To d o s o b r e S A I : F i a b i l i d a d y Re n d i m i e n t o

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¿Qué es un SAI?

Como su nombre indica, un SAI (sistema de alimentación ininterrumpida) es un sistema capaz de garantizar el suministro de energía eléctrica, de forma continuada, incluso cuando la red eléctrica falla completamente. Pero, un SAI no solo protege las cargas críticas de los cortes de suministro, sino que además proporciona protección ante microcortes, caídas y elevaciones de la tensión, variaciones de la frecuencia, picos de tensión, ruido de radiofrecuencia y otras anomalías. Es por ello por lo que los SAIs representan la solución más adecuada para asegurar la calidad y disponibilidad del suministro eléctrico a las cargas críticas, proporcionando una alimentación adecuada a sus características, dentro de los márgenes de valor eficaz y frecuencia establecidos.

Tal como se ha indicado en el párrafo anterior, los SAI deben ser capaces de almacenar energía para cederla en caso de fallo de la red comercial. Está necesidad se resuelve en el 99% de las aplicaciones típicas por medio de baterías, es por ello por lo que a estos SAIs se les denomina estáticos, frente a otras soluciones mecánicas basadas por ejemplo en volantes de inercia.

La utilización de baterías, con tensión continua, da lugar a la existencia de varios bloquesfuncionales bien definidos dentro de un SAI: Rectificador, Cargador de baterías e Inversor. Por otro lado la necesidad de incrementar la fiabilidad del SAI y superar las limitaciones del inversor, da lugar a la incorporación del By-pass estático. Finalmente y pensando en las labores de mantenimiento los SAIs pueden incorporar (dependiendo principalmente de la potencia del equipo) un By-pass de mantenimiento.

Partes fundamentales de un SAI

¿Qué es un SAI? Pero ¿de que depende la fiabilidad de un SAI? Vida útil de las baterías Las baterías son el elemento que utiliza el SAI para almacenar la energía con la que alimentará a la carga en caso de que la tensión de la red no sea de la calidad exigida. Por ello es importante asegurar que las baterías cuenten con: alta calidad de los componentes internos y un ambiente óptimo, con objeto de aprovechar al máximo su vida útil y su capacidad.

Una aleación de rejilla especial y materia prima de alta pureza asegura menos gases y menos auto-descarga que lo que significa menos posibilidades de perder ráppidamente la capacidad de la bateria. En esta serie se han utilitzado placas más gruesas para extender la vida de la batería. La baja densidad de ácido mantiene la batería a una temperatura inferior y se relentizando la producción de corrosión. El diseño único de esta serie facilita la respiración al controlar la pérdida de agua y evitar que el aire entre en el interior.

Es de especial importancia mantener la temperatura de las baterías en unos niveles adecuados, ya que se trata de elementos muy sensibles a este factor ambiental. La temperatura óptima recomendable se centra en el entorno a los 20ºC. Así mismo, es importante que el SAI se adapte a los cambios de temperatura para no acortar la vida útil de las baterías. La tensión de flotación de las baterías varía en función de la temperatura. Así pues, el SAI, debe ser capaz de modificar dicha tensión de flotación a medida que varía la temperatura. Esto redunda en una mayor duración de las baterías y un mayor rendimiento del equipo. Además, permite asegurar en todo momento que se cuenta con la máxima autonomía.

Alta calidad

Ambiente óptimo

Calidad y eficiencia de los elementos que lo componen

• Rectificador: Este elemento es el encargado de realizar la conversión de tensión alterna (CA) en tensión continua (CC) que es la que permitirá la carga de las baterías.

• Regulador: El regulador, como su propio nombre indica, tiene la función de regular la tensión de carga de las baterías impidiendo que se carguen a tensiones superiores a las permitidas.

• Filtro de armónicos: Su tarea es la de filtrar todos los armónicos provenientes de la red eléctrica los cuales pueden provocar sobrecargas en los conductores neutros, disparos intempestivos en los interruptores diferenciales, calentamiento anormal de transformadores, etc.

• Inversor: Es el dispositivo que permite la conversión de tensión continua (CC) proveniente de las baterías en tensión alterna (CA) y que será la tensión que suministre a los equipos conectados a través del mismo.

• Baterías: Son las encargadas de almacenar la tensión continua (CC), las cuales suelen poseer una tensión nominal de 12V y cuya capacidad en Amperios-Hora (Ah) vendrá en función del consumo de la carga y del tiempo de duración del suministro.

• Bypass: El bypass se caracteriza por ser un selector, el cual permite que a la carga le suministre la tensión el inversor o, bien, directamente desde la red eléctrica. El bypass se suele emplear para realizar tareas de mantenimiento en el SAI y evitar que la carga se quede sin tensión de alimentación o cuando se produce cualquier tipo de problemas en el SAI (fallos en el rectificador, inversor, etc.).

