Cálculo de Sistemas Industriales_Seminario Técnico_2009V1

CÁLCULO DE SISTEMAS

DC & AC

• INTRODUCCIÓN

• CÁLCULO DE SISTEMAS DC

- CARGADORES

- BATERÍAS

- PROTECCIONES E/S, DISTRIBUCIÓN

• CÁLCULO DE SISTEMAS AC

• EJEMPLOS DE CONFIGURACIONES TÍPICAS

• PARAMETROS FUNDAMENTALES

- DISTRIBUCIONES

- OPCIONES CONSTRUCTIVAS

- MONITORIZACIÓN REMOTA…

• Compañía de protección eléctrica fundada en 1891

• Uno de los 2 líderes europeos en el mercado de la protección eléctrica

• Presencia directa en 58 países en Europa, EEUU, Latinoamérica y Asia

Pacífico

• Oficina central en Londres

• Cotiza en la bolsa de Londres: CHLD.L

• Más de 1500 empleados en todo el mundo

¿QUIÉN ES CHLORIDE?

60 años de experiencia en el sector industrial protegiendo

más de 40MVA (> 2000 soluciones de continuidad) a

medida en los dos últimos años en todo el mundo.

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Sistemas DC y AC a medida; un único proveedor para una

completa solución industrial de protección eléctrica.

Instalación y puesta en servicio en todo el mundo

Centrados en el cliente

Orientados al servicio

Integridad y fiabilidad

DIVISIÓN CHLORIDE INDUSTRIAL POWER

CENTROS DE OPERACIONES CHLORIDE

•Londres (UK)

Oficina central•Bolonia (Italia)

Fábrica e I+D

•Erlangen (Alemania)

SAIs – Fábrica e I+D

•Chicago (EE.UU.)

S&S. Centro de

conectividad global.

Acondicionadores –

Fábrica

•Lyon (Francia)

Fábrica equipos

industriales

•Madrid (España)

SAIs Fábrica e I+D

•Sao Paulo (Brasil)

S&S. Oficina central

para Latinoamérica

•Shangai (China) S&S

•Bangkok (Tailandia)

S&S

•Sydney (Australia) S&S

•India – partnership

con DB Power

•Turquía S&S

•París (Francia) S&S

•Oporto (Portugal) S&S

•Dubai – S&S.

Oficina central para

Oriente Medio

•Singapur S&S

•Southampton (UK)

Chloride Power HQ.

S&S

S&S – Sales & Services (Ventas y Servicio)

RED NACIONAL

• Más de 130 profesionales en 8 oficinas propias en España

• La red de servicio técnico propia más amplia– 8 Servicios de Asistencia

Técnica propios y 6 autorizados

– Más de 40 técnicos expertos– Tiempos de respuesta hasta de

2 horas– Cobertura completa en todo el

territorio

• Partnership con mayoristas para el canal de baja potencia, integradores especializados, ingenierías, instaladores y contratistas.

RED MUNDIAL DE SERVICIO

INTRODUCCIÓN

• DATOS NECESARIOS PARA REALIZAR EL CÁLCULO DE UN

SISTEMA DC:

– Tensión de entrada al sistema AC (monofásico, trifásico,….)

– Tensión salida del sistema (48Vdc, 110Vdc, 220Vdc,...)

– Tolerancias de tensión de la carga (+/-10%, +15/-10%,...)

– Corriente nominal del sistema

– Curva de descarga de la batería

– Tipo de batería (Plomo abierto, VRLA, Ni-Cd,...)

– Lista de cargas

PARAMETROS NECESARIOS

CORRIENTE NOMINAL / CORRIENTE MÁXIMA

I NOMINAL

I C

AR

GA

BA

T.

I MAXIMA

PASOS EN EL CÁLCULO

• CÁLCULO DE LA BATERÍA

• CÁLCULO DEL CARGADOR

• CÁLCULO DE LAS PROTECCIONES DE ENTRADA

• CÁLCULO DE LAS DISTRIBUCIONES

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BATERÍAS

CONDICIONES DE USO Y APLICACIONES

AUTONOMÍA Y TIPO DE CARGA

VIDA DE LA BATERÍA

TRANSPORTE Y ALMACENAJE

INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO

EJEMPLOS DE CALCULO

OTROS PARÁMETROS

PRECIO

Plo

mo

-Ác

ido VRLA

AGM (Separador poroso fibra de vidrio)

GEL (Electrolito gelificado)

Abiertas

Ni-

Cd

20

20

20

14 to 16

10 to 12

5 – 7 -10 - 20

18

Recombinación

Abiertas

Placa plana – Baja descarga (L)

Placa plana – Media descarga (M)

Placa plana – Alta descarga (H)

Placa Plana

Placa Plana

Placa Tubular

Placa Planté

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BATERÍAS. VIDA DE LA BATERÍA

0 10 20 30 40 50-10-20

-10°C +30°C

-10°C +30°C

-18°C +50°C

-10°C +50°C

Plo

mo

-Ác

ido

Ni-

Cd

VRLA

Abiertas

Recombinación

Abiertas

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BATERÍAS. CONDICIONES DE USO Y

APLICACIONES

La vida útil está fuertemente relacionada con la temperatura ambiente.

