revisión teórica - - apc usa · 2013-02-22 · - los motores pueden causar caídas de tensión...

APC by Schneider Electric Edición de 01/2012 pág. 1

Revisión teórica

Índice Suministro de cargas sensibles .................................... 2

Tipos de perturbaciones eléctricas .......................................................2 Principales perturbaciones en energía eléctrica de baja tensión ..........3

SAI .................................................................................... 4 La solución SAI ....................................................................................4 Aplicaciones de SAI .............................................................................5

Tipos de SAI .................................................................... 7 SAI estático o rotativo ..........................................................................7 Tipos de SAI estáticos ..........................................................................9

Componentes y funcionamiento del SAI....................... 16 Componentes de un SAI ......................................................................16 Principales características de los componentes del SAI ......................19 Diagrama recopilatorio de las características principales .....................24 Modos de funcionamiento de los SAI ...................................................25 Configuraciones de los SAI ..................................................................26

Tecnología ....................................................................... 28 SAI sin transformador ...........................................................................28

Compatibilidad electromagnética (EMC) ...................... 34 Perturbaciones electromagnéticas .......................................................34 Normas y recomendaciones de EMC ...................................................35

Normas de SAI ................................................................. 36 Ámbito y cumplimiento de las normas ..................................................36 Principales normas que regulan los SAI ...............................................36

Almacenamiento de energía ........................................... 39 Posibles tecnologías ............................................................................39 Baterías ................................................................................................39 Volantes de inercia ...............................................................................43

Combinación de SAI / grupo electrógeno ..................... 46 Uso de un generador ............................................................................46 Combinación de SAI / grupo electrógeno .............................................46

Condiciones de carga transitoria .................................. 48 Análisis de corrientes de energización .................................................48

Armónicos ....................................................................... 49 Armónicos ............................................................................................49 Valores de armónicos característicos ...................................................51

Cargas no lineales y tecnología PWM ........................... 54 Rendimiento de cargas no lineales de SAI mediante tecnología PWM 54 Comparación de distintas fuentes ........................................................57 Recorte de frecuencia libre...................................................................58

Rectificador PFC ............................................................. 60


Suministro de cargas sensibles

Los sistemas de distribución de alimentación, tanto públicos como privados, en teoría suministran a los equipos eléctricos una tensión sinusoidal de amplitud y frecuencia fijas (por ejemplo, 400 voltios de valor eficaz, 50 Hz, en sistemas de tensión baja). No obstante, en condiciones reales, las compañías eléctricas indican el grado de fluctuación en torno a los valores nominales. La norma EN 50160 define las fluctuaciones normales en la tensión de alimentación de baja tensión en sistemas de distribución europeos de la forma siguiente: • Tensión del +10% al -15% (valores eficaces medios en intervalos de diez minutos), de la cual el 95% debe encontrarse en el rango +10% cada semana. • Frecuencia del +4% al 6% en un año con un ±1% para el 99,5% del tiempo (conexiones síncronas en un sistema interconectado). Sin embargo, en términos prácticos, además de las fluctuaciones indicadas, la onda sinusoidal de tensión siempre está deformada en cierta medida debido a varias perturbaciones que se producen en el sistema. Consulte el Documento Técnico WP 18 "The Seven Types of Power Problems" ("Los siete tipos de problemas de alimentación") Orígenes de las perturbaciones Alimentación de la red eléctrica La alimentación de la red eléctrica puede verse distorsionada o incluso cortarse por los fenómenos siguientes: • Fenómenos atmosféricos que afectan a las líneas aéreas o subterráneas: - Los rayos pueden producir una sobretensión transitoria imprevista en el sistema. - La escarcha se puede acumular en las líneas aéreas y provocar su caída. • Accidentes: - La caída de una rama en una línea, que puede producir un cortocircuito o la caída de la línea. - El corte de un cable, durante la excavación de zanjas o la realización de otros trabajos de construcción, por ejemplo. - Un fallo en el sistema de alimentación de red eléctrica. • Desequilibrado de fases • Cambio de dispositivos de control o protección en el sistema de alimentación de red eléctrica para la interrupción de la carga o la realización de tareas de mantenimiento. Equipamiento del usuario Algunos equipos pueden interferir con el sistema de alimentación de red eléctrica, como: • Equipamiento industrial: - Los motores pueden causar caídas de tensión debidas a corrientes de energización durante el arranque. - Los equipos como hornos de arco y soldadoras pueden causar caídas en la tensión e interferencias de alta frecuencia. • Equipos de electrónica de potencia (fuentes de alimentación conmutada, unidades de velocidad variable, balastos electrónicos, etc.) que suelen generar armónicos. • Instalaciones de edificios, como ascensores, que provocan corrientes de energización o iluminaciones fluorescentes que generan armónicos. Tipos de perturbaciones En la tabla siguiente aparecen resumidas las perturbaciones que se deben a las causas anteriores, de acuerdo con las definiciones contenidas en las normas EN 50160 y ANSI 1100-1992.

Tipos de perturbaciones eléctricas

Consultar WP 18


Suministro de cargas sensibles (cont.)

Perturbaciones Características Principales causas Principales consecuencias Interrupciones del suministro eléctrico Microcortes

Ausencia total de tensión ≤ 10 ms.

Condiciones atmosféricas, conmutación, fallos, trabajos en la red eléctrica.

