Зарядное устройство для катера

«Сколько часов проработает аккумулятор без подзарядки?». Этот распространенный вопрос беспокоит многих владельцев катеров и яхт. Однозначно ответить на него нельзя, однако точно известно, что при неправильной зарядке емкость аккумуляторов снижается, а время непрерывной работы аккумулятора оказывается меньше ожидаемого.

Чаще всего аккумуляторы заряжают с помощью устройств, работающих от сети переменного тока. Входное сетевое напряжение в таких устройствах сначала подается на трансформатор, который понижает его приблизительно до уровня аккумуляторной батареи. Поскольку ток на выходе с трансформатора по-прежнему переменный, с помощью диодов или электронных переключателей различного типа его преобразуют в постоянный, а затем уже используют для зарядки аккумуляторов.

Два основных компонента зарядного устройства — трансформатор и выпрямитель можно объединить между собой несколькими различными способами

Типы зарядных устройств

Существует три основных типа морских зарядных устройств, которые используются на катерах и яхтах – феррорезонансные, тиристорные и импульсные. Феррорезонансные были самыми распространенными на протяжении последних десятилетий, по-прежнему широко используется, однако с каждым годом их производят все меньше. Импульсные модели ведут свою родословную от источников питания компьютерной техники и в настоящее время являются самыми распространенными

Феррорезонансные модели

Основа феррорезонансных моделей – трансформатор, намотанный так, чтобы понизить известное входное напряжение, например, 230 Вольт до заданного выходного, например, 13, 8 вольт. После этого переменный ток выпрямляют диодами и используют для зарядки аккумуляторов.

Феррорезонансные зарядные устройства простоты и надежны. Но цена и надежность — это одно, а качество и скорость зарядки — другое.

Простота конструкции феррорезонансных моделей является и их главным недостатком. У устройств этого типа нет регулирующих цепей, поэтому единственный способ избежать перезарядки аккумулятора — это намотать трансформатор так, чтобы его выходное напряжение не превышало 14,0 вольт (для 12-вольтовой электрической системы). Как только напряжение аккумулятора повысится до этого уровня, выходной ток зарядного устройства снизится до нескольких миллиампер.

Схема феррорезонансного зарядного устройства
Базовая схема феррорезонансного зарядного устройства. Трансформатор понижает входное напряжение переменного тока, а выпрямительные диоды преобразуют его в постоянное.

Поскольку при росте напряжения аккумулятора, ток во вторичной обмотке трансформатора снижается, то уже при 50% уровне заряда, выходная мощность многих феррорезонансных устройств уменьшается до половины от номинальной. К тому моменту, когда аккумулятор зарядится до 75%, зарядный ток даже мощного устройства снижается до нескольких ампер.

Если катер или яхта используются только по выходным, а затем на неделю остаются подключенными к береговой электрической сети, длительное время зарядки не является критичным. Но если время зарядки ограничено, аккумуляторы не успеют зарядится полностью.

Несмотря на низкую производительность, зарядный ток многих феррорезонансных устройств остается значительным, даже после того как аккумулятор полностью зарядится. Поэтому если батарея постоянно подключена к работающему зарядному устройству, то через некоторое время электролит в ней может закипеть.

Феррорезонансные устройства никогда не следует использовать с гелевыми и AGM аккумуляторами.

Поскольку выходное напряжение и ток в феррорезонансных моделях определяются входным напряжением и частотой, колебания параметров на входе вызывают неконтролируемые скачки напряжения на выходе, которые в свою очередь ведут к недозарядке или перезаряду аккумулятора. Для нормальной работы феррорезонансного устройства частота переменного тока должна выдерживаться с точностью до ± 2 циклов.

КПД феррорезонансного устройства составляет 75-80%, коэффициент мощности в некоторых промышленных моделях доходит до 0,9.

