sistemas de respaldo de energía

Curso de Instalaciones Eléctricas Industriales

ENINSELEnsayos y Mediciones Eléctricas Fundación Instituto de Ingeniería

SISTEMAS DE RESPALDO DE ENERGIA



SISTEMAS DE RESPALDO DE ENERGIA: U.P.S

U.P.S (UNINTERRUMPIBLE POWER SUPPLY) (sistema ininterrumpido de potencia, sistema de alimentación ininterrumpida (S.A.I.))

Un UPS es un equipo cuya principal función es la de mantener la continuidad de servicio en cargas criticas las cuales no toleran interrupciones de energía. Además posee características de protección contra perturbaciones en la línea eléctrica.



SISTEMAS DE RESPALDO DE ENERGÍA: U.P.S

UPS de 200 kVA



Esquema en bloques de un U.P.S.

Esquema en bloques del circuito bypass

SISTEMAS DE RESPALDO: U.P.S (DIAGRAMA EN BLOQUES)



PARA LA SELECCIÓN DE UN UPS DEBEN CONSIDERARSE LAS SIGUIENTES PREGUNTAS:

a) En caso de falla de alimentación, puede dañarse el equipo critico?.

b) Si es así, cual puede ser la gravedad del daño, cuanto tiempo tomará repararlo y cuanto costará?.

c) En caso de una falla de alimentación, peligra el personal?.

d) Se dispone de refacciones y cual es su costo?.

e) Se perdería la información de la memoria de las computadoras a causa de una falla de alimentación?.

f) Si se hace necesaria una fuenta auxiliar de emergencia, cual será su salida constante y que duración tendrá?.

g) Se pueden tolerar suspenciones momentáneas?. Si es así, por cuanto tiempo (el tiempo es un factor importante para elegir un UPS).

h) Cual es la tolerancia impuesta por la carga crítica en por ciento de regulación de tensión, variación de frecuencia y distorsión armónica?.

i) La carga crítica necesita una onda seoidal o cuadrada?.

SISTEMAS DE RESPALDO DE ENERGIA: SELECCIÓN DEL U.P.S



SISTEMAS DE RESPALDO DE ENERGIA: SELECCIÓN DEL U.P.S

PASOS PARA LA SELECCIÓN DE UN UPS

1) Determinar el tiempo permisible de transferencia.

2) Determinar la carga crítica haciendo un levantamiento de información.

3) Determinar la autonomía del equipo.

4) Seleccionar la tecnología que ofrezca mayor proteccion a la carga



SISTEMAS DE RESPALDO: PERTURBACIONES DE LINEA

PRINCIPALES PERTURBACIONES PRESENTES EN LA LÍNEA ELÉCTRICA



:

La sección de entrada es la forma en que la tensión de la línea es conectada al UPS. Puede ser un cable incorporado, un cable enchufable, o una bornera con terminales. Algunos UPS pequeños tienen una entrada común para la entrada y el by-pass. Los UPS de gran potencia suelen tener una entrada independiente para la conexión del by-pass.

Después de la sección de entrada suele haber un filtro. La denominación filtro será aquí utilizada de modo genérico, e incluye la protección contra picos transitorios, interferencias de radio frecuencia, etc. Un filtro tiene una respuesta de frecuencia y no atenúa todas en la misma proporción.

Todas las configuraciones de UPS tienen un inversor. Los UPS de bajo costo poseen un inversor que entrega una salida de onda cuasi - sinusoidal, mientras que los UPS de mayor tamaño y costo incorporan un Inversor con una forma de onda de salida sinusoidal.

Una batería es necesaria para mantener funcionando al UPS cuando la energía de la línea falla o cae demasiado. Normalmente los UPS de pequeña potencia utilizan baterías internas selladas, libres de mantenimiento. En grandes UPS se suele usar baterías de electrolito líquido. Una autonomía (tiempo de reserva de energía) típica para un UPS de pequeño ó mediano tamaño, suele ser de 10 a 15 minutos.

SISTEMAS DE RESPALDO DE ENERGIA: COMPONENTES DEL U.P.S.



