Comparación de los UPS con y sin transformador de aislamiento

Resumen ejecutivo

Existe un creciente interés por usar módulos de UPS sin transformador en implementaciones críticas de respaldo, trifásicas y de alta potencia (por ejemplo, 200kW a 5MW). Sin embargo, muchas organizaciones no tienen claro cuál arquitectura, con transformador o sin este, se adapta mejor a sus necesidades particulares.

En general, los sistemas de UPS con transformador son muy robustos y se distinguen por proporcionar altas capacidades y disponibilidad al mismo tiempo que simplifican la administración del voltaje interno y externo y el control de la corriente durante fallos. Los diseños sin transformador más recientes ofrecen una eficiencia y flexibilidad mejoradas y ocupan menos área, al mismo tiempo que proporcionan altos niveles de disponibilidad. Impulsados por la demanda de los diseñadores de centros de datos, la mayoría de proveedores líderes de UPS ofrecen las dos topologías.

Actualmente, los sistemas grandes sin transformador se componen de bloques modulares de construcción que proporcionan alta potencia en un paquete compacto y ligero. Este diseño modular ofrece ventajas cuando no se sabe con exactitud cuándo cambiarán los requisitos de la carga pues permite agregar capacidad (física o en los ajustes del control) con más facilidad según las necesidades. Sin embargo, un diseño modular se traduce en una mayor cantidad de componentes, lo cual podría resultar en un reducido tiempo promedio entre fallos (MTBF, por sus siglas en inglés) de la unidad y más mantenimiento.

Para centros de datos corporativos de alta potencia y otras implementaciones críticas, un moderno UPS con transformador proporciona una disponibilidad ventajosa. Los transformadores dentro del UPS proporcionan una administración integrada de fallos y aislamiento galvánico así como una gran compatibilidad con los requisitos del sistema crítico de distribución de energía, los cuales se deben tomar en cuenta cuando se diseña un sistema de UPS de alta disponibilidad. El desarrollo tecnológico y las opciones de configuración permiten que los más recientes diseños con transformadores funcionen con niveles más altos de eficiencia comparados con los diseños anteriores y los hace comprables con los modelos sin transformador en términos de eficiencia.

Sin embargo, si la eficiencia operacional, la flexibilidad de expansión o la limitación del área que ocupa el UPS son de suma importancia y se implementan otras medidas apropiadas para proporcionar un nivel aceptable de disponibilidad, la tecnología sin transformador podría ser una elección apropiada. En general, 200kW corresponde a un umbral por debajo del cual las ventajas de ahorro de espacio, menos peso y costo de los sistemas de UPS sin transformador superan la robustez y una mayor capacidad de los sistemas con transformador. Estas implementaciones por debajo de los 200kW se pueden beneficiar de la alta eficiencia y un excelente acondicionamiento de la energía de entrada gracias a los componentes activos de los diseños sin transformador. Además, la escalabilidad de un UPS modular sin transformador puede ayudar a evitar una sobre capacidad excesiva mientras se mantiene la eficiencia operacional.

NOTA: Las recomendaciones en este artículo técnico se pretenden para centros de datos críticos con base en los estándares y las prácticas de diseño de Norteamérica. Las condiciones, prácticas y regulaciones en otras partes del mundo podrían afectar los criterios de selección.

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Introducción

Los UPS sin transformador subsanan la necesidad de sistemas de UPS trifásicos, más livianos, compactos, altamente eficientes en un mercado que hasta hace poco había estado dominado por los sistemas de UPS con transformador. Este artículo técnico aborda los factores que se debe tomar en cuenta cuando se debe escoger entre un diseño de UPS con transformador o sin este.

Los dos enfoques usan un proceso de doble conversión (Figura 1) para proteger la alimentación eléctrica crítica. Se usa un rectificador en la entrada para convertir la corriente alterna en corriente directa y mantener la fuente de almacenamiento de CD (batería) y el suministro al inversor CD a CA. A su vez, el inversor proporciona corriente alterna a la carga crítica. En caso de un corte de la corriente alterna, el inversor sigue proporcionando un suministro acondicionado de CA desde la batería de CD (o desde otro sistema de almacenamiento de energía). Los tableros eléctricos de entrada y salida y las unidades de distribución de energía (PDU, por sus siglas en inglés) completan el flujo básico de energía hacia las cargas de TI (racks).

La diferencia principal entre las dos tecnologías corresponde al uso respectivo de los transformadores. Un UPS con transformador podría tener un transformador antes del rectificador y requiere un transformador de aislamiento después del inversor para derivar el voltaje que llega a la carga crítica. Los diseños de UPS sin transformador cuentan con tecnologías de potencia y control electrónico para eliminar la necesidad de un transformador de aislamiento como parte integral de la sección de salida del inversor. Esto se muestra en las Figuras 2 y 6.

Los avances en los semiconductores de potencia y control han permitido que aumenten las frecuencias de conmutación del conversor por modulación por ancho de pulsos (PWM, por sus siglas en inglés), lo que impulsa el uso de IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) en el rectificador. Los IGBT se han utilizado dentro de los inversores durante muchos años; las frecuencias más altas de conmutación por PWM mejoran el desempeño general del inversor.

