9) UPS s: EN QUE CONSISTEN DE QUE Y COMO PROTEGEN

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1 9) UPS s: EN QUE CONSISTEN DE QUE Y COMO PROTEGEN En el mercado actual hay gran cantidad de diseños de UPS. Puede llegar a ser confuso determinar que tipo de equipo es el más conveniente para nuestra carga crítica, y cual nos entregará la energía con el nivel requerido de calidad y confiabilidad. Aún las más esotéricas configuraciones, caen dentro de dos categorías principales de UPS, llamadas ON-Line y Stand By. Ambos diseños nos proveen de una energía de reserva desde un grupo de baterías cuando la línea de alimentación principal falla, pero difieren en otros beneficios que ellas pueden otorgar. Bloques Constructivos de una UPS Para todos los sistemas de UPS s se pueden utilizar los mismos bloques constructivos. Rectificador Rectificador: es un circuito que convierte la corriente alterna de entrada en corriente continua. Esta corriente continua se puede enviar a a) las baterías, en cuyo caso es un rectificador cargador. b) a un inverter, ó convertidor de continua a alterna. s: Una ó más baterías son necesarias para mantener funcionando al equipo UPS cuando la energía de la línea falla o cae demasiado. Normalmente las UPS s de corta autonomía utilizan baterías internas selladas, de electrolito gelificado, herméticas, totalmente libres de mantenimiento. Para UPS s de medias ó largas autonomías, se suele usar también baterías de electrolito líquido, más económicas. Inversor Inversor: el inversor es un convertidor de corriente continua en corriente alterna. Todas las configuraciones de UPS tienen un Inversor. Las UPS de bajo costo poseen un inversor que entrega una salida de onda cuasi - sinusoidal ó rectangular, mientras que las UPS de mayor tamaño y costo incorporan un Inversor con una forma de onda de salida sinusoidal. 1

2 : En este bloque se representa un circuito donde se puede elegir 2 alternativas de conexión. Una alternativa, que permite conectar la salida directamente con la entrada, se denomina By-Pass. La otra alternativa, permite conectar la salida del UPS con la salida del inversor. Reuniendo bloques constructivos para armar una UPS. La mayoría de las configuraciones de UPS utilizan solamente estos bloques. Cada configuración tiene sus ventajas y desventajas como: diferencias de costo, mejor filtrado de ruidos, mayor eficiencia, acondicionamiento de línea, etc. Hay dos grandes categorías principales en equipos UPS; ON-LINE Y STAND BY. By-Pass 220V Salida 220V Rectificador Inversor Fig.: 9-0 Esquema Básico de UPS Definiciones: On Line: Si el 100% de la corriente de la carga es normal y permanentemente suministrado por el inversor, la UPS es del tipo On-Line. Off-Line: Si la corriente de la carga es normalmente suministrada directamente por la línea, (directamente ó a través de un estabilizador de entrada), la UPS es del tipo Stand By. La diferencia entre una UPS On-Line y una UPS Stand By, puede ser ilustrada mejor con los diagramas de flujo de la energía durante el funcionamiento en modo normal y en modo batería. 2

3 UPS Stand By: Observe en la Figura 9-1, que en una UPS del tipo Stand-By, el flujo de la potencia es: desde la entrada, a través del conmutador, hacia la salida. Esto realmente no difiere en mucho con conectar la carga directamente a la línea, solamente estamos protegiendo la carga contra los picos transitorios y ruidos de línea que un filtro incorporado pueda atenuar. Además en la entrada del UPS, puede (y debe) haber un estabilizador que entregue a la salida una tensión estabilizada y filtrada. Este modo de trabajo se puede denominar en modo By-Pass (funcionamiento normal). Error! Flujo de Energía 220V Modo By - Pass Salida 220V Rectificador Fig. 9 1 UPS Stand By / Funcionamiento en modo normal Cuando la UPS cambia al modo de reserva, la potencia fluye desde el inversor, siendo la batería la que provee energía, tal como se aprecia en la Figura 9-2. Error! Salida 220V Flujo de la energía Fig. 9-2 UPS Stand By / Funcionamiento en modo batería (Backup) 3

