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

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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.

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Visión de conjunto de las soluciones de protección Soluciones de protección

Fig. 1.1 : Oferta de Productos MGE UPS SYSTEMS.

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Visión de conjunto de las soluciones de protección Software y servicios asociados

Fig. 1.2 : Oferta de Software y Servicios de MGE UPS SYSTEMS.

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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Nociones básicas sobre las instalaciones con UPS (continuación) 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)

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Nociones básicas sobre las instalaciones con UPS (continuación) 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%). Corriente resultante

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

Nociones básicas sobre las instalaciones con UPS (continuación) 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

Nociones básicas sobre las instalaciones con UPS (continuación)

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

Nociones básicas sobre las instalaciones con UPS (continuación) 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.

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cap. 1 - pág. 15

Nociones básicas sobre las instalaciones con UPS (continuación) 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

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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.

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cap. 1 - pág. 18

Cálculo de la potencia (continuación) 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.

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cap. 1 - pág. 19

Cálculo de la potencia (continuación) 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

Cálculo de la potencia (continuación) 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

1 - Potencias aparentes y activas consumidas por las cargas 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

Cálculo de la potencia (continuación) 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.

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cap. 1 - pág. 22

Cálculo de la potencia (continuación) 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.

1 - Potencias aparentes y activas consumidas por las cargas

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%.

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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.

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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".

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cap. 1 - pág. 25

Control de armónicos aguas arriba (continuación) 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

Control de armónicos aguas arriba (continuación) 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.

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cap. 1 - pág. 27

Control de armónicos aguas arriba (continuación) 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 THDI con un 50% 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 O con un 50% 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

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UPS

UPS

Fig. 1.22g no

Solución de "bajo coste" adaptada a las 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 coste" adaptada a las 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 THDI con un 100% de carga THDI con un 50% de carga Armónicos afectados

Flexibilidad, evolutividad Coste

Volumen

** bueno

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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

O con un 100% de carga O con un 50% de carga 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

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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.

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cap. 1 - pág. 31

Esquemas de conexión a tierra (E.C.T.) (continuación) 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.  Interconexión y puesta a tierra de las masas y el neutro obligatorias.  1er fallo - corriente de fallo - desconexión mediante protecciones contra sobreintensidades (por ej.: 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).

 Interconexión y puesta a tierra de las masas y el neutro obligatorias.  1er fallo - corriente de fallo - desconexión mediante protecciones contra sobreintensidades (por ej.: 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 sistemas informáticos.

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.

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cap. 1 - pág. 32

Esquemas de conexión a tierra (E.C.T.) (continuación) 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.

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Normal y by-pass comunes

cap. 1 - pág. 33

Esquemas de conexión a tierra (E.C.T.) (continuación) 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

Mismo régimen aguas arriba y aguas abajo IT o TT o TN-S. Neutro distribuido solamente en red by-pass

Mismo régimen aguas arriba y aguas abajo IT o TT o TN-S. Neutro distribuido en ambas redes.

Mismo régimen aguas arriba y aguas abajo IT o TT o TN-S Neutro distribuido.

Mismo régimen aguas arriba y aguas abajo TN-C

Galaxy 3000, Galaxy 5000

Galaxy 6000 o Galaxy PW

Comet, Galaxy 3000, Galaxy 5000

Galaxy 6000 o Galaxy PW

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. Neutro distribuido en ambas redes.

Cambio de E.C.T. por IT o TT o TN-S aguas abajo. Neutro distribuido en ambas redes.

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

Galaxy 6000 o Galaxy PW

Fig. 1.30: Ejemplos con distintos regímenes aguas arriba y aguas abajo.

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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)

Corriente de ajuste del interruptor 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). Corriente de ajuste del interruptor 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.

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cap. 1 - pág. 36

Protecciones (continuación) 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.

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cap. 1 - pág. 37

Protecciones (continuación) 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.

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cap. 1 - pág. 38

Protecciones (continuación) 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

Protecciones (continuación)

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:.