На протяжении десятилетий феррорезонансные зарядные устройства были одним из основных источников преждевременного выхода аккумуляторов из строя. Если такое устройство по-прежнему эксплуатируется, лучше заменить его на современную модель.

Тиристорные устройства

Базовая схема тиристорного зарядного устройства
Базовая схема тиристорного зарядного устройства

В зарядных устройствах этого типа тиристорный регулятор периодически подключает выход силового трансформатора к нагрузке, а цепь регулирования фазы контролирует продолжительность положительного полупериода переменного напряжения и время в течении которого тиристор проводит ток. Чем больше времени тиристор находится во включенном состоянии, тем большая мощность передается нагрузке. Тиристорная цепь в данном случае действует как один из видов широтно-импульсной модуляции.

Программа, загруженная в память микропроцессора в контуре управления, позволяет получать различные значения напряжения и силы тока на выходе устройства. Для контроля за процессом зарядки в схему встраивают таймеры и индикаторы состояния. Устройство перенастраивается на новые значения зарядного тока после загрузки в память микропроцессора измененной программы.

КПД однофазного устройства составляет приблизительно 75%, а коэффициент мощности — 0,7. Из-за работы тиристоров в переключающем режиме, в выходной цепи зарядного устройства могут возникать электромагнитные помехи.

Высокочастотные устройства

Входное переменное напряжение частотой 50/60 Гц, в импульсных устройствах сначала выпрямляется, а затем подается на высокочастотный конвертер, который вновь превращает его в переменное, но уже с частотой 50-100 кГц и выше. Специальный трансформатор понижает напряжение до уровня пригодного для зарядки аккумуляторов, а выходной выпрямитель вновь преобразует напряжение в постоянное.

Мощность устройства контролирует схема широтно-импульсной модуляции. Выходное напряжение поступает на устройство управления, которое сравнивает его с заданным и, изменяя ширину управляющего ключевыми транзисторами импульса, регулирует выходное напряжение и ограничивает ток зарядного устройства. Переключающий режим работы транзисторов обеспечивает значительную эффективность — КПД высокочастотных зарядных достигает 90 и более процентов

Зарядное устройство Sterling Power PCU1240  PCU20
Технические характеристики
Максимальный зарядный ток 40 А
Номинальное выходное напряжение 12 В
Входное напряжение переменного тока 80-270 В, 40-70Гц
Коэффициент мощности 0,976
КПД 90,4%
Уровень пульсаций 14 мВ
Рекомендуемая мощность генератора 700 Вт
Зарядка аккумуляторов
Типы аккумуляторов Обслуживаемые и необслуживаемые с жидким электролитом, GEL, AGM, LiFePo4, кальциевый
Собственный зарядный профиль Да
Количество программ зарядки 11
Режим десульфатации Да
Ограничение мощности 75, 50, 25%
Количество выходов 3
Режим источника питания Да
Управление
Информация на передней панели Вольтметр, амперметр, выходная мощность, статус зарядки, тип аккумулятора, температуры
Дистанционное управление Проводной пульт
Датчик температуры Да
Габариты
Размеры, мм 260 х 215 х 90
Вес, кг 2,0

За счет использования высокочастотных трансформаторов и дросселей вес и габариты импульсных устройств оказываются во много раз меньше, чем у тиристорных или феррорезонансных моделей.  Например, высокочастотный трансформатор мощностью 3 KVA весит менее 1 килограмма и имеет объем около 0,5 дм3. Традиционный трансформатор той же мощности — 23 кг при объеме 15 кубических дециметров.

Высокочастотные устройства превосходят обычные модели не только по размеру и весу. В отличии от феррорезонансных, они нечувствительны к изменению входной частоты и напряжения. Импульсное зарядное одинаково стабильно работает при плавающей частоте плохо управляемого генератора переменного тока или при переходе от американской к европейской электрической сети. Продвинутые модели допускают входную частоту от 45 до 70 Гц и входное напряжение 90 — 270 вольт. Цепь активной коррекции коэффициента мощности в лучших моделях повышает значение PF до 0,98.