Calidad y eficiencia de los elementos que lo componen

Condensadores: la principal fuente de averías

Desde la incorporación de los condensadores de potencia en los SAI su tasa de fallos ha sido elevada, lo que se atribuía a unos problemas de calidad en los materiales dieléctricos o electrodos, así como a los restos de contaminantes acumulados durante la construcción. Sin embargo, aunque estos factores han ido mejorando constantemente a lo largo de los años, los niveles de fallos de los condensadores se mantienen.

Ahora bien, gracias a los avances tecnológicos, los proveedores de condensadores son capaces de crear modelos con una fiabilidad matemática, con los que se puede predecir estadísticamente las tasas de fallo en base a causas como el voltaje, la corriente o la temperatura.

Esto, unido a la concienciación sobre la necesidad de diseñar correctamente el SAI teniendo en cuenta las especificaciones de los condensadores, posibilita que hoy en día se pueda reducir al mínimo o incluso eliminar los errores que pueden darse en un condensador. De esta forma, se alarga la vida del condensador y se minimizan los riesgos que pueden afectar a todo el sistema de alimentación ininterrumpida.

En contra de lo que se creía hasta el momento, la mayoría de fallos que ocurren en los condensadores de alimentación de corriente alterna instalados en grandes sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) se puedan evitar. Cuando ocurren, estos fallos pueden ocasionar problemas graves en el SAI y en algunos casos también en la carga crítica. Históricamente se han atribuido los fallos del condensador de AC a motivos inevitables.

Sin embargo, gracias a los avances en las tecnologías analíticas, hoy sabemos con fiabilidad que los fallos de los condensadores pueden ser controlados a través del diseño de sistemas, evitando los fallos más comunes y las consecuencias que comportan.

La vida útil de un condensador en uso es estadísticamente predecible, ya que depende de la tensión, corriente y temperatura a la que se le somete. Por lo tanto, el diseño del SAI tiene un

impacto fundamental en la frecuencia de fallos de los condensadores. Entendiendo los mecanismos que inducen al fallo, los diseñadores de SAI pueden predecir la vida de un condensador y disminuir su tasa de incidencias.

Básicamente, hay dos aplicaciones principales por las que se utiliza un condensador de potencia AC en la mayoría de SAI:

• Condensadores AC de entrada, cuya función es filtrar los armónicos de entrada y controlar el factor de potencia.

• Condensadores AC de salida, que filtran la salida

¿Por qué falla un condensador?

Existen varios motivos que pueden provocar problemas con el rendimiento y el comportamiento de este tipo de componente.

Un condensador AC tiene una película que actúa para separar la carga positiva de la negativa, permitiendo el almacenamiento de energía. Si aumenta el voltaje que atraviesa los dieléctricos de la película, también aumenta la energía acumulada, hasta que se alcanza el límite de la capacidad de almacenamiento de energía. Cuando se supera la tensión de resistencia dieléctrica de la película (los voltios por micra de espesor), ésta ya no es capaz de soportar la tensión aplicada. Las características de auto-regulación del condensador se vuelven ineficaces y se producen cortocircuitos entre las líneas.

Además de la tensión, la temperatura es otro de los factores que provocan la degradación de la película del condensador, aunque en menor medida. La corriente también puede dar lugar a fallos si se produce una falta de terminación o de ruptura dieléctrica. Todas estas variables y sus efectos pueden ser calculadas usando un modelo matemático que normalmente proporciona el propio fabricante del condensador.

A pesar de que ningún diseño de SAI puede prevenir completamente los fallos del condensador de potencia, sí puede prolongar su vida, simplemente reduciendo la tensión y la temperatura aplicada a dichos condensadores.

La pregunta clave es ¿cómo diseñar correctamente un SAI para mejorar el rendimiento de los condensadores de corriente alterna?

¿Por qué falla un condensador?

Un diseño conservador, basado en directrices cuantificables, nos ayudará a determinar qué puntos debemos tener en cuenta y cómo deben ser aplicados. A continuación os ofrecemos varios puntos que ayudarán al diseñador a tomar decisiones respecto a la fiabilidad de una batería de condensadores:

• Subdimensionar la tensión del condensador de AC en un 30% por lo menos, para aumentar su vida en un factor de 17,3. Reducir la tensión en la película del condensador es un método similar de reducción de potencia. Los condensadores deben ser sometidos a menos de 45 voltios por micra de espesor de película. Hay que tener en cuenta que una tensión de estado estable a través de los condensadores de AC es completamente independiente de la carga del SAI.

• Colocar la UPS de manera que los condensadores estén bien ventilados, lo que nos ayudará a reducir la temperatura unos 10ºC para aumentar su vida útil.

• Limitar el voltaje y las corrientes transitorias a las especificadas en el condensador de AC.