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cap. 1 - pág. 40

Protecciones (continuación) 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

Protecciones (continuación) 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.

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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.

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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.

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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.

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cap. 1 - pág. 46

Almacenamiento de la energía (continuación) 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".

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Almacenamiento de la energía (continuación) 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.

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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

Criterio de comparación 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 N° 7: aislamiento 99,99968% 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 N° 9: aislamiento 99,99968% 6,5 x M1 **** total, doble barra Criterio de comparación 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

Criterio de comparación 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

** **** ****

UPS adecuados para el esquema Observaciones Comet Galaxy Galaxy Galaxy Galaxy Galaxy 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

UPS adecuados para el esquema Observaciones Comet Galaxy Galaxy Galaxy Galaxy Galaxy 3000 PW 1000PW 5000 6000 S31 Económico, poco voluminoso

„

„

„

„

„

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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.

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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.

Disponibilidad 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.

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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.

Mantenimiento del sistema

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.

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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.

Mantenimiento del sistema

El mantenimiento de uno de los UPS no perjudica a la carga, que sigue estando 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

Aplicable a las gamas Comet, Galaxy 3000, Galaxy PW / 1000PW, Galaxy 5000, Galaxy 6000.

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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.

Mantenimiento del sistema

El mantenimiento de uno de los UPS no perjudica a la carga, que sigue estando 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.

Evolutividad facilitada 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.

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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.

Mantenimiento del sistema

El mantenimiento de uno de los UPS no perjudica a la carga, que sigue estando 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.

Evolutividad facilitada 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

Aplicable a la gama Galaxy 6000. * Potencia para una redundancia N+1.

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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

Un 99,99968% de disponibilidad; un MTBF hasta 6,5 veces superior al MTBF del UPS unitario.

Mantenimiento del sistema

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 NS se lleva a cabo sin perder la redundancia de los UPS.

Evolutividad facilitada 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

Aplicable a la gama Galaxy 6000. * Potencia para una redundancia N+1.

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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

Un 99,99968% de disponibilidad; un MTBF hasta 6,5 veces superior al MTBF del UPS unitario.

Mantenimiento del sistema

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.

Evolutividad facilitada 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

Aplicable a la gama Galaxy 6000.

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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

Un 99,99968% de disponibilidad; un MTBF hasta 6,5 veces superior al MTBF del UPS unitario.

Mantenimiento del sistema

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.

Evolutividad facilitada 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

Aplicable a la gama Galaxy 6000.

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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.

Disponibilidad de la carga

Superior al 99,99970% y con un MTBF más de 7 veces superior al del UPS unitario.

Mantenimiento del sistema

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

Aplicable a las gamas Comet, Galaxy 3000, Galaxy PW / 1000PW, Galaxy 5000, 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.

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cap. 2 - pág. 16

Esquema N° 11: Redundancia de distribución con STS (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. Disponibilidad de la carga Con un índice superior al 99,9999%, ¡es la más alta! Mantenimiento del sistema La redundancia de distribución ofrece la máxima seguridad de mantenimiento gracias a la redundancia total y a las intervenciones fuera de tensión. Evolutividad facilitada 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.

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Esquema N° 12: Redundancia de distribución con STS 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.

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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).

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chap. 2 - p. 19

Los filtros de armónicos homopolares CleanWave (continuación)

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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

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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. MGE UPS SYSTEMS

cap. 3 - pág. 3

Los armónicos (continuación)

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

Los armónicos (continuación) 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

Los armónicos (continuación) 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

Corriente resultante

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 MGE UPS SYSTEMS

P12  Q12  D2

D es la potencia deformante causada por los armónicos. cap. 3 - pág. 6

Los armónicos (continuación) 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

Los armónicos (continuación) 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

Los armónicos (continuación) 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

Los armónicos (continuación) 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).

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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.

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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.

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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 .

