Capitulo 8: UPS Interactivas... detalles

Transcripción

1 "El conocimiento no pierde valor... " Gride Electrónica SRL Capitulo 8: UPS Interactivas... detalles Habíamos clasificado a los distintos tipos de UPS, alli hablamos de UPS interactiva y OnLine u OnLine Doble conversión. Veamos con detalles las UPS Interactivas. Recordemos la definición de UPS interactiva, se trataba de aquellas que mientras la energía de línea estuviese presente y con parámetros aceptables de voltaje y frecuencia (cada fabricante de UPS los establece y alli surgen toda una gama de equipos) esta alimentaba a la carga, y la UPS solo mejoraba algunos de los parámetros, como ser corregía el valor del voltaje y proveía algún filtrado de línea. Cuando la energía de línea Cargador de baterías Estabilizador, Filtro de Linea y Supresor de Transitorios Baterías Figura 1 Inversor AC/DC Llave de conmu tacion estaba fuera de esos parámetros desaparecía la UPS conmutaba a energía de reserva. El esquema se muestra nuevamente en la figura 1. Ahora bien esa llave de conmutación que se muestra o es precisamente eso, una llave que en un extremo tiene la energía de línea y en la otra la de baterías. Esas llaves se construyen generalmente con un relé electromecánico. Mientras la llave o los contactos del relé, para mayor precisión están viajando de un lado a otro la carga queda, efectivamente, sin suministro de energía. Esto puede ser muy perjudicial o no, y dependerá pura y exclusivamente de la carga, o tipo de carga, que la UPS tenga conectada a sus bornes. Veamos un análisis de lo que ocurre cuando la carga es una computadora o un equipo electrónico alimentado con corriente alterna. Energía Ininterrumpible (ó no)... En un sistema de energía de CA, la potencia o energía entregada a cualquier carga depende de las características de esa carga. Una computadora es un tipo especial de carga que consume potencia en la forma de pulsos que ocurren cada 10 milisegundos o 100 veces en un segundo (carga alineal). De hecho Capitulo 8 - Pagina 1 de 9

2 la fuente de alimentación de la computadora contiene dispositivos llamados rectificadores, los cuales desconectan la computadora de la fuente de CA por aproximadamente el 70% del tiempo, mientras la computadora está funcionando. Comúnmente (y erróneamente) se piensa que la computadora drena y requiere potencia continúa (Voltios por Ampere) cuando en realidad la potencia se interrumpe 100 veces por segundo. Por lo tanto, las computadoras sólo consumen energía interrumpida. Para ilustrar esta situación, se hicieron algunas medidas de la potencia consumida por una configuración típica de una computadora. Normalmente, estas medidas deberían reportarse en términos de Watts, Voltios y Amperios pero estos valores representan promedios de largo plazo e ignoran los detalles de cómo se entrega la potencia en función del tiempo. En esta ilustración, un registro hecho en una configuración real muestra la variación en el tiempo de los Voltios, Amperios y Watts consumidos por el sistema en un período de 1/50 de segundo: Nótese que el flujo de potencia es interrumpido (es cero) la mayoría del tiempo que la computadora está operando con la potencia AC normal. Ya que sabemos que la potencia consumida por los circuitos lógicos de la computadora fluye durante todo el tiempo (es corriente continua), se puede inferir correctamente que la computadora debe tener algún medio interno de Figura 2 almacenamiento de energía del cual se alimenta durante los períodos en que la potencia entrante a la computadora es cero. Todas las computadoras tienen un dispositivo interno de almacenamiento de energía, llamado condensador, que actúa como una batería recargable. Esta batería hace funcionar Capitulo 8 - Pagina 2 de 9

