TX-TIP-0010 MP Electrónica Industrial

Manual de Contenido del Participante

Electrónica Industrial

TX-TIP-0010 ESPAÑOL

Propósito y Objetivos de este Manual

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Este manual tiene como propósito transmitir conocimientos sobre Electrónica Industrial para poder comprender el funcionamiento y mantenimiento de los equipos electrónicos y de las baterías utilizadas en Ternium. Los objetivos de este manual se orientan al cumplimiento de los siguientes puntos:

Definir el funcionamiento de equipos electrónicos y de baterías

Identificar las tareas de mantenimiento de los equipos electrónicos y de las baterías

Es importante comprender las consecuencias que el desconocimiento de los conceptos y principios explicados en este manual puede ocasionar en el ambiente, seguridad y salud ocupacional y en la calidad del producto final.

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Cómo Utilizar este Manual

Este manual presenta los lineamientos Ternium en cuanto al funcionamiento y al mantenimiento de los equipos electrónicos utilizados en las plantas. En el manual usted puede encontrar explicación de conceptos, reflexiones, actividades, que son de gran utilidad para aprender, trabajar con sus compañeros y adquirir una nueva mirada que le permita implementar mejoras o cambios en su lugar de trabajo.

CAPÍTULO 1 Puentes Rectificadores y Convertidores

CAPÍTULO 2 Inversores / Onduladores

CAPÍTULO 3 SAI - Sistema de Alimentación Ininterrumpida (UPS)

5

38

54

CAPÍTULO 4 Armónicos y Filtros

73

CAPÍTULO 5 Baterías

79

CAPÍTULO 6 Carga de baterías

118

Cómo Utilizar este Manual

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El manual contiene pequeñas figuras que se repiten en todos los capítulos y que son una forma de organización de la información para hacer más fácil y dinámica la lectura. Estas figuras se denominan íconos. A continuación hay una descripción de la utilización de cada ícono, es decir en qué oportunidad aparecen:

GLOSARIO

RECUERDE

ANEXO

Explica términos y siglas.

Refuerza un concepto ya mencionado en el texto del manual.

Profundiza conceptos.

MANTENIMIENTO

PREGUNTAS

ATENCIÓN

Resalta procedimientos necesarios de mantenimiento.

Presenta preguntas disparadoras.

Destaca conceptos importantes.

EJEMPLO

ACTIVIDAD

EXAMEN FINAL

Ilustra con situaciones reales los temas tratados.

Señala el comienzo de un ejercicio que le permitirá reforzar lo aprendido.

Señala el comienzo de la evaluación final.

FIN DE CAPÍTULO

FIN DE MANUAL

Señala la finalización del capítulo.

Señala la finalización del manual.

1


Puentes Rectificadores y Convertidores TEMAS DEL CAPÍTULO 1 1.1 Introducción

En este capítulo analizaremos las características y el funcionamiento de los puentes rectificadores y convertidores.

6

1.2 Tipos de Puentes Rectificadores y Convertidores

10

1.3 Influencia de la inductancia de la línea en el puente trifásico

32

1.4 Ángulo de conmutación (μ)

33

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1. Puentes Rectificadores y Convertidores

1.1 Introducción ACTIVIDAD 1. Repaso de conceptos de Electrónica Básica. La siguiente actividad tiene como propósito el repaso de conceptos básicos sobre Electrónica Básica. A partir de la definición, indicar el nombre del término correspondiente, y si lo hubiere, su imagen y representación gráfica. Definición

Término

Imagen

Representación gráfica

Es un dispositivo interruptor o de switcheo que permite o evita totalmente el flujo de corriente eléctrica. Oposición que ofrece todo material al flujo de corriente, puede ser grande o pequeña. Depende también de la longitud, del área de sección transversal, de la temperatura y del material del que está hecho el cable conductor. Es un componente electrónico semiconductor que utiliza realimentación interna para producir una conmutación y que se emplea, generalmente, para el control de potencia eléctrica. Dispositivo que permite convertir una señal alterna en una señal continua, superpuesta con una alterna que denominaremos zumbido (riple, en inglés), que luego trataremos de reducirlo a través de un filtro. Dispositivos que se utilizan para eliminar el zumbido (riple, en inglés). Pueden ser de dos tipos: de entrada capacitiva o inductiva. Es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. Las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). Mantiene siempre la misma polaridad. Es aquella en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. Utilizada genéricamente, se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas.

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Rectificadores. En el mundo industrial, existen aplicaciones en las que se requiere una fuente de alimentación de corriente continua, a partir de la red eléctrica alterna trifásica a 50 Hz. Los circuitos encargados de realizar esta conversión son los llamados rectificadores.

RECTIFICADOR

Es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua.

Se pueden distinguir dos tipos de rectificadores : Rectificadores no controlados

Rectificadores controlados

Veamos las características de cada uno:

Están formados exclusivamente por DIODOS .

Están formados por TIRISTORES.

Funcionamiento

RECTIFICADORES CONTROLADOS

• Los semiconductores van entrando en corte y conducción de una forma natural, debido a las tensiones de entrada. La relación entre la tensión continua de salida y el valor eficaz de la señal de entrada se mantiene constante.

• Estos entran en conducción de forma controlada y salen de ésta de modo natural cuando la corriente en ellos pasa por cero. • En estos rectificadores la tensión de salida puede controlarse y tomar valores positivos o negativos, es decir, estos convertidores pueden trabajar en dos cuadrantes.

Ventajas y desventajas

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS

• Las ventajas de estos circuitos son su sencillez y fiabilidad, ya que no necesitan circuitos adicionales de control y mando. • Las limitaciones de estos rectificadores son que trabajan solamente en el primer cuadrante y proporcionan un gran contenido de armónicos a la corriente de línea de la red trifásica.

• Un inconveniente de este tipo de rectificadores es que necesitan circuitos específicos de disparo para los tiristores, lo que les hace más complejos y menos fiables.

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GLOSARIO

GLOSARIO

Diodos:

Tiristor:

Es el dispositivo semiconductor que lleva energía en una sola dirección, actuando como un interruptor. Si se polariza directamente, conduce la energía eléctrica y, si se realiza de manera inversa, actuará como un aislante.

El tiristor es un componente electrónico semiconductor que utiliza realimentación interna para producir una conmutación y que se emplea, generalmente, para el control de la potencia eléctrica.

Los tiristores se emplean en muchísimas aplicaciones en circuitos, ya sea en C.A. (corriente alterna) o en C.D (corriente continua). Veamos las principales características en cada uno de ellos: EN CORRIENTE CONTINUA

Una vez que los tiristores son llevados a conducción, permanecen conduciendo a menos que se interrumpa la corriente con la abertura del circuito principal; o bien, recurriendo a circuitos auxiliares oportunos que, con el uso de transistores, capacitores o inductancias, permiten apagar a los tiristores.

EN CORRIENTE ALTERNA

Los tiristores se apagan automáticamente cada vez que la corriente pasa por cero. Los circuitos rectificadores y convertidores emplean sistemas a puente: con diodos y tiristores los primeros, y sólo tiristores los segundos.

A su vez, los rectificadores se clasifican en:

Semi controlados

Controlados

Los puentes controlados, dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se clasifican en:

Monofásicos

Trifásicos

Cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica.

Cuando se alimentan por tres fases.

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ACTIVIDAD 2. Rectificadores controlados y no controlados. El propósito de esta actividad es repasar las características de los rectificadores controlados y no controlados. Indicar cuáles características pertenecen a los Rectificadores controlados (RC) y cuáles a los Rectificadores no controlados (RNC).

Las ventajas de estos circuitos son su sencillez y fiabilidad, ya que no necesitan circuitos adicionales de control y mando. La tensión de salida puede controlarse y tomar valores positivos o negativos, es decir, pueden trabajar en dos cuadrantes. Están formados por TIRISTORES. La relación entre la tensión continua de salida y el valor eficaz de la señal de entrada se mantiene constante. Un inconveniente de este tipo de rectificadores es que necesitan circuitos específicos de disparo para los tiristores, lo que les hace más complejos y menos fiables. Están formados exclusivamente por DIODOS. Las limitaciones de estos rectificadores son que trabajan solamente en el primer cuadrante y proporcionan un gran contenido de armónicos a la corriente de línea de la red trifásica.

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Tipos de Puentes Rectificadores y Convertidores

1.2

Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, los puentes rectificadores y convertidores se clasificaban en: Puentes Monofásicos

Puentes Trifásicos

A continuación, presentaremos diferentes tipos de rectificadores monofásicos y trifásicos. Puentes monofásicos. 1

Puente rectificador monofásico semicontrolado

Los rectificadores a tiristores son usados en los alimentadores a C. D., con dispositivos de regulación automática. Veamos la representación gráfica de este tipo de puente para analizar sus características:

1

RECUERDE

= Resistencia = Tiristor R

= Resistencia

Vo = Valor medio del voltaje Vak = Valor del voltaje ánodo – cátodo Vs = Tensión de entrada • El tiristor del circuito de la figura no entrará en conducción cuando la señal del generador sea positiva. • La conducción no se inicia hasta que tras cumplida Vak > 0, se aplica una corriente a la puerta del tiristor, para la cual es necesario un circuito de control. • Una vez el tiristor conduce se puede retirar la corriente de puerta y el tiristor se comporta como un diodo. TX-TIP-0010

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En la siguiente imagen, veremos un puente compuesto por dos diodos controlados (SCR) denominados DC1 y DC2. RECUERDE

2

Transformador

Diodo controlado /SCR)

Ahora bien, si queremos regular el valor medio del voltaje rectificado aplicado a la carga, debemos: El ángulo de disparo () mide el retardo del instante de disparo de los tiristores con respecto al instante natural de encendido.

Variar el ángulo de disparo ()

• Cuando son positivas las semiondas RS, conducen DC1 y D2. Cuando son positivas las semiondas SR, conducen DC2 y D1. Naturalmente, debe ocurrir que DC1 y DC2 sean puestos en conducción exactamente al inicio de cualquier semionda. • Los impulsos de disparo de los tiristores deben ser sincronizados con el voltaje de alimentación del puente de tal modo que si a =0, DC1 y DC2 conducirán exactamente al inicio de cualquier semionda. En este caso, el voltaje aplicado a la carga será el mostrado en la figura que presentamos a continuación. Aquí presentamos sus gráficas de voltaje de entrada (alimentación) y de salida (rectificado): 3 Voltaje de alimentación Voltaje rectificado aplicado a la carga

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Por lo tanto, para regular el valor medio del voltaje rectificado aplicado a la carga, basta variar el ángulo de disparo () según las características de la figura que presentamos: Valores observados en el gráfico 4



Valor medio

0°

Máximo (Vm)

90°

La mitad (0.5Vm)

180°

Nulo (0).

Cuando variamos  = 90° tendremos el caso indicado en la figura que podemos ver a continuación: 5

La zona gris de (a) representa el voltaje en las terminales de la carga. En (b) se representan los impulsos de disparo de los tiristores. En (c) se muestra el voltaje aplicado a las terminales de DC1. El valor PIV indicado es el valor del voltaje de pico inverso aplicado a DC1.

Hasta ahora hemos visto solo las formas de onda de voltaje aplicadas a la carga y a los tiristores.

ATENCIÓN

• La forma de onda de la corriente coincide con la de voltaje solo en el caso de que la carga sea puramente resistiva. • Si la carga es inductiva, tendremos que la corriente en la carga (al límite), se puede mantener completamente nivelada.

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Si la carga es inductiva ,como se puede ver en la Fig. 6 , la corriente en la carga (al límite) se mantiene completamente nivelada. En la siguiente imagen podremos distinguir los diversos valores de corriente del circuito:

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Impulsos de disparo. Corriente en la carga. Corriente en DC1 y D2. Corriente en DC2 y D1. Corriente en el secundario del transformador

2

Puente rectificador monofásico con carga inductiva y con recuperación de energía

En la regulación de las máquinas de C. D., la carga es notablemente inductiva, con un considerable coeficiente de autoinducción L (del devanado) más grande que la resistencia óhmica R. En otras palabras, se tiene que la constante de tiempo (L/R >> T), donde T es el periodo de la C. A. de alimentación.

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Analicemos el siguiente puente: 7

El rectificado ilustrado en esta figura tiene carga inductiva.

• Si a<>0, la energía almacenada en la inductancia tendería a descargarse sobre los elementos del puente, prolongando el paso de corriente y disminuyendo el valor medio del voltaje sobre la carga. • Para eliminar esto, se agrega un diodo de recuperación D3, tal como se indica en la imagen. • El diodo D3 también se conoce como diodo de recupero porque permite el apagado del tiristor cuando la semionda del voltaje se vuelve negativa, evitando así la disminución del valor medio de la tensión rectificada.

ATENCIÓN

El diodo de recuperación en el rectificador tiene la función de permitir el paso a la C. D. de autoinducción. Si =90 tendremos el diagrama siguiente: 8

Voltaje aplicado al puente. Impulsos de disparo para a =90°. Voltaje rectificado aplicado a la carga.

Corriente en DC1 y D2. Corriente en DC2 y D1. Corriente del diodo de recupero.

Corriente en la carga

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3

9

Puente rectificador monofásico controlado

• En este figura podemos observar un puente con cuatro tiristores (nótese que el anterior solo tenía dos). • Como podemos ver tampoco hay diodo de recupero. Esto se debe a que la corriente puede circular por los mismos tiristores si el voltaje aplicado a la carga se vuelve negativo.

Las gráficas de los voltajes y corrientes relativos a este circuito se presentan a continuación: 10 a) Voltaje aplicado al puente.

b) Pulsos de disparos. b) Pulsos de disparos.

c) Voltaje aplicado al puente.

d) Corriente en DC1 y DC4. e) Corriente en DC2 y DC4. f) Corriente en el secundario del transformador.

Corriente en la carga.

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ATENCIÓN

• Si los impulsos de disparo son desfasados un ángulo a (Fig. 10 ), observamos que, en el caso de que se conecte al puente carga inductiva, en los tiristores puede circular la corriente siempre en sentido positivo, pero también cuando los tiristores transitoriamente están polarizados de manera inversa.

¿Por qué sucede esto? Este hecho se explica dado que el puente permite un forzamiento negativo del voltaje, de tal modo que en el intervalo T2-T3 la corriente de la carga da a la línea. Esto hace que el tiristor permanezca en conducción por un cierto tiempo y la corriente, en este caso, circula en un mismo sentido.

• Podemos ver también que en el intervalo T1-T2, el voltaje y la corriente en la carga son positivas. Para el intervalo T2-T3. la corriente mantiene el mismo sentido pero el voltaje se vuelve negativo.

En la siguiente imagen observamos cómo aumenta el valor del voltaje negativo a partir del aumento del ángulo de disparo de 90°.

11

 = 0°

 = 30°

 = 90° Cuando a >90°, el convertidor funciona solo si la carga está en grado de suministrar energía al convertidor, el cual a su vez la enviará a la red de alimentación.

 = 120°

 = 180°

Teóricamente el valor más alto es cuando  =180°.

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Para un convertidor monofásico, el valor medio VMed del voltaje aplicado a la carga en función del ángulo a de disparo, está dado por:

VMed =

2 VMax Cos  π

= 0.6366 VMax Cos 

12

Para  =180°, tenemos que: 180° =  Cos 180° = Cos  Cos  = -1 VMed = 0.6366 (VMax) (-1) VMed = - 0.6366 VMax

¿Qué nos indica y para qué se utiliza esta curva? • La curva de la figura es la representación gráfica de la ecuación del valor medio en función del ángulo . Se utiliza para determinar los valores de forzamiento negativo (en función de ) necesarios para disminuir el tiempo de respuesta del convertidor, así como el tiempo de desexcitación de las máquinas reversibles. ¿En qué consiste el forzamiento negativo? • El forzamiento negativo consiste en variar el ángulo  de disparo y así obtener una variación del valor medio del voltaje de salida del convertidor. En este caso, el valor medio debe ser negativo para así obtener una más rápida anulación de la corriente.

GLOSARIO

Máquina reversible: Puede ser usada en ambos sentidos de giro.

En la imagen que analizamos se observa que para valores de  >90° el convertidor funciona sólo si la carga está en grado de dar energía.

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Para aclarar este punto, analizaremos el siguiente diagrama : 13

En (a)

En (b)

• El convertidor da energía a la carga.

• La carga da energía al convertidor, el cual otorga esta energía a la red.

En los sistemas utilizados para el control de motores, la carga está constituida por el devanado inductivo, formado por un inductor y su resistencia serie equivalente (resistencia óhmica del devanado). Si la carga fuera fuertemente inductiva, la constante de tiempo (L/R) sería muy grande. Cuando la señal pasa por cero aparece en bornes de la inductancia un voltaje inverso que mantiene a los tiristores (que estaban conduciendo) en polarización directa y, por lo tanto, no se apagan. Esto ocurre hasta que en el semiciclo siguiente se disparan el par de tiristores que corresponda.

ATENCIÓN

A este dispositivo se lo llama puente convertidor totalmente controlado ya que nos permite obtener energía de la línea y en otro momento, devolverla en forma controlada. A este proceso se le llama regenerativo.

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ACTIVIDAD 3. Análisis de gráficos. En esta actividad el objetivo es consolidar los conocimientos sobre los Puentes rectificadores monofásicos. Observar las imágenes e indicar en cada caso qué tipo de Rectificador es y con qué gráfica de voltaje se corresponde.

1

Rectificador monofásico semi controlado con carga inductiva.

2

Convertidor monofásico controlado.

3

Rectificador monofásico con diodo de recupero.

B

A

C

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Diferencias entre convertidores y rectificadores. Las diferencias entre los puentes rectificadores y convertidores las podemos concluir y resumir de la siguiente manera:

PUENTE RECTIFICADOR

PUENTE CONVERTIDOR

• Mientras el ángulo de disparo varía de 0° a 180°, el valor medio del voltaje rectificado pasa de un máximo positivo a un valor nulo.

• Mientras el ángulo de disparo varía de 0° a 180°, el valor medio del voltaje varía de un máximo positivo a un máximo negativo.

• La corriente en la carga depende (además de sus parámetros de resistencia e inductancia) también del diodo de recupero.

• Como conclusión, podemos decir que en los puentes rectificadores sólo es posible distribuir energía a la carga, mientras sobre la carga circula corriente y está aplicado un voltaje, ambos positivos.

• La corriente en la carga depende sólo de sus parámetros de resistencia e inductancia debido a que no existe diodo de recupero. • Si se quiere anular la corriente en la carga, se debe igualar a la constante de tiempo de la carga misma. Esto se puede obtener más rápidamente tanto mayor sea el valor del voltaje negativo que el convertidor está en grado de aplicar. Para poder realizarlo, hay que aumentar el valor de .

• Finalmente, podemos decir que en los puentes convertidores, para una parte del periodo sigue siendo la corriente positiva y el voltaje aplicado a la carga puede ser negativo. En este último caso, la carga puede suministrar energía a la línea, que viene de esta manera recuperada.

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Convertidor monofásico de alterna a alterna

• La disposición de dos tiristores en conexión antiparalelo brinda la posibilidad de controlar la energía proveniente de una fuente de tensión alterna y que es entregada a una carga también de alterna sin que se modifique la frecuencia de la red de alimentación.

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Se pueden distinguir dos casos de funcionamiento netamente diferentes, acordes con la aplicación; como “interruptor” propiamente dicho y como “regulador” de la corriente que llega a la carga. En ambos casos, el circuito funciona con uno de los tiristores en conducción permaneciendo el otro cortado y con polarización inversa (debido a la caída de tensión directa del que se encuentra en conducción) o con los dos cortados. El tiristor que conduce, lo hará hasta que la corriente por él tome un valor por debajo de la corriente de mantenimiento, en cuyo momento el otro tiristor estará en condiciones de conducir a partir de que la tensión en el ánodo sea positiva y suficiente para hacer circular una corriente mayor a la de mantenimiento. Es precisamente esta condición que hace que el circuito de control para el encendido de los tiristores, deba cumplir ciertas exigencias con respecto al pulso de encendido. Funcionamiento como interruptor. Fundamentos En este caso la función de los tiristores es controlar el tiempo o número de ciclos que la carga debe permanecer conectada a la red, sin recortar la onda de tensión de alimentación, estableciéndose durante el tiempo de conducción un funcionamiento en régimen estable de tensión y corriente oficiando el par de tiristores como un verdadero interruptor cerrado. De esta manera la carga es conectada y desconectada con suficiente precisión acorde a un programa o control prefijado que actúa sobre el circuito de encendido de los tiristores.

