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Distribución de energía en
CCTV y otros sistemas
electrónicos
(Como alimentar las cámaras en CCTV)
Ing. Sergio Bellechasse Lissabet
Distribución de energía en CCTV y otros Sistemas Electrónicos
Primera Edición
Copyright © 2015 Lulu Press
Todos los derechos Reservados.
USA
http://www.lulu.com
Autor: Ing. Sergio Bellechasse Lissabet
Diseño de portada: Sergio Bellechasse Carrillo Copyright © 2015 Lulu Press. Todos los derechos reservados.
ISBN 978-1-312-92020-0
Dedicatoria.
A mis padres
Quienes me mostraron el camino y con su sacrificio contribuyeron hacerlo menos
escabroso.
A mis hijos
Para que mi ejemplo sirva como fuente de inspiración.
1
Tabla de contenido
Prólogo del autor. .......................................................................................................................... 8
Introducción. ................................................................................................................................ 10
Capítulo I. Métodos de alimentación mediante fuentes convencionales. ................. 12
Fuentes de alimentación. ..................................................................................................... 13
Alimentación distribuida o independiente. .................................................................... 14
Alimentación centralizada. ................................................................................................. 15
Determinación de la capacidad de la fuente de alimentación. ............................ 16
Cableado y Conectores para alimentación en CCTV. ............................................... 16
Alimentación con cable siamés pre-conectorizado.................................................. 17
Alimentación con cable UTP (Unshielded twisted pair). .................................... 18
Alimentación con cable siamés. ..................................................................................... 21
Alimentación centralizada empleando cable AWG. .................................................... 21
Calculo de la distancia para sistemas con alimentación centralizada. ............ 21
Capítulo II. Alimentación mediante PoE .............................................................................. 27
Alimentación mediante PoE (Power over Ethernet)........................................................ 28
Estándar IEEE 802.3af. ......................................................................................................... 28
Clases del Estándar IEEE 802.3af. ................................................................................. 30
Ventajas de PoE. .................................................................................................................. 31
Desventajas. ............................................................................................................................. 31
Calculo de la distancia de ubicación admisible utilizando PoE. .............................. 32
Estándar IEEE 802.3at. ......................................................................................................... 36
Perdidas de inserción. ....................................................................................................... 38
Consideraciones generales sobre PoE+ ....................................................................... 40
Escenarios PoE típicos. ......................................................................................................... 41
Capítulo III. Alimentación través de coaxial (Power over Coax, PoC) .................... 45
Alimentación a través de coaxial (Power over coax, PoC ). ........................................ 46
Alimentación por coaxial en sistemas analógicos. ...................................................... 46
2
Escenarios típicos. .................................................................................................................. 55
Alimentación por coaxial en la tecnología SDI. ............................................................. 56
Inyección y derivación de la alimentación. ................................................................ 59
Recomendaciones. .............................................................................................................. 60
Escenarios típicos de Alimentación por coaxial en SDI, HD-SDI y 3G-SDI. ........... 61
Ethernet sobre coaxial (EoC). ............................................................................................. 63
Escenarios PoE sobre Coaxial. ............................................................................................ 64
Capítulo IV Empleo de PLC en la alimentación de sistemas. ......................................... 66
Comunicación a través de líneas eléctricas (Power line communication, PLC). ..... 67
Características de las líneas eléctricas. .......................................................................... 67
Clasificación de acuerdo al voltaje que distribuyen. ................................................... 67
Configuraciones típicas. ....................................................................................................... 68
Topología de la red eléctrica. ............................................................................................. 69
Caracterización del medio de transmisión. ................................................................... 70
Principio de funcionamiento de un adaptador PLC. .................................................... 72
Modulación de la señal en los sistemas PLC. .............................................................. 74
Densidad espectral de potencia. .................................................................................... 75
Clasificación de los sistemas PLC. ...................................................................................... 76
Ventajas de los sistemas PLC. ......................................................................................... 76
Limitaciones. ........................................................................................................................ 76
Topología de una red BPLC residencial. .......................................................................... 77
Estándares internacionales para BPLC. .......................................................................... 77
Recomendaciones. .................................................................................................................. 79
Escenarios típicos. .................................................................................................................. 80
Capítulo V. Alimentación fotovoltaica mediante Paneles solares. .............................. 83
Alimentación fotovoltaica en CCTV. ...................................................................................... 84