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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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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

Compensadores activos de armónicos SineWaveTM (continuación) 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)

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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

Compensadores activos de armónicos SineWaveTM (continuación) 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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Compensadores activos de armónicos SineWaveTM (continuación) 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. MGE UPS SYSTEMS

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Proceso de implantación de los compensadores activos 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

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Proceso de implantación de los compensadores activos (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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Los filtros de armónicos homopolares CleanWave Gama de filtros homopolares de MGE UPS SYSTEMS

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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Los filtros de armónicos homopolares CleanWave (continuación) 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.

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cap. 3 - pág. 23

Los filtros de armónicos homopolares CleanWave (continuación) 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.

Tipos de perturbaciones 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.

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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

Fenómenos atmosféricos, 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.

Fenómenos atmosféricos, 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)

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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".

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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

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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

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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

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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 sistemas informáticos.

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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.

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cap. 5 - pág. 8

Tipos de UPS (continuación) 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.

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cap. 5 - pág. 9

Tipos de UPS (continuación)

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.

Principio de funcionamiento

 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.

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cap. 5 - pág. 10

Tipos de UPS (continuación)  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.

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cap. 5 - pág. 11

Tipos de UPS (continuación) 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.

Principio de funcionamiento

 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.

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cap. 5 - pág. 12

Tipos de UPS (continuación) 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.

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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.

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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.

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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) (dispositivo opcional) Permite adaptar la tensión de la red al valor deseado. MGE UPS SYSTEMS

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Constitución y funcionamiento de un UPS (continuación) Posibles filtros (12)

(dispositivo opcional)  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

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Constitución y funcionamiento de un UPS (continuación) 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.

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Constitución y funcionamiento de un UPS (continuación) * 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.

Tensión de floating

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.

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Constitución y funcionamiento de un UPS (continuación) 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

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Constitución y funcionamiento de un UPS (continuación) 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

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Constitución y funcionamiento de un UPS (continuación) 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.

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Constitución y funcionamiento de un UPS (continuación) 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)

Rectificador-cargador

 Tensión de floating  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.

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Constitución y funcionamiento de un UPS (continuación) 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

Constitución y funcionamiento de un UPS (continuación) 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.

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cap. 5 - pág. 24

Constitución y funcionamiento de un UPS (continuación) 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.

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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.

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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.

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cap. 5 - pág. 27

Comunicación de los UPS (continuación) 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

Comunicación de los UPS (continuación) 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

Comunicación de los UPS (continuación)  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  medio: cable coaxial blindado  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  medio: cable coaxial blindado  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. MGE UPS SYSTEMS

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.

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cap. 5 - pág. 31

Compatibilidad electromagnética (CEM) (continuación) Tipos de perturbaciones

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.

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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

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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

Rango n del Tensión armónico armónica

Rango n del Tensión 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.

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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.

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cap. 5 - pág. 36

Almacenamiento de la energía (continuación) 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.

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cap. 5 - pág. 37

Almacenamiento de la energía (continuación) 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

Almacenamiento de la energía (continuación) 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

Almacenamiento de la energía (continuación) 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.

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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.

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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.

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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.

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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".

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cap. 5 - pág. 45

Armónicos (continuación) 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.

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cap. 5 - pág. 46

Armónicos (continuación) 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). Corriente resultante

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. MGE UPS SYSTEMS

cap. 5 - pág. 47

Armónicos (continuación) 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.

MGE UPS SYSTEMS

cap. 5 - pág. 48

Armónicos (continuación) 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%. MGE UPS SYSTEMS

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) Principio de funcionamiento

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. MGE UPS SYSTEMS

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 Principio de funcionamiento

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.

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cap. 5 - pág. 51

Filtros antiarmónicos (continuación) 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" Principio de funcionamiento

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

Filtros antiarmónicos (continuación) 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.

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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.

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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.

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Fig. 5.40: Filtro de salida de un UPS.

cap. 5 - pág. 55

Cargas no lineales (continuación) 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 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).

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cap. 7 - pág. 21