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7/23/2019 12 Set Planificacion y Diseo Pxii

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Universidad Don Bosco UDB SET111 UNIDAD V, Guion 3

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Esta parte describe las pautas para recoger y elaborar la informacin necesaria y los procedimientospara sistemticamente disear cada uno de los componentes bsicos en el sistema elctrico de D.C.

Aunque algunas de las pautas sean muy especficas, el problema del diseo del sistema elctrico de laD.C. es como cualquier otro.

Figura 5.1 Flujograma del Proceso de Planificacin y Diseo de un Sistema de Energa DC.


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No hay mtodo correcto estrictamente hablando. Todas las prcticas y procedimientos y reglas practicastienen excepciones y alternativas igualmente vlidas. No hay substitutos para el sentido comn y lasnormas de buena prctica.

CONSIDERACIONES DEL DISEO DE SISTEMA.Un sistema elctrico de D.C. de telecomunicaciones debe proporcionar la gama especificada de voltajeen el equipo , la batera y la carga ; cuando la fuente de energa primaria est disponible y para untiempo especificado de reserva en que la fuente de energa o el sistema primario del rectificador falla. Eldiseo de un sistema elctrico de D.C, para cumplir este y otros requisitos incluye, entre otras cosas,consideraciones de Capacidad de Batera, capacidad de los conductores, cadas de voltaje, asi ccomotan bien,la necesidad de recargar simultneamente la batera y carga.

El proceso de diseo implica la preparacin y la ejecucin. La preparacin incluye el planeamiento,recoleccin de datos, y requisitos de sistema. La ejecucin incluye el desarrollo de diseos basados enesos requisitos.

Los nuevos sistemas son los ms fciles de disear porque no hay limites condicionados por lainfraestructura existente inadecuada como muchas veces ocurre. La nueva infraestructura se construyepara acomodar los nuevos sistemas, y el diseador puede elegir de una gran variedad de equiposnuevos.

Diseo de Sistemas de Corriente Directa.

Los sistemas elctricos de DC tienen una proyeccin para una larga vida de 50 aos o ms. Los

sistemas diseados para durar este largo tiempo, requieren el planeamiento no slo para cumplirrequisitos iniciales, sino que deben tener flexibilidad y capacidad de expansin para un cierto plazo.Algunos componentes tales como buses principales son muy difciles de redisear para ampliarlosmientras estn en servicio y por lo tanto se disean cumplir requisitos de la carga ms actualizadaposible. El intervalo del planeamiento que se utilizar depende de la aplicacin.

La pauta para el planeamiento del Powerboard del Switch, es desplegar nuevas o adicionales unidadeso capacidad creciente del Bs cuando la carga real en el Powerboard existente ha alcanzado 50 Amp. el80% de su capacidad del bs. Por ejemplo, un Powerboard de 800 Amp debera ser ampliado cuando lacarga ya excede de 400 Amp. (el 50%) pero antes de que alcance 640 Amp. (el 80%). Pues unacuestin de buena prctica que un Powerboard no se cargue con ms el de 80% de su Capacidad de

Datos de placa.


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Figura 5.2 Lo que incluye la Recoleccin de datos.

Diseo de sistema de batera.

Figura 5.3 Seleccin de la Tecnologa en el Diseo del Sistema de Batera.


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Figura 5.4

Criterios a considerar:

- Costos iniciales- Costos de mantenimiento- Vida til de la batera

- Espacio que ocupan- Anlisis econmico

Capacidad del banco

Para calcular se considerarn:

- Corrientes de carga del equipo- Tiempo de reserva de la batera- Factor de descarga (factor de capacidad)

- Factor de temperatura- Factor de Fin de vida til (Aging Factor)- Factor de margen de diseo

Lo cual sumado, resulta en:

8Ah I . . . . .EQ BR Disch T EL MARGt F F F F=


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EQ

Disch

T

EL

MARG

I = Corriente de Carga del Equipo

F = Factor de Descarga

F = Factor de Temperatura (=1 para datos de placa)