Fuente : Guía Eurobat

1

Dis

min

ució

n d

e l

a v

ida u

til

%

20 25 30 35 400

0.50

0.25

Temperatura °C

VRLA (official)

Vented LA

(from field

experience)

Vented NiCd

(From field

experience)

VIDA ÚTIL

vo

lta

ge

U [

V]

time t [min]

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

2,00

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

8 OPzS 800

discharge current 800 Amps

8 OGi 800

8 GroE 800

COMPARACIÓN – COMPORTAMIENTO ALTA INTENSIDAD

cu

rre

nt

I [A

]

time t [min]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

10 100 1000

6 GroE 600

6 OGi 600

6 OPzS 600

final voltage 1,80V / cell

COMPARACIÓN – COMPORTAMIENTO ALTA INTENSIDAD

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

GroE 100 OGi 100 OPzS 100Re

sis

ten

cia

in

tern

a R

i [m

W]

po

r p

lac

a

COMPARACIÓN – RESISTENCIA INTERNA

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

GroE 100 OGi 100 OPzS 100

Cic

los d

e d

escarg

a

COMPARACIÓN – CICLOS DE DESCARGA

VRLA

Abiertas(Con electrolito)

Cargadas en seco

Ni-

Cd

Recombinación

Abiertas(Con electrolito)

(Sin electrolito)

Plo

mo

-Ác

ido

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BATERÍAS. TRANSPORTE Y ALMACENAJE

Ver manual de fabricante (Procedimiento de recarga

después de almacenaje)

Ver manual de fabricante (Procedimiento de recarga

después de almacenaje)

3 meses (-20°C to +20°C)2 meses (+20°C to +30°C)

1 mes a 45°C

2 años (no affect of temperature)

6 meses (-20°C a +20°C)3 meses (+20°C to +30°C)

2 meses a 45°C

Procedimiento de puesta en marcha después del

almacenaje

< 1 año

No limite

Procedimiento de puesta en marcha después del

almacenaje

No limite (si se suminsitra con electrolito y descargada)

Procedimiento de puesta en marcha después del almacenaje

Plo

mo

-Ác

ido VRLA

AGM (Separador poroso fibra de vidrio)

GEL (Electrolito gelificado)

Abiertas

Ni-

Cd

Recombinación

Abiertas

Placa plana – Baja descarga (L)

Placa plana – Media descarga (M)

Placa plana – Alta descarga (H)

Placa Plana

Placa Plana

Placa Tubular

Placa Planté

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BATERÍAS. PRECIO

€

€

€

€

€

€

€

€

€

Tanto las baterías de Plomo como las de Ni-Cd pueden ser instaladas en racks o en bastidores. Sin embargo las baterías abiertas no es aconsejable su instalación en armarios.

Rack Bastidor

NOTA :

Area de ventilación es necesaria para baterías abiertas instaladas en

bastidores

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BATERÍAS.

INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BATERÍAS. INSTALACIÓN

Despreciable

Habitación ventilada

Habitación ventilada

Despreciable

Plo

mo

-Ácid

o VRLA

Abiertas

Ni-

Cd

Recombinación

Abiertas

EMISIÓN H²

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BATERÍAS. INSTALACIÓN

Ventilación en salas de baterías. Cálculos IEC 896:

Para baterías abiertas :

• V= 0,05 N Igas Crt x 10-3 (m3 / hora)

• V = Volumen de aire renovado por hora

• N = Número de celdas de batería

• Igas = 5 (floating) - 20 (charge)

• Crt = Capacidad de la batería

Para baterías de recombinación ( > 95 %) :

• V = 0,0025 N Igas Crt x 10-3 (m3 / hora)

• Igas = 1 (floating) - 8 (charge)

Cubicle

• Mantener la batería limpia utilizando solo agua.

• Revisar el nivel del electrolito una vez al año.

Nunca permitir que el electrolito esté por debajo

del nivel mínimo.

• Revisar al menos una vez al año que las

conexiones estén apretadas.

• Proteger las conexiones revistiendo con grasa o

vaselina neutra.

• Revisar el voltage de cada celda.

• Hacer una carga de igualación al menos una vez

al año.

MANTENIMIENTO

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BATERÍAS. AUTONOMÍA Y TIPO DE CARGA

Factores a considerar :

• Tolerancias de tensión

• Curva de descarga. Intensidad y autonomía.Batería OPzS. Picos que no superen los 1200 A y el otro escalón mayor de 1 horas.

Batería GroE. Altas intensidades en poco tiempo. No adecuada para perfiles planos.

Batería OGi. Descargas elevadas en poco tiempo.

Ni-Cd. SBH descargas de altas intensidades en nos más de 30 minutos.

Ni-Cd. SBM descargas para intensidades medias de entre 30minutos y 3 horas.

Ni-Cd. SBL descargas de intensidades bajas en tiempos mayores de 3 horas.

• Si es requerido IEEE 485 (LA) o 1115 (Ni-Cd)

VRLA

U

I

Flotación2,27 V

Carga 2,27 V to 2,35V

Plo

mo

-ácid

o

TENSIONES DE CARGA DE LAS BATERÍAS


Placa Plana Tubular

I

U

2,20 to 2,25

V

2,25 V to 2,35V

Boost2,65 V

Planté

U

Flotación2,23 V


Boost2,65 V

Flotación

Carga

I

U

1,40 V

1,45 V

U

I

Flotación1,40 V


Boost 1,70 V

NiC

d RecombinaciónPlaca Plana – L, M, H


Flotación

Carga

Temp (°C)

Uch

2,27 V para Pb

1,40 V para NiCd

20 °C

-3 mV/cell/°C para plomo-ácido

-2 mV a -4 mV/cell/°C para NiCd

REGULACIÓN TENSIÓN DE CARGA CON LA TEMPERATURA

• Para baterías de plomo : 0,1 C10

• Para baterías de Ni-Cd : 0,2 C5

• Para baterías Ni-Cd herméticas: 0,1 C5

CORRIENTE DE CARGA DE LAS BATERÍAS

EJEMPLOS DE CÁLCULO

EJEMPLO

1

EJEMPLO

2

EJEMPLO

3

EJEMPLO 1

• Carga de 130 Amperios en 24Vdc.