Si seguimos estas recomendaciones a la hora de diseñar un sistema de alimentación ininterrumpida, podremos reducir, o incluso eliminar, la frecuencia de las sustituciones de condensadores. Además de los beneficios directos que esto representa, se le añade la ventaja de que se reducen los riesgos relacionados con el proceso de sustitución de los condensadores y con el tiempo de inactividad que dicha intervención puede generar.

Según varios estudios, más del 50% de los fallos en la infraestructura de un centro de datos se debe a errores humanos. Por lo tanto, cuando nos dispongamos a diseñar el SAI deberemos tener en cuenta también el factor humano, sobre todo para facilitar el papel de los equipos de servicio y mantenimiento. Un SAI debe tener componentes de fácil acceso, estandarizados y modulares, que ayuden a disminuir la probabilidad de error humano durante el servicio. Por ejemplo, los condensadores deben estar diseñados de manera que el técnico tenga suficiente espacio para trabajar, y deben ser de fácil acceso para evitar el contacto con otros componentes del SAI.

Siguiendo estos razonamientos, el lugar ideal de los condensadores sería en módulos enchufables intercambiables que eliminen todos los procesos de cableado y fijación durante el servicio. De esta forma, si diseñamos el SAI teniendo en cuenta los factores técnicos y humanos, nos garantizamos un mejor funcionamiento de los condensadores de corriente alterna, así como un aumento de su vida útil y una reducción de fallos de los propios condensadores y, consecuentemente, del resto del sistema.

¿Cómo conseguir alta fiabilidad a través de una perfecta configuración?

La definición de tiempo de transferencia, a veces también llamado tiempo de conmutación, dice que es la cantidad de tiempo que un SAI tardará en cambiar de la red pública al suministro de batería durante un fallo de red, o de la batería a la red cuando se restablezca la energía normal. Lo que esto significa es que cuando falla la fuente de alimentación principal, el SAI deberá cambiar a modo de batería para proporcionar suficiente energía y garantizar el buen funcionamiento del equipo adjunto. La duración del tiempo de transferencia varía, dependiendo del sistema SAI conectado. Sin embargo, siempre debe ser más corto que el tiempo de espera de su equipo. El tiempo de espera es la cantidad de tiempo que su equipo puede mantener un voltaje de salida constante durante una escasez de energía eléctrica.

Los sistemas SAI interactivos en línea tienen un tiempo de transferencia típicamente entre 2 y 6 milisegundos. Para sistemas informáticos normales, donde el tiempo de espera es de aprox. 5 milisegundos, los sistemas SAI interactivos en línea suelen ser suficientes; sin embargo, otros equipos sensibles críticos, son más sensibles y requieren un tiempo de transferencia más corto

Si su equipo es crítico y no tolera ni la más mínima distorsión de energía, recomendamos que elija la tecnología SAI de doble conversión en línea con tiempo de transferencia cero para garantizar que su equipo tenga el mayor grado de protección.Los tiempos de transferencia dependen de la etapa en la que se produzca la interrupción del suministro eléctrico.

Como se mencionó anteriormente, los tiempos de transferencia también miden la cantidad de tiempo que le toma al SAI volver a conectarse a la red. La transferencia de regreso a la red eléctrica siempre se controla con una interrupción mínima, ya que esta transferencia está planificada. A diferencia de una falla de red no planificada que ocurre repentinamente..

¿Qué es el tiempo de transferencia en SAI y porque es tan importante

Eso es simple: si la tolerancia de su equipo está por debajo del tiempo de transferencia del SAI, el SAI no proporcionará energía en el tiempo suficiente para mantener su equipo en funcionamiento.

Supongamos que tiene un equipo de laboratorio muy sensible con un tiempo de espera de 2 milisegundos. En este caso, el SAI interactivo de línea no será suficiente, ya que no cambiará al modo de batería lo suficientemente rápido. Deberá invertir en un SAI de doble conversión en línea o un SAI de doble conversión en línea aislado para evitar tiempos de inactividad.

Por otro lado, si su equipo es una estación de trabajo informática muy básica con un tiempo de transferencia aproximado de 10 milisegundos, puede utilizar el sistema SAI interactivo de línea con la tranquilidad de que su equipo está protegido.

El tiempo de transferencia es definitivamente el punto más importante a tener en cuenta para escoger un SAI.

¿Cómo afecta el tiempo de transferenciaa mi equipo?

¿Cómo establecer una carga óptima para asegurar el mejor rendimiento de las baterías de un SAI?Etapa Bulk: En esta etapa se suministra corriente a la batería a intensidad máxima, de manera que el voltaje (tensión) aumenta rápidamente hasta llegar aproximadamente a 12,6 V, y después poco a poco hasta el primer límite de voltaje. Una vez alcanzado este límite la batería está cargada un 80-90%, a partir de este punto la absorción de corriente de carga se reduce rápidamente, estamos ahora a un potencial de 14,4-14,8 V según la batería. Si se desea cargar un banco de baterías el límite de voltaje se situaría entre un 10-20% de la intensidad nominal de la batería, es decir, entre 100-200 A para un banco de baterías de 1000 A/h. En esta etapa el regulador de carga que se sitúa entre el panel y el acumulador no juega ningún papel, pues la corriente se suministra a intensidad máxima.