Los dos enfoques (con transformador o sin este) se pueden diseñar para alcanzar los objetivos clave de un desempeño de calidad del suministro de los UPS, como la disponibilidad, la adaptabilidad y fácil mantenimiento. No obstante, un ingeniero quien diseña un centro de datos grande debe ser cuidadoso y tomar en cuenta los costos y los beneficios de utilizar una de las dos tecnologías pues las dos afectan los criterios generales de desempeño de las instalaciones.

Figura 1. Diagrama de funcionamiento de un UPS básico de doble conversión.

Fuente Rect PDU RackInv

Interrup. Bypass

Suministro eléctrico

Tablero Tablero

UPS básico de doble conversión

Batt

3

UPS con transformador

La Figura 2 muestra un diagrama de bloques simplificado de un moderno UPS con transformador. Los sistemas grandes normalmente se fabrican con base en subensamblajes duraderos y hay unidades individuales con una capacidad de hasta 1100kVA.

Los componentes clave de este diseño incluyen los siguientes

• Un filtro pasivo (inductores y capacitores) en la entrada del rectificador para reducir la distorsión de la corriente de entrada y mejorar el factor de potencia.

• Un rectificador con base en SCR de seis pulsos (o doce pulsos) en la entrada. De manera opcional, un transformador adicional (Xfmr) proporciona aislamiento de CA-CD para el bus de CD y la batería.

• Un sistema de almacenamiento de energía de CD (comúnmente baterías) conectado directamente al bus de CD entre el rectificador y el inversor para proporcionar una potencia continua de

salida de CA durante la pérdida de potencia de la entrada de CA. Este ejemplo usa 540VCD.

• Un inversor de PWM con base en IGBT en la salida.

• Un transformador de aislamiento (Xfmr) en la salida del inversor para derivar el voltaje apropiado de salida. Este también proporciona un punto sólido y conveniente para referenciar el neutral de salida de CA a la conexión a tierra. Esta conexión a tierra neutral proporciona una excelente reducción del ruido del modo normal.

• Un filtro pasivo en la salida del inversor proporciona un suministro de voltaje de CA con una distorsión muy baja.

• AUn conmutador automático con bypass (conmutador estático) con semiconductores de potencia (SCR) transfiere inmediatamente la carga a una fuente alternativa si se presenta una alteración de la salida del UPS.

Figura 2. Diagrama de un UPS con transformador.

Transfor. Transfor.Rect InvPWM

Pasivo

Opcional

SCR

6-P o 12-P

IGBT

Filtro

Pasivo

540 VCD

Interrup. Bypass

SCR

Batt

Filtro

4

Detalles del rectificador

Los rectificadores de los UPS con transformador son técnicamente elegantes, robustos y ampliamente acreditados. Estos usan técnicas con filtros pasivos en la entrada para producir niveles relativamente bajos de distorsión de la corriente de entrada y un relativamente alto factor de potencia de entrada. Los modelos con transformador de menor potencia (menos de 500kW) comúnmente incorporan un SCR de seis pulsos (Figuras 3 y 4). Las unidades de alta potencia (500kW y más) normalmente usan un diseño de 12 pulsos (Figura 5).

Los transformadores con aislamiento de la entrada son opcionales con rectificadores de seis pulsos (Figura 3-4) y necesarios con los rectificadores de doce pulsos (Figura 5). Junto con el aislamiento de la salida del inversor, un transformador de aislamiento de la entrada del rectificador aislará la fuente de entrada de CA del UPS y la carga crítica de salida de CA de los fallos de la conexión a tierra del bus de CD. Esta característica es tal vez más común para bancos remotos de baterías (particularmente, aquellos con racks abiertos) o sistemas de conexión a tierra de CA de alta resistencia.

Los SCR se conmutan naturalmente con el voltaje de la línea y presentan una aplicación muy eficiente y robusta. El control de la fase de SCR inherentemente cuenta con un arranque gradual (walk-in) al encenderse y no tiene componentes adicionales para el control

de la potencia. El voltaje de CD de salida se regula en la entrada del inversor y en la carga la batería con un amplio rango de voltaje de la fuente de entrada.

Una característica de funcionamiento normal de un rectificador de seis pulsos corresponde a la generación de corrientes armónicas en la fuente de entrada. Un rectificador de seis pulsos generará una distorsión armónica total (THD, por sus siglas en inglés) superior a un 30%. Por lo tanto, en la mayoría de implementaciones, se incluye un filtro pasivo de entrada (capacitancia además de inductancia) para disminuir la distorsión de la corriente en un 10% al mismo tiempo que mejora el factor de potencia de entrada.

Un rectificador de doce pulsos con un filtro reducirá la distorsión de la corriente a menos de un 5% y mejorará todavía más el factor de potencia de entrada, aunque los sistemas adicionales magnéticos tienen un costo en la eficiencia.

Con cargas ligeras en el UPS, un filtro pasivo en la entrada puede obligar la corriente de entrada del UPS a un factor de potencia de adelanto (carga capacitiva) y debe considerarse en los controles del generador. La mayoría de los fabricantes de UPS ofrecen opciones para eliminar las condiciones de un factor de potencia de adelanto con cargas ligeras.

Figura 3. UPS con aislamiento en la salida y rectificador con SCR y 6 pulsos (6-P).

