UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
ESTUDIO DE RESISTENCIA INTERNA EN BATERÍAS SELLADAS INDUSTRIALES
Y ESTIMACIÓN DE TIEMPO DE RESPALDO
POR
JOSÉ GERARDO BUENO GARCÍA
INFORME FINAL DE PASANTÍA
PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR COMO
REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
Sartenejas, Marzo de 2006
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
COORDINACIÓN DE INGENÍERIA ELÉCTRICA
ESTUDIO DE RESISTENCIA INTERNA EN BATERÍAS SELLADAS INDUSTRIALES
Y ESTIMACIÓN DE TIEMPO DE RESPALDO
POR
JOSÉ GERARDO BUENO GARCÍA
TUTOR ACADEMICO: PROF. JAN RAINA
TUTOR INDUSTRIAL: ING. CARLOS RODRÍGUEZ
INFORME FINAL DE PASANTÍA
PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR COMO
REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
Sartenejas, Marzo de 2006
ACTA FINAL DE PROYECTO DE GRADO Y PASANTÍA LARGA
ESTUDIO DE RESISTENCIA INTERNA EN BATERÍAS SELLADAS INDUSTRIALES
Y ESTIMACIÓN DE TIEMPO DE RESPALDO
POR
JOSÉ GERARDO BUENO GARCÍA
RESUMEN
Una forma de determinar el estatus de una batería y predecir su
comportamiento ante una descarga es mediante el estudio de su
resistencia
interna.
Este
parámetro
permite
conocer
las
condiciones intrínsecas de las baterías selladas de plomo-ácido y
así garantizar un respaldo confiable del suministro de potencia,
cuando se requiera.
Es
por
esto
que
el
siguiente
informe
de
pasantía
pretende
resaltar la importancia y necesidad de incluir la medición de
resistencia interna en las rutinas de mantenimiento de baterías
selladas
de
plomo-ácido
en
sistemas
UPS,
para
garantizar
su
carácter preventivo y predictivo de fallas. Ello se basa en el
análisis de tres casos de estudio en tres empresas con cargas
críticas.
Además, se buscó un método para el cálculo rápido del tiempo de
autonomía de un banco de baterías, lo cual se logró mediante la
elaboración de un programa de computación que permite al usuario
estimar el tiempo de respaldo de un banco de baterías, tomando en
cuenta distintos factores que pudieran afectar su desempeño como
suministro confiable de energía.
INDICE GENERAL
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN ....................................................1
CAPÍTULO 2
OBJETIVOS .......................................................4
2.1 OBJETIVO GENERAL ...........................................4
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................4
CAPÍTULO_3
DESCRIPCIÓN
Y
ESTRUCTURA
ORGANIZACIONAL
DE
EMERSON
NETWORK POWER. ..................................................6
3.1
BREVE DESCRIPCIÓN ........................................6
3.2
PROCESOS Y SERVICIOS .....................................7
3.4
ESQUEMAS DE SERVICIOS ...................................10
CAPÍTULO_4
ASPECTOS GENERALES DE LAS BATERÍAS .............................11
4.1
DEFINICIÓN DE BATERÍA ...................................11
4.2
HISTORIA DE LAS BATERÍAS ................................12
4.3
CLASIFICACIÓN DE
4.3.1
LAS BATERÍAS ..........................16
BATERÍAS ÁCIDAS .....................................17
4.3.1.1
BATERÍAS DE PLACA PLANA ..........................17
4.3.1.1.1
BATERÍAS DE PLOMO ANTIMONIO ..................18
4.3.1.1.2
4.4
BATERÍAS DE PLOMO CALCIO .....................19
4.3.1.2
BATERÍAS DE PLACA TUBULAR ........................19
4.3.1.3
BATERÍAS DE PLACA PLANTE .........................20
4.3.2
BATERÍAS ALCALINAS .................................21
4.3.3
BATERÍAS SELLADAS ..................................22
4.3.3.1
TIPO GEL .........................................23
4.3.3.2
TIPO AGM (FIBRA DE VIDRIO ABSORBENTE) ............24
COMPARACIÓN ENTRE LOS DIVERSOS TIPOS DE BATERÍAS ........25
CAPÍTULO_5
LAS BATERÍAS DE PLOMO ÁCIDO: CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES ....27
5.1
APLICACIÓN
DE
UN
SISTEMA
DE
BANCOS
DE
BATERÍAS
ESTACIONARIAS. .................................................30
5.2
FACTORES QUE AFECTAN LA DURACIÓN DE LA VIDA ÚTIL DE LAS
BATERÍAS. ......................................................33
CAPÍTULO_6
RESISTENCIA INTERNA DE LAS BATERÍAS ............................34
6.1
PARÁMETROS INTERNOS DE LA BATERÍA. ......................34
6.2
PRINCIPALES CAUSAS DE FALLAS EN BATERÍAS ................37
CAPÍTULO_7
MEDICIÓN DE RESISTENCIA INTERNA EN BATERÍAS
DE PLOMO-ÁCIDO DE
VÁLVULA REGULADA (VRLA) ........................................42
7.1
PRINCIPIO BÁSICO DE MEDICIÓN ............................42
7.2
MÉTODOS DE MEDICIÓN DE RESISTENCIA INTERNA ..............42
7.2.1
MÉTODO DE CARGA DC .................................42
7.2.2
MÉTODO DE CONDUCTANCIA AC ..........................44
7.2.3
MÉTODO
DE
ESPECTROCOPIA
DE
IMPEDANCIA
MULTIFRECUENCIA ............................................45
7.3
DIFERENCIA ENTRE MEDICIONES AC Y DC .....................46
7.4
FACTORES
QUE
AFECTAN LA PRECISIÓN DE LAS PRUEBAS ÓHMICAS
........................................................47
7.4.1
RUIDO ELÉCTRICO ....................................47
7.4.2
CORRIENTE DE PRUEBA: ...............................48
CAPÍTULO_8
MEDICIÓN DE RESISTENCIA INTERNA EN BANCOS DE BATERÍAS EN PLENA
OPERACIÓN. .....................................................49
8.1
INSTRUMENTO DE MEDICIÓN .................................49
8.2
PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN ...............................50
8.3
SOFTWARE
EMPLEADO
PARA
EL
ANÁLISIS
DE
LOS
RESULTADOS
OBTENIDOS CON EL CELLCORDER CRT-300. ...........................53
8.4
8.5
MUESTRA SELECCIONADA ....................................53
8.4.1
CASO 1: EMPRESA A ..................................54
8.4.2
CASO 2: EMPRESA B ..................................58
8.4.3
CASO 3: EMPRESA C ..................................60
OBSERVACIONES FINALES SOBRE LOS HALLAZGOS EN LA MUESTRA
SELECCIONADA. ..................................................66
CAPÍTULO_9
PRUEBAS DE DESCARGA DE BATERÍAS REALIZADAS EN EL LABORATORIO DE
LA EMPRESA EMERSON VENEZUELA C.A. ..............................68
9.1
EQUIPOS UTILIZADOS PARA LAS PRUEBAS .....................68
9.1.1 BANCO DE BATERÍAS ....................................68
9.1.2 UPS ..................................................69
9.1.2.1
RECTIFICADOR .....................................71
9.1.2.2
CONVERTIDOR
CORRECTOR
DE
FACTOR
DE
POTENCIA/ELEVADOR (PFC/BOOST) .............................72
9.1.2.3
CIRCUITO INVERSOR ................................73
9.1.2.4
CARGADOR DE BATERÍAS. ............................75
9.1.3
TERMÓMETRO .........................................75
9.2
PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN .................................77
9.3
SELECCIÓN DE LA MUESTRA ...................................78
9.4
RESULTADOS OBTENIDOS. .....................................78
CAPÍTULO_10
PROGRAMA PARA CALCULAR EL TIEMPO ESTIMADO DE RESPALDO DE UN UPS.
...............................................................84
10.1
PROCEDIMIENTO
PARA
EL
CÁLCULO
DEL
TIEMPO
ESTIMADO
DE
AUTONOMÍA DE UNA BANCO DE BATERÍAS. ............................84
CAPÍTULO_11
CONCLUSIONES
Y RECOMENDACIONES ................................89
11.1 CONCLUSIONES ..............................................89
11.2 RECOMENDACIONES ...........................................91
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .....................................94
APÉNDICES ......................................................96
INDICE DE FIGURAS
FIGURA 1: ESTRUCTURA ORGANIZATIVA DE EMERSON VENEZUELA, C.A ... 7
FIGURA 2: ESQUEMA DE SERVICIOS DE EMERSON VENEZUELA, C.A ..... 10
FIGURA 3: DETALLE DE LAS PLACAS POSITIVAS Y NEGATIVAS QUE SE
ALTERNAN PARA FORMAR UNA CELDA. ............................. 11
FIGURA 4: DETALLE DE LAS REJILLAS EMPLEADAS EN LA CONSTRUCCIÓN
DE BATERÍAS DE PLACA PLANA. ................................. 17
FIGURA 5: DETALLE DE LAS PLACAS EMPLEADAS EN LA CONSTRUCCIÓN DE
BATERÍAS DE PLACA PLANA. .................................... 18
FIGURA 6: DETALLE DE LAS PLACAS TUBULARES DE UNA BATERÍA. .... 20
FIGURA 7:
PLACA PLANTÉ ...................................... 21
FIGURA 8: DETALLE DEL INTERIOR DE UNA BATERÍA TIPO AGM ....... 24
FIGURA 9: REACCIONES QUÍMICAS LLEVADAS A CABO EN EL INTERIOR DE
LAS BATERÍAS. ............................................... 28
FIGURA 10: DETALLE DEL BASTIDOR DE UNA BATERÍA. .............. 34
FIGURA 11: DETALLE DE LAS REJILLAS DE UNA BATERÍA CON Y SIN
MATERIAL ACTIVO ............................................. 35
FIGURA 12: CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA BATERÍA. .............. 36
FIGURA 13: CIRCUITO SIMPLIFICADO DE UNA BATERÍA. ............. 36
FIGURA 14:
RELACIÓN ENTRE LA TEMPERATURA Y LA AUTODESCARGA DE
UNA BATERÍA. ................................................ 39
FIGURA 15: EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA VIDA ÚTIL DE LAS
BATERÍAS. ................................................... 39
FIGURA 16: MATERIAL ACTIVO DESPRENDIDO DE LA REJILLA. ........ 40
FIGURA 17: CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA BATERÍA VISTO POR UN
MEDIDOR DC. ................................................. 43
FIGURA 18: DETALLE DE LA CAÍDA DE TENSIÓN USADA PARA MEDIR
RESISTENCIA INTERNA..........................................44
FIGURA 19: CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA BATERÍA. .............. 45
FIGURA 20: MEDIDOR DE RESISTENCIA INTERNA CELLCORDER CRT-300 . 49
FIGURA 21: COLOCACIÓN DE PUNTAS DE PRUEBA EN LOS POSTES DE LA
BATERÍA. .................................................... 51
FIGURA 22: PUNTAS
DE
PRUEBA
PARA MEDIR RESISTENCIA INTERNA. 52
FIGURA 23: SULFATACIÓN Y DESPRENDIMIENTO DE BORNES POR FALTA DE
MANTENIMIENTO PREVENTIVO. ................................... 55
FIGURA 24: DESPRENDIMIENTO DE BORNE POR EFECTOS DE LA CORROSIÓN.
............................................................ 55
FIGURA 25: DETALLE DE LA OBSTRUCCIÓN DE LAS REJILLAS DE
VENTILACIÓN DE LOS GABINETES DE LAS BATERÍAS DE LA EMPRESA A. 56
FIGURA 26: PERFIL DE TENSIONES Y DE RESISTENCIAS INTERNAS DEL
BANCO DE BATERÍAS #3 DE LA EMPRESA A. ....................... 58
FIGURA 27: VALORES DE VOLTAJE Y RESISTENCIA INTERNA DEL BANCO DE
BATERÍAS DE LA EMPRESA B QUE MUESTRAN UNA
BATERÍA CON VALORES
FUERA DE RANGO NORMAL. ...................................... 59
FIGURA 28: PERFIL DE RESISTENCIAS INTERNAS DEL BANCO # 1 DE LA
EMPRESA C, CORRESPONDIENTE AL MES DE SEPTIEMBRE DE 2005. .... 61
FIGURA 29. PERFIL DE RESISTENCIAS INTERNAS DEL BANCO # 1 DE LA
EMPRESA C, CORRESPONDIENTE AL MES DE OCTUBRE DE 2005. ....... 61
FIGURA 30. PERFIL DE RESISTENCIAS INTERNAS DEL BANCO # 1 DE LA
EMPRESA C, CORRESPONDIENTE AL MES DE NOVIEMBRE DE 2005. ..... 62
FIGURA 31. CURVA DE TENDENCIA DE RESISTENCIA INTERNA DE LA
BATERÍA # 16 DEL BANCO # 1 DE LA EMPRESA C. ................. 63
FIGURA 32: VISTA FRONTAL Y POSTERIOR DEL UPSTATION GXT DE 10 KVA
USADO EN PARA LAS PRUEBAS ................................... 70
FIGURA 33: MODO DE FUNCIONAMIENTO NORMAL DE UN UPS ........... 70
FIGURA 34:
UPS ACTUANDO EN MODO DE RESPALDO ................. 71
FIGURA 35: DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CONTROL DE PFC/BOOST ...... 73
FIGURA 36:
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CIRCUITO INVERSOR DEL
UPSTATION GXT DE 10 KVA USADO PARA LAS PRUEBAS. ............. 74
FIGURA 37: DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA GENERACIÓN DE PWM. ...... 75
FIGURA 38: TERMÓMETRO INFRARROJO FLUKE MODELO 80T-IR ......... 76
FIGURA 39: OSCILOSCOPIO DIGITAL FLUKE MODELO 124 ............. 77
FIGURA 40: POTENCIA POR CELDA DURANTE LA PRIMERA DESCARGA. ... 80
FIGURA 41: POTENCIA POR CELDA DURANTE LA SEGUNDA DESCARGA. ... 80
FIGURA 42: NIVELES DE TEMPERATURA DURANTE LA PRIMERA DESCARGA. 81
FIGURA 43: NIVELES DE TEMPERATURA DURANTE LA SEGUNDA DESCARGA. 81
FIGURA 44: VOLTAJE DE LAS BATERÍAS DURANTE LA PRIMERA DESCARGA 82
FIGURA 45: VOLTAJE DE LAS BATERÍAS DURANTE LA SEGUNDA DESCARGA 83
FIGURA 46: FACTOR DE CORRECCIÓN DE CAPACIDAD SEGÚN IEEE-1188. 86
FIGURA 47: EJEMPLO DE CURVA DE DESCARGA DE UNA BATERÍA. ...... 87
FIGURA 48:VENTANA PRINCIPAL DEL ESTIMADOR DE TIEMPO DE RESPALDO.
