INSTALACJA ELEKTRYCZNA JACHTU AKUMULATORY cz. I.

Transkrypt

1 INSTALACJA ELEKTRYCZNA JACHTU AKUMULATORY cz. I. Wprowadzenie. W dobie szybkiego postępu technicznego i elektronicznego na statki żaglowe, powoli zaczęła wkraczać elektryczność. Z początku były to proste instalacje elektryczne na ogół jeden akumulator i jakiś prostownik do ładowania z lądu. Sama instalacja elektryczna ograniczała się do świateł nawigacyjnych, oświetlenia wnętrza, zasilania radioodbiornika. Z biegiem czasu, gdy na jachtach pojawiły się silniki stacjonarne, instalacje elektryczne zaczęły się rozrastać. Możliwość ładowania akumulatorów w czasie pracy silnika spowodowała instalację większej ilości urządzeń elektrycznych. Ogromną rolę odegrał też w tym miejscu postęp technologiczny w budowie wydajnych, bezobsługowych akumulatorów oraz ewolucja układów prostownikowych z dużych, ciężkich i energochłonnych układów transformatorowych do lekkich i wydajnych układów impulsowych. Coraz częściej na naszych łódkach pojawiają się komputery, odbiorniki telewizyjne, autopiloty,stery strumieniowe, lodówki, klimatyzatory, pomy wodne i inne odbiorniki elektryczne. Taka sytuacja powoduje ciągły wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną na naszych łódkach. Schemat pierwszy. Na początek zacznijmy od omówienia najprostszego układu z jednym akumulatorem, jednym alternatorem i prostownikiem do ładowania akumulatora z lądu. Poglądowy schemat jest przedstawiony na rysunku.

2 Podstawową kwestią jest w tym przypadku dobór odpowiedniego akumulatora, alternatora i prostownika. Z alternatorem, na ogół, nie mamy wielkiego wyboru. Z reguły dziedziczymy go wraz z zainstalowanym silnikiem stacjonarnym i bez ponoszenia dodatkowych kosztów na zakup nowego urządzenia nie mamy wyboru. Alternatory charakteryzują się głównie dwoma parametrami : Napięcie robocze z reguły 12 V ( są też spotykane wersje 24 V lub specjalne na napięcia wyższe np. 48V) Prąd maksymalny od 40 do 200A ( zależnie od mocy silnika ) W tym miejscu, maksymalny prąd alternatora, ogranicza maksymalną pojemność akumulatora lub baterii akumulatorów ( z baterią mamy do czynienia w przypadku połączenia kilku akumulatorów razem w układzie równoległym ( wzrasta pojemność baterii ) lub w układzie szeregowym ( wzrasta napięcie baterii) ). Prąd maksymalny alternatora zależy natomiast od 2 czynników : Mocy zainstalowanego silnika Prędkości obrotowej alternatora Na rysunku przedstawiono przykładową charakterystykę alternatora : Wykres pochodzi ze strony Dla silników diesla przyjmuje się przełożenie koła pasowego alternatora na poziomie 2 do 3. Dla biegu jałowego silnika : 900 obr./s, prędkość obrotowa wału alternatora wyniesie około obr./s. Z wykresu, dla alternatora 200A otrzymujemy prąd 150A. Dla naszego alternatora 80A otrzymamy prąd około 50A. Dla prędkości maksymalnej około 3200 obr./s otrzymujemy prądy maksymalne.

