Memoria de Cálculo
MEMORIA DE CÁLCULO Banco de Baterías y Cargador
RE V
FECHA
MOTIVO DE LA REVISIÓN
POR
REV.
APR .
CLI.
OBSERVACIONES Página 1 de 17
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Revisión C
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Memoria de Cálculo ÍNDICE 1
GENERALIDADES..........................................................................................................................................................3 1.1 INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................... 3 1.2 ALCANCE Y CONSIDERACIONES...................................................................................................... 3
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ANTECEDENTES.............................................................................................................................................................4 2.1 DOCUMENTOS........................................................................................................................... 4 2.2 NORMAS.................................................................................................................................. 4
3
CONSUMOS EN C.C. CELDAS MEDIA TENSIÓN....................................................................................................5 3.1 CARGAS PERMANENTES............................................................................................................... 5 3.2 CARGAS MOMENTÁNEAS.............................................................................................................. 5
4
PERFIL DE CARGA.........................................................................................................................................................6
5
DIMENSIONAMIENTO DE BATERÍAS.......................................................................................................................7 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
PARÁMETROS PARA EL CÁLCULO.................................................................................................... 7 CÁLCULO DE CAPACIDAD A-H REQUERIDA........................................................................................ 8 FACTOR DE CORRECCIÓN POR TEMPERATURA....................................................................................9 FACTOR DE CORRECCIÓN POR FUTURAS AMPLIACIONES.......................................................................9 FACTOR DE CORRECCIÓN POR ENVEJECIMIENTO.................................................................................9
6
CARGADOR DE BATERÍAS........................................................................................................................................10
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CONCLUSIONES...........................................................................................................................................................12 7.1 BANCO DE BATERÍAS................................................................................................................. 12 7.2 CARGADOR DE BATERÍAS........................................................................................................... 12 ANEXO A..................................................................................................................................... 13 DATOS REFERENCIALES, BATERIAS LIBRE MANTENCIÓN SELLADA, SONNENSCHEIN A400..........14
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GENERALIDADES
1.1 Alcance y Consideraciones El presente documento tiene por objetivo presentar la estimación de consumos auxiliares en corriente continua (C.C.), determinando además, la capacidad del banco de baterías 125 Vcc y su cargador, requeridos para los consumos del Sistema de Control, Protecciones y otras cargas que deben ser respaldadas en caso de perder el suministro principal. Para estimar las cargas del circuito de control, los datos fueron obtenidos de las fichas técnicas de cada equipo y en algunos casos se asumieron valores de cargas de acuerdo a la experiencia de diseños eléctricos similares. El sistema a proyectar estará configurado por un cargador y un banco de baterías. Como criterio de diseño, se determinará la capacidad requerida del sistema para un respaldo de 8 horas como mínimo.
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ANTECEDENTES
Para el desarrollo del presente informe, se utilizaron los siguientes antecedentes: 1.2 Documentos
Fichas Técnicas de los equipos de alimentación en CC implementados en la celda de media tensión. Catálogo “Industrial Batteries/Network Power-Sonnenschein A400”
1.3 Normas
Norma IEEE Std 946-1992 “IEEE Recommended practice for the design of DC auxiliary power systems for generating stations”. Norma IEEE Std 485-1997 “IEEE Recommended practice for sizing lead acid batteries for stationary applications”.
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CONSUMOS EN C.C. CELDAS MEDIA TENSIÓN
Las cargas asociadas al sistema de corriente continua en 125 [Vcc], se clasifican de acuerdo a la duración de funcionamiento durante el ciclo de trabajo del banco de baterías. De acuerdo a las normas indicadas en el punto 2.3 la clasificación se realiza de la manera siguiente: 1.4 Cargas Permanentes Corresponde a cargas que por lo general requieren alimentación del banco de baterías durante todo el ciclo de descarga y se caracterizan por ser de bajo consumo.
Celdas MT: Concentrará los equipos de control, protección y facturación.
