Calculo de Banco Baterias

 

Memoria de Cálculo

MEMORIA DE CÁLCULO Banco de Baterías y Cargador

RE V

FECHA

MOTIVO DE LA REVISIÓN

POR

REV.

APR .

CLI.

OBSERVACIONES

Página 1 de 17 .

Revisión C

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Memoria de Cálculo ÍNDICE 1

GENERALIDADES........... GENERALIDADES...................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... .......................................3 ............................3

1.1 INTRODUCCIÓN........... ....................... ........................ ......................... ......................... ........................ ........................ ........................ ...................................... .......................... 3 1.2 ALCANCE  YY CONSIDERACIONES............ ........................ ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ ........................ ................. ..... 3 2

ANTECEDENTES............ ANTECEDENTES....................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ....................4 .........4

2.1 DOCUMENTOS........... ....................... ........................ ......................... ......................... ........................ ........................ ........................ ................................. ........................... ...... 4 2.2 NORMAS............ ........................ ........................ ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ ..................................... ................................. ........ 4 3

CONSUMOS EN C.C. CELDAS MEDIA TENSIÓN........ TENSIÓN................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .............................5 ...................5

3.1 CARGAS PERMANENTES............ ........................ ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ ...................................... .......................... 5 3.2 CARGAS MOMENTÁNEAS........... ........................ ......................... ........................ ........................ ........................ ......................... ...................................... ......................... 5 4

PERFIL DE CARGA.......... CARGA..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................6 ........6

5

DIMENSIONAMIENTO DE BATERÍAS. BATERÍAS............ ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..............7 ...7

5.1 5.2 5.3 5.4

PARÁMETROS PARA EL CÁLCULO........... ....................... ........................ ........................ ......................... ..................................................... ........................................ 7 CÁLCULO DE CAPACIDAD  A-H REQUERIDA........... ....................... ......................... ......................... ........................ ........................ ........................ ................ ....8 8 FACTOR DE CORRECCIÓN  POR  TEMPERATURA TEMPERATURA........... ........................ ......................... ........................ ........................ ........................ ........................ ............ 9 FACTOR DE CORRECCIÓN  POR FUTURAS AMPLIACIONES............ ........................ ........................ ......................... ......................... ...................... ..........9 9

5.5 FACTOR DE CORRECCIÓN  POR ENVEJECIMIENTO............ ........................ ........................ ........................ ......................... ......................... ....................9 ........9 6

CARGADOR DE BATERÍAS. BATERÍAS............ ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ...............................10 ....................10

7

CONCLUSIONES........ CONCLUSIONES.................. ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... .................................12 ......................12

7.1 BANCO DE BATERÍAS............. ......................... ........................ ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ ........................ ............... ... 12 7.2 CARGADOR DE BATERÍAS............ ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ ........................ .................................. ...................... 12 ANEXO ANEX O A.................... A................................ ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ .................................................... ........................................ 13 DATOS DA TOS REFERENCIALES, BATERIAS BATERIAS LIBRE MANTENCIÓN SELLADA, SONNENSCHEIN A400. A400...... ......... ....14 14

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Memoria de Cálculo 1 GENERALIDADES

1. 1.1 1 Alca Alcanc nce e y Co Cons nsid ider erac acio ione nes s El presente documento tiene por objetivo presentar la estimación de consumos auxiliares en corriente continua (C.C.), determinando además, la capacidad del banco de baterías 125 Vcc y su cargado cargador, r, requeridos para los consumos del Sistema de Control, Protecciones y otras cargas que deben ser respaldadas en caso de perder el suministro principal. Para estimar las cargas del circuito de control, los datos fueron obtenidos de las chas técnicas de cada equipo y en algunos casos se asumieron valores de cargas de acuerdo a la experiencia de diseños eléctricos similares. El sistema a proyectar estará congurado por un cargador y un banco de baterías. Como criterio de diseño, se determinará la capacidad requerida del sistema para un respaldo de 8 horas como mínimo.