Clasificación de los sistemas fotovoltaicos. .................................................................... 85
El panel solar como fuente de generación eléctrica. .................................................. 85
Potencia máxima. ................................................................................................................... 87
Tecnologías de fabricación. ................................................................................................ 89
Celdas de Silicio mono cristalino. .................................................................................. 90
3
Celdas de Silicio policristalino. ....................................................................................... 90
Celdas de película delgada. ............................................................................................. 90
Interconexión de celdas solares. ........................................................................................ 92
Cálculos para la implementación de un sistema fotovoltaico autónomo. .......... 96
Cálculo o estimación del consumo. ............................................................................... 97
Dimensionamiento del sistema de acumuladores. ...................................................... 98
Elementos a considerar para la selección de una batería. ................................... 99
Principales parámetros de una batería. ..................................................................... 99
Tipos de baterías utilizadas en sistemas FV. ........................................................... 100
Métodos de carga empleados en las baterías. ............................................................. 104
Régimen de carga. ................................................................................................................ 104
Cálculo de la capacidad del sistema de acumuladores. ........................................... 105
Cálculo de la corriente de carga requerida por la batería. ................................. 106
Dimensionamiento del sistema fotovoltaico................................................................ 107
Depreciación de la potencia del panel. ...................................................................... 116
Depreciación por incremento de la temperatura. ................................................. 117
Determinación de la variación de Vmp por efectos de la temperatura. .......... 119
Determinación de la variación de Voc por efectos de la temperatura. ........... 122
Selección del regulador de carga. ............................................................................... 123
Clasificación de los controladores de carga ............................................................. 124
Otras consideraciones. ................................................................................................... 126
Solución con inversor. .................................................................................................... 130
Clasificación de acuerdo a su empleo o aplicación. ........................................... 130
Clasificación por la forma de onda de la señal que entregan. ....................... 131
Clasificación por el tipo de arranque. .................................................................... 132
Clasificación atendiendo a la topología de conexión. .................................................. 133
Consideraciones para elegir un inversor. ............................................................. 134
Estimación de las pérdidas por la eficiencia del inversor. ........................... 137
Solución empleando un convertidor DC-DC. ............................................................. 138
Clasificación de los conversores. ................................................................................. 139
Clasificación de a cuerdo al voltaje de salida. ..................................................... 139
4
Clasificación de acuerdo al modo de operación. ................................................. 139
Clasificación de acuerdo a la relación entre la entrada y la salida. ............. 141
Clasificación de acuerdo al sentido de conducción ............................................ 142
Clasificación atendiendo al número de fuentes y cargas conectables. ........ 143
Topologías. ......................................................................................................................... 144
Consideraciones para la selección de un convertidor. ...................................... 146
Cálculo de las pérdidas. .............................................................................................. 148
Solución con un Controlador con salida adicional estabilizada (12V) o PoE.150
Depreciación del rendimiento producto de las pérdidas en el sistema. .......... 150
Determinación de la inclinación y orientación de los paneles solares. ............... 153
Inclinación óptima para un panel solar. ................................................................... 159
Para un punto con ubicación en una latitud Norte. ........................................... 161
Para un punto con ubicación en latitud Sur. ....................................................... 163
Opciones para seleccionar el ángulo de inclinación. ........................................ 164
Orientación (selección del ángulo de acimut). .................................................... 164
Soportes o estructuras de fijación para paneles solares. ................................ 164
Sistema de auto seguimiento solar (Sun Tracker). ............................................ 166
Criterios para la selección de un sistema de rastreo automático ................. 169
Estudio de factibilidad de la instalación (Site survey). ........................................ 169
Capítulo VI. Alimentación con Energía eólica .................................................................. 171
Sistema de Alimentación con Energía eólica. .................................................................. 172
Conversión del viento en Potencia. ................................................................................. 173
Efectos del número de palas o álabes del rotor. ......................................................... 176
Relación o Razón de velocidad de punta de pala (Tip Speed Ratio, TSR)............ 176
Características del viento. ................................................................................................. 178
Clasificación del viento. .................................................................................................. 179
Medición del viento. ......................................................................................................... 180
Efectos de la superficie del terreno y la altura sobre la velocidad del viento.
