Tipos de UPS

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• Electrónica de control

Los UPS requieren de un sistema electrónico de control que permita su funcionamiento de forma automática. Para ello se debe recurrir a los campos de la electrónica: analógica, digital, comunicaciones, de potencia, microprocesadores.

La electrónica empleada en la manufactura de lo UPS ha ido evolucionando de forma paralela a los avances en este campo. Desde los inicios en los que la electrónica era mayoritariamente analógica, con equipos en los que las conexiones entre tarjetas se realizaban mediante cableado (con la técnica del wrapping) al Procesamiento Digital de Señal, con la integración de potentes microprocesadores que permiten un mejor control, mayor capacidad de cálculo y velocidad de trabajo. Han desaparecido los potenciómetros, con una gran deriva temporal, y los ajustes se realizan mediante parámetros, invariables en el tiempo. La gran potencia de cálculo de los microprocesadores ha permitido reducir el número de tarjetas empleadas, con lo que se han reducido los fallos debido a las interconexiones, menor número de componentes, etc.

La mayor capacidad de cálculo y velocidad de trabajo ha permitido la introducción de nuevas técnicas de modulación y mejoras en la gestión de los equipos. Además, ha permitido que los UPS puedan trabajar en diferentes modos, adaptándose a las necesidades requeridas por los usuarios de estos sistemas.

Figura 46. Diferentes niveles de integración en la electrónica de control

95 De acuerdo a la Norma IEC 62040-3, los UPS estáticos, se clasifican en de acuerdo a la tecnología implementada en su manufactura. En el mercado se tienen tres (3) tipos constructivos principales.

• SAI OFF-LINE

• SAI LINE INTERACTIVE

• SAI ON LINE DOBLE CONVERSIÓN

UPS OFF LINE

El régimen de operación de este tipo de UPS se basa en lo siguiente. En presencia de una red eléctrica de alimentación, la salida es igual exactamente que la señal de entrada. El UPS interviene solo en ausencia de tensión de entrada, alimentando la carga con el inversor que a su vez se encuentra alimentado por las baterías.

Conocida también como UPS “Stand by”, provee un nivel de protección básico pero adecuado para cargas pequeñas. El nombre Stand by se debe a que normalmente el inversor se encuentra “en espera” a que ocurra un fallo en el suministro de energía, para poder alimentar las cargas. El UPS Off-line es la más económica ya que integra muy pocos componentes y típicamente se diseñan en capacidades que van de los 250 W a los 2000W. Posee dos modos de funcionamiento: Modo normal y con baterías.

• Régimen de Operación Modo Normal

En modo de operación normal la carga es alimentada directamente por la energía de la red eléctrica de la concesionaria, por lo tanto, la corriente fluye desde la entrada hacia la carga y una pequeña cantidad de corriente es rectificada por el cargador de baterías y utilizada para mantener la batería en tensión de flotación.

El voltaje de entrada en este caso, pasa por un filtro pasa bajo y después energiza la carga a través del Switch de Transferencia, el cual está normalmente cerrado teniendo en cuenta que es un relevador.

96 Figura 47. Diagrama en bloque de UPS off line en condiciones normales de

operación.

• Régimen de Operación Modo Batería

La operación del UPS durante un corte de energía eléctrica o en caso de que la tensión varié fuera del rango mínimo o supere la tolerancia máxima permitida, la batería y el inversor entran en operación para asegurar la continuidad del suministro eléctrico hacia a la carga. Es decir, la unidad de control automático del UPS enciende automáticamente el inversor, al mismo tiempo que manda energizar el switch de transferencia, cuando esta conmuta, el inversor ya está encendido y listo para energizar la carga. La tensión de entrada generalmente tiene un valor “aceptable de operación” que suele ser de un +/-15%

aproximadamente, este rango se escoge tomando en cuenta que voltaje es adecuado para alimentar la carga.

El tiempo de transferencia que toma en conmutar de modo normal a modo batería es menor a 5 milisegundos. Por lo tanto, las aplicaciones no-críticas de cómputo pueden seguir operando con tales cortes de energía con cierto grado de confiabilidad.

97 Figura 48. Diagrama en bloque de UPS off line en régimen de operación en

modo de batería.

