Fuente de poder ininterrumpible
Un sistema de alimentación ininterrumpida o fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) es un aparato eléctrico que proporciona alimentación de emergencia a una carga cuando la alimentación de entrada falla la fuente o la red eléctrica. Un SAI se diferencia de un sistema de alimentación auxiliar o de emergencia o de un generador de reserva en que proporciona una protección casi instantánea frente a las interrupciones de la alimentación de entrada mediante el suministro de energía almacenada en baterías, supercondensadores o volantes. El tiempo de funcionamiento con batería de la mayoría de las fuentes de alimentación ininterrumpida es relativamente corto (solo unos minutos), pero suficiente para iniciar una fuente de alimentación de reserva o apagar correctamente el equipo protegido. Es un tipo de sistema de energía continua.
Por lo general, un UPS se usa para proteger hardware como computadoras, centros de datos, equipos de telecomunicaciones u otros equipos eléctricos donde una interrupción inesperada del suministro eléctrico podría causar lesiones, muertes, interrupciones comerciales graves o pérdida de datos. Las unidades UPS varían en tamaño, desde las diseñadas para proteger una sola computadora sin un monitor de video (alrededor de 200 voltios-amperios nominales) hasta unidades grandes que alimentan centros de datos o edificios completos. El UPS más grande del mundo, el Sistema de almacenamiento de energía en batería (BESS) de 46 megavatios, en Fairbanks, Alaska, alimenta a toda la ciudad y las comunidades rurales cercanas durante las interrupciones.
Problemas comunes de energía
La función principal de cualquier SAI es proporcionar energía a corto plazo cuando falla la fuente de alimentación de entrada. Sin embargo, la mayoría de las unidades UPS también son capaces, en diversos grados, de corregir problemas comunes de energía de los servicios públicos:
- Punto de tensión o sobrevoltaje sostenido
- Reducción momentaria o sostenida del voltaje de entrada
- Voltaje sag
- Noise, definido como un transiente de alta frecuencia o oscilación, generalmente inyectado en la línea por equipos cercanos
- Instalación de la frecuencia de los principales
- La distorsión armónica, definida como una salida de la onda sinusoidal ideal que se espera en la línea
Algunos fabricantes de unidades UPS categorizan sus productos de acuerdo con la cantidad de problemas relacionados con la energía que abordan.
Una unidad UPS también puede presentar problemas con la calidad de la energía eléctrica. Para evitar esto, se debe seleccionar un UPS no solo por capacidad, sino también por la calidad de la energía que requiere el equipo que se está suministrando.
Tecnologías
Las tres categorías generales de los sistemas UPS modernos son en línea, interactivos en línea y en espera:
- Un UPS on-line utiliza un método de "doble conversión" para aceptar la entrada AC, rectificando a DC para pasar por la batería recargable (o cadenas de batería), y luego invertir de nuevo a 120 V/230 V AC para alimentar el equipo protegido.
- Un UPS interactivo de línea mantiene el inversor en línea y redirige el camino corriente DC de la batería desde el modo de carga normal a suministrar corriente cuando se pierde energía.
- En un sistema de standby ("off-line") la carga se alimenta directamente por la potencia de entrada y el circuito de potencia de copia de seguridad sólo se invoca cuando el poder de la utilidad falla.
La mayoría de los SAI de menos de un kilovoltio-amperio (1 kVA) son de línea interactiva o de reserva, que suelen ser menos costosos.
Para unidades de potencia grandes, a veces se utilizan fuentes de alimentación ininterrumpida dinámicas (DUPS). Un motor síncrono/alternador está conectado a la red a través de un estrangulador. La energía se almacena en un volante. Cuando falla la red eléctrica, una regulación de corrientes de Foucault mantiene la potencia en la carga siempre que la energía del volante no se agote. Los DUPS a veces se combinan o integran con un generador diesel que se enciende después de un breve retraso, formando una fuente de alimentación ininterrumpida rotativa diesel (DRUPS).
La compañía Hydrogenics desarrolló un UPS de celda de combustible que utiliza hidrógeno y una celda de combustible como fuente de energía, lo que podría proporcionar tiempos de funcionamiento prolongados en un espacio pequeño.
