Capítulo 1: Elementos clave de una instalación con UPS

Transcripción

Capítulo 1: Elementos clave de una instalación con UPS
Sumario
Introducción .................................................................... 1-2
Cómo utilizar esta guía ................................................... 1-3
Visión de conjunto de las soluciones de protección ... 1-4
Soluciones de protección .....................................................................1-4
Software y servicios asociados ............................................................1-5
El UPS en la instalación eléctrica .................................. 1-6
Función de cada componente de la instalación....................................1-6
Parámetros esenciales de la instalación ..............................................1-7
¿Dónde encontrar los datos para determinar la instalación? ...............1-8
Nociones básicas sobre las instalaciones con UPS .... 1-9
Exigencias en energía de alta calidad y alta disponibilidad ..................1-9
Sistemas de alimentación eléctrica con UPS .......................................1-10
Calidad de la energía de los UPS ........................................................1-11
Disponibilidad de la energía de los UPS ..............................................1-13
Elección de la configuración .................................................................1-16
Cálculo de la potencia .................................................... 1-17
Parámetros de cálculo de la potencia ..................................................1-17
Potencia de una configuración unitaria ................................................1-19
Potencia de una configuración paralela ...............................................1-22
Control de armónicos aguas arriba ............................... 1-24
El UPS y los armónicos aguas arriba ...................................................1-24
Filtrado de los armónicos aguas arriba ................................................1-25
Elección de un filtro ..............................................................................1-27
Esquemas de Conexión a Tierra (E.C.T) ....................... 1-30
Recordatorio sobre los Esquemas de conexión a tierra .......................1-30
Aplicación a las redes con UPS ...........................................................1-32
Protecciones.................................................................... 1-35
Protección con disyuntores ..................................................................1-35
Elección de los disyuntores ..................................................................1-38
Conexiones...................................................................... 1-43
Elección de la sección de los cables ....................................................1-43
Ejemplo de instalación .........................................................................1-44
Almacenamiento de energía........................................... 1-45
Tecnologías de almacenamiento..........................................................1-45
Elección de las baterías .......................................................................1-46
Supervisión de las baterías ..................................................................1-47
Interfaz hombre-máquina y comunicación ................... 1-49
IHM (Interfaz hombre-máquina) ...........................................................1-49
Comunicación.......................................................................................1-49
Obra civil .......................................................................... 1-51
Elementos a tener en cuenta................................................................1-51
Local para baterías...............................................................................1-52
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 1
Introducción
Crecen las necesidades de energía eléctrica de alta calidad
y alta disponibilidad
Los problemas de calidad y disponibilidad de la energía eléctrica han adquirido una
importancia capital debido al desarrollo de muchas actividades críticas.
La razón es que las perturbaciones de la red (microcortes, cortes, bajadas de
tensión…) pueden conllevar pérdidas elevadas o problemas de seguridad en
actividades como:
Industrias con procesos delicados, donde los errores de funcionamiento de mando
y control provocados pueden saldarse con pérdidas de producción.
Aeropuertos y hospitales en los que el mal funcionamiento de los equipos causado
podría afectar a la seguridad de las personas.
Tecnologías de la información y de comunicación relacionadas con Internet, para
las que el nivel de fiabilidad y disponibilidad requerido es aún más elevado: las salas
de informática exigen el suministro ininterrumpido de energía de alta calidad, 24 h al
día y 365 días al año, sin interrupción por mantenimiento durante varios años.
En la actualidad, el sistema de protección con UPS ya forma parte de la cadena de
valores de muchas empresas. El grado de disponibilidad y la calidad de energía que
proporciona repercuten directamente en la continuidad de servicio de la explotación:
la productividad, la calidad de los productos o servicios, la competitividad de las
empresas y la seguridad de las instalaciones y los locales dependen de ello. No hay
lugar para el más mínimo fallo.
MGE UPS SYSTEMS: una oferta global adaptable a
necesidades de todo tipo
MGE UPS SYSTEMS propone una completa oferta de soluciones de protección
eléctrica para responder a las necesidades de todas estas aplicaciones sensibles.
Dichas soluciones aplican productos y software compatibles, punteros en términos
tanto de innovación como de alta disponibilidad.
Están respaldadas por una completa oferta de servicios que se basa en una
excepcional capacidad de análisis, una implantación mundial y el uso de métodos y
tecnologías punta. MGE PowerServicesTM, con 40 años de experiencia en los
locales de los clientes, le asiste a lo largo de todo el ciclo de la vida útil de las
instalaciones de UPS –diseño, montaje, explotación, renovación-, en cualquier sitio
donde se encuentren.
Los Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (más conocidos con la sigla
inglesa de UPS) constituyen sin lugar a dudas el eje de estas soluciones:
proporcionan una energía de alta calidad y disponibilidad e integran avanzados
mecanismos de comunicación con el entorno tanto eléctrico como informático.
Se combinan con otros productos compatibles como los compensadores activos,
filtros de armónicos homopolares, sistemas de transferencia estática, paneles
inteligentes, sistemas de control de la batería, software de supervisión. El conjunto
de la oferta proporciona una respuesta global y adaptada a todos los problemas de
protección de las instalaciones sensibles.
La guía: una ayuda para todos los profesionales
preocupados por las instalaciones eléctricas para
aplicaciones críticas
Con esta guía, MGE UPS SYSTEMS pone todo su saber a disposición del cliente.
La guía tiene por objeto ayudarle a determinar y poner en marcha soluciones de
protección globales y optimizadas, desde el suministro de la energía hasta la
utilización final, que se ajusten a las exigencias de disponibilidad y de calidad de la
energía de sus instalaciones críticas.
Está dirigida a todos los profesionales preocupados por estas instalaciones:
Empresas de ingeniería y estudios de proyectos independientes
Estudios de proyectos integrados en empresas contratantes
Instaladores
Responsables de proyectos
Responsables de los locales
Responsables informáticos
Responsables financieros o de compras
etc.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 2
Cómo utilizar esta guía
Estructura del documento
) La búsqueda de información
Se puede llevar a cabo a través de varias vías distintas:
El sumario general al principio de la guía
El índice del capítulo 7
La visión de conjunto de las páginas 4 y 5 del capítulo 1, que presenta los
productos, dispositivos de comunicación, software y servicios aplicables a las
soluciones de protección.
) El contenido
El capítulo 1 presenta en las páginas 6 y 7 el UPS dentro de la instalación
eléctrica, con los principales parámetros a tener en cuenta. El resto del capítulo le
orientará a la hora de elegir una solución ayudándole a determinar los principales
elementos de una instalación con UPS.
El capítulo 2 permite elegir la configuración presentando ejemplos prácticos de
instalaciones, desde el caso más simple de UPS unitario hasta las instalaciones con
una configuración capaz de ofrecer niveles de disponibilidad altísimos.
El capítulo 3 presenta las soluciones de compensación armónica de las
instalaciones.
El capítulo 5 reúne todas aquellas informaciones adicionales y recordatorios
técnicos relativos a los componentes y nociones utilizados en la guía.
Por último, para ayudarle a definir su proyecto:
El capítulo 7 recopila en forma de glosario el significado de los principales
términos utilizados en la guía.
) Las referencias cruzadas
En todos los capítulos aparecen referencias cruzadas (señaladas con el símbolo
Î) que remiten a otros apartados de la guía donde el lector encontrará
informaciones más detalladas sobre los temas tratados.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 3
Visión de conjunto de las soluciones de protección
Soluciones de protección
Fig. 1.1 : Oferta de Productos MGE UPS SYSTEMS.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 pág. 4
Visión de conjunto de las soluciones de protección
Software y servicios asociados
Fig. 1.2 : Oferta de Software y Servicios de MGE UPS SYSTEMS.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 5
El UPS en la instalación eléctrica
Función de cada componente de la instalación
Transformador MT/BT
Alimenta normalmente la entrada del SAI.
MT
GE
BT
CGBT
C.G.B.T
La eliminación de armónicos
generados aguas abajo y por el
rectificador del SAI, evita la distorsión
de tensión y el sobredimensionamiento
de Transfos y Grupos electrógenos
Interruptores automáticos.
Protegen al SAI en caso de fallo.
D2 está asociado a D3 para
asegurar la selectividad
(funcionamiento por by-pass)
Filtro o rectificador PFC
-El filtro atenúa las corrientes
armónicas generadas por el
rectificador, causante de la distorsión
de tensión (THDU).
- El rectificador PFC (Power Factor
Correction) evita tener que usar filtro
Rectificador / Cargador.
Rectifica la corriente alterna y
suministra la corriente(Ib) de carga
de la batería y la corriente (Im) al
ondulador
Batería.
Suministra la corriente (Im) en
caso de falta de tensión en Red 1
D1
D2
Red1
(Normal)
Red2
(Socorro)
SineWave
(1)
(2)
UPS1
Ib
UPS2
Im
Contactor estático.
Permite el basculamiento sin
interrupción a la Red 2 en caso de un
fallo interno, un cortocircuito o por
motivos de mantenimiento.
Compensador activo de
armónicos.
Permite reducir ó eliminar los
armónicos, consecuentemente la
distorsión de tensión en el C.G.B.T
Transformador de aislamiento
Será necesario si se necesita
aislamiento galvánico ó si se tienen
esquemas de conexión a tierra
distintos aguas arriba y aguas abajo.
Configuración del UPS.
Depende de:
- La potencia real de las cargas.
- Las exigencias de fiabilidad
requerida
- Perspectivas de evolución
- Calidad de tensión de la Red 2,
para determinar si es posible su
basculamiento.
Configuraciones:
- Fuente única = Un UPS unitario
alimenta la carga
- Multi-fuente = Redundancia de dos
ó más UPS´s alimentan la carga a
través de un STS. El ejemplo
muestra una redundancia de 2
fuentes y un STS. Cada fuente es un
UPS unitario.
Ondulador.
Suministra tensión alterna regulada en
amplitud, frecuencia y fase. La baja
impedancia interna que presenta lo
hace ideal para cargas No lineales.
Módulo de sincronización.
Sincroniza las fuentes, optimizando
las condiciones de transferencia
Synchro
Interruptores automáticos.
Debe asegurar la selectividad con
D2 (Funcionamiento por by-pass)
Sistema de Transferencia Estática
(STS).
Optimiza la redundancia. Asegura la
transferencia entre fuentes sin
interrupción de suministro. Facilita
las labores de mantenimiento y la
ampliación de la instalación
D3
Compensador activo de
armónicos.
Elimina los armónicos producidos
por las cargas.
Filtro de armónicos
homopolares.
Elimina los armónicos impares
múltiplos de 3, que circulan por el
neutro.
Grupo electrógeno.
Sustituye la alimentación durante
interrupciones de red que exceden
de un tiempo determinado. Su
impedancia interna es elevada, y
aumenta debido a los armónicos.
Son sensibles a cargas capacitivas.
La corrección del factor de potencia
evitará tener que sobredimensionar
los Grupos electrógenos.
Clean
Wave
Cableado.
A pesar de los excelentes resultados
Terciario
obtenidos por el ondulador con las
cargas no lineales, estas pueden causar
distorsión armónica si su alimentación
se hace a través de cables de gran
longitud, y por lo tanto, con una
impedancias elevada.
SineWave
Procesos
industriales
PMM
Data Centers
PMM (Cuadro de distribución
inteligente).
Distribuye, supervisa y controla la
corriente de alimentación de equipos
monofásicos. Informa en tiempo real
del riesgo de sobrecarga y puntas
de corriente. El transformador de
aislamiento galvánico opcional
permite tener diferentes esquemas
de conexión a tierra.
Fig. 1.3 : Funciones de los componentes de una instalación con UPS.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 6
El UPS en la instalación eléctrica (continuación)
Paramétros esenciales de la instalación
Transformador MT BT
Sn, Un, Uccx %
Groupo Electrógeno
MT
GE
BT
Cableado
Longitud, sección, instalación de
los cables que conectan el
transformador al C.G.B.T
Interruptores automáticos
In, Ics (capacidad de corte)
Tipo de interruptor, Ir, Im, Inst
CGBT
D1
Red2
(Socorro)
Red 1 et Red 2
Pueden ser comunes ó
separadas
Filtro integrado
Sn, Un, Qn (importante en caso de
funcionamiento con G.E), Factor
de Potencia, THDI. Con
Rectificador PFC se evita la
utilización de filtros.
THDU admissible en % de Un
(Distorsión total de tensión) ,
nivel del C.G.B.T
D2
Red1
(Normal)
Sn, Un, X”d = reactancia
subtransitoria (cálculo de la
distorsión)
X’ d = reactancia transitoria
(cálculo de la corriente de
cortocircuito)
SineWave
SineWave
UPS1
UPS2
Batería
Tipo : Plomo hermético, plomo
abierto, autonomía, vida útil ( 5 ó
10 años)
Contactor estático
Sn, KIn = sobrecarga admisible
durante 20ms (múltiple de la
corriente nominal)
Transformador de aislamiento
Sn, Un, Uccx %
Cargador
Su potencia aparente está
asociada a la del UPS por un
coeficiente k>1 y Sn=kSn(UPS)
Distorsión de corriente: THDI %
con el espectro correspondiente
Ondulador
Un, Sn, sobrecarga KIn,
tiempo de sobrecarga,
impedancia de salida, Factor
de cresta admisible en
cargas no lineales
Synchro
Interruptor automático D3
In, Ics (capacidad de corte)
Tipo de interruptor, Ir, Im, Inst
Sistemas de transferencia
estática (STS)
Un, In, 3ph ou 3ph+N,
Esquemas de conexión a tierra,
tecnología, tiempo de
transferencia
D3
Cableado
Longitud, sección, instalación de
los cables que conectan D3 a la
carga
Clean
Wave
Carga
Sn, Un, KIn (rampa de arranque)
F.P. (Factor de Potencia) cosphi
(desfase de la fundamental), Espectro Teciario
armónico (IHn , jn).
IHn = Intensidad armónica, rango n
Jn = Desfase armónico, rango n
SineWave
Procesos
Industriales
PMM
Data Centers
Cuadro de distribución y
gestión de las cargas PMM
In (entrada), número y potencia
de las cargas, Esquema de
conexión a tierra, aislamiento
galvánico
Fig. 1.4 : Principales parámetros de los componentes de una instalación con UPS.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 7
El UPS en la instalación eléctrica (continuación)
¿Dónde encontrar los datos para determinar la instalación?
Los diagramas de las páginas anteriores ofrecen una visión general de los componentes y los distintos parámetros de una
instalación con UPS.
Ha llegado el momento de dar especificaciones más precisas.
La siguiente tabla indica:
el orden de presentación de los temas dentro del capítulo 1
las distintas opciones a elegir
el objetivo de dichas opciones y la referencia de la página en la que se define cómo determinar estos elementos en el capítulo
1
dónde encontrar información adicional referente a este tema en el resto de la guía.
Opciones a elegir
Estructura con
una o varias
fuentes y
configuración de
las fuentes del
UPS
Objetivo
Determinar la estructura de la
instalación y la configuración de UPS
que mejor se adapta a sus exigencias
en términos de disponibilidad de
energía, capacidad de evolución,
explotación y exigencias financieras.
ver
cap. 2
Potencia del UPS Determinar la potencia del UPS o los
UPS en paralelo, redundantes o no,
o los UPS
que hay que instalar teniendo en
utilizados
cuenta las características de la red y
de las cargas.
Asegurarse de que la distorsión de la
Control de
armónicos aguas tensión en la barra colectora aguas
arriba es aceptable para las
arriba
características de la instalación.
cap. 1
pág. 17
Asegurarse de que la instalación es
Esuqemas de
conexión a tierra conforme con las normas vigentes
para la protección de las personas y
los bienes y de que las aplicaciones
funcionan correctamente.
Elegir el régimen más adecuado para
cada aplicación.
Protección aguas Determinar el poder de corte y el
calibre de los disyuntores aguas
arriba y aguas
arriba y aguas abajo del UPS;
abajo con
resolver los problemas de
disyuntores
selectividad.
Limitar las caídas de tensión y el
Conexiones
calentamiento de los cables, así como
la distorsión armónica a la altura de
los receptores.
En caso de funcionamiento con
Batería
batería, conseguir una autonomía que
responda a las necesidades de los
usuarios.
Definir los dispositivos de
Comunicación
comunicación de los UPS con el
entorno eléctrico e informático.
Posible obra civil Definir los elementos de obra civil y
de ventilación, sobre todo en caso de
disponer de un local específico para
la batería.
Saber cuáles son las principales
Normas
normas de referencia sobre los UPS.
cap. 1
pág. 30
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1
pág. 24
Información adicional
ver también
cap. 2
Ejemplos y comparación de 13
pág. 5
instalaciones tipo, desde el UPS
unitario hasta una configuración de
máxima disponibilidad.
La alimentación de las cargas
cap. 5
sensibles
pág. 2
Las distintas configuraciones de UPS
cap. 5
pág. 23
Los grupos electrógenos
cap. 5
pág. 41
Constitución y funcionamiento de un
cap. 5
UPS
pág. 14
Compensación armónica de las
instalaciones.
Armónicos
Filtros antiarmónicos
cap. 3
cap. 5
pág.44
cap. 5
pág. 50
cap. 1
pág. 35
cap. 1
pág. 43
cap. 1
pág. 45
Las soluciones de almacenamiento
de la energía: las baterías.
cap. 5
pág. 36
cap. 1
pág. 49
Comunicación de los UPS
cap. 5
pág. 26
Compatibilidad electromagnética
cap. 5
pág. 31
cap. 1
pág. 50
cap. 5
pág. 32
cap. 1 - pág. 8
Nociones básicas sobre las instalaciones con UPS
Exigencias en energía
eléctrica de alta calidad y
alta disponibilidad
Perturbaciones de la energía de la red
La tensión que suministran las redes de distribución eléctrica tanto públicas como
privadas puede verse más o menos alterada por perturbaciones varias. Se trata de
perturbaciones inevitables debido a la distancia y la cantidad de aplicaciones
conectadas.
El origen de dichas perturbaciones puede ser:
la propia red (fenómenos atmosféricos, accidentes, maniobras de dispositivos de
protección o de mando…).
los equipos de usuarios (motores, aparatos contaminantes como hornos de arco,
máquinas soldadoras, sistemas de electrónica de potencia,…).
Entre estas perturbaciones se incluyen desde microcortes, bajadas de tensión,
sobretensiones, variaciones de frecuencia, armónicos, ruidos HF, fluctuaciones
rápidas de tensión…, hasta cortes de alimentación prolongados.
Î Perturbaciones de la energía: ver cap. 5, pág. 3.
Exigencias de las cargas sensibles
Los equipos digitales (informática, telecomunicaciones, instrumental, etc.) utilizan
microprocesadores con una cadencia de varias Megas o incluso Gigas Hertz, es
decir, capaces de efectuar varios millones y hasta miles de millones de operaciones
por segundo. Eso significa que unos milisegundos de perturbaciones en la
alimentación eléctrica afectan a miles o millones de operaciones básicas. Ello puede
resultar en errores de funcionamiento y pérdidas de datos con consecuencias
peligrosas (por ej. en aeropuertos u hospitales) o costosas (por ej. pérdidas de
producción en procesos).
Asimismo, muchas cargas, denominadas sensibles o críticas, requieren una
alimentación protegida contra las perturbaciones de la red.
Ejemplos:
procesos industriales y su control-mando: riesgo de pérdidas de producción
aeropuertos u hospitales: riesgo para la seguridad de las personas
tecnologías de la información y la comunicación relacionadas con Internet: riesgo
de interrupción de los tratamientos con un coste en horas muy elevado.
Por ello, varios fabricantes de material sensible especifican niveles de tolerancia
estrictos para la alimentación de sus equipos, mucho más restrictivos que los de la
red (ej.: CBEMA - Computer Business Equipment Manufacturer’s Association – para
la informática).
Î Cargas sensibles: ver cap. 5, pág. 2 "La alimentación de las cargas sensibles".
Costes vinculados a la calidad de la alimentación eléctrica
El origen de más del 50% de las averías de las cargas críticas está relacionado con
su alimentación eléctrica, lo cual se salda con costes en horas por lo general muy
elevados para las aplicaciones correspondientes (fig. 1.5).
Así, en la economía actual, cuya dependencia de la tecnología digital va en
aumento, es fundamental paliar los problemas relativos a la calidad y la
disponibilidad de la energía de la red para la alimentación de cargas sensibles.
Ejemplos del coste en horas de las
averías:
Origen de las averías
telefonía móvil: 40.000 euros,
reserva transporte aéreo:
90.000 euros,
transacciones tarjeta de crédito:
2.500.000 euros,
cadena de montaje automóvil:
6.000.000 euros,
transacciones bursátiles:
6.500.000 euros.
Fig. 1.5: Importancia y coste de las averías vinculadas con la alimentación eléctrica.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 9
Nociones básicas sobre las instalaciones con UPS (continuación)
Sistemas de alimentación
eléctrica con UPS
Papel de los UPS
Los UPS (también conocidos como SAI o Sistemas de Alimentación Ininterrumpida)
responden a las necesidades definidas anteriormente. Aparecieron a principios de
los 70 y desde entonces su importancia no ha dejado de aumentar paralelamente al
desarrollo de las tecnologías digitales.
Los UPS son equipos eléctricos que se interponen entre la red y las cargas
sensibles. Suministran una energía más segura que la de la red, que responde a las
necesidades de alta calidad y de disponibilidad de las cargas sensibles.
Î UPS: ver cap. 5, pág. 4 "La solución UPS".
Tipos de UPS
El término UPS designa productos con una potencia aparente que va de unos
cientos de VA hasta varios MVA y que aplican técnicas diferentes.
Por esta razón, la norma CEI 62040-3 y su equivalente europeo EN 62040-3 definen
tres tipos (topologías) de UPS normalizados, según su funcionamiento:
Espera pasiva
Interacción con la red
Doble conversión
En el ámbito de las bajas potencias (< 2 kVA), coexisten los 3 tipos. Para las altas
potencias, en cambio, prácticamente sólo se utilizan los UPS estáticos (es decir, a
base de componentes semiconductores como por ejemplo los IGBT) de doble
conversión.
Los UPS rotativos (con piezas en rotación, como por ejemplo los volantes de inercia)
no están contemplados en la normalización expuesta y siguen siendo minoritarios.
Î Tipos de UPS: ver cap. 5, pág. 9 "Tipos de UPS estáticos".
UPS estáticos doble conversión
Podría decirse que son los únicos utilizados para las instalaciones de potencia
gracias a sus ventajas inigualables comparados con los otros tipos:
regeneración completa de la energía entregada en la salida
aislamiento total de la red y de sus perturbaciones para las cargas
posibilidad de transferencia sin interrupción hacia una red de socorro.
El principio de funcionamiento (fig. 1.6) es el siguiente:
en funcionamiento normal, un rectificador/cargador rectifica la tensión de la red
para alimentar un ondulador al tiempo que mantiene la batería cargada
el ondulador regenera completamente una tensión de salida sinusoidal, exenta de
perturbaciones y dentro de estrictos niveles de tolerancia de amplitud y frecuencia
en caso de ausencia de red, la batería suministra la energía necesaria al
ondulador y garantiza la autonomía de funcionamiento
un by-pass estático puede transferir la carga sin interrupción hacia una red de
socorro para que sea alimentada directamente en caso necesario (fallo interno,
cortocircuito aguas abajo, mantenimiento). Este diseño con "tolerancia a averías"
permite alimentar la carga en "modo degradado" (el ondulador ya no suministra la
tensión) hasta que se restauran las condiciones normales.
Î UPS doble conversión: ver cap. 5, pág. 14 "Constitución y funcionamiento".
Red
Bypass
Tensión “perturbada”
(entrada red)
Socorro
UP
Tensión “segura”
(salida UPS)
Normal
Carga
Rectificado
Ondulado
cargado Batería
Fig. 1.6: UPS estático doble conversión.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 10
Calidad de la energía
de los UPS
Calidad de la energía de los UPS doble conversión
Los UPS estáticos de doble conversión han sido diseñados para suministrar a las
cargas que tienen conectadas una tensión sinusoidal:
de alta calidad, pues se regenera y regula (amplitud r 1%, frecuencia r 0,5%)
sin las perturbaciones de la red (gracias a la doble conversión) y en particular sin
cortes ni microcortes (gracias a la batería).
Esta calidad de tensión debe mantenerse independientemente del tipo de carga.
Calidad de tensión en las cargas lineales
¿Qué es una carga lineal?
Una carga lineal alimentada por una tensión sinusoidal absorbe una corriente
sinusoidal con la misma frecuencia. La corriente puede presentar un desfase de un
ángulo M con respecto a la tensión (fig. 1.7).
Ejemplos de cargas lineales
Hay muchas cargas de este tipo (lámparas de iluminación de filamento, calefacción,
dispositivos con resistencia, motores, transformadores…). No contienen elementos
electrónicos activos, sólo resistencias (R), self (L) y condensadores (C).
Los UPS en presencia de cargas lineales
Para estas cargas, los valores de salida del UPS se traducen en una tensión y una
corriente sinusoidales de 50 o 60 Hz de calidad perfecta.
desfase
Carga con self y/o condensador
Carga puramente resistiva
Fig. 1.7: Tensión y corriente para cargas lineales.
Calidad de tensión para las cargas no lineales
¿Qué es una carga no lineal?
Una carga no lineal (o deformante) alimentada por una tensión sinusoidal absorbe
una corriente periódica con la misma frecuencia pero no sinusoidal.
De hecho, la corriente en la carga es la superposición (fig. 1.8):
de una corriente sinusoidal (denominada fundamental) a la frecuencia 50 o 60 Hz
de los armónicos, corrientes sinusoidales de menor amplitud, a una frecuencia
múltiple de la de la fundamental que define su rango (ej.: el armónico de rango 3 se
superpone a la frecuencia 3 x 50 o 60 Hz; el armónico 5, a esta frecuencia
multiplicada por 5).
Los armónicos están provocados por la presencia de componentes electrónicos de
potencia (ej.: diodos, tiristores, IGBT) que conmutan la corriente de entrada.
Ejemplos de cargas no lineales
Todas las cargas cuya entrada requiere un sistema de alimentación por conmutación
necesario para alimentar la electrónica (ej.: informática, variador de velocidad…).
Corriente resultante
Fundamental
Armónico 3
Armónico 5
t
Tensión y corriente de un sistema de
alimentación por conmutación monofásico
(informática)
Fig. 1.8: En una carga no lineal, la corriente es deformada por los armónicos.
Efecto de los armónicos (aquí H3 y H5)
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 11
Espectro de las corrientes armónicas de una carga no lineal
El análisis armónico de una carga no lineal consiste en determinar (fig. 1.9):
los rangos de los armónicos presentes
la importancia de cada rango, calculada según la tasa de armónico del rango.
Hk % = tasa de armónico k =
valor eficaz del armónico de rango k
valor eficaz de la fundamenta l
Distorsión armónica en tensión y en corriente
Las cargas no lineales generan armónicos tanto de corriente como de tensión. Así, a
cada corriente armónica de la carga le corresponde un armónico de la tensión con la
misma frecuencia. La tensión sinusoidal de 50 o 60 Hz del UPS también se ve
afectada por armónicos.
La deformación de una onda sinusoidal se calcula a partir de la tasa de distorsión:
THD* % = distorsión total =
valor eficaz del conjunto de armónicos
valor eficaz de la fundamenta l
* Total Harmonic Distorsion
Hay que definir:
una TDHU % para la tensión, a partir de los armónicos de tensión
una TDHI % para la corriente, a partir de los armónicos de corriente (fig. 1.9).
Cuanto más importantes sean los armónicos, mayor será la distorsión.
A la práctica, la distorsión en corriente de la carga es mucho más importante (THDI
del orden del 30%) que la de la tensión de entrada (THDU del orden del 5%).
Tasa de armónicos
H5 = 33%
H7 = 2,7%
H11 = 7,3%
H13 = 1,6%
H17 = 2,6%
H19 = 1,1%
H23 = 1,5%
H25 = 1,3%
Fundamental
t
Corriente de entrada de un rectificador trifásico
THDI = 34% (ver cálculo en cap. 5, pág.
47)
Espectro armónico y THDI correspondientes
Fig. 1.9: Ejemplo de espectro de las corrientes armónicas de una carga no lineal.
Î Cargas no lineales: ver cap. 2, "Compensación armónica de las instalaciones", y
cap. 5, pág. 44 "Armónicos".
Los UPS en presencia de cargas no lineales
Los armónicos afectan a la tensión sinusoidal de salida del UPS. Una deformación
demasiado importante puede perturbar las cargas lineales conectadas en paralelo
en la salida, sobre todo aumentando su corriente (calentamiento).
Para conservar la calidad de la tensión de salida del UPS es preciso limitar su
distorsión (THDU), y, por consiguiente, los armónicos de corriente que la causan. En
concreto, la impedancia en la cual circulan (impedancia de salida del UPS y de los
cables que conectan con la carga) debe ser baja.
Control de la distorsión de la tensión de salida
Gracias a la técnica de modulación de frecuencia libre que emplean, los UPS de
MGE UPS SYSTEMS presentan una impedancia de salida muy baja, sea cual sea la
frecuencia (o el rango de armónico). Así se elimina prácticamente cualquier
distorsión de la tensión de salida en presencia de cargas no lineales. Por lo tanto, la
calidad de la tensión de salida queda garantizada también con cargas no lineales.
Desde un punto de vista práctico, para diseñar una instalación hay que comprobar:
los valores de salida de los UPS con una carga no lineal; en particular, que la
distorsión indicada, que se calcula para cargas no lineales tipo (según la norma CEI
62040-3), sea muy baja (THDU < 2 al 3%)
la limitación de la longitud de los cables de salida hasta las cargas (impedancias).
Î Comportamiento de los UPS con cargas no lineales: ver cap. 5, pág. 54.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 12
Disponibilidad de la
energía de los UPS
¿Qué se entiende por disponibilidad?
Disponibilidad de una instalación eléctrica
Es la probabilidad de que una instalación eléctrica sea apta para suministrar una
energía de calidad conforme con los equipos que alimenta.
Se expresa con un porcentaje, que es la tasa de disponibilidad:
MTTR
Disponibilidad (%) = (1 ) x 100
MTBF
El MTTR es el tiempo medio de intervención necesario para que el sistema eléctrico
vuelva a ser operativo después de una avería (comprende la detección de la causa
de la avería, su reparación y la puesta en servicio).
El MTBF mide el tiempo medio de operatividad del sistema eléctrico, durante el cual
la aplicación funciona perfectamente.
Ejemplo:
Una tasa de disponibilidad del 99,9% (conocida como “los 3 nueves”) corresponde a
un 99,9% de posibilidades de responder a las funciones requeridas en un momento
dado. La diferencia hasta completar el 1 de esta probabilidad (aquí sería: 1 - 0,999 =
0,001) es la tasa de indisponibilidad (1 posibilidad entre 1.000 de que el sistema no
pueda responder a las funciones requeridas en un momento dado).
MTBF
MTTR
MTBF
MTTR
tiempo
1
er
2°
Reparación
3
Reparación
er
Reparación
Período de mantenimiento o de reparación
Fig. 1.10: MMTR, MTBF.
¿A qué corresponde la disponibilidad a efectos prácticos?
Las averías de las aplicaciones críticas se saldan con un coste muy elevado (ver fig.
1.5). Por eso, su tiempo de funcionamiento debe ser lo más alto posible, al igual que
el de su sistema de alimentación eléctrica.
La disponibilidad de la energía suministrada por una instalación eléctrica
corresponde al cálculo estadístico (que se traduce por una probabilidad) de su
tiempo de funcionamiento.
Los valores del MTBF y el MTTR se miden o calculan (a partir de datos registrados
en un período de tiempo suficientemente largo) para cada uno de los componentes,
y permiten determinar la tasa de disponibilidad de la instalación en dicho período.
¿De qué depende la disponibilidad?
La disponibilidad depende del MMTR y el MTBF.
un 100% de disponibilidad significa un MMTR inexistente (reparación instantánea)
o un MTBF infinito (funcionamiento sin averías). Es estadísticamente imposible.
en la práctica, cuanto más reducido sea el MMTR y más elevado sea el MMTR,
mayor será el tiempo de funcionamiento.
Los nuevos niveles de disponibilidad: de “los 3 nueves” a “los 6
nueves”
El carácter crítico de muchas aplicaciones conlleva una evolución de las
necesidades hacia niveles de disponibilidad de la energía eléctrica muy elevados.
La economía tradicional utiliza la red pública de distribución eléctrica. Una red de
calidad normal con socorro HT ofrece una disponibilidad del 99,9% (“3 nueves”), lo
que corresponde a 8 h de indisponibilidad al año.
Los procesos sensibles requieren una alimentación eléctrica con una tasa de
disponibilidad del 99,99% (“4 nueves”), lo que significa 50 min. de indisponibilidad al
año.
Los equipos informáticos y de comunicaciones de los Centros de Datos
requieren una tasa de disponibilidad del 99,9999% (“6 nueves”), lo que corresponde
a 30 segundos de indisponibilidad al año. Garantiza, sin riesgo de pérdidas
económicas graves, un funcionamiento ininterrumpido de las infraestructuras (sin
parar siquiera para el mantenimiento), las 24 h todos los días del año. Se trata de un
importante avance hacia la alimentación permanente.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 13
Probabilidad de que se produzca un fallo en un año
Economía
tradicional
88
Proceso
Sensibles
9
Internet
Telecomunicaciones
0,9
0,01 Disponibilidad
99,
99,9
99,999
99,999999
) La economía tradicional utiliza la
red eléctrica pública, cuya tasa de
disponibilidad es del 99,9% (“3
nueves”).
) Los procesos sensibles requieren
una tasa de disponibilidad de la
alimentación eléctrica del 99,99% (“4
nueves”).
) Los Centros de Datos precisan
una tasa de disponibilidad del
99,9999% (“6 nueves”).
Fig. 1.11: Evolución de la tasa de disponibilidad de las aplicaciones.
¿Cómo aumentar la disponibilidad?
Mejorar la disponibilidad implica reducir el MTTR y aumentar el MTBF.
Reducir el MTTR
La detección de los fallos en tiempo real y su análisis por parte de expertos para
lograr un diagnóstico preciso y una reparación rápida contribuyen a este objetivo.
Ello depende de los siguientes factores clave:
Calidad de los servicios
- presencia internacional del fabricante
- cobertura internacional de los servicios
- número, nivel de calificación y experiencia de los equipos
- suficiente base de productos instalada y opinión de los clientes
- medios y proximidad del soporte técnico
- disponibilidad local de piezas de recambio originales
- eficacia de los métodos y herramientas del fabricante
- posibilidad de diagnóstico a distancia
- soporte de formación para programas adaptados
- calidad y disponibilidad de la documentación en el idioma local.
MGE PowerServicesTM propone un programa completo de asesoramiento,
formación y auditoría gracias al cual los usuarios pueden adquirir los
conocimientos necesarios para un primer nivel de explotación, diagnóstico
y mantenimiento.
gl o
ba le s d e g ra
n
Se
rv
ic
i
ia
ac
ic
ef
os
24h/24 7d/7
MGE PowerServicesTM
Reduce el MTTR
Aumenta la disponibilidad
Fig. 1.12: La calidad de los servicios es esencial para la disponibilidad.
Posibilidades de comunicación de los UPS
- interfaz del usuario fácil de utilizar, con cómodos diagnósticos de funcionamiento
- posibilidad de comunicación con el entorno eléctrico e informático.
Î Comunicación y supervisión de los UPS de MGE UPS SYSTEMS: ver cap. 5,
pág. 26.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 14
Aumentar el MTBF
Alcanzar este objetivo depende fundamentalmente de los siguientes factores clave.
Elección de equipos de probada fiabilidad:
- productos con procesos de concepción, desarrollo y fabricación homologados
- resultados certificados por organismos independientes reconocidos
- conformidad con las normas internacionales sobre la seguridad eléctrica, la CEM
(compatibilidad electromagnética) y la medición de las prestaciones.
Con 40 años de experiencia y 350 millones de kVA protegidos, las soluciones
MGE UPS SYSTEMS han demostrado su fiabilidad a las empresas más
importantes del sector. Todos sus equipos son conformes con las principales
normas internacionales y ofrecen unas prestaciones certificadas por organismos
reconocidos.
Fiabilidad y calidad certificadas
Aumenta el MTBF
Aumenta la disponibilidad
Fig. 1.13: La demostrada fiabilidad de los equipos aumenta el MTBF y la disponibilidad.
Control de la tolerancia a averías
Gracias a la tolerancia a averías, el equipo puede funcionar en modo degradado
después de producirse un fallo que puede afectar a distintos niveles de la instalación
(fig. 1.15). Durante el período de reparación, la aplicación es alimentada y genera
ingresos.
de
po
ento
cio n a m i
fu n
do
Ti e
m
Activación in me dia ta:
- detección y alar ma
- ide ntificació n de las
causas
- accione s corr ectivas
Fu nc ion am ien
Modo de
funcionamiento
normal
Tie
mp o
to d
a
ad
eg r
Estado
de
toleranc ia
a averías
d e in a c tividad
Estado de
inactividad
Fig. 1.14: La tolerancia a averías aumenta la disponibilidad.
Mantenibilidad de las instalaciones
Permite aislar partes de la instalación para llevar a cabo intervenciones fuera de
tensión mientras se mantiene la alimentación de la carga. Debe poder realizarse:
- en los UPS, gracias al by-pass estático y al by-pass de mantenimiento
- en partes de la instalación, gracias a una configuración adaptada.
Re d A C
n ormal
Re d A C
No rmal
Re d A C
bypass
B yp ass man ual
Bypass está tico
Para alimentar directamente las
cargas y permitir el mantenimiento
de la electrónica fuera de tensión.
Shunt automático, con transferencia
sin interrupción, de los UPS en caso
de fallo interno o sobrecarga aguas
abajo.
Celd a Normal/socorr o co n bypass
Carg a
Fig. 1.15: By-pass estático y by-pass manual de mantenimiento.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 15
Las soluciones MGE UPS SYSTEMS garantizan la tolerancia a averías y la
mantenibilidad mediante la instalación de:
UPS doble conversión con posibilidad de transferencia hacia la red de socorro a
través del by-pass estático y con el by-pass de mantenimiento
configuraciones de UPS redundantes multi-fuentes con STS.
Factores clave de la disponibilidad de los sistemas con
UPS
Hace unos años, la mayoría de instalaciones estaba constituida por UPS unitarios y
sólo algunas configuraciones en paralelo. Estas instalaciones siguen funcionando
hoy en día.
Pero normalmente la evolución hacia la alta disponibilidad requiere poner en marcha
configuraciones con redundancia a varios niveles de la instalación (fig. 1.16).
Redundancia de la fuente:
disponibilidad en caso de
cortes de la red prolongados.
Redundancia de los UPS:
fiabilidad, mantenimiento
más fácil y seguro.
Índice de
disponibilidad
de la energía
Cargas críticas
Redundancia de la
distribución con STS: tasa
de disponibilidad máxima
Fig. 1.16: Los índices de disponibilidad deseados requieren de redundancia a distintos niveles.
Como consecuencia de esta evolución, el diseñador de la instalación debe tener en
cuenta, según el grado crítico de las cargas y las exigencias de explotación, todos o
buena parte de los siguientes factores clave:
Fiabilidad y disponibilidad
Proponer una configuración de acuerdo con el nivel de disponibilidad requerido por
la carga, con equipamientos de eficacia probada y con el soporte de un servicio de
calidad en consonancia.
Mantenibilidad
Garantizar el fácil mantenimiento de los equipos con total seguridad para el personal
y sin interrumpir la explotación.
Evolutividad
Hacer evolucionar la instalación a lo largo del tiempo conciliando los imperativos de
ampliación progresiva con las exigencias de explotación.
Selectividad y no-propagación de fallos
Poder delimitar los fallos a determinadas partes de la instalación que permitan llevar
a cabo intervenciones sin necesidad de interrumpir el funcionamiento.
Explotación y gestión de la instalación
Facilitar la explotación proporcionando los medios para anticiparse a las evoluciones
con instrumentos de supervisión y gestión de la instalación.
Elección de la
configuración
MGE UPS SYSTEMS
El paso previo a la especificación de una instalación
La elección de la configuración proporciona el nivel de disponibilidad requerido por
las cargas. También condiciona la mayoría de factores clave citados anteriormente.
La configuración puede ser de varios tipos: con una o múltiples fuentes, con UPS
unitarios o en paralelo, con o sin redundancia.
La etapa inicial a la hora de especificar una instalación consiste en elegir la
configuración. Para asistirle en esta tarea, el capítulo 2 trata exclusivamente el tema,
comparando distintas configuraciones posibles en términos de disponibilidad,
protección de las cargas, mantenibilidad, evolutividad y coste.
Î Elección de la configuración a partir de instalaciones tipo relacionadas con un
nivel de disponibilidad determinado: ver cap. 2.
cap. 1 - pág. 16
Cálculo de la potencia
Parámetros de cálculo de
la potencia
Parámetros que hay que tener en cuenta
Tipo de cargas alimentadas
Cargas lineales con cos M o cargas no lineales con su factor de potencia.
Estas características determinan el factor de potencia en la salida del UPS.
Potencia máxima consumida por las cargas en un régimen
determinado
Para una sola carga, es el consumo a su potencia nominal. En el caso de varias
cargas conectadas en paralelo a la salida del UPS, hay que considerar el
funcionamiento simultáneo de todas las cargas; o bien, con un factor de
simultaneidad, el funcionamiento menos favorable en términos de consumo.
Irrupciones de corriente en régimen transitorio o con cortocircuito
aguas abajo
La capacidad de sobrecarga de corriente de un sistema de UPS varía en función del
tiempo. Por encima del máximo, el UPS bascula sin interrupción hacia la red de
socorro, siempre que ésta ofrece una calidad de tensión aceptable. Entonces, la
carga deja de estar protegida contra las perturbaciones de la red.
Según la calidad de la red de socorro se puede:
recurrir a su potencia para superar las puntas de corriente de conexión o los
cortocircuitos aguas abajo. Así se evita sobredimensionar la potencia.
desactivar el basculamiento automático (salvo en caso de fallo interno) y mantener
la posibilidad de activación manual (por ej.: para mantenimiento).
Los UPS de MGE UPS SYSTEMS funcionan en modo limitador de corriente con
2,33 In durante 1 segundo y normalmente permiten superar las puntas sin recurrir a
la red de socorro, escalonando las conexiones. Si la irrupción de corriente rebasa
2,33 In durante algunas alternaciones (pero con una duración < 1 segundo), el UPS
funciona en modo limitador este lapso de tiempo. Este modo degradado es
aceptable por ejemplo para un arranque "cold start" (es decir, sin red y con batería).
Potencia de un UPS
Potencia nominal de un UPS
Esta potencia, que indican los catálogos, no es otra que la potencia de salida. Se
expresa como una potencia aparente Sn en kVA con la potencia activa
correspondiente Pn en kW, en los siguientes casos:
carga lineal
carga con un cos M = 0,8.
Ahora bien, los UPS de MGE UPS SYSTEMS de última generación pueden
alimentar cargas hasta cos M = 0,9 capacitiva.
Fórmula de la potencia nominal
. Pn(kW) = 0,8 Sn(kVA). potencia activa nominal
La fórmula de esta potencia está vinculada con la tensión de salida del UPS y la
corriente absorbida por la carga de la siguiente manera:
Sn(kVA) = UnIn 3
en trifásico
Sn(kVA) = VnIn en monofásico
Para un UPS trifásico, U e I son los valores de línea eficaces; para un UPS
monofásico, V es una tensión simple, es decir:
Un = tensión entre fases
Vn = tensión simple entre fase y neutro
Un = Vn 3
Ej.: si Un = 400 voltios, Vn = 230 voltios.
Potencia y tipo de cargas
Las dos tablas presentadas a continuación recuerdan las fórmulas que relacionan la
potencia, la tensión y la corriente según el tipo de carga, lineal o no lineal.
Se aplican las siguientes convenciones de expresión:
valores instantáneos de tensión y corriente: u(t) e i(t)
valores eficaces correspondientes: U e I
Z = pulsación = 2 S f, siendo f la frecuencia (50 o 60 Hz)
M = defasaje entre tensión y corriente en régimen sinusoidal.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 17
Cálculo de la potencia (continuación)
Cargas lineales
Trifásicas
Tensión sinusoidal
u(t) = U 2 sin Zt
Monofásicas
v(t) = V 2 sin Zt
entre fases
entre fase y neutro
U=V 3
Corriente sinusoidal desfasada
i(t) = I 2 sin (Zt - M)
corriente fase
Factor de cresta de la corriente:
2
Potencia aparente
S(kVA) = UI 3
S(kVA) = VI
Potencia activa
P(kW) = UI 3 cos M = S(kVA) cos M
P(kW) = VI cos M = S(kVA) cos M
Potencia reactiva
Q(kvar) = UI 3 sin M = S(kVA) sin M
Q(kvar) = VI sin M = S(kVA) sin M
S=
Tensión sinusoidal
La tensión del UPS, regulada, se mantiene
sinusoidal (THDU baja) sea cual sea la carga
P2Q
2
Cargas no lineales
u(t) = U 2 sin Zt
v(t) = V 2 sin Zt
entre fases
entre fase y neutro
U=V 3
Corriente con armónicos
i(t) = i1(t) + 6ihk(t)
corriente fase total
i1(t) = I1 2 sin (Zt - M1)
corriente fundamental
ik(t) = Ihk 2 sin (kZt - Mk)
I=
I12 I22 I3 2 I4 2 ....
armónico de rango k
valor eficaz de la corriente total
Fc = valor de cresta de la corriente / valor eficaz
THDI =
2
2
Factor de cresta de la corriente
2
I2 I3 I4 ....
I1
Tasa de distorsión global de la corriente
Potencia aparente
S(kVA) = UI 3
S(kVA) = VI
Potencia activa
P(kW) = O UI 3 = O S(kVA)
P(kW) = O VI = O S(kVA)
Factor de potencia
O=
P(kW )
S(kVA )
Índice de carga de un UPS
Es el porcentaje de la potencia aparente de salida utilizada por la carga.
TC (%) =
S c arg a (kVA)
S n (kVA)
) Consejo: tener en cuenta la extensión de las cargas
Se recomienda dejar un margen de funcionamiento en relación con la potencia
nominal, sobre todo si está previsto llevar a cabo una ampliación, en cuyo caso
habrá que comprobar que el índice de carga una vez realizada dicha extensión sea
aceptable.
Rendimiento de un UPS
Designa la potencia que el UPS toma de la red aguas arriba, la potencia de entrada,
es decir, el consumo. Viene determinado por:
K (%) =
PsalidaUPS (kW )
PentradaUPS (kW )
Conseguir un buen rendimiento para la potencia elegida:
rebaja la factura de electricidad
disminuye las pérdidas caloríficas y, por consiguiente, la necesidad de ventilación.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 18
Se puede definir un rendimiento para la potencia nominal, es decir, con un índice de
carga del 100%, con la siguiente fórmula:
Kn (%) =
Pn (kW )
PentradaUPS (kW )
La potencia activa nominal Pn (kW) que suministra el UPS se obtiene multiplicando
la potencia aparente nominal Sn(kVA) por 0,8 (si O t 0,8) o por O (si O< 0,8).
El rendimiento puede variar considerablemente con el índice y el tipo de carga. El
diseñador de la instalación debe pues tener en cuenta dos aspectos clave del
rendimiento.
) Consejo 1: comprobar el rendimiento con carga no lineal
La presencia de carga no lineal suele reducir el factor de potencia de salida en
relación con el valor 0,8. Por lo tanto, conviene comprobar el valor de rendimiento
con cargas no lineales tipo. Las normas CEI 62040-3 / 62040-3 recomiendan tomar
esta medida.
) Consejo 2: comprobar el rendimiento con el índice de carga previsto
Los fabricantes suelen indicar el rendimiento a plena carga. Pero su valor puede
disminuir con el índice de carga (1). Cuidado pues con los UPS en redundancia
activa que comparten la carga y a menudo funcionan al 50% de su potencia nominal,
o incluso menos.
(1) Un UPS está optimizado para funcionar a plena carga. Aunque en este caso las
pérdidas sean máximas, su rendimiento también es máximo. Con un UPS clásico,
las pérdidas no son proporcionales a la potencia de utilización, por lo que el
rendimiento disminuye notablemente con el índice de carga. En efecto, dichas
pérdidas conllevan una parte de pérdidas en vacío, fijas, cuya parte relativa aumenta
cuando la carga disminuye. Un rendimiento elevado con un índice bajo de carga
necesita pues tener pocas pérdidas irrecuperables.
Los UPS de MGE UPS SYSTEMS están concebidos para tener pérdidas
irrecuperables mínimas, proporcionando un rendimiento prácticamente constante
entre un 30 y un 100% de carga.
Î Rendimiento de un UPS: ver cap. 5, pág. 20.
Configuración de un UPS unitario
Se compone de un único UPS doble conversión (fig. 1.17). La capacidad de
sobrecarga del UPS de salida viene dada por la curva indicada (aquí, para Galaxy).
En caso de fallo interno o sobrecarga superior a su capacidad, el UPS bascula
automáticamente hacia la red de socorro. Si el basculamiento no es posible, el UPS
funciona con limitador de corriente por encima de un valor tope (2,33 In cresta – 1
segundo para los UPS de MGE UPS SYSTEMS, lo que corresponde a una
sinusoide máxima de valor eficaz 2,33 / 2 = 1,65 In). Más allá, se detiene. Un
sistema de interruptores (que también activa el seccionamiento) permite aislar el
UPS y llevar a cabo el mantenimiento con total seguridad.
Red AC bypass
Bypass estático
Red AC norma l
Bypa ss de man te nimiento
Potencia de una
configuración unitaria
Ti empo de
ba scul amien to (min )
10
Zona d e tra baj o
Zona d e bascula mi ento
ha ci a l a red de socor ro
1
1s
Carg a
0
1
1,25
1,5
2,33
So breca rga
(k In )
Fig. 1.17: UPS estático de doble conversión unitario y curva de sobrecarga admisible.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 19
Potencia en régimen permanente
Un UPS está dimensionado por su potencia aparente nominal Sn(kVA) con
un factor de potencia de salida de 0,8. Estas condiciones corresponden a una
potencia activa nominal de Pn(kW) = 0,8 Sn(kVA).
En realidad, el UPS alimenta una serie de cargas con factor de potencia global
O a menudo distinto de 0,8 a causa de la presencia de cargas no lineales o medios
para la mejora del factor de potencia.
si O t 0,8 el UPS no podrá de ningún modo proporcionar más que Pn(kW)
si O < 0,8 el UPS proporcionará una potencia O Sn(kW) < Pn(kW).
Así, antes de elegir la potencia nominal en kVA hay que verificar la potencia activa
suministrada a las cargas.
Para determinar la potencia se siguen las 4 etapas siguientes:
1 - Potencias aparentes y activas consumidas por las cargas
La primera etapa consiste en evaluar las necesidades de potencia de la carga.
Para el conjunto de k cargas alimentadas se establece la siguiente tabla:
Carga
Carga 1
Carga 2
…
Carga i
…
Carga k
Total
Potencia nominal
aparente (kVA)
S1
S2
Factor de potencia O
de entrada (o cos M)
O1
O2
Potencia nominal
activa (KW)
P1 = O 1 S1
P2 = O 2 S2
Si
Oi
Pi = O i S i
Sk
S
(1) S no es la suma de
las Si.
Ok
O
(2) O debe ser
calculado o estimado
Pk = O k S k
P = OS
(3) P = O S = 6 Oi S i
(1) S no es la suma de las Si porque:
- se debería hacer una suma vectorial, siempre que todas las cargas fueran lineales, a partir de
los ángulos de los distintos cos M
- además, determinadas cargas no son no lineales.
(2) O debe calcularse in situ o evaluarse a partir de la experiencia.
(3) P = O S = 6 Oi S i porque se suman las potencias activas (no hay defasaje).
2 - Potencia aparente nominal del UPS (Sn)
La segunda etapa consiste en elegir un UPS cuya potencia nominal aparente
permita cubrir las necesidades en kVA de la carga.
La potencia nominal aparente del UPS disponible tras la primera etapa es:
Sn(kVA) > S. con .S = P / O.
Hay que elegir dentro de la gama el UPS con una potencia nominal Sn(kVA)
inmediatamente superior a S o, en caso necesario, la potencia justo por encima si el
valor encontrado se sitúa demasiado cerca de S, con el fin de disponer de un
margen de potencia.
3 - Verificación de la potencia activa
La tercera etapa consiste en comprobar que la potencia nominal elegida permite
cubrir las necesidades en kW de la carga en las condiciones de funcionamiento
definidas.
Para la potencia elegida, el UPS suministrará una potencia nominal activa
Pn(kW) = 0,8 Sn(kVA).
Si O t 0,8, hay que asegurarse de que Pn(kW) > P, es decir, que el UPS puede
suministrar la potencia adicional solicitada y, en caso contrario, coger una potencia
superior.
Si O < 0,8, la potencia suministrada por el UPS es suficiente dado que Pn(kW) > O
Sn(kVA); ha sido pues una buena elección.
4 - Índice de carga
La cuarta etapa consiste en asegurarse de que el índice de carga es aceptable
para el funcionamiento previsto en el presente y el futuro.
