Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7. BUS de Corriente Continua (DC) 107 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.1 Caracterización de los componentes del bus DC para la bancada de motores híbridos. El presente documento trata de hacer una primera aproximación de cara al dimensionamiento del bus DC donde se conectarán los sistemas de generación de energía (Pila de combustible, baterías y supercondensadores) y los convertidores que alimentarán el motor eléctrico. El alcance de este documento es dimensionar las secciones de los conductores de cada equipo, así como sus protecciones. El bus DC funciona a una tensión de 24V y se compone de cinco equipos: - Convertidor DC/DC que ajusta los niveles de tensión de la pila de combustible a los 24V del BUS. Este elemento sólo suministrará energía al bus, siendo unidireccional el sentido de la energía. Para evitar una avería en la Pila de Combustible se instalará un diodo de protección a su salida. - Batería de Ni-Mh de 24V y 9Ah. La batería suministrará energía al sistema pero también podrá recargarse mediante el modo regenerativo. - Supercondesadores. Este equipo puede tener un flujo bidireccional. Como no se dispone de información referida a este dispositivo, se asumirá una intensidad nominal de consumo. - Carga electrónica de disipación de energía. Este equipo, al ser un elemento pasivo, sólo recibirá energía. - Inversor DC/AC que alimentará al motor eléctrico. El inversor también tendrá un flujo bidireccional debido al modo regenerativo que recargará la batería. 108 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón El esquema de la instalación se muestra a continuación (ver ilustración 7.1): Ilustración 7.1: Esquema de instalación del bus DC. Primero se realizará un dimensionamiento de las secciones de cada elemento y posteriormente se calcularán los requisitos que deben de cumplir los sistemas de protección. La idea primaria es instalar todo el sistema en una caja cerrada donde sólo se tenga acceso a las protecciones y a los conectores donde se enchufarán los equipos. De este modo se tendrán unas medidas de seguridad y se aislarán las conexiones del exterior para evitar cualquier tipo de situación peligrosa. Para conectar dentro del bus todos los componentes se pensó en instalar pletinas de cobre de modo que los cables de cada equipo se atornillen a dichas pletinas, facilitando así su instalación y ahorrando espacio. 109 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Esto puede ser observado en la ilustración 7.2. Ilustración 7.2: Diseño en 3D de la distribución de los componentes dentro de la caja del bus DC. Una vez mostrada la idea de lo que se pretende fabricar, pasaremos a dimensionar cada sección. 110 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.2 Dimensionamiento del cableado: Para dimensionar cada sección utilizaremos el criterio térmico y el criterio de caída de tensión. El criterio térmico hace referencia al hecho de que cuando circula una corriente eléctrica por un conductor se produce un calentamiento debido al efecto Joule. Si este calentamiento es excesivo puede que la instalación no funcione correctamente debido a las elevadas pérdidas o a que el conductor se queme. Este criterio se basa en: (1) donde Iz es la intensidad admisible por el conductor e IB la intensidad de diseño. En nuestro caso, al ser alimentado un motor eléctrico, la intensidad de diseño será 1,25 veces la intensidad de consumo del equipo. Los factores de corrección que se utilizarán, según la ITCBT-07, serán: Tipo de corrección Valor del factor de corrección Ternos de cables unipolares en contacto 0,8 Tabla 7.1. Factores de corrección utilizados según ITC-BT-07. El valor Iz será seleccionado según la tabla de la ilustración 7.3 proveniente de la ITC-BT 19. Los cables serán unipolares en contacto mínimo con una distancia a la pared no inferior a D (caso F) y el aislante que se le exigirá al cable será XLPE o EPR, por lo que los valores de intensidad que utilizaremos serán los de la columna 10. 