Etapa de Absorción: En esta fase la corriente de carga disminuye lentamente hasta que la batería se carga al 100%. En esta etapa trabajamos al voltaje alcanzado al final de la etapa Bulk, denominado límite de absorción. Es importante conocer los valores de los voltajes utilizados con exactitud y siempre en conformidad a las indicaciones del fabricante. La finalidad de esta etapa es recuperar el electrolito, que puede haberse visto alterado en procesos de descarga profunda, así pues en baterías que hayan sufrido una descarga profunda prolongada, la fase de absorción será más larga para asegurarnos de recuperar el electrolito por completo.

Etapa de Flotación: En esta fase la batería ya está cargada al 100% y lo que se hace es proporcionar la corriente necesaria para compensar la autodescarga, de manera que permanezca al 100%. Se trabaja a potenciales bajos y constantes. Si pretende almacenarse la batería, el voltaje de flotación no puede variar más de un 1% respecto del recomendado por el fabricante. Para baterías liquidas se recomienda proporcionar voltajes entre 12,9-14 V, aunque no es recomendable la inutilidad de la batería durante periodos largos (meses). En cambio, las baterías de gel pueden ser dejadas en fase de flotación durante periodos largos sin problemas.

Etapa de Ecualización: Tiene como fin el ascenso del gas dentro del ácido (electrolito) haciendo que la disolución llegue a ser homogénea; por esto también se denomina etapa de gaseo. De esta forma evitamos que en la parte inferior no haya una densidad mayor que pueda provocar la sulfatación de las placas. Tras esta etapa conseguimos que todas las celdas tengan el mismo voltaje. El controlador puede realizar esta etapa cada cierto periodo de tiempo, si se pretende hacer manualmente conviene llevarla a cabo si se detecta disparidad de valores en la densidad del electrolito.

Conocer las baterías para escoger la que mejor se adapta a nuestro sistema y circunstancias Las baterías se caracterizan fundamentalmente por los siguientes aspectos:

• El tipo o tecnología, según sea su naturaleza interna. Veremos los principales tipos de baterías en el siguiente apartado.

• La tensión o voltaje nominal que suministran. Se mide en voltios (V).

• La capacidad de carga, que determina la intensidad que la batería puede suministrar a lo largo del tiempo a su tensión nominal. Se mide en amperios / hora (Ah).

• La energía, resultado de suministrar una intensidad a una determinada tensión a lo largo del tiempo. Es resultado de conocer la tensión y la capacidad. Se mide en vatios / hora (Wh)

• Factor de autodescarga. Las baterías no mantienen la carga de forma indefinida, sino que la van perdiendo poco a poco. Nos indica el porcentaje de carga que la batería pierde en un tiempo determinado.

• Efecto memoria, es un efecto no deseado que afecta a las baterías y que reduce su capacidad para almacenar energía. Se suele hablar de efecto memoria cuando una batería se carga cuando no se ha producido una descarga completa, pero hay otras causas que pueden reducir su capacidad, tales como los ciclos de carga / descarga que ha realizado, si ha trabajo a una temperatura elevada o si ha soportado grandes demandas de intensidad.

• Otros aspectos a tener en cuenta son la intensidad máxima de carga o la intensidad máxima que una batería puede suministrar durante su descarga. Suelen venir determinados por el tipo de batería y deben observarse para no dañar la batería y acortar su vida útil.

Principales tipos de baterías

Principales tipos de baterías

Dependiendo de la naturaleza interna de la batería y sus características electroquímicas, podemos distinguir varios tipos de baterías:

• Baterías de plomo-ácido, que están formadas por electrodos de plomo bañados en un electrolito de ácido sulfúrico Las hay de muchos tipos como veremos a continuación. En general son económicas y fáciles de fabricar. No admiten sobrecargas ni descargas profundas y tienen un peso y volumen elevados para la energía que almacenan.

Batería de plomo-ácido

• Baterías de niquel-cadmio (Ni-Cd), que están formadas por electrodos de cadmio bañados en un electrolito de hidróxido de potasio. Funcionan bien en un amplio rango de temperaturas y se pueden sobrecargar sin sufrir daños. Admiten descargas profundas y proporcionan un buen número de ciclos, pero acusan mucho el efecto memoria. Su peso y volumen, aunque mejores que los de las baterías de plomo-ácido, siguen siendo elevados para la energía que almacenan.

