Baterías de acumuladores de corriente continua

Necesidad de la corriente continua

En las instalaciones las subestaciones y centros de transformación, las maniobras de los interruptores, el funcionamiento de los relés de protección, de las lámparas de señalización, el telemando, las telecomunicaciones, etc. Se realizan, en la mayoría de los casos, con corriente continua. Esto es así para que, en caso de falta total de corriente alterna, se pueda asegurar la maniobrabilidad de la instalación.

La corriente continua es suministrada por baterías de acumuladores.

Se comprende, entonces, que las baterías de acumuladores son de excepcional importancia y se las considera como un elemento indispensable que debe hallarse a punto de funcionamiento en todo momento.

Acumuladores, constitución y funcionamiento

Los acumuladores son pilas reversibles, es decir, pilas que después de haber sido descargadas pueden regenerarse por el paso de una corriente eléctrica.

En un acumulador se distinguen tres partes esenciales, el recipiente, las placas y el electrolito.

Figura 1: Constitución de un acumulador

El funcionamiento de un acumulador se debe a un proceso de reacciones químicas entre las placas y el electrolito, producido por el paso de la corriente eléctrica. La energía eléctrica que atraviesa el baño del acumulador se transforma en energía química (carga) e inversamente, la energía química acumulada vuelve a transformarse en energía eléctrica al ser conectado a un circuito externo de utilización (descarga). 

Los acumuladores utilizados en la práctica son de plomo o de ferro-níquel. 

Los acumuladores de níquel-cadmio llevan como electrolito una solución de ácido sulfúrico en agua. En los de ferro-níquel es una solución de hidróxido potásico (KOH) en agua destilada o desmineralizada, pudiendo contener también un cierto porcentaje de hidróxido de lítio (LiOH). 

Baterías de acumuladores 

Dado que la tensión que proporciona un acumulador es muy pequeña (entre 1 y 2 voltios) es necesario acoplar varios en serie para obtener la tensión deseada formando así una batería. 

En la conexión entre acumuladores en serie ha de mantenerse la secuencia de polaridad apropiada: negativo de un elemento unido al positivo del siguiente.

Figura 2: Acumuladores montados en serie

Tipos de baterías 

Plomo-ácido: electrodos de plomo y electrolito de ácido sulfúrico. Se forma óxido de plomo y sulfato de plomo. Se utiliza en casi todos los campos,

Figura 3

Proceso de descarga: La reacción produce H2O cayendo por tanto la densidad del electrolito

Proceso de carga: La reacción absorbe H2O y libera hidrógeno

Figura 4

Alcalina: electrodo de láminas de acero en forma de rejilla con panales rellenos de óxido de níquel (electrodo positivo) y óxido ferroso (electrodo negativo). Electrolito de hidroxido potásico KOH. Se utilizan para grandes consumos

Figura 5

Níquel-cadmio (Ni-Cd): utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esta configuración de materiales permite recargar la batería una vez está agotada, para su reutilización. Cada célula de NiCd puede proporcionar un voltaje de 1,2 V y una capacidad entre 0,5 y 2,3 Ah. Sin embargo, su densidad de energía es de tan sólo 50 Wh/kg, lo que hace que tengan que ser recargadas cada poco tiempo. También se ven afectadas por el efecto memoria. Son muy utilizadas en instalaciones eléctricas

Figura 6

Baterías herméticas: Baterías cuyo electrolito se encuentra en estado gelado, no sólido. Su correcta utilización no produce gases En caso de sobrecarga suelen disponer de válvulas de alivio

Figura 7

Otras: alcalinas de manganeso, de níquel e hidruro metálico, iones de litio, polímero de litio,

Comparación de los diferentes tipos de baterías

Comparación de diferentes tipos de baterías 

Cómo seleccionar la batería adecuada 

• Identificar el tipo de servicio para el que se va a usar. En el caso de instalaciones eléctricas se utilizan baterías estacionarias. Se suelen utilizar baterías de plomo o de Niquel-Cadmio. 
• Estimar el tiempo máximo de corte de suministro principal durante el cual la batería tendrá que alimentar la carga. Un tiempo típico para instalaciones eléctricas es de 5 horas, 
• En base a los amperios demandados por la carga calcular la capacidad necesaria de la batería (Ah), 
• Si el consumo tiene puntas (por ejemplo actuación simultánea de varios interruptores) el Ni-Cd se comporta mejor que el plomo, 
• Emplazamiento de la batería: si no hay ventilación suficiente se debe de utilizar batería hermética o sellada 

Rectificador 

Una batería de acumuladores únicamente puede ser cargada con corriente continua. Por consiguiente, si sólo se dispone de corriente alterna, se necesitará de un equipo que la transforme en continua. Dicho equipo se denomina rectificador.

Un rectificador es un componente electrónico formado por diodos y tiristores, cuya misión es la de eliminar o invertir la parte negativa de la onda de corriente alterna

Figura 8: a) Onda de corriente alterna, b) Rectificador de media onda, c) Rectificador de doble onda.