111 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Tabla 7.3: Intensidad admisible (A) al aire 40ºC. Nº conductores con carga y naturaleza del aislamiento. Para utilizar el criterio térmico debemos de saber el consumo en intensidad que tendrán nuestros equipos. Estos datos los conocemos debido a las características de consumo de cada componente. Siendo para cada uno los mostrados en la siguiente figura (ver ilustración 7.4): 112 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Ilustración 7.4: Consumos de los equipos del bus DC. Nota: debido a que las características de los supercondensadores no son conocidas, se ha estimado una intensidad de consumo de 50A para dimensionar el conductor. El criterio de caída de tensión se produce como consecuencia de la resistencia de los conductores. En nuestro caso, según el R.E.B.T., se nos permite una caída de tensión máxima de 5%. Como el Bus trabaja con 24V, la caída de tensión máxima permitida será 1,2V. La ecuación que rige el criterio de caída de tensión en líneas de corriente continua es: (2) Siendo L la longitud del conductor en Km, I la intensidad de diseño en A y e (con unidades V/(A·km)) un coeficiente de caída de tensión que proporcionan los fabricantes. A continuación se muestran los valores de ΔV facilitados por el fabricante Pirelli (ver ilustración 113 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.5). Los valores de la tabla se refieren a corrientes trifásicas pero para corrientes monofásicas se pueden tomar con suficiente aproximación los mismos valores resultantes multiplicados por 1,15. En la tabla de la ilustración 7.5 podemos observar cómo la caída de tensión depende de la sección del conductor. En nuestro caso utilizaremos conductores de Cobre con cos(Ø)=1. Ilustración 7.5: Valores del coeficiente „e‟ según el fabricante Pirelli. 114 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.2.1 Sección del cableado del convertidor DC/DC: El consumo del convertidor DC/DC es: Corriente Continua Pico Valor 125 A 175 A Tabla 7.2. Característica de consumo del convertidor DC/DC. Para dimensionar el conductor utilizaremos el valor de corriente continua de 125A. La intensidad de diseño Ib será este valor incrementado 1,25 veces, resultando 156,25A. Utilizando la expresión (1) de criterio térmico se obtiene. Analizando la ilustración 7.3 se observa que la sección mínima que necesitamos son 70 mm 2 que corresponden a una intensidad de 244 A. Comprobemos que cumple el criterio de caída de tensión. La longitud será 1 m, la intensidad serán 156,25 A y el coeficiente „e‟ es . Donde se observa que se cumple el criterio de caída de tensión y la sección que se estima para conectar el convertidor DC/DC a las pletinas del bus es 70 mm 2. 115 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.2.2 Sección del cableado de la batería: El consumo de la batería es: Valor 40 A 60 A 80 A 100 A Tiempo máximo 1 minuto 10 segundos 1 segundos 0,1 segundos Tabla 7.3. Característica de consumo de la batería Ni-MH Smart VH. Para dimensionar el conductor utilizaremos el valor de corriente continua de 40A. La intensidad de diseño Ib será este valor incrementado 1,25 veces, resultando 50 A. Utilizando la expresión (1) de criterio térmico se obtiene. Analizando la Ilustración 7.3 se observa que la sección mínima que necesitamos son 10 mm 2 que corresponden a una intensidad de 76 A. Comprobemos que cumple el criterio de caída de tensión. La longitud será 1 m, la intensidad serán 50 A y el coeficiente „e‟ es . Donde se observa que se cumple el criterio de caída de tensión y la sección que se estima para conectar la batería a las pletinas del bus es 10 mm 2. 116 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.2.3 Sección del cableado del supercondensador: El consumo del supercondensador no se conoce a priori, ya que no se dispone de información acerca del modelo que se va a instalar en la bancada. Por este motivo, para sobredimensionar los conductores se estimará que este equipo, cuando sea adquirido e instalado en la bancada, consumirá una intensidad de 50 A. Para dimensionar el conductor utilizaremos el valor de corriente continua de 50A. La intensidad de diseño Ib será este valor incrementado 1,25 veces, resultando 60A. Utilizando la expresión (1) de criterio térmico se obtiene. Analizando la tabla de la ilustración 7.3 se observa que la sección mínima que necesitamos son 10 mm2 que corresponden a una intensidad de 76 A. Comprobemos que cumple el criterio de caída de tensión. La longitud será 1 m, la intensidad serán 50 A y el coeficiente „e‟ es . Donde se observa que se cumple el criterio de caída de tensión y la sección que se estima para conectar el supercondensador a las pletinas del bus es 10 mm 2. 