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Memoria de Cálculo 2 ANTECEDENTES Para el desarrollo del presente informe, se utilizaron los siguientes antecedentes: 1.2 Do Docu cum men ento tos s •

•

Fichas Técnicas de los equipos de alimentación en CC implementados en la celda de media tensión. Catálogo “Industrial Batterie Batteries/Network s/Network Power Power-Sonnenschein -Sonnenschein A400”

1.3 Normas •

•

Norma IE Norma IEEE EE Std 946 946-19 -1992 92 “IEEE “IEEE Reco ecomm mmend ended ed pr pract actice ice for the des design ign of DC auxiliary power systems for generating stations”. Norm No rma a IE IEEE EE Std Std 48 4855-19 1997 97 “I “IEE EEE E Recom ecomme mend nded ed pr prac acti tice ce fo forr sizi sizing ng lead lead acid acid batteries for stationary applications”.

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Memoria de Cálculo 3 CONS CONSUM UMOS OS EN EN C.C. C.C. C CEL ELDA DAS S MEDI MEDIA A TENS TENSIÓ IÓN N Las cargas asociadas al sistema de corriente continua en 125 [Vcc], se clasican de acuerdo a la duración de funcionamiento durante el ciclo de trabajo del banco de baterías. De acuerdo a las normas indicadas en el punto 2.3 la clasicación se realiza de la manera siguiente: 1. 1.4 4 Ca Carg rgas as Pe Perm rman anen ente tes s Corresponde a cargas que por lo general requieren alimentación del banco de baterías durante todo el ciclo de descarga y se caracterizan por ser de bajo consumo. •

Celdas MT: Concentrará los equipos de control, protección y facturación.

ITE M

DESCRIPCIÓN

CANTIDA D

CONSUMO UNITARIO [W]

CONSUMO PERMANENTE [W]

1.1

350 Feeder Protection System

12

20

240

1.2 1.3

Equipo de facturación Otros

12 12

20 25

240 300

Potencia Total Consumo Permanente[W]

780

Corriente Total Permanente [A]

6,24

1. 1.5 5 Ca Carg rgas as Mo Mome ment ntán ánea eas s Corresponden a aquellos consumos que requieren de alimentación del banco de baterías de forma esporádica, esporádica, de corta duración duración (se considera un tiempo equivalente a 1 minuto como mínimo, según punto 4.2.3 de la norma IEEE Std 485-1997) y por lo general, de alto consumo, durante el ciclo de descarga del banco de baterías. (T1) Ocurre un ciclo de operación de los interruptores de tres celdas. (T2) Después de cinco minutos, ocurre un ciclo de operación de los interruptores de otras tres celdas. INTERV ALO  T1

DESCRIPCIÓN Ocurre un ciclo de operación de

CANTIDA D

CORRIENTE POR EQUIPO [A]

CORRIENTE TOTAL [A]

3

1,2

3,6

los interruptores de tres celdas Intervalo de cinco minutos por vericación de sistema  T2

Ocurr Ocurre e un ciclo de operación de

3

1,2

3,6 Página | 5

 

Memoria de Cálculo lo loss inte interrru rupt ptor ores es de otra otrass tr tres es celdas.

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Memoria de Cálculo 4 PERFIL DE CARGA Con respecto a las cargas denidas en el punto anterior, que corresponde solo a consumos permanentes, el perl de carga que determinará el banco de baterías es detallado a continuación: •

•

•

•

A1: Correspond Corresponde e al cons consumo umo de car cargas gas perman permanente entess más el cons consumo umo de car cargas gas momentáneas correspondiente a un ciclo de operación de los interruptores de tres celdas, con duración de 1 min. A2: Corresponde sólo a las cargas permanentes, con una duración de 5 min. A3: Correspond Corresponde e al cons consumo umo de car cargas gas perman permanente entess más el cons consumo umo de car cargas gas momentáneas correspondiente a un ciclo de operación de los interruptores de tres celdas, con duración de 1 min. A4: Corresponde sólo a las cargas permanentes, con una duración de 473 min.

