Bateria de iões de sódio O sistema de armazenamento só consegue suportar as cargas de arranque do motor da bomba se tiver sido concebido a ter em conta a corrente de arranque, e não apenas a potência em funcionamento. Os motores das bombas podem necessitar de várias vezes a sua corrente normal durante o arranque, pelo que as estimativas de «5–8×» são úteis apenas para uma triagem inicial. O dimensionamento final deve basear-se nos dados da placa de identificação do motor, nos dados de rotor bloqueado, nos limites do inversor e nos testes de aplicação.
Mesmo com kWh suficientes, a bomba pode avariar se o inversor desligar, o BMS se desligar ou a queda de tensão ultrapassar o ponto de corte. A questão fundamental é saber se o sistema consegue suportar a corrente de arranque, o tempo de aceleração, a queda de tensão e os arranques repetidos sem ultrapassar um limite de proteção.
Este artigo centra-se nas bombas de corrente alternada alimentadas por um inversor. No caso das bombas de corrente contínua, verifique também a gama de tensão do controlador, o limite de corrente do motor, as perdas nos cabos e a capacidade de corrente de pico do BMS.
Bateria de iões de sódio Kamada Power 48 V 200 Ah
A arranque das bombas é, antes de mais, uma questão de potência e só depois uma questão de energia
O funcionamento da bomba envolve duas exigências diferentes: o arranque e o funcionamento contínuo. A energia necessária para o funcionamento contínuo determina durante quanto tempo a bomba pode funcionar, enquanto a potência de arranque determina se a bomba consegue, de todo, arrancar. Não se trata do mesmo problema de conceção.
Uma bomba pode funcionar a um nível de potência controlável depois de o motor atingir a velocidade de funcionamento, mas o momento de arranque pode exigir uma corrente muito mais elevada durante um curto período de tempo. A bateria, o inversor, o BMS, os cabos, os fusíveis, os conectores e o controlador têm de resistir a esse breve episódio antes mesmo de o tempo de funcionamento passar a ser relevante.
No que diz respeito ao armazenamento de iões de sódio, isto significa que a capacidade, por si só, não é suficiente. Um conjunto de baterias de maior capacidade pode aumentar o tempo de funcionamento, mas se o limite de corrente de pico do BMS, a capacidade de picos do inversor ou o percurso do cabo de corrente contínua não forem suficientes para suportar o arranque, a bomba poderá, mesmo assim, não arrancar.
Este é o equívoco mais comum nos projetos de sistemas de reserva de bombas: energia suficiente nem sempre significa potência de arranque suficiente.
O tipo de bomba altera o desafio da arranque
Nem todas as bombas geram a mesma carga de arranque. Uma pequena bomba de circulação, uma bomba de irrigação, uma bomba de poço profundo, uma bomba de reforço, uma bomba de drenagem, uma bomba de transferência e uma bomba de processo industrial podem exercer pressão sobre o sistema de formas diferentes.
Algumas bombas arrancam com facilidade, enquanto outras têm de arrancar contra a pressão, a altura manométrica, a resistência da tubagem, as válvulas de retenção ou uma carga mecânica elevada. Uma bomba que arranca facilmente numa instalação pode ter dificuldades noutra, devido às diferentes condições hidráulicas.
O motor e a bomba devem, por isso, ser avaliados em conjunto. Um sistema de baterias que consiga pôr a funcionar uma bomba com carga reduzida pode não conseguir pôr a funcionar o mesmo motor se este estiver ligado a um poço mais profundo, a uma altura manométrica mais elevada, a uma válvula de retenção com dificuldade de abertura, a um traçado de tubagem extenso ou a um tanque de pressão que aumente o binário de arranque.
Se o motor demorar mais tempo a acelerar, a corrente elevada mantém-se durante mais tempo. O BMS, o inversor e os cabos ficam, assim, sob tensão durante um período mais longo. A bateria não tem em conta apenas a potência nominal do motor. Tem em conta a condição real de arranque.
O inversor tem de resistir ao pico de tensão
No caso dos motores de bombas de corrente alternada, o inversor é frequentemente o primeiro dispositivo limitador. Deve converter a corrente contínua da bateria em corrente alternada, ao mesmo tempo que suporta o pico de corrente na arranque da bomba. Se a capacidade de pico do inversor for demasiado baixa, este pode avariar antes mesmo de a bateria se revelar o verdadeiro problema.
