Аналіз можливих схем електрохімічних генераторів для автономних джерел електричної енергії (стр. 4 из 6)

Ступінчастий АРН (рис.6.4) заснований на принципі ввімкнення в роботу за допомогою тиристорів такої кількості елементів ЕХГ, котре при даному навантаженні забезпечує на виводах ЕХГ напругу, близьку до заданої. З цією метою від елементів генератора виконаний ряд відгалужень через тиристори.

Вивід, відповідній номінальній напрузі при на холостому ходу, вмикається через силовий діод Д. До кожного наступного виводу приєднується керований вентиль КВ. Вивід другої полярності наглухо приєднаний до навантаження Н. В схемі використані вентилі КВ з керуванням по ввімкненню і спеціальний пристрій для відключення. Якщо напруга на навантаження відрізняється від номінальної то датчик напруги ДН вмикає генератор імпульсів. Ці імпульси через розподілювач РІ надходять до керованих вентилів, послідовно переходячи від одного до іншого. Ввімкнення керованого вентиля, найближчого до діода Д, викликає зупинку струму через діод, тау як до діоду буде прикладатись запираюча напруга. При збільшенні навантаження буде послідовно вмикатись все більше число елементів, в результаті чого напруга буде дорівнювати номінальній (в межах заданої точності). Тоді датчик напруги зупинить генератор імпульсів. Після цього залишиться ввімкненим тільки один з керованих вентилів і процес перемикання зупиниться до тих пір, поки не зміниться напруга.

При підвищенні напруги більше заданого датчик напруги вимкне всі керовані вентилі подав імпульс на допоміжний вентиль КВ в пристрої відключення В. Тоді навантаження опиниться ввімкнений через діод Д на вивід холостого ходу. Якщо напруга при цьому не буде дорівнювати номінальній, то продовжиться перемикання керованих вентилів КВ в порядку зменшення їх номерів. При досягненні номінальної напруги пристрій перестає працювати, так як генератор запускаючи імпульсів зупиняється.

Завдяки швидкодії тиристорів забезпечується хороша якість регулювання. Точність регулювання напруги залежить від кількості відгалужень від елементів ЕХГ. До недоліків ступінчатого АРН відноситься необхідність в великій кількості вентилів. Так, для забезпечення точності регулювання ± 3% необхідно застосувати близько 9 вентилів.

Імпульсний АРН (рис.6.5) заснований на принципі періодичного перемикання напівпровідникових вентилів двох виводів ЕХГ змінною сквапністю. Вивід, ввімкнений через діод, відповідає заданій напрузі при холостому ході. Через тиристор приєднаний вивід, що забезпечить ввімкнення всіх елементів генератора і відповідає заданій напрузі при повному навантаженні.

Виконавчим органом схеми такого АРН являється керований вентиль КВ, силовий діод Д і фільтр, що складається із дроселя ДФ і конденсатора КФ.

Спосіб регулювання напруги полягає в тому, що навантаження почергово вмикається то на вивід номінальної напруги (при включеному керованому вентилі КВ), то на вивід холостого хода (через силовий діод Д при відключеному КВ). При ввімкненому керованому вентилі струм через діод не протікає, так як до нього прикладена напруга зворотної полярності.

При різному часі знаходження у ввімкненому стані керованого вентиля КВ отримаємо різну величину регулюючої напруги, яка складається із напруги на виході холостого ходу середньої величини отриманої при перемиканні добав очної пульсуючої напруги. Пульсація результуючої напруги згладжується фільтром, що складається із дроселя ДФ і конденсатора КФ.

Включення і відключення вентиля КВ забезпечується додатковим пристроєм, що складається з датчика напруги ДН, який діє на генератори відпираючи імпульсів ГВІ і запираючих імпульсів ГЗІ. Час включення КВ визначається зсувом запираючих імпульсів у відношенні до відпираючи. Цей час змінюється до тих пір поки напруга на навантаженні не буде рівною номінальній. У подальшому час включення не зміниться при незмінних умовах роботи ЕХГ.

В режимі холостого ходу або малих навантаженнях датчик напруги зупиняє роботу генератора. При цьому частина батареї постійно відключена. В режимі номінального навантаження працює тільки генератор відпираючи імпульсів і ЕХГ включений повністю.

Дана схема АРН потребує тільки одного додаткового вивода ЕХГ і одного керованого вентиля на повну потужність установки. Недоліком цієї схеми являється необхідність застосування додаткового згладжуючого фільтра.

6.1. Захист ЕХГ від струму короткого замикання і перенавантаження

Як і будь-яке інше джерело електроенергії, ЕХГ повинен бути забезпечений пристроєм захисту від струмів короткого замикання і перенавантаження.

Як показали експериментальні дослідження, основною причиною виходу з ладу ЕХГ є необоротна поляризація електродів. Зокрема, для ТЕ з металокерамічними електродами і каталізаторами – нікелем і сріблом Ренея – причиною виходу з ладу являється необоротна поляризація воденевих електродів, викликана окисленням каталізатора при великих густинах струму. Для інших типів ТЕ значне зниження характеристик може бути викликане зношенням кисневих електродів. Проте в усіх випадках можна визначити величину максимально допустимої поляризації електродів, при якій ще не наступає необоротність поляризації електродів. Цій величині поляризації відповідає мінімальна напруга ЕХГ, при якій можлива нормальна робота ЕХГ.