Corriente(A)

9,84 6,2 4 A 2

A 1 0

1

A 3 6

A4

7

48 0

 T (min)

PERFIL DE CARGA (DESCARGA 8 Hrs)

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Memoria de Cálculo 5 DIME DIMENS NSIO IONA NAMI MIEN ENTO TO DE DE BA BATE TERÍ RÍAS AS.. Una vez establecidas las cargas permanentes y momentáneas, se procede a calcular la capacidad requerida por los consumos durante el régimen de descarga del banco de bate ba terí rías as,, segú según n el pr proc oced edim imie ient nto o indi indica cado do en la No Norm rma a IE IEEE EE St Std d 485485-19 1997 97 “IEE “IEEE E Recommended practice for sizing lead acid batteries for stationary applications”, 1.6 Pa Parám rámetr etros os par para ae ell c cálc álculo ulo Para los cálculos de capacidad de los bancos de baterías se considerarán los parámetros y limites siguientes: Banco de baterías será de: Libre mantención – Tipo Gel Voltaje Nominal del sistema Vn: 125 Vcc Máximo voltaje del sistema Vm: 140 Vcc (Vn + 12%) Mínimo voltaje del sistema Vmin: 110 Vcc (Vn - 12%) Voltaje de carga de las baterías Vc: 2, 2,35 35 V/ V/cceld lda a ((tten enssión ión d de e ccar arga ga en es esta tado do de ecualización) Voltaje de otación de celdas: 2,27 V/celda  T  Temperatura emperatura de de operación es esperada: perada: 15,6°C •

•

•

•

•

•

•

Defnición de número de celdas:  N ° Celdas=

V m V c

=

140 2,35

=59,6 celdas

Pero ero co como mo la lass ba bate terí rías as de 12 [V [V]] está están n co comp mpue uest stas as po porr 6 ce celd ldas as de 2 [V [V]( ](se segú gún n fabricante), la cantidad de celdas necesarias se deberá aproximar a 60. Tensión ensión final final por celda celda Vpc=

V m V c

=

110 110 60

=1,83 Vpc

Este valor es aproximado a 1,85 Vpc, ya que son los presentados por fabricantes en su catálogo. Comprobación:   111 1 V que Tensión mínima=1,85∗6∗10=11 que es su supe peri rior or a 110 V establec establecido ido como como mínimo mínimo

Tensión máxima= 2,35∗6∗10 =141 V que esun valor valor lev leveme emente nte super superior ior a maximo maximo establ estableci ecido do

Tensiónde ensión de flotación flotación=2,27∗6∗10=136,2 V 

 

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Memoria de Cálculo 1.7 Cál Cálcul culo o de c capa apacid cidad ad A A-H -H re reque querid rida a La capacidad del banco de baterías en un régimen de trabajo de 8 hrs. con una tensión nal por celda de 1,8 V / placa, se determina mediante la siguiente expresión: S = N   P = S 

 AH  = max S =1

∑ [ A

 p

−  A( p −1) ] ×  K T 

 P =1

Donde  K  T  = Factor de capacidad, de acuerdo a norma IEEE 485 (V (Ver er Anexo) AP  = Corriente en amperes requerida para el periodo S.

Cálculo de capacidad de Batería

Para deter Para determin minar ar K  T, se consider considera a como refer referencia encia Batería Sonnnsc Sonnnschein hein A400 A400,, Modelo Modelo A412/90A de 1,85 Vpc. Por lo tanto en base a la tabla, se establece que la capacidad mínim mínima a es:  AH =54,11 Ah @ 8 horas

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Memoria de Cálculo 1.8 Fact actor or de co corre rrecci cción ón por ttemp empera eratur tura a De acuerdo acuerdo a lo indicad indicado o en el ítem 6.2.1 de la Nor Norma ma IEEE Std 485, la capacidad capacidad de las celdas del banco de baterías se ve afectada por su temperatura de operación. De acuerdo a las condiciones de ambientales de gabinete, se considera como temperatura promedio 15,6 ºC, que de acuerdo a lo indicado en la Tabla 1 de la mencionada norma, equivale a un factor de corrección de 1,11.  AH = 54,11∗1,11 =60,06  Ah @ 8 horas