Se o limite de baixa tensão do inversor for demasiado elevado, este poderá desligar-se quando a tensão de entrada de corrente contínua sofrer uma queda durante o arranque. Se a lógica de reinício for deficiente, a bomba poderá entrar num ciclo repetitivo, o que aumentará o desgaste.
Uma bateria de iões de sódio pode ser capaz de fornecer corrente, mas o inversor ainda tem de aceitar esse sinal. É por isso que o arranque da bomba deve ser verificado na entrada do inversor, e não apenas nos terminais da bateria.
O inversor toma a sua decisão com base na tensão que deteta após a perda de tensão nos cabos, a queima de fusíveis, a resistência dos conectores, a queda de tensão no BMS e a resistência interna do conjunto de baterias. Uma bateria em bom estado pode ainda assim parecer fraca ao inversor se o circuito de corrente contínua for de secção insuficiente.
O BMS deve ser dimensionado em função da corrente de pico e da duração
O BMS não deve ser selecionado apenas com base na corrente de descarga contínua. O arranque da bomba pode exigir um pico de corrente de curta duração. Se o limite de corrente de pico do BMS for demasiado baixo, o conjunto de baterias poderá desligar-se antes de a bomba atingir a velocidade desejada.
Se a duração do pico for demasiado curta, o motor pode começar a girar e, em seguida, parar. Se a proteção térmica do BMS estiver próxima do seu limite, as partidas repetidas podem provocar um aumento da temperatura, mesmo que cada partida seja breve.
É aqui que o armazenamento de iões de sódio se torna uma questão de conceção da bateria completa. As células, o estágio de potência do BMS, as barras coletoras, a cablagem interna, os contactores ou MOSFETs, os terminais, os fusíveis, os conectores e o percurso dos cabos externos formam, no seu conjunto, uma única cadeia de corrente de arranque.
A parte mais fraca determina se o sistema põe a bomba em funcionamento. Uma classificação de Ah mais elevada não resolve automaticamente um problema de corrente de pico do BMS. A capacidade afeta o tempo de funcionamento. O desenho do percurso da corrente determina se o motor consegue arrancar.
A queda de tensão é, normalmente, o fator desencadeante oculto
A arranque da bomba falha frequentemente porque a tensão desce demasiado durante um curto período de tempo. Durante a arranque, a corrente elevada provoca uma queda de tensão nas células, no BMS, nas barras de distribuição, nos cabos, nos fusíveis e nos conectores.
Se a tensão de entrada do inversor descer abaixo do limiar de corte, o inversor desliga-se. Se o conjunto de baterias ultrapassar um limite de baixa tensão ou de sobrecorrente definido pelo BMS, este pode desligar-se. Após a paragem da bomba, a tensão pode recuperar, o que pode tornar a avaria difícil de identificar.
Uma queixa frequente no terreno é: «A bateria ainda apresenta carga, mas a bomba não arranca.» Isso pode ser verdade. A bateria pode ainda ter energia, mas o sistema simplesmente não consegue manter a tensão suficientemente elevada durante o arranque.
Nas aplicações com bombas, a tensão sob carga é mais importante do que a tensão em repouso. A verificação da tensão em vazio não constitui uma validação do arranque.
Um baixo nível de carga da bateria e condições de frio dificultam o arranque
Uma bomba que arranca com a bateria totalmente carregada pode avariar quando o SOC é mais baixo. À medida que a bateria se descarrega, a margem de tensão diminui, e o mesmo pico de tensão no arranque pode fazer com que a tensão desça abaixo do limite de corte do inversor ou do ponto de proteção do BMS.
Se o sistema funcionar ao ar livre ou em ambientes frios, a resistência interna e a queda de tensão podem tornar-se mais problemáticas, dependendo do design final do conjunto de baterias e das condições de temperatura.
A química dos iões de sódio pode oferecer um potencial útil a baixas temperaturas, especialmente para aplicações de bombagem ao ar livre e em locais remotos. No entanto, a capacidade de descarga a baixas temperaturas não garante automaticamente a capacidade de arranque de bombas com alta corrente no inverno.
O arranque da bomba continua a depender da validação da corrente de pico do conjunto de baterias, dos limites do BMS, da capacidade de picos do inversor, da resistência dos cabos, da queda de tensão em baixos níveis de SOC e da recuperação após arranques repetidos.