Fuera de línea/en espera
El UPS fuera de línea/en espera ofrece solo las características más básicas, brindando protección contra sobretensiones y respaldo de batería. El equipo protegido normalmente está conectado directamente a la energía eléctrica entrante. Cuando el voltaje de entrada cae por debajo o sube por encima de un nivel predeterminado, el UPS enciende su circuito inversor de CC-CA interno, que se alimenta de una batería de almacenamiento interna. Luego, el UPS enciende mecánicamente el equipo conectado a su salida de inversor de CC-CA. El tiempo de conmutación puede ser de hasta 25 milisegundos dependiendo de la cantidad de tiempo que le tome al UPS en espera detectar la pérdida de voltaje de la red pública. El UPS se diseñará para alimentar ciertos equipos, como una computadora personal, sin que se produzcan caídas o caídas de voltaje objetables en ese dispositivo.
Línea interactiva
El UPS de línea interactiva es similar en funcionamiento a un UPS de reserva, pero con la adición de un autotransformador de voltaje variable de tomas múltiples. Este es un tipo especial de transformador que puede sumar o restar bobinas de alambre alimentadas, aumentando o disminuyendo así el campo magnético y el voltaje de salida del transformador. Esto también puede ser realizado por un transformador buck-boost que es distinto de un autotransformador, ya que el primero puede estar cableado para proporcionar aislamiento galvánico.
Este tipo de SAI es capaz de tolerar caídas de voltaje continuas por bajo voltaje y picos de sobrevoltaje sin consumir la energía de reserva limitada de la batería. En cambio, compensa seleccionando automáticamente diferentes tomas de corriente en el autotransformador. Según el diseño, cambiar la toma del autotransformador puede provocar una interrupción muy breve de la potencia de salida, lo que puede hacer que los SAI equipados con una alarma de pérdida de alimentación emitan un "chirrido" por un momento.
Esto se ha vuelto popular incluso en los UPS más baratos porque aprovecha los componentes ya incluidos. El transformador principal de 50/60 Hz que se usa para convertir entre el voltaje de línea y el voltaje de la batería debe proporcionar dos relaciones de giro ligeramente diferentes: una para convertir el voltaje de salida de la batería (normalmente un múltiplo de 12 V) en voltaje de línea y una segunda para convertir el voltaje de línea a un voltaje de carga de batería ligeramente más alto (como un múltiplo de 14 V). La diferencia entre los dos voltajes se debe a que cargar una batería requiere un voltaje delta (hasta 13-14 V para cargar una batería de 12 V). Además, es más fácil realizar la conmutación en el lado de voltaje de línea del transformador debido a las corrientes más bajas en ese lado.
Para obtener la función buck/boost, todo lo que se requiere son dos interruptores separados para que la entrada de CA se pueda conectar a una de las dos tomas principales, mientras que la carga se conecta a la otra., utilizando así los devanados primarios del transformador principal como un autotransformador. La batería se puede seguir cargando mientras se "tronca" una sobretensión, pero mientras "elevando" subtensión, la salida del transformador es demasiado baja para cargar las baterías.
Los autotransformadores se pueden diseñar para cubrir una amplia gama de voltajes de entrada variables, pero esto requiere más tomas y aumenta la complejidad, así como el costo del UPS. Es común que el autotransformador cubra un rango solo de alrededor de 90 V a 140 V para una potencia de 120 V, y luego cambie a batería si el voltaje sube o baja mucho de ese rango.
En condiciones de bajo voltaje, el SAI utilizará más corriente de lo normal, por lo que es posible que necesite un circuito de mayor corriente que un dispositivo normal. Por ejemplo, para alimentar un dispositivo de 1000 W a 120 V, el SAI consumirá 8,33 A. Si se produce una caída de tensión y el voltaje cae a 100 V, el SAI consumirá 10 A para compensar. Esto también funciona a la inversa, de modo que en una condición de sobretensión, el SAI necesitará menos corriente.
En línea/doble conversión
En un UPS en línea, las baterías siempre están conectadas al inversor, por lo que no se necesitan interruptores de transferencia de energía. Cuando ocurre una pérdida de energía, el rectificador simplemente se sale del circuito y las baterías mantienen la energía constante y sin cambios. Cuando se restablece la energía, el rectificador continúa transportando la mayor parte de la carga y comienza a cargar las baterías, aunque la corriente de carga puede limitarse para evitar que el rectificador de alta potencia dañe las baterías. La principal ventaja de un SAI en línea es su capacidad para proporcionar un "cortafuegos eléctrico" entre la energía eléctrica entrante y el equipo electrónico sensible.
