7.BUS de Corriente Continua (DC)

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7. BUS de Corriente
Continua (DC)
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7.1 Caracterización de los componentes del bus DC para la
bancada de motores híbridos.
El presente documento trata de hacer una primera aproximación de cara al dimensionamiento
del bus DC donde se conectarán los sistemas de generación de energía (Pila de combustible,
baterías y supercondensadores) y los convertidores que alimentarán el motor eléctrico.
El alcance de este documento es dimensionar las secciones de los conductores de cada equipo,
así como sus protecciones.
El bus DC funciona a una tensión de 24V y se compone de cinco equipos:
-
Convertidor DC/DC que ajusta los niveles de tensión de la pila de combustible a los
24V del BUS. Este elemento sólo suministrará energía al bus, siendo unidireccional el
sentido de la energía. Para evitar una avería en la Pila de Combustible se instalará un
diodo de protección a su salida.
-
Batería de Ni-Mh de 24V y 9Ah. La batería suministrará energía al sistema pero
también podrá recargarse mediante el modo regenerativo.
-
Supercondesadores. Este equipo puede tener un flujo bidireccional. Como no se
dispone de información referida a este dispositivo, se asumirá una intensidad nominal
de consumo.
-
Carga electrónica de disipación de energía. Este equipo, al ser un elemento pasivo,
sólo recibirá energía.
-
Inversor DC/AC que alimentará al motor eléctrico. El inversor también tendrá un flujo
bidireccional debido al modo regenerativo que recargará la batería.
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El esquema de la instalación se muestra a continuación (ver ilustración 7.1):
Ilustración 7.1: Esquema de instalación del bus DC.
Primero se realizará un dimensionamiento de las secciones de cada elemento y posteriormente
se calcularán los requisitos que deben de cumplir los sistemas de protección.
La idea primaria es instalar todo el sistema en una caja cerrada donde sólo se tenga acceso a
las protecciones y a los conectores donde se enchufarán los equipos. De este modo se tendrán
unas medidas de seguridad y se aislarán las conexiones del exterior para evitar cualquier tipo
de situación peligrosa.
Para conectar dentro del bus todos los componentes se pensó en instalar pletinas de cobre de
modo que los cables de cada equipo se atornillen a dichas pletinas, facilitando así su
instalación y ahorrando espacio.
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Esto puede ser observado en la ilustración 7.2.
Ilustración 7.2: Diseño en 3D de la distribución de los componentes dentro de la caja del bus DC.
Una vez mostrada la idea de lo que se pretende fabricar, pasaremos a dimensionar cada
sección.
110
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7.2 Dimensionamiento del cableado:
Para dimensionar cada sección utilizaremos el criterio térmico y el criterio de caída de
tensión.
El criterio térmico hace referencia al hecho de que cuando circula una corriente eléctrica por
un conductor se produce un calentamiento debido al efecto Joule. Si este calentamiento es
excesivo puede que la instalación no funcione correctamente debido a las elevadas pérdidas o
a que el conductor se queme.
Este criterio se basa en:
(1)
donde Iz es la intensidad admisible por el conductor e IB la intensidad de diseño. En nuestro
caso, al ser alimentado un motor eléctrico, la intensidad de diseño será 1,25 veces la
intensidad de consumo del equipo. Los factores de corrección que se utilizarán, según la ITCBT-07, serán:
Tipo de corrección
Valor del factor de corrección
Ternos de cables unipolares en contacto
0,8
Tabla 7.1. Factores de corrección utilizados según ITC-BT-07.
El valor Iz será seleccionado según la tabla de la ilustración 7.3 proveniente de la ITC-BT 19.
Los cables serán unipolares en contacto mínimo con una distancia a la pared no inferior a D
(caso F) y el aislante que se le exigirá al cable será XLPE o EPR, por lo que los valores de
intensidad que utilizaremos serán los de la columna 10.
111
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Tabla 7.3: Intensidad admisible (A) al aire 40ºC. Nº conductores con carga y naturaleza del aislamiento.
Para utilizar el criterio térmico debemos de saber el consumo en intensidad que tendrán
nuestros equipos. Estos datos los conocemos debido a las características de consumo de cada
componente. Siendo para cada uno los mostrados en la siguiente figura (ver ilustración 7.4):
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Ilustración 7.4: Consumos de los equipos del bus DC.