4 Cuando se produce una falla en la línea, es necesario transferir la carga desde la línea de alimentación al inversor. Esta transferencia tiene una duración típica de 5 milisegundos, (equivalentes ¼ ciclo). Para la mayoría de las cargas, éste tiempo de transferencia no es un problema; pero, algunas cargas muy críticas no pueden aceptar la caída de tensión provocada por un evento tan breve como éste. Durante la operación en modo batería, la mayoría de las UPS tipo Stand By, tienen una tensión de salida con una forma de onda cuasi senoidal ó rectangular, como se muestra en la Figura 9-3. La mayoría de lose quipos electrónicos, incluyendo las computadoras, funcionarán correctamente con una forma de onda de esas características, pero algunos equipos especiales o grandes pueden requerir una forma de onda sinusoidal. 0 V Fig. 9 3 Salida cuasi senoidal ó rectangular del inversor 4

5 UPS On - Line: Comparemos la operación de una UPS Stand by, con las Figuras 9 4 á 9-7 de una UPS verdaderamente On-Line. Error! Flujo de la energía Salida 220V 220V Rectificador Inversor Fig. 9 4 UPS On Line / Funcionamiento en modo línea normal Flujo de la energía Salida 220V Inversor Fig. 9 5 UPS On Line / Funcionamiento en modo batería 5

6 En una UPS On Line, el flujo normal de la energía es desde la entrada a través del rectificador, inversor, conmutador y salida. El inversor provee permanentemente la energía acondicionada que la carga requiere. (Compare con la UPS tipo Stand by, donde la carga está siempre conectada a la línea). Cuando la entrada de potencia desde la línea falla, el inversor entrega energía desde las baterías, tal como se ve en la Figura 9-5. Observe que el conmutador no opera al pasar al modo batería. Una UPS On-Line tiene un inversor que entrega una tensión de salida generalmente con una forma senoidal, y ella no cambia (como en las UPS Stand by) cuando conmuta desde modo normal a modo batería. Todas las cargas que puedan operar con la tensión provista por la compañía de energía eléctrica, funcionarán adecuadamente con una UPS con salida senoidal, alimentando a las cargas en forma permanente desde el inversor, sin que note la más mínima diferencia con la alimentación normal desde la línea (en condiciones normales). 0 V Fig. 9-6 Salida senoidal 6

7 Error! Flujo de la energía Salida By-Pass Fig. 9-7 UPS On Line / Funcionamiento en modo By Pass Una UPS On-Line tiene un tercer modo de operación. La Figura 9-7 ilustra el Modo By pass, que puede ser utilizado en los casos de tareas de mantenimiento, ó si la UPS falla, ó para conmutar la carga a la línea si la tensión de salida cae por una sobrecarga, tal como encender un equipo con una alta corriente de arranque. En el modo By pass el conmutador se ha activado, y si la UPS funciona correctamente, el conmutador retornará automáticamente la carga al inversor. Las protecciones contra picos transitorios y ruidos de línea continúan presentes en el modo By pass, tal como ocurre en una UPS Stand by funcionando en Modo Normal. En las UPS s medianas y grandes, la entrada de By Pass puede estar separada y se llama entrada de fuente auxiliar, sea de un grupo electrógeno o de otro UPS de respaldo. 7