El UPS en línea es ideal para entornos donde es necesario el aislamiento eléctrico o para equipos que son muy sensibles a las fluctuaciones de energía. Aunque en un momento estuvo reservado para instalaciones muy grandes de 10 kW o más, los avances tecnológicos ahora han permitido que esté disponible como un dispositivo de consumo común, suministrando 500 W o menos. El SAI en línea puede ser necesario cuando el entorno de energía es 'ruidoso', cuando las caídas de energía de la red pública, los cortes y otras anomalías son frecuentes, cuando se requiere protección de cargas de equipos de TI sensibles o cuando se opera desde un sistema de funcionamiento prolongado. Es necesario un generador de respaldo.
La tecnología básica del SAI en línea es la misma que la de un SAI de reserva o interactivo. Sin embargo, normalmente cuesta mucho más, debido a que tiene un cargador/rectificador de batería de CA a CC de corriente mucho mayor, y con el rectificador y el inversor diseñados para funcionar de forma continua con sistemas de refrigeración mejorados. Se denomina SAI de doble conversión debido a que el rectificador acciona directamente el inversor, incluso cuando se alimenta con corriente CA normal.
El UPS en línea generalmente tiene un interruptor de transferencia estática (STS) para aumentar la confiabilidad.
Otros diseños
Topología híbrida/doble conversión bajo demanda
Estos diseños de UPS giratorios híbridos no tienen designaciones oficiales, aunque un nombre utilizado por UTL es "conversión doble bajo demanda". Este estilo de UPS está dirigido a aplicaciones de alta eficiencia mientras mantiene las funciones y el nivel de protección que ofrece la doble conversión.
Un SAI híbrido (doble conversión bajo demanda) funciona como un SAI fuera de línea/en espera cuando las condiciones de alimentación se encuentran dentro de un determinado margen preestablecido. Esto permite que el UPS logre clasificaciones de eficiencia muy altas. Cuando las condiciones de energía fluctúan fuera de las ventanas predefinidas, el UPS cambia a operación en línea/conversión doble. En el modo de doble conversión, el UPS puede ajustarse a las variaciones de voltaje sin tener que usar la energía de la batería, puede filtrar el ruido de la línea y controlar la frecuencia.
Ferroresonante
Las unidades ferroresonantes funcionan de la misma manera que una unidad UPS de reserva; sin embargo, están en línea con la excepción de que se usa un transformador ferroresonante para filtrar la salida. Este transformador está diseñado para retener la energía el tiempo suficiente para cubrir el tiempo entre el cambio de la alimentación de línea a la alimentación de la batería y elimina efectivamente el tiempo de transferencia. Muchos UPS ferroresonantes tienen una eficiencia del 82 al 88 % (CA/CC-CA) y ofrecen un excelente aislamiento.
El transformador tiene tres devanados, uno para la alimentación de red normal, el segundo para la alimentación de la batería rectificada y el tercero para la alimentación de CA de salida a la carga.
Este fue una vez el tipo dominante de UPS y está limitado a alrededor del rango de 150 kVA. Estas unidades todavía se utilizan principalmente en algunos entornos industriales (mercados de petróleo y gas, petroquímicos, químicos, servicios públicos e industria pesada) debido a la naturaleza robusta del UPS. Muchos UPS ferroresonantes que utilizan tecnología de ferrorresonancia controlada pueden interactuar con equipos de corrección del factor de potencia. Esto dará como resultado una tensión de salida fluctuante del UPS, pero puede corregirse reduciendo los niveles de carga o agregando otras cargas de tipo lineal.
Alimentación CC
Un UPS diseñado para alimentar equipos de CC es muy similar a un UPS en línea, excepto que no necesita un inversor de salida. Además, si el voltaje de la batería del UPS coincide con el voltaje que necesita el dispositivo, tampoco se necesitará la fuente de alimentación del dispositivo. Dado que se eliminan uno o más pasos de conversión de energía, esto aumenta la eficiencia y el tiempo de ejecución.
Muchos sistemas utilizados en telecomunicaciones utilizan una "batería común" de muy bajo voltaje; Alimentación de 48 V CC, porque tiene normas de seguridad menos restrictivas, como ser instalada en conductos y cajas de derivación. DC ha sido típicamente la fuente de energía dominante para las telecomunicaciones, y AC ha sido típicamente la fuente dominante para computadoras y servidores.