No que diz respeito a sistemas de água, irrigação, bombagem solar remota, equipamento agrícola, refrigeração de telecomunicações ou sistemas de reserva industriais, as condições mais exigentes nem sempre correspondem a um SOC total em climas ameno. Trata-se, sim, de um SOC baixo, temperatura baixa, percurso de cabos extenso e reinício da bomba sob pressão real.
As partidas repetidas podem ser mais difíceis do que uma única partida
Um único teste de arranque é útil, mas pode não ser suficiente para avaliar toda a aplicação. Muitas bombas não arrancam uma única vez e funcionam continuamente. Elas operam em ciclos.
Uma bomba de pressão pode arrancar repetidamente. Uma bomba de drenagem pode funcionar em rajadas. Um sistema de irrigação pode arrancar e parar por zona. Uma bomba de refrigeração ou de processo pode reiniciar após receber sinais de controlo. Cada arranque provoca um novo pico de tensão.
As partidas repetidas podem aquecer o inversor, o BMS, os cabos, os fusíveis, os conectores e o motor. Podem também revelar problemas de recuperação. Um sistema pode ligar a bomba uma vez, mas falhar após a terceira ou quarta partida devido à acumulação de calor, à descida do SOC ou ao facto de o inversor não ter recuperado corretamente.
Um sistema de armazenamento de iões de sódio para bombas deve, por conseguinte, ser avaliado com base no padrão de funcionamento real da bomba, e não com base num único arranque bem-sucedido.
Os arrancadores suaves e os variadores de frequência podem alterar os requisitos relativos às baterias
Um arrancador suave ou um variador de frequência pode reduzir o esforço de arranque, controlando a forma como o motor acelera. Isso pode tornar o armazenamento em bateria mais prático para sistemas de bombagem, especialmente nos casos em que o arranque direto exigiria uma corrente de pico demasiado elevada.
No entanto, estes dispositivos não eliminam a necessidade de adaptação do sistema. Um VFD ou um arrancador suave continua a ter requisitos de potência de entrada, perdas de conversão, comportamento de controlo e definições de proteção.
Embora possa reduzir a corrente de arranque, a bateria e o inversor continuam a ter de fornecer energia suficiente para que a bomba atinja a velocidade de funcionamento. Se a bomba arrancar contra uma pressão elevada ou demorar demasiado tempo a acelerar, o sistema pode ainda assim ultrapassar um limite de corrente, tensão ou temperatura.
O design de arranque suave não é um atalho para contornar o dimensionamento da bateria. É uma ferramenta para tornar o processo de arranque mais fácil de gerir.
O verdadeiro limite de suporte situa-se ao nível do sistema
A capacidade do armazenamento de iões de sódio para alimentar um motor de bomba depende de vários limites que têm de ser conciliados entre si.
| Limites das startups | O que muda no sistema | Falha se for ignorada |
|---|
| Corrente de arranque do motor e tempo de aceleração | Capacidade de picos do inversor, corrente de pico do BMS, percurso da corrente CC | A bomba não arranca ou desliga-se durante a aceleração |
| Carga mecânica da bomba | Binário de arranque e duração | O motor consome uma corrente elevada durante mais tempo do que o esperado |
| Nível de carga (SOC) e temperatura da bateria | Margem de tensão e queda de tensão | Arranca com a bateria totalmente carregada, mas deixa de funcionar mais tarde ou em condições de frio |
| Resistência do cabo e do conector de corrente contínua | Tensão de entrada do inversor durante um pico de tensão | O inversor deteta baixa tensão mesmo quando os terminais da bateria parecem estar em boas condições |
| Limite de pico e recuperação do BMS | Comportamento de proteção após um pico de tensão | A bateria desliga-se ou requer uma recuperação manual |
| Frequência inicial | Acumulação de calor no inversor, no BMS, nos cabos e no motor | Funciona uma vez, mas falha após ciclos repetidos |
Esta tabela não é uma lista de verificação mecânica. Mostra onde o projeto sofre alterações efetivas. Se algum limite for subestimado, o sistema pode falhar, mesmo quando a capacidade nominal parecer suficiente.
