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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