Натрий-ионный аккумулятор Аккумуляторная батарея способна выдерживать пусковые нагрузки двигателя насоса только в том случае, если система рассчитана не только на рабочую мощность, но и на пусковой ток. При пуске двигатели насосов могут потреблять ток, в несколько раз превышающий номинальный, поэтому оценки в диапазоне «5–8×» полезны лишь для предварительного отбора. Окончательный расчет мощности должен основываться на данных, указанных на паспортной табличке двигателя, данных по испытаниям с заблокированным ротором, ограничениях преобразователя частоты и результатах эксплуатационных испытаний.
Даже при наличии достаточного количества кВт·ч насос может выйти из строя, если сработает инвертор, отключится система управления батареей (BMS) или провал напряжения превысит пороговое значение. Ключевой вопрос заключается в том, сможет ли система выдержать пусковой ток, время разгона, провал напряжения и повторные пуски, не превысив при этом пороговое значение защиты.
В данной статье речь идет о насосах переменного тока, питающихся от инвертора. В случае насосов постоянного тока необходимо также учитывать диапазон напряжения контроллера, предельное значение тока двигателя, потери в кабеле и пиковую токовую нагрузочную способность системы управления батареей (BMS).
Натрий-ионный аккумулятор Kamada Power 48 В, 200 А·ч
Запуск насоса — это, прежде всего, проблема электропитания, а уже потом — проблема энергопотребления
К работе насоса предъявляются два разных требования: пусковое и рабочее. Рабочая мощность определяет, как долго насос может работать, а пусковая мощность — сможет ли насос вообще запуститься. Это не одна и та же расчетная задача.
После того как двигатель наберет рабочую скорость, насос может работать с приемлемым уровнем мощности, однако в момент запуска в течение короткого промежутка времени может потребоваться гораздо более высокий ток. Аккумулятор, инвертор, система управления аккумуляторной батареей (BMS), кабели, предохранители, разъемы и контроллер должны выдержать это кратковременное нагрузочное событие, прежде чем станет актуальным вопрос о продолжительности работы.
Что касается натрий-ионных аккумуляторов, это означает, что одной только ёмкости недостаточно. Более ёмкий аккумуляторный блок может увеличить время работы, но если ограничение пикового тока системы управления аккумулятором (BMS), номинальная пусковая нагрузка инвертора или трасса кабеля постоянного тока не способны обеспечить запуск, насос всё равно может не запуститься.
Это самое распространённое заблуждение в проектах по резервному питанию насосов: достаточного количества энергии не всегда достаточно для обеспечения пусковой мощности.
Тип насоса влияет на сложность запуска
Не все насосы создают одинаковую пусковую нагрузку. Небольшой циркуляционный насос, ирригационный насос, насос для глубоких скважин, бустерный насос, дренажный насос, перекачивающий насос и промышленный технологический насос могут по-разному нагружать систему.
Некоторые насосы запускаются легко, в то время как другим приходится преодолевать давление, напор воды, сопротивление трубопровода, обратные клапаны или значительную механическую нагрузку. Насос, который легко запускается в одной установке, может испытывать затруднения в другой из-за различия гидравлических условий.
Поэтому двигатель и насос следует оценивать вместе. Аккумуляторная система, способная запустить насос с небольшой нагрузкой, может не запустить тот же двигатель, если он подключен к более глубокой скважине, имеет больший напор, заклинивший обратный клапан, длинный трубопровод или находится в напорном баке, что увеличивает пусковой крутящий момент.
Если двигателю требуется больше времени для разгона, то высокий ток сохраняется дольше. В результате система управления батареей (BMS), инвертор и кабели находятся под нагрузкой в течение более длительного периода. Батарея учитывает не только номинальные характеристики двигателя, но и реальные условия запуска.
Инвертор должен выдержать скачок напряжения
В случае двигателей насосов, работающих от переменного тока, инвертор зачастую является первым ограничивающим устройством. Он должен преобразовывать постоянный ток от аккумулятора в переменный, одновременно выдерживая пусковой пик нагрузки насоса. Если номинальная пиковая нагрузка инвертора слишком низкая, он может выйти из строя ещё до того, как проблема действительно окажется в аккумуляторе.
Если порог отключения инвертора по низкому напряжению установлен слишком высоко, он может отключиться при падении входного напряжения постоянного тока во время запуска. Если схема повторного запуска сконструирована ненадлежащим образом, насос может работать в режиме повторяющихся циклов, что приведет к увеличению нагрузки на него.
Натрий-ионный аккумуляторный блок может и подавать ток, но инвертор всё равно должен принять этот сигнал. Именно поэтому запуск насоса следует проверять на входе инвертора, а не только на клеммах аккумулятора.