3 la computadora durante los instantes en que se interrumpe la potencia de entrada (100 veces por segundo). El condensador tiene una capacidad muy limitada y no puede hacer funcionar el equipo por más de 50 milisegundos sin ser recargado. Afortunadamente la energía de CA recarga el condensador con un pulso de potencia (ver el registro mostrado) cada 10 milisegundos o casi seis veces más rápido de lo que se necesita. Usando un simulador de fallas en la línea de energía, pruebas repetidas mostraron que la computadora típica opera sin potencia de entrada por un período de hasta 65 milisegundos, aún durante operaciones de lectura/escritura en el disco duro. Resultados similares se han reportado en los laboratorios de PC Magazine y PC Week. La pregunta que naturalmente podría resultar al entender estos principios es por qué no incrementar el tamaño del condensador de almacenamiento interno para que la computadora funcione durante algunos minutos en lugar de 50 milisegundos cuando se interrumpe la potencia de CA?. La respuesta es que un condensador lo suficientemente grande para hacer funcionar una computadora durante 10 minutos estaría compuesto de aproximadamente DIEZ MIL elementos, cada uno de los cuales tendría el tamaño de una lata de gaseosa. Entonces no habría problemas en alimentar una carga, como la computadora, con una UPS que conmute como lo hacen las interactivas. Pero aparecen algunas limitaciones importantes: Esta conmutación no puede demorar mucho tiempo, al contrario debe demorar lo menos posible, se asumen o aceptan tiempos de conmutación del orden de los milisegundos. Es imperioso reducir al minimo el tiempo que el sistema de control de la UPS necesite para darse cuenta si se esta produciendo un corte de energía y eventualmente tomar la decision de conmutar, este tiempos e sumara al de la conmutacion propiamente dicha. Las conmutaciones, si bien pueden tolerarse porque no ocurre nada importante desde el punto de vista del flujo de potencias, suelen agregar ruidos y rebotes, propios de los métodos electromecánicos que se utilizan y esto si suele ser un severo dificultad en algunas cargas o instalaciones. Forma de Onda Algo de lo que no hemos hablado hasta aquí es de la forma de onda, es decir que tipo o clase de onda genera el conversor DC/AC cuando debe convertir energía de corriente continua (las baterías) en energía de corriente alterna (la que necesita la carga). Tal como siempre hemos mencionado la forma de onda que proviene de la red de suministro eléctrico es senoidal, pero...deberá serlo siempre...??? y la respuesta, como se Capitulo 8 - Pagina 3 de 9

4 imaginaran, es NO,... igual que antes, depende fundamentalmente de la carga, hay tipos de cargas, situaciones y circunstancias en las cuales se puede generar una onda no senoidal. En general se tiende a generar algo parecido a una senoidal, pero mas sencillo de hacerlo. Reproducir una senoidal no es algo técnicamente sencillo ni económico, en cambio hay ondas que resultan mas simple y económicas y las desventajas o cualidades que perdemos no son de peso. Como puede verse en la figura 3, se han superpuesto una onda rectangular (llamada cuasisenoidal) y una senoidal y ambas ondas tienen parámetros en común, la frecuencia es uno, el voltaje de pico es el mismo y Figura 3 el valor medio también (las áreas encerradas de bajo de cada curva son idénticas). Es cierto difieren en algo importante, la senoidal es mono frecuencial, la cuasi-senoidal no, es una combinación de infinitas ondas senoidales de infinitas frecuencias, El parametro que las diferencia es la distorsión armónica, en la senoidal no existe, en la cuasi-senoidal dependerá de cómo se genera, pero alcansa valores elevados. Hay cargas que toleran esto sin problemas, una de esas cargas son las computadoras, al menos las mas chicas. El valor de pico de la onda cuasi-senoidal se mantiene igual al valor de pico de una senoidal (aproximadamente 310 voltios) y es así porque este valor de voltaje es al cual se cargan los capacitores almacenadores de energía de las fuentes de la computadora, cuando esta alimentada con una senoidal. A medida que se descargan las baterías o aumenta la carga conectada a la UPS, el valor de pico de la onda cuasi-senoidal disminuye, entonces para mantener Figura 4 el valor medio constante y no seguir empeorando la situación, el sistema de control detecta este problema y aumentara el ancho del pulso. A este tipo de regulación de la tensión de salida se la llama Capitulo 8 - Pagina 4 de 9

