Batteria agli ioni di sodio L'accumulatore è in grado di sostenere i carichi di avviamento del motore della pompa solo se l'impianto è progettato tenendo conto della corrente di avviamento, non solo della potenza di funzionamento. Durante l'avviamento, i motori delle pompe possono richiedere una corrente pari a diverse volte quella normale; pertanto, le stime dell'ordine di “5–8×” sono utili solo per una selezione preliminare. Il dimensionamento definitivo deve basarsi sui dati riportati sulla targhetta del motore, sui dati relativi al rotore bloccato, sui limiti dell'inverter e sui test applicativi.
Anche con una quantità sufficiente di kWh, la pompa potrebbe non funzionare se l’inverter si disattiva, il BMS si scollega o il calo di tensione supera la soglia di interruzione. La domanda fondamentale è se il sistema sia in grado di gestire la corrente di avviamento, il tempo di accelerazione, il calo di tensione e gli avviamenti ripetuti senza superare i limiti di protezione.
Questo articolo tratta delle pompe a corrente alternata alimentate tramite un inverter. Per le pompe a corrente continua, verificare anche l'intervallo di tensione del regolatore, il limite di corrente del motore, le perdite nei cavi e la capacità di corrente di picco del BMS.
Batteria agli ioni di sodio Kamada Power da 48 V e 200 Ah
L'avvio delle pompe è innanzitutto un problema di alimentazione, prima ancora che un problema energetico
Il funzionamento di una pompa comporta due requisiti distinti: l'avviamento e il funzionamento. L'energia necessaria al funzionamento determina per quanto tempo la pompa può funzionare, mentre la potenza di avviamento determina se la pompa è in grado di avviarsi. Non si tratta dello stesso problema di progettazione.
Una pompa può funzionare a un livello di potenza gestibile una volta che il motore ha raggiunto la velocità di regime, ma la coppia di avviamento può richiedere una corrente molto più elevata per un breve periodo. La batteria, l’inverter, il BMS, i cavi, i fusibili, i connettori e il controller devono resistere a quel breve evento prima ancora che il tempo di funzionamento diventi rilevante.
Per quanto riguarda l'accumulo a ioni di sodio, ciò significa che la capacità da sola non è sufficiente. Un pacco batterie più capiente può aumentare l'autonomia, ma se il limite di corrente di picco del BMS, la capacità di sopportare picchi di corrente dell'inverter o il percorso del cavo CC non sono in grado di supportare l'avvio, la pompa potrebbe comunque non avviarsi.
Questo è l'errore più comune nei progetti di pompaggio di riserva: un apporto energetico sufficiente non sempre equivale a una potenza di avviamento sufficiente.
Il tipo di pompa influisce sulla difficoltà di avviamento
Non tutte le pompe generano lo stesso carico all'avvio. Una piccola pompa di circolazione, una pompa per l'irrigazione, una pompa per pozzi profondi, una pompa di rilancio, una pompa di drenaggio, una pompa di trasferimento e una pompa per processi industriali possono sollecitare l'impianto in modo diverso.
Alcune pompe si avviano senza difficoltà, mentre altre devono superare la pressione, il carico idraulico, la resistenza delle tubazioni, le valvole di ritegno o un carico meccanico elevato. Una pompa che si avvia facilmente in un impianto potrebbe avere difficoltà in un altro a causa delle diverse condizioni idrauliche.
Il motore e la pompa devono quindi essere valutati insieme. Un sistema a batteria in grado di avviare una pompa con carico leggero potrebbe non riuscire ad avviare lo stesso motore se questo è collegato a un pozzo più profondo, a una prevalenza maggiore, a una valvola di ritegno che si blocca, a una lunga tratta di tubazione o a un serbatoio a pressione che aumenta la coppia di avviamento.
Se il motore impiega più tempo ad accelerare, la corrente elevata si protrae più a lungo. Il BMS, l’inverter e i cavi rimangono quindi sottoposti a sollecitazioni per un periodo più lungo. La batteria non tiene conto solo della potenza nominale del motore, ma anche delle effettive condizioni di avviamento.
L'inverter deve resistere alla sovratensione
Nel caso dei motori delle pompe a corrente alternata, l’inverter è spesso il primo dispositivo limitante. Deve convertire la corrente continua della batteria in corrente alternata, gestendo al contempo il picco di corrente all’avvio della pompa. Se la capacità di picco dell’inverter è troppo bassa, potrebbe guastarsi prima ancora che la batteria diventi effettivamente il problema.