............................................................ 88
INDICE DE TABLAS
TABLA
I:
COMPARACIÓN
ENTRE
LOS
DIVERSOS
TIPOS
DE
BATERÍAS.......................................................24
TABLA
II: DIFERENCIAS EN EL TIEMPO DE AUTONOMÍA DEL UPS 1 DEBIDO
A BAJA TEMPERATURA.............................................72
TABLA III: DIFERENCIAS EN EL TIEMPO DE AUTONOMÍA DEL UPS 2 DEBIDO
A BAJA TEMPERATURA.............................................72
TABLA
IV:
VALORES
DE
RESISTENCIA
INTERNA
DE
LA
MUESTRA
ELEGIDA........................................................86
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
AGM
Fibra de Vidrio Absorbente (Absorbent Glass Mat)
CFM
Pies Cúbicos por Minutos (Cubic Feet per Meter)
cos(φ)
IEEE
Factor de Potencia
Institute of Electrical and Electronics Engineers
kpa
Kilo Pascal
kVA
Kilo Voltio Amperio
mHZ
Mili Hertz
N-m
Newton metro
P
Potencia Activa
S
Potencia Aparente
UPS
Fuente de Potencia Ininterrumpida
(Uninterruptible Power Supply).
VRLA
Válvula Regulada Plomo-Ácido (Valve Regulated
Lead-Acid)
W
ºC
Vatio
Grados Celsius
µHz
Micro Hertz
µΩ
Micro Ohm
η
Eficiencia
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de energía que requieren de un suministro eléctrico
ininterrumpido, denominados sistemas críticos, son por lo general
respaldados por equipos UPS, cuya energía de reserva reside en
las baterías que tienen conectadas, el desempeño de estas últimas
es afectado por factores que van desde la temperatura hasta lAs
variables eléctricas introducidos en ellas por el UPS a través
del circuito de carga.
Los
sistemas
UPS
no
solamente
se
encargan
de
mantener
un
suministro constante de energía, sino que también deben proveer a
la carga respaldada con una forma de onda de voltaje libre de
perturbaciones, a frecuencia y amplitud constante, sorteando los
problemas de energía que pudieran manifestarse en el suministro
de la red eléctrica comercial como bajos y altos voltajes, además
de las variaciones de frecuencia.
No hay que olvidar que las baterías sufren de un envejecimiento
natural debido a la naturaleza de las reacciones químicas que
dentro de ellas se llevan a cabo. La capacidad de entregar la
energía que las baterías tengan almacenadas se ve afectada, entre
otras cosas, por sus niveles de resistencia interna, parámetro
que varía de acuerdo a las condiciones eléctricas y ambientales a
las que estén sometidas.
Una
detección
oportuna
de
cambios
significativos
en
la
resistencia interna de una batería conduce a la prevención de una
falla en el sistema de respaldo de potencia, manifestada como la
disminución del tiempo de autonomía del banco de baterías y por
lo tanto de grandes pérdidas económicas, e incluso humanas, al
dejar
desenergizado
a
un
sistema
crítico,
ya
que
los
UPS
respaldan cargas que van desde las salas de cirugía hasta la
información de transacciones bancarias.
El
presente
mediciones
informe
de
busca
resistencia
resaltar
interna
la
en
importancia
baterías
de
selladas
las
como
factor preventivo y predictivo de fallas en sistemas de respaldo
de
energía,
al
no
poder
contar
con
inspecciones
visuales
al
interior de los contenedores, ni con mediciones de la densidad
del
electrolito,
como
aplica
ello
se
ventiladas.
Para
resistencia
interna
en
para
el
realizaron
distintas
caso
de
múltiples
empresas
que
las
baterías
mediciones
figuran
de
como
clientes de Emerson Venezuela C.A. y se seleccionaron tres de los
casos más representativos de fallas o posibles fallas.
También
resulta
de
suma
utilidad
poder
contar
con
un
tiempo
estimado de autonomía de baterías lo suficientemente preciso,
como para garantizar la continuidad de la alimentación de la
carga en caso de una falla de la fuente principal de energía
eléctrica. Debido a esta necesidad, surge la iniciativa de crear
un programa para estimar el tiempo de autonomía de un banco de
baterías,
de
fácil
manejo
para
el
personal
de
la
empresa
apegado a los estándares internacionales previstos para tal fin.
y
CAPÍTULO 2
OBJETIVOS
2.1
OBJETIVO GENERAL
Realizar un estudio de resistencia interna en baterías selladas
industriales para aplicaciones en UPS y establecer la importancia
de
introducir
la
medición
de
este
parámetro
como
parte
del
mantenimiento preventivo y predictivo de los bancos de baterías.
Diseñar un programa que permita conocer el tiempo estimado de
autonomía
de
un
banco
de
baterías
selladas
industriales,
dependiendo de las condiciones a las que se encuentren sometidos.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
•
Familiarización
con
los
procesos,
personal
y
mecanismos
de
métodos
de
trabajo de la empresa.
•
Recopilación
de
información
técnica
sobre
medición de resistencia interna.
•
Recopilación de normas para el mantenimiento y medición de
parámetros de baterías selladas.
•
Adquisición de conocimientos sobre normas de seguridad para el
manejo y mantenimiento de baterías selladas.
•
Medición y estudio de resistencia interna de una muestra de
bancos
de
baterías
selladas
en
funcionamiento
instalaciones de clientes de EMERSON VENEZUELA C.A.
en
las
•
Desarrollo de un programa basado en una hoja de cálculo en
Excel con ayuda de Visual Basic para Aplicaciones (VBA), que
permita estimar el tiempo de respaldo de un banco de baterías
selladas de acuerdo a las condiciones de temperatura, de las
marcas y modelos de las baterías y del UPS, así como de las
características de la carga respaldada.
CAPÍTULO 3
DESCRIPCIÓN Y ESTRUCTURA ORGANIZACIONAL DE
EMERSON
NETWORK POWER.
3.1
BREVE DESCRIPCIÓN
Emerson Network Power es una de las 8 divisiones que conforman la
Corporación Norteamericana Emerson Electric Co. Emerson Network
Power está perfectamente posicionada como el mejor proveedor de
Soluciones Integrales de Energía y Climatización; actualmente es
el mayor suplidor a nivel mundial de soluciones y servicios para
la
infraestructura
de
las
telecomunicaciones,
salas
de
computación, sistemas de respaldo de energía, salas de control
industrial, redes de informática y otras aplicaciones de sistemas
críticos.
Emerson Network Power filial de Emerson Venezuela C.A, se ha
caracterizado por brindar a sus clientes productos y servicios de
calidad, enfocados a los mercados: petrolero, telecomunicaciones,
industrial y comercial para los cuales ha desarrollado soluciones
tecnológicas de automatización industrial, control y monitoreo de
procesos, aire acondicionado, protección eléctrica, electrónica
de telecomunicaciones, entre otras.
ESTRUCTURA ORGANIZACIONAL
General Manager
Quality
Back Office
Legal
Human Resources
Controller
Logistic
Inventory
Engineering
Liebert Sales
Service Operations
Asco Sales
EES Sales
Construction
Energy
Mechanical
Capital Region
Electric
Valencia Region
Maracaibo Region
Barquisimeto Region
S. Cristobal Region
Pto. La Cruz
Guayana Region
Figura 1: Estructura Organizativa de Emerson Venezuela, C.A
3.2
PROCESOS Y SERVICIOS
Emerson Network Power soporta la operación de sistemas de aire
acondicionado de confort y precisión, sistemas de refrigeración,
presurización
y
ventilación,
rectificadores,
tableros
AC
de
rectificadores y de emergencia, baterías, grupos electrógenos,
conmutadores automáticos de transferencia, supresores de pico,
transformadores de aislamiento, UPS, sistemas de puesta a tierra
y DLC, sistemas de monitoreo y comando asociados, los cuales son
elementos fundamentales en el soporte de sistemas y aplicaciones
críticas.
El servicio, es realizado una vez que se efectúa el suministro de
los
equipos,
basándose
en
la
instalación
de
los
sistemas,
atención de las garantías del fabricante, auditorias técnicas,
soporte
técnico
preventivos
que
especializado
constan
de
a
través
rutinas
de
mensuales,
mantenimientos
trimestrales
y
anuales en concordancia a las recomendaciones del fabricante,
mantenimiento predictivo y correctivo con atención las 24 horas,
cumpliendo siempre con los niveles de exigencia y calidad de los
clientes.
Emerson
Network
Power
para
cumplir
y
asegurar
el
servicio que brinda, dispone de:
•
Personal calificado y entrenado en las tareas pertinentes
para cumplir con el alcance de servicios, dotado de los
implementos
de
seguridad
y
protección,
herramientas
e
instrumentos de medición calibrados.
•
El personal cumple con un programa de actividades, cuyo
objeto
final
es
garantizar
el
estado
operativo
del
equipo, comprende un programa de rutinas de mantenimiento
periódico,
atención
de
llamadas
de
emergencias
las
24
horas del día, los 365 días del año.
•
El personal se divide en dos niveles de supervisión, un
primer nivel encargado de la planificación y supervisión
de las actividades de mantenimiento, y un segundo nivel a
cargo del líder del proyecto, quien es responsable de
procesar los reportes de intervención de los sistemas,
analizar la data y preparar los informes de servicios.
•
Emerson dispone de personal previsto de identificación,
uniformes y equipos de protección personal, que siguen
las normas de seguridad industrial establecidas en las
leyes
y
normas
vigentes,
así
como
los
lineamientos
exigidos por los clientes.
•
Emerson dispone de un almacén de repuestos y consumibles
a nivel nacional, en todas las principales ciudades donde
se tiene presencia.
3.4
ESQUEMAS DE SERVICIOS
Figura 2: Esquema de Servicios de Emerson Venezuela, C.A
CAPÍTULO 4
ASPECTOS GENERALES DE LAS BATERÍAS
4.1
Una
DEFINICIÓN DE BATERÍA
batería
es
un
grupo
de
celdas
electroquímicas
interconectadas para lograr un potencial o voltaje requerido
por
un
compuesto
sistema
por
eléctrico.
placas
La
celda
positivas
y
es
un
negativas
dispositivo
dispuestas
alternadamente (tal y como lo muestra la Figura 3), inmersas
en
una
solución
electrolítica
y
distanciadas
entre
sí
mediante un separador microporoso.
Figura 3: Detalle de las placas positivas y negativas que se
alternan para formar una celda.
Las baterías
la
energía
son sistemas reversibles, es decir que transforman
eléctrica
en
energía
química
y
viceversa,
lo
que
permite su utilización para almacenar energía y recuperarla, en
corriente continua, mediante la descarga.
Se
dice
que
la
celda
está
descargándose
cuando
un
circuito
externo es cerrado produciendo el flujo de corriente; durante
este proceso la celda va perdiendo potencial electroquímico lo
que hace que su voltaje descienda. Por el contrario, cuando un
potencial externo, superior al de la celda es conectado, hará que
esta
última
requiera
un
flujo
de
corriente
que
aumentará
su
potencial interno hasta que se encuentre cargada. Las baterías
pueden ser cargadas y descargadas numerosas veces, estos ciclos
cesarán en el momento en que se produzca un proceso de corrosión
lo suficientemente severo que haga que la batería llegue al final
de vida útil. (1), (2)
El proceso de montaje y construcción de una batería puede verse
resumido en el Apéndice 5.
4.2
HISTORIA DE LAS BATERÍAS
Se han descubierto antiguas celdas eléctricas en ruinas que datan
del
año
250
A.C.
La
primera
evidencia
de
baterías
viene
de
excavaciones arqueológicas en Bagdad, Irak. Uno de los primeros
usos de las baterías fue para cubrir objetos con una delgada capa
de metal mediante electrólisis. Los contenedores de las celdas
usadas para ese entonces eran fabricadas de arcilla con tapones
de asfalto. A través del asfalto pasaba una barra de hierro
rodeada
por
un
cilindro
de
cobre.
Cuando
el
contenedor
era
llenado con vinagre la celda producía cerca de 1.1 voltios.
El desarrollo de las baterías modernas data de finales del siglo
XVIII. Los avances en este campo se debieron al trabajo realizado
por
Luigi
Galvani
desde
1780
hasta
1786.
A
través
de
sus
experimentos, Galvani observó que cuando se conectaban piezas de
acero y latón (aleación de cobre y zinc), y se ponían en contacto
con las patas de una rana, éstas se contraían. Sin embargo,
Galvani pensaba que este efecto era originado en el tejido de las
patas de la rana. A pesar de ello, Luigi Galvani colocó la piedra
angular para futuros desarrollos en electricidad “voltaica”.
En el período comprendido entre 1796 y 1799, Alessandro Volta
realizó experimentos en la Universidad de Pavia con placas de
zinc y cobre para producir corriente eléctrica. Volta juntó las
dos placas para formar una pila. La pila constaba de una columna
cilíndrica formada por discos de cobre y zinc colocados de forma
alternada. Cada par de discos estaba separado por rodajas de tela
empapadas en
cargaba
ácido sulfúrico
positivamente
diluido,
(defecto
de
el
extremo
electrones)
y
superior
el
se
inferior
negativamente (exceso de electrones), dando lugar a los polos
positivo y negativo, respectivamente. La electricidad se produce
por el contacto de dos metales heterogéneos en el seno de una
disolución de un electrolito.
Antes del año 1800 Volta había mejorado su modelo, haciendo un
arreglo de discos de zinc y plata sumergidos en una solución
salina. En los años siguientes, otros medios de producción de
electricidad fueron inventados, los cuales estaban basados en el
uso de electrodos líquidos. Entre los sistemas más exitosos y más
utilizados se encontraban los de Bunsen (1842) y Grove (1839).
En 1866, Georges Leclanché,
un ingeniero
francés,
patentó
un
nuevo sistema que de inmediato se convirtió en el más exitoso. La
celda de Leclanché era ensamblada originalmente en recipientes
porosos: el electrodo positivo consistía en dióxido de manganeso
triturado mezclado con un poco de carbón, el polo negativo estaba
conformado por una barra de zinc; el electrolito consistía en una
solución de cloruro de amonio. En un período de dos años, veinte
mil
de
sus
celdas
estaban
siendo
telegráfico. La celda de Leclanché
utilizadas
en
el
sistema
se convirtió en la precursora
de la batería más usada a nivel mundial: la celda de zinc y
carbón.
En 1881, Carl Gassber construyó la primera batería seca exitosa.
Para 1889 existían al menos seis tipos de baterías secas en
circulación. Con el paso del tiempo se produjeron baterías más
pequeñas
y
livianas,
y
con
la
aparición
del
filamento
de
tungsteno en 1909 surgió la necesidad de crear baterías para ser
usadas en las linternas.
