« Утверждаю »
Зав. кафедрой « Э и НИЭ»
_______________ Сафонов В. А.
«______» _____________ 2005 г.
Лабораторная работа №3
по дисциплине: Аккумулирование энергии
Тема: Исследование характеристик емкостного аккумулятора
Инструктивно-методические указания
обсуждены и одобрены на заседании
кафедры «Э и НИЭ»
Протокол № от 2005 г.
г. Севастополь
Теоретическая часть
Ёмкостные накопители запасают энергию электрического поля.
Источник электропитания может быть как постоянного, так и переменного тока в виде электромагнитных генераторов или статических устройств.
При замыкании коммутатора зарядной цепи и разомкнутом коммутаторе разрядного устройства батарея конденсаторов заряжается от источника питания. В емкостной батарее за время зарядного процесса tз накапливается энергия, (дж)
Wи =
где Сн – ёмкость конденсатора, Ф,
U – напряжение зарядки, В.
От источника питания за время tз потребляется средняя мощность Рср.з = Wн · tз-1. Разряд происходит за время tр ≤ tз при замыкании коммутатора зарядного устройства. В нагрузке выделяется разрядная мощность Рн = Wн · tр-1· ηр, где ηр – КПД разрядки контура.
При tр << tз на интервале времени разряда происходит многократное увеличение мощности по отношению к средней, потребляемой от источника питания на интервале времени зарядного процесса tз.
На рис.1 показан периодический процесс «заряд-разряд». Между зарядом и разрядом в общем случае существует послезарядная пауза tпз, а после заряда, перед повторением следующего цикла, послеразрядная пауза – tпр . Таким образом, период зарядно-разрядного цикла tц = tз + tр + tпз + tпр.
Рис. 1. Циклограмма режима работы ёмкостного накопителя
На циклограмме (рис.1) показаны зарядный iз (t) и разрядный iр(t) токи неизменного направления и напряжения на ёмкостном накопителе неизменной полярности в циклическом режиме «заряд-разряд». Такой режим обычно имеет место при использовании источника питания постоянного тока.
После заряда на интервале tпр напряжение на ёмкостном накопителе может быть как равно 0, так и некоторому остаточному значению Uсо.
Зарядно-разрядные процессы накопителя характеризуются следующими основными параметрами:
- передаваемой в разрядный контур энергией
Wн =
где Uр и Uсо – напряжения на накопителе перед разрядом и остаточные напряжения на накопителе после разряда в конце предшествующего цикла;
- среднециклической мощностью
Рср.ц = Wн / tц;
- мгновенной зарядной мощностью, потребляемой накопителем
Р Cн (t ) = uСн (t) · iз (t) ;
- коэффициентом преобразования мощности
Кр = (Wн · tр-1 · ηе ) / (Wн · tц-1 ) = Рн / Рср.ц >> 1.
КПД зарядного контура
ηз = Wн / (Wн + Wп),
где Wн - энергия потерь, выделенных в виде теплоты в накопителе, сопротивлениях зарядной цепи и источника электропитания;
КПД разрядного контура
ηр = Wр.н / Wн ,
где Wр.н – энергия, выделенная в нагрузке в процессе разряда.
Удельные характеристики конденсаторов ёмкостных накопителей оценивают по отношению к объёму или массе. Удельная энергия по объёму Vк и массе Mк конденсатора определяется отношениями
Wк Vуд = Wк / Vк ; Wк Муд = Wк / Mк ,
Wк - запасаемая в конденсаторе энергия.
Типы конденсаторов
В различных типах конденсаторов ёмкостных накопителей используют газообразные, жидкие и твёрдые диэлектрики.
По типу диэлектрика конденсаторы подразделяются на следующие основные группы:
- воздушные;
- с твёрдым диэлектриком (слюдяные, керамические, бумажные, плёночные);
-с жидким диэлектриком ( масляные, водяные и т.п.);
- электролитические и с двойным электрохимическим слоем;
- бумажно - масляные;
- плёночные с вакуумной пропиткой диэлектрика.
Воздушные конденсаторы, конденсаторы с твёрдым диэлектриком и электролитические используются в основном в радиотехнике, автоматике и бытовых приборах.
Конденсаторы с жидким диэлектриком в настоящее время находят ограниченное применение. Масляные конденсаторы применялись раньше в ёмкостных накопителях. Современные ёмкостные накопители выполняются с плёночными и плёночно-бумажными конденсаторами с вакуумной пропиткой диэлектрика, а иногда и с бумажно - масляными. В некоторых случаях при низких напряжениях ёмкостного накопителя ( не более 100 – 200 в) и положительных температурах ( не более 40 0С) применяют электролитические конденсаторы.
Основным элементом активного объёма конденсатора является секция ( рис. 2). Наиболее распространённым типом секций является рулонная секция. Для секций со скрытой фольгой ширина фольги несколько уже плёнки – на удвоенное значение закраин, составляющее 7 – 10 мм. В секциях с выступающей фольгой ширина фольги выбирается так, чтобы фольга выступала с каждого торца секции на 2-3 мм от краёв плёнки, что позволяет все витки фольги соединять с торцевых сторон секции и сделать выводы обкладок, тогда как в первом случае выводы секций выполняются посредством металлических вкладышей.
Рис. 2. Полуразобранная (а) секция и секция в сборе (б): 1—секция; 2—конденсаторная бумага (пленка); 3—обкладка из алюминиевой фольги; 4, 5, 7—металлические вкладыши (4, 7—выводы секции); 6 — плавкий предохранитель
В зависимости от номинальной ёмкости, напряжения и разрядного тока конденсаторы составляются из последовательно соединённых групп секций, каждая из которых может состоять из нескольких параллельно соединённых секций.
Большинство малоиндуктивных конденсаторов ёмкостных накопителей выполняются в металлическом баке либо с металлической крышкой, имеющей фиксационный малоиндуктивный коаксиальный вывод, либо с изолированной крышкой, имеющей выводы в виде двух болтов, разделённых изоляционной перегородкой. Пространство между изоляционной крышкой и стенками металлического бака заполнено конденсаторным маслом, которое выполняет роль изолятора и улучшает охлаждение.