Baterie akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS oraz warunki ich bezpiecznej eksploatacji
Na zdjęciu: pomieszczenie bateryjne zasilacza UPS po wybuchu wodoru Fot. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender)
Wysokie wymagania dotyczące pewności dostaw energii
elektrycznej do odbiorników o znaczeniu krytycznym zmuszają projektantów
do projektowania układów zasilania wyposażonych w zasilacze UPS.
W zasilaczach tych ważnym elementem są baterie akumulatorów, które
eksploatowane w niewłaściwy sposób stwarzają zagrożenie wybuchowe. Od
poprawności ich doboru zależy czas eksploatacji oraz poprawne funkcjonowanie
systemu zasilania gwarantowanego.W artykule zostały przedstawione podstawowe
wymagania eksploatacyjne dla baterii akumulatorów stosowanych
w zasilaczach UPS, jako magazyny energii, których spełnienie gwarantuje
utrzymanie sprawności przez zakładany okres eksploatacji.
Zobacz także
dr inż. Karol Kuczyński Możliwości zwiększenia niezawodności przy zastosowaniu zasilacza UPS
Autor pisze o powszechnym znaczeniu niezawodności zasilania w energię elektryczną, realnych skutkach awarii w zasilaniu, o przebiegu współpracy zespołu prądotwórczego z UPS-em oraz o sposobach magazynowania...
Autor pisze o powszechnym znaczeniu niezawodności zasilania w energię elektryczną, realnych skutkach awarii w zasilaniu, o przebiegu współpracy zespołu prądotwórczego z UPS-em oraz o sposobach magazynowania energii
Impakt SA Nowa rodzina zasilaczy PowerWalker UPS VFI EVS 5 kVA z magazynami energii
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych....
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych. Zastosowana topologia podwójnej konwersji (VFI-SS-311) gwarantuje najwyższy poziom bezpieczeństwa, a wyspecjalizowane układy utrzymują współczynnik mocy PF na poziomie > 0.99. Oczywiście zależy on od podłączonych urządzeń odbiorczych. Wszelkie informacje o stanie UPS widoczne są na...
mgr inż. Dariusz Zgorzalski, EVER Sp. z o.o. Wybrane aspekty wymagań zasilaczy stosowanych do urządzeń przeciwpożarowych – na przykładzie zasilacza do napędów bram napowietrzających UZS-230V-1kW-1F firmy EVER
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a...
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a stosowanie niecertyfikowanych UPSów niesie za sobą ryzyko istotnych konsekwencji. Podkreśliłem, że świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczającym. Kompatybilność funkcjonalna, elektryczna i mechaniczna całego systemu jest podstawą do tego, aby urządzenia działały...
W artykule:• Rola akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS• Porównanie wybranych cech akumulatorów klasycznych i VRLA • Kwestie emisji wodoru z ogniw akumulatorów, wykrywalność jego stężenia oraz zasady projektowania pomieszczeń bateryjnych • Problematyka bezpiecznej eksploatacji baterii akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS |
Akumulatory stosowane w zasilaczach UPS stanowią magazyn energii i w zależności od typu zasilacza przeznaczone są do:
- pracy cyklicznej (zasilacze typu VFD)
- lub pracy buforowej (zasilacze typu VFI).
W przypadku pracy cyklicznej akumulator najpierw jest ładowany, a następnie odłączany od prostownika i przyłączany do zasilanych odbiorników.
W przypadku pracy buforowej zasilanie odbiornika realizowane jest z przekształtnika, który jednocześnie ładuje baterie akumulatorów.
W tych warunkach akumulator pozostaje w gotowości do przejęcia obciążenia na wypadek zaniku napięcia w obwodzie zasilającym prostownik, pozostając w stanie pełnego naładowania.
Uproszczone układy współpracy baterii akumulatorów z prostownikiem przedstawia rys. 1.
Rys. 1. Układy współpracy akumulatorów z prostownikiem: a) praca buforowa, b) praca w systemie UPS; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [źródło: T. Sutkowski – Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energie elektryczną – Urządzenia i układy – COS i W SEP 2007]
W zasilaczach UPS stosowane są akumulatory klasyczne o gęstości elektrolitu 1,24 kg/l lub akumulatory wykonane w technologii VRLA (Valve Regulated Lead Acid), czyli akumulatory regulowane z zaworem jednokierunkowym umożliwiającym usuwanie nadmiaru wodoru, o gęstości elektrolitu (1,25–1,3) kg/l.