6-P

A

B

C

N

ABC

540 VCD

480 VCA o208 VCA

480 VCA

Transf. ISO

5

Bus de CD – Detalles de almacenamiento de energía

El sistema de almacenamiento de energía de CD (Batería, Figura 2) del diseño con transformador se conecta directamente al bus de CD, lo que conecta la salida del rectificador a la entrada del inversor (Figura 3, 4 y 5) y contribuye, así, a la confiabilidad. La formación de este circuito proporciona un excelente desempeño durante el corte del suministro eléctrico pues la batería cargada se encuentra disponible inmediatamente. Sin embargo, como la batería está conectada a la salida del rectificador y a la entrada del inversor, se encontrará sometida a los voltajes y corrientes con pulsos de CA. Aunque estas corrientes con pulsos se mitigan con un ensamblaje de capacitor con filtro de CD, estas todavía se dan en menor grado y podrían tener algún efecto en la batería, especialmente con temperaturas ambiente más altas. Un diseño apropiado minimiza el efecto de los pulsos en la batería.

Detalles del inversor

Los inversores de los UPS con transformador son relativamente simples, robustos y están acreditados. Estas unidades usan un inversor IGBT-PWM (Figuras 3, 4 y 5) y funcionan con un voltaje inferior de la batería/

bus de CD (540 VCD se usan como ejemplo). Estos usan técnicas con filtros pasivos de la salida para producir niveles relativamente bajos de distorsión de las corrientes de salida con un rango razonable de características de la carga conectada. Un filtro pasivo de salida trabaja con la impedancia del transformador para facilitar un voltaje con ondas sinusoidales con armónicas bajas (inferior a un 5% de THD) para todas las condiciones de funcionamiento de la carga. La potencia de salida de CA trifásica del inversor fluye a través de un transformador con aislamiento y conexiones delta-estrella trifásicas, las cuales proporcionan flexibilidad para combinaciones de voltaje de salida/entrada del UPS. La configuración neutral y voltaje de salida de cuatro cables del UPS se establece con una conexión estrella secundaria al transformador. Esto asegura un aislamiento magnético (galvánico) del sistema de baterías de CD de la salida de CA del UPS. Cuando un transformador se usa con un rectificador, la entrada de CA también contará con un aislamiento galvánico del bus de CD.

Con un transformador de salida, el voltaje de salida de CA del UPS no necesita igualar el voltaje de entrada del rectificador, pero si debe ser igual al voltaje del bypass. La fuente del voltaje de bypass y la del voltaje del rectificador pueden ser fuentes separadas.

Figura 4. UPS con un rectificador con SCR y seis pulsos (6-P) y aislamiento de la salida/entrada.

Figura 5. UPS con un rectificador con SCR y doce pulsos(12-P) y aislamiento de la salida/entrada.

A

B

C

N

ABC

540 VCD

480 VCA o208 VCA

480 VCA

Transfor. IS0Transfor. IS0

12-P

6-P

A

B

C

N

ABC

540 VCD

480 VCA o208 VCA

480 VCA

Transfor. IS0

ABC

Transfor. IS0

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UPS sin transformador con un rectificador de PWM

Las topologías sin transformador reemplazan las funciones simples de transformación magnética y pasiva de voltaje con circuitos electrónicos de potencia de estado sólido. La Figura 6 muestra un diagrama de bloques simplificado de un diseño de UPS sin transformador. Hay diferencias clave entre este circuito y la unidad en la Figura 2

Al reemplazar los componentes pasivos de potencia (transformadores, capacitores, inductores) con ensamblajes de circuitos de potencia con técnicas de conversión de potencia de PWM, los rectificadores de los UPS sin transformador son físicamente más pequeños y producen pocas armónicas en la corriente de entrada con aproximadamente un factor de potencia valor 1.

Normalmente, la batería del UPS en implementaciones sin transformador se conecta al bus interno de CD (unos 800VCD en este ejemplo) con un conversor integrado bidireccional de CD/CD. Esto pone un elemento adicional de conversión de potencia en serie con la batería.

Con técnicas parecidas de conversión de potencia de PWM, los inversores en los UPS sin transformador son físicamente similares, y producen pocas armónicas en el voltaje de salida en un rango más amplio de características de la carga conectada.

La función de bypass (conmutadores estáticos del bypass) es similar al diseño con transformador. Sin embargo, si no se agregan transformadores externos, la entrada de CA del bypass debe tener el mismo voltaje que la salida de CA del inversor.

Los UPS sin transformador normalmente se diseñan para salas de computadoras en filas o para salas de equipos. Las unidades completas de UPS sin transformador son con regularidad un ensamblaje de marcos estándar más módulos de potencia y control. Un UPS sin transformador es más ligero y pequeño que el diseño con transformador con una potencia equivalente tanto con respecto al volumen como al espacio físico. Sin embargo, puede ser necesario agregar transformadores externos para un aislamiento de CA-CD, por razones de seguridad o cambios de voltaje de CA y para alcanzar flexibilidad de la distribución de la energía. Al agregar transformadores externos el espacio físico y el peso total de las instalaciones podrían ser mayores que con un diseño de UPS sin transformador con implicaciones para la eifciencia de todo el sistema. Si se debe agregar transformadores a una unidad sin transformador para hacerla compatible con las instalaciones, una unidad con transformador podría ser una mejor solución.

Figura 6. Diagrama de un UPS sin transformador.

Batt

Interrup. Bypass

Rect PWM

IGBT

>800 V

540 VCD

InvPWM

IGBTPasivo

SCR

SCR

Conv CD/CD

FiltroConmutador

estáticoTransfor.

