Aplicação do Regime de Corrente Constante Utilizando os Retificadores

Adicionando o recurso do regime de corrente constante utilizando os retificadores/carregadores da RTA com modo de tensão constante.

Devido a demanda crescente de solicitações para versatilidade dos retificadores/carregadores da RTA quanto ao tipo de bateria e tipo de regime a RTA oferece ao mercado uma solução completa para estas demandas.

Os requisitos básicos de que um carregador industrial deve possui hoje são:

– Ser parametrizado para no mínimo baterias chumbo acidas vrla (AGM, GEL, OPZV), ventiladas (OPZS), Alcalinas do tipo níquel cádmio com alta ou baixa reposição de liquido.Nota-se que o usuário pode migrar o tipo de bateria, e o carregador deve acompanhar esta mudança.

– Possuir ajustes para regime de tensão constante por flutuação com limitação de corrente; tensão constante programável, automático e manual, para equalização e flutuação, com mudança por tempo ou por limite de corrente, e um regime especifico de corrente constante.

– Ferramentas de controle, exportação de dados e analises pelos protocolos mais atuais como IEC61850; internet tcp/ip, etc.

Neste documento vamos aprofundar a necessidade de alternar, conforme o tipo de baterias, e as limitações impostas pelo fabricantes, os regimes de tensão constante e corrente constante.

O regime de carga em corrente constante tem a grande vantagem de minimizar o tempo de carga, entretanto, pode acarretar o aumento de temperatura, gaseificação excessiva e elevando o consumo de água do eletrólito. Este regime de carga é recomendado somente para baterias ventiladas ou alcalinas, pois estas podem resistir à condição de sobrecarga descrita. A RTA incorporou em seu produto um sensor de temperatura que será ligado ao banco de baterias sob este regime, enviando um alarme de sobre temperatura pre-ajustado e interrompendo o processo, mesmo em operação assistida, garantindo um maior nível de segurança.

O regime de carga em corrente constante era originalmente aplicado em baterias tracionárias ventiladas, cuja operação requer tempo de carga especialmente reduzido. Além disto, baterias tracionárias operam com carregador exclusivo (não compartilhado com outros consumidores) e seu modo de operação facilita o reabastecimento frequente de água. Em situações de corrente constante deve-se ter em conta que a tensão estará livre, portanto durante este período o consumidor deve ser alimentado por fonte redundante ou deve permanecer desativado, pois usualmente no campo, as baterias estacionárias compartilham o sistema de carga com outros consumidores (estão todos conectados em paralelo com o carregador), o que inviabiliza a carga da bateria no regime de corrente constante, mesmo na presença de n UDQ (unidades de diodos de queda).

Para baterias alcalinas pelo menos a carga com corrente constante é melhor para as baterias do que em tensão constante (pois ajuda as baterias a atingirem um estado de 100% muito mais rápido).
É o que o fabricante chama de comissionamento, ou recuperação após a permanência em prateleira.

Por exemplo, a linha de baterias alcalinas ventiladas tecnologia pocket plate, chegam até a uma tensão de 1,90V/ele no final da recarga de corrente constante.

Para baterias de chumbo, normalmente carga em corrente constante ajuda a desulfatização das placas em alguns casos traz até ganho de capacidade e prolongamento da vida útil.

Um ajuste típico de corrente constante e aplicar na bateria corrente constante no valor de aproximadamente 3% da capacidade da bateria , durante 18 horas. O valor da corrente e o tempo de aplicação são ajustados na IHM no carregador RTA.

Abaixo: Customização de aplicativo para exportação de dados, geralmente é exportado em excel para elaboração de gráficos.

customização de aplicativos

O modo de corrente constante combate o efeito de “sulfatação”, que acontece se a bateria for descarregada totalmente, deixada num estado descarregado por muito tempo ou frequentemente subcarregada. As baterias sujeitas a operação indevida, de qualquer destas formas, tendem a ter uma vida útil mais curta. Usa-se então o processo de dessulfatação para “recuperar” a bateria, ou seja, retomar suas características naturais. Sabe-se que no uso de baterias alcalinas os resultados são excelentes, com recuperação próxima de 100%.

O regime de corrente constante NÃO é recomendado para baterias chumbo-ácido reguladas por válvula (VRLA), pois estas são vulneráveis à condição de sobrecarga, possuindo reduzida capacidade de dissipação de calor (especialmente os monoblocos) e não tolerando a gaseificação excessiva (qualquer perda de água na forma de liberação de gás não pode ser reposta).