La producción de baterías se incrementó drásticamente durante la
Primera Guerra Mundial como medio para energizar los reflectores,
linternas y radios en el campo de batalla. Pero fue en el período
inter-bélico
cuando
significativo, esto
materiales
las
se
baterías
logró
experimentaron
mediante
una
un
mejor
desarrollo
selección
de
y métodos de manufactura.
Hoy en día las baterías se han convertido en parte esencial de la
vida
diaria.
Están
presentes
en
las
fuentes
de
energía
de
millones de consumidores, a nivel médico, militar e industrial.
Las baterías pueden encontrarse en equipos portátiles de rayos X,
desfibriladores,
aviones,
teléfonos
vehículos
no
celulares,
tripulados,
linternas,
cámaras
submarinos,
fotográficas
y
de
video, relojes, calculadoras, marcapasos, juguetes, automóviles,
lanchas y sistemas de respaldo de energía para el resguardo de
información y las telecomunicaciones.(3)
4.3
CLASIFICACION DE
LAS BATERÍAS
Las baterías se clasifican de acuerdo a la configuración de la
placa positiva, el tipo de aleación de las placas, el tamaño de
éstas, el tipo de electrolito y además por la capacidad de las
mismas de dar corriente bajo regímenes de descarga. Las baterías
pueden dividirse en las siguientes categorías:
BATERIAS ACIDAS:
•
•
Placa plana
•
Plomo Antimonio
•
Plomo Calcio
Placa tubular
•
•
Plomo Antimonio
Placa Plantè
•
Plomo Antimonio
BATERIAS ALCALINAS:
•
Níquel Cadmio
BATERIAS SELLADAS:
•
Tipo Gel
•
Tipo AGM
4.3.1
BATERÍAS ÁCIDAS
Las baterías ácidas están constituidas por placas sumergidas en
solución ácida, la cual permite el transporte de iones a través
de la solución a cada una de las placas. Entre las principales
aleaciones tenemos las de plomo antimonio y las de plomo calcio.
(2)
4.3.1.1 BATERÍAS DE PLACA PLANA
Cada placa (positiva y negativa) posee una rejilla reticular de
aleación de plomo-calcio o plomo-antimonio (ver Figura 4 y Figura
5). Las baterías de placa plana son las más usada en aplicaciones
donde
la
descarga
es
muy
rápida,
debido
a
su
habilidad
de
entregar grandes cantidades de corriente en corto tiempo. (2)
Figura 4: Detalle de las rejillas empleadas en la construcción
de baterías de placa plana.
4.3.1.1.1 BATERÍAS DE PLOMO ANTIMONIO
Este
tipo
de
baterías generalmente
son
hechas
para
descargas
rápidas, adicionalmente tiene compuestos que reducen el desgaste
de la placa positiva, aumentando así la vida útil de la batería.
El antimonio le añade fortaleza estructural a las placas. Estas
baterías
pueden
mantenerse
en
un
tipo
de
aplicaciones
para
descargas rápidas y medianas. (2), (5)
Figura 5: Detalle de las placas empleadas en la construcción de
baterías de placa plana.
4.3.1.1.2 BATERÍAS DE PLOMO CALCIO
Este
tipo
de
aleación
reposición
de
agua
reduce
cuando
drásticamente
la
batería
está
la
frecuencia
en
la
carga
de
de
flotación, sin embargo los ciclos frecuentes de descarga, hacen
que
la
rejilla
de
calcio
en
la
placa
positiva
crezca,
disminuyendo así la vida útil del banco. (2)
4.3.1.2 BATERÍAS DE PLACA TUBULAR
Se
presenta
únicamente
en
las
placas
positivas
ya
que
las
negativas siguen siendo planas. El material activo de la placa
positiva se encierra en tubos porosos de plomo (ver figura 6).
Este tipo de placa proporciona la mayor densidad de energía al
tener una mayor superficie de contacto con el electrolito que una
batería de placa plana. Son además la más usada en aplicaciones
de descargas medias y altas. (2)
b) Material Activo Positivo
(vista superior)
a) Material Activo Positivo
(vista frontal)
c) Acabado final de una
Placa Tubular
Figura 6: Detalle de las placas tubulares de una batería.
4.3.1.3 BATERÍAS DE PLACA PLANTE
Una batería de placa Plantè es básicamente una batería de placa
plana constituida por plomo de alta pureza, usualmente
placas
son
de
forma
acanalada
o
poseen
perforaciones
estas
para
aumentar la superficie expuesta al electrolito (ver Figura 7), la
cual es proporcional a la capacidad de la batería. Este tipo de
placas tienen elevadas expectativas de vida útil frente a las
anteriores,
pero son excesivamente costosas. (2), (13)
Figura 7: Placa Planté
4.3.2 BATERÍAS ALCALINAS
Las placas son constituidas por una aleación de hidróxido de
níquel en la placa positiva, e hidróxido de cadmio en la placa
negativa, ambas inmersas en una solución de hidróxido de potasio
como
electrolito.
Dicho
electrolito
actúa
como
un
conductor
iónico para así no formar parte en la reacción electroquímica de
las placas. Estas características se traducen en la habilidad,
para
este
tipo
de
baterías,
de
poder
ser
descargadas
hasta
niveles muy bajos de tensión por celdas y ser recargadas sin
percibirse daños en ellas. (2)
La liberación de cadmio al medio ambiente representa una amenaza
potencial
a
la
salud,
ya
que
este
elemento
puede
llegar
a
alcanzar las aguas subterráneas o superficiales circundantes a
los rellenos sanitarios y puede entrar a la atmósfera a través de
las emisiones producidas por los incineradores de basura.
El cadmio es tóxico para los peces y para la fauna en general y
puede pasar a los humanos a través de la cadena alimenticia.
Además, ha sido asociado a numerosas enfermedades en los seres
humanos, en particular daños al hígado y a los pulmones. Una vez
que es absorbido por el organismo, el cadmio puede permanecer
allí por décadas. (4)
4.3.3 BATERÍAS SELLADAS
Este tipo de baterías no liberan gases como el hidrógeno y el
oxígeno,
sino
por
el
contrario
los
recombina
para
formar
nuevamente agua, lo que hace innecesario añadir agua destilada a
la batería. Posee,
además, válvulas para el escape de gases no
recombinados, las cuales actúan para que la presión interna de la
batería no exceda aproximadamente el límite de 0.3 atmósferas o
30 Kpa.
El mantenimiento de las baterías selladas se reducía tan solo a
mediciones de tensión por celda y reajuste del torque en los
conectores de las celdas del banco, para así evitar fallas en el
sistema. Actualmente se estudia también su resistencia interna,
lo
que
permite
conocer
más
detalladamente
su
capacidad
de
respuesta que en caso de que necesite actuar como respaldo del
sistema eléctrico al que está conectada.
Este tipo de baterías permite que sean instaladas prácticamente a
un lado del equipo que alimenta y además pueden ser dispuestas en
forma vertical u horizontal sin que ello afecte su eficiencia.
Dentro de la clasificación de baterías selladas se encuentran la
del tipo Gel y la del tipo AGM (fibra de vidrio absorbente, por
sus siglas en inglés) (Absorptive Glass Mat). (2)
4.3.3.1 Tipo Gel
Generalmente este tipo de baterías puede ser comparada con una
batería de placa tubular (aleación de plomo antimonio), donde
ahora
el electrolito
sulfúrico).
Debido
será
a
las
del
tipo
inmóvil
características
gelatinoso (ácido
anteriores,
estas
baterías son las ideales para descargas medianas y largas (2).
Las
baterías
tipo
gel
tienen
la
ventaja
de
que
no
hay
derramamiento
de
electrolito
en
caso
de
una
ruptura
del
contenedor.
4.3.3.2 Tipo AGM (fibra de vidrio absorbente)
El electrolito en este tipo de baterías es absorbido y mantenido
en su lugar por medio de fibra de vidrio contenida entre las
placas (ver Figura 8). El electrolito permanece en estado líquido
y se mantiene así a lo largo de todo el tiempo de vida de la
batería.
AGM
Placa
Positiva
(oscura)
Placa
Negativa
(gris)
Figura 8: Detalle del interior de una batería Tipo AGM
Al estar saturada la fibra de vidrio por el electrolito sólo
cerca
de
un
90%
del
total
disponible,
el
oxígeno
producido
durante la carga puede migrar rápidamente a la placa negativa y
recombinarse en forma de agua. Este mecanismo de recombinación es
quien
permite,
con
un
control
de
voltaje
de
carga
adecuado,
eliminar substancialmente las pérdidas de agua. (6)
Generalmente, a este tipo de baterías se le puede comparar con
una batería de placa plana (aleación de plomo-calcio) empastada,
donde
la
diferencia
microporoso
absorción
de
del
fibra
radica
de
electrolito,
en
vidrio
que
el
estando
el
separador
cual
éste
permite
comprimido
es
la
tipo
máxima
entre
las
placas, de tal manera que no haya pérdida de electrolito dentro
del contenedor. (2)
4.4
A
COMPARACIÓN ENTRE LOS DIVERSOS TIPOS DE BATERÍAS
continuación
se
muestra
un
resumen
comparativo
de
las
características de los principales tipos de baterías, donde se
destacan sus aplicaciones, ventajas y desventajas:
TABLA I: COMPARACIÓN ENTRE LOS DIVERSOS TIPOS DE BATERÍAS
BATERÍAS
APLICACIÓN
Descargas
PLOMO
rápidas
ANTIMONIO moderadas.
PLACA
PLANA
PLOMO
CALCIO
PLACA
PLANA
VENTAJAS
o Bajo costo.
Ciclos
de Bajo costo.
descarga
poco Consumen poco
frecuentes.
agua.
DESVENTAJAS
Tiempo de vida
útil limitado.
Liberan
hidrógeno.
Consumen agua.
Crecimiento de la
placa positiva.
Tiempo de vida
útil menor que
las tubulares.
Liberan
hidrógeno.
Descargas
moderadas.
Gran densidad de
energía.
Requieren poco
espacio para su
instalación.
Se utilizan
cuando se
requieran largos
tiempos de vida.
Mayor tiempo de
vida útil que las
anteriores.
Alto rendimiento.
Tiempo de vida
útil largo.
Fuertes
descargas.
Más de 20 años.
Son más costosas
que las
anteriores.
Liberan
hidrógeno.
Presentan el
mayor tiempo de
vida útil.
Mayor cantidad de
celdas, lo que
implica mayor
costo.
Tiempo de vida
útil vs. Costo.
TUBULARES
PLANTE
Ambientes
hostiles.
ALCALINAS
SELLADAS
Aplicaciones
militares.
Donde el
problema de
espacio es
imperativo.
Libres de
mantenimiento.
Alta densidad de
energía.
Son sumamente
costosas.
Incertidumbre
sobre su
condición
operativa.
CAPÍTULO 5
LAS BATERÍAS DE PLOMO ÁCIDO: CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES
Las
baterías
de
plomo-ácido
son
definitivamente
el
tipo
más
popular de dispositivos de almacenamiento secundario de energía y
los
aceptados
como
la
más
confiable
fuente
para
suministrar
corriente directa (DC) a cargas eléctricas.
Emerson Venezuela C.A. les otorga especial atención, dentro de
las
rutinas
sistemas
de
de
mantenimiento
respaldo
de
preventivo
energía,
a
las
y
predictivo
baterías
de
selladas
los
de
plomo-ácido, por ser ellas parte vital de los equipos UPS’s.
La cualidad principal de las baterías de plomo-ácido es que sus
procesos son reversibles. El material activo de la placa positiva
es peróxido de plomo, el de la placa negativa es plomo puro
poroso y el electrolito es una solución de ácido sulfúrico.
Durante
la
sulfuración
(descarga)
de
las
placas,
se
entrega
energía eléctrica al sistema y cuando se suministra energía, las
placas
positivas
y
negativas
se
transforman
nuevamente
en
peróxido de plomo y plomo esponjoso respectivamente, estado en el
cual
se
descarga.
encuentran
totalmente
cargada,
lista
para
una
nueva
Los
procesos
de
reacción
electroquímica
que
ocurren
en
una
batería de plomo ácido válvula-regulada (VRLA) son descritos a
continuación. Donde la “carga” consiste en alimentar a la batería
con corriente directa desde una fuente externa de energía para
cambiar químicamente el material activo en las placas negativas y
por consiguiente, almacenando en la batería energía eléctrica en
forma de energía química. La “descarga” consiste en ceder energía
eléctrica
desde
la
batería
hacia
un
equipo
externo
que
la
demande. (13)
En el estado final de carga, ocurre una reacción de formación de
oxígeno en las placas positivas, este oxígeno que viaja por el
interior de la batería, es absorbido en la superficie de las
placas
negativas
y
consumido.
Estos
procesos
de
reacciones
electroquímicas se expresan como se muestra en la Figura 9:
Figura 9: Reacciones químicas llevadas a cabo en las baterías.
Es importante hacer notar que si las baterías de plomo-ácido
permanecen
sulfatos
descargados
de
haciéndose
las
por
placas
indisolubles
y
largos
cambian
por
períodos
su
ende
de
tiempo,
estructura
las
reacciones
los
molecular,
se
hacen
irreversibles.
Una batería de plomo-ácido es un dispositivo de electricidad de
corriente directa (DC) que, al emplear interacciones químicas, se
ve
afectada
por
los
cambios
de
temperatura.
Los
valores
de
rendimiento de baterías estacionarias de plomo-ácido se basan en
una temperatura normal de 25ºC. Cualquier desviación de dicha
temperatura
afectará
el
rendimiento
de
la
batería
y
su
expectativa de vida.
Un
grupo
de
baterías
de
tamaño
idéntico,
de
la
misma
construcción, conectadas en serie forman un banco de baterías,
cuyo
voltaje
nominal
dependerá
de
la
cantidad
de
celdas
presentes.
La capacidad de descarga de una batería, es su habilidad para
suministrar corriente por un período de tiempo, a una temperatura
inicial de las celdas, manteniendo siempre el voltaje sobre un
valor mínimo. La capacidad es medida en amperios-horas para una
tasa de descarga. El rango de capacidad de una celda individual
es el rango de la batería completa. El rango de capacidad no
aumenta conectando las celdas en serie.
La capacidad de una batería totalmente cargada para producir un
cierto número de amperios-hora, a un cierto régimen de descarga,
es determinada principalmente por el tamaño y/o número de placas
positivas y negativas de la batería. Otro factor importante es el
tipo de construcción empleado en las placas positivas. (2)
5.1
APLICACIÓN
DE
UN
SISTEMA
DE
BANCOS
DE
BATERÍAS
ESTACIONARIAS.