Batería de niquel-cadmio

• Baterías de niquel-hidruro metálico (Ni-MH), que están formadas por un ánodo de cadmio y un cátodo de aleación de hidruro metálico. Están sustituyendo a las baterías de niquel-cadmio por su menor efecto memoria y mayor capacidad. Sin embargo, el número de ciclos que proporcionan es menor y no trabajan bien con frío extremo, que reduce drásticamente su capacidad.

Batería de niquel-hidruro

PB NICdI

• Baterías de iones de litio (Li-ion), que emplean un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina u óxido de manganeso. En comparación con los tipos anteriores, son de desarrollo más reciente y han facilitado la existencia de tecnologías portátiles que de otro modo no hubieran sido posibles. Su capacidad es elevada en relación a su peso y volumen, teniendo además un factor de autodescarga muy reducido. Casi no se ven afectadas por el efecto memoria y pueden cargarse sin necesidad de haber sido descargadas previamente. Como contrapartida no soportan bien los cambios de temperatura y no admiten descargas completas, sufriendo mucho cuando éstas ocurren.

Batería de iones de litio

• Baterías de polímero de litio (Li-Po), son una variación de las baterías de iones de litio que mejoran sus características de peso y volumen, así como su tasa de descarga. Al igual que sus primas de iones de litio acusan mucho las descargas profundas, quedando prácticamente inutilizadas si se descargan en exceso.

Batería de polímero de litio

Principales tipos de baterías

2 factores a tener en cuenta para asegurar el máximo rendimientode las baterías• El factor de autodescarga condiciona el tiempo que una batería puede almacenarse sin sufrir daños. Si bien las baterías de litio pueden aguantar años sin descargarse y dañarse, el resto de tecnologías acusan una autodescarga que las dañará en unos meses. ¿Cómo podemos evitar que se estropeen? Cargándolas cada 2-6 meses, según la tecnología. Las de plomo mejor cada pocos meses; las de Ni-Cd ó Ni-MH un par de veces al año.

• Las baterías no aportan la misma cantidad de energía si se descargan poco a poco o si se descargan rápidamente. Cuanto más deprisa se descargan, menos energía proporcionan. Este efecto no es muy acusado en las baterías de litio pero sí lo es en las demás tecnologías, especialmente en las baterías de plomo. Cuando hablamos de la capacidad de una batería en amperios / hora (Ah), esta capacidad se refiere a un tiempo de descarga “estándar” de 20 horas. Por ejemplo, una batería típica de plomo AGM de 12V y 7Ah nos brindará esos 7Ah si la descargamos durante 20 horas (o más). Si el tiempo de descarga es de 10 horas, obtendremos en torno al 90% de esta capacidad. Si el tiempo de descarga es de 1 hora, será en torno al 60% y si el tiempo de descarga es de menos de 5 minutos, nos dará en torno a un 30%. Los valores exactos dependen del tipo de batería, aunque cada batería concreta tienen sus curvas de descarga características.

Instalar un SAI para asegurar su máxima fiabilidad

En paralelo, dos o más SAIs se conectan eléctrica y mecánicamente para formar un sistema unificado con una salida - ya sea por capacidad extra o redundancia. En una configuración redundante N+1, tendrás al menos un módulo SAI más de lo necesario para soportar la carga. Como sistema unificado, cada SAI está listo para asumir la carga de otro SAI siempre que sea necesario, sin interrumpir la protección de las cargas.

Una configuración de SAIs redundantes está diseñada para asegurar que las cargas de trabajo críticas permanecen protegidas, incluso si uno o más de los SAI dentro de esa configuración no está disponible. Las configuraciones en paralelo redundantes, incluyendo arquitecturas N+1 y N+N, se encuentran entre las variedades más comunes y eficaces.

En el sistema paralelo redundante, el fallo eléctrico de cualquier módulo SAI da como resultado sólo el aislamiento instantáneo del módulo afectado, sin cerrar todo el sistema. Los módulos SAI restantes continuarán apoyando la carga crítica, con una potencia condicionada, y por lo tanto la fiabilidad de la aplicación es mayor.

El beneficio de fiabilidad es debido a la redundancia en la alimentación protegida. Si el sistema funciona correctamente, es muy poco probable que el usuario tenga que operar directamente desde la energía de la red. Cualquier fallo en el equipo es gestionado por la redundancia del sistema, por el aislamiento del módulo que ha fallado, con lo que la transferencia al Bypass sólo se usa como último recurso. En esencia, la energía de la red eléctrica Bypass sólo se utilizaría, debido a factores externos al SAI como la sobrecarga, el sobrecalentamiento o cortocircuito. El mantenimiento rutinario del SAI no debería necesitar la transferencia al Bypass.

Cómo las tecnologías de paralelo mejoran la fiabilidad de la electricidad

Normalmente hay dos tipos diferentes de sistemas multimódulo SAI: sistemas de Bypass centralizado y sistemas de Bypass distribuido.