El índice de carga es:
.Tc = S / Sn(kVA) .
Debe ser adecuado sobre todo teniendo en cuenta un eventual aumento de la carga
o una posible extensión con redundancia.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 20
Potencia en régimen transitorio
Corriente de llamada de las cargas
Es preciso conocer la corriente de llamada de cada carga y la duración del período
transitorio. En caso de conexión simultánea de varias cargas, hay que sumar sus
corrientes de llamada.
Comprobaciones necesarias
A continuación, hay que verificar que la potencia del UPS prevista permite superar
estas puntas, funcionando en algunos ciclos con el modo limitador (a 2,33 In - 1s) si
fuera necesario. De no ser así, hay que decidir si se acepta recurrir a la potencia de
la red de socorro cuando se producen dichas puntas, o bien aumentar la potencia.
Î Regímenes transitorios de las cargas: ver cap. 5, pág. 43.
Ejemplo
Instalación
Se trata de un ejemplo didáctico, que no se corresponde con ningún caso real, y
tiene como objetivo ilustrar las etapas que hay que seguir.
Tenemos las siguientes cargas trifásicas de 400 V en paralelo:
Informática: S1 = 4 x 10 kVA (4 cargas idénticas de 10 kVA), O = 0,6 para todas las
cargas juntas, corriente de llamada 8 In en 4 ciclos de 50 Hz (80 ms) por carga.
Variador de velocidad S2 = 20kVA, O = 0,7 corriente de llamada 4 In en 5 ciclos (100
ms).
Transformador de aislamiento S3 = 20 kVA, O = cos M = 0,8 corriente de llamada
10 In en 6 ciclos (120 ms).
M
B
G
Normal
Bypass
Potencia nominal aparente
de salida Sn(kVA)
Potencia activa
Pn(kW) = 0,8 Sn(kVA)
Factor de potencia
O en salida del UPS
de todas las cargas
Potencia total consumida
por las cargas
P(kW) = 54 kW
Equipos Informáticos Variador
4 x 10 kVA
O1 = 0,6
Fig. 1.18: Ejemplo de instalación.
Transformador
20 kVA
O2 = 0,7
20 kVA
cos M = 0,8
Potencia máxima activa de
salida (que el UPS puede
suministrar a las cargas)
O Sn (kVA)
Potencia en régimen permanente
Se establecen en la siguiente tabla:
Carga
Potencia nominal
aparente (kVA)
Informática
40
Variador
20
Transformador BT/BT 20
Total
S
Factor de potencia
de entrada
0,6
0,7
0,8
O = 0,68
calculado o estimado
Potencia nominal
activa (KW)
24
14
16
P = 54 kW
2 - Potencia aparente nominal del UPS
S = 54 / 0,68 = 79,4 kVA
Hay que elegir un UPS Galaxy PW de potencia superior suficiente (80 kVA es
demasiado justo), es decir, de 100 kVA (o más, si está prevista una ampliación).
3 - Comprobación de la potencia activa
El UPS puede suministrar a las cargas 100 x 0,68 = 68 kW > 54 kW.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 21
4 - Índice de carga y corriente nominal
El índice de carga es Tc = 79,4 / 100 = 79,4%.
Corriente nominal UPS: Sn(kVA) = UI 3 es decir I = 100 / (400 x 1,732) = 144 A.
Potencia en régimen transitorio
Hay que arrancar las cargas una tras otra para evitar la acumulación de corrientes
de llamada, así como comprobar que el UPS permite superar las puntas de
corriente.
Potencia de una
configuración paralela
Las corrientes nominales se indican con S(kVA) = UI 3 , es decir:
- Informática: In = 10 / (400 x 1,732) = 14,4 A es decir 8 In | 115 A durante 80 ms
- Variador: In = 20 / (400 x 1,732) = 28,8 A es decir 4 In | 115 A durante 100 ms
- Transformador: In = 20 / (400 x 1,732) = 28,8 A es decir 10 In = 288 A en 120 ms
La capacidad de sobrecarga de un UPS Galaxy de 100 kVA es de (ver cap.4, pág.
44):
- un 120%, es decir 151 A x 1,2 = 173 A durante 1 minuto
- un 150%, es decir 151 A x 1,5 = 216 A durante 1 minuto
- funcionamiento con limitador de corriente a 2,33 In, es decir 335 A durante 1
segundo
Si las 4 cargas informáticas de 10 kVA se arrancan escalonadamente, la capacidad
de sobrecarga al 20% del UPS (173 A -1 minuto > 115 A - 80 ms) resulta suficiente.
Si todas las cargas informáticas se arrancaran a la vez, provocarían una punta de 4
x 115 = 460 A > 335 A y se funcionaría con limitador durante los 80 ms.
Para el variador, la capacidad de sobrecarga también es suficiente.
Para el transformador de aislamiento (288 A -120 ms), todavía está por debajo del
funcionamiento con limitador.
Configuración de UPS en paralelo
Objetivos de la puesta en paralelo
La puesta en paralelo de varias unidades idénticas permite:
aumentar la potencia suministrada
contar con una redundancia que aumenta el MTBF y la disponibilidad.
Tipos de puesta en paralelo
Hay dos tipos de unidades que pueden ser puestas en paralelo:
UPS modulares multi by-pass: cada UPS dispone de un by-pass estático y un
by-pass manual de mantenimiento. Este último puede ser común (instalado en una
caja externa).
UPS en paralelo con Normal-Socorro: una celda Normal-Socorro que reúne un
by-pass estático y un by-pass de mantenimiento común con varios módulos sin bypass (fig. 1.19).
La puesta en paralelo puede llevarse a cabo según dos tipos de configuración:
sin redundancia: todas las unidades son necesarias para el funcionamiento de la
carga. El paro de una de ellas para todas las demás.
con redundancia N+1, N+2…: sólo N de los UPS o módulos son necesarios para
el funcionamiento de la carga. Los N+1, N+2… se reparten la carga. En caso de
paro de uno de ellos, los demás (hasta un total de N) se reparten la carga.
Î Diagramas de los distintos tipos de configuración y sus características: ver cap. 2.
Re d A C
n ormal
Re d A C
n ormal
Re d A C
No rmal
Re d A C
bypass
Celda Norm al/s oc orro
Carg a
Fig. 1.19: UPS con módulos en paralelo y Normal-Socorro.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 22
Potencia de una configuración paralela redundante
En una configuración paralela redundante de unidades idénticas, los UPS se
reparten la carga. Su potencia unitaria debe permitir la alimentación de la carga
incluso en caso de pérdida total de la redundancia.
La redundancia activa:
mejora la disponibilidad
aumenta la capacidad de sobrecarga
disminuye el índice de carga de los UPS.
Para determinar la potencia, hay que seguir las mismas 4 etapas que para una
configuración unitaria.
Se emplea el mismo tipo de tabla que para un UPS unitario (ver pág. 20).
De ella se deduce la potencia aparente S que debe proporcionar la configuración.
2 - Potencia aparente nominal de los UPS (Sn) de la configuración
Si tenemos una redundancia N+K (por ej.: 2+1), eso significa que:
- N unidades (por ej.: 2) son necesarias para alimentarla
- K unidades (por ej.: 1 más) proporcionan la redundancia.
Cada UPS debe ofrecer una potencia suficiente para que la configuración pueda
funcionar sin redundancia, esto es, con N UPS operativos y K parados.
En este caso, cada una de las N unidades debe tener una potencia aparente
Sn(kVA) así:
Sn(kVA) > S / N.
Hay que elegir dentro de la gama el UPS con una potencia nominal Sn(kVA)
inmediatamente superior a S/N o, en caso necesario, la potencia justo por encima si
el valor encontrado se sitúa demasiado cerca de S/N, con el fin de disponer de un
margen de potencia.
3 - Verificación de la potencia activa
Para la potencia elegida, el UPS suministrará una potencia nominal activa
Pn(kW) = 0,8 Sn(kVA).
Si O t 0,8, hay que asegurarse de que Pn(kW) > P, es decir, que el UPS puede
suministrar la potencia adicional solicitada y, en caso contrario, coger una potencia
superior.
Si O < 0,8, la potencia suministrada por el UPS es suficiente dado que Pn(kW) > O
Sn(kVA); ha sido pues una buena elección.
4 - Índice de carga
Con la redundancia, los UPS se reparten la carga a razón de S / (N+K) cada unidad.
El índice de carga de cada UPS con redundancia es pues:
.TC = S / (N + k) Sn(kVA) .
Y sin redundancia:
.TC = S / N Sn(kVA).
Hay que asegurarse de que el índice seguiría siendo adecuado en caso de una
eventual ampliación.
Ejemplo
Recuperemos los resultados del ejemplo anterior suponiendo que el funcionamiento
de las cargas es lo bastante crítico como para requerir de una redundancia.
Carga total de 54 kW con un factor de potencia global para el conjunto de las
cargas de 0,68, es decir S = 54 / 0,68 = 79,4 kVA.
Si se utiliza una redundancia 2+1, 2 unidades deben poder alimentar la carga.
Cada una de ellas debe proporcionar S / 2 = 79,4 / 2 = 39,7 kVA.
Hay que elegir UPS Galaxy PW de potencia superior suficiente (40 kVA es
demasiado justo), es decir 50 kVA (o más, si se prevé alguna ampliación).
Sin redundancia, dos UPS deben poder alimentar la carga.
Hay que comprobar que 2 x 50 x 0,68 = 68 kW > 54 kW.
El índice de carga en funcionamiento será de:
- con redundancia, 3 UPS se reparten la carga: 79,4 / 3 x 50 = 52,9%
- sin redundancia, 2 UPS se reparten la carga: 79,4 / 2 x 50 = 79,4%.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 23
Control de armónicos aguas arriba
El UPS y los armónicos
aguas arriba
Papel del rectificador de entrada
Los UPS toman la energía de la red alterna a través de un rectificador/cargador.
Para la red aguas arriba, constituye una carga no lineal que genera armónicos.
Desde este punto de vista, existen dos tipos de rectificadores.
Rectificadores convencionales
Se trata de rectificadores trifásicos con tiristores que aplican un montaje en puente
hexafásico y llevan a cabo una conmutación clásica de la corriente.
Este tipo de puente genera corrientes armónicas de rango n = 6 k r 1, (k enteros),
principalmente H5 y H7, y en menor medida H11 y H13.
Entre otros efectos, dichos armónicos acarrean:
una distorsión de la corriente de entrada medida por una THDI (del orden del 35%
a plena carga y el 45% a media carga)
una distorsión correspondiente de la tensión de entrada medida por una THDU
(del orden del 10%, según la impedancia de fuente)
un aumento del valor eficaz de la corriente
un deterioro del factor de potencia.
Es necesario controlarlos, sobre todo para:
evitar perturbaciones en los demás receptores aguas arriba
tener una instalación conforme con las normas de distorsión armónica.
Para el control de los armónicos se utilizan filtros (fig. 1.20).
Î Armónicos, THDU y THDI: ver cap. 1, pág. 11 "Calidad de la tensión para una
carga no lineal" y cap. 5, pág. 44 "Armónicos".
Rectificadores "seguros" PFC (Power Factor Correction)
Se trata de rectificadores constituidos por IGBT integrados y un sistema de
regulación que somete la tensión y la corriente de entrada a una referencia
sinusoidal. Esta técnica proporciona una tensión y una corriente de entrada:
perfectamente sinusoidales, exentas, pues, de armónicos
sincronizadas, es decir, con un factor de potencia de entrada cercano a 1.
En este caso no es preciso filtro alguno.
Î Rectificadores seguros PFC: ver cap. 5, pág. 60.
En cuanto a los UPS de potencia MGE UPS SYSTEMS:
Galaxy 3000 utiliza la tecnología PFC y no requiere ni filtro ni análisis de los
armónicos aguas arriba.
Galaxy, Galaxy PW y 1000 PW precisan un filtrado de armónicos.
En este apartado se presentan las soluciones de filtrado disponibles para estos
UPS.
G
Contro l d e los
armó nicos agu as
arr iba
THDU
THDI
O tras
cargas
Filtro
Corriente
de ent rada
del
rectificador
Carga
Fig. 1.20: Rectificador de entrada y armónicos.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 24
Control de armónicos aguas arriba (continuación)
Filtrado de los armónicos
aguas arriba
Objetivos del filtrado armónico
Red aguas arriba "segura"
Garantizar que la distorsión de la tensión (THDU) a nivel de la barra colectora que
alimenta el UPS es aceptable para todos los demás receptores conectados.
En Francia, las recomendaciones UTE fijan el límite de la THDU en:
un 5% para un funcionamiento con alternador.
un 3% para un funcionamiento con transformador, teniendo en cuenta una posible
distorsión del 1 al 2% procedente de la red HT.
Estas recomendaciones pueden variar en función del país.
A la práctica, el problema de la distorsión de la tensión (THDU) debe ser tratado de
manera específica en cada país donde se efectúa una instalación.
Fácil asociación de un grupo electrógeno
Hacer posible la asociación entre UPS y alternador sin riesgo de que aumenten los
armónicos al pasar al grupo electrógeno. De hecho, este último presenta una
impedancia de fuente inferior a la de un transformador, lo que incrementa el efecto
de los armónicos.
Factor de potencia elevado en la entrada del rectificador
Aumentar el factor de potencia de entrada (normalmente por encima de 0,94).
Así disminuye la demanda en kVA y se evita sobredimensionar las fuentes.
Instalación conforme con las normas
Conformidad con las normas en materia de distorsión armónica y las
recomendaciones de las compañías de distribución eléctrica.
Normas sobre las emisiones armónicas (ver tabla 1.2):
- CEI 61000-3-2 / EN 61000-3-2 para equipos cuya corriente de entrada d 16 A/ph
- CEI 61000-3-4 / EN 61000-3-4 para equipos cuya corriente de entrada > 16 A/ph.
Normas y recomendaciones sobre la calidad de las redes, entre otras:
- CEI 61000-3-5 / EN 61000-3-5
- EN 50160 (Europa)
- IEEE 519-2 (EE.UU.)
- ASE 3600 (Suiza)
- G5/3 (Reino Unido)…
Î Normas sobre los armónicos: ver cap. 5, pág. 31 "Normas de los UPS".
Tabla 1.2: Ejemplo de limitación de las emisiones de corrientes armónicas según la guía
CEI 61000-3-4 / EN 61000-3-4 para equipos cuya corriente de entrada > 16 A/ph
(etapa 1: conexión simplificada).
Armónico
% de H1
H3
21,6%
H5
10,7%
H7
7,2%
H9
3,8%
H11
3,1%
H13
2,0%
H15
0,7%
H17
1,2%
H19
1,1%
H21
d 0,6%
H23
0,9%
H25
0,8%
H27
d 0,6%
H29
0,7%
H31
0,7%
t H33
d 0,6%
H pares
d 0,6% o d 8/n (n rango par)
Tipos de filtros antiarmónicos
Los filtros antiarmónicos permiten eliminar o bien determinados rangos o bien todos
los armónicos, según sea su tecnología. Distinguimos los siguientes tipos:
Î Filtros: ver cap. 5, pág. 50 "Tipos de filtros antiarmónicos".
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 25
Filtro pasivo LC
no compensado
compensado
no compensado con contactor
Filtro doble puente
Filtro phase shifting
Filtro activo THM, tecnología "Active 12-pulses"
Î Filtros activos: ver cap. 3, pág.14.
Filtrado y puesta en paralelo
Para una instalación con varios UPS en paralelo se pueden utilizar distintos filtros:
un filtro individual para cada UPS
un filtro común para toda la configuración en paralelo.
Hay que encontrar la mejor relación eficacia/coste de acuerdo con los límites de
distorsión armónica admisibles.
Las tablas comparativas de las diferentes soluciones (cap. 1, pág. 28) son una
ayuda a la hora de elegir.
Asociación entre un filtro LC y un alternador
El alternador sólo puede proporcionar corrientes capacitivas relativamente bajas
(entre un 10 y un 30% de In). En presencia de un filtro LC, la dificultad radica en el
arranque progresivo del rectificador con el grupo electrógeno si la potencia activa es
nula y el alternador no suministra más que la corriente capacitiva del filtro. Por ello,
hay que prever la utilización de filtros LC que permitan un funcionamiento conforme
con las especificaciones del fabricante. Una manera de hacerlo es mediante el
método que se describe a continuación, en el que se aplica un ejemplo de curva de
desclasificación del alternador como las que suelen proporcionar los fabricantes.
factor de potencia
0,8
0,7
0,9
0,95
1,1
1,0
0,9
0,6
factor de potencia
x 100% de la potencia
activa máxima
0,8
0,95
D
0,9
0,8
0,7
E
F
0,6
0,7
0,5
0,4
0,5
0,6
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,3
0,2
0,2
0,2
0,1
0,1
0,1
0
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
x 100% de
x 100% de
A
B
C
potencia reactiva
potencia reactiva
inductiva máxima
capacitiva máxima
Fig. 1.21: Curva de desclasificación de un alternador en función del factor de potencia de la
instalación.
Sirva como ejemplo, no generalizable, la curva de la fig. 1.21, que muestra la
desclasificación de potencia en función del punto de funcionamiento para un
alternador determinado. Para una carga capacitiva (O= 0), la potencia disponible es
de sólo un 30% de la potencia nominal (punto A). Si tomamos como ejemplo un
alternador de potencia aparente igual a la potencia absorbida por el rectificador, el
significado de los puntos A, B, C, D, E, F es el siguiente:
A: potencia reactiva correspondiente a la corriente capacitiva de un filtro no
compensado
B: potencia reactiva correspondiente a la corriente capacitiva de un filtro
compensado
C: punto de funcionamiento en el arranque con un filtro no compensado con
contactor
D: punto de funcionamiento en la carga nominal con un filtro no compensado
E: punto de funcionamiento en la carga nominal con un filtro compensado
F: punto de funcionamiento en la carga nominal, sin filtro o con un filtro con defasaje
de cargadores (phase shifting).
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 26
Ejemplo
Tenemos un filtro no compensado con un alternador de 300 kVA de potencia y un
UPS Galaxy de 200 kVA de potencia.
La potencia del rectificador, si tomamos un valor de rendimiento del UPS de un 87%,
es de aproximadamente 1/0,87 = 1,15 veces la del UPS, es decir: 200 x 1,15 = 230
kVA.
La corriente capacitiva del filtro no compensado es: 230 x 30% (1) = 69 kVA.
La potencia reactiva que puede soportar el alternador (punto A) es: 300 x 0,3 = 90
kVA.
El filtro es pues compatible con el alternador.
(1) El porcentaje del 30% es un valor experimental de MGE UPS SYSTEMS.
Elección de un filtro
Parámetros a tener en cuenta para la elección de un filtro
Eficacia global: reducción de la distorsión (THDI y THDU)
La eficacia depende de los rangos de armónicos filtrados y de su compensación o
eliminación. Se mide por el nivel de la THDI a la entrada del rectificador y condiciona
la THDU. Hay que comprobar las prestaciones de funcionamiento con el índice de
carga previsto, ya que muchos UPS funcionan con índices de carga de entre el 50 y
el 75%.
Mejora del factor de potencia O
El filtro permite aumentar el factor de potencia (en general por encima de 0,92).
Compatibilidad con un grupo electrógeno
Asimismo, hay que comprobar las prestaciones de funcionamiento según la fuente
utilizada: transformador o alternador de grupo electrógeno. Este último presenta una
impedancia de salida más baja, lo que incrementa el efecto de los armónicos.
Adaptación a las configuraciones de UPS en paralelo
En función del tipo de filtro, conviene utilizar un filtro por UPS o bien un filtro común
para una compensación antiarmónica global.
Rendimiento
El consumo de los filtros puede modificar ligeramente el rendimiento de la
instalación.
Flexibilidad de puesta en marcha y evolutividad
Los filtros suelen ser dedicados a un UPS y vienen instalados de fábrica. Los filtros
THM se pueden añadir una vez finalizada la instalación. El compensador SineWave
ofrece una compensación antiarmónica global y es independiente de la
configuración.
Ubicación y volumen
Hay que determinar si el filtro se instala dentro del UPS, en armario independiente…
Coste
Está directamente relacionado con la eficacia del filtro y debe contrastarse con las
ventajas que ofrece.
Conformidad con las normas
Conformidad con las normas, en concreto con la CEI 61000-3-4, en función de los
índices individuales de armónicos que indican los textos.
Tabla comparativa de las soluciones
Las siguientes tablas reúnen estos parámetros de comparación, con un comentario
global sobre su utilización.
La tabla 1.3 presenta las soluciones individuales dedicadas a una configuración
unitaria. Estas soluciones también pueden ser utilizadas en configuraciones en
paralelo.
La tabla 1.4 muestra las soluciones para una compensación armónica global.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 27
Tabla 1.3: comparativa de las soluciones individuales de filtrado de armónicos
Tipo de filtro
Característica
Circuito
LC
no compensado
LC
compensado
Red
C
Red
C
L
LC
con contactor
Doble puente
Red
THM integrado
Red
Re d
THM
L
C
L
UPS
UPS
UPS
Carga
UPS
Rectifi ca dor
Rectifi ca dor
Carga
C arga
On dula dor
Carga
Carg a
Reducción de la distorsión
THDI con un 100% de carga
Armónicos eliminados
Fig. 1.22a
Fig. 1.22b
Fig. 1.22c
Fig. 1.22d
Fig. 1.22e
7 a 8%
10%
H5, H7
7 a 8%
10%
H5, H7
7 a 8%
10%
H5, H7
10%
15%
H5, H7, H17, H19
4%
5%
H2 a H25
0,95
1
0,95
1
0,95
1
0,85
0,8
0,94
0,94
*
*
*
*
**
Factor de potencia
O con un 100% de carga
Compatibilidad con grupo
*
***
*
***
***
Rendimiento del filtro
Flexibilidad, evolutividad
Coste
Volumen
Puesta en paralelo de UPS
**
***
*
***
***
**
***
*
***
***
**
*
*
*
*
***
**
***
**
***
THM
UPS
Fig. 1.22f
UPS
no
Conformidad con la norma
CEI 61000-3-4
Solución de "bajo
Comentario general
coste" adaptada a las
instalaciones sin
grupo electrógeno.
*** excelente
** bueno
MGE UPS SYSTEMS
UPS
UPS
Fig. 1.22g
no
Solución de "bajo
instalaciones con
grupo electrógeno. La
carga sélfica añadida
reduce la corriente
capacitiva que debe
suministrar el grupo.
UPS
UPS
Rectifi ca dor
Rectifi ca dor
Rectifi ca dor
On dula dor
Fig. 1.22h
no
Solución de "bajo
instalaciones con
grupo electrógeno de
potencia inferior a la
del UPS. El contactor
pone en servicio el
ramal LC a un valor
predeterminado que
corresponde a un
índice de carga del
UPS aceptable por el
grupo electrógeno.
Rectifi ca dor
THM
THM
UPS
UPS
UPS
On dula dor
Fig. 1.22i
no
Solución de "alto
coste" (doble
rectificador,
transformador con
doble secundario o
autotransformador)
bastante compleja
que debe montarse
en fábrica.
No se adapta bien a
la evolutividad de la
carga.
Fig. 1.22j
sí
Solución adaptada a
las instalaciones
sensibles y
evolutivas.
Es la más eficaz y la
más flexible de poner
en práctica. Es
independiente del
índice de carga y del
tipo de fuente aguas
arriba.
* regular
cap. 1 - pág. 28
Control de los armónicos aguas arriba (continuación)
Tabla 1.4: comparativa de las soluciones de compensación armónica global
Tipo de filtro
Característica
Circuito
SineWave
Phase shifting
Red
Red
Red
Re d
SW
UPS
UPS
UPS
carga
Reducción de la distorsión
Armónicos afectados
Flexibilidad, evolutividad
Coste
Volumen
** bueno
MGE UPS SYSTEMS
UPS
carga
UPS UPS UPS UPS
Ca rga
Fig. 1.23d
4%
5%
< 10%
35% con 1 UPS
parado
< 5%
19% con 1 UPS
parado
< 4%
12% con 1 UPS
parado
sí
Conformidad con la norma
CEI 61000-3-4
Solución adaptada a las instalaciones
Comentario global
sensibles y evolutivas. Es la más eficaz y la
más flexible de poner en práctica.
Es independiente del índice de carga y del
tipo de fuente aguas arriba.
*** excelente
UPS
Fig. 1.23c
***
***
***
***
***
Rendimiento del filtro
carga
UPS
Fig. 1.23b
0,95
1
Compatibilidad con grupo
UPS
Fig. 1.23a
H2 a H25
Factor de potencia
UPS
0,8
0,8
**
**
*
***
*
sí
Solución no evolutiva adaptada a las instalaciones de más de 2
UPS en paralelo.
* regular
cap. 1 - pág. 29
Esquemas de conexión a tierra (E.C.T.)
Recordatorio sobre los
E.C.T.
Protección de las personas contra los contactos eléctricos
Las normas internacionales imponen dos tipos de medidas de protección de las
personas contra los peligros de la corriente en las instalaciones eléctricas.
Protección contra los contactos directos
Estas medidas tienen por objetivo evitar el contacto "directo" de las personas con las
partes activas (piezas conductoras), que normalmente se encuentran bajo tensión
(fig. 1.24).
Conllevan las siguientes disposiciones:
aislamiento de las partes activas por medio de barreras o envolventes que
posean por lo menos el grado de protección IP2X o IPXXB
posibilidad de abertura de la envolvente (puertas, cajones…) restringida al uso de
una llave o herramienta o bien una vez que las partes activas estén fuera de tensión
o tras interponer automáticamente una pantalla.
conexión de la envolvente metálica al conductor de protección.
Protección contra los contactos indirectos y los E.C.T.
El objetivo de estas medidas es proteger a las personas en caso de contacto
"indirecto" con masas accidentalmente puestas bajo tensión debido a un fallo de
aislamiento. A causa de la corriente del fallo, la masa se vuelve vulnerable a un
potencial que puede ser suficientemente elevado como para generar una corriente
peligrosa que se transmite a la persona por contacto con dicha masa (fig. 1.24).
Estas medidas conllevan las disposiciones siguientes:
puesta a tierra obligatoria de cualquier masa conductora accesible al usuario.
La conexión a tierra se efectúa a través del conductor de protección, que no debe
ser desconectado bajo ningún concepto (prohibida la puesta a tierra con dispositivos
de desconexión). El modo de interconexión y puesta a tierra de las masas
conductoras de la instalación define el E.C.T. de la misma.
desconexión de la instalación cuando el potencial de las masas pueda ser
peligroso. La desconexión se efectúa mediante un dispositivo de protección que
depende del E.C.T. utilizado. A menudo requiere dispositivos diferenciales
residuales (DDR), pues las corrientes de fallos de aislamiento suelen ser
demasiado bajas para que las protecciones contra sobreintensidades habituales
puedan detectarlas.
Corriente
defecto
U
Juego de
barras
Tierra
I
Corriente
peligrosa
Fallo de
aislamiento
Tierra
Fig. 1.24: Contactos directos e indirectos.
Tipos de esquemas de conexión a tierra
Existen tres esquemas de conexión a tierra distintos:
Neutro aislado: IT
Neutro a tierra: TT
Puesta a neutro: TN con TN-C o TN-S.
Las dos letras que los identifican indican, respectivamente, las condiciones de
conexión del neutro y de las masas metálicas de los receptores.
1ª letra
Conexión del neutro
T = neutro a tierra
2ª letra
Conexión de las masas
metálicas
T = masas metálicas a tierra
3ª letra (para TN)
Tipo de conductor de
protección
C = neutro y conductor de
protección comunes (PEN)
S = neutro (N) y conductor de
N = masas metálicas a neutro
Esquemas de connexion a tierra IT, TT o TN
I = neutro aislado
MGE UPS SYSTEMS
Edición 04/2007
protección (PE) separados
TN-C o TN-S
cap. 1 - pág. 30
Esquemas de conexión a tierra (E.C.T.) (continuación)
Esquemas de conexión a tierra
Neutro aislado: IT
El neutro de la fuente se encuentra:
- o bien aislado de tierra (neutro aislado)
- o bien conectado a tierra por una impedancia
elevada (neutro impedante).
Las masas están conectadas a tierra.
L1
L2
L3
N
PE
Zres
Id
RA
Ud
Fig. 1.25: Régimen IT.
Neutro a tierra: TT
El neutro de la fuente está conectado a
tierra.
Las masas protegidas por un mismo
dispositivo de desconexión están conectadas
a tierra.
L1
L2
L3
N
PE
RB
Id
RA
Ud
Ej.: Fallo fase-masa en un receptor.
Uo la tensión simple de la red (230 V).
Corriente de 1er fallo
RA= 10 : et Zres= 3500 : (por orden
creciente),
Id = Uo / (RA + Zres) = 66 mA.
Tensión de 1er fallo
Ud = Uo x RA / (RA + Zres) = 0,66 V.
Potencial sin peligro.
El fallo debe ser señalado (por CPI),
localizado (por un dispositivo de búsqueda) y
reparado.
Corriente de 2º fallo
Un 2° fallo de aislamiento provoca un
cortocircuito fase-fase o fase-neutro. Debe ser
eliminado por las protecciones de
sobreintensidad en un lapso de tiempo acorde
con las normas.
Ej.: Fallo fase-masa en un receptor.
Uo la tensión simple de la red (230 V).
Corriente de fallo
ej.: RA= 10 : et RB= 5 :, es decir:
Id = Uo / (RA + RB) = 15,3 A.
Tensión de fallo
Ud = Uo x RA / (RA + RB) = 153 V.
Potencial peligroso (superior a 50 V).
El fallo debe ser eliminado por las
protecciones en un tiempo inferior al que
indican las normas.
Dada la poca intensidad de fallo (sobrecarga),
el tiempo de reacción del térmico del disyuntor
es demasiado largo (algunos segundos). Se
requiere una protección con dispositivo
diferencial residual (DDR).
Fig. 1.26: Régimen TT.
Puesta a neutro: TN
Neutro de la fuente directamente a tierra.
Masas de la instalación conectadas al
Impedancia del bucle de fallo
Zb = ZABCDEF (parte de circuito ABCDEF)
Zb | ZBCDE | 2.ZDE pues ZBC = ZDE (BC y DE
idénticos, impedancia de fallo insignificante)
Ej.: receptor alimentado por un cable de cobre
2
de 50 mm y 50 m de largo (para fase y PE).
2
Zb = 2 U L / S con U = 22,5 :. mm /m
-3
Zb = 2 x 22,5 10 x 50 / 50 = 45 m:.
Tensión de fallo
Se admite una caída de la tensión de hasta el
20% en la tensión simple Uo, por ello: UBE =
0,8 U0.
Como ZBC = ZDE, la masa se lleva a:
Ud = UBE / 2 = 0,8.Uo / 2 = 92 V
Corriente de fallo
-3
Id = 0,8.Uo / Zb = 0,8 x 230 / 45.10 = 4089 A
El dispositivo de protección contra
sobreintensidades efectúa la desconexión en
el tiempo máximo que especifican las normas.
La corriente de fallo depende de la impedancia
del bucle de fallo.
Hay que verificar que la corriente de fallo es
superior al umbral de funcionamiento de la
protección en todos los puntos de la red.
Fig. 1.27: Régimen TN-S (el principio para el TN-C es el mismo).
neutro, y por consiguiente a tierra, mediante el
conductor de protección (PEN). Esta conexión
transforma cualquier fallo de aislamiento en un
cortocircuito fase/neutro.
Conductor de protección mantenido a un
potencial cercano al de tierra mediante
enlaces en múltiples puntos.
MGE UPS SYSTEMS
Edición 04/2007
cap. 1 - pág. 31
Tabla comparativa de los E.C.T.
Tipo de E.C.T.
Técnica de
explotación
IT (neutro aislado)
Señalización del 1er fallo
de aislamiento.
Búsqueda y eliminación
TT (neutro a tierra)
TN-S (puesta a neutro)
TN-C (puesta a neutro)
Desconexión al 1er fallo de Desconexión al 1er fallo de Desconexión al 1er fallo de
aislamiento.
er
Técnica de
protección de las
personas
Material específico
Ventajas e
inconvenientes
CEM
Utilización
del 1 fallo.
Desconexión al 2º fallo.
Interconexión y puesta a
tierra de las masas.
1er fallo:
- corriente muy baja
- control/señal por CPI.
2º fallo:
- corriente lo bastante fuerte
para suponer un peligro
- desconexión mediante
protecciones contra
sobreintensidades (por ej.:
disyuntor).
aislamiento.
Neutro (N) y conductor de
protección (PE)
independientes.
tierra de las masas y el
neutro obligatorias.
1er fallo
- corriente de fallo
protecciones contra
disyuntor).
Puesta a tierra de las
masas asociada a la
utilización de dispositivos
diferenciales residuales
(DDR).
1er fallo:
- corriente de fuga peligrosa
pero demasiado baja para
las protecciones contra
sobreintensidades
- detección mediante DDR
asociado a un dispositivo de
desconexión.
Dispositivos diferenciales
Para distancias importantes,
Controlador de aislamiento
incorporar DDR.
permanente (CPI) y sistemas residuales (DDR).
de búsqueda de fallo.
Solución que ofrece la
Solución más sencilla para Coste de instalación
mejor continuidad de
el estudio e instalación.
elevado si se trata de
er
servicio (señalización del 1
potencias importantes.
Presencia de diferencial
fallo).
Estudio difícil de realizar
obligatoria.
Necesidad de personal de Pozos de tierra distintos
(cálculo de las impedancias
de bucle).
control competente
(fuente muy lejana).
er
(búsqueda del 1 fallo).
Circulación de fuertes
Muy sensible al rayo.
Eficaz en CEM: corrientes
corrientes de fallo.
muy bajas en el cable de
Muy eficaz en CEM:
tierra.
poca corriente en el PE en
funcionamiento normal.
Instalaciones que
Sector servicios:
Sector servicios (obras de
requieren continuidad de
alojamiento, alumbrado
envergadura): inmuebles de
servicio: hospitales,
público, locales escolares… gran altura…
aeropuertos, procesos
Industrias sin procesos
industriales, barcos.
continuos (con régimen IT).
Instalaciones y locales con
Alimentación de los
riesgo de incendio o
sistemas informáticos.
explosión: minas…
Aplicación a las redes con
UPS
aislamiento.
Neutro y conductor de
protección comunes (PEN).
tierra de las masas y el
neutro obligatorias.
1er fallo
- corriente de fallo
protecciones contra
disyuntor).
Coste de instalación
ajustado (ahorro de un
conductor).
Estudio difícil de realizar
(cálculo de las impedancias
de bucle).
Circulación de fuertes
corrientes de fallo.
Poco eficaz en CEM:
corrientes importantes en el
PEN (enlaces entre masas).
Sector servicios (obras de
envergadura): inmuebles de
gran altura…
Industrias sin procesos
continuos (con régimen IT).
Alimentación de los
Especificidades de las redes con UPS
Para traspasar las medidas descritas anteriormente a las redes con UPS es
necesario tomar una serie de precauciones, por las siguientes razones:
el UPS desempeña una doble función:
- de receptor para la red aguas arriba
- de fuente de energía para la red aguas abajo.
cuando la batería no está instalada en un armario, un fallo de aislamiento en la red
continua puede conllevar la circulación de una componente diferencial continua, que
podría perturbar el funcionamiento de determinadas protecciones, en particular de
los diferenciales utilizados como medida de protección de las personas.
Protección contra los contactos directos
Todos los UPS de MGE UPS SYSTEMS cumplen con las condiciones
correspondientes gracias a su instalación en celdas con un nivel de protección IP 20.
Lo mismo ocurre con las baterías cuando van instaladas en armarios.
En caso de que las baterías estén instaladas sin armario, normalmente en un local
reservado a este efecto, conviene tomar las medidas que se describen al final del
capítulo.
MGE UPS SYSTEMS
Edición 04/2007
cap. 1 - pág. 32
Protección contra los contactos indirectos
Elección de un E.C.T.
Una primera medida de protección impuesta por las normas es instalar un E.C.T.
homologado aguas arriba y aguas abajo del UPS. Ambos regímenes pueden ser
iguales o distintos, siempre que se tomen ciertas precauciones.
Para una instalación ya existente a la que se añade un sistema UPS, el régimen
aguas arriba debe estar definido de antemano. La elección del régimen aguas abajo,
igual o distinto al primero, dependerá de la compatibilidad con la explotación de las
cargas sensibles.
La tabla de la página anterior proporciona elementos de comparación entre los
distintos E.C.T. homologados.
) Atención: es posible que algunas reglamentaciones locales prohíban
determinados tipos de E.C.T..
Elección de los dispositivos de activación
Además de la interconexión y la puesta a tierra de las masas según un E.C.T.
homologado, la protección de las personas también debe ser garantizada mediante
dispositivos de desconexión que dependerán de dicho régimen.
Estos dispositivos sirven para poner en marcha las protecciones contra
sobreintensidades en caso de fallo de aislamiento. Las protecciones se activan:
o bien directamente, de acuerdo con los ajustes pertinentes (disyuntores, fusibles).
o bien gracias a la aplicación, algunas veces obligatoria (régimen IT), de
Dispositivos Diferenciales Residuales (DDR) integrados o no al disyuntor.
Estos dispositivos son necesarios para detectar las corrientes de fallos de
aislamiento, a menudo demasiado bajas para solicitar las protecciones contra
sobreintensidades habituales.
) Consultar la normativa local en materia de seguridad de las instalaciones
eléctricas.
Tipos de E.C.T. con UPS
Para determinar los tipos de régimen posibles hay que tener en cuenta:
el régimen aguas arriba del UPS: ya existente o ya elegido
el régimen aguas abajo del UPS, cuya elección puede depender de:
- la decisión de utilizar el mismo régimen que aguas arriba
- la presencia de transformadores de aislamiento aguas arriba/aguas abajo, que
permiten cambiar de E.C.T. entre aguas arriba y aguas abajo
- las cargas (por ej.: las cargas informáticas requieren un régimen TN-C o TN-S)
- la organización de la distribución aguas abajo, con sistemas de transferencia
estática.
determinadas prohibiciones normativas: por ejemplo, no se debe cortar jamás el
conductor de protección, PE o PEN, para permitir que la corriente de fallo circule. Se
puede instalar un régimen TN-C (con PEN sin cortar) aguas arriba de un régimen
TN-S (con N y PE separados), pero no al revés.
En la práctica, MGE UPS SYSTEMS ofrece dos tipos de UPS (fig. 1.28):
los que disponen de transformador en la salida: gamas Galaxy 6000, Galaxy PW y
Galaxy 1000 PW
los que no disponen de transformador: gamas Comet, Galaxy 3000 y Galaxy 5000
Con transformador en salida
(Galaxy 6000 y Galaxy PW)
Sin transformador en salida
(Comet, Galaxy 3000, Galaxy 5000)
Redes normal y by-pass independientes
Fig. 1.28: Regímenes estándar.
MGE UPS SYSTEMS
Edición 04/2007
Normal y by-pass comunes
cap. 1 - pág. 33
Existen numerosos E.C.T., aplicables en función del régimen aguas arriba y del
existente aguas abajo, así como del tipo de UPS empleado. A continuación se
muestran algunos ejemplos que ilustran las principales disposiciones posibles (fig.
1.29 y 1.30).
Mismo régimen aguas arriba y aguas abajo
IT o TT o TN-S.
Neutro distribuido solamente en red by-pass
IT o TT o TN-S.
Neutro distribuido en ambas redes.
IT o TT o TN-S
Neutro distribuido.
TN-C
Galaxy 3000, Galaxy 5000
Galaxy 6000 o Galaxy PW
Comet, Galaxy 3000, Galaxy 5000
Fig. 1.29: Ejemplos con idéntico régimen aguas arriba y aguas abajo.
Distinto régimen aguas arriba y aguas abajo
TGBT
PE
TT o TN-S
Enlace
sust it uido
por un C PI
en IT
PE o PEN
Cambio de E.C.T.
por IT o TT o TN-S aguas abajo.
Cambio de E.C.T.
por IT o TT o TN-S aguas abajo.
Cambio de E.C.T.
por TN-C aguas abajo.
Cambio de E.C.T.
por TN-C aguas abajo.
Comet, Galaxy 3000, Galaxy 5000
Fig. 1.30: Ejemplos con distintos regímenes aguas arriba y aguas abajo.
MGE UPS SYSTEMS
Edición 04/2007
cap. 1 - pág. 34
Protecciones
Protección con disyuntores
En las páginas siguientes se estudia la protección de una instalación con UPS
mediante disyuntores. A continuación describimos las características principales de
un disyuntor y sus interruptores. Las referencias indicadas como ejemplo
corresponden a los disyuntores de Schneider Electric. Otras características como la
limitación térmica o de la corriente, que constituyen los puntos fuertes de los
disyuntores de la serie Compact NS, no serán tratadas aquí.
Î Para informaciones más detalladas, consulte el catálogo de la "Distribución de
Baja Tensión" y la "Guía de la Instalación Eléctrica" de Schneider Electric.
Interruptores
Tecnología
Existen 2 tipos de disyuntores:
magnetotérmicos
electrónicos.
Montaje
Según su instalación, pueden ser:
integrados (solamente los magnetotérmicos)
intercambiables.
Comparativa
Los interruptores magnetotérmicos son sencillos y económicos.
Los interruptores electrónicos permiten un ajuste más preciso y completo; además,
se adaptan mejor a la instalación y sus limitaciones.
La siguiente tabla resume las características de los interruptores para 2 tipos de
disyuntores distintos (de 1 a 630 A) capaces de resolver la mayor parte de los
problemas más frecuentes (de 1 a 400 kVA).
En la figura 1.31 aparecen informaciones básicas sobre los interruptores.
Protección
Abrev. Definición
Corriente de ajuste del interruptor
de sobrecarga.
Todos los interruptores
Retrasa la acción de retardo largo
(arranque de motor, por ejemplo).
Protección contra los Im
cortocircuitos
(magnético o poco
retardado)
de cortocircuito. Para los
interruptores electrónicos, Im es
función de Ir (por lo general, de 2 a
10 Ir).
Retrasa la acción de retardo corto
(selectividad cronométrica con el
disyuntor aguas abajo, por
ejemplo).
de cortocircuito instantáneo.
Sólo en función del calibre del
interruptor (ej.: protección de los
contactores estáticos).
Interruptores
electrónicos
(ej.: STR53UE, 53SV)
Todos los interruptores
Temporización del
retardo corto
tm
Protección contra los Inst
cortocircuitos de
acción instantánea
MGE UPS SYSTEMS
Disponible en
Protección contra las Ir o Irth
sobrecargas (térmica
o muy retardada)
Temporización del
tr
retardo largo
Interruptores
electrónicos
(ej.: STR53UE,53SV)
Interruptores
electrónicos
(ej.: STR22SE, 23SE,
23SV, 53SV, 22ME,
23ME).
cap. 1 - pág. 35
Protecciones (continuación)
100
Réglable sur tous
les déclencheurs
Réglable sur les
déclencheurs
électroniques
Seuil Ir
long
retard
10
Réglable sur les
déclencheurs
électroniques
universels
Temporisation
seuil Ir
Sélectivité
ampèremétrique
Disjoncteur
aval
Disjoncteur
amont
temps de déclenchement en secondes
1
court
retard
0,1
Temporisation
Seuil Im
Sélectivité
chronométrique
0,01
Court-circuit
Instantané
Sélectivité
énergétique
(Compact NS)
0,001
Ir
Court-circuit
alternateur
Im
Démarrage
moteur
asynchrone
Inst
Icu
Enclenchement
transformateur
Fig. 1.31: Curvas de apertura de los disyuntores.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 36
Selectividad, filiación, limitación
Selectividad
Es una opción de los disyuntores y sus ajustes que sirve para que, en caso de fallo,
sólo se accione el disyuntor inmediatamente aguas arriba del fallo.
La selectividad permite limitar al máximo la zona de la instalación afectada por el
fallo. Existen varios tipos de selectividad, que se recogen en la siguiente tabla y se
ilustran en la figura de la página anterior.
Limitación
En caso de una corriente de fallo fuerte, los contactos del disyuntor se separan por
efecto de las fuerzas electromagnéticas, se crea un arco y su resistencia limita la
energía del cortocircuito.
Filiación
Cuando se produce un cortocircuito aguas abajo de la instalación (fig. 1.32), la
corriente de fallo también circula a través del disyuntor aguas arriba, que impone
una limitación y atenúa el trabajo del disyuntor aguas abajo. La capacidad de corte
de este último se ve reforzado.
Selectividad
Amperométrica
Disponible en
Todos los tipos
de interruptores
Cronométrica
Sólo los
interruptores
electrónicos
(ej.: serie STR)
Sólo Compact
NS
Energética
Lógica
De Compact
NS 400 a
Masterpact con
interruptores
STRxxUE
Principio
La corriente de fallo es inferior al umbral
predeterminado aguas arriba.
Ir aguas arriba > Ir aguas abajo y Im aguas
arriba > Im aguas abajo.
Retrasar la apertura aguas arriba mediante
la temporización del retardo largo (Ir) y el
retardo corto (Im).
La presión de arco aguas arriba es
insuficiente para disparar la apertura del
disyuntor aguas arriba pero suficiente para
el disyuntor aguas abajo.
Retrasar la apertura aguas arriba si el
disyuntor aguas abajo también detecta el
cortocircuito.
Un cable piloto enlaza los interruptores
aguas arriba/abajo.
En cas de court-circuit,
le disjoncteur amont
s'ouvre partiellement et
limite le courant,
tandis que le
disjoncteur
aval s'ouvre
entièrement
Fig. 1.32: Selectividad y filiación aguas abajo.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 37
Elección de los
disyuntores
Elección del calibre
El calibre (corriente asignada) debe tener un valor inmediatamente superior a la
corriente asignada del cable aguas abajo protegido.
Elección de la capacidad de corte
La capacidad de corte debe tener un valor inmediatamente superior a la corriente de
cortocircuito que puede irrumpir en un punto determinado de la instalación.
Elección de los umbrales Ir e Im
La siguiente tabla proporciona las indicaciones para predeterminar los umbrales Ir e
Im en función de los interruptores aguas arriba y aguas abajo que harán posible la
selectividad.
Observaciones:
La selectividad cronométrica debe ser ajustada por personal cualificado porque la
temporización de la apertura aumenta la limitación térmica (I2t) aguas abajo (cables,
semiconductores, etc.). Hay que ser muy prudente al retrasar la apertura de D2 con
la temporización del umbral Im.
La selectividad energética es independiente del interruptor y solamente afecta al
disyuntor.
Umbrales Ir e Im en función de los interruptores aguas arriba y aguas abajo
Tipo de salida aguas
abajo
Interruptor aguas abajo
Red de distribución
Motor asíncrono
Relación
Ir aguas arriba/
Ir aguas abajo
todos los tipos
>1,6
>3
Relación
Im aguas arriba /
Im aguas abajo
magnético
>2
>2
Relación
Im aguas arriba /
Im aguas abajo
electrónico
>1,5
>1,5
Un cortocircuito en el alternador: un caso particular
La figura 1.33 muestra el comportamiento de un alternador afectado por un
cortocircuito.
Para salvar la posible incertidumbre sobre el tipo de excitación, conviene optar por
una apertura a la primera punta (3 a 5 In según X"d) con la ayuda de la protección
Im, que no se debe temporizar.
Fig. 1.33: El alternador afectado por un cortocircuito.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 38
Ejemplo
Recuperemos el ejemplo utilizado para determinar la potencia (cap. 1, pág. 21),
según el cual teníamos las siguientes cargas trifásicas 400 V en paralelo:
Informática: SC = 4 x 10 kVA, O = 0,6, corriente de llamada 8 In en 4 ciclos (80 ms)
Variador de velocidad: SC = 20 kVA, O = 0,7, corriente de llamada 4 In en 5 ciclos
(100 ms)
Transformador: SC = 20 kVA, O = 0,8, corriente de llamada 10 In en 6 ciclos (120
ms).
La totalidad de las cargas supone 54 kW con un factor de potencia de 0,68.
En el cap. 1 (pág. 21) se ha optado por un UPS Galaxy PW de 100 kVA de
corriente nominal: I = 100 / (400 x
3 ) = 144 A.
Transformador 630 kVA
Grupo 400 kVA
Determinar D1 y D2
Potencia nominal aparente
de salida
100 kVA
In = 144 A
Factor de potencia
en salida del UPS
del conjunto de las cargas
O = 0,68
Determinar D3 como el
más potente para
selectividad
Potencia total consumida
40 kVA
por las cargas
O1 = 0,6
P (kW) = 54 kW
Fig 1.34: Ejemplo de instalación.
20 kVA
O2 = 0,7
Potencia máxima activa de
salida (que el UPS puede
suministrar a las cargas)
20 kVA
O Sn (kVA) = 68 kW
cos M = 0,8
Debemos determinar D1, D2 y el disyuntor D3 como el más potente para verificar las
condiciones de selectividad con la siguiente alimentación aguas arriba:
transformador: 20 kV / 380 V de potencia 630 kVA.
generador de grupo electrógeno: 380 V de potencia 400 kVA.
enlace transformador TGBT con 5 m de cable de aluminio de 4 x 240 mm2 por
fase.
enlace entre barra colectora y disyuntor de 4 m con 3 barras de cobre de 400
mm2/ph.
Cálculo del calibre y la capacidad de corte de D1 y D2
La capacidad de corte de D1 y D2 depende de la corriente de cortocircuito a la altura
del TGBT. Dicho valor de cortocircuito aguas arriba suele ser indicado por la
compañía eléctrica, pero también es posible calcularlo. Para ello, hay que calcular la
suma R de las resistencias aguas arriba y la suma X de las reactancias aguas arriba
del punto en cuestión.
Con la siguiente fórmula se obtiene la corriente de cortocircuito trifásica:
U
Icc tri =
3 R2 X 2
U tensión compuesta entre fases en vacío (incremento de la tensión en carga de
entre un 3 y un 5%)
R = 6 Raguas arriba y X = 6 Xaguas abajo
En este ejemplo aplicamos el método general, simplificando un poco para reducir el
número de cálculos.
Î Para una información más detallada, ver el Cuaderno Técnico N° 158 "Cálculo de
las corrientes de cortocircuito" de Schneider Electric.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 39
Red aguas arriba
Ra, Xa
MT
Fuentes
Rtr Xtr
GE
BT
CGBT
D2
D1
Entrada
normal
Entrada
bypass
Enlace cable salida fuente TGBT
Rc, Xc
Disyuntor general
Rd, Xd
Barra colectora TGBT
Rb, Xb
UPS
Fig. 1.35: Cálculo de la corriente de cortocircuito en D1 y D2.
Hay que calcular las resistencias y reactancias aguas arriba de D1 y D2 de la fig.
1.34.
Red aguas arriba del transformador
Pcc = potencia de cortocircuito aguas arriba = 500 MVA = 500 x 106 VA
U20 = tensión en vacío entre fases en el secundario del transformador
400 V, incrementada en un 3%, esto es 410 V
Ra = resistencia aguas arriba | 15% Xa, ignorada en presencia de Xa
Xa = reactancia aguas arriba "arrastrada" hacia el secundario del transformador.
Xa =
U20 2
410 2
= 0,288 m:
=
Pcc
500 x 10 6
Ra | 0
y
Xa = 0,33 m:.
Transformador:
Sn = potencia aparente nominal 630 kVA
In = intensidad nominal = 630 / U 3 = 630 103 / (400 x 3 ) = 909 A
Ucc = tensión de cortocircuito del transformador = 4%
Pcu = pérdidas en cobre del transformador en VA.
Pcu
Rtr = resistencia del transformador =
| 20% Xtr, ignorada en presencia de Ztr
3 In2
Xtr | Ztr = impedancia del transfo. =
Rtr | 0
y
Xtr = 10,7 m:.
U20 2
x Ucc = 4102 x 0,04 / 630 103 = 10,7 m:
Sn
Cables que unen el transformador con el TGBT
Longitud: 5 m
Sección: 240 mm2
U = capacidad de resistencia a la temperatura normal de los conductores de cobre:
U = 22,5 m:.mm2/m, de aluminio: U = 36 m:.mm2/m
Xc = reactancia del conductor (normalmente 0,08 m:/m) = 0,08 x 5 = 0,4 m:
L
= 22,5 x 5 / (4 x 240) = 0,12 m:.
Rc = resistencia de los cables (cobre) = U
S
Rc = 0,12 m: y Xc = 0,4 m:.
Disyuntor general
Valores habituales
Rd | 0 y Xd = 0,15 m:.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 40
Barra colectora
Xb = reactancia de la barra (normalmente 0,15 m:/m) = 0,15 x 4 = 0,6 m:
L
= 22,5 x 4 / (3 x 400) = 0,075 m: insignificante
Rb = resistencia de la barra = U
S
Rb | 0 y Xb = 0,6 m:.
Icc a nivel de D1 y D2 con alimentación del transformador
R = Resistencia total aguas arriba = 0,12 m:
X = Reactancia total aguas arriba = 0,33 + 10,7 + 0,4 + 0,15 + 0,6 =12,18 m:
R puede ser ignorada ante X.
