотя примене­ние дистиллированной даст меньше примесей. Разводить электролит сле­дует в пластмассовой, эмалирован­ной или железной посуде, остере­гаясь брызг. Недопустимо использо­вать оцинкованные или медные ем­кости. Поскольку щелочь интенсивно разрушает органические вещества, ни в коем случае нельзя размеши­вать или пробовать уровень электро­лита деревянными палочками, так как это загрязняет электролит.

Перед заливкой свежего электро­лита аккумуляторы должны быть разряжены, банки должны быть от старого электролита промыты до такого состояния, чтобы из них пе­рестал выходить черный осадок. При заливке нового электролита нужно следить, чтобы во всех банках его уровень был одинаков. Чтобы из­бежать белого налета углекиислотных солей, образующегося за счет углекислоты воздуха, поверх электролита нужно добавить 2-5 кубических сан­тиметров вазелинового масла, кото­рое образует на поверхности изоли­рующую пленку.

До начала зарядки нужно убе­диться, что банки не вспучены и не соприкасаются. Если расстояние между стенками банок меньше 2 — 3 им, банки нужно изолировать друг от друга пластинами гетинакса, текстолита или другого не гигроско­пического изолятора. Поцарапанные корпуса банок нужно подкрасить би­тумным лаком. Осматривая пробки, следует убедиться, что газоотводящие отверстия не засорены, а уплот­няющие резинки целы.

Подготовив таким образом акку­муляторную батарею, нужно дать ей усиленный заряд, потом за восемь часов разрядить на стандартную на­грузку до напряжения 1,05 В и оп­ределить реальную емкость.

Кислотные   аккумуляторы

Кислотные аккумуляторы на бор­ту судна требуют постоянной забо­ты, да и срок службы у них меньше, чем у щелочных. Но благодаря ма­лому внутреннему сопротивлению и, следовательно, способности батареи даже небольшой емкости создавать большие токи, они очень удобны при использовании на катерах, оборудо­ванных моторами с электрозапуском. Поскольку в этих условиях частая подзарядка не составляет проблемы, емкость кислотной батареи может быть минимальной, например взя­той из расчета потребления на полуторасуточной стоянке.

Отрицательный электрод у кис­лотных аккумуляторов состоит из губчатого свинца, а положитель­ный — из свинцовых пластин, по­крытых двуокисью свинца. При по­гружении в электролит — раствор серной кислоты в дистиллированной воде, на электродах в результате реакции кислоты с окислами свинца образуется тонкий слой сернокисло­го свинца. В процессе зарядки серно­кислый свинец восстанавливается на отрицательных пластинах в губча­тый свинец, а на положительных —■ образуется двуокись свинца согласно обратимому уравнению реакции:

Заметим, что, в отличие от щелоч­ных аккумуляторов, в кислотных электролит участвует в реакции, от­чего его плотность существенно ме­няется и по ней можно судить о состоянии заряда аккумулятора (у заряженного аккумулятора плот­ность электролита выше).

Кислотные аккумуляторы имеют прекрасную отдачу как по емкости (t]q =85—90%), так и по энергии (т)А = 65—70%), что существенно лучше, чем у щелочных. Кроме того у них значительно более высокое на­пряжение на элементе, составляю­щее 2,7 В в конце зарядки и 1,8 В — в конце разряда. Зарядно-разрядная характеристика кислотных аккуму­ляторов приведена на рис. 1. Одна­ко у этих аккумуляторов наблюда­ется заметный саморазряд, состав­ляющий за месяц 15—30% начальной емкости Q.

Если допустить, чтобы свинцо­вые аккумуляторы разрядились ни­же напряжения 1,8 В на элемент, то на пластинах образуется труднорастворимый белый налет солей свинца (сульфатаппя пластин), что приведет к резкому повышению внутреннего

сопротивления аккумулятора и паде­нию емкости. В этом случае необхо­димо заменить аккумулятор новым. Явление сульфатации наряду с са­моразрядом создает трудности при зимнем хранении кислотных акку­муляторов, так как без подзарядки они могут выйти из строя за три месяца. Свинцовые аккумуляторы следует заряжать не позже чем через 24 часа после разряда до напряже­ния 1,8 В.