Nota: debido a que las características de los supercondensadores no son conocidas, se ha
estimado una intensidad de consumo de 50A para dimensionar el conductor.
El criterio de caída de tensión se produce como consecuencia de la resistencia de los
conductores. En nuestro caso, según el R.E.B.T., se nos permite una caída de tensión máxima
de 5%. Como el Bus trabaja con 24V, la caída de tensión máxima permitida será 1,2V.
La ecuación que rige el criterio de caída de tensión en líneas de corriente continua es:
(2)
Siendo L la longitud del conductor en Km, I la intensidad de diseño en A y e (con unidades
V/(A·km)) un coeficiente de caída de tensión que proporcionan los fabricantes. A
continuación se muestran los valores de ΔV facilitados por el fabricante Pirelli (ver ilustración
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7.5). Los valores de la tabla se refieren a corrientes trifásicas pero para corrientes monofásicas
se pueden tomar con suficiente aproximación los mismos valores resultantes multiplicados
por 1,15. En la tabla de la ilustración 7.5 podemos observar cómo la caída de tensión depende
de la sección del conductor. En nuestro caso utilizaremos conductores de Cobre con
cos(Ø)=1.
Ilustración 7.5: Valores del coeficiente „e‟ según el fabricante Pirelli.
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7.2.1 Sección del cableado del convertidor DC/DC:
El consumo del convertidor DC/DC es:
Corriente
Continua
Pico
Valor
125 A
175 A
Tabla 7.2. Característica de consumo del convertidor DC/DC.
Para dimensionar el conductor utilizaremos el valor de corriente continua de 125A. La
intensidad de diseño Ib será este valor incrementado 1,25 veces, resultando 156,25A.
Utilizando la expresión (1) de criterio térmico se obtiene.
Analizando la ilustración 7.3 se observa que la sección mínima que necesitamos son 70 mm 2
que corresponden a una intensidad de 244 A.
Comprobemos que cumple el criterio de caída de tensión. La longitud será 1 m, la intensidad
serán 156,25 A y el coeficiente „e‟ es
.
Donde se observa que se cumple el criterio de caída de tensión y la sección que se estima para
conectar el convertidor DC/DC a las pletinas del bus es 70 mm 2.
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7.2.2 Sección del cableado de la batería:
El consumo de la batería es:
Valor
40 A
60 A
80 A
100 A
Tiempo
máximo
1 minuto
10 segundos
1 segundos
0,1 segundos
Tabla 7.3. Característica de consumo de la batería Ni-MH Smart VH.
Para dimensionar el conductor utilizaremos el valor de corriente continua de 40A. La
intensidad de diseño Ib será este valor incrementado 1,25 veces, resultando 50 A.
Utilizando la expresión (1) de criterio térmico se obtiene.
Analizando la Ilustración 7.3 se observa que la sección mínima que necesitamos son 10 mm 2
que corresponden a una intensidad de 76 A.
Comprobemos que cumple el criterio de caída de tensión. La longitud será 1 m, la intensidad
serán 50 A y el coeficiente „e‟ es
.
Donde se observa que se cumple el criterio de caída de tensión y la sección que se estima para
conectar la batería a las pletinas del bus es 10 mm 2.
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7.2.3 Sección del cableado del supercondensador:
El consumo del supercondensador no se conoce a priori, ya que no se dispone de información
acerca del modelo que se va a instalar en la bancada. Por este motivo, para sobredimensionar
los conductores se estimará que este equipo, cuando sea adquirido e instalado en la bancada,
consumirá una intensidad de 50 A.
Para dimensionar el conductor utilizaremos el valor de corriente continua de 50A. La
intensidad de diseño Ib será este valor incrementado 1,25 veces, resultando 60A.
Utilizando la expresión (1) de criterio térmico se obtiene.
Analizando la tabla de la ilustración 7.3 se observa que la sección mínima que necesitamos
son 10 mm2 que corresponden a una intensidad de 76 A.
Comprobemos que cumple el criterio de caída de tensión. La longitud será 1 m, la intensidad
serán 50 A y el coeficiente „e‟ es
.
Donde se observa que se cumple el criterio de caída de tensión y la sección que se estima para
conectar el supercondensador a las pletinas del bus es 10 mm 2.
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7.2.4 Sección del cableado de la carga electrónica:
La carga electrónica tiene una potencia de 1000W por lo que a la tensión de 24V a la que va a
ser alimentada supone una corriente de 41,6 A.