Opcional

Transfor.

Opcional

7

Figura 7. UPS sin transformador con tres cables.

B

A

C

ABC

480 VCA

480 VCACONVERSOR

CD/CD

540 V

>800 V

Detalles del rectificador

En el UPS sin transformador típico, el rectificador SCR se reemplaza con un rectificador PWM IGBT trifásico, con factor de potencia y forma corregida de onda de la corriente. Los algoritmos de control y funcionamiento expanden las funciones básicas de la rectificación y la regulación de CD para controlar la forma de onda de la corriente de entrada, la corrección del factor de potencia y las funciones de arranque gradual.

Además de su función principal de rectificación de energía de CA a CD, el rectificador ahora tiene la capacidad de regular la corriente de entrada de aproximadamente un factor de potencia de valor 1 y una distorsión de la corriente de entrada por debajo del 3 al 5% a carga plena. Por ende, no es necesario un filtro pasivo de entrada tan grande como los de los diseños con transformador. Como el factor de potencia no cambia con la carga, la entrada en kVA es aproximadamente igual a la entrada en kW en todas las condiciones, lo que permite un interruptor de entrada con menos capacidad y más parecido a la capacidad del generador.

Bus de CD – detalles del almacenamiento de energía

El diseño sin transformador usa la batería diferente al diseño con transformador descrito en la sección anterior. La batería no está conectada directamente al bus de CD, pero mantiene su carga gracias a una carga complementaria de la batería (un conversor de CD/CD) (Figura 7). Esto también evita los efectos en aumento del paso del tiempo de la batería debido a las corrientes armónicas de CD del inversor/rectificador.

Durante los cortes eléctricos, la batería debe descargarse a través del ensamblaje del conversor de CD/CD, el cual actúa como un regulador durante la descarga de la batería. Este regulador dará como resultado eficiencias reducidas de conversión CD/CA en algunos niveles de carga, pero la curva de eficiencia es, en general, más plana que en las unidades con transformador. Los componentes adicionales del conversor de CD/CD y el cargador de la batería de CD/CD reducen gradualmente el tiempo promedio entre fallos de la unidad de UPS.

Cabe destacar que no hay un aislamiento galvánico en la entrada de CA o en la salida de CA en esta configuración. Si se prefiere eliminar el riesgo de los fallos de CD al propagarse al alimentador de entrada y al bus crítico de salida, se necesita un transformador de aislamiento externo en la entrada del rectificador o en la salida del inversor. Los transformadores de aislamiento también se recomiendan para las baterías, en particular las baterías abiertas en rack, instaladas largo de la unidad de UPS.

Detalles del inversor

La salida del inversor PWM trifásico se filtra pasivamente y se presenta en las terminales de salida del UPS sin pasar por un transformador de salida. Este proporciona una salida de tres cables (Figura 7). En algún diseño se podría requerir un cuarto ramal de conmutación del inversor para balancear el voltaje del bus de CD cerca de cero voltios o respaldar una salida de cuatro cables (trifásico más neutro) (Figura 8). Si se requiere un neutro (es decir, una salida de conexión estrella de cuatro cables) en la salida del inversor, se necesitaría un neutro de capacidad plena que pase desde la fuente de entrada de CA del bypass o del rectificador hasta la salida de inversor y la carga conectada.

8

Cabe destacar que en esta implementación sin transformador, la salida normal tiene tres cables y requiere que los voltajes de CA de entrada, salida y bypass sean los mismos. También se recomienda (aunque no es necesario, si se siguen los lineamientos adecuados de implementación) que los circuitos de entrada y de bypass vengan de la misma fuente de CA.

Con una salida del inversor de tres cables, el acoplamiento a un diferente voltaje de distribución (por ejemplo, a 208/120 voltios de salida con una entrada de 480 VCA) se dará circuitos abajo en una unidad de distribución de energía (PDU). La PDU requiere un transformador de aislamiento que también proporcionará la formación del neutro de salida de la PDU y un punto de conexión a tierra local.

Características técnicas y diferencias de desempeño

Al mismo tiempo que logran objetivos similares de desempeño de alta disponibilidad, las unidades de UPS con transformador y sin transformador usan enfoques un poco diferentes para cumplir los requisitos específicos de desempeño de la salida.

En aplicaciones del sistema de UPS, los transformadores proporcionan un aislamiento pasivo de fallos, mitigación de arcos eléctricos, reducción del ruido eléctrico, cambios de voltaje, una referencia de neutro sólido y algún grado de limitación de corrientes de fallo. Las unidades de UPS sin transformador usan todas las técnicas de conversión activa de potencia para cumplir un desempeño parecido. Las unidades con transformador integran sistemas magnéticos pasivos con menos componentes de conversión activa de

potencia, lo que da como resultado una unidad de UPS relativamente más robusta y sencilla.

Al escoger entre una solución de UPS con transformador y sin este, el diseñador del sistema debe determinar dónde se aprovecha más los transformadores y si estos deben ser internos o externos al UPS con respecto a las limitaciones y a los requisitos de distribución eléctrica y física. Esta sección repasa las técnicas y limitaciones de los diferentes rectificadores, almacenamiento de energía, inversores y bypass estáticos de los dos diseños de UPS en varios desempeños. Planeamiento del sitio y adaptabilidad

Muchos usuarios creen que los UPS sin transformador proporcionan una mayor flexibilidad para cumplir los inciertos requisitos futuros. Los diseños sin transformador normalmente son más pequeños que aquellos con transformador de la misma potencia, lo cual permite colocar el UPS más cerca de donde se usará la potencia o en un piso elevado más ligero (libras/pie cuadrado).