1.9 Factor de co correcc rrección ión por u uturas turas ampli ampliacio aciones nes De acue acuerd rdo o a lo indi indica cado do en el ítem ítem 6. 6.2. 2.2 2 de la no norm rma a an ante teri rior orme ment nte e indi indica cada da,, se recomienda considerar por este concepto un factor entre 1,10 a 1,15. En este caso, se considera un factor de 1,15:  AH =60,06∗1,15 =69.07  Ah @ 8 horas

1.10 Factor de cor corrección rección por envejecimiento De acuerdo a lo indicado en el ítem 6.2.3 de la norma indicada, se recomienda considerar un factor de envejecimiento de 1,25, por lo que se obtiene:  AH =69,07∗1,25 = 86,33  Ah @ 8 horas

En base a lo anterior, se obtiene que el banco de baterías de 125 [Vcc] a utilizar debe tener una capacidad mínima de 86,33 de  86,33 [Ah]@ 8 horas. Por lo tanto se recomienda utilizar una batería Sonnenschein A400 Modelo A412/100A

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Memoria de Cálculo 6 CAR CARGA GADO DOR R DE BA BATE TERÍ RÍAS AS.. Al ocurrir una fuerte descarga en las baterías el cargador debe proveer una corriente máxima para realizar una rápida carga y en algunos casos suministrar la corriente máxima de los consumos alimentados. De acuerdo a lo indicado en la norma IEEE 946, para determin determinar ar la capacidad de cargador de baterías se debe considerar lo siguiente:  I 1 = Lc +

1,1∗ Ah

T 

 I 2 = Lc + Ln

Donde: • •

•

•

• •

•

I1 e I2 : es el rango mínimo de carga de salida requerida, en amperes. I3 : es el máximo entre I1 e I2, el cual denirá la capacidad del cargador, en amperes. LC : es*la carga dc continua (permanente, en Amperes), incluyendo el aumento de carga en el futuro (considera un 10 % para futuras ampliaciones). Ln : es la mayor combinación de cargas No-continuas (como se dene en IEEE 485, punto 4.2.2) que podrían podrían probabl probablemente emente ser conectadas ssimultáneam imultáneamente ente a la barra durante un plan de operación normal. 1,1 : es una con consta stante nte par para a co comp mpens ensar ar llas as p pér érdid didas as de de la lass ba bater terías ías.. Ah : es la d desc escar arga ga e en n am amper pereses-ho horas ras de la lass ba bater terías ías.. Se rreco ecomi miend enda a ut utili ilizar zar u un n rango de amperes-hora de 8 horas para esta fórmula, para todo el ciclo de servicio, con una duración total de 8 horas o menos. Para ciclos de servicio mayor mayores, es, usar un rango de baterías correspondiente al tiempo total de duración.  T : es el tiempo de recar recarga ga de la batería a apro aproximadamente ximadamente un 95% de la capacidad (en horas). Para minimizar este tiempo en el sistema dc, un tiempo de recarga podría entre 12 horas. rrazonable ecom ecomen enda daci ción ón de va valo lorres ser de considerado. T me meno norres aSe8recomienda hora horas, s, debe debe se serr8 –co cons nsul ulta tada da La al fabricante.

* Si se puede demostrar que la reducción en la capacidad de la batería resulta durante y desp de spué uéss de la ap apli lica caci ción ón de Ln No co comp mpro rome mete te la ca capa paci cida dad d de fu func ncio iona nami mien ento to satisfactorio de la batería, el usuario puede seleccionar la ecuación de I1 como base para el dimensionamiento del cargador de baterías.

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Memoria de Cálculo Para efectos de cálculo, se considera un banco de baterías de 100 [Ah]@10 horas, que permite una corriente de descarga de 10,7 [A] durante 8 [horas] (obtenido según tabla de corriente de descarga constante, ver Anexo). Para el cálculo de la corriente I 2, no se consideran cargas no-continuas no-continuas (Ln = 0), en base a las características indicada indicadass en el ítem 4.2.2 de la norma IEEE 485-1997. Se considera un tiempo de recarga de 10 horas según recomendación del fabricante.  Lc =6,24∗1,10= 6,86 [ A ]

 I 1 =6,86 +

1,1∗100 10

=17,86 [ A ]

 I 2 =6,86 [ A ]  I 3 =17,86 [ A ]