Para dimensionar el conductor utilizaremos este valor de corriente de 41,6A. La intensidad de
diseño Ib será este valor incrementado 1,25 veces, resultando 52 A.
Utilizando la expresión (1) de criterio térmico se obtiene.
Analizando la tabla de la ilustración 7.3 se observa que la sección mínima que necesitamos
son 10 mm2 que corresponden a una intensidad de 76 A.
Comprobemos que cumple el criterio de caída de tensión. La longitud será 1 m, la intensidad
serán 53 A y el coeficiente „e‟ es
.
Donde se observa que se cumple el criterio de caída de tensión y la sección que se estima para
conectar el módulo resistivo a las pletinas del bus es 10 mm 2.
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7.2.5 Sección del cableado del inversor DC/AC:
El consumo del inversor DC/AC es:
Corriente
Continua
Pico
Valor
80 A
250 A
Tiempo
máximo
1 hora
20 segundos
Tabla 7.4: Característica de consumo del inversor DC/AC.
Para dimensionar el conductor utilizaremos el valor de corriente continua de 80A. La
intensidad de diseño Ib será este valor incrementado 1,25 veces, resultando 100 A.
Utilizando la expresión (1) de criterio térmico se obtiene.
Analizando la tabla de la ilustración 7.3 se observa que la sección mínima que necesitamos
son 35 mm2 que corresponden a una intensidad de 154 A. Debido a que la sección del cable
sólo permite una corriente admisible de 154 A y por el dispositivo pueden circular corrientes
de hasta 250 A, se propone aumentar la sección de esta línea a un valor de 50mm 2, la cual
soportaría 188 A. El fabricante recomienda en el manual del equipo que la sección mínima del
conductor que se conecta al motor y a la batería sea de 16 mm 2. Se podría estudiar instalar un
conductor de una sección de 70 mm2 la cual soportaría 244 A, pero como el banco de ensayo
que se va a instalar tiene el objetivo de analizar a escala el comportamiento y el control de
consumo de un coche híbrido no se exigirá al inversor unas corrientes tan elevadas. Por todo
ello se estima una sección de 50mm2.
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Comprobemos que cumple el criterio de caída de tensión. La longitud será 1 m, la intensidad
serán 100 A y el coeficiente „e‟ es
.
Donde se observa que se cumple el criterio de caída de tensión y la sección que se estima para
conectar el inversor DC/AC a las pletinas del bus es 50 mm 2.
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7.2.6 Sección de la pletina del bus DC:
Para la conexión de todos los componentes al bus DC se instalará una pletina rígida de cobre.
Sobre esta pletina irán atornillados los distintos conectores de cada equipo, obteniéndose de
este modo una instalación segura y robusta.
Para la caracterización de las dimensiones del canto de la pletina, los fabricantes nos
proporcionan unas hojas de características donde muestran la intensidad máxima admisible
por la pletina en función de las dimensiones de su sección transversal.
Para estimar la máxima intensidad que pasará por la pletina nos pondremos en el caso más
desfavorable, que es que todos los sistemas activos suministren su corriente de pico al
inversor. En la siguiente tabla se muestran las corrientes que se estimarán para dimensionar la
pletina. En el caso del supercondensador se estima una corriente de pico de 60 A.
Equipo
Convertidor DC/DC
Baterías
Supercondensadores
Intensidad máxima
175 A
60 A
60 A
Tabla 7.5. Característica de consumo máximo por el bus DC.
De este modo resulta una corriente máxima de 295 A.
Ilustración 7.6: Tabla de características de las pletinas.
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Analizando el catálogo de un fabricante de pletinas denominado International Bronmetal (ver
ilustración 7.6) se ofrecen pletinas para aplicaciones eléctricas.
Se observa que para nuestros requerimientos de 295 A necesitamos una pletina pintada de un
canto de 20 x 5 mm2, permitiendo una corriente máxima de 320 A.
También observamos que con esta pletina seleccionada también se satisface la situación en la
que los equipos de consumo demandan corriente, siendo estos equipos el inversor y el módulo
de resistencia.
Ilustración 7.7: Pletinas de Cu International Bronmetal.
Estos equipos consumirían un total de 250 A + 41,6 A = 291,6 A, valor que la pletina
soportaría sin problemas.