El incluir un UPS sin transformador en un sistema crítico de distribución de energía no significa que todos los transformadores en el trayecto de potencia se pueden quitar, si no que permite que el diseñador del sistema coloque transformadores solo dónde se necesitan. Los transformadores de aislamiento, los cuales están integrados en los UPS con transformador, siempre se necesitan para desempeñar funciones específicas dentro del sistema crítico de distribución de energía:

Figura 8. UPS sin transformador con cuatro cables.

NN

480 VCA

480 VCA

B

A

C

ABC

CONVERSOR CD/CD

>800 V

540 V

9

• Establecer una fuente independiente derivada de cuatro cables (trifásico más neutro) a partir de la entrada de tres cables.

• Colocar puntos locales para las conexiones neutral a tierra.

• Establecer puntos de conexión a tierra locales por seguridad, así como reducción del ruido en modo normal.

• Permitir fuentes separadas de entrada del bypass y del rectificador.

• Permitir que el voltaje de distribución de entrada sea diferente al voltaje de entrada de la carga crítica.

• Proporcionar una impedancia adicional de la fuente para reducir los arcos eléctricos y la corriente de fallo.

• Una implementación más fácil y un rendimiento mejorado de los sistemas de conexión a tierra de alta resistencia.

• Manejar las cargas desbalanceadas conectadas a la estrella cuando funcionan con una distribución de tres cables.

• Mejorar el desempeño de los dispositivos contra sobrecorrientes (fusibles y disyuntores) al reducir la resistencia del trayecto de corriente de fallo.

Una vez que se determina dónde podrían hacer falta los transformadores en el sistema, los UPS sin transformador podrían permitir una colocación óptima en el trayecto de distribución de energía. Empero, se debe recordar que los UPS con transformador cuentan con algunas de estas funciones internamente como parte del diseño del sistema, un potencial beneficio para la confiabilidad.

Confiabilidad y disponibilidad

Los UPS con transformador tienen una confiablidad inherente mayor debido a la cantidad reducida de partes, robustas configuraciones redundantes y un mantenimiento simplificado. También se benefician de las innovaciones tecnológicas y una base sólida de miles de años-máquina de experiencia y perfeccionamiento.

El más reciente diseño de UPS sin transformador logra su desempeño de alta disponibilidad con avanzadas tecnologías de conversión de potencia, redundancia, modularidad, administración activa de fallos y las lecciones aprendidas con los diseños con transformador. Todos los

principales fabricantes de UPS producen las dos topologías para implementaciones críticas y subsanar, así, las necesidades del diseñador del sistema de UPS.

Las unidades de UPS con transformador usan una combinación de sistemas de administración activa y pasiva de fallos, al mismo tiempo que los sistemas sin transformador usan un diseño de control solamente activo. Las estrategias de control y los procesos expandidos de conversión de potencia dentro del rectificador PWM, conversor CD/CD y el inversor de los UPS sin transformador se comparan un poco menos favorablemente con el tiempo promedio entre fallos previsto de la unidad. El hecho de que hay unidades individuales de UPS con transformador de hasta 1100kW mientras que los módulos más grandes de UPS sin transformador cuentan con menos de 300kW, demuestra el límite potencial de disponibilidad de los componentes en paralelo en un UPS sin transformador cuando se requiere más de un módulo para alcanzar la capacidad. Sin embargo, al analizar el tiempo promedio entre fallos para mantener la carga crítica (MTBF, por sus siglas en inglés) y la disponibilidad de la potencia crítica, los dos tipos de productos son similares.

Robustez

En términos generales, la robustez es una expresión para expresar el nivel cualitativo de abuso y se refiere a que el sistema de UPS puede manejar una capacidad mayor al 100% al mismo tiempo que cumple los requisitos de disponibilidad. Tanto los UPS con transformador como sin este pueden proporcionar una capacidad de sobrecarga dinámica excelente y similar para eventos de carga dinámica trifásica o fase a neutro. Las unidades proporcionan un manejo automático de sobrecargas y fallos temporales en la red de distribución de circuitos abajo y pueden facilitar una conexión en paralelo inmediata con el bypass de CA para respaldar el manejo de sobrecargas y fallos de la carga. Los UPS con transformador suman el beneficio de algún grado de manejo pasivo de fallos con los transformadores y filtros internos. La mayoría de diseños con transformador usan interruptores en puntos clave de desconexión (entrada, salida, bypass y batería). Estos interruptores brindan una protección contra sobrecorrientes y permiten una mayor capacidad para despejar fallos.

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Algunos diseños sin transformador podrían usar una combinación de contacto y fusible que puede producir problemas durante ciertas condiciones de fallo o sobrecarga. Específicamente, un IGBT del inversor puede fallar, lo cual podría causar que el contacto se suelde e introduzca una corriente de CD en el bus crítico. Además, la mayoría de contactos no pueden abrirse durante las condiciones de fallo de CD o situaciones con altas corrientes de fallo de CA, las cuales se pueden manejar de forma sencilla con un interruptor del tamaño apropiado. También, en un UPS con transformador, la corriente de fallo de CD no puede pasar a través del transformador de aislamiento. Como resultado, el alimentador de entrada o el bus crítico no puede experimentar ninguna condición de fallo de CD o fallos de CD en cascada.