A norma aplicável para corrente constante é a ABNT NBR 14199:2014 (Acumulares chumbo-ácido estacionários ventilados – Ensaios), pois esta norma faz referência aos dois regimes de carga: corrente constante e tensão constante (vide o texto abaixo retirado da norma).

abnt

Abaixo a curva padronizada de carga pela norma DIN41773/41774:

curva de carga padronizada

Visando corroborar o exposto acima , adicionamos abaixo trechos de manuais de baterias com as instruções para corrente constante:

Exemplo 1:

Tensão Nominal do banco: 64Vcc Capacidade: 175Ah.

Carga de equalização:
É uma carga adicional, aplicada com correntes de 0,05 C10 para completar totalmente a carga da bateria, sem ultrapassar a temperatura de 45oC.

Pode ser feito mensalmente, e com acompanhamento do operador, pois em casos onde a temperatura tenda a exceder os 45oC, abaixar a corrente até que seja encontrado um valor de sintonia entre corrente e temperatura.

– Carga executada na oficina de manutenção
A bateria nunca deve ser deixada descarregada por mais de 2 (duas) horas. Ao ser descarregada o material ativo, das placas positivas e negativas, transforma-se em sulfato de chumbo. Para evitar que o sulfato cristalize nas placas a bateria deve ser colocada em carga. Portanto, sempre que a bateria for descarregada deverá ser recarregada totalmente.

– Carga manual (corrente constante) com acompanhamento de um operador
Neste tipo de carga, o retificador possui controle total de corrente, que pode ser regulada conforme o tipo de bateria. Esta carga também é conhecida como carga de corrente constante, pois a corrente permanece constante do início ao final da carga.

Considerando-se C10 (capacidade amper-hora para regime de 10 horas) como capacidade nominal, a corrente de carga empregada será igual a 10% de C10, ou seja, I = 0,1 x C10. Nestas condições em qualquer instante de carga não deve ter em nenhum elemento da bateria temperatura superior à 45oC.
Assim uma bateria de 440 Ah, será carregada com 44 ampéres, com tempo de carga próximo de 13 horas, conforme gráfico abaixo.

Nestas condições a densidade já deve estar estabilizada por 3 leituras constantes de 1 em 1 hora e a tensão não deve estar superior a 2,60 v. p.e.

tensaão por elemento

Carga com tensão constante
É o tipo de carga que injeta maior corrente no início da carga (quando a bateria está toda descarregada) e mantém uma corrente mínima no final da carga, diminuindo a gaseificação e o aumento da temperatura.

Consiste em se manter constante a tensão do retificador entre 2,35 e 2,40 v.p.e., limitando a corrente inicial em 0,20 x C10 (capacidade para o regime de 10 horas).

Dependendo do estado de descarga da bateria, este valor se mantém quase constante até a 3a hora de carga, após um determinado tempo a corrente começa a diminuir, até manter-se em um nível residual próximo de 0,02% de C10.

A fase inicial da carga , que mantém a corrente elevada, geralmente de 1 a 8 horas, representa uma retenção de carga de 80% a 85% da sua capacidade nominal.

A temperatura de fim de carga não deve ser superior a 45oC. Caso se atinja esta temperatura interromper a carga e deixar esfriar a bateria.

O carregador deve ser estabilizado e não ser sensível a ± 10% da variação da rede.

A capacidade correta do carregador deve ser selecionada de acordo com a capacidade da bateria em Ah, tensão da mesma e tempo de carga disponível ou desejado.

Exemplo 2:

Tensão Nominal do banco: 44Vcc Capacidade: 235Ah.

CARGA DA BATERIA
A principal causa de falhas de funcionamento das baterias é a carga, insuficiente ou incorreta. É indispensável o conhecimento das características e as suas influências na performance das baterias para os diferentes métodos de cargas usuais.

Carga Automática em Operação.

Geralmente as baterias estão permanentemente ligadas ao sistema elétrico, seja quando em descarga ou quando em recarga.

Normalmente um gerador alimenta o equipamento consumidor e recarrega as baterias enquanto o equipamento está em operação.

O valor de tensão para carga automática deve preferencialmente situar-se entre 2,23 a 2,27V/elemento.

Um valor muito baixo deixará decrescer os valores de densidade do eletrólito, demonstrando que a bateria perde a carga e corre perigo de sulfatação. Um valor muito alto aumentará o consumo de água e o desgaste das placas dos elementos, reduzindo a sua vida.

Para o início da operação recomenda-se um valor de 2,25V/elemento, que deverá ser reajustado se a bateria demonstra irregularidades de funcionamento, a saber, decréscimo da densidade de eletrólito ou da tensão individual em um ou mais elementos, e se não existir outra razão para tal comportamento.

Valores de tensão acima de 2,25 V servem para recarregar e equalizar a bateria.