U
410
U
|
= 19,4 kA
Icc tri =
2
2
3
X
3 x 12,18 x 10 3
3 R X
Nota: la intensidad de cortocircuito en las bornas del transformador determina un
orden creciente de valores, suponiendo una potencia de cortocircuito aguas arriba
infinita.
ICCT = en las bornas del transformador = In / Ucc = 20 In = 20 x 909 = 18,2 kA.
Icc a nivel de D1 y D2 con generador
potencia aparente nominal del alternador del grupo generador = 400 kVA
intensidad nominal del grupo = 400 / U 3 = 400 103 / (400 x 3 ) = 577 A
X"d = tensión de cortocircuito del generador = 10%
Se opta por activar a 5 In (ver fig. 1.33)
ICCG = en las bornas del grupo generador = 5 In = 5 x 577 = 2,9 kA
Corriente permanente de D1
Es la corriente en la entrada del UPS. Se incrementa en un 20%, es decir 120 kVA,
la potencia del UPS para tener en cuenta el rendimiento.
3
Ientrada = 120 / U 3 = 120 10 / (400 x 3 ) = 173 A
Corriente permanente de D2
Es la corriente permanente de las cargas alimentadas a través del by-pass, es decir
54 kW con un factor de potencia de 0,68: potencia aparente S = 54 / 0,68 = 67,5
KVA.
3
Icarga = 67,5 / U 3 = 120 10 / (400 x 3 ) = 97 A
Corriente de conexión de la carga más fuerte
Las cargas se conectan de manera escalonada. La irrupción de corriente más
importante corresponde al transformador de 20 kVA, es decir In = 28,8 A y 10 In =
288 A - 120 ms.
Cálculo de corriente máxima del contactor estático
Es la corriente de cortocircuito a nivel de D3, que prácticamente coincide con la de
D2.
Parámetros de elección
La siguiente tabla resume los distintos valores calculados.
Parámetros
corriente de cortocircuito con transformador
corriente de cortocircuito con generador
corriente del rectificador en la entrada del UPS
corriente permanente de las cargas aguas abajo del UPS
corriente de conexión de la carga más potente
corriente máxima del contactor estático
Valor
19,4 kA
2,9 kA
173 A
97 A
288 A - 120 ms
19,4 kA
Características de D1 y D2
Característica
Capacidad de corte
Corriente permanente
Umbral Ir
Umbral Im
D1
D2
>19,4 kA, es decir 25 kA >19,4 kA, es decir 25 kA
>173 A, es decir 200 A
>97 A, es decir 125 A
> 173 A +20%
> 97 A + 20%
> 173 A + 20% y
> 288 A +20% y
< 2,9 kA -20%
< 2,9 kA -20%
El 20% es el margen de tolerancia habitual de los ajustes de los disyuntores.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 41
Características del disyuntor D3 más potente:
Fuentes
Disyuntores entrada
By-pass estático
Impedancia insignificante
Fig. 1.36: Cálculo de la corriente de cortocircuito en D3.
Disyuntores salida
Icc en D3 | Icc en D2
Funcionamiento con red 2
Capacidad de corte
La corriente de cortocircuito más elevada aguas abajo de D3 es casi igual a la de
D2, pues se considera que las salidas se encuentran cerca del UPS.
Así, la capacidad de corte de D3 también es de 25 kA.
Calibre: está determinado por la carga más potente, es decir, los 4 x 10 kVA de la
informática, con una corriente permanente de:
Icarga = 40 / U 3 = 40 103 / (400 x 3 ) = 57 A
Hay que elegir un 60 A.
Ajustes
Como la mayoría de cargas son de tipo distribución, el umbral Ir de D3 debe ser
inferior a 97 A / 1,6 es decir < 61 A.
El umbral Im debe ser < 1847 / 2 es decir < 900 A.
Funcionamiento sin red 2
En este caso, el UPS afectado por un cortocircuito limita su corriente a 2,33 In
durante 1 segundo.
Para los UPS de MGE UPS SYSTEMS, los resultados experimentales determinan
que el calibre del disyuntor D3 más potente debe ser < 0,5 In para efectuar la
selectividad.
Comprobemos que sea así para el disyuntor de las cargas informáticas:
60 A < 0,5 x 144 = 72 A.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 42
Conexiones
Elección de la sección de
los cables
Calentamiento y caída de tensión de los cables
La sección de los cables depende:
del calentamiento admisible
de la caída de tensión admisible.
Cada uno de estos dos parámetros establece una sección mínima admisible para
una alimentación determinada. Hay que quedarse con la mayor de ambas
secciones.
A la hora de definir el trazado de los cables, se debe tener en cuenta la distancia
que hay que respetar entre los circuitos de "corrientes flojas" y los circuitos de
"potencia" para evitar la influencia de las corrientes de parásitos HF.
Calentamiento
El calentamiento admisible en los cables está limitado por la resistencia de los
aislantes.
El calentamiento de los cables depende:
del material del interior (cobre o aluminio)
del sistema de instalación
del número de cables de unión.
Las normas fijan la intensidad máxima admisible para cada tipo de cable.
Caídas de tensión
Valores máximos
Las caídas de tensión máximas admisibles son:
un 3% en los circuitos de corriente alterna de 50 o 60 Hz
un 1% en los circuitos de corriente continua.
Tablas de referencia
Las siguientes tablas establecen la caída de tensión en % para un circuito de
100 m de cable de cobre. Para calcular la caída de tensión en un circuito de una
longitud L, hay que multiplicar el valor de la tabla por L/100.
Si la caída de tensión supera un 3% en corriente trifásica o un 1% en corriente
continua, se debe aumentar la sección de los conductores para respetar dichos
valores.
Caída de tensión para una longitud de cable de 100 m
Sph: sección de los conductores,
In: corriente nominal de las protecciones del circuito en cuestión.
Circuito trifásico (conductores de cobre)
50-60 Hz - 400 V trifásico, cos M = 0,8, sistema equilibrado tri + N.
2
Sph (mm ) 10
16
25
35
50
70
95
120 150
0,9
In (A) 10
1,2
16
1,6
1,1
20
2,0
1,3
0,9
25
2,6
1,7
1,1
32
3,3
2,1
1,4
1,0
40
4,1
2,6
1,7
1,3
1,0
50
5,1
3,3
2,2
1,6
1,2
0,9
63
5,7
3,7
2,4
1,7
1,3
1,0
0,8
70
6,5
4,2
2,7
2,1
1,5
1,2
0,9
0,7
80
5,3
3,4
2,6
2,0
2,0
1,1
0,9
0,8
100 8,2
6,6
4,3
3,2
2,4
2,4
1,4
1,1
1,0
125
5,5
4,3
3,2
3,2
1,8
1,5
1,2
160
5,3
3,9
3,9
2,2
1,8
1,6
200
4,9
4,9
2,8
2,3
1,9
250
3,5
2,9
2,5
320
4,4
3,6
3,1
400
4,5
3,9
500
4,9
600
800
1000
Para un circuito trifásico 230 V, multiplicar el resultado por 3 .
Para un circuito monofásico 208/230 V, multiplicar el resultado por 2.
MGE UPS SYSTEMS
185
0,8
1,1
1,3
1,7
2,1
2,7
3,4
4,2
5,3
240
300
0,9
1,2
1,4
1,9
2,3
2,9
3,6
4,4
6,5
0,9
1,2
1,5
1,9
2,4
3,0
3,8
4,7
cap. 1 - pág. 43
Conexiones (continuación)
Circuito continuo (conductores de cobre)
2
Sph (mm ) 25
In (A) 100 5,1
125
160
200
250
320
400
500
600
800
1000
1250
35
3,6
4,5
50
2,6
3,2
4,0
70
1,9
2,3
2,9
3,6
95
1,3
1,6
2,2
2,7
3,3
120
1,0
1,3
1,6
2,2
2,7
3,4
150
0,8
1,0
1,2
1,6
2,2
2,7
3,4
185
0,7
0,8
1,1
1,3
1,7
2,1
2,8
3,4
4,3
240
0,5
0,6
0,6
1,0
1,3
1,6
2,1
2,6
3,3
4,2
5,3
300
0,4
0,5
0,7
0,8
1,0
1,3
1,6
2,1
2,7
3,4
4,2
5,3
Caso particular del conductor de neutro
En las redes trifásicas, las corrientes de armónico 3 (y múltiples de 3) debidas a las
cargas monofásicas se unen en el conductor de neutro.
Por eso, se ha adoptado la siguiente fórmula: sección neutro = 1,5 sección fase.
Ejemplo de cálculo
Elección de un cable para un circuito trifásico de 400 V y 70 m de largo, realizado
con conductores de cobre con una intensidad nominal de 600 A.
La norma CEI 364 establece una sección mínima en función del sistema de
instalación y de la carga. Supongamos que esta sección mínima sea de 95 mm2.
Hay que verificar que la caída de tensión es inferior al 3%.
Según la tabla para los circuitos trifásicos, una corriente de 600 A que circule por un
cable de 300 mm2 puede tener una caída de tensión del 3% en 100 m, lo que para
70 m significa:
3 x 70/100 = 2,1%, por debajo pues del umbral del 3%.
Puede efectuarse un cálculo idéntico para una corriente continua de 1000 A y un
cable de 240 mm2 de sección y 10 m de longitud. La caída de tensión en 100 m es
de un 5,3%, lo que para 10 m representa:
5,3 x 10/100 = 0,53%, por debajo pues del umbral del 1%.
Ejemplo de instalación
Red 1
a rmario
batería
1
a rmario
batería
2
Red 2
UPS
Carg a
Re d 1
a rmario
batería
1
UPS 1
cabl es d e potencia
cabl es a uxiliare s
Red 1
a rmario
batería
2
UPS 2
Red 2
nor mal
Socor ro
Carg a
Fig. 1.37: conexión de los cables.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 44
Almacenamiento de la energía
Tecnologías de
almacenamiento
El almacenamiento de energía de los UPS
Los UPS emplean un sistema de almacenamiento de energía que permite alimentar
el UPS en caso de corte o fuerte degradación de la red.
La energía almacenada debe presentar las características siguientes:
ofrecer disponibilidad instantánea en forma de electricidad, sobre todo para
superar los microcortes, breves caídas de tensión o cortes de la red
tener potencia suficiente para alimentar toda la carga, es decir, equivalente a la
potencia nominal del UPS
proporcionar autonomía de funcionamiento adaptada a la aplicación así como a los
demás medios de socorro disponibles (por ej.: reanudación con un grupo
electrógeno para las largas autonomías), generalmente unos diez minutos.
E n tr a d a
R ed
C arga
O n d u la d o r
R e c ti fic a d o r
A lm a c e n a
m i e n to d e
e n e r g ía
Fig. 1.38: Principio de funcionamiento de un UPS con almacenamiento de la energía de
socorro.
Tecnologías aplicables
Las distintas tecnologías aplicables en la actualidad son las siguientes:
baterías de tipo:
- plomo estanco
- plomo abierto
- níquel cadmio
supercondensadores
volantes de inercia:
- tradicionales de baja velocidad (1.500 tr/min) asociados a grupos electrógenos
- de velocidad elevada (7.000 tr/min) o alta (de 30 a 100.000 tr/min).
Comparación entre tecnologías
Las baterías son de largo la solución más utilizada actualmente. Se imponen gracias
a una tecnología de eficacia probada, un precio ajustado y su capacidad de
autonomía, a pesar de los inconvenientes que suponen en términos de volumen,
mantenimiento y entorno.
Los supercondensadores todavía no dan los resultados requeridos.
La solución con volante de inercia de velocidad elevada constituye una tecnología
admisible en términos de potencia (de 40 a 500 kW) para autonomías cortas (de 12
segundos a 1 minuto).
La figura 1.39 muestra los ámbitos de aplicación de estas tecnologías.
Po t e n c ia d e sa lid a (kW)
1000
100
50
Volantes
d e ine rc ia
de alta
veloc idad
Ba terías abiertas
Superc o nd ensado r
-
1s 15s
Ba terías esta nc as
de plom o
5m n
1h
8h
Autonom ía
proporc ionad a
Fig. 1.39: Posicionamiento en términos de potencia y autonomía.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 45
Almacenamiento de la energía (continuación)
La siguiente tabla evalúa las distintas soluciones destacando su grado de
adaptación a las características del almacenamiento de energía de los UPS
estáticos.
Î Tecnología de las soluciones de almacenamiento: ver cap. 5, pág. 36
"Almacenamiento de energía".
Criterio de comparación
Tecnologías
Baterías de
plomo estanco
Baterías de
plomo abierto
Baterías de
níquel cadmio
Supercondensadores
Autonomía
***
****
*
*
algunos segundos
varias decenas de
segundos
Precio
****
***
**
*
*
Concepción / instalación / puesta en servicio
Necesidad de un local específico
Temperatura
Vida útil
Espacio ocupado
Mantenimiento
Frecuencia y duración de las intervenciones
Adecuación de la tecnología a los UPS
***
**
*
****
**
*
**
**
***
*
**
**
**
**
***
**
*
Potencia
****
de 5 minutos a
varias horas
bajo
no
baja
****
****
de 5 minutos a
varias horas
de bajo a medio
sí
media
****
****
*
de 5 minutos a
varias decenas de
minutos
alto
sí
alta
****
**** muy bien en este criterio *** bien ** regular
coste x 2-3
comparado con una
batería para 10
segundos
no
****
****
****
****
sin mantenimiento
**
Volantes de
inercia
***
**
coste x 8
comparado con una
batería para 10
segundos
sí
***
***
***
*
intervención larga
***
* mal
Volantes de inercia
MGE UPS SYSTEMS propone "CleanSourceTM", una solución adaptada como
complemento de las baterías para superar las perturbaciones de corta duración sin
tener que recurrir a ellas, reduciendo así su utilización.
Si bien el funcionamiento sin batería es posible, sólo proporciona una autonomía de
unos diez segundos. En determinadas aplicaciones, esta autonomía puede resultar
insuficiente para arrancar un grupo electrógeno de socorro.
Elección de las baterías
Tipos de baterías
Los siguientes tipos de batería son los más utilizados en combinación con los UPS:
plomo estanco, también llamada de recombinación de gases
plomo abierto
níquel cadmio.
Asimismo, se está estudiando la tecnología de batería de litio-polímero para los
UPS. Está previsto que las primeras soluciones aparezcan dentro de 2 o 3 años.
Î Tipos de baterías: ver cap. 5, pág. 38 "Almacenamiento de energía - baterías".
MGE UPS SYSTEMS recomienda utilizar baterías de plomo con sus gamas de UPS.
La elección depende de los siguientes factores:
condiciones y requisitos de explotación (local específico, armario batería, obras)
autonomía buscada
exigencias económicas.
Autonomía
MGE UPS SYSTEMS propone:
autonomías de serie de 6, 10, 15 o 30 minutos
autonomías a la carta, que pueden llegar hasta varias horas.
La elección depende:
de la duración media de los fallos de la red de alimentación
de los eventuales medios de socorro a largo plazo (grupo electrógeno...)
del tipo de aplicación.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 46
Hay que tener presentes las siguientes reglas generales:
Instalación informática
La autonomía de la batería debe poder cubrir el tiempo que duren los procesos
necesarios en un paro voluntario y "seguro" de la explotación. El área de informática
suele ser la que determina la autonomía en función de sus exigencias.
Procesos industriales
Conviene evaluar los efectos económicos de los riesgos que conlleva la interrupción
de los procesos en curso y el reinicio de la instalación.
Aplicaciones de larga autonomía
En caso de cortes prolongados, un grupo electrógeno puede reemplazar las
baterías, evitando así tener que disponer de instalaciones de baterías demasiado
importantes. En principio, por encima de 30 minutos o 1 hora ya se puede recurrir a
un grupo electrógeno. Hay que estudiar muy bien esta combinación para optimizar la
potencia del grupo y garantizar su correcto funcionamiento.
Î Combinación con un grupo electrógeno: ver cap. 5, pág. 41 "Grupo electrógeno".
Vida útil
MGE UPS SYSTEMS ofrece 10 años o más de vida útil.
Î Vida útil de las baterías: ver cap. 5, pág. 39.
Comparación de los tipos de baterías
Baterías de plomo estanco (de recombinación)
Con frecuencia se prefieren por las razones siguientes:
no requieren mantenimiento
son fáciles de montar
pueden instalarse en cualquier tipo de local (salas de informática, locales técnicos
no habilitados...).
Baterías abiertas
Estos tipos de batería, de plomo abierto o níquel cadmio, ofrecen:
una vida útil prolongada
largas autonomías
potencias muy fuertes.
Se instalan en locales habilitados que responden a una reglamentación bien precisa
(ver cap. 1, pág. 51 "Obra civil") y requieren un mantenimiento adaptado.
Supervisión de las baterías
Los UPS de MGE UPS SYSTEMS disponen de herramientas de supervisión de las
baterías avanzadas.
Control de la batería
DigiBatTM
El sistema de monitoring de la batería DigiBatTM es una solución hardware/software
incluida de serie en los UPS de MGE UPS SYSTEMS que ofrece las prestaciones
siguientes:
detección automática de los parámetros de la batería
optimización de la vida útil de la batería
protección contra las descargas profundas
regulación de la tensión de recarga de la batería en función de la temperatura
limitación de la corriente en la batería
control permanente de la autonomía real disponible teniendo en cuenta los años
de la batería, la temperatura y el índice de carga
previsión de la vida útil de la batería
tests automáticos periódicos de la batería: control del circuito de la batería, test de
la batería en circuito abierto, test de descarga parcial…
Î DigiBat: ver cap. 5, pág. 40 "Gestión de la batería".
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 47
Entorno Sensor
Los parámetros de explotación de las baterías tienen una incidencia importante en
su vida útil, sobre todo la temperatura.
La caja Environment Sensor, muy fácil de instalar, va asociada a una tarjeta Network
Management Card (SNMP/Web) y sirve para supervisar la temperatura, la humedad
y el estado de 2 contactos a través de SNMP o de la Web. También activa el paro
controlado (shutdown) de los equipos en caso necesario.
Detección y prevención de los fallos
A pesar de la calidad de las baterías estancas de plomo, con el tiempo, todas las
baterías sufren fallos debidos al envejecimiento. Si no se lleva a cabo un control
riguroso, la integridad y la capacidad real de la batería pueden ser aleatorias.
Las técnicas de control de las baterías tienen un impacto considerable en su
fiabilidad y se pueden utilizar para definir la mejor estrategia de sustitución, con la
máxima protección.
MGE UPS SYSTEMS también propone sistemas de supervisión de las baterías,
elemento por elemento, dotados de capacidad de comunicación y de un software de
utilización. Puede instalarlos directamente el usuario o bien pueden ser integrados
en una oferta de Teleservicio.
Sistema de monitoring B1000
El sistema de monitoring de la batería B1000 realiza un control permanente global
de los principales parámetros de la batería: tensión, corriente, temperatura, así como
las oscilaciones durante los ciclos de carga y descarga. El sistema dispara una
alarma cuando se rebasan las horquillas de tolerancia. Además, las descargas tanto
previstas como imprevistas quedan automáticamente registradas, lo que permite
analizar los datos.
Este control ayuda a detectar posibles deterioros de las baterías antes de que se
averíen y refuerza más aún la disponibilidad de energía del sistema de UPS.
Sistema de monitoring Cellwatch
El mantenimiento global puede ser insuficiente para garantizar al cien por cien el
perfecto funcionamiento, sobre todo en el caso de instalaciones muy críticas que no
toleran fallo alguno.
En los lapsos de tiempo entre un test periódico y otro (suelen ser trimestrales),
puede producirse drásticamente el fallo de un elemento. Un componente de plomo
con VR de un sistema de protección puede averiarse al cabo de unos días de
haberse efectuado un test periódico de autonomía. Las reacciones químicas que se
producen en dicho elemento como resultado de los ciclos de carga y descarga son
el origen del fallo. Estos ciclos tienen lugar incluso cuando el sistema de protección
no está activado. Por otro lado, el deterioro puede afectar a todo el equipamiento de
conexión de la cadena de baterías, en el interior o el exterior del componente
afectado.
Era necesario pues encontrar un método que afinara este test, hasta entonces
capaz solamente de verificar la tensión de alimentación. La investigación llevada a
cabo ha demostrado que la resistencia interna o la impedancia del elemento era un
buen indicador del estado del mismo, al señalar tanto su deterioro como los
problemas físicos.
El sistema de monitoring Cellwatch integra este tipo de supervisión elemento por
elemento, basado en el control de la impedancia. Permite supervisar de manera
fiable la vida útil de un elemento.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 48
Interfaz hombre-máquina y comunicación
IHM (Interfaz
Hombre-Máquina)
Características generales
La interfaz hombre-máquina del sistema UPS debe ser cómoda y fácil de utilizar,
además de ofrecer posibilidades plurilingües (parametrización en varias lenguas).
Normalmente consta de un cuadro de mandos y una pantalla digital.
Puede incorporar un menú de personalización, protegido con una contraseña de
entrada, para introducir los parámetros de instalación y tener acceso a
informaciones detalladas.
Ejemplo
La IHM suele presentar las siguientes prestaciones:
Interruptores de "marcha" y "paro"
- temporizados, para evitar falsas maniobras
- con posibilidad de paro de emergencia activado a distancia
Indicadores luminosos de estado para identificar claramente:
- el funcionamiento normal (utilización protegida)
- un estado degradado (anomalía de funcionamiento)
- un estado peligroso para la carga (utilización no protegida)
- el funcionamiento con batería.
Alarmas
- alarma sonora con interruptor de paro
- prealarma de fin de autonomía
- alarma general
- fallo de la batería.
Acceso a valores
- red de entrada (tensión, corriente, frecuencia)
- batería (tensión, corrientes de carga o descarga, autonomía restante, temperatura
de la batería)
- salida del ondulador (tensión simple, corriente, frecuencia, potencias activa y
aparente, factor de cresta).
Acceso al análisis de registros
- registro cronológico de eventos,
- curvas, gráficos de barras de los valores medidos.
Comunicación
La alta disponibilidad de las aplicaciones críticas requiere
equipos de protección con gran capacidad comunicativa
Los UPS proporcionan protección eléctrica a aquellos equipos sensibles para los
que la disponibilidad de funcionamiento es vital. Para la explotación de dichas
aplicaciones críticas es imprescindible contar con el nivel de seguridad exigido para
los tratamientos informáticos o automatismos correspondientes.
A este efecto:
Las aplicaciones informáticas disponen de sistemas de administración de redes
sofisticados (Network Management Systems).
Las aplicaciones de la industria y del sector de servicios utilizan sistemas de
Gestión Técnica Centralizados (GTC) o sistemas de gestión del edificio avanzados.
El sistema de alimentación eléctrica con UPS, esencial para todos estos equipos,
debe incorporar prestaciones equivalentes, pues de lo contrario podría afectar a la
seguridad de funcionamiento del conjunto.
Para aumentar el nivel de disponibilidad, el administrador del sistema de UPS debe:
Estar informado inmediatamente, ahí donde se encuentre, de cualquier riesgo
para la explotación crítica, con el fin de intervenir sin demora.
) La notificación, a través de las redes y la Web, responde a esta necesidad.
Evaluar y entender el estado del sistema eléctrico para tomar las medidas
apropiadas y recuperar rápidamente un modo protegido si fuera necesario.
) La supervisión de parques de UPS mediante software, la ayuda indispensable.
Salvaguardar la integridad de los datos de los tratamientos protegidos para poder
reiniciar la explotación después de un paro con rapidez y seguridad.
) El paro controlado (shutdown), de las aplicaciones protegidas in situ o a
distancia es una función esencial.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 – pág. 49
Interfaz hombre-máquina y comunicación (comunicación)
Las soluciones MGE UPS SYSTEMS
Los UPS de MGE UPS SYSTEMS cubren estas necesidades con sus prestaciones
de comunicación y supervisión. Ofrecen soluciones materiales (tarjetas) así como
software de gestión y supervisión de la alimentación eléctrica con UPS que forman
parte de la propia oferta de protección.
Gracias a dichas soluciones, el administrador del sistema:
Dispone de las informaciones que le proporcionan una visión global y consolidada
de los principales parámetros de su parque de UPS.
Puede elegir una respuesta adaptada, desde la utilización más básica hasta las
instalaciones más sofisticadas para administradores de redes informáticas.
Puede integrar fácilmente la gestión de los UPS en los sistemas de:
- NMS (Network Management System), gestión de las redes informáticas
como HP OpenView, IBM Tivoli Netview, CA Unicenter, etc.
- GTC (Gestión Técnica Centralizada) o gestión del edificio con Jbus/Modbus.
Tarjetas de comunicación
Los UPS actuales ofrecen muchas posibilidades de comunicación con el entorno
eléctrico e informático. Un UPS normalmente permite elegir dentro de un amplio
abanico de tarjetas de comunicación entre las que se encuentran los estándares del
mercado, como:
contactos secos
SNMP/Web
RS232
XML
JBus/Modbus
USB
SNMP/Ethernet
módem
Los UPS de MGE UPS SYSTEMS proponen todos estos tipos de comunicación.
Software de gestión y supervisión
Los software MGE UPS SYSTEMS asociados a estas posibilidades de
comunicación (por ej.: Enterprise Power Manager) ofrecen numerosas prestaciones
que facilitan la tarea al administrador. Constituyen una herramienta de
administración de UPS en red no sólo más sencilla y económica que las grandes
plataformas NMS, sino también más especializada en las funciones de gestión de
energía. Existen kits de integración NMS disponibles.
Fig. 40: Las tarjetas de comunicación combinadas con software de supervisión ofrecen una
gestión eficaz de los parques de UPS.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 – pág. 50
Obra civil
Elementos a tener en
cuenta
Los principales elementos que hay que tener en cuenta para la instalación de los
UPS son:
planos de acondicionamiento de los locales y posibles obras de reforma (sobre
todo en el caso de un local para baterías), considerando:
- el volumen de los materiales
- las condiciones de explotación y mantenimiento (accesibilidad, espacio alrededor...)
- las condiciones de temperatura que respetar
- las disposiciones relativas a la seguridad
- las normas y reglamentaciones en vigor.
ventilación o climatización de los locales.
posible habilitación de un local para baterías.
Volumen y espacio ocupado
Hay que prever las condiciones para la disposición de las celdas y armarios según
planos bien precisos.
Las características físicas de los UPS de MGE UPS SYSTEMS necesarias a este
efecto están especificadas en el capítulo 4, apartado "Características físicas".
Para cada gama se indican:
las dimensiones y pesos de:
- las celdas de onduladores y normal-socorro
- los armarios de batería
- las posibles celdas auxiliares (autotransformadores, transformadores, filtros…).
los espacios de separación mínimos que deben ser respetados alrededor de las
celdas y armarios para garantizar una ventilación óptima y habilitar la suficiente
accesibilidad.
Ventilación y climatización
Necesidad de ventilación
Los UPS están concebidos para funcionar dentro de una horquilla de temperatura
determinada (para los UPS de MGE UPS SYSTEMS es de de 0 a 40º C) que se
adapta perfectamente a la mayoría de casos sin una disposición especial.
Sin embargo, los UPS y equipos auxiliares sufren pérdidas caloríficas y, si la
disposición no está adaptada, pueden elevar la temperatura de un local mal
ventilado.
Por otro lado, la vida útil de las baterías se ve afectada de manera considerable por
la temperatura ambiente, que debe situarse entre 15º C y 25º C para conseguir una
duración óptima. Hay que tener en cuenta este factor si las baterías se instalan en la
misma sala que el UPS.
Además, según el caso, los UPS pueden ir instalados con material informático que
requiera márgenes de temperatura de funcionamiento más estrictos.
Elección del tipo de ventilación
Por todas las razones antes expuestas, es necesario prever un mínimo sistema de
ventilación, incluso de climatización, para evitar el riesgo de que aumente la
temperatura del local debido a las pérdidas caloríficas.
Esta ventilación puede llevarse a cabo a través de:
la convección natural
la renovación acelerada mediante un sistema de ventilación
la instalación de un sistema de climatización.
La elección depende de:
las pérdidas caloríficas que haya que evacuar
las dimensiones de la sala.
Las características térmicas de los UPS de MGE UPS SYSTEMS se indican en el
capítulo 4 y permiten efectuar los cálculos para la ventilación. De cada gama se
especifican:
las pérdidas caloríficas de las celdas así como las de los posibles filtros
el caudal de aire expulsado en ventilación forzada.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 51
Obra civil (continuación)
IP y nivel de ruido
Grado de protección (IP)
Los UPS deben funcionar dentro de una atmósfera compatible con su grado de
protección (IP 20 para los UPS de MGE UPS SYSTEMS), determinado por la norma
CEI 60529/ EN 60529. Hay que evitar la presencia de polvo, agua o agentes
corrosivos.
Nivel de ruido
Los UPS tienen que funcionar con un nivel de ruido reducido y adaptado al local.
En una sala de informática, por ejemplo, dicho nivel debe ser < 60 dBA.
La medición del nivel de ruido que indica el fabricante debe ajustarse a la norma ISO
3746 sobre la medición del ruido acústico.
Local para baterías
Siempre que sea posible y deseable, la batería debe ir instalada dentro de un
armario.
En el capítulo 4 se indican las dimensiones de los armarios para cada gama, en
función de las potencias.
Sin embargo, en el caso de los UPS de muy alta potencia, la mayor parte de las
baterías de acumuladores suelen instalarse en un local específico (local de servicio
eléctrico).
Por ello, la instalación de las baterías debe respetar las normas internacionales, las
reglamentaciones locales y la norma CEI 60364.
Colocación de la batería
Los criterios que hay que tener en cuenta para determinar el modo de colocación de
la batería son:
superficie disponible
carga en el suelo admisible (kg/m2)
facilidad de acceso y mantenimiento.
Se ponen en práctica los tres modos de colocación siguientes:
Batería colocada directamente sobre el suelo
Es la disposición más fácil de llevar a cabo. Requiere, no obstante, disponer de un
local para baterías de grandes dimensiones debido a:
la superficie ocupada por la propia batería,
el suelo aislante (enrejado), obligatorio en cuanto la tensión de la batería rebasa
los 150 voltios.
Batería dispuesta en estantes
Los distintos componentes de la batería van dispuestos en estantes a varios niveles
aislados del suelo.
A la hora de determinar la distancia entre los estantes o estructuras, hay que tener
en cuenta el espacio necesario que permita comprobar cómodamente el nivel y
rellenar en caso necesario (prever 450 mm como mínimo).
Batería en gradas
Esta disposición es bastante similar a la anterior. Es la más cómoda para comprobar
los niveles en los distintos recipientes.
Acondicionamiento del local para la batería
Independientemente del tipo de disposición por el que se opte, la batería se debe
colocar respetando los siguientes imperativos (la referencia indicada remite a la Fig.
1.39).
Suelo y paredes (1)
Pendiente del suelo hacia el conducto de evacuación que desemboca en una
bandeja de recogida.
Revestimiento antiácido en suelo y paredes hasta una altura mínima de 0,5 m.
Por ejemplo, asfalto en el caso de las baterías de plomo, pintura de cloro para las
baterías alcalinas.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 52
Obra civil (continuación)
Ventilación (2)
cálculo del caudal
El caudal de aire que debe ser evacuado depende de la corriente máxima de carga
así como del tipo de batería. En el caso de una instalación que conste de varias
baterías, se suman los respectivos volúmenes de aire que evacuar.
- batería abierta:
d = 0,05 x N x Im, con
d: caudal en m3 / h
N: número de elementos
Im: corriente máxima de carga en amperios.
- batería estanca.
Las condiciones generales de aireación de un local para uso normal se consideran
suficientes.
seguridad
Un dispositivo automático debe detener la carga de la batería en caso de fallo del
sistema de ventilación.
ubicación
La aspiración debe efectuarse desde la parte alta del local.
Disposición de los elementos (3)
Se debe evitar el contacto simultáneo con piezas que no lleven protección y
presenten una tensión igual o superior a 150 V. Si no se cumpliera esta condición,
habría que prever la colocación de tapas en las bornas y realizar conexiones con
cables aislados.
Colocación de una plataforma de servicio (4)
Si la tensión rebasa los 150 V, la plataforma deberá ser antideslizante, estar aislada
del suelo y tener por lo menos 1 m de ancho.
Conexión de la batería (5)
Las conexiones deben ser lo más cortas posible.
Disyuntor de protección de la batería (6)
Por lo general, suele estar instalado dentro de una caja fijada en la pared.
Material contra incendios (7)
Los extintores permitidos son los de polvo, CO2 o arena.
Material de seguridad (8)
Debe incluir máscara de protección, unos pares de guantes y una boca de agua.
Material de control (9)
densímetro,
inyector para los niveles,
termómetro.
Sensores (10)
detector de hidrógeno,
sensor de temperatura.
Fig. 1.41: Acondicionamiento del local para la batería.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 53
Obra civil
Elementos a tener en
cuenta
Los principales elementos que hay que tener en cuenta para la instalación de los
UPS son:
planos de acondicionamiento de los locales y posibles obras de reforma (sobre
todo en el caso de un local para baterías), considerando:
- el volumen de los materiales
- las condiciones de explotación y mantenimiento (accesibilidad, espacio alrededor...)
- las condiciones de temperatura que respetar
- las disposiciones relativas a la seguridad
- las normas y reglamentaciones en vigor.
ventilación o climatización de los locales.
posible habilitación de un local para baterías.
Volumen y espacio ocupado
Hay que prever las condiciones para la disposición de las celdas y armarios según
planos bien precisos.
Las características físicas de los UPS de MGE UPS SYSTEMS necesarias a este
efecto están especificadas en el capítulo 4, apartado "Características físicas".
Para cada gama se indican:
las dimensiones y pesos de:
- las celdas de onduladores y normal-socorro
- los armarios de batería
- las posibles celdas auxiliares (autotransformadores, transformadores, filtros…).
los espacios de separación mínimos que deben ser respetados alrededor de las
celdas y armarios para garantizar una ventilación óptima y habilitar la suficiente
accesibilidad.
Ventilación y climatización
Necesidad de ventilación
Los UPS están concebidos para funcionar dentro de una horquilla de temperatura
determinada (para los UPS de MGE UPS SYSTEMS es de de 0 a 40º C) que se
adapta perfectamente a la mayoría de casos sin una disposición especial.
Sin embargo, los UPS y equipos auxiliares sufren pérdidas caloríficas y, si la
disposición no está adaptada, pueden elevar la temperatura de un local mal
ventilado.
Por otro lado, la vida útil de las baterías se ve afectada de manera considerable por
la temperatura ambiente, que debe situarse entre 15º C y 25º C para conseguir una
duración óptima. Hay que tener en cuenta este factor si las baterías se instalan en la
misma sala que el UPS.
Además, según el caso, los UPS pueden ir instalados con material informático que
requiera márgenes de temperatura de funcionamiento más estrictos.
Elección del tipo de ventilación
Por todas las razones antes expuestas, es necesario prever un mínimo sistema de
ventilación, incluso de climatización, para evitar el riesgo de que aumente la
temperatura del local debido a las pérdidas caloríficas.
Esta ventilación puede llevarse a cabo a través de:
la convección natural
la renovación acelerada mediante un sistema de ventilación
la instalación de un sistema de climatización.
La elección depende de:
las pérdidas caloríficas que haya que evacuar
las dimensiones de la sala.
Las características térmicas de los UPS de MGE UPS SYSTEMS se indican en el
capítulo 4 y permiten efectuar los cálculos para la ventilación. De cada gama se
especifican:
las pérdidas caloríficas de las celdas así como las de los posibles filtros
el caudal de aire expulsado en ventilación forzada.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 1 - pág. 51
Capítulo 2: Elección de la configuración de instalación con UPS
Sumario
Tipos de configuración posibles ................................... 2-2
Tablas comparativas y gamas adecuadas .................... 2-5
Esquema n° 1 .................................................................. 2-6
Unitario
Esquema n° 2 .................................................................. 2-7
Redundancia activa con 2 UPS modulares
Esquema n° 3 .................................................................. 2-8
Redundancia activa con UPS modulares y by-pass de mantenimiento externo
Esquema n° 4 .................................................................. 2-9
Redundancia socorro con 2 UPS
Esquema n° 5 .................................................................. 2-10
Redundancia activa con Normal-Socorro
Esquema n° 6 .................................................................. 2-11
Redundancia activa con NS y aislamiento total mediante juego de barras simple
Esquema n° 7 .................................................................. 2-12
Redundancia activa con NS y aislamiento total mediante juego de barras doble
Esquema n° 8 .................................................................. 2-13
Redundancia activa con doble NS y aislamiento total mediante juego de barras
simple
Esquema n° 9 .................................................................. 2-14
Redundancia activa con doble NS y aislamiento total mediante juego de barras doble
Esquema n° 10................................................................. 2-15
Redundancia socorro N+1
Esquema n° 11................................................................. 2-16
Redundancia de distribución con STS
Esquema n° 12................................................................. 2-18
Redundancia de distribución con STS y PMM
Esquema n° 13................................................................. 2-19
Redundancia activa de UPS modulares con batería común
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 1
Tipos de configuración posibles
Esquema básico
Fuente única
Un único grupo de UPS alimenta todas las cargas.
Múltiples fuentes
Varios grupos de UPS alimentan todas las cargas.
Fuente única
Múltiples fuentes
CARGAS
LOAD
CARGAS
LOAD
Fig. 2.1: Esquemas básicos
Configuraciones de UPS
UPS unitario
Es el UPS de doble conversión (fig. 2.2).
Con la configuración unitaria se pueden utilizar dos tipos de unidad:
UPS unitario
UPS modular, al cual se pueden añadir otras unidades idénticas en paralelo.
Î UPS unitario: ver cap. 1 pág. 9 y cap. 5 pág. 14, "Constitución y funcionamiento
de un UPS”
Red AC
no rmal
Esquemas tipo
adecuados:
N° 1
N° 5
N° 10
Red A C
bypas s
Utilizac ión
Fig. 2.2: UPS de doble conversión unitario.
UPS en paralelo
Objetivo de la puesta en paralelo
La puesta en paralelo de varias unidades permite:
aumentar la potencia suministrada
disponer de redundancia, lo que aumenta el MTBF así como la disponibilidad.
Los dos tipos de unidades que se pueden poner en paralelo son:
UPS modulares multi by-pass,
UPS en paralelo con Normal-Socorro centralizado.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 2
Tipos de configuración posibles (continuación)
UPS modulares multi by-pass
Se trata de una configuración evolutiva. Se puede llevar a cabo por etapas,
partiendo de un UPS modular inicial que disponga de un by-pass estático y un bypass manual de mantenimiento. A partir de dos unidades o si se realiza una
extensión a dos unidades y más, el by-pass de mantenimiento es común y va
instalado en un cofret externo (fig. 2.3).
Red AC
b ypass
Esquemas tipo
adecuados:
N° 2
N° 3
Red AC
norm al
Red AC
norm al
Red AC
norm al
UP S2
UP S1
UP S3
Caja b y-p ass d e m an ten im ien to
Utiliz ac i ón
Fig. 2.3: Sistema de 3 UPS modulares con by-pass de mantenimiento común.
UPS en paralelo con Normal-Socorro
En una celda Normal-Socorro se agrupan un by-pass estático y un by-pass de
mantenimiento comunes para varios módulos que no disponen de by-pass (fig. 2.4).
También es posible tener dos Normal-Socorro en redundancia.
La evolución de esta configuración depende del dimensionamiento del NS. Es la que
ofrece mayor fiabilidad (Normal-Socorro y unidades UPS independientes).
Esquemas tipo
adecuados:
N° 5
N° 6
N° 7
N° 8
N° 9
Red AC
norm al
Red AC
norm al
Red AC
Norm al
Red AC
b ypass
Celd a No rm al/so co rro
Utiliz ación
Fig. 2.4: Sistema de 3 UPS en paralelo con Normal-Socorro.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 3
Tipos de configuración posibles (continuación)
Puesta en paralelo con redundancia de UPS
Los esquemas en paralelo descritos anteriormente pueden o no incluir redundancia.
Sin redundancia
Son necesarias todas las unidades para el funcionamiento de la carga. El fallo de
una de ellas detiene a todas las demás.
Con redundancia activa N+1, N+2…
Sólo es necesario un número (N) determinado de UPS para el funcionamiento de la
carga, mientras que N+1, N+2 la alimentan. Esta solución ofrece una alimentación
protegida de la carga en caso de avería o mantenimiento de 1, 2… UPS.
Redundancia óptima
Cuando se utiliza una redundancia N+1, se consigue el MTBF óptimo con dos
unidades (fig. 2.5). Esto es porque al aumentar el número de unidades, el control de
la redundancia y la repartición de las cargas es más sofisticado.
C o e fic ie n te d e m ejo ra
d el M TB F
7
6
5
4
3
2
UPS
M o du la res
1
0
UPS
P a ra le lo s
c on N S
1
2
3
4
5
Fig. 2.5: Redundancia N+1: el MTBF óptimo se consigue con dos unidades.
6
Configuración con redundancia de distribución y STS
Varias fuentes UPS (2 UPS unitarios en el caso de la fig. 4.5) alimentan el conjunto
de las cargas. Cada fuente puede constar de varias unidades en paralelo con
redundancia activa. La utilización de STS (sistemas de transferencia estática)
permite transferir las cargas entre las distintas fuentes en caso de fallo aguas abajo
(evitando la propagación del fallo) o por mantenimiento.
Este tipo de distribución se puede completar con módulos PMM con capacidad para:
gestionar las cargas
alimentar las cargas por distintas vías, con doble conexión
aislar partes de la instalación para operaciones de mantenimiento o ampliación.
Se consigue así un altísimo nivel de disponibilidad y grandes posibilidades de
evolución de la instalación.
Esquemas tipo
adecuados:
N° 11
N° 12
F u ent e 1
N orm al
F u ent e 2
By pass
Norm al
By pass
S incroniza ción
ST S 1
PM M 1
Utilizació n 1
PM M 2
U tilizació n 2
ST S 2
Fig 2.6: Configuración con redundancia de distribución y STS.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 4
Tablas comparativas y gamas adecuadas
Criterios de comparación
La tabla que presentamos a continuación compara todos los esquemas tipo según
los siguientes criterios:
Î Criterios, ver. cap. 1 pág. 13, "Disponibilidad de la energía de los UPS”.
Disponibilidad
Índice de disponibilidad adaptado a la aplicación. Las cifras indicadas se basan en:
un 99,9% de disponibilidad de la red de la compañía eléctrica (media europea)
MTTR de 10 h según la norma MIL-HDB-217-F nivel 2 (US Military depart.) e
IEEE.
Mantenimiento
Capacidad para garantizar un mantenimiento de los equipos fácil y totalmente
seguro para el personal sin interrumpir la explotación.
Evolutividad
Capacidad de evolución de la instalación a lo largo del tiempo, conciliando la
necesidad de ampliación progresiva con las exigencias de explotación.
Selectividad y no propagación de fallos
Capacidad para restringir los fallos a partes de la instalación que permiten las
intervenciones sin interrumpir el funcionamiento.
Explotación y gestión de la instalación
Capacidad para facilitar la explotación, con medios de supervisión y gestión de la
instalación que permiten anticiparse a las evoluciones.
Esquema
tipo
número
UPS unitario
N° 1: unitario
Disponibilidad MTBF
Configuraciones con fuente única
Mantenibilidad
99,99790% M1=475 000 h
UPS en redundancia activa
99,99947% hasta 4 x M1
N° 2: 2 UPS
modulares
N° 3: modulares y 99,99947% hasta 4 x M1
by-pass de
mantenimiento ext.
UPS en redundancia socorro
N° 4: red. socorro 99,99970%
6,8 x M1
UPS en redundancia activa con Normal-Socorro
N° 5: NS central
99,99968%
6,5 x M1
*
4 UPS en
paralelo
**
4 UPS en
paralelo
4 UPS en
paralelo
**
**
**
N° 6: aislamiento 99,99968%
6,5 x M1
***
total, 1 j.de barra
6,5 x M1
***
total, doble j.barra
UPS en redundancia activa con doble Normal-Socorro
99,99968%
6,5 x M1
****
N° 8: 1 juego de
barras
6,5 x M1
****
total, doble barra
Esquema
Disponibilidad MTBF
tipo
número
Redundancia socorro N+1
N° 10
99,99970%
7 x M1
Redundancia de distribución
N° 11: con STS
99,99970%
7 x M1
N° 12: STS+PMM
99,99930% La máxima
disponibilidad
Esquema
Disponibilidad MTBF
tipo
número
Redundancia activa con batería común
< 4 x M1
N° 13: UPS en
paralelo con
batería común
**** muy bien en este criterio *** bien
MGE UPS SYSTEMS
Evolutividad
UPS adecuados para el esquema
Observaciones Comet Galaxy Galaxy Galaxy Galaxy Galaxy
3000 PW
1000PW 5000 6000
S31
Base referencia
Flexible

6 UPS en
paralelo
6 UPS en
paralelo
6 UPS en
paralelo

6 UPS en
paralelo
6 UPS en
paralelo

Configuraciones con múltiples fuentes
Mantenimiento Evolutividad
**
****
****
3000 PW
1000PW 5000 6000
S31
Ilimitada
Ilimitada en
potencia
Ilimitada en
potencia

No propagación
de fallos
+ gestión de las
cargas

Configuraciones especiales
Mantenimiento Evolutividad
*
** regular * mal
3 UPS en
paralelo
3000 PW
1000PW 5000 6000
S31
Económico,
poco
voluminoso

cap. 2 - pág. 5
Esquema N° 1: Unitario
Fig. 2.7: UPS de doble conversión unitario.
Es la referencia básica de las instalaciones con UPS. El UPS de doble conversión
mantiene una tensión independientemente del grado de perturbación.
Disponibilidad de la carga
Un 99,99790% de disponibilidad y un MTBF de 475.000 h con un MTBF de la red
eléctrica de 96 h.
Mantenimiento del UPS
Facilitado por el by-pass integrado, que permite alimentar directamente la carga
durante la intervención.
Evolutividad
Ampliaciones en la propia instalación, con sistemas de hasta 4 UPS en paralelo.
Aplicación
Aplicable a las gamas Comet, Galaxy 3000, Galaxy PW / 1000PW, Galaxy 5000,
Galaxy 6000.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 6
Esquema N° 2: Redundancia activa con 2 UPS modulares
Fig. 2.8: Redundancia activa con 2 UPS modulares.
Una solución sencilla en la que los UPS se reparten la potencia de la carga.
Un 99,99947% de disponibilidad y un MTBF hasta 4 veces superior al del UPS
unitario.
Mantenimiento del sistema
El mantenimiento de un UPS no perjudica a la carga, que sigue estando protegida
por otro UPS durante la intervención.
Evolutividad
Instalación de hasta 4 UPS idénticos añadiendo un by-pass de mantenimiento
externo.
Particularidades
Función de by-pass estático realizada mediante la gestión del control de los
contactores.
Monitorización centralizada de los distintos módulos.
Tan sólo funciona con módulos idénticos.
Aplicación
Aplicable a las gamas Galaxy 3000, Galaxy PW / 1000PW, Galaxy 5000, Galaxy
6000.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 7
Esquema N° 3: Redundancia activa con UPS modulares y
by-pass de mantenimiento externo
Fig. 2.9: Redundancia activa con UPS modulares y by-pass de mantenimiento externo.
Una solución evolutiva que permite aumentar la potencia hasta 2400 kVA*.
Disponibilidad
Un 99,99947% de disponibilidad y un MTBF hasta 4 veces superior al del UPS
unitarios.
El mantenimiento de uno de los UPS no perjudica a la carga, que sigue estando
protegida durante la intervención.
Evolutividad facilitada
Hasta 4 UPS idénticos por un coste ajustado y con un tamaño reducido.
Particularidades
Los UPS se reparten la potencia de la carga.
Función de by-pass estático realizada mediante la gestión del control de los
contactores.
Monitorización centralizada de los distintos módulos.
Tan sólo funciona con módulos idénticos.
Aplicación
Aplicable a las gamas Comet, Galaxy 3000, Galaxy PW / 1000PW, Galaxy 5000.
Galaxy 6000.
* Potencia de los Galaxy 6000 en redundancia N+1.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 8
Esquema N° 4: Redundancia socorro con 2 UPS
Fig. 2.10: Redundancia socorro con 2 UPS.
Una solución extremadamente flexible que permite combinar UPS heterogéneos y
distantes. También ofrece una autonomía mejorada y se adapta perfectamente a la
tecnología de los UPS de MGE UPS SYSTEMS, que presentan una excelente
resistencia a los impactos de carga.
Disponibilidad
Un 99,99970% de disponibilidad y un MTBF 6,8 veces superior al MTBF del UPS
unitario.
protegida durante la intervención.
Particularidades
Para una sola carga, los 2 UPS tienen la misma potencia, mientras que para una
posible segunda carga, la potencia del UPS de socorro se debería adaptar a las
cargas.
Los UPS no están conectados con cables finos.
Aplicación
Galaxy 6000.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 9
Esquema N° 5: Redundancia activa con Normal-Socorro
Fig. 2.11: Redundancia activa con Normal-Socorro.
La solución para las instalaciones centralizadas de hasta 4 MVA*. Una fiabilidad
excelente gracias a la independencia de los módulos y del Normal-Socorro.
Disponibilidad
Un 99,99968% de disponibilidad y un MTBF hasta 6,5 veces superior al MTBF del
UPS unitario.
protegida durante la intervención por los demás UPS y el NS. El mantenimiento del
NS se lleva a cabo sin perder la redundancia de los UPS.
Hasta 6 UPS.
Particularidades
Los UPS se reparten la potencia de la carga.
Aplicación
Aplicable a la gama Galaxy 6000.
* Potencia para una redundancia N+1.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 10
Esquema N° 6: Redundancia activa con NS
y aislamiento total mediante juego de barras simple
Fig. 2.12: Redundancia activa con NS y aislamiento total con juego de barras simple.
Una solución evolutiva de hasta 4 MVA*. Una fiabilidad excelente y un mejor
mantenimiento gracias a la independencia total de los UPS y el NS.
Disponibilidad
Un 99,99968% de disponibilidad; un MTBF hasta 6,5 veces superior al MTBF del
UPS unitario.
protegida durante la intervención por los demás UPS y el NS. El mantenimiento del
Hasta 6 UPS.
Particularidades
Aislamiento total de los UPS o del Normal-Socorro para realizar el mantenimiento.
Posibilidad de probar los UPS con una carga de prueba.
Espacio de conexión e independencia de los módulos UPS.
Aplicación
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 11
Esquema N° 7: Redundancia activa con NS
y aislamiento total mediante juego de barras doble
Fig. 2.13: Redundancia activa con NS y aislamiento total con juego de barras doble.
Una solución evolutiva de hasta 4 MVA*. Una fiabilidad excelente y un mejor
mantenimiento gracias a la independencia total de los UPS, el NS y las barras
colectoras.
Disponibilidad
UPS unitario.
Las operaciones de mantenimiento de los UPS y la barra colectora no perjudican a
la carga, que sigue estando protegida durante la intervención por los demás UPS y
el NS instalados en paralelo en el segundo juego de barras. El mantenimiento del
Hasta 6 UPS.
Particularidades
Transferencia de una barra colectora a otra sin interrumpir la alimentación.
Aislamiento total de los UPS o del Normal-Socorro para llevar a cabo las
operaciones de mantenimiento.
Espacio para conexiones e independencia de los módulos UPS.
Aplicación
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 12
Esquema N° 8: Redundancia activa con doble NS
y aislamiento total mediante juego de barras simple
Fig. 2.14: Redundancia activa con doble NS y aislamiento total con juego de barras simple.
Una solución evolutiva con un mejor mantenimiento gracias a la redundancia total
de los UPS y el NS.
Disponibilidad
UPS unitario.
Las operaciones de mantenimiento de los UPS y el NS no perjudican a la carga,
que sigue estando protegida durante la intervención por los demás UPS y el
segundo NS. El mantenimiento del NS se lleva a cabo sin perder la redundancia de
los UPS.
Hasta 6 UPS.
Particularidades
Sólo está activo un NS, el otro permanece en stand-by; los UPS son asignados a
uno y otro sin cortar la alimentación de la carga.
En caso de utilización del by-pass, la carga se reparte entre los dos NS en un
50% cada uno.
Aislamiento total de cada Normal-Socorro para llevar a cabo el mantenimiento.
Posibilidad de instalación de los NS en dos salas separadas para incrementar la
seguridad frente al riesgo de incendio u otros.
Aplicación
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 13
Esquema N° 9: Redundancia activa con doble NS
y aislamiento total mediante juego de barras doble
Fig. 2.15: Redundancia activa con UPS doble NS y aislamiento con juego de barras doble.
Una solución para 2 cargas evolutivas e independientes en términos de potencia o
redundancia.
Disponibilidad
UPS unitario.
Las operaciones de mantenimiento de un UPS y un NS no perjudican a la carga,
que sigue estando protegida durante la intervención por los demás UPS y el
segundo NS. El mantenimiento del NS se lleva a cabo sin perder la redundancia de
los UPS.
Hasta 6 UPS.
Particularidades
Cuando funciona con una única carga, sólo está activo un NS, el otro permanece
en stand-by; los UPS son asignados a uno y otro sin cortar la alimentación de la
carga.
Cuando funciona con dos cargas distintas, los dos Normal-Socorro están activos y
cada uno de ellos tiene UPS dedicados.