Se ha experimentado mucho con la alimentación de 48 V CC para servidores informáticos, con la esperanza de reducir la probabilidad de fallas y el costo del equipo. Sin embargo, para suministrar la misma cantidad de energía, la corriente sería más alta que un circuito equivalente de 115 V o 230 V; mayor corriente requiere conductores más grandes, o más energía perdida en forma de calor.
La CC de alto voltaje (380 V) está encontrando uso en algunas aplicaciones de centros de datos y permite pequeños conductores de energía, pero está sujeta a las reglas más complejas del código eléctrico para la contención segura de altos voltajes.
Para dispositivos de menor potencia que funcionan con 5 V, algunos bancos de baterías portátiles pueden funcionar como UPS.
Rotatorio
Un SAI rotativo utiliza la inercia de un volante de inercia giratorio de gran masa (almacenamiento de energía del volante de inercia) para proporcionar una autonomía a corto plazo en caso de pérdida de energía. El volante también actúa como un amortiguador contra picos y caídas de energía, ya que tales eventos de energía a corto plazo no pueden afectar de manera apreciable la velocidad de rotación del volante de gran masa. También es uno de los diseños más antiguos, anterior a los tubos de vacío y los circuitos integrados.
Se puede considerar que está en línea ya que gira continuamente en condiciones normales. Sin embargo, a diferencia de un UPS basado en batería, los sistemas UPS basados en volante normalmente brindan de 10 a 20 segundos de protección antes de que el volante disminuya su velocidad y la salida de energía se detenga. Se usa tradicionalmente junto con generadores de respaldo, brindando energía de respaldo solo durante el breve período de tiempo que el motor necesita para comenzar a funcionar y estabilizar su rendimiento.
El UPS rotativo generalmente se reserva para aplicaciones que necesitan más de 10 000 W de protección, para justificar el gasto y beneficiarse de las ventajas que brindan los sistemas UPS rotativos. Un volante de inercia más grande o varios volantes de inercia que funcionen en paralelo aumentarán el tiempo de funcionamiento o la capacidad de reserva.
Debido a que los volantes son una fuente de energía mecánica, no es necesario utilizar un motor o generador eléctrico como intermediario entre éste y un motor diésel diseñado para proporcionar energía de emergencia. Mediante el uso de una caja de cambios de transmisión, la inercia rotacional del volante se puede utilizar para arrancar directamente un motor diésel y, una vez en marcha, el motor diésel se puede utilizar para hacer girar directamente el volante. Asimismo, se pueden conectar múltiples volantes en paralelo a través de contraejes mecánicos, sin necesidad de motores y generadores separados para cada volante.
Por lo general, están diseñados para proporcionar una salida de corriente muy alta en comparación con un SAI puramente electrónico, y son más capaces de proporcionar corriente de entrada para cargas inductivas, como arranque de motores o cargas de compresores, así como equipos médicos de resonancia magnética y de laboratorio de cateterismo. También es capaz de tolerar condiciones de cortocircuito hasta 17 veces más grandes que un UPS electrónico, lo que permite que un dispositivo se funda y falle mientras otros dispositivos siguen recibiendo energía del UPS giratorio.
Su ciclo de vida suele ser mucho mayor que el de un SAI puramente electrónico, hasta 30 años o más. Pero requieren un tiempo de inactividad periódico para el mantenimiento mecánico, como el reemplazo de los cojinetes de bolas. En sistemas más grandes, la redundancia del sistema asegura la disponibilidad de los procesos durante este mantenimiento. Los diseños basados en baterías no requieren tiempo de inactividad si las baterías pueden intercambiarse en caliente, lo que suele ser el caso de las unidades más grandes. Las unidades rotativas más nuevas utilizan tecnologías como cojinetes magnéticos y recintos con vacío de aire para aumentar la eficiencia en espera y reducir el mantenimiento a niveles muy bajos.
Por lo general, el volante de inercia de gran masa se usa junto con un sistema de motor-generador. Estas unidades se pueden configurar como:
- Un motor que conduce un generador conectado mecánicamente,
- Un motor sincrónico combinado y una herida de generador en ranuras alternadas de un solo rotor y estator,
- Una UPS rotativa híbrida, diseñada similar a una UPS en línea, excepto que utiliza el volante en lugar de baterías. El rectificador conduce un motor para girar el volante, mientras que un generador utiliza el volante para alimentar al inversor.