Akumulatory VRLA produkowane są w dwóch technologiach:
- AGM, w której elektrolit jest umieszczony w separatorze międzypłytowym wykonanym z włókna szklanego o dużej porowatości, które eliminuje niebezpieczeństwo wycieku elektrolitu oraz zabezpiecza przed możliwością powstania zwarcia pomiędzy płytami dodatnią i ujemną,
- SLA, w której elektrolit jest zestalony w postaci żelu, stanowiącego tiksotropową odmianę dwutlenku krzemu (SiO2).
Porównanie wybranych cech akumulatorów VRLA odmiany AGM oraz żelowej (SLA) przedstawia tab. 1.
Tab. 1. Zestawienie porównawcze wybranych cech akumulatorów VRLA odmiany AGM oraz SLA [źródło: Z. Łęgosz – Stacjonarne baterie kwasowo-ołowiowe w systemach zasilania potrzeb własnych. Dobór baterii do aplikacji. - ETC Plus Ostrowiec Świętokrzyski]
W akumulatorach klasycznych wodór oraz tlen stanowiące produkt elektrochemicznego rozkładu wody są usuwane na zewnątrz przez otwory technologiczne wykonane w korkach. Natomiast w akumulatorach VRLA, które często błędnie nazywane są „szczelnymi” lub „hermetycznymi”, skutki reakcji elektrolitycznego rozkładu wody występują znacznie mniej intensywnie ze względu na wtórne reakcje powstających gazów, prowadzące do znacznej ich redukcji przez ponowne powstanie wody i powrót do elektrolitu. Zagospodarowywanie powstających gazów jest jednak niecałkowite i ich nadmiar jest usuwany na zewnątrz akumulatorów przez jednokierunkowe zawory.
Wraz z upływem czasu eksploatacji wskutek zjawiska starzenia lub błędnego jej prowadzenia, mogą pojawić się ilości gazów znacznie przekraczające ilość powstającą w normalnych warunkach. Świadczy to o tym, że akumulatory te podobnie jak akumulatory klasyczne stwarzają zagrożenie wskutek wprowadzania wodoru (H2) do pomieszczenia bateryjnego, który w mieszaninie z powietrzem przy stężeniu w zakresie (4–75)% staje się wybuchowy.
Zakres wybuchowości wodoru został przedstawiony na rys. 2.
Przy stężeniu stechiometrycznym, wynoszącym około 29% wodoru (H2) w powietrzu, do wybuchu wystarczy energia o wartości 0,019 mJ. W praktyce stosuje się wentylację mechaniczną, choć po spełnieniu określonych warunków dopuszcza się wentylację grawitacyjną.
Sterowanie wentylacją mechaniczną przedziału bateryjnego należy realizować z wykorzystaniem układów detekcji stężenia wodoru. Układy automatyki powinny mieć ustawione dwa progi wykrywania stężenia wodoru:
- 10% DGW, przekroczenie którego zostanie zasygnalizowane przez uruchomienie sygnalizacji akustycznej i optycznej oraz zostanie uruchomiona wentylacja powodująca zwiększenie szybkości wymian powietrza o 100% w stosunku do warunków normalnych,
- 30% DGW, przekroczenie którego spowoduje oprócz dalszego działania sygnalizacji akustyczno-dźwiękowej oraz wentylacji, wyłączenie ładowania baterii akumulatorów do chwili ustania zagrożenia.
Podstawowe wymagania w zakresie wentylacji przedziału bateryjnego wynikają bezpośrednio z normy PN‑EN 62040-1:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1: Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych [6].
Przybliżoną wartość przepływu zapotrzebowanego powietrza w ciągu godziny, w [m3/h], można obliczyć z poniższego wzoru [6]:
Wzór 1
gdzie:
v – wymagane rozcieńczenie wodoru (100 – 4)/4 = 24,
q – wytworzony wodór: 0,45*10–3, w [m3/Ah],
s – współczynnik bezpieczeństwa,
Ig – prąd gazowania o wartości:
1 mA – dla baterii „zamkniętych” (z zaworem VRLA) przy zmiennym napięciu,
5 mA – dla baterii otwartych przy zmiennym napięciu,
8 mA – dla baterii „zamkniętych” (z zaworem VRLA) przy stałym napięciu ładowania,
20 mA – dla baterii otwartych przy stałym napięciu ładowania,
n – liczba ogniw baterii, w [-],
CB – pojemność baterii, w [Ah],
Qp – ilość wymaganego powietrza, w [m3/h].
