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1 teleco.com.br Página 1 de 1 1/7/2009 Home Comentários Em Debate Tutoriais Imprensa RH Guia de Sites Calendário Quem Somos Glossário Digite a pa Seção: Tutoriais Infraestrutura Energia DC: Características t écnicas e funcionais dos componentes Tipo de baterias segundo seu aspecto construtivo As baterias podem ser fabricadas utilizando placas de metais diferentes, podendo ser as baterias de: Alcalinas (Níquel-Cádmio) e Ácidos (Chumbo Ácido). Baterias Ventiladas (FVLA - Free Vented Lead Acid) Baterias Seladas (VRLA - Valve Regulated Lead Acid) Quando utilizadas as ventiladas, devido à emissão de gases nocivos, elas devem ser instaladas em salas exclusivas, com sistemas especiais de controle do ar ambiente e instalação elétrica da iluminação à prova de explosão. As baterias seladas, podem ser instaladas próximas ao sistema de retificadores. Para maior compreensão dos tópicos abaixo descritos, consideraremos as baterias não-seladas, como sendo chamadas de ventiladas, devido aos seus aspectos físicos em relação às baterias seladas. Figura 2: Exemplo de Bateria Ventilada. Figura 3: Exemplo de Bateria Selada. Vida Útil Projetada ou Tempo Médio de Duração As baterias estacionárias ventiladas, possuem uma vida útil esperada de aproximadamente 15 a 16 anos a uma temperatura de 25 C e de aproximadamente 12 anos A uma temperatura de 30 C. Considerando o fim da vida útil a 80% da Capacidade Nominal. A maioria dos fabricantes de baterias, fornece uma garantia contra defeitos de 10 anos, desde aplicadas às condições adequadas de trabalho Teleco Aspectos Legais :: Privacidade :: Nossa Pro

2 ESCLARECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE A UTILIZAÇÃO DE BATERIAS ESTACIONÁRIAS EM AMBIENTES SEM TEMPERATURA CONTROLADA 1. Tipos de Baterias Atualmente existem dois tipos de baterias: - Ventiladas - Reguladas por Válvula As baterias Ventiladas são aquelas que possuem eletrólito liquido e livre dentro da célula e, que permitem a adição de água durante a vida útil. Emitem quantidade considerável de gases e não podem ser instaladas junto com equipamentos eletrônicos. As baterias Reguladas por Válvula, popularmente denominadas de seladas, possuem eletrólito imobilizado na forma de Gel ou em separadores de fibra de vidro (AGM). Não necessitam adição de água e emitem uma quantidade de gases despresível, podendo ser instaladas junto aos equipamentos eletrônicos. 2. Efeito da Temperatura e Vida útil 2.1 Nas baterias Ventiladas o calor é dissipado no eletrólito liquido e o efeito da temperatura é menos acentuado, não chegando a provocar redução considerável na vida útil projetada. A vida estimada para uma bateria ventilada é de aproximadamente 12 a 15 anos. 2.2 Nas baterias Reguladas por Válvula a dissipação de calor é reduzida, devido ao eletrólito na forma imobilizado e também pela presença da valvula reguladora que mantém o circuito semi-fechado para a evolução do ciclo do oxigênio. O calor gerado nas reações eletroquímicas ficam dentro da celúla e isso provoca um aumento da temperatura interna, a qual é agravada caso a temperatura externa também seja elevada. A vida projetada de uma bateria Regulada por Válvula, classificada como de Alta Integridade (Norma ABNT 14204), é maior que 10 anos se operada à temperatura de referência de 25 C. A cada 10 C acima desta temperatura a vida projetada reduz em 50%. Nife Sistemas Elétricos Ltda. Av. Pires do Rio, Itaquera CEP São Paulo SP Fone: (11) Fax: (11) Caixa Postal: nife@nife.com.br website:

3 3. Ambiente de Instalação Portanto, para baterias Regulada por Válvula é altamente recomendável instalar em ambientes com temperatura controlada ou em ambientes onde garantidamente tem-se uma temperatura média em torno de 28 C, sem picos superiores a 32 C. Em caso da necessidade de instalação de baterias Reguladas por Válvula em ambiente sem temperatura controlada, recomenda-se especificar a tecnologia Gel, cujo poder de dissipação do calor é pelo menos 15% maior que nas baterias AGM. Sem dúvidas, as baterias Ventiladas são as mais indicadas para instalação em ambientes onde não se tem o controle da temperatura. Apesar de exigir mais manutenção, as mesmas são capazes de suportar condições extremas e adversas no que se refere à temperatura, sobrecarga, descarga profunda, etc. Francisco Franco Gerente Técnico-Industrial Nife Baterias Industriais Nife Sistemas Elétricos Ltda. Av. Pires do Rio, Itaquera CEP São Paulo SP Fone: (11) Fax: (11) Caixa Postal: nife@nife.com.br website:

4 Estudo Comparativo de Baterias: Estacionárias X Automotivas 1 de 3 1/2/ :07 Estudo Comparativo de Baterias: Estacionárias X Automotivas 1 INTRODUÇÃO Este estudo tem por objetivo apresentar as características principais das baterias do tipo estacionárias e automotivas à luz de sua utilização em subestações elétricas. Basicamente estas baterias teriam utilização em sistemas auxiliares considerados vitais em uma subestação, tais como: alimentação e controle de disjuntores, relés de proteção, chaves seccionadoras, iluminação de emergência e etc. Por terem objetivos finais distintos, estas baterias apresentam características técnico-econômicas bastante distintas. A utilização de cada uma destas baterias em subestações elétricas devem considerar todos os aspectos que as caracterizam, conforme apresentado a seguir: 2 CONSIDERAÇÕES GERAIS 2.1 Baterias Automotivas: Aplicação típica: As baterias automotivas são projetadas para utilização em sistemas de ignição de veículos automotores. Esta condição lhe impõe descargas elevadas de corrente em períodos de tempo da ordem de 10 a 20 segundos Características construtivas: Projetadas para não descarregarem mais que 5% de sua capacidade total. Uma descarga completa pode danificar rapidamente este tipo de bateria; Construídas com grande quantidade de placas de pequena espessura (± 1mm) de forma a se conseguir uma grande superfície de contato. O projeto com placas finas e a ação da sobrecarga causam corrosão e aumento das placas positivas o que, associado a eventuais quedas de temperatura causam a morte súbita da bateria. Tensão usual: 12V/elemento; Recarga durante o uso do automóvel (algumas horas diárias); Vida Útil: ±2,5 anos.

5 studo Comparativo de Baterias: Estacionárias X Automotivas de 3 1/2/ : Aplicação como estacionária: A bateria é submetida a carga de flutuação 24 horas/dia, condição que lhe imporia uma sobrecarga de 2 a 4 vezes maior que no uso em automóveis. 2.2 Baterias Estacionárias: Aplicação típica: Sistemas auxiliares de subestações, sistemas de energia alternativa, sistemas de emergência e etc Características construtivas: Conhecidas como baterias de ciclo profundo, podem perder até 80% de sua carga total sem se danificarem; Possuem placas internas espessas (6 a 9,2mm). Essa maior espessura inibe os efeitos negativos das descargas profundas sem que haja fadiga do material ativo; Alta capacidade A x h; Tensão usual: 1,2V/elemento; Construídas com matérias mais nobres de forma a proporciona-las maior vida útil e confiabilidade; Suas placas positivas possuem forma tubular, onde o material ativo fica alojado dentro de uma bolsa de aço entrelaçado, permitindo maior distribuição do fluxo de elétrons, além de impedir o desagregamento do material ativo Vida Útil: ± 20anos.

6 BATERIAS RECARREGÁVEIS SELADAS - VRLA Características Técnicas EB V 7.0Ah EB 6-4 6V 4.0Ah CURVA CARACTERÍSTICA DE DESCARGA (V) BATERIA 12V CURVA CARACTERÍSTICA DE DESCARGA TEMPERATURA 25oC 13.0 (V) BATERIA 6.5 6V TEMPERATURA 25oC CA 0.4CA 0.6CA CA 0.05CA 1CA CA min min TEMPO DE DESCARGA h Av. Rodrigues Alves, Parque Paulista CEP Bauru / SP Tel.: (5514) enerbrax@enerbrax.com.br INDÚSTRIA BRASILEIRA , ENERBRAX ACUMULADORES LTDA h TEMPO DE DESCARGA CA 0.1CA 0.05CA 2CA 1 3CA 1 0.4CA 1CA CA 8.0 VOLTAGEM TERMINAL ,5 1 VOLTAGEM TERMINAL