• La carga puede tolerar unas variaciones de

tensión entre -10% / +15%

• Autonomía 3 horas

• Especifican batería VRLA

• La batería deberá operar a una temperatura

de +10°C

Datos :130 Amps

• 24 Vdc -10% / +15%

• Autonomía = 3 hours

• VRLA

• Temperatura de operación: +10°C

EJEMPLO 1

Datos:

• 130 Amps

• 24 Vdc.

-10% / +15%

• Autonomía = 3 hours

• VRLA

• Temperatura +10°C

Cálculo :Tensiones máximas y mínimas :

24V –10% 21,6 V

24V +15% 27,6 V

Consideremos una tensión de carga de 2,30 V (VRLA). Entonces el número de celdas necesario será:

La tensión final de descarga será:

celdas 12 30,2

6,27

/

Umax celdas de º

cellUchn

V/cell 1,8 12

21,6

celdas nº

Umin U descarga-de-fin

EJEMPLO 1

Datos:

• 130 Amps

• 24 Vdc.

-10% / +15%

• Autonomía = 3 horas

• VRLA


Cálculo:• Temperatura de operación: + 10°C

• Tablas delFabricante Margen diseño por temperatura

• Ajuste por temperatura

0,9

EJEMPLO 1

Cálculo:• Corriente de carga I = 130 Amps.

• Aplicando factor de temperatura : 0,90

La corriente corregida aplicnado márgenes de diseño:

Con esto hemos determinado el valor equivalente de corriente que la batería tendría que darnos durante el periodo de autonomía (3 horas) a 20ºC, valor de temperatura en el que vienen dados los datos de descarga de las baterías.

A144,5 0,90130

Datos:

• 130 Amps

• 24 Vdc.

-10% / +15%

• Autonomía = 3 horas

• VRLA


EJEMPLO 1

Cálculo:

• Viendo los datos de descarga de la batería seleccionada a “corriente constante” y Ufin de descarga = 1,8V con una autonomía de 3 horas.

• Elegimos 2 x LHC300,

la cual nos dará 600 Ah.

Nota : 2 x LHC250 no sería suficiente

para esta aplicación

(68 x 2 = 136 Amps) porque

necesitamos 144,5 A

EJEMPLO 2

Datos:220 Amps / 15 min

16 Amps / 3 hours

• 220 VDC. -12% / +10%

• VRLA

• Temperatura Operación : +20°C

• Curva de descarga 220 Amps durante

15min seguido de 16 Amps hasta 3

horas.

• Tensión del sistema 220 Vdc y admite

variaciones de tensión de -12% / +10%

• Se recomienda el uso de baterías

VRLA.

• Temperatura de operación 20°C

• El tiempo de recarga ha de ser 12 horas

EJEMPLO 2

Cálculo:• Tensiones máxima y mínima :

220V –12% 194 V

220V +10% 242 V

• Utilizando el mismo método del ejemplo anterior:

• La tensión final de descarga será:

celdas 105 30,2

242

/

Umax celdas de º

cellUchn

V/cell 1,85 105

194

celdas nº

Umin U descarga-de-fin

EJEMPLO 2

Cálculo:• Temperatura de operación: + 20°C

• Tablas delFabricante Margen diseño por temperatura

• Ajuste por temperatura

1,0

EJEMPLO 2

Cálculo:

• La curva de descarga a cumplir es:

I = 220 Amps durante 15 min +

I = 16 Amps hasta 3 hours

• Vamos a pasar esos valores a Ah:

220 A - 15 min 220 x (15/60)= 55 Ah

16 A - 3 horas 16 x ((3)-(15/60)) = 44 Ah

EJEMPLO 2

Por lo tanto, la nueva curva de descarga será:

55 Ah + 44 Ah = 99 Ah durante 3 horas

Lo que representa una corriente media de descarga de:

99 / 3 = 33 A durante 3 hours.

El ciclo equivalente es:

33 A durante 3 hours.

33 A

EJEMPLO 2

Ahora ya podemos seleccionar la

batería buscando en las tablas de

descarga del fabricante para una

Ufin de descarga = 1,85V

1) Para 33A durante 3 h, podemos

seleccionar el modelo LHC110, el

cual nos dá 33,6 A en 3 h. Pero no

cumple con la otra parte del ciclo,

no puede suministrar 220A durante

15 min.

2) Debemos seleccionar el modelo

siguiente, LHC160, el cual cumple

con ambos requerimientos.

EJEMPLO 3

• Curva de descarga de 22 Amps durante

9h59min y al final del ciclo de descarga

220 Amps durante 1 minuto.

• Sistema 110Vdc admite tolerancias de

tensión -10% / +10%

• Se especifica el uso de batérías de Ni-

Cd abiertas

• Temperatura de operación 10°C

• Tiempo de recarga 12 hrs

Datos:

• 22 Amps / 9h59 min

220 Amps / 1 min

• 110 Vcd.