Aislamiento del sistema de almacenamiento de energía de CD

Los transformadores internos o externos pueden mejorar la confiabilidad del bus de CD de varias maneras. Los transformadores agregan un grado de impedancia al circuito de potencia que ayuda a reducir paulatinamente la magnitud de las corrientes en fallo. Un transformador de salida asociado con el inversor ayudará aún más a aislar la salida de CA de los fallos de CD. De la misma manera, un transformador de entrada evita que un fallo de conexión a tierra de CD cause un fallo de conexión a tierra de CA en la fuente de entrada. Los fallos de CD de alta impedancia, típicos con baterías abiertas, solo se pueden detectar cuando se usan dos transformadores de aislamiento. Si se incluye un transformador de salida de CA y de entrada de CA en el sistema de alimentación, la entrada de CA y la salida de CA no se verán afectadas por los fallos de CD a tierra, los sensores de fallos de conexión a tierra de CD funcionarán mejor y los procedimientos de mantenimiento de la batería serán significativamente más seguros. Se puede preferir el aislamiento de CD cuando se usa baterías abiertas en rack (por ejemplo, celdas inundadas) y particularmente cuando se colocan en salas remotas de baterías. Interfaz del generador

El filtro de entrada en los diseños con transformador es lo suficientemente grande en kVAR para producir que el factor de potencia de entrada se vuelva de adelanto (capacitivo) cuando el UPS tiene una carga ligera (menos del 40%). Esto puede causar problemas de control del generador (grupo

electrógeno) si no se toman en cuenta durante el diseño de integración del generador/UPS. Los kVAR agregados del filtro también requieren que el generador tenga un mayor tamaño cuando se compara con la capacidad de potencia del UPS. Por esta razón, la mayoría de fabricantes de UPS ofrecen una opción para automáticamente eliminar el factor de potencia de adelanto con cargas ligeras.

El diseño sin transformador, con un factor de potencia de valor 1 y una baja distorsión de la corriente de entrada en el rango de carga plena de salida, evita estas características y permite un funcionamiento más cercano al generador. El generador todavía podría necesitar ser de mayor tamaño en algún grado para manejar la carga plena crítica además de recargar las baterías.

Como una nota extra con respecto al diseño del sistema, asegúrese confirmar que el generador así como cualquier otro componente de distribución de potencia puede manejar el factor de potencia de la carga crítica y la distorsión de la corriente de CA por separado del UPS. De vez en cuando, el UPS estará en bypass, con la carga crítica potenciada directamente desde el suministro eléctrico de entrada, el generador u otra fuente alternativa de CA.

Consideraciones de la salida del UPS

El transformador de salida en un diseño de UPS con transformador proporciona flexibilidad del voltaje de salida, fases y conexión a tierra. El transformador con conexiones delta-estrella se puede configurar como un delta de tres cables (trifásico más tierra) o conexión estrella de cuatro cables (trifásico más neutro más tierra), salida del sistema de 600, 480, 400 o 208 voltios. La conexión estrella permite cumplir la definición de neutro derivado separado del Código Eléctrico de EE.UU. También permite conectar el neutro a tierra y establecer una distribución local de referencia. Los puntos de conexión a tierra para fuentes separadas de entrada de CA del bypass y de la entrada de CA del rectificador no necesitan acoplarse, como se requiere en los diseños sin transformador.

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El diseño del UPS sin transformador normalmente implementado como un sistema de tres cables únicamente de entrada y salida con el mismo voltaje de salida que el de entrada (Figuras 6 y 7). El establecer el neutro (es decir la salida de conexión estrella de cuatro cables) para la distribución ocurre circuitos abajo en un transformador de aislamiento, sea independiente o dentro de una unidad de distribución de energía.

Si se requiere un neutro de salida en un UPS sin transformador, se agrega un cuarto ramal al inversor (Figura 8). El neutro creado no tiene un aislamiento magnético y se referenciará a la entrada (rectificador o bypass) con varias impedancias. Esta carencia de aislamiento puede crear retos cuando se requiere manejar el voltaje neutro con cargas de línea a neutro. Físicamente a capacidad plena, el cable de conductor neutro de baja impedancia (para un desempeño apropiado de protección contra sobrecorrientes) debe pasar por la fuente de entrada de CA hasta la carga circuitos abajo, lo que se traduciría en un costo adicional. Por otro lado, esto podría reducir la necesidad de colocar transformadores circuitos abajo y reduce potencialmente el costo general del sistema.

Conexión a tierra de alta resistencia

Algunos diseñadores implementan sistemas de conexión a tierra de alta resistencia para proteger contra el disparo innecesario de los interruptores en caso de fallos de conexión a tierra de bajo nivel. Los sistemas de conexión a tierra de alta resistencia también permiten localizar y darle mantenimiento a los fallos de conexión a tierra de bajo nivel de manera más sencilla y segura. Estos sistemas son fáciles de instalar en los sistemas de UPS con transformador. Los diseños sin transformador necesitarán agregar componentes al sistema para proporcionar los puntos necesarios de separación de la conexión eléctrica a tierra.