................................................................................................................................................ 180
Variación del viento en el tiempo. ............................................................................... 182
Composición y clasificación de un sistema eólico de generación eléctrica. ....... 182
5
Clasificación de acuerdo a su aplicación. ................................................................. 183
Clasificación de acuerdo a la capacidad de generación. ...................................... 183
Clasificación de acuerdo a la orientación del eje de rotación. ........................... 183
Clasificación de acuerdo al tipo de acoplamiento con el generador. ............... 184
La turbina eólica de generación eléctrica. ................................................................... 184
Cálculo de la potencia generada por una turbina. ................................................. 186
Principales parámetros que caracterizan a una turbina eólica ....................... 187
Dimensionamiento de un sistema eólico. ..................................................................... 188
Condiciones favorables para generación simultanea. ......................................... 189
Condiciones de Generación alternativa. .................................................................... 190
Dimensionamiento de un sistema de generación eólica. ..................................... 190
Capítulo VII. Respaldo de energía. ...................................................................................... 196
Sistemas de respaldo de energía. ........................................................................................ 197
Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI o UPS), clasificación. ................. 199
Clasificación de acuerdo al tipo de conversión. ...................................................... 199
Sistemas de simple conversión. ............................................................................... 199
Tipos de UPS de simple conversión. ........................................................................ 200
Sistemas de doble conversión (Double conversion). ......................................... 203
Empleo de un interruptor de servicio o bypass. .................................................. 206
Soluciones con UPS. .......................................................................................................... 206
Sistema redundante aislado. .................................................................................... 208
Sistema paralelo redundante. .................................................................................. 210
Sistema con redundancia múltiple. ........................................................................ 211
Dimensionamiento de un sistema pequeño para respaldo con UPS. ............... 212
Influencia del tipo de carga....................................................................................... 212
Demanda o consumo de la carga a energizar. .................................................... 214
Determinación del tiempo de autonomía. ............................................................ 217
Determinación de la capacidad de la batería..................................................... 217
Otras consideraciones para el dimensionamiento. ........................................... 222
Sistemas de respaldo con conmutadores de transferencia AC. .............................. 225
Clasificación de acuerdo a la tecnología. .................................................................. 226
6
Clasificación por el tipo de accionamiento del elemento de conmutación. .... 227
Clasificación de acuerdo al modo de operación. ..................................................... 228
UPS vs conmutadores de transferencia. ....................................................................... 230
Conmutador de transferencia .......................................................................................... 231
Escenarios típicos con conmutadores de transferencia. .......................................... 232
Respaldo a partir de un generador alternativo...................................................... 232
Respaldo hibrido con UPS. ............................................................................................. 233
Implementación de redundancia en sistemas basados en UPS. ........................ 233
Respaldo a partir de dos fases. .................................................................................... 234
Respaldo a partir de dos redes eléctricas independientes. ................................. 235
Selección de un conmutador de transferencia ............................................................ 236
Bibliografía. ............................................................................................................................... 237
Prólogo del autor.
En mi primer libro “Aprenda a instalar cámaras de CCTV” centré mi atención en brindar
un manual que sirviera de guía para instaladores de sistemas de video Vigilancia y para no
profesionales, que introdujera los conceptos básicos y proporcionara los elementos
necesarios para instalar y configurar sistemas de CCTV analógicos comerciales (kits de
CCTV), con la idea de posteriormente presentar una nueva obra mucho más amplia.
Mientras me encontraba escribiendo mi segundo libro sobre CCTV analógicos y digitales,
al tratar temas relacionados con la alimentación se me ocurrió la idea de escribir un libro
exclusivo dedicado a la distribución de energía y alimentación en los sistemas de CCTV y
ampliarlo a otros sistemas electrónicos y de comunicaciones, de manera que sirviera como
base tanto para diseñadores, instaladores e integradores de sistemas.