En el caso n.º 3, el motor generador puede ser síncrono/síncrono o de inducción/síncrono. El lado del motor de la unidad en los casos n.° 2 y 3 puede ser accionado directamente por una fuente de alimentación de CA (normalmente cuando está en derivación del inversor), un motor de conversión doble de 6 pasos o un inversor de 6 pulsos. El caso n.º 1 utiliza un volante integrado como fuente de energía a corto plazo en lugar de baterías para dar tiempo a que los grupos electrógenos externos acoplados eléctricamente arranquen y se pongan en línea. Los casos n.º 2 y 3 pueden usar baterías o un volante de inercia acoplado eléctricamente como fuente de energía a corto plazo.
Factores de forma
Los sistemas UPS más pequeños vienen en diferentes formas y tamaños. Sin embargo, las dos formas más comunes son torre y montaje en bastidor.
Los modelos de torre se colocan en posición vertical sobre el suelo, sobre un escritorio o un estante y, por lo general, se utilizan en estaciones de trabajo de red o aplicaciones informáticas de escritorio. Los modelos de montaje en rack se pueden montar en gabinetes de rack estándar de 19 pulgadas y pueden requerir entre 1U y 12U (unidades de rack). Por lo general, se utilizan en aplicaciones de servidor y de red. Algunos dispositivos cuentan con interfaces de usuario que giran 90°, lo que permite que los dispositivos se monten verticalmente en el suelo u horizontalmente como se encontraría en un bastidor.
Aplicaciones
N + 1
En entornos de grandes empresas donde la confiabilidad es de gran importancia, un solo UPS grande también puede ser un punto único de falla que puede interrumpir muchos otros sistemas. Para brindar una mayor confiabilidad, se pueden integrar varios módulos de UPS y baterías más pequeños para brindar una protección de energía redundante equivalente a un UPS muy grande. "N + 1" significa que si la carga puede ser alimentada por N módulos, la instalación contendrá N + 1 módulos. De esta forma, la falla de un módulo no afectará la operación del sistema.
Redundancia múltiple
Muchos servidores informáticos ofrecen la opción de fuentes de alimentación redundantes, de modo que, en caso de que falle una fuente de alimentación, una o más fuentes de alimentación pueden alimentar la carga. Este es un punto crítico: cada fuente de alimentación debe poder alimentar todo el servidor por sí misma.
La redundancia se mejora aún más conectando cada fuente de alimentación a un circuito diferente (es decir, a un disyuntor diferente).
La protección redundante se puede ampliar aún más conectando cada fuente de alimentación a su propio SAI. Esto proporciona una doble protección contra fallas en el suministro de energía y fallas en el UPS, de modo que se asegura la operación continua. Esta configuración también se conoce como redundancia 1 + 1 o 2N. Si el presupuesto no permite dos unidades SAI idénticas, es una práctica común conectar una fuente de alimentación a la red eléctrica y la otra al SAI.
Uso en exteriores
Cuando un sistema UPS se coloca al aire libre, debe tener algunas características específicas que garanticen que puede tolerar el clima sin afectar el rendimiento. El fabricante debe tener en cuenta factores como la temperatura, la humedad, la lluvia y la nieve, entre otros, al diseñar un sistema SAI para exteriores. Los rangos de temperatura de funcionamiento para los sistemas UPS para exteriores pueden oscilar entre −40 °C y +55 °C.
Los sistemas UPS para exteriores pueden montarse en poste, tierra (pedestal) o host. El ambiente exterior puede significar un frío extremo, en cuyo caso el sistema UPS exterior debe incluir un tapete calentador de batería, o calor extremo, en cuyo caso el sistema UPS exterior debe incluir un sistema de ventilador o un sistema de aire acondicionado.
Un inversor solar, o inversor fotovoltaico, o convertidor solar, convierte la salida de corriente continua (CC) variable de una fotovoltaica (fotovoltaica)) panel solar en una corriente alterna (CA) de frecuencia de servicio que puede alimentarse a una red eléctrica comercial o ser utilizada por una red eléctrica local fuera de la red. Es un componente BOS crítico en un sistema fotovoltaico, lo que permite el uso de equipos ordinarios alimentados por CA. Los inversores solares tienen funciones especiales adaptadas para su uso con matrices fotovoltaicas, incluido el seguimiento del punto de máxima potencia y la protección contra la formación de islas.
