Akumulator sodowo-jonowy Akumulator może wytrzymać obciążenia rozruchowe silnika pompy tylko wtedy, gdy system został zaprojektowany z uwzględnieniem prądu rozruchowego, a nie wyłącznie mocy roboczej. Silniki pomp mogą podczas rozruchu pobierać prąd kilkakrotnie większy od normalnego, dlatego szacunki rzędu „5–8×” są przydatne jedynie na wczesnym etapie selekcji. Ostateczne doborowanie powinno opierać się na danych podanych na tabliczce znamionowej silnika, danych dotyczących silnika z zablokowanym wirnikiem, ograniczeniach falownika oraz wynikach testów aplikacyjnych.
Nawet przy wystarczającej ilości kWh pompa może ulec awarii, jeśli wyłączy się falownik, system BMS odłączy zasilanie lub spadek napięcia przekroczy próg wyłączenia. Kluczową kwestią jest to, czy system jest w stanie poradzić sobie z prądem rozruchowym, czasem przyspieszenia, spadkiem napięcia oraz wielokrotnymi rozruchami bez przekraczania progu zabezpieczenia.
W niniejszym artykule skupiono się na pompach prądu przemiennego zasilanych za pomocą falownika. W przypadku pomp prądu stałego należy również sprawdzić zakres napięcia sterownika, ograniczenie prądu silnika, straty w okablowaniu oraz zdolność systemu BMS do obsługi prądu szczytowego.
Akumulator sodowo-jonowy Kamada Power 48 V 200 Ah
Uruchomienie pompy to przede wszystkim kwestia zasilania, a dopiero potem kwestia zużycia energii
Praca pompy wiąże się z dwoma różnymi wymaganiami: rozruchem i pracą ciągłą. Energia potrzebna do pracy ciągłej decyduje o tym, jak długo pompa może działać, natomiast moc rozruchowa decyduje o tym, czy pompa w ogóle może się uruchomić. Nie są to te same zagadnienia projektowe.
Pompa może pracować z akceptowalnym poborem mocy po osiągnięciu przez silnik prędkości roboczej, ale moment rozruchu może wymagać znacznie większego natężenia prądu przez krótki czas. Akumulator, falownik, system zarządzania akumulatorami (BMS), kable, bezpieczniki, złącza i sterownik muszą wytrzymać to krótkie obciążenie, zanim czas pracy w ogóle będzie miał znaczenie.
W przypadku akumulatorów sodowo-jonowych oznacza to, że sama pojemność nie wystarczy. Większy zestaw akumulatorów może wprawdzie wydłużyć czas pracy, ale jeśli limit prądu szczytowego w systemie BMS, wytrzymałość falownika na przepięcia lub przebieg kabla prądu stałego nie są w stanie zapewnić warunków niezbędnych do uruchomienia, pompa i tak może się nie uruchomić.
To najczęstsze nieporozumienie związane z projektami dotyczącymi zasilania awaryjnego pomp: wystarczająca ilość energii nie zawsze oznacza wystarczającą moc rozruchową.
Rodzaj pompy wpływa na trudności związane z uruchomieniem
Nie każda pompa generuje takie samo obciążenie rozruchowe. Mała pompa obiegowa, pompa nawadniająca, pompa głębinowa, pompa wspomagająca, pompa odprowadzająca wodę z studzienki, pompa przesyłowa oraz przemysłowa pompa procesowa mogą w różny sposób obciążać system.
Niektóre pompy uruchamiają się bez trudu, podczas gdy inne muszą pokonywać opór ciśnienia, wysokość podnoszenia, opór rur, zawory zwrotne lub duże obciążenie mechaniczne. Pompa, która w jednej instalacji uruchamia się bez trudu, może mieć z tym trudności w innej, ponieważ warunki hydrauliczne są tam inne.
W związku z tym silnik i pompę należy oceniać łącznie. Układ akumulatorowy, który uruchamia pompę przy niewielkim obciążeniu, może nie uruchomić tego samego silnika, jeśli jest on podłączony do studni o większej głębokości, przy wyższym ciśnieniu podnoszenia, z zacinającym się zaworem zwrotnym, długim odcinkiem rurociągu lub w przypadku zbiornika ciśnieniowego, co zwiększa moment rozruchowy.
Jeśli silnik potrzebuje więcej czasu na przyspieszenie, wysoki prąd utrzymuje się dłużej. W rezultacie system zarządzania akumulatorem (BMS), falownik i przewody pozostają obciążone przez dłuższy czas. Akumulator nie bierze pod uwagę wyłącznie parametrów znamionowych silnika. Uwzględnia rzeczywiste warunki rozruchu.
