clase 8 - ups

8/7/2019 Clase 8 - UPS

1/7

10/20/20

UPS

Electrnica de Potencia I

Los sistemas de respaldo de energa tienen la misin de abastecer la energa

necesaria para el funcionamiento adecuado de las cargas crticas (equipos

sensibles) cuando el suministro proveniente de la red elctrica no es de buena

calidad o cuando ocurre un corte elctrico (apagn). Es muy usual usar

sistemas de alimentacin ininterrumpida con una autonoma nominal que varadesde 5 a 15 minutos, la cual puede ser aumentada usando ms bateras. El

hecho de que los equipos sensibles deben seguir trabajando lleva a usar unsistema de generacin de mayor autonoma y usualmente se usan grupos

electrgenos con tableros de transferencia automtica para este fin. La grandiferencia entre estos sistemas es que el grupo electrgeno no tiene una

respuesta inmediata y si funciona aisladamente el corte de energa elctrica

afectar a las cargas crticas.

SISTEMAS DE RESPALDO DE ENERGIA

Entre las cargas crticas podemos mencionar:

Centros de Computo (data center)

Equipos de Telecomunicaciones Equipos Mdicos y Hospitalarios

Equipos de Laboratorio Equipos de Control

Para el dimensionamiento del sistema y la especificacin de los equipos es

necesario evaluar el tipo de carga crtica que deseamos proteger, entre las

principales aspectos se tiene que determinar: Voltaje, Frecuencia y Potencia de los equipos.

Tipo de conexin elctrica: monofsica, trifsica Velocidad de respuesta ante fallas elctricas.

Nivel de calidad de energa elctrica a suministrar.

Autonoma necesaria

SISTEMAS DE RESPALDO DE ENERGIA

Un UPS (Uninterrupted Power System), o SAI (Sistema de Alimentacin

Ininterrumpida), es un dispositivo que proporciona energa elctrica una fuente

alterna (bateras) en caso de fallo del sistema principal de energa, tambin se

utiliza para mejorar la calidad de la energa elctrica que llega a las cargas,

eliminando los disturbios y distorsiones de la red elctrica. Los UPS dan energa

elctrica a equipos llamados cargas crticas, como pueden ser aparatos

mdicos, industriales o informticos que siempre deben ser alimentados.

UPS

Un UPS (Uninterruptible Power System) es un sistema que provee energa

elctrica ininterrumpida a una carga elctrica determinada, para realizar esta

funcin dispone de tres elementos claves:

Una reserva de energa, que de alguna manera se convertir en energa

elctrica y ser entregada a la carga.

Un elemento capaz de reponer la energa perdida cuando por algn motivose utilizo total o parcialmente la reserva.

Un selector para elegir de donde obtiene la energa que le entregara a la

carga, si de la lnea o de la reserva.

UPS

Estas partes son:

Rectificador Rectifica la corriente alterna de entrada, y permite cargar las

bateras y/o alimentar el inversor.

Bateras Fuente de energa cuya capacidad (en Amperes Hora) depende del

tiempo (autonoma) durante el cual debe entregar energa.

Inversor Convierte la corriente continua en corriente alterna, adecuada para

alimentar a los equipos conectados a la salida del UPS.

Conmutador Permite conectar la salida del inversor o la red principal a la carga.

PARTES DE UN UPS

8/7/2019 Clase 8 - UPS

2/7

10/20/20

UPS DE CORRIENTE DIRECTA

Bsicamente est formado por un rectificador y una batera (energa de reserva),

alimentan una carga de corriente continua. Aqu la carga y las bateras estn en

paralelo y el convertidor deber proveer energa a la carga para sostener cargadas

las bateras. Las centrales telefnicas importantes suelen utilizar estos esquemas

de alimentacin, son de elevadsima confiabilidad, pero la condicin indispensable

es que la carga debe poder alimentarse con corriente continua.

UPS DE CORRIENTE DIRECTA

UPS DE CORRIENTE DIRECTA UPS DE CORRIENTE DIRECTA

La carga necesita corriente alternada para funcionar. Se aade la etapa de

convertidor DC/AC. Al igual que en las UPS de DC el convertidor de entrada tiene

la funcin de entregar energa para la cargas y sostener la carga de las bateras y

el de salida (tambin llamado inversor u ondulador) genera la onda de corriente

alterna que la carga necesita. Hay varias configuraciones definidas por las

cualidades caractersticas que definen los precios y tamaos de UPS.