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8 9

9 10

10 11

11 VALORES DE K ( C = K x I ¹º BDT Fig. 33 VALORES DE K PARA MONOBLOCO TIPO TM 25 A 25 C E DE DENSIDADE 1,21

12 Fig. 33 VALORES DE K PARA BATERIA TIPO TM 50 A 25 CE DENSIDADE 1,21 53

13 Fig. 34 VALORES DE K PARA BATERIA TIPO TM 75 A 25 C E DENSIDADE 1,21 54

14 INFORMAÇÕES GERAIS DIMENSIONAMENTO QUANTIDADE DE ELEMENTOS O primeiro estágio no dimensionamento de uma bateria é a determinação da quantidade de elementos necessários para operar, dentro de tensões definidas pelo consumidor, em condições adequadas de carga e descarga. FAIXA DE TENSÃO Todos os sistemas elétricos, em particular os sistemas associados a baterias, apresentam uma tolerância para mais e uma tolerância para menos em relação à tensão nominal (V sistema opera satisfatoriamente. Comumente utilizam-se as tolerâncias de + 10% e 15%, outras tolerâncias necessitam de dispositivos especiais entre a bateria e o consumidor. V Min V Nom. V.Máx Determinação da quantidade de elementos (N) N = V Máximo ou V Equalização elem. N = V Nominal V Flutuação elem. Tensão de Corte (tensão mínima dos elementos) V = V Mínimo N EXEMPLO Para um sistema 125 V + 10% - 15% N = 137,5 = 60 elementos 2,30 ou N = 125 2,20 = 56 elementos V = 107,5 60 = 1,80 V/elemento

15 98 ou V = 107,5 56 = 1,90 V/elemento Para maior aproveitamento da capacidade disponível da bateria, deve-se utilizar a menor tensão de corte (1,80 V/elemento), no caso teremos a bateria com as seguintes características: Quantidade de elementos = 60 Tensão de Equalização = 137,5 V (2,30 V/elemento) Tensão de Flutuação = 60 x 2,20 V = 132 V Tensão Mínima na descarga = 107,5 (1,80 V/elemento) V Min V Nom. V Flut. V Máx(equal) 107, ,5 TIPO DE EQUIPAMENTO TENSÃO NOMINAL DE REFÊRÊNCIA DO SISTEMA (VCC) QTDE ELEMENTOS VALORES TÍPICOS TENSÃO MÍNIMA SISTEMA TENSÃO CORTE V/ELEM. REPETIDORA MICROONDAS ,75 1,75 CONTROLES E SUB ESTAÇÕES OU OU OU a a a a 216 1,75 a 1,80 1,75 a 1,85 1,75 a 1,85 CENTRAIS TELEFÔNICAS A 44,4 1,75 1,75 A 1,85 UPS a a a a a a 440 1,75 1,55 a 1,75 1,55 a 1,75 1,55 a 1,75 1,55 a 1,75 ESCOLHA DO TIPO DE ELEMENTO TIPO DE DURAÇÃO DE DESCARGA Descarga constante, de baixa intensidade, durante 20 horas ou mais horas Descarga constante, de média intensidade, de 1 a 10 horas Descarga com intensidade variáveis Descargas de alta intensidade, de 1 a 60 minutos TIPO ELEM. RECOMENDADO TL TM TH ou TM TH

16 99 CAPACIDADE DA BATERIA O cálculo da capacidade necessária para atender determinado consumo pode ser calculada através do ábaco RT que determina a quantidade de placas positivas ou através do ábaco K que determina a capacidade ( C ) necessária para esse consumo. DESCASRGAS CONSTANTES DE BAIXA E MÉDIA INTENSIDADES Para um dado valor de corrente (l) para uma dada tensão de corte (V ) e dado tempo (T) a quantidade de placas positivas (p) é obtida pela fórmula: P = Rt Onde R é o valor obtido do ábaco para os correspondentes valores de Vc e T. A capacidade ( C ) é obtida pela fórmula:: C = K. l Onde K é o valor obtido do ábaco para os correspondentes valores de Vc e T. Exemplo: Cálculo da capacidade da bateria para atender ao consumo de 100 A, durante 5 horas até a tensão de corte 1,75 V. Utilizando a curva Valores de RT P = R P= Quantidade de placas positivas = 100 A Para T = 300 minutos(5 horas), tensão de corte V = 1,75V, pela curva da pág. 38, temos: RT = 13 A logo, P = 100= 7,7 13 P = 8 (Placas positivas tipo TM 75 ) Conclusão : A bateria que atende o consumo é 8TM75 capacidade nominal de 600 Ah. - Utilizando a curva Valores de K da pág.54, temos: C= K x = 100A C= Capacidade normal Para T=300 minutos(5 horas),v =1,75V,pela curva Valores de K da pág.54,temos: K = 5,8 C = 100 x 5,8 C = 580Ah Conclusão: A bateria que ao consumo é 8TM75 - capacidade nominal de 600 Ah.

