4 Dimensionamiento del rectificador

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MODOS DE OPERACIÓN SISTEMAS DC
La configuración más sencilla del Sistema DC típicamente utilizado en la alimentación de
cargas críticas consiste de rectificador-cargador y baterías (conexión en paralelo con las
cargas).
A continuación se presenta una breve descripción de los distintos modos de operación de
este sistema. Se asume que el tiempo de duración de la falla en la alimentación principal es
inferior al tiempo de autonomía calculado para las baterías. Así mismo, no se ha considerado
el uso de un sistema temporizado automático de carga rápida (requerido sólo para algunos
tipos de baterías).
1.1
Normal
El rectificador-cargador alimenta los equipos críticos y mantiene las baterías en óptimo estado
de carga. La tensión DC del sistema es la denominada tensión de flotación. El ajuste de esta
tensión en el rectificador-cargador es crítico, pues la misma se aplica sobre las baterías (y
cargas, por estar conectadas en paralelo) durante la totalidad del tiempo de operación del
sistema (con presencia de energía principal AC). La tensión de flotación debe ajustarse
siguiendo las recomendaciones del fabricante de los acumuladores empleados. Una tensión
de flotación superior a la recomendada generará sobrecarga del acumulador, condición que
pudiera causar daños permanentes en el mismo. Una tensión de flotación inferior no evitará
que el acumulador pierda carga progresivamente, lo cual tendrá efectos sobre éste y, peor
aún, no garantizará una capacidad adecuada de las baterías cuando ocurra falla en el
suministro de energía principal.
1.2
Perdida de energía AC en la entrada
Las baterías suministran la energía DC requerida por las cargas críticas. La capacidad de las
mismas ha sido determinada en función del consumo de los equipos conectados, mínima
tensión de operación permisible por estos y tiempo de autonomía requerido.
1.3
Retorno a la condición de normalidad
El rectificador-cargador reasume la alimentación de las cargas críticas e inicia el proceso de
recarga de las baterías. Debe recordarse que este equipo es un convertidor AC-DC que
opera a tensión constante y corriente limitada. Al existir una demanda de corriente superior a
su capacidad nominal (originada por el bajo estado de carga de las baterías), el rectificadorcargador limita corriente, cargando la batería a intensidad constante hasta el momento en
que el requerimiento de corriente de ésta es lo suficientemente bajo como para no provocar
que el convertidor limite, instante en el que el rectificador-cargador alcanza nuevamente el
nivel de tensión de flotación. Gradualmente, la intensidad sigue descendiendo hasta alcanzar
su valor a régimen permanente.
2
DIMENSIONAMIENTO BATERIAS SISTEMA 48 VDC
Para el ejemplo en cuestión se asume que el diseñador ha seleccionado el tipo de
acumulador adecuado para la aplicación específica (de acuerdo a criterios relacionados con
condiciones de operación tales como: criticidad de las cargas, temperatura promedio de
operación, disponibilidad de espacio para instalación, facilidades de mantenimiento,
frecuencia probable de cortes de energía, perfil de consumo de las cargas, etc.). Para este
caso particular, los cálculos se basan en el uso de baterías plomo-ácido reguladas por
válvulas "selladas" CHLORIDE POWERSAFE serie VH
2.1
Premisas de diseño:
Autonomía de las cargas en caso de falla en la alimentación AC: 10 horas
Temperatura de operación: 20 ºC
2.2
Información recopilada:
Tensión nominal de operación de las cargas: 48 VDC
Rango de tensión de operación de las cargas: 42 VDC (VMIN) - 56 VDC (VMAX)
Consumo promedio de las cargas: 80 ADC
Tensión de flotación recomendada: 2.27 VPC (VFLOT)
Tensión de igualación (recarga) periódica recomendada: N/A
2.3
Cálculos:
Número de celdas (N):
El fabricante del tipo de celda seleccionada recomienda que la tensión de flotación a ser
empleada sea de 2.27 VPC (20 ºC). N = VMAX / VFLOT = 24.67. Se toma el valor entero que
cumple con los requisitos de diseño, es decir, 24 celdas, obteniéndose una tensión total de
flotación de 24 X 2.27 VPC = 54.48 VDC (dentro de rango, menor de 56 VDC).
Tensión final de descarga por celda (VFD):
Las cargas operan satisfactoriamente hasta alcanzar una tensión mínima de 42 VDC. Por lo
tanto, VFD = VMRN / N = 1.75 VPC.
Determinación del modelo y capacidad de las celdas:
Se localiza la tabla que muestra el comportamiento de las distintas celdas al ser descargadas
a un régimen de intensidad constante, alcanzando la tensión final de descarga calculada
(1.75 VPC) a la temperatura de operación requerida (CONSTANT-CURRENT DATA TO 1.75
VPC AT 20 ºC). Ubicando en dicha tabla la columna correspondiente a 10 horas de descarga,
se observa que la celda VH26 está en capacidad de suministrar una intensidad constante de
80.3 ADC durante dicho tiempo, alcanzando una tensión final de descarga de 1.75 VPC a 20
ºC. Por lo tanto, la celda de menor capacidad que satisface las premisas de diseño es la
mencionada (VH26).
La celda seleccionada (VH26) tiene una capacidad nominal de 751 Ah al régimen de 10
horas, tensión final de descarga de 1.85 VPC y temperatura de 20 ºC. Ver tabla THE
POWERSAFE VH PRODUCT RANGE.