117 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.2.4 Sección del cableado de la carga electrónica: La carga electrónica tiene una potencia de 1000W por lo que a la tensión de 24V a la que va a ser alimentada supone una corriente de 41,6 A. Para dimensionar el conductor utilizaremos este valor de corriente de 41,6A. La intensidad de diseño Ib será este valor incrementado 1,25 veces, resultando 52 A. Utilizando la expresión (1) de criterio térmico se obtiene. Analizando la tabla de la ilustración 7.3 se observa que la sección mínima que necesitamos son 10 mm2 que corresponden a una intensidad de 76 A. Comprobemos que cumple el criterio de caída de tensión. La longitud será 1 m, la intensidad serán 53 A y el coeficiente „e‟ es . Donde se observa que se cumple el criterio de caída de tensión y la sección que se estima para conectar el módulo resistivo a las pletinas del bus es 10 mm 2. 118 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.2.5 Sección del cableado del inversor DC/AC: El consumo del inversor DC/AC es: Corriente Continua Pico Valor 80 A 250 A Tiempo máximo 1 hora 20 segundos Tabla 7.4: Característica de consumo del inversor DC/AC. Para dimensionar el conductor utilizaremos el valor de corriente continua de 80A. La intensidad de diseño Ib será este valor incrementado 1,25 veces, resultando 100 A. Utilizando la expresión (1) de criterio térmico se obtiene. Analizando la tabla de la ilustración 7.3 se observa que la sección mínima que necesitamos son 35 mm2 que corresponden a una intensidad de 154 A. Debido a que la sección del cable sólo permite una corriente admisible de 154 A y por el dispositivo pueden circular corrientes de hasta 250 A, se propone aumentar la sección de esta línea a un valor de 50mm 2, la cual soportaría 188 A. El fabricante recomienda en el manual del equipo que la sección mínima del conductor que se conecta al motor y a la batería sea de 16 mm 2. Se podría estudiar instalar un conductor de una sección de 70 mm2 la cual soportaría 244 A, pero como el banco de ensayo que se va a instalar tiene el objetivo de analizar a escala el comportamiento y el control de consumo de un coche híbrido no se exigirá al inversor unas corrientes tan elevadas. Por todo ello se estima una sección de 50mm2. 119 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Comprobemos que cumple el criterio de caída de tensión. La longitud será 1 m, la intensidad serán 100 A y el coeficiente „e‟ es . Donde se observa que se cumple el criterio de caída de tensión y la sección que se estima para conectar el inversor DC/AC a las pletinas del bus es 50 mm 2. 120 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.2.6 Sección de la pletina del bus DC: Para la conexión de todos los componentes al bus DC se instalará una pletina rígida de cobre. Sobre esta pletina irán atornillados los distintos conectores de cada equipo, obteniéndose de este modo una instalación segura y robusta. Para la caracterización de las dimensiones del canto de la pletina, los fabricantes nos proporcionan unas hojas de características donde muestran la intensidad máxima admisible por la pletina en función de las dimensiones de su sección transversal. Para estimar la máxima intensidad que pasará por la pletina nos pondremos en el caso más desfavorable, que es que todos los sistemas activos suministren su corriente de pico al inversor. En la siguiente tabla se muestran las corrientes que se estimarán para dimensionar la pletina. En el caso del supercondensador se estima una corriente de pico de 60 A. Equipo Convertidor DC/DC Baterías Supercondensadores Intensidad máxima 175 A 60 A 60 A Tabla 7.5. Característica de consumo máximo por el bus DC. De este modo resulta una corriente máxima de 295 A. Ilustración 7.6: Tabla de características de las pletinas. 