UPS DE CORRIENTE ALTERNA

Segn el camino que recorre la energa que alimentara la carga:

Stand by (Interactivas), Donde el UPS est esperando alguna falla en la lnea de

energa elctrica para entrar en accin. Regularmente la lnea alimenta a la carga.

El camino principal de la energa no atraviesa las bateras. En esta situacin la

UPS aporta las siguientes funciones: estabiliza a valores normales el voltaje de

entrada (UPS interactivas) o no (UPS Stand-By) y provee filtrado contra

transitorios, picos y ruido de RFI/EMI. (mejora de la calidad de la energa).

CLASIFICACION: UPS DE STAND BY

8/7/2019 Clase 8 - UPS

3/7

10/20/20

OnLine. Donde el UPS alimenta a la carga en forma independiente del estadode la Red elctrica. El camino de la energa es: Las bateras alimentan al inversor

de salida y a las bateras las carga el cargador; este proceso no se interrumpenunca. De esta manera se tiene un bajo rendimiento energtico y un uso elevado

de las bateras, disminuyendo su vida til. Esta configuracin de UPS no es

utilizada.

CLASIFICACION: UPS ONLINE

OFF Line Interactivas. Su funcionamiento es el siguiente. (ver figura 6). La

energa de la red ingresa y es acondicionada por el filtro de lnea (2) luego el

booster (3) la transforma en corriente continua y la divide, una parte la destina a

sostener la carga de las bateras y la otra alimentara al Ondulador (4), el

Ondulador genera la onda de salida que alimentara la carga, el booster es el

encargado de separar la lnea de la carga (una de las caractersticas distintivas

de las UPS OnLine), se observa la presencia del by-pas (5) que se utiliza para

cuando falla el camino de transferencia energtica descrito antes, se observaque el circuito de bateras esta en stand-by esperando que la lnea salga deparmetros para comenzar a actuar. Todo comandado por un circuito de

supervisin y control.

CLASIFICACION: UPS OFF LINE INTERACTIVO

La llave de conmutacin generalmente es un rel electromecnico. El paso

de una a otra posicin es un punto vital y depender exclusivamente de la

carga, o tipo de carga, que la UPS tenga conectada a sus bornes.

Si la carga es una computadora o un equipo electrnico alimentado con

corriente alterna la transferencia debe ser muy rpido para que la carga no

detecte la interrupcin. El tiempo de transferencia tpicamente es de 4ms. Pero

en ocasiones dependiendo del fabricante puede ser hasta de 10ms. Estos

valores de tiempo de transferencia se consideran adecuados para la mayorade las cargas electrnicas. Sin embargo hay cargas muy delicadas que an un

tiempo tan corto de interrupcin puede hacer que operen incorrectamente porlo que este tipo de UPS no es adecuado para este tipo de cargas.

UPS OFF LINE INTERACTIVO

En un sistema de energa de CA, la energa entregada a cualquier carga depende

de las caractersticas de esa carga. Una computadora consume potencia en

forma de pulsos. Considerando un perodo de 1/50 de segundo (50Hz). La

computadoras tienen un condensador de almacenamiento de energa, La

energa de CA recarga el condensador con un pulso de potencia cada 10

milisegundos. La computadora tpica opera sin potencia de entrada por un

perodo de hasta 65 milisegundos, an durante operaciones de lectura/escritura

en el disco duro.

UPS OFF LINE INTERACTIVO - Ejemplo

Por lo tanto no hay problemas en alimentar una carga como la computadora,

con una UPS que conmute mediante rel. Pero aparecen algunas limitaciones

importantes:

Esta conmutacin no puede demorar mucho tiempo (milisegundos).

Es necesario reducir al mnimo el tiempo del sistema de control del UPS.

Este tiempo se sumara al de la conmutacin.

Las conmutaciones suelen agregar ruidos y rebotes, propios de los mtodos

electromecnicos que se utilizan.

UPS OFF LINE INTERACTIVO - Ejemplo

Forma de Onda

Depende de la carga. Generar onda senoidal es complejo, pero hay ondas

mas simple con desventajas mnimas.

Figura 3 muestra una onda rectangular, cuyo inconveniente es la distorsin

armnica, en la senoidal no existe, en la cuasi-senoidal (rectangular)depender de cmo se genera, pero alcanza valores elevados.