• Aplicaciones

Este tipo de UPS ofrecen una protección muy básica, se recomienda usarlos en aplicaciones no-criticas, como por ejemplo para uso domésticos, computadoras del hogar y pequeños negocios, en general en lugares con problemas mínimos de energía.

Tabla 16. Ventajas y desventajas del UPS tipo Off Line

Fuente: IEC 62040-3 UPS LINE INTERACTIVE

En régimen de operación, el UPS Line Interactive actúa del siguiente modo, ante la presencia de una red eléctrica de alimentación, la entrada y la salida están

98 separadas por un circuito de filtración y estabilización (AVR: Automatic Voltage Regulator), done parte de las interferencias o variaciones de la forma de onda, posibles en la entrada pueden reflejarse en la salida.

Asimismo, durante el periodo de ausencia de red eléctrica, la salida es conectada automáticamente al inversor, alimentado a su vez por las baterías.

Este tipo de UPS ofrece un nivel de protección intermedia a la carga. Su principio de funcionamiento es muy similar al UPS Off-line, la diferencia entre ellas radica en la incorporación de un regulador de voltaje o estabilizador, el cual puede ser una tarjeta electrónica o un transformador con unos taps controlables (derivaciones). En diseños de baja potencia, el transformador generalmente tiene dos derivaciones, mientras que en equipos de mayor potencia y mejores prestaciones suelen mayor a tres derivaciones, lo que permite obtener un mejor rango de regulación y precisión en la tensión de salida.

Estos equipos normalmente son diseñados en capacidades que van desde 500W hasta 500W.

• Régimen de Operación Modo Normal

En modo normal la carga es alimentada directamente por la energía de la red.

Solo que en el caso del UPS line Interactive el regulador automático de voltaje, permite que las variaciones de tensión que se producen en el suministro eléctrico no afecten a las cargas conectadas. Adicional a ello, se evita que la UPS pase a modo batería si no existe un corte de energía eléctrica, ello hace que la vida útil de la UPS se prolongue.

99 Figura 49. Diagrama en bloque de UPS line Interactive en régimen de

operación modo normal.

• Régimen de Operación Modo Batería

Durante un corte de energía eléctrica, la batería y el inversor entran en operación, el switch de transferencia es activado automáticamente por el sistema de control, y la energía va hacia la carga la cual es provista por las baterías. El tiempo de transferencia o conmutación en el UPS Line Interactive es menor, oscila de 2 a 4 milisegundos. La forma de la onda de salida del inversor en esto equipos es cuasi senoidal.

Figura 50. Diagrama en bloque de UPS line Interactive en régimen de operación modo de batería.

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• Aplicaciones

El UPS Line Interactive no es recomendable para proteger cargas críticas. Sus aplicaciones típicas son: computadores, estaciones de trabajo. Las UPS con salida senoidal pueden ser usadas en servidores de rango medio, multilíneas, conmutadores, dispositivos de conectividad (hubs, switches), etc.

Tabla 17. Ventajas y desventajas del UPS tipo Line Interactive

Fuente: IEC 62040-3

UPS ON LINE DOBLE CONVERSIÓN

En este tipo de UPS la alimentación de la red eléctrica que viene a ser la entrada es primero rectificada y después reconvertida en una señal alterna mediante un inversor. De esta manera, la forma de onda de la tensión de salida es completamente independiente de la entrada, todas las posibles interferencias de red eléctrica son eliminadas y no hay tiempo de conmutación en el paso de red a batería porque la salida está siempre alimentada por el inversor.

En caso de sobrecargas y eventuales problemas internos, este tipo de UPS dispone de bypass automático, que garantiza la alimentación de la carga conmutándola directamente en la red eléctrica de entrada.

El UPS on line doble conversión, se emplea en las instalaciones como respaldo de energía para alimentar cargas críticas, debido a que entrega un mayor nivel de protección. Su principal característica es que está suministrando energía de manera continua desde el inversor, por esta característica de operación su le llama “On-line”, debido a que el inversor se encuentra dentro de la línea principal de energía, y siempre se encuentra alimentando a la carga. Además, esta tecnología incorpora un rectificador con SCR (Silicon Controlled Rectifier) con el

101 objeto de poder variar el ángulo de disparo de los SCR y de esta manera poder regular el voltaje continuo a obtener a la salida.