F = Factor de Fin de vida til (1.25 x definicin)

F = Factor de margen d

BR

8

e diseo (entre 1.10 y 1.15)

t Tiempo de Reserva de Bateria

Ah Capacidad de datos de placa de la bateria, para 8 hrs , 25 C y 1.75 v/ce

=

=

El tiempo de reserva de la batera, tradicionalmente usa dos criterios:

tBR :3 5 h para Disponibilidad de Generador Standby

tBR :8 12 h para NO Disponibilidad de Generador StandbyPero en cada situacin particular se deber evaluar el tiempo que ser indispensable atendiendo otrascriterios tales como:

- Ubicacin geogrfica del sitio (accesibilidad)- Peligrosidad de la regin- Si existen otros equipos importantes adyacentes- Historial de duracin de las interrupciones en el sitio (Disponibilidad)- Limitaciones econmicas

Adems hay que asegurarse que el sistema de batera sea tal que provee de del mnimo voltaje deoperacin del equipo VME.

Este dato es importante porque obliga a considerar muy seriamente el concepto de cada de voltaje .En este sentido aparecen algunos criterios relacionados con las cadas de voltaje segn:

- Para Sistemas de 24 VDC -- Cada admisible= 1.0 V- Para Sistemas de 48 VDC -- Cada admisible= 2.0 V

Y en la cada de voltaje se deben considerar, en trminos generales, y considerando hasta losterminales de la carga:

- La cada de voltaje del Circuito de Distribucin Primaria- La cada de voltaje del circuito de Distribucin Secundaria

Entonces:


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BF T ME

T BATT PRIM SEC

BF BATT PRIM SEC ME

V V V

V V V V

V V V V V

= +

= + +

= + + +

Donde VT1.0 V para Sistemas a 24 VDC

VT2.0 V para Sistemas a 48 VDC

Entonces el voltaje final de celda viene dado por:

BFCF

cells

VV

N=

BF

T

ME

BATT

PRIM

V = Voltaje Final de Batera

V = Cada de voltaje Total

V = Voltaje Mnimo de operacin del equipo de carga

V = Cada de voltaje de Batera

V = Cada de voltaje del circuito de Distribuci

SEC

CF

cells

n Primaria (incluye bus descarga)

V = Cada de voltaje en circuitos de distribucin secundaria

V = Voltaje Final de Celda

N = Nmero de celdas

Y una vez se tiene el voltaje final de celda y dependiendo de la tecnologa de las bateras

seleccionadas, se puede ir a grficas o curvas y con el voltaje final de celda obtenido, interceptar a lacurva FDisch vrsTiempo de reservaobtener el factor de descarga.


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Figura 5.5 Cadas de voltaje por segmentos en el sistema

Este factor, toma en cuenta la tasa de descarga en ese momento, el cual puede ser diferente de aquelde datos de placas para 8 horas y 25 C (que regularmente en tiene un Valor de voltaje final de celda de1.75 v/cell)

No te que VBFes el voltaje final de batera del sistema de batera como un todo, que puede alcanzar ytodava mantener en operacin al equipo o carga, a la que se suministra la energa.

Factor de Vida til.

El factor de fin de vida til (FEL) es por definicin igual a 1.25. Se considera que la vida til de una bateraha finalizado cuando su capacidad decrece hasta el 80% de su capacidad de datos de placas.

Factor de Temperatura.

Cuando su Valor es igual a 1.0 indica operacin en condiciones de datos de placa (a 25 C). Cuando elsitio est alejado, se prevee de que este factor sea levemente menor que 1.0, ya que altas temperaturasreducen la vida til de la batera.

Factor de Margen de seguridad.

Este factor se considera porque en todos los problemas de ingeniera se involucra un margen de diseoque de alguna manera refleje el conocimiento imperfecto del ingeniero, cuando se trata de sistemasreales. Tpicamente toma valores de 1.10 a 1.15.

Nmero de Strings.