UPS OFF LINE INTERACTIVO Forma de Onda

8/7/2019 Clase 8 - UPS

4/7

10/20/20

En sistemas de cmputo el valor de pico de la onda es importante ya que es el

voltaje al cual se cargan los capacitores de las fuentes. A medida que se

descargan las bateras se aumentara el ancho del pulso y se controla con

regulacin de la tensin de salida mediante modulacin por ancho de pulso o

PWM. Otro caso es el uso de ondas trapezoidales en lugar de cuasi senoidales,

bajo el mismo principio, con el objeto de reducir armnicos. Y los ms eficientes

de onda senoidal.

UPS OFF LINE INTERACTIVO Forma de Onda UPS OFF Line Interactiva: Anlisis de bloques

UNIDAD DE CONTROL:

El control de las funciones del UPS es realizado por un procesador que consta

de memorias ROM y RAM, temporizador, conversor A/D, wachdog timer, clock

del sistema. El temporizador es utilizado para generar todas las seales de

sincronismo necesarias para el funcionamiento de la UPS, la temporizacin es

usado para alarmas (visuales y sonoras), mediciones de los principales

parmetros del equipo y la base de tiempo utilizada para la comunicacin. El

conversor analgico-digital permite medir la tensin de lnea de AC y la tensin

de las bateras.

Supresor de transitorios y filtro de entrada: Permite atenuar a valores

inofensivos sobrevoltaje. El filtro provee atenuacin para el ruido en modo

comn, y en modo diferencial, siendo un valor tpico de atenuacin para este

ltimo de aproximadamente 40 db para una frecuencia de 200 KHz.

UPS OFF Line Interactiva: Anlisis de bloques

Regulador de Voltaje: El estabilizador consta bsicamente de unautotransformador con cuatro etapas de regulacin que son las que permiten

mantener la tensin de salida dentro del rango de regulacin.

El UPS entrega generalmente 220 V y 110 V. En la grfica se observa como

evoluciona el voltaje de salida en funcin de la entrada, distinguindose cuatro

etapas de regulacin y el rango de tensin de salida.

Mientras el voltaje de entrada al estabilizador se mantenga entre 170 V y 250 V,

el voltaje de salida se mantendr entre 210 V y 230 V (220 5%)

Las etapas 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 tensin.


Con mayor frecuencia la tensin de lnea se

encuentra por debajo de los valores

nominales por ende el regulador de voltajese disea para que tenga mayor capacidad

de elevar el voltaje de entrada (2 etapaselevadoras),

La tensin de lnea es mayor a la nominal,

por ejemplo en zonas industriales cerca

de la bajada de un transformador de

distribucin. Trespuesta: 20ms

Filtro de salida

Para atenuar los disturbios generados por los rels de la tensin 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, o filtros inductivos.


Elemento de conmutacin: Cuando la tensin de lnea se encuentra fuera del

rango de entrada que puede regular el estabilizador (166V-254V) o cuando se

produce un corte de energa, el UPS corrige esta situacin conmutando a la

fuente secundaria de energa, que es el sistema de batera-inversor.

Las UPS poseen un detector rpido de corte de suministro elctrico que pueden

sensar un bajn de voltaje o interrupcin total del mismo en aproximadamente 2

milisegundos. Este tiempo sumado al que tarda el rel en conmutar y

estabilizarse, da un tiempo de transferencia tpico 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 energa.


8/7/2019 Clase 8 - UPS

5/7

10/20/20

Inversor: Se encarga de convertir el voltaje continuo de las bateras en un

voltaje alterno de 60Hz 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 ncleo del transformador, esto es posible debido a que nunca funcionanen forma simultnea. Los transistores utilizados para realizar la conversin de

voltaje son MOSFET/IGBT. La posibilidad de conectar dispositivos en paralelo

sin necesidad de ecualizar sus corrientes y seales de control de baja potencia.

La unidad de control de la UPS, apenas detecta un corte en el suministro de

energa elctrica, da la orden de conmutar a la fuente secundaria de energa

elctrica (inversor) y simultneamente habilitar a los transistores de potencia

para conducir cuando est funcionandoen inversor.


Bateras y cargador: De vital importancia para el buen funcionamiento de la

UPS, encargado de mantener dentro de la batera la energa de reserva.

Se utilizan bateras (tipo )

Cambiar las bateras de un UPS puede oscilar alrededor del 25% del valor

del producto. Adems significan un costo extra de parada del UPS.

Consideraciones en la Batera:

Temperatura de trabajo de la batera. Por cada 5 grados centgrados sobrelos 25 grados de ambiente se reduce la vida til en aproximadamente 10%.