Funcionamiento con fallos y pérdida de datos (sistemas informáticos) o producción interrumpida (procesos continuos).

Interrupciones

Ausencia total de tensión durante más de un periodo: - Interrupción breve: ≤ 3 minutos (el 70% de las interrupciones duran menos de 1 s) - Interrupción larga: > 3 minutos

Condiciones atmosféricas, conmutación, fallos, incidentes, caídas de la línea, trabajos en la red eléctrica.

En función de la duración, apagado de máquinas y riesgos para las personas (por ejemplo, ascensores), pérdida de datos (sistemas informáticos) o producción interrumpida (procesos continuos).

Variaciones en la tensión Bajadas de la tensión

Reducción del valor eficaz de tensión por debajo del 90% del valor nominal (pero por encima del 0%), y regreso a un valor superior al 90% en un periodo de entre 10 ms y 1 minuto.

Fenómenos atmosféricos, fluctuaciones de la carga, cortocircuito en un circuito vecino.

Apagado de máquinas, fallos de funcionamiento, daños en el equipo y pérdida de datos.

Sobretensión

Aumento temporal a más del 10% por encima de la tensión nominal, durante un periodo de entre 10 ms y unos segundos.

- Calidades de los sistemas de transmisión y generadores de la red eléctrica. - Interacción entre los generadores y las fluctuaciones de la carga en el sistema de alimentación de red eléctrica. - Activación del sistema de alimentación de red eléctrica. - Detención de cargas de alta potencia (como motores y baterías de condensadores).

- Para sistemas informáticos: corrupción de datos, errores de procesamiento, apagado del sistema, tensión en los componentes. - Aumento de la temperatura y deterioro prematuro del equipo.

Subtensión

Caída de la tensión que puede durar desde unos segundos hasta varios días.

Pico en el consumo, cuando la red eléctrica no puede satisfacer la demanda y debe reducir su tensión para limitar la alimentación.

Apagado de los sistemas informáticos. Corrupción o pérdida de datos. Aumento de la temperatura. Deterioro prematuro del equipo.

Aumento repentino de la tensión

Incremento significativo inesperado de la tensión (por ejemplo, 6 kV).

Impactos de rayos cercanos, descargas estáticas.

Errores de procesamiento, corrupción de datos, apagado del sistema. Daños en equipos informáticos, marcadores electrónicos.

Desequilibrio de tensión (en sistemas de tres fases)

Condición en la que el valor eficaz de las tensiones de fase o los desequilibrios entre fases no son iguales.

- Hornos de inducción. - Cargas de una fase desequilibradas.

- Aumento de la temperatura. - Desconexión de una fase.

Variaciones de frecuencia Fluctuaciones de frecuencia

Inestabilidad en la frecuencia. Por lo general, +5%, - 6% (valor promedio para intervalos de diez segundos).

- Regulación de generadores. - Funcionamiento irregular de operadores. - Fuente de frecuencia inestable.

Estas variaciones superan las tolerancias de algunos instrumentos y hardware de equipos informáticos (a menudo ±1%) y, por lo tanto, puede ocasionar la pérdida o corrupción de datos.

Parpadeo Parpadeo en los sistemas de iluminación debido a una caída de la tensión y la frecuencia. (< 35 Hz).

Soldadoras, motores, hornos de arco, máquinas de rayos X, láseres, baterías de condensadores.

Perturbaciones fisiológicas.

Otras perturbaciones Oscilaciones momentáneas de alta frecuencia

Incremento significativo inesperado de la tensión muy breve. Similar a un aumento repentino de la tensión.

Fenómenos atmosféricos (rayos) y conmutación.

Destrucción del equipo, deterioro acelerado, avería de componentes o aislantes.

Duración breve < 1 µs Amplitud entre < 1 y 2 kV a frecuencias de varias decenas de MHz.

Arranque de pequeñas cargas inductivas, apertura y cierre repetidos de contactores y relés de baja tensión.

Duración media > 1 µs y ≤ 100 µs El valor pico es entre ocho y diez veces superior al valor nominal en hasta varios MHz.

Fallos (rayos) o conmutación de alta tensión transmitida al sistema de baja tensión por acoplamiento electromagnético.


Suministro de cargas sensibles (cont.)

Duración larga > 100 µs El valor pico es entre cinco y seis veces superior al valor nominal en hasta varios centenares de MHz.

Detención de cargas inductivas o fallos de alta tensión transmitidos al sistema de baja tensión por acoplamiento electromagnético.

Distorsión armónica

Distorsión de la onda sinusoidal de tensión y corriente debida a corrientes de armónicos usadas por cargas no lineales. El efecto de los armónicos por encima del orden 25º es insignificante.

Máquinas eléctricas con núcleos magnéticos (motores, transformadores de descarga, etc.), fuentes de alimentación conmutada, hornos de arco, unidades de velocidad variable.

Sobredimensionamiento del equipo, aumento de la temperatura, fenómenos de resonancia con condensadores, destrucción del equipo (transformadores).

Compatibilidad electromagnética (EMC)

Perturbaciones radiadas o conducidas, ya sean electromagnéticas o electrostáticas. El objetivo es garantizar niveles de emisión bajos y niveles de inmunidad altos.

Conmutación de componentes electrónicos (transistores, tiristores, diodos), descargas electrostáticas.

Fallos de funcionamiento de dispositivos electrónicos sensibles.