ATENCIÓN

Este tipo de funcionamiento se aplica a diversas situaciones donde la carga tiene una componente inductiva y se requiere que no haya transistorios de corriente.

Veamos las aplicaciones del convertidor monofásico de alterna a alterna: Aplicación en soldadura de resistencia o por puntos

Aplicación en un UPS

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Aplicación en soldadura de resistencia o por punto. Una aplicación fundamental de esta forma de operación es en soldadura por resistencia o por puntos.

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¿En qué consiste? • La energía activa es la que se transforma en calor produciendo la fusión de los metales a soldar, ubicados entre los dos electrodos de la máquina.

16

EJEMPLO

Este método se utiliza en la fabricación de vehículos para el ensamblado de las piezas de chapa de la carrocería.

• La corriente se encuentra desfasada en un ángulo  en atraso con respecto a la tensión (Fig.16) debido a la inductancia del circuito: la cual está compuesta fundamentalmente por la suma de la inductancia de dispersión del transformador y la inductancia que presenta el lazo del circuito secundario que puede variar según los elementos a soldar. • La corriente resulta ininterrumpida, gracias a que los pulsos de encendido son de larga duración. En efecto, aplicado el pulso, mantiene activado la compuerta a la espera de que se produzcan las condiciones para que el tiristor conduzca, lo que tendrá lugar luego de que la corriente del otro tiristor se haga cero. • En la figura, el encendido del tiristor T2 se produce un instante luego de θ2, cuando la corriente i1 se hace cero y comienza a circular i2 como continuación de aquella.

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• Esta conducción se establece sin dificultad, pues la compuerta del tiristor T2 se encontraba activado con el pulso iG2 De esta manera, el ángulo θ1 de encendido de los tiristores resulta siempre coincidente con los posibles ángulos φ de defasaje entre corriente y tensión, establecidos por la carga en sus diferentes formas de trabajo; acorde a las exigencias requeridas por el material a soldar. Cabe mencionar que la Fig. 16 muestra a la corriente de carga en régimen permanente, es decir, después de haber transcurrido los primeros ciclos en que tiene lugar el régimen transitorio.

Características de la aplicación En esta aplicación, es fundamental el uso de tiristores, dado que las exigencias de las soldaduras de punto en lo que a tiempos se refiere es la siguiente: • El tiempo de aplicación de la corriente es de pocos segundos, pero en la mayoría de los casos, la soldadura se hace aplicando la corriente en forma discontinua, por ejemplo. Un caso puede ser 5 ciclos de la frecuencia de línea, 4 ciclos apagados, 5 ciclos nuevamente y así sucesivamente cuatro, cinco o seis veces. • Es obvio que un contactor mecánico no pude responder a este régimen. Por una parte por el envejecimiento prematuro, por otra parte los tiempos no son tan exactos y no es posible sincronizar la conmutación del contactor con el comienzo de cada ciclo de la corriente.

Aplicación en un UPS. Para alimentar cargas críticas, como son ordenadores que controlan procesos importantes, equipos médicos, etc., es necesario el empleo de sistemas de alimentación ininterrumpida, abreviados por las siglas SAI (del inglés UPS, “Uninterruptible Power Supply”).

Características • Este tipo de sistemas proporciona protecciones frente a cortes de alimentación, así como regulación de tensión frente a fluctuaciones (por encima o por debajo) de los valores nominales. • Además, se emplean como supresores de transitorios y de armónicos en la línea de alimentación.

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La figura nos muestra un diagrama de bloques de un SAI. En modo normal de operación, la potencia suministrada a la carga proviene de la red de CA de la empresa suministradora. En caso de producirse una fluctuación en la línea (corte, sobretensión, etc.), la potencia es suministrada por el banco de baterías. Un SAI debe incluir un cargador de baterías, para mantener la batería cargada en cualquier momento.

Observemos las funciones de los interruptores estáticos: • Los interruptores estáticos (también denominados interruptores de “by-pass”) permiten alimentar la carga a través del inversor en menos de ¼ ciclo cuando ocurre un fallo en la red eléctrica. • Otra función de los interruptores estáticos es la de aislar el inversor cuando se desea efectuar su mantenimiento.

Básicamente, existen dos posibilidades para implementar los interruptores estáticos, utilizando:

Tiristores.

Relés.

Cuando se buscan soluciones de bajo costo se emplean, en general, relés. Su conmutación debe ser rápida, de modo que no interrumpan la alimentación durante más de ½ ciclo. Cuando la potencia aumenta, el uso de tiristores es lo más habitual. TX-TIP-0010

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Ventajas y limitaciones. La conexión antiparalelo en estas aplicaciones recibe el nombre también de “interruptor estático” y sus ventajas sobre cualquiera de los interruptores mecánicos o electromecánicos son evidentes cuando el número de operaciones diarias es elevado y los tiempos requeridos para la conexión ó desconexión son breves. Ventajas • No existe tableteo ó rebote de los contactos. • La “conexión” se establece en el instante mismo en que el circuito de control lo ordena con su pulso de encendido. • La desconexión puede lograrse con elevada precisión, siempre que se trate de ciclos enteros. La desconexión se produce para el instante en que la corriente es nula evitando así las sobretensiones, dado que la energía inductiva en la carga es cero en ese instante. RECUERDE

Recuerde que los tiristores se apagan por falta de corriente, o sea que nunca se podrán apagar en otra parte del ciclo que no sea el fin de este, (excepto que se usen disposiciones especiales de apagado que no corresponden a este tema). • Debido a que los tiempos de encendido y apagado de estos elementos son muy pequeños comparados con la frecuencia industrial de 50 ciclos, esta conexión puede emplearse para operar a frecuencias más elevadas. RECUERDE

Recuerde que las órdenes de magnitud de encendido y apagado de los tiristores es de 1 y 10 μ seg.

Desventajas • Las sobrecargas se encuentran determinadas de acuerdo con el régimen de trabajo y en consecuencia, limitadas por problemas de disipación en mayor grado que en los interruptores electromecánicos. • Como interruptor, su caída de tensión de contacto es muy elevada. • Para un interruptor mecánico, es del orden de los milivoltios; para los tiristores puede estar entre 2 y 4 V.

ATENCIÓN

Se ampliará este tema en el Capítulo 3 del Manual, denominado “UPS”. TX-TIP-0010


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Puentes trifásicos. 1

Puente rectificador trifásico a diodos

Para facilitar la comprensión, nos referiremos primeramente a una conexión unidireccional. Con esta denominación se entiende que la corriente puede ser entregada en un solo sentido o dirección. • En esta imagen se representa un rectificador a diodos en una conexión llamada estrella trifásica.

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La forma de onda del voltaje rectificado aplicado a la carga, se presenta en la siguiente imagen. Los tres voltajes VRN, VSN y VTN, son respectivamente los tres voltajes de la estrella del secundario del transformador de alimentación. • El voltaje rectificado aplicado a la carga se muestra en este gráfico (zona remarcada).

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Cada diodo conduce por 120° y permanece bloqueado por 240°. El intervalo de conducción coincide con aquel durante el cual el voltaje de la fase a la que está conectado el diodo, es la mayor de las tres.

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Puente rectificador trifásico a diodos bidireccional

Esta figura nos muestra un puente rectificador trifásico bidireccional. • Los diodos conectados a la fase R están indicados con RR’. Los diodos de la fase S están identificados con S-S’ y los de la fase T son T-T’.

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La gráfica de voltaje aplicada a la carga está representada en la siguiente imagen. • El voltaje rectificado aplicado a la carga se muestra en la en este gráfico (zona remarcada).

21

La gráfica de voltaje en los extremos de la carga es fácil de interpretar realizando el seguimiento de la forma de onda. Obsérvese que el par de diodos que conduce (en un instante determinado), es aquel que tiene aplicado en ese instante, el voltaje senoidal instantáneo mayor. EJEMPLO

En el instante T0, tenemos que el máximo voltaje senoidal instantáneo aplicado a la carga ocurre entre las fases R y S. Por lo tanto, conducirán los diodos RS´. TX-TIP-0010


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ACTIVIDAD 4. Análisis del flujo de corriente. La siguiente actividad tiene como objetivo analizar juntos los flujos de corriente en distintos instantes, que se encuentran graficados en la Fig. 21. a. Observar y analizar el gráfico en el que se presenta la circulación del flujo de corriente en el instante T0 (página 27). b. Teniendo en cuenta el ejemplo, graficar las flechas indicando como circula el flujo del corriente en los instantes T2, T4 y T6.

Instante T2 Conducen los diodos RT’

Instante T4 Conducen los diodos ST’

Instante T6 Conducen los diodos SR’

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Para resumir, en la Fig. 22 se exhiben los flujos de corriente en los distintos instantes graficados en la Fig. 21. 22

3

Puente rectificador trifásico completo

Aquí podemos ver un puente trifásico completamente controlado.

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Supongamos que los tiristores se disparan en el instante natural de encendido, es decir cuando al voltaje aplicado al tiristor empieza a crecer con pendiente positiva. Con esta hipótesis, no existe diferencia alguna entre el comportamiento de un tiristor y un diodo.

• En la Fig. (b) se muestra el voltaje aplicado a la carga, además de una explicación gráfica de cuándo sucede el instante natural de encendido antes mencionado. • También se han identificado los instantes en el cual los tiristores deben ser disparados.

EJEMPLO

Por ejemplo, en T1 conduce RP1 y SN6; en T2 sigue conduciendo RP1 pero ya no conduce SN6 y en su lugar conduce TN2, y así sucesivamente. Los tiristores de la parte superior del diagrama conducen con un desplazamiento relativo de 120° (esto quiere decir que cada uno conduce por 120°). Esto también se aplica para los tiristores de la parte inferior del diagrama.

Los instantes de disparo de los tiristores de dos ramas que están conectadas a la misma fase del voltaje de alimentación, aparecen defasados 180° (Ver Fig.25). 25

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Para continuar, recordemos el concepto de ángulo de disparo: Ángulo de disparo “  “ (parcialización)

Ángulo que mide el retardo del instante de disparo de los tiristores con respecto al instante natural de encendido.

• Los circuitos electrónicos de control que constituyen el desfasador, permiten este retardo en el instante de disparo.

ATENCIÓN

Al variar  cambia la forma de onda y el valor medio del voltaje rectificado.

En la Fig. 26 se muestra la gráfica del voltaje rectificado para un ángulo a = 45°.

26

Si  < 60°, el voltaje siempre es positivo y la gráfica es similar a la mostrada en la figura 26, independientemente del tipo de carga. En la siguiente (figura 27) se muestra la gráfica del voltaje rectificado para un ángulo  = 75°. Suponiendo que la carga sea inductiva, el voltaje tiende a invertirse y debe ser la carga la que sostenga la misma corriente, con el fin de que el voltaje permanezca negativo. Si la carga es solo resistiva, entonces la corriente cae a cero con el voltaje y el trazo del voltaje negativo se vuelve un trazo de voltaje nulo.

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27

1.3

Influencia de la inductancia de la línea en el puente trifásico

Hasta ahora se había considerado nula la impedancia del circuito de alimentación. Sin embargo, es necesaria tomarla en cuenta para aclarar algunos fenómenos relativos a este tipo de conexión. Obsérvese el circuito de la Fig. 28:

28

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El secundario del transformador está representado con tres generadores ideales de voltaje (con impedancia interna nula), los cuales tienen conectados en serie una inductancia y una resistencia. Si están conduciendo los tiristores R-S’ y llegan los impulsos a R-T’, la corriente en S’ se anula de golpe pero tiende a mantenerse por un cierto tiempo que depende del valor de la inductancia y del valor de la corriente de línea. Se tiene en este caso, un corto-circuito entre dos fases. RECUERDE

RECUERDE

Impedancia: Resistencia de un circuito al flujo de la corriente alterna, que es equivalente a la resistencia ofrecida a la corriente directa o continua.

Inductancia: Se denomina inductancia (L), a la relación entre el flujo producido por la corriente I exclusivamente , y la intensidad de corriente eléctrica.

1.4 Ángulo de conmutación (μ) Consideremos ahora la Fig. 29. En el instante en que están conduciendo los tiristores R-S’, llega el impulso al tiristor R-T’, por lo que deberían conmutarse los tiristores S’ con T’; sin embargo, a causa de la inductancia de la línea, el tiristor S’ permanece todavía en conducción. Ángulo de conmutación

Es el ángulo durante el cual se tiene conducción simultánea entre dos tiristores que están conmutando.

Decimos entonces que los tiristores R-S’-T’ del circuito de la Fig. 29 permanecen encendidos al mismo tiempo por un tiempo definido del ángulo eléctrico μ.

29

• En el circuito de la Fig. 29 es sobrepuesta a la corriente I una corriente ICC de corto-circuito. Esta corriente circulará por T’-L3-L2-S’, lo cual es debido a la diferencia entre los voltajes RT y RS, y tiene sentido tal que se opone a la corriente del tiristor S’, el cual conduce la corriente de carga.

Conmutación de las corrientes entre dos ramas TX-TIP-0010

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Durante la etapa de conmutación, la corriente en los tiristores en cuestión es: IR

I

IS’

I-ICC

IT’

ICC

El tiristor S’ se apagará evidentemente cuando la corriente ICC sea igual a la corriente I de la carga. Con el apagado del tiristor S’, termina la etapa de conmutación. Por otra parte, el fenómeno de la conmutación no solo tiene influencia en la forma de onda de la corriente de los tiristores, sino que también afecta al voltaje aplicado a la carga. En las gráficas de siguiente figura, se señala el efecto de la inductancia de la línea en el circuito, mostrando cómo se afecta tanto a la corriente como al voltaje. 30 Voltaje de alimentación

B

Voltaje en la carga El área marcada con B, indica la caída de voltaje debida a la conmutación. Dichas áreas son 6 por cada periodo del voltaje de alimentación, porque el mismo fenómeno se repite en cada conmutación.

Pulsos de disparo

Corriente en la carga

ATENCIÓN

Por lo visto, podemos concluir que la conmutación provoca disminución del valor medio del voltaje rectificado aplicado a la carga.

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Ejemplo de Rectificador de seis pulso que suministra voltaje de C.D. a la armadura de un motor:

31

• Este sistema representa un controlador trifásico para motor de C.D., que no es más que un simple rectificador trifásico de 6 pulsos que alimenta un voltaje E a la armadura del motor de C.D. • Se trata de un motor de C.D. con devanado de campo en derivación (separada), que se alimenta por medio de un campo rectificador.

Ajustes de velocidad de un motor de corriente directa. A continuación, presentaremos una serie de figuras que representan el principio del control de armadura de un motor de C.D. En este caso, si la excitación del campo se mantiene constante, entonces el flujo por polo es constante y la velocidad del motor depende del voltaje en la armadura. El ángulo de encendido de los tiristores debe ser ajustado para controlar la velocidad del motor, que varía en proporción directa al voltaje de armadura (E).

Paro del motor a 90°

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Rotación en el sentido horario a 30°

Rotación a máxima velocidad en sentido horario a 0°

La máquina actúa como generador para obtener un frenado dinámico

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ACTIVIDAD 5. Repaso ¿Verdadero o Falso? La siguiente actividad tiene como propósito repasar los principales conceptos abordados en el capítulo 1. a. Leer las siguientes frases e indicar con una cruz, en el casillero correspondiente, si son verdaderas o falsas. b. Identificar los errores de las frases falsas y armarlas correctamente.

V

F

El rectificador no controlado está formado exclusivamente por DIODOS . Un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente continua en corriente alterna. Es posible regular el valor medio del voltaje rectificado aplicado a una carga, variando el ángulo de disparo (). La forma de onda de la corriente coincide con la de voltaje solo en el caso de que la carga sea puramente inductiva. El ángulo de conmutación es el ángulo que mide el retardo del instante de disparo de los tiristores con respecto al instante natural de encendido. En un puente rectificador monofásico con carga inductiva y con recuperación de energía, el diodo de recupero permite el apagado del tiristor cuando la semionda del voltaje se vuelve negativa. Corrección de frases falsas

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 1. A continuación se desarrollará el capítulo Inversores / Onduladores. TX-TIP-0010

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Inversores / Onduladores TEMAS DEL CAPÍTULO 2

En este capítulo aprenderemos sobre las características y el funcionamiento de los inversores/ onduladores.

2.1 Introducción

39

2.2 Tipos de inversores / onduladores

42

2.3 Control por modulación de anchura de pulsos PWM

49

2.4 Campo de aplicación

51

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2. Inversores / Onduladores

2.1 Introducción Como vimos en el capítulo 1, existen dispositivos que permiten convertir la corriente alterna en corriente continua ellos son los Rectificadores. Ahora analizaremos los que equipos necesitamos para realizar la función inversa.

INVERSOR U ONDULADOR

Es un circuito utilizado para convertir corriente continua en corriente alterna.

A continuación podemos observar su función y aplicaciones: • Cambiar un voltaje de entrada de corriente directa a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Función

• Un ondulador es un aparato electrónico que convierte una tensión continua de bajo valor, en una tensión alterna del mismo valor y frecuencia que la suministrada por las compañías eléctricas. • Se emplean en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para manejar alta potencia.

Aplicaciones

• También son utilizados para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, en corriente alterna y de esta manera, poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas.

Las aplicaciones típicas de los inversores de potencia pueden ser: Accionamiento de motores de CA de velocidad ajustable. Dispositivos de corriente alterna que funcionan a partir de batería.

Sistemas de alimentación interrumpida (SAI). Hornos de inducción.

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Veamos ahora el modo de funcionamiento: Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual es utilizado para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada. Esta onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario.

ATENCIÓN

Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal.

Conozcamos algunas características: • Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más avanzadas de transistores o dispositivos similares, como los tiristores, los TRIAC o los IGBT. • Los inversores más eficientes emplean varios artificios electrónicos para tratar de llegar a una onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la entrada del transformador, en vez de depender de éste para suavizar la onda. • Además, es posible producir una llamada "onda senoidal modificada", la cual es generada a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno de tierra. Una circuitería lógica se encarga de activar los transistores de manera que se alternen adecuadamente. Los inversores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas cargas, como los motores, por ejemplo, operen de manera menos eficiente. • Los inversores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulsos con una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de salida. También se puede predistorsionar la onda para mejorar el factor de potencia (cos Φ). • Los inversores de alta potencia, en lugar de transistores usan un dispositivo de conmutación llamado IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor ó Transistor Bipolar de Puerta Aislada). Conversión de forma de onda (CC – CA y CA-CC)

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ACTIVIDAD 6. Funcionamiento de los inversores. Para profundizar los conocimientos acerca del funcionamiento de los inversores se propone la siguiente actividad. Completar las descripciones con las palabras que correspondan.

Descripción Un inversor es un circuito utilizado para convertir_________________________en _________________________. Un inversor simple consta de un______________ que controla a un________________, el cual es utilizado para ________________ la corriente entrante y generar una _________________. Esta onda cuadrada alimenta a un _______________ que_______________ su forma, haciéndola parecer un poco más una ______________________ y produciendo el______________ de salida necesario.

Términos

Transistor

Interrumpir

Oscilador

Corriente continua

Onda senoidal

Voltaje

Transformador

Onda cuadrada

Corriente alterna

Suaviza

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2.2 Tipos de inversores / onduladores Los inversores / onduladores también se pueden clasificar según el tipo de onda. Actualmente existen en el mercado los siguientes tipos de onduladores. Ondulador de onda cuadrada.

Ondulador de onda pseudosenoidal (trapezoidal). Ondulador de onda senoidal (senoidal verdadera).

Suelen distinguirse tres configuraciones o topologías de inversores: 1

Con trasformado de toma media (“push – pull”).

2

Con batería de toma media (medio puente).

3

Configuración puente completo.

Corresponden a las tres formas más razonables de realizar la función de inversión de tensión o corriente suministrada por la fuente de CC con los medios disponibles hoy día en electrónica de potencia. Cada una de ellas tiene sus ventajas e inconvenientes, independientemente de los semiconductores empleados en su realización y de su circuito auxiliar de excitación y bloqueo.

Ondulador de onda cuadrada. • Este tipo de ondulador es el más simple y económico de todos y acostumbra a usarse en instalaciones donde la potencia no supera los 500 VA., en los que la forma de onda, el valor de la tensión y el contenido de armónicos no sea un factor crítico.