Przyjmując współczynnik bezpieczeństwa s = 5, wzór na obliczenie Qp może być uproszczony:
- dla baterii akumulatorów klasycznych:
Wzór 2
- dla baterii akumulatorów VRLA w przypadku akumulatorów:
Wzór 3
Jeżeli w pomieszczeniu z akumulatorami wolna przestrzeń V spełnia następujący warunek:
Wzór 4
gdzie:
Vp – objętość pomieszczenia z akumulatorami, w [m3],
Vu – objętość, jaką zajmują akumulatory ze stojakami oraz inne wyposażenie pomieszczenia, w [m3],
to wystarczające jest zastosowanie wentylacji grawitacyjnej, z umieszczonymi po przeciwnych stronach pomieszczenia z otworami: dolotowym i wylotowym.
Każdy z tych otworów musi posiadać powierzchnię nie mniejszą od określonej poniższym wzorem [5]:
Wzór 5
gdzie:
Ap – suma przekrojów otworów zewnętrznych i wewnętrznych, w [cm2].
W takim przypadku otwory wentylacyjne należy umieścić na przeciwległych ścianach.
Jeżeli jest to niemożliwe i otwory wentylacyjne muszą zostać wykonane na tych samych ścianach, to odległość pomiędzy nimi nie może być mniejsza niż 2 m. Ten sam wymóg dotyczy instalowania wentylatorów wyciągowych, których odległość nie może być mniejsza niż 2 m.
Podane wymagania mają charakter orientacyjny. Opracowanie projektu wentylacji pomieszczenia bateryjnego jest zagadnieniem wymagającym specjalistycznej wiedzy i powinno być opracowane przez uprawnionego projektanta branży sanitarnej.
Rola projektanta elektryka ogranicza się do zaprojektowania układu sterowania i zasilania wentylatorów. Wentylacja pomieszczenia bateryjnego musi spełniać wymagania zgodne z wymaganiami Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 109/2010, poz. 719) (pomieszczenie zagrożone wybuchem to pomieszczenie, w którym spodziewany przyrost ciśnienia przekracza wartość 5 kPa) [8].
W pomieszczeniach bateryjnych ważna jest również klimatyzacja z uwagi na znaczne ilości ciepła wydzielanego przez ładowane lub rozładowywane akumulatory. Wzrost lub zmniejszenie temperatury pomieszczenia od wartości 20°C skutkuje odpowiednio zwiększeniem lub zmniejszeniem pojemności baterii. Dla celów praktycznych ilość ciepła wydzielanego podczas rozładowywania akumulatorów można oszacować z następującego wzoru [6]:
Wzór 6
gdzie:
I – przewidywany maksymalny prąd rozładowania, w [A],
n – liczba gałęzi równoległych pracujących w czasie rozładowania, w [-],
Q – ilość ciepła wydzielanego w czasie t, w [J],
R – rezystancja jednej gałęzi szeregowej akumulatorów (rezystancję dla pojedynczego ogniwa podają producenci baterii w swoich katalogach), w [Ω],
t – przewidywany czas rozładowania, w [s].
Akumulatory stosowane w zasilaczach UPS mają napięcie znamionowe 12 V (rzadziej stosuje się akumulatory o napięciu 6 V). Są one zbudowane z pojedynczych cel o napięciu znamionowym 2 V. W razie potrzeby akumulatory te łączy się równolegle w celu zwiększenia ich pojemności lub szeregowo w celu zwiększenia napięcia.
Przykładowe warianty układu baterii akumulatorów przedstawia rys. 3.
Rys. 3. Przykładowe warianty łączenia baterii akumulatorów oraz ich zabezpieczeń: a) jedna gałąź szeregowa, b) jedna gałąź dwuczęściowa z punktem środkowym, c) trzy gałęzie równoległe, d) trzy gałęzie równoległe 2-częściowe z punktem środkowym; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [źródło: T. Sutkowski – Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energie elektryczną – Urządzenia i układy – COS i W SEP 2007]
Baterie akumulatorów powinny być budowane z ogniw tego samego typu, pochodzących z tej samej serii produkcyjnej ze względu na rezystancję wewnętrzną, która decyduje o równomierności rozpływu prądów w poszczególnych gałęziach. Zaleca się instalowanie zabezpieczenia zwarciowego w każdym biegunie każdej gałęzi, możliwie blisko akumulatorów.