ITE M
DESCRIPCIÓN
CANTIDA D
CONSUMO UNITARIO [W]
CONSUMO PERMANENTE [W]
1.1
350 Feeder Protection System
12
20
240
1.2
Equipo de facturación
12
20
240
1.3
Otros
12
25
300
Potencia Total Consumo Permanente[W]
780
Corriente Total Permanente [A]
6,24
1.5 Cargas Momentáneas Corresponden a aquellos consumos que requieren de alimentación del banco de baterías de forma esporádica, de corta duración (se considera un tiempo equivalente a 1 minuto como mínimo, según punto 4.2.3 de la norma IEEE Std 485-1997) y por lo general, de alto consumo, durante el ciclo de descarga del banco de baterías. (T1) Ocurre un ciclo de operación de los interruptores de tres celdas. (T2) Después de cinco minutos, ocurre un ciclo de operación de los interruptores de otras tres celdas. INTERV ALO T1
DESCRIPCIÓN
CANTIDA D
CORRIENTE POR EQUIPO [A]
CORRIENTE TOTAL [A]
Ocurre un ciclo de operación de los interruptores de tres celdas
3
1,2
3,6
Intervalo de cinco minutos por verificación de sistema T2
Ocurre un ciclo de operación de
3
1,2
3,6
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Memoria de Cálculo los interruptores de otras tres celdas.
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PERFIL DE CARGA
Con respecto a las cargas definidas en el punto anterior, que corresponde solo a consumos permanentes, el perfil de carga que determinará el banco de baterías es detallado a continuación:
A1: Corresponde al consumo de cargas permanentes más el consumo de cargas momentáneas correspondiente a un ciclo de operación de los interruptores de tres celdas, con duración de 1 min.
A2: Corresponde sólo a las cargas permanentes, con una duración de 5 min.
A3: Corresponde al consumo de cargas permanentes más el consumo de cargas momentáneas correspondiente a un ciclo de operación de los interruptores de tres celdas, con duración de 1 min.
A4: Corresponde sólo a las cargas permanentes, con una duración de 473 min.
Corriente(A)
9,84
6,2 4 A 2
A 1 0
1
A 3 6
A4
7
48 0
T (min)
PERFIL DE CARGA (DESCARGA 8 Hrs)
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DIMENSIONAMIENTO DE BATERÍAS.
Una vez establecidas las cargas permanentes y momentáneas, se procede a calcular la capacidad requerida por los consumos durante el régimen de descarga del banco de baterías, según el procedimiento indicado en la Norma IEEE Std 485-1997 “IEEE Recommended practice for sizing lead acid batteries for stationary applications”, 1.6 Parámetros para el cálculo Para los cálculos de capacidad de los bancos limites siguientes: Banco de baterías será de: Voltaje Nominal del sistema Vn: Máximo voltaje del sistema Vm: Mínimo voltaje del sistema Vmin: Voltaje de carga de las baterías Vc: ecualización) Voltaje de flotación de celdas: Temperatura de operación esperada:
de baterías se considerarán los parámetros y Libre mantención – Tipo Gel 125 Vcc 140 Vcc (Vn + 12%) 110 Vcc (Vn - 12%) 2,35 V/celda (tensión de carga en estado de 2,27 V/celda 15,6°C
Definición de número de celdas:
N ° Celdas=
V m 140 = =59,6 celdas V c 2,35
Pero como las baterías de 12 [V] están compuestas por 6 celdas de 2 [V](según fabricante), la cantidad de celdas necesarias se deberá aproximar a 60.
Tensión final por celda Vpc=
V m 110 = =1,83 Vpc V c 60
Este valor es aproximado a 1,85 Vpc, ya que son los presentados por fabricantes en su catálogo. Comprobación:
Tensión mínima=1,85∗6∗10=111 V que es superior a110 V establecido como mínimo Tensión máxima=2,35∗6∗10=141 V que es un valor levemente superior a maximo establecido
Tensión de flotación=2,27∗6∗10=136,2 V
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Memoria de Cálculo 1.7 Cálculo de capacidad A-H requerida La capacidad del banco de baterías en un régimen de trabajo de 8 hrs. con una tensión final por celda de 1,8 V / placa, se determina mediante la siguiente expresión: S N PS
AH max [ Ap A( p 1) ] K T S 1
P 1
Donde KT = Factor de capacidad, de acuerdo a norma IEEE 485 (Ver Anexo) AP = Corriente en amperes requerida para el periodo S.
