RESUMEN
En el presente trabajo se analizan distintos tipo de
sistemas de alimentación ininterrumpida, UPS.
En una primera etapa, se exponen distintos tipos de
ingenios, que pueden generar una alimentación
ininterrumpida de energía. A continuación se
presentan términos, características y definiciones,
de los sistemas de alimentación ininterrumpida.
En una segunda etapa se presentan distintas
topologías de UPS, atentos al estado del arte de las misma
"UPS"s state of the art". Seguido de un breve análisis de
los semiconductores utilizados en UPS.
Por último, se trata en forma resumida la carga
de baterías (elemento indispensable en UPS) y algunas
configuraciones de convertidores de corriente continua a
alterna.
En un anexo, se adjuntan hojas de datos
técnicos, de semiconductores comerciales.
TIPOS DE
UPS
Los Sistemas de Alimentación
Ininterrumpida (SAI) o UPS
(Uninterruptible Power Supplies), son equipos que
aseguran la alimentación de la carga en cualquier
instante, independientemente de los fallos de la tensión
de entrada del sistema.
Las UPS, pueden clasificarse según
distintos parámetros.
Según el Tipo de
Corriente en la Carga
Según el tipo de corriente que alimenta la carga,
las UPS se pueden clasificar en dos grupos:
a) UPS de corriente continua b) UPS de
corriente alterna
Las UPS de corriente continua, están
constituidas por un rectificador y por una batería (fig
1.1). El fallo en la red de alimentación en corriente
alterna o un desperfecto en el rectificador no se manifiesta en
la carga, por la acción de la batería.
Fig. 1.1. UPS con salida en
Corriente Continua
Mientras que las UPS de corriente
alterna, adoptan distintas configuraciones, tratando por
supuesto siempre de mantener la tensión en la
carga.
Otra clasificación posible es,
según el tipo de accionamiento.
SEGÚN EL TIPO DE
ACCIONAMIENTO
Las UPS según el tipo de
accionamiento se pueden clasificar en:
a) UPS Estáticas
b) UPS Mecánicas
(rotativas)
c) UPS Híbridas o Mixtas
(electromecánicas, mecatrónicas)
UPS
Estáticas
Las UPS estáticas (se tomará
de ahora en más, solo las del tipo de salida en corriente
alterna CA), están formadas esencialmente por un
rectificador o conversor CA/CC, un acumulador y un
inversor o convertidor de CC a CA (CC/CA).
Fig. 1.2. Topología
básica de una UPS estática
En condiciones normales de la red, ésta provee de
energía a la carga y a la batería. Cuando la
tensión de línea se desactiva por algún
motivo, la batería pasa a alimentar la carga vía el
convertidor CC/CA. La UPS estáticas se verán en
detalle más adelante.
UPS Mecánicas
(rotativas)
Existen varias disposiciones de UPS
rotativas, en este caso solo analizaremos dos:
a) Con motor de combustión
interna
b) Con motor en corriente
continua.
UPS con Motor de
Combustión Interna
Las UPS mecánicas o rotativas están
formadas principalmente por un alternador G (generador de
corriente alterna) acoplado a un motor eléctrico
M1, más un motor de combustión interna
M2, esto todo solidario en un mismo árbol, que
contiene también un volante de inercia, tal
como se muestra en el croquis de la fig. 1.3.
Fig. 1.3. UPS Rotativa con motor a
explosión
Cuando la tensión de la red es normal, el motor
M1, generalmente asincrónico, acciona el alternador
G, que genera la tensión necesaria para alimentar
la carga bajo protección. Cuando la energía de la
línea cesa, el volante hace que el sistema mecánico
continúe girando, por lo tanto generando, hasta que el
motor de combustión interna entre en régimen y siga
accionando el sistema. El acoplamiento del motor de
combustión interna, generalmente Diesel, se efectúa
por medio de un embrague electromagnético, comandado por
un cerebro de control.
Para evitar inconvenientes al retorno de la
energía en la red, se provee al sistema, de un interruptor
en la línea de alimentación del motor M1,
con el fin de efectuar las maniobras necesarias.