-10% / +10%

• NiCd abiertas

• Temp. operación = 10°C

• Trecarga = 12 h

EJEMPLO 3

Cálculo:• Tensiones máximas y mínimas:

110V –10% 99 V

110V +10% 121 V

Consideremos la tensión de carga recomendada por el fabricante para realizar al carga en 12h: 1,45 V (NiCd abiertas). Entonces:

• Con este número de celdas:

PERO 1,19V/celda no es un valor apropiado de fin de descarga (valor muy próximo a la tensión nominal de la celda (1.2V). No hay datos de descarga

en tablas para esta tensión final de la descarga

celdas 83 45,1

121

U celdas of º

/

max

celdachUn

V/celda 1,19 83

99

celdas nº

Umin U descarga defin

EJEMPLO 3

Tenemos que utilizar otro método. En lugar de calcular el nº de celdas a partir de la tensión máxima, lo vamos a calcular a partir de la mínima (valor adecuado 1.10V):

Con este número de celdas, y para cumplir con el requisito de carga de las baterías en 12h:

Uch = 90 x 1,45 = 130,5 V

Y este valor se sale de las tolerancias especificadas (Vmax = 121V)

DEBEMOS UTILIZAR DIODOS REDUCTORES

celdas 90 10,1

99

U celdas º

arg

min

adescdefinUn

diodos 12 0,85

121-130,5 DD of º n

NOTA : Se debe optimizar el nº de

celdas para obtener el mejor precio

por el sistema completo

(cargador/batería/diodos reductores)

EJEMPLO 3

Calculamos el ciclo equivalente:

• I = 22 Amps / 9h59min

+

• I = 220 Amps / 1 min.

Lo cual, traducido a Ah:

22 A durante 9h59m 22 x (599/60)= 220 Ah

220 A durante 1 minuto 220 x (1/60) = 3 Ah

EJEMPLO 3

Capacidad requerida:

220 Ah + 3 Ah= 223 Ah.

Ahora podemos calcular el

periodo equivalente a esa

capacidad:

Vp=223/220 = 1 hora

EL NUEVO CICLO A CONSIDERAR SERÁ: 220 A durante 1 hora.

EJEMPLO 3

Nov-12

Cálculo:

• La temperatura de operación especificada es 10ºC, con locual, si nos vamos a las tablasdel fabricante.

• Ajuste temperatura = 0,95

0,95

EJEMPLO 3

Cálculo:

• Otro parámetro a tener en cuenta es que cargando la batería en 12h, la capacidad disponible que vamos a tener según datos del fabricante es la que se vé en la figura:

• Debemos aplicar otro márgen de ajuste por tiempo de recarga = 12 horas: 0,90

12

Entonces, con el ciclo

equivalente que hemos

calculado, y aplicando los

márgenes de temperatura:

I = 223 / 0,95 / 0,90 = 260 A.

Ahora buscando en las tablas de

descarga del fabricante para

una Ufin descarga = 1,10 V/cell.

BATERÍA SELECCIONADA :

MB370P-370Ah

EJEMPLO 3

CÁLCULO DEL CARGADOR

• Hay que considerar la corriente nominal del sistema, y además, la corriente máxima que debe proporcionar el cargador para poder suministrar la carga y recargar la batería en el requerimiento de horas necesarias a la vez.

- EJEMPLO 1 ANTERIOR:

CARGA NOMINAL 130 A

CORRIENTE DE CARGA (600 x 0,1)

LIMITACIÓN DE CORRIENTE 190 A

El cargador necesario para cumplir con los requerimientos será el modelo 24 V & 130/190 A

La corriente de carga de la batería, para

baterías de plomo se fija en 0,1 C10



CARGA NOMINAL 220 A





baterías de plomo se fija en 0,1 C10



CARGA NOMINAL 22 A





baterías de Ni-Cd se fija en 0,2 C5

CÁLCULO DE PROTECCIONES ENTRADA/SALIDA

• PARÁMETROS A CONSIDERAR:

• Factor de potencia a la entrada del cargador.

• Eficiencia del cargador seleccionado.


Carga máxima = 96 A

Eficiencia cargador = 90%

Factor de potencia a la entrada = 0.85

( I máx x V máx) / Eff. cargador (96A x 130.5V)/0.9

P ent. máx = = = 16,377 kVA

FP entrada 0.85

P ent. máx 16.377 VA

I ent. máx = = = 24 A

Ventrada 400 x √3


• Corriente Inrush del transformador de entrada del cargador. Este valor puede llegar a ser hasta 100 veces superior a la corriente en vacio del transformador, y, teniendo en cuenta que esta corriente de vacío es del orden del 15% de la corriente nominal de entrada , la corriente Inrush puede llegar a ser de 15 x I nominal

I inrush = 15 x 24A = 360A durante unos pocos ciclos

• Para el cálculo de la proteción de entrada del cargador, debemos tener en cuenta que no se produzca un disparo de la protección ante este pico, para ello, un valor de seguridad para que esto no ocurra es utilizar un márgen de 1.5 x Inom en la protección de entrada:

I Prot. entrada = 1.5 x 24A = 36A PROTECCIÓN DE ENTRADA = 40A




• La capacidad de corte ante cortocircuito de esta protección de entrada vendrá dada por la corriente de cortocircuito que nos pueda aportar la red de entrada al cargador.

I cc RED = 50kA PROT. ENTRADA 40A / 50kA

CÁLCULO DE DISTRIBUCIONES


• Corriente de cortocircuito de la batería. La batería seleccionada, ante una situación de cortocircuito nos dará una corriente que viene dada porla resistencia interna de las celdas de las que está compuesta.

Ej: Rinterna = 0.14 mOhm /celda

Nº de celdas = 87

Vnom = 87 x 1.2 (Ni-Cd)= 104.4 V

104.4 V

ICC = = 8572 A

(87 x 0.14)

bater íaRbater ía

Vbat



• Corriente de cortocircuito del cargador. El cargador está limitado en corriente, la curva de limitación de la corriente ante una situación de cortocircuito es la siguiente:

• Se genera un pico de 8 x Inom, pero el control de los equipos, en menos de 5ms, limita la corriente de salida.