Por norma, el nmero de bateras en el String debe ser el mnimo necesario. Recuerde que por muyigual que parezca cada String con igual tecnologa, y hasta el mismo modelo de batera; la precisin delvoltaje entregado puede variar y es particularmente importante cuando se tiene que entregar un voltajede flote para alcanzar su mayor vida til posible.


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Un criterio importante es que de preferencia no se deben conectar bateras de diferente voltaje de flote,o de caractersticas de carga y descarga distintas, y menos an de diferente tecnologa (VLA o VRLA).

Como es posible que debido a la demanda se requieran incrementos en la capacidad de la batera; y

como el crecimiento de la batera est ntimamente ligado al crecimiento en la capacidad del Rectificador(ya que ambos son afectados por el incremento de la carga). El incremento en la capacidad de la bateraviene dado por:

.RM BR

R

I tAh

F =

RM

R

I = Capacidad del Mdulo de Rectificacin

F = Factor de Recarga (tipico 1.2 a 1.4 para VLA y 1.15 a 1.2 para VRLA)

Ah = Incremento de Capacidad de Batera

Si la capacidad del sistema de batera se divide por igual entre dos o ms Strings(que es lo usual, paracargas grandes), la capacidad de cada String viene dada por:

8

_

string

string paralelo

AhAh

N=

string

string_paralelo

8

Ah = Capacidad individual del String de Batera

N = Numero de strings de Bateras en Paralelo.

Ah Capacidad de datos de placa de la bateria, para 8 hrs , 25 C y 1.75 v= /cell

Tericamente no hay lmites para conectar cualquier cantidad de Strings en paralelo; pero en la prcticasi lo hay y lo determina el fabricante. Algunos fabricantes no recomiendan ms de cinco String enparalelo. Estos lmites tienen que ver con corriente de cortocircuito y calidad del voltaje.


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Figura 5.6 Disposicin mecnica o rack para un banco de Bateras.

Otros detalles importantes.

Cada String debe estar previsto con un Circuit Breaker cuando sea posible (por razones demantenimiento), hablando de Strings redundantes. Se debe proveer un CB de proteccin con unacapacidad referida del 80%.

Diseo de sistema de Rectif icadores.


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Figura 5.7 Transporte de Corr iente en los Rect ificadores.

Se deben considerar los siguientes elementos:

- Tecnologa- Cantidad- Capacidad de corriente- Capacidad de voltaje de entrada- Factores opcionales dcada sistema

En telecomunicaciones, los Rectificadores operan en paralelo y en configuracin N+1(redundancia) ycasi siempre disponibles para compartir la carga.

El Sistema de Rectificacin debe ser lo suficientemente grande, no solamente para operar la carga oequipos de telecom; sino que simultneamente recargar las bateras en un cierto tiempo deseado.Tambin se debe considerarse que la batera estar conectada a un sistema Inversorposiblemente,puesto que esto tambin mermar su capacidad.

Tecnologa.

Mayormente ahora se usa tecnologa orientada a la modularidad y con capacidad para intercambiar losmdulos en vivo. La tecnologa est relacionada con el espacio disponible tambin, si el espaciodisponible es limitado la opcin viable es:

- Switch Mode

Si lo que se necesita es compatibilidad y mnimo mantenimiento, entonces se usar:

- Rectificadores Ferroresonantes.


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Configuracin de salida.

Rectificadores Standalone, tienen circuito de salida individual que se conecta mediante cables o por unBusbar, al bus de carga o a una terminacin del Rectificador, que es parte del bus de carga.

Los Rectificadores modulares son instalados en magazines o shelf que son ensamblados con buses desalida hacia un punto comn de terminacin (rematados en el busbar), y este punto comn esconectado al bus de Carga mediante cables o Busbars.

.Cantidad de Rectificadores.

Aun cuando el sistema sea pequeo el sistema de rectificacin debe tener al menos dos mdulosRectificadores. Uno de ellos para manejar la carga y recarga de la batera, y el otro configurado enoperacin Hot Standby.