Finalmente, en la ilustración 7.8 se muestra un esquema con las dimensiones de los
conductores de cada equipo.
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Pletina rígida de cobre de
20 mm x 5 mm de canto
Ilustración 7.8: Esquema de instalación con las secciones de los conductores de cada equipo.
En la tabla 7.6 se muestra un resumen de la sección elegida para cada elemento.
Equipo
Convertidor DC/DC
Batería Ni-Mh
Supercondensador
Módulo de resistencia
Inversor DC/AC
Sección (mm2)
70
10
10
10
50
Tabla 7.6. Resumen de las secciones de los conductores de cada equipo.
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7.3 Protección de los equipos del Bus DC:
Tras dimensionar las secciones de los conductores se procederá a caracterizar las protecciones
necesarias para cada equipo. Los equipos de protección que se instalarán serán
magnetotérmicos debido a la rápida respuesta que ofrecen y la posibilidad de rearmarlos una
vez que haya saltado la protección.
Como por el bus circularán corrientes elevadas y cada equipo tiene unas características de
consumo distintas, se instalará un magnetotérmico en cada dispositivo para ofrecer una mayor
seguridad al bus. A continuación se muestra un esquema de la instalación.
Ilustración 7.9: Esquema de protecciones de la instalación.
Para la caracterización de los magnetotérmicos necesitaremos principalmente dos parámetros:
calibre y poder de corte. El calibre es la corriente nominal que circulará por el dispositivo y el
poder de corte es la corriente máxima de cortocircuito que tendrá que cortar el
magnetotérmico. Además, en función de la respuesta que se desee de la protección, se deberá
seleccionar entre las distintas curvas de disparo que tiene cada magnetotérmico.
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Por el bus circulará una corriente continua a una tensión de 24V. La selección de los
dispositivos de protección se realizará analizando el catálogo del proveedor Schneider
Electric.
Para ello, el fabricante nos aporta unas tablas de selección de interruptores automáticos para
corriente continua. Dicha tabla de selección se muestra en la ilustración 7.10.
Ilustración 7.10: Tabla de interruptores automáticos y características.
Analizando la tabla mostrada en la ilustración 7.10, se observa que nos ofrecen los calibres y
el poder de corte para cada modelo de magnetotérmico. Para su selección se deberá estudiar
cada equipo del bus por separado y analizar los requisitos de protección que necesitan.
Para calcular el poder de corte de cada magnetotérmico se necesita conocer la resistencia
interna de cada equipo del bus. Este valor es un parámetro difícil de encontrar y aunque nos
hemos puesto en contacto con los proveedores de cada equipo no nos los han podido facilitar.
Por ello, se estimará el poder de corte con unos valores de resistencia interna que no son
exactamente los de nuestros dispositivos, sino que serán valores de otros equipos del mismo
tipo, por lo que las resistencias internas no deberían variar mucho. Aún así, se insiste en que
los valores de poder de corte son orientativos.
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Para el cálculo de la corriente máxima de cortocircuito que circulará por el dispositivo se
procederá a aplicar la Ley de Ohm a partir de la resistencia interna y el valor de tensión del
bus, resultando:
I cc 
VBUS
RINTERNA
(3)
El valor de poder de corte que se seleccione para cada magnetotérmico deberá ser mayor que
esta corriente de cortocircuito.
Usando la norma UNE 20460-4-43:2003 sobre instalaciones eléctricas, la protección debe de
cumplir los siguientes requisitos para cortocircuito y para sobrecargas:


Sobrecargas:
Cortocircuitos:
Ib ≤ In ≤ Iz
(4)
I2 ≤ 1,45* Iz
(5)
I2cc * t = K * S2
(6)
In ≤ Iz *
(5‟)
Para Interruptores automáticos, esta ecuación se transforma en: **
Donde:
IIA > ICCMAX
(6a)
ICCmin > Ia
(6b)
ICCMAX < Ib
(6c)
Ib =Corriente de diseño del circuito.
Iz = Corriente admisible de un conductor.
In = Corriente nominal del dispositivo de protección.
I2 = Corriente que garantiza el funcionamiento efectivo del dispositivo de
protección. Según EN 60898, para un interruptor magnetotérmico, I2 = 1,45 In,
con lo cual la ecuación I2 ≤ 1,45* Iz quedaría In ≤ Iz .