Posibilidad de instalación de los NS en dos salas separadas para incrementar la
seguridad frente al riesgo de incendio u otros.
Aplicación
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 14
Esquema N° 10: Redundancia socorro N+1
Fig. 2.16: Redundancia socorro N+1.
Una solución que combina UPS heterogéneos y distantes para proteger varias
cargas independientes.
Superior al 99,99970% y con un MTBF más de 7 veces superior al del UPS unitario.
Durante las operaciones de mantenimiento de uno de los UPS, la carga permanece
protegida. Pero no se produce un aislamiento total de los UPS (intervención bajo
tensión).
Evolutividad
IIimitada en potencia.
Propagación de cortocircuitos
Imposible entre fuentes.
Particularidades
Capacidad de cortocircuito menor que con una configuración de UPS en paralelo
(Icc, selectividad, factor de cresta…).
El UPS socorro se debe dimensionar en función del número, la potencia nominal,
la criticidad de los UPS aguas abajo y la evolutividad de la instalación (el sistema de
UPS socorro suele ser de tipo paralelo).
Todas las demás ventajas de la redundancia socorro (esquema n° 4).
Aplicación
Galaxy 6000.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 2 - pág. 15
Esquema N° 11: Redundancia de distribución con STS
Fig. 2.17: Redundancia de distribución con STS.
MGE UPS SYSTEMS
Edición 04/2007
cap. 2 - pág. 16
(continuación)
La mejor solución en términos de disponibilidad, explotación de la instalación y
seguridad. Es la única solución que tiene en cuenta la distribución de energía hasta
las cargas. Es especialmente evolutiva y permite adaptar fácilmente el nivel de
redundancia a las necesidades de la carga.
Con un índice superior al 99,9999%, ¡es la más alta!
La redundancia de distribución ofrece la máxima seguridad de mantenimiento
gracias a la redundancia total y a las intervenciones fuera de tensión.
Mediante la adición de los módulos unitarios y sin límite de potencia, enormemente
facilitada por la posibilidad de aislamiento parcial de los subcomponentes de
distribución.
Propagación de fallos
La segmentación de la carga y la tecnología de Upsilon STS (transferencia de la
fuente sin corte y sin recuperación) garantizan el aislamiento de las cargas limpias
para protegerlas frente a la contaminación del fallo de otra carga.
Explotación facilitada
Transferencia de fuente automática o manual.
Supervisión permanente de las fuentes (11 parámetros y circuitos internos).
Transferencia protegida de fuentes desincronizadas.
Particularidades
El módulo de sincronización garantiza la perfecta sincronización de las fuentes en
cualquier circunstancia, como cortes prolongados,… (no compatible con Galaxy
3000).
Elección del reparto de las potencias que deben suministrar los UPS.
UPS heterogéneos y distantes de la carga.
Aplicación
Aplicable a las gamas Galaxy 3000, Galaxy PW, Galaxy 5000, Galaxy 6000.
MGE UPS SYSTEMS
Edición 04/2007
cap. 2 - pág. 17
y PMM
Fig. 2.18: Redundancia de distribución con STS y PMM.
La redundancia está presente a todos los niveles PDU, Upsilon STS, UPS Galaxy,
módulos de sincronización.
Mismas ventajas que el esquema n° 11, y además:
Posible fiabilización desde un punto preciso de la instalación.
4 vías distintas para alimentar un servidor de doble conexión.
Aplicación
Aplicable a las gamas Galaxy PW, Galaxy 5000, Galaxy 6000.
MGE UPS SYSTEMS
Edición 04/2007
cap. 2 - pág. 18
Esquema n° 13: Redundancia activa de UPS modulares con
batería común
Fig. 2.19: Redundancia activa de UPS modulares con batería común.
Solución derivada de la del esquema n° 2, con características idénticas, pero con un
coste y un volumen más reducidos.
Particularidades
Conserva las ventajas de la redundancia activa (esquema 2).
Un solo cargador carga la batería o la mantiene cargada.
Disponibilidad reducida debido a la utilización de una única batería.
Aplicación
Aplicable a las gamas Galaxy PW, Galaxy 6000 (hasta 6 UPS).
MGE UPS SYSTEMS
chap. 2 - p. 19
Los filtros de armónicos homopolares CleanWave (continuación)
MGE UPS SYSTEMS
cap. 3 - pág. 25
Capítulo 3: Compensación armónica de las instalaciones
Sumario
Los armónicos................................................................. 3-2
Definición, origen y tipos de armónicos ................................................3-2
Valores relativos a los armónicos .........................................................3-5
Efectos de los armónicos .....................................................................3-7
Compensación armónica ............................................... 3-11
Estrategias antiarmónicos ....................................................................3-11
Adaptarse a los armónicos ...................................................................3-11
Eliminar los armónicos con las soluciones MGE UPS SYSTEMS........3-12
Compensadores activos de armónicos SineWaveTM ... 3-14
Gamas de compensadores activos SineWaveTM .................................3-14
Proceso de implantación de los compensadores activos
.......................................................................................... 3-20
Proceso de implantación de los compensadores activos .....................3-20
Metodología………………………………………………………………… 3-20
Los filtros de armónicos homopolares CleanWave ..... 3-22
Gama de filtros homopolares de MGE UPS SYSTEMS .......................3-22
Funcionamiento ....................................................................................3-23
Puesta en marcha ................................................................................3-23
Ventajas de la instalación de Cleanwave .............................................3-24
MGE UPS SYSTEMS
cap. 3 - pág. 1
Los armónicos
Definición, origen y
tipos de armónicos
Los armónicos
Los armónicos son corrientes o tensiones sinusoidales cuya frecuencia es un
múltiple entero (k) de la frecuencia de la red, llamada "fundamental" (50 Hz o 60 Hz).
Al superponerse respectivamente a la corriente fundamental y a la tensión sinusoidal
fundamental, deforman la onda de corriente y de tensión (fig. 3.1).
Los armónicos suelen abreviarse como Hk (armónico de rango k)
IHk o UHk indica la naturaleza del armónico (de corriente o tensión)
IH1 o UH1 designa la corriente o tensión sinusoidal de 50 o 60 Hz que tendríamos
sin la presencia de armónicos (es el valor conocido como "fundamental").
H1 (50 Hz)
H3 (150 Hz)
H1 + H3
Fig. 3.1: Deformación de H1 (fundamental) debida a la presencia de H3 (armónico 3).
La causa: las cargas no lineales (deformantes)
Los equipos de electrónica de potencia son la principal causa de los armónicos.
Para poder alimentar los dispositivos electrónicos en corriente continua, incorporan
un rectificador en la entrada constituido por un sistema de alimentación por
conmutación que genera corrientes armónicas. Esto ocurre en equipos informáticos,
variadores de velocidad…
Existen otras cargas que también deforman la corriente debido a su principio de
funcionamiento y generan armónicos, como las lámparas fluorescentes, lámparas de
descarga, soldadores, dispositivos con un núcleo magnético susceptible de
saturación.
) Todas las cargas que deforman la sinusoide de corriente habitual y, por
consiguiente, generan armónicos, se denominan cargas "no lineales" o bien
"deformantes".
Microordenador
Variador de velocidad
Lámpara fluorescente
Fig. 3.2: ejemplos de cargas no lineales que generan armónicos.
Cargas lineales y no lineales
La red suministra una tensión sinusoidal de 50 o 60 Hz a las cargas. La forma de la
corriente absorbida por la carga (respuesta en corriente) depende del tipo de carga.
Carga lineal
La corriente absorbida es sinusoidal de la misma frecuencia. Puede presentar un
desfase de ángulo M respecto a la tensión.
La ley de Ohm establece la relación entre la tensión y la corriente, lineal (U = ZI)
con la impedancia de la carga como coeficiente constante. La respuesta en corriente
es lineal.
Ej.: lámparas de filamento incandescente, calefacción por resistencia, motores,
transformadores.
Este tipo de cargas no comportan elementos electrónicos activos, sino solamente
resistencias (R), self (L) y condensadores (C).
MGE UPS SYSTEMS
cap. 3 - pág. 2
Los armónicos (continuación)
Carga no lineal
La corriente absorbida es periódica pero más sinusoidal. Las corrientes conocidas
como armónicos deforman la sinusoide de corriente.
La ley de Ohm ya no vincula a la tensión y la corriente globales (1), porque la
impedancia de la carga varía de un período a otro (fig. 3.3): la respuesta en corriente
es no lineal.
La corriente en la carga no es sino la superposición de:
- una corriente sinusoidal llamada fundamental con una frecuencia de 50 o 60 Hz
- armónicos, corrientes sinusoidales de menor amplitud, con frecuencias múltiples
de la de la fundamental que definen su rango (ej.: el armónico de rango 3, escrito
IH3, tiene una frecuencia de 3 x 50 o 60 Hz).
(1) La ley de Ohm se aplica a todas las tensiones y corrientes armónicas del mismo rango Uk =
Zk IK, con un coeficiente que es la impedancia Zk de la carga con la frecuencia del armónico
en cuestión, pero más entre la tensión y la corriente global.
Î Cargas lineales, no lineales: cap. 1 pág.11 "Calidad de la energía de los UPS".
Ej.: Carga RCD (Resistencia, Condensador,
Diodo) propia de la mayoría de sistemas de
U
alimentación de aparatos electrónicos.
El condensador C, en el régimen
preestablecido, sólo se carga cuando la
tensión instantánea de la red es superior a la
U
tensión en sus bornas.
A partir de ese instante, la carga tiene una
impedancia baja (diodo conductor), mientras
que antes era elevada (diodo bloqueado).
Así pues, la impedancia de la carga no lineal
varía con la tensión aplicada en sus bornas.
Corriente
i
La impedancia deja de ser constante y la
car ga
corriente y la tensión ya no son sinusoidales.
La corriente adquiere una forma compleja
que, según el análisis en serie de Fourier, se
puede representar mediante la suma de:
- una corriente de igual frecuencia f que la
A r m ó n ic o 5
tensión, llamada fundamental
A r m ó n i co 3
- corrientes de frecuencia kf (k entero >1),
F u n d a m e n ta l
llamadas armónicos.
P a r a la
= Z onas de baja im pe danc ia
fu e n te
La figura reproduce la corriente de la carga
= Z o n a s d e a l ta im p e d a n c ia
a l te r n a t iv a
con tan sólo 2 rangos de armónicos: IH3 y
IH5.
Fig. 3.3: Tensiones y corriente para cargas no lineales.
i
Tipos de armónicos y particularidades de los de rango 3k
Tipos de armónicos
Las cargas no lineales generan corrientes armónicas, siempre de rangos impares
(pues la sinusoide es una función impar), de 3 tipos:
Los armónicos H7 - H13 - …. : directos
Los armónicos H5 - H11 - …. : inversos
Los armónicos H3 - H9 - …. : homopolares.
Característica de los armónicos homopolares (rango 3 y múltiples de 3)
Las corrientes armónicas homopolares (de rango 3 y múltiples impares de 3, escrito
3(2k+1), con k por entero) de las redes trifásicas presentan la característica especial
de sumarse dentro del neutro.
Ello se debe al hecho de que su rango 3(2k+1) es múltiple del número de fases (3),
por lo que coinciden en el desfase (un tercio de período) de las corrientes de fase.
La figura 3.4 ilustra este fenómeno en un período. Las corrientes de tres fases
presentan un desfase de un tercio de período (T/3), y sus armónicos IH3 respectivos
están en fase y se suman como valor instantáneo. Así:
mientras que en ausencia de armónicos la corriente de neutro es inexistente
IN = I1+I2+I3 = 0
a causa de los armónicos se convierte en
I1 + I2 + I3 = 3 IH3 .
Por ello, hay que vigilar con especial atención la presencia de este tipo de
armónicos en las instalaciones con neutro distribuido del sector terciario y de
infraestructuras.
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cap. 3 - pág. 3
Fig. 3.4: Los armónicos de rango 3 y múltiples de 3 se suman en el neutro.
Fig. 3.5: En presencia de armónicos de rango 3 y múltiples impares, la corriente en el neutro
ya no es nula sino igual a la suma de estos armónicos homopolares.
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cap. 3 - pág. 4
Valores relativos a los
armónicos
El análisis armónico de la corriente de una carga no lineal consiste en determinar:
los rangos de los armónicos presentes
la importancia de cada rango.
A continuación se describen algunos valores y relaciones fundamentales relativos a
los armónicos que permiten realizar este análisis.
Î Para mayor información sobre los armónicos: ver cap. 5, pág.44.
Valor eficaz de los armónicos
El valor eficaz de cada rango de armónicos se puede medir, ya que se trata de
corrientes sinusoidales con frecuencias múltiples de la frecuencia de la fundamental.
IH1 es el componente fundamental (con 50 o 60 Hz).
IHk es el componente armónico de rango k (con k veces 50 o 60 Hz).
Con un analizador armónico se obtienen sus valores precisos.
Valor eficaz de la corriente total
Ieff
IH12 IH22 IH3 2 ... IHk 2 ...
Tasa individual de armónicos
La importancia de un armónico se evalúa comparando, en porcentajes, su valor
eficaz con el de la fundamental. La proporción resultante constituye la tasa individual
de armónicos.
IH
Hk% = tasa individual de armónicos k = 100 k
IH1
Distorsión armónica en tensión y en corriente
Las cargas no lineales generan armónicos tanto de corriente como de tensión. De
hecho, a cada corriente armónica le corresponde un armónico de la tensión de
alimentación con la misma frecuencia. Por lo tanto, la tensión también se ve
afectada por armónicos.
La deformación de una onda sinusoidal se mide por la tasa de distorsión:
THD*% = distorsión total = 100
valor eficaz del conjunto de armónicos
valor eficaz de la fundamental
* Total Harmonic Distorsion
Hay que calcular:
la TDHU de la tensión, a partir de los armónicos de tensión
la TDHI de la corriente, a partir de los armónicos de corriente.
La THDI (o la THDU con los valores UHk) se mide con la siguiente fórmula:
THDI % 100
IH22 IH3 2 IH4 2 ... Hk 2 ...
IH1
Factor de cresta
El factor de cresta (Fc) caracteriza la forma de la señal (corriente o tensión), y es
producto de la relación entre el valor de cresta y el valor eficaz.
Fc
valor de cresta
valor eficaz
He aquí algunos ejemplos típicos para distintas cargas:
carga lineal:
carga informática:
micro informática:
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Fc = 2 = 1,414
Fc = 2 a 2,5
Fc = 2 a 3.
cap. 3 - pág. 5
Espectro de una corriente armónica
El espectro de una corriente armónica lo configuran la forma de la corriente y las
tasas individuales de los distintos armónicos, así como los valores de la THDI y el
Fc.
Tasas individuales de armónicos
Fundamental
t
H5 = 33%
H7 = 2,7%
H11 = 7,3%
H13 = 1,6%
H17 = 2,6%
H19 = 1,1%
H23 = 1,5%
H25 = 1,3%
THDI = 35%
Fc = 1,45
Corriente de entrada de un rectificador trifásico Espectro armónico y THDI correspondientes
Fig. 3.6: Ejemplo de espectro de las corrientes armónicas de una carga no lineal.
Factor de potencia
Factor de potencia
Es la relación entre la potencia activa P (kW) y la potencia aparente S (kVA) en las
bornas de una carga no lineal.
P (kW )
O
S (kVA )
El valor resultante ya no expresa un desfase entre la tensión y la corriente, pues han
dejado de ser sinusoidales.
Desfase de la fundamental
Sí puede definirse, en cambio, el desfase M1 entre la tensión fundamental y la
corriente fundamental, pues son sinusoidales:
P1 (kW )
cos M1
S1 (kVA )
P1 y S1 expresan la potencia activa y aparente de las fundamentales.
Factor de deformación
Se calcula con la siguiente fórmula:
O
Q
THDI2
(según la norma CEI 60146)
cos M1
En ausencia de armónicos, este factor es igual a 1, mientras que el factor de
potencia vuelve a ser el cos M habitual.
Potencias
Carga lineal
Las potencias en las bornas de una carga lineal trifásica equilibrada alimentada con
una tensión compuesta U y recorrida por una corriente I desfasada de M son:
P aparente = S = UI, en kVA,
P activa = S cos M, en kW
P reactiva = Q = S sin M, en kvar
S
P2 Q2
Carga no lineal
En las bornas de una carga no lineal, la expresión de P es mucho más compleja,
pues U y I contienen armónicos. Se escribe simplemente:
P = S O (O = factor de potencia)
Para las fundamentales U1 y I1 desfasadas de M1 :
P aparente fundamental = S1 U1 I1 3
P activa fundamental = P1 = S1 cos M1
P reactiva fundamental Q1 = S1 sin M1
S
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P12 Q12 D2
D es la potencia deformante causada por los armónicos.
cap. 3 - pág. 6
Efectos de los armónicos
Pérdida de potencia aparente
) En los aparatos eléctricos, los
La figura 3.7 muestra que el producto de una tensión de frecuencia fundamental sin
armónicos y de una corriente de armónico 3 es nulo al final de un período. Esto se
puede demostrar independientemente del rango y la fase del armónico, y se traduce
por la siguiente relación:
armónicos no aportan ni potencia
activa ni potencia reactiva, sólo
pérdidas por efecto Joule (ri2).
S
P12 Q12 D2
Los armónicos utilizan parte de la potencia aparente sin resultado alguno.
En las máquinas eléctricas rotativas, el par motor resultado de los armónicos es
nulo, sólo se manifiestan los pares parásitos en forma de vibraciones.
La única potencia activa que interviene cuando se produce una caída de tensión
es el calentamiento generado por la misma corriente armónica (IHk) en un conductor
de resistencia r (r IHk2).
U
I
T
Pr oducto Ux I
+UI
+UI
+UI
U
+UI
IH 3
T
+ UIH 3
+ UIH 3
+ U IH 3
+ U IH 3
-U IH 3
-UIH 3 -U IH 3
-UIH 3
Fig. 3.7: Productos UI en el caso de fundamentales (arriba) y de fundamental y armónico
(abajo).
Calentamiento de los cables
) Los calentamientos debidos a las
corrientes armónicas se suman al
calentamiento debido a la corriente
fundamental.
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Calentamiento de los conductores:
f
pérdidas = r
¦ IHn
2
n 1
cap. 3 - pág. 7
Corrientes en el neutro
) El neutro tiene que estar
sobredimensionado para poder recibir
corrientes armónicas de rango 3 y
múltiples de 3.
Todas las corrientes armónicas de rango 3 y múltiples impares de 3 se suman en el
neutro (fig. 3.8 – ver también la pág. 3 de este mismo capítulo). La corriente en el
neutro puede alcanzar hasta 1,7 veces la corriente de las fases.
Consecuencias
Pérdidas importantes en el neutro
r Ineutro2 = calentamiento del neutro.
U3
U2
U1
N
U1
IH 3(1 )
U3
U2
Ineutr o
IH3( 2)
IH3( 3)
Fig. 3.8: Los armónicos de rango 3 y sus múltiples se suman en el neutro.
Propia distorsión de la carga
) La tensión se deforma a imagen de la
corriente, y más aún cuanto mayor sea la
suma de las impedancias aguas arriba
de la carga no lineal.
La distorsión en corriente THDI, causada por la carga, provoca una distorsión en
tensión THDU debida a las corrientes armónicas que atraviesan las distintas
impedancias desde la fuente. La figura 3.9 muestra las distorsiones que se
producen en distintos puntos de una instalación eléctrica clásica.
fuente
de energía
La dis torsión en tensión
aum enta a medida que
nos acercam os a la
carga no lineal
U
Componente
Compañía eléc tric a resistivo de la
distorsión
Transformador,
alternador
C able
B
TG
T
C able
S
un
ec
da
C able
Componente
inductivo de
la distorsión
ri o
r
Te
min
al
C able
Carga nolineal
Fig. 3.9: Efectos de los armónicos a lo largo de toda la instalación.
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cap. 3 - pág. 8
Riesgo de explosión de los condensadores
) Cuanto más componentes de
rango elevado contenga la tensión,
más perjudicial será para el
condensador. A menudo hay que
optar por condensadores reforzados.
El valor de la corriente en un condensador es:
I=UCZ
Con una corriente armónica de rango k, la pulsación es Z = 2S k f, y la corriente es:
I = 2 S k f U C (f = frecuencia fundamental, k = rango del armónico)
Por lo tanto, cuanto mayor sea k, más elevada será la corriente.
Por otro lado, una frecuencia armónica también puede provocar un fenómeno de
resonancia (1) del condensador (capacidad C), con la impedancia (L) equivalente de
la fuente (transformador – básicamente sélfico) en paralelo con las de las demás
cargas alimentadas. Este circuito resonante (fig. 3.10) amplifica considerablemente
la corriente armónica de rango correspondiente, lo que incrementa el riesgo para el
condensador.
(1) Esto se produce cuando para uno de los armónicos de rango k, de frecuencia fk = k x 50 (o
2
60) Hz, tenemos LCZk § 1, con Z= 2 ʌ fk.
Fig. 3.10: Efectos de los armónicos en presencia de condensadores: riesgo de resonancia
Consecuencias
riesgo de destrucción de los condensadores.
riesgo de resonancia debido a la presencia de inductancias.
Condiciones obligatorias:
U máx. = 1,1 Un
I máx. = 1,3 In
THDU máx. = 8%.
elección, según el caso, de un tipo de condensador: estándar, clase h (máximo
aislamiento), con selfs antiarmónicos.
Desclasificación de los transformadores
) Por lo general, los armónicos
conllevan una desclasificación de la
fuente, más importante cuanto menor
sea el factor de potencia de la carga.
Se acumulan varios efectos:
por el efecto pelicular, cuanto más elevado es el rango del armónico, más
aumenta la resistencia de los devanados.
las pérdidas por histéresis son proporcionales a la frecuencia.
las pérdidas por corrientes de Foucault son proporcionales al cuadrado de la
frecuencia.
Consecuencias
) La norma NFC 52-114 obliga a desclasificar el transformador asignando a su
potencia nominal un coeficiente k como
k
1
n f
¦H n
1 0,1
2 1,6
n
n 2
Ésta es una fórmula empírica.
Otras normas nacionales recomiendan la desclasificación con un factor k similar que
varía en función del país (ej.: BS 7821 Parte 4, IEE 1100-1992).
Ejemplo:
Un transformador de 1000 kVA alimenta un puente rectificador hexafásico que
genera los siguientes armónicos: H5 = 25%, H7 = 14%, H11 = 9%, H13 = 8%.
Se determina el coeficiente de desclasificación: k = 0,91.
La potencia aparente del transformador queda limitada a 910 kVA.
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cap. 3 - pág. 9
Riesgo de perturbación de los alternadores
) En la práctica, la THDI de la
corriente en el alternador no debe
rebasar el 20%. Si ello ocurre, hay que
prever una desclasificación.
Al igual que el transformador, el alternador también sufre un aumento de las
pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault.
la tasa de reactancia subtransitoria X''d aumenta en función de la frecuencia.
el campo giratorio "armónico" arrastra el rotor a una frecuencia distinta de la de
sincronismo (50 o 60 Hz).
Consecuencias
formación de pares parásitos que conllevan una disminución del rendimiento de
conversión mecánica/eléctrica.
pérdidas adicionales en los devanados inductores y amortiguadores del rotor.
aparición de vibraciones y ruidos anormales.
Pérdidas en los motores asíncronos
Los armónicos se manifiestan en estos motores con los siguientes efectos:
incremento de las pérdidas Joule y pérdidas en el hierro (pérdidas estatóricas).
pares pulsatorios (pérdidas del rotor – disminución del rendimiento mecánico).
) La THDU debe ser < 10% para limitar estos fenómenos.
Efectos en otros equipos varios
Los armónicos también pueden perturbar el funcionamiento de los siguientes
equipos:
interruptores no RMS, que provocan la apertura intempestiva de los disyuntores
redes de autoconmutadores
alarmas
equipos electrónicos sensibles
mandos a distancia.
Los UPS más recientes escapan a los efectos
Las últimas generaciones de UPS con alta frecuencia de conmutación (modulación
de ancho de impulso) presentan una impedancia de salida muy baja (equivalente a
la de un transformador 5 veces más potente).
Cuando alimentan cargas no lineales, estos UPS consiguen:
limitar las pérdidas
un funcionamiento con limitador de corriente
una distorsión de la tensión muy baja (THDU < 3%).
) Los UPS constituyen fuentes excelentes para alimentar las cargas no lineales.
Conclusión
Los armónicos pueden tener consecuencias perjudiciales en las instalaciones
eléctricas y alterar su buen funcionamiento.
Por ello, las normas internacionales definen cada vez con mayor precisión los
umbrales de compatibilidad armónica para los equipos y los límites para el contenido
armónico de las redes de distribución pública.
Î Normas sobre los armónicos: ver cap. 5, pág. 33 "Normas de los UPS".
En las páginas siguientes se explican las posibles estrategias en materia de
armónicos, y las ventajas de utilizar compensadores activos de armónicos de tipo
SineWaveTM y filtros CleanwaveTM en el caso concreto de armónicos homopolares
de rangos impares y múltiples de tres: 3(2k+1).
MGE UPS SYSTEMS
cap. 3 - pág. 10
Compensación armónica
Estrategias
antiarmónicos
Existen dos estrategias:
adaptarse a los armónicos, lo que implica sobredimensionar los equipos para
poder asumir sus efectos
eliminarlos, parcial o totalmente, lo cual se hace mediante filtros o compensadores
armónicos.
Adaptarse a los
armónicos
Sobredimensionar los equipos
Los perjuicios de las corrientes armónicas se manifiestan en las impedancias de los
cables y las fuentes; es lógico, pues, pensar que si se limitan estas últimas,
disminuirá a la vez la distorsión en tensión y el calentamiento.
La figura 3.11 muestra los resultados de este planteamiento, que consiste en
duplicar la sección de los cables así como la potencia de la fuente.
Teniendo en cuenta que la THDU depende sobre todo del componente inductivo y
de la longitud de los cables, es de suponer que esta solución será poco eficaz y sólo
resultará interesante para limitar el calentamiento.
El diagrama de la fig 3.12 muestra que para los armónicos más frecuentes (de H3 a
H7), la relación LZ/R es de 1 para los cables de 36 mm2 de sección. Por encima de
36 mm2, hay que actuar sobre la inductancia utilizando cables compuestos por
varios conductores para conseguir otras tantas impedancias en paralelo.
C om pon en te
re si s ti vo de l a
di sto rs ió n
2 ca b le s d e
s e cc i ó n S e n
p a ra le l o
2 ca b le s d e
s e c ci ó n S /2
e n paralelo
d u p li ca r la
s e c c ió n d e l
c able (2S )
C o m po ne nte
in du c ti vo de l a
di s to rs ió n
C a rg a
Fig. 3.11: Aumento de la sección de los cables para limitar la distorsión y las pérdidas.
10
L Z/R
9
H7
Aum entar la secció n
de l os cables
8
7
Puesta en paralelo
de los conductores
Aum entar la
sección de l os
cab les + puesta
en paralelo de
lo s con ductores
H5
6
5
H3
4
3
2
H1
1
0
1,5
2,5
4
6
10
16
25
36
50
70
Se cció n del cable e n mm
95
120
150
185
240
300
2
Fig. 3.12: Influencia de la sección de los cables en la relación LZ/R.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 3 - pág. 11
Compensación armónica (continuación)
Eliminar los armónicos
con las soluciones MGE
UPS SYSTEMS
Se pueden contemplar varios tipos de soluciones posibles.
Î Filtros: ver cap. 1, pág. 27 "Elección de un filtro " y cap. 5, pág. 50 "Tipos de
filtros antiarmónicos".
Filtros pasivos
Los filtros pasivos de tipo LC están ajustados con la frecuencia que deben eliminar o
bien atenúan una banda de frecuencia. Dentro de esta categoría pueden clasificarse
los sistemas de recombinación de armónicos (doble puente, phase shifting). MGE
UPS SYSTEMS puede integrar este tipo de filtro en sus soluciones a petición del
cliente (ver cap.5, pág. 50).
Los filtros pasivos presentan dos inconvenientes principales:
la compensación armónica sólo es eficaz para la instalación tal cual es en el
momento de su colocación (si se añaden o suprimen cargas, la solución puede
resultar inoperante)
suelen ser difíciles de colocar y poner en marcha en las instalaciones ya
existentes.
Filtros activos o compensadores activos
Los filtros activos, también llamados compensadores activos de armónicos, como los
SineWave, anulan los armónicos inyectando corrientes exactamente iguales justo en
el punto donde tienen origen. Reaccionan en tiempo real (de manera activa) a los
armónicos presentes para eliminarlos. Son más eficaces y fáciles de utilizar que los
filtros pasivos, evitan sus inconvenientes y son una solución:
más efectiva (pueden eliminar completamente los armónicos hasta el rango 50)
flexible, adaptable (es posible definir su campo de acción) y reutilizable.
Los filtros activos existen en varias versiones, que se describen a continuación.
Filtros activos THM, tecnología "Active 12 pulse"
Están técnica y económicamente optimizados para funcionar en los UPS Galaxy y
Galaxy PW. Se basan en la tecnología "Active 12 pulse", se instalan en combinación
con el rectificador del UPS y eliminan los armónicos que éste genera (1).
El filtro THM se compone de un doble puente activo híbrido:
un puente rectificador compuesto por 6 tiristores dedicado a la alimentación del
UPS,
un puente con "IGBT", dedicado a la gestión de la sinusoide de corriente y a la
reducción de los armónicos.
Este tipo de filtro, de tecnología "Active 12 pulse", ofrece un nivel de rendimiento
constante con cualquier índice de carga del UPS, un alto nivel de fiabilidad (puentes
independientes) y una importante reducción de los armónicos (THDI < 4%).
La red aguas arriba no se ve afectada y permanece segura.
Por lo tanto, la instalación de un UPS aguas arriba de cargas no lineales permite:
alimentar dichas cargas con una energía fiabilizada
evitar la distorsión de la red aguas arriba causada por los armónicos que dichas
cargas harían circular aguas arriba en ausencia del UPS.
(1) Los rectificadores seguros de tipo PFC, utilizados en el Galaxy 3000, no requieren filtro,
pues la corriente de entrada está regulada para que sea totalmente sinusoidal.
Fig. 3.13: Principio de funcionamiento de la tecnología "Active 12 pulse".
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cap. 3 - pág. 12
Compensación armónica (continuación)
Compensador armónico SineWave
Los compensadores de armónicos de la gama SineWave tienen una aplicación más
general. Se trata de filtros activos que no van destinados a un solo UPS sino a
eliminar los armónicos de toda una instalación.
Existen en dos versiones:
Sinewave se adapta especialmente bien a las aplicaciones de infraestructura e
industriales de potencia media, con corrientes de compensación de 20 a 120 A en
distribuciones de 3 ph+N.
Estas soluciones se presentan en el siguiente apartado.
Filtros antiarmónicos homopolares CleanWave
Los armónicos homopolares de rango 3 impares (H3, H9, H15…) son un caso
particular. Ocurre que en los sistemas de alimentación trifásica con neutro
distribuido, estos se acumulan y suman en el neutro, por donde circulan importantes
corrientes de alta frecuencia que pueden saturarlo rápidamente. A las corrientes
armónicas del neutro también pueden añadirse corrientes generadas por los
desequilibrios de fase, sobre todo en los circuitos monofásicos.
Este tipo de situación se suele producir en las instalaciones de distribución propias
del sector terciario (por ej.: oficinas).
Para responder a estos casos concretos, MGE UPS SYSTEMS propone una gama
de filtros específicos: CleanWave. Sirven a la vez para filtrar los armónicos
homopolares y reequilibrar las corrientes de fase, además de aportar excelentes
soluciones a los problemas de la corriente de neutro, cada vez más frecuentes en el
tipo de instalaciones del terciario.
Estas soluciones se presentan en el siguiente apartado.
Tabla síntesis de las estrategias para contrarrestar los armónicos
Estrategia
Ventajas
Adaptarse a los armónicos
Aumento de la potencia Reducción de la THDU
de las fuentes y/o de la de la alimentación
sección de los cables.
limitando la
impedancia de fuente.
Disminución de las
pérdidas Joule.
Alimentación especial
para las cargas no
lineales.
Limitación de la
distorsión de las
cargas adyacentes
gracias al
desacoplamiento.
Eliminar parcialmente los armónicos
Filtros pasivos ajustados. Solución simple.
Selfs aguas arriba de las Reducción de las
cargas no lineales.
corrientes armónicas.
Limitación del efecto
de las sobretensiones
transitorias.
Transformadores
especiales.
Eliminar completamente los armónicos
Compensadores activos Solución simple y
de armónicos.
flexible.
Inconvenientes
Difícil para una instalación ya existente. Es una
solución cara y limitada a la disminución del
componente resistivo para los cables de pequeña
sección (la self se mantiene constante).
Exige una puesta en paralelo de los cables de mayor
sección. No evita la distorsión aguas arriba de la
instalación. No se respetan las normas.
Idénticos inconvenientes que en la anterior.
Sólo para uno o dos rangos de armónicos. Filtros de
banda ancha poco eficaces. Posibles resonancias.
Estudio previo necesario y caro.
Aumento de la THDU en las bornas de la carga.*
Gama de filtros pasivos,
Incluidos los de doble puente y
phase shifting.
Tan sólo eliminan determinados rangos de armónicos.
Construcción no estándar.
Permiten eliminar completamente todos los armónicos
(hasta el rango 25), son flexibles, adaptables (se
puede definir su acción) y reutilizables.
Eliminar los armónicos homopolares (en una distribución ph-N)
Filtro de armónicos
Solución simple y
Elimina todos los armónicos de rango 3k y reequilibra
homopolares.
optimizada.
las fases. Sencillo y económico.
MGE UPS SYSTEMS
Soluciones MGE UPS SYSTEMS
Filtros activos THM integrados.
Compensadores activos
SineWave.
Filtro homopolar CleanWave.
cap. 3 - pág. 13
Compensadores activos de armónicos SineWaveTM
Gamas de compensadores
activos SineWave
Características de SineWaveTM
La siguiente tabla resume las principales características de SineWave.
Gama
SineWave
Corrientes
compensadas
20 a 120 A
Redes
50/60 Hz
380 a 415 V
3 Ph+N
y 3 Ph
Principales
características
� Filtrado hasta H25
� Compensación activa
digital con:
- análisis, compensación
rango por rango
- respuesta a las
fluctuaciones de la carga:
40 ms
Aplicaciones
Compensación de
redes del sector
terciario, de
infraestructuras e
industriales de
potencia media 3
Ph+N y 3 Ph,
cargas monofásicas
Ventajas de la compensación activa SineWaveTM
Solución "de banda ancha" que actúa en los armónicos de H2 a H25 de cada fase
individualmente.
Permite actuar por rangos de armónicos por separado.
No hay riesgo de sobrecarga: la compensación se ejecuta con el valor de corriente
máximo si la corriente necesaria rebasa el calibre del equipo.
Se adapta automáticamente a cualquier tipo de carga monofásica o trifásica.
Compatibilidad con todos los regímenes de neutro.
Compensación del cos M.
Ahorro: los armónicos se reducen a la mitad y sus pérdidas a ¼ parte.
Reutilizable en otra instalación.
Evolutividad: permite añadir unidades en paralelo.
Diseño extremadamente compacto.
Instalación sencilla, con posibilidades de TC aguas arriba o aguas abajo.
Principio de compensación
La fuente suministra el único componente fundamental (IF) de la corriente de la
carga.
El compensador activo calcula en tiempo real e indica los armónicos (IH)
consumidos por esta carga.
Aguas arriba del punto A de conexión del compensador se mantiene la corriente
fundamental IF, y aguas debajo de este punto se mantiene la corriente de carga no
lineal IF + IH.
TM
Fig. 3.14: Principio de compensación de SineWave .
MGE UPS SYSTEMS
cap. 3 - pág. 14
Compensadores activos de armónicos SineWaveTM
Funcionamiento
Modo digital: compensación rango por rango
El funcionamiento de SineWave es básicamente digital, con un captador de
corriente, conversión analógico/digital de la medición de la corriente y cálculo en
tiempo real del espectro. Así, es posible determinar las órdenes destinadas al
mutador para la reinyección, en función de los rangos individuales que deban ser
compensados.
El tiempo de respuesta a las variaciones de carga es de 40 ms (2 ciclos).
Esquema de funcionamiento
La energía necesaria para la compensación se extrae de la red trifásica,
almacenada en la self L y los condensadores cargados respectivamente a +Vm y
-Vm (fig. 3.15).
Según el sentido de la corriente armónica que haya que suministrar, se modula un
transistor u otro en anchura de impulsiones, de modo que el enlace con la red
utilizado para extraer energía sinusoidal y para inyectar armónicos puede ser el
mismo.
La energía es restituida a la carga según:
El valor de los armónicos medidos.
La voluntad del usuario, manifestada a través de la programación: rangos de
armónicos que deben ser eliminados y compensación o no del cos M.
El transformador de corriente asociado a un convertidor analógico/digital determina
el espectro (fundamental + armónicos) de la corriente que alimenta la carga.
En función de estos últimos valores así como de la programación elegida, un
procesador prevé las órdenes que deben asignarse al mutador, un período después
de realizarse las mediciones.
La compensación del cos M se consigue generando una corriente fundamental
desfasada en + 90° en relación con la tensión.
TM
Fig. 3.15: Esquema de funcionamiento de SineWave .
Opciones
En redes 3Ph o 3 ph+N, el usuario puede decidir:
Compensar todos los armónicos o sólo algunos, hasta el rango 25.
Compensar asimismo el cos M, o no.
) La alimentación de SineWaveTM es siempre trifásica, aunque puede compensar
cargas monofásicas y, por lo tanto, armónicos homopolares de rango 3k.
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cap. 3 - pág. 15
Compensadores activos de armónicos SineWaveTM (continuación)
Modos de instalación
En paralelo
Se pueden instalar hasta 4 compensadores activos SineWaveTM en el mismo punto
de inserción, lo que permite aumentar la capacidad de compensación de los
armónicos y/o la disponibilidad de la instalación de compensación.
La puesta en paralelo requiere un único conjunto de captadores de corriente en la
entrada que hay que compensar y conexiones por cable entre los compensadores
para cambiar la medición de la corriente absorbida por la carga. En caso de paro de
un compensador, los que permanecen activos siguen realizando la compensación
global de la instalación, limitados únicamente por su propia capacidad nominal de
compensación.
TM
Fig. 3.16: Funcionamiento en paralelo de 3 compensadores SineWave .
En cascada o en serie
El funcionamiento "en cascada" o "en serie" es posible gracias a una
parametrización específica que evita toda interacción entre los distintos
compensadores.
Normalmente, el compensador aguas abajo compensa los armónicos de una
aplicación de alta potencia, mientras que el compensador aguas arriba se encarga
de la compensación de las demás aplicaciones de poca potencia y, llegado el caso,
de la distorsión residual no compensada por el primero.
Fig. 3.17: Compensadores SineWave
TM
en cascada.
Múltiples salidas
Esta función permite compensar hasta 3 salidas con un único compensador. Con
este modo de funcionamiento, hacen falta 3 conjuntos de captadores de corriente
conectados con SineWaveTM. Es una configuración interesante cuando la distorsión
armónica se concentra en varias salidas.
Fig. 3.18: Compensador SineWave
MGE UPS SYSTEMS
TM
para eliminar los armónicos de varias salidas.
cap. 3 - pág. 16
Implantación
Compensación global
El compensador está conectado justo aguas abajo de las fuentes, por lo general a
nivel del TGBT.
Compensación mixta
El compensador activo está conectado al cuadro de distribución secundario o
general y lleva a cabo la compensación de un grupo de receptores.
Compensación local
El compensador activo de armónicos está conectado directamente a las bornas de
cada receptor.
MT
GE
BT
Cuadro general
Cuadro secundario
Cuadro terminal
Fig. 3.19: 3 posibles implantaciones de SineWave
Compensación
Global
(a nivel del TGBT)
Mixto
(a nivel del TDBT)
Local
(a nivel de la carga)
MGE UPS SYSTEMS
TM
Tabla comparativa de los tipos de implantación
Ventajas
Inconvenientes
Los armónicos persisten aguas
Económico.
abajo de la instalación.
Atenúa el trabajo de los
Sobredimensionar todos los
generadores (transformador,
cables.
alternador).
Optimiza los cables entre el TGBT Los armónicos persisten desde el
cuadro secundario hasta la carga
y el cuadro secundario.
que provoca la distorsión.
La recombinación de
Sobredimensionar el cable de
determinados armónicos puede
salida hacia la carga.
reducir el calibre del
compensador.
Alto coste debido a la cantidad de
Suprime los armónicos en su
compensadores necesarios.
origen.
Reduce las pérdidas en todos los
cables, hasta el generador.
según el objetivo marcado.
Indicaciones
Respetar las instrucciones del fabricante.
No propagar la distorsión aguas arriba de
la instalación.
Indicado para la alimentación de grandes
inmuebles.
Esta compensación se suele implantar por
plantas o grupos de plantas.
Múltiples salidas para alimentar las cargas
deformantes.
Ideal cuando las cargas deformantes son
pocas y tienen una potencia significativa
en comparación con el resto de la
instalación. Ejemplos: compartimentos
eléctricos de servidores, alumbrado, UPS
de alta potencia, rampas de alumbrado
fluorescente.
cap. 3 - pág. 17
En la práctica:
La compensación global no plantea problemas de cálculo.
La compensación mixta requiere tomar algunas precauciones.
En el caso de todas las cargas RCD no compensadas (variadores sin self de alta
potencia para aplicación con par variable), la compensación local debe limitarse a
garantizar a la carga una THDU máxima compatible con un buen funcionamiento.
Posición de los TI (transformadores de corriente) aguas
arriba o aguas abajo
En la mayoría de modos de implantación descritos anteriormente, SineWaveTM
permite utilizar dos tipos de instalación de los captadores TI.
Instalación con un TI aguas arriba de la carga
Es el tipo de instalación más corriente.
Fig. 3.20: Instalación con un TI aguas arriba de la carga.
Instalación con un TI aguas arriba de SineWaveTM y un TI en la entrada
del cuadro
Esta posibilidad ayuda a simplificar la instalación cuando resulta difícil colocar el TI
en la salida aguas arriba de la carga. Las características de los 2 TI utilizados deben
ser compatibles y complementarias. Permiten calcular la diferencia y determinar así
la corriente necesaria para la compensación.
Fig. 3.21: Instalación con 2 TI, uno en la entrada del cuadro y el otro aguas arriba del
compensador.
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cap. 3 - pág. 18
Beneficios de la instalación de SineWave
Eliminación de las corrientes armónicas compensadas
Gracias a su diseño y a los rangos de armónicos seleccionados, SineWaveTM ofrece
un circuito prácticamente limpio de impedancia para las corrientes armónicas,
comparado con el de la fuente. De hecho, suprime su circulación aguas arriba hacia
la fuente.
La figura 3.22 presenta un ejemplo de la implantación de SineWave entre 2 tramos
de línea ZL1 y ZL2 que alimentan una carga clásica RCD, la cual puede ser
monofásica o trifásica (sistemas de alimentación por conmutación o variador de
velocidad).
Las corrientes armónicas IHn que atravesaban las impedancias Zs y ZL1 aguas
arriba del punto de conexión del compensador han sido suprimidas.
Tan sólo queda la corriente fundamental equivalente IF.
SineWaveTM, que mide permanentemente las corrientes armónicas de la carga,
suministra las corrientes armónicas IHn a la carga a través del bucle de baja
impedancia para estos armónicos que configura junto con la carga.
TM
Fig. 3.22: SineWave
modifica la corriente aguas arriba del punto de inserción.
Disminución de la THDU en el punto de inserción
Aguas arriba del punto de inserción de SineWave, las corrientes armónicas IHn
seleccionadas (que pueden estar constituidas por todos los armónicos hasta el
rango 25) dejan de circular hacia la fuente.
La tasa global de distorsión aguas arriba del punto de inserción es (ver cap 5, pág.
48):
f
¦ UH
n
THDU % 100
2
n 2
UH1
(UHn es la caída de tensión correspondiente al armónico IHn).
La supresión de las corrientes armónicas de un rango determinado suprime
asimismo la tensión armónica del rango correspondiente (1).
Como consecuencia, la THDU disminuye notablemente, al seleccionar los armónicos
más importantes.
Teniendo en cuenta que a partir del rango 25 las tasas individuales de armónicos
son imperceptibles, la THDU es prácticamente nula y la distorsión totalmente
eliminada, siempre y cuando se decida compensar hasta el rango 25.
Esta posibilidad de intervenir de manera más o menos selectiva, incluso
absolutamente selectiva, en los armónicos y la THDU constituye la base del
concepto THMTM (Total Harmonic Management) de MGE UPS SYSTEMS.
(1) Como UHn y IHn son componentes sinusoidales con una frecuencia nf (f es la frecuencia
fundamental), están relacionadas por la ley de Ohm, que considera las impedancias
correspondientes (aquí, Zs y ZL1) a partir de su valor con una pulsación nZ.
Así:
UHn = (Zs(nZ) + ZL1(nZ)) IHn.
Para todos los armónicos compensados IHn = 0, y por lo tanto UHn = 0.
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cap. 3 - pág. 19
Proceso de implantación
de los compensadores
activos
Conclusión sobre la compensación activa
Para realizar un cálculo preciso de la compensación hace falta:
un conocimiento profundo y global de la red (fuentes, líneas y modo de
colocación)
un conocimiento profundo de las cargas (curvas de las tasas de distorsión
armónica y los defasajes en función de la impedancia de la fuente)
medios de cálculo especializados
un tiempo de análisis y simulación.
Instalación nueva
Se aplican las mismas reglas clásicas que para determinar una instalación eléctrica,
pero deben completarse con una evaluación previa de la distorsión de tensión
(THDU) en los puntos de paso de las corrientes armónicas.
Se trata de un planteamiento complejo y que requiere programas informáticos de
cálculo adaptados, además de un conocimiento detallado de las cargas no lineales
que deberán instalarse, es decir su espectro armónico en función de la impedancia
situada aguas arriba.
MGE UPS SYSTEMS dispone de medios de simulación apropiados para llevar a
cabo esta evaluación.
Instalación existente
En este caso es indispensable realizar un diagnóstico preciso previo a cualquier
acción correctiva. La fórmula matemática que relaciona la distorsión de tensión y la
de corriente es compleja y depende de distintos componentes de la instalación.
Para dominar los fenómenos armónicos hacen falta conocimientos, experiencia,
pero también herramientas y software especializados (analizador de espectro,
software de cálculo de la distorsión en los cables, software de simulación,...).
De todos modos, aunque cada solución responda a las necesidades de una
instalación determinada, sólo mediante las buenas prácticas y la aplicación de una
metodología rigurosa pueden garantizarse las máximas posibilidades de conseguir
un funcionamiento correcto de la instalación.
Metodología
MGE UPS SYSTEMS controla todo el proceso de compensación armónica y
propone un programa dividido en 3 fases:
1. Análisis de la instalación
2. Estudio de la solución más adecuada
3. Puesta en servicio y control de resultados
1. Análisis de la instalación
Esquema de la instalación
Antes de empezar la campaña de medidas, sugerimos confeccionar un esquema de
funcionamiento de la instalación en el que se indiquen:
los tipos de equipos
- los generadores: tipo, potencia, tensión, Ucc, X"d (grupo electrógeno)
- los transformadores de aislamiento: tensión, potencia, tipo, Ucc, acoplamiento
- la distribución eléctrica: tipo de cable, longitud, sección, modo de colocación
- las cargas: potencia, tipo
- los regímenes de neutro en los distintos puntos de la instalación.
los modos de funcionamiento
- con red pública
- con grupo electrógeno (de socorro o en producción combinada)
- con UPS.
los modos de funcionamiento degradados
- sin redundancia
- con grupo de socorro.
Este esquema debe permitirnos localizar los distintos puntos de medición e
identificar las fases de funcionamiento críticas (que se tratarán con simulaciones o
mediante cálculos).
MGE UPS SYSTEMS
cap. 3 - pág. 20
(continuación)
Campaña de medidas
Una vez superada esta etapa indispensable, ya puede empezar la campaña de
medidas. Es preferible partir desde la fuente hacia las cargas deformantes con el fin
de limitar el número de medidas.
Para facilitar la fase siguiente, conviene centrarse en la calidad de las medidas y no
en la cantidad.
Estudio preliminar de la instalación
Esta fase finaliza con un estudio preliminar de la instalación:
Punto de inserción del o de los compensadores.
Facilidad de instalación de los disyuntores de protección.
Inserción de los captadores de corriente fuera de tensión o en tensión.
Posibilidad de dejar la carga fuera de tensión.
Espacio disponible dentro de los locales.
Evacuación de las pérdidas (ventilación, climatización,...).
Limitaciones del entorno (ruido, CEM,...).
2. Estudio de la solución más adecuada
Las informaciones anteriores permiten determinar una solución óptima mediante:
Análisis de los resultados de las mediciones
Simulación del problema existente, aplicando distintas soluciones
Evaluación de la solución que mejor se adapta
Redacción de un informe de síntesis con propuesta de soluciones.
3. Puesta en servicio y control de resultados
Esta última fase incluye:
Puesta en servicio de la solución o las soluciones elegidas
Control de los resultados de acuerdo con las previsiones y el compromiso
adquirido
Redacción de un informe de puesta en servicio.
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cap. 3 - pág. 21
Los filtros de armónicos homopolares CleanWave
Gama de filtros
homopolares de
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Las corrientes de neutro
Las redes de alimentación en energía eléctrica se enfrentan a la presencia de
armónicos generados por las cargas no lineales. Entre estos armónicos, los de
rango 3 y múltiples impares de 3, llamados homopolares, tienen la particularidad de
sumarse dentro del neutro cuando está distribuido (ver págs. 3 y 4 de este capítulo).
Además de los inconvenientes habituales que suelen provocar todos los armónicos
(distorsión de la tensión, pérdida de potencia, calentamiento de los cables…, ver
pág. 7 de este mismo capítulo), surgen problemas que tienen que ver con la
presencia de una corriente de neutro que puede ser importante, y más considerando
que esta corriente puede aumentar debido a los desequilibrios de fase consecuencia
de una distribución monofásica mal repartida entre las fases.
Es común ver instalaciones en las que la corriente que circula por el conductor de
neutro es superior en un 50% a la de las fases.
En concreto, la presencia de una corriente de neutro provoca:
el calentamiento de los conductores de neutro
pérdidas importantes
perturbaciones y una distorsión de la tensión en la red aguas arriba
aperturas intempestivas de los disyuntores de protección
perturbaciones electromagnéticas (1) que acarrean disfunciones de los aparatos
eléctricos.
un aumento del potencial en el conductor de neutro.
Los problemas de corriente en el neutro, frecuentes en las instalaciones del sector
terciario o de infraestructuras (edificios de oficinas, locales comerciales...), exigen
una atención especial y un tratamiento eficaz.
(1) Cuando una corriente recorre el conductor de neutro, éste emite una radiación
electromagnética, a diferencia de los conductores de fase, la suma de cuyas corrientes es nula.
Además, debido a las elevadas frecuencias armónicas, esta corriente tiende a cerrar el bucle
hacia la fuente a través de la conexión a tierra, lo que puede conllevar la circulación de
corrientes en las estructuras conductoras de los edificios y provocar una radiación y
perturbaciones ahí también.
La gama de filtros CleanWave, la mejor solución
Para resolver de la mejor manera posible los problemas de corriente en el neutro, la
oferta de MGE UPS SYSTEMS propone la gama de filtros homopolares CleanWave.
Estos filtros proporcionan una solución técnica y económicamente optimizada
gracias a:
una acción específica muy eficaz sobre los armónicos homopolares
una acción complementaria de reequilibrado parcial de las corrientes de fase de
una carga desequilibrada
una fiabilidad excepcional gracias a un diseño simple y fiable, parecida a la de un
transformador seco, que no incluye:
> ningún equipo electrónico de potencia: solamente selfs con acoplamiento
magnético y aislamiento galvánico
> ningún condensador: así no hay riesgo de resonancia
pérdidas mínimas: no se produce ninguna aportación calorífica notable en un local
de servidores
una puesta en marcha simple y segura.
La gama CleanWave se caracteriza por adaptarse según la corriente de neutro IN
que se quiera eliminar. Los filtros han sido diseñados para una corriente de neutro IN
superior a la corriente de fase máxima, con una relación de aproximadamente 1,8
que garantiza el funcionamiento incluso en las redes muy afectadas por los
armónicos.
La gama CleanWave cubre las siguientes necesidades, todas equivalentes pero
expresadas refiriéndose respectivamente a la corriente de fase, la corriente de
neutro o la potencia:
Iph 16 A hasta 400 A,
correspondiente a IN 29 A hasta 720 A
o a una potencia de 12 kVA a 280 kVA.
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cap. 3 - pág. 22
Funcionamiento
Principio
El filtro CleanWave consta de dos elementos principales:
un elemento L0 conectado en serie con la carga
un elemento Z0 conectado en paralelo con la carga.
El filtro no afecta a la corriente fundamental y las corrientes armónicas directas (IH7,
IH13, H19…) e inversas (IH5, IH11, H17…). L0 presenta una impedancia cero, Z0
actúa como una impedancia muy elevada y no conduce la corriente.