3 Moc pobieraną z wału napędowego możemy wyliczyć z zależności : Pa=U x I ; gdzie U maksymalne napięcie alternatora ( 13,8 V dla altern. 12V ), I = 80 A Pa= 13,8 x 80 = 1104W. Sprawność alternatora na poziomie 85 do 95 % daje nam moc na kole napędowym równą : Pa / 0,85 = 1104W / 0,85 = 1300W = 1,3 kw = 1 KM ( koń mechaniczny ) Dla alternatora 200A otrzymujemy odpowiednio 4 KM. Załóżmy, że mamy alternator 12 V o prądzie maksymalnym 80 A. Przyjmujemy także, że 50 % tego prądu musi zapewnić ładowanie akumulatora, a pozostałe 50% prądu będzie służyło do zasilenia odbiorników energii w trakcie ładowania. Tak więc dysponujemy maksymalnym prądem ładowania 80 A x 0,5 = 40 A. Dla akumulatorów kwasowych najkorzystniejszym ze względu na ich trwałość jest zachowanie 10 godzinnego czasu ładowania, tj. 40 A x 10 h = 400 Ah, to jest maksymalna pojemność naszego akumulatora dla tzw. prądu dziesięciogodzinnego. Inaczej sprawa wygląda w świetle obowiązujących przepisów PRS tam założono 8-io godzinny prąd ładowania, co daje wartość 40A x 8h = 320 Ah. Ten wymóg PRS mówi, że akumulator powinien zostać naładowany w pełni w czasie 8 godzin. Oczywiście, zawsze można zastosować akumulator o mniejszej pojemności, ale wtedy skracamy czas pracy urządzeń elektrycznych przy zasilaniu wyłącznie z akumulatora ( bez silnika ) w końcu pływamy na jachtach żaglowych i cenimy ciszę. Natomiast producenci akumulatorów wyraźnie zalecają prąd 10-cio godzinny. Jaki wariant wybrać? To zależy od nas, jeśli jacht ma spełniać wymogi PRS, to 320 Ah. Inaczej będą kłopoty przy przeglądzie i inspektor PRS może nam zakwestionować inne rozwiązania. Ze względu na zachowanie długiej żywotności akumulatora do jego ładowania zaleca się dwu lub trzy stopniowy cykl ładowania.

4 Zależności czasowe dla procesu 2 fazowego przedstawione są na rysunku : gdzie : oś pionowa po lewej stronie wykresu obrazuje napięcie na zaciskach akumulatora oś pionowa po prawej obrazuje prąd ładowania oś pozioma to czas ładowania pierwsza faza tzw. bulk czas około 6 godzin U zmienia się szybko do 14,8 V, I=const = Imax po tym czasie akumulator jest naładowany mniej więcej w 80 %. druga faza absorpcyjna czas od 6 do 10 godzin I spada powoli do 0A, U=const = 13,8V w tym czasie akumulator jest doładowywany do 100 % pojemności, bez gazowania elektrolitu Dla procesu 3 fazowego : Wykresy pochodzą ze strony Wyróżniamy tutaj następujące fazy : Faza bulk ograniczenie napięcia do poziomu 14,8 V, prąd ładowania maksymalny Faza gazowania ograniczenie napięcia poniżej napięcia gazowania akumulatora 13,8V Faza magazynowa ograniczenie napięcia do poziomu 13,4 V z czasowym podładowaniem

5 Wnioski : Po tym krótkim wstępie możemy wysnuć nasz pierwszy wniosek : Maksymalna pojemność akumulatora jest zależna od typu zainstalowanego alternatora oraz od wymaganego czasu pracy urządzeń elektrycznych na akumulatorze. Zawsze należy dobrać typ alternatora i akumulatora w zależności od naszych potrzeb. Uwzględniając zależności czasowe procesu ładowania otrzymujemy drugi wniosek : Prostownik należy dobrać odpowiednio do naszego akumulatora. Najlepszym rozwiązaniem jest prostownik 3 fazowy, o maksymalnym prądzie wyjściowym równym 1/10 pojemności akumulatora ( lub 1/8 tej pojemności ) Dla naszego przypadku z akumulatorem 400 Ah ( lub 320 Ah ) otrzymujemy prąd prostownika na poziomie 40 A ( 50A dla PRS ) lub 32A ( 40A dla PRS ). Dalsze studiowanie not katalogowych producentów akumulatorów nasuwa trzeci wniosek: Długie ładowanie rozładowanego akumulatora małym prądem powoduje trwałe uszkodzenie mechaniczne płyt akumulatora oraz jego zasiarczenie. Nie stosujemy tanich ładowarek o niskim prądzie ładowania. Często w handlu można spotkać tzw. super ładowarki małe, poręczne o prądzie ładowania rzędu 4A. Taką ładowarką możemy ładować akumulator o pojemności do 40 Ah. Zapewnienia producenta o możliwości ładowania akumulatora o pojemności do 200 Ah możemy potraktować jako chwyt marketingowy. Owszem, można czymś takim posłużyć się doraźnie, w przypadku awaryjnym, ale musimy zawsze pamiętać, że taką zabawką przyczyniamy się do pogorszenia żywotności naszego akumulatora. Uwzględniając charakterystykę prądową alternatora możemy sformułować czwarty wniosek: Podczas pracy silnika na biegu jałowym nasz akumulator jest ładowany tylko w pewnej części. Nie możemy naładować go w pełni. Do tego konieczne jest zwiększenie prędkości obrotowej silnika. Rozpatrzymy teraz kolejne wersje instalacji elektrycznej, dwa i więcej akumulatorów i jeden do dwóch alternatorów.