Se la soglia di interruzione per bassa tensione dell'inverter è troppo alta, questo potrebbe spegnersi in caso di calo della tensione di ingresso in corrente continua durante l'avvio. Se la logica di riavvio non è adeguata, la pompa potrebbe entrare in un ciclo di accensione e spegnimento ripetuto, generando un maggiore stress.
Una batteria agli ioni di sodio può essere in grado di erogare corrente, ma l’inverter deve comunque gestirla. Ecco perché l’avvio della pompa dovrebbe essere verificato all’ingresso dell’inverter, non solo ai terminali della batteria.
L'inverter prende la sua decisione in base alla tensione rilevata, tenendo conto delle perdite nei cavi, dell'interruzione dei fusibili, della resistenza dei connettori, della caduta di tensione del BMS e della resistenza interna del pacco batterie. Una batteria in buone condizioni può comunque apparire debole all'inverter se il percorso in corrente continua è sottodimensionato.
Il sistema di gestione della batteria (BMS) deve essere dimensionato in base alla corrente di picco e alla durata
Il BMS non dovrebbe essere selezionato esclusivamente in base alla corrente di scarica continua. L'avvio della pompa potrebbe richiedere una breve corrente di picco. Se il limite di corrente di picco del BMS è troppo basso, il pacco batterie potrebbe disconnettersi prima che la pompa raggiunga la velocità desiderata.
Se la durata del picco è troppo breve, il motore potrebbe avviarsi e poi arrestarsi. Se la protezione termica del BMS è vicina al proprio limite, gli avviamenti ripetuti possono causare un accumulo di calore anche se ogni avviamento è di breve durata.
È qui che lo stoccaggio agli ioni di sodio diventa una questione di progettazione del pacco batterie finito. Le celle, lo stadio di potenza del BMS, le sbarre collettrici, il cablaggio interno, i contattori o i MOSFET, i terminali, i fusibili, i connettori e il percorso dei cavi esterni formano tutti un’unica catena di corrente di avviamento.
È la parte più debole a determinare se il sistema avvia la pompa. Una capacità nominale in Ah più elevata non risolve automaticamente un problema di corrente di picco del BMS. La capacità influisce sull'autonomia. È la progettazione del percorso di corrente a determinare se il motore può avviarsi.
Il calo di tensione è solitamente il fattore scatenante nascosto
L'avvio della pompa spesso fallisce perché la tensione scende eccessivamente per un breve periodo. Durante l'avvio, l'elevata corrente provoca un calo di tensione sulle celle, sul BMS, sulle sbarre collettrici, sui cavi, sui fusibili e sui connettori.
Se la tensione in ingresso all'inverter scende al di sotto del valore di cut-off, l'inverter si disinnesta. Se il pacco batterie supera una soglia di bassa tensione o di sovracorrente impostata dal BMS, quest'ultimo potrebbe disconnettersi. Dopo l'arresto della pompa, la tensione potrebbe risalire, rendendo difficile individuare la causa del guasto.
Una lamentela frequente sul campo è: «La batteria risulta ancora carica, ma la pompa non si avvia.» Può darsi. Il pacco batterie potrebbe avere ancora energia, ma il sistema semplicemente non riesce a mantenere la tensione sufficientemente alta durante la fase di avvio.
Nelle applicazioni con pompe, la tensione sotto carico è più importante della tensione a vuoto. Il controllo della tensione a vuoto non costituisce una verifica di avviamento.
Un SOC basso e le basse temperature rendono più difficile l'avviamento
Una pompa che si avvia a piena carica potrebbe non funzionare correttamente a livelli di SOC inferiori. Man mano che la batteria si scarica, il margine di tensione si riduce e lo stesso picco di tensione all’avvio può far scendere la tensione al di sotto della soglia di disinserimento dell’inverter o del punto di protezione del BMS.
Se il sistema funziona all'aperto o in ambienti freddi, la resistenza interna e la caduta di tensione possono diventare più problematiche, a seconda del design del pacco batterie finito e delle condizioni di temperatura.
La chimica degli ioni di sodio potrebbe offrire un potenziale utile alle basse temperature, in particolare per le applicazioni con pompe all’aperto e in località remote. Tuttavia, la capacità di scarica a basse temperature non garantisce automaticamente la capacità di avviamento delle pompe ad alta corrente in inverno.
L'avvio della pompa dipende ancora dalla verifica della corrente di picco del pacco batterie finito, dai limiti del BMS, dalla capacità di sopportare picchi di corrente dell'inverter, dalla resistenza dei cavi, dal calo di tensione in caso di basso SOC e dal recupero dopo avviamenti ripetuti.