Icc = Intensidad de cortocircuito del elemento al que se protege.
126
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S = Sección del cable usado en cada elemento.
K = Constante. Para el tipo de conductor usado (Cobre con aislamiento de
XLPE) es 20473.
Ia= Corriente de regulación de disparo electromagnético.
IIA = Poder de corte del Interruptor Automático.
*Como la ecuación (4) incluye a la ecuación (5) en su segundo término, el magnetotérmico
sólo tendrá que cumplir la ecuación (4) para sobrecargas.
**Al carecer de los datos ICCcmin e ICCMAX de cada magnetotérmico, usaré la ecuación (6), en
vez de las (6a), (6b) y (6c), comparando el valor de “t” obtenido con el tiempo que tarda en
saltar cada magnetotérmico, obtenido de la curva de disparo.
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7.3.1 Protección para el Convertidor DC/DC:
Tras analizar distintas fuentes y tipos de convertidores DC/DC, los valores de resistencia
interna de este equipo es de pocos miliomhios. Por ello, se ha estimado el valor de resistencia
interna en 3 mΩ.
Mediante el valor de resistencia interna y la ecuación 3, resulta una corriente de cortocircuito:
Por lo que el poder de corte del magnetotérmico debe ser superior a 8 kA.
El consumo del convertidor DC/DC es:
Corriente
Valor
Continua
125 A
Pico
175 A
Tabla 7.7: Consumo del convertidor DC/DC.
Por lo que para el calibre se utilizará un magnetotérmico con un calibre de 125 A o superior y
mediante el valor de pico de 175 A se estimará el tipo de curva del mismo.
Observando la tabla de la ilustración 7.10, el modelo C120H con calibre de 125 A tiene un
poder de corte de 15 kA, por lo que a priori ese modelo sería adecuado.
Analizando las curvas de disparo del modelo C120H se observa que la curva tipo D tiene un
disparo magnético entre 10 y 14 In, la curva C tiene un disparo entre 5 y 10 In y la curva B se
dispara entre 3 y 5 In. Como queremos que el disparo magnético sea lo más rápido posible
debido a que la corriente de pico máxima del dispositivo es 175 A (1,4 veces 125 A), se
seleccionará el dispositivo con la curva de disparo más restrictiva. Siendo en este caso la
curva B.
128
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Para la curva B, el disparó magnético se producirá entre 3 y 5 veces In, siendo In el calibre del
magnetotérmico, en nuestro caso 125 A. Produciéndose de este modo el disparo entre 375 A y
625 A. Para los 175 A de corriente de pico el disparo térmico se produciría aproximadamente
a 50 segundos.
Aunque el disparo magnético sea bastante tardío con respecto al valor de pico admisible por el
equipo, éste se encontrará protegido correctamente mediante el disparo térmico. Otra opción
de diseño es establecer el poder de corte del magnetotérmico en función de la corriente de la
curva de disparo tipo B (3In) y del valor de pico. Con este simple cálculo, con un disparo
magnético de 175 A se correspondería con 3·In, resultando un calibre In de 58,3 A, un valor
bastante pequeño comparado con el valor de corriente continua de 125 A establecido por el
fabricante.
Requisitos de sobrecargas y cortocircuitos:

Sobrecargas:
Ib ≤ In ≤ Iz
 125 ≤ 125 ≤ 285
Cumple los requisitos de sobrecarga.

Cortocircuitos:
I2cc * t = K * S2
 80002 * t = 20473 * 702
 t =1,56746
Para cortocircuitos, el magnetotérmico seleccionado tarda menos de 0,01s (según su
curva de disparo para Icc/In = 8000/125 = 64) que es menor que 1,56746 s, con lo
que cumple el requisito de cortocircuito.
Donde:
Ib =125 A
Iz = 285 A
In = 125 A
Icc = 8000 A
S = 70 mm2
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Por todo ello, se estima el interruptor magnetotérmico para el convertidor DC/DC el modelo
C120H de Schneider Electric con un calibre de 125 A y un poder de corte de 10 kA.
A continuación se muestra la curva de disparo tipo B del modelo C120N.
Ilustración 17: Curva de disparo tipo B del modelo C120N.
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7.3.2 Protección para la Batería Ni-Mh:
Para estimar la resistencia interna de la batería Super High Energy Ni-MH Smart VH module
se estudiaron las propiedades de cada celda de la que se compone la batería. El fabricante
aporta las características de los distintos tipos de celdas para las baterías de la familia VH, las
cuales se muestran en la ilustración 7.12.