Aporte cargador

5 ms

CORTOCIRCUITO

Aporte cargador

5 ms

CORTOCIRCUITO

8 x Inom


• Si estudiamos las curvas de disparo de las protecciones, disparos mágneticos, ante cortocircuitos:

• Las protecciones necesitan

un aporte de corriente durante

10-15ms para abrir ante un

cortocircuito, luego un aporte

durante 5ms no influye en la

apertura de las protecciones.


• Si unimos las dos curvas (aporte de la batería + aporte del cargador):

• Se puede observar que, después de 5ms, el cargador no aportará nada a este cortocircuito, luego la única corriente a considerar para calcular las capacidades de corte de las protecciones de distribución, es la corriente de cortocircuito de las baterías.

Aporte cargador

Aporte batería

5 ms

CORTOCIRCUITO

8 x Inom

Aporte cargador

Aporte batería

5 ms

CORTOCIRCUITO

8 x Inom


• Esto es teóricamente, en la realidad va a pasar otra cosa, ya que entre medias de las baterías y cargas hay cables, protecciones, etc, las cuales tienen su resistencia interna, y van a hacer que la corriente en bornas de las carga ante un cortocircuito sea aun más pequeña.

• Si por ejemplo, tenemos el siguiente sistema:


• Dibujamos el circuito equivalente:

• Donde:- Rbat = Resistencia interna de la Batería

- RQ5 = Resistencia protección Batería

- RC1 = Resistencia interna cable Baterías - Protección batería

- RC2 = Resistencia interna cable Prot. Batería – Prot. Entrada cuadro distribución

- RQ6 = Resistencia interna protección Entrada a cuadro distribución

- RQ010 = Resistencia interna de la protección en fallo

RQ5

R

Rbater ía

RQ010RQ5

Rc1 Rc2

Rbater ía

RQ010

Vbat

RRQ6


Vbat

• I CC =

(Rbat + RC1 + RQ5 + RC2 + RQ6 + RQ010)

Siguiendo el ejemplo anterior, y usando

tablas de fabricantes:

- Rbat = 0.14mOhm / celda

- RQ5 = 0.05mOhm

- RC1 = (0.00172414 * 30m)/ 400 mm2 = 0.013 mOhm

- RC2 = (0.00172414 * 2m)/ 50 mm2 = 0.007 mOhm

- RP0 = 0.05 mOhm

- RP005 = 5 mOhm

104.4 V

• I CC = = 6035 A

((0.14*87) + 0.013 + 0.05 + 0.007 + 0.05 + 5)


• CONCLUSIÓN:

• Como la única corriente que influye en el cálculo del aporte ante una situación de cortocirciuto, las protecciones que deberíamos instalar son las que tengan una capacidad de corte superior a 8572 A.

PROTECCIONES DISTRIBUCIÓN MCCB XX A / 10kA

• DATOS NECESARIOS PARA REALIZAR EL CÁLCULO DE UN

SISTEMA AC:

– Tensión del sistema (230Vac, 110Vac, 3 x 400Vac,...)

– Potencia nominal del sistema

– Factor de potencia

– Tipo de sistema (paralelo centralizado, distribuido,…)

– Lista de cargas

PARAMETROS NECESARIOS

• Factor de potencia de Inversores y UPS Industriales = 0.8

• Si el sistema ha de tener un factor de potencia superior a 0.8,

se debe sobredimensionar el Inversor para dar la potencia

requerida.

- Ej: Potencia = 40kVA

Factor de potencia = 0.9

Los equipos de AC solo nos pueden suministrar potencia con un FP = 0.8, es

decir, en este ejemplo, 40kVA/32kW, pero según lo requerido es 40kVA/36kW.

Para cumplir este requerimiento, es necesario encontrar un inversor que nos

pueda dar 36kW. El inversor de 50kVA, con un factor de potencia de 0.8, nos

puede proporcionar una potencia de 40kW, éste será el inversor que cumpla el

requerimiento especificado.

• Para el cálculo de la protección de entrada del Inversor hay que

considerar la corriente máxima que circulará por el bus de

continua. Esta corriente se corresponderá con la tensión

mínima del sistema (baterías en fin de descarga).

- Ej: Potencia requerida 40kVA (PF=0.9)

Batería 99 x UP1M 420

Vfin descarga = 1.013V/celda

Como la potencia requerida es de 40kVA/36kW, debemos escoger el Inversor de

50kVA(40kW) para cumplir el primer requisito. Para el cálculo de la corriente máxima del

bus de continua debemos aplicar:

((PNOMINAL x PF)/Eff. INVERSOR) ((40000 x 0.9) / 0.86)

I MAXIMA DC = = = 420 A

(Vfin descarga x Nº celdas) (1.013 x 99)

En cuanto a la capacidad de corte de estas protecciones dependerán, como vimos

en la parte de DC, de la corriente de cortocircuito de la batería.

• Se ha de seleccionar la protección adecuada para cumplir con

la selectividad del sistema aguas-arriba del Inversor. Es decir, la

protección de entrada del Inversor ha de ser selectiva con

respecto a la que se colocará aguas-arriba, en la distribución de

la parte de continua.

• Este mismo criterio se ha de seguir en los cuadros de

distribución.

• Selectividad entre la protección de acometida a los cuadros y

las salidas a cargas.

SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

• La corriente eléctrica puede provocar la muerte por fibrilación

ventricular.

• Los efectos sobre el cuerpo humano varían en función de la

intensidad que circule:

• De 1 a 3mA No hay riesgo

• De 5 a 10mA Contracciones involuntarias de

músculos y alteraciones del sistema nervioso.

• De 10 a 15mA Contracciones violentas e incluso

permanentes.

• De 15 a 30mA Aceleración del ritmo cardíaco,

contracciones violentas caja torácica.