Cálculo de capacidad de Batería
Para determinar KT, se considera como referencia Batería Sonnnschein A400, Modelo A412/90A de 1,85 Vpc. Por lo tanto en base a la tabla, se establece que la capacidad mínima es:
AH =54,11 Ah @8 horas
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Memoria de Cálculo 1.8 Factor de corrección por temperatura De acuerdo a lo indicado en el ítem 6.2.1 de la Norma IEEE Std 485, la capacidad de las celdas del banco de baterías se ve afectada por su temperatura de operación. De acuerdo a las condiciones de ambientales de gabinete, se considera como temperatura promedio 15,6 ºC, que de acuerdo a lo indicado en la Tabla 1 de la mencionada norma, equivale a un factor de corrección de 1,11.
AH =54,11∗1,11=60,06 Ah@ 8 horas 1.9 Factor de corrección por futuras ampliaciones De acuerdo a lo indicado en el ítem 6.2.2 de la norma anteriormente indicada, se recomienda considerar por este concepto un factor entre 1,10 a 1,15. En este caso, se considera un factor de 1,15:
AH =60,06∗1,15=69.07 Ah@ 8 horas 1.10 Factor de corrección por envejecimiento De acuerdo a lo indicado en el ítem 6.2.3 de la norma indicada, se recomienda considerar un factor de envejecimiento de 1,25, por lo que se obtiene:
AH =69,07∗1,25=86,33 Ah@ 8 horas En base a lo anterior, se obtiene que el banco de baterías de 125 [Vcc] a utilizar debe tener una capacidad mínima de 86,33 [Ah]@ 8 horas. Por lo tanto se recomienda utilizar una batería Sonnenschein A400 Modelo A412/100A
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CARGADOR DE BATERÍAS.
Al ocurrir una fuerte descarga en las baterías el cargador debe proveer una corriente máxima para realizar una rápida carga y en algunos casos suministrar la corriente máxima de los consumos alimentados. De acuerdo a lo indicado en la norma IEEE 946, para determinar la capacidad de cargador de baterías se debe considerar lo siguiente:
I 1 =Lc +
1,1∗Ah T
I 2 =Lc + Ln Donde:
I1 e I2 : es el rango mínimo de carga de salida requerida, en amperes. I3 : es el máximo entre I1 e I2, el cual definirá la capacidad del cargador, en amperes. * LC : es la carga dc continua (permanente, en Amperes), incluyendo el aumento de carga en el futuro (considera un 10 % para futuras ampliaciones). Ln : es la mayor combinación de cargas No-continuas (como se define en IEEE 485, punto 4.2.2) que podrían probablemente ser conectadas simultáneamente a la barra durante un plan de operación normal. 1,1 : es una constante para compensar las pérdidas de las baterías. Ah : es la descarga en amperes-horas de las baterías. Se recomienda utilizar un rango de amperes-hora de 8 horas para esta fórmula, para todo el ciclo de servicio, con una duración total de 8 horas o menos. Para ciclos de servicio mayores, usar un rango de baterías correspondiente al tiempo total de duración. T : es el tiempo de recarga de la batería a aproximadamente un 95% de la capacidad (en horas). Para minimizar este tiempo en el sistema dc, un tiempo razonable de recarga podría ser considerado. Se recomienda entre 8 – 12 horas. La recomendación de valores de T menores a 8 horas, debe ser consultada al fabricante.
* Si se puede demostrar que la reducción en la capacidad de la batería resulta durante y después de la aplicación de Ln No compromete la capacidad de funcionamiento satisfactorio de la batería, el usuario puede seleccionar la ecuación de I1 como base para el dimensionamiento del cargador de baterías.
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Memoria de Cálculo Para efectos de cálculo, se considera un banco de baterías de 100 [Ah]@10 horas, que permite una corriente de descarga de 10,7 [A] durante 8 [horas] (obtenido según tabla de corriente de descarga constante, ver Anexo). Para el cálculo de la corriente I 2, no se consideran cargas no-continuas (Ln = 0), en base a las características indicadas en el ítem 4.2.2 de la norma IEEE 485-1997. Se considera un tiempo de recarga de 10 horas según recomendación del fabricante.