Distorsión armónica
La salida de algunos UPS electrónicos puede tener una desviación significativa de una forma de onda sinusoidal ideal. Esto es especialmente cierto en el caso de las unidades monofásicas económicas de grado de consumo diseñadas para uso doméstico y de oficina. Estos a menudo utilizan fuentes de alimentación de CA de conmutación simple y la salida se asemeja a una onda cuadrada rica en armónicos. Estos armónicos pueden causar interferencias con otros dispositivos electrónicos, incluidas las comunicaciones por radio, y algunos dispositivos (p. ej., cargas inductivas, como motores de CA) pueden funcionar con una eficiencia reducida o no funcionar en absoluto. Las unidades UPS más sofisticadas (y costosas) pueden producir energía de CA sinusoidal casi pura.
Factor de potencia
Un problema en la combinación de un UPS de doble conversión y un generador es la distorsión de voltaje creada por el UPS. La entrada de un UPS de doble conversión es esencialmente un gran rectificador. La corriente consumida por el UPS no es sinusoidal. Esto puede hacer que el voltaje de la red de CA o de un generador también se vuelva no sinusoidal. La distorsión de voltaje puede causar problemas en todos los equipos eléctricos conectados a esa fuente de alimentación, incluido el propio SAI. También hará que se pierda más energía en el cableado que suministra energía al UPS debido a los picos en el flujo de corriente. Este nivel de "ruido" se mide como un porcentaje de la "distorsión armónica total de la corriente" (THDI). Los rectificadores UPS clásicos tienen un nivel de THDI de alrededor del 25 % al 30 %. Para reducir la distorsión de tensión, esto requiere un cableado de red más pesado o generadores de más del doble del tamaño del SAI.
Existen varias soluciones para reducir el THDI en un SAI de doble conversión:
Las soluciones clásicas, como los filtros pasivos, reducen la THDI entre un 5 % y un 10 % a plena carga. Son confiables, pero grandes y solo funcionan a plena carga, y presentan sus propios problemas cuando se usan junto con generadores.
Una solución alternativa es un filtro activo. Mediante el uso de dicho dispositivo, THDI puede caer hasta un 5 % en el rango de potencia total. La tecnología más nueva en unidades UPS de doble conversión es un rectificador que no usa componentes rectificadores clásicos (tiristores y diodos) sino que usa componentes de alta frecuencia en su lugar. Un UPS de doble conversión con un inductor y un rectificador de transistor bipolar de puerta aislada puede tener un THDI tan pequeño como 2%. Esto elimina por completo la necesidad de sobredimensionar el generador (y los transformadores), sin filtros adicionales, costos de inversión, pérdidas o espacio.
Comunicación
La administración de energía (PM) requiere:
- La UPS informa de su estado a la computadora que potencia a través de un enlace de comunicaciones como un puerto serie, Ethernet y protocolo de gestión de redes simples, GSM/GPRS o USB
- Un subsistema en el sistema operativo que procesa los informes y genera notificaciones, eventos de PM, o ordena un cierre ordenado. Algunos fabricantes de UPS publican sus protocolos de comunicación, pero otros fabricantes (como APC) usan protocolos propietarios.
Los métodos básicos de control de computadora a UPS están destinados a la señalización uno a uno desde una sola fuente a un solo objetivo. Por ejemplo, un solo UPS puede conectarse a una sola computadora para proporcionar información de estado sobre el UPS y permitir que la computadora controle el UPS. De manera similar, el protocolo USB también está destinado a conectar una sola computadora a múltiples dispositivos periféricos.
En algunas situaciones, es útil que un único SAI grande pueda comunicarse con varios dispositivos protegidos. Para el control tradicional en serie o USB, se puede utilizar un dispositivo de replicación de señal que, por ejemplo, permite que un SAI se conecte a cinco ordenadores mediante conexiones en serie o USB. Sin embargo, la división suele ser solo en una dirección desde el SAI a los dispositivos para proporcionar información de estado. Solo se pueden permitir señales de control de retorno desde uno de los sistemas protegidos al SAI.
A medida que el uso común de Ethernet aumentó desde la década de 1990, las señales de control ahora se envían comúnmente entre un solo UPS y varias computadoras mediante métodos de comunicación de datos Ethernet estándar, como TCP/IP. La información de estado y control generalmente está encriptada para que, por ejemplo, un pirata informático externo no pueda obtener el control del UPS y ordenar que se apague.