SAI

Las actividades económicas modernas dependen cada vez más de las tecnologías digitales, que son muy sensibles a las perturbaciones eléctricas. Por consiguiente, muchas aplicaciones requieren una fuente de alimentación de reserva para protegerse del riesgo de perturbaciones en la alimentación de la red eléctrica: • Procesos industriales y sus sistemas de control/supervisión: riesgos de pérdidas de producción. • Aeropuertos y hospitales: riesgos para la seguridad de las personas. • Tecnologías de la información y la comunicación relacionadas con Internet: riesgos de desconexión del procesamiento con costes de inactividad por hora muy altos debidos a la interrupción en el intercambio de datos fundamentales, necesario para las compañías con presencial mundial. SAI Un SAI (sistema de alimentación ininterrumpida) se utiliza para garantizar la alimentación de aplicaciones sensibles. Un SAI es un dispositivo eléctrico, ubicado entre la red eléctrica y las cargas sensibles, que suministra tensión y ofrece: • Alta calidad: la onda sinusoidal de salida no está expuesta a las perturbaciones en la alimentación de la red eléctrica, y dentro de unas tolerancias de amplitud y frecuencia rigurosas. • Alta disponibilidad: el suministro continuo de tensión, dentro de las tolerancias especificadas, se garantiza mediante una fuente de alimentación de reserva. La fuente de reserva suele ser una batería que, si es preciso, entra en acción sin interrumpir el suministro para reemplazar la alimentación de la red eléctrica y proporcionar el tiempo de autonomía que requiere la aplicación. Estas características convierten a los SAI en la fuente de alimentación ideal para todas las aplicaciones sensibles, puesto que garantizan la calidad y la disponibilidad de la energía, sea cual sea el estado de alimentación de la red eléctrica. Componentes de un SAI Por lo general, un SAI consta de los componentes principales que se enumeran a continuación. Rectificador/cargador Emplea la alimentación de la red eléctrica y produce una corriente CC para alimentar al inversor y cargar o recargar la batería. Inversor Regenera por completo una onda sinusoidal de salida de tensión de alta calidad: • No está expuesto a las perturbaciones de alimentación de la red eléctrica, en especial los microcortes. • Se encuentra dentro de las tolerancias compatibles con los requisitos de dispositivos electrónicos sensibles (por ejemplo, tolerancias en amplitud ± 0,5% y frecuencia ± 1%, en comparación con el ± 10% y el ± 5% de los sistemas de alimentación de red eléctrica, que corresponden a unos factores de mejora de 20 y 5, respectivamente. Nota: en algunas ocasiones el término "inversor" se emplea para designar un SAI, cuando en realidad solo es una parte del SAI. Batería La batería proporciona la autonomía de funcionamiento suficiente (de 6 minutos a varias horas) entrando en acción para reemplazar la alimentación de la red eléctrica según sea preciso. Derivación estática La derivación estática garantiza la transferencia sin cortes de la carga del inversor a la red eléctrica directa y viceversa. La transferencia sin cortes es llevada a cabo por un dispositivo que implementa rectificadores controlados de silicio o SCR (en ocasiones denominado interruptor estático). La derivación estática permite continuar suministrando la carga incluso si se produce un fallo o durante la realización de tareas de mantenimiento en el rectificador/cargador y en los módulos de inversor. También puede servir para que

La solución SAI


SAI

las transferencias recurran a la alimentación total aguas arriba disponible en caso de sobrecargas (por ejemplo, cortocircuitos) que superan la capacidad del SAI. Durante el funcionamiento en la derivación estática, la alimentación de la red eléctrica suministra directamente la carga y deja de estar protegida (funcionamiento en modo degradado). Derivación de mantenimiento Esta derivación se puede utilizar para suministrar la carga directamente con la alimentación de la red eléctrica, sin recurrir al inversor o al interruptor estático. El usuario inicia la transferencia a la derivación de mantenimiento con conmutadores. Mediante el accionamiento de los conmutadores necesarios, se aísla la derivación estática y el inversor para el mantenimiento, mientras se continua suministrado la carga en modo degradado.


SAI (cont.)

HV/LV transformer

HV system

Non-sensitive loads

Normal utility power(disturbances andsystem tolerances)

Static bypass

Maintenance bypass

Inverter

Battery

Rectifier/charger

Sensitive loads

UPS

Reliable power(no disturbances, within

strict tolerancesand available due to

battery backup power)

Fig. 5.1. La solución SAI.

Los SAI se utilizan para una amplia variedad de aplicaciones que requieren que la energía eléctrica esté disponible en todo momento y no se vea afectada por las perturbaciones que puedan afectar al sistema de alimentación de la red eléctrica. En la tabla a continuación se enumeran múltiples aplicaciones. Para cada una de ellas, indica la sensibilidad de la aplicación a las perturbaciones y el tipo de SAI adecuado para la protección. Las aplicaciones que requieren este tipo de instalación son: • Sistemas informáticos • Telecomunicaciones • Industria e instrumentos • Otras aplicaciones Las tipologías de SAI requeridas se enumeran en la página 9, "Tipos de SAI estáticos". Incluyen SAI estáticos que implementan las tipologías siguientes: • Espera pasiva • Interacción con el sistema de distribución • Conversión doble

Aplicaciones de SAI


SAI (cont.)