Ponadto należy instalować zabezpieczenia centralne w każdym biegunie, zgodnie z zasadami przedstawionymi na rys. 3.
Dobór zabezpieczeń należy wykonać na podstawie spodziewanego prądu obciążenia znamionowego oraz spodziewanych prądów zwarciowych.
Ponieważ rezystancja wewnętrzna akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS jest uzależniona od typu akumulatora i wynosi (0,5–3) mW/100 Ah, zwarcie skutkowało będzie przepływem prądów o dużej wartości, co należy uwzględnić przy doborze zabezpieczeń oraz doborze oprzewodowania.
Szczegółowe wymagania w zakresie metodyki pomiarów oraz obliczania rezystancji wewnętrznej akumulatorów można znaleźć w normie PN-EN 60896-21:2007 Akumulatory ołowiowe. Część 21: Typy z zaworami. Metody badań [7].
Zgodnie z zaleceniami EUROBAT (zrzeszenie europejskich producentów akumulatorów), dotyczącymi akumulatorów VRLA, liczba równolegle połączonych gałęzi akumulatorów, ze względu na prądy gałęziowe, nie może przekraczać czterech gałęzi.
Pojemność akumulatora podawana jest w Ah lub przez prąd rozładowania w czasie 20 godzin w temperaturze 20°C, do osiągnięcia napięcia końcowego pojedynczej celi Uk = 1,7 V (oznaczenie C20). Oznacza to, że akumulator o pojemności np. Q = 100 Ah będzie rozładowywany prądem o wartości 
przez 20 godzin.
Dla ułatwienia posługiwania się tymi wartościami wprowadzono jednostkę krotności pojemności znamionowej C, która wyraża prąd jednogodzinnego rozładowania określony jako 1C.
Oznacza to, że akumulator o pojemności np. Q = 100 Ah rozładowywany będzie przez jedną godzinę prądem o wartości 100 A, ale prąd rozładowania oznaczony jako 0,1C oznacza wartość prądu 10 A i czas rozładowania akumulatora wynoszący 10 godzin.
Rys. 4. Wpływ temperatury i prądu rozładowania na pojemność akumulatora; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [źródło: T. Sutkowski – Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energie elektryczną – Urządzenia i układy – COS i W SEP 2007]
Cechą charakterystyczną akumulatorów jest to, że im prąd rozładowania większy, to pojemość dysponowana mniejsza, podobnie, im temperatura niższa, tym pojemność dysponowana mniejsza. Wpływ temperatury i prądu rozładowania na pojemność akumulatora przedstawia rys. 4.
Analizując rys. 4. należy zauważyć, że dla prądu rozładowania wynoszącego 0,1C czas rozładowania 10-godzinnego w temperaturze –10°C zostanie skrócony do około 40%. Czyli dysponowana pojemność akumulatora wyniesie 40% jego znamionowej pojemności.
Natomiast przy prądzie rozładowania wynoszącym 1C w temperaturze 20°C pojemność akumulatora wyniesie około 60% jego pojemności znamionowej, przez co czas rozładowania do uzyskania napięcia odcięcia Uk wyniesie około 36 minut (rys. 5.).
Rys. 5. Przykładowe krzywe rozładowania akumulatora w temperaturze 25°C przy różnych wartościach prądów rozładowania; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [źródło: Rozporządzenia Ministra Sprawa Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów [Dz. U. Nr 109/2010 poz. 719].]
Przy doborze akumulatora należy pamiętać, że przy pracy w temperaturze niższej od określonej przez producenta pojemność akumulatora będzie niższa od pojemności znamionowej, co spowoduje skrócenie czasu pracy przy zasilaniu urządzeń. Jeżeli wymagana jest praca akumulatora w niskich temperaturach, należy dobrać akumulator o większej pojemności znamionowej.
Podczas eksploatacji akumulatorów bardzo istotne znaczenie ma niedopuszczenie do rozładowania poniżej napięcia końcowego Uk, zwanego powszechnie „napięciem odcięcia”, tj. wartości, przy której po rozładowaniu akumulator zachowuje znamionową pojemność oraz znamionową żywotność. Napięcie to zależy od wartości prądu rozładowania i nie jest wartością stałą w odniesieniu do pojedynczego akumulatora. Przykładowe krzywe rozładowania akumulatora o pojemności 210 Ah w temperaturze 25°C przy różnych wartościach pądu rozładowania przedstawia rys. 5.