Un
rectificador/cargador
es
un
dispositivo
que
convierte
corriente alterna (AC) en corriente directa (DC), compatible con
el voltaje de la batería y su corriente característica.
Las
combinaciones
del
rectificador/cargador
y
las
baterías
plomo-ácido se convierten en un sistema al conectarse a una carga
eléctrica.
La
carga
es
el
equipo
que
consume
energía
del
rectificador y/o la batería.
Se conoce como sistema de bancos de baterías en flotación, cuando
el cargador regula permanentemente el voltaje suministrado al
banco de baterías y a la carga.
El sistema de baterías estacionarias puede suministrar corriente
AC con la ayuda de un inversor, que convierte corriente DC en AC.
Los
principales
usuarios
de
sistemas
de
bancos
de
baterías
estacionarias de plomo-ácido son las compañías de teléfono y las
generadoras
y
transmisoras
ampliamente
utilizados
en
de
energía
plantas
de
eléctrica,
también
fabricación
son
industrial,
sistemas de comunicaciones, aeropuertos, sistemas de reservación
de líneas aéreas, hospitales, cuarteles de policía y bomberos,
sistemas de soporte de computadoras, plantas de tratamiento de
aguas
negras
y
muchas
otras
instalaciones
que
precisan
una
confianza crítica en la continuidad del servicio.
Los sistemas de bancos de baterías estacionarias de plomo-ácido
proporcionan una herramienta confiable, extremadamente flexible,
para mantener la estabilidad y continuidad energética. Algunas
aplicaciones incluyen:
a.- Corrección
de
las
caídas
de
voltaje
en
el
suministro
primario de corriente a niveles específicos.
b.- Absorción de los picos de voltaje por parte del sistema
de baterías antes que lleguen a equipos críticos.
c.- Filtración
de
“ruido”
eléctrico
producido
por
fuentes de potencia de los circuitos de energía.
otras
d.-Satisfacción de demandas de
corriente del
sistema que
temporalmente exceden la capacidad nominal de corriente
de
línea
de
incrementos
entrada.
de
Supliendo
de
de
duración
energía
corta
esta
forma
que
los
puede
experimentar el sistema protegido.
e.- Durante
la
interrupción
del
suministro
primario
de
energía, se emplea el sistema de bancos de baterías de
plomo-ácido
haciendo
como
fuente
posible
que
de
energía
cargas
de
emergencia,
selectas
continúen
funcionando por un período de tiempo específico.
f.-
Cuando
las
ininterrumpido
después
de
operaciones
de
que
energía
ha
requieren
DC
por
ocurrido
una
suministro
períodos
prolongados
interrupción
en
el
servicio de energía primaria, el sistema de bancos de
baterías puede servir como “puente” energético durante el
tiempo necesario para pasar de las líneas de entrada de
energía primaria a las fuentes alternas de energía de
entrada, tales como un circuito de corriente eléctrica de
reserva desde otra sub-estación o un generador de reserva
en sitio.
g.-
Cuando
no
se
dispone
de
una
línea
alterna
de
entrada al sistema de cargador/batería, puede programarse
una
interrupción
o
parada
controlada
utilizando la energía de la batería.
de
la
carga
5.2
FACTORES QUE AFECTAN LA DURACIÓN DE LA VIDA ÚTIL DE LAS
BATERÍAS.
La
expectativa
aplicaciones
de
vida
de
estacionarias
una
batería
puede
ser
de
hasta
plomo-ácido
de
20
en
años,
dependiendo de los siguientes factores:
Calidad de la mano de obra durante la instalación.
Tipo de diseño de la placa positiva.
Relación
entre
la
capacidad
de
la
batería
y
demanda de la carga.
Frecuencia de los ciclos de carga y descarga.
Profundidad de descargas.
Mantenimiento dado a las baterías durante la vida
del banco de baterías.
Temperaturas del lugar donde están instaladas.
Control del sistema de carga.(2)
la
CAPÍTULO 6
RESISTENCIA INTERNA DE LAS BATERÍAS
6.1
PARÁMETROS INTERNOS DE LA BATERÍA.
El trayecto conductivo a través de una celda engloba el tramo
metálico
u
óhmico
y
el
tramo
donde
está
envuelta
la
parte
electroquímica.
El tramo óhmico (resistencia metálica) incluye la resistencia de
los terminales o postes de la batería, los bastidores de aleación
de plomo que conectan al grupo de placas de la misma polaridad
(mostrados en la Figura 10), la rejilla que sostiene el material
activo de las placas y la conexión entre las rejillas y la pasta
(ver Figura 11), esta última constituida por óxido de plomo que
inunda los espacios vacíos de las rejillas.
Figura 10: Detalle del bastidor de una batería.
Por
su
parte,
electroquímica)
el
tramo
incluye
la
electroquímico
pasta
(material
(resistencia
activo),
el
electrolito y los separadores encargados de impedir el contacto
físico entre las placas pero que permiten la transferencia de
iones entre ellas.
Rejillas con Pasta
Rejillas sin Pasta
Figura 11: Detalle de las rejillas de una batería con y sin
material activo
El circuito equivalente y el circuito equivalente simplificado de
una batería se muestran en las Figuras 12 y 13 respectivamente.
(7)
Figura 12: circuito
Figura 13: Circuito
equivalente de una batería.
simplificado de una batería.
6.2
PRINCIPALES CAUSAS DE FALLAS EN BATERÍAS
Cabe destacar que todas las baterías de plomo ácido tienen un
tiempo de vida limitado. El problema más común de una batería
VRLA (batería de plomo-ácido de válvula regulada) que conlleva al
agotamiento de la vida útil de la misma ha sido la pérdida de
agua en el electrolito.
Los siguientes problemas son los causantes más comunes de la
falla prematura de las baterías:
•
Escape de ácido a través de los sellos defectuosos de los
postes, causando
con
esta
fuga problemas
en
la
conexión
poste-intercelda.
•
Bajo voltaje de flotación: al no haber suficiente corriente
pasando
a
través
de
las
celdas
para
mantenerlas
completamente cargadas se produce la formación de cristales
de sulfato en la superficie de las placas. Los cristales de
sulfato
se
endurecen
con
el
paso
del
tiempo
y
no
se
disuelven cuando a la batería se le aplica de nuevo el
voltaje
adecuado,
causando
una
pérdida
permanente
de
la
capacidad de la misma. Este problema se manifiesta como un
incremento de la resistencia de las celdas.
•
Alto voltaje de flotación: esta condición causa una excesiva
formación
de
conduciendo
gases,
al
específicamente
secamiento
y
hidrógeno
potencial
y
aumento
oxígeno,
en
la
temperatura de las baterías VRLA. Además del desprendimiento
de
material
activo
manifestaciones
de
las
placas
anteriores
positivas.
implican
un
Todas
las
aumento
de
resistencia interna de las celdas.
•
Baja temperatura: la capacidad de las baterías disminuye a
bajas
temperaturas.
Bajo
esta
condición
es
necesario
un
voltaje de flotación más elevado del normal para mantener la
carga
de
la
batería
completa.
ajustado adecuadamente, las celdas
ocasionando
los
problemas
Si
el
cargador
no
está
podrían ser subcargadas,
mencionados
debido
a
un
bajo
voltaje de flotación.
•
Alta temperatura: esta condición ocasiona una disminución de
la expectativa de vida de la batería (a 35ºC la vida útil de
la batería se reduce al 50% de la nominal). Las elevadas
temperaturas incrementan, además, la corriente de flotación,
lo que promueve que el electrolito de las baterías VRLA se
seque.
•
El almacenamiento de las baterías por tiempo prolongado a
elevadas temperaturas ocasiona pérdida de su capacidad a tal
punto que puede llegar a ser imposible recuperarla al ser
sometida a una recarga (Figura 14).
Figura 14: Relación entre la temperatura y la autodescarga de
una batería.
Figura 15: Efecto de la temperatura sobre la vida útil de las
baterías.
•
Sobredescargas:
al
someter
la
batería
a
descargas
por
períodos prolongados se produce una expansión anormal de las
placas, que pudiera producir daños permanentes en las celdas
y
ocasionar
que
la
batería
no
acepte
ser
recargada
nuevamente.
•
Aumento de la resistencia electroquímica: el incremento de
este parámetro se debe a problemas en el material activo, ya
que pudiera presentarse su desprendimiento de la rejilla,
como se muestra en la Figura 16.
Figura 16: Material activo desprendido de la rejilla.
•
Aumento de la resistencia metálica: una elevada resistencia
metálica implica un problema en el trayecto de conducción,
que puede ocasionar fallas graves como una explosión.(11),
(12)
CAPÍTULO 7
MEDICIÓN DE RESISTENCIA INTERNA EN BATERÍAS
DE PLOMO-ÁCIDO DE
VÁLVULA REGULADA (VRLA)
7.1
PRINCIPIO BÁSICO DE MEDICIÓN
La resistencia interna se determina siguiendo una secuencia de
pasos establecida, donde se tiene que a través de un voltímetro
el
equipo
de
medición
determina
el
valor
de
la
resistencia
variable que va a ser aplicada como carga y la corriente que
atraviese dicha resistencia será censada por un amperímetro al
momento
de
realizar
la
prueba,
de
este
modo
el
medidor
de
resistencia interna registra los valores de voltaje y corriente
antes y después de someter a la batería a la carga de prueba. Los
gradientes de voltaje y corriente, por Ley de Ohm, arrojan el
valor de la resistencia interna de la batería.
7.2
MÉTODOS DE MEDICIÓN DE RESISTENCIA INTERNA
7.2.1 MÉTODO DE CARGA DC
Los instrumentos de prueba de carga DC someten a la batería a una
corriente de carga momentánea que puede variar entre 1 y 70
amperios, dependiendo del tamaño de la batería. La resistencia
interna
produce
entonces
una
caída
o
subida
instantánea
del
voltaje cuando la carga es aplicada o removida, respectivamente.
Figura 17: Circuito equivalente de una batería visto por un
medidor DC.
El
medidor
corriente
de
y
resistencia
voltaje
antes
interna
de
toma
remover
lectura
la
carga
del
y
valor
de
después
de
retirarla vuelve a tomar el valor de la tensión que recupera la
batería,
de
este
modo
por
simple
Ley
de
Ohm
se
obtiene
ecuación (1) tal y como se muestra en la Figura 18.(7),(8)
Rint =
∆V
I
EC (1)
la
FIGURA 18: DETALLE DE LA CAÍDA DE TENSIÓN USADA PARA MEDIR
RESISTENCIA INTERNA.
7.2.2 MÉTODO DE CONDUCTANCIA AC
Los instrumentos de inyección de corriente AC, mejor conocidos
como medidores de conductancia o de impedancia aplican una señal
de prueba a la batería y luego miden el voltaje AC y la corriente
resultante. El valor de la impedancia
Z=
varía
con
la
V
I
frecuencia,
EC (2)
lo
que
implica
que
el
valor
de la
reactancia capacitiva del capacitor del circuito equivalente de
la batería oculta el valor de la resistencia electroquímica por
encontrase ambos en paralelo, de acuerdo al circuito equivalente
mostrado en la Figura 19. (8)
Figura 19: Circuito equivalente de una batería.
7.2.3 MÉTODO
DE
ESPECTROCOPIA
DE
IMPEDANCIA
MULTIFRECUENCIA
Con el método espectroscopia de impedancia multifrecuencia de
(EIS)
batería
se
evalúan
aplicando
las
un
características
voltaje
AC
con
electroquímicas
frecuencias
de
variables
la
y
midiendo la corriente de la celda electroquímica producida como
respuesta. Las frecuencias pueden variar desde 100 µHz hasta 100
kHz y es necesario procesar hasta 40 millones de datos por cada
medición. (9)
7.3
DIFERENCIA ENTRE MEDICIONES AC Y DC
Considerando el modelo eléctrico de la batería mostrado en la
Figura 12 es posible percatarse que al aplicar una medición DC,
el circuito se simplifica al ignorar el capacitor, ya que la
reactancia capacitiva con frecuencia cero tiende al infinito, en
pocas
palabras,
un
abierto.
Por
lo
anterior,
la
resistencia
interna de la batería viene dada por la resistencia metálica y la
resistencia electroquímica.
Con una medición AC, el capacitor no puede ser ignorado, y al
estar en paralelo con la resistencia electroquímica ocultará los
problemas que esta última pudiera tener. A altas frecuencias el
capacitor se comporta con un cortocircuito y el instrumento de
medición en AC no detectará la resistencia electroquímica, sin
importar la magnitud que ésta tenga.
El efecto del capacitor depende de la frecuencia a la que sea
sometido y de su tamaño, el cual viene dado por los Ampere-Hora
de la batería. (10)
En el Apéndice 1 pueden verse las mediciones que, en teoría, se
registrarían con un instrumento AC y otro DC.
7.4
FACTORES
QUE
AFECTAN LA PRECISIÓN DE LAS PRUEBAS ÓHMICAS
7.4.1 RUIDO ELÉCTRICO
Todas las baterías estacionarias están conectadas a un cargador
normalmente. Esto implica que el instrumento que se emplee para
realizar las pruebas óhmicas debe ser capaz de operar bajo este
ambiente eléctricamente ruidoso.
La gran cantidad de rizado (ripple) presente en la corriente
interferirá con las mediciones realizadas con un probador AC. Es
común encontrar corrientes de ripple de 25 amperios rms fluyendo
a través de un UPS de 300 kVA. La cantidad de ripples presentes
en la corriente depende de
cuánta carga esté siendo aplicada al
UPS.
Un
equipo
de
medición
AC
mostrará,
típicamente,
distintas
lecturas para el mismo modelo de baterías cuando dichas lecturas
pertenezcan a dos sistemas cuyos UPS tengan cargas distintas.
Si se realiza de manera correcta, las lecturas de un medidor DC
ignorarán virtualmente el ripple, arrojando los mismos resultados
al estar o no las baterías sometida a la carga. (10)
7.4.2 CORRIENTE DE PRUEBA:
La amplitud de la corriente de prueba es un factor sumamente
importante
para
eléctricamente
una
adecuada
ruidoso,
esta
medición
corriente
óhmica
debe
en
ser
un
ambiente
elevada
garantizar la resolución requerida por la medición. (10)
para
CAPÍTULO 8
MEDICIÓN DE RESISTENCIA INTERNA EN BANCOS DE BATERÍAS EN PLENA
OPERACIÓN.
A continuación se especificarán los instrumentos y procedimientos
empleados para la medición de los niveles de resistencia interna
en
bancos
de baterías
en
plena
operación,
cuyo
mantenimiento
preventivo se encuentra a cargo de Emerson Venezuela C.A.
8.1
El
INSTRUMENTO DE MEDICIÓN
aparato empleado para
realizar
la
medición
de
resistencia
interna de las baterías fue un Cellcorder CRT-300 fabricado por
la empresa AlbèrCorp, mostrado en la Figura 20 el cual emplea el
método de carga DC mencionado anteriormente.