No hay lmites tcnicos para la cantidad de Rectificadores a conectar en paralelo, pero un anlisis

econmico podra revelar que un pequeo nmero de Rectificadores grandes, es ms barato que unnmero grande de pequeos Rectificadores.

Tambin debe considerar el calor generado por esta cantidad de Rectificadores, porque seguramentepodran requerir un sistema de enfriamiento adicional.

Capacidad del Rectificador.

En la industria de Rectificadores, se tiene una regla prctica que dice, que el Sistema Rectificador debeser diseado para ser capaz de recargar la batera completamente al 95% de la capacidad de datos deplacas, durante al menos 24 horas en operacin simultnea con toda la carga del equipo de

Telecomunicaciones.Si la corriente de salida del sistema es igual a:

8AhCorriente_recarga= [Amp]20

Por ejemplo, si se tiene un banco de bateras con una capacidad igual a:

C= 450 Ah. sta debera recargarse aproximadamente en 24 horas, para ello la corriente de carga debeser igual a:

450Ah/20 = 23 Amp.

Note que esta corriente en el Rectificador es la de recarga. Esto quiere decir que, en realidad elRectificador debe entregar una corriente igual a:

23 Amp + IEQ


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Entonces el tiempo para la recarga al 100% de la capacidad de datos de placa, se puede calcularusando:

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Rech Batt_lossRS EQ

Ah

t = .F(I -I )

Rech

RS

Batt_loss

t = Tiempo de recarga de la Batera

I = Capacidad del Sistema de Rectificacin, con N rectificadores

F = Factor de Perdida de Batera (tpicamente 1.10 a 1.15 en cido -plomo)

Otro criterio importante, es que para temperaturas de 16 Co menosel tiempo de recarga se duplica;

y para temperaturas de 5 C o menosel tiempo se cuadruplica .

La capacidad del sistema de rectificacin se puede calcular de dos formas:

a) Usando la Corriente requerida para recargar la batera en un cierto perodo

b) Usando un Factor de Carga.

Para a)se usa:

8RS EQ Batt_loss

Rech

AhI =I + .Ft

Y para b), se usa:

RS EQ RechI =I .F

Donde FRech = 1.2 a 1.4(para Bateras con Tecnologa VLA)= 1.15 a 1.2(para Bateras con Tecnologa VRLA)

En cuanto a los cuartos o espacios donde se almacenan las bateras, se ha determinado que para una

altitud de 3300 pies 1000 m, o ms respecto al nivel del mar, su capacidad se ve reducida, para lo cual


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hay que hacer uso de un sistema de enfriamiento apropiado.

Si el sistema es modular, el nmero total de mdulos de Rectificadores (NRM) se determina usando:

RSRM

RM

I= +1

I

RM

RM

N = Nmero de Rectificadores Modulares

I Capacidad en Amperios de cada modulo de rectificacin=

Importante!!!.Siempre se aproxima al entero inmediatamente superior.

Esto asume que todo los mdulos son de caractersticas idnticas o similares (en su capacidad).

Cuando se requiera capacidad adicional a la ya existente, el Rectificador redundante (o los

Rectificadores redundantes) deben ser al menos tan grandes en capacidad como el Rectificador

individual o modular ms grande.

Ejemplo. Una batera de 800 Ahse usa en un sistema donde la corriente de carga es 100 A.Determine

el nmero total de mdulos de rectificacin, sea cada mdulo est dimensionado segn datos de placa a

50 amperios.

8RS EQ BattLoss=

Rech

RS

RSRM

RM

Ah 800AhI =I + .F 100A+ *1.15

t 24

I =138 A

I 138A= +1= +1=3.76 y se aproxima a 4

I 50

Entrada de corriente alterna del Recti ficador.

El Sistema de Rectificacin, en su entrada, debe ser acoplado al servicio de voltaje de entrada, el cualtpicamente, es un transformador Step Up Step Down (aumentador o reductor) usado para cambiar elnivel de voltaje de servicio.