Коэффициент мощности зарядного устройства должен быть как можно ближе к 1. Он служит мерой эффективности устройства, особенно при работе с небольшим генератором. Коэффициент мощности 0,7 означает, что для заданного выхода генератора зарядная мощность не превысит 70%. При коэффициенте мощности близком к 1,0 реальная зарядная мощность в равна номинальной.

Выходное напряжение высокочастотных устройств ближе к постоянному, чем у феррорезонансных, которые часто имеют на выходе наложенную пульсацию, разрушительную для гелевых и AGM аккумуляторов. Пульсации выходного напряжения у некоторых высокочастотных моделей не превышают 15 мВ. Однако из-за того, что при быстром переключении высоких токов возникают радиочастотные помехи, дешёвые импульсные устройства сильно «шумят». Это часто ведет к нестабильной работе электронного оборудования, включенного в сеть постоянного тока.

Зарядные устройства с микропроцессорным управлением не просто развивают существовавшие технологии зарядки аккумуляторов, но радикально улучшают их. Благодаря им аккумуляторы заряжаются за меньшее время полнее, а срок их службы увеличивается, иногда в несколько раз. Чем больше емкость и стоимость аккумуляторов, тем выгоднее использовать качественное высокочастотное устройство зарядки. Затраты на него окупаются за счет увеличения срока службы дорогих батарей

Регулировка зарядки

Для быстрой зарядки аккумуляторов выходное напряжение зарядного устройства должно превышать напряжение в системе постоянного тока. Чем больше разница напряжений, тем больший ток получат аккумуляторы (подразумевается, что зарядное устройство обладает достаточной мощностью, чтобы обеспечить ток, который способна поглотить аккумуляторная батарея).

Однако зарядка большим током при повышенном напряжении, потенциально опасна и может разрушить аккумулятор. Чтобы этого не случилось, нужна система обратной связи, регулирующая выход зарядного устройства по мере заряда аккумулятора.

Зарядка постоянным напряжением

Симисторные и тиристорные устройства используют схему регулировки на основе постоянного напряжения, которая работает аналогично регулятору автомобильного генератора. Кривая зарядки такого устройства не слишком отличается от кривой феррорезонансной модели, за исключением того, что на поздних этапах скорость зарядки у тиристорного устройства значительно выше.

Как только напряжение аккумулятора достигает заданного в регуляторе значения, зарядное устройство либо отключается, либо понижает уровень напряжения, чтобы избежать перезарядки. В дополнение к лучшей выходной кривой тиристорные модели позволяют выставить более высокое выходное напряжение на трансформаторе, а затем отрегулировать его. Благодаря этому появляется возможность компенсировать изменения входного напряжения и частоты. Производительность устройства увеличивается, но его сложность возрастает.ferro-scr-current

Многоступенчатая зарядка

Зарядка постоянным напряжением использовалась на протяжении десятилетий до появления в конце 80-х годов прошлого века многоступенчатых зарядных устройств и их последующей доработки в 90-х годах. В многоступенчатых зарядных устройствах трансформатор непрерывно обеспечивает полную мощность даже при высоких зарядных напряжениях, а микропроцессор управляет регулятором на основе симисторов, тиристоров или полевых транзисторов.

Графики тока и напряжения при зарядке аккумуляторов в несколько стадий
Графики тока и напряжения при зарядке аккумуляторов в несколько стадий. 1 этап — зарядка постоянным током до тех пор пока напряжение аккумулятора не достигнет предустановленного значения. 2-этап — зарядка при постоянном напряжении. Ток потребляемый аккумулятором постепенно снижается. 3 этап — зарядное устройство снижает напряжение, чтобы не перезарядить аккумулятор

Большинство многоступенчатых зарядных устройств имеют схожие этапы зарядки — насыщение, абсорбция, поддерживающая зарядка. В некоторых случаях производители добавляют режимы выравнивания и десульфатации.