Fpunta
Figura 20: Medidor de resistencia interna Cellcorder CRT-300
El
Cellcorder
permite
obtener
las
mediciones
de
voltaje
de
flotación y resistencia interna de cada batería, seleccionando
automáticamente
la
resistencia
carga.
de
duración
Los
de
la
prueba
resultados
de
y
el
las
valor
de
mediciones
la
son
mostrados en una pantalla de cristal líquido y a su vez pueden
ser almacenados en una tarjeta de memoria Smart Media, los datos
pueden ser transferidos a un computador por medio de un lector de
tarjetas de memoria o mediante un puerto infrarrojo. El equipo
tiene
un
costo
de
4500
dólares
americanos,
este
precio
es
sumamente bajo si se considera el hecho de que gracias al CRT-300
pueden
prevenirse fallas
en
la continuidad
del
suministro
de
energía a cargas críticas durante una interrupción de la fuente
de alimentación principal.
8.2
PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN
Se toman las medidas de seguridad descritas en el Apéndice 3.
Se selecciona en el Cellcorder un lugar en la memoria del equipo
para almacenar los datos que van a registrarse. Se elige
la
opción Voltage Mode en el Cellcorder y usando las puntas de
prueba para medición de voltaje (Figura 21) se mide la tensión en
bornes en cada batería.
Cuando las puntas hacen contacto con los terminales, la pantalla
del equipo muestra el número de batería y el voltaje registrado
para cada una de ellas en valor absoluto, por lo que la polaridad
es ignorada.
Una vez obtenidos los voltajes de flotación se selecciona en el
menú
del
Cellcorder
la
opción
Resistance
Mode,
allí
se
especifican los Ampere Hora de las baterías, su voltaje y el tipo
de conexión intercelda.
Los
datos
mencionados,
junto
con
los
valores de voltaje, permiten al equipo seleccionar la corriente y
la resistencia de carga para cada prueba.
Figura 21: Colocación de puntas de prueba en los postes de la
batería.
La
medición
de
resistencia
interna
se
realiza
empleando
las
puntas de prueba dispuestas para tal fin, mostradas en la Figura
22.
Figura 22: Puntas
de
prueba
para medir resistencia interna.
La resistencia interna puede ser medida usando las puntas “tipo
espada”
o
las
de
“tipo
pinza”.
Las
primeras
sólo
miden
la
resistencia interna de las baterías y las segundas permiten medir
tanto la resistencia interna de las baterías como la resistencia
de las conexiones entre ellas.
Cuando las puntas de prueba están debidamente colocadas en los
bornes la batería (Figura 21) se presiona el botón TEST para
iniciar la prueba. En la pantalla aparece entonces indicado de
forma porcentual el progreso de la medición.
Una vez finalizadas las pruebas se procede al almacenamiento de
los datos en la tarjeta extraíble de memoria.
El procedimiento total de medición puede verse con todo detalle
en el diagrama de flujo del Apéndice 6.
8.3
SOFTWARE EMPLEADO PARA EL ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
OBTENIDOS CON EL CELLCORDER CRT-300.
El software usado para analizar los resultados obtenidos con el
medidor de resistencia interna fue el Battery Analysis System
Versión
1.8.0.25.
Este
programa
es
capaz
de
realizar
las
siguientes funciones:
•
Mostrar los datos obtenidos por el Cellcorder CRT-300 en
gráficos de barras y en formato tabular.
•
Crear e imprimir reportes con los datos seleccionados.
•
Modificar los datos y almacenarlos en un archivo.
•
Fusionar los archivos de mediciones de datos registrados en
distintas fechas para crear una curva de tendencia de las
baterías en el tiempo.
8.4
MUESTRA SELECCIONADA
La medición de la resistencia interna de los bancos de baterías
instalados
en
aplicaciones
UPS
se
realizó
en
tres
empresas
elegidas como muestra. El criterio de selección se basó en la
edad de las baterías y en el intervalo de repetición de los
mantenimientos preventivos. Los bancos de baterías de la muestra
tienen
no
menos
de
un
año
de
operación,
lo
que
aumenta
la
probabilidad de encontrar baterías defectuosas, además se les
realiza
mantenimiento
preventivo
mensualmente,
facilitando
de
esta forma el registro consecutivo de los valores de resistencia
interna.
Debido a una cláusula de confidencialidad especificada en los
contratos
de
mantenimiento,
los
nombres
de
las
empresas
que
fungen como clientes de Emerson Venezuela C.A. no pueden ser
divulgados, es por ello que para efectos de este informe de
pasantías serán denominadas: Empresa A, Empresa B y Empresa C.
8.4.1 Caso 1: Empresa A
La Empresa A está ubicada en la ciudad de Caracas y se dedica al
negocio de la televisión por suscripción. Poseen dos equipos UPS
modelo Series 600 de 300 kVA cada uno, los cuales cuentan con 3
bancos de 40 baterías por UPS marca DINASTY, modelo UPS 12-370.
Al realizar el mantenimiento preventivo del UPS A por primera vez
en un año y medio, se detectó que en los bancos de baterías 1 y 2
se
presentaba
una
condición
de
circuito
abierto
debido
a
la
fuerte corrosión y a los altos niveles de resistencia interna que
mostraban
algunos
de
sus
elementos
(ver
Figura
23),
incluso
algunos postes se encontraban separados del contenedor (Figura
24).
Figura 23: Sulfatación y desprendimiento de bornes por falta de
mantenimiento preventivo.
Figura 24: Desprendimiento de borne por efectos de la corrosión.
El mantenimiento preventivo
de
estos
bancos
de
baterías
pudo
haber evitado estos efectos, ya que se hubieran detectado fallas
como la obstrucción de las rejillas de ventilación en la parte
superior
de
los
gabinetes
de
las
baterías
(Figura
25),
pudo
haberse detectado la corrosión de los terminales de las baterías
en una fase más temprana y haber actuado adecuadamente aplicando
sustancias
para
el
desplazamiento
de
humedad
y
remoción
de
herrumbre.
Los
registros
de
temperatura
son
parte
fundamental
de
los
mantenimientos preventivos, la ausencia de ellos por un año y
medio no permitió un oportuno control de este parámetro, lo que
pudo acelerar los daños que se presentaron.
Figura 25: Detalle de la obstrucción de las rejillas de
ventilación de los gabinetes de las baterías de la Empresa A.
El banco número 3, sin embargo, sólo manifestaba anomalías en
tres de sus baterías (ver Figura 26) por lo que fue preciso
extraer de los bancos 1 y 2 las menos afectadas (aquellas que
presentaban
el
valor
de
resistencia
interna
más
bajo)
para
reemplazar las tres averiadas del banco 3, labor que resultó
infructuosa dado que sólo pudieron ser sustituidas dos baterías.
Para poder dejar en servicio el UPS con un solo banco de baterías
y con 39 de ellas en lugar de 40, fue necesario recalcular el
tiempo de respaldo para esta condición, a fin de asegurar el
lapso mínimo para que entrara en funcionamiento el motogenerador.
Para
obtener
el
tiempo
de
autonomía
bajo
esta
condición
de
operación fue necesario realizar múltiples llamadas telefónicas a
fin de obtener los datos de descarga que provee el fabricante de
las baterías y programar una hoja de cálculo para procesar esta
información, actividades que acarrearon una pérdida de tiempo e
incrementaron las posibilidades de cometer un error al procesar
datos y fórmulas bajo presión.
El cálculo hubiera podido hacerse de manera rápida y precisa si
se hubiese contado con
respaldo del UPS.
un programa para estimar el tiempo de
Figura 26: Perfil de tensiones y de resistencias internas del
banco de baterías #3 de la Empresa A.
8.4.2 Caso 2: Empresa B
La Empresa B está localizada en la ciudad de Caracas y representa
a
un
trasnacional
holandesa
dedicada
a
la
explotación
y
comercialización de petróleo. Posee un equipo UPS modelo AP341 de
30kVA, el cual cuenta con un banco conformado por 30 baterías,
marca Emerson, modelo UH12V-370A.
Las baterías fueron instaladas en febrero de 2004 y hasta agosto
de
2005
no
habían
presentado
anomalía
alguna,
durante
el
mantenimiento preventivo de ese mes se detectó una variación en
el nivel de voltaje de la batería número 5, por lo que fue
requerido el uso del medidor de resistencia interna a fin de
constatar o descartar la presencia de una posible falla en el
sistema de respaldo de energía.
Las
mediciones
arrojaron
un
valor
elevado
en
la
resistencia
interna de la batería sospechosa, que superaba el 150% de su
valor base (Figura 27) y se determinó que debía ser reemplazada
lo
antes
posible
para
garantizar
el
suministro
constante
de
energía eléctrica ante una falla de la red eléctrica externa.
Figura 27: Valores de voltaje y resistencia interna del banco de
baterías de la Empresa B que muestran una
fuera de rango normal.
batería con valores
8.4.3 Caso 3: Empresa C
La Empresa C está localizada en la ciudad de Caracas y representa
a
un
trasnacional
comercialización
norteamericana dedicada
de
petróleo.
Los
UPS
a
allí
la
explotación
instalados
y
y
sus
bancos de baterías respectivos, protegen la información sobre los
niveles de extracción y comercialización del crudo proveniente de
los pozos que le fueron adjudicados, así como la información de
sus
transacciones
modelo
AP-356
de
comerciales.
50
kVA
cada
Los
UPS’s
son
uno
y
baterías
las
Marca
Liebert,
son
marca
Emerson, modelo UH12V-500 A.
Los UPS y los bancos de baterías están ubicados en el octavo piso
de una torre de oficinas, por lo que el respaldo de energía
reposa únicamente en las baterías al no existir un motogenerador
disponible.
Las
mediciones
de
resistencia
interna
que
fueron
registradas
durante las visitas de mantenimiento preventivo efectuadas en los
meses de Septiembre, Octubre y Noviembre mostraron una tendencia
notable al alza del valor de este parámetro en la batería # 16
del banco # 1, tal y como se muestra en los gráficos de los
perfiles de resistencia interna presentados en las Figuras 28; 29
y 30.
Figura 28: Perfil de resistencias internas del Banco # 1 de la
Empresa C, correspondiente al mes de Septiembre de 2005.
Figura 29. Perfil de resistencias internas del Banco # 1 de la
Empresa C, correspondiente al mes de Octubre de 2005.
Figura 30. Perfil de resistencias internas del Banco # 1 de la
Empresa C, correspondiente al mes de Noviembre de 2005.
El incremento en el valor de la resistencia interna de la batería
#16 del banco #1 de la Empresa C puede verse resumido en la curva
de tendencia mostrada en la Figura
31 y que de acuerdo al modelo
de la batería se sabe que su valor base de resistencia interna
corresponde a 4010 µΩ. Según el aumento mostrado por esta batería
de 320 µΩ como promedio mensual, se puede inferir que alcanzará
el 150% de su valor base en el mes de enero de 2006, permitiendo
al cliente programar una transferencia de la carga hacia el UPS #
2
para
sustituir
esta
batería
desprotegido su Data Center.
por
una
nueva,
sin
dejar
Figura 31. Curva de tendencia de resistencia interna de la
batería # 16 del banco # 1 de la Empresa C.
Durante los mantenimientos preventivos también se detectó una
baja temperatura dentro de los gabinetes que contienen los bancos
de baterías, esta condición afecta sin duda alguna la capacidad
de las baterías. Ingresando en el programa para estimar tiempo de
respaldo los datos del modelo del UPS, de su carga conectada, de
la
temperatura
y
los
datos
de
las
baterías,
se
obtuvo
una
diferencia apreciable en el tiempo de autonomía ante una falla
para las condiciones actuales y las ideales para su temperatura
de
operación,
estas
discrepancias
pueden
resumida en la Tabla II y la Tabla III.
observarse
de
forma
TABLA II. DIFERENCIAS EN EL TIEMPO DE AUTONOMÍA DEL UPS 1 DEBIDO
A BAJA TEMPERATURA.
CONDICIONES DE OPERACIÓN
UPS 1
Modelo UPS:
AP-356
Modelo Baterías:
UH12V-500A
Número de Celdas:
180
Voltaje de Corte por Celda:
1.75Voltios
Potencia de la Carga:
11,5kVA
Factor de Potencia de la Carga:
0,95
Bancos en Paralelo:
1
Potencia Nominal del UPS:
50kVA
Porcentaje de Carga del UPS:
23%
Eficiencia del inversor del UPS:
86,1182192%
Temperatura Ecuación de curva de descarga Autonomía
13ºC
y=1902,08815x-0,59260
260,064 min
25ºC
y=2118,37122x-0,59260
311,893 min
Variación de Temperatura Variación de Tiempo de Autonomía
12ºC (48%)
51,83min (16,6%)
TABLA III. DIFERENCIAS EN EL TIEMPO DE AUTONOMÍA DEL UPS 2 DEBIDO
A BAJA TEMPERATURA.
CONDICIONES DE OPERACIÓN
Modelo UPS:
Modelo Baterías:
UPS 2
AP-356
UH12V-500A
Número de Celdas:
180
Voltaje de Corte por Celda:
1.75Voltios
Potencia de la Carga:
14,75kVA
Factor de Potencia de la Carga:
0,95
Bancos en Paralelo:
1
Potencia Nominal del UPS:
50kVA
Porcentaje de Carga del UPS:
29,5%
Eficiencia del inversor del UPS:
87,299%
Temperatura Ecuación de curva de descarga
Autonomía
14,5ºC
y=1930,52521x-0,5926
179,279min
25ºC
y=2118,37122x-0,59260
209,692min
Variación de Temperatura Variación de Tiempo de Autonomía
10,5ºC (42%)
30,4min (14,5%)
Las diferencias de 52 minutos en el caso del UPS 1 y de 30
minutos en el caso del UPS 2 son realmente significativas durante
una eventual falla, ya que las baterías son el único soporte de
energía alterna en este sistema eléctrico.
Las
bajas
temperaturas
censadas
dentro
de
los
gabinetes
son
producto de unas salidas de aire acondicionado, provenientes del
piso, justo debajo de los gabinetes. Estas observaciones fueron
hechas al personal de la Empresa C responsables de ese espacio, a
fin
de
tomar
las
acciones
correctivas
con
el
propósito
de
aprovechar la capacidad para la cual fueron diseñados los bancos
de baterías.
8.5
OBSERVACIONES FINALES SOBRE LOS HALLAZGOS EN LA MUESTRA
SELECCIONADA.