Por lo que el diseo de la UPS debe ser tal que la batera se mantenga fra.Los UPS, llevan ventiladores de aire que se encarga de mantener la

temperatura constante en el interior.

Diseo del cargador de batera. El tipo de carga de la batera es muy

importante y afecta sensiblemente la vida til de la misma. Los cargadores

del tipo de flotacin son los mejores. Es importante que aunque la UPS se

encuentre apagada, est conectada a la red cargndose.


Eleccin de la batera de mayor vida til ser la que menor tensin de batera

utilice. Al colocar bateras en serie para elevar el voltaje y disminuir la corriente

de trabajo se aumenta el riesgo de falla, ya que las celdas estn serie cuando

una se deteriore se habr inutilizado toda la serie de bateras.

Frecuencia de carga-descarga. La frecuencia media de carga de las bateras

indica una vida til de 300 ciclos. La Instantnea no se conoce, pues el proceso

de descarga con corrientes instantneas ocurre cuando la batera entrega

mucha corriente por perodos de tiempo cortos. Si la UPS somete en forma

seguida e innecesaria a las bateras a este proceso se produce un agotamiento

rpido de la misma. En general la batera es la parte menos confiable de la

mayora de las UPS.

Observe los siguientes detalles :

Carga en forma de flotacin, menor temperatura, menor voltaje de trabajo,

limitar las corrientes de descarga rpida.


Mdulo transmisor y receptor: Comunicacin con la computadora. Tipo

serie RS232. Ejemplo: 8 bits de datos, sin paridad y un bit de parada. La

velocidad de transmisin es de 1200 baudios. Tanto el formato del byte,

como la velocidad de transmisin son fijos, pudindose seleccionar por

software solamente el puerto usado para la comunicacin.

El programa para el monitoreo de los parmetros tiene entre las principalescaracterstica :

Cierre automtico de todas las aplicaciones abiertas,

Registro de todos los eventos importantes en la UPS.

Registro de las ltimas horas de uso continuo de la UPS.

Test de autonoma en tiempo real de la UPS.


Autonoma: Tiempo que durara la energa de reserva almacenada en las

bateras. Este parmetro suele definir habitualmente el costo de la proteccin,

ya que puede ser desde algunos minutos hasta decenas de horas antes que el

voltaje decaiga por debajo de un voltaje especificado (habitualmente 10,8

Voltios). Las bateras utilizadas en UPS son de 12 voltios, y el UPS trabajar

con 12, 24, 36, 48 voltios y as sucesivamente.


Temperatura de Operacin: Es el rango de temperaturas en el cual puede

estar trabajar el equipo.

Temperatura de almacenamiento: Es el rango de temperaturas en el que

puede guardarse o someterse al Estabilizador de voltaje, por ejemplo para su

traslado.

Carga nominal: Indica la carga tpica para la cual esta pensada y diseada la

UPS.

Rendimiento: Relaciona el consumo propio de la UPS, cuanto ms grandemejor rendimiento tiene.

Frecuencia de Lnea: Es la frecuencia de la red de energa elctrica para la

cual fue diseado el equipos, en nuestro pas es de 60 Hz. Este dato es muy

utili para determinar si la UPS es compatible o no con grupos generadores,

que generalmente salen de frecuencia con mucha facilidad (especialmente en

los de pequea potencia).

UPS OFF Line Interactiva: Informacin Tcnica

8/7/2019 Clase 8 - UPS

6/7

10/20/20

Forma de Onda, es el tipo de onda que genera la UPS cuando esta

funcionando en modo inversor, energa de lnea ausente.

. Voltaje de Entrada/Salida: Es el rango del voltaje de lnea presente a la

entrada del equipo, para el cual el Estabilizador interno es capaz demantenerse en rango y proveer a la salida de la UPS el valor de voltaje

nominal.

Conmutacin lnea/inversor, es el rango o los valores de voltaje de lnea

para los cuales la UPS ingresa o sale del modo inversor.

. Tiempo de transferencia, es el tiempo que necesita la UPS para detectar un

corte de energa o bajn pronunciado de voltaje y hacer arrancar el modo

inversor de la misma.

Tiempo de respuesta del Estabilizador: Es el tiempo que demora el

Estabilizador interno de la UPS desde que detecta la perturbacin o cambio delvoltaje en la entrada y lo corrige a la salida de la UPS, sin conmutar a bateras.

Bateras, indica el tipo y la cantidad de bateras que contiene cada UPS,

estas pueden estar en el mismo gabinete o pueden ser provistas por

separadas.


