CAPITULO II MARCO TEÓRICO

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1 CAPITULO II MARCO TEÓRICO 10

2 1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN Para la realización de este trabajo de investigación se tomó como base dos trabajos de grado con investigaciones similares, las cuales se citan a continuación en orden cronológico: Fuenmayor, H y Yedra J (1998), realizaron en la Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín (URBE) un trabajo de investigación titulado Optimización de un sistema de potencia ininterrumpida (UPS), para los equipos de computación y telecomunicaciones en Seguros Catatumbo C.A., cuyo objetivo fue optimizar un sistema de potencia ininterrumpida que era subutilizado y que sirve para proteger de cualquier variación brusca de la red de alimentación (AC) los equipos de computación y telecomunicaciones que se encuentran funcionando en el edificio. La investigación fue de tipo aplicada y tuvo como resultado una mejora considerable del sistema eléctrico, mediante la identificación y distribución adecuada de los circuitos, así como también la selección de las cargas a proteger y la independencia de las áreas de trabajo en cuanto a su tablero de distribución, eliminando posibles perturbaciones en los equipos. Esta investigación se asemeja al presente estudio porque se realizó documentación teórica acerca de los UPS, tales como su definición, y sus diferentes topologías; y se diferencia porque su objetivo es optimizar un UPS 10

3 11 comercial de gran capacidad que ya se encontraba en operación, y no realizan las diversas etapas del desarrollo de un UPS. Del mismo modo, Morales, K (1996), realizó en la Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín (URBE) un trabajo de investigación titulado Diseño de un sistema que permita monitorear la calidad del servicio eléctrico suministrado por Enelven, cuyo objetivo fue monitorear la calidad del servicio eléctrico suministrado por Enelven. Para ello, se realizó el diseño de hardware y un programa residente en el PC, cuya función sería la de monitorear las características del voltaje y la frecuencia en el sistema de distribución de energía eléctrica de Enelven para determinar la ocurrencia de fallas, las cuales serían enviadas al PC, que registraría el tipo de falla, la duración y la fecha y hora en que se inició dicha falla. Esta investigación de tipo aplicada tuvo como resultado el diseño del hardware de monitoreo, el hardware de comunicación y el programa para el PC, sin haber llegado a la elaboración física de los mismos. Esta investigación se asemeja a la presente porque el dispositivo diseñado realiza operaciones de revisión de los parámetros de la señal del sistema de distribución de energía eléctrica, y se diferencia porque el equipo diseñado no realiza acciones correctivas.

4 12 2. BASES TEÓRICAS 2.1. FUENTE DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA (UPS) CONCEPTUALIZACIÓN Una Fuente de Alimentación Ininterrumpida o UPS, por sus siglas en inglés, es un aparato diseñado para proporcionar una alimentación AC continua y estable independientemente de las variaciones e interrupciones de la alimentación local principal (www.powerbox.se). Las UPS además de suministrar energía eléctrica en caso de corte de red durante un cierto tiempo, protegen ante variaciones de tensión o perturbaciones, suministrando una energía "limpia y estable". (www.boar.es). Una fuente de alimentación ininterrumpida es un dispositivo destinado a proteger los datos que se están procesando en una computadora contra las interrupciones en el suministro de energía eléctrica. También tienen el objetivo de proteger a los equipos de las alteraciones más comunes que se presentan en la red eléctrica, como son las sobretensiones y las caídas de voltaje, los sobrepicos de voltaje, y los ruidos en la línea; que se producen por fenómenos naturales, por operaciones normales en la red de distribución o por el encendido y apagado de motores o equipos de alto consumo en la misma línea. (www.boar.es).

5 13 No es necesario abundar en definiciones para tomar conciencia de los perjuicios que puede acarrear la pérdida de información como resultado de un fallo en el suministro de energía eléctrica, pérdida que puede ser invaluable para un servidor de archivos de una organización, un servidor Web, o aquellos que cumplan funciones que por su naturaleza deben ser continuos, como el control y monitoreo de algunos procesos industriales PARTES DE UN UPS Independientemente de la configuración, todos los UPS deben tener al menos tres elementos comunes para su funcionamiento, los cuales son el rectificador, el sistema de baterías y el inversor, los que se explican a continuación: RECTIFICADOR: También se le conoce como conversor AC-DC. Se encarga de convertir la señal AC procedente de la red de distribución de energía a una señal DC. Esta señal DC se utiliza para realizar la carga de las baterías y, en el caso de los UPS ON-LINE, para volver a convertirse en una señal AC libre de ruidos y variaciones. SISTEMA DE BATERÍAS: Se encarga de almacenar energía para ser utilizada cuando ocurra una falla en el suministro eléctrico (www.boar.es). Las baterías más frecuentemente utilizadas son de plomo hermético. Tienen