• Mas de 30mA Fibrilación ventricular cardíaca.


• También influye el tiempo de actuación de la corriente:

• Hasta 150ms No hay riesgo si no se superan los

300mA.

• Para t > 150ms No hay riesgo si no se superan los

30mA.

• El valor de la resistencia ohmica del cuerpo también es otro

parámetro importante, que a su vez depende de otros tantos

factores. El más importante es la humedad de la piel, que

puede llegar a valores de 100kΩ cuando está seca y desciende

considerablemente con la humedad.


• Por ello son fundamentales los sistemas de puesta a tierra,

dado que protegen frente a sobretensiones para garantizar:

• Protección de personas y equipos

• Fijar un potencial de referencia único a todos los

elementos de la instalación.

• Configuraciones de neutro:

• Sistema neutro aislado (IT)

• Sistema neutro a tierra (TT)

• Sistema neutro a tierra (TNs o c)

NEUTRO AISLADO (IT)

R

S

T

• El neutro del sistema esta

aislado de tierra (o conectado a

través de una impedancia de

valor elevado).

• Al estar el sistema aislado, el

primer fallo a tierra no

producirá la apertura de las

protecciones.

N

PE

NEUTRO A TIERRA (TT)

R

S

T

N


conectado rígidamente a tierra

(pero el conductor de tierra

está separado).

• Para aislar un defecto a tierra

se deberá utilizar una

protección diferencial.

NEUTRO A TIERRA (TN-c)

R

S

T

N = PE



(y el conductor de tierra

coincide con el neutro).

• Un fallo entre fase y tierra es

equivalente a un fallo entre

fase y neutro, se producira una

sobrecorriente. La protección

adecuada será una protección

magnetotérmica.

NEUTRO A TIERRA (TN-s)

R

S

T

N

PE



(y el conductor de tierra no

coincide con el neutro).

• Para aislar un defecto a tierra

se deberá utilizar una

protección diferencial.


• En general, se tiende a adoptar sistemas TT o TN-s, porque:

• Limitamos la diferencia de potencial entre todos los

objetos conductores aislados

• Separamos los circuitos o equipos que fallan

• Limitamos las sobretensiones que aparecen en los

sistemas en diferentes condiciones

Charger

-Q3-Q2

Battery

protection

BATTERY

AC SUPPLY3 Ph

-Q001DC LOAD

Charger cubicle

-Q2 : CHARGER OUTPUT ISOLATOR-Q3 : CHARGER INPUT PROTECTION-Q5 : BATTERY PROTECTION-Q41 : VOLTAGE REGULATOR INPUT SWITCH-Q01 : DC LOAD MAIN ISOLATOR-Q001 TO Q00X : DISTRIBUTION CIRCUIT BREAKERS

-K1 : TWO STEP START CONTACTOR-K01 -K02: DROPPING DIODE CONTACTORS-V2 : CHARGER OUTPUT BLOCKING DIODE

Battery protection box

**

DISPLAY

U, I, F U, I U I

-V2

-Q00x

-K1

Dropping Diodes DC distribution

Two step start-up

contactor

Charger output blocking diode

-K02

-Q01

-K01

-Q41

Earth

Leakage Monitor

Low voltage detection relay

Battery

protection

Special

Ripple filter

Battery protection

-K5Switch

Shunt trip

CIC

Low voltage disconnect

contactor

7

61

2 3 4 5

-A01

8

-F5

Fuse

-Q5

Circuit breaker

-Q5

Fuse switch

9

10

* Interconnection cables not supplied by Chloride

Legend :

Optional part, available upon request

1 Option number

Input protection option:(for option )1

Battery protection option:(for options and )109

-Q3

Inputcircuit breaker

-Q3input switch

Standard:

Option:

11

12

Opciones

relacionadas con el

entorno de la

instalación

Monitorización

remota

Otras opciones

1 65432

1211

10

9

8

7

13

14

15

OPCIONES EQUIPO INDUSTRIAL DC

PROTECCIÓN ENTRADA CARGADOR

• Protege la entrada del Sistema rectificador-cargador con un

interruptor de entrada tripolar.

Tipos de protección de entrada:

• Seccionador en carga (estandar)

• Interruptor automático (opcional)

ARRANQUE EN DOS PASOS (INRUSH CURRENT LIMITATION)

• Limita la corriente inrush en la puesta en marcha del sistema a 8 In

(el estándar es 15In).

– Se añade este dispositivo de dos pasos para limitar la corriente

de magnetización del transformador de entrada.

(Se debe considerar que las dimensiones del rectificador

pueden variar con esta opción)

Reduce el rizado estandar de los

equipos hasta el 1% RMS. Existen dos

tipos de filtros para cumplir :

-Filtro para Telecomunicaciones, Curva

CCIT

-Corriente de rizado 0.1C/10 rms, con

baterías conectadas. Para baterías

VRLA.

FILTRO DE RIZADO ADICIONAL

• Evitan la descarga de la batería a través del rectificador en caso

de fallo de éste.

i i

Fig. 1.: Sin diodo de bloqueo Fig. 2.: Con diodo de bloqueo

DIODOS DE BLOQUEO

• También en configuraciones en paralelo evitan la recirculación

de corrientes entre ambas ramas de baterías.

Fig. 1.: Sin diodo de bloqueoFig. 2.: Con diodo de bloqueo

i i

DIODOS DE BLOQUEO

• Son necesarios cuando los márgenes de tensión de las baterías

para cumplir un determinado ciclo de descarga superan las

tolerancias admitidas por las cargas.