Para las corrientes armónicas homopolares (IH3, IH9,…), la situación es la contraria:
Z0 es comparable a un cortocircuito, mientras que L0 presenta una impedancia
elevada. Así, Z0 cortocircuita las corrientes homopolares y sólo una ínfima parte
(normalmente un 10%) vuelve a la red eléctrica.
Por otro lado, los desequilibrios de corriente de fase debidos a las cargas
monofásicas también son en parte corregidos por el filtro.
CleanWave ha sido diseñado para ofrecer:
una respuesta instantánea
pérdidas mínimas.
TM
Fig. 3.23: Esquema de principio de CleanWave .
El filtro es franqueable por todas las corrientes El filtro se bloquea para todas las corrientes
fundamentales equilibradas
homopolares
Fig. 3.24: Funcionamiento de CleanWave
Puesta en marcha
TM
para el filtrado de los armónicos homopolares.
Dos versiones distintas: para integrar o instalar
CleanWave se presenta tal cual (versión IP00, para que el cliente lo instale) o bien
integrado en una caja eléctrica (versión IP21). La versión IP21 está equipada con
amperímetros que miden la corriente de neutro aguas arriba y abajo del filtro.
Instalación
CleanWave es fácil de instalar y poner en marcha:
No requiere un estudio especial previo a la instalación
- no hay riesgo de resonancia
- es independiente de la potencia de cortocircuito
Es fácil de elegir y configurar (ver ejemplos a continuación)
Se integra en cualquier punto de la instalación, independientemente de la potencia
del cortocircuito
Presenta gran flexibilidad gracias a la conexión de varios filtros en paralelo
Mantiene el conductor de neutro sin impedancia alguna.
Además, CleanWave no requiere mantenimiento.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 3 - pág. 23
Ejemplos de configuración de CleanWave
Ejemplo 1
En una instalación existente se quiere instalar un filtro aguas arriba de una carga no
lineal protegida por un disyuntor de 300 A.
Las mediciones realizadas en el lugar dan una corriente de neutro de 450 A.
Se elige el filtro CleanWave 220 kVA (ver cap. 4, pág. 69), que admite:
una corriente de neutro de 577 A.
una corriente de fase de 321 A.
Ejemplo 2
En una instalación nueva se quiere instalar un filtro aguas arriba de una carga de
120 kVA.
Se elige el filtro CleanWave de potencia inmediatamente superior, es decir 140 kVA
(ver cap. 4, pág. 69), que admite:
una corriente de neutro de 361 A.
una corriente de fase de 201 A
Ventajas de la instalación de CleanWave
Reducción drástica de la corriente de neutro en una relación de 10
Reducción drástica de las corrientes armónicas devueltas a la red
Mejora de la forma de onda de tensión
Reequilibrado parcial de las corrientes de una carga desequilibrada
Mejora del factor de potencia
Reducción de las pérdidas de energía
Reducción de las perturbaciones electromagnéticas
Rendimiento muy elevado: superior al 99%
Mejora de la selectividad de los disyuntores aguas abajo del filtro
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cap. 3 - pág. 24
Capítulo 5: Complementos y datos técnicos
Sumario
La alimentación de las cargas sensibles ...................... 5-2
Tipos de perturbaciones de la energía eléctrica ...................................5-2
Principales perturbaciones de la energía eléctrica en BT ....................5-3
Los UPS ........................................................................... 5-4
La solución UPS ...................................................................................5-4
Principales aplicaciones de los UPS ....................................................5-6
Tipos de UPS ................................................................... 5-7
UPS estáticos y rotativos .....................................................................5-7
Tipos de UPS estáticos ........................................................................5-9
Constitución y funcionamiento de un UPS ................... 5-14
Componentes de un UPS .....................................................................5-14
Principales características de los componentes de un UPS ................5-17
Esquema de síntesis ............................................................................5-22
Modos de funcionamiento de un UPS ..................................................5-23
Configuraciones de UPS ......................................................................5-24
Comunicación de los UPS .............................................. 5-26
Las redes digitales e Internet ...............................................................5-26
Interfaces de comunicación de los UPS ...............................................5-29
Compatibilidad electromagnética (CEM) ...................... 5-31
Perturbaciones electromagnéticas .......................................................5-31
Normas y recomendaciones CEM ........................................................5-31
Normas de los UPS ......................................................... 5-33
Ámbito de aplicación y respeto de las normas .....................................5-33
Principales normas relativas a los UPS ................................................5-33
Almacenamiento de la energía....................................... 5-36
Tecnologías aplicables.........................................................................5-36
Las baterías..........................................................................................5-37
Combinación de UPS y grupo electrógeno................... 5-41
Interés del grupo electrógeno ...............................................................5-41
Combinación de UPS y grupo electrógeno ..........................................5-41
Regímenes transitorios de las cargas ........................... 5-43
Irrupciones de corriente en las puntas de conexión .............................5-43
Armónicos ....................................................................... 5-44
Los armónicos ......................................................................................5-44
Valores relacionados con los armónicos ..............................................5-46
Los armónicos y el UPS .......................................................................5-49
Filtros antiarmónicos ...................................................... 5-50
Tipos de filtros antiarmónicos ...............................................................5-50
Comparativa y conclusión ....................................................................5-53
Cargas no lineales .......................................................... 5-54
Comportamiento de los onduladores de MLI con cargas no lineales ...5-54
Comparación de distintas fuentes ........................................................5-57
Conclusión............................................................................................5-57
Conmutación a frecuencia libre ............................................................5-58
Rectificador PFC ............................................................. 5-60
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cap. 5 - pág. 1
La alimentación de las cargas sensibles
Tipos de perturbaciones
de la energía eléctrica
Las redes de distribución pública o privada de energía eléctrica suministran, en
teoría, una tensión sinusoidal de ancho y frecuencia fijos a los equipos eléctricos
que alimentan (por ej.: 400 voltios eficaces, 50 Hz, en baja tensión).
En realidad, los propios distribuidores de energía advierten de fluctuaciones
alrededor de los valores nominales indicados. La norma EN 50160 define las
fluctuaciones normales de la tensión de alimentación BT de las redes europeas por:
tensión: + 10% a - 15% (media de todos los valores eficaces calculada en 10 min),
el 95% de la cual dentro de un margen de r 10% cada semana.
frecuencia: + 4% a 6% en 1 año con r 1% durante un 99,5% del tiempo (redes
enlazadas mediante conexiones síncronas de sistema interconectado).
En la práctica, además de las fluctuaciones indicadas, la sinusoide de tensión puede
verse alterada en distinto grado por las diversas perturbaciones que afecten a la red.
Origen de las perturbaciones
La red
Factores que pueden perturbarla, o incluso interrumpir su suministro:
fenómenos atmosféricos inevitables que pueden afectar a las líneas aéreas o los
cables enterrados:
- el rayo, que propaga una sobretensión brusca en la red
- la escarcha, a causa de la cual las líneas pesan demasiado y pueden romperse
accidentes:
- caída de una rama encima de una línea, lo que puede provocar un cortocircuito o
su rotura
- corte de un cable, por ejemplo en el curso de trabajos de movimiento de tierras
- fallo en la red
desequilibrios de fase
maniobras de los dispositivos de protección o de mando de la red, en el curso de
desconexiones de la carga o de operaciones de mantenimiento.
Los equipos de los usuarios
Algunos equipos pueden perturbar la red, por ejemplo:
instalaciones industriales, debido a:
- los motores, que provocan caídas de tensión por la solicitud de corriente en el
arranque
- determinados aparatos, como hornos de arco o máquinas soldadoras, que generan
muchas perturbaciones, provocando caídas de tensión y parásitos HF
sistemas de electrónica de potencia (sistemas de alimentación por conmutación,
variadores de velocidad, reactancias electrónicas...) que generan armónicos
algo mucho más simple, como la maquinaria de los ascensores, con sus
solicitudes de corriente, o las instalaciones de iluminación fluorescente, que generan
armónicos.
Las perturbaciones de la energía causadas por estos factores se resumen en la
siguiente tabla, de acuerdo con las definiciones recogidas por las normas EN 50160
y ANSI 1100-1992.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 2
La alimentación de las cargas sensibles (continuación)
Perturbaciones
Cortes de la tensión
Microcortes
Características
Causas principales
Consecuencias principales
Ausencia total de tensión durante
d 10 ms.
Fenómenos atmosféricos,
maniobras, fallos, intervenciones
en la red.
Funcionamiento defectuoso y
alteración o pérdida de datos
(informática) o pérdida de
producción (proceso continuo).
Cortes
Repetidas ausencias totales de
tensión:
- corte breve: d 3 min
(70% de los cortes: duración < 1s)
- corte largo: > 3 min
maniobras, fallos, incidencias,
caídas de línea, obras en la red.
Según su duración, paro de la
máquina y riesgo para las
personas (ej.: ascensor), pérdidas
de datos (informática) o de
producción (procesos continuos).
Disminución brutal del valor eficaz
de la tensión por debajo del 90%
de su valor nominal (sin llegar a 0)
con una duración de entre 10 ms y
1 min.
Sobretensión temporal superior a
un 10% del valor nominal, con una
duración de entre 10 ms y unos
segundos.
variaciones de carga en la red,
cortocircuito en una salida
cercana.
Paro de las máquinas,
funcionamiento defectuoso y
pérdida de material o de datos
informáticos.
- Calidad de los generadores y las
redes
- Interacción entre generador y –
fluctuaciones de carga de la red.
- Operaciones en la red
- Paro de equipos pesados (ej.:
motor, batería de condensador)
Bajadas de tensión persistentes
Punta de consumo cuando la red
con una duración de entre algunos no puede satisfacer la demanda y
minutos y algunos días.
debe reducir su tensión para
limitar la potencia.
- Para los sistemas informáticos:
alteraciones en memoria, errores
de tratamiento, paro del sistema,
desperfectos en componentes
- Recalentamiento y
envejecimiento prematuro de los
materiales.
Paro de los sistemas informáticos,
alteración o pérdida de datos,
recalentamientos, desgaste
prematuro del material.
Picos de tensión
Pico de tensión repentino e
importante (ej.: 6 kV).
Impacto de rayos cercanos,
descargas estáticas.
Errores de tratamiento, alteración
de datos, paro de sistemas
informáticos, tarjetas electrónicas
quemadas.
Desequilibrio de tensión
(en sistemas trifásicos)
Estado en el que el valor eficaz de
las tensiones de fase y los
desequilibrios entre fases no
coinciden.
- Hornos de inducción
- Desequilibrio de cargas
monofásicas.
- Recalentamiento
- Desconexión de una fase.
Modificación en la estabilidad de
la frecuencia. Fluctuación típica:
+ 5%, - 6% (media para un
intervalo de 10 s).
- Regulación de los generadores
- Funcionamiento erróneo de los
generadores.
- Fuente de frecuencia inestable.
Efecto de parpadeo de la
iluminación debido a un bajón de
tensión y de frecuencia (< 35 Hz).
Máquinas soldadoras, motores,
hornos de arco, máquinas de
rayos X, láser, baterías de
condensadores.
No respeto a las tolerancias de
determinados materiales
informáticos o de instrumentación
(normalmente ± 1%), pérdidas de
datos informáticos.
Daños fisiológicos.
Aumento brusco e importante de
la tensión en un lapso de tiempo
muy corto.
Es similar a un pico de tensión.
Fenómenos atmosféricos (rayo) y
maniobras.
< 1 Ps
Ancho < 1 a 2 kV con varias
decenas de MHz.
> 1 Ps et d 100 Ps
Valor de cresta de 8 a 10 veces
superior al valor nominal con
varios MHz.
> 100 Ps
Valor de cresta de 5 a 6 veces
superior al valor nominal con unos
cientos de MHz.
Distorsión de las ondas
sinusoidales de tensión y de
corriente debido a las corrientes
armónicas de cargas no lineales.
Por encima del rango 25, el efecto
de los armónicos es insignificante.
Perturbaciones conducidas o
radiadas de carácter
electromagnético o electrostático.
El objetivo es lograr un bajo nivel
de emisión y una alta inmunidad.
Conexión de pequeñas cargas
inductivas, O/F sucesivas de
contactores o relés BT.
Fallos (impacto de rayo) o
maniobras en HT transmitidas a
BT mediante acoplamiento
magnético.
Apertura de cargas inductivas o
fallos en HT transmitidos a BT
mediante acoplamiento
electromagnético.
Máquinas eléctricas con nodos
magnéticos (motores,
transformadores de vacío...),
sistemas de alimentación por
conmutación, hornos de arco,
variadores de velocidad.
Conmutación de componentes
electrónicos (transistores,
tiristores, diodos), descargas
electrostáticas.
Variaciones de la tensión
Caídas de tensión
Sobretensión
Subtensión
Variaciones de la frecuencia
Fluctuaciones de frecuencia
Flicker
Otras perturbaciones
Transitorios HF
Corta duración
Duración media
Larga duración
Distorsión armónica
Compatibilidad
electromagnética (CEM)
MGE UPS SYSTEMS
Destrucción de materiales,
envejecimiento acelerado,
perforación de los componentes o
los aislantes.
Sobredimensionamiento de
materiales, recalentamientos,
fenómenos de resonancia con los
condensadores,
destrucción de materiales
(transformadores).
Fallos de funcionamiento de
aparatos electrónicos sensibles.
cap. 5 - pág. 3
Los UPS
La solución UPS
La economía actual depende cada vez más de las tecnologías digitales, muy
sensibles a las perturbaciones de la alimentación eléctrica.
Por ello, muchas aplicaciones requieren una alimentación fiable, protegida contra los
riesgos relacionados con las perturbaciones de la red:
procesos industriales y su control de mandos: riesgos de pérdidas de producción
aeropuertos u hospitales: riesgos para la seguridad de las personas
tecnologías de la información y de la comunicación relacionadas con Internet:
riesgos de parada de los tratamientos con costes horarios muy elevados debido a
los intercambios ininterrumpidos de datos vitales vinculados a la mundialización de
la economía.
Los UPS
La alimentación de estas aplicaciones sensibles en energía fiable se efectúa a
través de un UPS (sistema de alimentación ininterrumpida).
Un UPS es un equipo eléctrico que se interpone entre la red y las cargas sensibles
con la función de proporcionar a las cargas una tensión:
de alta calidad: limpia la sinusoide de salida de las perturbaciones de la red y la
sitúa dentro de las tolerancias estrictas de ancho y frecuencia.
de alta disponibilidad: la permanencia de la tensión, dentro de las tolerancias
especificadas, está garantizada por una reserva de energía. Por lo general, se
compone de una batería que, en caso necesario, sustituye a la red y proporciona
autonomía de funcionamiento adaptada a la aplicación.
Estas características hacen de los UPS la fuente de alimentación por excelencia de
todas las aplicaciones sensibles, a las que aportan energía segura sea cuál sea el
estado de la red.
Composición de un UPS
En líneas generales, un UPS consta de los elementos siguientes:
Rectificador-cargador
Toma la energía de la red y produce una corriente continua que alimenta a un
ondulador y recarga o mantiene cargada una batería.
Ondulador
Regenera completamente una tensión de salida sinusoidal de alta calidad:
depurada de todas las perturbaciones de la red, en particular de los microcortes
dentro de las tolerancias compatibles con las exigencias de los equipos
electrónicos alimentados (ej.: Galaxy: tolerancias de ancho de ± 0,5% y de
frecuencia de ± 1%, frente a ± 10% y ± 5 % para la red, lo que representa unos
factores de mejora de 20 y 5).
Batería
Proporciona una autonomía de funcionamiento suficiente (desde 6 min hasta varias
horas) sustituyendo en caso necesario a la red.
By-pass estático
Permite transferir sin interrupción la alimentación de la carga desde el ondulador
hacia la red directamente y viceversa. La transferencia sin interrupción se lleva a
cabo mediante un dispositivo con tiristores (llamado a veces contactor estático).
El by-pass estático permite seguir alimentando la carga en caso de fallo o durante
operaciones de mantenimiento del conjunto rectificador/cargador-ondulador.
También puede realizar una transferencia para recurrir a la potencia de la red aguas
arriba en caso de producirse una solicitud de corriente aguas abajo (por ejemplo,
con un cortocircuito) superior a la capacidad del ondulador.
Cuando funciona a través del by-pass estático, la carga, directamente alimentada
por la red, no está protegida. Es lo que se conoce como funcionamiento en modo
"degradado").
By-pass de mantenimiento
Permite alimentar directamente la carga desde la red sin pasar por el ondulador o el
contactor estático. La transferencia hacia el by-pass de mantenimiento es voluntaria
y se activa mediante un interruptor. Basta accionar los interruptores deseados para
que este by-pass permita aislar el by-pass estático y el ondulador para su
mantenimiento mientras continúa alimentando la carga en modo "degradado".
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 4
Los UPS (continuación)
Re d HT
Tra nsfo rmad or
HT/B T
E nerg ía n ormal
(p erturba cione s y
tole ran cia s d e l a red)
A plicacio nes no sensib les
UP S
Rectifi ca dor/
Carg ado r
Ba te ría
On dul ador
Bypa ss
Estático
Apli ca ci ones sensib les
Bypa ss de
Man te nimien to
Ene rgía se gur a
(exen ta d e p erturb acion es
y de ntro d e to lera ncias
estri ctas
G racia s a la au to nomia d e
la b atería
Fig. 5.1: La solución UPS.
Aplicaciones de los UPS
MGE UPS SYSTEMS
Los UPS se utilizan para numerosas aplicaciones que requieren una alimentación
eléctrica segura (disponible e insensible a las perturbaciones de la red). La siguiente
tabla muestra algunas utilizaciones.
Para las principales aplicaciones se indican su sensibilidad a las perturbaciones y el
tipo de UPS apropiado para su protección.
Estas aplicaciones pertenecen a:
Sistemas informáticos
Telecomunicaciones
Industria e instrumentación
Otras aplicaciones.
La tipología de los UPS utilizados se explica en la pág. 9 - "Tipos de UPS estáticos".
Se incluyen los UPS estáticos que funcionan con:
Standby pasivo
Interacción con la red
Doble conversión.
cap. 5 - pág. 5
Los UPS (continuación)
Aplicación
Materiales afectados
Principales aplicaciones de los UPS
Sistemas informáticos
Data Centers
- Grandes compartimentos eléctricos de
servidores en rack
- Internet Data Centers
Redes corporativas
- Ordenadores en red con terminales y
sus periféricos
(unidades de banda magnética,
unidades de disco, etc.)
Pequeñas redes y
- Redes de PC o de estaciones de
servidores
trabajo, redes de servidores (WAN,
LAN)
Equipos unitarios
- PC, estaciones de trabajo
- Periféricos: impresoras, plotters,
procesadores de mensajes de voz
Telecomunicaciones
Telecomunicaciones
- Conmutadores telefónicos numéricos
Industria e instrumentación
Procesos industriales
- Control de procesos
- Autómatas programables
- Sistemas de mando digitales
- Sistemas de control – Mando
de robots
- Máquinas automáticas
Asistencia sanitaria y
- Instrumentario.
laboratorios
- Escáneres (60 Hz).
Maquinaria industrial
- Máquinas herramienta
- Robots para soldar
- Prensas de inyección para plástico
- Sistema de regulación de precisión
(textil, papel, etc.).
- Sistemas de calentamiento para la
fabricación de semiconductores, vidrio,
materiales puros.
Sistemas de alumbrado - Edificios públicos (ascensores,
iluminación de seguridad).
- Túneles.
- Balizaje de las pistas aeropuertos.
Otras aplicaciones
Frecuencias especiales - Conversión de frecuencia.
- Sistemas de alimentación para aviones
(400 Hz).
*
poca sensibilidad a las perturbaciones
*****
altísima sensibilidad a las perturbaciones
MGE UPS SYSTEMS
Protección necesaria contra
Tipo de solución
UPS
(ver pág. 8)
Microcortes Cortes
Variaciones Variaciones Otros
de tensión de
frecuencia
*****
*****
*****
*****
*****
Doble conversión
*****
*****
*****
*****
*****
Doble conversión
****
****
***
***
**
Interacción con la
red
**
**
*
*
**
Standby pasivo
*****
*****
*****
*****
*****
Doble conversión
***
*****
***
***
****
Doble conversión
****
*****
****
****
***
Doble conversión
***
****
***
***
***
Doble conversión
**
****
***
***
**
Doble conversión
Interacción con la
red
****
****
****
*****
***
Doble conversión
cap. 5 - pág. 6
Tipos de UPS
UPS estáticos o
rotativos
Solución estática o rotativa
Existen dos grandes tipos de soluciones de UPS (figura 5.2) que se diferencias
fundamentalmente por la manera en que ejecutan la función de ondulador:
Solución estática
UPS que sólo utilizan componentes electrónicos para llevar a cabo la función del
ondulador. Realizan una "función de ondulador estático".
Solución rotativa
UPS que utilizan convertidores rotativos para ejecutar la función del ondulador.
Realizan una "función de ondulador rotativo" o convertidor rotativo.
En realidad, los UPS integran elementos en rotación (motor y generador) a un
ondulador estático muy simplificado.
El ondulador filtra las perturbaciones de la red y sólo regula la frecuencia de su
corriente de salida (normalmente en forma de "almenas"), que alimenta un grupo de
motor/generador regulado, completado ocasionalmente por un volante de inercia.
Este grupo genera la sinusoide de tensión segura tomando como referencia la
frecuencia de la salida del ondulador.
Red
Normal
Red
Normal
Red
By pass
Cargador Rectificador
Rectific ador/
Cargador
Batería
Red
Bypass
Batería
Bypass
Estática
O ndulador
By pass
estátic o
Ondulador
Simplificado
M
G
M
C on tro l ado
Funció n
o ndulado r
rotativo
G
Utilización
Utilización
Fig. 5.2: UPS estático y UPS rotativo
Comparación
Solución rotativa
He aquí los argumentos que se suelen presentar en favor de la solución rotativa:
importante corriente de cortocircuito del generador, del orden de 10 In (diez veces
superior a su intensidad nominal), que facilita los ajustes de las protecciones
capacidad de sobrecarga del 150% de la corriente nominal más larga (2 minutos,
frente a 1)
aislamiento galvánico de la red aguas abajo respecto a la red aguas arriba
proporcionado por el grupo de motor/generador
impedancia interna que ofrece una buena tolerancia de las cargas no lineales, muy
frecuentes con los sistemas de alimentación por conmutación utilizados para los
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 7
Tipos de UPS (continuación)
Solución estática
Frente a los argumentos de la solución rotativa
Los modelos estáticos de MGE UPS SYSTEMS ofrecen las ventajas siguientes:
funcionamiento con limitación de corriente hasta 2,33 In (1) y con una selectividad
garantizada hasta salidas de calibre In/2 (1). Respecto a los UPS rotativos, estos
valores, de sobras suficientes en la práctica, evitan:
- el calentamiento de los cables
- los efectos de una fuerte corriente de cortocircuito y de la consiguiente fuerte caída
de tensión en los equipos sensibles mientras se repara el fallo.
igual capacidad de sobrecarga de un 150% de la corriente nominal durante 1
minuto.
La resistencia de 2 minutos no tiene un interés real, pues la mayoría de sobrecargas
tienen una corta duración (< 1 segundo – por ej.: corrientes de llamada para puesta
en tensión de motores, transformadores o dispositivos de electrónica de potencia).
idéntica posibilidad de aislamiento galvánico, mediante un transformador de
aislamiento
principio de funcionamiento de doble conversión (u on-line), que garantiza el
aislamiento completo de la carga en relación con la red, y además regenera la
tensión de salida con una regulación precisa del ancho de frecuencia.
impedancia interna muy baja, que mayores posibilidades a las cargas no lineales
aguas abajo gracias a las tecnologías con transistores de potencia.
Otras ventajas
) Las soluciones estáticas, gracias a la utilización de transistores de potencia y a
una técnica de conmutación PWM, proporcionan muchas otras ventajas:
diseño global simplificado gracias al cual se reduce el número de piezas y de
conexiones y, por consiguiente, las posibilidades de fallo.
capacidad de reacción instantánea frente a las fluctuaciones de ancho y de
frecuencia de la red mediante regulación de la conmutación con muestrario digital y
microprocesador. El ancho de tensión recupera el régimen regulado (± 0,5% o ± 1%
según el modelo) en menos de 10 ms cuando se producen variaciones de carga del
100%.
alto rendimiento constante con cualquier índice de carga, algo especialmente
ventajoso para los UPS en redundancia poco cargados. Un UPS estático mantiene
su rendimiento (94%) a media carga, mientras que el de un UPS rotativo
(normalmente del 88-90%) cae en picado, con la incidencia que ello tiene en los
costes de explotación.
posibilidad de redundancia, lo que proporciona una alta disponibilidad para los
sistemas de alimentación súper fiable (por ej.: data centers).
posibilidad de integración en una arquitectura redundante con funciones
separadas, que facilita el mantenimiento gracias a la opción de aislar una parte de la
instalación.
Los sistemas rotativos integran el UPS, el circuito de energía de socorro y el grupo
en un componente único, que no permite separar las funciones.
falta de nudo de fiabilidad: los sistemas rotativos con volantes dependen de la
capacidad de arranque del motor (normalmente en menos de 12 segundos). Para
ello se requiere de un motor en perfecto estado de funcionamiento con un
mantenimiento riguroso. Si no arranca, el usuario no dispone del tiempo para
realizar un paro "seguro" de las cargas críticas.
) Ventajas a las que puede sumarse también las siguientes, nada desdeñables:
peso y volumen reducidos.
sin desgaste de los elementos rotativos, lo que hace el mantenimiento más fácil y
rápido. Por ejemplo, los sistemas rotativos requieren que se compruebe la
alineación de las partes rotativas y se sustituyan obligatoriamente los cojinetes
transcurridos entre 2 y 6 años (elementos de elevación, calentamiento y
enfriamiento de los cojinetes durante el cambio).
* valores para los UPS MGE UPS SYSTEMS.
Conclusión
Gracias a las ventajas arriba descritas, los UPS estáticos son los utilizados en la
gran mayoría de casos, sobre todo para las grandes potencias.
) Siempre que en esta guía hablamos de sistemas de alimentación
ininterrumpida, nos referimos a los UPS estáticos.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 8
Tipos de UPS estáticos
Normalización
UPS
Con la proliferación de cargas sensibles, el término UPS engloba desde productos
de unos cuantos cientos de VA para aplicaciones ofimáticas hasta varios MVA para
centros de informática o de telecomunicaciones.
Al mismo tiempo, se han diversificado las técnicas empleadas y la denominación de
los productos propuestos ha evolucionado de manera a veces algo anárquica,
incluso comercialmente abusiva para el usuario.
Por esta razón, la CEI (Comisión Electrotécnica Internacional) ha establecido unas
normas que definen los tipos de UPS y el alcance de sus prestaciones, elementos
recogidos por el Cenelec (Comité Europeo de Normalización).
La norma CEI 62040-3 y su equivalente europeo EN 62040-3 definen claramente
tres tipos de UPS y sus prestaciones.
Son los UPS que funcionan con:
standby pasivo.
line-interactive.
doble conversión.
Redes de alimentación
Esta tipología hace referencia al funcionamiento de los UPS en relación con la red,
término con el que se engloba de hecho todo el circuito de distribución aguas arriba
del UPS.
Las normas definen la siguiente terminología referente a la red:
red fuente: red que, en circunstancias normales, ofrece potencia disponible de
manera continua. La energía suele estar suministrada por una compañía eléctrica,
pero a veces proviene de la propia estación de potencia del operador.
red de socorro: red prevista para reemplazar a la red fuente en caso de fallo de la
misma.
En la práctica, un UPS dispone de una o dos entradas:
red normal (o red 1), alimentada por la red fuente.
red by-pass (o red 2) alimentada por la red de socorro (a través, normalmente, de
un cable distinto que sale del mismo C.G.B.T.).
UPS en Standby pasivo
) El ondulador se instala en paralelo y en socorro de la red. La batería se carga
mediante un cargador distinto del ondulador.
Principio de funcionamiento
modo normal
- El ondulador está en Standby pasivo.
- La carga es alimentada por la red general a través de un filtro/acondicionador
que elimina determinadas perturbaciones y puede regular la tensión.
- Las normas no hacen referencia a este filtro y tan sólo hablan de un "interruptor de
UPS". Sin embargo, sí precisan que "se pueden incorporar dispositivos adicionales
para garantizar el acondicionamiento de la alimentación, por ejemplo un
transformador ferrorresonante o con conmutación de tomas automática".
modo batería
- Cuando la tensión alterna de la red de entrada está fuera de las tolerancias
especificadas del UPS o en caso de fallo de dicha red, el ondulador y la batería
aseguran la continuidad de alimentación de la carga tras un tiempo de permutación
muy corto (por lo general, < 10 ms). Las normas no precisan un tiempo concreto,
pero si estipulan que "la carga se transfiere al ondulador directamente o a través del
interruptor del UPS, que puede ser estático o bien electromecánico".
- El UPS sigue funcionando con la batería durante el tiempo de autonomía o, según
el caso, hasta que la red vuelva a situarse dentro de las tolerancias especificadas,
lo que conlleva la permutación al modo normal.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 9
Red
Cargador
Batería
Ondulador
Filtro /
Acondic ionador
Modo normal
Modo batería
Utilización
Fig. 5.3: UPS en stand-by pasivo.
Ventajas
simplicidad del esquema.
bajo coste.
Inconvenientes
falta de aislamiento efectivo de la carga con respecto a la red aguas arriba.
tiempo de basculamiento: debido a la ausencia de un verdadero contactor estático,
es necesario un tiempo de basculamiento hacia el UPS, admisible para
determinadas aplicaciones unitarias, pero incompatible con las prestaciones que
requieren las instalaciones mas complejas y sensibles (grandes centros
informáticos, centrales telefónicas...).
falta de regulación de la frecuencia de salida, que es la de la red.
Utilización
Esta configuración (también llamada "off-line") es fruto de un compromiso entre un
nivel aceptable de protección contra las perturbaciones y su coste correspondiente.
Por los inconvenientes antes descritos, este tipo de UPS prácticamente sólo es
aplicable a las pequeñas potencias (< 2 kVA), y no es posible su utilización con
convertidor de frecuencia.
UPS line-interactive
) El ondulador
se instala e en paralelo y en socorro de la red; además, se
encarga de recargar la batería. Para ello, interacciona con la red mediante un
funcionamiento reversible.
modo normal:
La carga está alimentada por la "red acondicionada", constituida por la línea de la
red en paralelo con el ondulador. La red se encuentra dentro de tolerancias y el
ondulador interviene para regular las fluctuaciones de la tensión de entrada. El resto
del tiempo, carga la batería mediante un funcionamiento reversible. La frecuencia de
salida es la de la red.
modo batería:
- Cuando la tensión de la red de entrada se encuentra fuera de las tolerancias del
UPS, o en caso de fallo de la red, el ondulador y la batería garantizan la continuidad
de alimentación de la carga. El interruptor de potencia (por ejemplo, un contactor
estático) desconecta la alimentación de entrada para evitar un retorno de
alimentación del ondulador.
- El UPS sigue funcionado con la batería durante el tiempo de autonomía o, según el
caso, hasta que la red vuelva a situarse dentro de las tolerancias específicas, con lo
que se recupera el funcionamiento en modo normal.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 10
modo by-pass:
Este tipo de UPS puede incorporar un by-pass de mantenimiento. En caso de fallo
de una de las funciones del UPS, la alimentación de la carga puede ser transferida a
la entrada by-pass a través del by-pass de mantenimiento.
Red
normal
Red
bypas s
Si só lo ha y una
e n t ra d a , r e d 1
Contac tor
Estát ic o
Bat erí a
Bypass de
mantenimiento
Ondulador
Modo normal
Modo autonomía
Modo by pass
Utilización
Fig. 5.4: UPS line-interactive.
Ventajas
el coste puede ser inferior al de un UPS de potencia equivalente que funcione con
doble conversión, dado que no se solicita permanentemente el ondulador.
Inconvenientes
falta de aislamiento eficaz de la carga con respecto a la red aguas arriba:
- sensibilidad a las variaciones de tensión de la red, lo que implica solicitar
frecuentemente el ondulador
- influencia de las cargas no lineales aguas abajo en la tensión de entrada aguas
arriba.
falta de regulación de la frecuencia de salida, que es la de la red de entrada.
acondicionamiento de la tensión de salida poco eficaz, al no estar el ondulador en
paralelo con la red. Normalmente, se habla de "red acondicionada" cuando la red
está en paralelo con el ondulador. Sin embargo, este acondicionamiento está
limitado por la sensibilidad directa a las fluctuaciones de tensión aguas abajo y
aguas arriba así como por el modo de funcionamiento reversible del ondulador.
el rendimiento depende de:
- el tipo de carga: con cargas no lineales, la corriente solicitada contiene armónicos
que se integran al fundamental. Los transfiere el convertidor bidireccional que regula
la tensión y provocan una fuerte disminución del rendimiento.
- el índice de carga: las pérdidas por mantenimiento de la batería se acusan cuando
la carga disminuye.
nudo de fiabilidad debido a la ausencia de by-pass estático: en caso de avería, el
UPS se para.
Utilización
Esta configuración no es indicada para regular cargas sensibles con media y alta
potencia, pues no permite regular la frecuencia. Por esta razón, su uso en el
campo de las medias y grandes potencias es minoritario.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 11
UPS de doble conversión
) El UPS se instala en paralelo entre la red y la carga. La energía eléctrica
circula permanentemente a través de él.
modo normal
La energía suministrada a la carga circula por la cadena convertidor/cargador –
ondulador, que lleva a cabo una doble conversión de corriente alterna - continua alterna, de ahí su nombre. La tensión se regenera y regula constantemente.
modo batería
- Cuando la tensión alterna de la red de entrada se encuentra fuera de las
tolerancias específicas del UPS, o en caso de fallo de dicha red, el ondulador y la
batería garantizan la continuidad de alimentación de la carga.
- El UPS sigue funcionando con la batería durante el tiempo de autonomía o, según
el caso, hasta que la red vuelva a situarse dentro de las tolerancias específicas, con
lo que se recupera el funcionamiento en modo normal.
modo by-pass
Este tipo de UPS incorpora un by-pass estático (también conocido como contactor
estático) que permite transferir sin interrupción la alimentación de la carga desde el
ondulador hacia la red directamente y viceversa.
La carga se transfiere a través del by-pass estático en los siguientes casos:
- fallo del UPS
- transitorios de corriente de carga (corriente de arranque o de eliminación de fallo)
- sobrecargas
- fin de autonomía de la batería.
El by-pass estático exige frecuencias de entrada y de salida idénticas, lo cual
excluye su funcionamiento como convertidor de frecuencia. En caso de que los
niveles de tensión fueran distintos, se debería prever un transformador en el bypass.
El UPS está sincronizado con la red de alimentación del by-pass para que la
transferencia desde el ondulador hacia esta red se realice sin interrupción.
Nota: se dispone de otra vía, llamada by-pass de mantenimiento, para las
operaciones de mantenimiento. Se cierra mediante un interruptor manual.
Red
Normal
Red
Normal
Si sólo ha y un a
entrada, r ed 1
Rectif icador/
cargador
Batería
Contac tor
estático
(bypass
estático)
O ndulador
Bypass
manual de
mantenimiento
Modo normal
Modo autonom ía
Modo bypass
Utilización
Fig. 5.5: UPS de doble conversión.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 12
Ventajas
regeneración completa de la energía entregada en salida, independientemente de
que la energía provenga de la red o de la batería.
aislamiento total de la red y de sus perturbaciones para las cargas.
margen de tolerancias de tensión de entrada muy amplio, al tiempo que permite
una regulación precisa de la tensión de salida.
independencia de las frecuencias de entrada y de salida, lo que ofrece tolerancias
de frecuencia de salida estrictas. Posibilidad de funcionar como convertidor de
frecuencia, cuando así esté previsto, inhabilitando el contactor estático.
rendimiento de funcionamiento estático y dinámico mucho más elevado.
paso instantáneo al modo autonomía en caso de fallo de la red.
posibilidad de transferencia sin interrupción hacia una red socorro con modo bypass.
by-pass manual normalmente de serie, lo cual facilita el mantenimiento.
Inconvenientes
precio más elevado, pero que se compensa por sus muchas ventajas.
Utilización
Esta es la configuración más completa en términos de protección de la carga, de
posibilidades de regulación y de rendimiento. Permite, entre otras prestaciones, que
la tensión y la frecuencia de salida sean independientes de las condiciones de la
tensión y la frecuencia de entrada.
Por sus múltiples ventajas, es prácticamente la única configuración utilizada para
las medias y grandes potencias (a partir de 10 kVA).
Conclusión
Los UPS que funcionan con doble conversión suponen el grueso de las ventas
para medias y grandes potencias (un 95% de los casos a partir de unos cuantos
kVA, y el
98% por encima de 10 kVA).
Ello se debe al hecho de que presentan muchos puntos fuertes para responder a
las necesidades de las cargas sensibles con estos niveles de potencia, gracias en
gran medida a la situación del ondulador en paralelo con la red.
Por otro lado, presentan pocos puntos débiles, aparte de su elevado precio, que
se explica por las diferencias en los resultados que se obtienen, a menudo
indispensables, al ser las cargas alimentadas cargas críticas. Asimismo, las
pérdidas son ligeramente superiores (en algunos puntos del porcentaje).
En estos niveles de potencia las demás tecnologías tienen una aplicación
minoritaria, a pesar de la notable diferencia de precio.
La razón es que presentan los siguientes inconvenientes:
falta de regulación de la tensión en los UPS que funcionan en stand-by pasivo
falta de regulación de la frecuencia en los UPS que funcionan en stand-by pasivo
o line-interactive
aislamiento rudimentario (normalmente un parasobretensor) con respecto a la red
debido a la posición en paralelo del ondulador.
En conclusión:
) En el ámbito de las pequeñas potencias (< 2 kVA), coexisten los 3 tipos de
UPS normalizados.
Lo que determina la elección es la relación prestaciones/precio con respecto a las
exigencias de la carga y a los riesgos asumidos (para las personas, la
producción…).
) El ámbito de las grandes potencias es el reino de la doble conversión.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 13
Constitución y funcionamiento de un UPS
Constitución de un UPS
Las siguientes páginas tratan de los UPS de doble conversión, la tecnología
mayoritaria para las potencias > 10 kVA, que constituyen la oferta de MGE UPS
SYSTEMS en este nivel de potencia.
Esquema general de un UPS
Los elementos del siguiente esquema general se localizan mediante números que
remiten a las explicaciones correspondientes, desarrolladas a continuación.
Fig. 5.6: Constituyentes de un UPS.
Redes de alimentación y entradas del UPS
Un UPS dispone de una o dos entradas:
red normal (o red 1), alimentada por la red fuente.
red by-pass (o red 2) alimentada por la red de socorro (normalmente es un
cable distinto que sale del mismo C.G.B.T.).
Redes: ver información en cap. 5 pág. 9.
MGE UPS SYSTEMS
Es aconsejable disponer de una red normal y una red by-pass diferenciadas
(entradas alimentadas por dos cables distintos que salen del C.G.B.T), pues ello
aumenta la fiabilidad de la instalación. Sin embargo, si no se dispone de dos cables
de salida del C.G.B.T distintos, la red normal también puede alimentar la red bypass mediante un desdoblamiento del cable de entrada.
La gestión de las transferencias entre ambas redes funciona de la siguiente manera:
El UPS sincroniza la tensión de salida del ondulador con la de la red by-pass
cuando dicha tensión se encuentra dentro de tolerancias. De este modo, en caso
necesario, el contactor estático puede hacer bascular la utilización hacia esa red sin
interrumpir la alimentación (con las 2 tensiones sincronizadas y en fase) y sin riesgo
para la carga (si la red by-pass está dentro de tolerancias).
Cuando la red by-pass se encuentra fuera de tolerancias, el ondulador se
desincroniza y se inhabilita el basculamiento, que puede sin embargo ser accionado
manualmente.
cap. 5 - pág. 14
Constitución y funcionamiento de un UPS (continuación)
Componentes de un UPS
Rectificador-cargador (1)
Transforma la energía alterna de la red fuente en una tensión y una corriente
continuas destinadas a:
alimentar el ondulador
asegurar la carga y el mantenimiento de la batería de acumuladores.
Ondulador (2)
A partir de la energía en forma de corriente continua proporcionada por:
el rectificador en funcionamiento normal
la batería en caso de corte de la red
regenera completamente una tensión alterna de salida con estrictas tolerancias de
ancho y de frecuencia.
Batería (3)
Proporciona al UPS autonomía con respecto a la red en caso de:
corte de la red
red fuera de las tolerancias específicas del UPS.
El tiempo de autonomía oscila de 6 a 30 minutos en versión estándar, pero puede
ser superior a petición del cliente. Según la autonomía, la batería va integrada o
bien en un armario aparte.
By-pass estático (4)
Conocido también con el nombre de contactor estático, este by-pass posibilita la
transferencia sin interrupción* de la carga desde el ondulador hacia la red by-pass
(no hay elementos mecánicos; el basculamiento se realiza a partir de componentes
electrónicos). Su presencia sólo es posible cuando las redes aguas arriba y aguas
abajo del UPS tienen frecuencias nominales idénticas.
El basculamiento se activa automáticamente en los siguientes casos:
paro voluntario del ondulador
sobrecarga en la utilización superior a las capacidades de limitación del ondulador
(en este caso, el basculamiento se puede inhabilitar voluntariamente)
anomalía interna.
También es posible activarlo manualmente.
* La transferencia sin interrupción es posible cuando las tensiones de salida del ondulador y de
la red de socorro están sincronizadas. El UPS efectúa esta sincronización siempre y cuando la
red de socorro esté dentro de tolerancias.
By-pass manual (5)
Interruptor manual que permite alimentar la utilización a través de la red by-pass
durante una operación de mantenimiento. Su presencia sólo es posible cuando las
redes aguas arriba y aguas abajo del UPS tienen frecuencias nominales idénticas.
El paso al modo by-pass manual se realiza mediante interruptores manuales
Interruptores manuales (6, 7, 8)
Permiten aislar la cadena rectificador/cargador - ondulador y/o el by-pass para
operaciones de reparación o mantenimiento.
Disyuntor de la batería (9)
Protege la batería contra las descargas profundas y rectificador/cargador así como
el ondulador contra un posible cortocircuito de la batería.
Transformador de aislamiento de la red aguas arriba (10)
(dispositivo opcional)
Permite aislar aguas arriba y aguas abajo cuando la alimentación se realiza a través
de la red by-pass.
Es particularmente útil cuando los Esquemas de Conexión a Tierra aguas arriba y
aguas abajo son distintos. Puede integrarse en la misma celda que los demás
dispositivos del UPS en la gama Galaxy PW.
Transformador de adaptación de la tensión (11)
Permite adaptar la tensión de la red al valor deseado.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 15
Posibles filtros (12)
Algunas veces es necesario instalar un filtro antiarmónicos en la entrada de la red
normal aguas arriba del rectificador-cargador. Este filtro reduce la presencia en la
red de alimentación de las corrientes armónicas que resultan de la conmutación de
los tiristores del rectificador. Ello permite disminuir la distorsión de la tensión debida
a dichas corrientes en la barra colectora aguas arriba.
Así, la THDU aguas arriba (tasa global de distorsión en tensión en la barra colectora
aguas arriba) se puede limitar al nivel deseado (por lo general, del 5 al 8%).
Existen varios tipos de filtros que pueden integrarse en el UPS (ver cap.1 pág. 24).
Además, los UPS MGE UPS SYSTEMS incluyen de serie un conductor de neutro
sobredimensionado para paliar los efectos de los armónicos de rango 3 y sus
múltiples que circulan por el neutro.
Es de destacar que, gracias a un rectificador “seguro de tipo PFC (Power Factor
Correction), los UPS Galaxy 3000 y Galaxy 5000 no precisan filtro alguno.
Aguas abajo, los UPS con la nueva tecnología de conmutación PWM aceptan
directamente las cargas no lineales. Este tipo de tecnología permite a los UPS MGE
UPS SYSTEMS mantener una THDU aguas abajo inferior al 3%.
Filtros: ver cap. 1 pág. 24 ("Control de los armónicos aguas arriba") y cap. 5
pág. 50.
Comunicación integrada (13), (14)
Los UPS deben disponer de una interfaz hombre-máquina que permita, por un lado,
un seguimiento fácil y eficaz del funcionamiento y, por otro lado, poder comunicar
con su entorno eléctrico e informático (Supervisión, Gestión Técnica Centralizada,
Gestión de los Sistemas Informáticos…).
Los UPS MGE UPS SYSTEMS han sido concebidos con esta óptica de
comunicación global integrada, e incluyen:
una IHM (interfaz hombre-máquina) de fácil utilización, con un cuadro sinóptico y
un visualizador gráfico avanzado. Esta interfaz incorpora sistemas de autocontrol y
autodiagnóstico que le permiten conocer en todo momento el estado de los distintos
elementos que componen el UPS. Se trata, por ejemplo, de los sistemas:
- DigiBat, que supervisa el estado de las baterías y permite su gestión
- Environment Sensor, que controla la temperatura de la batería
- Sistemas de Battery Monitoring B1000 o Cellwatch, que permiten la localización
inmediata y un control predictivo de los fallos de la batería.
un amplio abanico de tarjetas de comunicación abierto a los estándares del
mercado:
- contactos secos
- SNMP/Web
- U-Talk/RS232
- http o XML
- JBus/Modbus
- USB
- SNMP/Ethernet
- módem
Estas tarjetas permiten, por ejemplo:
- que los usuarios puedan dirigir la instalación desde un PC mediante un sistema de
supervisión (por ej.: Personal Solution Pac 2) o de GTC, o bien utilizar el
Teleservicio
- que los administradores de redes informáticas puedan gestionar el parque de UPS
(por ej.: software Enterprise Power Manager) y activar el cierre automático de las
aplicaciones informáticas antes de que se agote la autonomía de la batería.
Equipos de distribución y protección aguas arriba y/o aguas abajo
(15), (16)
(dispositivos opcionales)
El UPS puede estar equipado con los siguientes dispositivos:
disyuntores BT en entradas de redes 1 y 2
cuadro BT aguas arriba con protecciones de disyuntores en entradas de redes 1 y
2
cuadro BT aguas abajo con protección de disyuntores en las salidas
correspondientes.
MGE UPS SYSTEMS ofrece un amplio abanico de UPS y protecciones
perfectamente coordinados entre ellos en cuanto a prestaciones y calibres.
Proveedor global
Gracias a su asociación de partenariado con Schneider, MGE UPS SYSTEMS
puede actuar como proveedor global de todos los componentes citados,
garantizando las prestaciones y la fiabilidad del conjunto. El usuario se beneficia de
tener a un único interlocutor y una instalación optimizada en términos de
prestaciones y de fiabilidad.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 16
Principales características
de los componentes de un
UPS
Estas características recogen las principales especificaciones técnicas de las
normas CEI 62040-3 / EN 62040-3 – sobre las prestaciones de los UPS.
Algunas de las denominaciones empleadas difieren de la terminología habitual,
mientras que ciertas características nuevas aún no han sido integradas por los
fabricantes. Cuando la norma utiliza un nuevo término o característica, se indica
entre paréntesis y va precedida de un asterisco.
Por ejemplo: el título del apartado "corriente de entrada - batería en floating", que
corresponde a una denominación habitual, va seguido de (* corriente de entrada
asignada), que es la denominación de la norma.
Por otro lado, se indican una serie de valores numéricos a modo de ejemplo.
La mayoría de ellos han sido extraídos de las características técnicas de los equipos
correspondientes, indicadas en el capítulo 4, o bien se ofrecen para su información.
Red de alimentación
Número de fases y Esquemas de Conexión a Tierra
La red de alimentación (red fuente) es de tipo trifásico + neutro. No existen entradas
monofásicas en las potencias tratadas.
El régimen de neutro suele venir impuesto, de entre los regímenes normalizados
existentes (IT, TT, TNS o TNC).
Entrada red normal
Esta entrada (red 1) es alimentada por la red fuente, que suministra una tensión con
unas tolerancias determinadas al rectificador-cargador.
Ejemplo: 400 Veff ± 15% a una frecuencia de 50 o 60 Hz ± 5%, trifásica.
Entrada red by-pass
Esta entrada (red 2) es alimentada por la red de socorro. En realidad, se trata de un
cable que parte de una salida del C.G.B.T distinta de la que alimenta la entrada de
la red normal.
Por lo general, la tensión presenta las mismas características que la de la red
fuente.
Ejemplo: 400 Veff ± 15% con una frecuencia de 50 o 60 Hz ± 5%, y una corriente
de cortocircuito Icc2 = 12,5 kA. Es importante conocer el valor de esta corriente de
cortocircuito, pues será el valor considerado por las protecciones aguas abajo en
caso de funcionamiento con el by-pass estático o el by-pass de mantenimiento.
Contar con una alimentación a través de una red normal y una red by-pass
diferenciadas es aconsejable, dado que aumenta la fiabilidad de la instalación, pero
no obligatorio. Si no se dispone de salidas distintas en el C.G.B.T, la red normal
también puede alimentar la entrada by-pass mediante un desdoblamiento del cable
de entrada.
Rectificador/cargador
Tensión de floating
Es la tensión que permite el mantenimiento de la batería gracias al rectificador cargador. Depende de las baterías y de las recomendaciones de los fabricantes.
Corriente de entrada - batería en floating (* corriente de entrada
asignada)
Es la corriente de entrada en las condiciones normales, necesaria para alimentar el
ondulador a su potencia nominal y garantizar que la batería permanece cargada por
una corriente llamada “de floating”.
) Ejemplo: en un Galaxy PW de 100 kVA con una autonomía de 10 min, la corriente
de entrada es Ientrada float = 166 A para la batería en floating.
Corriente de entrada – batería en carga
Es la corriente necesaria para alimentar el ondulador a su potencia nominal y
mantener cargada la batería. Es más elevada que la anterior y suele tomarse como
referencia para dimensionar los cables de entrada del cargador.
) Ejemplo: en el mismo caso que el ejemplo anterior, la corriente de entrada es
Ientrada carga = 182 A, más importante debido a la carga de la batería.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 17
* Corriente máxima de entrada
Es la corriente de entrada cuando el UPS funciona en las condiciones límite de
sobrecarga autorizada, con una batería descargada. Es superior a la corriente
anterior (del valor de sobrecarga) pero limitada en el tiempo igual que la sobrecarga.
) Ejemplo: en el mismo caso que antes, Galaxy PW soporta una sobrecarga del
25% durante 10 min y del 50% durante 1 min. La corriente de entrada puede
alcanzar, en el peor caso de recarga de la batería:
Ientrada máx. = 182 A x 1,25 = 227,5 A durante 10 min.
Ientrada máx. = 182 A x 1,5 = 273 A durante 1 min.
Por encima de estos límites, el UPS bascula sin interrupción hacia el by-pass, con
un retorno automático al ondulador cuando finaliza la sobrecarga o bien tras su
eliminación activando las protecciones correspondientes.
Batería
Tipo
Se caracteriza por su tecnología (plomo abierto o estanco o níquel cadmio) y su
modo de instalación. MGE UPS SYSTEMS propone preferentemente baterías de
tipo estanco instaladas en armario.
Vida útil
Es el tiempo de funcionamiento, en condiciones normales de utilización, transcurrido
el cual la batería ya no proporciona más que un 50% de la autonomía inicial.
) Ejemplo: en su versión estándar, Galaxy PW incluye baterías de plomo estanco
con una vida útil de 10 años o más. Una batería de este tipo, con una autonomía de
30 min, sólo garantiza contractualmente 15 min de autonomía al fin de su vida útil.
Puede ofrecer mejores prestaciones, si no se ha sido demasiado solicitada y ha
funcionado en buenas condiciones (sobre todo de temperatura), pero nunca peores,
salvo en caso de mala utilización.
Regímenes de funcionamiento
La batería puede estar:
en carga: absorbe una corriente de carga (I1 carga) suministrada por el
rectificador-cargador.
en floating: absorbe una débil corriente de mantenimiento suministrada por el
rectificador-cargador, la corriente de floating (I1 floating), que compensa las pérdidas
en circuito abierto.
en descarga: alimenta el ondulador hasta llegar a su tensión de paro.
Cuando se alcanza esta tensión, fijada por el fabricante de la batería, ésta se para
por un dispositivo de autoprotección (en los UPS MGE UPS SYSTEMS) con el fin de
evitar un deterioro por descarga profunda.
Tensión nominal
Es la tensión continua de salida de la batería para alimentar el ondulador.
) Ejemplo: en la gama Galaxy PW, 450 VCC.
Capacidad
Es la capacidad en Amperios/hora de la batería.
) Ejemplo: en un Galaxy PW 100 kVA con una batería con 10 min de autonomía y
una vida útil de 5 años, esta capacidad es de 85 A/h.
Número de elementos
Es el número de elementos de batería unitarios que constituyen la cadena de
batería total.
) Ejemplo: la batería de un Galaxy PW 100 kVA consta, en un tipo de batería
determinado, de 33 elementos de 13,6 V para una autonomía de 10 min.
Es la tensión continua de mantenimiento de la batería generada por el
rectificador/cargador.