Aplicaciones de SAI Aplicación Dispositivos protegidos Protección requerida contra Tipo de SAI

(consultar pág. 8) Microcortes

Interrupciones

Variaciones en la tensión

Variaciones de frecuencia

Otros

Sistemas informáticos Centros de datos - Compartimentos grandes para

servidores montados en bastidor - Centros de datos en Internet

***** ***** ***** ***** ***** Conversión doble

Redes de empresa - Conjuntos de equipos informáticos con terminales y dispositivos periféricos (unidades de almacenamiento en cinta, unidades de disco, etc.)

***** ***** ***** ***** ***** Conversión doble

Redes y servidores pequeños

- Redes compuestas por PC o estaciones de trabajo, redes de servidor (WAN, LAN)

**** **** *** *** ** Interacción con el sistema de distribución

Equipos informáticos independientes

- PC, estaciones de trabajo - Dispositivos periféricos: impresoras, trazadores, correo de voz

** ** * * ** Espera pasiva

Telecomunicaciones Telecomunicaciones - Centralitas automáticas privadas

digitales ***** ***** ***** ***** ***** Conversión doble

Industria e instrumentos Procesos industriales - Control de procesos

- PLC - Sistemas de control numérico - Sistemas de control - Sistemas de supervisión/control robótico - Máquinas automáticas

*** ***** *** *** **** Conversión doble

Ámbito médico y laboratorios

- Instrumentación - Escáneres (60 Hz) **** ***** **** **** *** Conversión doble

Equipamiento industrial

- Máquinas herramientas - Robots de soldadura - Prensas de inyección de plástico - Dispositivos de regulación precisa (tejidos, papel, etc.) - Equipo de calefacción para la fabricación de semiconductores, cristales, materiales puros

*** **** *** *** *** Conversión doble

Sistemas de iluminación - Edificios públicos (ascensores, equipos de seguridad) - Túneles - Alumbrado de pistas en aeropuertos

** **** *** *** ** Conversión doble Interacción con el sistema de distribución

Otras aplicaciones Frecuencias especiales - Conversión de frecuencia

- Fuentes de alimentación para aviones (400 Hz)

**** **** **** ***** *** Conversión doble

* Baja sensibilidad a las perturbaciones. ***** Alta sensibilidad a las perturbaciones.


Tipos de SAI

Soluciones SAI estáticas o rotativas Existen dos tipos principales de SAI [figura 5.2 y detalles en el Documento Técnico WP 92 - "Comparison of Static and Rotary UPS" (Comparación de SAI estáticos y rotativos)], que se diferencian principalmente por la forma en que se implementa la función de inversor del SAI. Solución estática Estos SAI utilizan solamente componentes electrónicos para llevar a cabo la función de inversor. Se obtiene una "función de inversor estático". Solución rotativa Estos SAI utilizan máquinas rotativas para llevar a cabo la función de inversor. Se obtiene una "función de inversor rotativo". De hecho, estos SAI combinan un motor y un generador con un inversor estático altamente simplificado. El inversor elimina las perturbaciones de alimentación de la red eléctrica y solamente regula la frecuencia de su tensión de salida (por lo general en forma de "onda cuadrada") que suministra un grupo electrógeno regulado que en ocasiones se combina con un volante de inercia. El grupo electrógeno genera una onda sinusoidal de tensión de salida que toma la frecuencia de salida del inversor como referencia.

Fig. 5.2. SAI estáticos y rotativos. Comparación Solución rotativa Los argumentos que suelen exponerse a favor de esta solución son: • Alta corriente de cortocircuito mediante generador por un valor de 10 In (diez veces la corriente nominal) que facilita la instalación de dispositivos de protección. • Capacidad de sobrecarga del 150% (de la corriente nominal) durante un periodo más largo (dos minutos en vez de uno). • Instalación aguas abajo aislada galvánicamente de la entrada de CA aguas arriba debido al grupo electrógeno. • Impedancia interna que proporciona una alta tolerancia a las cargas no lineales que suelen encontrarse en las fuentes de alimentación conmutada que utilizan los sistemas informáticos.

SAI estático o rotativo

Consultar WP 92


Tipos de SAI (cont.)