Per gli impianti idrici, l’irrigazione, il pompaggio solare a distanza, le attrezzature agricole, i sistemi di raffreddamento per le telecomunicazioni o i sistemi di backup industriali, le condizioni più difficili spesso non sono rappresentate da un SOC completo in condizioni climatiche miti, bensì da un SOC basso, temperature basse, percorsi cavi lunghi e il riavvio della pompa sotto pressione effettiva.
Le partenze ripetute possono essere più difficili di una sola partenza
Un singolo test di avvio è utile, ma potrebbe non essere sufficiente a verificare il corretto funzionamento dell'intera applicazione. Molte pompe non si avviano una sola volta per poi funzionare in modo continuo, ma operano a cicli.
Una pompa a pressione può avviarsi ripetutamente. Una pompa di drenaggio può funzionare a intermittenza. Un impianto di irrigazione può avviarsi e arrestarsi a zone. Una pompa di raffreddamento o di processo può riavviarsi in seguito a segnali di controllo. Ogni avvio genera un altro picco di pressione.
Avviamenti ripetuti possono causare il surriscaldamento dell’inverter, del BMS, dei cavi, dei fusibili, dei connettori e del motore. Possono inoltre evidenziare problemi di ripristino. È possibile che un sistema avvii la pompa una volta, per poi arrestarsi dopo il terzo o quarto avviamento a causa dell’accumulo di calore, del calo del SOC o di un ripristino non corretto dell’inverter.
Un sistema di accumulo a ioni di sodio per le pompe dovrebbe quindi essere valutato in base al reale andamento di funzionamento della pompa, non in base a un singolo avvio riuscito.
I soft starter e i convertitori di frequenza possono modificare i requisiti relativi alle batterie
Un avviatore graduale o un convertitore di frequenza può ridurre lo stress di avviamento controllando l'accelerazione del motore. Ciò può rendere l'accumulo in batteria più pratico per gli impianti di pompaggio, specialmente nei casi in cui l'avviamento diretto richiederebbe una corrente di spunto eccessiva.
Tuttavia, questi dispositivi non eliminano la necessità di un adeguamento del sistema. Un VFD o un soft starter presenta comunque requisiti di alimentazione in ingresso, perdite di conversione, comportamenti di controllo e impostazioni di protezione.
Sebbene ciò possa ridurre la corrente di avviamento, la batteria e l’inverter devono comunque fornire energia sufficiente affinché la pompa raggiunga la velocità di funzionamento. Se la pompa si avvia contro una pressione elevata o impiega troppo tempo ad accelerare, il sistema potrebbe comunque superare un limite di corrente, tensione o temperatura.
Il sistema di avvio graduale non è una scorciatoia per aggirare il problema del dimensionamento della batteria. È uno strumento che consente di rendere gestibile la fase di avvio.
Il vero limite del supporto è a livello di sistema
La capacità dell'accumulatore agli ioni di sodio di alimentare un motore di pompaggio dipende da diversi limiti che devono essere coordinati tra loro.
| Confini delle startup | Cosa cambia nel sistema | Fallimento se ignorato |
|---|
| Corrente di spunto del motore e tempo di accelerazione | Capacità di picco dell'inverter, corrente di picco del BMS, percorso della corrente in CC | La pompa non si avvia o si arresta durante l'accelerazione |
| Carico meccanico della pompa | Coppia di avviamento e durata | Il motore assorbe una corrente elevata per un tempo più lungo del previsto |
| Stato di carica (SOC) e temperatura della batteria | Margine di tensione e calo di tensione | Si avvia a batteria completamente carica, ma in seguito o a basse temperature smette di funzionare |
| Resistenza del cavo CC e del connettore | Tensione di ingresso dell'inverter durante un picco di tensione | L'inverter rileva una tensione bassa anche quando i terminali della batteria sembrano a posto |
| Limite di picco e recupero del BMS | Comportamento del sistema di protezione dopo un picco di tensione | La batteria si scollega o richiede un ripristino manuale |
| Frequenza iniziale | Accumulo di calore nell'inverter, nel BMS, nei cavi e nel motore | Funziona una volta, ma smette di funzionare dopo ripetuti cicli |
Questa tabella non è una semplice lista di controllo meccanica. Mostra dove il progetto subisce effettivamente delle modifiche. Se un limite viene sottovalutato, il sistema potrebbe non funzionare correttamente anche quando la capacità nominale sembra sufficiente.
L'accumulo standard a ioni di sodio funziona quando il carico della pompa è prevedibile
Un pacco batterie standard agli ioni di sodio può alimentare i motori delle pompe quando la pompa è di piccole dimensioni, la richiesta di potenza all’avvio è moderata, la capacità di picco dell’inverter è sufficiente, le lunghezze dei cavi sono ridotte, gli avviamenti sono sporadici e il pacco batterie è già stato verificato per il carico del motore.