) Ejemplo: en el Galaxy PW, la tensión de floating se sitúa entre 423 y 463 VCC.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 18
Tiempo de autonomía
Es el tiempo, especificado al principio de su vida útil, durante el cual la batería
permite que el UPS suministre su potencia nominal (plena carga) en ausencia de
red.
) Ejemplo: en su versión estándar, Galaxy PW ofrece autonomías de 8, 10, 15, 20,
30 o 60 min.
Estos tiempos dependen del índice de carga del UPS:
en un UPS funcionando a plena carga (100% de la potencia nominal), el límite de
autonomía se alcanza cuando la tensión de la batería desciende hasta la tensión de
paro indicada por el fabricante (lo que provoca el paro por autoprotección en los
UPS MGE UPS SYSTEMS).
en un UPS funcionando con un índice de carga inferior (por ejemplo, del 75%), el
tiempo de autonomía real puede ser más largo, pero también se corresponde con la
tensión de paro de la batería.
Tiempo de recarga (* asignado)
Es el tiempo necesario para que la batería recupere el 80% de su autonomía
(90% de su capacidad) realizando una recarga a partir de la tensión de paro. El
rectificador/cargador es el responsable de suministrar la energía correspondiente.
) Ejemplo: en un UPS Galaxy PW, este tiempo será de entre 8 y 10 horas según la
batería y la autonomía. Hay que señalar que la probabilidad de que se solicite dos
veces consecutivas la batería en este lapso de tiempo es muy pequeña, por lo que
este tiempo es significativo para el rendimiento que se supone en recarga.
Corriente máxima suministrada por la batería (Ib)
En régimen de suministro, la batería proporciona al ondulador una corriente Ib que
alcanza su máximo valor al final de la descarga. Dicho valor determinará el
dimensionamiento de los cables de la batería y su protección.
) Ejemplo: en una UPS Galaxy PW de 100 kVA, esta corriente es Ib máx. = 257 A.
Ondulador
Potencia nominal (Sn)
(* potencia aparente de salida asignada)
Es la potencia aparente máxima Sn (KVA) que el ondulador puede entregar, a
plena carga, con un factor de potencia PF = 0,8 con carga lineal, en funcionamiento
normal (régimen estático).
Las normas también definen esta potencia en relación con las condiciones de
funcionamiento en autonomía. En principio, es la misma potencia siempre que la
batería esté correctamente dimensionada.
) Ejemplo: Galaxy PW de Sn = 100 kVA de potencia nominal.
Potencia activa de salida (Pa)
(* asignada con carga lineal o no lineal)
Es la potencia activa Pa (kW) que corresponde a la potencia aparente nominal de
salida Sn (kVA), en las condiciones de cálculo anteriormente indicadas. También se
puede determinar para una carga no lineal de referencia normalizada.
) Ejemplo: el UPS anterior, Galaxy PW de 100 kVA de potencia nominal, suministra
una potencia activa Pa = Sn x 0,8 = 80 kW.
Corriente nominal (In)
Es la corriente correspondiente a las condiciones de la potencia nominal.
) Ejemplo: seguimos con un UPS Galaxy PW de 100 kVA, en el que esta corriente
es, para 400 V de tensión de salida:
100000
Sn
In
=
= 144,3 A
400
x 1732
,
Un 3
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 19
Potencia aparente de utilización (Su) e índice de carga
Es la potencia aparente Su (kVA) que el ondulador proporciona realmente a la
carga alimentada, en las condiciones de explotación elegidas.
Es una fracción de la potencia nominal, según el índice de carga.
Su d Sn y Tc = Índice de carga (%) = Su / Sn.
) Ejemplo: en el caso anterior, si el ondulador es solicitado en 3/4 de su potencia
nominal (índice de carga de un 75%), suministrará una potencia aparente de 75
kVA, lo que en condiciones de explotación normales (PF = 0,8) corresponde a una
potencia activa de utilización de: Pa = Su x PF = 75 x 0,8 = 60 kW.
Corriente de utilización (Iu)
Es la corriente correspondiente a la potencia de utilización, es decir, al índice de
carga en cuestión. Se calcula a partir de Pu como en el caso de la corriente nominal,
y la tensión sigue siendo la tensión nominal Un (valor fijo regulado por el ondulador):
) Ejemplo: en el caso anterior (índice de carga del 75%):
75000
Su
Iu
=
= 108,2 A
400 x 1732
,
Un 3
que viene a ser lo mismo que:
Iu = In x Tc = 144,3 x 0,75.= 108,2 A
Rendimiento (K)
Es la relación entre la potencia activa Pu (kW) suministrada por el UPS a la carga y
la potencia, Pe (kW), que ésta absorbe en entrada del rectificador-cargador o de la
batería.
K= Pu / Pe.
En la mayoría de UPS, el rendimiento, óptimo a plena carga, disminuye
considerablemente con el índice de carga. Los UPS MGE UPS SYSTEMS, gracias a
su impedancia de salida y a sus pequeñas pérdidas en vacío, tienen un rendimiento
casi constante de entre el 25% y el 100% de carga. Así, Galaxy PW ofrece un
rendimiento superior al 90% a partir de un 25% de carga y hasta el 93% a plena
carga, además de un modo ECO que optimiza el rendimiento en un 4%, es decir,
hasta el 97%.
En la práctica, para simplificar las cosas, se puede aplicar un rendimiento de 0,93
constante entre el 30 y el 100% de índice de carga para cualquier cálculo de su
potencia de entrada en los UPS MGE UPS SYSTEMS.
) Ejemplo: en un UPS Galaxy PW de 100 kVA a un 75% de carga, el rendimiento
de 0,93 corresponde a una potencia activa de entrada del ondulador de:
Pe = Pu / K= 60/0,93= 64,5 kW.
Tensión de salida Un
Número de fases
La salida puede ser trifásica (UPS tri/tri) o monofásica (UPS tri/mono) según el caso.
Hay que señalar que los Esquemas de Conexión a Tierra aguas arriba y aguas
abajo pueden ser distintos.
Tensión nominal (* de salida asignada)
Suele ser la misma que la de la red de entrada. Si no, es posible utilizar un
transformador de adaptación.
Características estáticas
Se trata de las tolerancias (variaciones máximas admitidas) de ancho y de
frecuencia de la tensión de salida en el régimen establecido. Son más estrictas que
las de la red y se calculan para un funcionamiento normal con la red y en autonomía
con la batería.
variación de la tensión de salida:
El límite de tolerancia del ancho se expresa como porcentaje del valor eficaz
nominal y se puede ajustar.
) Ejemplo: para Galaxy PW, tensión de 400 Veff ± 1%, ajustable a ± 3%.
Las normas también indican una tensión cresta de salida asignada y una oscilación
alrededor de este valor.
variación de la frecuencia de salida:
El límite de tolerancia es un porcentaje de la frecuencia nominal.
) Ejemplo: para Galaxy PW, frecuencia de 50 o 60 Hz ± 0,1% en funcionamiento
normal con la red y ± 0,5% en autonomía con la batería.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 20
Sincronización de frecuencia con la red fuente
El ondulador entrega una tensión de salida dentro de las tolerancias citadas,
independientemente de las perturbaciones que afecten a la red aguas arriba.
Con este propósito, el UPS:
supervisa los parámetros (ancho, frecuencia, fase) de la tensión de la red para
comprobar si se encuentran dentro de las tolerancias especificadas
reacciona ante las fluctuaciones de estos parámetros con el fin de:
- situarse en sincronización de fase y frecuencia con la red 2, mientras se mantenga
dentro de tolerancias, para poder transferirse hacia esta red en caso necesario
- activar el funcionamiento con la batería en cuanto se encuentra fuera de
tolerancias.
Las nuevas tecnologías con IGBT y conmutación PWM de los UPS MGE UPS
SYSTEMS permiten llevar un perfecto control de estas oscilaciones.
) Ejemplo: para un Galaxy PW, la máxima variación de frecuencia dentro del
margen de tolerancias es: 50 Hz x 0,5% = 0,25 Hz.
La sincronización de frecuencia con la red 2 es posible de 0,25 a 2 Hz por paso de
0,25 Hz. Ello prácticamente supone un control de las variaciones de frecuencia de
dF/dt = 0,25 Hz/s y un recuperación de la frecuencia en un tiempo de 0,25 s a 1 s.
Características dinámicas
Se trata de las tolerancias en régimen transitorio de la carga.
En este sentido, los UPS Galaxy PW pueden soportar las condiciones siguientes:
desequilibrio de carga:
Para los desequilibrios de tensión simple o compuesta de la carga:
- de un 30%, la variación de la tensión de salida es < 0,1%
- de un 100% (una fase a In, las demás a 0), la variación de la tensión de salida es <
0,2%.
impacto de carga (transitorios de tensión):
Para impactos de carga del 0% al 100% o del 100% al 0% de la carga nominal, las
variaciones de tensión no rebasan:
± 2% en funcionamiento con la red
+ 2% a - 4% con la batería.
Capacidades de sobrecarga y de cortocircuito
sobrecarga:
- 1,1 In durante 2 h
- 1,5 In durante 1 min
sin alteración de las tolerancias de salida.
cortocircuito:
Por encima de 1,65 In, los UPS Galaxy y Galaxy PW funcionan con un limitador de
corriente hasta 2,33 In durante 1 segundo, correspondiente a:
Icresta máx. = 2 x 1,65 In = 2,33 In.
Con valores superiores, el UPS bascula hacia la red de socorro o bien realiza un
paro estático (autoprotección).
Distorsión total de la tensión de salida
Los UPS deben garantizar un buen rendimiento con todo tipo de carga, sobre todo
con las no lineales.
) Ejemplo: Galaxy PW mantiene la tasa global de distorsión armónica en tensión
(THDU) de salida con los valores siguientes:
para un 100% de cargas lineales
- THDU ph/ph < 1,5%
- THDU ph/N < 2%
para un 100% de cargas no lineales
- THDU ph/ph < 2%
- THDU ph/N < 3%
Galaxy PW funciona con todos los tipos de carga sin que se alteren sus
características especificadas.
Nota general: La norma indica algunas de las prestaciones detalladas arriba
relativas a la tensión de salida para un funcionamiento normal y con batería.
Por lo general, suelen ser idénticas.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 21
Esquema de síntesis
Juego de barras aguas arriba
Red 1
U1 +/-1 0%
Pe (kW)
Red 2
THDU aguas arrib a
U 2 +10% -15%
Icc2
f +/- 1 0 %
Si s ól o ha y un a
e ntra da , re d 1
I en trada
Rectif icador
Cargador
Bypass
Estático
Bypass
Manual
Bat ería
Ib máx
Ondulador
Pu (kW) = Un x Iu x PF
= Pu/Pe
Juego de barras aguas abajo
Iu
Un +/- 1%
Utilización
f +/- 0 ,5%
THDU agu as abajo < 2%
Fig. 5.7: Esquema con las principales características (ver lista a continuación).
Red 1: Normal
Tensión Un + 10% a - 15%
Frecuencia f + 4% a - 6%.
Red 2: By-pass
Tensión Un + 10% a - 15%
Frecuencia f + 4% a - 6%
Intensidad de cortocircuito Icc2 (soportada por el by-pass estático)
Corrientes de entrada
- asignada (batería en floating)
- máxima (batería en carga).
Batería
Autonomía: estándar, de 6, 8, 10, 15, 20, 30, 60 min; superior a petición del cliente
Vida útil: 10 años o más
Corriente máxima Ib.
Ondulador:
Potencia aparente de salida:
- nominal: Sn (kVA)
- de utilización: Su (kVA) = Sn x Tc%
Índice de carga Tc% = Su / Sn
Potencia activa de salida:
- nominal: Pn (kW) = Sn (kVA) x 0,8
- de utilización: Pu (kW) = Su (kVA) x PF = Sn x Tc% x PF = Un Iu PF
Rendimiento: K = Pu / Pn (93% y 97% en modo ECO).
Características estáticas (tolerancias de tensión de salida en régimen establecido)
- ancho: Un ± 1% ajustable ± 3%
- frecuencia: f ± 1% en funcionamiento normal, f ± 0,5% en modo autonomía
- tensión del ondulador sincronizada (en frecuencia y fase) con la de la red 2 cuando
ésta se encuentra dentro de tolerancias.
Características estáticas dinámicas (tolerancias en régimen transitorio)
- variación máx. de tensión y frecuencia por impacto de carga del 0% al 100% o
del 100% al 0%: Un ± 2%, f ± 0,5%
Distorsión de la tensión de salida
- para un 100% de cargas no lineales THDU < 2%
Capacidad de sobrecarga y de CC
- sobrecarga: 1,5 In - 1 min
- cortocircuito: limitación de corriente 2,33 In - 1 s.
Utilización
corriente de utilización Iu
factor de potencia PF.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 22
Modos de funcionamiento
de un UPS
Modo normal (con red – fig. 5.8 izquierda)
El UPS toma de la red la corriente alterna necesaria para su funcionamiento a través
del rectificador-cargador, que la convierte en corriente continua.
Una parte de esta corriente mantiene cargada la batería o sirve para recargarla:
o bien I1 floating, para mantener la batería completamente cargada
o bien I1 carga, para recargar la batería después de haberse requerido
recientemente su funcionamiento.
La corriente restante alimenta al ondulador, el cual genera una sinusoide de tensión
de salida dentro de las tolerancias de ancho y de frecuencia especificadas.
Modo autonomía (con batería – fig. 5.8 derecha)
La batería, sustituyendo a la red, suministra al ondulador la energía necesaria para
alimentar la carga en las mismas condiciones de tolerancias que en modo normal.
Ello se produce mediante un traspaso inmediato (dado que la batería está en
paralelo) en caso de:
desaparición de la red 1 (corte de la red)
red 1 fuera de tolerancias (degradación de la tensión de la red).
Red
Normal
Red
normal
Red
By pass
Red
bypass
I en t r a d a
Rectificador/
Cargadorr
CS
Batería
I1 floating
o carga
Ondulador
Bypass
Manual
Rectif icador/
Cargador
CS
Baterí a
Bypass
Manual
Ondulador
Iu
Iu
Utilización
Modo normal
Utilización
Modo batería
Fig. 5.8: Modo normal y modo autonomía
Modo by-pass (con by-pass estático - fig. 5.9 izquierda)
Un contactor estático (CS) permite transferir sin interrupción la carga hacia el bypass estático para alimentarla directamente a través de la red by-pass.
La transferencia se realiza automáticamente en caso de:
sobreintensidad aguas abajo del UPS superior a la capacidad de sobrecarga del
UPS
fallo interno en la cadena rectificador/cargador - ondulador.
La transferencia, segura en caso de fallo interno, sólo es posible si la tensión de la
red by-pass se encuentra dentro de tolerancias y en fase con la del ondulador.
Con este fin:
el UPS sincroniza la tensión de salida del ondulador ("cala" su frecuencia y fase)
con la de la red by-pass cuando está en tolerancias. Así se hace posible una
transferencia:
- sin interrupción: como las tensiones están en fase, los tiristores de ambas vías del
CS tienen una tensión nula al mismo tiempo
- sin riesgo para la carga: la carga es transferida a una red dentro de tolerancias.
cuando la red by-pass se encuentra fuera de tolerancias, el ondulador se
desincroniza y funciona en autonomía con su propia frecuencia, en cuyo caso se
inhabilita la transferencia. Sin embargo, ésta puede accionarse manualmente en
caso necesario.
Nota 1: la transferencia hacia el by-pass siempre es factible debido a la mínima
posibilidad de que se produzcan al mismo tiempo una sobrecarga aguas abajo y un
fallo en la entrada de la red 2.
Nota 2: para un buen funcionamiento con la red by-pass, es indispensable la
selectividad entre la protección aguas arriba de la entrada by-pass (salida C.G.B.T.)
y las protecciones de las salidas a partir del UPS (ver “selectividad” más adelante).
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 23
Modo mantenimiento (con by-pass de mantenimiento - fig. 5.9 derecha)
Las operaciones de mantenimiento pueden realizarse sin parar el funcionamiento.
Para ello, la carga es alimentada por la red a través del by-pass de mantenimiento,
la transferencia hacia el cual se hace mediante un interruptor manual.
El rectificador -cargador, el ondulador y el contactor estático permanecen parados y
aislados de las fuentes de tensión. La batería queda al margen gracias a la apertura
de su disyuntor de protección.
Red
normal
Red
bypas s
Red
no rmal
Red
bypas s
Ifall o
< Icc2
Rectificador/
Cargador
CS
Bat ería
Iu
Rectificador/
Cargador
CS
Batería
Bypass
Manual
O ndulador
Ifall o
Iu
Utilización
Modo by-pass (estático)
Bypass
Manual
Ondulador
Utilización
Modo mantenimiento (by-pass manual)
Fig. 5.9: Modo by-pass y modo mantenimiento.
Configuraciones de UPS
UPS en paralelo con redundancia
El capítulo 2 trata exclusivamente de la elección de una configuración. Lo que viene
a continuación lo complementan con algunas informaciones sobre la puesta en
paralelo con redundancia.
Configuraciones: ver capítulo 2.
Tipos de configuración en paralelo
Una configuración en paralelo se puede efectuar con:
UPS modulares con múltiples by-pass
Esta configuración evolutiva puede realizarse partiendo de un UPS unitario con bypass estático y by-pass manual de mantenimiento. Para más de dos unidades, el bypass de mantenimiento es común y se ubica en una caja externa (fig. 5.10).
UPS paralelos con Normal/Socorro centralizado
Una celda Normal/Socorro agrupa un by-pass estático y un by-pass de
mantenimiento común para varios módulos sin by-pass (fig. 5.11).
Esta configuración, menos evolutiva que la anterior debido al dimensionamiento del
by-pass, aporta mayor fiabilidad (N/S y UPS independientes).
Efecto de la redundancia
La configuración en paralelo se puede realizar con la redundancia conocida como
N+1, N+2…
Significa que se necesitan N UPS para el funcionamiento de la carga, pero N+1,
N+2 están instalados y se reparten la alimentación de la carga.
Se ilustra en el siguiente ejemplo.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 24
Ejemplo
Carga crítica máxima de 100 kVA
Redundancia 2+1:
- 2 UPS deben poder alimentar la carga en caso de pérdida de redundancia
- por ello, cada UPS debe tener una potencia de 50 kVA
- 3 UPS se reparten normalmente la carga de 100 kVA, es decir, 33,3 kVA cada uno
- los 3 UPS funcionan normalmente con 33,3 / 50 = 66,6% de carga
- cada uno dispone de un by-pass estático. El basculamiento de los by-pass está
previsto de manera que los 3 UPS basculen simultáneamente en caso necesario.
Re d AC
B yp ass
Re d AC
n ormal
UPS 1
Re d AC
n ormal
Re d AC
n ormal
UPS 2
UPS 3
5 0 kV A
5 0 kV A
5 0 kV A
33 ,3 k V A
33 ,3 k V A
33 ,3 k V A
Cofred de l bypass de ma ntenim iento e xte rno
Utilización = 1 00 kVA
Fig. 5.10: UPS modulares paralelos con by-pass de mantenimiento común y redundancia 2+1.
Funcionamiento con redundancia.
Pérdida de redundancia:
- Un UPS se para, los otros 2 UPS funcionan al 100%
- El by-pass de mantenimiento permite la intervención en el UPS averiado.
Re d AC
B yp ass
Re d AC
n ormal
UPS 1
UPS 2
5 0 kV A
Re d AC
n ormal
UPS
5 0 kV A
Pa
ro
5 0 kV A
Re dAC
n ormal
50 k V A
50 k V A
Cofred de l bypass de ma ntenim iento e xte rno
Utilización = 1 00 kVA
Fig. 5.11: UPS modulares paralelos con by-pass de mantenimiento común y redundancia 2+1.
Funcionamiento tras la pérdida de redundancia.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 25
Comunicación de los UPS
Es fundamental que los UPS se comuniquen con su entorno. Con este fin, los UPS
MGE UPS SYSTEMS incluyen, bien de serie o como opción, tarjetas de interfaz que
permiten intercambiar informaciones y órdenes con el entorno:
eléctrico (autómatas, supervisión...)
informático (redes y equipos informáticos).
Este intercambio se hace en forma de datos digitales a través de redes estándar.
Se utilizan varios tipos de tarjetas de interfaz:
RS232 U-talk o RS485 JBUS para comunicar, mediante un enlace hilo a hilo o
bus local o mediante la red telefónica conmutada (RTC), con el entorno eléctrico.
SNMP/Ethernet para comunicar, a través de las redes Ethernet, con los equipos
informáticos.
SNMP/Web para conectar el UPS directamente a la red Internet.
http o XML para conectar el UPS directamente a una red Intranet.
USB/ HID para proporcionar los datos a Solution-Pac, o a Power Management de
Windows 2000, XP o de OS Mac 9.04.
Las informaciones que aparecen a continuación permiten definir mejor estas
interfaces.
.
Las redes digitales
e Internet
Elementos de una red digital
Una red de comunicación digital permite el intercambio de informaciones básicas
entre equipos por bits (codificados a dos niveles, 0 o 1) o bytes (grupo de 8 bits).
Ej.: los caracteres alfanuméricos se codifican en bits 7 con el código ASCII.
Una red digital se caracteriza por:
el tipo de enlace físico
el protocolo de comunicación.
Tipo de enlace físico
Está determinado por los siguientes elementos:
Soporte de transmisión (o medio)
Es la línea o el canal físico utilizado, con redes de tipo:
alámbrico:
- par (ej.: línea telefónica), simple o blindada
- cable coaxial (ej.: cable Ethernet 50 : o televisión 75 :), simple o blindado
- fibra óptica (ej.: estándar o con multiplexado DWDM).
inalámbrico:
- ondas de radio hertzianas (ej.: 2,4 GHz)
- infrarrojos…
El tamaño de las redes, en relación con el soporte, también distingue a las redes:
locales LAN (Local Area Networks)
larga distancia WAN (Wide Area Networks).
Modo de conexión (de enlace) entre equipos
punto a punto
- simple: entre dos equipos
- múltiple: entre un equipo y un conjunto de equipos.
multipunto: varios equipos se comunican entre ellos según una red con una
topología determinada (ver fig. 5.13).
Fig. 5.12: enlaces punto a punto.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 26
Comunicación de los UPS (continuación)
Modo de transmisión de las informaciones
en serie: informaciones enviadas unas tras otras al mismo soporte
en paralelo: cada información es enviada simultáneamente a distintos soportes en
paralelo.
Modo de transferencia
asíncrona: caracteres emitidos a un intervalo aleatorio cualquiera
síncrona: caracteres emitidos de manera agrupada y a un ritmo de intervalos
regular.
Topología de la red
Puede ser lógica o física.
En el caso de los enlaces multipunto, es posible una topología física:
en estrella
en anillo
en Bus.
Estrella
B
Anillo
A
A
C
B
C
UC
E
D
E
D
Bus
C
A
B
E
D
Fig. 5.13: topologías de red con conexiones multipunto
Tipo de codificación
Manera como se codifican los bits 0 o 1 a partir de niveles de tensión o de
intensidades de corriente.
Velocidad de transmisión
Se expresa en bits/s (también llamados baudios), en kilobits/s (1 kbits/s = 103 bits/s),
en Megabits/s (1 Mbits/s = 106 bits/s) o Gigabits/s (1 Gbits/s = 109 bits/s).
Ejemplos de enlaces: Módem clásico 56 kbits/s, módem ADSL 640 kbits/s a 6
M/bits/s, Ethernet 10 Mbits/s, ópticos estándar 2,5 Gbit/s, ópticos transatlánticos con
multiplexado DWDM 400 Gbits/s.
Protocolo de comunicación
Define la forma lógica de organizar la comunicación entre los equipos.
En concreto, precisa los siguientes elementos:
Formato de las informaciones
Es la codificación de los caracteres o tramos de transmisión de caracteres, a partir
de bits y bytes.
Tipo de control
Es la manera de comprobar que la información ha llegado en su totalidad y al
receptor correcto, normalmente a través de bits o bytes de control.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 27
Tipo de acceso al medio
aleatorio
Cada procesador emite cuando el medio está libre. Así, puede que dos o más
procesadores tomen la decisión de emitir en el mismo momento.
Entonces se produce una o varias "colisiones" y los mensajes se destruyen. Una
manera de evitarlo es que cada uno de los procesadores que hayan ocasionado la
colisión espere un tiempo aleatorio antes de volver a emitir. Se conoce como técnica
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acces / Collision Detection), utilizada por
Ethernet.
centralizado
Un procesador maestro inspecciona regularmente a los demás procesadores,
llamados esclavos. Un procesador esclavo sólo puede acceder al bus si el
procesador maestro se lo autoriza. Es la técnica utilizada por el protocolo JBus.
descentralizado
Un anillo lógico o físico enlaza a todos los procesadores, cada uno de los cuales
conoce a su predecesor y a su sucesor; por el anillo circula una ficha que da al que
la posea el derecho de emitir. La red MAP (Manufacturing Automation Protocol)
utiliza un anillo lógico, el Token Ring de IBM, un anillo físico.
Posibilidades de asignación de dirección
Es la definición de las direcciones de los equipos.
Servicios utilizados
Engloba todas las redes y operadores utilizados: redes corporativas privadas, redes
públicas dedicadas (X25), redes telefónicas (RTC), Internet.
Funcionamiento de una red digital
Para ilustrar los conceptos anteriores y el funcionamiento de una red digital,
haremos una analogía con el teléfono.
Para establecer una comunicación telefónica entre 2 personas, hace falta:
Un enlace físico: la red hertziana (por antena y receptor) o la red telefónica
conmutada (RTC), por hilos.
Un protocolo que define:
el modo de acceso a la red: hay que marcar el número del interlocutor (es su
dirección), esperar el tono (se establece la conexión), y por último que el interlocutor
descuelgue (conexión establecida).
las modalidades de la comunicación basadas en reglas lógicas. Evitan errores o la
pérdida de informaciones:
- los dos interlocutores deben hablar el mismo idioma
- introducir la comunicación e identificarse (ej.: “buenos días, aquí X”)
- disponer de reglas de comunicación (ej.: no hablar al mismo tiempo)
- escuchar lo que dice el otro
- contestarle…
Entramado de redes digitales
Existe la posibilidad de establecer pasarelas o routers entre distintas redes para
facilitar la circulación de información entre ellas. La ISO (International Standard
Organisation) ha definido un marco formal para estos intercambios: el modelo OSI
(Open System Interconnect – interconexión de sistemas abiertos) de 7 capas,
presentado a continuación con el ejemplo de la analogía del teléfono. El protocolo
TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol), base de Internet, emplea
este modelo.
Modelo OSI en 7 capas de la ISO
Capas
Objeto
7 – Aplicación
Tratamiento semántico
6 – Presentación
Sintaxis de presentación
5 – Sesión
Sincronización
4 – Transporte
Control de extremo a extremo
3 – Red
Ruta y direccionamiento
2 – Enlace de los datos
Transferencia sin error entre
sistemas adyacentes
1 – Físico
Direccionamiento de bits
MGE UPS SYSTEMS
Ejemplo del teléfono
Conversación
En el idioma elegido
Orden de los intercambios
Comunicación
Conmutador automático
Tramo de línea con
redundancia
Modulación
cap. 5 - pág. 28
Internet
Internet es una red con un entramado a escala planetaria, constituido por un
conjunto de redes digitales interconectadas entre ellas. Se administran según
criterios distintos, pero se comunican entre ellas gracias a TCP/IP.
Cada proveedor de servicios sólo controla las capas OSI que le pertenecen. El
proveedor de acceso es el suministrador de servicio y equipo que proporciona la
conexión a la red y concede la dirección IP.
IP (Internet Protocol) es el protocolo de comunicación gracias al cual la
información se dirige de router en router hasta su destino final. Para comunicarse a
través de Internet, un equipo debe integrar una capa TCP/IP.
HTTP (Hypertext Transfer Protocol) es el protocolo básico de Internet. Indica a los
servidores web lo que deben enviar al cliente que realiza una petición.
HTML (Hypertext Markup Language) es el lenguaje utilizado para describir y
presentar páginas en formato Web.
WAP (Wireless Access Protocol) permite el acceso de móviles a la web (otros
protocolos son HTML light, voxML).
Interfaces de
comunicación de los UPS
Tarjetas RS232 U-talk y RS485 Jbus/Modbus
Las tarjetas RS232 U-talk (ASCII) o RS232/RS485 Jbus/Modbus utilizan:
un enlace físico RS232 o RS485 a modo de transmisión en serie
un código ASCII o un protocolo Jbus/Modbus.
Estas tarjetas permiten la comunicación de los UPS con el entorno eléctrico
(autómatas, supervisión...) en el que el protocolo Jbus/Modbus está muy extendido.
Enlaces físicos RS232 y RS485
Existen varios tipos homologados de enlaces físicos en serie:
RS232C, RS422A, RS485 (RS: Recommended Standard).
En la siguiente tabla se indican sus características:
Nivel 0
Nivel 1
Velocidad máx. de
transmisión (bits/s)
Enlace
Nº abonados
RS232C
5 a 15 V
-5 a -15 V
19,2 kbits
RS422A
2a6V
-2 a -6 V
10 Mbits
RS485
1,5 a 5 V
-1,5 a -5 V
10 Mbits
punto a punto
2
multipunto
32
Longitud máx.
15 m
multipunto
1 emisor
10 receptores
1200 m
Tipo
Código
1200 m
Se puede utilizar el enlace RS232C con una codificación U-talk (codificación
universal ASCII) para distancias cortas y bajas velocidades de transmisión (por
ejemplo, para una conexión a una impresora o un módem).
Para la comunicación con el entorno eléctrico en un medio industrial,
MGE UPS SYSTEMS ha optado por el enlace RS485 con protocolo Jbus/Modbus
(que también puede utilizar un enlace RS232C) por las características siguientes:
comunicación multipunto (hasta 32 abonados)
buena inmunidad contra los parásitos gracias al hecho que las señales están
codificadas en modo diferencial (diferencia de potencial entre la línea + y la línea -)
posibilidad de cableado de gran longitud (hasta 1,2 km).
Este tipo de enlace permite, entre otras cosas, la comunicación con software de
supervisión para PC (ej.: Monitor-Pac).
Protocolo Jbus/Modbus
Sus principales características son:
Acceso al medio
De tipo centralizado maestro/esclavo.
Formato de las informaciones:
cada dato se compone de caracteres identificados por
- 1 bit start (inicio)
- 8 bits de datos
- 1 bit stop (final).
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cap. 5 - pág. 29
los datos se transmiten en tramos de varios caracteres que incluyen:
- una zona para indicar la dirección del equipo destinatario del tramo de transmisión,
- una zona que indica el código de la función utilizada (ej.: la función corresponde a
"lectura 1 byte" cuando el maestro desea leer un dato),
- una zona que contiene los datos (ej.: cuando el esclavo responde a la petición
"lectura de 1 byte", esta zona contiene el valor del byte),
- una zona que contiene el “CRC16”, valor calculado a partir de los datos emitidos
que permiten controlar la buena calidad del tramo recibido.
Tarjeta SNMP/Ethernet
La tarjeta SNMP/Ethernet (SNMP: Simple Management Network Protocol) permite
establecer comunicación con el entorno informático a través de la red Ethernet,
estándar internacional de red digital compatible con el modelo OSI 7 capas (ver pág.
27).
Enlace físico
puerto: Ethernet
medio: cable coaxial blindado
topología: Bus
velocidad de transmisión: 10 Mbits/s
distancia máx.: 100 m.
Protocolo
Ethernet con acceso al medio CSMA/CD (aleatorio con detección de colisión) de
acuerdo con la norma IEEE 802.3.
Tarjeta SNMP/Web
Esta tarjeta permite conectar el UPS directamente a la red Internet, sin pasar por un
servidor.
Enlace físico
puerto: RJ45
topología: acceso a la red mallada Internet
Protocolo
SNMP.
Tarjeta XML/Web
Esta tarjeta permite conectar el UPS directamente a la red Internet, sin pasar por un
servidor.
Enlace físico
puerto: RJ45
topología: acceso a la red mallada Internet
velocidad de transmisión: 10/100 Mbits/s
distancia máx.: 100 m.
Protocolo
http (Hypertext Transfer Protocol) de Internet.
Tarjeta USB/HID
Esta tarjeta permite conectar el UPS al puerto USB del servidor. Proporciona
informaciones generadas por Solution-Pac o el Power Management de Windows
2000 o de OS Mac 9.04 para gestionar las necesidades de electricidad de los
periféricos.
Enlace físico
puerto USB (Universal Serial Bus), interfaz privilegiada de todos los periféricos PC
medio: cable coaxial blindado USB
velocidad de transmisión: 1, 5 a 12 Mbits/s (versión USB 1.1), 480 Mbits/s (versión
USB 2.0)
distancia máx. 10 - 15 m.
Protocolo
Protocolo HID.
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cap. 5 - pág. 30
Compatibilidad electromagnética (CEM)
Perturbaciones
electromagnéticas
Elementos que definen una perturbación electromagnética
En cualquier perturbación electromagnética intervienen tres elementos:
Fuente
Puede ser una fuente natural (atmosférica, terrestre, solar…) o, lo que es más
habitual, una fuente de origen industrial (aparatos eléctricos o electrónicos).
La fuente genera perturbaciones mediante variaciones bruscas (impulsivas) de un
valor eléctrico (tensión o corriente), que se caracterizan por:
una forma de onda
un ancho (valor de cresta) de onda
una gama (espectro) de frecuencias
una energía que interviene.
Modo de acoplamiento
Permite la transmisión de las perturbaciones, y puede ser de distintos tipos:
capacitivo (o galvánico), por ejemplo a través de los devanados de un
transformador,
inductivo, por radiación de un campo magnético,
conducido, por impedancia común, a través de una toma de tierra.
Víctima
Con este término se designa a cualquier material susceptible de verse afectado por
las perturbaciones, cuya presencia provoca fallos en su funcionamiento.
Ejemplos
Fuentes
En las redes BT, debido a las variaciones bruscas, las corrientes fruto de:
fallos o cortocircuitos
conmutación electrónica
armónicos de rango elevado
rayos o explosión de un transformador.
Sus frecuencias van de las bajas frecuencias (< 1MHz) para las frecuencias
industriales y sus armónicos, a las altas frecuencias (> 1 MHz) para el rayo.
Acoplamiento
capacitivo: transmisión de onda de rayo a través de un transformador.
inductivo: radiación de un campo magnético creada por una de las corrientes
anteriores. Esta radiación induce una fuerza electromotriz, es decir, una corriente
inducida perturbadora, en los bucles de conductores constituidos por los cables que
alimentan a los equipos y las conexiones a tierra de dichos equipos.
Para entendernos, una radiación de 0,7 A/m puede provocar perturbaciones en un
monitor de vídeo; corresponde al campo creado en un radio de 2,2 m por un
conductor recorrido por 10 A.
por impedancia común: subida de potencia de una toma de tierra.
Normas y
recomendaciones CEM
Perturbaciones
Emisión, inmunidad, susceptibilidad
Cualquier material eléctrico está instalado en un entorno más o menos perturbado
desde el punto de vista electromagnético. Por ello debe ser considerado a la vez
fuente y posible víctima de perturbaciones electromagnéticas.
En función del punto de vista, hablaremos de:
nivel de emisión (para la fuente)
nivel de compatibilidad (para el entorno y los equipos)
nivel de inmunidad y nivel de susceptibilidad (para la víctima).
Estos conceptos se describen en la página siguiente dentro de los niveles de
perturbaciones definidos por las normas.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 31
Compatibilidad electromagnética (CEM) (continuación)
Las normas CEI definen los niveles aplicables a cada tipo de perturbación:
nivel 0: perturbación inexistente
nivel de emisión: nivel máximo autorizado por un usuario en una red pública o
para un aparato
nivel de compatibilidad: nivel máximo de perturbación que se puede esperar de
un entorno determinado
nivel de inmunidad: nivel de perturbación soportado por un material determinado
nivel de susceptibilidad: nivel a partir del cual se produce un fallo en el
funcionamiento de un material o un sistema.
Por lo tanto, para los aparatos o equipos considerados como:
fuente, deben fijarse límites a las perturbaciones emitidas - los niveles de
emisión – con el fin de evitar que se alcancen los niveles de compatibilidad.
víctima, los aparatos deben soportar niveles de perturbación superiores a los
niveles de compatibilidad, en caso de que estos fueran rebasados. Esta tolerancia,
admitida sólo provisionalmente, es su nivel de inmunidad.
Las normas CEM fijan estos niveles.
Lista de las normas CEM: ver apartado siguiente, pág. 34 "Normas de los UPS
- CEM"
N iv e l de per tur ba c ió n
Su sce pt ib ilidadp o r e n c i m a , s e p r o d u c e u n f a l l o e n e l
f un c i o n a m i e n to
In munidad
soportado por el material
Com patibilidad e s p e c i f i c a d o p a r a u n e n t o r n o
d ete r m in a do
Emisión
nivel máximo autorizado para un equipo
0
Fig. 5.14: Tipos de perturbación CEM para una convivencia entre el elemento perturbador y la
víctima.
Valores fundamentales medidos
Los equipos se someten a pruebas en el entorno, en las que se miden cinco valores
fundamentales:
CE: Emisión conducida
RE: Emisión radiada
ESD: Descarga electrostática
CS: Susceptibilidad conducida
RS: Susceptibilidad radiada.
Par medir estos valores se emplean importantes medios: emisión y susceptibilidad
conducidas en jaula de Faraday, emisión radiada en cámara anecoica.
MGE UPS dispone de una cámara anecoica homologada para sus ensayos.
RE
)
ESD
RS
UPS
CE
CS
Fig. 5.15: Medición de cinco valores fundamentales.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 32
Normas de los UPS
Ámbito de aplicación
y respeto de las normas
Ámbito de aplicación de las normas
Las normas cubren los siguientes aspectos:
diseño del UPS
seguridad de las personas
prestaciones
entorno eléctrico (concretamente, la ausencia de perturbaciones armónicas y la
compatibilidad electromagnética o CEM)
entorno ecológico.
La normalización relativa a los UPS ha ganado en precisión, sobre todo con la
aplicación de las normas europeas EN y su armonización con una parte de las
normas CEI ya existentes.
Respeto de las normas y certificación
Se está produciendo un desarrollo importante del marco normativo relativo a los
UPS, en particular en lo que a la CEM y los armónicos se refiere.
El respeto de las normas es una garantía de seriedad y calidad del UPS, así como
de su compatibilidad con las cargas alimentadas y también con el entorno técnico,
humano y natural.
El hecho de que un fabricante declare la conformidad con las normas no es en sí
mismo suficiente prueba de calidad. Sólo la certificación por parte de los organismos
autorizados constituye una verdadera garantía de conformidad.
Para ello, las prestaciones de los UPS MGE UPS SYSTEMS conformes a las
normas son certificadas por los organismos TÜV, Veritas.
Marcado CE
El marcado CE ha sido creado en el marco de la legislación europea.
Es obligatorio para tener el derecho a la libre circulación dentro de la CEE.
Mediante el respeto de las directivas europeas correspondientes, el marcado busca
garantizar:
que el producto no supone peligro alguno (directiva BT)
que no genera perturbaciones y ofrece compatibilidad electromagnética (directiva
CEM).
Para poder mostrar el marcado CE en su producto, el fabricante debe realizar o
encargar la realización de pruebas y controles que garanticen la conformidad del
producto sólo con las exigencias estipuladas por la o las directivas
correspondientes.
En ningún caso se trata de una norma de homologación o una marca de
conformidad. No implica que el producto que lo lleva sea conforme a las normas
nacionales e internacionales. Por lo tanto no constituye una certificación si nos
atenemos a la ley de 3 de junio de 1994.
Por otro lado, la reproducción del marcado CE es responsabilidad exclusiva del
fabricante o importador. No conlleva un control por parte de un organismo externo
autorizado.
) No todos los marcados requieren la misma implicación de los fabricantes.
La conformidad con las normas y las prestaciones anunciadas deben poder ser
certificadas por un organismo externo. No es el caso del marcado CE, que autoriza
la autocertificación.
Principales normas
relativas a los UPS
Los UPS MGE UPS SYSTEMS son conformes (certificación TÜV, Veritas) con las
principales normas internacionales en vigor.
UPS
CEI 62040-1-1 / EN 62040-1-1
Seguridad y prescripciones generales para los UPS instalados en un local accesible
para el operario.
CEI 62040-1-2 / EN 62040-1-2
Seguridad y prescripciones generales para los UPS instalados en un local accesible
para el operario.
CEI 62040-3 / EN 62040-3
Método de especificación de las prestaciones y pruebas de los UPS.
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cap. 5 - pág. 33
Normas de los UPS
Seguridad
CEI 60439
Seguridad de los equipos de baja tensión.
CEI 60950 / EN 60950
Seguridad de los materiales de tratamiento de la información.
Directivas BT: 73/23/CEE y 93/68/CEE.
Entorno
eléctrico,
armónicos
electromagnética (CEM)
y
compatibilidad
Armónicos
CEI 61000-2-2 / EN 61000-2-2:
Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y
la transmisión de señales en las redes de alimentación de baja tensión
(ver tabla 5-A en pág. siguiente)
CEI 61000-3-2 / EN 61000-3-2:
Limitación de las emisiones de corrientes armónicas (equipos con corriente de
entrada d 16 A/fase).
CEI 61000-3-4 / EN 61000-3-4:
Limitación de las emisiones de corrientes armónicas (equipos con corriente de
entrada > 16 A/fase).
CEI 61000-3-5 / EN 61000-3-5
Limitación de las fluctuaciones de la tensión y el flicker.
EN 50160
Características de la tensión suministrada por las redes de distribución pública
(ver tabla 5-B en pág. siguiente).
IEEE 519
Recomendaciones para el control de los armónicos en los sistemas eléctricos de
potencia.
CEM
EN 50091-2
ASI - CEM.
EN 55011-clase A
Perturbaciones electromagnéticas de los aparatos industriales científicos y médicos
– emisiones conducidas y radiadas.
CEI 61000-4-2 / EN 61000-4-2
Inmunidad a las descargas electrostáticas.
CEI 61000-4-3 / EN 61000-4-3
Inmunidad a los campos radiados electromagnéticos.
CEI 61000-4-4 / EN 61000-4-4
Inmunidad a las ondas de baja energía (transitorios rápidos, en ráfagas).
CEI 61000-4-5 / EN 61000-4-5
Inmunidad a las sobretensiones (ondas de alta energía).
Directivas CEM 89/336 y 93/68/CEE
Para los aparatos susceptibles de generar perturbaciones electromagnéticas o verse
afectados por dichas perturbaciones.
Calidad
Diseño, fabricación y servicio posventa según la norma
ISO 9001. – organización de la calidad.
Entorno ecológico
Fabricación conforme con la norma
ISO 14001
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 34
Normas de los UPS
Ruido acústico
ISO 3746
Método de medición de la potencia acústica.
ISO 7779 / EN 27779
Medición del ruido de ventilación emitido por un ordenador o un equipo de
sobremesa.
Armónicos - tablas de niveles de compatibilidad
Tabla 5-A: niveles de compatibilidad para los armónicos de tensión en las redes de baja
tensión de acuerdo con las normas CEI 61000-2-2 / EN 61000-2-2.
Armónicos impares
Armónicos
no múltiples de 3
impares Armónicos pares
múltiples de 3
Rango n del Tensión
armónico
armónica
armónico
armónica
armónico
armónica
5
6
3
5
2
3,5
15
0,3
6
7
11
13
17
19
23
25
>25
% fundament.
9
5
21
3
>21
2
1,5
% fundament.
% fundament.
2
4
1,5
1
0,5
8
0,2
0,5
10
0,2
0,5
12
0,5
>12
1,5
1,5
0,2
0,2
0,2+0,5x25/n
THDU resultante < 8% (para todos los armónicos detectados de entre los indicados)
Tabla 5-B: niveles de compatibilidad para los armónicos de tensión según el tipo de material
de acuerdo con la norma EN 50160.
rango del
clase 1
tensión generado
sistemas sensibles)
armónico de
(materiales y
% del fundamental
clase
2
4
1
1
5
6
7
8
9
10
11
12
13
3
0,5
3
0,5
1,5
0,5
3
0,2
3
(redes clase
% del fundamental
2
3
(1)
3
(para
la
públicas e industriales) conexión de grandes
2
3
2
5
6
generadores
perturbaciones)
% del fundamental
3
6
1,5
8
0,5
1
0,5
1
0,5
1
0,2
1
5
1,5
3,5
3
de
7
2,5
5
4,5
TDHU
5%
8%
10%
(1)
La clase 2 corresponde a los límites de la tabla A de las normas CEI y EN 61000-2-2.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 35
Almacenamiento de la energía
Tecnologías aplicables
Características del almacenamiento de energía de los UPS
Los sistemas de almacenamiento de energía utilizados por los UPS para suplir la
red deben presentar las siguientes características:
disponibilidad instantánea de la energía en forma de electricidad
potencia suficiente para alimentar a la carga
autonomía suficiente y/o compatible con fuentes de socorro de larga autonomía
(ej.: grupo electrógeno).
Evaluación de las distintas tecnologías aplicables
El estudio tecnológico llevado a cabo por MGE UPS SYSTEMS se ha basado en la
evaluación de las tecnologías siguientes:
baterías
supercondensadores (ultracapacitors)
volantes de inercia (flywheel)
pilas de combustible (fuel-cells)
superconductividad magnética (SMES)
La solución más habitual es, de lejos, la batería, que se analiza más adelante. Para
el resto de tecnologías, cabe recordar los siguientes aspectos:
Las pilas de combustible y la superconductividad no están adaptadas para los
UPS.
Las pilas de combustible PEM (con membrana de intercambio de protón) son
seguras y la única emisión que generan es el agua. Sin embargo, son voluminosas y
difíciles de utilizar debido al calor que desprenden las aplicaciones de alta potencia
de los UPS. Se utilizan para aplicaciones domésticas autónomas de 3 a 10 kW con
200 a 300 V, y el calor desprendido se emplea para la calefacción.
La superconductividad magnética, de difícil aplicación en entorno industrial (bajas
temperaturas), no es adecuada para los UPS (autonomías cortas y campo
magnético intenso).
Los supercondensadores, una tecnología prometedora pero que aún no ha
dado los resultados requeridos
Tecnología
Un supercondensador (condensador electroquímico de doble capa) está constituido
por dos electrodos porosos de metal-carbono, sumergidos en un electrólito orgánico
no acuoso. Esta solución presenta, además, una gran superficie de
almacenamiento, gracias a los poros de las armaduras en comparación con el
tamaño de los iones, lo cual permite llegar a densidades energéticas muy superiores
a las de los condensadores normales y, por consiguiente, a capacidades de
condensación muy elevadas (> 1000 F).
Evaluación
Los supercondensadores tienen la ventaja de poder almacenar un volumen de
energía importante y soportar un número muy elevado de cargas y descargas sin
sufrir desgaste.
Son adecuados para responder a picos de potencia, gracias a unos tiempos de
carga y descarga muy rápidos. Hasta ahora, han sido utilizados para proporcionar
potencias adicionales (ej.: vehículos eléctricos) o para satisfacer una necesidad de
corriente y larga duración (ej.: conservación de memorias volátiles con poca
dispersión de ordenadores durante varios meses).
Pero ésta es una tecnología emergente que aún debe ser validada. Además, para
las altas potencias y las autonomías de varios segundos que requieren los UPS, el
coste de los supercondensadores resulta elevado.
) Los supercondensadores constituyen una tecnología emergente que debe ser
validada.
Por otro lado, para poder utilizarlos es necesario que antes bajen los costes.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 36
La solución de volante de inercia de alta velocidad: una tecnología posible
Tecnología
El almacenamiento de energía cinética en volantes compactos emplea velocidades
de rotación elevadas (la energía cinética almacenada es proporcional al cuadrado
de la velocidad) y materiales resistentes a las presiones de las fuerzas centrífugas.
- Una primera opción tecnológica consiste en la utilización de altísimas velocidades
(de 30.000 a 100.000 tr/min) y materiales híbridos caros. No responde a las
exigencias industriales ni de coste ni de serie.
- Otra opción consiste en utilizar una velocidad de rotación menor (de 5.000 a
10.000 tr/min). Ello disminuye las presiones (en relación con los cuadrados de las
velocidades) y ofrece un compromiso técnico-económico satisfactorio.
Evaluación
La solución de velocidad media es adecuada como complemento de las baterías
para superar las perturbaciones de corta duración sin necesidad de solicitar la
batería, con el consiguiente ahorro. Es posible utilizarla sin batería, pero proporciona
una autonomía de tan sólo unos diez segundos. En determinados casos, puede
resultar insuficiente para activar el arranque de un grupo de socorro.
Las baterías
La solución batería
El almacenamiento de energía en batería es de lejos la solución más utilizada con
los UPS. Las baterías se imponen gracias a una tecnología probada y de bajo
precio, así como a su capacidad de autonomía, a pesar de los inconvenientes que
suponen su volumen, su mantenimiento y su efecto en el entorno. Por lo general,
proporcionan, en las potencias correspondientes, un tiempo de autonomía de unos
diez minutos, que permite superar los cortes prolongados y activar el arranque de un
eventual grupo electrógeno de socorro.
) El almacenamiento de energía electroquímica en baterías, que eventualmente
puede completarse con un recurso a la energía térmica de los grupos de larga
autonomía, es la solución utilizada normalmente para proteger la alimentación de
cargas sensibles con UPS.
Red
Permutador
de fuentes
UPS
Rectificador
Grupo
electrógeno
O ndulador
Batería
Cargas
críticas
Fig. 5.17: Almacenamiento de energía en batería + socorro grupo para largas autonomías.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 37
Tipos de baterías industriales
Familias de baterías
Una batería se compone de elementos de acumuladores conectados entre ellos.
Según la composición de estos elementos, distinguimos dos familias principales de
baterías:
de plomo,
de níquel-cadmio.
Dichos elementos pueden ser de dos tipos:
de recombinación Æ baterías estancas
Presentan un porcentaje de recombinación de los gases del 95% como mínimo, por
lo que no precisan adición de agua durante su funcionamiento (son las baterías
denominadas "estancas").
abiertos Æ baterías abiertas
Están provistos de orificios que permiten:
- liberar el oxígeno y el hidrógeno de las reacciones químicas a la atmósfera
- restablecer la reserva de electrólitos mediante adición de agua destilada o
desmineralizada.
Baterías utilizadas con los UPS
Los principales tipos de baterías utilizados en combinación con los UPS son:
estancas de plomo, en un 95% de los casos, dada su facilidad de mantenimiento
y al hecho que no requieren un local específico; se pueden instalar en despachos y
en cualquier posición.
abiertas de plomo
abiertas de níquel-cadmio.
Las baterías abiertas son más exigentes desde el punto de vista del mantenimiento
(control del nivel de electrólitos) y sólo pueden ser instaladas en posición vertical.
El uso de la tecnología litio-polímero para los UPS es objeto de estudio en la
actualidad (a 2-3 años vista).
MGE UPS SYSTEMS recomienda la utilización de baterías de plomo para
combinarlas con sus gamas de UPS, si bien deja una considerable libertad de
elección. Por ello, propone los tres tipos de baterías con todas las vidas útiles
disponibles.
La potencia y la autonomía se pueden adaptar a petición del cliente.
Además, las baterías propuestas se adaptan perfectamente en su combinación con
el UPS gracias al trabajo en estrecha asociación con los mejores fabricantes de
baterías.
Elección de las baterías: ver cap. 1 pág. 46".
Tipos de instalación
En función de la gama de UPS, la potencia y la autonomía de la batería, ésta será:
estanca e integrada en la celda del UPS
estanca y repartida en uno, dos o tres armarios
abierta o estanca e instalada a la vista.
Baterías en armario
Este tipo de instalación (fig. 5.18) es indicado para las baterías estancas. Es fácil de
montar y ofrece un nivel de seguridad máximo.
Baterías vistas
en estantes (fig. 5.19)
Este montaje es adecuado para las baterías estancas o abiertas que no precisan
mantenimiento ni renivelar el electrólito.
en gradas (fig. 5.20)
Este montaje es adecuado para cualquier tipo de batería, en especial para las
baterías abiertas, pues facilita las operaciones para comprobar los niveles y rellenar.
Fig. 5.18: baterías en armario Fig. 5.19: en estanterías.
MGE UPS SYSTEMS
Fig. 5.20: en gradas.
cap. 5 - pág. 38
Condiciones de funcionamiento de las baterías
Condiciones atmosféricas:
Las baterías incluidas con los UPS MGE UPS SYSTEMS han sido diseñadas para
funcionar en las condiciones siguientes:
temperatura: óptima entre 15° C y 25° C
humedad relativa: óptima entre 5% y 95%
presión atmosférica: entre 700 y 1060 hPa (0,7 y 1,06 bar).
Para otras condiciones de funcionamiento, consultar a MGE UPS SYSTEMS.
Condiciones de acceso
Los accesos deben estar acondicionados para permitir las operaciones de
comprobación:
batería integrada en la celda del UPS o en armario: atenerse a los espacios de
acceso que se describen en el capítulo 4 (ver apartado "dimensiones y peso")
batería vista: elegir un montaje adecuado para el tipo de batería
restricciones de obra civil: es un aspecto importante dado que afecta a la
seguridad; se explica en el capítulo 1, pág. 49.