Ilustración 18: Características de la batería Ni-Mh.
Como no se conoce el tipo de celda que tiene nuestra batería, se seleccionará el caso más
desfavorable, siendo el modelo VH F XP con 3 mΩ de resistencia interna por cada celda.
Como nuestra batería es de 24V y cada celda es de 1,2V, la batería estará compuesta por 20
celdas. Con estos datos, se estima la resistencia interna de la batería:
Resultando una corriente de cortocircuito:
131
Proyecto fin de carrera
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Por lo que el poder de corte de magnetotérmico deberá ser superior a 400 A.
Recordando el consumo de la batería:
Valor
Tiempo máximo
40 A
1 minuto
60 A
10 segundos
80 A
1 segundos
100 A
0,1 segundos
Tabla 7.8: Consumos de la batería.
Se seleccionará un magnetotérmico con un calibre de 40 A y con el resto de datos se estimará
la curva de disparo.
A priori, el modelo de magnetotérmico que se instalará junto a la batería será el modelo C60N
con un calibre de 40 A y un poder de corte de 15 kA, valor que satisface nuestros requisitos.
Requisitos de sobrecargas y cortocircuitos:

Sobrecargas:
Ib ≤ In ≤ Iz
 40 ≤ 40 ≤ 85
Cumple los requisitos de sobrecarga.

Cortocircuitos:
I2cc * t = K * S2
 4002 * t = 20473 * 102
 t =12,795625 s
Para cortocircuitos, el magnetotermico seleccionado tarda menos de 0,01s (según su
curva de disparo para Icc/In = 400/40 = 10) que es menor que 12,795625 s, con lo
que cumple el requisito de cortocircuito.
Donde:
Ib =40A
Iz = 85 A
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Proyecto fin de carrera
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In = 40 A
Icc = 400 A
S = 10 mm2
Como ocurría en el caso anterior, se pretende proteger el equipo de un modo rápido para
evitar su posible deterioro, por lo que se seleccionará la curva que responde más rápido, esta
es la curva B.
Ilustración 7.13: Curva de disparo del magnetotérmico C60N,H curva B.
Con este tipo de curva y un calibre de 40 A se obtiene una respuesta:
Tiempo de retardo
Valor
Tiempo máximo
40 A
1 minuto
Nunca salta
60 A
10 segundos
50 segundos
de la protección
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Proyecto fin de carrera
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80 A
1 segundos
20 segundos
100 A
0,1 segundos
10 segundos
Tabla 7.9: Respuesta de la protección.
Como se observa en la tabla 7.9, para un calibre de 40 A las protecciones tardarían demasiado
tiempo en actuar. Como la curva más rápida de respuesta es la tipo B y es la que hemos
seleccionado, se recalculará la protección reduciendo el calibre de la protección. Así, el nuevo
calibre que se estudiará será el modelo C60N de 32 A.
Tiempo de retardo
Valor
Tiempo máximo
de la protección
40 A
1 minuto
8 minutos
60 A
10 segundos
50 segundos
80 A
1 segundos
10 segundos
100 A
0,1 segundos
0,02 segundos
Tabla 7.10: Respuesta de la protección C60N de 32A de calibre.
Se observa que mediante el calibre de 32 A se protege ante cortocircuitos y ante picos de
corriente de 100A. Se podría reducir aún más el calibre para justificar los valores que
proporciona el fabricante pero de este modo podría instalarse un magnetotérmico con un
calibre demasiado pequeño que provocara que se activara ante pequeños picos de consumo.
Por todo ello se estimará para la batería un magnetotérmico modelo C60N de Schneider
Electric con un calibre de 32 A y un poder de corte de 15 kA.
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7.3.3 Protección para el Supercondensador:
Debido a que no se conoce ni el tipo de supercondensador ni el modelo que se va a instalar en
la bancada, se han estimado los valores de resistencia interna del Supercondensador Boostcap
Ultracapacitor BMOD0165 el cual tiene una resistencia interna de 6,3 mΩ.
Ilustración 7.14: Imagen del supercondensador Booscap.
Con este valor de resistencia interna resulta una corriente de cortocircuito:
Por lo que el poder de corte del magnetotérmico que se seleccione deberá de tener un poder de
corte superior a 3,81 kA.