O armazenamento padrão de iões de sódio funciona quando a carga da bomba é previsível
Uma bateria padrão de iões de sódio pode alimentar os motores das bombas quando a bomba é pequena, a procura no arranque é moderada, a capacidade de picos do inversor é suficiente, os percursos dos cabos são curtos, os arranques são pouco frequentes e a bateria já foi validada para a carga do motor.
Esse é um caso de utilização válido. Um conjunto ou sistema com um design mais sofisticado torna-se mais seguro quando a bomba apresenta um binário de arranque elevado, funcionamento em poços profundos, ciclos frequentes, funcionamento ao ar livre em condições de frio, cabos de grande comprimento, reinício sob alta pressão, recuperação solar remota ou funcionamento sem supervisão.
Estas condições não tornam a tecnologia de iões de sódio inadequada. Alteram sim o nível de validação e de conceção do sistema exigido. A diferença não reside entre uma solução padrão e uma personalizada. A diferença reside em saber se os limites validados do sistema de baterias correspondem ao comportamento real da bomba no arranque.
Por exemplo, uma bateria de iões de sódio que funcione bem para iluminação, sistemas de comunicação de reserva ou cargas ligeiras de inversores pode ainda assim necessitar de um BMS concebido para uma corrente de pico mais elevada antes de poder alimentar de forma fiável um motor de bomba.
Validar o momento do arranque, e não apenas o tempo de execução
Um sistema de armazenamento com baterias de iões de sódio não deve ser aprovado para motores de bombas apenas pelo facto de poder alimentar uma carga resistiva ou de passar num teste de capacidade. A validação útil centra-se no evento de arranque.
Isso significa testar ou analisar a bomba real, o inversor real, o percurso real do cabo, as condições reais de pressão, o intervalo previsto de SOC, a temperatura prevista e o padrão de arranques repetidos.
Um resultado satisfatório significa que a bomba arranca, a queda de tensão mantém-se dentro da margem do sistema, o inversor não dispara, o BMS não se desliga inesperadamente e o sistema recupera normalmente após ciclos de paragem e arranque.
Nas aplicações com bombas remotas, a recuperação é tão importante quanto o arranque. Uma bateria que se protege a si própria, mas que mantém o sistema da bomba desligado até à chegada de um técnico, não constitui um sistema de alimentação fiável.
Antes da aprovação, é útil confirmar a tensão da bomba, a potência nominal ou a potência em cavalos-vapor, a corrente em plena carga, a corrente de arranque ou os dados relativos ao rotor bloqueado, o modelo do inversor, a tensão da bateria, o comprimento do cabo, a frequência de arranque, a temperatura ambiente, o intervalo de SOC e se é utilizado um VFD ou um arrancador suave.
Conclusão
Bateria de iões de sódio O sistema de armazenamento só consegue suportar as cargas de arranque do motor da bomba quando o sistema final for concebido para as condições reais de arranque — e não apenas para a capacidade nominal.
Antes da aprovação, verifique a corrente de arranque, o tempo de aceleração, a carga da bomba, a capacidade de picos do inversor, o limite de corrente de pico do BMS, a queda de tensão, a resistência da cablagem, o SOC, a temperatura e os arranques repetidos.
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FAQ
Uma bateria de iões de sódio consegue alimentar o motor de uma bomba?
Sim, mas o sistema de baterias final deve ser concebido para a carga de arranque da bomba, e não apenas para a sua potência de funcionamento. Os principais limites são a capacidade de picos do inversor, a capacidade de corrente de pico do BMS, a queda de tensão, a resistência dos cabos, o SOC, a temperatura e o comportamento em arranques repetidos.
Por que razão a minha bomba não arranca quando a bateria ainda apresenta carga?
A bateria pode ainda ter energia suficiente, mas a corrente de arranque pode provocar uma breve queda de tensão. Se a tensão de entrada do inversor descer abaixo do limite de corte, ou se o BMS ativar a proteção contra sobrecorrente ou baixa tensão, a bomba pode avariar antes de o motor atingir a velocidade.
Preciso de um arrancador suave ou de um variador de frequência (VFD) para uma bomba alimentada a bateria?
Nem sempre. Um arrancador suave ou um variador de frequência (VFD) pode reduzir o esforço de arranque, mas não substitui o dimensionamento da bateria e do inversor. O sistema continua a necessitar de capacidade suficiente para suportar a corrente de pico, de configurações de proteção corretas e de uma validação real do arranque nas condições reais de pressão e padrão de funcionamento da bomba.