En el sistema de Bypass centralizado, hay un gran conmutador estático común (también conocido como módulo de sistema Bypass o SBM) para todo el sistema SAI, clasificado según el tamaño final conocido del sistema. Si el sistema SAI necesita ser transferido al Bypass, la corriente de carga se alimenta entonces a través del módulo Bypass del sistema.

En el sistema Bypass distribuido, cada módulo SAI tiene su propio conmutador estático interno, clasificado según el tamaño del SAI, al igual que en un solo SAI. Cada SAI controla su propia salida, y si el sistema SAI necesita transferirse al Bypass, cada conmutador estático en cada módulo se enciende al mismo tiempo, y comparten la corriente de carga entre sí.

La salida del sistema se suministra normalmente por módulos de alimentación ininterrumpida (UPMs) que figuran en cada SAI. Múltiples UPMs (módulos de potencia) están conectados con sus salidas en paralelo (unidos) para proporcionar un nivel de carga mayor que el de un sólo UPM, para obtener redundancia, o ambas cosas. Los UPMs en paralelo suministran la carga de salida con una potencia protegida siempre y cuando la carga no exceda la capacidad combinada de los UPMs en paralelo.

El sistema de alimentación es redundante, siempre y cuando uno de los UPMs pueda ser desconectado del bus de salida y los restantes UPMs puedan continuar suministrando energía a la carga sin exceder sus valoraciones. Cuando la carga está siendo suministrada por los UPMs, el bus de salida del sistema está continuamente monitorizado por una condición de sobretensión o baja tensión. Si se detecta un estado fuera de los límites, los SAIs en paralelo transfieren la carga al Bypass utilizando los conmutadores SAI

Un ratio MTBF (tiempo medio entre fallos) se usa a menudo para describir la fiabilidad del sistema, que es un componente clave en los sistemas de IT de cualquier organización. La fiabilidad es una preocupación común para los sistemas Bypass distribuido desde que un mayor número de componentes resulta en un menor tiempo medio entre fallos (MTBF), y por lo tanto menor fiabilidad.

El MTBF por sí solo no siempre responde a su finalidad para sistemas complejos. Métodos más sofisticados, tales como modelos de Markov, se pueden utilizar para estimar la fiabilidad de la misión crítica de un sistema tolerante a fallos, tales como SAI redundantes. Cuando consideramos la disponibilidad del sistema SAI, igualmente importante es el MTTR (tiempo medio de reparación), simultaneando las capacidades de mantenimiento y así sucesivamente, aunque estos no se tratan en este artículo.

¿Cuáles son los efectos sobre la fiabilidad?

¿Sistema de Bypass centralizado o sistema Bypass distribuido?

Cuando se compara un Bypass centralizado con un Bypass distribuido, hay que diferenciar entre dos tipos de fallo, el conmutador estático falla en el circuito abierto y no puede funcionar cuando debe, o está en cortocircuito y sigue llevando corriente cuando debería estar apagado. Echemos un vistazo a lo que sucede en estos casos para obtener una imagen real.

• En un sistema de Bypass centralizado, si el conmutador estático tiene un fallo de circuito abierto, el único conmutador estático del sistema simplemente deja de funcionar cuando se necesita, haciendo que el Bypass no esté disponible.

En un sistema de Bypass distribuido redundante, cuando uno de los conmutadores estáticos deja de funcionar, el resto de los conmutadores están todavía funcionando y pueden soportar la carga cuando es necesario. Por lo tanto, el sistema ha mejorado la fiabilidad contra este tipo de fallo ya que el sistema no es dependiente de que funcione un conmutador estático clave.

Si el sistema está totalmente cargado y no es redundante, no hay diferencia con el sistema Bypass centralizado, excepto por una mayor cantidad de componentes.

• En el caso de un problema menos común, el interruptor estático está en cortocircuito. En un sistema típico con un conmutador estático en cortocircuito, la línea Bypass defectuosa conecta la salida del sistema a la red eléctrica entrante. Como resultado de esto, los inversores necesitan ser apagados eventualmente y todo el sistema está en Bypass. Con un número de componentes más alto, esto es un escenario probable.

Sin embargo, si el sistema SAI está bien diseñado y tiene una protección de retroalimentación, junto con una fiable detección de cortocircuito del conmutador estático, el dispositivo de protección de retroalimentación se puede abrir bajo esta condición de fallo y los inversores pueden permanecer en línea para soportar la carga.

En un sistema de Bypass distribuido redundante, cada SAI puede detectar un conmutador estático en cortocircuito de forma independiente y aislarlo, dejando así suficiente capacidad de Bypass del sistema para soportar la carga si es necesario. Por lo tanto, en la práctica, el efecto de una mayor cantidad de componentes tiene un impacto mínimo sobre la fiabilidad global del sistema.