Solución estática Comparación con las ventajas de las soluciones rotativas Los SAI estáticos de APC by Schneider Electric ofrecen las ventajas indicadas a continuación. • Funcionamiento en modo de limitación de corriente (por ejemplo, hasta 2,33 In para MGE Galaxy 5000) con discriminación garantizada para circuitos con capacidad de hasta In/2. Estas características, que son más que suficientes en la práctica, evitan los inconvenientes de los sistemas rotativos: - Sobrecalentamiento de cables - Los efectos de una corriente de cortocircuito excesiva y la correspondiente caída de tensión en dispositivos sensibles, durante el tiempo que necesitan los dispositivos protectores para solucionar el fallo. • Capacidad de sobrecarga del 150% (de la corriente nominal) durante un minuto. La capacidad de sobrecarga de dos minutos no es práctica porque la mayoría de las sobrecargas son muy breves (menos de un segundo, por ejemplo corrientes de energización, transformadores y electrónica de potencia). • Aislamiento galvánico, cuando es preciso, mediante un transformador de aislamiento. • Operación de conversión doble que aísla completamente la carga de la alimentación de la red eléctrica y regenera la tensión de salida con una regulación precisa de la amplitud de tensión y la frecuencia. • Impedancia muy baja para un mayor rendimiento con cargas no lineales debida al uso de tecnologías de transistor de potencia. Otras ventajas Las soluciones estáticas también proporcionan muchas otras ventajas, gracias a la combinación de la tecnología de transistor de potencia y una técnica de recorte PWM. • Diseño general simplificado, con un menor número de piezas y conexiones, así como un menor número de posibles causas de fallo. • Capacidad para reaccionar al instante a las fluctuaciones de frecuencia y amplitud de la alimentación de la red eléctrica mediante la regulación de conmutación controlada por microprocesador y basada en técnicas de muestreo digital. La amplitud de tensión regresa a las condiciones reguladas (± 0,5% o ± 1% en función del modelo) en menos de 10 milisegundos para cambios en los pasos de carga de hasta el 100%. En el intervalo de tiempo indicado, un cambio en los pasos de carga de este tipo produce una variación en la tensión de carga inferior al ± 2% para MGE Galaxy PW y Galaxy 5000, por ejemplo. • Alta eficacia constante, sea cual sea el porcentaje de carga, lo cual supone una gran ventaja para las unidades SAI redundantes con bajos porcentajes de carga. Una unidad SAI estática con una carga del 50% mantiene un alto nivel de eficacia (94%), mientras que la eficacia de un SAI rotativo disminuye al 88%-90% (valor típico), con un impacto directo en los costes de funcionamiento. • Configuraciones redundantes que proporcionan una alta disponibilidad con sistemas de suministro especialmente fiables (por ejemplo para centros de datos). • Posible integración en arquitecturas redundantes con funciones separadas que facilitan el mantenimiento mediante el aislamiento de algunas piezas de la instalación. Los sistemas rotativos integran el SAI, la alimentación de autonomía y el generador en un único componente, por lo que es imposible separar las funciones. • No existe ningún punto único de fallo. Los sistemas rotativos que incorporan volantes de inercia dependen de la capacidad del motor para iniciarse con rapidez (normalmente en menos de 12 segundos). Esto significa que el motor debe estar en perfectas condiciones y recibir un mantenimiento riguroso. Si no se inicia, no hay tiempo para cerrar las cargas críticas de forma ordenada. Debe tener también en cuenta las siguientes ventajas: • Dimensiones y peso reducidos • No se produce desgaste en las piezas rotativas, lo que hace que el mantenimiento sea más fácil y rápido. Por ejemplo, los sistemas rotativos requieren la comprobación de la alineación de las piezas rotativas, y la sustitución de los cojinetes después de entre dos y seis años es una operación importante (equipos de elevación, calentamiento y refrigeración de los cojinetes durante la sustitución). Conclusión



Debido a las ventajas indicadas anteriormente, los SAI estáticos se emplean en la amplia mayoría de los casos, y sobre todo para aplicaciones de alta potencia. En las páginas siguientes, el término sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) se emplea para referirse a la solución estática.



Normas SAI Debido al gran aumento en el número de cargas sensibles, el término "SAI" ahora incluye dispositivos de varios centenares de VA para equipos de escritorio y hasta varios MVA para centros de datos y centros de telecomunicaciones. Al mismo tiempo, se han desarrollado distintas tipologías y los nombres utilizados para los productos disponibles en el mercado no siempre son claros (o incluso pueden inducir a errores) para los usuarios finales. Por este motivo, la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) estableció unas normas que determinan los tipos de SAI y las técnicas utilizadas para medir sus niveles de rendimiento, y dichos criterios fueron adoptados por el Comité Europeo de Normalización Electrotécnica (Cenelec). La norma IEC 62040-3 y su equivalente europeo EN 62040-3 definen los tres tipos estándar (topologías) de SAI y sus niveles de rendimiento. Las tecnologías SAI incluyen: ● Espera pasiva ● Línea interactiva ● Doble conversión Alimentación de entrada de CA Estas definiciones hacen referencia al funcionamiento de los SAI con respecto a la fuente de alimentación, incluido el sistema de distribución aguas arriba del SAI. Las normas definen los términos siguientes: • Alimentación principal: alimentación que normalmente está disponible de forma continua, por lo general suministrada por una compañía de producción de energía eléctrica, pero en algunas ocasiones por la propia generación del usuario. • Alimentación de reserva: alimentación cuya finalidad es reemplazar la alimentación principal en caso de fallo en el suministro de la alimentación principal. En términos prácticos, un SAI tiene una o dos entradas: • Entrada de CA normal (o Red 1), suministrada por la alimentación principal. • Entrada de CA de derivación (o Red 2), suministrada por la alimentación de reserva (en términos generales, mediante un cable por separado del mismo cuadro de conexión de tensión baja principal). SAI con funcionamiento en modo de espera pasiva El SAI está instalado en paralelo con respecto a la red eléctrica y hace de reserva. La batería se carga mediante un cargador que es independiente del inversor. Principio de funcionamiento • Modo normal - El inversor funciona en modo de espera pasiva. - La carga es suministrada por la alimentación de la red eléctrica mediante un filtro que elimina determinadas perturbaciones y proporciona un cierto nivel de regulación de tensión. - Las normas no mencionan este filtro y hablan simplemente de un "interruptor SAI". También indican que "se pueden incorporar dispositivos adicionales para proporcionar acondicionamiento energético, por ejemplo, un transformador ferrorresonante o un transformador con regulación automática". • Modo de autonomía con batería - Cuando la tensión de la entrada de CA está fuera de las tolerancias especificadas para el SAI o la alimentación de la red eléctrica falla, el inversor y la batería entran en acción para garantizar el suministro continuo de energía a la carga tras un tiempo de transferencia muy corto (generalmente menos de 10 ms). Las normas no indican un tiempo concreto, pero sí que indican que "la carga se transfiere al inversor directamente o mediante el interruptor SAI (que puede ser electrónico o electromecánico)". - El SAI continúa funcionando con la energía de la batería hasta que finaliza el tiempo de autonomía de la batería o la alimentación de la red eléctrica vuelve a la normalidad, lo que provoca la transferencia de la carga a la entrada de CA de nuevo (modo normal).