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• La tensión de salida es muy poco estable y varía directamente en función de la tensión de las baterías y de la carga aplicada en cada momento. • Un ondulador de este tipo nos dará 230 V. a la salida con la carga nominal y con las baterías al valor nominal. Si se diminuye la carga o las baterías están cargadas al máximo, la tensión de salida puede superar los 260 V. y en caso contrario, (con las baterías al mínimo) la tensión puede bajar hasta 180 V. TX-TIP-0010

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Las siguientes figuras muestran las configuraciones push-pull y medio puente, respectivamente. Junto a cada una de las configuraciones se presenta la forma de onda de salida correspondiente a cada una de ellas. 3

• En el caso de la configuración pushpull se debe tener en cuenta la relación de espiras entre cada uno de los primarios (teniendo en cuenta que está en toma media) y el secundario. La topología en medio puente se puede implementar con una batería y dos condensadores en toma media o bien con una batería en toma media.

4

• La figura señala la configuración de un inversor en medio puente.

Del análisis del inversor en puente completo se puede intuir y deducir el funcionamiento de los dos inversores anteriores (push-pull y medio puente). Por lo tanto analizaremos las características de un inversor monofásico en puente completo. El inversor monofásico en puente completo: 5 El inversor en puente completo está formado por 4 interruptores de potencia totalmente controlados, (típicamente transistores MOSFETs o IGBTs), tal y como se indica en la figura 5.

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En la siguiente figura podemos ver circuitos equivalentes del inversor en puente completo: S1 y S2 cerrados

S3 y S4 cerrados

S1 y S3 cerrados.

S2 y S4 cerrados

6

La tensión de salida vC puede ser + VCC, -VCC, ó 0, dependiendo del estado de los interruptores. La figura muestra los circuitos equivalentes para algunas de las posibles combinaciones de los interruptores. La tabla siguiente indica la tensión de salida que se obtiene al cerrar determinadas parejas de interruptores. Interruptores cerrados

Tensión de salida VC

S1 y S2

+Vcc

S3 y S4

-Vcc

S1 y S3

0

S2 y S4

0

ATENCIÓN

Observe que S1 y S4 no deberían estar cerrados al mismo tiempo, ni tampoco S2 y S3 para evitar un cortocircuito en la fuente de continua.

Los interruptores reales no se abren y se cierran instantáneamente, por tanto debe tenerse en cuenta los tiempos de conmutación al diseñar el control de los interruptores. El solapamiento de los tiempos de conducción de los interruptores resultaría en un circuito denominado, en ocasiones, fallo de solapamiento en la fuente de tensión continua. El tiempo permitido para la conmutación se denomina tiempo muerto (“blanking time”). Para obtener una tensión de salida Vc igual a cero se pueden cerrar al mismo tiempo los interruptores S1 y S3 o bien S2 y S4. Otra forma de obtener una tensión cero a la salida sería eliminando las señales de control en los interruptores, es decir, manteniendo abiertos todos los interruptores. TX-TIP-0010

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El inversor con modulación por onda cuadrada: La técnica de modulación o el esquema de conmutación más sencillo del inversor en puente completo es el que genera una tensión de salida en forma de onda cuadrada. En este caso los interruptores conectan la carga a + VCC cuando S1 y S2 están cerrados (estando S3 y S4 abiertos) y a - VCC cuando S3 y S4 están cerrados (estando S1 y S2 abiertos).

La conmutación periódica de la tensión de la carga entre + VCC y - VCC genera en la carga una tensión con forma de onda cuadrada. Aunque esta salida alterna no es senoidal pura, puede ser una onda de alterna adecuada para algunas aplicaciones.

ATENCIÓN

La forma de onda de la corriente en la carga depende de los componentes de la carga. En una carga resistiva, la forma de onda de la corriente se corresponde con la forma de la tensión de salida. Una carga inductiva tendrá una corriente más senoidal que la tensión, a causa de las propiedades de filtrado de las inductancias.

Una carga inductiva requiere ciertas consideraciones a la hora de diseñar los interruptores del inversor, ya que las corrientes de los interruptores deben ser bidireccionales. Para ello, se suelen poner diodos en antiparalelo con cada uno de los interruptores. En el caso del ondulador en puente se utilizarían cuatro diodos en antiparalelo con cada uno de los interruptores. Para el caso del medio puente y del push-pull se emplearían dos diodos, uno para cada interruptor.

La figura 7 muestra la forma de onda de la tensión de salida Vc para un inversor en puente de onda completa con modulación por onda cuadrada.

7 Éste tipo de modulación no permite el control de la amplitud ni del valor eficaz de la tensión de salida, la cual podría variarse solamente si la tensión de entrada VCC fuese ajustable.

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Ondulador de onda pseudo-senoidal. • Este tipo de ondulador es el que posee la mejor relación prestaciones-precio, acostumbra usarse en instalaciones de como máximo 3000 VA.

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• La forma de onda y el contenido de armónicos son suficientemente bajos, así como la estabilidad de la tensión de salida. Para poder alimentar la mayor parte de aparatos eléctricos del mercado. La frecuencia y la tensión de salida son muy estables, alrededor del 3% aunque haya grandes variaciones en la carga o en la tensión de las baterías. Aplicaciones

Rendimiento energético

• Un ondulador de este tipo puede alimentar perfectamente motores, microondas, lámparas de incandescencia, fluorescentes, lámparas tipo PL, aparatos de TV, máquinas- herramienta, etc. Su única limitación está en los equipos que poseen una regulación de potencia por control de fase o que sólo admitan un contenido de armónicos extremadamente bajo.

• El rendimiento energético es muy elevado, alrededor de 90% y el consumo en vacío muy bajo, por lo que pueden dejarse permanentemente conectados a las baterías sin peligro de que se descarguen rápidamente.

No es recomendable con estos onduladores usar la compensación del factor de potencia con los condensadores que generalmente se usan para tal fin. El inversor con modulación por onda cuasi-cuadrada. En la figura anterior se puede observar que aunque a la salida se ha obtenido una tensión alterna, ésta no se parece en absoluto a una senoide pura. De hecho, una onda cuadrada periódica pura tiene infinitos armónicos sobre la frecuencia fundamental. Para solucionar este inconvenientes existen varias alternativas. La primera es añadir un filtro tipo LC a la salida, lo cual es costoso dado el elevado número de armónicos de baja frecuencia que se deben filtrar.

La segunda alternativa es mejorar el control de los interruptores de potencia.

Una alternativa que permite ajustar el valor eficaz de la tensión de salida y eliminar los armónicos de baja frecuencia es la llamada onda cuasi-cuadrada o cancelación de tensión. TX-TIP-0010

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La última alternativa que presentamos nos permite mantener un nivel de tensión nulo sobre la carga durante parte del período. De esta manera, mejoramos el contenido de armónicos de la tensión de salida.

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En esta imagen podemos apreciar la tensión que se obtiene utilizando la modulación por onda cuasi-cuadrada.

Para obtener este tipo de onda, una posibilidad sería la siguiente: • Cuando se desea tensión positiva en la carga se mantienen S1 y S2 conduciendo (S3 y S4 abiertos). La tensión negativa se obtiene de forma complementaria (S3 y S4 cerrados y S1 y S2 abiertos). Y, como ya se ha comentado, los intervalos de tensión nula se alcanzan cerrando simultáneamente los interruptores S1 y S3 manteniendo S2 y S4 abiertos, o bien cerrando S2 y S4 mientras S1 y S3 siguen abiertos. • Otra forma de obtener tensión nula a la salida es manteniendo todos los interruptores abiertos durante el intervalo de tiempo deseado.

Si se efectúa un análisis de Fourier de la forma de onda cuasi-cuadrada, se observaría que están presentes los múltiples impares de la frecuencia de conmutación, lo que significa que el filtraje de dicha señal para la obtención apenas de la fundamental requiere un filtro con frecuencia de corte muy próxima de la propia frecuencia deseada. Éste espectro varía de acuerdo con el ancho del pulso. Ondulador de onda senoidal. • Este tipo de ondulador se usa en instalaciones desde 500 VA. hasta varios KVA., en los que la forma de onda, el contenido de armónicos y la estabilidad de la tensión y frecuencia son críticos. La forma de onda proporcionada es similar y, en algunos casos, mejor que la que suministran las compañías eléctricas. • La frecuencia y la tensión de salida son muy estables, (alrededor del 3%) aunque haya grandes variaciones en la carga o en la tensión de las baterías.

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Aplicaciones

Rendimiento energético

• Un ondulador de este tipo puede alimentar prácticamente todos los aparatos del mercado, tanto los muy delicados (como son los equipos de medida, telecomunicaciones, electromedicina, equipos Hi-Fi), como los más robustos, (motores, lámparas PL, fluorescentes, microondas, TV, etc.).

• Su rendimiento energético es bastante elevado (alrededor del 85%) y el consumo en vacío es bajo.

Con estos equipos se puede usar la compensación del factor de potencia con condensadores, lo que permite aprovechar mejor la potencia del ondulador. Como contrapartida, el precio es muy superior al de los onduladores pseudo-senoidales y tanto el rendimiento como el consumo en vacío es ligeramente inferior. Por dicho motivo, los onduladores senoidales solo se usan cuando realmente es necesario el suministro de una tensión de muy elevada calidad. ACTIVIDAD 7. Competencias preguntas y respuestas. La siguiente actividad tiene como propósito consolidar los conocimientos sobre los tipos de inversores. Completar el cuadro identificando a qué tipo de ondulador pertenecen las características presentadas. Características

Tipo de ondulador

Es el más simple y económico

Se utiliza en instalaciones de como máximo 3000 VA. Se usa en instalaciones desde 500 VA. hasta varios KVA., en los que la forma de onda, el contenido de armónicos y la estabilidad de la tensión y frecuencia son críticos. Tipo de onda Puede alimentar prácticamente todos los aparatos del mercado hasta los más delicados. La tensión de salida es muy poco estable y varía directamente en función de la tensión de las baterías y de la carga aplicada en cada momento.

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2.3

Control por modulación de anchura de pulsos PWM

Si se quiere mejorar aún más el contenido de armónicos en la salida de un inversor, es necesario utilizar lo que se conoce como modulación de anchura de pulsos PWM (“Pulse Width Modulation”). ¿En qué consiste? La idea básica es comparar una tensión de referencia senoidal de baja frecuencia (que sea imagen de la tensión de salida buscada) con una señal triangular simétrica de alta frecuencia cuya frecuencia determine la frecuencia de conmutación. La frecuencia de la onda triangular (llamada portadora) debe ser, como mínimo 20 veces superior a la máxima frecuencia de la onda de referencia, para que se obtenga una reproducción aceptable de la forma de onda sobre una carga, después de efectuado el filtraje. La señal resultante de dicha comparación nos generará la lógica para abrir y cerrar los semiconductores de potencia.

La siguiente figura señala la modulación de una onda senoidal, produciendo en la salida una tensión con 2 niveles, cuya frecuencia es la de la onda triangular. Portadora Referencia senoidal

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A partir de la señal PWM se generan los pulsos de apertura y cierre de los interruptores. Por ejemplo, si la señal PWM tiene un valor alto, se cierran los interruptores S1 y S2. En caso contrario, se cierran los interruptores S3 y S4. Por tanto, la tensión de salida, (que es aplicada a la carga) está formada por una sucesión de ondas rectangulares de amplitud igual a la tensión de alimentación en continua y duración variable.

El contenido de armónicos de la tensión de salida se desplaza hacia las frecuencias elevadas y es más fácil de filtrar.

Para una observación más detallada, la figura 11 muestra la señal PWM en un cuarto de la senoide completa. 11

Matemáticamente, se puede demostrar que el contenido de armónicos de la señal PWM generada es muy bajo en comparación con la onda cuadrada y cuasi-cuadrada. Por tanto, un filtro pasa bajos con frecuencia de corte por encima de la frecuencia de referencia es perfectamente capaz de producir una atenuación bastante efectiva en componentes en la banda de los kHz. ATENCIÓN

En el caso que la carga tenga una cierta componente inductiva, es necesario añadir diodos en antiparalelo con los transistores de potencia, para permitir la circulación de corriente de la carga cuando se abren todos los transistores. Si no se añaden diodos, se crean grandes sobretensiones debido al corte instantáneo de la corriente por la inductancia de la carga, con lo que termina destruyéndose el convertidor de potencia. TX-TIP-0010

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2.4 Campo de aplicación Las posibles aplicaciones son:

Sistema de alimentación ininterrumpida.

Control de motores.

Accionamiento de corriente alterna.

Sistema de alimentación ininterrumpida. En caso de ausencia de voltaje a la Entrada del UPS, el UPS toma energía de la batería y sigue alimentando la "Carga". Pero la Batería es de "Corriente Directa" y en la carga necesita ser "Corriente Alterna“ Es aquí donde toma importancia un elemento que se encuentra en todo tipo de UPS y este es el "Inversor".

El INVERSOR en un UPS

• Se encarga de tomar la corriente directa de la batería y la convierte en corriente alterna para alimentar la carga. • Esta corriente alterna obviamente tiene que ser de voltaje de 220 ó 380 V y a una frecuencia de 50 Hz.

Control de motores. GLOSARIO

Uno de los grandes campos de aplicación de la Electrónica de Potencia se encuentra en la regulación de velocidad de máquinas eléctricas, típicamente motores. Al sistema electrónico que alimenta un motor se lo suele denominar accionamiento, y éste incluye no sólo la parte de potencia sino también los circuitos de protección y control que gobiernan los convertidores de potencia.

Electrónica de Potencia: Rama de la ingeniería eléctrica que consigue adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar otros equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de maquinas eléctricas, etc.

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En función del tipo de motor, se suelen clasificar en: Accionamientos de alterna

Accionamiento de continua

Dependiendo de la aplicación, se puede controlar la velocidad, la posición, o el par de un motor eléctrico. Desde el punto de vista energético, el empleo de accionamientos para motores mejora sustancialmente el rendimiento del sistema que se está controlando. EJEMPLO

Existen infinidad de aplicaciones en las que actualmente se emplean accionamientos, (desde sistemas de aire acondicionado, bombas, grúas, etc. hasta máquinas de control numérico), donde se requiere un control preciso de la velocidad y posición de los motores utilizado. Accionamiento de corriente alterna. De forma análoga a los accionamientos de corriente continua, los accionamientos de corriente alterna, permiten regular distintas magnitudes en un motor de CA, ya sea velocidad, posición, par, etc. Dependiendo de la aplicación, se utilizan distintos convertidores de potencia.

En aquellas en las que la precisión no es crítica

Se emplean convertidores CA/CA, del tipo directo, normalmente basados en tiristores (reguladores de CA y cicloconvertidores). A pesar de su sencillez, estos convertidores generan un gran número de armónicos.

Para aplicaciones donde se requiere mayor precisión o mejor calidad de energía

Se usan convertidores del tipo indirecto. La estructura más empleada es la de un rectificador en cascada con un inversor PWM (Fig. 12). Hoy en día, el empleo de este tipo de convertidores está desbancando el empleo masivo que en el pasado se hacía con los motores de CC.

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ACTIVIDAD 8. Aplicación de los inversores. La siguiente actividad tiene como propósito repasar los principales campos de aplicación de los inversores. Completar el cuadro con la información requerida.

Aplicación

Función del inversor

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 2. A continuación se desarrollará el capítulo SAI - Sistema de Alimentación Ininterrumpida (UPS). TX-TIP-0010

3


SAI – Sistema de Alimentación Ininterrumpida (UPS) TEMAS DEL CAPÍTULO 3

En este capítulo analizaremos las perturbaciones eléctricas que pueden afectar el suministro de energía de la planta industrial y conocer los equipos que se utilizan para mitigar las consecuencias indeseadas.

3.1 Perturbaciones eléctricas

55

3.2 Definición y función de los UPS

59

3.3 Clasificación del UPS

63

3.4 Topología UPS

65

3.5 Ventajas de la utilización de UPS

71

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3. SAI – Sistema de Alimentación Ininterrumpida (UPS)

3.1 Perturbaciones eléctricas Existen perturbaciones eléctricas que pueden afectar a las condiciones eléctricas de suministro de la planta industrial y ocasionar el mal funcionamiento o daño de equipos y procesos. A continuación les proponemos pensar sobre los tipos de problemas que pueden presentarse en la red eléctrica. ACTIVIDAD 9. Perturbaciones eléctricas. La siguiente actividad tiene como propósito identificar los principales problemas relacionados con la red eléctrica. Completar en las definiciones el número que corresponde al concepto.

Concepto

N°

Baja tensión

1

Cambio en la frecuencia nominal de la alimentación del equipo, normalmente estable en 50 Hz dependiendo esto de la ubicación geográfica.

Variación de frecuencia

2

Condición de cero tensión en la alimentación eléctrica que dura más de dos ciclos (40 ms).

Sobretensión

3

Valores de tensión inferiores al 80% ó 85% de la tensión normal durante un corto período de tiempo.

Corte de energía

4

Picos de tensión de hasta 20.000 voltios con una duración entre 10 y 100 us.

Picos de alta tensión

5

Tiene lugar cuando la tensión supera el 110% del valor nominal.

Transitorio de tensión

6

Repentinos incrementos de tensión en pocos microsegundos.

Ruido eléctrico

7

Estado continuo de baja tensión de red.

8

Interferencia de Radio Frecuencia (RFI) e Interferencia Electromagnética (EMI) que causa efectos indeseables en los circuitos electrónicos de los sistemas informáticos.

Caída de tensión

Definición

N°

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A continuación detallamos los tipos de problemas que pueden surgir en la red eléctrica y dañar todo tipo de consumos o evitar que operen correctamente. Las perturbaciones eléctricas más comunes son:

Defectos de la señal eléctrica

Ruido eléctrico

Sobretensión


Caída de tensión

Defectos de la señal eléctrica. Existen 3 tipos de defectos de la señal eléctrica: corte de energía, baja tensión y variación de frecuencia. • Un corte de energía se define como una condición de cero tensión en la alimentación eléctrica que dura más de dos ciclos (40 ms). Corte de energía

• Puede ser causado por la apertura de un interruptor, un problema en la instalación del usuario, una falla en la distribución eléctrica o una falla de la red comercial. • Esta condición puede ocasionar una pérdida parcial o total de datos, corrupción de archivos y daño del hardware. • Es un estado continuo de baja tensión de red.

Baja Tensión

• Un ejemplo de ello es la baja tensión producida durante la gran demanda energética del verano (en el cual las centrales generadoras no alcanzan a satisfacerla) debiendo entonces bajar la tensión para limitar la potencia máxima requerida. • Cuando esto sucede, los sistemas de computación pueden experimentar corrupción de datos y fallas en el hardware.

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• Una variación de frecuencia involucra un cambio en la frecuencia nominal de la alimentación del equipo, normalmente estable en 50 Hz dependiendo esto de la ubicación geográfica. Variación de frecuencia

• Esto puede ser causado por el funcionamiento errático de grupos electrógenos o por la inestabilidad en las fuentes de suministro eléctrico. • Para equipos electrónicos sensibles, el resultado puede ser corrupción de datos, caída de la unidad de disco rígido, bloqueo del teclado y fallas de programas.

El ruido eléctrico.

Ruido eléctrico

• El ruido eléctrico de línea se define como interferencia de Radio Frecuencia (RFI) e Interferencia Electromagnética (EMI) y causa efectos indeseables en los circuitos electrónicos de los sistemas informáticos. • Las fuentes del problema incluyen motores eléctricos, relés, dispositivos de control de motores, transmisiones de radiodifusión, radiación de microondas y tormentas eléctricas distantes. RFI, EMI y otros problemas de frecuencia pueden producir errores o pérdida de datos almacenados, interferencia en las comunicaciones, bloqueo del teclado y del sistema.

Picos de alta tensión.

• Los picos de alta tensión ocurren cuando hay repentinos incrementos de tensión en pocos microsegundos. Picos de alta tensión

• Estos picos normalmente son el resultado de la caída cercana de un rayo, pero pueden existir otras causas también. • Los efectos en sistemas electrónicos vulnerables pueden incluir pérdidas de datos y deterioro de fuentes de alimentación y tarjetas de circuito de los equipos.

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Sobretensión.

• Tiene lugar cuando la tensión supera el 110% del valor nominal.