A tabela abaixo representa os valores médios para corrente de flutuação a diferentes níveis de tensão para baterias de descarga média.

tabela de correntes de flutuação

Além da variação da corrente de flutuação em função da tensão aplicada, também existe uma variação com a temperatura do eletrólito. A tabela a seguir relaciona os fatores de multiplicação:

variação da corrente e de flutuação

Comportamento na Carga e Descarga.

O gráfico da figura abaixo demonstra as características típicas de tensão e densidade durante a carga e descarga em regime de corrente constante:

gráfico

Durante a descarga, a densidade do eletrólito decresce proporcionalmente à quantidade de ampères x horas retirados. Nota-se que a tensão dos elementos diminui durante a descarga, sendo mais acentuada a sua queda no final.

Ao se iniciar a carga, a tensão sobe quase imediatamente a 2,09 V ou mais, dependendo da intensidade de corrente.

Quando a tensão atinge 2,40 V/elemento (a 25°C), começa o processo de gaseificação ou de decomposição da água (H2O) presente no eletrólito liberando hidrogênio na placa (-) e oxigênio na (+) que são exalados do elemento.

Nesta tensão começa um processo de homogeneização do eletrólito (durante a carga o ácido sulfúrico produzido por ser mais pesado que a água concentra-se principalmente no fundo do vaso) devido à pequena agitação das bolhas de hidrogênio e oxigênio desprendidas.

Quando a bateria está plenamente carregada não há mais aumento de tensão e densidade.

Toda energia fornecida após este momento é convertida na dissociação das moléculas de H2O (Eletrólise) produzindo hidrogênio e oxigênio.

Carga com Tensão Constante (em Bancada).
A recarga de baterias normalmente é realizada em regime de tensão constante com limitação inicial da corrente. Esta limitação inicial da corrente é um requisito para limitar a potência do equipamento de carga. A bateria, na verdade, não necessita esta limitação inicial. Intensidades de correntes mais elevadas como 1 x C10 A no início da carga não danificam a bateria, mas reduzem o tempo de carga até o ponto onde for atingido o nível de tensão constante ajustado. Deste ponto em diante, o sistema de carga mantém constante a tensão e a corrente se ajusta conforme necessidade da bateria e o seu estado de carga. Prosseguindo a carga, a corrente começa a decrescer, mas a bateria recebeu carga suficiente para garantir uma autonomia de 80 a 90% da sua capacidade para seu respectivo regime. A partir deste ponto, serão necessárias muitas horas de carga para completar o estado de plena carga, em virtude da pequena corrente que se estabelece no estágio final deste tipo de carga.

É importante lembrar que na recarga é liberado pelas placas ácido concentrado que desce para o fundo do elemento, produzindo assim um gradiente de densidade. A medição de densidade na parte superior pode acusar valores mais baixos do que o real.

Assim é normal haver uma defasagem (indicação para menos) entre o estado de carga indicado pela medição da densidade na parte superior e os ampères horas recebidos pela bateria.

Com os valores normalmente usados para carga com tensão constante (2,3 – 2,4 V/elemento), o efeito de mistura é reduzido, permanecendo o gradiente até que ocorra total homogeneização pela difusão, o que pode levar vários dias.

Como referência direta para a recarga com tensão constante, foi estabelecido um tempo que é obtido das curvas de recarga.

A tabela a seguir mostra os tempos de carga aproximadas para um regime de tensão constante para 3 níveis de tensão diferentes e com a limitação inicial da corrente em 0,1 C10 à temperatura de 25°C. Para temperatura inferior a 15°C, as horas adicionais de carga (vide nota 1) devem ser dobradas.

tabela de tempos de recarga

Nota 1:
– a 2,30 V adicione 25 h para plena carga;
– a 2,35 V adicione 20 h para plena carga;
– a 2,40 V adicione 15 h para plena carga;

A partir do ponto onde a corrente de carga descer para a metade do seu valor inicial (0,05 C10).

Os tempos de recarga referem-se a uma característica corrente/tensão ideal do retificador e poderão variar de acordo com a característica de limitação do retificador.

Fator de recarga 1,1 significa recolocar 110% dos Ah retirados. A partir deste ponto pode-se considerar a bateria recarregada.

Carga com Corrente Constante (em Bancada).

A recarga:
A carga especial é uma carga em regime de corrente constante sem limitação da tensão final de carga. Nesta carga é desejada gaseificação livre no estágio final da carga para obter boa homogeneização da densidade dentro dos elementos. Esta carga deverá ser usada antes e após teste de capacidade, e compõe-se de dois estágios bem distintos, ou seja:

1° estágio
Ajustar no carregador uma corrente de 0,10 a 0,25 C10 A, ou seja, 10 a 25 A para cada 100 ampères- horas da capacidade nominal (capacidade de 10 horas), mantendo esta corrente constante. No instante quando a bateria começar a gaseificar, isto é, atingir uma tensão de 2,40 V vezes o número de elementos nos terminais finais, termina o 1° estágio da carga e a corrente deverá ser reduzida, passando-se para o 2° estágio.