Principales parámetros de una batería
Autonomía
La autonomía de una batería depende de:
la potencia que deba suministrar: cuando ésta es baja, aumenta la autonomía
disponible
el régimen de descarga: un régimen de descarga elevado permite una tensión de
parada baja, lo cual aumenta la autonomía
la temperatura: dentro de los límites de funcionamiento previstos, la autonomía se
incrementa al ritmo que lo hace la temperatura, pero hay que tener cuidado: una
temperatura elevada disminuye la vida útil de la batería
el envejecimiento: la autonomía de una batería disminuye con los años.
MGE UPS SYSTEMS propone varios tiempos de autonomía estándar (6, 8, 10, 15 o
30 minutos, con una vida útil de 10 años o más), pero también responde a
necesidades específicas.
Vida útil
Se considera que una batería llega al final de su vida útil cuando su autonomía real
sólo alcanza el 50% de la autonomía especificada.
La vida útil de una batería puede prolongarse sobre todo mediante:
la instalación de protecciones contra las descargas profundas
el correcto ajuste de los parámetros del cargador (en particular, el índice de
ondulación de la corriente de carga o de floating)
la temperatura de funcionamiento, óptima entre 15° C y 25° C.
Modo de recarga
El ciclo de recarga se efectúa en 2 fases:
1ª fase: con corriente constante limitada en 0,1 C10 (1/10 de la capacidad de la
batería para una descarga de 10 h)
2ª fase: con tensión constante, al valor máximo admisible. La corriente de carga
disminuye regularmente para alcanzar el valor de floating.
U
I
U
0,1 C10
U flotación
I
I f lotación
Limitación de
Corriente
Tensión cons tante
Corriente decreciente
t
Fig. 5.21: Modo de recarga de la batería.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 39
Gestión de la batería
DigibatTM
Para gestionar estos parámetros, todos los UPS MGE UPS SYSTEMS incorporan
TM
de serie un sistema de supervisión de las baterías denominado Digibat , con
TM
microprocesador DSP (dedicado para el tratamiento en tiempo real). Digibat es
sencillo de utilizar y presenta funciones flexibles y evolucionadas así como
protecciones tanto físicas como de software. Permite obtener un elevado grado de
seguridad, medir el nivel real de autonomía y optimizar la vida útil de las baterías.
Para Galaxy PW, por ejemplo, incluye las siguientes funciones:
cálculo automático de los parámetros de la batería
medición de la autonomía real disponible teniendo en cuenta la edad de la batería,
la temperatura y el índice de carga.
previsión de la vida útil de la batería (1)
test de estado de la batería para una detección preventiva de fallos de
funcionamiento (1)
regulación de la tensión de la batería en función de la temperatura, lo cual
optimiza la vida útil de la batería.
test automático de descarga de la batería en intervalos de tiempo parametrables.
Las protecciones incluyen:
protección contra las descargas profundas en función de los regímenes de
descarga y aislamiento de la batería mediante disyuntor que se abre
automáticamente con un tiempo equivalente a 2 veces la autonomía más 2 h
limitación de la corriente de recarga en la batería (de 0,05 C10 a 0,1 C10)
alarma sonora gradual para señalar el fin de la autonomía
múltiples tests automáticos.
(1) patentes exclusivas de MGE UPS SYSTEMS.
V batería
disponible (red presente)
I batería
tiempo
de autonomía
P carga
software
de cálculo
temperatura ambiente
edad de la batería
alarma batería baja
alarma batería baja
vida útil restante
test automático
de la batería
parámetros de la batería
cálculo de la autonomía teniendo en
cuenta los parámetros de la batería y
del entorno
TM
Fig. 5.22: Principio de Digibat .
Supervisión de la temperatura
Los UPS pueden estar equipados con un módulo de control de la temperatura que
permite:
optimizar la tensión del cargador en función de la temperatura del local de baterías
avisar al operario cuando se rebasen las temperaturas admisibles
predeterminadas
ofrecer una previsión de autonomía de la batería más precisa que la realizada por
el dispositivo estándar. La ventilación natural de los armarios de baterías evita el
calentamiento de las mismas.
Así, el dispositivo Environment Sensor constituye un medio muy sencillo para
controlar la temperatura y la humedad. También permite activar el paro seguro del
sistema si se combina con un software que comporte este módulo.
Supervisión de la batería
MGE UPS SYSTEMS también propone sistemas autónomos y comunicativos de
supervisión de las baterías: son los sistemas B1000 y Cellwatch, que detectan y
localizan inmediatamente cualquier fallo de la batería. Asimismo, permiten llevar un
control por elemento o incluso por celda, y realizar un mantenimiento preventivo.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 40
Combinación de UPS y grupo electrógeno
Interés del grupo
electrógeno
Largas autonomías
Un grupo electrógeno está constituido por un motor térmico que pone en
funcionamiento un alternador que suministra a la red. La autonomía del grupo
depende de su reserva de fuel.
Algunas instalaciones requieren tal autonomía en caso de corte que disponen de un
grupo electrógeno de socorro de la red (fig. 5.22).
Esta solución evita tener que recurrir a baterías con autonomías demasiado largas.
No hay una norma de aplicación general, pero se aconseja esta disposición para las
autonomías de más de 30 minutos. Las instalaciones críticas con una disponibilidad
muy alta y un coste por avería elevado (por ej., los Data Centers) también combinan
sistemáticamente UPS y grupos electrógenos.
La autonomía de la batería del UPS debe permitir el arranque del grupo electrógeno
y su acoplamiento con la red de distribución. Por lo general, dicho acoplamiento se
efectúa en el cuadro de distribución general de BT a través de un conmutador de
fuente automático. El tiempo necesario para esta conmutación depende de las
características de cada instalación, de sus secuencias de arranque y eventuales
desconexiones de carga.
G
Fuente
Normal
Red 1
Normal
Red2
Soc orro
Rectificador/
Cargador
Bypass
Manual
Batería
Ondulador
Grupo de
Soc orro
Contactor
Estático
Utilización
Fig. 5.23: Combinación de UPS y grupo electrógeno.
Combinación de UPS y
grupo electrógeno
Compatibilidad entre UPS y grupo electrógeno
Para utilizar un grupo electrógeno como socorro de larga autonomía de los UPS, es
preciso tener en cuenta los siguientes elementos:
Impacto de carga
Cuando el grupo electrógeno asume la alimentación socorro de la instalación, las
cargas importantes pueden generar irrupciones de corriente perjudiciales para el
funcionamiento del grupo. Para evitar estos fenómenos, los UPS MGE UPS
SYSTEMS están equipados con un sistema que provoca el arranque progresivo de
su cargador. El tiempo de establecimiento de la tensión es de unos diez segundos.
Además, cuando se recupera la red, es posible prever una secuencia de paro
progresivo del cargador, accionando un contacto auxiliar, con el fin de evitar
perturbaciones a las demás utilizaciones.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 41
Combinación de UPS y grupo electrógeno (continuación)
In
I R ect ificador/ Carg ador
mp
Ra
Tempo rización
a
6 à 10 s
t
Fig. 5.24: Arranque progresivo del cargador de los UPS en funcionamiento con grupo.
Corrientes capacitivas
El alternador sólo puede suministrar corrientes capacitivas relativamente flojas
(de un 10 a un 30% de In). Por consiguiente, en el caso de los UPS con filtro LC,
durante el arranque progresivo del rectificador con el grupo electrógeno, cuando la
potencia activa es inexistente, el alternador sólo proporciona la corriente capacitiva
del filtro. Por lo tanto, hay que estudiar la utilización de filtros LC para que el
funcionamiento se mantenga dentro de las especificaciones del fabricante.
Los filtros LC compensados con contactor resuelven este problema. Los filtros THM
o activos de 12 pulsos o con un rectificador PFC ofrecen una compatibilidad total.
Filtro LC y generadores: ver cap. 1 pág. 26.
Potencias respectivas del UPS y el grupo electrógeno
Un UPS con un rectificador PFC o un filtro activo THM o activo de 12 pulsos tiene un
factor de potencia de entrada elevado (> 0,9). Así, el grupo puede ser utilizado con
la máxima eficacia.
En el caso de los filtros LC, los filtros compensados con contactor resuelven el
problema de las corrientes capacitivas.
Por otro lado, el control de los armónicos aguas arriba del UPS evita cualquier
problema relacionado con la impedancia de salida más elevada del grupo
electrógeno (ver "Armónicos", más adelante).
) La compatibilidad de las potencias entre UPS actuales y grupos electrógenos ya
no supone ningún problema de desclasificación.
Estabilidad de frecuencia del grupo electrógeno
Durante el funcionamiento con el grupo electrógeno pueden producirse
fluctuaciones de frecuencia del alternador a causa de las variaciones de velocidad
del motor térmico de accionamiento, cuya regulación no es instantánea. Estas
variaciones se deben a variaciones de carga. Por ejemplo, durante el arranque del
motor del grupo (hasta que alcanza su velocidad nominal), el arranque de otras
cargas alimentadas por el grupo (ascensores, climatización), o al producirse
desconexiones de carga.
Ello puede provocar problemas en los UPS que funcionan en interacción con la red
("line-interactive") y cuya frecuencia de salida es directamente la de entrada. Las
variaciones de frecuencia pueden resultar en una sucesión de pasos al
funcionamiento con batería (frecuencia fuera de tolerancias) y vueltas a la red
(cuando el ondulador ha logrado estabilizar la frecuencia, aunque el grupo aún no
esté estabilizado), lo que produce un fenómeno de penduleo.
Con los UPS de tipo doble conversión, la regulación de la tensión de salida por parte
del ondulador elimina este tipo de problemas.
) Los UPS de tipo doble conversión son totalmente compatibles con las
fluctuaciones de frecuencia de los grupos electrógenos. No así los UPS lineinteractive.
Armónicos
La reactancia subtransitoria X"d de un alternador suele ser más elevada que la
tensión de cortocircuito Uccx de un transformador (de 2 a 4 veces superior). Las
corrientes armónicas generadas por el rectificador del UPS pueden tener un impacto
más importante en la distorsión armónica en tensión a nivel de la barra colectora
aguas arriba. Con las tecnologías de filtrado THM, activo de 12 pulsos o rectificador
PFC, el control total de los armónicos elimina este problema.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 42
Regímenes transitorios de las cargas
Irrupciones de corriente en las puntas de conexión
Al ser puestos en tensión, algunos receptores generan irrupciones de corriente
importantes (puntas de conexión o de arranque) durante un tiempo de
funcionamiento transitorio.
Dichas corrientes suponen para el UPS una potencia aparente denominada
Sa(kVA) superior a la potencia Sn(kVA) que debe suministrar en régimen
permanente.
La potencia Sa, que hay que tener en cuenta al determinar la potencia del UPS, se
calcula a partir de los valores de estas corrientes de llamada.
A continuación, recordamos algunos datos sobre estas corrientes para los equipos
más habituales.
Motores
Suelen ser de tipo asíncrono trifásico (un 95% de los casos). La irrupción de energía
corresponde con la corriente de arranque definida por (fig. 5.25):
Id (5 a 8 In - valor eficaz nominal) con una duración Td (1 a 10 s).
Imáx = 8 a 12 In durante 20 a 30 ms.
La irrupción de potencia a tener en cuenta es (ignorando el efecto de cresta Imáx):
Sa (kVA) = Un Id 3 durante Td.
Transformadores BT/BT
La conexión produce crestas de corriente de anchos que se amortiguan según una
ley exponencial de constante de tiempo (fig. 5.26)
i = I1ª cresta exp -t/W con W del orden de unos cuantos ciclos (30 a 300 ms).
I1ª cresta = k In (k determinado, normalmente de 10 a 20).
Se suelen indicar el número de ciclos del fenómeno y el valor de las distintas crestas
en % de I1ª cresta.
Normalmente, la punta de potencia correspondiente se calcula así (ver ejemplo):
Sa(kVA) = Un I1ª cresta 3 , es decir Sa(kVA) = k Un In 3 durante el número de
ciclos.
Ejemplo: fenómeno amortiguado en 4 ciclos con:
1ª cresta 100%: k In (k de 10 a 20)
2ª cresta 30%: 0,3 k In
3ª cresta 15%: 0, 15 k In
La suma de los valores eficaces de las corrientes correspondientes a las distintas
puntas (Icresta / 2 ) (1) es:
k In (1 0,3 0,15 ) K In 1,45
| k In
2
2
Lo que equivale a tomar en consideración sólo el valor de la primera cresta.
(1)
Asimilando las puntas de corriente con alternancias de sinusoide; si no, algunos fabricantes
dan un valor eficaz Icresta / 2
Cargas informáticas
Los sistemas de alimentación por conmutación son cargas no lineales. La corriente
para una carga monofásica tiene la forma que aparece en la fig. 5.27. Se puede
producir una punta del orden de 2 In con la primera alternancia que a menudo se
ignora al ser baja y limitada.
I
I
Imáx
I1 (1ª c resta)
Id
(5 a 8 In)
In
20 a 30 ms
Id (1 a 10 s )
Fig. 5.25: Corriente de
arranque directa de un motor
asíncrono trifásico.
MGE UPS SYSTEMS
t
W
t
Fig. 5.26 Corriente de
Fig. 5.27: Corriente de
conexión de un transformador conexión de una carga
BT/BT.
informática.
cap. 5 - pág. 43
Armónicos
Los armónicos
Origen de los armónicos
Los avances de la informática, las telecomunicaciones y la electrónica de potencia
han multiplicado la presencia de cargas no lineales en las redes.
Para la alimentación de estas aplicaciones se requieren sistemas de alimentación
por conmutación que deforman la sinusoide de tensión para convertirla en una señal
periódica de forma variable. Así, cualquier señal periódica de frecuencia f es
resultado de la superposición de señales sinusoides de frecuencias múltiples de f
llamadas armónicos.
(ver "valores relativos a los armónicos" y descomposición de Fourier, pág. 46). La
figura 5.28 lo ilustra a través de una corriente inicial (fundamental) y el armónico 3.
Corr iente resul tan te
Fund amen tal
La figura a la izquierda muestra cómo la
superposición de una corriente sinusoidal a la
frecuencia inicial (50/60 Hz) con un armónico
de rango 3 (150/180 Hz) produce una señal
periódica en la frecuencia inicial, pero
deformada.
Ar mó nico 3
Fig. 5.28: Ejemplo de armónicos.
La presencia cada vez mayor de armónicos es un fenómeno que afecta a todas las
redes eléctricas, tanto dentro del sector terciario como en la industria o en el ámbito
doméstico. No hay entorno moderno que escape a esta distorsión de la corriente
causada por aparatos como micro-ordenadores, servidores, tubos fluorescentes,
climatizadores, variadores de velocidad, lámparas de descarga, rectificadores,
sistemas de alimentación estática, hornos microondas, televisores, lámparas
halógenas... Todas estas cargas reciben el nombre de "no lineales" o "deformantes".
Consecuencias de los armónicos
Los armónicos perturban cada vez más severamente todo tipo de actividades:
fábricas de producción de componentes, estaciones de bombeo, sistemas de
tratamiento de la información, estaciones de telecomunicaciones, estudios de
televisión..., actividades que representan una parte significativa de la corriente
consumida.
Los problemas derivados para el usuario son de 3 tipos:
Impacto en la instalación eléctrica
La presencia de armónicos aumenta el valor de la corriente eficaz en relación con el
de la corriente sinusoidal nominal. Ello provoca calentamientos, a veces
importantes, en las líneas, los transformadores, los alternadores, los condensadores
o los cables. Los costes implícitos al envejecimiento acelerado de estos equipos
pueden ser muy elevados.
Impacto en el funcionamiento de las aplicaciones
Al circular en la impedancia de fuente y de línea, las corrientes armónicas generan
armónicos de tensión que provocan una distorsión en tensión en la barra colectora
aguas arriba de las cargas no lineales (figura 5.29).
La distorsión de la tensión de alimentación (calculada por la THDU, o tasa global de
distorsión, aguas arriba) puede perturbar el funcionamiento de determinados
equipos sensibles conectados a la misma barra colectora.
Por otro lado, en los regímenes de neutro TNC (con N y PE unidos en un PEN), los
armónicos de rango 3 homopolares se introducen en el neutro. Esta corriente de
desequilibrio en el neutro puede perturbar los enlaces entre equipos con "corriente
débil". También puede conllevar un dimensionamiento excesivo del neutro.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 44
Armónicos (continuación)
% THDU
equipo 1
equipo 2
equipo 3
UPS
Fig. 5.29: Distorsión en tensión debida a la reinyección de corrientes armónicas por parte de
cargas no lineales.
Impacto en la potencia eléctrica disponible
Los armónicos consumen una parte de la corriente en forma de pérdidas
(sobreconsumo de hasta un 30%). Por lo tanto, el usuario paga más por una
potencia disponible menor.
Precauciones que hay que tomar
En general
Existen soluciones clásicas para limitar los armónicos:
la colocación de filtros pasivos reglamentarios
la instalación de varios cables de sección media en paralelo
la agrupación detrás de los transformadores de aislamiento de las cargas
distorsionantes por un lado y los receptores sensibles por otro lado.
Estas soluciones, sin embargo, presentan dos graves inconvenientes:
la limitación de los armónicos sólo es eficaz para la instalación actual (si se
añaden o suprimen cargas puede volverse ineficaz)
es difícil ponerlas en práctica en las instalaciones existentes.
Los compensadores activos de armónicos SineWave (ver capítulo 3) evitan estos
inconvenientes. Son mucho más eficaces, se pueden utilizar con todas las cargas y
permiten eliminar los armónicos desde el rango 2 hasta el 25 de manera selectiva.
Compensación armónica: ver cap. 3.
El caso particular de los UPS
Debido al rectificador de entrada que incorpora, un UPS constituye una carga no
lineal para la fuente que lo alimenta. Los UPS MGE UPS SYSTEMS permiten
controlar totalmente los armónicos aguas arriba gracias a:
filtros adaptados, pasivos o activos derivados de la tecnología SineWave
o rectificadores "seguros" de tipo PFC.
Aguas arriba del UPS, la tasa global de distorsión se mantiene a un nivel lo bastante
reducido como para que los demás equipos conectados a la misma barra colectora
puedan tolerarla.
Normas de compatibilidad armónica
Al igual que en el caso de la compatibilidad electromagnética (ver fig. 5.14, pág.32),
las normas han definido niveles de compatibilidad armónica.
Con el fin de respetar estos valores, las normas fijan límites a las perturbaciones
armónicas emitidas (niveles de emisión) para los equipos, o para un punto de
conexión a la red:
para los equipos de BT que absorben una corriente d 16 A (resp. > 16 A), rigen las
normas EN 61000-3-2 (resp. 3.4) y su equivalente CEI 61000-3-2 (resp. 3-4)
para las aplicaciones industriales, no existen normas pero sí un consenso
alrededor de un límite que un usuario no debe rebasar (del orden de la mitad de los
niveles de compatibilidad).
Normas: ver cap. 5, pág. 33 "Normas de los UPS - Armónicos".
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 45
Valores relativos a los
armónicos
Valores de la corriente
Descomposición armónica de una corriente periódica
El teorema de Fourier indica que cualquier función periódica de frecuencia f se
puede representar en forma de una suma de términos (serie) compuesta por:
un término sinusoidal de frecuencia f, llamada frecuencia fundamental
varios términos sinusoidales cuyas frecuencias son múltiples enteros de la
frecuencia fundamental y que constituyen los armónicos
un posible componente continuo.
Su aplicación a las corrientes eléctricas supone considerar que la corriente I(t)
absorbida por un receptor no lineal, deformado y periódico con frecuencia f de la red
es la suma de corrientes sinusoidales definidas por:
I( t) IH1 2 sin(Zt M1) f
¦ IHn
n 2
2 sin(nZt Mn)
con los siguientes valores:
IH1: valor eficaz de la corriente fundamental, con frecuencia f (50 o 60 Hz).
Z = 2 S f: pulsación de la fundamental.
M1: defasaje entre la corriente de la fundamental y la tensión.
IHn: valor eficaz del armónico de rango n, con frecuencia nf.
Mn: defasaje entre la corriente armónica de rango n y la tensión.
Es importante evaluar la importancia de los armónicos (n t 2) en relación con la
fundamental (n =1) con el fin de saber en qué medida difiere la función.
Para ello, se toman en consideración los siguientes valores.
Tasa individual de armónicos en la corriente
Esta tasa expresa la importancia relativa (en %) del valor eficaz de cada armónico
sobre el de la fundamental:
IHn
Ihn % 100
IH1
El conjunto de todos los armónicos presentes en una corriente determinada, con la
correspondiente indicación de su importancia (valores de Ihn), constituye el espectro
armónico de dicha corriente. En general, la influencia de los rangos > 25 no es
perceptible.
Tasa global de distorsión armónica en la corriente
Esta tasa se denomina THDI (Total Harmonic Distorsion - I en concepto de
corriente). Mide la importancia relativa (en %) del valor eficaz del conjunto de los
armónicos (rango t 2) en relación con el de la fundamental. También se expresa en
función de las tasas individuales.
f
¦ IH
n 2
THDI% 100
IH1
n
2
100
f
ª IHn º
«
»
IH
2 ¬ 1¼
¦
n
2
f
¦ Ih %
n 2
n
2
Nota: a veces, esta tasa no se refiere a la fundamental sino a la señal completa Ieff
(documentos CEI). Nosotros aquí utilizamos la definición del CIGREE, referida a la
fundamental.
Para las tasas más bajas que se estudian a continuación, ambas definiciones son
equivalentes.
Valor eficaz de una corriente con armónicos
El valor eficaz de una corriente periódica de período T es:
Ieff
1
T
³
T
0
2
I t dt
Con la representación armónica, tras el cálculo se convierte en:
Ieff
f
¦ IH
n
2
n 1
donde IHn = valor eficaz del armónico de rango n.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 46
El valor eficaz también se puede expresar así:
f
¦ IH
Ieff
IH12 Ieff
IH1 1 ¦
Ieff
IH1 1 ¦ Ih
n
2
n 2
f
n 2
ª IHn º
«
»
«¬ IH1 »¼
f
n
n 2
2
o bien:
2
de lo que se deduce:
IH1 1 THDI2
Ihn = Ihn% /100 (tasa individual expresada como valor y no como porcentaje)
THDI = THDI% / 100 (distorsión expresada como valor y no como porcentaje)
El valor eficaz de la corriente es el de la fundamental, multiplicado por un coeficiente
relativo a los armónicos y función de la distorsión.
) Por lo tanto, uno de los efectos de los armónicos es aumentar el valor eficaz de la
corriente, lo que puede acarrear un calentamiento y provocar el
sobredimensionamiento de los conductores. Dicho coeficiente será tanto más bajo
cuanto menor sea la distorsión.
Ejemplo
Una corriente con la siguiente forma y espectro (corriente de entrada de un
rectificador trifásico).
Tasa de armónicos
F undamental
t
Fig. 30: Ejemplo de espectro armónico
THDI%
f
¦ Ih %
n 2
n
Ih5 = 33%
Ih7 = 2,7%
Ih11 = 7,3%
Ih13 = 1,6%
Ih17 = 2,6%
Ih19 = 1,1%
Ih23 = 1,5%
Ih25 = 1,3%
THDI = 35%
2
El valor de la raíz cuadrada es:
332 + 2,72 + 7,32 + 1,62 +2,62 + 1,12 + 1,52 +1,32 = 1164
por lo que THDI% | 34 % y THDI = 0,34
Ieff
IH1 1 THDI2 = IH1 1 0,34 2 = 1,056 x I1
Así, el valor eficaz de esta corriente es un 5,6% más elevado que el valor eficaz de
la fundamental (esto es, la corriente nominal exenta de armónicos), lo que genera el
correspondiente calentamiento.
Valores de la tensión
En las bornas de una carga no lineal recorrida por una corriente alterna periódica
deformada, la tensión también es periódica con frecuencia f y está deformada en
relación con la sinusoide teórica. La relación entre tensión y corriente ya no respeta
la ley de Ohm, lineal, dado que ésta sólo se aplica para una tensión y una corriente
sinusoidales. En cambio, sí puede aplicarse también la descomposición de Fourier a
la tensión y definir, como para la corriente y con el mismo significado, los valores
siguientes.
Tasa individual de armónicos en la tensión
UHn
Uhn % 100
UH1
Con el espectro de los armónicos de la tensión.
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cap. 5 - pág. 47
Tasa global de distorsión armónica de la tensión
f
¦ UH
n
n 2
THDU% 100
UH1
2
100
f
ª UHn º
«
»
UH1 ¼
2¬
¦
n
2
f
¦ Uh n 2
n
2
THDU del inglés Total Harmonic Distorsion, U en concepto de tensión.
Valor eficaz de una tensión con armónicos
Ieff
f
¦ IH
n
2
n 1
Al igual que la corriente, esta tensión también puede expresarse así:
Ueff
UH1 1 f
¦ Uh
n 2
n
2
IH1 1 THDU2
) El valor eficaz de la tensión es el de la fundamental multiplicado por un
coeficiente relativo a los armónicos.
Valores de la potencia
Factor de potencia en presencia de armónicos
A partir de la potencia activa en las bornas de la carga no lineal P(kW) y de la
potencia aparente suministrada S(kVA), se define el factor de potencia:
P (kW )
O
S (kVA )
No expresa un desfase entre la tensión y la corriente, dado que ya no son
sinusoidales. En cambio, sí es posible definir un desfase entre la tensión
fundamental y la corriente fundamental, ambas sinusoidales:
P1(KW )
cos M1
S1(kVA )
donde P1 y S1 son respectivamente la potencia activa y reactiva correspondiente a
las fundamentales.
La norma CEI 146-1 establece el factor de deformación:
O
Q
cos M1
En ausencia de armónicos, este factor es igual a 1, y reaparece como factor de
potencia el cos M habitual.
Potencia en presencia de armónicos
En las bornas de una carga lineal trifásica equilibrada alimentada con una tensión
compuesta u(t) y recorrida por una corriente i(t), con un desfase de M entre u e i:
La potencia aparente en kVA es (en función de los valores eficaces U e I):
S UI 3
La potencia activa en kW: P = S cos M
La potencia reactiva en kvar: Q = S sin M
Con:
S
P 2 Q2
En las bornas de una carga no lineal
La expresión matemática de P es más compleja, dado que U e I contienen
armónicos. Entonces, se escribe sencillamente:
P = S O (O = factor de potencia)
Considerando que U1 e I1 son las fundamentales defasadas de M1, podemos definir
la potencia aparente, activa y reactiva, correspondiente de la siguiente manera:
S1 U1 I1 3
P1 = S1 cos M1 Q1 = S1 sin M1. La potencia aparente total es:
S
P12 Q12 D2
con D en concepto de potencia deformante debida a los armónicos.
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cap. 5 - pág. 48
Armónicos y UPS
Tasa global de distorsión en tensión aguas arriba de un
UPS
Influencia de la impedancia de la fuente en la THDU aguas arriba
Debido a su rectificador-cargador, el UPS es una carga no lineal que genera
corrientes armónicas aguas arriba. Analicemos su relación con la tensión aguas
arriba.
La fuente de tensión sinusoidal (transformador, grupo electrógeno,…) con frecuencia
f, situada aguas arriba del UPS, proporciona una impedancia de salida Zs.
Dicha impedancia es una función Zs (Z) de la pulsación Z = 2 S f, pues la ley de
Ohm la vincula a la impedancia LZ de las selfs y a la 1/CZ de los condensadores.
Para cada rango armónico correspondiente a una función sinusoidal señalamos:
Zsn (nZ) la impedancia de salida de la fuente para el armónico de rango n, función
de la pulsación nZ,
Zs1 (Z) la impedancia de fuente para la fundamental, función de la pulsación Z.
Aplicando la ley de Ohm, podemos calcular para cada armónico de corriente
(sinusoidal) la tensión armónica correspondiente.
Sin embargo, hay que tener presente que, en la tasa global, no existe
correspondencia lineal entre la tensión y la corriente. Dicha correspondencia sólo se
da para las corrientes armónicas sinusoidales, mientras que en la tasa global
interviene una corriente periódica de la forma que sea.
Si IHn es el valor eficaz del armónico n y IH1 el de la fundamental, entonces:
UHn = Zsn(nZ) x IHn
UH1 = Zs1(Z) x IH1,
con UHn como valor eficaz de la tensión armónica de rango n, y UH1 como valor
eficaz de la tensión fundamental.
La tasa global de distorsión en tensión THDU% es:
) Así, el valor de la tasa global de distorsión en tensión en la barra colectora aguas
arriba del UPS depende de la impedancia de la fuente en las distintas frecuencias
armónicas. Cuanto más elevada sea dicha impedancia, mayor será la tasa global de
distorsión en tensión de una corriente determinada en la entrada del rectificador.
En la práctica, la impedancia de la fuente se manifiesta en la forma de su tensión de
cortocircuito Uccx, es decir, según el caso:
la tensión de cortocircuito para un transformador,
la reactancia subtransitoria para un alternador (X"d).
Influencia de la potencia de las fuentes
Tres son los parámetros que influyen en la tasa global de distorsión en tensión: la
impedancia de la fuente, la potencia de la fuente y la potencia del rectificador. Se
relacionan mediante la fórmula siguiente:
P
U' ccx( %) Uccx(% ) x redresseur
Psource
Uccx: tensión de cortocircuito del transformador o reactancia subtransitoria X"d
del alternador del grupo electrógeno en cuestión
U’ccx: tensión de cortocircuito de la fuente llevada a la del rectificador
Pfuente, potencia nominal de la fuente en kVA
Prectificador, potencia nominal del rectificador del UPS, en kVA
(para mayor información, ver el Boletín Técnico n°160 de Merlin Gerin).
Aplicando esta relación y utilizando el ábaco se puede, si fuera necesario,
comprobar el valor de la THDU aguas arriba.
Ejemplo
Un transformador de 1000 kVA y Ucc = 5% que alimenta un UPS Galaxy de 400
kVA.
Prectificador = P UPS x 1,2 (valor aproximado experimental)
Prectificador = 400 x 1,2 = 480 kVA.
A partir de este valor y con un ábaco se puede calcular la THDU debida a las
corrientes armónicas generadas por el ondulador. El valor obtenido es de un 4,7%.
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cap. 5 - pág. 49
Filtros antiarmónicos
Tipos de filtros
antiarmónicos
Filtro pasivo LC
Filtro LC no compensado
El circuito LC se ajusta (LCZ2 = 1) al rango que debe ser eliminado. Presenta una
impedancia inexistente para el armónico de corriente IH5, el más importante, y una
impedancia baja para el IH7.
Este filtro no es adecuado cuando la instalación cuenta con un grupo electrógeno, a
menos que el grupo admita una corriente capacitiva igual a un 30% de la corriente
del rectificador.
Filtro LC compensado
Comporta una inductancia adicional en paralelo con el condensador, que lo hace
adecuado para las instalaciones con grupo electrógeno. Este dispositivo disminuye
eficazmente la energía capacitiva que debe suministrar el grupo electrógeno en el
arranque en el régimen elegido.
Filtro LC no compensado con contactor
Dispone de un contactor que permite poner en servicio el ramal LC.
Es adecuado para instalaciones con un grupo electrógeno de potencia limitada en
relación con la carga del UPS. El contactor sólo pone en servicio el ramal LC a partir
de un índice de carga del UPS aceptable para el grupo.
Red
Red
C
C
L
UPS
Utilización
no compensado
L
Red
C
UPS
Utilización
compensado
L
UPS
Utilización
no compensado con contactor
Fig. 5.31: Los 3 tipos de filtros LC.
Ventajas
Simple y fiable.
Se puede instalar una vez que el equipo ya ha sido puesto en marcha.
Resultados satisfactorios, especialmente para la frecuencia de ajuste.
En cierta medida, aumenta el factor de potencia en entrada.
Inconvenientes
Limitado en el espectro: eficaz para las frecuencias más próximas a la de ajuste
(elimina H5, una parte de H7, pero poco H11 o H13). La THDI obtenida es d 5%.
Mal adaptado a la evolutividad de la carga: pierde la mitad de su eficacia cuando
el UPS funciona a media carga (la THDI pasa de un 5% a un 10%).
Mal adaptado a las soluciones de UPS en paralelo, pues requiere un filtro por
rectificador.
No es independiente de la fuente: con grupo electrógeno, a veces hay que prever
una versión compensada del filtro, incluso con contactor.
Filtro pasivo doble puente (confinamiento de armónicos)
Esta solución es aplicable a los UPS tanto unitarios como en paralelo. El principio
(ver fig. 5.32) consiste en utilizar un transformador con dos secundarios cuyas
tensiones presentan una diferencia de 30° entre ellas y cada uno de los cuales
alimenta a un rectificador trifásico. De este modo se consigue lo que se denomina
una rectificación dodecafásica. Los rectificadores deben suministrar corrientes
continuas idénticas para que las corrientes alternas que absorben del transformador
secundario tengan el mismo valor.
En estas condiciones, se produce una recombinación de las corrientes armónicas
generadas por cada uno de los rectificadores en el transformador primario. El
desfase elegido permite eliminar los armónicos de rango 6k ± 1 (H5, H7, H17 y
H19), con lo que sólo persisten los armónicos de rango 12 k ± 1 (H11, H13, H23 y
H25). La forma de la corriente obtenida se acerca más a una sinusoide que a la que
se obtiene con un solo rectificador.
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cap. 5 - pág. 50
Filtros antiarmónicos (continuación)
Re d
i31 i21 i11
i32 i22 i12
iR2
iR1
Fig. 5.32: Filtro doble puente y corriente obtenida.
Diferentes versiones
Doble puente con transformador con 2 secundarios.
Doble puente con autotransformador.
Montaje en serie o en paralelo de los rectificadores.
Ventajas
Resultados aceptables, pero inferiores a los del filtro pasivo (THDI d 10%).
Aislamiento galvánico completo en entrada del UPS (versión con transformador).
Inconvenientes
Se debe prever antes de la instalación del equipo.
Complejo (equilibrado de las tensiones, Icc, corrientes de los rectificadores).
Coste elevado (doble rectificador, transformador doble secundario o
autotransformador).
Mal adaptado a la evolutividad de la carga. Su eficacia disminuye a medida que
disminuye el índice de carga (la THDI pasa del 10% a plena carga hasta un 15% a
media carga).
No cumple con las prescripciones de la guía CEI 61000-3-4 (ver cuadro pág. 52)
para los rangos H11 y H13.
Confinamiento de armónicos - phase shifting
Esta solución sólo es aplicable a las instalaciones que cuentan por lo menos dos
UPS en paralelo, con excepción de las instalaciones que pueden funcionar con
redundancia de socorro. En estas condiciones, los UPS en paralelo se reparten la
corriente de carga, y las corrientes absorbidas por cada rectificador presentan una
amplitud idéntica. Al alimentar los rectificadores a través de autotransformadores, se
crean desfases y se produce la consiguiente recombinación de las corrientes
armónicas consumidas por cada uno de los rectificadores (ver fig. 5.33)
El cálculo muestra que los armónicos restantes son de rango 6kp ±1, con p como
número de rectificadores y k como entero natural.
Red
UPS
Red
UPS
Uti lización
UPS
UPS
UPS
U ti l i z a c i ón
Fig. 5.33: Phase shifting con dos y tres UPS en paralelo.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 51
Ventajas
Resultados aceptables, pero que dependen del número de UPS (THDI < 10% con
dos, < 4% con cuatro).
Inconvenientes
Apto únicamente para configuraciones en paralelo.
Coste elevado (autotransformadores).
No evolutivo: la THDI aumenta con el paro de un UPS y el montaje sólo se lleva a
cabo para un número determinado de UPS.
Filtros activos THM, tecnología "Active 12-pulses"
Los filtros THM reaccionan en tiempo real (de manera activa) para eliminar los
armónicos presentes hasta el rango 25. Para ello, se sirven del principio del
compensador activo SineWave (ver cap. 3 pág. 14), del cual estos filtros no son sino
una versión simplificada y mejorada para los UPS Galaxy y Galaxy PW. El THM se
basa en la tecnología "Active 12 pulse" y se compone de un doble puente activo
híbrido:
un puente rectificador compuesto por 6 tiristores para la alimentación del UPS,
un puente con "IGBT" para gestionar la sinusoide de corriente y reducir los
armónicos.
Ventajas
Gran reducción de los armónicos (THDI < 4%).
Nivel de rendimiento constante, sea cual sea el índice de carga del UPS.
Alto nivel de fiabilidad (puentes independientes).
Mejora del factor de potencia O (de 0,95 hasta 0,98) y del factor de desfase (cos
M1) gracias a la compensación del reactivo.
Inconvenientes
El único inconveniente relativo podría haber sido el coste, debido a la electrónica de
potencia. Sin embargo, los avances tecnológicos, la caída de los precios de los
componentes y el perfeccionamiento de los UPS hacen que, a igual potencia, este
tipo de filtro tenga un coste inferior a un filtro de doble puente y, en cambio, unas
prestaciones y posibilidades muy superiores.
Fig. 5.34: Principio de la tecnología "Active 12 pulse"
Filtros activos SineWave y SineWave PCS
SineWave y SineWave PCS son filtros activos utilizados para la compensación de
armónicos de las instalaciones eléctricas nuevas o ya existentes.
SineWave y Sinewave PCS: ver cap.3, pág. 14.
Filtro antiarmónicos homopolares CleanWave
CleanWave es un filtro especial para la compensación de los armónicos
homopolares (de rangos múltiples de 3 impares) que se acumulan en el conductor
neutro de las instalaciones eléctricas nuevas o existentes.
CleanWave: ver cap. 3, pág. 22.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 52
Comparación y conclusión
) Los filtros LC son indicados para las instalaciones unitarias y paralelas. Actúan
con gran eficacia sobre los armónicos de rango 5.
) Los métodos de confinamiento (o recombinación) de armónicos:
- doble puente son indicados para las instalaciones tanto unitarias como paralelas.
Actúan de manera selectiva sobre los armónicos y proporcionan un aislamiento
galvánico en la entrada del rectificador.
- phase shifting sólo es apto para las instalaciones paralelas, exceptuando las
instalaciones en redundancia socorro. Actúan con eficacia contra la mayoría de
armónicos. Pero, a diferencia de los filtros LC y los de doble puente, son
susceptibles de perder rendimiento cuando tienen un funcionamiento degradado:
por ejemplo, en caso de que una o varias cadenas de UPS se hayan parado.
) los filtros activos son la solución más eficaz y la más flexible.
Son los únicos filtros cuyo rendimiento es independiente del índice de carga. Se
trata de una ventaja importante para la evolutividad de las instalaciones, así como
para las configuraciones paralelas, en las que los UPS funcionan a menudo a media
carga o menos.
Comparación: ver cap. 1, pág. 28 "Tabla comparativa".
25 %
THDI
(% )
20 %
15 %
10 %
5%
20 %
1/5 Pn
33 %
1/3 Pn
filtro de do ble pu ente
66 %
2/3 Pn
filtro pasivo LC
10 0 %
Pn
índice de car ga
de l UP S (%)
filtro THM integr ado
Fig. 5.35: Comparativa de las soluciones de filtrado aguas arriba en función del índice de carga
del UPS.
Tabla: ejemplo de rendimiento tipo para UPS Galaxy (a plena carga), extraído de las últimas
certificaciones de nuestros productos más recientes.
Hk
H3
H5
H7
H9
H11
H13
H17
H19
THDI
% H1
Límites de la sin filtro
CEI 61000-3-4
21,6%
10,7%
7,2%
3,8%
3,1%
2,0%
1,2%
1,1%
32%
3,5%
7%
2,7%
2,5%
2,1%
35%
filtro LC
2,4%
1,6%
3,4% (1)
1,5%
1%
0,9%
5%
(1) Valores que no respetan el límite de la guía CEI 61000-3-4.
MGE UPS SYSTEMS
doble
puente
2,8%
1,5%
9,1% (1)
4,7% (1)
1%
0,7%
10%
THM
integrado
2,5%
1,5%
2%
0,5%
1,1%
0,9%
4%
cap. 5 - pág. 53
Cargas no lineales
Comportamiento de los UPS
de tecnología PWM con
cargas no lineales
Importancia de la impedancia de salida del UPS
Diagrama equivalente de la salida de un UPS
Frente a una carga, un UPS se comporta como un perfecto generador de tensión V0
en serie con una impedancia de salida Zs. La figura 5.36 muestra el diagrama
equivalente de la salida del UPS en presencia de una carga.
THDU salida
Zs
V0
UPS
THDU carga
ZL
Vs
I
Vc
Zc
Vc impedancia en las bornas de la carga
Vs impedancia en la salida del UPS
ZL impedancia de línea,
Zc impedancia de carga
Fig. 5.36: Diagrama equivalente de la salida de un UPS.
La salida del UPS equivale a un perfecto
generador de tensión V0 en serie con una
impedancia de salida Zs
Efecto del tipo de carga
Para una carga lineal, se calculan los valores de impedancia Zs, ZL, Zc por
pulsación Z = 2 S f correspondiente a la frecuencia de la red (f = 50 o 60 Hz), y:
V0 = (Zs + ZL + Zc) I
En presencia de una carga no lineal, los armónicos de corriente generados por
dicha carga circulan dentro de estas impedancias. Para la fundamental y cada uno
de los rangos de armónicos, los valores eficaces correspondientes de la tensión y de
la corriente también se relacionan mediante:
- para la fundamental: U1 = (Zs + ZL + Zc) I1
- para cada rango k de armónicos: UK = [Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] IK
Los valores de las impedancias se miden en la frecuencia kf del rango afectado.
La distorsión de la tensión es tanto más pequeña cuanto menores sean también las
tasas individuales de los armónicos de tensión UK / U1.
Dichas tasas dependen de las de los armónicos de corriente IK/ I1 mediante la
relación:
[Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] / (Zs + ZL + Zc).
) Eso significa que, para un espectro de corriente de la carga determinado, las
tasas individuales de tensión y, por consiguiente, la distorsión global (THDU) son
tanto más reducidas cuanto menores sean las frecuencias armónicas de las
impedancias de la fuente y los cables.
Consecuencias en presencia de cargas no lineales
Por lo tanto, para reducir el efecto de las corrientes armónicas (THDU en la salida
del UPS y la entrada de la carga) hay que conseguir en la medida de lo posible:
reducir la impedancia de línea
tener una impedancia de fuente con baja presencia de las distintas frecuencias
armónicas.
) El buen comportamiento de un UPS con una carga no lineal depende de que su
impedancia de salida presente un valor reducido de frecuencias armónicas.
En las siguientes páginas se describen las ventajas que aporta la técnica de
conmutación con ancho de impulsión o PWM frente a esta condición.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 54
Cargas no lineales (continuación)
Recordatorio del principio de funcionamiento del UPS
Conmutación de la tensión continua mediante el inversor y filtrado
Un UPS consta ante todo de un convertidor, denominado inversor, que transforma la
tensión continua entregada por un rectificador o una batería en tensión alterna. Para
un equipo monofásico, por ejemplo, existen dos maneras de llevar a cabo dicha
conversión: montaje con medio puente (fig. 5.37) o montaje con puente (fig. 5.38).
Entonces, se filtra la tensión rectangular obtenida entre A y B para conseguir una
tensión sinusoidal con un índice de distorsión bajo en la salida del equipo.
+E
B
+ E/2
carg a
I1
A
I2
0
+E
+E
I1
I1cerrado
I1 abiert o
I2 abiert o
I2 c errado
T/ 2
T
I4
VA
I3 c errado
I3 abierto
I4 c errado
I1 abiert o
I1 c errado
I2 c errado
+ E/2
I2 abiert o
T/ 2
V AB
+E
T
T/ 2
VB
+E
- E/2
I3
A
I2
I4 abierto
V AB
carg a
0
+E
VA
B
T
-E
En realidad, los interruptores representados aquí para ilustrar el principio son IGBT controlados.
Fig. 5.37: Inversor con medio puente.
Fig. 5.38: Inversor con puente.
En la práctica, los interruptores representados en las figuras 5.37 y 5.38 son IGBT
cuyo tiempo relativo de conducción y bloqueo se puede controlar.
Modulando los tiempos de bloqueo y conducción es posible "repartir" la tensión
durante un período de modo que el tiempo de conducción de un interruptor sea
proporcional al valor instantáneo de una sinusoide de referencia. Es lo que se
conoce como principio de Modulación del Ancho de Impulsión o PWM. Lo hemos
representado de manera voluntariamente simple, para 5 impulsiones, en la figura
5.39. El área de la sinusoide de tensión de salida es igual a la de los intervalos que
han servido para generarla. Estas áreas representan la potencia suministrada por el
UPS a la carga durante un período, esto es
T
³ VIdt .
0
Cuanto mayor sea la frecuencia de conmutación (más elevado el número de
intervalos) mejor será la regulación con respecto a la referencia. Asimismo, la
conmutación disminuye la importancia del filtro interno de salida LC (fig. 5.40).
L
V AB
A
fundamental
t
invers or
C
utilización
B
Fig. 5.39: Tensión de salida del inversor con
5 intervalos por medio período.
MGE UPS SYSTEMS
Fig. 5.40: Filtro de salida de un UPS.
cap. 5 - pág. 55
UPS con conmutación PWM
Conmutación PWM
La modulación del ancho de impulsión o PWM (del inglés Pulse Width Modulation)
es una técnica de conmutación de alta frecuencia (unos cuantos kHz) de la
tensión continua que lleva a cabo el inversor, combinada con una regulación que
modula el ancho de las impulsiones de salida del inversor en función de una
referencia sinusoidal.
Esta técnica se sirve de las prestaciones de los semiconductores IGBT (Insulated
Gate Bipolar Transistor - transistor bipolar de puerta aislada), que permiten controlar
la tensión y aplicar un tiempo de conmutación muy corto. Gracias a una frecuencia
elevada, se puede intervenir y regular con rapidez (ej.: 333 ms a 3 kHz), modificando
los anchos de impulsión durante un mismo período.
) La comparación con la tensión de referencia permite mantener la tensión de
salida del UPS dentro de unos niveles de distorsión muy bajos, incluso con
corrientes muy deformadas.
Diagrama de funcionamiento de un UPS con conmutación PWM
La figura 5.41 presenta el diagrama de funcionamiento de un UPS de este tipo.
La tensión de salida se compara en todo momento con una tensión de referencia
Uref, que es una sinusoide con un índice de distorsión muy bajo (< 1%).
La diferencia de tensión H se compensa mediante un corrector, con funciones de
transferencia C(p), destinado a garantizar que la regulación de la tensión se realiza
de manera estable y eficaz.
En cuanto sale del corrector, la tensión es amplificada por el inversor y su mando
con una ganancia A. La tensión Vm que proporciona el inversor toma forma a través
del filtro LC, para convertirse en la tensión de salida Vs.
En la práctica, hay que tener en cuenta la impedancia del transformador de salida,
cuando está presente, para conseguir la inductancia L total. Es habitual que la
inductancia esté integrada en el transformador, razón por la cual no aparece en los
esquemas de funcionamiento.
Vre f
+
H
-
Sin usoid e
de re fe ren cia
(di stor sió n
<1%)
C(p)
A
Vm
L
Vs
Zc
C
Fig. 5.41: Diagrama de funcionamiento de un UPS con el sistema de conmutación PWM.
Impedancia de salida de un UPS con conmutación PWM
El conjunto de inversor + filtro visto arriba se puede representar con la forma de una
impedancia serie Z1 y una impedancia paralela Z2. (fig. 5.42, izquierda).
Se puede modificar este diagrama para que aparezca la impedancia de salida Zs.
El diagrama equivalente (fig. 5.42, derecha) sería el siguiente:
Z2
V'm = tensión calculada en vacío, o sea: V'm = Vm
Z1 Z 2
Zs = impedancia calculada en la salida, cortocircuitando V'm, o sea: Zs =
Z1 Z 2
Z1 Z 2
Fig. 5.42: Diagrama equivalente de un inversor visto desde el lado de la salida.
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cap. 5 - pág. 56
Z2
es la función de transferencia del filtro, expresada como H(p).
Z1 Z 2
Para simplificar la escritura, se sustituye el producto C(p) x A por P(p), que
representa la función de transferencia de la cadena de acción.
Entonces, se puede reemplazar el diagrama de la fig. 5.41 por el diagrama de
funcionamiento modificado de la fig. 5.43.
La relación
Vref
+
H
-
P( p)
H(p)
Zs
Zc
Fig. 5.43: Diagrama de funcionamiento modificado de un UPS dotado con la técnica de
conmutación PWM, que regula la tensión de salida modulando la frecuencia de conmutación.
Se puede demostrar que, en este caso, la impedancia Zs de salida del UPS vale:
Z1
Z' s |
P (p)
(para ver el cálculo detallado, consultar el Dossier Técnico Scheider Electric n°159).
Así, en la banda pasante de la regulación, la impedancia de salida del UPS es igual
a la impedancia de serie del filtro dividida por el margen ganado por la cadena de
acción. Como, en la banda pasante de la regulación, este margen es importante, la
impedancia de salida se reduce considerablemente en comparación con la Z1 de un
UPS sin este tipo de regulación.
Más allá de la banda pasante de la regulación, la impedancia de salida del UPS es
la del filtro, pero se mantiene baja, pues corresponde a la impedancia de un
condensador de frecuencia elevada.
De ahí que la impedancia de salida varíe en función de la frecuencia (fig. 5.44).
) La técnica de modulación del ancho de impulsión (PWM) con frecuencia libre
permite limitar notablemente la impedancia de salida.
Comparación de distintas
fuentes
Impedancia de salida de distintas fuentes
Las curvas de la figura 5.44 ilustran cómo evoluciona la impedancia de salida de
distintas fuentes de idéntica potencia en función de la frecuencia alterna aplicada; su
evolución se cuantifica en % de la impedancia de carga Zc.
Transformadores y alternadores: se obtienen unas rectas que corresponden al
efecto de la inductancia L (término dominante en la reactancia en relación con la
resistencia, que crece linealmente en función de la pulsación y, por consiguiente, de
la frecuencia).
UPS con sistema de conmutación PWM y frecuencia de conmutación modulada:
en todas las frecuencias armónicas, la relación Zs/Zc es:
- inferior a lo que se produce en las otras fuentes,
- baja y casi constante.
Conclusión
El UPS PWM es de lejos la fuente con una impedancia de salida más baja en
presencia de armónicos. Es el mejor generador del mercado con diferencia por
cuanto se refiere a su capacidad para minimizar la distorsión de tensión debida a las
cargas no lineales. Es entre 5 y 6 veces mejor que un transformador con la misma
potencia.
) Los UPS con IGBT y conmutación PWM de frecuencia modulada actúan como los
mejores generadores de tensión sinusoidal, independientemente de la forma de la
corriente absorbida por la carga.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 57
Zs
Zc
150
relación entre la impedanc ia de
salida y la impedancia de carga
100
alternador X"d = 12 %
50
transformador Uc cx = 4 %
U PS c on PWM de
frecuencia modulada
de MGE UPS SYSTEMS
0
0
3 % máximo
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
f
15
ran g o de arm ón ic os
Fig. 5.44: Impedancia de salida de distintas fuentes en función de la frecuencia.
Conmutación de frecuencia
libre
Conmutación de frecuencia libre
La frecuencia libre es una mejora de la técnica PWM.
De hecho, la conmutación PWM se puede efectuar según dos técnicas distintas (fig.
5.45).
Conmutación de frecuencia fija
Los frentes de conmutación aparecen con un intervalo regular fijo que se
corresponde con la frecuencia de conmutación a lo largo de un período.
El ancho de las impulsiones (intervalo de conmutación) se puede modular para
ajustarlo a la referencia dentro de este intervalo de tiempo fijo.
Las dos sinusoides representadas en el esquema corresponden al margen de
tolerancia (< 1%) alrededor de la sinusoide de referencia.
Conmutación de frecuencia libre
La aparición de los frentes de conmutación no está determinada por un intervalo fijo.
La conmutación se adapta a las necesidades de la regulación, es decir, a la
variación más o menos rápida de la referencia. El ancho de los frentes de
conmutación es tanto más pequeño (y la frecuencia de conmutación más alta)
cuanto más rápida sea la variación de la sinusoide de referencia, y disminuye si la
variación es más lenta. Por lo general, la frecuencia media de conmutación es la
misma que con el modo de frecuencia fija (alrededor de 3 kHz). Pero se consigue
una mejor regulación, porque la conmutación es más importante en las zonas de
grandes variaciones (fig. 5.46).
Puede llegar a ser de 8 conmutaciones por milisegundo, lo que representa un
tiempo de regulación de hasta 125 ms (frente a unos 300 ms en el caso de una
frecuencia fija).
) La frecuencia libre incrementa la precisión de regulación de la tensión de los UPS
con sistema PWM en comparación con la frecuencia fija.
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cap. 5 - pág. 58
Modu lación
t
La frecuencia de conmutación es fija.
La modulación se produce dentro de
intervalos de una duración fija
independientemente de la importancia de la
variación de la referencia.
Frecuencia fija
t
La frecuencia de conmutación libre es más
común en las zonas con fuertes variaciones.
La modulación se produce en intervalos tanto
más cortos cuanto más rápida sea la variación
de la referencia.