Cabe destacar que el lugar donde reposan las baterías debería
garantizar una temperatura constante de 25ºC y un flujo de aire
que evite la acumulación de gases, que ellas producen, por encima
del límite recomendado de 2% de volumen de Hidrógeno o 100 litros
de H2 en 5 m3 de aire del recinto donde se encuentren (15). Una
temperatura
por
encima
de
25ºC
acorta
la
vida
útil
de
las
baterías, como se muestra en la Figura 15, mientras que una
temperatura por debajo de ese límite reduce la capacidad para
entregar energía. (16)
Hay
que
mencionar
que
los
sistemas
de
aire
acondicionado
de
confort son diseñados con un rango de enfriamiento sensible de
alrededor de 0,6 a 0,7. Esto significa que de un 60% a un 70% de
la potencia consumida por el sistema de confort se empleará para
bajar la temperatura del aire, mientras que un equipo de aire
acondicionado
capacidad
de
de
precisión
trabajo
para
empleará
remover
entre
85%
el
aire
y
95%
de
su
caliente(17).
Redundando esto en un ahorro por concepto de energía.
Otra gran diferencia entre sistemas de confort y precisión es el
volumen del aire que deberá ser movido. Típicamente, un sistema
de confort moverá el aire a través de su serpentín en el rango de
350
a
400
CFM
por
tonelada
de
enfriamiento.
Un
sistema
de
Precisión moverá el aire en un rango que va desde 500 hasta 600
CFM (17). Esto permite obtener una temperatura uniforme en todo
el recinto y por lo tanto garantizar que todas las baterías
estarán a una temperatura homogénea.
Los mantenimientos preventivos efectuados a los equipos UPS’s y
sus respectivos bancos de baterías son una herramienta vital para
evitar fallas en los sistemas de respaldo de energía, su costo
mensual ronda los 650 mil bolívares, este monto es ínfimo si se
considera que se ha realizado una inversión de aproximadamente
Bs.65 millones por un equipo UPS típico de 50 kVA y de
cerca de
Bs. 18 millones por un banco de baterías de 370 Vatios por celda
(ver
Apéndice
11).
No
se
justifica
dejar
sin
servicio
de
mantenimiento a estos equipos por ahorrar unos cientos de miles
de bolívares, arriesgando perder sumas mucho mayores e inclusive
vidas humanas.
CAPÍTULO 9
PRUEBAS DE DESCARGA DE BATERÍAS REALIZADAS EN EL LABORATORIO DE
LA EMPRESA EMERSON VENEZUELA C.A.
Se realizaron pruebas de carga y descarga controladas a un banco
de
20
baterías,
usados
por
Emerson
Venezuela
C.A.
para
ser
alquilados a otras empresas. A las baterías les fueron medidos
los niveles de tensión, corriente y temperatura en intervalos de
tiempo
regulares.
Las
baterías
se
encuentran
ubicadas
en
el
Centro de Pruebas y Mediciones de Emerson Venezuela C.A. y allí
están conectadas a un UPS marca Liebert, modelo GXT de 10 kVA.
Este equipo fue usado para cargar las baterías y descargarlas
controladamente
con
el
uso
de
un
banco
resistivo
con
configuración en Y, solamente conectando dos de sus ramas, puesto
que el UPS es bifásico.
9.1
EQUIPOS UTILIZADOS PARA LAS PRUEBAS
9.1.1 BANCO DE BATERÍAS
El banco de baterías estaba conformado por 20 monobloques marca
Dynasty,
modelo
UPS12-270,
de
seis
celdas
por
unidad.
Estas
baterías
poseen
un
electrolito
de
ácido
sulfúrico
(H2SO4)
inmovilizado mediante tecnología AGM, con una gravedad específica
de 1,3.
Estas
baterías
son
capaces
de
entregar
282
Vatios
por
celda
durante 15 minutos con un punto de corte de 1,67 Voltios por
celda. Las conexiones fueron hechas usando el torque recomendado
de 4,0 N-m (ver Apéndice 7 para ver más detalles sobre este
modelo de baterías).
9.1.2 UPS
El UPStation GXT de la marca Lierbert, con capacidad 10 kVA,
mostrado en la Figura 32 fue el modelo empleado para realizar las
pruebas de carga y descarga de las baterías.
Figura 32: Vista frontal y posterior del UPStation GXT de 10 kVA
usado en para las pruebas
Este equipo está diseñado para operar on-line, significa que la
salida del UPS está continuamente alimentando de manera regulada
y acondicionada la carga, es decir que la entrada en AC que lo
alimenta es rectificada para obtener
una señal DC, esta última
es usada para cargar al banco de baterías hasta que alcance su
voltaje de flotación. De forma simultánea, la señal DC alimenta
al
inversor
del
UPS,
el
cual
genera
una
onda
sinusoidal
de
voltaje estable y sin perturbaciones, debido a sus procesos de
modulación de ancho de pulso (PWM).(ver Figuras 33 y 34).(ver
Apéndice 2 para Detalles Técnicos).
Figura 33: Modo de funcionamiento normal de un UPS
Figura 34: UPS actuando en modo de respaldo
Detalle de los Componentes del UPS
9.1.2.1
Rectificador
La función del rectificador es la de convertir la entrada al UPS
de voltaje AC
rectificador
en un voltaje DC. La salida de voltaje DC del
depende
de
la
amplitud
de
la
entrada
AC.
El
rectificador está compuesto por SCR’s (Rectificador Controlado de
Silicio, por sus siglas en inglés), configurado como un puente de
onda completa. Durante operación normal los SCR’s son encendido
actuando exactamente como un puente de diodos. De esta forma, el
rectificador puede estar encendido cuando la entrada de voltaje
permanezca dentro de un rango aceptable y ser apagado cuando el
voltaje de entrada está fuera de tolerancia.
Un buen ejemplo de esto es, después de que ocurre una falla de
energía, la tensión de la red retornará, pero no a un nivel
óptimo. En este caso, el UPS continúa operando haciendo uso de
las baterías hasta que la tarjeta de control determine que la
entrada
sea
estable,
es
allí
cuando
se
enciende
entonces
el
rectificador.
9.1.2.2 Convertidor
Corrector
de
Factor
de
Potencia/Elevador (PFC/Boost)
El
convertidor
PFC/Boost
recibe
tensión
DC
desde
la
sección
rectificadora y eleva este al nivel DC requerido por el inversor.
Esto es llevado a cabo gracias a la variación del tiempo de carga
y descarga de los inductores PFC usados como dispositivos de
almacenamiento
de
energía,
dando
como
resultado
un
Bus
DC
altamente regulado de aproximadamente ±373 VDC. Debido a que el
UPS
puede
incluyendo
operar
una
dentro
pérdida
de
un
amplio
total
de
la
rango
entrada,
de
el
entradas,
voltaje
de
alimentación del circuito PFC puede también variar ampliamente ya
que mediante el circuito de control del PFC se aumenta el tiempo
de los pulsos de disparo (incrementando el ciclo de trabajo) de
tal manera de mantener una amplitud constante a su salida. La
energía
es
almacenada
y
suavizada
por
condensadores
DC
a
la
salida del IGBT del PFC.
La sección del PFC realiza la corrección del factor de potencia
de entrada censando la tensión y corriente de entrada. La carga y
descarga de los inductores es controlada de tal manera que la
forma de onda de corriente de entrada es muy parecida a una onda
senoidal y en fase con la forma de onda del voltaje de entrada
(Figura 35).
Figura 35: Diagrama de bloques del control de PFC/Boost
9.1.2.3 Circuito Inversor
El inversor del UPStation GXT consiste en un IGBT dual, un filtro
de salida y un circuito de control que provee a los transistores
de señales de disparo. La salida del Bus DC proveniente de la
sección de PFC (corrección del factor de potencia, por sus siglas
en inglés) es aplicada al IGBT del inversor. Cuando el IGBT se
enciende, la corriente fluye a través del filtro de salida, donde
el voltaje de salida es suavizado. (ver Figura 36)
El patrón de los PWM del inversor es generado en la tarjeta de
control y producido al contrastar la forma de onda de entrada al
inversor
con
una
referencia
generada
por
el
sistema.
Una
comparación de ambas resulta en una señal de error que opera a la
frecuencia de salida del sistema (ver Figura 37). La forma de
onda obtenida es la base de un ciclo de trabajo variable que
controla la forma de onda de corriente que fluye a través del
IGBT para crear una forma de onda de salida AC.
Figura 36: Diagrama de bloques del circuito inversor del
UPStation GXT de 10 kVA usado para las pruebas.
Figura 37: Diagrama de bloques de la Generación de PWM.
9.1.2.4 Cargador de baterías.
El cargador de baterías es alimentado desde el Bus DC de la PFC.
El cargador opera bajando la tensión del Bus DC al valor de
flotación requerido para el banco de baterías. La salida del
cargador es de corriente limitada para de esta manera mantener la
corriente de recarga dentro de los niveles establecidos para las
baterías.
9.1.3
Termómetro
Fue usado un termómetro infrarrojo modelo 80T-IR, marca FLUKE
(ver Apéndice 10), mostrado en la Figura 38,
el cual no requiere
estar en contacto con el objeto cuya temperatura desea conocerse.
Este instrumento genera una señal de 1 milivoltio (mV) por cada
grado Celsius (ºC) censado, con una precisión del 3%.
Figura 38: Termómetro infrarrojo Fluke modelo 80T-IR
Para poder registrar las lecturas de temperatura, el termómetro
fue conectado a un osciloscopio digital modelo 124, marca Fluke,
como el que se muestra en la Figura 39. La exactitud de las
temperaturas mostradas por el osciloscopio es del orden del 0.5%,
equivalente
a
la
corriente continua.
exactitud
de
las
mediciones
de
voltaje
de
Figura 39: Osciloscopio digital Fluke modelo 124
9.2
Procedimiento de Medición
Inicialmente se conectaron las baterías al UPStation para ser
cargadas, la corriente de carga estaba limitada a 1,5 Amperios y
el voltaje de flotación del banco fue fijado a 275 Voltios DC, la
alimentación del UPS provenía de la red eléctrica comercial de
208 Voltios DC.
Una
vez
que el banco de
baterías
se
cargó
por
completo,
se
conectó un banco resistivo puro a la salida del UPS, como se
mencionó, sólo dos de las ramas resistivas del banco de carga en
configuración
estrella
fueron
conectadas.
Seguidamente
se
suprimió al UPS la alimentación de tensión procedente de la red
pública, para que de esta forma alimentar a la carga empleando la
energía almacenada en el banco de baterías y poder así realizarle
a este último las mediciones de voltaje, corriente y temperatura
en intervalos regulares de tiempo, a fin de procesar los datos
recolectados y establecer los patrones de comportamiento de las
baterías seleccionadas como muestra para su posterior análisis y
comparación.
9.3
Selección de la muestra
Las
baterías
a
las
cuales
se
les
practicó
el
estudio
de
comportamiento térmico y de desempeño durante una descarga fueron
elegidas de acuerdo a su perfil de tensiones y sus niveles de
resistencia interna durante descargas previas realizadas en el
laboratorio de EMERSON VENEZUELA C.A bajo condiciones controladas
y
registrados con
anterioridad. Se
subgrupos cuyos patrones
fueron
separaron
similares
las
entre
baterías
sí,
luego
en
se
seleccionó aleatoriamente una batería de cada subgrupo a fin de
poder tener una muestra homogénea.
9.4
Resultados obtenidos.
La muestra conformada por 6 monobloques dejó en evidencia el
deficiente patrón de desempeño en baterías con elevados niveles
de resistencia interna, estos valores se muestran en la Tabla IV
, de donde pueden catalogarse las baterías número: 8; 15 y 16
como unidades críticas. Cabe destacar que los valores finales de
resistencia interna de las baterías 15 y 16 muestran magnitudes
iguales debido a que al menos alcanzaron o superaron el valor
máximo del rango de medición del CELLCORDER CRT-300.
TABLA IV: VALORES DE RESISTENCIA INTERNA DE LA MUESTRA ELEGIDA.
DESCARGA 1
DESCARGA 2
Resistencia Interna (micro Ohms)
Resistencia Interna (micro Ohms)
INICIAL
FINAL
INICIAL
FINAL
4
4583
6320
4552
6207
7
4415
6134
4375
6125
8
5134
21208
5301
23440
9
4366
5976
4336
6082
15
6311
65000
6638
65000
16
6296
65000
6835
65000
Batería
La Figura 40 y la Figura 41 muestran la potencia activa por celda
que
entrega
valores
cada
aceptables
batería
de
y
se
destaca
resistencia
que
interna
las
unidades
fueron
capaces
con
de
entregar una potencia uniforme y a un valor normal, mientras que
el resto de ellas presentó una baja potencia por celda desde el
inicio
de
la
prueba,
además
de
una
tendencia
a
disminuir
drásticamente los vatios por celda a medida que el tiempo de la
descarga iba transcurriendo.
Potencia por Celda Durante la Primera Descarga
65
60
55
50
45
40
35 Vatios por Celda
30
(Watts)
25
20
15
10
5
0
10
30
Tiem po (m in)
50
Batería
Batería
Batería
8
7
4
Batería
9
Batería
15
Batería
16
Figura 40: Potencia por Celda Durante la Primera Descarga.
Potencia por Celda Durante la Segunda Descarga
65
60
55
50
45
40
35 Vatios por Celda
30
(Watts)
25
20
15
10
5
0
10
30
Tiempo (min)
50
Batería 4
Batería 7
Batería 8
Batería 9
Batería
15
Batería
16
Figura 41: Potencia por Celda Durante la Segunda Descarga.
Aunado a esto, las baterías críticas manifestaron un aumento de
temperatura
superior
al
del
resto,
durante
la
descarga
(ver
Figura # 42 y Figura 43).
Niveles de Temperatura Durante la Primera Descarga
31
30
29
28
27 Temperatura (ºC)
26
25
24
23
Batería 15
Batería 8
Batería 7
Batería 4
0
Batería 9
30
Tiempo
(min)
Batería 16
60
Figura 42: Niveles de Temperatura Durante la Primera Descarga.
Niveles de Tem peratura Durante la Segunda Descarga
33
31
29
27
Tem peratura (ºC)
25
60
Batería 15
Batería 9
Batería 8
Batería 4
0
Batería 7
Tiem po (m in)
Batería 16
23
30
Figura 43: Niveles de Temperatura Durante la Segunda Descarga.
Las elevadas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de
daño en las baterías ya que se promueve la pérdida de agua en el
electrolito.
Fue posible observar la reducción del tiempo de autonomía del
banco de baterías, ya que el acercamiento al voltaje mínimo de
operación del banco se alcanzó de forma acelerada al caer de
manera
abrupta
la
tensión
de
los
monobloques
con
elevada
resistencia interna (Figura 44 y Figura 45).