Tipos de SAI estáticos



Fig. 5.3. SAI con funcionamiento en modo de espera pasiva. Ventajas • Diagrama sencillo. • Coste reducido. Inconvenientes • No hay aislamiento real de la carga con respecto al sistema de distribución aguas arriba. • Tiempo de transferencia. Funciona sin un interruptor estático real, por lo que se requiere cierto tiempo para transferir la carga al inversor. Este tiempo es aceptable para determinadas aplicaciones individuales, pero es incompatible con el rendimiento que requieren sistemas más sofisticados y sensibles (centros informáticos, centrales telefónicas de grandes dimensiones, etc.). • No se regula la frecuencia de salida, se aplica simplemente la de la alimentación de la red eléctrica. Uso De hecho, esta configuración ofrece un equilibrio entre un nivel aceptable de protección contra perturbaciones y un coste asequible. Los inconvenientes mencionados significan que, en términos prácticos, este tipo de SAI solo se puede utilizar para potencias nominales bajas (< 2 kVA) y no se puede utilizar como convertidor de frecuencia. SAI con funcionamiento en modo de línea interactiva El inversor está conectado en paralelo con la entrada de CA en una configuración de espera y también carga la batería. Por tanto, interactúa (operación reversible) con la fuente de entrada de CA. Principio de funcionamiento • Modo normal La carga se suministra con alimentación acondicionada mediante una conexión en paralelo de la entrada de CA y el inversor. Siempre que la alimentación de la red eléctrica esté dentro de las tolerancias, el inversor regula las fluctuaciones en la tensión de entrada. De lo contrario, carga la batería (operación reversible). La frecuencia de salida depende de la frecuencia de la entrada de CA. • Modo de autonomía con batería - Cuando la tensión de la entrada de CA está fuera de las tolerancias especificadas para el SAI o la alimentación de la red eléctrica falla, el inversor y la batería entran en acción para garantizar el suministro continuo de energía a la carga. El interruptor eléctrico (por ejemplo, interruptor estático) también desconecta la entrada de CA para impedir que la alimentación del inversor fluya aguas arriba. - El SAI continúa funcionando con la energía de la batería hasta que finaliza el tiempo de autonomía de la batería o la alimentación de la red eléctrica vuelve a la



normalidad, lo que provoca la transferencia de la carga a la entrada de CA de nuevo (modo normal).



• Modo de derivación Este tipo de SAI se puede equipar con una derivación. Si falla una de las funciones del SAI, la carga se puede transferir a la entrada de CA de derivación mediante la derivación de mantenimiento.

Fig. 5.4. SAI con funcionamiento en modo de línea interactiva. Ventajas • El coste puede ser inferior al de un SAI de doble conversión con una potencia nominal equivalente porque el inversor no funciona de forma continua. Inconvenientes • No hay aislamiento real de la carga con respecto al sistema de distribución aguas arriba, por lo tanto: - Sensibilidad a las variaciones en la tensión de la red eléctrica y demandas frecuentes requeridas al inversor. - Influencia de cargas no lineales aguas abajo en la tensión de entrada aguas arriba. • No se regula la frecuencia de salida, se aplica simplemente la de la alimentación de la red eléctrica. • Acondicionamiento mediocre de la tensión de salida porque el inversor no está instalado en serie con la entrada de CA. La norma habla de "alimentación acondicionada" dada la conexión paralela de la entrada de CA y el inversor. No obstante, el acondicionamiento está limitado por la sensibilidad a las fluctuaciones de tensión aguas arriba y aguas abajo, y el modo de funcionamiento reversible del inversor. • La eficacia depende de: - El tipo de carga. Con cargas no lineales, la corriente recibida incluye armónicos que alteran la corriente fundamental. Las corrientes de armónicos son suministradas por el inversor reversible, que regula la tensión, y la eficacia se reduce bruscamente. - El porcentaje de carga. La alimentación necesaria para cargar la batería es cada vez mayor a medida que disminuye el porcentaje de carga. • Existe un punto único de fallo debido a la ausencia de una derivación estática, es decir, si se produce un fallo en el funcionamiento, el SAI se apaga. Uso Esta configuración no es apropiada para la regulación de cargas sensibles en el rango de alta a media potencia porque no es posible regular la frecuencia. Por este motivo, casi siempre se utiliza exclusivamente para potencias nominales bajas.