Sobretensión

• La causa más común es la desconexión o el apagado de grandes cargas en la red. • En esta condición, los equipos informáticos pueden experimentar pérdidas de memoria, errores en los datos, apagado del equipo y envejecimiento prematuro de los componentes electrónicos.

Caída de Tensión.

• Comprende valores de tensión inferiores al 80% ó 85% de la tensión normal durante un corto período de tiempo. Caída de Tensión

• Las posibles causas son: encendido de equipamiento de gran magnitud o de motores eléctricos de gran potencia y la conmutación de interruptores principales de la alimentación (interna o de la usina). • Una caída de tensión puede tener efectos similares a los de una sobretensión.

Transitorio de tensión. • Tiene lugar cuando hay picos de tensión de hasta 20.000 voltios con una duración entre 10 y 100 us.


• Normalmente son ocasionados por arcos eléctricos y descargas estáticas. Las maniobras de las usinas para corregir defectos en la red que generan estos transitorios pueden ocurrir varias veces al día. • Los efectos de transitorios de este tipo pueden incluir pérdida de datos en memoria, error o pérdida de los datos y solicitaciones extremas en los componentes electrónicos.

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3.2 Definición y función de los UPS Para mitigar los problemas que pueden causar las perturbaciones eléctricas existen los UPS o SAI. Un SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida), o más conocido por sus siglas en inglés UPS (Uninterruptible Power Supply).

Es un dispositivo que, gracias a sus baterías, puede proporcionar energía eléctrica tras un apagón a todos los dispositivos existentes en la red eléctrica. UPS / SAI También pueden mejorar la calidad de la energía eléctrica que llega a las cargas, filtrando subidas y bajadas de tensión y eliminando armónicos de la red en el caso de corriente alterna.

¿Por qué un UPS es mejor que un estabilizador? Porque los estabilizadores protegen al equipo en solamente un 7% de los problemas, mientras un UPS brinda protección al 100% de los problemas de alimentación eléctrica.

EJEMPLO

Un UPS da energía eléctrica a equipos llamados cargas críticas (que pueden ser aparatos médicos, industriales o informáticos) que requieren tener siempre alimentación y que ésta sea de calidad debido a la necesidad de estar operando en todo momento y sin fallos (picos o caídas de tensión).

Partes de un UPS. Un UPS se compone de 4 partes:

1

Rectificador

3

Inversor

2

Batería

4

Conmutador

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Aquí se detalla el funcionamiento de cada una de las partes que componen un UPS:

1- Rectificador

Rectifica la corriente alterna de entrada, suministrando corriente continua para cargar a una batería. Desde ésta se alimenta a un inversor que la convierte nuevamente en alterna. Luego de haberse descargado la batería, ésta se recarga generalmente en un tiempo de 8 a 10 horas, por lo cuál la capacidad del cargador debe ser proporcional al tamaño de la batería necesaria.

2- Batería

Una batería cuya capacidad (en Amperes Hora) depende del tiempo (autonomía) durante el cual debe entregar energía cuando se corta la entrada del equipo UPS.

3- Inversor

Convierte la corriente continua de la batería en corriente alterna, adecuada para alimentar a los equipos conectados a la salida del UPS. Su capacidad de potencia depende del consumo total de los equipos por alimentar.

4- Conmutador

Un conmutador (By-Pass) de 2 posiciones permite conectar la salida con la entrada del UPS (By Pass) o con la salida del inversor.

Cuando el UPS se encuentra en operación normal, la carga viene alimentada a través del rectificadorinversor. A este modo de operación de el UPS., se lo conoce como modo inversor activo. En operación normal, la carga es alimentada desde el inversor: ATENCIÓN Rectificador

Inversor

Carga

O bien:

Batería

Inversor

Carga

En caso de falla del inversor, del rectificador o de la batería, cambia la conexión a la red de emergencia, entonces el UPS trabaja en modo inversor a la espera.

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La Fig. 1 presenta un esquema en bloques de un UPS con conmutador a red alternativa. En este esquema, se provee una alimentación de alterna adicional, y la carga puede ser alimentada a través del inversor o de la red alternativa. 1

• La conmutación a la red o al inversor se efectúa mediante interruptores estáticos, que permiten una transferencia sincronizada entre red e inversor y viceversa, con transiciones naturales sin cortes ni picos de voltaje. • La red alternativa se emplea cuando falla el inversor o cuando es necesario efectuar mantenimiento en el equipo electrónico o baterías, separándose el circuito de la carga.

PARA PENSAR…

¿Sabías qué el modo inversor activo es generalmente el más empleado? Esto sucede porque su estabilidad de voltaje de salida es mejor, al poder ser controlada electrónicamente. Los inversores trabajan produciendo una onda cuadrada o bien con trenes de pulsos de polaridad positiva y negativa, alternativamente, cuya frecuencia es la de red (sincronizadamente para poder producir la conmutación estática si fuese necesaria), y cuya tensión se puede regular mediante modulación de ancho de pulsos. Algunos también trabajan con la aproximación de onda casi cuadrada. Voltaje de trabajo Voltaje de trabajo

2

• El periodo T corresponde a la frecuencia de red (20 mseg para 50 Hz), y el ancho Tp de pulso y el voltaje V se ajustan para obtener el valor eficaz correspondiente a el voltaje senoidal de la red. TX-TIP-0010

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Por lo tanto según habíamos comentado en caso de ausencia de voltaje a la Entrada del UPS, el UPS toma energía de la batería y sigue alimentando la "Carga”. Pero la Batería es de "Corriente Directa" y en la carga necesita ser "Corriente Alterna”. Es aquí donde toma importancia el "Inversor". El inversor (con tecnología de Transistores IGBT), se encarga de tomar la corriente directa de la batería y la convierte en corriente alterna para alimentar la carga. Esta corriente alterna obviamente tiene que ser de voltaje de 220/ 380 voltios y a una frecuencia de 50 Hz. En el diagrama observamos que hay cuatro transistores bipolares en configuración de Puente Inversor.

3

Veamos en detalle como es el funcionamiento: 4

Cuando se encienden los transistores Q1 y Q4 simultáneamente …

… el voltaje en los terminales de salida es +/-

Ahora si apagamos los transistores Q1 y Q4 y encendemos Q2 y Q3, logramos que …

… el voltaje en los terminales de salida es -/+.

ATENCIÓN

Es así como se logra la alternancia en polaridades. Si este cambio de polaridad se efectúa 50 veces por segundo, estaremos generando un voltaje de 12v de corriente alterna a 50Hz. TX-TIP-0010

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De tal manera que la forma de onda del voltaje generado sería: 5

• Las señales de disparo de los transistores pueden ser generadas a partir de un circuito oscilador de 50 Hz. De tal manera que en el circuito positivo se mande encender los transistores Q1 y Q4 y cuando la señal sea cero, se encienden los transistores Q2 y Q3. De esta manera, obtendremos un voltaje generado de 220 vca.

ATENCIÓN

La forma de onda cuadrada generada de ejemplo, no es recomendada para usarse en equipos electrónicos ya que puede provocar calentamiento excesivo a los componentes de ciertos equipos y su correspondiente daño prematuro. Para equipos electrónicos o de cómputo, es preferible utilizar la forma de onda "cuasisenoidal" o la forma Senoidal.

3.3 Clasificación del UPS Existen diversas maneras de clasificar los UPS, una de ellas es en función del tipo de corriente que alimenta la carga.

UPS de corriente continua

Las cargas conectadas a los SAI requieren una alimentación de corriente continua. De esta forma, éstos transformarán la corriente alterna de la red comercial a corriente continua y la usarán para alimentar a la carga y almacenarla en sus baterías. Por lo tanto, no requieren convertidores entre las baterías y las cargas.

UPS de corriente alterna

Estos SAI obtienen a su salida una señal alterna, por lo que necesitan un inversor para transformar la señal continua que proviene de las baterías en una señal alterna.

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ACTIVIDAD 10. Clasificación del UPS. La siguiente actividad tiene como propósito aprender a identificar el tipo de UPS y los componentes que la conforman. Identificar las partes de los UPS y su funciones, agregar los signos de corriente continua (=) o alterna (~) en los recuadros punteados según corresponda y especificar qué tipo de UPS es.

¿Qué es?

A

A

B

B

D

C

C D

Tipo de UPS: ___________________

¿Qué es?

A

A

B

D

B

E

C

C D

Tipo de UPS: ___________________

E

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A continuación, se presenta el diagrama de un UPS de corriente continua

6

Y aquí presentamos un UPS de corriente alterna, como podemos ver en este caso se incluye un conversor DC/AC: 7

3.4 Topología UPS Existen diversos tipos de Topología de UPS y cada una de ellas tiene ventajas y desventajas, que es necesario conocer si deseamos aprender a reparar un UPS ó si queremos tener los suficientes conocimientos para seleccionar el equipo más adecuado para nuestras necesidades. A continuación conoceremos la clasificación de los UPS y sus características. TX-TIP-0010

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Los UPS pueden ser: UPS Off-Line o Stand-by

Si la corriente de la carga es normalmente suministrada directamente por la línea.

UPS On--Line

El 100% de la corriente de la carga es normal y permanentemente suministrada por el inversor.

UPS Off-Line o Stand-by A este tipo de UPS se lo llama Off-Line porque el Inversor se encuentra fuera del camino principal de la corriente, y se lo llama Stand-By porque el Inversor se encuentra apagado, “en espera” de que sea requerido para encender. A continuación se presenta un diagrama a bloques del UPS Off-Line:

8

• Es el tipo de UPS más económico ya que integra muy pocos componentes. • El nivel de protección obtenido es muy limitado pero es adecuado para la protección de la computadora en el hogar ya que la inversión es muy baja (alrededor de unos 70 a 100 dólares).

Para poder analizar las diferencias entre un UPS On-Line y un UPS Off-Line, veremos los diagramas del flujo de la potencia durante el funcionamiento en modo normal y en modo batería.

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9

Flujo de la energía

Obsérvese que en este UPS del tipo Stand-By (Off-Line) el flujo de la potencia es:

Entrada

Filtro

Relé de transferencia

Salida

Esto realmente no difiere mucho con conectar la carga directamente a la línea, solamente estamos protegiendo la carga contra los picos transitorios y los ruidos de línea que el filtro pueda atenuar. El UPS cambia al modo de batería, la potencia fluye desde el inversor, siendo la batería la que provee la energía, tal como se aprecia en la Figura 10. 10

Flujo de energía

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Cuando se produce una falla en la línea, es necesario transferir la carga desde la línea de alimentación al inversor. Esta transferencia tiene una duración típica de 5 a 10 milisegundos, (equivalentes ¼a ½ciclo). Para la mayoría de las cargas, éste tiempo de transferencia no es un problema; pero, algunas cargas críticas no pueden aceptar la caída de tensión provocada por un evento tan breve como éste. Durante la operación en modo batería, la mayoría de las UPS tipo StandBy, tienen una tensión de salida con una forma de onda cuasi senoidal. UPS On-Line – Modo línea normal y modo batería. Durante las caídas de la tensión de entrada, que se prolonguen por minutos, horas ó días, un UPS Standby conmutará a modo inversor, descargando la batería. Compare la operación de un UPS Standby, con las Figuras 11 a 13 un UPS verdaderamente OnLine.

11


Observe como circula el flujo normal de energía en un UPS On –Line.

Entrada

Filtro

Rectificador

Inversor

Conmutador

Salida

El inversor provee permanentemente la energía acondicionada que la carga requiere.

ATENCIÓN

Podemos apreciar una diferencia con el UPS tipo Standby, donde la carga está siempre conectada a la línea, y por lo tanto es afectada por cualquier perturbación que en ella se produzca. TX-TIP-0010

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Cuando la entrada de potencia desde la línea falla, el inversor entrega energía desde las baterías, tal como se ve en la Figura 12. Observe que el conmutador no opera al pasar al modo batería. 12


ATENCIÓN

Otra diferencia que podemos apreciar es que un UPS On-Line tiene un inversor que entrega una tensión de salida con una forma senoidal, y ella no cambia (como en los UPS Standby) cuando conmuta desde modo normal a modo batería. Por lo tanto, todas las cargas que puedan operar con la tensión provista por la compañía de energía eléctrica, funcionarán adecuadamente con un UPS con salida senoidal. UPS On-Line - Modo ByPass. Un UPS On-Line tiene un tercer modo de operación (que el UPS Standby no posee), es el Modo Bypass y se ilustra en la figura 13. Flujo de la energía 13

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El Modo Bypass puede ser utilizado en tareas de mantenimiento, o en el caso de que el UPS falla, o para conmutar la carga a la línea si la tensión de salida cae por una sobrecarga, tal como encender un equipo con una alta corriente de arranque. En el modo Bypass, el conmutador se ha activado, y si el UPS funciona correctamente, el conmutador retornará automáticamente la carga al inversor. Las protecciones contra picos transitorios y ruidos de línea continúan presentes en el modo Bypass, tal como ocurre en un UPS Standby en Modo Normal. UPS interactiva. Una importante mejora a el UPS tipo Standby, fue el agregado de un regulador de voltaje de entrada , constituido por un transformador con derivaciones seleccionables. La Figura 14 muestra el esquema del UPS resultante, llamada UPS de Potencia Interactiva.


14

El regulador de voltaje, a la entrada del sistema, permite operar al sistema en "Modo Normal", cuando se producen caídas ó sobre elevaciones en la tensión de línea, sin que sea necesario conmutar al Modo Batería. La operación de una UPS Interactiva, en modo Batería es idéntica al de las UPS Standby:

El inversor arranca,

el relé de conmutación se activa,

y la energía es provista por la batería.

En diseños de baja potencia y costo, el transformador tiene solamente dos derivaciones, mientras que en equipos de mayor potencia y mejores prestaciones suelen tener tres ó cuatro, lo que permite obtener un mejor rango de regulación y precisión de la tensión de salida. La salida varía conjuntamente con la entrada hasta que se produce un cambio de derivación en el transformador. Estos pequeños cambios en la tensión de salida no afectarán a la mayoría de las cargas. TX-TIP-0010

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3.5 Ventajas de la utilización de UPS Las ventajas que nos proporcionan el uso de los UPS son:

Proporcionar seguridad y protección a sus equipos. Acondicionamiento en línea para filtrar ruidos de una fuente eléctrica. Supresión de voltaje contra pico y sobrevoltaje de energía en la línea.

Protección contra caídas o reducción de tensión de línea. Energía de respaldo continuo durante periodos considerables de tiempo.

Sistema de alarma o notificación.

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ACTIVIDAD 11. Diagrama de funcionamiento de un UPS. La siguiente actividad tiene como propósito repasar el modo de funcionamiento de los UPS. Diagramar el esquema del UPS que le asigna el instructor, especificando cada una de sus partes e indicando el flujo de corriente.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 3. A continuación se desarrollará el capítulo Armónicos y Filtros. TX-TIP-0010

4


Armónicos y Filtros TEMAS DEL CAPÍTULO 4

En este capítulo analizaremos qué son los armónicos que afectan la calidad de la tensión y cómo eliminarlos a través de los filtros adecuados.

4.1 Armónicos

74

4.2 Filtros

77

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4. Armónicos y Filtros

4.1 Armónicos ¿Qué son los armónicos?

Los armónicos son las señales que se generan a una distinta frecuencia (entera superior) de la onda fundamental.

EJEMPLO

Si la onda fundamental es a 50 Hz, la 2ª armónica será a 2(50 Hz) =100 Hz y la 3ª armónica será a 3(50 Hz)=150 Hz, etc.

Las armónicas principales son la 5a y la 7a ya que producen del 20-30% de pérdidas (tolerables) adicionales sobre la onda senoidal fundamental en un motor estándar. Teóricamente, cualquier onda (que reúna ciertos requisitos) puede ser representada como la suma de ondas senoidales tomando una de las señales como la onda fundamental, y las demás como las diversas armónicas). Para comprender en profundidad el tema, analicemos la siguiente imagen: 1 Fundamental

5° armónica

7° armónica

Onda resultante

La figura nos muestra una onda fundamental, los armónicos que se presentan y la onda resultante. Como podemos ver la onda resultante se ha modificado por la intervención de las ondas que se generaron en otra frecuencia. En otras palabras, podríamos decir que la onda fundamental ha variado por la presencia de los armónicos y esto afecta directamente a la calidad de tensión. TX-TMP-0011

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Ejemplos de elementos que presentan armónico.

2

3

4

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5

EJEMPLO

En el caso de la música también se producen armónicos que en muchos casos se deben evitar. Por ejemplo cuando un bajista pulsa una cuerda naturalmente se puede producir una vibración en otra cuerda . Los músicos pueden evitar esto rozando con sus dedos levemente la cuerda.

ACTIVIDAD 12. ¿Cómo evitar los efectos de los armónicos? La siguiente actividad tiene como propósito identificar diferentes alternativas para mitigar los efectos de los armónicos. A lo largo del curso se ha hecho mención de diferentes fuentes que generan armónicos y diversas formas de mejorar la calidad de la onda. Identificar elementos que en la planta industrial puedan generar armónicos y los dispositivos que se utilizan para atenuar sus efectos.

Fuente de Armónicos

Solución

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Armónicos en los UPS. Diversas aplicaciones industriales requieren de una fiabilidad permanente en el suministro de energía que sólo pueden proporcionar los SAI o UPS, pero éstos también pueden generar corrientes armónicas. La presencia de armónicos aguas arriba en las instalaciones de seguridad que incorporan los UPS, son debidas al Rectificador del mismo. Este convierte la corriente alterna en continua (AC/DC) para poder cargar las baterías (almacenamiento de energía), al mismo tiempo que alimenta el Inversor (DC/AC). ¿Qué consecuencias tiene la presencia de armónicos?

PARA PENSAR…

• Los armónicos afectan directamente a la Calidad de Tensión.

¿Sabías qué en algunos países existen normativas en referencia a las variaciones máximas permitidas de tensión? Situándola en el entorno del 5% al 7%, bajo la consideración de calidad de tensión buena (<5%) o mala (>7%).

• El efecto de los armónicos sobre la tensión se denomina Tasa de Distorsión Armónica en Tensión (THDU) y la causa directa de ésta es la Tasa de Distorsión Armónica en Corriente (THDI). Por lo tanto, a mayor THDI, mayor THDU (menor calidad de tensión).

Los armónicos así reinyectados aguas arriba no tan sólo afectan a otras cargas sensibles del mismo entorno de trabajo, sino que a través de la propia red eléctrica su influencia se extiende incluso a empresas vecinas, problema que puede resolverse utilizando filtros para disminuir este efecto. ATENCIÓN

En la mayoría de los UPS, se interconectan filtros que eliminan los armónicos y dejan una salida senoidal, de valor eficaz igual al de la red, y con una distorsión del 2-3% solamente.

4.2 Filtros ¿Cómo se eliminan los armónicos? Como ya vimos, el contenido armónico de la onda (relativamente elevado en el paso de los inversores de bloqueo forzado) debe ser eliminado, y ello se hace mediante filtros adecuados.

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El esquema más utilizado es el filtro en L. Podemos observar en la siguientes imágenes el esquema general (ZS=impedancia en serie, ZP=impedancia en paralelo) y las configuraciones prácticas empleadas. 6 Filtro impedancia serie

Filtro impedancia paralelo

Filtro

7

El LC presenta dos inconvenientes:

La caída en LS

La corriente reactiva por CP (ésta se suma a la corriente de carga).

Ambos efectos obligan a sobredimensionar el inversor. El resonante serie-paralelo es el generalmente empleado, ya que LS-CS entran en resonancia a la frecuencia de salida ofreciéndole baja impedancia y por lo tanto, sin caída de voltaje. LP-CP entran en resonancia a la frecuencia de salida, ofreciendo alta impedancia y por lo tanto, sin derivar corriente.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 4. A continuación se desarrollará el capítulo Baterías. TX-TMP-0011

5


Baterías TEMAS DEL CAPÍTULO 5

En este capítulo analizaremos las características de los diferentes tipos de baterías.

5.1 Definición y características de las baterías

80

5.2 Baterías de Plomo o Ácidas

85

5.3 Baterías de Níquel-Cadmio o Alcalinas

99

5.4 Cuadro comparativo entre las baterías ácidas y las baterías alcalinas

105

5.5 Otras clases de baterías

106

5.6 Identificación de baterías NIFE

111

5.7 Problemas y vida útil de las baterías

112

5.8 Mantenimiento de baterías

114

5.9 Seguridad

116

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5. Baterías

5.1

Definición y características de las baterías

Almacenamiento de corriente continua. La corriente continua, se utiliza en todos los casos en los que no se puede depender con exclusividad del suministro de corriente alterna. Tiene la ventaja de poder ser almacenada, lo que nos brinda la continuidad de suministro en el tiempo. Veamos algunos de sus usos principales:

Iluminación de emergencia.