Especificación de producto:
Banco de baterías con tensión nominal de 48 VDC, conformado por 24 celdas plomo-ácido
reguladas por válvulas "selladas" (tecnología de recombinación) marca CHLORIDE, modelo
VH26, para montaje vertical. Capacidad nominal: 751 Ah. Cumple con todos los
requerimientos establecidos en la normativa BS6290.
NOTA: Este ejemplo no considera el uso de factores de corrección por envejecimiento,
temperatura o diseño.
3
RECTIFICADOR CARGADOR (CONEXIONES REDUNDANTES)
Un sistema de alimentación DC puede incluir más de un rectificador-cargador. Para
incrementar la confiabilidad del sistema, se utilizan configuraciones con conexión redundante.
En la configuración básica, se utilizan dos rectificadores cargadores de idéntica capacidad
conectados en paralelo. Ambos están dotados de un circuito de comparación de carga, el
cual mide la salida del otro convertidor y realimenta una señal a su módulo de control, a fin de
que las corrientes de salida de ambos permanezcan iguales. Para efectos de cálculo de la
capacidad de cada uno de ellos puede considerarse el peor caso, es decir, el sistema DC
operando permanentemente con un solo rectificador-cargador (incluyendo capacidad para
recargar baterías en un tiempo determinado, bajo esas circunstancias).
La principal ventaja del sistema hot stand by utilizando dos rectificadores cargadores en
paralelo compartiendo la carga dentro de cierto porcentaje especificado, es la total factibilidad
de que cualquiera de ellos puede asumir la carga total del sistema sin oscilaciones u otro tipo
de perturbación. Esto ocurre instantáneamente, y no se requiere de la operación de ningún
dispositivo electromecánico. La diferencia porcentual entre ambas corrientes de salida no
debe exceder 2% del valor de salida de cada rectificador-cargador en operación normal.
Es importante destacar que en este sistema, aún cuando el circuito para compartir falle, y en
operación normal los equipos presenten salidas desbalanceadas, no se presentarán
problemas de transferencia en el supuesto de que un rectificador-cargador quede fuera de
servicio. Bajo toda circunstancia, el otro rectificador-cargador absorberá la carga total del
sistema.
Lo descrito para dos convertidores puede generalizarse para N + 1 equipos, donde N pueden
suministrar los requerimientos de energía del sistema (incluyendo recarga de baterías) y un
equipo es redundante.
El ejemplo descrito al principio de este documento es una particularización de la configuración
N + 1 (N = l). Si ahora se considera N = 2, el sistema redundante presenta una contabilidad
inferior, pues sólo puede fallar un (1) equipo, de una población total de tres (3). En el primer
caso podía fallar un (1) equipo de una población de dos (2). Lo interesante de esta
configuración es que es más confiable que aquélla utilizando un solo convertidor, pero
típicamente más económica, que la estudiada con dos (2) rectificadores cargadores, de ahí
su popularidad.
4
DIMENSIONAMIENTO DEL RECTIFICADOR-CARGADOR
Para el ejemplo en cuestión se asume que el diseñador ha seleccionado el tipo de
rectificador-cargador adecuado para la aplicación específica (de acuerdo a criterios
relacionados con condiciones de operación tales como: criticidad de las cargas y
requerimientos generales de contabilidad, niveles aceptables de ruido, exigencias en cuanto a
regulación a régimen permanente y dinámica, protecciones, señalizaciones y alarmas,
disponibilidad de espacio para instalación, etc.). Para este caso particular, los cálculos se
basan en el uso del rectificador-cargador LA MARCHE serie A36F (ver sección CATALOGOS
/ RECTIFICADORES - CARGADORES).
4.1
Premisas de diseño:
Operación en paralelo con las baterías y cargas conectadas
Autonomía de las cargas en caso de falla en la alimentación AC: 8 horas (TA)
Tipo de baterías seleccionado: plomo-ácido
Tiempo de recarga de baterías (peor caso): 20 horas (TR)
4.2
Información recopilada:
Tensión nominal de alimentación: 120 VAC / monofásica / 60 Hz
Tensión nominal de operación: 48 VDC (ajustable)
Consumo promedio de las cargas: 30 ADC (ICAR)
4.3
Cálculos:
Capacidad (ADC) del rectificador-cargador (IRC):
IRC = ICAR + 1. 1 (ICAR X TA) / TR = 43.2 ADC
Se selecciona el rectificador-cargador con capacidad nominal más cercana que satisfaga las
premisas de diseño. En el cuadro SALIDA DE CC DE 48 VOLTS -48 VOLT DC OUTPUT
encontramos el rectificador-cargador A36F-50-48V-ABDI, con tensión de entrada de
120/208/240 VAC, tensión nominal de salida de 48 VDC (ajustable entre 50.9 - 54.0 VDC
para flotación y entre 54.2 - 57.6 VDC para igualación) y capacidad nominal de salida de 50
ADC.
NOTA: El factor 1. 1 incluido en la fórmula se corresponde con el factor de eficiencia de
recarga para baterías plomo-ácido. Para baterías níquel-cadmio, utilizar 1.4. Notar también
que el producto ICAR X TA se corresponde con la energía (expresada en Ah) extraída de la
batería. Por lo tanto, el segundo término de la ecuación no es otra cosa que la intensidad de
corriente requerida para recargar baterías (reponer la energía extraída en ¡m cierto período
de tiempo).
Especificación de producto:
Rectificador-cargador LA MARCHE modelo A36F-50-48V-A 1. Ferro-resonante controlado.
Tensión de entrada: 120 VAC (monofásico, 60 Hz). Tensión de salida: 48 VDC (ajustable
flotación - igualación). Capacidad: 50 ADC.