Jeżeli akumulator zostanie rozładowany do napięcia o wartości poniżej krzywej odcięcia, to jego pojemność zmniejszy się oraz zmniejszy się jego żywotność. Napięcie odcięcia dla określonych prądów rozładowania podają producenci akumulatorów.
Rozładowanie akumulatora poniżej wartości napięcia odcięcia grozi jego trwałym uszkodzeniem.
Każdy akumulator, którego pojemność spadła do wartości 80% jego pojemności znamionowej, należy wycofać z eksploatacji.
Akumulatory SLA naładowane do pojemności znamionowej, przechowywane w temperaturze 20°C tracą średnio 3% pojemności w ciągu miesiąca [3].
Przechowywanie akumulatorów SLA w stanie nienaładowanym może prowadzić do zmiany polaryzacji, co skutkowało będzie tym, że staną się one izolatorami.
Czas przechowywania naładowanych akumulatorów SLA jest uzależniony od temperatury i wynosi:
- 12 miesięcy w temperaturze (0–20)°C,
- 9 miesięcy w temperaturze (21–30)°C,
- 5 miesięcy w temperaturze (31–40)°C,
- 2,5 miesiąca w temperaturze (41–50)°C.
Graniczną temperaturą pracy lub przechowywania akumulatorów SLA jest temperatura +55°C. Należy jednak pamiętać, że w warunkach eksploatacji temperatura +55°C jest dopuszczona przejściowo. Ciągłe jej utrzymywanie powoduje skrócenie projektowanego okresu żywotności baterii do około 15% okresu projektowanego czasu eksploatacji.
Charakterystyki samorozładowania akumulatorów SLA w funkcji czasu dla różnych temperatur składowania przedstawia rys. 6.
Rys. 6. Przykładowe charakterystyki samorozładowania akumulatorów SLA w funkcji czasu, dla różnych temperatur składowania; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [źródło: Rozporządzenia Ministra Sprawa Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów [Dz. U. Nr 109/2010 poz. 719].
Każde podwyższenie temperatury pracy akumulatora o (8–10)°C ponad temperaturę optymalną powoduje skrócenie czasu eksploatacji o połowę.
Podobnie na długość eksploatacji akumulatorów ma wpływ głębokość rozładowania lub liczba cykli ładowania i rozładowania.
Przykładowe charakterystyki żywotności akumulatorów przy pracy buforowej lub pracy cyklicznej przedstawiają rys. 7a (praca buforowa) i rys. 7b (praca cykliczna).
Rys. 7a. Przykładowa charakterystyka żywotności akumulatora przy pracy buforowej; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender)
Producenci akumulatorów w kartach katalogowych podają charakterystyki stałoprądowego oraz stałomocowego rozładowania. Charakterystyki te są podobne i podawane w postaci tabel, których przykłady dla akumulatora o pojemności 210 Ah przedstawiają tab. 2. i tab. 3.
Rys. 7b. Przykładowa charakterystyka żywotności akumulatora przy pracy cyklicznej; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender)
Baterie akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS powinny być dobierane do mocy znamionowej zasilacza. Za podstawę doboru należy przyjąć wymaganą moc czynną/ogniwo, którą należy wyznaczyć z poniższego wzoru:
gdzie:
Pogn – wymagana moc czynna pojedynczego ogniwa przy stałomocowym rozładowaniu akumulatora do określonego napięcia odcięcia Uk, w [W/ogniwo],
S – znamionowa moc pozorna zasilacza UPS, w [VA],
cosφz – współczynnik mocy, przy którym pracuje zasilacz UPS (współczynnik mocy zasilanych odbiorników, w [-],
η – sprawność zasilacza UPS, w [-],
n – liczba ogniw w akumulatorze (przy napięciu akumulatora 12 V – 6 ogniw; przy napięciu akumulatora 6 V – 3 ogniwa),
Un UPS – napięcie znamionowe zasilacza UPS, w [V],
Un akum. – napięcie znamionowe akumulatora, w [V],
– wymagana liczba akumulatorów w pojedynczej gałęzi szeregowej, w [-].