Инвертор принимает решение на основе напряжения, которое он фиксирует с учетом потерь в кабеле, срабатывания предохранителя, сопротивления разъема, падения напряжения в системе управления батареей (BMS) и внутреннего сопротивления батарейного блока. Исправная батарея может по-прежнему выглядеть слабой для инвертора, если сечение цепи постоянного тока недостаточно.
Система управления батареей (BMS) должна быть рассчитана с учетом пикового тока и продолжительности его действия
Систему управления батареей (BMS) не следует выбирать, ориентируясь исключительно на значение непрерывного тока разряда. Для запуска насоса может потребоваться кратковременный пиковый ток. Если предельное значение пикового тока в системе BMS установлено слишком низко, батарея может отключиться до того, как насос наберет рабочую скорость.
Если продолжительность пикового сигнала слишком короткая, двигатель может начать вращаться, а затем остановиться. Если показатель температурной защиты системы управления батареей (BMS) близок к предельному значению, повторные запуски могут привести к накоплению тепла, даже если каждый запуск длится недолго.
Именно здесь натриево-ионные аккумуляторы становятся вопросом проектирования готовой батареи. Элементы, силовой блок системы управления батареей (BMS), шины, внутренняя проводка, контакторы или MOSFET-транзисторы, клеммы, предохранители, разъемы и трасса внешнего кабеля — все это образует единую цепь пускового тока.
Самое слабое звено определяет, запустит ли система насос. Более высокий номинальный показатель Ah не решает автоматически проблему пикового тока в системе управления батареей (BMS). Емкость влияет на время работы. Конструкция токопровода определяет, сможет ли двигатель запуститься.
Падение напряжения, как правило, является скрытой причиной
Запуск насоса часто заканчивается неудачей из-за кратковременного слишком сильного падения напряжения. Во время запуска высокий ток вызывает просадку напряжения на элементах аккумулятора, в системе управления аккумуляторной батареей (BMS), на шинах, в кабелях, предохранителях и разъемах.
Если напряжение на входе инвертора опускается ниже порогового значения отключения, инвертор отключается. Если напряжение в аккумуляторной батарее выходит за пределы диапазона низкого напряжения или пределов допустимого тока, установленные системой управления батареей (BMS), система BMS может отключить батарею. После остановки насоса напряжение может восстановиться, что может затруднить определение причины неисправности.
Часто встречающаяся жалоба на местах звучит так: «Аккумулятор по-прежнему показывает, что он заряжен, но насос не запускается». Это может быть правдой. Аккумуляторная батарея, возможно, ещё имеет заряд, но система просто не может поддерживать достаточно высокое напряжение во время запуска.
При использовании насосов напряжение под нагрузкой имеет большее значение, чем напряжение в состоянии покоя. Проверка напряжения без нагрузки не является подтверждением готовности к запуску.
Низкий уровень заряда аккумулятора и низкие температуры затрудняют запуск
Насос, запускаемый при полной заряженности аккумулятора, может выйти из строя при более низком уровне заряда (SOC). По мере разряда аккумулятора запас напряжения сокращается, и тот же пусковой скачок напряжения может привести к падению напряжения ниже порогового значения отключения инвертора или точки срабатывания защиты системы управления аккумуляторной батареей (BMS).
Если система эксплуатируется на открытом воздухе или в условиях низких температур, внутреннее сопротивление и просадка напряжения могут представлять более серьезную проблему в зависимости от конструкции готового аккумуляторного блока и температурных условий.
Натрий-ионная химия может обладать полезным потенциалом при низких температурах, особенно для наружных и удаленных насосных установок. Однако способность работать при низких температурах не означает автоматически, что насос сможет запускаться с высоким током в зимний период.
Запуск насоса по-прежнему зависит от проверки пикового тока готового аккумуляторного блока, ограничений системы управления батареей (BMS), номинальной пусковой мощности инвертора, сопротивления кабеля, просадки напряжения при низком уровне заряда (SOC) и восстановления после многократных запусков.
В системах водоснабжения, орошения, удаленных солнечных насосных станциях, сельскохозяйственной технике, системах охлаждения телекоммуникационного оборудования или промышленных резервных системах сложные условия зачастую заключаются не в полном заряде аккумулятора (SOC) при благоприятных погодных условиях, а в низком уровне заряда аккумулятора (SOC), низкой температуре, большой длине кабеля и перезапуске насоса под реальным давлением.