121 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Analizando el catálogo de un fabricante de pletinas denominado International Bronmetal (ver ilustración 7.6) se ofrecen pletinas para aplicaciones eléctricas. Se observa que para nuestros requerimientos de 295 A necesitamos una pletina pintada de un canto de 20 x 5 mm2, permitiendo una corriente máxima de 320 A. También observamos que con esta pletina seleccionada también se satisface la situación en la que los equipos de consumo demandan corriente, siendo estos equipos el inversor y el módulo de resistencia. Ilustración 7.7: Pletinas de Cu International Bronmetal. Estos equipos consumirían un total de 250 A + 41,6 A = 291,6 A, valor que la pletina soportaría sin problemas. Finalmente, en la ilustración 7.8 se muestra un esquema con las dimensiones de los conductores de cada equipo. 122 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Pletina rígida de cobre de 20 mm x 5 mm de canto Ilustración 7.8: Esquema de instalación con las secciones de los conductores de cada equipo. En la tabla 7.6 se muestra un resumen de la sección elegida para cada elemento. Equipo Convertidor DC/DC Batería Ni-Mh Supercondensador Módulo de resistencia Inversor DC/AC Sección (mm2) 70 10 10 10 50 Tabla 7.6. Resumen de las secciones de los conductores de cada equipo. 123 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.3 Protección de los equipos del Bus DC: Tras dimensionar las secciones de los conductores se procederá a caracterizar las protecciones necesarias para cada equipo. Los equipos de protección que se instalarán serán magnetotérmicos debido a la rápida respuesta que ofrecen y la posibilidad de rearmarlos una vez que haya saltado la protección. Como por el bus circularán corrientes elevadas y cada equipo tiene unas características de consumo distintas, se instalará un magnetotérmico en cada dispositivo para ofrecer una mayor seguridad al bus. A continuación se muestra un esquema de la instalación. Ilustración 7.9: Esquema de protecciones de la instalación. Para la caracterización de los magnetotérmicos necesitaremos principalmente dos parámetros: calibre y poder de corte. El calibre es la corriente nominal que circulará por el dispositivo y el poder de corte es la corriente máxima de cortocircuito que tendrá que cortar el magnetotérmico. Además, en función de la respuesta que se desee de la protección, se deberá seleccionar entre las distintas curvas de disparo que tiene cada magnetotérmico. 124 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Por el bus circulará una corriente continua a una tensión de 24V. La selección de los dispositivos de protección se realizará analizando el catálogo del proveedor Schneider Electric. Para ello, el fabricante nos aporta unas tablas de selección de interruptores automáticos para corriente continua. Dicha tabla de selección se muestra en la ilustración 7.10. Ilustración 7.10: Tabla de interruptores automáticos y características. Analizando la tabla mostrada en la ilustración 7.10, se observa que nos ofrecen los calibres y el poder de corte para cada modelo de magnetotérmico. Para su selección se deberá estudiar cada equipo del bus por separado y analizar los requisitos de protección que necesitan. Para calcular el poder de corte de cada magnetotérmico se necesita conocer la resistencia interna de cada equipo del bus. Este valor es un parámetro difícil de encontrar y aunque nos hemos puesto en contacto con los proveedores de cada equipo no nos los han podido facilitar. Por ello, se estimará el poder de corte con unos valores de resistencia interna que no son exactamente los de nuestros dispositivos, sino que serán valores de otros equipos del mismo tipo, por lo que las resistencias internas no deberían variar mucho. Aún así, se insiste en que los valores de poder de corte son orientativos. 