Так как в процессе заряда кислот­ных батарей возникает сильное га­зообразование и испарение, они должны располагаться в легкодоступ­ном и хорошо вентилируемом месте, позволяющем отвинчивать пробки перед зарядкой и проверять арео­метром плотность и уровень электро­лита. Уровень электролита должен быть на 5—15 мм выше верхнего края пластин, а его начальная плот­ность составлять примерно 1,1 г/смл

Зарядный ток свинцовых акку­муляторов может быть определен по формуле:

где QH — номинальная емкость ак­кумуляторной батареи в А 

t — время заряда (обычно t = = 10—20 ч в зависимости от кон­струкции пластин).

Отметим, что плотность зарядного тока у кислотных аккумуляторов значительно меньше, а время заря­да — соответственно больше, чем у щелочных. Объясняется это тем, что слишком бурный электролиз быстро разрушает пластины кислотных ак­кумуляторов. Нормальный зарядный ток обычно приводится в паспорте батареи.

Нормальным зарядным током свинцовые аккумуляторы заряжают до начала сильного газовыделения, которое появляется при напряжении на элементе около 2,4 В, когда наб­рано примерно 80% полной емкости. После этого зарядный ток следует уменьшить до половинного значения и, внимательно следя за аккумулято­ром, продолжать заряд до тех пор, дока не появятся одновременно сле­дующие признаки:

а)       напряжение   на    элементах 2,75 -=- 2,8 В;

б)      происходит бурное газовыделе­ние (кипение);

в)      плотность электролита дости­гает значения 1,24 г/см3 (для неко­торых составов электролитов могут быть указаны другие рекомендации);

г) емкость, сообщенная аккумуля­тору, на 12 4-15% больше отданной им при разряде.

Свинцовые аккумуляторы очень чувствительны как к недозарядам, так и к перезарядам, поэтому заряд­ку нужно заканчивать своевременно. По окончании заряда пробки нужно завинчивать не сразу, а только через 3—4 ч.

Для продления срока службы пластин иногда применяется облег­ченный режим — зарядка малыми токами. Для этого при расчете вре­мя t берется равным 48 ч. Рассчитан­ным таким образом током аккумуля­тор заряжают 36 ч, затем делают трехчасовой перерыв, а потом еще раз подключают на 12 ч. Если после всего этого напряжение каждого эле­мента не достигнет 2,5—2,6 В, то пос­ле 3-часового перерыва аккумулятор вновь подключают к зарядному источнику, пока не будут получены все признаки конца зарядки (в та­ком режиме конечное напряжение на элементе должно составлять толь­ко 2,6 В вместо 2,75 — 2,8 В).

При зарядке кислотных аккуму­ляторов выделяются пары серной кислоты, хлор (особенно если в электролит попали брызги морской воды) и т. д. Поэтому заряжаемые аккумуляторы рекомендуется выно­сить под навес на свежий воздух.

Электролит для свинцовых акку­муляторов приготовляют в стеклян­ной или пластмассовой посуде попе­ременным доливанием дистиллиро­ванной воды и химически чистой (аккумуляторной) серной кислоты (плотность 1,83 — 1,84 г/см). Плот­ность измеряют ареометром только тогда, когда разогревшийся при растворении кислоты электролит остынет до 25 "С, Для получения раствора с рабочей плотностью 1,24 г/см3 нужно на один литр ди­стиллированной воды добавить око­ло 500 г концентрированной кис­лоты. Чтобы к моменту заливки элек­тролит отстоялся и успел остыть, его рекомендуется приготовлять за 10—20 ч до начала заливки.

Продолжение следует