Los voltaje preferidos para la mayora de instalaciones Rectificadoras son de 208, 240 VAC comovoltajes de lnea a lnea, para sistemas de rectificacin de 400, 800, y 1600 Amps. En sistemas deenerga pblicos que entregan 12,470 Y / 7200 VAC y que por tanto requieren un transformadorreductor.


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Cada rectificador individual o mdulo, requiere un circuito AC dedicado. No se debe alimentar ms de uncircuito desde un solo CB. La razn es que al dispararse un CB con dos o ms mdulos, hace queposiblemente se saque fuera de servicio una capacidad importante de potencia del sistema.

Lo rectificadores deberan ser alimentados desde un Panelboard o 2 Panelboard, por razones deredundancia. Cada Panelboard est limitado a 42 polos y slo tienen espacio para 21 CBs de 2 polos.Con lo cual, un mximo de 21 rectificadorescon conexin de lnea-lnease puede tener disponible.

Figura 5.8 Panelboard para alimentar a los Rectif icadores.

La carga del rectificador debe Balancearse. Si los rectificadores estn conectados en un panelmonofsico deben conectarse de manera tal que cada bus est cargado igualmente, tanto como seaposible.


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Figura 5.9 Conexin de Rectificadores monofsico y trifsico en Y de 4 hilos


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Figura 5.10 Conexin de rectificadores a sistemas monofsico y tri fsicos de 2 po los.

Ya que hay dos buses en un Panelboard monofsico, la carga puede estar completamente balanceadasi hay un nmero par de rectificadores.

En Panelboard trifsicos, se puede lograr un balance de cargas perfecto, solamente si el nmero derectificadores es igualmente divisib le entre 3 .


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Usualmente para rectificadores pequeos (de menos de 500 watts), stos se conectan de lnea a neutroy para capacidades mayores las conexiones de lnea a lnea.

Requerimientos de salida del rectificador.

La cada de voltaje en los circuitos de salida del rectificador no es problema importante. Esto se diseantpicamente para un mximo de cada de voltaje de 1.0 V en sistemas de 48 V, de 0.5 V para sistemasde 24 Voltios, a plena carga, desde la salida del rectificador hasta el bus de carga.

La salida de los rectificadores se expresa ms frecuentemente en Kilowatts ms que en Amperios .

Por ejemplo, un rectificador de 1.5 KWatts puede entregar 55. 5 A operando a 27 V, y 75 A operando a20 V, pero podra ajustarse una corriente lmite de 50 A independientemente del voltaje.

Diseo del Powerboard.

La mayora de los Powerboard,son paquetes que incluyen los rectificadores, controladores, medidoresy alarmas, y la distribucin primaria ocupa un Frame o bastidor (conocido como Initial Bay). Lorectificadores adicionales y sus respectivas distribuciones se configuran en bastidores adicionales(conocidos como Supplementary bays).

Requerimientos para el bus del Powerboard:

- Capacidad de voltaje- Tipo de bus y capacidad de corriente- Barras de terminacin de conductores- Shunts- Opciones de control, incluyendo desconexin por bajo voltaje- Opciones de distribucin.


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Figura 5.11 esquema simplificado de un Powerboard.

Tabla 5.1 Busbar Sizes de un Powerboard tpico.


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-

Figura 5.12 Busbar y Distribucin Primaria arr iba del Rack

Capacidad de voltaje.

Las aplicaciones para telecomunicaciones en 24/48 voltios usan un Powerboard de la clase 60VDC, amenos que sirvan para cargas de 130 V, entonces deben usar Powerboard de la Clase 160 V.

Tipo de bus y capacidad de corriente.

El bus del Powerboard est compuesto de un busbar de cobre rgido, aunque para Powerboardpequeos (50 y 100 A) podran usar una combinacin de arreglo de barra rgida y cable bus.Los Powerboard vienen en capacidades de 50,100, 200,400, 800 y 1200 A. Cualquier clculo debe serredondeado al calibre inmediato superior.

Hay Powerboard de mayor capacidad, pero sus capacidades se incrementa en en pasos de 1000 A a2000 A y luego 4000 A, 6000 A, etc.)