Accionamiento de los sistemas de alarma.

Sistemas de control y comando de centrales eléctricas y estaciones transformadoras.

Alimentación de equipos de comunicaciones importantes.

ATENCIÓN

¿Dónde es posible almacenar la CD? La corriente continua puede ser almacenada en baterías. La cantidad almacenada no es muy grande e importante pero debe ser suficiente para mantener los servicios esenciales. ¿Qué es una batería? Es un dispositivo electroquímico que almacena energía en forma química. BATERÍA Cuando se conecta a un circuito eléctrico, la energía química se transforma en energía eléctrica.

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5. Baterías

Características y funcionamiento: Todas las baterías son similares en su construcción y están compuestas por un número de celdas electroquímicas.

Cada una de las celdas están compuestas de un electrodo positivo y otro negativo, además de un separador.

Cuando la batería se está cargando un cambio electroquímico se produce entre los diferentes materiales en los electrodos.

Los electrones son transportados entre los electrodos positivo y negativo mediante un circuito externo (bombillas, motores de arranque, etc.). En la siguiente imagen se distingue el interior de la batería: 1

GLOSARIO

Ánodo: Polo positivo de un generador de electricidad por el que entra la corriente. Cátodo: Polo negativo de un generador de electricidad o de una batería eléctrica. Vemos que se conforma de placas de distinto material, aisladas unas de las otras y sumergidas en un líquido llamado electrolito. Una de las placas es positiva y la otra es negativa. ATENCIÓN

Existen dos tipos de baterías: Las de Plomo o ácidas, y las de Níquel-Cadmio o alcalinas. Cada una de ellas tiene sus ventajas y desventajas, las cuales analizaremos a continuación.

En la actualidad hay una gran diversidad de modelos de baterías ácidas y alcalinas, con distintos tipos de electrodos y electrolitos; además de la abundante variedad de tamaños y formas.

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5. Baterías

Campo de utilización de las baterías. Las baterías son utilizadas para diferentes condiciones de trabajo, entre ellas se destacan: Baterías estacionarias.

Baterías de tracción eléctrica.

Baterías especiales.

Baterías de arranque.

ACTIVIDAD 13. ¿Qué baterías se utilizan? La siguiente actividad tiene como propósito conocer los distintos tipos de baterías y la función que cumplen. Identificar qué tipo de batería utilizan.

Energía eólica ______________

Barredora eléctrica ______________

Autoelevador

Energía solar

______________

______________

Medicina

Juguetes

______________

______________ TX-TIP-0010

5. Baterías

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Baterías estacionarias:

Utilizadas en: • Telecomunicaciones e IP. • Generación, transmisión y distribución de energía. • Sistemas ininterrumpibles de energía (UPS). • Sistemas de comando; protección y backup. • Energía solar y eólica. • Protección catódica.

Baterías de tracción eléctrica.

Utilizadas en: • Vehículos eléctricos. • Autoelevadores. • Carretillas y barredoras eléctricas. • Ferrocarriles. • Equipo de soporte para aeronaves. • Minería.

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5. Baterías

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Baterías especiales: Utilizadas en: • UPS. • Seguridad y alarmas. • Iluminación de emergencia. • Medicina. • Golf. • Señalamiento y balizamiento. • Juguetes. • Telefonía. • Energía eólica. • Sistema de protección y control.

Baterías de arranque.

Existen diferentes tipos de baterías de arranque, ellos son: • Batería tradicional abierta: Requiere mantenimiento continuo porque el hidrógeno y el oxígeno escapan de la batería.

• Batería tradicional “libre de mantenimiento”: Son herméticas. Gradualmente pierden el líquido y no pueden ser rellenadas.

• Batería de recombinación: Convierten el hidrógeno y el oxígeno en agua y tienen que ser expresamente construidas para conseguir este efecto.

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5. Baterías

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A continuación se detallan alguno requerimientos de las baterías de arranque: • Tienen que producir intensidades altas cada vez que se arranca el motor. • Deben recuperarse rápidamente después de varios intentos de arranque. • Deben proporcionar muchos ciclos de arranque. • Deben trabajar en condiciones tanto de frío, como de calor. • No pueden ser muy grandes o muy pesadas. • Debe ser posible adaptarlas en espacios exiguos. • Deben ser resistentes a las vibraciones, impactos y sacudidas. • Conviene que tras soportar una fuerte colisión no tengan fugas de electrolito. • Deben ser seguras en el uso y en la carga. • Deben cubrir los altos consumos de los aparatos electrónicos de los automóviles modernos. • Deben tener una baja autodescarga, una alta reserva de capacidad y una larga vida media. • Deben ser fáciles y rápidas de recargar. • Debe ser posible montarlas en diferentes posiciones. • Deben preferentemente ser de libre mantenimiento.

5.2 Baterías de Plomo o Ácidas Características. • Las baterías de plomo – ácido se utilizan en instalaciones de emergencia, servicios auxiliares, vehículos automotores o en sistemas aislados de la red de energía; y frente a otros equipos destinados a funciones equivalentes. • Resultan muy confiables en el servicio, no producen ruidos molestos y no necesitan operaciones de puesta en marcha. • Sin embargo su mantenimiento es algo delicado, ocupan mucho lugar y los recintos que los alojan deben cumplir requisitos especiales.

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5. Baterías

¿Cómo se conforman? Las baterías de acumuladores están formadas por un conjunto de vasos o celdas electrolíticas conectadas en serie y/o en paralelo, que aprovechan la polarización electrolítica para almacenar energía eléctrica durante lapsos prolongados. Las celdas electrolíticas contienen placas negativas y placas positivas. Placas negativas

Son de plomo esponjoso (Pb) y de color gris.

Placas positivas

Son de bióxido de plomo (PbO2) de color rojizo y más pesadas que las anteriores.

ATENCIÓN

Además en los núcleos de las placas se introducen elementos aleados, principalmente entre 6 y 12 % de antimonio para fortalecer el soporte mecánico de los óxidos activos. Para mejorar las características de las baterías, también se introducen diferentes proporciones de calcio y selenio. Entre las placas se colocan separadores fabricados con madera, lana de vidrio, caucho o PVC, presentando una superficie ranurada del lado del electrodo positivo.

2

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5. Baterías

Para lograr una acción química más efectiva, se procura aumentar la superficie de los electrodos, fabricando placas con celdillas u otras formas especiales. Los electrodos positivos se construyen en una disposición de placas planas de gran superficie (Gro) o en una disposición de placas tubulares blindadas (OPzS - OPzV), compuesta por un peine de plomo aleado, donde alrededor de cada espina se encuentra el material activo soportado por una malla permeable que permite el paso del electrolito, sirve de vaina e impide el desprendimiento de óxidos. Todo el conjunto se encuentra sumergido en un electrolito de ácido sulfúrico (SO4H2) diluido en agua destilada (H2O) en una proporción del 10 al 20 %, estando contenido en un recipiente de polipropileno o caucho vulcanizado con 50% de azufre. ATENCIÓN

Cabe aclarar que en algunos modelos sellados, el electrolito se halla inmovilizado por un gel, disponiéndose una válvula de presión de seguridad. En estas condiciones, en la superficie de los electrodos se forma una delgada capa de sulfato de plomo (SO4Pb).

Conexiones: Con este tipo de baterías se puede realizar dos tipos de conexiones:

A mayor cantidad de vasos conectados en serie

Con este tipo de conexión incrementamos el voltaje total

se obtendrá una mayor tensión.

… y a mayor cantidad de vasos conectados en paralelo

Con este tipo de conexión incrementamos la capacidad total

se tendrá una mayor capacidad de la batería.

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5. Baterías

ACTIVIDAD 14. Partes de las baterías. La siguiente actividad tiene como propósito conocer las partes que conforman una batería. Completar en las definiciones la letra que corresponde en relación al concepto.

Letra

A

PLACAS POSITIVAS

B

CELDA

C

RECIPIENTE

D

TAPA DE PLÁSTICO

Definición

Flexible que tiene agujeros para la salida de gases.

Se componen de una armadura de aleación de plomo y constan de gran cantidad de mallas que forman compartimentos llenos de pentóxido de plomo.

De material plástico moldeado divido en tres o seis elementos (uno por cada elemento)

Es un ensamble de placas positivas y negativas conectadas.

E

ELECTROLITO

Hojas delgadas o sobres de material altamente poroso no metálico, que separan las placas positivas y negativas a fin de evitar que hagan contacto entre sí y provoquen un posible corto circuito.

H

SEPARADORES

Mezcla de ácido sulfúrico y agua.

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5. Baterías

Esquema de una batería. En la siguiente imagen podemos ver los componentes que conforman la batería y su descripción:

Recipiente de material plástico moldeado divido en tres o seis elementos (uno por cada elemento)

Tapa de material plástico moldeado con engaste o soldadura hermética.)

3 Tapa de plástico flexible que tiene agujeros para la salida de gases. Borne positivo, es por lo general más ancho que el Borne borne negativo para poder negativo diferenciarlo.

Electrolito: mezcla de ácido y agua destilada que cubre las placas de cada elemento.

Orificio por donde se efectúa el llenado y el nivel de control del electrolito.

Puente de enlace para un grupo de placas Placas positivas se componen de una armadura de aleación de plomo y constan de gran cantidad de mallas que forman compartimentos llenos de pentóxido de plomo. Separadores, van dispuestos entre cada placa, para evitar los cortocircuitos y deben dejar que el electrolito circule libremente, y ser de una constitución química tal que sean resistentes al ácido del electrolito. Son de material plástico. Los residuos de reacción química se depositan en el fondo del recipiente, entre los apoyos de las placas que forman las cámaras de decantación.

Placas negativas: Todas las placas se componen de una armadura de aleación de plomo, constan de gran cantidad de mallas que forman compartimiento llenos de plomo activo.

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5. Baterías

Proceso de carga y descarga. Como vimos con anterioridad, las baterías son dispositivos electroquímicos que almacena energía en forma química. Por lo tanto, durante el proceso de carga y descarga se producen transformaciones en los componentes químicos. Analicemos qué se produce en estos dos procesos … Proceso de Carga

Se produce la disociación del ácido sulfúrico.

Proceso de Descarga

Se produce el proceso inverso.

Proceso de carga: (SO4H2)

(SO4--) + 2 (H+)

Conozcamos como se realiza este proceso: (SO4--) + 2 (H+)

(SO4--)

El (SO4 --) se dirige al ánodo, neutraliza su carga y se produce la siguiente reacción.

(SO4--) + (SO4Pb) + 2 (H2O)

2(SO4H2) + (PbO2)

2 (H+)

El (H+) se dirige al cátodo, neutraliza su carga y se produce la siguiente reacción.

2 (H+) + 2 e

(H2) + (SO4Pb)

(H2)

(SO4 H2) + (Pb)

ATENCIÓN

En consecuencia, durante la carga se deposita (PbO2) en el ánodo, (Pb) en el cátodo y aumenta el peso específico del electrolito por la disminución de agua y el aumento del ácido sulfúrico (de mayor densidad), produciéndose una FEM de polarización de alrededor de 2,1 V por celda. TX-TIP-0010

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5. Baterías

Proceso de descarga. Durante el proceso de descarga se produce el proceso inverso: 2(SO4H2) + (PbO2)

SO4--) + (SO4Pb) + 2 (H2O) Ánodo

(SO4 H2) + (Pb)

(H2) + (SO4Pb) Cátodo

ATENCIÓN

En consecuencia, durante la descarga se deposita (SO4Pb) en las placas y disminuye el peso específico del electrolito.

En la descarga baja la concentración del ácido sulfúrico, porque se crea sulfato de plomo (II) y aumenta la cantidad de agua liberada en la reacción. Como el ácido sulfúrico concentrado tiene una densidad superior a la del ácido sulfúrico diluido, la densidad del ácido puede servir de indicador para el estado de carga del dispositivo. No obstante, este proceso no se puede repetir indefinidamente, porque, cuando el sulfato de plomo (II) forma cristales muy grandes, ya no responden bien a los procesos indicados, con lo que se pierde la característica esencial de la reversibilidad. Se dice entonces que el acumulador se ha sulfatado y es necesario sustituirlo por otro nuevo. Los acumuladores de este tipo que se venden actualmente utilizan un electrolito en pasta, que no se evapora y hace mucho más segura y cómoda su utilización. Electrolito – Densidad. Por todo lo anterior, para verificar el estado de carga de una batería de plomo-ácido, basta con medir el peso específico del electrolito mediante un densímetro. Cuanto más bajo sea el peso específico del electrolito, más descargada se encontrará la batería. ACTIVIDAD 15. Densidad del electrolito. La siguiente actividad tiene como propósito aprender a verificar el estado de carga de una batería. A continuación se presentan valores típicos de densidad del electrolito para diferentes estados de carga de la batería. Teniendo en cuenta el peso del electrolito, identificar qué estado de carga le corresponde. Densidad del electrolito Densidad 1,110 a 1,130 Densidad 1,170 a 1,190 Densidad 1,200 a 1,220

Carga

100 % de carga 75 % de carga 50 % de carga

Densidad 1,230 a 1,250

25 % de carga


Muy poca carga


Descargada TX-TIP-0010

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Como la densidad relativa disminuye en 0,00072 por cada grado de aumento de la temperatura, se toma 25 ºC como valor de referencia; por lo que un buen densímetro debe incluir un termómetro para efectuar las correcciones a otras temperaturas del electrolito. A continuación damos algunos valores típicos: Densidad del electrolito

Carga


• 100 % de carga


• 75 % de carga


• 50 % de carga


• 25 % de carga


• Muy poca carga


• Descargada

Medición del electrolito: Densímetro. Como analizamos antes, la medición de la densidad del electrolito en una celda se lleva a cabo con un densímetro (hydrometer, en inglés). En la siguiente figura se ilustra este aparato de medida.

• El bulbo del flotador tiene un balastro de peso fijo, el que termina en un tubo que tiene impresa una escala (Figura b). El flotador está colocado dentro de un tubo de vidrio de mayor diámetro. Uno de sus extremos tiene una perilla de goma; el opuesto un tubo flexible del mismo material, de diámetro reducido, el que puede introducirse dentro de la celda a medir (Figura a). Oprimiendo la perilla de goma se desplaza el aire dentro de la misma, produciéndose un vacío que permite llenar el tubo de prueba con electrolito de la celda cuando ésta se infla nuevamente. • Dependiendo de la densidad del electrolito, la sección de la escala que emerge de la superficie del líquido tendrá una longitud variable. La lectura de la escala debe hacerse como lo ilustra la (Figura a), tomando en consideración el nivel del líquido en la parte media, lo que permite determinar el valor de la densidad del electrolito con un mínimo de error. TX-TIP-0010

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5. Baterías

Lectura de la escala. La escala tiene graduaciones con valores entre 1,000 y 1,300. Estos valores representan el número de veces que la densidad del electrolito supera la del mismo volumen de agua. Descarga 1100 • Para facilitar la impresión, la escala no muestra la coma decimal. Un valor de densidad 1,200 veces mayor que la del agua aparece como 1200. Esta manera de presentar las cantidades, por consistencia, continúa al darse los valores de corrección por temperatura, de manera que el valor +0,020 aparece como +0020.

Media carga 1150 - 1180 Cargada 1230 - 1270

Nivel del electrolito. Para saber el nivel correcto del electrolito en una celda debe obtenerse la recomendación del fabricante. Si no puede obtenerla, haga lo siguiente: Llene la celda con agua destilada solamente, pero deje suficiente separación (2cm mínimo) entre el borde superior donde va el tapón y la superficie del electrolito. Una excesiva cantidad de electrolito acelera su expulsión al exterior, lo que se traduce en una pérdida del ácido. Al agregar agua destilada la densidad del electrolito cambia, de manera que es aconsejable dejar pasar un período de carga antes de volver a medir la densidad. Vigile la velocidad de pérdida del electrolito. Si todas las baterías bajan rápidamente el nivel del electrolito, el sistema de carga está forzando una gasificación excesiva. Veamos algunas consideraciones en relación a la temperatura: • La reducción de la temperatura aumenta la vida útil, pero disminuye la capacidad del acumulador. • A bajas temperaturas se dificulta el proceso de carga, al aumentar la tensión en las celdas.

EJEMPLO

Por ejemplo, si a 25 ºC se tiene una carga del 100 %, a 0 ºC la carga se puede reducir al 65 %.

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Por otra parte, si se aumenta la cantidad de ácido sulfúrico que se diluye en el agua, se logra un electrolito de mayor densidad con el consiguiente aumento de la capacidad de descarga de la batería y un mejor mantenimiento de la tensión. Sin embargo se disminuye la vida útil, al crearse un ámbito mas agresivo para las placas y los separadores. Esto también ocurre cuando la batería se carga excesivamente y aumenta la concentración de ácido. Capacidad de la batería. Capacidad C de un acumulador

Es la cantidad de electricidad que puede entregar y se expresa en Ampere-hora (Ah).

Este valor depende de: La intensidad.

La densidad del electrolito.

La duración

La temperatura del electrolito.

Baterías especiales.

El estado de envejecimiento de la batería.

Capacidad nominal

Es la indicada por el fabricante, y viene dada por la cantidad de electricidad que el acumulador puede entregar en un tiempo de descarga determinado a la intensidad nominal indicada por el fabricante.

El símbolo C se completa con un subíndice que indica la duración de la descarga en horas. EJEMPLO

Por ejemplo, si la descarga dura 10 horas, se denominará C10. La intensidad nominal correspondiente se designará con I10. Cabe aclarar que un mismo acumulador puede tener distintos valores de capacidad, según el tiempo de descarga especificado. Esto se debe a que durante una descarga rápida solo interviene la superficie externa del electrodo, pues no hay tiempo para que llegue a intervenir todo el material activo de la placa. Este fenómeno hace que para regímenes de descarga rápida se construyan acumuladores con muchas placas finas y para descargas lentas se utilicen pocas placas de mayor espesor. Además si la descarga es intermitente se logra una mayor capacidad que para una descarga continua.

EJEMPLO

Por ejemplo, para un acumulador determinado se puede tener: C5 = 0,8 C10.

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Para concluir, podemos decir que: La capacidad utilizable varía notablemente con las condiciones de carga y descarga.

Con una intensidad moderada, un acumulador típico puede suministrar de 10 a 20 Ah por kg de placa. El rendimiento en estas condiciones puede alcanzar el 80 % de la energía cargada Ahora bien, ¿Qué sucede con los acumuladores fuera de servicio? Los acumuladores que se encuentran cargados y fuera de servicio están expuestos a un proceso de autodescarga espontánea, debido a los procesos químicos internos. Esto se acentúa en verano y/o con el acumulador parcialmente cargado. Para contrarrestar este proceso se debe proveer una carga compensatoria de entre 0,5 a 3 mA por cada Ah de capacidad nominal (carga de flotación). Incluso en estado de reposo, las baterías de plomo cargadas están sometidas a un pequeño desgaste debido a la acción del electrolito. En instalaciones normales de abastecimiento de emergencia, las placas positivas de los elementos tipo Gro duran de 10 a 15 años y las negativas el doble. Las placas positivas desgastadas se pueden cambiar por otras nuevas. En los elementos tipo OPzS las placas de ambos polos duran unos 10 años. ATENCIÓN

Para evitar la corrosión y las pérdidas de capacidad debidas a las corrientes de fuga, regularmente deben limpiarse las baterías y reponer el electrolito que se haya gasificado. ACTIVIDAD 16. Mantenimiento. La siguiente actividad tiene como propósito identificar las tareas de mantenimiento de los acumuladores. ¿Qué tareas de mantenimiento considera que es necesario realizar para mantener en buen estado las baterías?

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Un plan de mantenimiento podría ser: 1

Medir la densidad semanalmente.

2

Controlar el nivel de electrolito semanalmente, agregando agua si es necesario.

3

Si no está activa, descargar y cargar bimestralmente.

4

Verificar la tensión por celda trimestralmente.

5

Limpiar las baterías en cada inspección.

