Rekonstrukcija elektro sustava na Leidi 800 s LFP baterijom
BN 248Kroz pet prethodnih članaka opisano je opremanje dvije nove brodice Šibenik 800 sustavom napajanja energije s LFP baterijom 400 Ah opće namjene. Prorađene su sve komponente sustava od njihovog teoretskog značenja i načela djelovanja u sustavu, do praktičnog spajanja. Potom je kroz tri nastavka opisana rekonstrukcija jednog Bayliner-a s dva bloka LFP baterija, svaki po 600 Ah. U ovom i sljedećem nastavku opisat će se rekonstrukcija jedne ljepotice “Leidi 800“ s izvanbrodskim motorom
Razlog rekonstrukciji je bila povećana potreba za energijom na brodici. Tome je doprinijelo i stanje olovne baterije opće namjene koja je „izdahnula" i nije više mogla podržati frižider preko noći. Od ideje do realizacije prošlo je nekoliko mjeseci. Dakle to nije zahvat koji se radi preko vikenda, već preko zimske pauze! I moralo se sve poklopiti, da investitor razumije što dobiva zahvatom, da se nađu pravi majstori koji žele nešto nova naučiti i naravno da budu slobodni. Kada se sve to uskladilo, uz nešto malo znanja i prikupljenog iskustva nastala su dva nova nastavka serijala; prvi je prikaz sheme u tekstu što slijedi, a drugi je prikaz izvedbe, parametriranje i puštanje u pogon, a što se priprema za sljedeći nastavak.
Zatečeno stanje i važna odluka pri startu rekonstrukcije
Investitor je osigurao postojeću dokumentaciju brodice Leidi 800 no kako to obično biva i sam je ubrzo uvidio da se postojeća dokumentacija ne poklapa s izvedenim stanjem. Zbog toga je za pripremu popisao i poslikao „plave Victron kutije" koje je uočio. Nakon nekoliko razgovora i pogleda u fotografije razjasnilo se u grubo što se želi. Potom su razrađene sheme koje su predane izvođačima na uvid, u ovom slučaju tvrtki M-Tech iz Vodica. Izvođači su pogledali brodicu i postojeću instalaciju, slike 1. i 2. Potom su proučili shemu koju su trebali izvesti. Prijedlog je bio da je najbolje „počupati" van svu instalaciju oko baterija i napraviti taj glavni energetski razvod ispočetka. Investitor je pristao. U ovom konkretnom slučaju to je sigurno bila najbolja odluka jer se tako mogao napraviti logičan i optimalan razmještaj starih i novih komponenata. To vjerojatno nije bilo najjednostavnije rješenje jer se sav rad izvodio ležećki, utrošeni su mnogobrojni sati, ali na kraju instalacija je nova, a ne „krpana". Investitor je zadovoljan rješenjem, a izvođač je dobio lijepu referencu.
Slika 1. Upravljačko mjesto, DC razvod i glavni pogon broda
Slika 2. Dio postojeće instalacije broda, DC razvod, punjač baterija iz mreže, izmjenjivač i MPPT regulator punjenja za fotonaponske module
Kako je izgledao postojeći sustav?
