SISTEMAS DE RESPALDO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

En esta oportunidad quiero hablarles un poco de los sistemas de respaldo de energía eléctrica, uno de los equipos más utilizados es el UPS (Uninterruptible Power Supply). Un UPS se puede describir como un sistema de alimentación ininterrumpida que dispone de una fuente alternativa de energía, en caso de que se pierda la fuente de alimentación principal, el mismo puede suministrar potencia cuando la fuente primaria no está disponible por causa de alguna perturbación o interrupción.

El tiempo de conmutación entre una y otra fuente de energía debe ser tan reducido que no cause una perturbación en la operación de las cargas, esto se logra a través de un elemento llamado switch estático.

Los componentes básicos de un UPS son: el rectificador, el inversor, un banco de baterías, el switch estático y un interruptor bypass manual, cada uno de estos elementos cumple una función importante para la operación óptima del sistema.

Descripción de los Componentes de un UPS

Rectificador:

Tiene la función de convertir la tensión alterna de la red de suministro principal en tensión continua, el modulo rectificador está conformado por un transformador de aislamiento, un puente rectificador de SCR´s o IGBT´s de 6 o 12 pulsos, en el caso de rectificadores trifásicos. Incluye la protección contra sobretensiones y picos, posee también una etapa de filtrado para mejorar el rizado de la tensión de salida y una lógica de control. El rectificador se diseña con la capacidad de suministrar energía al banco de baterías en la peor condición (banco descargado) a la vez de suministrar energía al inversor para la carga critica.

Banco de baterías:

Las baterías en el UPS tienen como función almacenar energía eléctrica en forma de energía química. Una batería básicamente está conformada por un grupo de celdas electroquímicas interconectadas para logar el potencial o tensión requerido por el sistema. La celda es un dispositivo electroquímico compuesto por placas positivas y negativas dispuestas alternadamente y distanciadas entre sí mediante un separador microporoso, inmersas en un compuesto electrolito. La celda, se dice que esta descargándose cuando un circuito externo es cerrado (ejemplo: Cuando en el UPS falla el rectificador) produciendo el flujo de corriente, la celda va perdiendo potencial electroquímico lo que hace que su tensión descienda.

La carga de la batería se efectúa mediante el rectificador. Durante el proceso de carga se transforma energía eléctrica en energía química.

Inversor:

El inversor tiene como función convertir la tensión continua proveniente del rectificador o de las baterías en la tensión alterna estabilizada en frecuencia y amplitud, que permita a la carga crítica trabajar en cualquier condición. Utiliza dispositivos de estado sólido IGBTs con la tecnología de modulación de ancho del pulso (PWM) para construir la forma de onda alterna de la tensión, incorpora un oscilador, capaz de operar y mantener la frecuencia de salida del inversor dentro de los límites especificados y aceptados por la carga. El oscilador del inversor es capaz de sincronizar la frecuencia y enganche de fase con la frecuencia de la red. Cuando opera con falla en la red de bypass.

Switch estático:

El switch estático tiene como función conectar la carga del UPS a la salida del inversor o a la salida de la red de emergencia. En condiciones normales, la carga será alimentada por la salida del inversor. Cualquier anomalía que se presentara sobre el inversor (falla, sobrecarga, tensión de salida fuera de los valores tolerantes, etc.) el Switch Estático se encargará de transferir la carga a la red de emergencia sin que esto ocasione una interrupción del servicio eléctrico a la carga.

Interruptor bypass manual:

Su función principal es la de proveer la alimentación a la carga durante un eventual mantenimiento del UPS o de una falla prolongada del módulo Inversor.

Modos de Operación de un UPS

Normal:

El inversor continuamente alimenta la carga crítica en CA. El rectificador/cargador toma energía desde una fuente de CA, generalmente la red de servicio eléctrico y suministra potencia en CC al inversor, y simultáneamente mantiene al banco de baterías en carga de flotación.

El inversor convierte la energía CC en energía de CA con una forma de onda sinusoidal limpia y regulada, que posteriormente es suministrada a la carga crítica a través de un swicth estático.

Emergencia:

Cuando se pierde la alimentación de CA en el rectificador, por una perturbación instantánea (menos de ½ ciclo), momentánea (entre ½ ciclo y 3 seg), temporal (entre 3 seg y 1 min) o sostenida (mayor a un minuto), la carga critica en CA es suplida por el inversor que toma su potencia desde el banco de baterías.

La carga no se verá afectado por la perturbación, es decir que el cambio de la fuente de alimentación del inversor no afectara la operación de la carga critica.

La carga será alimentada por un tiempo determinado, el cual depende de la capacidad y autonomía del banco de baterías.

Recarga:

Cuando se restablece la energía de CA que alimenta el rectificador del UPS, aun si las baterías están completamente descargadas, el UPS re-arrancará. El rectificador efectuará un arranque suave y gradualmente asumirá la carga del inversor y la recarga de las baterías. Si la falla en la red CA tuvo una duración superior a la autonomía de la batería se habrá producido la transferencia de la carga a la red de emergencia, a través del switch estático, luego que se restablezca la operación en el rectificador e inversor, la carga será transferida al UPS a través del switch estático, y el sistema entrara nuevamente en operación normal.

Red de emergencia:

Ante una falla del inversor, o cuando las baterías están completamente descargadas, el switch estático ejecuta la transferencia de la carga desde el inversor a la red de emergencia sin ninguna interrupción de potencia a la carga critica. El UPS está provisto con un interruptor para bypass manual de mantenimiento, permitiendo la intervención para mantenimiento de todos los componentes de UPS (rectificador, inversor, switch estático y transformadores).

Debido a la importancia de un sistema de respaldo de energía eléctrica como el UPS en los sistema de control de procesos, gestión de datos y respaldo hospitalario, se hace cada vez más necesario incorporar las revisiones de rutina de mantenimiento preventivo/predictivo para evitar la falla funcional de estos equipos en los momentos más importantes (cuando se pierde el suministro eléctrico por interrupción o perturbación).

A continuación, se mencionan algunas de las comprobaciones necesarias para mantener un seguimiento efectivo a la condición de los UPS.

Pruebas funcionales de conmutación de carga desde el inversor a la red de emergencia.

Simulación de falla de red principal, falla de rectificador y falla de inversor.

Comprobar la totalidad de las alarmas y verificar las comunicaciones.

Realizar el ensayo de descarga al banco de baterías y determinar el porcentaje de autonomía remanente.