6 14 la ventaja de su bajo costo, y además no necesitan mantenimiento. Ocasionalmente se utilizan baterías de Níquel-Cadmio, estas baterías tienen una vida más larga que las anteriores pero, por contra, necesitan mantenimiento, y son mucho más caras. La capacidad de las baterías es el factor crítico que determina el tiempo de reserva de un UPS, ya que las mismas son las encargadas de proporcionar la energía en ausencia de la red eléctrica. Algunos UPS ofrecen la posibilidad de instalar Bancos de baterías externos al UPS para incrementar así su tiempo de reserva. La capacidad de las baterías viene indicada en Ah, lo que representa la cantidad de amperios que pueden suministrar en una hora. Esta capacidad puede ser utilizada de varias maneras, por ejemplo, una batería de 4 Ah teóricamente puede suministrar 4 A durante 1 hora, o también 2 A durante ocho horas; podría suponerse que también es capaz de suministrar 8 A durante media hora, pero este no es siempre el caso, ya que las baterías no se descargan en forma lineal en suministros de corriente grandes, además las baterías tienen una corriente máxima que son capaces de entregar, limitada principalmente por la velocidad de las reacciones químicas internas necesarias para la producción de la energía. INVERSOR: También es llamado ondulador o conversor DC-AC. Su función es convertir una tensión DC procedente de las baterías o de una línea de voltaje DC a una tensión alterna de iguales características que la red

7 15 de distribución, pero exenta de los problemas de ruidos y variaciones que la afectan. La principal observación que debe hacerse sobre el inversor es la forma de onda de su salida, la cual puede ser cuadrada, semisinusoidal o completamente sinusoidal La forma de onda cuadrada consiste en el suministro alterno de los voltajes positivos y negativos, pasando inmediatamente de un nivel de voltaje al otro. Este tipo de onda es más sencillo y económico de producir, y genera menos pérdidas de la energía almacenada, sin embargo, su forma de onda dista mucho de la onda sinusoidal suministrada por la red eléctrica y no es adecuada para aplicaciones que dependan de la forma de onda de la línea. La forma de onda semisinusoidal, también conocida como cuadrada modificada, está compuesta de varias ondas cuadradas configuradas para generar varios niveles de transición entre el voltaje negativo y positivo. Esta forma de onda sigue siendo mucho más económica de producir que la onda sinusoidal real, pero brinda una forma de onda más parecida a la energía suministrada por la red eléctrica y es adecuada para la mayoría de las aplicaciones. La forma de onda sinusoidal produce una forma de onda exacta a la proporcionada por la red de suministro eléctrico, por lo que es ideal para todas las aplicaciones, pero requiere el uso de componentes mucho más costosos y genera una gran cantidad de desperdicio de energía, la cual debe ser disipada por el inversor en forma de calor.

8 TOPOLOGÍAS DE OPERACIÓN Para cumplir con su objetivo, existen diversas implementaciones o topologías de diseño de los UPS, estas topologías varían entre sí en su grado de protección y su costo, permitiéndole al usuario determinar el grado de protección que necesita en función de la importancia del equipo y las condiciones generales de la línea de distribución de energía eléctrica. A continuación se explicarán las principales modalidades o topologías de funcionamiento. UPS ON-LINE En esta configuración, la carga a proteger siempre está completamente aislada de la entrada, ya que la energía proveniente de la red de distribución eléctrica siempre es rectificada y nuevamente transformada a energía alterna, eliminando cualquier anomalía que hubiera podido existir en el suministro (www.boar.es). La operación normal de este tipo de UPS se muestra en la figura 1.

9 17 Figura 1. Operación normal del UPS ON-LINE Fuente: (www.boar.es, Consulta: 2002) Cuando la distribución de energía se corta, no ha ninguna interrupción en el suministro de energía a la carga, asegurando que los equipos electrónicos conectados a la salida del UPS no tengan ninguna caída de tensión (Figura 2). Figura 2. Operación en corte del UPS ON-LINE (www.boar.es, Consulta: 2002) Esta configuración ofrece el mayor grado de seguridad, pero requiere de más espacio y es más costosa debido a que consume mayor cantidad de energía en todo momento de su funcionamiento