Se les llama también UPS de doble conversión, debido a su funcionamiento, donde constantemente se está realizando el proceso de convertir la energía de entrada en corriente continua y posteriormente en corriente alterna. De esta manera no solo es posible recargar las baterías, sino también gracias a su diseño se eliminan la gran mayoría de los disturbios encontrados en la red eléctrica, para disponer a la salida de una onda de forma senoidal.

En esta tecnología, la entrada como la salida pueden ser monofásicas o trifásicas según la potencia de la UPS. Normalmente son diseñados en capacidades que van desde 500 VA hasta los MVA.

Estos equipos poseen tres modos de operación: modo normal, con baterías y modo bypass.

• Régimen de Operación Modo Normal

En el régimen de operación normal, la carga es alimentada de forma permanente por la tensión suministrada desde el inversor. En la figura se puede ver que el flujo normal de la energía, en esta etapa, sigue a partir de la entrada pasa a través del filtro, del rectificador, del inversor, llega al conmutador y la salida. El rectificador proporciona la tensión continua que llega al inversor y a su vez mantiene la carga de las baterías. La tensión continua del rectificador es convertida por el inversor en una tensión alterna de onda senoidal el cual está regulada en tensión y frecuencia del sistema.

Como se puede observar, el voltaje de la red eléctrica del concesionario es descompuesto en el rectificador al ser convertido en energía continua y cualquier variación de tensión, frecuencia o sobretensiones, etc., es eliminado durante este proceso continuo.

102 Figura 51. Diagrama en bloque de UPS On Line o Doble Conversión en

régimen de operación modo normal.

• Régimen de Operación Modo Batería

Cuando la tensión de la red eléctrica del concesionario falla o varia lo suficientemente en la entrada, el rectificador ya no puede entregar un voltaje continuo regulado, entonces se apaga y comienzan a operar las baterías entregando voltaje hacia el inversor, en la figura siguiente, podemos observar que el switch de trasferencia no conmuta al pasar de modo normal a modo batería, por lo que en estos equipos el tiempo de transferencia es de 0 milisegundos, los cual es muy bueno para las cargas criticas conectadas ya que en ningún momento detectan las fallas. Si el corte de energía eléctrica se prolonga de tal manera que las baterías se descarguen completamente, el UPS se apaga al no tener energía. Si antes de que se termine la energía en las baterías, la energía eléctrica del concesionario se restablece, la tensión de entrada se normaliza, el rectificador se enciende y alimenta nuevamente al inversor y recarga las baterías.

103 Figura 52. Diagrama en bloque de UPS On Line o Doble Conversión en

régimen de operación modo batería.

• Régimen de Operación Modo Bypass

En el régimen de operación modo Bypass, no es más que una forma de alimentar la carga directamente con la energía proveniente de la red eléctrica del concesionario mediante switch de transferencia estática STS, el cual al ser electrónico es de muy alta velocidad(<2ms), y permite que la carga siga con energía en el momento de la transferencia.

El UPS opera en modo bypass, cuando hay una sobrecarga temporal o se produce una falla en el equipo, como, por ejemplo, por un mal funcionamiento interno de sus componentes, cuando las baterías se encuentran en la etapa final de su vida útil, por sobre temperatura en el equipo, daño en la unidad de control o una falla en el inversor.

Una falla del inversor es debido a una sobrecarga, se origina cuando se le exige al inversor más potencia de lo que esta dimensionado el equipo, por ejemplo, el encendido de un equipo con corriente de arranque alto.

Si el UPS funciona correctamente, el switch de transferencia estático retornará automáticamente la carga al inversor quedando en modo normal.

Cuando el UPS está en el régimen de operación modo Bypass, no hay protección alguna para la carga.

104 Figura 53. Diagrama en bloque de UPS On Line o Doble Conversión en

régimen de operación modo bypass.

• Aplicaciones

Los UPS on line o doble conversión son ideales para proteger todo tipo de equipos sensibles a los problemas de energía eléctrica:

Servidores, redes informáticas, equipos de telecomunicaciones, equipos informáticos, data centers, equipo médico, procesos industriales (PLC´s con relés y contactores con bobinas de corriente alterna), etc.

Tabla 18. Ventajas y desventajas del UPS tipo On Line o Doble Conversión.

Fuente: IEC 62040-3