¿Qué tamaño de transformador y celdas necesita un sitio de carga rápida en CC?

Un sitio de carga rápida en CC es una de las pocas cargas donde el número impreso en el equipo no es el número con el que se debe dimensionar. Un dispensador de 350 kW está calificado por lo que entrega al vehículo. La acometida, el transformador y el tablero de baja tensión deben soportar lo que consume de la red, y eso es aproximadamente 6 % mayor. El Artículo 625 del NEC elimina entonces la salida a la que recurren la mayoría de los ingenieros, porque las cargas de recarga de VE son continuas y no admiten factor de demanda, de modo que la carga calculada es la carga conectada total tomada al 125 %. Una plaza de doce dispensadores construida con cuatro unidades de 150 kW y ocho de 350 kW llega a 3,615.1 kVA de entrada en CA, 5,000 kVA de capacidad de transformador y dos líneas de tableros de 3,000 A a 480 V. Este artículo desarrolla ese sitio de principio a fin bajo el NEC y el CEC, y luego muestra qué elimina un sistema de gestión de energía de ese cálculo. Estas son las reglas detrás de la calculadora de capacidad de servicio para recarga de VE.

¿Cuál es la carga eléctrica real de un cargador rápido en CC?

Un cargador rápido en CC es un rectificador. Su potencia anunciada es la salida en CC hacia el vehículo; el lado de CA transporta esa salida más las pérdidas de conversión, con el factor de potencia de desplazamiento que presente la etapa de entrada. La carga que corresponde usar en el cálculo de la acometida es la potencia nominal de entrada en CA de la placa de datos, a la que llega la NEC 625.42 al exigir que el equipo tenga la capacidad suficiente para alimentar la carga que atiende.

Antes de que lleguen los sometimientos, evalúe el lado de CA con dos supuestos declarados:

S = P ÷ (η × PF)

donde η es la eficiencia de conversión de CA a CC y PF es el factor de potencia de desplazamiento de entrada. Este artículo usa η = 0.95 y PF = 0.99, anotados en el diagrama unifilar como supuestos y no como hechos. No son tan determinantes como parecen. Calcular la misma plaza de 3,400 kW con η = 0.93 da 3,400 ÷ 0.9207 = 3,692.8 kVA, y con η = 0.97 da 3,400 ÷ 0.9603 = 3,540.6 kVA, una dispersión de alrededor de ±2 % que desaparece por completo al redondear a la siguiente potencia estándar de transformador. Lo que sí cambia el resultado es usar los kW de salida en CC como si fueran kVA, lo cual subestima el sitio en poco menos de 6 % en este caso.

Una vez que se conoce la potencia de entrada en CA en kVA, cuatro relaciones adicionales sostienen el resto del diseño:

S_transformer ≥ S ÷ 0.80

I = S × 1000 ÷ (√3 × V)

OCPD ≥ 1.25 × I_continuous

I_secondary,max = 1.25 × I_rated

Ninguna cláusula del código establece un límite de carga del transformador del 80 % en esos términos exactos. Es el inverso del requisito de carga continua del 125 % de la NEC 215.3 trasladado al transformador, y es la convención usada a lo largo de cómo dimensionar un transformador. Lo que varía entre proyectos es la tensión secundaria y si interviene un sistema de gestión de energía; el aspecto de costos de esas decisiones se desarrolla en costo de instalación de un cargador rápido en CC.

¿Qué exigen la NEC 625 y la Sección 86 del CEC?

Los dos códigos llegan al mismo resultado por caminos distintos. El NEC aplica un multiplicador del 125 % a la carga continua; el CEC limita la carga continua al 80 % de la ampacidad del conductor bajo la Regla 8-104(6), que sube al 100 % bajo la 8-104(5) solo cuando el equipo está marcado para operación continua al 100 %. El equipo sin ese marcado se toma por defecto en 80 %. Ambos caminos llegan al mismo conductor y dispositivo.

Dos cláusulas sostienen el diseño. La NEC 625.42 no ofrece diversidad — como lo expresa Consulting-Specifying Engineer, “no hay factores de demanda involucrados; todas las cargas de EVSE se consideran cargas continuas” — y la CEC 86-300 condiciona un circuito derivado compartido a la existencia de un EVEMS, el equivalente canadiense de lo que permite la NEC 625.42(A).

Ejemplo resuelto: una plaza de carretera de 12 dispensadores a 480 V

Datos: cuatro dispensadores de 150 kW y ocho dispensadores de 350 kW, una acometida primaria de la empresa eléctrica de 13.8 kV, y un secundario de 480Y/277 V.