Otra preocupación común es que un sistema de Bypass distribuido no puede realizar la conmutación simultánea de los conmutadores estáticos bajo condiciones de fallo, y los conmutadores pueden quedar inutilizables. Esto ha llevado incluso a algunos expertos a tener dudas sobre el uso de un sistema de Bypass distribuido en sus diseños para data centers. Para entender cómo actúa el sistema de Bypass distribuido en situaciones de fallo, vamos a ver dos casos: una transferencia normal a Bypass y un traslado urgente a Bypass.

• Una transferencia normal (o planeada) se lleva a cabo cuando el usuario ordena al sistema SAI derivar desde el panel frontal del SAI, por una señal externa o debido a ciertos fallos como la sobrecarga, sobrecalentamiento o similar. Cualquiera que sea la razón, el sistema ha detectado la necesidad de transferir a bypass. En este caso, uno de los módulos toma la decisión de transferir y alimenta su propio conmutador estático.

Al mismo tiempo, transmite la petición de transferencia para otras unidades en la línea de comunicación. Otras unidades reciben esta solicitud y también transfieren. Procesar los datos que se deben enviar y recibir produce retrasos menores, máximo alrededor de 2 milisegundos en el tiempo de encendido del conmutador estático.

Este retraso es insignificante, ya que durante la transferencia normal al Bypass, los inversores aún son capaces de soportar la carga. Los niveles de corriente en la salida del sistema están en niveles moderados, por lo tanto no corren riesgo los dispositivos de potencia en los conmutadores.

• Traslado de emergencia a Bypass (ETB) se produce cuando los inversores no son capaces de mantener la tensión de salida del sistema dentro de los límites normales. Una situación más crítica sería cuando hay un cortocircuito en el lado de salida del sistema SAI. En este caso, los inversores están alimentando tanta corriente como pueden para mantener el voltaje de salida y, posiblemente, llegará a su límite de corriente utilizada para proteger los componentes de potencia.

Si los dispositivos de protección entre el SAI y el fallo no son lo suficientemente pequeños y/o rápidos, la tensión de salida del sistema SAI disminuirá y llegará a estar fuera de los límites. Entonces, el traslado de emergencia a Bypass (ETB) se produce inmediatamente resultando en un alto nivel de corriente de fallo a través del bypass para solucionarlo. Para tal caso, es muy importante que todos los conmutadores estáticos se activen simultáneamente y compartan la corriente entre ellos.

En el sistema Bypass distribuido, cada SAI monitorizará de forma individual su propia salida (la misma que la salida del sistema), y transfiere a Bypass si está fuera de los límites. Cada unidad detectará el fallo en la salida de forma independiente.

¿Cómo hacer funcionar múltiples commutadores estáticos simultáneamente bajo condiciones de fallo?

La detección del voltaje de salida adecuado es rápido, y la necesidad de ETB se detecta aproximadamente al mismo tiempo en todas las unidades. Ellos a su vez, activarán sus conmutadores estáticos de forma independiente, sin las demoras de las líneas de comunicación. Los retrasos posibles entre las unidades son el resultado de la ejecución de los bucles de programa para la detección de la tensión de salida y son fracciones de un milisegundo. De este modo se permite la transferencia simultánea para compartir adecuadamente la corriente de fallo entre los conmutadores estáticos.

Es importante entender cómo un sistema SAI funciona bajo condiciones de fallo diferentes. Como se puede comprender, las dos configuraciones de Bypass tienen la misma fiabilidad en los diferentes escenarios de fallos dentro y fuera del sistema SAI, cuando se han tenido en cuenta en el diseño del producto. En un sistema SAI con adecuadas detecciones de fallos y dispositivos de retro-protección pueden operar conmutadores estáticos de forma simultánea o aislar el conmutador estático defectuoso permitiendo a los inversores funcionar con normalidad. En los SAI y SBM de Eaton, la retro-protección viene incorporada de serie y ambos utilizan los mismos métodos de detección de fallos para permitir la máxima fiabilidad de misión crítica.

¿Cómo configurarlo por un correcto soporte de carga?La principal diferencia entre los sistemas de Bypass centralizado y distribuido proviene de la configuración del conmutador estático de Bypass para el sistema SAI.

• En el sistema de Bypass centralizado (o en el SBM), el conmutador estático de Bypass está calificado para soportar toda la carga del sistema SAI, ya sea momentáneamente o de forma continua.

• En el sistema de Bypass distribuido, cada unidad SAI tiene su propio commutador Bypass clasificado SAI y estos están conectados en paralelo.

Esta configuración diferente tendrá efecto en la configuración de salida del engranaje de conmutación:

• Con el sistema de Bypass centralizado, existe una necesidad de un sistema completo de interruptor de alimentación adicional en el engranaje de

conmutación de entrada y un sistema completo de conmutador de alimentación adicional en el engranaje de conmutación de salida para alimentar y aislar el conmutador estático. También hay una necesidad de múltiples interruptores clasificados SAI en el engranaje de conmutación de entrada y conmutadores en el engranaje de conmutación de salida para alimentar y aislar los módulos SAI.

