ALGUNOS CONCEPTOS BASICOS SOBRE SISTEMAS ININTERRUMPIDOS DE POTENCIA – UPS
Por Jorge Pareja – Enero 2019
En la presente oportunidad vamos a definir técnicamente algunos conceptos sobre sistemas ininterrumpidos de potencia, sobre todo conceptos que muchas veces los fabricantes los alcanzan en sus catálogos comerciales y que son utilizados por los especialistas para construir cuadros comparativos, pero sobre todo son útiles para los especialistas de diseño de la red eléctrica, dado que sobre la funcionalidad de la red eléctrica se elige los parámetros de los sistemas UPS.
Bien vamos con los conceptos básicos.
Protección de Sobrecorriente de Entrada.
Es la capacidad que tiene el rectificador de protegerse así mismo y a otros dispositivos que pudiesen ser dañados por el bus de entrada AC del sistema, ante el evento de una falla interna que exija una corriente mayor a la requerida, está generalmente configurado por un circuito limitador electrónico más un circuit breaker o fusibles.
El sistema de protección de entrada, evita que corrientes muy altas en la etapa del rectificador, dañen al sistema y la principal consideración es:
P = I ∗ V ∗ cosφ
Si la Impedancia de entrada (compuesta por los filtros de entrada y la carga del equipo) se mantiene constante dentro de un rango de frecuencias de entrada (60 Hz ± 10%), es muy probable que un incremento de la corriente I, sobrepase la potencia de diseño de esta etapa y con ello los fusibles “F” se funden, protegiendo la etapa, en caso de una sobretensión de entrada, el dispositivo VDR (SPS = dispositivo de protección contra sobretensiones) se activa y protege contra estos defectos.
Adicional a esta etapa, se incluye un sistema de control transistorizado que permita controlar el exceso de corriente que sale del rectificador
Si existe una sobrecorriente sobre Q1, aumenta la tensión en RSC, con ello el transistor Q2 se satura y conduce, reduciendo la potencia hacia RL. Estos circuitos pueden configurarse de diferentes maneras, según cada fabricante.
Regulación Estática de Voltaje de salida.
Este parámetro mide en porcentaje (%) la relación que existe entre la diferencia de los voltajes de salida en vacío (Vo) y el voltaje a plena carga (VL).
Por ejemplo, un UPS tiene un voltaje de salida de fase en vacío (sin carga) de 240V, y tiene el siguiente comportamiento estático:
Podemos apreciar que el voltaje de salida tiene una caída de tensión hasta 220V, con una carga al 100%, esto es un 8% menos respecto al voltaje en vacío.
Regulación dinámica de Voltaje de Salida.
La regulación dinámica de voltaje del inversor del UPS, es la relación porcentual de la variación que sufre el voltaje nominal de salida con respecto a una variación brusca de la carga.
Del ejemplo (cuadro inferior) podemos ver que ante variaciones de la carga (de 0% a 100%), hay una variación del voltaje de salida en el inversor del UPS, que va desde 0% hasta 6,82%. Este dato es muy importante, dado que hay cargas críticas que tienen un rango de voltaje de operación muy ajustado y solo soportan como máximo, variaciones del orden del 10% , con mayores variaciones, se desconectan de la fuente de alimentación o pierden datos.
Tiempo de recuperación dinámica del voltaje.
Es el tiempo que demora el UPS en recuperarse, desde el inicio de la variación de carga (%) hasta retornar al estado estable (Steady State). Del ejemplo podemos ver que el máximo tiempo promedio de recuperación es de 3 milisegundos.
Desbalance de Carga y ángulo de desbalance.
Recordando: un sistema de generación simétrico, es aquel donde las tres tensiones tienen igual magnitud de tensión y sus fasores están a 120o entre sí. Una carga trifásica simétrica, es aquella que genera tres corrientes de magnitudes y fases iguales respecto a la tensión.
Cuando tomamos la referencia del generador, lo denominamos Secuencia Positiva, corresponde al flujo de potencia que proviene de la red hacia la carga, es decir, desde el generador hacia aguas abajo. La potencia suministrada o energía eléctrica generada tiene únicamente representación de secuencia positiva. La denominada Secuencia Negativa, es una indicación de la medida de desbalance existente en el sistema (trifásico), o sea, de la falta de simetría entre los fasores de tensión en el punto de conexión. La denominada Secuencia Homopolar, son aquellas que no cierran el circuito por las fases activas, sino que lo hacen por el neutro, o por tierra, si existiera vinculación galvánica con el circuito.