Tab. 2. Przykład stałoprądowej charakterystyki rozładowania akumulatora o pojemności 210 Ah w temperaturze 25°C, prąd w [A] [źródło: Rozporządzenia Ministra Sprawa Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz. U. Nr 109/2010 poz. 719)]
Tab. 3. Przykładowa charakterystyka stałomocowego rozładowania akumulatora o pojemności 210 Ah, w temperaturze 25°C, moc w [W/ogniwo] [źródło: Rozporządzenia Ministra Sprawa Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz. U. Nr 109/2010 poz. 719)].
Kolejnym ważnym parametrem akumulatora jest rezystancja, która ma wpływ na wydatki prądowe, które narzucają wymagania w zakresie odporności zwarciowej dobieranych aparatów elektrycznych. Ma ona szczególne znaczenie dla krótkich czasów rozładowań. Dla czasów rozładowań wynoszących co najmniej 3 godziny rezystancja wewnętrzna akumulatora nie ma istotnego wpływu na wydatki prądowe akumulatora.
Rys. 8. Wpływ rezystancji wewnętrznej akumulatorów różnych typów na wydatek prądowy w funkcji czasu rozładowania – I=f(t); rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [źródło: Z. Łęgosz – Stacjonarne baterie kwasowo-ołowiowe w systemach zasilania potrzeb własnych. Dobór baterii do aplikacji. - ETC Plus Ostrowiec Świętokrzyski]
Wartość rezystancji wewnętrznej akumulatora jest bardzo mała i wynosi:
- (1–3) mW/100 Ah dla akumulatorów klasycznych,
- (0,5–3) m/100 Ah dla akumulatorów VRLA.
Wpływ rezystancji wewnętrznej akumulatorów różnych typów na wydatek prądowy w funkcji czasu rozładowania przedstawia rys. 8.
Producenci podają rezystancję wewnętrzną dla akumulatorów nowych. Jest ona obliczana na podstawie pomiarów w dwóch punktach, zgodnie z rys. 9.
Rys. 9. Algorytm obliczania rezystancji wewnętrznej akumulatora; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [źródło: Z. Łęgosz – Stacjonarne baterie kwasowo-ołowiowe w systemach zasilania potrzeb własnych. Dobór baterii do aplikacji. - ETC Plus Ostrowiec Świętokrzyski]
Pierwszy pomiar prądu i napięcia wykonuje się po czasie (20–25) [s] od momentu załączenia akumulator na rozładowanie prądem o wartości (4–6)×0,1C.
Drugi pomiar prądu i napięcia wykonuje się przy rozładowaniu akumulatora wykonywanym po pierwszej próbie z opóźnieniem trwającej (2–5) minut, prądem o wartości (20–40)×0,1C (gdzie:
- 1C – prąd rozładowania jednogodzinnego:
- 0,1C – prąd rozładowania 10-godzinnego:
Rezystancję akumulatora zgodnie z wymaganiami norm [7] oraz [8] wyznacza się z następującego wzoru:
Przykład
Należy dobrać akumulatory oraz ich zabezpieczenia do zasilacza UPS o mocy 400 kVA, zasilającego odbiorniki przy współczynniku mocy cosφz = 0,8 oraz sprawności zasilacza η = 0,9.
- Napięcie odcięcia Uk = 1,7 V/ogniwo.
- Wymagany czas pracy zasilanych odbiorników wynosi 30 minut.
- Rezystancja wewnętrzna akumulatora Rw = 2,5 mW:
- Wymagana liczba gałęzi równoległych „x” oraz moc czynna w pojedynczej gałęzi P1g: na podstawie tab. 3., Pogn dysp = 471,5 W/ogniwo/Uk = 1,7 V/t = 30 minut
- Spodziewany prąd obciążenia pojedynczej gałęzi:
- Spodziewany prąd obciążenia całej baterii akumulatorów:
- Spodziewane prądy zwarciowe:
- zwarcie w pojedynczej gałęzi:
- zwarcie obejmujące całą baterię akumulatorów:
Do zabezpieczenia poszczególnych gałęzi należy przyjąć bezpieczniki topikowe WT1gG250, natomiast do zabezpieczenia głównego bezpieczniki topikowe WTN3gG1000.
W obydwu przypadkach odporność zwarciowa dobieranych bezpieczników jest wystarczająca.
Na rys. 10a i rys. 10b. przedstawiono przykładowe charakterystyki ładowania akumulatorów pracujących w układzie buforowym (rys. 10a) oraz cyklicznym (rys. 10b.).