125 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Para el cálculo de la corriente máxima de cortocircuito que circulará por el dispositivo se procederá a aplicar la Ley de Ohm a partir de la resistencia interna y el valor de tensión del bus, resultando: I cc VBUS RINTERNA (3) El valor de poder de corte que se seleccione para cada magnetotérmico deberá ser mayor que esta corriente de cortocircuito. Usando la norma UNE 20460-4-43:2003 sobre instalaciones eléctricas, la protección debe de cumplir los siguientes requisitos para cortocircuito y para sobrecargas: Sobrecargas: Cortocircuitos: Ib ≤ In ≤ Iz (4) I2 ≤ 1,45* Iz (5) I2cc * t = K * S2 (6) In ≤ Iz * (5‟) Para Interruptores automáticos, esta ecuación se transforma en: ** Donde: IIA > ICCMAX (6a) ICCmin > Ia (6b) ICCMAX < Ib (6c) Ib =Corriente de diseño del circuito. Iz = Corriente admisible de un conductor. In = Corriente nominal del dispositivo de protección. I2 = Corriente que garantiza el funcionamiento efectivo del dispositivo de protección. Según EN 60898, para un interruptor magnetotérmico, I2 = 1,45 In, con lo cual la ecuación I2 ≤ 1,45* Iz quedaría In ≤ Iz . Icc = Intensidad de cortocircuito del elemento al que se protege. 126 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón S = Sección del cable usado en cada elemento. K = Constante. Para el tipo de conductor usado (Cobre con aislamiento de XLPE) es 20473. Ia= Corriente de regulación de disparo electromagnético. IIA = Poder de corte del Interruptor Automático. *Como la ecuación (4) incluye a la ecuación (5) en su segundo término, el magnetotérmico sólo tendrá que cumplir la ecuación (4) para sobrecargas. **Al carecer de los datos ICCcmin e ICCMAX de cada magnetotérmico, usaré la ecuación (6), en vez de las (6a), (6b) y (6c), comparando el valor de “t” obtenido con el tiempo que tarda en saltar cada magnetotérmico, obtenido de la curva de disparo. 127 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.3.1 Protección para el Convertidor DC/DC: Tras analizar distintas fuentes y tipos de convertidores DC/DC, los valores de resistencia interna de este equipo es de pocos miliomhios. Por ello, se ha estimado el valor de resistencia interna en 3 mΩ. Mediante el valor de resistencia interna y la ecuación 3, resulta una corriente de cortocircuito: Por lo que el poder de corte del magnetotérmico debe ser superior a 8 kA. El consumo del convertidor DC/DC es: Corriente Valor Continua 125 A Pico 175 A Tabla 7.7: Consumo del convertidor DC/DC. Por lo que para el calibre se utilizará un magnetotérmico con un calibre de 125 A o superior y mediante el valor de pico de 175 A se estimará el tipo de curva del mismo. Observando la tabla de la ilustración 7.10, el modelo C120H con calibre de 125 A tiene un poder de corte de 15 kA, por lo que a priori ese modelo sería adecuado. Analizando las curvas de disparo del modelo C120H se observa que la curva tipo D tiene un disparo magnético entre 10 y 14 In, la curva C tiene un disparo entre 5 y 10 In y la curva B se dispara entre 3 y 5 In. Como queremos que el disparo magnético sea lo más rápido posible debido a que la corriente de pico máxima del dispositivo es 175 A (1,4 veces 125 A), se seleccionará el dispositivo con la curva de disparo más restrictiva. Siendo en este caso la curva B. 128 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Para la curva B, el disparó magnético se producirá entre 3 y 5 veces In, siendo In el calibre del magnetotérmico, en nuestro caso 125 A. Produciéndose de este modo el disparo entre 375 A y 625 A. Para los 175 A de corriente de pico el disparo térmico se produciría aproximadamente a 50 segundos. Aunque el disparo magnético sea bastante tardío con respecto al valor de pico admisible por el equipo, éste se encontrará protegido correctamente mediante el disparo térmico. Otra opción de diseño es establecer el poder de corte del magnetotérmico en función de la corriente de la curva de disparo tipo B (3In) y del valor de pico. Con este simple cálculo, con un disparo magnético de 175 A se correspondería con 3·In, resultando un calibre In de 58,3 A, un valor bastante pequeño comparado con el valor de corriente continua de 125 A establecido por el fabricante. Requisitos