Voltaje de las Baterías Durante la Primera Descarga
16
14
12
10
8
Voltios DC
6
4
2
0
0
20
Tiempo (min)
40
60
Batería 7
Batería
Batería 9
15
Batería 8
Batería
16
Batería 4
Figura 44: Voltaje de las Baterías Durante la Primera Descarga
Voltaje de las Baterías Durante la Segunda Descarga
16
14
12
10
8
Voltios DC
6
4
2
0
0
20
Tiem po (m in)
40
60
Batería
Batería
15
Batería
9
Batería
8
Batería
7
4
Batería
16
Figura 45: Voltaje de las Baterías Durante la Segunda Descarga
Todo lo anterior respalda la importancia de realizar mediciones
de resistencia interna en los bancos de baterías de sistemas
UPS’s como parte del mantenimiento preventivo y predictivo.
CAPÍTULO 10
PROGRAMA PARA CALCULAR EL TIEMPO ESTIMADO DE RESPALDO DE UN UPS.
Para aplicaciones donde se requiera de un sistema de respaldo de
energía es de suma importancia contar con un tiempo de autonomía
de
baterías
lo
interrupción
del
suficientemente
servicio
holgado,
eléctrico,
en
como
para
caso
de
permitir
una
el
arranque de un motogenerador de emergencia, asegurar un apagado
seguro de los equipos alimentados o en su defecto, para suplir la
demanda de la carga hasta que se reanude el suministro de energía
de la red comercial.
La estimación de este tiempo de respaldo debe ser lo más precisa
y confiable posible a fin de evitar fallas inesperadas en la
continuidad
del
abastecimiento
de
energía
a
cargas
críticas,
debido al hecho de omitir o ignorar factores que afectan el
tiempo de respaldo de un banco de baterías.
10.1
Procedimiento para el cálculo del tiempo estimado de
autonomía de una banco de baterías.
Para determinar el tiempo estimado de autonomía de un banco de
baterías es primordial conocer las características de la carga a
ser respaldada, es necesario estar al tanto de su demanda de
potencia aparente (S) y su factor de potencia (cosϕ). Por otra
parte deben consultarse las especificaciones de la eficiencia (η)
del inversor del UPS, ya que este parámetro depende del punto de
operación
(porcentaje
trabajando
el
UPS.
Con
de
carga)
estos
en
datos
el
se
que
se
determina
encontraría
la
potencia
activa (P) que demanda la carga.
Asimismo, es necesario saber el número de celdas por banco de
baterías y la cantidad de estos últimos que operarán en paralelo
como
fuente
de
respaldo,
para
poder
conocer
la
cantidad
de
potencia activa que le correspondería suministrar a cada celda;
al obtener este valor y dependiendo de la temperatura a la que
ellas se encuentren, se corrige la potencia que se entregaría por
celda, como se señala en la sección C.d del IEEE Std 1188-1996
(ver Figura
46)(ver Apéndice 8).
Factor de Corrección según la Norm a IEEE-1188
1,4
Factor de Corrección
1,3
1,2
1,1
1
0,9
0,8
-10
0
10
20
Temperatura (°C)
30
40
50
Figura 46: Factor de Corrección de Capacidad según IEEE-1188.
Las operaciones anteriores pueden verse resumidas en la siguiente
ecuación:
Potencia de la carga (VA) x Factor de Potencia
Eficiencia del Inversor
x Número de Celdas x Número de Bancos
100
Wpc =
(
EC (3)
)
Una vez obtenida la potencia activa por celda corregidos, se
procede a buscar el tiempo de respaldo en las tablas de descarga
a potencia constante suministradas por el fabricante de baterías,
estas tablas presentan por lo general cerca de diez puntos de
operación, por lo que se requieren de cálculos adicionales para
obtener
un
tiempo
de
respaldo
determinado
para
un
punto
de
operación en específico.
Cabe
destacar
que
existe
una
tabla
de
descarga
a
potencia
constante para cada nivel de voltaje de corte por celda, dicho
voltaje marca el límite inferior de tensión hasta el cual serán
descargadas las celdas. Mientras más bajo sea el voltaje de corte
por celda, mayor será el tiempo de respaldo del banco de baterías
para una misma potencia.
En el caso de este programa, basado en Microsoft EXCEL con ayuda
Visual
Basic
para
Aplicaciones
(VBA),
las
tablas
de
descarga
proporcionadas por el fabricante fueron vaciadas en una base de
datos como celdas de una hoja de Excel, con estos valores se
procedió a crear un programa que permitía graficar los pares de
puntos
de
potencia
(Vatios
por
celda)
y
tiempo
(minutos),
obteniendo de esta forma una curva de descarga, para cada modelo
de batería y su respectivo voltaje de corte, que describiría el
comportamiento de cada una de ellas. Así, al obtener la curva de
tendencia que mejor se adaptara a los datos,
se consiguió la
ecuación de descarga de cada batería de la forma:
Y = A. X − B
EC (4)
Vatios por Celda (Watts)
Ejemplo de Curva de Descarga de una Batería
800
600
Y = A. X − B
400
200
0
0
20
40
60
80
100
Tiempo (minutos)
Figura 47: Ejemplo de Curva de Descarga de una Batería.
Donde A y B son las constantes de cada batería para un voltaje de
corte
en
específico,
X
representa
el
tiempo
de
autonomía
en
minutos e Y representa los Vatios que deberá entregar cada celda.
De esta manera, despejando X de la ecuación 4 se obtiene el
tiempo de autonomía. El código completo de este programa puede
verse
en
el
Apéndice
9.
Un
ejemplo
de
la
ventana
donde
se
introducen los datos para estimar el tiempo de respaldo de un
banco de baterías se muestra en la Figura 48.
Figura 48: Ventana principal del estimador de tiempo de
respaldo.
CAPÍTULO 11
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
11.1 CONCLUSIONES
Las baterías constituyen el pilar fundamental de los sistemas de
potencia ininterrumpida; de no otorgarles la importancia que se
merecen,
al omitirlas dentro
de las
rutinas
de
mantenimiento
preventivo y predictivo de los equipos UPS’s, podrían llegar a
constituir un serio problema al poner en riesgo la continuidad
del
suministro
de
energía
a
cargas
que,
por
su
importancia,
reciben la denominación de cargas críticas.
Las baterías de plomo-ácido de válvula regulada (VRLA, por sus
siglas en inglés) poseen ventajas económicas, un menor tamaño
y
requieren menos espacio que sus homólogas tipo ventiladas, pero
tienen
características
condiciones
internas
constructivas
de
forma
que
visual,
impiden
las
conocer
cuales
sus
podrían
presentar anomalías no manifestadas en el único parámetro que se
venía registrando hasta ahora: el voltaje en bornes.
La
medición
de
la
resistencia
interna
como
parte
del
mantenimiento preventivo y predictivo de fallas en baterías VRLA
viene a llenar este vacío, ya que permite conocer las condiciones
del trayecto conductivo, revelando así cualquier problema que
pudiera
presentarse
desde
sus
fases
más
tempranas,
debido
a
condiciones no idóneas de operación o por defectos constructivos.
El
registro
sistemático
y
organizado
de
las
mediciones
de
resistencia interna de los bancos de baterías bajo régimen de
mantenimiento permite conocer la tendencia de sus comportamientos
a
lo
largo
del
tiempo,
facilitando
la
planificación
de
la
sustitución de las unidades afectadas o programando una sesión de
mantenimiento
resistencia
profundo del
interna
puede
banco de
baterías.
considerarse
como
La
medición
de
un
vistazo
al
interior de una batería sellada.
Las baterías con elevados niveles de resistencia interna tienen
la particularidad, como lo mostraron las pruebas de descarga, de
no ser capaces de entregar los valores de potencia por celda
requeridos, ni mucho menos de hacerlo de forma constante. Este
fenómeno también se manifiesta con la tensión en bornes, la cual
pudiera no discrepar en gran medida con respecto a los valores de
baterías en buenas condiciones mientras se mantienen bajo régimen
de flotación. Sin embargo, este parámetro sufre una caída abrupta
durante el transcurso de una descarga, acortando de esta manera
el tiempo de autonomía para el cual fue dimensionado el banco de
baterías, comprometiendo
el suministro eléctrico constante.
El tiempo estimado de autonomía de un banco de baterías debe ser
calculado
temperatura
cuidadosamente,
(que
afecta
considerando
la
capacidad
parámetros
de
las
como
baterías)
y
la
la
eficiencia del inversor del equipo UPS para el punto de operación
al que será sometido, esto además de los puntos de operación de
las
baterías
(suministrados
por
el
fabricante)
y
de
las
características de la carga. De esta forma se garantizan tiempos
de respaldo apegados a la realidad.
11.2 RECOMENDACIONES
Considerando los puntos mencionados anteriormente, deben tenerse
presentes las siguientes recomendaciones a fin de preservar los
bancos de baterías como fuentes confiables de energía:
•
Seguir
las normas
de
seguridad para
el
mantenimiento
de
baterías señaladas en el Apéndice 3.
•
Capacitar
al
personal
técnico
encargado
de
realizar
las
labores de mantenimiento de los bancos de baterías sobre el
correcto
y adecuado
uso
de
los medidores
de
resistencia
de
resistencia
interna.
•
Introducir
interna
de
como
forma
parte
regular
de
los
la
medición
mantenimientos
preventivos
y
predictivos de los bancos de baterías selladas.
•
Recabar
una
resistencia
base
de
interna
datos
para
con
los
baterías
valores
nuevas
base
que
de
sean
distribuidas por Emerson Venezuela C.A., para lograr esto se
sugiere tomar una muestra de cada modelo y analizarlas en el
Centro de Pruebas y Mediciones de Emerson Venezuela C.A.
•
Crear una base de datos con los registros de las mediciones
de tensión y resistencia interna de los bancos de baterías
pertenecientes a los diversos clientes de Emerson Venezuela
C.A., para poder determinar mediante una curva de tendencia
una oportuna sustitución o sesión de mantenimiento profundo.
•
Notificar a los clientes de Emerson Venezuela C.A. sobre
cualquier valor de temperatura en sus salas de baterías que
vaya en detrimento de la capacidad o expectativa de vida de
las
celdas,
para
tomar
medidas correctivas
pudieran evitar pérdidas económicas o humanas.
a
tiempo
que
•
Introducir el uso del programa para estimar el tiempo de
respaldo de bancos de baterías, desarrollado durante estas
pasantías, como parte fundamental de la planificación de un
sistema UPS o de una eventual sustitución de un banco de
baterías.
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agosto de 2005›.
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la
Estacionarias”.
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Final
Eléctrica
de
en
Baterías
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‹16 de agosto
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Battery
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agosto de 2005›.
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(9)http://www.powerpulse.net/features/techpaper_print.php?pa
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(10)Alber, G.
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measurements:
the
history
and
the
facts”.
Marco
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(11)Alber, G.; Leissle, B.
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Boca Raton, FL. 1999.
(12)Alber, G.; Migliar, M.
“Guaranteeing
Battery
System
Performance”.
Power
Quality
Conference. Long Beach, CA 1995
(13)http://www.engineersedge.com/battery/negative_positive_plate
_construction.htm. ‹7 de septiembre de 2005›.
(14)http://www.panasonic.com/industrial/battery/oem/chem/seal/in
dex.html.
‹12 de octubre de 2005›.
(15)EN50272-2:2001. “Safety Requirements for Secondary Batteries
and Battery Installations”.
(16)IEEE Std 1188-1996. “Recommended Practice for Maintenance,
Testing
and
Replacement
of
Valve
Regulated
Lead-Acid
Batteries (VRLA) for Stationary Applications”.
(17)
http://www.editel.com.mx/pages/servicios.html.
noviembre de 2005›.
‹2
de
APENDICES
APENDICE 1
EJEMPLO: se evaluará una batería comúnmente utilizada a medida
que envejece y se deteriora. Se sabe que una batería de entre 800
y 1200 ampere-hora en buen estado posee una resistencia interna
del orden de los 200µΩ, una batería con estas características
posee además una capacitancia de 15 faradios.
RTOT = R1 + R2 = 110µΩ + 90µΩ = 200 µΩ
XC =
1
1
=
2.π . f .C 2.3,14. f .15
Z TOT = R1 +
Figura A1
( R2 )( jX C )
R2 + JX C
Al asignar estos valores reales al modelo simplificado de la
batería
de
la
Figura
A1
se
puede
calcular
el
valor
de
las
lecturas de la impedancia AC o de la conductancia AC. En este
ejemplo se incrementarán los valores de las resistencias para
simular posibles daños en el interior de la batería y se harán
los
cálculos
aplicando
diferentes
frecuencias,
se
ilustrará
además lo que le sucede a las lecturas de impedancia a medida que
la celda de 200µΩ se deteriora al punto tal de que ésta falla, es
decir al aumentar en un 25% el valor de su resistencia interna ,
aunque
también
se
considerará
el
caso
en
el
se
llegue
a
un
incremento de un 50% del valor de la resistencia interna.
Cabe destacar que:
•
Se sabe que las celdas en buen estado
poseen un resistencia
interna de 200µΩ.
•
La impedancia se calcula usando la fórmula descrita como ZTOT .
•
Las
frecuencias
típicas
que
empleadas
se
usarán
por
los
para
los
cálculos
instrumentos
y
son
las
medidores
comerciales.
La Tabla A-I muestra las variaciones en los valores de impedancia
cuando una celda falla
valores de R1 y R2.
lo que
implica
un
incremento
en
los
Tabla A-I: Valores de impedancia cuando falla una celda.
Frecuencia
de Prueba
RTOT=R1 +R2.
(µΩ)
Falla de
la Celda
%cambio RTOT
VS. valor
base
XC
(µΩ)
ZTOT
(µΩ)
%cambio ZTOT
VS. valor
base
60
Ninguno
200
0
177
185
0
60
R2>140
250
25%
177
208
12%
60
R1>160
250
25%
177
234
26,50%
60
R2>190
300
50%
177
220
19%
200
Ninguno
200
0
53
139
0
200
R2>140
250
25%
53
135
-2,20%
200
R1>160
250
25%
53
187
35%
200
R2>190
300
50%
53
133
-4%
De este análisis puede concluirse lo siguiente:
•
Cuando la resistencia total de una celda se incrementa como
resultado de la resistencia R2 en paralelo con el capacitor
interno, el valor de la impedancia sólo indica un pequeño
cambio y fallará por lo tanto el cumplimiento de su función
que
es
alertar
al
usuario
de
una
celda
defectuosa.
Un
instrumento que use una frecuencia de 60Hz para sus cálculos
mostrará sólo un aumento del 12% en la impedancia, en lugar
de
reportar
presente.
el
25%
de
incremento
que
realmente
está
•
Es obvio que el problema de usar métodos de prueba en AC se
empeora
a
medida
que
la
frecuencia
de
la
corriente
se
incrementa. Un equipo que emplee 200 Hz mostrará que la
celda mejora cuando en realidad la resistencia R2 ocasiona
la falla de la celda. Este mismo equipo, además presentará
celdas que están en buen estado como malas, al exagerar el
problema cuando ocurre en R1, en lugar de reportar una falla
del 25%, mostrará que la impedancia habrá aumentado 35%.