Несколько стартов подряд могут оказаться сложнее, чем один старт
Однократное испытание на запуск полезно, но оно может не дать полной картины о работе всего оборудования. Многие насосы не запускаются один раз и не работают непрерывно. Они работают циклически.
Напорный насос может запускаться многократно. Дренажный насос может работать с перерывами. Система орошения может запускаться и останавливаться по зонам. Охлаждающий или технологический насос может перезапускаться после поступления управляющих сигналов. Каждый запуск вызывает очередной скачок давления.
Повторные запуски могут привести к нагреву инвертора, системы управления батареей (BMS), кабелей, предохранителей, разъемов и двигателя. Они также могут выявить проблемы с восстановлением работоспособности. Система может запустить насос один раз, а затем выйти из строя после третьего или четвертого запуска из-за накопления тепла, снижения уровня заряда батареи (SOC) или некорректного восстановления работоспособности инвертора.
Поэтому систему натриево-ионного накопителя для насосов следует оценивать с учетом реального режима работы насоса, а не на основании однократного успешного запуска.
Устройства плавного пуска и частотно-регулируемые приводы могут изменить требования к аккумуляторам
Мягкий пускатель или частотно-регулируемый привод позволяют снизить нагрузку при пуске за счет управления процессом разгона двигателя. Это может сделать использование аккумуляторных батарей более целесообразным для насосных систем, особенно в тех случаях, когда прямой пуск двигателя привело бы к слишком большому пиковому току.
Однако эти устройства не избавляют от необходимости подбора системы. У частотно-регулируемого привода (VFD) или устройства плавного пуска по-прежнему есть требования к входной мощности, потери при преобразовании, особенности управления и настройки защиты.
Это может снизить пусковой ток, но аккумулятор и инвертор по-прежнему должны обеспечивать достаточную мощность, чтобы насос вышел на рабочую скорость. Если насос запускается при высоком давлении или его разгон занимает слишком много времени, система все равно может превысить допустимые пределы по току, напряжению или температуре.
Конструкция с плавным запуском не является способом обойти расчет емкости аккумулятора. Это один из инструментов, позволяющих обеспечить управляемость процесса запуска.
Настоящая граница поддержки — это системный уровень
Возможность использования натрий-ионного аккумулятора для питания двигателя насоса зависит от ряда ограничивающих факторов, которые необходимо согласовать между собой.
| Границы стартапа | Что изменится в системе | Неудача, если ее проигнорировать |
|---|
| Пусковой ток двигателя и время разгона | Номинальная пиковая мощность инвертора, пиковый ток системы управления батареей (BMS), цепь постоянного тока | Насос не запускается или отключается во время разгона |
| Механическая нагрузка на насос | Пусковой момент и продолжительность | Двигатель потребляет высокий ток дольше, чем ожидалось |
| Уровень заряда аккумулятора (SOC) и температура | Запас по напряжению и просадка напряжения | Запускается при полностью заряженной батарее, но позже или в холодную погоду не запускается |
| Сопротивление кабеля постоянного тока и разъема | Входное напряжение инвертора во время скачка напряжения | Инвертор фиксирует низкое напряжение, даже если состояние клемм аккумулятора выглядит нормальным |
| Предельное значение пика BMS и восстановление | Поведение системы защиты после перенапряжения | Аккумулятор отключается или требует ручного восстановления |
| Начальная частота | Нагрев инвертора, системы управления батареей (BMS), кабелей и двигателя | Работает один раз, но выходит из строя при многократных циклах |
Эта таблица не является механическим контрольным списком. В ней показано, где на самом деле происходят изменения в конструкции. Если какая-либо граничная величина будет занижена, система может выйти из строя даже при том, что номинальная мощность кажется достаточной.
Стандартная система накопления энергии на основе ионов натрия работает, когда нагрузка на насос предсказуема
Стандартный натрий-ионный аккумуляторный блок может обеспечивать питание двигателей насоса, если насос небольшой, пиковая нагрузка при запуске умеренная, пиковая мощность инвертора достаточна, длины кабелей невелики, запуски происходят нечасто, а аккумуляторный блок уже прошел проверку на соответствие нагрузке двигателя.
Это вполне реальный вариант применения. Более сложная конструкция агрегата или системы становится более безопасной в случаях, когда насос характеризуется высоким пусковым моментом, предназначен для работы в глубоких скважинах, подвергается частым циклам работы, эксплуатируется на открытом воздухе в холодных условиях, имеет длинные кабельные трассы, запускается под высоким давлением, подключен к удаленной солнечной системе рекуперации или работает в автоматическом режиме без участия оператора.