17 Diagrama Unifilar simplificado de um retificador/carregador de baterias Exemplo de Painel para um retificador/carregador de baterias industrial

18 DIMENSIONAMENTO DE BATERIAS Autor: Paulo Eduardo Mota Pellegrino Dimensionamento da capacidade da bateria Nesta parte será apresentado um algoritmo matricial para cálculo da capacidade da bateria sem entrar nos detalhes de seu equacionamento matemático que teve como base o processo descrito na norma NBR 15254:2005 a qual fornece as diretrizes para dimensionamento de baterias estacionárias de chumbo-ácidas e descrito pela equação e ilustrado pelo perfil de descarga fig. 2.1 abaixo: C d = max P = N P= 1 ( A A ) P P 1 K t Fig. 2.1 Diagrama geral de perfil de carga onde o maior somatório determina a capacidade do elemento e: C d é a capacidade dimensionada; P é o período em análise; S é a seção do perfil de descarga em análise. Uma seção S N contém os primeiros N períodos do ciclo de descarga (por exemplo, S 5 contém os períodos de 1 até 5). A figura 2.1 apresenta a representação gráfica das seções; N é o número de seções; t é o tempo do início do período P até o final da seção S; A P é a corrente requerida (ampères) para o período P; K t é o fator de capacidade. Algoritmo matricial A descrição do algoritmo será feita passo-a-passo e resolvendo o mesmo exemplo encontrado na norma da ABNT, que consiste em dimensionar a bateria para a corrente de descarga variável conforme a tabela abaixo, considerando-se a temperatura de 25 o C.

19 Período Corrente (A) Tempo (min) A carga aleatória consiste numa corrente de valor igual a 100 ampères por um tempo de 1 minuto PASSO 1 construir a matriz triangular sem considerar a carga aleatória e anotar na diagonal os valores dos tempos de cada período; PASSO 2 sob cada elemento da diagonal preencher com o valor correspondente à soma do elemento à direita e superior (ex.: 30 = 1+29 ; 59 = ;...); PASSO 1 1 PASSO 2 PASSO 3 repetir o processo do Passo 2 para a diagonal abaixo porém somando-se o valor do elemento imediatamente à direita com o valor do elemento da diagonal principal (ex.: 60 = 1+59 ; 119 = ;...); PASSO 4 idem Passo 3 (ex.: 120 = ; 178 = ;...) PASSO PASSO 4

20 PASSO 5 repetir o mesmo procedimento descrito nas etapas anterior até preencher todos os elementos (ex.: 180 = 1+179) PASSO 6 (Matriz K t ) substituir cada um dos tempos obtidos no Passo 5 pelo correspondente valor K t. Para continuar obtendo os mesmos valores da norma da ABNT usaremos a curva para tensão de descarga 1.75VPE (fig. 2.2) PASSO PASSO 6 - Matriz K t

21 PASSO 7 multiplicar a matriz triangular K t obtida anteriormente pelo vetor diferença de corrente, onde cada elemento desse vetor é igual à diferença entre o valor do elemento do vetor corrente pelo valor do elemento anterior. Assim temos: I = 280 I = = vetor corrente vetor diferença de corrente [ ] I Então : C = K t x, vetor capacidade = matriz K t x vetor diferença de corrente C C C 3 C = X C C Resultado: C 1 = Ah ; C 2 = Ah; C 3 = Ah C 4 = Ah ; C 5 = Ah; C 6 = Ah A maior capacidade é a C 4 e a ela soma-se a capacidade devido a carga aleatória (C a ), que é calculada multiplicando-se o valor da corrente pelo fator K t correspondente ao seu tempo de duração. Então : C a = 100 x 0.77 = 77 Ah Finalmente a capacidade C desejada é, C = C 4 + C a = = Ah

22 Referências: 1) IEEE Std (R2003) Recommended Practice for Sizing Lead-Acid Batteries for Stationary Applications. 2) ABNT NBR Acumulador chumbo-ácido estacionário Diretrizes para dimensionamento. 3) Curso básico de baterias - NIFE