6 Schemat takiej instalacji przedstawia rysunek : Dla tego przykładu oprócz znanych nam urządzeń takich jak alternator, akumulatory, prostownik pojawiają się inne : 1. Diodowy łącznik baterii 2. Awaryjny łącznik szyn ( AŁSZ ) Można zadać sobie pytanie : po co to wszystko? Otóż, diodowy łącznik baterii umożliwia nam ładowanie różnych akumulatorów z jednego alternatora lub prostownika w taki sposób, aby poszczególne akumulatory nie rozładowywały się wzajemnie. Gdybyśmy zastąpili ten łącznik np. przełącznikiem mechanicznym ( często spotykane w handlu ), to w sytuacji np. całkowicie rozładowanego akumulatora bytowego możemy doprowadzić do rozładowania np. akumulatora silnika co to oznacza w praktyce nie muszę tłumaczyć.

7 W pływaniu nie ma nic gorszego, jak w sytuacji awaryjnej musimy użyć silnika, a on nie chce zastartować! Takie łączniki są wykonywane w różnych technologiach diodowej ( normalne diody wysokoprądowe ), na diodach Schotkiego ( też diody krzemowe, ale o niskim spadku napięcia ) i w technologii MOSFET ( tranzystory o dużym prądzie i małym spadku napięcie ). Możecie zadać pytanie : po co ten wywód o spadku napięcia? Musimy tutaj wrócić do naszych wykresów napięciowych akumulatora. Dla urządzeń kwasowych, napięciami charakterystycznymi są : Napięcie gazowania równe 13,8 V Napięcie maksymalne równe 14,8 V Z tymi wartościami związane są napięcia ładowania alternatora i prostownika. Bez uwzględnienia spadków napięcia na diodach separacyjnych alternator o napięciu nominalnym 12V na swoim wyjściu generuje prąd o napięciu 13,8 V, a po odjęciu spadku napięcia na separatorze diodowym ( 0,7 V ) na akumulatorze otrzymujemy napięcie 13,1 V czyli nasz akumulator nigdy się nie naładuje. Sprawa wygląda trochę lepiej w przypadku łączników MOSFET ( tu spadek napięcia wynosi 0,2V ). Z bilansu napięć w obwodzie ładowania otrzymamy napięcie 13,8V 0,2V = 13,6V. Nie jest już tak strasznie, ale dla poprawnej pracy układu ładowania należy dobrać regulator napięcia alternatora. W tym miejscu sformułuję piaty wniosek : Jeśli na naszej łódce mamy więcej niż jeden akumulator i stosujemy separator ładowania baterii, to musimy wymienić regulator napięcia w alternatorze na odpowiedni typ. Z prostownikami sprawa wygląda lepiej. W tych droższych, nie piszę o zabawkach, z prostownika wychodzą dwa dodatkowe kabelki do podłączenia bezpośrednio do zacisków akumulatora. Jest to pomiar napięcia na zaciskach akumulatora i w takim przypadku elektronika prostownika automatycznie kompensuje spadki napięcia w obwodzie ładowania. Innym rozwiązaniem jest specjalny mikroprzełącznik serwisowy, którym możemy nastawić odpowiednie napięcie wyjściowe prostownika. Oddzielnym zagadnieniem jest stosowanie Awaryjnego Łącznika Szyn ( AŁSZ ). Bezpośrednio taki wymóg stawia PRS i ma na celu rozruch awaryjny silnika w przypadku rozładowania akumulatora silnika z drugiego akumulatora. Dla jachtów nie podlegających przeglądom PRS-u można z niego zrezygnować, ale musimy pamiętać jak może on nam ułatwić życie, szczególnie podczas trudnego podejścia do portu.

8 Ostatni schemat, to układ wieloakumulatorowy z dwoma alternatorami : Dla tego układu obowiązują wszystkie, wcześniejsze reguły oraz wnioski. Sprawą bilansu energetycznego na jachcie, sposobami jego wyliczania i dokładnym określeniem minimalnej pojemności akumulatorów zajmę się w drugiej części tego artykułu. Na koniec zapraszam do dyskusji na forum strony