Frecuencia libre
Fig. 5.45: Conmutación PWM con regulación de frecuencia fija y de frecuencia libre
Fig. 5.46: Regulación mediante conmutación de frecuencia libre.
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cap. 5 - pág. 59
Rectificadores PFC
Rectificadores clásicos y rectificadores PFC
Los UPS toman la energía de la red alterna a través de un rectificador/cargador.
Para la red aguas arriba, constituye una carga no lineal que genera armónicos.
Desde este punto de vista, existen dos tipos de rectificadores.
Rectificadores convencionales
Se trata de rectificadores trifásicos con tiristores que aplican un montaje en puente
hexafásico y llevan a cabo una conmutación clásica de la corriente.
Este tipo de puente genera corrientes armónicas de rango n = 6 k r 1, (k enteros),
principalmente H5 y H7, y en menor medida H11 y H13.
Para el control de los armónicos se utilizan filtros.
Rectificadores "seguros" PFC (Power Factor Correction)
Se trata de rectificadores constituidos por IGBT integrados y un sistema de
regulación que controla la tensión y la corriente de entrada con relación a una
referencia sinusoidal. Esta técnica proporciona una tensión y una corriente de
entrada:
perfectamente sinusoidales, exentas, pues, de armónicos
sincronizadas, es decir, con un factor de potencia de entrada cercano a 1.
En este caso no es preciso filtro alguno.
Los rectificadores seguros PFC
Principio
El principio de los rectificadores PFC consiste en forzar la corriente tomada para
convertirla en sinusoidal. Para ello, aplican la técnica de conmutación PWM que se
describe en las páginas anteriores.
El principio es el de un convertidor que funciona como "fuente de tensión" (fig. 5.47)
(el principio del convertidor en calidad de "fuente de corriente" es el del filtro activo
SineWave).
De cara a la red, el convertidor se comporta como una fuerza contraelectromotriz, un
"generador de tensión sinusoide", y la corriente sinusoidal se obtiene intercalando
una inductancia entre la fuente y la tensión.
Aunque existan otras cargas lineales que aumenten el índice de distorsión de la
tensión de la red, se puede llevar a cabo la regulación que permite obtener una
corriente sinusoidal.
La frecuencia de las corrientes armónicas residuales, muy débiles, es la de la
modulación y sus múltiples. La frecuencia depende de las posibilidades de los
semiconductores utilizados.
IL
Red
Con ve rtidor
L
Carga
<=>
Red
fce m
e
Man do
Fig. 5.47: Principio del convertidor seguro "generador de tensión".
Instalación
Rectificador monofásico
La figura 5.48 ilustra el funcionamiento de un rectificador monofásico.
Para lograr modular la tensión, ésta es sometida a un control con el fin de mantener
la corriente lo más cerca de la sinusoide de tensión deseada.
El transistor T y el diodo D constituyen el modulador de la tensión. Así, la tensión u
pasa de 0 a Vs según sea el estado del transistor T, abierto o bloqueado.
Cuando el transistor T está abierto, la corriente en la inductancia L no puede sino
aumentar, ya que la tensión es positiva y u = 0.
Por lo tanto, tenemos:
di e
>0
dt L
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cap. 5 - pág. 60
Rectificadores PFC (continuación)
Cuando el transistor T está bloqueado, la corriente en la inductancia L disminuye,
siempre y cuando Vs sea superior a V, por lo que:
di e Vs
>0
dt
L
Esta condición requiere que la tensión Vs sea superior a la tensión de cresta de V,
es decir, el valor eficaz de la tensión alterna multiplicado por 2
Si se cumple esta condición, es posible aumentar o disminuir en cualquier momento
la corriente en L. Controlando los tiempos respectivos de conducción y bloqueado
del transistor T, es posible forzar la evolución temporal de la corriente en L. La figura
5.49 muestra cómo evoluciona la corriente IL en relación con un valor de referencia.
iL
L
i1
Red
e
D
T
v
i
u
Vs
Con tro l I L, Vs
Para la fuente, el convertidor debe
comportarse como una resistencia, haciendo
que la corriente i sea sinusoidal y esté en fase
con e (cos M = 1).
Mediante una orden del transistor T, la
regulación obliga a IL a seguir una consigna
de corriente de tipo sinusoidal rectificada con
doble alternancia. Gracias a ello, i tiene
inevitablemente una forma sinusoidal y está
en fase con e.
Además, para mantener la tensión Vs en su
valor nominal de salida, la regulación actúa
también sobre el valor medio de IL.
Fig. 5.48: Esquema de funcionamiento del rectificador seguro monofásico de corriente
sinusoidal.
u
iL
Refere ncia
iL
Fig. 5.49: Evolución de la corriente IL comparada con la referencia.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 61
Rectificadores PFC (continuación)
Rectificador trifásico
El montaje básico es el de la figura 5.50. Se asemeja al que muestra la figura 5.48,
donde la self está situada aguas arriba de los rectificadores; tienen el mismo
principio de funcionamiento. El sistema de control dirige cada ramal de potencia y
fuerza la corriente absorbida en cada fase a seguir una consigna sinusoidal.
Red
IL
Vs
Fig. 5.50: Esquema de funcionamiento del rectificador seguro trifásico de corriente sinusoidal.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 5 - pág. 62
Capítulo 7: Índice, glosario, bibliografía
Sumario
Índice temático ................................................................ 7-2
Glosario ........................................................................... 7-6
Bibliografía ...................................................................... 7-18
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 1
Índice
Las referencias a los temas aquí indicados se presentan de la siguiente manera:
número de capítulo - página (ej.: 5-22 remite al cap. 5. pág. 22).
A
Activo de 12 pulsos (tecnología de filtro activo THM) 5-52
Almacenamiento de la energía (tecnologías de) 1-45
Alternador
Asociación con filtro LC 1-26
Desclasificación con carga capacitiva 1-26
B
Batería
Autonomía 5-19, 5-39
Capacidad 5-18
Climatización 1,51
Corriente máxima ofrecida 5-19
Elección 1-46
Gestión de la batería 1-38 5-40
Instalación (modos de) 5-38
Limitaciones 5-39
Local para baterías 1-52
Modos de instalación 5-38
Principales parámetros 5-39
Recarga
Modo 5-39
Tiempo 5-19
Regímenes de funcionamiento 5-18
Supervisión 1-47
Temperatura monitoring 5-40
Tensión de floating 5-18
Tensión nominal 5-18
Tiempo de recarga asignado 5-19
Tipos de baterías 1-46, 5-38
Ventilación, climatización 1,51
Vida útil 5-18, 5-39
Battery monitoring
B1000 5-40
Cellwatch 5-40
Digibat 5-40
By-pass estático 1,15, 5-15
By-pass de mantenimiento 1,15, 5-15
C
Cables 1-43
Cargas, corriente de conexión 5-43
Cargas lineales 1-11, 3-2
Cargas no lineales
Calidad de la tensión de un UPS con 1-11
Comportamiento de los UPS con 5-54
Origen 3-3, 5-44
Cargas sensibles (alimentación de las) 5-3
CEM 5-31
Compensación armónica de las instalaciones 3-1
Compensadores activos de armónicos SineWave 3-14
Comunicación de los UPS 5-26
Conexiones 1-43
Configuraciones de UPS 2-2
Contactos directos (protección contra los) 1-30
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 2
Índice (continuación)
D
Disponibilidad 1-13
Distorsión armónica
Valores relativos a los armónicos 5-46
Disyuntor
Características 1-35
Interruptores 1-35
Elección 1-38
Filiación 1-37
Limitación 1-37
Selectividad 1-37
E
ECO (modo) 5-20
Energía (perturbaciones de la) 1-9, 5-3
F
Factor de cresta 3-5
Factor de potencia 1-18, 3-4, 5-48
Fiabilidad 1-42
Filtrado de armónicos
Objetivos 1-25
Filtros anti-armónicos
Cuadro comparativo de las soluciones 1-28
Elección 1-27
Tipos de filtros 5-50
Frecuencia libre (conmutación MLI de) 5.58
G
Grupo electrógeno 5-41
H
Armónicos
Compensación armónica 3-11
Consecuencias de los 5-44
Efectos de los 3-7
Homopolares 3-3
Normas 5-33
Origen 3-2, 5-44
I
IGBT 5-48
IHM 1-49
Impedancia de salida de un UPS 5-54, 5-57
Interfaces de comunicación de los UPS 5-29
Inversor 5-55
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 3
M
Modo ECO 5-23
Motor, conexión 5-43
MTBF 1-13
MTTR 1-13
N
Normas (lista de) 5-34
Normas relativas a los UPS 5-33
O
Ondulador 5-19
P
Paralelo (UPS en) 2-2
Perturbaciones, diferentes categorías 5-3
PFC 1-24, 5-60
Phase shifting 5-51
Potencia
cálculo de la 1-17
de un UPS 1-17, 5-19
en régimen permanente 5-20
en régimen transitorio 5-21
Principales parámetros de una instalación con UPS 1-7
Protecciones de un UPS
ejemplo de cálculo 1-39
elección 1-38
Protocolos de comunicación
HTTP 5-30
JBus 5-29
RS232 5-29
RS485 5-29
SNMP 5-30
XML 5-30
Puntas de corriente de conexión de las cargas 5,43
R
Reactancia subtransitoria 5 -42, 5-57
Rectificador-cargador 5-17
Rectificador PFC 1-24, 5-60
Red 1 y red 2 5-9, 5-14, 5-17
Red de socorro 5-9
Red fuente 5-9
Redundancia 2-4, 5-24
Esquemas de Conexión a Tierra 1-30
Regímenes transitorios de las cargas 5-43
Rendimiento de un UPS 1-18, 5-20
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 4
S
Selectividad 1-37
Sobrecargas
Protección mediante disyuntores contra las 1-35
soportadas por el UPS 1-19
T
Tensión de salida de un UPS
Calidad de la tensión con cargas no lineales 1-11
Tensión de salida 5-20
THDI 1-12, 5-46
THDU 1-12, 5-49
THM (filtro tipo) 1-28, 5-52
Tolerancia a averías 1-15
Transformadores, conexión 5-43
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 5
U
UPS
Aplicaciones de los 5-6
By-pass
Estático 5-15
Mantenimiento (by-pass manual de) 5-15
Modo (de funcionamiento con) 5-23
Características de los constituyentes 5-17
Componentes 5-15
Comunicación 5-26
Configuración
Ejemplos de configuración 2-1
Elección de la configuración 2-5
Tipos de configuración 2-2, 5-24
Constitución 5-4
Constitución y funcionamiento 5-14
Constituyentes 5-14,
Corriente nominal 5-19
Doble conversión (tipo de UPS) 5-12
Espera pasiva / passive stand-by (tipo de UPS) 5-9
Esquema de síntesis 5-22
Esquema general 5-14
Estático o rotativo 5-7
Funcionamiento 5-23
Ingeniería civil 1-49
Interacción con la red / line-interactive (tipo de UPS con) 5-10
Modos de funcionamiento 5-23
Modo autonomía 5-23
Modo by-pass 5-23
Modo mantenimiento 5-24
Modo normal 5-23
Normalización 5-9
Normas 5-33
Potencia
Activa de salida 1-17, 5-19
Aparente con cualquier factor de potencia 1-20
Cálculo (de la) 1-17
Nominal 1-17, 1-20, 5-19
Principales aplicaciones 5-6
Principales parámetros de una instalación 1-17
Puesta en paralelo 2-2, 5-24
Modular multi by-pass (con UPS) 2-3
Normal/Socorro centralizado (con) 2-3, 5-24
Redundancia activa (con) 2-4, 5-24
Sin redundancia 2-4
Rectificador-cargador 5-17
Rectificador PFC 5-60
Redundancia 2-4, 5-24
Rendimiento 1-18, 5-20
Tipos de UPS estáticos que funcionan en
Doble conversión 5-12
Espera pasiva (passive stand-by) 5-9
Upsilon STS, presentación y características 4-66
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 6
Glosario
Activo 12-pulsos
Tecnología de filtro activo compuesto por un doble puente híbrido:
un puente rectificador compuesto por 6 tiristores y destinado a la alimentación del
UPS,
un puente con "IGBT", destinado al control de la sinusoide de corriente y a la
reducción de los armónicos.
ANSI
(American National Standards Institute)
Organismo americano encargado de la normalización. Tradicionalmente, en su labor
cuenta con la ayuda de sociedades científicas como el IEEE (Institut of Electronics
and Electrical Engineers).
Armónico
Término sinusoidal de la descomposición en serie de Fourier de una función
periódica.
El armónico (o componente armónica) de rango n se caracteriza por:
Hn( t ) Hn 2 sin(nZt Mn)
Hn es el valor eficaz de la componente armónica en cuestión
Z es la pulsación del fundamental, vinculada a la frecuencia del mismo por Z = 2Sf
Mn es el defasaje de la componente armónica en cuestión con t = 0.
Armónicos de corriente, de tensión
Toda corriente periódica de frecuencia f que no sea sinusoidal está compuesta por
un conjunto de corrientes sinusoidales (ver Fourier): un fundamental (con frecuencia
f) y armónicos de distintas frecuencias nf (n entero). A cada armónico de corriente le
corresponde un armónico de tensión. Sus valores instantáneos y eficaces, ambos
términos sinusoidales, están relacionados por la ley de Ohm.
Considerando que Zsn es la impedancia de salida de la fuente de tensión con la
frecuencia nf (pulsación nZ), se obtiene la siguiente fórmula: Un = Zsn x In. Así, a
cada armónico de corriente le corresponde un armónico de tensión que depende de
la impedancia de salida de la fuente con la frecuencia correspondiente.
Autonomía
Es el tiempo durante el cual un UPS puede alimentar, en las condiciones nominales,
las cargas aguas abajo en ausencia de la red. Este tiempo está determinado por la
batería. Las autonomías estándar suelen ser de 6, 8, 10, 15, o
30 minutos.
Batería de recombinación
Batería de acumuladores en la que los elementos presentan un índice de
recombinación de los gases por lo menos igual a un 95%. Debido a ello, la batería
no necesita adición de agua durante la explotación y también recibe el nombre de
batería "sin mantenimiento".
Battery Supervisor
Sistema de supervisión de las baterías que completa el sistema de gestión integrada
en los UPS de MGE UPS SYSTEMS. Se encarga de la supervisión permanente de
cada bloque de 12 V así como de controlar la temperatura de la sala.
Carga lineal
Carga cuya corriente absorbida y tensión en sus bornes tienen la misma forma
(composición armónica). Si la tensión es sinusoidal, la corriente también lo será,
pudiendo tener ésta un ángulo de desfase (M), (carga inductiva y/o capacitiva),
respecto de la tensión.
En este caso, cos M es la relación entre la potencia activa (P en kW) y la potencia
aparente (S en kVA).
Ejemplo de cargas lineales: resistencia de la iluminación, motores, transformadores.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 7
Glosario (continuación)
Carga no lineal
Carga en la que la corriente de entrada es periódica pero no sinusoidal y comporta
componentes armónicos. Eso provoca que la tensión de entrada también sea
deformada por los armónicos. Las cargas no lineales suelen incorporar elementos
electrónicos activos que hacen variar la impedancia de la carga durante cada
período. La ley de Ohm se aplica a los valores instantáneos pero con una
impedancia equivalente de la carga variable. En cambio, no existe ninguna ley
sencilla para los valores eficaces, como en el caso de las cargas lineales.
Ejemplo de cargas no lineales: alimentación por conmutación informática,
rectificadores con puentes de tiristores, variadores de velocidad, iluminación
fluorescente.
Cargador
Dispositivo (asociado a un rectificador) que suministra energía eléctrica (corriente
continua) a la batería con el fin de reponer o mantener la disponibilidad en energía
electrolítica de la batería.
CleanSource TM
Solución de almacenamiento de energía concebida por MGE UPS SYSTEMS, con
volante de inercia y una elevada velocidad de rotación (7000 tr/min).
Comet EXtreme
Gama de sistemas de alimentación ininterrumpida de MGE UPS SYSTEMS
destinada a las bajas potencias (4,5 a 12 kVA).
Comet S31TM
Gama de sistemas de alimentación ininterrumpida de MGE UPS SYSTEMS
destinada a las potencias medias (5 a 20 kVA).
Compatibilidad electromagnética (CEM)
Determina la posibilidad de que un sistema pueda funcionar con normalidad y en
armonía con otros sistemas implantados en un mismo lugar, teniendo en cuenta las
perturbaciones que generan y la susceptibilidad a las perturbaciones recíprocas.
Compensador activo de armónicos
Los compensadores activos de armónicos (CAA) se emplean para eliminar las
corrientes armónicas que circulan dentro de una instalación eléctrica, limitando así la
tasa de distorsión en tensión (THDU) y en corriente (THDI) a un porcentaje
determinado. El compensador activo analiza permanentemente las corrientes
armónicas que consume la carga e inyecta en tiempo real corrientes armónicas de
idéntico valor y con la fase adecuada. De este modo, la corriente suministrada por la
red se mantiene prácticamente sinusoidal sean cuales sean las condiciones de
funcionamiento.
El compensador se ajusta automáticamente y permite tratar todo el espectro de
armónicos BF (de H2 a H25, ambos incluidos). Los compensadores activos de
armónicos también se denominan filtros activos.
Condensador de alta capacidad
Condensador electrolítico de doble capa, constituido por dos electrodos porosos de
metal-carbono sumergidos en un electrolito no acuoso.
Esta tecnología permite alcanzar capacidades muy elevadas (> 1 Farads).
Contactor estático
Dispositivo de electrónica de potencia que permite el basculamiento sin interrupción
de una fuente de alimentación a otra (en el caso del UPS, el paso de la red normal a
la red de socorro del by-pass y viceversa). La ausencia de piezas mecánicas y las
posibilidades de conmutación ultra rápida de los componentes electrónicos hacen
posible el traspaso sin interrupción.
Corriente de arranque
Corriente que circula por una red cuando se ponen en marcha los equipos
eléctricos. Normalmente, estas corrientes transitorias se deben a los circuitos
magnéticos de los equipos en cuestión. Su efecto se mide por el valor de cresta
máximo y la intensidad eficaz que generan mientras duran.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 8
Cos M
Defasaje entre las ondas sinusoidales de corriente y de tensión que se produce en
los bornes de una carga lineal.
Cos M1
Defasaje entre las ondas sinusoidales de corriente y de tensión fundamentales (es
decir, los armónicos de rango 1 a la frecuencia de la red) que se produce en los
bornes de una carga no lineal.
Disponibilidad
(ver Índice de disponibilidad de una instalación eléctrica)
Disyuntor de batería
Disyuntor de corriente continua que protege el circuito de batería de un UPS.
DSP
Los Digital Signal Processors – procesadores de tratamiento de señal – son
microprocesadores especializados en tareas sencillas pero que deben ejecutarse
con mucha rapidez. Se distinguen de los microprocesadores de uso general porque
tienen una potencia muy superior para los cálculos en tiempo real. Suelen ser
programables. En el caso de los UPS, se utilizan por ejemplo en el Battery Monitor.
ECO (modo)
El modo ECO, parametrable según las necesidades del usuario, permite aumentar el
rendimiento de las instalaciones hasta un 97% en la gama Galaxy PW.
EN (European Normalisation)
Sigla distintiva de las Normas Europeas, que emite el CENELEC.
Una vez adoptadas por los países miembros, estas normas son de aplicación
obligatoria y sustituyen a las normas nacionales.
Ethernet
Estándar internacional de red de comunicación digital entre equipos, conforme al
modelo de 7 capas OSI (Open Systems Interconnection) de la ISO (International
Standard Organisation).
alta velocidad de transmisión (10 Mbits/s),
topología: BUS,
medio: cable coaxial blindado,
protocolo de acceso al medio CSMA/CD (varía cuando se detecta una colisión) de
acuerdo con la norma IEEE 802.3.
Las gamas de MGE UPS SYSTEMS incluyen de serie una interfaz de comunicación
con Ethernet.
Factor de cresta Fc
Es la relación entre el valor de cresta de una corriente y su valor eficaz.
I crête
Fc
Iefficace
Factor de deformación (Q)
Factor que mide la influencia de los armónicos sobre el factor de potencia en los
bornes de una carga alimentada por una fuente de corriente alterna.
O
Q
cos M1
O: factor de potencia
cos M1: cosino phi del fundamental.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 9
Factor de potencia (O)
Es la relación entre la potencia activa P (kW) suministrada a una carga y la potencia
aparente S (kVA) suministrada a esta misma carga por una fuente de corriente
alterna.
P
O
S
Fiabilidad
Probabilidad de que un sistema pueda cumplir una función concreta en las
condiciones establecidas y durante un intervalo de tiempo determinado.
Filtro activo THM
Filtro activo derivado de la tecnología SineWave y optimizado para su utilización con
los UPS de MGE UPS SYSTEMS.
Filtro con defase de cargadores (phase shifting)
Filtro que permite reducir, en caso necesario, la tasa de distorsión global de la
tensión debido a los armónicos de corriente reinyectados aguas arriba de un UPS
por su rectificador-cargador. Ofrece mejores resultados que un filtro clásico de tipo
L, C.
Floating (corriente de)
Corriente continua de mantenimiento de la batería que permite que ésta
permanezca totalmente cargada y que corresponde a la tensión de floating. Esta
corriente compensa las pérdidas en circuito abierto.
Floating (tensión de)
Tensión continua aplicada a la batería con el fin de mantenerla cargada. Varía
dependiendo del tipo de batería, el número de elementos y las instrucciones del
fabricante.
Fourier (Teorema de)
Teorema según el cual toda función periódica (de frecuencia f) no sinusoidal puede
ser representado mediante una suma de términos (serie) compuesta de:
un término sinusoidal de frecuencia f, denominado fundamental
términos sinusoidales cuyas frecuencias son múltiples enteros de la frecuencia
del fundamental, y que constituyen los armónicos
una eventual componente continua.
El desarrollo se expresa con n entero:
Y( t ) Y 0 f
¦Y
n
n 1
2 sin(nZt Mn)
n = 1 corresponde al fundamental
n > 1 corresponde al armónico de rango n.
Frecuencia libre (modulación de)
Sistema de modulación cuya frecuencia aumenta o disminuye según la importancia
o la reducción de las variaciones del valor de referencia. A diferencia de una
modulación de frecuencia fija, este sistema incrementa la regulación en las zonas
con fuertes variaciones y la disminuye en aquellas con pequeñas variaciones. Se
consigue así mejorar la regulación con relación a la referencia.
Galaxy 6000
Gama de sistemas de alimentación ininterrumpida de MGE UPS SYSTEMS indicada
para las altas potencias (de 80 kVA a 800 kVA) que permite configurar equipos de
hasta 4800 kVA.
Galaxy PW
para las potencias medias (de 30 a 80 kVA) que permite poner hasta 4 unidades en
paralelo (320 kVA máx.).
Galaxy 1000 PW
Gama derivada de Galaxy PW, para aplicaciones tri/mono.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 10
Galaxy 3000
para las potencias medias (de 40 kVA a 120 kVA) que permite configurar equipos de
hasta 480 kVA.
Galaxy 5000
para las potencias medias (de 10 kVA a 30 kVA) que permite configurar equipos de
hasta 120 kVA.
GTC (Gestión Técnica Centralizada)
Sistema compuesto básicamente por captadores/accionadores y autómatas
conectados a un ordenador central (o varios ordenadores dispersados), equipado
con un software que permite el control y el mando de todos los equipos técnicos de
una instalación.
HTML
HyperText Markup Language: lenguaje utilizado para describir y presentar páginas
en Internet.
HTTP
HyperText Transfer Protocol: protocolo básico de Internet que indica a los servidores
lo que deben enviar al cliente que realiza una solicitud.
IEEE
Institut of Electrical and Electronic Engineers. Asiste al ANSI (American Standard
Organisation) en la definición de las normas sobre el material eléctrico y electrónico.
IGBT
El Insulated Gate Bipolar Transistor - transistor bipolar de puerta aislada es un transistor bipolar controlado por un transistor MOS que presenta las ventajas
de un control de la tensión y un tiempo de conmutación muy corto (300 ns) para
niveles de potencia similares a los del transistor bipolar. Permite simplificar los
esquemas y reducir el número de componentes de los UPS, ofreciendo una gran
fiabilidad y seguridad de funcionamiento.
IK
Grado de protección contra los choques mecánicos, definido por el proyecto de
norma europea EN 50102. El código IK consta de 11 valores posibles, de IK01 a
IK10, que corresponden a distintos niveles de energía expresados en Joules. Es
complementario del código IP.
Impedancia de fuente
Cabe la posibilidad de que una carga esté alimentada por un generador de tensión
Uo perfecto, en serie con una impedancia interna Zs:
Uo es la tensión medida en los bornes de la carga, suponiendo que ésta última
haya sido suprimida (bornes de la carga en circuito abierto)
Zs es la impedancia de fuente, es decir, la impedancia equivalente considerada
desde los bornes de la carga, siempre suponiendo que ésta esté en circuito abierto.
Se obtiene cortocircuitando el generador o los generadores de tensión aguas arriba.
Índice de carga
Es la relación Su (kVA) / Sn (kVA) entre la potencia aparente Su de la utilización y la
potencia nominal Sn de un UPS.
Índice de disponibilidad de una instalación eléctrica
Expresa la probabilidad de que una instalación sea apta para suministrar una
energía de calidad adecuada para los equipos que alimenta.
MTTR
) x 100
Disponibilidad (%) = (1
MTBF
En la práctica, cuanto menor sea el MTTR (reparación rápida) y mayor sea el MTBF
(funcionamiento sin fallo), más elevada será la disponibilidad.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 11
Instalación de seguridad
Instalación que alimenta equipos eléctricos cuyo funcionamiento puede repercutir
directamente en la seguridad de los usuarios de determinado programa, y por tanto
debe ser garantizado en caso de fallo de red. Por lo general, las condiciones de
alimentación y de basculamiento de dichos equipos hacia una fuente de socorro
están reguladas por una serie de disposiciones reglamentarias.
Internet
Conjunto de redes digitales interconectadas a escala planetaria que se comunican
mediante el TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol).
Inversor
Subunidad del ondulador de un UPS que genera una tensión alterna en forma de
señales rectangulares a partir de la tensión continua suministrada por el rectificadorcargador o la batería.
IP (International Protection)
Grado de protección atribuido a un material eléctrico para definir su resistencia a las
condiciones del entorno. Se compone de dos cifras (por ejemplo: IP 20) definidas
por la norma CEI 529 y revisadas por la norma EN60529, cada una de las cuales
corresponde a una capacidad de protección mayor o menor frente a un riesgo
generado por el entorno.
1ª cifra (de 0 a 6): capacidad de protección contra la penetración de los sólidos.
2ª cifra (de 0 a 7): capacidad de protección contra la penetración de los líquidos.
Letra adicional (de A a D): protección de las personas.
El código IP se puede completar con una letra adicional (de A a D) si la protección
de las personas en las partes expuestas al peligro es mejor que la indicada por la
primera cifra según la escala siguiente: A: protección contra el acceso al dorso de la
mano, B: del dedo, C: herramienta I 2,5 mm, D: herramienta I 1 mm. Cuando sólo
interesa indicar la protección de las personas, las dos cifras del IP se sustituyen por
X (ex: IPXXB)
Ejemplo: IP 30.D
3 = protección contra cuerpos sólidos superiores a 2,5 mm
0 = sin protección contra el agua
D = protección contra el acceso de una herramienta I 1 mm.
ISO 9000
Norma que define los procedimientos y disposiciones que permiten conseguir un
nivel de calidad de producción reconocido internacionalmente. La certificación ISO
9000 es el reconocimiento por parte de un organismo oficial independiente del
cliente y del proveedor, de que el sistema de calidad cumple estrictamente la norma.
Este certificado tiene una validez de tres años e implica un seguimiento y un control
anual.
JBUS
Protocolo de comunicación conforme a la norma RS485 (ver este término).
la velocidad de transmisión (38,4 kbits/s),
las relaciones entre equipos de tipo maestro-esclavo punto por punto (1 único
maestro y un único esclavo) o con puntos múltiples (1 maestro y hasta 32 esclavos).
Todas las gamas de sistemas de MGE UPS SYSTEMS integran esta interfaz de
comunicación.
Management-Pac™ (software)
Software de gestión y supervisión de un parque de UPS, destinado a los
administradores de redes y totalmente compatible con SNMP.
Microcorte
Ausencia total de tensión de alimentación durante un lapso de tiempo inferior a una
alternancia (< 10 ms a 50 Hz).
Modbus
Protocolo de comunicación muy similar a JBus (ver JBus).
MGE UPS SYSTEMS
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Monitor-Pac (software)
Software de gestión y supervisión desde un PC de instalaciones eléctricas que
integran UPS de MGE UPS SYSTEMS. Para acceder a las órdenes y parámetros de
los equipos, basta con hacer clic en los bloques de funciones que aparecen en
pantalla. Entre otras prestaciones, este software permite visualizar los cuadros
sinópticos en más de 20 idiomas, incluyendo las lenguas no alfabéticas (chino,
japonés, malayo, tai) y puede comunicar por interfaz RS232 y RS485JBUS.
MTBF (Mean Time Between Failure)
Tiempo medio entre fallos. Tiempo (expresado en horas) que indica la duración
probable del buen funcionamiento de un sistema reparable. Constituye un valor de
la fiabilidad de dicho sistema.
MTTF (Mean Time To Failure)
Tiempo medio hasta el fallo. Tiempo (expresado en horas) que indica la duración
probable del buen funcionamiento de un sistema no reparable (para el cual no es
posible definir el MTBF). Constituye un valor de la fiabilidad de dicho sistema.
MTTR (Mean Time To Repair)
Tiempo medio de reparación. Tiempo que indica la duración probable (o la media
estadística, si se dispone de ella) de una reparación. Incluye la detección de la
causa de la avería, su reparación y la puesta en servicio.
Neutro a tierra TT
Régimen de neutro en el cual el neutro y las diferentes masas están conectadas a
tierra mediante tomas de tierra individuales. En cuanto se produce un fallo de
aislamiento hay que cortar el funcionamiento de la instalación.
Neutro aislado IT
Régimen de neutro en el cual éste se encuentra aislado de tierra o conectado a
tierra por una elevada impedancia, mientras que las distintas masas están
conectadas a tierra mediante tomas de tierra individuales. Una alarma (normalmente
por CPI – Controlador Permanente de Aislamiento) señala la aparición de un primer
fallo de aislamiento. Si se produce un segundo fallo (doble fallo) es obligatorio
interrumpir el funcionamiento de la instalación.
Nivel de ruido
Valor en decibelios acústicos (dBA) de la potencia sonora de una fuente de ruido,
medida de acuerdo con la norma ISO 37-46.
Off-line
(ver UPS stand-by pasivo)
Ondulador
Componente de un UPS que reconstituye una sinusoide de tensión casi perfecta
(sin corte y regulada) a partir de la corriente continua suministrada por el
rectificador-cargador o la batería. El ondulador consta, entre otros elementos, de un
inversor, un sistema de regulación y un filtro de salida.
On-line
(ver UPS de doble conversión)
Parásito HF
Corriente parásita de alta frecuencia conducida (origen electrostático) o radiada
(origen electromagnético) por un equipo.
PFC (rectificador con)
El PFC (Power Factor Correction) es un dispositivo electrónico de regulación que se
utiliza en el rectificador de entrada de un UPS para mantener una corriente de
entrada sinusoidal y sincronizada con la tensión de la red. Evita las corrientes
armónicas aguas arriba del rectificador y la necesidad de emplear un filtro.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 13
PMM (módulo)
Módulo de distribución de energía eléctrica de la gama MGE UPS SYSTEMS
equipado de fábrica con protecciones para la alimentación de las cargas
informáticas monofásicas.
Potencia de utilización
Potencia aparente Su (kVA) que proporciona el ondulador del UPS en unas
condiciones de carga determinadas. Es inferior o igual a la potencia nominal Sn
(kVA). La relación Pu/Pn define el índice de carga del ondulador.
Potencia nominal
Potencia aparente Sn (kVA) que puede proporcionar el ondulador en unas
condiciones de carga definidas con cos M = 0,8.
Puesta a neutro TN
Esquema de conexión a tierra en el cual las masas están interconectadas entre ellas
y acopladas a un neutro, a su vez conectado a tierra. En cuanto se produce un fallo
de aislamiento hay que interrumpir el funcionamiento de la instalación. Existen dos
versiones del esquema TN: TN-S, en el que el neutro (N) y el conductor de
protecciones (PEN) están separados, y TN-C, en el cual estos dos conductores
confluyen en uno solo (PEN).
PWM (Pulse Width Modulation)
Técnica de conmutación del inversor de un UPS basada en una frecuencia elevada
y un principio de regulación que permite modificar rápidamente los anchos de
impulsión a lo largo de un mismo período. Así es posible mantener la tensión del
ondulador dentro de tolerancias, incluso con cargas no lineales.
Reactancia subtransitoria de un grupo electrógeno (Uccx %)
Valor relativo (en %) de la impedancia interna del alternador de un grupo
electrógeno cuando se producen fenómenos armónicos. Dicha reactancia, también
denominada reactancia subtransitoria longitudinal del alternador, se puede expresar
como X"d.
En el caso de un alternador estándar, esta reactancia se sitúa entre el 15 y el 20%.
Puede descender hasta un 12% en alternadores optimizados y hasta un 6% en
algunos alternadores especiales.
Dispositivo que toma de la red la energía eléctrica necesaria para alimentar el
ondulador y mantener o cargar la batería. Una vez corregida, la corriente alterna de
entrada se distribuye entre la corriente de alimentación del ondulador y la corriente
de carga o de floating de la batería.
Red de socorro (by-pass)
Red prevista para reemplazar a la red fuente en caso de fallo de la misma.
Si la instalación dispone de ella, esta red se conecta a la entrada de red 2 (by-pass)
del UPS. Su nombre más habitual es red de socorro.
Red fuente (normal)
Red que proporciona de manera ininterrumpida energía disponible, normalmente
suministrada por una compañía eléctrica, pero a veces por la propia estación
eléctrica del operador. Esta red se conecta a la entrada red 1 (normal) del UPS. Su
nombre más habitual es red normal.
Redundancia activa N+1, N+2…
Varias unidades de UPS (N+1, N+2…) de igual potencia dispuestas en paralelo se
reparten la carga, de modo que el paro de una de ellas (redundancia N+1) o de
varias (redundancia N+2, +3…) no afecta a la alimentación de la carga. Las
unidades restantes son suficientes para asumir la continuidad de la alimentación
hasta recuperar la participación de N unidades.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 14
Redundancia de socorro
Una o varias unidades de UPS funcionan en espera, sin carga o parcialmente
cargadas, y pueden asistir a otras mediante una conmutación sin interrupción que se
realiza por contactor estático.
Esquemas de Conexión a Tierra (E.C.T.)
Término normalizado con el que se designa el método de conexión a tierra de los
conductores activos de una instalación eléctrica BT y de las masas de los
receptores. Existen tres tipos de regímenes regulados:
conexión a neutro TN, con una versión TN-C y una versión TN-S
neutro a tierra TT
neutro aislado IT.
RS232C (Recommended Standard 232C)
Esta norma define los circuitos de intercambio de informaciones digitales entre
equipos. Sus principales características son:
transmisiones síncronas y asíncronas
comunicación punto por punto por líneas de dos hilos y cuatro hilos
comunicación por la red conmutada (línea telefónica) y por las conexiones locales
con cables cortos (15 m aproximadamente)
velocidad de transmisión máxima de 20 kbits/s.
Aunque las operaciones a una distancia superior a 15 metros no cumplen las
especificaciones de esta norma, a menudo se puede transmitir a distancias mayores
utilizando un cable blindado de muy buena calidad en un entorno eléctrico propicio.
En este caso, es posible garantizar transmisiones sin error. La mayoría de
terminales o equipos permiten la aplicación de esta norma.
RS422A (Recommended Standard 422A)
La norma RS232C es suficiente para las transmisiones efectuadas en un entorno
normal. Pero para transmitir en un entorno con perturbaciones o para las largas
distancias, la norma RS422A ofrece una opción de funcionamiento diferencial, con
la tensión equilibrada y capacidad para prestaciones muy superiores.
Además, esta norma permite las conexiones multipunto. El número de puntos de
conexión suele estar limitado a 10 (1 emisor y hasta 10 receptores).
RS485 (Recommended Standard 485)
Esta norma presenta las mismas características que la RS422A, pero el número de
equipos que se pueden conectar es todavía mayor. No hay un solo emisor
conectado, sino hasta 32 emisores e igual número de receptores. De aquí procede
la noción de red local.
Selectividad
La selectividad consiste en, cuando se produce un fallo en una salida, activar
únicamente la protección de dicha salida, evitando que se activen las protecciones
vecinas de la misma salida ni la protección siguiente aguas arriba.
Sistema de Transferencia Estática (STS)
El STS es un equipo que permite la transferencia sin interrupción, activada
automática o manualmente, de una carga, o una serie de cargas trifásicas, desde
una fuente de alimentación principal (Prioritaria) hacia una fuente de alimentación
secundaria (Reserva). En caso de fallo de la alimentación principal, la transferencia
es automática. (ver Upsilon STS)
SNMP
El Simple Network Management Protocol gestiona los intercambios de datos entre
redes de ordenadores mediante el modo Ethernet.
Los software de MGE UPS SYSTEMS, como Management-Pac, incorporan un
agente SNMP para la conexión a la red Ethernet.
Solution-Pac™ (software)
Software con agente SNMP integrado para el cierre automático de las aplicaciones
antes de que se agote la autonomía de la batería.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 15
Susceptibilidad magnética (nivel de)
Nivel de emisión electromagnética a partir del cual se produce un error de
funcionamiento en el material o sistema que se ve afectado.
Tasa global de distorsión
Es la relación entre el valor eficaz del conjunto de armónicos de una magnitud
periódica no sinusoidal y el de su fundamental.
f
D % 100
¦Y
n
n 2
2
Y1
Este valor también se expresa en función de las tasas individuales de cada
armónico Hn = Yn /Y1 con la siguiente fórmula:
D % 100
f
¦H
n 2
n
2
Para las corrientes y tensiones, estos valores se denominan THDI y THDU.
Tasa individual de armónico
Es la relación entre el valor eficaz de un armónico de rango n y el valor eficaz del
fundamental.
Yn
Hn% 100
Y1
Tensión de cortocircuito de un transformador (Uccx %)
Valor relativo (en %) de la impedancia interna de un transformador. Esta impedancia
se suele llamar tensión de cortocircuito, pues se calcula mediante un ensayo en
cortocircuito (red secundaria en cortocircuito recorrida por una corriente ajustada a
In). En el caso de un transformador trifásico estándar, se sitúa entre el 3 y el 6%.
TGBT
Cuadro general de baja tensión (del francés Tableau Général Basse Tension).
Distribuye la potencia inmediatamente aguas abajo del transformador HT/BT entre
varias salidas.
THDI
Tasa global de distorsión en corriente (del inglés Total Harmonic Distorsion e I para
la corriente). Es la relación entre el valor eficaz de los armónicos de la corriente y el
valor eficaz del fundamental.
f
THDI% 100
¦I
n 2
n
2
I1
f1 con la siguiente fórmula:
armónico Ihn = In /I
THDI% 100
Ihn2
¦
n 2
THDU
Tasa global de distorsión en tensión (del inglés Total Harmonic Distorsion
y U para la tensión). Es la relación entre el valor eficaz de los armónicos de la
tensión y el valor eficaz del fundamental.
f
THDU% 100
¦U
n 2
n
2
U1
armónico Uhn = Un /U1 con la siguiente fórmula:
THDU% 100
MGE UPS SYSTEMS
f
¦ Uh
n 2
n
2
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THM (Total Harmonic Management TM)
Este término se utiliza para calificar los filtros activos derivados de la tecnología
SineWave y optimizados para su integración en las gamas de UPS de MGE UPS
SYSTEMS. (ver filtro activo THM)
Tiristor
Componente utilizado para la conmutación de potencia en tensiones de hasta 6000
V y corrientes de varios miles de amperios. No necesita más que una leve impulsión
de corriente para activarse; para su bloqueo, en cambio, es preciso anular
completamente la corriente anódica. Es un dispositivo algo aparatoso, pero muy
económico y fiable.
Tolerancia a averías
Un sistema con tolerancia a averías incluye la opción de funcionamiento en modo
degradado, pero operativo, cuando se produce un fallo.
Este modo de funcionamiento suele acompañarse de una alarma que permite
señalar el o los fallos en cuestión y de la posibilidad de reparación rápida sin tener
que parar la instalación, para recuperar así un funcionamiento normal. El
funcionamiento de un UPS con by-pass estático es una forma de tolerancia a
averías.
Tolerancias (límites de) en %
Límites de variación admisible de una magnitud, expresados en un % del valor
nominal de dicha magnitud.
UPS (Sistema de Alimentación Ininterrumpida)
Equipamiento eléctrico interpuesto entre la red de alimentación y las cargas
sensibles (de tipo informático, instrumental,...).
El UPS suministra en salida una tensión alterna sinusoidal exenta de perturbaciones
y dentro de los estrictos niveles de tolerancia de amplitud y de frecuencia.
Suele estar compuesto por un rectificador-cargador, un ondulador, una batería que
proporciona autonomía en caso de corte de suministro de la red, un by-pass estático
y un by-pass de mantenimiento. Los by-pass permiten la alimentación directa de la
carga a través de la red de socorro sin pasar por la cadena formada por el
rectificador-cargador y el ondulador.
La transferencia al by-pass estático se realiza de forma automática y sin interrupción
en caso de avería del ondulador o de sobrecarga aguas abajo superior a la
capacidad del ondulador. La transferencia hacia el by-pass de mantenimiento se
acciona manualmente mediante un interruptor.
UPS con funcionamiento de doble conversión
UPS en el que el ondulador viene colocado de serie entre la red y la aplicación.
Toda la potencia de la carga circula por el ondulador, que regenera por completo la
tensión y aísla la carga de las perturbaciones de la red. Además, este tipo de UPS
ofrece la posibilidad de alimentar la carga directamente con la red, a través de un
by-pass estático, después de una transferencia sin interrupción a una entrada
independiente. Ello garantiza la continuidad de la alimentación en caso de fallo
interno. Por otro lado, también está equipado sistemáticamente con un by-pass de
mantenimiento. Por todas estas razones, es la única configuración utilizada para las
grandes potencias. Este tipo de UPS también se conoce como "On-line".
UPS con funcionamiento line-interactive
UPS en el que el ondulador está en paralelo con la red y además es responsable de
recargar la batería (funcionamiento interactivo con la red en modo reversible). Esta
tecnología es poco utilizada para las grandes potencias, pues no aísla totalmente la
carga de la red y no permite regular la frecuencia.
UPS de tipo modular
Módulo UPS constituido por un conjunto de rectificador-cargador, ondulador, batería
con un by-pass estático y un by-pass de mantenimiento. Se puede utilizar de
manera individual o combinado con otros UPS idénticos para formar una
configuración en paralelo.
Así, permite ampliar una instalación a partir de UPS idénticos.
MGE UPS SYSTEMS
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UPS de tipo paralelo
Módulo UPS constituido por un conjunto de rectificador-cargador, ondulador y
batería. Ha sido diseñado para combinarse con otras unidades idénticas y con una
celda normal/socorro formada por un by-pass estático y un by-pass de
mantenimiento común a todas las unidades.
UPS en paralelo con redundancia activa N+1, N+2…
Configuración de UPS formada por un conjunto de N+1, N+2… Se trata de un UPS
de tipo modular o de tipo paralelo que alimenta una carga de potencia P. Estas
unidades tienen idéntica potencia, funcionan al mismo tiempo y se reparten la
potencia que hay que suministrar. Pero N son suficientes para alimentar a la carga.
Si el funcionamiento de una (redundancia N+1), o dos o más (redundancia N+2,
+3…) unidades se detiene, la carga es alimentada por las restantes, hasta que no
quedan más que N unidades. La redundancia activa N+1, N+2… permite así
disponer de 1, 2… unidades adicionales, además de las N necesarias para hacer
frente a los paros de las unidades (por fallo o mantenimiento) proporcionando una
alimentación segura de la carga.
UPS en paralelo sin redundancia
Configuración de UPS constituida por un conjunto de N UPS de tipo modular o de
tipo paralelo que alimenta una misma carga de potencia P. Las N unidades tienen
idéntica potencia, funcionan al mismo tiempo y se reparten la potencia que hay que
suministrar. Pero, a falta de redundancia, el fallo de una unidad acarrea el fallo de
todo el conjunto. Por lo general, esta configuración sólo se utiliza para alcanzar una
potencia elevada, no disponible con una sola unidad.
UPS en Stand-by pasivo
SAI con el ondulador dispuesto en paralelo respecto de la red, que alimenta la
carga a través de un interruptor estático que permite el basculamiento con el
ondulador. Esta configuración, fruto de un compromiso económico, sólo se aplica
para pequeñas potencias (d 3kVA), puesto que no aísla la carga de la red y deja
pasar las corrientes de arranque. Además, precisa de un tiempo de basculamiento
(de alrededor de 10 ms) para funcionar con el ondulador en caso de corte o de
fuerte perturbación de la red. Este tipo de SAI también se conoce como Off-line.
Upsilon STS
Sistema de transferencia estática sin interrupción de MGE UPS SYSTEMS de 30 a
600 A entre dos fuentes trifásicas de cualquier tipo. El funcionamiento, simétrico,
permite una selección automática de la fuente prioritaria en función de la calidad de
alimentación, o bien una elección definida y modificable por el usuario.
USB
Bus de serie universal (Universal Serial Bus). Interfaz de conexión preferente de
todos los periféricos del PC. Admite altas velocidades de transmisión: la versión UB
1.1 alcanza los 12 Mbits/s, la versión USB 2.0 logra un rendimiento de 480 Mbits/s
(comparables a los 19,2 kbits/s con un enlace de serie RS232 y los 10 Mbits/s con
un enlace paralelo RS485 o Ethernet). Los UPS de MGE UPS SYSTEMS ofrecen la
posibilidad de integrar puertos USB.
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 18
Bibliografía
Estudios y documentación de MGE UPS SYSTEMS y
Schneider Electric
Approche industrielle de la sûreté de fonctionnement
Cahier Technique Scheider Electric n°134 - H. Krotoff
Guide de l’installation électrique BT - Scheider Electric
Guide pratique de la compatibilité électromagnétique - Schneider
Harmoniques: convertisseurs propres et compensateurs actifs
Cahier Technique Schneider Electric n°147 - E. Koenig
Initiation aux réseaux de communications numériques
Cahier Technique Schneider Electric n°183 - E. Bettega / J.N. Fiorina
(MGE UPS SYSTEMS)
La compatibilité électromagnétique
Cahier Technique Schneider Electric n°149 - F. Vaillant
Les onduleurs
Etude Technique Schneider Electric n°268 - D. Fraisse
Les perturbations harmoniques dans les réseaux industriels, et leur traitement
Cahier Technique Schneider Electric n°152 - P. Roccia / N.Quillon
Les perturbations électriques en BT
Cahier Technique Schneider Electric n°141 - R. Calvas
Les systèmes des liaisons à la terre – Guide Schneider
Onduleurs et harmoniques (cas des charges non linéaires)
Cahier Technique Schneider Electric n°159 - J.N. Fiorina
Protection des personnes et alimentations statiques sans coupure
Cahier Technique Schneider Electric n°129 - J.N. Fiorina
Documentación de conferencias internacionales
Compensation of harmonic currents generated by computers utilizing an innovative
harmonic conditioner
Exposición y Congreso Mundial de Power Systems TM ’96 – septiembre de 1996 –
Las Vegas
S. Bernard, G. Trochain (MGE UPS SYSTEMS)
Evaluation of active filter design and performance using a detailed EMTP Model
Electrotek Concept – Knoxville – EEUU
S. Bernard, Paroz – MGE UPS SYSTEMS
Fiabilité des installations d’onduleur: techniques de calculs
Congreso Internacional de Investigación sobre Fiabilidad - University of Missouri,
mayo de 1988 - H.C. Benski (Schneider Electric)
From redundant sources to dual independant sources
Congreso de Calidad Energética – P. bois, J.P Beaudet (MGE UPS SYSTEMS)
Nuremberg – Mayo de 2002
Management of harmonics upstream a three-phase UPS: innovative solution based
on PFC (Power Factor Correction)
Congreso sobre Calidad Energética – S. Bernard, G. Besset, D. Gonzalez (MGE
UPS SYSTEMS) Nuremberg – Junio de 2001
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 19
Bibliografía (continuación)
Solution à la fiabilité d’alimentation et aux problèmes de distorsion harmonique pour
les charges sensibles IEE International Conference on Advances in Power System
Control, Operation and Management
Hong Kong – noviembre de 1991 - M. Brean, G. Herman (Schneider Electric)
Switch to high availability
Congreso sobre Calidad Energética – P. Bois, S. Noraz (MGE UPS SYSTEMS)
Nuremberg – Mayo de 2002
Use of IGBT for UPS
Congreso ICPE - Seúl – Mayo de 1995 – S. Bernard (MGE UPS SYSTEMS)
Estudios, artículos y documentos varios
Le filtrage actif des harmoniques
Document EDF & GIMELEC
Guide des chargeurs de batterie pour alimentation sans interruption
GIMELEC
Perturbations réciproques des équipements électroniques de puissance et des
réseaux - quelques exemples de la pollution des réseaux par les distorsions
harmoniques de la clientèle
RGE T 85 n°3 - M. Lemoine - DER Electricité de France.
Principe de conception et réalisation des mises à la terre
Electricité de France H115.
Problèmes particuliers posés par l’étude du phénomène de distorsion harmonique
dans les réseaux - P. Reymond - Comité de estudio 36 de la CIGREE.
Normas
CEI 60364: Instalaciones eléctricas de los edificios
CEI 60439: Seguridad de los equipos de baja tensión
CEI 60529 / EN60529: Grado de protección proporcionado por las cubiertas (código
IP)
CEI 60417: Símbolos gráficos para esquemas y diagramas
CEI 60742: Transformadores de aislamiento y Transformadores de aislamiento de
seguridad
CEI 60947: Aparellaje de baja tensión
CEI 60950 / EN 60950: Seguridad del material para el tratamiento de la información,
incluido el material eléctrico de oficina
CEI 61000-2-2 / EN 61000 2-2: Niveles de compatibilidad para las perturbaciones
conducidas a baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes de
alimentación de baja tensión
CEI 61000-3-2 / EN 61000-3-2: Limitación para las emisiones de corriente
armónicas (equipos con una corriente de entrada d 16 A/fase)
CEI 61000-3-4 / EN 61000-3-4: Limitación para las emisiones de corrientes
armónicas (equipos con una corriente de entrada > 16 A/fase)
CEI 61000-3-5 / EN 61000-3-5: Limitación de las fluctuaciones de la tensión y el
flicker
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 20
Bibliografía (continuación)
CEI 61004 / EN 61000-4: Compatibilidad electromagnética - métodos de ensayo:
- CEI 61000-4-2 / EN 61000-4-2: inmunidad a las descargas electrostáticas
- CEI 61000-4-3 / EN 61000-4-3: inmunidad a los campos radiados electromagnéticos
- CEI 61000-4-4 / EN 61000-4-4: inmunidad a las ondas con poca energía
- CEI 61000-4-5 / EN 61000-4-5: inmunidad a las ondas con mucha energía
ISO 3746: Método para la medición de la potencia acústica de una fuente de ruido
ISO 7779 / EN 27779: Medición del ruido de ventilación emitido por un ordenador o
un equipo de sobremesa
IEEE 519: Recomendaciones para el control de los armónicos en los sistemas
eléctricos de gran potencia
EN 50091-2: UPS – Compatibilidad electromagnética
EN 62040-1-1: UPS – Seguridad y prescripciones generales para los UPS
instalados en un local accesible para el operador
EN 62040-1-2: UPS – Seguridad y prescripciones generales para los UPS instalados
en un local de acceso restringido
ENV 62040-3: UPS – Método de especificación de las prestaciones y tests
EN 55011: Perturbaciones electromagnéticas de los equipos industriales científicos
y médicos
EN 50160-3: Características de la tensión eléctrica suministrada por las redes de
distribución pública
EN 60068 - 2: Ensayos del entorno
- EN 60068-2-1: Frío
- EN 60068-2-2: Calor seco
- EN 60068-2-27: Robustez mecánica
EN 60146-1-1: Convertidores con semiconductores
NF C 15-100: Instalaciones eléctricas de baja tensión
NF C 58-311: Cargadores de baterías
Directivas Europeas BT: 72/23/CEE y 93/68/CEE
(sobre la no peligrosidad del material eléctrico destinado a ser utilizado con una
tensión nominal de 50 a 1000 V CA o de 75 a 1500 V CC).
Directivas Europeas CEM: 89/336/CEE y 93/68/CEE
(sobre la no distorsión y la inmunidad de los equipos susceptibles de crear
perturbaciones electromagnéticas o cuyo funcionamiento puede verse afectado por
dichas perturbaciones).
MGE UPS SYSTEMS
cap. 7 - pág. 21

Capítulo 1: Elementos clave de una instalación con UPS

Transcripción

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