En la Figura 9 se presenta el esquema de un rectificador tipo, formado por las siguientes partes: 

1. Transformador T1.- Reduce la tensión alterna de alimentación a la tensión nominal de la batería. El transformador presenta dos secundarios, uno de potencia que alimenta al puente rectificador principal y otro de control que alimenta la unidad electrónica. 
2. Puente rectificador.- Está constituido principalmente por dos diodos de silicio D1 y D2, dos tiristores TH1 y TH 2 y un diodo de conmutación D3. 
3. Inductancia L1.- para alisar la onda de salida del rectificador. 
4. Shunt SH1.- para recoger una muestra de intensidad que se lleva a la unidad de control y para el servicio del amperímetro. 
5. Unidad de control.- Es una tarjeta electrónica impresa y enchufable. Se encarga de compensar las variaciones que sufren tanto la tensión como la intensidad de salida del rectificador. 
6. Dispositivo de carga rápida.- Por medio del conmutador 52 se puede ajustar la salida del rectificador o las tensiones de flotación o de carga rápida. 
7. Voltímetro.- Mide la tensión de salida del rectificador y por tanto de la batería.
8.  Amperímetro.- Mide la intensidad de salida del rectificador. 
9. Lámparas de señalización.- SL1 indica equipo en flotación - SL2 indica equipo en carga rápida
10.  Fusibles de protección (F1, F2, F3, F4 y F5). 

Además de estos elementos el rectificador puede llevar unidades adicionales como: paso automático flotación-carga rápida, alarma de fallo de carga, unidad de reducción de la tensión de carga rápida y alarma por tensión alta. 

Figura 9: Esquema de un equipo de rectificación tipo.

La característica principal que define a una batería de acumuladores es la capacidad, que es la cantidad de electricidad que puede proporcionar durante el proceso de descarga. La capacidad “C” de un acumulador se mide en amperios hora (Ah). 

C = I · t

Siendo: 

C: Capacidad en amperios – hora (Ah) 

I: Intensidad en amperios (A) 

t: Tiempo e horas (h)

Figura 10: Batería de acumuladores de 86 elementos.

Equipo batería – Rectificador 

Figura 11: Armario con equipo batería rectificador. 

En la actualidad se emplean las baterías de cadmio-níquel. Van dispuestas en la parte interior de un armario que contiene también el cargador y ubicadas en la misma sala de control. 

Cuando la batería es de plomo, conviene disponerlas en locales independientes a la sala de control y bien ventiladas, para poder evacuar en todo momento y especialmente durante el periodo de carga, los gases desprendidos por las reacciones del ácido sulfúrico, componente principal del electrolito. 

Datos del equipo Batería – Rectificador 

Para dar las características de un equipo vamos a tomar como ejemplo un equipo tipo FE de la casa NIFE: 

A. Tipo 110/10 FE NIFE 86/HIP-3 + UAL 

B. Alimentación en alterna 

Tensión: 220 V 

Nº de fases: 1 

Frecuencia: 50 Hz 

C. Rectificador 

Tensión de flotación: 120,4 V 

Tensión de carga rápida: 133 V 

Estabilidad de la tensión: ± 1% 

Intensidad máxima de salida: 10 A 

D. Batería 

Nº de elementos: 86 

Tipo: HIP – 3 

Capacidad nominal: 25 Ah. 

Tensión nominal: 110 V 

E. Armario 

Tipo: AL – 3 

F. Unidades funcionales 

Se especifican las unidades funcionales si las hubieran. 

Funcionamiento del equipo 

En instalaciones de control, maniobra y energía de reserva, el cargador, la batería y los servicios están siempre conectados entre sí.

              Figura 12

El cargador proporciona el consumo permanente de los servicios. La batería responde en situaciones de emergencia por falta de corriente alterna o cuando los servicios aumentan su potencia esporádicamente por encima de la del cargador. 

En condiciones normales la batería está en carga de flotación. Después de una emergencia recibe una carga a fondo o carga rápida.

a) Carga de flotación

Es una carga a tensión constante que se da permanentemente a una batería que está conectada continuamente al cargador y a los servicios de corriente continua.

Flotación:  Tensión de carga 1,40 – 1,42 V, por ejemplo

                  Corriente de carga 0,5 . 1 mA, por cada Ah, de capacidad

b) Carga rápida y carga a fondo

Términos que designan una carga que se da esporádicamente a una batería en flotación después de una descarga importante o tras un largo periodo de tiempo.

Carga rápida:  Tensión de carga: 1,55 a 1, 75 V, por ejemplo

                        Corriente de carga, entre 0,1 x C y 0,3 x C , siendo C la capacidad en Ah.