• Con el sistema de Bypass distribuido, hay necesidad de múltiples interruptores clasificados SAI en el engranaje de conmutación de entrada y conmutadores en el engranaje de conmutación de salida para alimentar y aislar los SAIs con los conmutadores paralelos estáticos.

¿Cómo hacer funcionar múltiples commutadores estáticos simultáneamente bajo condiciones de fallo?

¿Cómo configurarlo por un correcto soporte de carga?Como el conmutador de mantenimiento de Bypass (MBS), necesita ser dimensionado para proporcionar una potencia total del sistema, no hay diferencia en el diseño del sistema a este respecto. El MBS será parte de la entrada y salida del engranaje de conmutación.

Los interruptores para las unidades SAI en los engranajes de conmutación de entrada y salida serán el mismo en ambas configuraciones, si los ratios del SAI o del módulo de entrada salida (IOM) son los mismos. En este caso, SAI significa la unidad SAI utilizada para un sistema de Bypass distribuido incluyendo un conmutador estático, y el SAI-OIM significa unidad SAI utilizada para un sistema Bypass centralizado sin conmutador estático.

Por lo general, un SAI o un sistema Bypass distribuido tiene alimentadores separados para el rectificador y conmutador estático del SAI (para más información, ver Figura 3). En un sistema Bypass distribuido redundante, de cualquier modo, un alimentador común para rectificador y el conmutador estático se pueden utilizar sin comprometer la fiabilidad del sistema y para ahorrar costes de instalación.

Cuando se utiliza un sistema Bypass distribuido, hay una necesidad de considerar que el cableado de unidad SAI o bus conectado desde el engranaje de conmutación de entrada al Bypass del SAI estático y desde la salida SAI al engranaje de conmutación de salida, debe tener la misma longitud e impedancias. Esto es necesario para compartir la carga de forma igualitaria entre los switches de SAI estáticos cuando el sistema está en Bypass activo. Si estas impedancias no son iguales, causará un desequilibrio de carga entre los conmutadores estáticos y puede conducir a una sobrecarga de uno o más conmutadores estáticos.

La siguiente ilustración muestra el principio básico del cableado. (Ilustración)-Figura 4

Esta es la razón principal por la cual los sistemas distribuidos en paralelo no son una elección óptima para utilizar hasta el 100% de su capacidad, pero para redundancia N+1 o hasta el 90% (como se especifica en la clasificación Tier III). El sistema Bypass centralizado es más tolerante para impedancias de cableado entre los SAIs.

El sistema Bypass distribuido dará una mayor flexibilidad para el dimensionamiento del sistema, ya que podría ser ampliado por SAIs en paralelo con potencia nominal similar para agregar redundancia o capacidad. Con sistema Bypass centralizado (SBM), la potencia nominal se limita a la calificación del módulo SBM, pero permitirá el uso de SAI-IOM con potencia diferente en paralelo.

La principal diferencia entre los sistemas de Por ello, las principales tareas de mantenimiento de los equipos SAI son:

• Comprobación visual de indicadores del SAI.

• Comprobación visual del estado del SAI tanto externo como interno.

• Limpieza de ventiladores y partes de control y electrónica del equipo.

• Comprobación del correcto funcionamiento de rectificador, regulador e inversor.

• Comprobación de bypass tanto estático como dinámico en caso de haberlo.

• Comprobación del estado de baterías y conectores.

• Comprobación, realizando una prueba funcional, del buen funcionamiento del SAI ante una falta de tensión eléctrica a la entrada y controlar el periodo de descarga.

• Comprobar si existen actualizaciones del software.

• Control de temperatura, humedad tanto del equipo como del lugar donde está ubicado.

• Evitar la entrada de agua en la instalación.

• Creación de ficha de mantenimiento para un correcto seguimiento del mismo.

Esta es la razón principal por la cual los sistemas distribuidos en paralelo no son una elección óptima para utilizar hasta el 100% de su capacidad, pero para redundancia N+1 o hasta el 90% (como se especifica en la clasificación Tier III). El sistema Bypass centralizado es más tolerante para impedancias de cableado entre los SAIs.

El sistema Bypass distribuido dará una mayor flexibilidad para el dimensionamiento del sistema, ya que podría ser ampliado por SAIs en paralelo con potencia nominal similar para agregar redundancia o capacidad. Con sistema Bypass centralizado (SBM), la potencia nominal se limita a la calificación del módulo SBM, pero permitirá el uso de SAI-IOM con potencia diferente en paralelo.

El mantenimiento de los equipos SAI es fundamental para alargar la vida de sus componentes y asegurar su fiabilidad

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