Precauciones: Tener presente que cuando se efectúe la operación de mezclado de agua con ácido (paso n° 2) es importante tomar algunas precauciones si no se quiere correr riesgo de una explosión. De una manera grafica la figura señala la forma como hay que proceder: ATENCIÓN

En ningún caso hay que echar el agua sobre el ácido pues es seguro que producirá la explosión a la que nos estamos refiriendo. Lo correcto es hacerlo al revés o sea echar el ácido sobre el agua.

Al momento de instalar un acumulador debe tenerse en cuenta : La capacidad de los acumuladores se debe elegir de tal forma que dentro de un tiempo de descarga prefijado, se pueda tomar una corriente determinada sin superar por defecto el límite admisible de la tensión del receptor o del acumulador. También hay que considerar el envejecimiento de las celdas y debe preverse la ocurrencia de épocas de bajas temperaturas durante su vida útil.

ATENCIÓN

Se considera que una batería llegó al fin de su vida útil cuando no puede entregar el 80 % de su capacidad nominal. TX-TIP-0010

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Parámetros característicos de los acumuladores. Carga. Carga

Es la cantidad de electricidad que puede obtenerse mediante la descarga total de una batería inicialmente cargada al máximo.

EJEMPLO

La capacidad de un acumulador se mide en Amperios-hora (Ah), para un determinado tiempo de descarga, es decir una batería de 130Ah es capaz de suministrar 130A en una hora o 13A en diez horas.

Por ejemplo si la descarga dura 10 horas, se denominará C10. La intensidad nominal correspondiente se designará con I10.

Si una celda tiene una capacidad de 80 AH, quiere decir que será capaz de proporcionar ya sea una corriente de 10 Ampere por 8 Hrs., o una corriente de 1 Ampere durante 80 Hrs., o cualquier otra combinación cuyo producto de corriente (I) por tiempo (t), nos produzca un resultado de 80 AH. Si las baterías se descargan en menos tiempo, la capacidad disminuye y si las baterías se descargan en un tiempo mayor, la capacidad aumenta. Eficiencia de carga: Es la relación entre la energía empleada para cargar la batería y la realmente almacenada. Una eficiencia del 100% significa que toda la energía empleada para la carga puede ser remplazada para la descarga posterior. Si la eficiencia de carga es baja, es necesario dotarse de un mayor número de paneles para realizar las mismas aplicaciones. Autodescarga: Es el proceso por el cual el acumulador, sin estar en uso, tiende a descargarse. Profundidad de descarga: Se denomina profundidad de descarga al valor en tanto por ciento de la energía que se ha sacado de un acumulador plenamente cargado en una descarga. Como ejemplo, si tenemos una batería de 100Ah y la sometemos a una descarga de 20Ah, esto representa una profundidad de descarga del 20%. A partir de la profundidad de descarga podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del 20%) o profundas (hasta 80%). Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios y anuales. Es necesario recalcar que cuanto menos profundos sean los ciclos de carga/descarga, mayor será la duración del acumulador. También es importante saber que, para la mayoría de los tipos de baterías, un acumulador que queda totalmente descargado, puede quedar dañado seriamente y perder gran parte de su capacidad de carga. Todos estos parámetros característicos de los acumuladores pueden variar sensiblemente con las condiciones ambientales. TX-TIP-0010

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Características eléctricas. El voltaje nominal de una batería ácida es de 2 V por vaso; es decir, que para obtener 12 V debemos tener 6 vasos en serie (como la batería de un automóvil).

12 V

Necesitamos 6 vasos en serie.

Veamos las características de las baterías ácidas:

Voltaje de carga profunda:

Corriente de carga profunda:

El voltaje de carga profunda, no debe superar los 2.4 a 2.45 V por elemento, dado que después de este voltaje comienza la gasificación rápida de las baterías con desprendimiento de Hidrógeno (H2) y Oxígeno (O2). La corriente de carga profunda debe oscilar entre 0.15-0.17C, siendo C la capacidad en AH referida a 10 horas de descarga. Para recuperar el estado de carga la batería debe recibir un 12% más que la descarga a que fue sometida.

ATENCIÓN

Si las baterías se encuentran en un ambiente muy poco ventilado, lo anterior puede ser muy peligroso.

EJEMPLO

Una batería que tuvo una descarga de 100 AH, debe recibir una carga de 112 AH para volver al estado original.

Voltaje y corriente de flotación:

Se llama voltaje de flotación al voltaje que debe mantener la batería para conservar su carga; este voltaje es de 2.2-2.3 V por elemento. Para mantener la batería al voltaje de flotación se le debe entregar una pequeña carga que compense la autodescarga. La corriente necesaria para esto será de 0,5 a 2 mA por Ah de capacidad.

Voltaje de descarga:

Se considera que una batería ácida se encuentra descargada cuando después de entregar una cierta cantidad de energía su voltaje llega a un valor de 1.6-1.7 V por elemento.

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5. Baterías

5.3 Baterías de Níquel-Cadmio o Alcalinas A las baterías alcalinas también se les denomina de Níquel-Cadmio, debido a que las placas están hechas de estos materiales. Conozcamos como se conforman cada una de las placas: Placas negativas

Hidróxido de Cadmio o Cd(OH)2

Placas positivas

Hidróxido de Níquel o Ni(OH)2

El electrolito contiene Hidróxido de Potasio o KOH (también llamado comúnmente Soda Cáustica) e Hidróxido de Litio o Li(OH)3. El Li(OH)3 es para estabilizar la reacción química. El electrolito alcalino es químicamente opuesto al electrolito ácido. También denominada de ferroníquel. En estas baterías la densidad del electrolito varía muy poco del estado cargado al estado descargado, si bien aumenta levemente cuando está cargado, la diferencia es tan pequeña que no sirve para determinar en que estado se encuentra la batería. ATENCIÓN

Esta configuración de materiales permite recargar la batería una vez está agotada, para su reutilización.

Cada célula de NiCd puede proporcionar un voltaje de 1,2 V y una capacidad entre 0,5 y 2,3 Ah. Sin embargo, su densidad de energía es de tan sólo 50 Wh/kg, lo que hace que tengan que ser recargadas cada poco tiempo. También se ven afectadas por el efecto memoria.

Características eléctricas de la batería de Níquel-Cadmio. El voltaje nominal de las baterías alcalinas es de 1.2 Volts por elemento; es decir, que si queremos obtener 12 V, necesitamos 10 baterías, para 24 V necesitamos 20 baterías, etc.

12 V

Necesitamos 10 baterías.

24 V

Necesitamos 20 baterías.

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ACTIVIDAD 17. ¿Cuántas baterías se necesitan? La siguiente actividad tiene como propósito aprender a calcular la cantidad de baterías que se necesitan para conseguir un voltaje determinado. Calcular cuántas baterías se necesitarían para completar el voltaje solicitado.

Voltaje

¿Cuántas baterías alcalinas se necesitan?

18 V

30 V

Veamos las características de las baterías alcalinas:

Voltaje de carga profunda:

En baterías alcalinas, el voltaje de carga profunda no debe superar los 1.7 V por elemento.

Voltaje y corriente de flotación:

El voltaje de flotación al que se deben mantener las baterías alcalinas es de 1.40-1.42 V por elemento y la corriente de flotación es de 1 mA por AH de capacidad de la batería. Esto es necesario para compensar la autodescarga que oscila entre 0.1 al 0.2 % de C por día, siendo C la capacidad en AH referida a 10 horas de descarga.

Corriente de carga:

Voltaje de descarga:

Durante la carga, es aconsejable que la corriente no supere el 20% de capacidad, mas si este valor se supera por algún tiempo no demasiado prolongado, esto no afecta a la batería. Para que una batería recupere el 100% de la carga original, se le debe entregar un 40% más de la descarga sufrida. Por ejemplo, si una batería entregó 100 AH se le debe entregar 140 AH para recuperar la carga original.

Se considera que una batería alcalina se encuentra descargada cuando después de entregar una cierta cantidad de energía su voltaje llega a un valor de 0.7 V por elemento.

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ACTIVIDAD 18. Casos. La siguiente actividad tiene como propósito reforzar los cuidados que se deben tener al manipular las baterías de Niquel – Cadmio. Describir que haría en cada situación planteada.

Situaciones

Respuestas

1- Deben trasladar un equipo alimentado por una batería alcalina hacia otro espacio. Usted sabe que hay un lugar disponible en la sala de máquinas. El lugar se encuentra ventilado pero posee equipos con baterías ácidas. ¿Puede realizar el traslado? Justifique

2 - Le entregaron una batería vacía y descargada. ¿Cómo realizaría la carga si el electrolito se encuentra en estado sólido?

3 - Estaba manipulando sin guantes baterías alcalinas y su piel entro en contacto con el electrolito. ¿Qué debe hacer?

5 - Usted debe conectar las batería al cargador. Indique cómo realizaría la conexión.

Precauciones a tener en cuenta con las baterías alcalinas. 1

Elección del sitio de instalación

La batería se debe instalar en un ambiente exento de fuentes de calor, limpio, seco y ventilado. Puede instalarse junto a otros equipos pero no en la misma sala que las baterías ácidas ya que éstas contaminan el ambiente. TX-TIP-0010

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2

Llenado

Si la batería ha sido entregada vacía y descargada, se le coloca el electrolito necesario para el primer llenado. El electrolito es una mezcla de KOH, Li (OH)3 y H2O destilada. Todos los componentes deben cumplir requisitos mínimos de calidad. • Si el electrolito del primer llenado entregado con la batería es líquido, ya está preparado para introducirlo. • Si el electrolito ha sido entregado en forma sólida, debe ser mezclado con agua destilada en la proporción de 1 Kg de electrolito sólido por cada 3 litros de agua. Algunas veces el Li(OH)3 se entrega separado del KOH; por lo tanto, hay primero que mezclarlos y luego preparar el electrolito líquido. Para obtener 1 Kg de electrolito sólido para el primer llenado, hay que mezclar 0.86 Kg del KOH con 0.14 Kg de Li(OH)3. El electrolito se prepara en un recipiente de Fierro negro o Acero sin recubrimiento (limpio de grasas y polvos), vidrio o plástico; agitándose hasta obtener la disolución completa. Hay que poner mucha atención porque la temperatura se eleva hasta los 60-80 °C. Entonces, antes de colocar el electrolito dentro de la batería, hay que dejarlo enfriar hasta los 35°C. Al llegar a esta temperatura se le agrega agua destilada para llevar su densidad a 1.19 Kg/dm3. 3

ATENCIÓN

En todos los casos debe respetarse el nivel máximomínimo del tipo de elemento en cuestión; un nivel por encima del máximo producirá derrames al cargarse a fondo la batería mientras que un nivel por debajo del mínimo puede llegar a dejar las placas en descubierto, y arruinar la batería.

Medidas de seguridad al manejar el electrolito

Al manejar al electrolito deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: El electrolito es cáustico; por lo tanto, deberá usarse careta, guantes y peto de plástico. Use prendas de manga larga cuando trabaje con baterías. Es necesario disponer de una regadera para bañarse inmediatamente si tiene la piel o la ropa entra en contacto con el electrolito. Continuar con el lavado por un periodo mínimo de 10-15 minutos. Se debe tener a la mano una solución de Ácido Bórico al 3%. Esta solución debe aplicarse con un lava-ojos, si éstos entran en contacto con el electrolito. No utilizar H2SO4 con objetos tales como: embudos, jarras, etc., pues dañan a la batería. Si se trabaja con baterías de los dos tipos (ácidas y alcalinas), se debe tener perfectamente diferenciados a los elementos destinados a cada una de ellas y para evitar cualquier error, no trabajar en el mismo turno con ambas baterías. TX-TIP-0010

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Conexionado

4

Seguir los siguientes pasos: a

Colocar la batería sobre el estante y realizar el conexionado respetando las polaridades.

b

Cuando se trate de baterías en vasos de Acero, cada chasis de madera está numerado y debe ser colocado sobre el estante en la posición correcta.

c

Interconectar la batería con el cargador, el positivo de la batería se conecta al positivo del cargador y el negativo de la batería con el negativo del cargador. Una conexión invertida puede dañar al equipo cargado.

Puesta en marcha de la batería Niquel- Cadmio.

Si la batería ha sido entregada con electrolito y cargada y han transcurrido menos de 3 meses, no es necesario efectuar una primera carga. Si han transcurrido más de 3 meses se la dará una carga normal o sea una carga a corriente constante a régimen de 0.2 veces la capacidad en AH durante 7 horas (una batería de 100 AH se carga con 20 A).

Si la batería fue entregada vacía y descargada, una vez llenada de electrolito se le realizará una carga a corriente constante a régimen de 0.2 veces la capacidad en AH, pero durante 10 horas.

Una vez completada la carga, normalizar el nivel de electrolito agregando agua destilada si fuera necesario y poner la batería en carga a flotación.

ATENCIÓN

Tanto para las baterías que han sido entregadas con electrolito y cargadas hace menos de 3 meses como para las que han sido cargadas hace más de ese tiempo, se deberá retirar los tapones que se hallan en las válvulas antes de ponerse en servicio y cargar.

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Principales ventajas y desventajas. • Gran resistencia mecánica. • Pequeña autodescarga. • Gran durabilidad en condiciones normales de uso.

Ventajas

• Admite fuertes descargas sin ser afectada. • Curva de descarga más plana (mantiene constante el voltaje más tiempo). • Posibilidad de almacenamiento muy prolongado (el electrolito no ataca las placas). • Soporta sobrecargas. • No despide vapores ácidos. • Si bien es cáustico, el electrolito es menos peligroso que las baterías de plomo. • Baterías que han sido usadas se pueden almacenar vacías por mucho tiempo (previamente descargadas).

Desventajas

• Poco y sencillo mantenimiento.

• Alto costo de compra. • Mayor cantidad de vasos para la misma tensión. • Se le debe entregar mayor carga después de un descarga (140%).

Elección. Para elegir correctamente una batería, se deben tener en cuenta, fundamentalmente, dos aspectos:

La máxima corriente de descarga (si la descarga es en forma continua en el tiempo o si se producen fuertes picos de corriente o ambas cosas en forma simultánea).

El tiempo que deberá suministrar energía

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5. Baterías

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Mantenimiento ordinario de la batería de Níquel – Cadmio. Los aspectos fundamentales a tener en cuenta para una correcta conservación de la batería consiste en controlar regularmente: A) VOLTAJE DE CARGA A FLOTE: Una vez que la batería ha sido cargada al 100% mediante una carga a fondo (primera carga o luego de haber sufrido una descarga), la batería se mantiene a flote a 1.4±0.02 V por elemento. Se debe controlar regularmente este voltaje, pues a valores superiores darán lugar a un consumo excesivo de agua, mientras que valores inferiores no mantendrán la batería 100 % cargada. Con un buen cargador autorregulado, es suficiente para realizar este control una vez por año, o por lo menos cuando detecten variaciones apreciables en el consumo habitual de agua destilada.

ATENCIÓN

También una vez por año es conveniente realizar una descarga y luego una carga a fondo de la batería, con el objeto de que los elementos tengan las mismas propiedades. B) NIVEL DEL ELECTROLITO: La verificación del nivel del electrolito se efectúa según se trate de vaso plástico o Acero, de acuerdo al siguiente detalle: • Vaso de plástico: Se controla a simple vista verificando que el nivel de electrolito no sea inferior al mínimo marcado en el vaso, ni que sobrepase el máximo. • Vaso de Acero: La verificación del nivel del electrolito sobre el borde superior de las placas, se realiza utilizando el denominado tubo de nivel, el cual debe introducirse por el orificio de la válvula de ventilación del vaso, colocándolo en forma vertical apoyado sobre las placas. Una vez efectuado esto, se tapa con el dedo el orificio superior del tubo de nivel y se retira el mismo en forma vertical, reteniendo en su parte inferior una columna de líquido cuya altura es la misma que existe sobre las placas. Si la altura observada es menor que la establecida como normal para este tipo de elemento se agregará agua destilada hasta llegar al nivel estipulado. El nivel normal para cada tipo de elemento está establecido en las respectivas instrucciones que acompañan a cada batería. Es sumamente importante que el nivel sea mantenido cerca del valor normal, porque así ofrece la batería condiciones óptimas de funcionamiento y conservación. El nivel del electrolito guarda estrecha relación con la densidad y si se alteran estas características, puede alterarse también la intensidad de carga con sus consecuencias para el servicio. Los recipientes en que se transporte o se deba conservar el agua destilada, deben ser de vidrio, Acero inoxidable, plástico u otros materiales que no puedan aportar impurezas tales como Zinc, Plomo, Cobre, etc., evitando siempre el contacto de agua con el aire. TX-TIP-0010

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C) DENSIDAD DEL ELECTROLITO: Para las baterías alcalinas la densidad del electrolito debe ser de 1.17- 1.19 Kg/dm3 en condiciones normales, a temperatura constante, la densidad no varía con el estado de carga de la batería (la variación que existe es insignificante). La medición de densidad debe realizarse cuando el elemento tiene el nivel normal de electrolito.

ATENCIÓN

Para evitar determinaciones erróneas se tratará de medir la densidad asegurándose que el electrolito esté en condiciones homogéneas; es decir, que no se haya hecho el agregado de agua destilada instantes antes y sin haber agitado previamente la solución. La determinación de la densidad debe efectuarse también con el areómetro, y debe realizarse una vez por año por lo menos, en todos los elementos.

D) ESTADO EXTERIOR Y LIMPIEZA: Los acumuladores y sus esqueletos (en el caso de vasos de Acero), deben ser mantenidos secos y limpios; debe impedirse la entrada de tierra y cuerpos extraños en la sala de baterías. Para mantener secos los vasos se evitará que las cargas se efectúen con corrientes excesivas que puedan provocar derrames y se cuidará que al poner agua destilada no se produzcan goteos y en caso de producirse, se secará adecuadamente. En cuanto a la limpieza, se cuidará particularmente que no existan cuerpos (metálicos, hilos, etc.) extraños que puedan formar un puente eléctrico entre dos elementos o entre un borne y el vaso metálico. En el caso de este tipo de vaso recordar que el vaso tiene la polaridad (+). Algunos cuerpos no son conductores por sí mismos, pero sí se hacen conductores al humedecerse con electrolito o agua de reposición. En lo posible, la limpieza se hará con aire comprimido o bien con la ayuda de trapos de algodón (no estopa). Los conectores entre elementos (si éstos fueran mecánicos) una vez que se encuentren debidamente limpios, deberán ser recubiertos con una delgada capa de una sustancia protectora (aceite anticorrosivo o vaselina mineral, libre de ácido).

E) AJUSTE DE CONEXIONES: Deberá verificarse que todas las conexiones entre los elementos, y las terminales, se encuentren debidamente apretadas para evitar recalentamientos y la consiguiente caída de voltaje en el contacto.

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5.4

Cuadro comparativo entre las baterías ácidas y alcalinas

Para sistematizar la información sobre las baterías ácidas y alcalinas analizaremos las características a través de un cuadro comparativo. ACTIVIDAD 19. Comparación. La siguiente actividad tiene como propósito repasar las características de las baterías alcalinas y ácidas. Completar la información solicitada.

CONCEPTO

Baterías ácidas

Baterías alcalinas

Voltaje nominal

Voltaje de descarga

Voltaje de flotación

Voltaje carga profunda

Corriente de flotación

Corriente de carga

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El siguiente cuadro presenta un resumen de las características de las baterías ácidas y alcalinas: CONCEPTO

BATERÍAS ÁCIDAS

BATERÍAS ALCALINAS

Voltaje nominal

2V

1.2 V

Voltaje de descarga

1.6-1.7 V

0.7 V

2.2-2.3 V

1.4 V

2.4-2.45 V

1.7 V

0.5-2 mA por cada AH de C*

1 mA por cada AH de C*

0.15-0.17 de C* en Amp.

I < 20% de C* en AH.