La distribución de los datos de estado y control del SAI requiere que todos los dispositivos intermediarios, como conmutadores Ethernet o multiplexores en serie, estén alimentados por uno o más sistemas SAI, para que las alertas del SAI lleguen a los sistemas de destino durante un corte de energía. Para evitar la dependencia de la infraestructura Ethernet, los SAI se pueden conectar directamente al servidor de control principal utilizando también el canal GSM/GPRS. Los paquetes de datos SMS o GPRS enviados desde los UPS activan el software para apagar las PC y reducir la carga.
Baterías
Hay tres tipos principales de baterías UPS: de ácido de plomo reguladas por válvula (VRLA), baterías de celda inundada o VLA y baterías de iones de litio. El tiempo de funcionamiento de un SAI que funciona con baterías depende del tipo y tamaño de las baterías y de la velocidad de descarga, y de la eficiencia del inversor. La capacidad total de una batería de plomo-ácido es una función de la velocidad a la que se descarga, que se describe como la ley de Peukert.
Los fabricantes proporcionan la calificación de tiempo de funcionamiento en minutos para los sistemas de UPS compactos. Los sistemas más grandes (como los centros de datos) requieren un cálculo detallado de la carga, la eficiencia del inversor y las características de la batería para garantizar que se alcance la resistencia requerida.
Características comunes de la batería y pruebas de carga
Cuando una batería de plomo-ácido se carga o descarga, inicialmente solo afecta a los productos químicos que reaccionan, que se encuentran en la interfaz entre los electrodos y el electrolito. Con el tiempo, la carga almacenada en los productos químicos en la interfaz, a menudo denominada "carga de interfaz", se propaga por difusión de estos productos químicos por todo el volumen del material activo.
Si una batería se ha descargado por completo (p. ej., las luces del coche se han dejado encendidas durante la noche) y luego se carga rápidamente durante unos minutos, durante el breve tiempo de carga solo desarrolla una carga cerca de la interfaz. El voltaje de la batería puede aumentar hasta acercarse al voltaje del cargador, de modo que la corriente de carga disminuya significativamente. Después de algunas horas, esta carga de interfaz no se extenderá al volumen del electrodo y el electrolito, lo que generará una carga de interfaz tan baja que puede ser insuficiente para arrancar un automóvil.
Debido a la carga de la interfaz, es posible que las breves funciones de autoprueba del SAI que duran solo unos segundos no reflejen con precisión la verdadera capacidad de tiempo de funcionamiento de un SAI y, en cambio, una recalibración prolongada. > o recorrido se necesita una prueba que descargue profundamente la batería.
La prueba de descarga profunda es en sí misma dañina para las baterías debido a que los químicos en la batería descargada comienzan a cristalizarse en formas moleculares altamente estables que no se volverán a disolver cuando la batería se recargue, lo que reduce permanentemente la capacidad de carga. En las baterías de plomo ácido esto se conoce como sulfatación pero también afecta a otros tipos como las baterías de níquel cadmio y las baterías de litio. Por lo tanto, comúnmente se recomienda que las pruebas de resumen se realicen con poca frecuencia, como cada seis meses a un año.
Prueba de cadenas de baterías/pilas
Los sistemas UPS comerciales de varios kilovatios con bancos de baterías grandes y de fácil acceso son capaces de aislar y probar celdas individuales dentro de una cadena de baterías, que consta de unidades de batería de celdas combinadas (como 12- V baterías de ácido de plomo) o celdas químicas individuales conectadas en serie. Aislar una sola celda e instalar un puente en su lugar permite probar la descarga de una batería, mientras que el resto de la cadena de baterías permanece cargada y disponible para brindar protección.
También es posible medir las características eléctricas de las celdas individuales en una cadena de baterías mediante cables sensores intermedios que se instalan en cada unión de celda a celda y se monitorean tanto de forma individual como colectiva. Las cadenas de baterías también se pueden cablear en serie-paralelo, por ejemplo, dos juegos de 20 celdas. En tal situación, también es necesario monitorear el flujo de corriente entre cadenas paralelas, ya que la corriente puede circular entre las cadenas para equilibrar los efectos de celdas débiles, celdas muertas con alta resistencia o celdas en cortocircuito. Por ejemplo, las cadenas más fuertes pueden descargarse a través de cadenas más débiles hasta que se igualen los desequilibrios de voltaje, y esto debe tenerse en cuenta en las mediciones individuales entre celdas dentro de cada cadena.