de sobrecargas y cortocircuitos: Sobrecargas: Ib ≤ In ≤ Iz 125 ≤ 125 ≤ 285 Cumple los requisitos de sobrecarga. Cortocircuitos: I2cc * t = K * S2 80002 * t = 20473 * 702 t =1,56746 Para cortocircuitos, el magnetotérmico seleccionado tarda menos de 0,01s (según su curva de disparo para Icc/In = 8000/125 = 64) que es menor que 1,56746 s, con lo que cumple el requisito de cortocircuito. Donde: Ib =125 A Iz = 285 A In = 125 A Icc = 8000 A S = 70 mm2 129 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Por todo ello, se estima el interruptor magnetotérmico para el convertidor DC/DC el modelo C120H de Schneider Electric con un calibre de 125 A y un poder de corte de 10 kA. A continuación se muestra la curva de disparo tipo B del modelo C120N. Ilustración 17: Curva de disparo tipo B del modelo C120N. 130 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.3.2 Protección para la Batería Ni-Mh: Para estimar la resistencia interna de la batería Super High Energy Ni-MH Smart VH module se estudiaron las propiedades de cada celda de la que se compone la batería. El fabricante aporta las características de los distintos tipos de celdas para las baterías de la familia VH, las cuales se muestran en la ilustración 7.12. Ilustración 18: Características de la batería Ni-Mh. Como no se conoce el tipo de celda que tiene nuestra batería, se seleccionará el caso más desfavorable, siendo el modelo VH F XP con 3 mΩ de resistencia interna por cada celda. Como nuestra batería es de 24V y cada celda es de 1,2V, la batería estará compuesta por 20 celdas. Con estos datos, se estima la resistencia interna de la batería: Resultando una corriente de cortocircuito: 131 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Por lo que el poder de corte de magnetotérmico deberá ser superior a 400 A. Recordando el consumo de la batería: Valor Tiempo máximo 40 A 1 minuto 60 A 10 segundos 80 A 1 segundos 100 A 0,1 segundos Tabla 7.8: Consumos de la batería. Se seleccionará un magnetotérmico con un calibre de 40 A y con el resto de datos se estimará la curva de disparo. A priori, el modelo de magnetotérmico que se instalará junto a la batería será el modelo C60N con un calibre de 40 A y un poder de corte de 15 kA, valor que satisface nuestros requisitos. Requisitos de sobrecargas y cortocircuitos: Sobrecargas: Ib ≤ In ≤ Iz 40 ≤ 40 ≤ 85 Cumple los requisitos de sobrecarga. Cortocircuitos: I2cc * t = K * S2 4002 * t = 20473 * 102 t =12,795625 s Para cortocircuitos, el magnetotermico seleccionado tarda menos de 0,01s (según su curva de disparo para Icc/In = 400/40 = 10) que es menor que 12,795625 s, con lo que cumple el requisito de cortocircuito. Donde: Ib =40A Iz = 85 A 132 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón In = 40 A Icc = 400 A S = 10 mm2 Como ocurría en el caso anterior, se pretende proteger el equipo de un modo rápido para evitar su posible deterioro, por lo que se seleccionará la curva que responde más rápido, esta es la curva B. Ilustración 7.13: Curva de disparo del magnetotérmico C60N,H curva B. Con este tipo de curva y un calibre de 40 A se obtiene una respuesta: Tiempo de retardo Valor Tiempo máximo 40 A 1 minuto Nunca salta 60 A 10 segundos 50 segundos de la protección 133 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 80 A 1 segundos 20 segundos 100 A 0,1 segundos 10 segundos Tabla 7.9: Respuesta de la protección. Como se observa en la tabla 7.9, para un calibre de 40 A las protecciones tardarían demasiado tiempo en actuar. Como la curva más rápida de respuesta es la tipo B y es la que hemos seleccionado, se recalculará la protección reduciendo el calibre de la protección. Así, el nuevo calibre que se estudiará será el modelo C60N de 32 A. Tiempo de retardo Valor Tiempo máximo de la protección 40 A 1 minuto 8 minutos 60 A 10 segundos 50 segundos 80 A 1 segundos 10 segundos 100 A 0,1 segundos 0,02 segundos Tabla 7.10: Respuesta de la protección C60N de 32A de calibre. Se observa que mediante el calibre de 32 A se protege ante cortocircuitos y ante picos de corriente de 100A. Se podría reducir aún más el calibre para justificar los valores que