Disponibilidad de la corriente de fallo

Un requisito clave para todos los productos de UPS es su habilidad para manejar las corrientes internas de fallo mientras evita perturbar el funcionamiento de la carga crítica. Los diseñadores del sistema deben realizar los cálculos de la magnitud de la corriente de fallo como parte

de su diseño de administración general de fallo. Las unidades con transformador manejan este requisito de administración de fallos con la combinación de una impedancia magnética interna (efectos para limitar la corriente) y técnicas de control activo de fallos.

Los UPS sin transformador tienen, por lo general, la capacidad de pasar más corriente de fallo por su estructura hacia los circuitos en fallo pues la limitación de la impedancia podría ser solo una función de los semiconductores de potencia del rectificador y del inversor. Las unidades sin transformador dependen de medios activos complejos de acciones rápidas para lograr un nivel de administración de fallos similar al de los diseños con transformador.

Es importante destacar que el flujo en el bypass estático de cualquiera de las dos topologías representa un camino aún más directo de las corrientes de fallo desde la fuente de entrada del bypass a la carga de salida o a las corrientes de retorno al inversor. Un transformador en la salida del inversor reduce la magnitud de la corriente interna de fallo en algún grado, dependiendo de cómo el transformador de salida se conecta dentro del sistema de UPS.

Arcos eléctricos

Los arcos eléctricos son una consecuencia de corto circuitos que forman arcos debido a una baja impedancia y están alimentados por uno o más trayectos de la fuente de energía. Se debe tomar en cuenta muchos factores cuando se calcula la energía de los arcos eléctricos, lo que incluye lo siguiente: los niveles de voltaje de la fuente, la magnitud potencial de la corriente de fallo, las impedancias de la fuente, la cantidad de trayectos contribuyentes y las características de disparo del interruptor (tiempo más magnitud).

El diseño y ubicación física del UPS dentro del trayecto de potencia crítica de la infraestructura también influenciará la energía disponible que podría utilizarse dónde se encuentra el fallo. En general, la impedancia de los transformadores incluidos dentro del UPS con transformador disminuirá la energía de fallo disponible dentro del sistema de distribución circuitos abajo.

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Con un UPS sin transformador, el diseñador del sistema podría determinar que se debe agregar un transformador externo circuitos abajo del UPS para ayudar a limitar las corrientes en fallo y, por lo tanto, los niveles de energía de los arcos eléctricos. Esto se traduce en la diferencia entre necesitar un Nivel 1 PRE (Equipo protector personal - cubierta de algodón resistente al fuego) y Nivel 4 PPE (un casco, guantes y traje con aislamiento y protección contra arcos eléctricos) durante los procedimientos de mantenimiento.

Aislamiento

Además de manejar la corriente de fallo y la mitigación de los arcos eléctricos, los sistemas de distribución eléctrica deben incluir medidas para dividir en secciones el alimentador y los circuitos ramales para lo siguiente:

• Administrar los conductores de neutro y de tierra.

• Limitar la longitud de los circuitos cerrados de corriente de neutro y de fallo (reduce la corriente por impedancia).

• Proporcionar trayectos seguros a tierra.

• Limitar el ruido eléctrico de modo normal.

Otras funciones pueden incluir la transformación de voltaje, transformación de conexión delta-estrella, formación de neutral, aislamiento de circuito CA a CD a CA y reducir el riesgo durante los procedimientos de mantenimiento. Los transformadores de frecuencia de la línea constituyen el método típico para proporcionar todas estas funciones. Los transformadores internos dentro de las unidades de UPS con transformador proporcionan soluciones magnéticas integradas e integrales para casi todas estas funciones. Estos se diseñaron y evaluaron como un paquete completo. Si se necesita otros puntos locales de neutral/conexión a tierra, se pueden agregar con transformadores externos adicionales.

Aunque el diseño más compacto sin transformador beneficia en tamaño y peso, no proporciona las funciones internas de aislamiento y distribución eléctrica mencionadas anteriormente. El beneficio para el diseñador del sistema es la capacidad de colocar transformadores solo donde

se determina que son necesarios y no duplicados, lo cual permite ahorrar potenciales costos, espacio y peso. Estos beneficios deben balancearse con el hecho de que las unidades de UPS y los transformadores de aislamiento de terceros no se pueden diseñar y evaluar como un sistema en la fábrica, lo que crea la posibilidad de pasar por alto algún aspecto del diseño del sistema, como los requisitos de aislamiento de la doble fuente de entrada de CA o las necesidades de mitigación de los arcos eléctricos.

Mantenimiento

El mantenimiento es un reflejo de la comodidad, seguridad, velocidad, exactitud y riesgo de realizar el mantenimiento de los componentes del sistema de UPS. El diseño con transformador tiene una larga historia de facilidad de mantenimiento y seguridad para el personal de servicio. El aislamiento magnético y la impedancia que proporcionan los transformadores integrados constituyen una ventaja cuando se planean acciones de mantenimiento. La mayoría de sistemas de UPS sin transformador usan técnicas modulares para que puedan recibir mantenimiento de manera confiable en secciones mientras se mantiene el funcionamiento de la carga crítica con un riesgo mínimo. Costo total de propiedad

Cuando se toma en cuenta el costo total de propiedad de un sistema de UPS, es importante incluir tanto la inversión inicial o gastos de capital, como los gastos operativos para energizar, mantener y darle mantenimiento.