Los sistemas electrónicos pueden operar con corrientes de carga desbalanceadas hasta un porcentaje dado, en la mayoría de los diseños de UPS, muchos de los inversores puede soportar un desbalance de:
± 2% de la potencia por fase
±2° eléctricos respecto a los 120° de fases simétricas (balanceadas en carga)
El desplazamiento entre fases (se mide como ángulo eléctrico) representa el máximo valor que ocurre en las fases de salida del inversor. Este dato es ofrecido por los fabricantes, dado que un valor de desplazamiento mayor puede originar que el inversor se apague.
Slew Rate (SR).
El valor denominado Slew Rate es la máxima tasa de cambio de un parámetro respecto al tiempo.
Por ejemplo cuando vemos el valor de Slew Rate en una señal sinusoidal, se calcula como:
v(t)=Asin(2πft)
∂v(t) / ∂t = A 2πfcos(2πft), así podemos tener que:
SR = max∂vt
∂t > A ∗ 2 ∗ π ∗ f
Para los sistemas ininterrumpidos de potencia (UPS), por lo general los fabricantes alcanzan el valor de Slew rate (SR) de la frecuencia:
< 1Hertz / segundo. Este valor indica que la rapidez media de cambio de la frecuencia de los relojes internos del UPS se sincronizan a menos de 1 hertzio por segundo. Este dato puede ser entregado tanto para la frecuencia de entrada como para la de salida.
Este parámetro es importante para efectos de la sincronización con una fuente externa AC o con otro UPS conectado a la misma carga.
El Factor de Cresta.
Es la relación entre el voltaje pico y el Voltaje RMS (Root Mean Square) o eficaz.
Aquí:
to = tiempo de evaluación
T = Periodo
Ve(t) = = voltaje de la señal de entrada en A.C (voltios)
Vp = voltaje del pico máximo de la señal en A.C (voltios)
Vef = voltaje del valor eficaz de la señal en D.C (voltios) también denominado Voltaje RMS.
Los fabricantes de UPS entregan los datos del factor de Cresta que soporta el inversor del UPS. Por ejemplo algunos fabricantes dicen:
Factor de cresta: 2,5 : 1, Factor de cresta: 3 : 1, Factor de cresta: 5 a 1
El factor de cresta indica cuanto de corriente adicional puede soportar (siempre sinusoidal) sobre la corriente eficaz, esto incluye a los armónicos; así, un UPS con factor de cresta de 5 a 1 soporta mayores corrientes armónicas que uno de 3 a 1, entonces para aplicaciones industriales donde se tienen corrientes de arranque o armónicos en la carga, es mejor un alto valor de factor de cresta.
Corriente de entrada Walk In.
Se expresa como porcentaje sobre tiempo y es el periodo en que el sistema hace la transición desde baterías operando en descarga a operación normal con energía de red de distribución en la entrada. Valores típicos son Progresivos (0 a 100%) sobre 10 segundos y Progresivos (0 a 100%) sobre 20 segundos.
Este dato es muy importante, dado que muestra la capacidad del UPS para retomar la entrada de energía AC, cuando está operando en baterías.
Si el UPS tiene una carga alta (arriba del 70%), entonces la transferencia desde baterías hasta la fuente de energía convencional (AC) tiene que ser gradual y no muy rápida, de lo contrario los interruptores y fusibles de protección de entrada AC se activaran y la carga critica pasaría a By pass.
Cuando se tienen un sistema de UPS redundante N + 1, cada UPS (ambos de la misma marca o del mismo fabricante), se sincroniza y los tiempos de walk in son sincronizados entre los dos, así se puede disponer de un (1) único banco de baterías para ambos UPS, como alternativa.
UPS del tipo Transformerless.
En la actualidad la mayoría de los fabricantes producen UPS del tipo transformerless, de alta frecuencia (20kHz a 50kHz) de conmutación de los dispositivos de potencia (FET e IGBT). En esta topología electrónica se utiliza una etapa convertidora DC/DC, y para sistemas trifásicos el Neutro (N) es corrido (ver línea azul del grafico de abajo).
En muchas instalaciones los cuatro polos de entrada (R,S,T,N) se desconectan de la entrada mediante el uso de interruptores termomagneticos de 4 polos, sin embargo si la instalación eléctrica tiene una configuración donde el Neutro (N) debe de ser aterrado (PE), es recomendable instalar un transformador de aislamiento a la entrada del UPS, que permita conectar el Neutro a Tierra y evitar tensiones flotantes peligrosas.