5 modulación por ancho de pulso o PWM. Hay algunos fabricantes de UPS, ya se ve muy poco, que utilizan ondas trapezoidales en lugar de cuasi senoidales, utilizando los mismos principios, pero intentando obtener una reducción en la distorsión armónica, en la figura 4 se muestra una de estas ondas. Por supuesto que hay fabricantes que proveen una onda senoidal en UPS interactivas, pero quedan realmente muy pocos. Análisis de bloques en una UPS Interactiva Analicemos en detalle una UPS interactiva, al menos sus partes constitutivas y su esquema general de funcionamiento, aquí si nos remitiremos pura y exclusivamente a las UPS que nuestra empresa fabrica. Unidad de control. El control de todas las funciones de la UPS es realizado por un microcontrolador RISC 16C71 de MICROCHIP, que consta de memorias ROM y RAM, 1 temporizador, conversor A/D de 4 canales, wachdog timer, protección de código y un oscilador de Figura 5 cristal de cuarzo como clock del sistema. El temporizador es utilizado para generar todas las señales de sincronismo necesarias para el funcionamiento de la UPS, la temporización de todas las alarmas visuales y sonoras, intervalos de tiempo regulares para efectuar las mediciones de los principales parámetros del equipo y la base de tiempo utilizada para la comunicación con la computadora mediante el envío de datos serie a un puerto RS 232. La incorporación de un conversor analógico-digital permite medir la tensión de línea de AC y la tensión de las baterías y actuar en consecuencia. La utilización de un cristal de cuarzo para generar el clock del microcontrolador, permite una medición muy precisa del tiempo. Supresor de transitorios y filtro de entrada El Supresor de transitorios es como el descripto en párrafos anteriores y permite atenuar a valores inofensivos, sobrevoltaje de la categoría A de la norma IEEE-587. El filtro provee atenuación tanto para el ruido a modo común, como al ruido a modo diferencial, siendo un valor típico de atenuación para este último de aproximadamente 40 db para una frecuencia de 200 KHz. La atenuación del ruido a modo Capitulo 8 - Pagina 5 de 9

6 normal se hace de forma tal de inyectar poca tensión de ruido a la tierra del sistema y de Figura 6 Capitulo 8 - Pagina 6 de 9 esta forma no contribuir a la formación de ruido de tierra inter-sistemas. Regulador de Voltaje La función de transferencia del estabilizador utilizado por las UPS puede verse en la gráfica siguiente: El estabilizador consta básicamente de un autotransformador con cuatro etapas de regulación que son las que permiten mantener la tensión de salida dentro del rango de regulación. La UPS entrega a su salida dos voltajes regulados, 220 V y 110 V, estando esta ultima salida (110 V) destinada a alimentar equipos como monitores ó impresoras. En la gráfica anterior puede observarse como evoluciona el voltaje de salida en función de la entrada, distinguiéndose claramente las cuatro etapas de regulación y el rango de tensión de salida. Mientras el voltaje de entrada al estabilizador se mantenga entre 170 V y 250 V, el voltaje de salida se mantendrá entre 210 V y 230 V (220 ± 5%) y si bien la salida de 110 V no ha sido graficada su evolución es similar a la de 220 V, manteniendo el mismo porcentaje de regulación (110 V ± 5%), si la UPS dispone de 110Volitos. Es posible hallar cual será el voltaje de salida del estabilizador para un determinado voltaje de entrada trazando una línea vertical que pase por el voltaje de entrada elegido y ver donde ésta línea corta a la gráfica del estabilizador. También es posible reconocer en la función de transferencia que de las cuatro etapas de regulación presentes, dos de ellas son elevadoras de voltaje, una es directa (o sea que el voltaje de salida es igual al de entrada mientras este trabajando esta etapa) y la ultima etapa es una reductora de tensión. Esto es debido a que el problema que se da con mayor frecuencia es que la tensión de línea se encuentra por debajo de los valores nominales por ende el regulador de voltaje se diseña para que tenga mayor capacidad de elevar el voltaje de entrada (2 etapas elevadoras), que de reducirlo (1 etapa reductora). En las zonas donde la tensión de línea es mayor a la nominal, como por ejemplo en zonas industriales ó cerca de la bajada de un transformador de distribución, el transformador del estabilizador puede diseñarse para tener mayor capacidad de reducir voltaje que de