Interacciones de batería serie-paralelo
Las cadenas de baterías conectadas en serie-paralelo pueden desarrollar modos de falla inusuales debido a las interacciones entre las múltiples cadenas en paralelo. Las baterías defectuosas en una cadena pueden afectar negativamente el funcionamiento y la vida útil de las baterías buenas o nuevas en otras cadenas. Estos problemas también se aplican a otras situaciones en las que se utilizan cadenas en serie-paralelo, no solo en sistemas UPS sino también en aplicaciones de vehículos eléctricos.
Considere una disposición de batería en serie-paralelo con todas las celdas en buen estado, y una se corta o se agota:
- La célula fallida reducirá el voltaje máximo desarrollado para toda la cadena de serie que está dentro.
- Otras cadenas de serie cableadas en paralelo con la cadena degradada ahora se descargan a través de la cadena degradada hasta que su voltaje coincida con el voltaje de la cadena degradada, potencialmente sobrecarga y conduce a la ebullición electrolítica y el sobregaseo de las células buenas restantes en la cadena degradada. Estas cadenas paralelas no se pueden recargar completamente, ya que el voltaje aumentado se desangrará a través de la cadena que contiene la batería fallida.
- Los sistemas de carga pueden intentar medir la capacidad de cadena de batería midiendo el voltaje general. Debido al agotamiento total del voltaje de cadena debido a las células muertas, el sistema de carga puede detectar esto como estado de descarga, y tratará continuamente de cargar las cadenas de paralelo de serie, lo que conduce a sobrecarga continua y daño a todas las células de la cadena de serie degradada que contiene la batería dañada.
- Si se utilizan baterías de ácido de plomo, todas las células de las cadenas paralelas anteriores empezarán a sulfatear debido a la incapacidad de recargarse completamente, lo que dará lugar a que la capacidad de almacenamiento de estas células resulte permanentemente dañada, incluso si la célula dañada en la cadena degradada finalmente es descubierta y reemplazada por una nueva.
La única forma de evitar estas interacciones sutiles de cadenas en serie y paralelo es no usar cadenas en paralelo y usar controladores de carga e inversores separados para cadenas en serie individuales.
Serie de interacciones de batería nueva/vieja
Incluso una sola cadena de baterías conectadas en serie puede tener interacciones adversas si se mezclan baterías nuevas con baterías viejas. Las baterías más viejas tienden a tener una capacidad de almacenamiento reducida, por lo que se descargarán más rápido que las baterías nuevas y también se cargarán a su capacidad máxima más rápidamente que las baterías nuevas.
A medida que se agota una cadena mixta de baterías nuevas y viejas, el voltaje de la cadena caerá y, cuando las baterías viejas se agoten, las baterías nuevas aún tendrán carga disponible. Las celdas más nuevas pueden continuar descargándose a través del resto de la cadena, pero debido al bajo voltaje, este flujo de energía puede no ser útil y puede desperdiciarse en las celdas antiguas como calentamiento por resistencia.
Para las celdas que se supone que funcionan dentro de una ventana de descarga específica, las celdas nuevas con más capacidad pueden hacer que las celdas viejas en la cadena en serie continúen descargándose más allá del límite inferior seguro de la ventana de descarga, dañando las celdas viejas.
Cuando se recargan, las celdas viejas se recargan más rápidamente, lo que lleva a un aumento rápido del voltaje casi al estado de carga completa, pero antes de que las celdas nuevas con más capacidad se hayan recargado por completo. El controlador de carga detecta el alto voltaje de una cadena casi completamente cargada y reduce el flujo de corriente. Las nuevas celdas con más capacidad ahora se cargan muy lentamente, tan lentamente que los productos químicos pueden comenzar a cristalizarse antes de alcanzar el estado de carga completa, lo que reduce la capacidad de la nueva celda durante varios ciclos de carga/descarga hasta que su capacidad se asemeja más a la de las celdas antiguas en la cadena en serie..
Por tales razones, algunos sistemas de administración de UPS industriales recomiendan el reemplazo periódico de matrices de baterías completas que pueden usar cientos de baterías costosas, debido a estas interacciones dañinas entre baterías nuevas y baterías viejas, dentro y entre cadenas en serie y paralelas.
Estándares
- IEC 62040-1:2017 Sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) – Parte 1: Requisitos generales y de seguridad para UPS
- IEC 62040-2:2016 Sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) – Parte 2: Requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC)
- IEC 62040-3:2021 Sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) – Parte 3: Método de especificar los requisitos de rendimiento y prueba
- IEC 62040-4:2013 Sistemas de energía ininterrumpida (UPS) – Parte 4: Aspectos ambientales – Requisitos e informes
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