Electrolito

3.5 lt de H2O + 1 lt de H2SO4

3 lt de H2O + 1er llenado: 860 gr de KOH + 140 gr de Li(OH)3 2° llenado: 930 gr de KOH + 70 gr de Li(OH)3

Densidad del electrolito

Cargada: 1.28 Kg/dm3 Descargada: 1.12 Kg/dm3

1.17-1.19 Kg/dm3

Recarga

12% más de la descarga sufrida

40% más de la descarga sufrida

Voltaje de flotación Voltaje carga profunda Corriente de flotación

Corriente de carga

* C = AH por 10 Hrs. de trabajo

5.5 Otras clases de baterías Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH). Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico. Cada célula de Ni-MH puede proporcionar un voltaje de 1,2 V y una capacidad entre 0,8 y 2,3 Ah. Su densidad de energía llega a los 80 Wh/kg. Este tipo de baterías se encuentran afectadas por el llamado efecto memoria, en el que en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada), imposibilitando el uso de toda su energía. TX-TIP-0010

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Mantenimiento de las baterías de Níquel-Hidruro Metálico. Estas ya son algo más modernas pero aún sufren del llamado efecto memoria, aunque en menor medida. Así que también es recomendable que la batería se descargue completamente antes de ser recargada de nuevo. Baterías de iones de litio (Li-ion). La batería de ión de litio, también denominada batería Li-Ion, es un dispositivo diseñado para generación de energía eléctrica que emplea como electrolito, una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo. Utilizan un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u óxido de manganeso. Su desarrollo es más reciente, y permite llegar a densidades del orden de 115 Wh/kg. Además, no sufren el efecto memoria. el Ión de litio es generalmente abreviado como Li-Ion. PARA PENSAR…

¿Sabías qué el litio es un metal inestable? Por razones de seguridad, las baterías de litio ion de litio de uso en lugar de iones de litio de metal real. Veamos las propiedades de las baterías de Litio (Li-ion): Ligereza de sus componentes. ATENCIÓN

Elevada capacidad energética.

Resistencia a la descarga.

Ausencia de efecto memoria.

Estas características han permitido el diseño de acumuladores livianos, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados para las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo.

Capacidad para operar con un elevado número de ciclos de regeneración. Desde la primera comercialización a principios de los años 1990 de un acumulador basado en la tecnología Li-ion, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música. TX-TIP-0010

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Ventajas y desventajas. Esta tecnología se ha situado como la más interesante en su clase en usos para ordenadores portátiles, teléfonos móviles y otros aparatos eléctricos y electrónicos. Los teléfonos móviles, las agendas electrónicas, e incluso los nuevos reproductores MP3 vienen con baterías basadas en esta tecnología, gracias a sus varias ventajas: Ventajas • Una elevada densidad de energía: Acumulan mucha mayor carga por unidad de peso y volumen. • Poco peso: A igualdad de carga almacenada, son menos pesadas y ocupan menos volumen que las de tipo Ni-MH y mucho menos que las de Ni-Cd y Plomo. • Gran capacidad de descarga. Algunas baterías de Li-Ión que hay en el mercado, se pueden descargar totalmente en menos de dos minutos. • Poco espesor: Se presentan en placas rectangulares, con menos de 5 mmde espesor. Esto las hace especialmente interesantes para integrarlas en dispositivos portátiles que deben tener poco espesor. • Alto voltaje por célula: Cada batería proporciona 3,7 voltios, lo mismo que tres baterías de Ni- MH o Ni-Cd (1,2 V cada una). • Carecen de efecto memoria. • Descarga lineal: Durante toda la descarga, el voltaje de la batería varía poco, lo que evita la necesidad de circuitos reguladores. Esto es una ventaja, ya que hace muy fácil saber la carga que almacena la batería. • Facilidad para saber la carga que almacenan. Basta con medir, en reposo, el voltaje de la batería. La enegía almacenada es una función del voltaje medido. • Muy baja tasa de autodescarga: Cuando guardamos una batería, ésta se descarga progresivamente aunque no la usemos. En el caso de las baterías de Ni-MH, esta "autodescarga" puede suponer más de un 20% mensual. En el caso de Li-Ion es de menos un 6% en el mismo periodo. Mucha de ellas, tras seis meses en reposo, pueden retener un 80% de su carga. A pesar de todas sus ventajas, esta tecnología no es el sistema perfecto para el almacenaje de energía, pues tiene varios defectos, como pueden ser: Desventajas • Duración media: Depende de la cantidad de carga que almacenen, independientemente de su uso. Tienen una vida útil de unos 3 años o más si se almacenan con un 40% de su carga máxima. • Soportan un número limitado de cargas: entre 300 y 1000, menos que una batería de NiCd e igual que las de Ni-MH. • Son caras: Su fabricación es más costosa que las de Ni-Cd e igual que las de de Ni-MH, si bien actualmente el precio baja rápidamente debido a su gran penetración en el mercado, con el consiguiente abaratamiento. Podemos decir que se utilizan en todos los teléfonos móviles y ordenadores portátiles del mundo y continúa extendiendo su uso a todo tipo de herramientas portátiles de baja potencia. TX-TIP-0010

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Desventajas (continuación) • Pueden sobrecalentarse hasta el punto de explotar: Están fabricadas con materiales inflamables que las hace propensas a detonaciones o incendios, por lo que es necesario dotarlas de circuitos electrónicos que controlen en todo momento la batería. • Peor capacidad de trabajo en frío: Ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de Ni-Cd o Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta en un 25%.

Mantenimiento de las baterías de Iones de Litio. Son el tipo de baterías que todo móvil moderno utiliza. Ocupan poco espacio y disponen de una buena capacidad. No sufren el efecto memoria. Por lo tanto podemos estar tranquilos si ponemos a recargar la batería antes de que esta se descarga. Es más, la descarga por completo de la batería podría dañarlas. Por lo tanto debemos evitar que se descarguen por completo. Aún así hay unas cosas que tenemos que tener en cuenta:

Es recomendable que la batería tenga algo menos del 50% de su carga antes de ser cargada. No sufre de efecto memoria pero es una recomendación que puede alargar su vida. Aún que es perjudicial que se descargue siempre por completo, si que es bueno que se descargue por completo por lo menos 1 vez al mes. La sobrecarga daña la batería. Por lo tanto, cuando ya está llena y cargada, conviene desenchufarla de la red eléctrica. Algunos teléfonos modernos tienen la capacidad de detectar el nivel de carga y parar el suministro eléctrico cuando este llega al tope.

Baterías de polímero de litio (Li-poli). Son una variación de las baterías de iones de litio (Li-ion). Sus características son muy similares, pero permiten una mayor densidad de energía, así como una tasa de descarga bastante superior. Estas baterías tienen un tamaño más reducido respecto a las de otros componentes su tamaño y peso las hace muy útiles para equipos pequeños que requieran potencia y duración, como manos libres bluetooth.

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ACTIVIDAD 20. Identificación de baterías. La siguiente actividad tiene como propósito repasar las características de las baterías. Identificar el nombre de la batería e indicar en el cuadro qué característica corresponde a cada una de las baterías.

Letra

Características

A Afectada por el llamado efecto memoria.

Es muy útil para equipos pequeños que requieran potencia y duración.

________________

Utiliza un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico.

B Emplea como electrolito, una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.

________________

Su densidad de energía llega a los 80 Wh/kg.

C

Permite llegar a densidades del orden de 115 Wh/kg.

Tiene un tamaño más reducido respecto a las de otros componentes su tamaño y peso.

________________

Utiliza un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u óxido de manganeso.

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5.6 Identificación de baterías NIFE La empresa NIFE fabrica tres tipos de baterías a saber: KA, MD y HI. A su vez, cada tipo tiene dos modelos: los primeros, con vasos de Acero y la denominación ya vista; los segundos, con vaso de plástico agregándosele la letra P para su identificación; es decir, los tipos KAP, MDP, HIP. Entre sus características generales, podemos mencionar: La diferencia entre los distintos tipos dentro de una misma capacidad no es la cantidad de materia activa sino la superficie de placas. Dicho en otras palabras, la cantidad de placas varía.

Las baterías KA y KAP tienen menos placas que las MD o MDP, y éstas a su vez menos que las HI o HIP.

Las baterías KA y KAP son más apropiadas para descargas lentas y continuas (por ejemplo iluminación).

Las baterías tipo MD o MDP lo son para las descargas en donde se necesiten pequeños picos de corrientes.

Las baterías HI o HIP son especiales para los casos en donde los picos de corrientes son importantes y bastantes prolongados (por ejemplo, para arranque de motores).

La superficie de placas es muy importante para tener más corriente en un instante; es por esto que el nivel del electrolito tiene gran importancia, pues trabaja como conductor entre las placas si el nivel disminuye tanto que deje parte de las placas al descubierto. Sin embargo, la capacidad de la batería disminuirá, y lo mismo ocurrirá si el electrolito pierde densidad. TX-TIP-0010

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5. Baterías

5.7 Problemas y vida útil de las baterías ACTIVIDAD 21. Detección de problemas en las baterías. La siguiente actividad tiene como propósito identificar posibles señales de daños de las baterías. Leer la situación planteada y contestar las preguntas.

Usted está realizando una inspección de las baterías de la planta con el objetivo de detectar fallas y prevenir posibles problemas.

¿Con qué señales de alerta se podría encontrar?

Posibles causas

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5. Baterías

Problemas. Se pueden presentar diversos problemas en las baterías entre los que se pueden destacar:

Roturas de carcasas y puentes entre bornes

Generalmente ocasionadas por golpes y vibraciones.

Cortocircuito entre las placas

Usualmente producidos por decantación en el fondo del material desprendido de las placas que se va acumulando hasta llegar a la altura de las mismas generando un corto circuito en ellas. Suele darse en uno de los vasos lo que inutiliza toda la batería.

Oxidación de las placas

Producida por el paso del tiempo o bien por una carga excesiva por defecto en el alternador o por haber quedado descubiertas sin electrolito.

Vida útil de las baterías. Las variables que deben considerarse para determinar la expectativa de vida de una batería son muchas y se hallan interrelacionadas en una forma muy compleja. Los principales aspectos a tener en cuenta son: Tipo de placas.

Régimen de descarga.

Material de los electrodos.

Sistema de carga.

Temperatura de trabajo.

Peso específico del electrolito.

Tamaño y costo de la batería.

ATENCIÓN

Todo lo dicho anteriormente hace que los fabricantes líderes ofrezcan una gran diversidad de modelos de baterías, para lograr la mayor vida útil posible en cada una de las distintas condiciones de trabajo. TX-TIP-0010

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5.8 Mantenimiento de baterías Si la operación se lleva a cabo cumpliendo las normas es posible reducir al mínimo las anormalidades y averías que puedan presentarse en las baterías y en los equipos cargadores, del mismo modo se optimizarán los costos de mantenimiento. Mantenimiento preventivo. Por lo general puede ser aplicado a todas las baterías. La no correcta operación, descuido de las normas de explotación y mantenimiento preventivo, la incorrecta operación de los equipos de carga y las concepciones de diseño de sistemas no del todo adecuadas constituyen las fuentes probables de disturbios. En otros casos, como sucede en las celdas del tipo abiertas, influyen las afectaciones externas, como son: roturas accidentales de los contenedores, contaminación del electrolito e introducción de materias extrañas al interior de las celdas. Factores externos que inciden en la incorrecta operación de la batería

Bajo nivel del electrolito. Sulfatación de las placas por mantenerse largo tiempo a bajos niveles de carga. Sobrecargas descontroladas.

Contaminación del electrolito.

Tareas preventivas

Pérdida de la regulación de los equipos de carga.

• Medición de la densidad. • Medición de la temperatura y voltaje de flotación. • Restitución de los niveles del electrolito con agua desionizada o destilada y en su defecto con agua de lluvia recogida directamente en un recipiente de plástico o de cristal. • Revisión del estado de las placas, sedimentación y limpieza. • Limpieza de bornes, puentes y partes. • Engrase. • Revisión de alimentadores y conexiones. Barras, equipos de carga y control. • Señalización. • Alarmas. • Calibración de la instrumentación. • Verificación de controles y funciones de operación de los cargadores.

ATENCIÓN

Las actividades propias del mantenimiento preventivo se deben aplicar por el usuario o por el personal técnico de los talleres especializados.

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Mantenimiento correctivo. Dentro de las actividades propias del mantenimiento correctivo se encuentra: • La sustitución de una celda a causa de dificultades eléctricas detectadas, las cuales han decidido su reposición. • La normalización de las irregularidades respecto a la capacidad, cargas especiales y ajuste de la densidad. En Cuba para baterías automotrices el valor es de 1,23 g/cc y para las del tipo estacionario 1,2115 g/cc, ambas de plomo-ácido a 20°C.. • La reparación del sistema de alimentación de corriente directa y los equipos cargadores y de control. Estos en la mayoría de los casos no son programables y en el caso específico de las baterías de uso estacionario pueden ser considerados como anormalidades dentro de la explotación, cuando la aplicación de las normas de mantenimiento preventivo constituyen las labores más importantes en lo concerniente a la explotación. Reglas básicas de mantenimiento. Lo fundamental en el mantenimiento de las baterías se basa en el cumplimiento de varias reglas básicas ajustadas a los siguientes aspectos: Mantener la batería en completo estado de carga, tratando que el sobrevoltaje impuesto a esta sea el menor posible.

Mantener la batería limpia y protegidos sus bornes y puentes con grasa sólida.

Mantener el nivel del electrolito entre el máximo y el mínimo (preferiblemente el primero) indicados por el fabricante.

Mantener la temperatura del electrolito entre los límites.

Obviar las sobrecargas innecesarias, ya que las descargas excesivas y el uso indebido son las principales causas de la disminución de la vida útil de las baterías en Cuba.

Realizar las lecturas de control periódicas.

ACTIVIDAD 22. Normas de seguridad. La siguiente actividad tiene como propósito identificar las normas de seguridad que debemos tomar al manipular las baterías. Realizar un listado en el que detalle las normas de seguridad que realiza en la planta al manipular las baterías. Normas de seguridad

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5. Baterías

5.9 Seguridad Veamos las principales normas de seguridad: Proteger los ojos cuando se opera con baterías y/o ácido. Usar herramientas aisladas cuando efectúa conexiones.

Usar buena luz cuando trabaja conectando y/o limpiando baterías. NO fumar donde se cargan baterías y evite hacer fuego. Para mayor información comuníquese con su proveedor. No cargue baterías no recargables.

Cargar baterías con sus tapas cerradas y bien apretadas. Mantener el lugar de carga de baterías bien ventilado. Para asegurar la dispersión rápida de los gases que se forman durante el proceso de carga, debe desenroscar obligatoriamente, los tapones de relleno de la batería; también debe evitar el fuego o la formación de chispas. Los gases son explosivos. Algunos cargadores tienen partes como conmutadores o relés que pueden producir chispas o puentes. Por ello, no utilice el cargador en zonas cerradas. Características de los locales en los que se instalan baterías • Deben tener una buena ventilación, con entrada de aire cerca del suelo. • Sus puertas deben tener placas de aviso que prohíban el acceso a los mismos con elementos con llama (como cigarrillos), todos los objetos metálicos deben protegerse con pinturas anticorrosivas y los equipos en los que se formen chispas deben instalarse a más de un metro de los acumuladores, pues a esa distancia la concentración del gas detonante (H) que se produce durante el proceso de carga es tan reducida que no existe peligro de explosión. • Cabe señalar que al finalizar el proceso de carga se desprenden gases ricos en hidrógeno, que pueden formar una mezcla explosiva al combinarse con el oxígeno del aire. TX-TIP-0010

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ACTIVIDAD 23. Articulando conceptos. La siguiente actividad tiene como propósito la integración de los temas abordados durante la quinta unidad. En base a los conceptos dados, elaborar grupalmente, un esquema conceptual o un párrafo que los integren. Conceptos, grupo 1: Energía Placa positiva Placa negativa Ánodo y cátodo Electrolito

Conceptos, grupo 2: Carga Eficiencia de carga Autodescarga Profundidad de descarga

Conceptos, grupo 3: Mantenimiento preventivo Medición electrolito Factores externos Corto circuito entre placas

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 5. A continuación se desarrollará el capítulo Carga de baterías. TX-TIP-0010

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Carga de baterías TEMAS DEL CAPÍTULO 6

En este capítulo aprenderemos sobre los cargadores de baterías y los modos de carga, conocer estos temas nos ayudará a mejorar el rendimiento de las baterías.

6.1 Cargadores de batería

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6.2 Modo de carga

120

6.3 Método de carga

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6.4 Carga de baterías de Níquel-Cadmio y de Plomo

124

6.5 Tipos de cargadores de baterías de Níquel

128

6.6 Instrucciones de uso del cargador de baterías

129

6.7 Conexión del cargador a los polos de la batería

130

6.8 Recomendación para el mejor rendimiento de las baterías

131

6.9 Ejemplo de un cargador de baterías y regulador a consumo

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6. Carga de baterías

6.1 Cargadores de batería

Los cargadores son muy importantes para el buen funcionamiento de las baterías, y para poder obtener el mayor rendimiento de las mismas. Si funciona mal, nos encontraremos con sorpresas desagradables en el momento de utilizar las baterías, si éstas no se encuentran a plena carga. Para que esto no suceda presentamos algunas recomendaciones básicas: Se debe tener un cargador de emergencia y de actuación manual para realizar cargas imprevistas o ensayos (cuando sea necesario).Estos cargadores pueden ser sencillos rectificadores de corriente, ya sean de onda completa o de media onda.

Recordar que el voltaje que tomarán las baterías con este tipo de cargador será el voltaje pico. Por esto se debe controlar continuamente la corriente de carga como así también el voltaje cuando se usa este tipo de cargador. Los cargadores automáticos controlan el voltaje y la corriente continuamente, de cualquier manera se debe realizar un control periódico del cargador para comprobar que los voltajes de carga profunda y flotación son las correctas, así como también las corrientes. De esto dependerá poder obtener el mayor rendimiento de las baterías. En la siguiente imagen podemos observar diferentes tipos de cargadores:

Ejemplos de cargadores

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6.2 Modo de carga Para que una batería funcione correctamente hay que tener en cuenta:

Forma en que se carga

Forma en que se descarga

Los siguientes gráficos nos muestran las diferentes posibilidades de carga y descarga:

Carga

Recarga regular después de una descarga total o parcial

Flotación

A intensidad constante

A tensión constante

Descarga

Ciclos

Profunda

Régimen alto

Normal

Régimen bajo/medio

Profunda

Normal

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A continuación, explicaremos a qué nos referimos con cada término:

EJEMPLO

FLOTACIÓN

El método normal de funcionamiento de las baterías en servicio de espera, es en flotación con un equipo de tensión constante. Será necesaria una carga adicional según la relación entre la tensión de flotación y la descarga.

ELEMENTOS DE ALTA INTENSIDAD

Se emplean estos elementos, para arranque de motores, entre otras muchas aplicaciones. Estas baterías de alta intensidad normalmente flotan con un rectificador que las mantiene permanentemente cargadas y, que raramente se descargan profundamente.

TRABAJO EN CICLOS

TENSIÓN DE BATERIA

Ejemplos típicos son: accionamiento de interruptores, iluminación de emergencia, señalización en ferrocarriles, comunicaciones, etc.

Un ejemplo clásico de trabajo en ciclos, se realiza en baterías de tracción, vehículos eléctricos y carretillas elevadoras eléctricas. Estas baterías descargan diariamente un 80% de su capacidad y se recargan por la noche, es decir un ciclo de carga/descarga por día, en el caso del vehículo híbrido estos ciclos suelen ser de seis a siete diarios.

El valor de la tensión de un elemento es función de la pareja electroquímica. Cualquier número de elementos se puede conectar en serie para formar una batería, consiguiendo una tensión equivalente a la suma de las tensiones de los elementos. Durante la carga, la tensión de cada elemento subirá de acuerdo con el régimen de carga. En descarga la tensión de cada elemento, caerá de una forma característica que es función de la corriente de descarga.

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6.3 Método de carga Tensión constante. EJEMPLO

Este método consiste en aplicar una tensión constante a la batería mientras que la intensidad de carga irá variando o reduciéndose a medida que aumente el estado de carga.

Este método se utiliza normalmente en la industria, para la carga continuada de baterías mientras exista tensión de red. 2

Intensidad constante. ATENCIÓN

Este método consiste en un cargador que sea capaz de mantener una corriente constante a lo largo del periodo de carga.

Es el método mas aconsejable para que la batería se cargue plenamente en un período relativamente corto.

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En el caso de un elemento descargado que se carga a intensidad constante durante 8 horas, el proceso de carga tiene dos estado separados. Inicialmente la tensión de carga irá subiendo gradualmente, hasta que después de 4 horas aproximadamente se notará una subida más pronunciada. En este punto el elemento empezará a gasear, y el primer estado se habrá cumplido. El segundo estado de carga terminará 3 horas mas tarde. En las dos últimas horas habrá estabilidad de corriente y tensión.