SAI de doble conversión El inversor está conectado en serie entre la entrada de CA y la aplicación. La alimentación suministrada a la carga fluye constantemente a través del inversor. Principio de funcionamiento • Modo normal Durante el funcionamiento normal, toda la alimentación suministrada a la carga pasa por el rectificador/cargador y el inversor, que juntos realizan una doble conversión (CA-CC-CA), de ahí el nombre que recibe. La tensión se regenera y regula continuamente. • Modo de autonomía con batería - Cuando la tensión de la entrada de CA está fuera de las tolerancias especificadas para el SAI o la alimentación de la red eléctrica falla, el inversor y la batería entran en acción para garantizar el suministro continuo de energía a la carga. - El SAI continúa funcionando con la energía de la batería hasta que finaliza el tiempo de autonomía de la batería o la alimentación de la red eléctrica vuelve a la normalidad, lo que provoca la transferencia de la carga a la entrada de CA de nuevo (modo normal). • Modo de derivación Este tipo de SAI cuenta con una derivación estática (a veces denominada "interruptor estático") que garantiza la transferencia sin cortes de la carga del inversor a la red eléctrica directa y viceversa. La carga se transfiere a la derivación estática en los casos siguientes: - Fallo del SAI - Corrientes de carga transitorias (corrientes de fallo o energización) - Sobrecargas - Finalización del tiempo de autonomía de la batería La presencia de una derivación estática presupone que las frecuencias de entrada y salida son idénticas, lo que significa que el SAI no se puede utilizar como convertidor de frecuencia. Si los niveles de tensión no son iguales, se requiere un transformador de derivación. El SAI se sincroniza con la entrada de CA de derivación para garantizar que las transferencias del inversor al conducto de derivación se realicen sin cortes. Nota: hay disponible otro conducto de derivación, a menudo denominado "derivación de mantenimiento", para tareas de mantenimiento. Se cierra mediante un interruptor manual.

Fig. 5.5. SAI de doble conversión.



Ventajas • Regeneración completa de la alimentación de salida, tanto si proviene de la red eléctrica como de la batería. • Aislamiento total de la carga del sistema de distribución y sus perturbaciones. • Rango muy amplio de tensiones de entrada, pero que proporciona una regulación precisa de la tensión de salida. • Independencia de las frecuencias de entrada y salida, por lo que se garantiza una frecuencia de salida dentro de unas tolerancias rigurosas. Capacidad para funcionar como convertidor de frecuencia (si se planifica de tal modo), desactivando el interruptor estático. • Niveles de rendimiento mucho más altos en condiciones transitorias y de estado estable. • Cambio instantáneo al modo de autonomía con batería si falla la alimentación de la red eléctrica. • Transferencia sin cortes a un conducto de derivación (modo de derivación). • Derivación manual (generalmente estándar) para facilitar el mantenimiento. Inconvenientes • Precio más alto, pero compensado por las múltiples ventajas. Uso Esta configuración es la más completa en cuanto a protección de la carga, posibilidades de regulación y niveles de rendimiento. Garantiza especialmente la independencia de la frecuencia y la tensión de salida con respecto a la frecuencia y tensión de entrada. Debido a sus múltiples ventajas, es prácticamente la única configuración utilizada para potencias nominales medias y altas (a partir de 10 kVA en adelante). Conclusión Los SAI de doble conversión representan la amplia mayoría de los sistemas de alta a media potencia vendidos (el 95% con unos cuantos kVA y el 98% con a partir de 10 kVA en adelante). Esto se debe a los numerosos puntos fuertes que presentan a la hora de satisfacer las necesidades de cargas sensibles con estas potencias nominales, en gran parte gracias a que el inversor está ubicado en serie con la entrada de CA. Además, tienen muy pocos puntos débiles, excepto su elevado coste, que es necesario para ofrecer un nivel de rendimiento que a menudo es indispensable dada la naturaleza crítica de las cargas protegidas. Otro punto débil son las pérdidas ligeramente más altas (un porcentaje reducido). En los rangos de potencia considerados, el resto de las tecnologías son marginales, a pesar del coste considerablemente más bajo. Presentan los inconvenientes indicados a continuación. • No se proporciona regulación de la tensión para SAI de espera pasiva. • No se proporciona regulación de la frecuencia para SAI de espera pasiva y SAI de línea interactiva. • Aislamiento mediocre (a menudo un dispositivo de protección contra sobrecargas) de la entrada de CA debido a la configuración en paralelo del inversor. Conclusión Para las potencias nominales bajas (< 2 kVA), coexisten las tres tecnologías estandarizadas. La rentabilidad de las funciones de protección en relación con los requisitos de las cargas y los riesgos implicados (para las personas, la producción, etc.) es lo que determina la selección de una de las tres tipologías. Los SAI de doble conversión se utilizan casi exclusivamente para valores nominales más altos.



El SAI de conversión delta en línea Este diseño de SAI, ilustrado en la Figura 5.6, es una tecnología más nueva, existente desde hace diez años e introducida para eliminar las desventajas del diseño de doble conversión en línea, y está disponible en tamaños que van desde 5 kVA hasta 1,6 MW. De forma similar al diseño de doble conversión en línea, el inversor siempre suministra la tensión de carga al SAI de conversión delta en línea. Sin embargo, el convertidor delta adicional también aporta alimentación a la salida del inversor. Si se produce un fallo de CA o existen perturbaciones, este diseño presenta un comportamiento idéntico al del diseño de doble conversión en línea.