Un circuito cargador es necesario para recargar la batería luego de un corte de energía, y para mantener a la batería a plena carga mientras no está en uso.

En un UPS On-Line se usa un conmutador mecánico ó estático como parte del circuito automático ó manual de by-pass. En un UPS Off-Line, un conmutador mecánico (relé) se usa para conmutar la carga a la salida del inversor cuando falla la línea de alimentación.

La sección de salida es donde se conectan las cargas a proteger por el UPS. La cantidad y configuración de las tomas de salida varían según marcas y modelos. En UPS de gran tamaño es común que la salida se realice por intermedio de borneras.

La posibilidad del UPS de comunicarse se ha hecho muy importante ya que permite un monitoreo remoto del funcionamiento de éste, el estado de la línea de alimentación, las baterías, etc, así como la posibilidad de realizar un cierre ordenado del sistema. El uso de las comunicaciones vía RS-232, protocolos TCP/IP, y SNMP es muy común en los UPS actuales. También se suelen proveer contactos libres de potencial (secos) que entregan información del estado de línea y batería.




La mayoría de los equipos UPS operan de manera automática, tienen una alarma sonora indicadora de falla de línea, y un panel de control y estado del UPS relativamente sencillo. En grandes UPS se incluyen medidores y un sistema de control mucho más sofisticado.

Un UPS con un sistema de regulación de tensión de entrada (estabilizador) es conocido como UPS Interactivo. El estabilizador de tensión es utilizado para mantener la tensión de entrada dentro de los límites aceptables para la carga, cuando la tensión de la línea disminuye ó se eleva fuera de un rango predeterminado

Normalmente no se necesita usar un transformador de aislamiento, pero es necesario en algunos tipos de diseño de UPS. Un transformador agrega peso, tamaño y costo a un UPS. Muchas empresas ofrecen un transformador opcional cuando es necesario tener un aislamiento galvánico de la carga.




SISTEMAS DE RESPALDO: TIPOS DE U.P.S

TIPOS DE U.P.S.

On -Line: Si el 100% de la corriente de la carga es normal y permanentemente suministrado por el inversor, el UPS es del tipo On-Line.

Off-Line: Si la corriente de la carga es normalmente suministrada directamente por la línea, no importa lo que la literatura de marketing diga, el UPS es del tipo Off-Line.



En un UPS del tipo Stand-By (Off-Line) el flujo de la potencia es: desde la entrada, a través del filtro y el relé de transferencia, a 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 el filtro pueda atenuar.

MODOS DE FUNCIONAMIENTO DEL U.P.S TIPO OFF LINE



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 a 10 milisegundos, (equivalentes ¼ a ½ ciclo). Para la mayoría de las cargas, éste tiempo de transferencia no es un problema; pero, algunas cargas críticas no pueden aceptar la caída de tensión provocada por un evento tan breve como éste.

MODOS DE FUNCIONAMIENTO DEL U.P.S TIPO OFF LINE



En un UPS On - Line, el flujo normal de la energía es desde la entrada a través del filtro, del rectificador, inversor, conmutador y salida. El inversor provee permanentemente la energía acondicionada que la carga requiere. (Compare con el UPS tipo Standby, donde la carga está siempre conectada a la línea, y por lo tanto ve cualquier perturbación que en ella se produzca. Cuando la entrada de potencia desde la línea falla, el inversor entrega energía desde las baterías, tal como se ve en la Figura 5. Observe que el conmutador no opera al pasar al modo batería.

MODOS DE FUNCIONAMIENTO DEL U.P.S TIPO ON LINE




Un UPS On-Line tiene un inversor que entrega una tensión de salida con una forma senoidal, y ella no cambia (como en los UPS Standby) 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 un UPS con salida senoidal.



Un UPS On-Line tiene un tercer modo de operación (que el UPS Standby no posee). La Figura ilustra el Modo Bypass, que puede ser utilizado en los casos de tareas de mantenimiento, ó si el 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 Bypass el conmutador se ha activado, y si el 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 Bypass, tal como ocurre en un UPS Standby en Modo Normal.