Recarga de bateras, Tiempo que le lleva al cargador reponer la energa

despus de que esta se agoto totalmente por el uso en modo inversor,

Autonoma, Esperada si se le conecta la carga nominal o si se le conecta la

mitad de ella. Decimos esperada porque depender del estado en que se

encuentran las bateras y de la temperatura ambiente. Filtro de lnea, indica si se encuentra disponible o no

Atenuacin del ruido RFI/EMI Remanente del sobrevoltaje, Valor que indica el nivel al que se atenu el

pulso luego del filtro y los protectores de sobre-tensin. Capacidad de corriente, es la cantidad de corriente que puede soportar

cuando efectivamente esta cortocircuitando un sobre voltaje.Energa de Sobre-voltaje transitorio, indica la mxima energa que ser capaz

de absorber de un sobre-voltaje que se haga presente en la lnea de suministro.

Protecciones, indica que tipo y clase de protecciones dispone.

Vida til de las bateras, indica la vida til esperada para bateras en

condiciones de uso normal. En realidad la vida til de una batera se mide en

ciclos de carga y descarga, el tipo de bateras usados soportan hasta 250-300

ciclos, si estos se producen en 6 meses, esa ser la vida til de la misma y si se

producen en 5 aos esa ser la vida til de la batera.


Tiempo de respuesta al sobre-voltaje, como se indica es el tiempo

necesario que necesitan los sistemas internos de proteccin para reaccionar al

mismo.

Voltaje de salida en modo inversor, es el valor del voltaje en vaco para

cuando la UPS esta funcionando en modo inversor, se detalla este valor porquela onda de salida no es senoidal, pero si se mantiene su valor medio, el cual es

regulado automticamente por la UPS.

UPS con Ondas Senoidales:

Elevada Potencia, por encima de los 3KVA.

Proteccin centralizada de equipamiento y cableados de distribucin muy

grandes.

Carga extremadamente critica.

Elevadsima calidad de proteccin.

Alta inmunidad a los problemas que ocurren en la lnea.

Presencia de impresoras LASER, fundamentalmente las de alta produccin.

Restricciones sobre la distorsin armnica de la onda que alimenta la carga Equipamiento no electrnico, casos de motores, electrovalvulas, iluminacin,

sensores especiales, etc.


El esquema muestra el diagrama del UPS OnLine o En lnea, significa que est

constantemente alimentando a su carga en forma independiente del estado que

tenga la lnea de energa elctrica.

UPS ON Line

OnLine doble conversin: El sistema de bateras se deja en stand-by hasta

que haga falta usarlas. Se muestran en la figura 2. Aqu la energa de lnea

ingresa y es acondicionada por el filtro de lnea (2) luego el booster (3) la

transforma en corriente continua y la divide, una parte la destina a sostener la

carga de las bateras y la otra alimentar al Ondulador (4), el Ondulador generala onda de salida que alimentara la carga, el booster es el encargado de separar

la lnea de la carga (una de las caractersticas distintivas de las UPS OnLine),se observa la presencia del by-pas (5) que se utiliza para cuando falla el camino

de transferencia energtica.

UPS ON Line

El Rectificador (Boost) Transforma la energa alterna de la entrada en un

voltaje de continua que alimentara al inversor a plena carga y sostiene al

cargador de bateras. El cargador de bateras esta separado del rectificador,

este sistema

UPS ON Line

8/7/2019 Clase 8 - UPS

7/7

10/20/20

El filtro de lnea: cumple dos funciones, evita que ruido en la lnea penetre en la

UPS y el segundo que el ruido generado en el proceso de rectificacin se

reinyecte en la lnea.

Esta forma de onda de corriente (THDI 25-30%) inyecta armnicos a la red ygenera problemas en los grupos electrgenos que estn conectados aguas

arriba, esta deformacin suele obligar a sobre-dimensionar al grupoelectrgeno). Se colocan filtros para bajar el contenido armnico de esta onda a

travs del filtro de lnea

UPS ON Line

En las UPS trifasicas este fenmeno es mayor. Otro fenmeno que provocan los

rectificadores es que el factor de potencia que presentan a la red es muy bajo.

Se utilizan rectificadores controlados que corrigen el factor de potencia,

llevndolo a casi la unidad, y como valor agregado tambin arreglan la forma de

onda de corriente, haciendo que el rectificador consuma de la lnea un corriente

casi senoidal (THDI 5%).

UPS ON Line

FIN DE PRIMERA PARTE

clase 8 - ups

Documents