Эти условия не делают натрий-ионные батареи непригодными. Они меняют уровень валидации и требования к конструкции системы. Разница заключается не в том, является ли система стандартной или изготовленной на заказ. Разница заключается в том, соответствуют ли валидированные границы системы батарей реальному поведению насоса при запуске.
Например, натрий-ионный аккумуляторный блок, который хорошо подходит для освещения, резервного питания систем связи или небольших нагрузок на инверторе, может все же потребовать системы управления батареей (BMS), рассчитанной на более высокий пиковый ток, прежде чем он сможет надежно обеспечивать питание двигателя насоса.
Проверяйте момент запуска, а не только время выполнения
Систему аккумулирования энергии на основе натрий-ионных батарей не следует утверждать для использования с двигателями насосов только на том основании, что она способна питать резистивную нагрузку или пройти испытание на емкость. Полезная проверка должна быть направлена на процесс запуска.
Это означает проверку или анализ реального насоса, реального преобразователя частоты, реального маршрута прокладки кабеля, реальных условий давления, ожидаемого диапазона заряда аккумулятора (SOC), ожидаемой температуры и режима многократных запусков.
«Чистый» результат означает, что насос запускается, просадка напряжения удерживается в пределах допустимого диапазона системы, инвертор не отключается, система управления батареей (BMS) не отключается неожиданно, а система нормально восстанавливает работоспособность после циклов остановки-запуска.
В случае удаленных насосных установок восстановление работоспособности имеет такое же значение, как и запуск. Аккумулятор, который обеспечивает собственную защиту, но оставляет насосную систему в нерабочем состоянии до прибытия технического специалиста, не является надёжной системой электропитания.
Перед утверждением рекомендуется уточнить напряжение питания насоса, номинальную мощность (в ваттах или лошадиных силах), ток при полной нагрузке, пусковой ток или данные по заблокированному ротору, модель преобразователя частоты, напряжение аккумулятора, длину кабеля, частоту запуска, температуру окружающей среды, диапазон уровня заряда аккумулятора (SOC), а также уточнить, используется ли частотно-регулируемый привод (VFD) или плавный пускатель.
Заключение
Натрий-ионный аккумулятор Аккумуляторная батарея способна выдерживать пусковые нагрузки двигателя насоса только в том случае, если готовая система рассчитана на реальные условия запуска, а не только на номинальную мощность.
Перед утверждением необходимо проверить пусковой ток, время разгона, нагрузку насоса, номинальную пиковую мощность преобразователя частоты, предельное значение пикового тока системы управления батареей (BMS), просадку напряжения, сопротивление проводки, уровень заряда батареи (SOC), температуру и количество повторных запусков.
Если вам нужны решения для орошения, повышения давления, дренажа, удаленного солнечного насосного оборудования, сельского хозяйства, охлаждения телекоммуникационного оборудования или промышленных систем резервного питания, обратитесь в компанию Kamada Power, указав подробные сведения о насосе, инверторе, аккумуляторе, кабеле, температуре, частоте запуска и времени автономной работы системы.
Свяжитесь с нами сегодня. Наша команда инженеров поможет определить, что лучше подойдет: стандартный натрий-ионный аккумуляторный блок, система управления батареей (BMS) с более высоким пиковым током или Индивидуальное решение на основе натрий-ионных аккумуляторов 24 В/48 В безопаснее.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
Может ли натрий-ионный аккумулятор питать двигатель насоса?
Да, но готовая аккумуляторная система должна быть рассчитана на пусковую нагрузку насоса, а не только на его рабочую мощность. Ключевыми ограничивающими факторами являются пиковая мощность инвертора, способность системы управления аккумуляторной батареей (BMS) выдерживать пиковые токи, просадка напряжения, сопротивление кабеля, степень заряда (SOC), температура и поведение при многократных запусках.
Почему мой насос не запускается, хотя аккумулятор, судя по индикатору, ещё заряжен?
В аккумуляторе может оставаться достаточно энергии, но пусковой ток может вызвать кратковременное падение напряжения. Если входное напряжение инвертора опустится ниже порогового значения или система управления аккумуляторной батареей (BMS) сработает из-за перегрузки по току или низкого напряжения, насос может выйти из строя до того, как двигатель наберет рабочую скорость.
Нужен ли мне мягкий пускатель или частотно-регулируемый привод для насоса, работающего от аккумулятора?
Не всегда. Плавный пускатель или частотно-регулируемый привод (ЧРП) могут снизить нагрузку при запуске, но не заменяют расчёт емкости аккумулятора и инвертора. Система по-прежнему должна обладать достаточной способностью выдерживать пиковые токи, иметь правильные настройки защиты и проходить реальную проверку запуска в условиях фактического давления и режима работы насоса.