Los buses del Powerboard no deberan ser cargados ms all del 80% de la capacidad nominal.La capacidad del bus es:

Bus RSUI =1.25.I

Bus

RSU

I = Corriente del bus del powerboard

I = Capacidad total o ltima del rectificador (lmite ultimo de diseo)


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Se usa la capacidad total del rectificador por qu en mximos continuos de corriente, esto es lo que

transporta el bus.

Y la capacidad total del rectificador, como ya vimos antes se calcula usando:

8RS EQ Batt_loss

Rech

AhI =I + .Ft

Entonces,

8Bus EQ Batt_loss

Rech

AhI =1.25 I + .F

t

un mtodo alternativo, hace uso de los siguiente:

Bus eqU RechI =1.25I .F

EqUI Corriente de carga total o ultima (lmite maximo de datos de placa)=

En el Powerboard debe haber suficiente espacio para terminar conductores de alimentadores yretornos, que van o vienen de este:

- Sistema de bateras- Sistema de rectificadores- Sistemas de distribucin Primaria y Secundaria

Los Busbars usados en el Powerboard vienen de fbrica taladrados con agujeros estndar en dimetrosy correctamente espaciados, para conectores de ojo y de oreja y para pernos que se corresponden avarios calibres de conductores.

Tabla 5.2 Conectores y huecos taladrados estndar en Busbars.


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Diseo de los Circuitos de Distribucin.

En principio se ha querido hacer hincapi en presentar estas descripciones de conexin de cargas hacia lospaneles de distribucin de DC.

Figura 5.13 Circuito protegido mediante CB en el Panel de Distribucin.

Note que en la siguiente figura, la forma correcta en que se deben proteger a las cargas y a losconductores que alimentan a las mismas.

Figura 5.14 Conexin correcta de circuitos de Proteccin de los conduc tores que llevan laalimentacin a las cargas.

Y a continuacin se describe la forma en que NUNCA se deben conectar las cargas hacia el tablero dedistribucin.


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Figura.5.15 Forma Incorrecta de alambrado de las cargas.

Figura 5.16 Coordinacin y proteccin de las cargas


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El procedimiento para disear los circuitos de distribucin pasan inevitablemente por dos grandesconsideraciones:

1- El calibre de de conductor necesario para satisfacer los requerimientos de Cada de voltaje.

2- El calibre de conductor necesario para satisfacer los requerimientos de Corriente.La cada de voltaje usada para dimensionar el calibre de los conductores del circuito es la cada devoltaje del segmento. Cada segmento debe ser coordinado con la cada de voltaje en otros segmentos,de manera tal que el circuito de extremo a extremo no exceda la mxima cada de tensin total.

Este requerimiento necesario, obligado, plantea un mismo patrn de cada de voltaje, desde losterminales ms cercanos al rectificador hasta los terminales de cualquiera de las cargas. Para ello hayque usar unos ciertos criterios para asignar Cada de voltaje por segmentos.

Tabla 5.3 Cada de Voltajes por segmentos.

Entonces, en las tablas de cargas o de corrientes y cadas de voltaje, se debe asumir una cada por

segmento y asegurarse que esa misma cada de voltaje sea del mismo valor entre los terminales desalida del CB del Distribuidor, hasta los terminales de la carga, lo cual supone que para cualquier carga,tomada desde sus terminales hasta el correspondiente panel de distribucin , es la misma e igual,respecto de otras cargas; esto es, que para dos cargas que estn situadas a distancias distintas entre elpanel de distribucin y stas; la cada de voltaje ser definitivamente igual. Esta solucin estntimamente relacionada con la resistencia de cada cable conductor o cable alimentador a cada carga.


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Figura 5.17 Relacin de Cadas de Voltaje para dos cargas desigualmente distanciadas delDistribuidor.

BIBLIOGRAFIA.

[1] DC POWER SYSTEM DESIGN FOR TELECOMMUNICATIONS, Whitham, pp. 208 - 250

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