10 18 UPS OFF-LINE Básicamente los equipos OFF-LINE actúan en el momento en que la Red desaparece ó baja por debajo de la nominal ( ), produciéndose en el cambio de Red a Baterías un pequeño micro-corte el cual para una mayoría de equipos eléctricos e informáticos es inapreciable (www.newsai.es). En esta configuración, la alimentación es proporcionada de la línea de distribución, generalmente filtrada, y el UPS solo trabaja en caso de detectar un corte o una variación de tensión que supere los límites de operación. Esta alternativa ofrece un menor grado de protección, pero tiene la ventaja de ser más económica y adecuada para sitios donde la calidad de la distribución de energía sea aceptable, protegiendo al equipo solo en caso de cortes de suministro. Cuando tiene lugar un corte de suministro eléctrico, transcurre un pequeño tiempo de conmutación (entre 2 y 10 milisegundos) antes de que el inversor comience a proporcionar suministro eléctrico a la carga tomándolo de las baterías. En las figuras 3 y 4 pueden apreciarse el flujo de la corriente de esta configuración de UPS tanto en su operación normal (Figura 3) como en el caso de fallas de energía (Figura 4).

11 19 Figura 3. Operación normal del UPS OFF-LINE (www.boar.es, Consulta: 2002) Figura 4. Operación en corte del UPS OFF-LINE (www.boar.es, Consulta: 2002) Tal y como se ha comentado anteriormente, pese a que la topología OFF-LINE, es mucho más económica que la ON-LINE, sus prestaciones y características distan de ser las necesarias para realizar una efectiva protección de sistemas informáticos, sobre todo en lugares donde el suministro de energía eléctrica no sea suficientemente adecuado; es por ello, que se han ido introduciendo variantes a la configuración OFF-LINE básica, a fin de mejorar sus características técnicas y sus prestaciones, intentándolas acercar a las de los sistemas ON-LINE al costo de los sistemas OFF-LINE. Una de estas variaciones es el uso de un autotransformador que eleve o disminuya el voltaje de entrada en caso de que el mismo baje o suba,

12 20 respectivamente, de los límites de operación, con el objetivo de evitar o retrasar el uso del inversor y de las baterías. UPS IN-LINE (DE LÍNEA INTERACTIVA) Esta configuración es un variación de la topología OFF-LINE, que incluye un inversor reversible, capaz tanto de rectificar para cargar la batería como de generar la señal AC cuando falla el suministro de energía eléctrica. (www.boar.es). Este UPS debe tener una etapa estabilizadora en la entrada para mantener al inversor en los límites de trabajo como rectificador, y también un sistema de filtros para proteger al propio inversor de sobrepicos de voltaje, provenientes de la red, que podrían dañarlo. En su operación normal, la alimentación se suministra a la carga a partir de la red eléctrica, luego de que la misma es estabilizada y filtrada través de circuitos incorporados en el UPS; y el inversor actúa como rectificador, proporcionándole la carga al sistema de baterías (Figura 5). Figura 5. Operación normal del UPS IN-LINE (www.boar.es, Consulta: 2002)

13 21 Al igual que en la topología OFF-LINE, al ocurrir un corte en el suministro eléctrico, transcurre un pequeño tiempo de conmutación (entre 1 y 6 milisegundos) antes de que el inversor comience a proporcionar suministro eléctrico a la carga tomándolo de las baterías (Figura 6). Figura 6. Operación en corte del UPS IN-LINE (www.boar.es, Consulta: 2002) Es una nueva técnica se utiliza comercialmente como si se tratara de ON-LINE, por ello existen marcas que al ON-LINE auténtico lo nombran como "verdadero" o "doble conversión". Si está correctamente construido, las prestaciones y características que esta configuración aporta, son prácticamente de ON-LINE. 3. SISTEMA DE VARIABLES En esta investigación, la variable estudiada es la fuente de alimentación ininterrumpida (UPS, por sus siglas en inglés), la cual procedemos a definir:

14 22 Conceptualmente: Son equipos que por su concepción autónoma, permiten realizar suministro aún cuando no exista suministro de red. (Ramos, J. Presentado en Operacionalmente: Su función es la de suministrar energía, por un período de tiempo limitado, al equipo electrónico que tenga conectado en caso de existir un corte en el suministro de energía eléctrica. 4. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS Conmutación: establecimiento, interrupción o cambio de conexiones en el circuito eléctrico. (Parker, 1990) Corriente alterna (AC, CA): El tipo de alimentación eléctrica suministrada por la red pública o creada por un generador. La característica particular de esta forma de electricidad es que invierte su dirección a intervalos regulares. (Advanced Energy Group, Corriente directa (DC, CD): El tipo de electricidad almacenada en las baterías y generado por los dispositivos eléctricos solares. la corriente fluye en una sola dirección. (Advanced Energy Group,

15 23 Tiempo de transferencia: Esta característica solo aplica a los UPS OFF-LINE. Es el tiempo muerto entre la conmutación de la red eléctrica al uso de las baterías y el inversor. Este tiempo suele estar entre 1 a 10 ms dependiendo de las características del UPS. (www.boar.es)

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