Slika 3. prikazuje načelo djelovanja postojeće instalacije. Sustav ima dvije baterije, startnu i bateriju opće namjene. Primijenjen je relej automatskog punjenja (engl. automatic charge relay, ACR) O ACR-u pročitajte ovdje: https://www.bluesea.com/support/articles/Automatic_Charging_Relays/57/Automatic_Charging_Relay_-_An_Alternative_to_Multiple_Output_Charging_Systems
On služi za automatsko spajanje baterija pri punjenju tj pri radu motora i alternatora. Na slici 3. prva, lijeva sličica prikazuje da uz glavnu sklopku u položaju „off": motor je odvojen od startne baterije, startna baterija i baterija opće namjene nisu spojene i trošila nisu spojena na bateriju opće namjene. To je položaj kada brod miruje i nema ljudi na njemu. Ako se dođe na brod sa željom za boravkom ili isplovljavanjem, glavna sklopka se postavlja u „on". Sada su trošila spojena na bateriju opće namjene, a motor je spojen na startnu bateriju. Baterije nisu spojene i ne može se dogoditi da trošila iscrpe startnu bateriju. Kad se motor starta, napon na startnoj bateriji se poveća uslijed djelovanja alternatora i počne se puniti startna baterija. To stanje prepoznaje automatski relej punjenja i spaja baterije, tj. uz startnu bateriju puni se i baterija opće namjene. Čim se motor zaustavi, relej automatskog punjenja razdvaja baterije i trošila troše samo bateriju opće namjene. Ako se ipak u nekom trenutku dogodi hitna situacija, da startna baterija ne može pokrenuti motor, tada je moguće glavnu sklopku postaviti u položaj „combine". U tom položaju spajaju se sklopkom obje baterije jer to je zadnje što se može napraviti za pokretanje motora, jer automatski relej punjenja nema uvjete za sklapanje, slika 3, skroz desno. Ako se motor pokrene bitno je tu sklopku opet vratiti u položaj „on". Naime ako ostane u položaju „combine", baterije će ostati spojene i po isključenju motora, dakle trošila će trošiti obje baterije! I ako trošila „dobro odrade svoj posao" velika je vjerojatnost da se neće moći pokrenuti motor jer će i startna baterija biti iscrpljena! Glavna sklopka u položaju „combine" smije stoga ostati uključena samo kratko vrijeme i ne smije ju se ostaviti trajno u „combine" položaju! Glavna sklopka nadalje ne smije ići u položaj „off" dok motor radi kako se ne bi oštetio alternator u motoru. Nautičarima su ovo sve dobro poznate činjenice.
Osim automatskog releja na brodici smo zatekli dva releja za daljinsko sklapanje (engl. remote battery switch). Na slici 4. je vidljivo kako su oni uključeni u spoj i kako mijenjaju dvopolnu glavnu sklopku sa slike 3. Spajanje baterija u slučaju nužde, što odgovara „combine" položaju sklopke na slici 3., moguće je prov
Slika 3. Načelno djelovanje automatskog releja punjenja (engl. automatic charge relay, ACR)
esti običnom jednopolnom 0 - 1 sklopkom kako je ucrtano na slici 4. Ta sklopka prespaja kontakte releja automatskog punjenja. I za ovu sklopku vrijedi da ne smije ostati uključena trajno. Jer ako ta sklopka ostane u položaju „on" i nakon što se isključi motor, obje baterije ostaju spojene i trošila prazne obje baterije i velika je vjerojatnost da će se isprazniti startna baterija od strane običnih trošila na brodici, a što je naravno nepoželjno. Jer s obje ispražnjene baterije motor se sigurno neće moći pokrenuti!
Slika 4. Postojeća DC instalacija broda
Komponente novog sustava oko LFP baterije