1. Salida de CC conectada. 4 × 150 kW = 600 kW, y 8 × 350 kW = 2,800 kW, por lo que el sitio totaliza 600 + 2,800 = 3,400 kW.
2. Entrada en CA. S = 3,400 ÷ (0.95 × 0.99) = 3,400 ÷ 0.9405 = 3,615.1 kVA.
3. Placa de datos del transformador. La carga continua mantiene la unidad en 80 % o menos, por lo que 3,615.1 ÷ 0.80 = 4,518.9 kVA. La siguiente potencia estándar trifásica es 5,000 kVA, suministrada como una sola unidad o como 2 × 2,500 kVA. Cada unidad de 2,500 kVA soporta entonces la mitad del sitio, 3,615.1 ÷ 2 = 1,807.5 kVA, que es 1,807.5 ÷ 2,500 = 72.3 % de la placa de datos.
4. Corriente de la acometida. I = 3,615,100 ÷ (√3 × 480) = 3,615,100 ÷ 831.38 = 4,348.3 A, o 2,174.2 A por línea de tableros en un arreglo con dos transformadores.
5. Dispositivo principal y barra. 2,174.2 × 1.25 = 2,717.7 A, por lo que la siguiente capacidad estándar bajo NEC 240.6(A) es 3,000 A, sobre una barra de 3,000 A.
6. Verificación del principal contra el transformador. La corriente secundaria nominal de una unidad de 2,500 kVA a 480 V es 2,500,000 ÷ 831.38 = 3,007.0 A, por lo que un principal de 3,000 A queda en 3,000 ÷ 3,007.0 = 99.8 % de la corriente nominal, y la carga continua en 2,717.7 ÷ 3,000 = 90.6 % del principal. La protección contra sobrecorriente de la unidad de 13.8 kV–480 V en sí cae bajo la Tabla 450.3(A) del NEC, la tabla para más de 1000 V cuyas columnas dependen de la supervisión, la banda de impedancia y el tipo de dispositivo — dimensionamiento de la protección contra sobrecorriente del transformador desarrolla esa tabla y los equivalentes de la Sección 26 del CEC.
7. Circuitos derivados. Un dispensador de 350 kW consume 372.1 kVA, o 372,100 ÷ 831.38 = 447.6 A; al 125 % eso es 559.5 A, por lo que 600 A. Un dispensador de 150 kW consume 159.5 kVA, o 191.8 A; al 125 % eso es 239.8 A, por lo que 250 A.
8. Verificación de coherencia de la línea de tableros. Cada línea de tableros alimenta dos dispensadores de 150 kW y cuatro de 350 kW, por lo que los dispositivos derivados totalizan 2 × 250 + 4 × 600 = 2,900 A frente a una barra de 3,000 A.
9. El transformador de servicios auxiliares, donde sí aplica la NEC 450.3(B). Un transformador reductor de 300 kVA de 480–208Y/120 V para iluminación y contactos del sitio tiene una corriente secundaria nominal de 300,000 ÷ (√3 × 208) = 300,000 ÷ 360.27 = 832.7 A. La Tabla 450.3(B) limita su dispositivo secundario al 125 %, o 832.7 × 1.25 = 1,040.9 A, y la Nota 1 permite la siguiente capacidad estándar, 1200 A.

Un solo transformador de 5,000 kVA a 480 V tendría una corriente secundaria nominal de 6,014.1 A, por encima del tope de 6000 A habitual en la construcción de tableros de baja tensión UL 891 y del tope de 5000 A típico de las celdas extraíbles de baja tensión UL 1558. Dividir en dos unidades de 2,500 kVA y dos líneas de tableros de 3,000 A es lo que mantiene el diseño dentro de la construcción ordinaria de tableros de baja tensión.

¿Cómo se ve el mismo sitio en Canadá a 600 V?

La CEC 86-302 clasifica la carga conectada del EVSE como continua para efectos de la Regla 8-104, y la Regla 8-104(6) expresa el margen como un tope — carga continua que no exceda el 80 % de la ampacidad del conductor, que sube al 100 % bajo la 8-104(5) solo cuando el equipo está marcado para ello — en lugar del multiplicador del 125 % del NEC. La aritmética es idéntica; el enunciado está invertido. La Regla 8-104(3) fija el umbral de lo que se considera continuo en 3 horas de cada 6 por encima de 225 A, condición que un sitio de carga pública cumple sin discusión.