Si tratta di un caso d'uso valido. Una configurazione o un sistema più sofisticato risulta più sicuro quando la pompa presenta una coppia di avviamento elevata, è destinata a pozzi profondi, è soggetta a cicli frequenti, funziona all'aperto a basse temperature, presenta cavi di lunghezza considerevole, richiede un riavvio ad alta pressione, prevede il recupero energetico solare in remoto o il funzionamento non presidiato.
Queste condizioni non rendono la tecnologia agli ioni di sodio inadatta. Esse modificano il livello di convalida e di progettazione del sistema richiesto. La differenza non sta nel fatto che si tratti di una soluzione standard o personalizzata. La differenza sta nel fatto che i limiti convalidati del sistema di batterie corrispondano o meno al comportamento effettivo della pompa all’avvio.
Ad esempio, un pacco batterie agli ioni di sodio che funziona bene per l'illuminazione, il backup delle comunicazioni o carichi leggeri collegati a un inverter potrebbe comunque richiedere un BMS progettato per correnti di picco più elevate prima di poter alimentare in modo affidabile il motore di una pompa.
Verificare il momento dell'avvio, non solo il tempo di esecuzione
Un sistema di accumulo a batteria agli ioni di sodio non dovrebbe essere approvato per i motori delle pompe solo perché è in grado di alimentare un carico resistivo o di superare un test di capacità. La validazione effettiva deve concentrarsi sull’evento di avvio.
Ciò significa testare o verificare la pompa effettiva, l’inverter effettivo, il percorso effettivo del cavo, le condizioni di pressione effettive, l’intervallo previsto di SOC, la temperatura prevista e lo schema di avvio ripetuto.
Un risultato corretto significa che la pompa si avvia, la caduta di tensione rimane entro i margini di tolleranza del sistema, l'inverter non interviene, il BMS non si disconnette in modo imprevisto e il sistema si ripristina normalmente dopo un ciclo di arresto-avvio.
Nelle applicazioni con pompe remote, il ripristino è importante tanto quanto l’avvio. Una batteria che si protegge autonomamente ma lascia il sistema di pompaggio fuori servizio fino all’intervento di un tecnico non costituisce un sistema di alimentazione affidabile.
Prima dell'approvazione, è utile verificare la tensione della pompa, la potenza nominale o la potenza in cavalli vapore, la corrente a pieno carico, la corrente di avviamento o i dati relativi al rotore bloccato, il modello dell'inverter, la tensione della batteria, la lunghezza del cavo, la frequenza di avviamento, la temperatura ambiente, l'intervallo SOC e se si utilizza un VFD o un soft starter.
Conclusione
Batteria agli ioni di sodio L'accumulatore è in grado di sostenere i carichi di avviamento del motore della pompa solo se l'impianto completo è progettato per le condizioni di avviamento effettive, e non solo per la potenza nominale.
Prima dell'approvazione, verificare la corrente di spunto, il tempo di accelerazione, il carico della pompa, la capacità di picco dell'inverter, il limite di corrente di picco del BMS, il calo di tensione, la resistenza del cablaggio, lo stato di carica (SOC), la temperatura e gli avviamenti ripetuti.
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FAQ
Una batteria agli ioni di sodio può alimentare il motore di una pompa?
Sì, ma il sistema di batterie finito deve essere progettato per il carico di avviamento della pompa, non solo per la sua potenza di funzionamento. I limiti fondamentali sono la capacità di sopportare picchi di corrente dell’inverter, la capacità di corrente di picco del BMS, il calo di tensione, la resistenza dei cavi, lo stato di carica (SOC), la temperatura e il comportamento in caso di avviamenti ripetuti.
Perché la mia pompa non si avvia anche se la batteria risulta ancora carica?
La batteria potrebbe avere ancora energia sufficiente, ma la corrente di avviamento può causare un breve calo di tensione. Se la tensione in ingresso all'inverter scende al di sotto del valore di cut-off, oppure se il BMS attiva la protezione da sovracorrente o da bassa tensione, la pompa potrebbe smettere di funzionare prima che il motore raggiunga la velocità nominale.
È necessario un avviatore graduale o un convertitore di frequenza per una pompa alimentata a batteria?
Non sempre. Un avviatore graduale o un convertitore di frequenza (VFD) può ridurre lo stress all’avvio, ma non sostituisce il dimensionamento della batteria e dell’inverter. Il sistema deve comunque disporre di una capacità sufficiente per la corrente di picco, di impostazioni di protezione corrette e di una verifica effettiva dell’avvio in condizioni reali di pressione e ciclo di funzionamento della pompa.