Vmax

Vmin

Tiempo de actuación de diodos reductores

Curva de descarga de la batería

DIODOS REDUCTORES DE TENSIÓN

DIODOS REDUCTORES DE TENSIÓN

• Aunque las tensiones de la batería estén dentro de los márgenes

establecidos por las cargas, hemos de tener en cuenta el

requisito de carga de las baterías.

Ej.: 60 celdas de batería VRLA

Carga de la batería en 10h Necesitamos una Vcelda = 2.4V/celda

Vrecarga = 144 V

Vmax = 137.5 V

Caida tensión en diodo = 0.85 V

Nº DIODOS = (144 – 137.5)/0.85 = 7.65 diodos

Serán necesarios 8 diodos reductores para cumplir con las tolerancias de la

carga marcadas.

• Toda clase de distribuciones pueden ser realizadas:

– Form 1

– Form 2A

– Form 2B

– Form 3B

– Form 4

DISTRIBUCIÓN AC & DC

Fig. 1.: Form 1 Fig. 2.: Form 2A

Fig. 3.: Form 2B Type 1Fig. 4.: Form 2B Type 2



Fig. 5.: Form 3A Fig. 6.: Form 3B Type 1

Fig. 7.: Form 3B Type 2Fig. 8.: Form 4B Type 7

CONTACTOR DE DESCONEXIÓN POR BAJA TENSIÓN (LVD)

• LVD evita el riesgo de daño de las baterías por descargas

profundas desconectando automáticamente cargas cuando la

batería se cae debajo de un umbral predefinido. Cuando el

voltaje de la batería retorna a un valor habitual, el interruptor

automáticamente restaura la funcionalidad del equipo.

NRV

LVRelé de minima tensión

Bobina de disparo

Contactor

• General:

– Sistema CIC completamente electrónico que consiste en un puente de resistencias equilibrado, amplificadores y comparadores.

– Son sistemas lo cuales que te indican un fallo a tierra cuando la resistencia entre el polo positivo-tierra o entre el polo negativo-tierra es menor a un valor previamente ajustado. Cuando haya diferencia entre estos dos valores es que se tiene un defecto de aislamiento.

• Individual (Discriminando la salida en fallo)

– Inyector + Detector

MONITORIZACIÓN DE DEFECTO A TIERRA (ALARMA DE FALLO A TIERRA)

MONITORIZACIÓN DE DEFECTO A TIERRA (ALARMA DE FALLO A TIERRA)

• Sistemas rígidos a tierra:

SISTEMAS DE DETECCIÓN NO SON OPERATIVOS

• Diferentes tipos de protección:

– Seccionador

– Fusible

– Seccionador-fusible

– Interruptor Magnetotérmico

PROTECCIÓN DE BATERÍAS

PROTECCIÓN DE BATERÍAS EXTERNA

• Cajas de protección de baterías externas a los equipos:

– Hasta IP55 o cajas anti-explosión (EEx boxes)

– Seccionador-fusible o protección Magnetotérmica

– Contactos auxiliares

• DISTORSIÓN ARMÓNICA:

– Incremento del valor RMS de la corriente que circula por los condensadores y transformadores.

– Puede afectar a cargas aguas-arriba de la instalación.

ARMÓNICOS

Distorsión de corriente armónica : Diferencia entre la forma de onda verdadera y onda sinusoidal

de referencia (fundamental).

SOLUCIONES PARA REDUCIR EL THDi A LA ENTRADA

THDi% = 70%

EJEMPLO

Composición

armónica de la

corriente

3er armónico

56%

Fundamental

100%5º armónico

42%


RECTIFICADOR 6 PULSOS

THDi = 30%

+U

W

V

U W V U WV

20 ms

V

t

Tesión de salida

V

I

Tension/corriente entrada


RECTIFICADOR 6 PULSOS + FILTRO

THDi = 10%

+U

W

V

V

I

U W V U WV

20 ms

V

t

Tesión de salida

Tesión/corriente entrada


RECTIFICADOR 12 PULSOS

THDi = 8%

U

W

V

+U30°

W30°

V30° VW30°

U W V U W

20 mst

V

U30° W30° V30° U30°V30°

V

I

Tesión de salida

Tension/corriente entrada


RECTIFICADOR 12 PULSOS + INDUCTANCIA

THDi = 8%

U

W

V

+U30°

W30°

V30°

VW30°

U W V U W

20 mst

V

U30° W30° V30° U30°V30°

V

I

Tesión de salida



CONTROL FACTOR POTENCIA (PFC)

THDi = 10%

+U

W

V

N

+

V

I

U W V U WV

20 ms

V

t

Tesión de salida



CARGADOR

6 PULSOS

+

FILTRO

CONTROL DEL

FACTOR DE

POTENCIA

PFC

CARGADOR

12 PULSOS

CARGADOR

12 PULSOS

+

INDUCTANCIA

THDi% 8% THDi% 10%THDi% 8% THDi% 10%


INTERRUPTOR DE SALIDA DEL CARGADOR

• Sistemas rectificadores limitados en corriente.

Tipos de protección de salida:

• Seccionador en carga (estandar)

• Interruptor automático (opcional)

INTERRUPTOR DE SALIDA DEL CARGADOR

• ¿Que ocurre ante un cortocircuito?

Aporte cargador

Aporte batería

5 ms

CORTOCIRCUITO

8 x Inom

Aporte cargador

Aporte batería

5 ms

CORTOCIRCUITO

8 x Inom

OPCIONES PARA EL ENTORNO DE LA INSTALACIÓN

- Protección exterior del armario (Grado de protección)

- Pintura especial

- Funcionamiento bajo condiciones ambientales especiales (temperatura,

humedad, sismicidad).