23 1) Dimensionar um banco de baterias (número de elementos e capacidade nominal) para um sistema de corrente contínua (telecomunicações) para uma carga de 8 kw/ 48 VCC (+ 10%; - 15%) durante 3 horas. Utilizar elementos ventilados com VPE nominal 2V Tensão de corte = 1,75V Tensão de flutuação = 2,2 V Tensão de equalização = 2,4 V Considerar: Modelo do fabricante Lorica Fator de envelhecimento das baterias = 1,20 Fator de correção de temperatura = 1,0

24 2) Uma subestação industrial possui um conjunto de cargas que devem ser alimentadas por um sistema de corrente contínua (retificador/carregador de baterias + banco de baterias + painel de corrente contínua). Considere que na falta de alimentação CA para o retificador o banco de baterias deve ser capaz de suprir as necessidades de carga atendendo as seguintes condições: a) Todas as cargas, tais como relés, relés auxiliares, lâmpadas de sinalização, alarmes, sistemas de automação, etc., são continuamente energizados durante todo o ciclo, exceto as cargas de automação que permanecerão energizadas somente durante a primeira hora; b) A iluminação de emergência é mantida ligada durante todo o ciclo; c) Todos os disjuntores abrindo simultaneamente no início do ciclo; d) Todos os disjuntores fechando simultaneamente no final do ciclo; e) O ciclo de descarga de baterias considerado é de 3 horas; 2.1. Cargas do Ciclo de Descarga Cargas Momentâneas (início do ciclo) Estas cargas correspondem à fase iniciada com o disparo simultâneo de todos os disjuntores, com duração de 1 minuto, ou seja, são as correspondentes ao pico inicial. (Obs: 1 minuto é o tempo mínimo considerado pela norma IEEE-std ). Será necessário considerar o carregamento de molas dos disjuntores, uma vez que suas molas são carregadas após a abertura dos mesmos Cargas Permanentes Estas cargas correspondem à fase empregada na identificação da anormalidade, podendo estender sua duração até o final do ciclo de descarga. As cargas a serem consideradas nesta fase são: - Equipamentos do Sistema de Controle e Proteção; - Iluminação de emergência crítica; - Sinalizações; Cargas Momentâneas (final do ciclo) Estas cargas correspondem às cargas que se estendem junto com as cargas permanentes até o final do ciclo. Esta fase considera a tentativa bem sucedida: - de fechamento de todos os disjuntores de 13,8kV, simultaneamente, com duração de 1 minuto, 3. Solicitação de Cargas

25 3.1. Cargas Momentâneas (início do ciclo) a) Abertura simultânea dos disjuntores: 13,8kV: 500W (4A) tipo VD4, fabricação ABB; 480V: 200W (1,6A) tipo C60N, fabricação Schneider; b) Carregamento de molas: 13,8kV: 200W (1,6A); 480V: 200W (1,6A); 3.2. Cargas Permanentes a) Iluminação de emergência Considerado 1050W por painel (8,4A), por três horas; b) Painéis de controle e proteção (reles e conversores) Considerado 12,5W por painel (0,1A), por três horas; c) Painéis de PLC Considerado 1470W por painel (11,76A), por uma hora; d) Painel Inversor Considerado 3000W (24A), por uma hora; e) Disjuntor 13,8kV Considerado 40mA por cada disjuntor, no total de 28 disjuntores, por três horas Cargas Momentâneas (final do ciclo) a) Fechamento dos disjuntores Ao final do ciclo serão fechados, simultaneamente, todos os disjuntores do painel de 13,8kV. 4. TABELA - Resumo de Cargas Correntes adotadas na composição do ciclo de descarga: I1 I2 I3 I4

26 Dimensione o banco de baterias (fornecedor de referência ABC Company) e o retificador/carregador para atender as condições dadas. Considere os fatores previstos na Norma IEEE Std , quais sejam: Fator de Temperatura, considerando a temperatura do eletrólito de 25ºC, igual a 1,00; Fator de Projeto igual a 1,10; Fator de Envelhecimento igual a 1,25; Como previsão futura de ampliações considere uma reserva de 20% no banco de baterias. Para o dimensionamento do retificador/carregador de baterias utilize as seguintes premissas: Ir= Ip + (C10h/t)K Onde: Ir= Corrente nominal de saída do retificador/carregador de baterias; Ip= Corrente permanente do ciclo de descarga; K= Fator para bateria tipo chumbo-ácida (adotar 1,1); C10h= Capacidade nominal da bateria (referida a 10 horas); t= Tempo total previsto para recarga das baterias (adotado 10 horas); Sistema 125 VCC / 60 elementos