Asimismo, cuando retorna la energía a la red
principal y se desacopla el motor a explosión, este se
deja en funcionamiento por un período de aproximadamente
15 minutos, en caso que se vuelva a interrumpir el suministro de
energía o para dejar en optimas condiciones de
lubricación, para un nuevo y rápido
accionamiento.
UPS con Motor de
Corriente Continua
Este sistema de UPS está formado por
un motogenerador de corriente continua M/G, una
batería B, un motor de corriente alterna M y un generador
de corriente alterna G, conectados según la
disposición que se muestra en la fig. 1.4.
En condiciones normales de la red, el motor M
acciona al alternador G, que alimenta a su vez la carga
crítica, mas el motogenerador M/G, que funciona
como generador de corriente continua cargando la batería
B.
En caso de falta de energía en la red, la
batería B pasa a alimentar al motogenerador
M/G, que funciona ahora como motor de corriente continua,
proveyendo la energía mecánica necesaria para
continuar accionando al generador G, que sin
interrupción alimenta la carga
critica.
UPS Híbridas o
Mixtas
Los equipos mixtos son los que utilizan la
combinación de distintos sistemas. Se analizaran solamente
dos tipos.
a) Sistema con motor de corriente
continua y alternador
b) Sistema con motor de corriente
alterna y alternador
Sistema con Motor de
Corriente Continua y Alternador
Este sistema utiliza un motor de corriente
continua M acoplado mecánicamente a un
alternador G y solidario a un volante de inercia,
como se ilustra en la fig. 1.5.
En condiciones normales de red, el interruptor S1
se encuentra cerrado, mientras que S2 permanece abierto.
Vía S1 fluye energía hacia el motor M
desde el rectificador C1, éste a su vez acciona el
volante de inercia y el generador de alterna G. Mientras
que el convertidor C2, mantiene cargada la batería
B.
Cuando la red principal sale de servicio, el interruptor
S1 se libera y a la vez se cierra el interruptor de
continua S2, que permite que la batería B,
pase a alimentar al motor M que continúa entregando
energía mecánica al sistema y por lo tanto al
sistema eléctrico protegido.
En sistemas de potencia se utilizan convertidores de
CA/CC trifásicos formado por diodos semiconductores (fig,
1.6)
Fig. 1.6 UPS mixta con motor en CC y
rectificador polifásico
El contactor de corriente continua
S2, puede ser reemplazado por un diodo de
bloqueo, ver figura 1.7
Fig. 1.7– UPS mixta con motor en CC
y rectificador polifásico, con diodo D2 de
bloqueo.
Sistema con Motor de
Corriente Alterna y Alternador
Esta configuración presenta un caso
típico de UPS híbrida, donde se combinan sistemas
electrónicos con electromecánicos.
La disposición adoptada es la que
muestra la fig. 1.8.
El motor de corriente alterna M, se
encuentra acoplado mecánicamente al alternador
G, y es alimentado por un inversor (convertidor de
CC a CA) de estado sólido que no solo le
provee de corriente alterna al motor, sino que también
controla la velocidad del mismo, a los efectos de
mantener lo mas estable posible la frecuencia de la
tensión generada por G.
Fig. 1.8 UPS, mixta con motor
primario en CA.
El funcionamiento es similar al del caso anterior
excepto que el motor de corriente continua es reemplazado por un
inversor de estado sólido y un motor de corriente
alterna.
Este circuito presenta la ventaja adicional, de poder
regular la velocidad del motor primario por medio del inversor,
con el fin de corregir la frecuencia de la tensión
generada. Principalmente en el instante de transferencia entre la
red y la batería.
CONCLUSIÓN
Los sistema mecánicos o mixtos se utilizan en
determinadas aplicaciones, como ser muy grande potencias, ya que
el costo de instalación y mantenimiento es
alto.
Por otro lado, las piezas sometidas a constante esfuerzo
mecánico sufren el desgaste natural de los sistemas en
movimiento lo que genera mayor propensión de falla, que
sus similares estáticos.
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