8 La UPS Interactiva Una importante mejora a la UPS tipo Standby, fue el agregado de un regulador de tensión de entrada (estabilizador), constituido por un transformador con derivaciones seleccionables. La Figura 9-8 muestra el esquema de la UPS resultante, llamada UPS de Potencia Interactiva. El estabilizador de tensión, a la entrada del sistema, permite operar al sistema en Modo Normal, cuando se producen caídas ó sobre elevaciones en la tensión de línea, sin que sea necesario conmutar al Modo. Flujo de la energía 220V Filtro Estabilizador Salida 220V Rectificador Fig. 9-8 UPS Interactiva / Funcionamiento con Red Normal La operación de una UPS Interactiva, en modo es idéntica al de las UPS Standby. El inversor arranca, el relé de conmutación se activa, y la energía es provista por la batería. La Figura 9-9 ilustra la operación de un sistema de regulación de tensión del tipo utilizado en las UPS Interactivas. En diseños de baja potencia y costo, el estabilizador es con 2 pasos (1 relé de alta y baja), mientras que en equipos de mayor potencia y mejores prestaciones suelen tener tres ó cuatro pasos (2 o 3 relés), lo que permite obtener un mejor rango de regulación y precisión de la tensión de salida. Se debe notar que la salida varía conjuntamente con la entrada hasta que se produce un cambio de derivación en el transformador. Estos pequeños cambios en la tensión de salida no afectarán a la mayoría de las computadoras. 8

9 Cambios de paso del transformador Tensión de salida (220V ± 5 %) 220 V Tensión de entrada (220V %) 220 V Tiempo Fig. 9-9 Estabilizador de Tensión de UPS Interactiva La UPS denominada TRIPORT es realmente una UPS Interactiva. En éste sistema el inversor está interactuando permanentemente con la línea. Note en la Figura 9-10 que hay un inductor intercalado entre la entrada de la línea y la salida del Inversor. Este inductor es el que distingue a la UPS tipo Triport de las otras tecnologías. Activo Inactivo Interruptor Inductor Filtro Salida Inversor Fig UPS tipo Triport (Interactiva verdadera) / Funcionamiento con red normal 9

10 El nombre Triport (tres puertos) es debido a que realmente, el inversor, la línea, y la carga configuran los tres puertos. Operando en modo normal (con línea presente), hay una caída de tensión en el inductor, y es necesario el funcionamiento del inversor para regular la tensión de salida a la carga. El inversor también toma parte de energía de la línea y además mantiene la carga de las baterías. Si el inversor tomara la energía desde las baterías, éstas se descargarían y no estarían disponibles en el caso de un corte de tensión de entrada. Cuando la entrada falla, el interruptor se abre y el inversor alimenta a la carga con la energía de las baterías. El diseño Triport es algunas veces comercializado como UPS de Simple Conversión, pero realmente ésta tecnología sigue encuadrándose dentro de las UPS Stand By. Estas UPS pueden presentar un incorrecto funcionamiento cuando se las opera con grupos electrógenos que tengan una frecuencia inestable. UPS REDUNDANTES (TOLERANTES A LAS FALLAS) DE DISEÑO MODULAR. Este tipo de UPS, fue utilizado hace tiempo sólo para grandes instalaciones. Desde el lanzamiento al mercado de UPS de mediana potencia con el mismo concepto de redundancia y modularidad, nos encontramos con una alternativa que nos ofrece una importante cantidad de ventajas. La Figura 9-11 es un simple diagrama que muestra múltiples UPS modulares, y un gabinete para las conexiones de entrada y salida. Cada módulo, es en realidad una UPS completa, usando las últimas tecnologías: doble conversión, salida perfectamente sinusoidal, cargador de baterías incorporado, factor de potencia de entrada corregido, etc. Módulo UPS N 1 Módulo UPS N 2 Módulo UPS N 3 Módulo UPS N 4 Módulo UPS N 5 Salida Fig UPS Modular y Redundante 10

11 En una UPS de tipo redundante, al menos un módulo se encuentra en reserva. Si un módulo falla, es excluido del sistema y la UPS continua operando normalmente. Algunas de las fundamentales ventajas de éste tipo de UPS son: la posibilidad de ampliación (por crecimiento de los sistemas a proteger), la facilidad de cambio del módulo con fallas (tiempos mínimos de reparación sin perder la protección de la UPS), y su muy alta confiabilidad. 11

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