Se recuerda que para el dimensionado del conductor del Supercondensador se estimó el
consumo de éste en 50A. Por lo tanto, debido a que no se dispone de información del
comportamiento y de las características de consumo del equipo, se estimará sólo con el valor
de corriente continua de 50 A.
El magnetotérmico que se seleccionará a priori será el modelo C120H de 50 A de calibre. Éste
posee un poder de corte de 15 kA, valor más que aceptable para los requisitos de protección
estimados anteriormente. Como ocurrió en los casos anteriores, se desea una respuesta muy
rápida por parte del magnetotérmico por lo que la curva de disparo será B (la curva de disparo
para el modelo C120H es la misma que la mostrada anteriormente en el caso del convertidor
DC/DC). Así, en este caso los tiempos de retardo de disparo serán los que se muestran a
continuación.
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Valor
Tiempo de retardo
de la protección
50 A
Nunca salta
80 A
50 segundos
100 A
20 segundos
150 A
0,02 segundos
Tabla 7.11: Respuesta de la protección C120H de 50A de calibre.
Requisitos de sobrecargas y cortocircuitos:

Sobrecargas:
Ib ≤ In ≤ Iz
 40 ≤ 50 ≤ 85
Cumple los requisitos de sobrecarga.

Cortocircuitos:
I2cc * t = K * S2
 38102 * t = 20473 * 102
 t =0,141 s
Para cortocircuitos, el magnetotérmico seleccionado tarda menos de 0,01s (según su
curva de disparo para Icc/In = 3810/50 = 76,2) que es menor que 0,141 s , con lo que
cumple el requisito de cortocircuito.
Donde:
Ib =40A
Iz = 85 A
In = 50 A
Icc = 3810 A
S = 10 mm2
136
Proyecto fin de carrera
Juan Antonio Muñoz Japón
La curva de disparo del magnetotérmico C120N H es:
Ilustración 7.15: Curva de disparo del magnetotérmico C120N,H curva B.
Por ello se estimará para el supercondensador un magnetotérmico modelo C120H de
Schneider Electric con un calibre de 50 A y un poder de corte de 15 kA.
137
Proyecto fin de carrera
Juan Antonio Muñoz Japón
7.3.4 Protección para la carga electrónica:
La resistencia interna de la carga electrónica que se utilizará en la bancada no es un dato
proporcionado por el fabricante, pero para estimar su valor se utilizará el de la carga
electrónica BK Precision serie 8500, modelo 8518 (1200W) que tiene una resistencia interna
de 5 mΩ. Con este dato, la corriente de cortocircuito será:
Por lo que el poder de corte de magnetotérmico seleccionado deberá ser superior a 4,8 kA.
Ilustración 7.16: Imagen de la carga electrónica BK Precision.
La carga electrónica tiene una potencia de 1000W por lo que a la tensión de 24V a la que va a
ser alimentada supone una corriente de 41,6 A. Analizando la tabla de la ilustración 64, un
modelo válido es el C60N de 50 Amperios de calibre. Este modelo posee un poder de corte de
15 kA, por lo que podrá detener sin problemas la corriente de cortocircuito.
Como se desea obtener una protección rápida y eficaz de los equipos, el tipo de curva de
disparo que se seleccionará será la B.
Requisitos de sobrecargas y cortocircuitos:

Sobrecargas:
Ib ≤ In ≤ Iz
 50 ≤ 50 ≤ 85
Cumple los requisitos de sobrecarga.
138
Proyecto fin de carrera

Cortocircuitos:
Juan Antonio Muñoz Japón
I2cc * t = K * S2
 48002 * t = 20473 * 102
 t =0,08886 s
Para cortocircuitos, el magnetotérmico seleccionado tarda menos de 0,01s (según su
curva de disparo para Icc/In = 4800/50 = 96) que es menor que 0,08886 s, con lo que
cumple el requisito de cortocircuito.
Donde:
Ib =41,6A
Iz = 85 A
In = 50 A
Icc = 4800 A
S = 10 mm2
La curva de disparo para el magnetotérmico C60N H con curva de disparo B es:
Ilustración 7.17: Curva de disparo de la protección C60N,H curva B.