- Radiadores anticondesación

- Monitorización temperatura interna

- Protección de baterías EEx

- Cables retardantes al fuego, libres de halógenos

MONITORIZACIÓN REMOTA

Contactos libres de potencial

- ModBus communication (RS232 o RS485)

- Ethernet (TCP/IP)

- Profibus

- PPBAT

- Otros protocolos de comunicación (consultar)

PPBAT - FUNCIONES

Funciones:

– Adquisición de los datos de las baterías

– Reconocimiento de los BVM conectados

– Control de varios anillos de fibra óptica

– Monitorización de las tensiones de

baterías, con valores límites ajustables

– Condiciones de alarma se visualizan y

almacenan en la base de datos del PP

– Almacenamiento automático de

todos los datos

– Limita los valores de sobretensión

– Controla tensiones por debajo de un umbral

– Alerta sobre desviaciones de la tensión media

– Dispara las alarmas con periodos de retraso

ajustables. El retraso previene falsas

alarmas debido a anomalías transitorias o

eventuales.

– Cuando una alarma se dispara, se

monitoriza y archiva el motivo de alarma

PPBAT – MONITORIZACIÓN TENSION DE BATERÍAS

RECOPILACIÓN DE

DATOS DE MEDICIÓN

BASE DE

DATOS

BASE DATOS ACCESS

MONITORIZACIÓN

EVALUACIÓN

PC con servidor de archivos de datos PC

MONITORIZACIÓN Y

EVALUACIÓN

DCOM

(COMUNICACIÓN

DISTRIBUIDA)

POR RED

CONVERSOR

FIBRA ÓPTICA

RS232

1 2 3 4

BVM

1

...

TENSION DE

BATERÍA

BVM

2

...

...

CONEXIÓN DE

FIBRA OPTICA

RS232RS232

UPS

PPBAT – CONFIGURACIÓN

OTRAS OPCIONES

- Identificación especial de componentes

- Entrada superior de cables

- Iluminación interna

- Amarios de baterías

- Cáncamos de elevación

-Q3 : INPUT ISOLATOR

-K10 : 2-STEPS START-UP CONTACTOR

-T3 : INPUT ISOLATING TRANSFORMER

-Q5 : BATTERY PROTECTION

-K5 : LOW VOLTAGE DISCONNECT CONTACTOR

-CIC : DC EARTH FAULT ALARM RELAY

-A01 : LOW VOLTAGE DETECTION RELAY

-S02 : BLACK START KEY SWITCH

-K1 : PRE-CHARGE CONTACTOR

AC SUPPLY

3Ph

UPS cubicle

BYPASS SUPPLY

1Ph

INVERTER

-V18

-V21

-Q24

DISPLAY

U, F, I, W

U, FU, FU, I UIU, I, F

AC LOAD

1Ph

-Q22

-Q23

-Q21-Q3

-Q5

BATTERY

Battery protection box

*-Q5

*

-K10

Two step start-up

contactor

CHARGER

-K5

Switch

Shunt

trip

-A01

-K1

-S02

-Q5

-T3 -T11

U31

-Q31 -T31 -Q34

1

2

3 4 5

-K101

CIC

11

9

10

12

6

13

-T11 : OUTPUT ISOLATING TRANSFORMER

-V18/V21 : STATIC SWITCH

-K101 : AC EARTH FAULT ALARM RELAY

-Q21 : BYPASS SWITCH

-Q24 : INVERTER OUTPUT ISOLATOR

-Q31 : RESERVE INPUT ISOLATOR

-T31 : RESERVE TRANSFORMER

-U31 : RESERVE STABILIZER

-Q34 : STABILISER OUTPUT ISOLATOR

-F5

Fuse

-Q5

Circuit breaker

-Q5

Fuse switch* Interconnection cables not supplied by Chloride

Legend:

Optional part, available upon request

1 Option number

-Q001

-Q00x

AC Distribution

Distribution

cubicle

AUTO

TRANSITION

2321 22

XXX XX

-Q

MAINTENANCE

TEST

X

XX

14

8

15

Battery protection option:

(for options and )1412

Physical segregation

-Q3

Input

circuit breaker

-Q3

input switch

Standard:

Option:

16

Input or output

protection option:

(for options )16

-Q5

Fuse switchOption:

7

16

1

2

3 4 5 76

9

8

13

12 1110

16

16

14 15Opciones relacionadas

con el entorno de la

instalación

Monitorización remota

Otras opciones

17

18

19

OPCIONES EQUIPO INDUSTRIAL AC

PRECARGA DEL INVERSOR

iV C iV C

R

- Cuando el interruptor de baterías se cierra, la

corriente I aumenta bruscamente a su valor máximo

(I = V / R) (como si en el circuito no existiera

momentáneamente en este circuito RC), y poco a

poco esta corriente va disminuyendo hasta tener un

valor de cero.

- El voltaje en el condensador no varía

instantáneamente y sube desde 0 voltios hasta V

voltios.

El tiempo que se tarda el voltaje en el condensador

en pasar de 0 voltios hasta el 63.2 % del voltaje de la

batería está dado por la constante de tiempo:

T = R x C

VC

i

t

t

ic=C*(dVc/dt)

CONFIGURACIÓN TÍPICA DC

EJEMPLO CONFIGURACIÓN TÍPICA

CONFIGURACIÓN AC – PARALELO CENTRALIZADO


CONFIGURACIÓN AC – PARALELO DISTRIBUIDO


Edificio Europa III

C/San Rafael, 1

Pol. Ind. Alcobendas

28108 Alcobendas-Madrid-España

Teléfono: +34 91 414 00 30

Fax: +34 91 662 37 76

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Cálculo de Sistemas Industriales_Seminario Técnico_2009V1

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