Falownik musi wytrzymać przepięcie
W przypadku silników pomp prądu przemiennego falownik jest często pierwszym elementem ograniczającym. Musi on przekształcać prąd stały z akumulatora na prąd przemienny, jednocześnie radząc sobie z przepięciem rozruchowym pompy. Jeśli wartość znamionowa falownika dotycząca przepięć rozruchowych jest zbyt niska, może on ulec awarii, zanim akumulator stanie się rzeczywistym źródłem problemu.
Jeśli próg odcięcia niskiego napięcia falownika jest ustawiony zbyt wysoko, może on wyłączyć się w przypadku spadku napięcia wejściowego prądu stałego podczas uruchamiania. Jeśli algorytm ponownego uruchamiania jest nieodpowiedni, pompa może wielokrotnie włączać się i wyłączać, co powoduje większe obciążenie.
Akumulator sodowo-jonowy może wprawdzie dostarczać prąd, ale falownik i tak musi zaakceptować to zdarzenie. Dlatego uruchomienie pompy należy sprawdzać na wejściu falownika, a nie tylko na zaciskach akumulatora.
Falownik podejmuje decyzję na podstawie napięcia, które wykrywa po uwzględnieniu strat w okablowaniu, przepalenia bezpiecznika, rezystancji złącza, spadku napięcia w systemie BMS oraz wewnętrznej rezystancji pakietu akumulatorów. Sprawny akumulator może nadal wydawać się falownikowi słaby, jeśli obwód prądu stałego ma zbyt mały przekrój.
System BMS musi być dobrany pod kątem prądu szczytowego i czasu trwania
Systemu zarządzania baterią (BMS) nie należy dobierać wyłącznie na podstawie wartości prądu rozładowania ciągłego. Uruchomienie pompy może wymagać krótkotrwałego prądu szczytowego. Jeśli limit prądu szczytowego w systemie BMS jest zbyt niski, akumulator może się odłączyć, zanim pompa osiągnie odpowiednią prędkość obrotową.
Jeśli czas trwania szczytowego obciążenia jest zbyt krótki, silnik może zacząć się obracać, a następnie zatrzymać. Jeśli zabezpieczenie termiczne systemu BMS zbliża się do swojej granicy, powtarzające się uruchomienia mogą powodować nagrzewanie się, nawet jeśli każde uruchomienie jest krótkotrwałe.
W tym momencie magazynowanie jonów sodu staje się kwestią związaną z projektem gotowego zestawu. Ogniwa, sekcja mocy systemu zarządzania baterią (BMS), szyny zbiorcze, okablowanie wewnętrzne, styczniki lub tranzystory MOSFET, zaciski, bezpieczniki, złącza oraz zewnętrzna trasa okablowania tworzą razem jeden łańcuch prądu rozruchowego.
To najsłabszy element decyduje o tym, czy system uruchomi pompę. Wyższa wartość Ah nie rozwiązuje automatycznie problemu szczytowego prądu w systemie BMS. Pojemność wpływa na czas pracy. Konstrukcja ścieżki prądowej decyduje o tym, czy silnik może się uruchomić.
Spadek napięcia jest zazwyczaj ukrytym czynnikiem wywołującym awarię
Uruchomienie pompy często kończy się niepowodzeniem, ponieważ napięcie na krótką chwilę spada zbyt nisko. Podczas uruchamiania wysoki prąd powoduje spadki napięcia na ogniwach, w module BMS, szynach zbiorczych, kablach, bezpiecznikach i złączach.
Jeśli napięcie na wejściu falownika spadnie poniżej wartości granicznej, falownik wyłącza się. Jeśli pakiet akumulatorów przekroczy próg niskiego napięcia lub nadprądu ustawiony w systemie BMS, system BMS może się odłączyć. Po zatrzymaniu pompy napięcie może ponownie wzrosnąć, co może utrudnić zidentyfikowanie przyczyny awarii.
Często zgłaszana skarga dotyczy: „Akumulator nadal wskazuje, że jest naładowany, ale pompa nie chce się uruchomić.” To może być prawda. Akumulator może nadal mieć energię, ale układ po prostu nie jest w stanie utrzymać wystarczająco wysokiego napięcia podczas uruchamiania.
W przypadku zastosowań związanych z pompami napięcie pod obciążeniem ma większe znaczenie niż napięcie w stanie spoczynku. Sprawdzenie napięcia bez obciążenia nie stanowi potwierdzenia prawidłowości uruchomienia.