139
Proyecto fin de carrera
Juan Antonio Muñoz Japón
Analizando la curva de disparo del modelo C60N se obtienen los siguientes tiempos de
retardo en el disparo:
Valor
41,6 A
80 A
100 A
150 A
Tiempo de retardo
de la protección
33 minutos
20 segundos
10 segundos
0,02 segundos
Tabla 7.12: Respuesta de la protección C60N.
Por lo tanto, considerándose aceptables estos tiempos de retardo, se estimará para la carga
electrónica un magnetotérmico modelo C60N de Schneider Electric con un calibre de 50 A y
un poder de corte de 15 kA.
140
Proyecto fin de carrera
Juan Antonio Muñoz Japón
7.3.5 Protecciones para el inversor DC/AC:
Como del inversor DC/AC no se conocen datos de su resistencia interna se optó por estimar
de nuevo su valor mediante otro equipo de características similares. Estudiando distintos
modelos y sus características se llegó a la misma conclusión que el convertidor DC/DC y la
resistencia interna de estos equipos es de un valor de pocos miliohmios. Así, se estimará en 3
mΩ. Con este valor, la corriente de cortocircuito resultante es:
Por lo que el poder de corte de magnetotérmico deberá ser superior a 8 kA.
El consumo del inversor DC/AC es:
Tiempo
Corriente
Valor
Continua
80 A
1 hora
Pico
250 A
20 segundos
máximo
Tabla 7.13: Consumo del inversor DC/AC.
Con estos valores se seleccionará un magnetotérmico con 80 A de calibre. Analizando la tabla
de la ilustración 64, el dispositivo que puede servirnos es el modelo C120H con un poder de
corte de 15 kA. Se observa que éste tiene un poder de corte que está bastante del lado de la
seguridad.
Como ocurre en los equipos anteriores, los requisitos de protección hacen que se seleccione
una curva de disparo del magnetotérmico tipo B (esta curva es la misma que la mostrada
anteriormente en el caso del convertidor DC/DC).
Requisitos de sobrecargas y cortocircuitos:

Sobrecargas:
Ib ≤ In ≤ Iz
 80 ≤ 80 ≤ 225
Cumple los requisitos de sobrecarga.
141
Proyecto fin de carrera

Cortocircuitos:
Juan Antonio Muñoz Japón
I2cc * t = K * S2
 80002 * t = 20473 * 502
 t =0,79973 s
Para cortocircuitos, el magnetotermico seleccionado tarda menos de 0,01s (según su
curva de disparo para Icc/In = 8000/80 = 100) que es menor que 0.79973 s , con lo
que cumple el requisito de cortocircuito.
Donde:
Ib =80A
Iz = 225 A
In = 80 A
Icc = 8000 A
S = 50 mm2
La curva de disparo para el magnetotérmico C120N H con curva de disparo B es:
Ilustración 7.18: Curva de disparo de la protección C120N,H curva B.
142
Proyecto fin de carrera
Juan Antonio Muñoz Japón
Analizando esta curva, se obtiene unos tiempos de retardo:
Corriente
Continua
Pico
Valor
80 A
250 A
Tiempo
máximo
1 hora
20 segundos
Tiempo de retardo
de la protección
Nunca salta
0,02 segundos
Tabla 7.14: Tiempos de retardo de la protección C120N,H curva B.
Como se observa en la tabla 7.14, aunque al ser el calibre de 80 A nunca saltará el equipo
cuando trabaje a 80 A, la restricción de consumo máximo de 250A se satisface correctamente.
Así, el magnetotérmico seleccionado para proteger el convertidor DC/AC de la bancada es el
modelo C120H de Schneider Electric con un calibre de 80 A y un poder de corte de 15 kA.
Una vez realizado el pre-dimensionado de los magnetotérmicos que se instalarán en cada
equipo, se muestra a continuación un cuadro resumen con el modelo y las características de
cada uno (ver tabla 7.15).
Ilustración 7.19: Esquema de montaje de protecciones.
143
Proyecto fin de carrera
Equipo a proteger
Convertidor DC/DC
Batería Ni-MH
Supercondensador
Carga electrónica
Convertidor DC/AC
Juan Antonio Muñoz Japón
Icc (kA)
8
0,4
3,81
4,8
8
Modelo
C120H
C60N
C120H
C60N
C120H
Calibre (A)
125
32
50
50
80
Poder de corte (kA)
15
15
15
15
15
Tabla 7.15: Resumen de protecciones elegidas.
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