La tendencia a la convergencia de los sistemas de CCTV, Seguridad, Control, computación
y comunicaciones, ha posibilitado coexistir e integrar diferentes tecnologías sobre una
plataforma común.
Es el primer y único libro que aborda de forma exclusiva las diferentes formas de
distribución de energía para garantizar la alimentación en las diferentes tecnologías
empleadas en CCTV y otros sistemas electrónicos y de comunicaciones.
Se abordan las técnicas de distribución de señales de video a través de cable coaxial, UTP y
líneas eléctricas como medio de transmisión, con el objeto de entender los principios
básicos para las formas de distribución de energía disponibles hoy en día para proporcionar
alimentación a diferentes tecnologías y sistemas electrónicos en el mercado, tales como
sistemas de CCTV analógicos, digitales e IP, equipos de comunicaciones, control
automático, etc.
Se incluyen métodos y escenarios típicos para alimentación con DC y AC, PoE, PoC, PLC,
energía solar, energía eólica y sistemas de respaldo.
No debe faltar en la biblioteca de todo diseñador, instalador e integrador de sistemas.
Introducción.
El desarrollo de la tecnología en nuestros tiempos, ha propiciado un incremento en los
niveles de miniaturización y un descenso significativo en el coste de muchos equipos
electrónicos, posibilitando la incorporación y difusión masiva de la electrónica en casi
todas las áreas del quehacer humano, ya sea como parte esencial o complementaria de
algún proceso o actividad, de forma independiente o en interacción con otros sistemas
mediante el intercambio de información a través de plataformas de comunicaciones
existentes o de una nueva implementación para dicho propósito. Sin embargo, el costo de
las infraestructuras de comunicaciones entre otras causas ha contribuido a la convergencia
tecnológica de muchos sistemas para el aprovechamiento de las facilidades existentes. Es
frecuente encontrar sistemas disímiles en configuraciones distribuidas compartiendo en uso
común dichas infraestructuras para el intercambio de datos, transmisión de señales e
incluso proporcionar alimentación remota a fin de incrementar la confiabilidad mediante la
implementación de esquemas de redundancia y respaldo energético.
El estado del arte de las diferentes tecnologías para los sistemas electrónicos y el
abaratamiento de las fuentes de energías alternativas, ha posibilitado el despliegue de
sistemas de comunicaciones, video vigilancia, procesamiento, control, telemetría y otros, en
ubicaciones remotas donde no se dispone de un suministro energético a través de las redes
de distribución eléctrica y en los que se requiere el trabajo continuado de algún sistema, por
24 horas diarias durante los 365 días del año.
Por otra parte, muchos sistemas con procesamiento en tiempo real exigen un trabajo
ininterrumpido, aún ante la ocurrencia de adversidades, fallas u otras eventualidades, por lo
que las fuentes de alimentación y el esquema de distribución y respaldo de energía, juegan
un papel preponderante en la confiabilidad, calidad y disponibilidad de tales sistemas.
Puede asegurarse, que la mayoría de las fallas que se presentan en los equipos y sistemas
electrónicos, se originan de problemas en la alimentación y el esquema de distribución de
energía, de ahí su importancia para todo diseñador, instalador e integrador de sistemas
como un criterio esencial de consideración. Un buen diseño de un sistema electrónico debe
contemplar consideraciones de eficiencia en la alimentación a fin de garantizar un mejor
rendimiento, que contribuya a reducir los costos de operación, incrementar la vida útil de
los equipos y garantizar una buena calidad de la información o señales que procesa.
El presente libro pretende ser una guía que describe algunos de los esquemas utilizados
para distribuir energía y alimentar dispositivos, sistemas electrónicos y de comunicaciones,
así como para la implementación de redundancia y respaldo energético. Esperamos que esta
obra pueda contribuir a ampliar el horizonte de tecnologías disponibles y aprovechables
para optimizar recursos durante el diseño y despliegue de un sistema con dispositivos
electrónicos.
El libro puede adquirirse a través de Lulu Press, Inc. en el siguiente enlace:
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