Niski poziom naładowania akumulatora (SOC) oraz niskie temperatury utrudniają uruchomienie silnika
Pompa uruchamiana przy pełnym naładowaniu może ulec awarii przy niższym poziomie naładowania (SOC). W miarę rozładowywania się akumulatora rezerwa napięcia maleje, a ten sam skok napięcia podczas rozruchu może spowodować spadek napięcia poniżej progu wyłączenia falownika lub punktu zabezpieczenia systemu BMS.
Jeśli system działa na zewnątrz lub w niskich temperaturach, rezystancja wewnętrzna i spadki napięcia mogą stanowić większe wyzwanie, w zależności od konstrukcji gotowego zestawu akumulatorów oraz warunków temperaturowych.
Chemia jonów sodu może oferować przydatny potencjał w niskich temperaturach, zwłaszcza w przypadku zastosowań pompowych na zewnątrz oraz w odległych lokalizacjach. Jednak zdolność do rozładowywania się w niskich temperaturach nie oznacza automatycznie zdolności do uruchamiania pomp przy wysokim natężeniu prądu w okresie zimowym.
Uruchomienie pompy nadal zależy od weryfikacji prądu szczytowego gotowego zestawu, ograniczeń systemu zarządzania baterią (BMS), odporności falownika na przepięcia, rezystancji kabla, spadku napięcia przy niskim poziomie naładowania (SOC) oraz powrotu do normy po wielokrotnych uruchomieniach.
W przypadku systemów wodociągowych, nawadniania, zdalnych pomp zasilanych energią słoneczną, sprzętu rolniczego, systemów chłodzenia urządzeń telekomunikacyjnych czy przemysłowych systemów rezerwowych trudne warunki często nie wiążą się z pełnym poziomem naładowania (SOC) przy łagodnej pogodzie. Chodzi raczej o niski poziom naładowania (SOC), niską temperaturę, długą trasę kabla oraz ponowne uruchomienie pompy pod rzeczywistym ciśnieniem.
Kilka startów może być trudniejsze niż jeden start
Pojedynczy test rozruchu jest przydatny, ale może nie wystarczyć do sprawdzenia całej aplikacji. Wiele pomp nie uruchamia się jednorazowo i nie pracuje w trybie ciągłym. Działają one cyklicznie.
Pompa ciśnieniowa może uruchamiać się wielokrotnie. Pompa ściekowa może pracować w seriach. System nawadniający może uruchamiać się i wyłączać w poszczególnych strefach. Pompa chłodząca lub technologiczna może ponownie uruchamiać się po otrzymaniu sygnałów sterujących. Każde uruchomienie powoduje kolejne zjawisko przepięcia.
Wielokrotne uruchamianie może spowodować nagrzanie falownika, systemu BMS, kabli, bezpieczników, złączy i silnika. Może to również ujawnić problemy z regeneracją. System może uruchomić pompę raz, a następnie ulec awarii po trzecim lub czwartym uruchomieniu z powodu nagromadzenia ciepła, spadku poziomu naładowania (SOC) lub nieprawidłowej regeneracji falownika.
System magazynowania jonów sodu przeznaczony do pomp należy zatem oceniać na podstawie rzeczywistego trybu pracy pompy, a nie na podstawie jednorazowego udanego uruchomienia.
Urządzenia do łagodnego rozruchu i przetwornice częstotliwości mogą wpłynąć na wymagania dotyczące akumulatorów
Softstarter lub napęd o zmiennej częstotliwości może zmniejszyć obciążenie podczas rozruchu poprzez kontrolowanie sposobu przyspieszania silnika. Dzięki temu stosowanie akumulatorów jako źródła zasilania staje się bardziej praktyczne w systemach pompowych, zwłaszcza tam, gdzie rozruch bezpośredni wymagałby zbyt dużego prądu rozruchowego.
Jednak urządzenia te nie eliminują konieczności dopasowania systemu. Przetwornica częstotliwości (VFD) lub softstarter nadal mają określone wymagania dotyczące zasilania wejściowego, straty związane z konwersją, charakterystykę sterowania oraz ustawienia zabezpieczeń.
Może to wprawdzie zmniejszyć prąd rozruchowy, ale akumulator i falownik nadal muszą dostarczać wystarczającą moc, aby pompa osiągnęła prędkość roboczą. Jeśli pompa uruchamia się przy wysokim ciśnieniu lub jej przyspieszenie trwa zbyt długo, system może mimo wszystko przekroczyć dopuszczalne wartości prądu, napięcia lub temperatury.