proporciona el fabricante pero de este modo podría instalarse un magnetotérmico con un calibre demasiado pequeño que provocara que se activara ante pequeños picos de consumo. Por todo ello se estimará para la batería un magnetotérmico modelo C60N de Schneider Electric con un calibre de 32 A y un poder de corte de 15 kA. 134 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.3.3 Protección para el Supercondensador: Debido a que no se conoce ni el tipo de supercondensador ni el modelo que se va a instalar en la bancada, se han estimado los valores de resistencia interna del Supercondensador Boostcap Ultracapacitor BMOD0165 el cual tiene una resistencia interna de 6,3 mΩ. Ilustración 7.14: Imagen del supercondensador Booscap. Con este valor de resistencia interna resulta una corriente de cortocircuito: Por lo que el poder de corte del magnetotérmico que se seleccione deberá de tener un poder de corte superior a 3,81 kA. Se recuerda que para el dimensionado del conductor del Supercondensador se estimó el consumo de éste en 50A. Por lo tanto, debido a que no se dispone de información del comportamiento y de las características de consumo del equipo, se estimará sólo con el valor de corriente continua de 50 A. El magnetotérmico que se seleccionará a priori será el modelo C120H de 50 A de calibre. Éste posee un poder de corte de 15 kA, valor más que aceptable para los requisitos de protección estimados anteriormente. Como ocurrió en los casos anteriores, se desea una respuesta muy rápida por parte del magnetotérmico por lo que la curva de disparo será B (la curva de disparo para el modelo C120H es la misma que la mostrada anteriormente en el caso del convertidor DC/DC). Así, en este caso los tiempos de retardo de disparo serán los que se muestran a continuación. 135 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Valor Tiempo de retardo de la protección 50 A Nunca salta 80 A 50 segundos 100 A 20 segundos 150 A 0,02 segundos Tabla 7.11: Respuesta de la protección C120H de 50A de calibre. Requisitos de sobrecargas y cortocircuitos: Sobrecargas: Ib ≤ In ≤ Iz 40 ≤ 50 ≤ 85 Cumple los requisitos de sobrecarga. Cortocircuitos: I2cc * t = K * S2 38102 * t = 20473 * 102 t =0,141 s Para cortocircuitos, el magnetotérmico seleccionado tarda menos de 0,01s (según su curva de disparo para Icc/In = 3810/50 = 76,2) que es menor que 0,141 s , con lo que cumple el requisito de cortocircuito. Donde: Ib =40A Iz = 85 A In = 50 A Icc = 3810 A S = 10 mm2 136 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón La curva de disparo del magnetotérmico C120N H es: Ilustración 7.15: Curva de disparo del magnetotérmico C120N,H curva B. Por ello se estimará para el supercondensador un magnetotérmico modelo C120H de Schneider Electric con un calibre de 50 A y un poder de corte de 15 kA. 137 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.3.4 Protección para la carga electrónica: La resistencia interna de la carga electrónica que se utilizará en la bancada no es un dato proporcionado por el fabricante, pero para estimar su valor se utilizará el de la carga electrónica BK Precision serie 8500, modelo 8518 (1200W) que tiene una resistencia interna de 5 mΩ. Con este dato, la corriente de cortocircuito será: Por lo que el poder de corte de magnetotérmico seleccionado deberá ser superior a 4,8 kA. Ilustración 7.16: Imagen de la carga electrónica BK Precision. La carga electrónica tiene una potencia de 1000W por lo que a la tensión de 24V a la que va a ser alimentada supone una corriente de 41,6 A. Analizando la tabla de la ilustración 64, un modelo válido es el C60N de 50 Amperios de calibre. Este modelo posee un poder de corte de 15 kA, por lo que podrá detener sin problemas la corriente de cortocircuito. Como se desea obtener una protección rápida y eficaz de los equipos, el tipo de curva de disparo que se seleccionará será la B. Requisitos de sobrecargas y cortocircuitos: Sobrecargas: Ib ≤ In ≤ Iz 50 ≤ 50 ≤ 85 Cumple los requisitos de sobrecarga. 