Rys. 10a. Przykładowa charakterystyki ładowania akumulatora przy pracy buforowej; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender)
Z rysunków wynika, że całkowicie rozładowany akumulator do napięcia odcięcia Uk zostanie naładowany po 24 godzinach.
Rys. 10b. Przykładowa charakterystyka ładowania akumulatora przy pracy cyklicznej; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender)
Przedstawione charakterystyki dotyczą temperatury 20°C. W przypadku innej temperatury należy wprowadzić poprawkę wynoszącą przeciętnie ±3 mV/°C/ogniwo. Znak ujemny dotyczy temperatur wyższych od optymalnych, a znak plus temperatur niższych od optymalnych.
Przykładową zależność napięcia ładowania od temperatury przedstawia rys. 11.
Rys. 11. Przykładowa zależność napięcia ładowania od temperatury; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [źródło: T. Sutkowski – Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energie elektryczną – Urządzenia i układy – COS i W SEP 2007]
Brak skutecznej wentylacji pomieszczeń bateryjnych w praktyce kończy się tragicznie, czego dowodem są zdjęcia z wybuchu pomieszczenia bateryjnego (Fot 1 - patrz: zdjęcie przy tytule i fot. 2).
Literatura
- T. Sutkowski – Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energie elektryczną – Urządzenia i układy – COS i W SEP 2007
- A. Czerwiński – Akumulatory, baterie, ogniwa – WKŁ 2013
- Podręcznik projektanta systemów sygnalizacji pożarowej – SITP, ITB – Warszawa, marzec 2009
- J. Wiatr, M. Orzechowski, M. Miegoń, A. Przasnyski – Poradnik projektanta systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego – EATON 2008, wydanie II
- Z. Łęgosz – Stacjonarne baterie kwasowo-ołowiowe w systemach zasilania potrzeb własnych. Dobór baterii do aplikacji. - ETC Plus Ostrowiec Świętokrzyski
- PN-EN 62040-1:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1. Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych.
- PN-EN 60896-21: 2007 Baterie ołowiowe stacjonarne. Część 21.: Typy wyposażone w zawory. Metody badań.
- PN-EN 60896-11:2007 Baterie ołowiowe stacjonarne. Część 11. Ogólne wymagania i metody badań.
- Rozporządzenia Ministra Sprawa Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów [Dz. U. Nr 109/2010 poz. 719].
- Karta katalogowa akumulatora EPL 210-12 – www.aval.com.pl - 28.07.201
![Rys. 1. Układy współpracy akumulatorów z prostownikiem: a) praca buforowa, b) praca w systemie UPS; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [1]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/baterie-akumulatorow-rys1.jpg)
![Rys. 4. Wpływ temperatury i prądu rozładowania na pojemność akumulatora; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [1]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/baterie-akumulatorow-rys4.jpg)
![Rys. 5. Przykładowe krzywe rozładowania akumulatora w temperaturze 25°C przy różnych wartościach prądów rozładowania; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [9]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/baterie-akumulatorow-rys5.jpg)
![Rys. 6. Przykładowe charakterystyki samorozładowania akumulatorów SLA w funkcji czasu, dla różnych temperatur składowania; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [9]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/baterie-akumulatorow-rys6.jpg)
![Rys. 8. Wpływ rezystancji wewnętrznej akumulatorów różnych typów na wydatek prądowy w funkcji czasu rozładowania – I=f(t); rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [5]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/baterie-akumulatorow-rys8.jpg)
![Rys. 9. Algorytm obliczania rezystancji wewnętrznej akumulatora; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [5]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/baterie-akumulatorow-rys9.jpg)
![Rys. 11. Przykładowa zależność napięcia ładowania od temperatury; rys. archiwum autorów (J. Wiatr, K. Herlender) [1]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/baterie-akumulatorow-rys11.jpg)
![Tab. 1. Zestawienie porównawcze wybranych cech akumulatorów VRLA odmiany AGM oraz SLA [5]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/baterie-akumulatorow-tab1.jpg)
![Tab. 2. Przykład stałoprądowej charakterystyki rozładowania akumulatora o pojemności 210 Ah w temperaturze 25°C, prąd w [A] [9]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/baterie-akumulatorow-tab2.jpg)
![Tab. 3. Przykładowa charakterystyka stałomocowego rozładowania akumulatora o pojemności 210 Ah, w temperaturze 25°C, moc w [W/ogniwo] [9]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/baterie-akumulatorow-tab3.jpg)
