pobierz pdf

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.
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 http://www.victronenergy.pl
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 2 700 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.
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.
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 http://www.victronenergy.pl
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
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.
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.
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.
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 www.sykahir.szczecin.pl .