Novi sustav prema slici 5. u središtu ima 200 Ah LFP bateriju. Ona se spaja informacijskim kabelima s uređajem za nadzor punjenja i pražnjenja baterije (VE.Bus BMS uređaj). U minus polu baterije je mjerni otpornik nadzornika baterija BMV 712 smart. U plus polu je po izlazu iz baterije class T osigurač u svom nosaču. Class T osigurač ima prekidnu moć od 22 kA tako da može prekinuti struju kratkog spoja reda veličine 10 kA koja se može očekivati iz LFP baterije i to bez eksplozije osigurača. Izvedena je priprema za paralelni spoj dvije LFP baterije, a zbog opsega investicije trenutno je spojena samo jedna baterija. Prema instalaciji dalje slijedi servisna sklopka. Ona isključuje bateriju od ostatka instalacije u slučaju servisa. Odmah iza servisne sklopke izvedena su napajanja trajnih trošila: u konkretnom slučaju napajanje nadzornog računala Cerbo GX i GX modema za daljinsku komunikaciju, napajanje BMV 712 nadzornika, te napajanje VE.Bus BMS nadzornog uređaja. Ova četiri trošila napajaju se bez obzira na stanje napunjenosti baterije i nisu uključena u automatsko isključenje pri predubokom pražnjenju LFP baterije. To je svjestan rizik jer se pretpostavlja da će FN moduli uvijek prikupiti dovoljno energije kroz dan za ova mala trošila i da će se preko daljinskog nadzora pratiti stanje sustava. Ako bi i bila moguća opasnost za uništenje skupe baterije, reagirat će se isključenjem mehaničke servisne sklopke i tako zaštiti baterije do prilike za punjenje. Iza servisne sklopke preko elektroničke BP 100 sklopke spojena su trošila koja moraju imati stalno napajanje, kao primjerice kaljužne pumpe. No ta trošila se, ako je baterija prazna, isključuju uz pomoć upravljačkog signala „charge disconnect" iz VE.Bus BMS upravo preko BP 100 sklopke. Iza servisne sklopke spojena je RBS sklopka kojom se uključuje napon za napajanje pramčanog potisnika, BP 200 elektroničku sklopku za napajanje DC trošila i napajanje dvosmjernog pretvarača. Pramčani potisnik je uobičajeno isključen i upotrebljava se samo pri manevrima. I za njega se pretpostavlja da će se on racionalno koristiti, tj ako je situacija hitna, onda će se svjesno koristiti potisnik i uz praznu LFP bateriju. Nije predviđeno isključenje napajanja potisnika ako je LFP baterija previše prazna jer je logično riskirati bateriju da se spasi brodica. BP 200 sklopka će se potaknuta signalom „load disconnect" iz VE.Bus BMS nadzornika isključiti i time uskratiti napajanje trošila na brodici, sve ako se neka ćelija LFP baterije preduboko isprazni. Dvosmjerni pretvarač će preko VE. Bus BMS nadzornika kroz VE.Bus sabirnicu biti također isključen ako LFP baterija dođe u područje nedozvoljeno male raspoložive energije u nekoj od ćelija u bateriji.
Slika 5. Shema spoja sklopne opreme oko LFP baterije
MPPT regulator i DC/ DC pretvarač - punjači LFP baterije
Iza servisne sklopke spojeni su punjači preko svojih rastalnih osigurača, slika 6. Na brodici su dva punjača. MPPT regulator prosljeđuje energiju iz fotonaponskih modula prema LFP bateriji. Kao zaštita od prekomjernog punjenja postavljena je BP 100 elektronička sklopka koja je vođena signalom iz VE.Bus BMS uređaja. U slučaju prevelikog napona na nekoj ćeliji u bateriji VE.Bus BMS uređaj će proizvesti signal „charge disconnect" koji će isklopiti sklopku BP 100 i prekinuti punjenje iz FN modula. LFP baterija se puni iz alternatora preko DC/DC pretvarača Orion. Orion prepoznaje po naponu na ulaznim priključcima rad motora, uključuje se i ograničava struju punjenja LFP baterije. LFP baterija bi bez ovog pretvarača mogla povući preveliku struju i uništiti alternator jer LFP baterija ima vrlo mali unutrašnji otpor za razliku od olovne. Olovna svojim unutrašnjim otporom ograničava struju punjenja, a LFP baterija mora imati DC/DC pretvarač koji će regulirati i ograničavati struju opterećenja alternatora na zadanoj vrijednosti. I ovaj se punjač može isključiti VE.Bus BMS uređajem preko signala „charge disconnect" ako bi neka ćelija u bateriji došla u područje s nedozvoljeno velikim naponom. Na plus polu startne baterije spojena je RBS sklopka s daljinskim upravljanjem kojom je moguće ako se brodica ne koristi isključiti startnu bateriju iz instalacije. Obje RBS sklopke (slika 5. i slika 6.) imaju zajedničko upravljanje tj, jednu upravljačku, daljinsku sklopku.