Konstrukcja z łagodnym rozruchem nie stanowi sposobu na obejście kwestii doboru pojemności akumulatora. Jest to jedno z narzędzi pozwalających na kontrolowanie procesu rozruchu.
Prawdziwa granica wsparcia znajduje się na poziomie systemu
To, czy akumulator sodowo-jonowy może zasilać silnik pompy, zależy od kilku czynników, które muszą być ze sobą zharmonizowane.
| Granice startupów | Jakie zmiany wprowadza to w systemie | Niepowodzenie w przypadku zignorowania |
|---|
| Prąd rozruchowy silnika i czas przyspieszenia | Wartość szczytowa falownika, prąd szczytowy systemu BMS, ścieżka prądu stałego | Pompa nie uruchamia się lub wyłącza się podczas przyspieszania |
| Obciążenie mechaniczne pompy | Moment rozruchowy i czas trwania | Silnik pobiera wysoki prąd przez dłuższy czas niż oczekiwano |
| Poziom naładowania akumulatora (SOC) i temperatura | Rezerwa napięcia i spadek napięcia | Urządzenie uruchamia się przy pełnym naładowaniu, ale później lub w niskich temperaturach przestaje działać |
| Rezystancja kabla prądu stałego i złącza | Napięcie wejściowe falownika podczas przepięcia | Falownik wykrywa niskie napięcie, nawet jeśli stan zacisków akumulatora wydaje się prawidłowy |
| Limit wartości szczytowej BMS i powrót do normy | Zachowanie zabezpieczeń po wystąpieniu przepięcia | Akumulator się rozłącza lub wymaga ręcznego przywrócenia działania |
| Częstotliwość początkowa | Nagrzewanie się falownika, systemu BMS, kabli i silnika | Działa za pierwszym razem, ale zawodzi przy wielokrotnym cyklu |
Tabela ta nie stanowi mechanicznej listy kontrolnej. Pokazuje ona, gdzie faktycznie zachodzą zmiany w projekcie. Jeśli jakakolwiek granica zostanie niedoszacowana, system może ulec awarii, nawet jeśli jego moc znamionowa wydaje się wystarczająca.
Standardowe magazynowanie jonów sodu sprawdza się, gdy obciążenie pompy jest przewidywalne
Standardowy zestaw akumulatorów sodowo-jonowych może zasilać silniki pomp, o ile pompa jest niewielka, zapotrzebowanie podczas rozruchu jest umiarkowane, wartość szczytowa falownika jest wystarczająca, długość przewodów jest niewielka, rozruchy występują rzadko, a zestaw został już zatwierdzony pod kątem obciążenia silnika.
To jest uzasadniony przypadek zastosowania. Bardziej zaawansowana konstrukcja zestawu lub systemu staje się bezpieczniejsza, gdy pompa charakteryzuje się wysokim momentem rozruchowym, jest przeznaczona do pracy w studniach głębinowych, podlega częstym cyklom pracy, pracuje na zewnątrz w niskich temperaturach, ma długie przewody, wymaga ponownego uruchamiania pod wysokim ciśnieniem, jest zasilana zdalnie energią słoneczną lub działa w trybie bezobsługowym.
Warunki te nie sprawiają, że akumulatory sodowo-jonowe nie nadają się do zastosowania. Zmieniają one jedynie poziom wymaganej walidacji oraz projekt systemu. Różnica nie polega na tym, czy rozwiązanie jest standardowe, czy niestandardowe. Różnica polega na tym, czy zweryfikowane granice systemu akumulatorowego odpowiadają rzeczywistemu zachowaniu pompy podczas uruchamiania.
Na przykład zestaw akumulatorów sodowo-jonowych, który sprawdza się dobrze w oświetleniu, zasilaniu awaryjnym systemów komunikacyjnych lub przy niewielkich obciążeniach falowników, może nadal wymagać systemu zarządzania akumulatorami (BMS) przystosowanego do wyższych prądów szczytowych, zanim będzie w stanie niezawodnie zasilać silnik pompy.
Należy sprawdzać moment uruchomienia, a nie tylko czas działania
System magazynowania energii oparty na akumulatorach sodowo-jonowych nie powinien być zatwierdzany do stosowania w silnikach pomp wyłącznie na tej podstawie, że jest w stanie zasilać obciążenie rezystancyjne lub przejść test pojemnościowy. Użyteczna walidacja powinna skupiać się na procesie uruchamiania.