7 elevar (por ejemplo 2 etapas reductoras y una elevadora). Como aquí el que controla y comanda todas las acciones es el microcotrolador tendremos que el tiempo de respuesta es de un ciclo de red (20 mili-segundos). Cualquier variación de voltaje de entrada que sea menor a este tiempo no podrá ser corregido por el regulador. Filtro de salida habíamos hablado de la conmutación del relé de salida y sus efectos indeseados, el tiempo de conmutación y los rebotes, además hay que agregar los que el propio Estabilizador tiene. Para atenuar los disturbios generados por los relés de la tensión de salida, se coloca un filtro en bornes de salidas de las UPS. Este filtro consiste en una resistencia de potencia conectada en serie con un capacitor de poliester de alto voltaje. Elemento de conmutación: ya hablamos bastante de El. Cuando la tensión de línea se encuentra fuera del rango de entrada que puede absorber el estabilizador (166V-254V) o cuando se produce un corte de energía, la UPS corrige esta situación conmutando a la fuente secundaria de energía, que es el sistema de batería-inversor. Las UPS C-MOS poseen un detector rápido de corte de suministro eléctrico que pueden sensar un bajón de voltaje o interrupción total del mismo en aproximadamente 2 milisegundos. Este tiempo sumado al que tarda el relé en conmutar y estabilizarse, da un tiempo de transferencia típico de 7 milisegundos, suficientes como para que las fuentes conmutadas de las computadoras no se vean afectadas por este cambio entre sistema primario y secundario de energía. Inversor: El inversor es aquel que se encarga de convertir el voltaje continuo de las baterías en un voltaje alterno de 50Hz y 220 voltios. Este consta de un transformador (cuyo primario es conmutado alternadamente por transistores de potencia conectados en Push-Pull ) que eleva al voltaje hasta niveles necesarios para alimentar la computadora. Tanto el estabilizador de voltaje como el inversor comparten el mismo núcleo del transformador, esto es posible debido a que nunca funcionan en forma simultánea. Los transistores utilizados para realizar la conversión de voltaje son MOSFET de potencia, los cuales presentan una gran capacidad de soportar sobrecorrientes transitorias, muy bajos tiempos de conmutación (y por lo tanto baja disipación de potencia), la posibilidad de conectar dispositivos en paralelo sin necesidad de ecualizar sus corrientes y señales de control de baja potencia. La unidad de control de la UPS, apenas detecta un corte en el suministro de energía eléctrica, da la orden de conmutar a la fuente secundaria de energía eléctrica (inversor) y simultáneamente habilitar a los transistores de potencia para conducir cuando está funcionando en inversor, el tipo de onda de tensión presente a la salida de la UPS es una cuasi-senoidal. Baterías y cargador: Este sistema es vital para el buen funcionamiento de la UPS ya que es el encargado de mantener dentro de la batería la energía de reserva. Se utilizan baterías especiales aunque haciendo algunas concesiones se pueden colocar hasta acumuladores de auto. Dado lo critico de este sub-sistema dentro de la UPS es importante tener presente algunos puntos sobre el cuidado de las baterías y el uso que cada diseño de UPS da a las mismas. Esto es necesario considerarlo, porque cambiar las baterías de un UPS Capitulo 8 - Pagina 7 de 9