Lo que cambia de manera sustancial es la tensión. A 600 V, los mismos 3,615.1 kVA consumen 3,615,100 ÷ (√3 × 600) = 3,615,100 ÷ 1,039.23 = 3,478.6 A, frente a 4,348.3 A a 480 V. Por línea de tableros eso es 1,739.3 A, y 1,739.3 × 1.25 = 2,174.2 A, por lo que el principal baja de 3,000 A a 2,500 A. Los kVA del transformador no cambian, porque los kVA no dependen de la tensión — solo lo hacen la corriente y, por lo tanto, el equipo, la barra y el cable. La protección contra sobrecorriente del transformador en sí se ubica en la Sección 26 del CEC en lugar de la Sección 86, y difiere del NEC en el lado primario; dimensionamiento de la protección contra sobrecorriente del transformador detalla esos números de cláusula.

¿Cuánto cambia un sistema de gestión de energía el transformador?

Esta es la palanca individual más grande sobre la lista de materiales. La NEC 625.42(A) permite que un EMS que cumpla con 750.30 establezca la carga máxima del equipo en la acometida y el alimentador, y la 625.42(B) extiende la misma lógica al EVSE con acceso restringido a un medio de ajuste de amperaje bajo 750.30(C). En Canadá, la CEC 8-500 permite que un EVEMS supervise la acometida, los alimentadores y los circuitos derivados, y controle las cargas del EVSE, siempre que la carga controlada no exceda la Regla 8-104(5) o (6). Al limitar la plaza a 1,800 kW de entrega simultánea, la carga calculada baja con ella:

2,392.3 kVA se redondea hacia arriba a un solo transformador de 2,500 kVA en lugar de 5,000 kVA. La entrada en CA sin limitar detrás de esa cifra es 1,800 ÷ 0.9405 = 1,913.9 kVA, por lo que la corriente de la acometida queda en 1,913,900 ÷ 831.38 = 2,302.0 A a 480 V, y 2,302.0 × 1.25 = 2,877.5 A — una sola línea de tableros de 3,000 A reemplaza a dos. El costo es la capacidad de entrega durante los picos coincidentes, lo cual es una cuestión de utilización y no de código — gestión de carga en recarga de VE explica cuándo vale la pena hacer ese cambio, y la calculadora de capacidad de servicio para recarga de VE ejecuta ambos casos en paralelo.

Referencia cargador por cargador

Entrada en CA y dispositivo derivado para las capacidades de salida en CC más comunes, con η = 0.95 y FP = 0.99. El Alternative Fuels Data Center del DOE señala que las unidades de carga en CC ahora alcanzan hasta 500 kW; la fila de 1,250 kW representa un dispensador de clase megavatio para vehículos pesados y muestra dónde 480 V se queda sin margen.

Y el transformador que resulta de la salida total del sitio, al 80 % de carga continua:

La misma escala impulsa la calculadora de dimensionamiento y protección de transformadores, y cómo dimensionar un transformador plantea los otros cuatro ajustes — demanda, crecimiento, altitud y armónicos — que se suman al margen de servicio continuo usado aquí.

Qué especificar

• kVA del transformador, a partir de la suma de las potencias de entrada en CA dividida entre 0.80 y redondeada hacia arriba en la escala ANSI C57.12. El número proviene de los sometimientos del cargador, no de la potencia comercial — 3,615.1 ÷ 0.80 = 4,518.9 kVA en el sitio del ejemplo resuelto.
• Tensión y configuración secundaria, 480Y/277 V o 600Y/347 V, decidida según la corriente que produce. 3,478.6 A frente a 4,348.3 A para los mismos kVA representa todo un tamaño de bastidor distinto; cómo elegir la tensión de distribución de una instalación desarrolla esa disyuntiva más amplia.
• Capacidad del dispositivo principal y de la barra, al 125 % de la carga continua — NEC 215.3 para un alimentador, 230.90(A) cuando el dispositivo es el desconectador de la acometida — verificada luego contra la corriente secundaria nominal del transformador — 3,007.0 A en una unidad de 2,500 kVA a 480 V — y contra la tabla de protección correcta, 450.3(A) por encima de 1000 V o 450.3(B) en 1000 V y menos.
• Corriente de falla disponible y capacidad del equipo, a partir de la carta de impedancia de fuente de la empresa eléctrica y de la %Z del transformador, verificada contra la capacidad de cortocircuito del conjunto según NEC 110.9. Corriente de falla disponible y SCCR desarrolla el cálculo.
• Exigencia de armónicos, solicitada como datos de distorsión al fabricante del cargador y trasladada a una calificación de factor K o a un transformador mitigador de armónicos, con el punto de acoplamiento común verificado contra IEEE 519. Vea transformadores con factor K y límites de IEEE 519.
• Punto de ajuste del EMS o EVEMS y su cumplimiento, referido a NEC 625.42(A) y 750.30 o a CEC 8-500, con el máximo controlado indicado en kW en el diagrama unifilar para que el revisor de planos pueda rastrear la reducción.