Por lo tanto, se recomienda una capacidad mínima del cargador de baterías de 125 [Vcc],  18 [A] de salida. con 18 con

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Memoria de Cálculo 7 CONCLUSIONES. Ante una contingencia (falla de larga duración) se proyectó un sistema de respaldo con una capacidad mínima de 8 horas. El Banco de batería está orientado principalmente a respaldar los equipos de protección y control. El dimensionamiento dimensionamiento del banco de baterías se realizó utilizand utilizando o como pauta la Norma IEEE Std 485-1997 “IEEE Recommended practice for sizing lead acid batteries for stationary applicat appl ications ions”. ”. Esta nor norma ma como prin principa cipales les cara caracter cterísti ísticas cas rea realiza liza una divi división sión entr entre e cargas permanentes y momentáneas y en base a ellas, se realiza un perl de carga en el escenario de operación más desfavorable. El cargador de baterías se dimensiono en base a lo estipulado en la Norma IEEE Std 9461992 “IEEE Recommended practice for the design of DC auxiliary power systems for generating stations”. Para el cálculo de la capacidad de la batería es necesario obtener el Kt, que es un valor propio de cada fabricante. Como referencia se utilizó una batería Sonnnschein A400, Modelo A412/90A y en base a esta batería se obtuvo el Kt que permitió calcular la capacidad real del banco. En resumen para el proyecto se sugiere lo siguiente: 1.11 Banco de Baterías •

•

•

El banco de baterías debe tener una tensión nominal de 125 [Vcc], con una tensión máxima de 140 [Vcc] y una tensión minina de 110 [Vcc]. El banco debe estar compuesto por 10 baterías de 12 [V], con Vpc = 1,85 [V] al nal de la descarga. El banco debe tener una capacidad mínima de 86,33 AH @ 8 horas. Por lo tanto se recomienda utilizar una batería Sonnenschein A400 Modelo A412/100A

1.12 Cargador d de e Baterías •

El cargador de baterías debe tener una capacidad mínima de 18 [A] en 125 [V]

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Memoria de Cálculo

ANEXO A

CARACTERISTICAS DE BATERÍAS GNB INDUSTRIAL POWER.

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Memoria de Cálculo DATOS DA TOS REFERENCIALES, BA BATERIAS TERIAS LIBRE MANTENCIÓN SELLADA, SONNENSCHEIN A400

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Memoria de Cálculo

Polinomio Polinomi o asociado a la curva:  Y=5,096E-9X3 – 1,342E5 2 X +0,02X+0,5878

Para obtener el factor Kt de las baterías, se tomó como referencia la Batería Sonnnschein A400, Modelo A412/90A de 1,85 Vpc. -9

3

-5

2

 Y=5,096E –1,342EnoXespecicados +0,02X+0,5878, el En los datos se obtuvo elidad polinomio cualbase nos permite perm ite calcular la capac capacidad de la batería, paraXtiempos es pecicados por el fabricante.

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Memoria de Cálculo

ANEXO B

CÁLCULO VENTILACIÓN.

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Memoria de Cálculo Ventilación Según la norma EN 50 272-2, las salas de baterías deben ventilarse para diluir los gases (hidrógeno (hidróg eno y oxígeno oxígeno)) producidos por la carga y descarga descarga,, y para evitar explosiones. Debe ser diseñada para condiciones de humedad de sala. De la norma EN 50 272-2: "... El caudal mínimo de aire para la ventilación de una ubicación o sala de baterías será calculado mediante la fórmula siguiente...: −3

Q=0.05∗n∗ I gas∗C rt  rt ∗10

[m

3

/ h]

Donde: • • •

n Igas  Crt

: Número de elementos. : I de otación o rápida [mA/Ah] correspondiente al cálculo. : Capacidad nominal C10, 1.80 V pc 20°C Ah.

Con ventilación natural (convección por aire), el área mínima de entrada y salida se calcula como sigue:  A ≥ 28∗Q [ cm2 ]

Según las expresiones anteriores, los resultados los siguientes: Q=0.05∗60∗8∗180∗10 = 4.32 [ m / h ] −3

3

 A = 28∗4.32=120.96 ≈ 121 [ cm

2

]

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