Una importante mejora al UPS tipo Standby, fue el agregado de un regulador de tensión de entrada (estabilizador), constituido por un transformador con derivaciones seleccionables. La figura muestra el esquema del UPS resultante, llamado 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 elevaciones en la tensión de línea, sin que sea necesario conmutar al Modo Batería. La operación de un UPS Interactivo, en modo Batería es idéntica al de los UPS Standby. El inversor arranca, el relé de conmutación se activa, y la energía es provista por la batería.

U.P.S. OFF LINE: MEJORAS



OTROS DISEñOS DE U.P.S: TECNOLOGÍA FERRORESONANTE



U.P.S. FERRORESONANTES

Los UPS del tipo Ferroresonate utilizan un transformador especial a la salida, el cual está sintonizado a 50 ó 60 Hz (dependiendo de la frecuencia de la red donde se encuentren instalados). Este transformador con tres bobinados regula la tensión de salida, y puede ser visto como un estabilizador de tensión. Uno de los bobinados es utilizado para el Inversor. Cuando la energía de la línea falla, el relé de transferencia conmuta , el inversor arranca y alimenta a la carga. Como vemos el Inversor está en modo standby, y es energizado solo cuando la línea falla. El tansformador, debido a sus especiales características, tiene la capacidad de almacenar energía, lo que hace que durante el período de transferencia no se manifieste un micro corte de energía tan importante como en el UPS Standby. El aislamiento del transformador también provee una alta atenuación de ruidos y picos transitorios, igual o mejor que cualquier otro filtro disponible, pero el transformador mismo puede crear severas distorsiones en la tensión de salida (fundamentalmente con cargas no lineales), que pueden llegar a ser peores que una mala conexión de línea. Aún considerando que éste es un UPS Standby, su rendimiento es bajo, debido a la ineficiencia del transformador. En la figura anterior podemos ver el diagrama en bloques de un UPS de éstas características, funcionando en Modo Normal.

OTROS DISEñOS DE U.P.S: TECNOLOGÍA FERRORESONANTE



OTROS DISEñOS DE U.P.S: TECNOLOGIA TRI-PORT



U.P.S. TIPO TRI-PORT

El UPS denominado Triport es realmente un UPS Interactivo. En éste sistema el inversor está interactuando permanentemente con la línea. Note en la figura anterior que hay un inductor intercalado entre la entrada de la línea y la salida del Inversor. Este inductor es el que distingue al UPS tipo Triport de las otras tecnologías. 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 los UPS Off-Line. Estos UPS pueden presentar un incorrecto funcionamiento cuando se les opera con grupos electrógenos que tengan una frecuencia inestable.

OTROS DISEñOS DE U.P.S: TECNOLOGIA TRI-PORT



Este tipo de UPS fue utilizado hace tiempo sólo para grandes instalaciones. Desde el lanzamiento al mercado de los 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 es un simple diagrama que muestra múltiples UPS modulares, y un gabinete para las conexiones de entrada y salida. Cada módulo, es en realidad un UPS completo, usando las últimas tecnologías: doble conversión, salida perfectamente sinusoidal, cargador de baterías incorporado, factor de potencia de entrada corregido, etc. En un UPS de tipo redundante, al menos un módulo se encuentra en reserva. Si un módulo falla, es excluido del sistema y el 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 del UPS), y su muy alta confiabilidad.

SISTEMAS DE RESPALDO DE ENERGIA: U.P.S. REDUNDANTE



SISTEMAS RESPALDO DE ENERGIA: MANTENIMIENTO DEL U.P.S

MANTENIMIENTO DEL U.P.S.

No es mucho lo que podemos hacer como usuarios para mantener un UPS debido a lo intrincado de la tecnología presente. Lo más sensato es contratar un servicio de mantenimiento con el distribuidor y estar muy pendiente de las baterías.



SISTEMAS RESPALDO DE ENERGIA: MANTENIMIENTO DEL U.P.S

Mantenimiento de baterías

1) Realizar con periodicidad pruebas de descarga de baterias.