Errores comunes

• Sumar los kW de salida en CC y llamarlo kVA. En el sitio del ejemplo eso da 3,400 kVA en lugar de 3,615.1 kVA, lo que subestima la acometida en 215.1 kVA, poco menos del 6 %, y la corriente en 4,348.3 − 4,089.6 = 258.7 A. La potencia de entrada en CA del sometimiento es el número que exige la NEC 625.42, y es lo primero que verifica un revisor.
• Aplicar un factor de demanda al número de cargadores. No existe ninguno para el EVSE. Un supuesto de diversidad del 20 % reduce la base a 2,892.1 kVA y el transformador a 2,892.1 ÷ 0.80 = 3,615.1 kVA, o una unidad de 3,750 kVA en lugar de 5,000 kVA — un escalón completo de capacidad ganado con un factor que el código no otorga. La única reducción permitida es un punto de ajuste de EMS bajo NEC 625.42(A) o un EVEMS bajo CEC 8-500, aplicado en el hardware.
• Clasificar un transformador de media tensión bajo la Tabla 450.3(B) del NEC. Esa tabla solo aplica a transformadores de 1000 V o menos; una unidad de 13.8 kV–480 V se protege bajo la Tabla 450.3(A), cuyas columnas dependen de la supervisión, la banda de impedancia y el tipo de dispositivo. La 450.3(B) rige en cambio el transformador reductor de 480–208Y/120 V, donde 832.7 A de corriente secundaria nominal limitan el dispositivo secundario a 1,040.9 A.
• Tomar el 125 % de un número que ya está reducido. El multiplicador del 125 % y el tope del 80 % son el mismo margen expresado dos veces, una por la NEC 215.3 y otra por la CEC 8-104(6). Aplicarlos ambos en cascada da 5,648.6 kVA en el sitio del ejemplo y un escalón de capacidad innecesario.

Dónde encaja Entogo

Entogo fabrica en su propia planta el transformador, la subestación y las celdas de un sitio de carga. Las unidades trifásicas tipo pedestal (pad-mounted) cubren de 75 a 2500 kVA en clase 15/25/35 kV, con primarios de 12.47–34.5 kV y secundarios de 208Y/120, 240/120, 480Y/277 o 600 V, por lo que el caso canadiense de 600 V descrito arriba se atiende directamente; están diseñadas y fabricadas conforme a IEEE C57.12.34 y DOE 10 CFR 431. Donde la maniobra de media tensión y la sección de baja tensión deben ir en un solo gabinete, la subestación unitaria secundaria compacta cubre la clase 15/25 kV hasta 2,500 kVA con secundarios de 208Y/120, 480Y/277 y 600 V, diseñada y fabricada conforme a IEEE C37.121 y ANSI C57.12.34 / C57.12.28. Los tableros de baja tensión cubren de 800 a 6000 A a 600 V o menos, diseñados y fabricados conforme a UL 891, y las celdas extraíbles de baja tensión alcanzan 5000 A a 65/85/100 kAIC, diseñadas y fabricadas conforme a UL 1558 y ANSI C37.20.1. Todo es certificable UL (cULus) / CSA a solicitud.

Ejecute el sitio en la calculadora de capacidad de servicio para recarga de VE para fijar los kVA y el principal, y luego lleve el resultado a una cotización de transformador o a las páginas de transformador tipo pedestal y tablero de baja tensión para los tamaños de bastidor. Las potencias más comunes tienen sus propias páginas de tamaño, entre ellas 500 kVA y 2500 kVA, y infraestructura de recarga de VE muestra cómo se integran el transformador, las celdas y la línea de cargadores. Como la planta es propia, la capacidad se programa contra el proyecto y no contra una fila de espera.

Todo el cálculo se reduce a una sustitución y un multiplicador. Convierta la salida en CC a entrada en CA antes que cualquier otra cosa, tome el 125 % porque la NEC 625.42 establece que la carga es continua y no otorga diversidad, y deje que las escalas de potencias estándar redondeen el resultado. Los 5,000 kVA de transformador, los dos principales de 3,000 A y los dispositivos derivados de 600 A se derivan de esos dos pasos, y un punto de ajuste de EMS es la única palanca que legítimamente reduce el resultado.