Стадия абсорбции — неотъемлемая часть полноценной зарядки аккумуляторов глубокого разряда. Так называемые двухступенчатые модели не имеют этого этапа и переходят в режим поддерживающей зарядки сразу после окончания стадии насыщения. Аккумуляторы, заряжаемые с помощью таких устройств, будут скорее всего постоянно недозаряжаться.

Недорогие устройства используют одну программу зарядки. Более сложные модели имеют три режима для всех основных типов аккумуляторов глубокого разряда. Самые продвинутые устройства позволяют пользователю самостоятельно определять различные точки изменения напряжения, параметры ограничения тока и времени зарядки, устанавливать программу выравнивания аккумуляторов. Лучшие устройства предварительно запрограммированы для жидко-кислотных, гелевых, AGM и литиево-ионных аккумуляторов и имеют до 12 готовых профилей зарядки. Пользователю просто остается подобрать правильный режим для своего аккумулятора.

Что должно уметь зарядное устройство

Помимо зарядки в несколько стадий современное зарядное устройство может обладать следующими дополнительными возможностями:

  • Ограничение длительности первой фазы зарядки. Если по какой-то причине зарядное устройство не перейдет к стадии абсорбции, а затем к поддерживающей зарядке, встроенная защита отключит его и не допустит перегрева аккумулятора
  • Температурная компенсация. Устройство повышает или понижает напряжения зарядки измеряя температуру аккумуляторов, а не окружающего воздуха. В комплекте с такими зарядными устройствами поставляется температурный датчик
    Датчик температуры на клемме аккумулятора
    Датчик на клемме позволяет регулировать напряжение зарядки в зависимости от температуры аккумулятора

Пульсации напряжения на выходе не должны превышать 5%. Для 12-вольтовой электрической системы это 0,70 вольт, для 24-вольтовой — 1,4 вольта. У более качественных моделей эти значения вдвое меньше. Напряжение пульсации измеряется вольтметром переменного тока, установленного на выходе, во время работы зарядного устройства на полной мощности

  • Независимый контроль напряжения для каждого выхода. Большинство зарядных устройств с несколькими выходами устанавливают одинаковое напряжение зарядки для всех выходов. Некоторые модели позволяют установить индивидуальную программу для каждой группы подключенных аккумуляторов и одновременно заряжать аккумуляторы разного типа
  • Распределение мощности между выходами в зависимости от нагрузки. Многие зарядные устройства с несколькими выходами делят доступный зарядный ток между аккумуляторами в равной пропорции. Такой подход снижает стоимость устройства, но увеличивает продолжительность зарядки, поскольку самый разряженный аккумулятор не получает ток, который он способен «усвоить». Другие модели перераспределяют неиспользуемый одним выходом ток между остальными, вплоть до полной мощности зарядного устройства для любого отдельного выхода.
    зарядное устройство для катера с тремя выходами Sterling Power PSP12203
    Водонепроницаемое зарядное устройство для катера с тремя выходами Sterling Power PSP12203 распределяет зарядный ток между выходами в зависимости от нагрузки и имеет три программы зарядки

     

  • Цепи подавление радиочастотных(RFI) и электромагнитных помех (EMI). Дешевые модели, не оснащенные хорошими фильтрами, могут быть электрически шумными. Изделие, выпущенное для использования в США, должно соответствовать правилам FCC Rule 15, Part B, а европейское маркировано знаком СЕ.
  • Защита от короткого замыкания и обратной полярности. Предотвращает поломку устройства, если выходные кабели случайно закорочены или их полярность перепутана. В некоторых моделях предусмотрено отключение из-за высокого выходного напряжения
  • Дистанционный пульт для управления расположенным в недоступном месте зарядным устройством

Задайте вопрос,

и получите консультацию по электрооборудованию для катера, яхты, автодома или кемпера

Ваше имя

Ваш e-mail

Сообщение

captcha