2° estágio
Ao ser atingida a tensão de gaseificação de 2,40 V/elemento multiplicada pelo número de elementos em série na bateria, a corrente de carga deverá ser reduzida para 0,03 a 0,05 C10 A – um valor de 3-5 A para cada 100 ampères-horas de capacidade.

Esta é a faixa recomendada para o estágio final de carga. A partir deste instante a carga deverá prosseguir até obter-se tensões e densidades, corrigidos para a temperatura de 25°C, estáveis durante 3 leituras consecutivas, num período de 2 horas, em todos os elementos e que se tenha recolocado 110 – 115% dos Ah retirados na descarga anterior. A temperatura de nenhum dos elementos deverá exceder a temperatura máxima permitida de 45°C. Na iminência da temperatura do eletrólito aproximar-se desta temperatura máxima, deverá ser reduzida a corrente de carga para a metade do valor, ou ser desligada e retomada a carga, quando a temperatura diminuir para 38°C.

Se por acaso o retificador não permitir tensão mais alta do que 2,4 V/elemento, pode-se carregar a bateria parcialmente, pois para menos elementos teremos tensão mais alta por elemento. Terminada a carga nas baterias parciais considerar novamente a bateria conjunta.

Carga de Equalização (em Bancada).
Para corrigir qualquer não uniformidade da bateria, seja de tensão ou densidade que possa ter ocorrido ao longo de um período de uso, e principalmente garantir a plena carga, aplica-se uma carga de equalização.

As não uniformidades poderão ser consequentes de:
– Escolha de uma tensão de flutuação baixa demais;
– Ajuste de uma tensão de flutuação imprópria no carregador;
– A leitura do voltímetro do painel mostrar valores superiores aos reais existentes resultando em baixas tensões nos elementos;
– Temperaturas desiguais nos elementos.

A carga de equalização deve ser realizada a uma tensão mais alta que a tensão de flutuação, assim normalmente aplica-se a máxima tensão total que o equipamento conectado (consumidor) tolera. Tensão recomendada: 2,30 a 2,40 V/elemento. Valor preferencial: 2,33 V/elemento.

A carga de equalização deve ser aplicada quando:
– A densidade de qualquer elemento cair 10 pontos, do seu valor a plena carga (corrigidos nível e temperatura);
– A densidade média de todos os elementos caírem mais que 10 pontos da densidade média a plena carga (corrigido nível e temperatura);
– Quando um ou mais elementos mostrarem valores de tensão abaixo de 2,15 V
– Como carga periódica a cada 6 meses se não houver nenhum dos motivos acima.

densidade nominal

Carga com tensão constante normalmente não causa elevações acentuadas de temperaturas mesmo em períodos prolongados de carga.

Esta tabela é válida para temperatura de eletrólito na faixa de 16 a 32°C. Para temperaturas entre 5 e 15°C o n° de horas deve ser multiplicado por fator 2.

A tensão de um elemento “quente” estará menor que a média, pois a tensão de carga diminui com a temperatura para uma mesma corrente.

Verificar a densidade dos elementos a cada 1 hora durante as 3 horas de carga de equalização.

Após a conclusão da carga de equalização, a densidade específica normal deve ser de 1,240 a 1,260, a (25°C).

Quando a carga for concluída, faça um registro por escrito da densidade específica de cada célula e observe a temperatura e o nível do eletrólito das células-pilotos para comparações futuras.

Caso a densidade nominal não volte ao normal contate a assistência Técnica Moura.

Correção da Tensão de Carga com a Temperatura.

A tensão de flutuação deve ser ajustada com a temperatura.

O coeficiente de variação dV/dt é – 5 mV/oC, isto é, a tensão de flutuação deve ser diminuída em 0,005 V por elemento para cada aumento de 1oC na temperatura do eletrólito.

No caso do produto RTA esta disponível a exportação da curva tensão corrente no tempo, para analise da situação das baterias conectadas ao retificador.

A Titulo de ilustração anexamos as telas abaixo de um retificador/carregador da RTA, permitindo a seleção de modo e os ajustes básicos.

ajuste de corrente
Ajuste de corrente no modo corrente constante.

ajuste de tensão
Limite de tensão máxima no modo de corrente constante.

Ajustes de corrente e tensão no modo tensão constante
Ajustes de corrente e tensão no modo tensão constante.

TIMER - Temporização no modo corrente constante
Temporização no modo corrente constante.

Mais informações contate a RTA em rta@rta.com.br ou um representante técnico comercial.

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