Lc =6,24∗1,10=6,86[ A ] I 1 =6,86+
1,1∗100 =17,86 [ A] 10
I 2 =6,86[ A ] I 3 =17,86[ A ] Por lo tanto, se recomienda una capacidad mínima del cargador de baterías de 125 [Vcc], con 18 [A] de salida.
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CONCLUSIONES.
Ante una contingencia (falla de larga duración) se proyectó un sistema de respaldo con una capacidad mínima de 8 horas. El Banco de batería está orientado principalmente a respaldar los equipos de protección y control. El dimensionamiento del banco de baterías se realizó utilizando como pauta la Norma IEEE Std 485-1997 “IEEE Recommended practice for sizing lead acid batteries for stationary applications”. Esta norma como principales características realiza una división entre cargas permanentes y momentáneas y en base a ellas, se realiza un perfil de carga en el escenario de operación más desfavorable. El cargador de baterías se dimensiono en base a lo estipulado en la Norma IEEE Std 9461992 “IEEE Recommended practice for the design of DC auxiliary power systems for generating stations”. Para el cálculo de la capacidad de la batería es necesario obtener el Kt, que es un valor propio de cada fabricante. Como referencia se utilizó una batería Sonnnschein A400, Modelo A412/90A y en base a esta batería se obtuvo el Kt que permitió calcular la capacidad real del banco. En resumen para el proyecto se sugiere lo siguiente: 1.11 Banco de Baterías
El banco de baterías debe tener una tensión nominal de 125 [Vcc], con una tensión máxima de 140 [Vcc] y una tensión minina de 110 [Vcc]. El banco debe estar compuesto por 10 baterías de 12 [V], con Vpc = 1,85 [V] al final de la descarga. El banco debe tener una capacidad mínima de 86,33 AH @ 8 horas. Por lo tanto se recomienda utilizar una batería Sonnenschein A400 Modelo A412/100A
1.12 Cargador de Baterías
El cargador de baterías debe tener una capacidad mínima de 18 [A] en 125 [V]
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ANEXO A
CARACTERISTICAS DE BATERÍAS GNB INDUSTRIAL POWER.
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Memoria de Cálculo DATOS REFERENCIALES, BATERIAS LIBRE MANTENCIÓN SELLADA, SONNENSCHEIN A400
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Memoria de Cálculo
Polinomio asociado a la curva: Y=5,096E-9X3 – 1,342E5 2 X +0,02X+0,5878
Para obtener el factor Kt de las baterías, se tomó como referencia la Batería Sonnnschein A400, Modelo A412/90A de 1,85 Vpc. En base los datos se obtuvo el polinomio Y=5,096E-9X3 –1,342E-5X2+0,02X+0,5878, el cual nos permite calcular la capacidad de la batería, para tiempos no especificados por el fabricante.
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Memoria de Cálculo
ANEXO B
CÁLCULO VENTILACIÓN.
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Memoria de Cálculo Ventilación Según la norma EN 50 272-2, las salas de baterías deben ventilarse para diluir los gases (hidrógeno y oxígeno) producidos por la carga y descarga, y para evitar explosiones. Debe ser diseñada para condiciones de humedad de sala. De la norma EN 50 272-2: "... El caudal mínimo de aire para la ventilación de una ubicación o sala de baterías será calculado mediante la fórmula siguiente...:
Q=0.05∗n∗I gas∗C rt∗10−3 [ m3 /h ] Donde:
n Igas Crt
: Número de elementos. : I de flotación o rápida [mA/Ah] correspondiente al cálculo. : Capacidad nominal C10, 1.80 Vpc 20°C Ah.
Con ventilación natural (convección por aire), el área mínima de entrada y salida se calcula como sigue:
A ≥28∗Q [ cm 2 ] Según las expresiones anteriores, los resultados los siguientes:
Q=0.05∗60∗8∗180∗10−3 =4.32 [ m3 /h ] A=28∗4.32=120.96 ≈ 121 [ cm2 ]
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