2) Constatar el torque de apriete de los bornes.

3) Verificar la tensión de flotación del banco.

5) Verificar el nivel de electrolito (en caso que lo tenga).

6) Mediciones de gravedad específica (baterias plomo-acido ventiladas).

7) Verificación de sedimentación (baterias plomo ácido ventiladas).

8) Verificación de la ventilación del sitio en donde se encuentra el banco.

9) Limpieza periodica del banco: formaciones de sulfato, polvo sobre las cubas o barras de interconexión.



GENERADOR DE EMERGENCIA

Un generador de emergencia es un equipo cuya principal función es la de mantener la continuidad de servicio ante interrupciones de energía de la línea principal. A diferencia del UPS, la transferencia de carga se realiza en un tiempo mucho mayor pero con la salvedad que este sistema posee una autonomia mucho mayor.

SISTEMAS RESPALDO DE ENERGIA:GENERADOR DE EMERGENCIA



GENERADOR DE EMERGENCIA: ESQUEMAS DE UTILIZACIÓN



SISTEMAS RESPALDO DE ENERGIA:TRANSFERENCIA AUTOMATICA

Los dispositivos de transferencia, como su nombre lo indica, son los encargados de transferir la carga crítica desde la fuente principal a la de emergencia. Dicha transferencia se realiza cuando se necesita alimentar la carga crítica desde la fuente de emergencia.

La operación del sistema de transferencia es la siguiente:

Ausencia de tensión en la fuente principal: si en la fuente principal la tensión cae por debajo de un valor umbral o hay ausencia total de esta, el sistema transfiere la carga a la fuente de emergencia. Al momento en que la tensión el la fuente principal se recupera, la carga es retransferida a esta, con lo cual se retorna a la condición inicial en el que se encontraba el sistema de potencia.

Fallas en la fuente principal: si en la fuente principal ocurre una falla, el sistema transfiere la carga de la fuente principal a la de emergencia. Se evita cualquier transferencia a la fuente principal hasta que se haya despejado la falla y esta esté en capacidad de suplir a la carga.



SISTEMAS RESPALDO DE ENERGIA:GENERADOR DIESEL

Es importante recordar que debe hacerse un arranque periódico de las unidades generadoras de emergencia



MANTENIMIENTO PREVENTIVO

Revisión periódica del filtro de aceite.

Revisión periódica del nivel de aceite y de la apariencia del mismo.

Hacer una verificación periódica del radiador, del nivel y aspecto del refrigerante, del termostato y del ventilador.

Revisión del estado de la batería: su carga, si no está sulfatada, estado operativo.

Revisión general para detección de ruidos anormales.

Verificación de la operatividad de las alarmas remotas.

MANTENIMIENTO PREVENTIVO: GENERADOR DE EMERGENCIA



MANTENIMIENTO PREVENTIVO

Verificar la trampa de agua y de sedimentos.

Verificar la malla de paso grueso de la boca de llenado.

La operatividad de los dispositivos para alarmas de nivel de combustible.

Eventual limpieza del tanque de combustible.

NOTA IMPORTANTE: Debe cercionarse que el tanque de almacenamiento de combustible diesel esté fuera del local de donde se encuentra el generador, ya que si ocurriese cualquier incendio resultaría casi imposible su extinción. Si este no es el caso, realizar las acciones pertinentes para su reubicación.

MANTENIMIENTO PREVENTIVO: GENERADOR DE EMERGENCIA



DURANTE LA OPERACION SE DEBE TOMAR EN CUENTA LO SIGUIENTE:

Las temperaturas individuales del los tubos del múltiple de escape, ya que esto pudiera indicar que un cilindro esté rindiendo menos de lo necesario.

Temperaturas del refrigerante a la salida del bloque.

Temperatura del aceite lubricante, para comprobar la operación del enfriador de aceite.

Temperatura del aceite combustible.

GENERADOR DE EMERGENCIA: CONSIDERACIONES DE OPERACION

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