ACTIVIDAD 24. Modo de carga y descarga. La siguiente actividad tiene propósito consolidar los conocimientos sobre los métodos de carga y descarga. Dibujar el esquema de carga y descarga de las baterías.

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6.4

Carga de baterías de Níquel-Cadmio y de Plomo

Carga de baterías de Niquel-Cadmio. • Carga lenta: Los fabricantes de baterías recomiendan cargar lentamente las baterías de NiCd durante 24 horas antes del uso. Este proceso hace que las celdas dentro de un conjunto de batería tengan un nivel igual de carga ya que cada celda se autodescarga a una tasa diferente. La carga lenta inicial también redistribuye el electrolito para solucionar los puntos secos en el separador provocado por gravitación del electrolito durante almacenamiento prolongado. • Inicialización: Algunos fabricantes de batería no forman totalmente las celdas antes del embarque. El rendimiento total se alcanza después que la batería ha sido "inicializada" por medio de varios ciclos de carga / descarga, ya sea con un analizador de baterías o por medio del uso normal. En algunos casos, se necesitan 50 a 100 ciclos de descarga / carga para formar totalmente una batería de níquel. • Venteo: La mayoría de las celdas recargables están equipadas con un venteo de seguridad para liberar presión en exceso en caso de existir sobrecarga. El venteo de seguridad en una celda NiCd abre entre 150 y 200 psi. (La presión de una llanta de un automóvil es de aproximadamente 35 psi.) Con un venteo de auto bloqueo, no hay daño al ventear pero parte del electrolito se puede perder y el sello puede no quedar estanco después. La acumulación de un polvo blanco en la apertura del venteo indica actividades de despresurización. ¿Qué cargador debemos utilizar? Cargadores comerciales

Cargadores avanzados

Con frecuencia, los cargadores comerciales no están diseñados para proteger a las baterías. Esto es especialmente cierto con cargadores que miden la carga de la batería solamente a través de medición de temperatura. Aunque no es simple y barato, la finalización de carga por temperatura absoluta no es exacta.

Los cargadores de baterías NiCd más avanzados miden la tasa de aumento de temperatura. Definida como dT/dt (delta Temperatura/delta tiempo), este sistema de detección de tiempo es más suave con las baterías que un sistema de corte de temperatura fija, pero las celdas aún necesitan generar algo de calor para provocar la detección.

Microcontrolador Se puede lograr una detección más precisa de carga completa por medio del uso de un microcontrolador que controla la tensión de la batería y termina la carga cuando se alcanza cierta tensión. Una caída en la tensión significa carga completa. Conocido como Delta V Negativo (NDV), este fenómeno es más pronunciado en carga de baterías NiCd a 0.5C y mayores. Los cargadores basados en NDV también deben observar la temperatura de batería porque el envejecimiento y discordancia de celdas reduce la tensión delta. TX-TIP-0010

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ATENCIÓN

La carga rápida mejora la eficiencia de carga. A 1C, la eficiencia es 1.1 o 91 por ciento y el tiempo de carga de un conjunto vacío es ligeramente más de una hora. En una carga 0.1C, la eficiencia cae a 1.4 o al 71 por ciento y el tiempo de carga es aproximadamente 14 horas. En una batería parcialmente cargada o una que no puede retener la capacidad total, el tiempo de carga es por ende más corto. Veamos algunas características de carga de la batería NiCd: • En la parte inicial del 70 % de la carga, la aceptación de carga de una batería NiCd es casi 100 %. Casi toda la energía se absorbe y la batería permanece fría. Se pueden aplicar corrientes varias veces superior a la de tasa C sin causar aumento de calor. Los cargadores ultra rápidos usan este fenómeno para cargar una batería al 70 % en minutos. La carga continúa a una tasa menor hasta que está totalmente cargada. • Por encima del 70 %, la batería pierde gradualmente la capacidad de aceptar carga. La presión aumenta y la temperatura aumenta. Con la intención de ganar unos puntos de capacidad extra, algunos cargadores permiten un corto periodo de sobrecarga. La Figura nos muestra la relación entre tensión de celda, presión y temperatura mientras se carga una batería de NiCd.

• Características de carga de una celda Ni Cd. La tensión de celda, las características de presión y temperatura son similares en una celda Ni MH.

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Las baterías de NiCd de ultra capacidad tienden a calentarse más que las normales de NiCd si se cargan a 1°C o más. Esto se debe en parte a un aumento de resistencia interna de la celda. Para moderar el aumento de temperatura y mantener aún tiempos de carga cortos, los cargadores avanzados aplican una corriente elevada al principio y luego bajan la cantidad para armonizar con la aceptación de carga. Los pulsos de descarga de entremezcla entre los pulsos de cargas mejoran la aceptación de carga de las baterías de níquel. Comúnmente conocido como pulsaciones de carga profundas o carga inversa, este método promueve una elevada superficie en los electrodos para mejorar la recombinación de los gases generados durante la carga. Los resultados incluyen mejor rendimiento, memoria reducida y vida más prolongada. TX-TIP-0010

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Después de la carga rápida inicial, algunos cargadores aplican una carga temporizada de llenado, seguida por una carga lenta. La carga lenta recomendada para las de NiCd es entre 0.05C y 0.1C. Debido a cuestiones de memoria y compatibilidad con las de NiMH, los cargadores modernos tienden a usar corrientes de carga lenta menores. Carga de la batería de plomo. El algoritmo de carga de las baterías de plomo difiere de las de níquel en que se usa limitación de tensión en vez de corriente. El tiempo de carga de una batería SLA es de 12 a 16 horas. Con corrientes de carga más elevadas y métodos de carga de etapas múltiples, el tiempo de carga se puede reducir a 10 horas o menos. Las baterías SLA no se pueden cargar tan rápido como las de níquel o litio. Un cargador de etapas múltiples aplica una carga de corriente constante, una carga máxima y otra carga flotante (Vea la figura 6). Durante la carga a corriente constante, la batería carga al 70 % en aproximadamente cinco horas; el 30 % restante se completa con carga máxima lenta. La carga máxima dura otras cinco horas y es esencial para la salud de la batería. Si no se satura completamente, la SLA perderá eventualmente su capacidad de aceptar una carga máxima y el rendimiento de la batería se reducirá. La tercera etapa es la carga flotante, la cual compensa la autodescarga después que la batería se ha cargado totalmente.

Etapas de carga de una batería de plomo.

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Un cargador de etapas múltiples aplica una carga de corriente constante, una etapa de carga máxima y una etapa de carga flotante El umbral de tensión de carga es crítico. El límite típico de tensión es de 2.30V a 2.45V. Si es aceptable una carga lenta, o la temperatura ambiente excede 30° C (86° F), el límite recomendado de tensión es de 2.35 V/celda. Si se requiere una carga más rápida y la temperatura ambiente permanece debajo de 30° C, se puede usar 2.40 a 2.45 V/celda. TX-TIP-0010

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A continuación, se presenta un cuadro en donde se compara las ventajas y desventajas de los valores de tensión. 2.30V to 2.35V/celda

2.40V to 2.45V/celda

Ventajas

Vida útil máxima; la batería permanece fría durante la carga; la temperatura ambiente de carga puede exceder 30° C (86° F).

Tiempo de carga más rápida; lecturas de capacidad mayores y más consistentes; menos sujeta a daño debido a una condición de baja carga

Desventajas

Tiempo de carga lento; las lecturas de capacidad pueden ser bajas e inconsistentes. Si no se aplica carga máxima periódica, se pueden dar condiciones de baja carga (sulfatación), lo que lleva a una pérdida irrecuperable de capacidad

La vida de la batería se puede reducir a causa de una elevada temperatura durante la carga. Una batería caliente puede no alcanzar el límite de tensión de celda, causando una sobrecarga dañina.

Efectos de tensión de carga en una batería plástica. El límite de tensión de carga indicado en la Figura representa un pico temporal de tensión al aplicar el ciclo completo de carga. La batería no puede permanecer a ese nivel. Una vez cargada completamente y lista para operar, la carga flotante mantiene la tensión a un nivel inferior. La tensión de carga flotante recomendada en la mayoría de las baterías de plomo de baja presión es de 2.25 a 2.30 V/celda. Presentamos algunas consideraciones a tener en cuenta: • La tensión de carga flotante óptima cambia con la temperatura. Una mayor temperatura demanda tensiones ligeramente menores y una temperatura más baja demanda tensiones más altas. Los cargadores que están expuestos a grandes fluctuaciones de temperatura están equipados con sensores de temperatura para optimizar el voltaje flotante. • Se puede obtener una indicación aproximada del nivel de carga midiendo la tensión de celda abierta durante el almacenaje. Una tensión de 2.11 V, si se mide a temperatura ambiente, revela que la celda tiene una carga del 50 % o mayor. Si la tensión se encuentra en el umbral o por encima del mismo, la batería está en buenas condiciones y solamente necesita un ciclo de carga completa antes de ser usada. Si la tensión cae por debajo de 2.10 V, se pueden requerir varios ciclos de descarga/carga para llevar la batería a su rendimiento pleno. Cuando se miden las tensiones terminales, se debe cumplir con la temperatura de almacenamiento. Una batería fría aumenta la tensión ligeramente y una caliente la baja. TX-TIP-0010

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• La tensión baja sugiere que la batería puede tener un cortocircuito blando, un defecto que no puede ser relacionado con el ciclado. A pesar de que el ciclado puede aumentar la capacidad de estas baterías, los ciclos extras comprometen la vida útil de la batería. Más aún, el tiempo y equipo requeridos para lograr que la batería esté completamente operativa añade costos operativos.

Tipos de cargadores de baterías de 6.5 Níquel Para un mejor rendimiento es recomendable conocer los cargadores de las baterías de níquel. Estos se se agrupan en tres categorías:

Cargador lento

Cargador rápido

Cargador extrarápido

También conocido como 'cargador nocturno', aplica una carga fija de aproximadamente 0.1C* (un décimo de la capacidad de fábrica) siempre que la batería esté conectada. El tiempo de carga es de 14 a 16 horas. Los cargadores lentos se encuentran en teléfonos inalámbricos, equipos portátiles de CD y productos similares.

Sirve a la categoría media, tanto en términos del tiempo de carga y precio. La carga toma de 3 a 6 horas y la batería cambia a carga lenta cuando está listo. Los cargadores rápidos se acomodan a las baterías de níquel o litio y atienden a productos comerciales tales como los teléfonos celulares, laptops y grabadoras de video.

Este cargador ofrece varias ventajas; la obvia es tiempo de carga más breve. A una tasa de carga 1C, una batería vacía de NiCd o NiMH se carga normalmente en poco más de una hora. La detección exacta de carga completa es importante. Una vez que la batería está completamente cargada, el cargador cambia a carga de llenado por 'goteo". Los cargadores se usan en equipos industriales tales como radios de dos vías, dispositivos médicos y herramientas de poder.

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ACTIVIDAD 25. Cargadores de batería Níquel. La siguiente actividad tiene como propósito repasar las características de los cargadores Níquel. Unir con flechas el tipo de cargador, con las características y las aplicaciones correspondientes. Tipo de cargador

Características

Aplicaciones

Cargador extra-rápido

También conocido como 'cargador nocturno', aplica una carga fija de aproximadamente 0.1C* (un décimo de la capacidad de fábrica) siempre que la batería esté conectada.

Baterías de níquel o litio y productos comerciales como teléfonos celulares, laptops y grabadoras de video.

Cargador lento

A una tasa de carga 1C, una batería vacía de NiCd o NiMH se carga normalmente en poco más de una hora. Una vez que la batería está completamente cargada, el cargador cambia a carga de llenado por 'goteo".

Teléfonos inalámbricos, equipos portátiles de CD y productos similares.

Cargador rápido

Sirve a la categoría media, tanto en términos del tiempo de carga y precio. La carga toma de 3 a 6 horas y la batería cambia a carga lenta cuando está listo.

Equipos industriales tales como radios de dos vías, dispositivos médicos y herramientas de poder.

6.6

Instrucciones de uso del cargador de baterías

Siguiendo algunas indicaciones básicas sobre el uso del cargador, podremos mejor su rendimiento y el de las baterías.

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Recuerde que deberá cargar las baterías después de cada período de uso. Las baterías de plomo ácido no tienen memoria, por lo tanto, no requieren ser descargadas a fondo antes de su carga. Pasos a seguir: • Antes de conectar el cargador vea la polaridad de los polos (+, -) de la batería. Mire también las indicaciones de polaridad en la carcasa de la batería. • Compruebe el nivel de electrolito de la batería (desenrosque el tapón de rellenado, imposible en las baterías selladas). Mantenga quitado este tapón hasta que la recarga sea completada. El nivel de electrolito deberá estar 10 mmpor encima del nivel del ánodo de la batería. • Rellene sólo con agua destilada (agua para baterías de marca comercial). • Prevenga la sobrecarga, esto traerá aparejado excesivo desgaste de las placas, aumento de la temperatura interna lo que implica aumento de gaseo.

ATENCIÓN

El líquido electrolito de la batería es corrosivo. ¡Evite entrar en contacto con él! Durante la carga de la batería hay que desconectar todas las conexiones normales a la batería.

• Evite cargar las baterías en lugares cerrados y sin ventilación.

Conexión del cargador a los polos de la 6.7 batería ACTIVIDAD 26. Conexión del cargador a los polos. La siguiente actividad tiene como propósito aprender a conectar de forma correcta el cargador a los polos de la batería. Numerar los pasos en la secuencia correcta. Desconecte la pinza negra (-) del polo negativo (-). Desconecte el cargador de baterías de la corriente principal mediante el cable. Desconecte la pinza roja (+) del polo positivo (+). Conecte la pinza negra (-) al polo negativo (-) de la batería. Compruebe la conexión de las pinzas a los polos. Conecte la pinza roja (+) al polo positivo (+) de la batería. Conecte el cargador a la corriente principal con el cable.

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Veamos cuáles son los pasos: 1

Conecte la pinza roja (+) al polo positivo (+) de la batería.

2

Conecte la pinza negra (-) al polo negativo (-) de la batería. Compruebe la conexión de las pinzas a los polos.

3

Conecte el cargador a la corriente principal con el cable.

4

Desconecte el cargador de baterías de la corriente principal mediante el cable.

5

Desconecte la pinza negra (-) del polo negativo (-).

6

Desconecte la pinza roja (+) del polo positivo (+).

Pinzas de latón fundido para arranque de baterías

6.8

Recomendaciones para el mejor rendimiento de las baterías

En gran medida, la confiabilidad y longevidad de una batería gira alrededor de la calidad del cargador.

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• Una batería siempre debe permanecer fría durante la carga debido a que las altas temperaturas acortan la vida de la batería. . Sin embargo, algunos aumentos de temperatura no se pueden evitar cuando se cargan baterías de base Níquel. La temperatura alcanza su valor máximo cuando la batería se acerca a su plena carga, luego baja después que la batería cambia a carga lenta. La batería debe enfriarse eventualmente a temperatura ambiente.

• Si la temperatura permanece por encima de la temperatura ambiente después de unas pocas horas al modo listo, es muy probable que el cargador funcione incorrectamente. . Quite la batería cuando esté lista ya que cualquier carga lenta dañara la batería. La precaución se aplica especialmente a las baterías de NiMH ya que esta química no puede absorber bien las sobrecargas.

• Las baterías de litio nunca deben calentarse durante la carga. Si esto sucede, o bien la batería o el cargador fallaron. Discontinúe el uso.

Directrices simples. Un cargador de baterías NiMH también puede acomodar a las de NiCd, pero no de manera inversa. Un cargador especialmente diseñado para las de NiCd sobrecargaría a las baterías de NiMH.

Las baterías de níquel prefieren carga rápida debido a que así se reduce la formación cristalina (memoria).

Las baterías de níquel y litio requieren algoritmos de carga diferentes. Las dos formas químicas normalmente no pueden ser intercambiadas en el mismo cargador.

Si no se usa regularmente, quite la batería del cargador y aplique una carga de llenado antes del uso. No deje la batería en el cargador en espera.

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6.9

Ejemplo de un cargador de baterías y regulador a consumo 7

Características • Tensión de alimentación 3 x 380 Vca ± 10% • Frecuencia 50 Hz ± 5% • Tipo de baterías a cargar Alcalinas o ácidas (cambiando la regulación) • Protección de entrada con Interruptor •Transformador de alimentación 3 x 380 V Potencia 47 kVA • Peso aproximado del transformador 400 kg • Principio de operación del control de potencia con sistema tiristorizado con control de ángulo de fase • Control de límites (Vfdo; Vflte; Imáx) Tres lazos P + I • Tensión Nominal de Baterías (92 x 1,2) 110 V • Tensión de Fondo 1,7 V / Celda • Tensión de Flote 1,45 V / Celda • Regulación sobre la tensión a baterías < 1 % • Intensidad máxima del cargador 240 A TX-TIP-0010

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Principio de funcionamiento del cargador. • Es un sistema tiristorizado con control de ángulo de disparo, resultante de tres lazos de control P+I (Proporcional e Integral) correspondientes a: - Tensión de Fondo - Tensión de Flote -Intensidad Máxima • Estos pueden ser ajustados por medio de presets de 25 vueltas, estableciendo las consignas máximas de cada uno de estos parámetros.

Con batería descargada o ante un corte y posterior restablecimiento de la tensión de red, se inicia el proceso de Carga a Fondo a intensidad constante hasta alcanzar el valor correspondiente a la Tensión de Fondo.

Al llegar a dicho valor se produce la conmutación automática a Tensión de Flote una vez que la intensidad de carga sea menor que el valor prefijado en el ajuste (preset de 25 vtas) correspondiente a Ib/n, es decir a una fracción de la corriente nominal de carga. Si ese valor no se alcanza en el tiempo preestablecido, se producirá la conmutación “por tiempo” a la vez que se produce un aviso al operador de dicha condición (podría ser que la batería no alcance su estado de carga por algún motivo a investigar).

Ya en Flote el sistema permanecerá estable a esa tensión.

Un pulsador “Fondo Flote Manual”, permite al operador conmutar el equipo entre esos estados. Si se pasa Fondo manual comienza a operar el sistema automático para evitar olvidos, por lo tanto se repite la operación antes descripta. El circuito de control de carga es autónomo y puede llegar a operar sin la intervención de los microprocesadores, realizando la carga básica de flote de las baterías. (Sería necesaria una recalibración de algunos de los parámetros. Suponiendo la salida de servicio del microprocesador de control de carga, se lo puede desconectar y se carecerá de la conmutación automática o manual de fondo – flote y la parte de la señalización pero el cargador se mantendrá a flote y el sistema continuará operando con la carga parcial de las baterías. TX-TIP-0010

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Regulador de tensión de consumos. De las barras de conexión a baterías se alimentan dos reguladores de tensión por cadenas de diodos a través de los interruptores correspondientes y controlados por el instrumento de monitoreo de variables y control de cadenas MONT-CTL 2002/3 de nuestra fabricación. El correspondiente al consumo de control de planta está constituido por 3 etapas de aproximadamente 14 V cada una, de manera que los valores de la tensión entregada a la salida encuentren dentro de los límites: 110 V ± 10% En caso de eventual falla de este controlador, se podrá ajustar la tensión de sistema operativo hasta su reparación. Es decir que este controlador tampoco inválida la continuación del servicio del equipo, aún ante una eventual falla. La alimentación a las bombas de lubricación poseen un circuito detector de corriente de manera que cuando hay por lo menos una bomba actuada, el controlador recibe la orden de inhibir la carga de Fondo de manera de reducir la tensión de salida a valores aceptables por los motores correspondientes.

Protecciones. El sistema cuenta con las protecciones eléctricas solicitadas. Además de las limitaciones electrónicas por sobrecarga del rectificador y a baterías. La temperatura de los disipadores hacen actuar forzadores de aire cuando se alcanzan 55 ºC aproximadamente y cortan a los 35 ºC. Detector de puesta a tierra. Permite la indicación de puesta a tierra de alguna de las partes del circuito, sea correspondiente a borne positivo o negativo, por ser único también detecta puestas a tierra de zonas de tensión intermedia. Posee una indicación en el frente del tablero y además un contacto inversor en el interior disponible para el usuario de manera que puede conectar un aviso externo si fuese necesario.

¡Felicitaciones! Usted ha finalizado el capítulo 6. Ha finalizado el curso de Electrónica Industrial. TX-TIP-0010

TX-TIP-0010 MP Electrónica Industrial

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