8 puede oscilar alrededor del 25% del valor del producto. Además significan un costo extra de parada del UPS y de servicio técnico probablemente especializado. El primer punto a considerar es la temperatura de trabajo de la batería. Los procesos que ocurren dentro de una batería a lo largo de su vida útil son muy influenciados por la temperatura de trabajo de esta. Los fabricantes de baterías explicitan que por cada 5 grados centígrados por encima de los 25 grados de ambiente se reduce la vida en un 10%. Esto significa dos cosas: que el diseño de la UPS debe ser tal que la batería se mantenga fría y que el lugar de operación de la misma sea lo más frío posible. Los sistemas Stand-by de las UPS C-MOS funcionan a temperatura ambiente y cuando es necesario, porque existe un transformador que genera calor y eleva la temperatura interna de la UPS, existe un adecuado soplador de aire que se encarga de mantener la temperatura constante en el interior. La operación en estas condiciones mejora la vida útil de las mismas. El segundo punto es el diseño del cargador de batería. La forma en que se le suministra carga a la batería es muy importante y afecta sensiblemente la vida útil de la misma. La vida útil se maximiza cuando son cargadas con cargadores del tipo de flotación. Una batería aumenta su vida útil si esta permanentemente mantenida en estado de flotación. Pues hay procesos de envejecimiento que son atenuados si se ejecuta esta premisa. De aquí es importante que aunque la UPS se encuentre apagada, pero conectada a la red, este funcionando el cargador. Esto es lo que ocurre en todas las UPS C-MOS Stand-by. El tercer punto es que la UPS que tenga la batería de mayor vida útil será la que menor tensión de batería utilice, esto es así porque al colocar baterías en serie para elevar el voltaje y disminuir la corriente de trabajo del inversor interno de la UPS, se aumenta el riesgo de falla, pues quedarán en serie un montón de celdas (cada batería de 12 voltios tiene 6 celdas internas) y el resultado de esta serie dependerá de la celda más débil, cuando esta se deteriore se habrá inutilizado toda la serie de baterías. Además se demostró que el envejecimiento de la batería depende del número de celdas en serie que existan. El cuarto punto es la frecuencia con la que una batería es sometida a procesos de carga-descarga. Existen aquí dos formas una pensando en la corriente media de descarga y la otra en la instantánea. La media y generalmente para todas las baterías indica una vida útil de 300 ciclos. La Instantánea no se conoce, pues el proceso de descarga con corrientes instantáneas ocurre cuando la batería entrega mucha corriente por períodos de tiempo cortos, estos tiempos son los que ocurren cuando una UPS esta alimentando una carga y se produce a una velocidad del doble de la frecuencia de red (50 o 60 HZ). Si la UPS somete en forma seguida e innecesaria a las baterías a este proceso se produce un agotamiento rápido de la misma. Existen muchos UPS en el mercado que no consideran los puntos anteriores dando así por Capitulo 8 - Pagina 8 de 9

9 resultado un menor costo inicial del UPS, pero un costo desconocido y escondido de reposición de baterías. A modo de resumen se puede decir que la batería es la parte menos confiable de la mayoría de las UPS. Pero el diseño de la UPS puede influir de manera determinante sobre la vida da la batería. Observe los siguientes detalles a la hora de comprar una UPS con respecto a la batería. Elija la que la mantiene cargada en forma de flotación, la que trabaja a menor temperatura, la que tiene menor voltaje de trabajo, la que no hace uso de corriente de ripple. Módulo transmisor y receptor: Es el encargado de realizar la transmisión bidireccional entre la UPS y la computadora. La comunicación se realiza transmitiendo datos serie a través de un puerto RS232 de la PC. El formato del byte transmitido es de 8 bits de datos, sin bit de paridad y un bit de parada. La velocidad de transmisión es de 1200 baudios. Tanto el formato del byte, como la velocidad de transmisión son fijos, pudiéndose seleccionar por software solamente el puerto usado para la comunicación. Mientras esté activado el software de comunicación, la UPS transmite constantemente a la computadora el estado en que se encuentra. Los distintos estados se describen a continuación: UPS funcionando con energía de línea. UPS funcionando con de línea y las baterías están malas o el fuse de batería quemado. UPS funcionando con energía de baterías. UPS funcionando con energía de baterías y las baterías se están agotando. UPS midiendo tiempo de autonomía. Nuestra empresa ha desarrollado un Software de comunicación con la PC, que fue posible hacerlo gracias a la presencia del microcontrolador con que cuentan las UPS. Este Soft esta diseñado para ser usado bajo Windows versiones 3.1, 3.11, 95, 98, 2000 y NT, Novell y Linux, con sus matices de compatibilidad, es un soft mono-usuario y en consecuencia bajo red solo corre en el servidor o en las estaciones de trabajo correspondientes. El principal uso de este Soft es para el monitoreo de los parámetros de la red de energía eléctrica y de la UPS. Entre las principales característica de que dispone se puede enunciar: Cierre automático de todas las aplicaciones abiertas, Registro de todos los eventos importantes en la UPS. Registro de las últimas 83 horas de uso continuo de la UPS. Test de autonomía en tiempo real de la UPS. En el proximo capitulo terminaremos con las UPS Interactivas y comenzaremos el análisis de las OnLinde doble conversión. Capitulo 8 - Pagina 9 de 9