APENDICE 2
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL UPStar GXT
Dimensiones
Tabla A-II: Dimensiones del UPStar GXT
Modelo
GXT6000T-208X GXT10000T-208X
Ancho
260 mm
340 mm
Profundidad
558 mm
640 mm
Alto
800 mm
965 mm
Ambientales:
TEMPERATURA AMBIENTAL
En operación:
•
De 0°C a 40°C para altitud de 0 a 1,500 metros sobre el
nivel del mar.
•
De 0°C a 35°C para altitud de 1,500 a 3,000 metros sobre el
nivel del mar.
Sin operar:
•
De –15°C a 50°C
HUMEDAD
0% A 95% sin condensación
ALTITUD
3,000 m sin ajuste de potencia, cuando opera dentro del rango de
temperatura especificado.
Eléctricas:
Tabla A-III: TOLERANCIAS DE ENTRADA del UPStar GXT
Entrada
Arranque en frío
Tensión de entrada aceptable
Tolerancia
Si, con una frecuencia
preestablecida
0-320 VAC
Rango de tensión de transferencia
Unidades de 6,000 – 10,000 VA
(basado en % de carga)
100-90%/90-70%/70-30%/30-0%
Tensión
para
transferencia
bajo voltaje
Tensión
60Hz
por 186 / 159 / 139 / 119 VAC; ±5.0
VAC
de
retransferencia
bajo voltaje
Tensión
de
por 198 / 171 / 151 / 131 VAC; ±5.0
VAC
para
transferencia
por 280 VAC; ±5.0 VAC
retransferencia
por 268 VAC; ±5.0 VAC
alto voltaje
Tensión
de
alto voltaje
Tensión de arranque con carga
184 VAC a 276 VAC; ± 3%
Tensión de arranque sin carga con 140 VAC a 276 VAC; ± 3%
carga de batería
Corriente de Entrada
Distorsión Reflejada
30% de THD máximo; cumpliendo con
IEC
60555
clase
A,
medido
a
tensión nominal de entrada
Rangos
(a
tensión
nominal
de 6,000/10,000
entrada)
22.6A/37.7A
Fuga a tierra
<5% de la corriente nominal
Factor de Potencia a la entrada
>0.95 medido a tensión nominal de
entrada
Frecuencia de entrada
40 Hz a 70 Hz; ±0.1 Hz
Tipo de protección de entrada
Interruptor de dos polos
APENDICE 3
Medidas de Seguridad para realizar las mediciones de Resistencia
Interna con el equipo Albèr Cellcorder CRT-300
•
No
permita
que
la
humedad
o
líquidos
alcancen
la
parte
interna del equipo. En caso de que esto ocurra, desconecte
el
Cellcorder
inmediatamente
y
contacte
un
centro
de
servicio autorizado.
•
Asegúrese de que el equipo esté provisto de una ventilación
adecuada.
No
bloquee
las
aberturas
de
ventilación
del
aparato.
•
No exceda los límites de capacidad de voltaje y corriente
del equipo.
•
No permita operar el equipo a personas no autorizadas.
•
El voltaje máximo que puede leer el equipo es de 20 Voltios
DC.
No
intente
leer
el
voltaje
total
de
un
banco
de
baterías.
•
No permita que ninguna superficie metálica del Cellcorder
entre en contacto con los terminales de una batería o un
rack puesto a tierra mientras se están realizando pruebas
con el equipo.
•
No intente hacer mediciones de resistencia interna de una
celda o batería abierta mientras ésta se encuentra on-line.
•
No
intente
realizar
ninguna
prueba
con
el
Cellcorder
mientras éste se encuentre conectado al módulo de carga.
Medidas de Seguridad para manejar baterías VRLA
PRECAUCION
Al
igual
que
con
otras
baterías,
las
baterías
VRLA
son
potencialmente peligrosas y deben tomarse precauciones apropiadas
para su manejo y mantenimiento. El trabajo con baterías debe ser
realizado sólo con herramientas apropiadas y usando el equipo
protector indicado más adelante. El mantenimiento de baterías
debe ser ejecutado
por personal con conocimientos sobre baterías
y entrenado en las medidas de seguridad que implican.
Equipo Protector
El
siguiente
equipo
protector
debe
estar
disponible
personal realiza trabajos de mantenimiento en baterías:
a) Lentes y protectores faciales.
b) Guantes resistentes al ácido.
c) Delantal protector.
para
el
d) Instalación de agua portátil o estacionaria para el
lavado
de
ojos
o
piel
en
caso
de
contacto
con
el
electrolito.
e) Extintor de fuego Clase C.
f) Bicarbonato de sodio, mezclado 0,1 Kg. por 1 litro
de agua, para neutralizar el derrame de ácido.
g) Herramientas aisladas adecuadamente.
NOTA: algunos fabricantes de baterías no recomiendan el uso de
extintores de fuego de CO2 Clase C debido al potencial de choque
térmico.
PRECAUCIONES
Los siguientes procedimientos de protección deben ser acatados
durante el mantenimiento:
a) Tenga cuidado cuando trabaje con baterías, ya que ellas
representan peligro de choque.
b) Prohíba fumar y las llamas abiertas, y evite formar arcos
eléctricos cerca de las baterías.
c) Asegúrese
de
que
las
puntas
de
prueba
de
carga
se
encuentren limpias y en buenas condiciones, conectadas con
suficiente
longitud
de
cable
para
prevenir
la
formación
accidental de arcos eléctricos cerca de las baterías.
d) Asegúrese de que todos los equipos de prueba de carga
incluyan protección contra cortocircuito.
e) Asegúrese de que la ventilación del área de baterías y/o
gabinete se encuentre despejada.
f) Asegúrese de que el egreso del área de baterías no esté
obstruido.
g) Evite llevar puestos objetos metálicos, como joyas.
h) Neutralice
la
acumulación
estática
justo
antes
de
trabajar en la batería teniendo contacto personal con la
superficie más cercana efectivamente puesta a tierra.
i) Asegúrese
de
que
todos
los
encuentren en estado operativo.
j) No remueva los respiraderos.
sistemas
de
monitoreo
se
APENDICE 4
MANUAL DE USO DEL PROGRAMA PARA ESTIMAR EL TIEMPO DE RESPALDO DE
UN BANCO DE BATERÍAS.
Este programa le permite estimar el tiempo de respaldo de un
banco de baterías para UPS de forma rápida y sencilla, sólo debe
seleccionar los modelos deseados de baterías y UPS, además de
introducir los parámetros eléctricos de la carga.
Por favor lea cuidadosamente las siguientes instrucciones:
I. Para estimar el tiempo de respaldo de un banco de baterías:
1) Abra el archivo de Excel llamado Estimador.xls
2) Cuando le sea preguntado si desea activar los Macros,
presione SÍ.
3) Vaya
a
la
pestaña
Inicio,
ubicada
en
la
parte
inferior
izquierda de la ventana de Excel.
4) Para abrir el formulario donde seleccionará e introducirá
los datos pertinentes debe hacer click en el botón similar
al mostrado a continuación:
5) Una vez completado el punto anterior aparecerá lo siguiente:
Figura A2: Ventana inicial del estimador de tiempo de respaldo
6) Debe seleccionar e introducir los datos siguiendo el orden de
los pasos señalados en el formulario.
•
Paso 1:
Modelo
de
Batería:
deberá
seleccionar
modelo de batería a ser instalado.
de
la
lista
el
Figura A3: Lista de Modelo de Baterías
Voltios
por
Celda
(para
punto
de
corte):
deberá
seleccionar el punto de voltaje de corte de las baterías
al cual serán configuradas.
Figura A4: Lista de voltajes de corte disponibles.
Temperatura Inicial: ingrese la temperatura a la cual se
encontrarán
las
baterías,
recuerde
que
este
factor
afecta la capacidad de entregar potencia. El valor de la
temperatura debe ser escrito en grados Celsius y debe
separar los decimales con una coma (,) en caso de que no
sea una cantidad entera.
•
Paso 2:
Número de Celdas por Banco: ingrese el número de celdas
que conformarán el banco de baterías, éste debe ser una
cantidad entera. Recuerde que un monobloque de 12 Voltios
está
formado
integrado
por
por
20
6
celdas,
unidades
por
de
lo
12
tanto
Voltios
un
banco
posee
un
bancos
en
equivalente a 120 celdas.
Número
de
Bancos:
ingrese
la
cantidad
de
paralelo entre la cual será repartida la carga, recuerde
que debe ser un número entero positivo.
•
Paso 3:
Modelo y Capacidad del UPS: debe seleccionar de la lista
el modelo del UPS de su preferencia, allí mismo se indica
su capacidad nominal en kVA.
Figura A5: Lista de modelos de UPS disponibles.
Potencia de la Carga: debe introducir el valor de la
potencia
aparente
(en
kVA)
de
la
carga
que
desea
respaldar. Recuerde que los decimales deben ir separados
por coma (,).
Factor de Potencia de la Carga: introduzca el valor del
factor de potencia de la carga (cos(φ)). Recuerde que los
decimales deben ir separados por coma (,).
7) Una vez completados los datos de los pasos 1, 2 y 3 deberá
presionar, para determinar el tiempo de autonomía, el botón
similar al mostrado a continuación:
En caso de que no se siga la secuencia de pasos del 1 al 3,
deberá presionar el botón
y comenzar nuevamente
desde el Paso 1.
NOTA: La temperatura inicial, la potencia y el factor de potencia
de la carga deben consistir en números separados por coma (,) en
caso de que no sean números enteros.
NOTA: Para ciertos modelos de baterías, algunos puntos de voltaje
de corte no fueron suministrados por los fabricantes, por lo que
no puede estimarse el tiempo de respaldo en estos casos. Por ello
se mostrará un mensaje de advertencia cuando esto suceda, por
ejemplo:
Mensaje de
Advertencia
Figura A6: Mensaje de Advertencia
Si se llegara a hacer caso omiso al mensaje anterior y proseguir
con la introducción de datos, al momento de calcular el tiempo
estimado de respaldo se mostrará lo siguiente:
Mensaje de
Advertencia
Figura A7: Segundo Mensaje de Advertencia
8) Una
vez
que
se
obtenga
el
valor
del
tiempo
estimado
de
respaldo, proceda a cerrar la ventana del formulario haciendo
click en la equis (X) ubicada en la esquina superior derecha.
9) Una vez hecho lo anterior, usted estará en la pestaña llamada
cliente, allí se encontrará con un formulario de reporte, como
el mostrado a continuación:
Av. Diego Cisneros (Ppal. de Los Ruices, )Edf. 48.
Caracas - Venezuela
Teléfono:(0212) 203.07.11/0750/0751. Fax:(0212) 203.07.84
REPORTE
Banco # 2
Cliente:
Teléfono:
Dirección
NX b
Modelo UPS:
UPS12-310
Modelo Baterías:
120
Número de Celdas:
1.70 Voltios
Voltaje de Corte por Celda:
18 kVA
Potencia de la Carga:
1
Factor de Potencia de la Carga:
1
Bancos en Paralelo:
20 kVA
Potencia Nominal del UPS:
90 %
Porcentaje de Carga del UPS:
90,86 %
Eficiencia del inversor del UPS:
25 ºC
Temperatura de la sala:
y = 1849,78183x-0,65820
Ecuación de la curva de descarga:
Cálculo de los Watts por celda requeridos:
Potencia de la carga (VA) x Factor de Potencia
Eficiencia del Inversor
x Número de Celdas x Número de Bancos
100
Cálculo del tiempo estimado de Autonomía
Una vez obtenidos los Watts por celda requeridos, se despeja el tiempo de
autonomía (que viene dado por la variable X) de la ecuación de la curva de
descarga (que es de la forma Y = AX − B )
Wpc =
(
)
De esta forma queda:
Wpc= 165,085Watts
Tiempo de autonomía =
Figura A8: Formulario final.
39,298minutos
En este formulario se encuentran los datos del UPS, las baterías
y la carga, presentados de forma amigable y detallando los pasos
para el cálculo del tiempo de respaldo, además se encontrará la
curva de descarga para las condiciones antes especificadas, usted
sólo
deberá
completar
los
datos
del
cliente
e
imprimir
el
reporte, si lo desea.
II. Para agregar un nuevo modelo de batería a la base de datos:
1)
Abra el archivo de Excel llamado Estimador.xls
2)
Cuando le sea preguntado si desea activar los Macros,
presione SÍ.
3)
Vaya a cualquiera de las pestañas llamadas Batería 1,
Batería 2, Batería 3 o Batería 4 ubicadas en la parte
inferior de la ventana de Excel y seleccione una de
ellas.
4)
Ingrese,
datos
en
que
las
celdas
provee
el
previstas
para
fabricante
de
tal
fin, los
baterías
para
descarga a potencia constante.
5)
Para calcular la ecuación de la curva de descarga para
cada voltaje de corte de esta nueva batería, deberá
primero ir a la pestaña Inicio y allí hacer click
en
el siguiente botón:
Haga click aquí
Figura A9: Botón para estimar curvas de descargas de baterías
nuevas.
6) Una vez cumplido este procedimiento, puede estimar el
tiempo
de
respaldo
de
las
baterías
tal
y
como
se
explicó en la sección I.
III. Para agregar un nuevo modelo de UPS a la base de datos:
1)
Abra el archivo de Excel llamado Estimador.xls
2) Cuando le sea preguntado si desea activar los Macros,
presione SÍ.
3) Vaya
a
cualquiera
de
la
pestaña
llamada
UPS
Models
ubicada en la parte inferior de la ventana de Excel y
selecciónela.
4) Ingrese, en las celdas previstas para tal fin, los datos
que provee el fabricante de UPS para la eficiencia a
distintos puntos de operación.
5) Para calcular la ecuación de la curva de eficiencia para
cada UPS, deberá primero ir a la pestaña Inicio y allí
hacer click
en el siguiente botón:
Haga click aquí
Figura A10: Botón para estimar curvas de descargas de baterías
nuevas.
6) Una
vez
cumplido
este
procedimiento,
puede
estimar
el
tiempo de respaldo de las baterías tal y como se explicó
en la sección I.
APÉNDICE
5
MONTAJE Y CONSTRUCCIÓN DE UNA
BATERÍA.
APÉNDICE
6
DIGRAMA DE FLUJO DEL FUNCIONAIENTO DEL MEDIDOR DE RESISTENCIA
INTERNA DE BATERÍAS CRT-300.
APÉNDICE
7
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS BATERÍAS DYNASTY UPS12-270
APÉNDICE
8
IEEE Std 1188-1996