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• Costos iniciales o de capital: Debido a la ausencia de transformadores, la mayoría de los módulos de UPS sin transformador serán más baratos que los modelos con transformador. También ocuparán un área más pequeña y reducen la necesidad expandir el espacio del centro de datos. El costo/beneficio de estos sistemas puede ser engañoso si un ingeniero determina que se requiere un transformador de aislamiento de la entrada y/o salida. El agregar transformadores necesarios además del UPS resulta en costos generales de compra más elevados, un área total de producción mayor y más mano de obra para instalar y conectar el cableado del equipo adicional. Además, el transformador externo podría no estar tan bien coordinado como lo sería con un diseño de UPS con transformador.

• Costos operativos: Tantos los módulos de UPS con transformador y sin este pueden lograr una eficiencia y desempeño a carga plena similares, aunque el diseño sin transformador tiene la ventaja. Los dos diseños normalmente cuentan con opciones para optimizar la eficiencia, las cuales incluyen permitir que la carga crítica funcione normalmente en el modo de bypass del UPS (“eco-mode”), y se transfiera al inversor del UPS en solo unos pocos milisegundos cuando la fuente de entrada tiene una perturbación fuera de los límites.

• La evolución tecnológica constantemente afecta la eficiencia relativa de las soluciones con transformador o sin este. Después de muchos años de optimizar el desempeño, los sistemas de UPS con transformador lograron una curva de eficiencia relativamente plana con un 30% al 80% de carga durante el funcionamiento de un centro de datos típico de Nivel (Tier) 3 y 4. Los más recientes diseños sin transformador también tienen curvas muy planas de hasta un 20% de capacidad y tienen niveles de eficiencia en el rango del 96% en el modo de doble conversión. Se requiere un estudio del diseño completo del sistema para determinar el impacto de las eficiencias relativas conforme se agregan transformadores, y de la eficiencia de esos transformadores.

Figura 9. Comparación de las características del rendimiento de los diseños de UPS con transformador o sin este.

CaracterísticasCon

TransfSin

Transf

Tamaño y peso (se prefiere pequeño/ligero)

+ +++

Flexibilidad de colocación (ocupa menos área)

+ +++

Administración de la forma de onda de entrada de CAt

+ +++

Compatibilidad del grupo electrógeno + +++

Costo inicial del sistema (extremo a extremo)

++ +++

Adaptabilidad/Escalabilidad/Modularidad

++ +++

Eficiencia del sistema del UPS ++ +++

Eficiencia del eco-mode del UPS ++ +++

Desempeño dinámico de la salida (que incluye el eco-mode)

+++ +++

Disponibilidad del sistema +++ +++

Distribución delta (3 cables) +++ +++

Administración de fallos/resistencia +++ ++

Distribución con conexión estrella (4 cables+neutral)

+++ +

Implementación de conexión a tierra de alta resistencia

+++ +

Cantidad de componentes +++ +

Entrada/CD/aislamiento de la salida +++ +

Flexibilidad de la configuración de la salida/entrada

+++ +

Confiablidad, por unidad t +++ +

La mejor= +++ Mejorada = ++ Buena = +

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Conclusión

La disponibilidad de la salida de CA de los UPS con transformador ha mejorado consistentemente con el pasar de las décadas; conforme se han refinado y evaluado los componentes, los diseños y las técnicas de fabricación y control. El desempeño también ha mejorado significativamente al mismo tiempo que se ha reducido la cantidad de componentes. Estos diseños, principalmente para la instalación en salas de equipos, han consistido en gran medida en un ensamblaje compuesto de subensamblajes que se pueden reparar y cambiar. Conforme la fuente principal de potencia para las aplicaciones críticas de alta potencia (más de 200kW), la disponibilidad observada en el campo ha llegado a niveles sorprendentes.

Al mismo tiempo, las topologías de UPS sin transformador han surgido para cumplir la demanda de sistemas de UPS más ligeros, eficientes, flexibles y que ocupan menos espacio. El precio de estas mejoras del rendimiento ha sido el reemplazo de algunos componentes que aunque robustos se traducen en un tamaño y peso mayores (por ejemplo, transformadores, inductores, capacitores) con equivalentes electrónicos de potencia implementados con muchos más componentes empacados en subensamblajes modulares que se pueden cambiar en el campo. Es razonable esperar que, mientras logra valores de disponibilidad de salida del sistema que se acercan a aquellos logrados con los diseños con transformador, las unidades sin transformador tendrán tasas de llamadas de servicios un poco mayores que sus contrapartes con transformador.

Los transformadores, internos o externos al UPS, son necesarios para aislar los circuitos y para puntos locales de conexión a tierra y neutral, así como para proporcionar puntos de transformación del voltaje. Esto facilita, por ejemplo, la implementación de instalaciones de muy alta densidad con base en fuentes de distribución de 600 voltios, que subsecuentemente se reducen a 208/120 voltios para las implementaciones de carga de TI. Cuando se utiliza en conjunto con un enlace interno de CD del UPS, se puede facilitar un aislamiento de la entrada de CA a CD y de la salida CD a CA, y reducir o eliminar el riesgo de que fallos de CD se propaguen aguas arriba o aguas abajo del UPS. Debido a las solicitudes de diseñadores de centros de datos, la mayoría de proveedores líderes de UPS siguen ofreciendo las dos topologías como parte de las soluciones que necesitan transformadores.

Un resumen del desempeño más alto de los dos diseños se muestra en la Figura 9.

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