                        Tiempo de carga. Cumple la expresión I x t = 1,4 x C, siendo:

                                                     I: corriente de carga en amperios

                                                     t: tiempo de carga en horas

                                                    C: Capacidad nominal en amperios - hora

En nuestro caso concreto, con una batería de C = 25 Ah.:

Corriente de carga: Por ejemplo 0,2 x C = 0,2 x 25 = 5 A.

Tiempo de carga: I x t = 1,4 x C / 5 x t = 1,4 x 25 ;  t = 1,4 · 25 / 5 = 7 horas

Figura 13: Equipo NIFE cargador de baterías compacto con control por tiristores

Normas de seguridad

Cuando se trabaja con baterías hay que tomar una serie de precauciones como son: 

• Está prohibido fumar y utilizar llamas dentro del cuarto de baterías de acumuladores,
• Antes de entrar en el cuarto de una batería conviene verificar que está debidamente ventilado.
• Para todas las manipulaciones con electrolitos debe utilizarse el equipo de seguridad adecuado (guantes, delantal, buzo antiácido, gafas, etc.).
• Cuando se trate de retirar un vaso de la batería, conviene trasvasar el electrolito a un recipiente adecuado, para evitar cualquier derrame del mismo.
• Cuando se prepare el electrolito para baterías, no se verterá agua sobre el ácido sulfúrico; viértase siempre el ácido en el agua, sin violencia.
• No se deben emplear herramientas o elementos metálicos que en caso de caer sobre las bornas de la batería puedan producir chispas.
• No se debe pasar al interior del local usando zapatos con clavos

Figura 14

• En las proximidades del lugar donde se manipule con electrolitos, debe haber abundante provisión de agua limpia, para lavados en caso de proyección de líquido.
• Dentro del local no deben almacenarse materiales combustibles. Los interruptores seccionadores, fusibles, etc., deberán instalarse fuera del local de la batería, a menos que sean de tipo antideflagrante.
• En las baterías de níquel – cadmio, el electrolito no desprende gases tóxicos si bien es un agente caústico fuerte. Si el electrolito salpica la piel o la ropa se lavará abundantemente con agua.
• Al finalizar el periodo de carga se produce un desprendimiento de oxígeno e hidrogeno que bajo ciertas circunstancias puede ser detonante. Por ello debe existir una cierta aireación.
• No utilizar nunca ácido sulfúrico. El ácido estropea las baterías de níquel – cadmio.
• Cuidado con el contacto corporal entre partes conductoras cuya tensión sea elevada. Situarse preferiblemente sobre un apoyo aislado del suelo.

Mantenimiento

a) Batería de Níquel – Cadmio

• Limpieza de los vasos.- En ocasiones se forma una costra blanca (cristales de carbonato potásico) sobre las conexiones, los polos y el tapón. Esto es debido a un llenado excesivo en el nivel de agua. Esta costra se limpia con un trapo mojado en agua o con un cepillo suave (no metálico). No usar nunca disolventes.
• Engrase.- Para la protección contra la corrosión se utiliza un aceite anticorrosivo (Dinitrol) o vaselina neutra. Se aplicará con un pincel sobre las partes metálicas de los vasos, bornes, conexiones y terminales. El aceite no debe entrar en contacto con los vasos de plástico.
• Relleno de agua.- Se usará sólo agua destilada o desmineralizada que no contenga nada de ácido sulfúrico. Se añadirá agua cuando el nivel desciende por debajo del mínimo (5 mm. Por encima de las placas), pero sin sobrepasar el nivel máximo, ya que el hacerlo conduce a derrames de electrolito y a la formación de costras de carbonato. No añadir agua mientras la batería esté en carga rápida.
• Densidad.- La densidad del electrolito se mide mediante el aerómetro, el cual está lastrado en su parte inferior, con el fin de que al sumergirse conserve la posición vertical. Una escala dispuesta en su parte superior sirve para leer la densidad que se busca. La densidad del electrolito debe ser de 1,16 ± 0,01 cuando el nivel es máximo. Cuando el nivel del electrolito disminuye la densidad aumenta ligeramente.

Figura 15: Medida de la densidad con un aerómetro

Una forma sencilla de verificar el estado de un acumulador es mediante un voltímetro conectado a sus bornes, lo que nos permite efectuar la medida de tensión existente entre las dos placas. La medición debe hacerse mientras circula la corriente. 

Si el voltímetro señala una tensión nula, tanto en el periodo de carga como en el de descarga, podremos decir que existe un cortocircuito entre las placas

Figura 16: Verificación de baterías con voltímetro

a)      Rectificador

•  Mantener limpio el rectificador
• Comprobar conexiones internas
• Comprobar si hay tensión alterna en el interruptor o contactor de entrada
• Comprobar fusibles y cambiarlos en caso necesario.
• Comprobar la intensidad de consumo de los equipos alimentados por el rectificador.

Post en PDF en la siguiente URL:

http://www.mediafire.com/download/bzbnl4pzrndb5vd/Baterias_de_acumuladores_de_corriente_continua.pdf