У зв’язку з цим найбільш прийнятним захистом ЕХГ з існуючих є захист мінімальної напруги з блокуванням по максимальному струмі (рис.6.6). Схема такого захисту складається з двох релейних документів 2,3, елемента « или - на » 5, « И » 7, витримки часу 8, підсилювача 10, комутаційного апарата 11. релейний елемент 3 є вимірювальним органом захисту мінімальної напруги і приєднується до затискачів ЕХГ 1 ( через потенціометр для настройки захисту). Релейний елемент 2 – вимірювальний орган захисту максимального струму, приєднаний до затискачів шунта Ш.

При нормальному режимі роботи напруга на затискачах ЕХГ номінальна, тому релейний елемент 3 знаходиться в робочому стані, тобто на його виході існує сигнал і, відповідно немає сигналу на виході елемента 5. при протіканні робочого струму падіння напруги на шунті Ш невелике, менше напруги спрацювання релейного елемента 2, тому на його виході сигнал відсутній.

При виникненні короткого замикання напруга на затискачах ЕХГ знизиться, а струм, що прямує через шунт стане струмом короткого замикання. У зв’язку з цим релейний елемент 2 спрацює, елемент 3 повернеться у вихідне положення. Відповідно, з'являються сигнали на входах елемента « И » 7 і сигнал на його виході. Після заданої витримки часу що здійснюється за допомогою реле часу 8, сигнал, підсилений підсилювачем 10, подається на комутаційний апарат 11, що відключає ЕХГ.

Використане в цьому захисті блокування по максимальному струму необхідне у зв’язку з можливістю хибного спрацювання захисту мінімальної напруги при обриві проводу.

Елементи 4, 6, 9, представляють собою захист від перенавантаження. Цей захист працює на логічну описаному вище захисту мінімальної напруги, проте має іншу уставку по напрузі, відповідну струмові перенавантаження, і діє на сигнал або на розвантаження ЕХГ.

6.2. Стан розробки ЕХГ за кордоном

Розробки ТЕ ведуться зараз у більшості розвинутих в промисловому відношенні країнах світу. Найбільш широко ці розробки ведуться в США, Англії, Франції, Німеччині, Японії і інших. Провідне місце серед них займає США.

Особлива увага приділяється розробці ЕХГ потужністю 0,1 – 15 кВт з використанням у якості вихідного палива насамперед рідких вуглеводів і іншого доступного палева і в якості окисника повітря. У відповідності з цим розробленні вуглеводно-повітряні ЕХА потужністю 0,5; 0,75 і 5 кВт.

Вуглеводно-повітряні ЕХА постійного струму потужністю 0,5 кВт спроектовані, виготовлений і випробовуваний фірмою Пратт енд Уітні.

Це переносний електроагрегат, виконаний в двох пакунках: в одній упаковці розміщений генератор вуглеводу, в іншому – ЕХГ.

Основні технічні показники агрегату по завданню:

- номінальна потужність 500 Вт ;

- номінальна напруга 32 В ;

- точність регулювання напруги 10% ;

- загальна вага ( включаючи паливо ) 32 кг ;

- загальний об’єм 0,113 м³ ;

- строк служби 1000 год. ;

- температура навколишнього повітря від – 40 до +50˚С ;

- відносна вологість повітря 100% .

Генератор вуглеводу заснований на конверсії рідкого вуглеводного палева з водяним паром і наступним відділенням вуглеводу з продуктів конверсії через мембрану із сплаву паладію зі сріблом. Для роботи генератора вуглеводу використовується рідке паливо з малим вмістом сірки і зм’якшеної води. Генератор виконаний по двохступінчастій схемі конверсії при тиску 16,8 атм.; перша ступінь – конверсія вуглеводів при температурі 760˚С і молярному відношенні води до вуглеводу 3; друга ступінь – конверсія окис вуглецю при температурі 370˚С. Конвертор окису вуглецю конструктивно з’єднаний з дифузійним роз’єднувачем вуглецю. Теплообмінник перед конвертором окису вуглецю конструктивно з’єднаний з реформером. Завдяки цьому досягнута компактність генератора водню. Для обігріву реформера використовується згорання залишкового газу після дифузійного роз’єднувача вуглецю. На вході у роз’єднувач вуглецю продукти конверсії складають 47% водню, метану 6%, окису вуглецю 1%, водяного пару 30% і двоокису вуглецю 16% по об’єму. Вміст вуглецю в залишковому газі знижується до 15%. Подача повітря в резервуар для згорання залишкового газу проходить за рахунок інжектору в якому тиск залишкового газу знижується від 16,8 атм. до 1,3 атм. Тому як горіння надлишкового газу проходить при надлишковому повітрі, то проходить повне згоряння без виділення токсичних газів. Температура вихлопних газів 230˚С.