138 Proyecto fin de carrera Cortocircuitos: Juan Antonio Muñoz Japón I2cc * t = K * S2 48002 * t = 20473 * 102 t =0,08886 s Para cortocircuitos, el magnetotérmico seleccionado tarda menos de 0,01s (según su curva de disparo para Icc/In = 4800/50 = 96) que es menor que 0,08886 s, con lo que cumple el requisito de cortocircuito. Donde: Ib =41,6A Iz = 85 A In = 50 A Icc = 4800 A S = 10 mm2 La curva de disparo para el magnetotérmico C60N H con curva de disparo B es: Ilustración 7.17: Curva de disparo de la protección C60N,H curva B. 139 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Analizando la curva de disparo del modelo C60N se obtienen los siguientes tiempos de retardo en el disparo: Valor 41,6 A 80 A 100 A 150 A Tiempo de retardo de la protección 33 minutos 20 segundos 10 segundos 0,02 segundos Tabla 7.12: Respuesta de la protección C60N. Por lo tanto, considerándose aceptables estos tiempos de retardo, se estimará para la carga electrónica un magnetotérmico modelo C60N de Schneider Electric con un calibre de 50 A y un poder de corte de 15 kA. 140 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón 7.3.5 Protecciones para el inversor DC/AC: Como del inversor DC/AC no se conocen datos de su resistencia interna se optó por estimar de nuevo su valor mediante otro equipo de características similares. Estudiando distintos modelos y sus características se llegó a la misma conclusión que el convertidor DC/DC y la resistencia interna de estos equipos es de un valor de pocos miliohmios. Así, se estimará en 3 mΩ. Con este valor, la corriente de cortocircuito resultante es: Por lo que el poder de corte de magnetotérmico deberá ser superior a 8 kA. El consumo del inversor DC/AC es: Tiempo Corriente Valor Continua 80 A 1 hora Pico 250 A 20 segundos máximo Tabla 7.13: Consumo del inversor DC/AC. Con estos valores se seleccionará un magnetotérmico con 80 A de calibre. Analizando la tabla de la ilustración 64, el dispositivo que puede servirnos es el modelo C120H con un poder de corte de 15 kA. Se observa que éste tiene un poder de corte que está bastante del lado de la seguridad. Como ocurre en los equipos anteriores, los requisitos de protección hacen que se seleccione una curva de disparo del magnetotérmico tipo B (esta curva es la misma que la mostrada anteriormente en el caso del convertidor DC/DC). Requisitos de sobrecargas y cortocircuitos: Sobrecargas: Ib ≤ In ≤ Iz 80 ≤ 80 ≤ 225 Cumple los requisitos de sobrecarga. 141 Proyecto fin de carrera Cortocircuitos: Juan Antonio Muñoz Japón I2cc * t = K * S2 80002 * t = 20473 * 502 t =0,79973 s Para cortocircuitos, el magnetotermico seleccionado tarda menos de 0,01s (según su curva de disparo para Icc/In = 8000/80 = 100) que es menor que 0.79973 s , con lo que cumple el requisito de cortocircuito. Donde: Ib =80A Iz = 225 A In = 80 A Icc = 8000 A S = 50 mm2 La curva de disparo para el magnetotérmico C120N H con curva de disparo B es: Ilustración 7.18: Curva de disparo de la protección C120N,H curva B. 142 Proyecto fin de carrera Juan Antonio Muñoz Japón Analizando esta curva, se obtiene unos tiempos de retardo: Corriente Continua Pico Valor 80 A 250 A Tiempo máximo 1 hora 20 segundos Tiempo de retardo de la protección Nunca salta 0,02 segundos Tabla 7.14: Tiempos de retardo de la protección C120N,H curva B. Como se observa en la tabla 7.14, aunque al ser el calibre de 80 A nunca saltará el equipo cuando trabaje a 80 A, la restricción de consumo máximo de 250A se satisface correctamente. Así, el magnetotérmico seleccionado para proteger el convertidor DC/AC de la bancada es el modelo C120H de Schneider Electric con un calibre de 80 A y un poder de corte de 15 kA. Una vez realizado el pre-dimensionado de los magnetotérmicos que se instalarán en cada equipo, se muestra a continuación un cuadro resumen con el modelo y las características de cada uno (ver tabla 7.15). Ilustración 7.19: Esquema de montaje de protecciones. 143 Proyecto fin de carrera Equipo a proteger Convertidor DC/DC Batería Ni-MH Supercondensador Carga electrónica Convertidor DC/AC Juan Antonio Muñoz Japón Icc (kA) 8 0,4 3,81 4,8 8 Modelo C120H C60N C120H C60N C120H Calibre (A) 125 32 50 50 80 Poder de corte (kA) 15 15 15 15 15 Tabla 7.15: Resumen de protecciones elegidas. 144