Oznacza to sprawdzenie lub analizę rzeczywistej pompy, rzeczywistego falownika, rzeczywistego przebiegu kabla, rzeczywistych warunków ciśnieniowych, przewidywanego zakresu stanu naładowania (SOC), przewidywanej temperatury oraz schematu wielokrotnego uruchamiania.
Prawidłowy wynik oznacza, że pompa uruchamia się, spadek napięcia mieści się w granicach tolerancji systemu, falownik nie wyłącza się, system zarządzania baterią (BMS) nie odłącza się nieoczekiwanie, a system powraca do normalnego stanu po cyklu zatrzymania i uruchomienia.
W przypadku zdalnych instalacji pompowych przywrócenie działania ma równie duże znaczenie jak sam rozruch. Akumulator, który chroni sam siebie, ale pozostawia układ pompowy wyłączony do czasu przybycia technika, nie stanowi niezawodnego systemu zasilania.
Przed zatwierdzeniem warto sprawdzić napięcie pompy, moc znamionową lub moc w koniach mechanicznych, prąd przy pełnym obciążeniu, prąd rozruchowy lub parametry przy zablokowanym wirniku, model falownika, napięcie akumulatora, długość kabla, częstotliwość rozruchu, temperaturę otoczenia, zakres stanu naładowania (SOC) oraz to, czy stosowany jest falownik (VFD) czy softstarter.
Wnioski
Akumulator sodowo-jonowy Akumulator może wytrzymać obciążenia rozruchowe silnika pompy tylko wtedy, gdy gotowy układ został zaprojektowany z uwzględnieniem rzeczywistych warunków rozruchu — a nie wyłącznie wartości znamionowych.
Przed zatwierdzeniem należy sprawdzić prąd rozruchowy, czas przyspieszenia, obciążenie pompy, wartość szczytową prądu udarowego falownika, limit prądu szczytowego systemu BMS, spadek napięcia, rezystancję okablowania, poziom naładowania akumulatora (SOC), temperaturę oraz liczbę powtarzających się rozruchów.
W przypadku projektów związanych z nawadnianiem, pompami wspomagającymi, pompami ściekowymi, zdalnymi pompami zasilanymi energią słoneczną, gospodarstwami rolnymi, chłodzeniem urządzeń telekomunikacyjnych lub przemysłowymi systemami rezerwowymi prosimy o kontakt z firmą Kamada Power i podanie szczegółowych informacji dotyczących pompy, falownika, akumulatora, kabla, temperatury, częstotliwości rozruchu oraz czasu pracy w trybie rezerwowym.
Skontaktuj się z nami dzisiaj. Nasz zespół inżynierów może pomóc w ustaleniu, czy lepszym rozwiązaniem będzie standardowy akumulator sodowo-jonowy, system zarządzania akumulatorem (BMS) o wyższym prądzie szczytowym, czy też niestandardowe rozwiązanie w zakresie akumulatorów sodowo-jonowych 24 V/48 V jest bezpieczniejsze.
FAQ
Czy akumulator sodowo-jonowy może zasilać silnik pompy?
Tak, ale gotowy system akumulatorowy musi być zaprojektowany z uwzględnieniem obciążenia rozruchowego pompy, a nie tylko jej mocy roboczej. Kluczowe ograniczenia to: odporność falownika na przepięcia, zdolność systemu zarządzania akumulatorami (BMS) do obsługi prądów szczytowych, spadek napięcia, rezystancja kabli, stan naładowania (SOC), temperatura oraz zachowanie podczas wielokrotnych rozruchów.
Dlaczego moja pompa nie uruchamia się, mimo że akumulator wciąż wskazuje, że jest naładowany?
Akumulator może nadal dysponować wystarczającą ilością energii, jednak prąd rozruchowy może spowodować krótkotrwały spadek napięcia. Jeśli napięcie wejściowe falownika spadnie poniżej wartości granicznej lub system zarządzania akumulatorem (BMS) uruchomi zabezpieczenie przed przetężeniem lub niskim napięciem, pompa może ulec awarii, zanim silnik osiągnie prędkość roboczą.
Czy do pompy zasilanej z akumulatora potrzebny jest softstart czy przetwornica częstotliwości?
Nie zawsze. Softstarter lub przetwornica częstotliwości (VFD) mogą zmniejszyć obciążenie podczas rozruchu, ale nie zastępują one doboru akumulatora i falownika. System nadal musi charakteryzować się wystarczającą zdolnością do przenoszenia prądu szczytowego, prawidłowymi ustawieniami zabezpieczeń oraz rzeczywistą weryfikacją rozruchu w warunkach rzeczywistego ciśnienia i cyklu pracy pompy.