Slika 6. Shema spoja opreme oko startne baterije
Izmjenični dio instalacije
Izmjenični dio instalacije prikazuje se na slici 7. Obalni priključak spaja se preko RCD sklopke na ulaz dvosmjernog pretvarača. Preko obalnog priključka kroz dvosmjerni pretvarač LFP baterija se može puniti. Cilj održivog sustava je da se uopće ne mora dopunjavati LFP baterija energijom s obale, tj. idealno je ako MPPT regulator i Orion osiguravaju dostatno energije za sve potrebe na brodici. Tada nije potrebno tražiti (i plaćati) pristanište s priključkom struje! No ako se energija ipak troši intenzivnije, onda će biti potrebno u nekom trenutku dopuniti bateriju s obale preko dvosmjernog pretvarača. Izmjenična trošila se preko RCD sklopke i izborne sklopke 1-0-2 mogu napajati ili s obale ako je brodica spojena na obalu, ili iz izlaza dvosmjernog pretvarača za vrijeme vožnje brodice, tj kada brodica nije spojena na obalni priključak. Zaštitni vodič obalnog napajanja zbog prekidanja galvanskih struja prolazi preko galvanskog izolatora i spaja se sa svim metalnim masama u brodici. Kako dvosmjerni pretvarač ne bi uništio bateriju prekomjernim pražnjenjem ili punjenjem i on se nadzire VE.Bus BMS nadzornim uređajem s kojim je spojen preko VE.Bus sabirnice. Ako je dvosmjerni pretvarač isključen zbog prekomjernog pražnjenja baterije, a spoji se obalni priključak, tada će VE.Bus mains detector uređaj preko VE.Bus sabirnice omogućiti punjački dio dvosmjernog pretvarača i prazna LFP baterija će se moći napuniti. Snažniji i veći dvosmjerni pretvarači od ovdje ugrađenog imaju VE.Bus mains detektor uređaj ugrađen u sebi.
Slika 7. Shema spajanja izmjeničnog dijela instalacije
Informacijsko spajanje komponenata
Slika 8. prikazuje informacijsko-komunikacijsko spajanje opreme. Nadzorno računalo Cerbo GX spojeno je na GSM modem tako da je sustav na brodici moguće daljinski pratiti. Dodatno, na GSM modem spojena je i aktivna GPS antena. Na Cerbo GX računalo spojeni su MPPT regulator punjenja i BMV 712 smart preko VE-Direct sabirnice. Preko VE.Bus sabirnice spojen je dvosmjerni pretvarač i VE.Bus BMS nadzorni uređaj, ali i Digital Multi control. Digital Multi control panel je preslika upravljačko-nadzornog sučelja dvosmjernog pretvarača i ugrađuje se negdje na dohvat ruke. To je važno jer dvosmjerni pretvarač gotovo sigurno ne može biti smješten na dohvat ruke! Na njemu se može zakretanjem gumba potenciometra ograničiti struja koju dvosmjerni pretvarač povlači iz mreže. To može biti potrebno ako se dođe u situaciju da u pristaništu je zaštitni prekidač od 10 A, a dvosmjerni pretvarač uobičajeno povlači 16 A. Ako ovo jednostavno prilagođavanje/ograničenje struje s obale zakretanjem gumba ne bi postojalo, pretvarač bi nepotrebno izbacivao obalni zaštitni prekidač. Na Digital Multi Control-u je i indikacija LED diodama o stanju dvosmjernog pretvarača, ali i mala tropoložajna preklopa s položajima: on, off i charge only. U položaju off dvosmjerni pretvarač je u pričuvnom stanju i gotovo ne troši energiju. U položaju on pretvarač može istovremeno raditi i kao izmjenjivač i kao punjač, dakle sinkronizira se s napajanjem s obale ako je obala spojena, a u položaju on radi samo kao izmjenjivač ako obala nije spojena. U položaju charger only, pretvarač neće raditi kao izmjenjivač, već samo kao punjač spojen na obalu. Uobičajeno se u ovakav sustav ugrađuje i zaslon osjetljiv na dodir spojena na Cerbo GX računalo, ali komandna ploča ove brodice je toliko već puna zaslona da se investitor zadovoljio da za pregled stanja sustava koristi mobilni telefon. Na nadzorno računalo Cerbo GX spojena su i četiri osjetnika temperature koja mjere temperature pojedinih prostora na brodici.
Slika 8. Informacijsko spajanje
Slika 9. Kontrola spoja prije puštanja u pogon
Zaključak
Nakon što je izvođač, tvrtka M-Tech iz Vodica, ugradila sve komponente, proveden je vizualni pregled instalacije. Nije bilo druge već zavući se u bočni otvor i „zaleći među žice", slika 9. Instalacija je bila izvedena vrhunski i bez greške po gornjim shemama. Za sljedeći nastavak pripremamo stoga prikaz ugrađene opreme i podešenja komponenata. j.zdenkovic@schrack.hr