DELTACONVERTER

BATTERY

MAININVERTER

ACDC DC

AC

STATIC BYPASSSWITCH

DELTATRANSFORMER

Figura 5.6: SAI de conversión delta en línea

Una forma sencilla de comprender la eficacia energética de la topología de conversión delta es pensar en la energía necesaria para llevar un paquete de la cuarta planta a la quina planta de un edificio, como se muestra en la Figura 5.7. La tecnología de conversión delta ahorra energía transportando el paquete solo la diferencia (delta) entre el punto inicial y el punto final. El SAI de doble conversión en línea convierte la alimentación, la transporta a la batería y la trae de vuelta de nuevo, mientras que el convertidor delta mueve los componentes de la alimentación de la entrada a la salida.

X4th

Floor

5thFloor

DOUBLE CONVERSION DELTA CONVERSION

X4th

Floor

5thFloor

Figura 5.7: Analogía de la doble conversión frente a la conversión delta



En el diseño de conversión delta en línea, el convertidor delta actúa con un doble propósito. El primero es controlar las características de la alimentación de entrada. Esta unidad frontal obtiene la alimentación de forma sinusoidal, por lo que se minimizan los armónicos reflejados en la red eléctrica. Esto garantiza una óptima compatibilidad del sistema de generación y la red eléctrica, de modo que se reduce el calentamiento y el deterioro del sistema de distribución de alimentación. La segunda función del convertidor delta es controlar la corriente de entrada para regular la carga del sistema de batería.

El SAI de conversión delta en línea proporciona las mismas características de salida que el diseño de doble conversión en línea. No obstante, las características de entrada suelen ser distintas. Los diseños de conversión delta en línea proporcionan una entrada controlada dinámicamente con un factor de potencia corregido, y prescinden de los bancos de filtros poco eficaces asociados con las soluciones tradicionales. La ventaja más importante es la reducción considerable de las pérdidas energéticas. El control de alimentación de entrada también hace que el SAI sea compatible con todos los grupos electrógenos y reduce la necesidad de cableado y el sobredimensionamiento de los generadores. La tecnología de conversión delta en línea es la única tecnología de SAI básica que actualmente está protegida por patentes, por lo que es probable que muchos proveedores de SAI no la ofrezcan.

En condiciones de estado estable, el convertidor delta permite al SAI suministrar alimentación a la carga con una eficacia mucho mayor que el diseño de doble conversión.


Componentes y funcionamiento del SAI

La información presentada a continuación hace referencia a los SAI de doble conversión, la tecnología utilizada más habitualmente por APC by Schneider Electric para potencias nominales superiores a 10 kVA. Diagrama general de un SAI Los distintos elementos que aparecen en el diagrama siguiente tienen asignados números que se corresponden con las secciones incluidas en las páginas a continuación.

Fig. 5.6. Componentes de un SAI. Fuentes de alimentación y entradas de SAI En términos prácticos, un SAI tiene una o dos entradas: • Entrada de CA normal (o Red 1), suministrada por la alimentación principal. • Entrada de CA de derivación (o Red 2), suministrada por la alimentación de reserva (en términos generales, mediante un cable por separado del mismo cuadro de conexión de tensión baja principal). Entradas de CA, consultar pág. 9. Se recomienda conectar el SAI a la fuente de alimentación principal y la fuente de alimentación de reserva (entradas del SAI suministradas por dos circuitos separados del cuadro de conexión de tensión baja principal) porque aumenta la confiabilidad general del sistema. Sin embargo, si no hay disponibles dos circuitos separados del cuadro de conexión de tensión baja principal, la alimentación principal (segundo cable) puede suministrar las dos entradas de CA (normal y derivación). La administración de las transferencias entre las dos líneas de entrada se organiza de la forma siguiente. • El SAI sincroniza la tensión de salida del inversor con la del conducto de derivación, siempre que este último se mantenga dentro de las tolerancias. Por lo tanto, es posible, si es preciso, que el interruptor estático transfiera la carga a la

Componentes de un SAI



entrada de CA de derivación, sin cortes (porque ambas tensiones están sincronizadas y en fase) ni perturbaciones (porque la alimentación de reserva se mantiene dentro de las tolerancias) para la carga. • Cuando la alimentación de reserva no se mantiene dentro de las tolerancias, se desincroniza el inversor y la transferencia se desactiva. No obstante, se puede realizar manualmente.



(cont.)

Componentes de un SAI Rectificador/cargador (1) Transforma la potencia en CA de la fuente de alimentación principal a la tensión y corriente de CC utilizada para: • El suministro del inversor. • La carga y la carga de flotación de la batería. Inversor (2) Utiliza la potencia en CC suministrada por: • El rectificador durante el funcionamiento normal. • La batería durante el funcionamiento autónomo. El inversor regenera por completo una señal de salida sinusoidal, dentro de unas tolerancias de amplitud y frecuencia rigurosas. Batería (3) Hace que el SAI sea autónomo con respecto a la red eléctrica en caso de que: • Se produzca una interrupción del suministro de la red eléctrica. • Las características de la alimentación de la red eléctrica estén fuera de las tolerancias especificadas para el SAI. Los tiempos de autonomía de la batería pueden oscilar de 6 a 30 minutos, como valor estándar, y se pueden extender si así se solicita. En función de la duración del tiempo de autonomía, la batería se aloja en el armario de SAI o en un armario por separado. Derivación estática (4) Se emplea un interruptor estático para transferir la carga del inversor a la derivación sin interrupciones* en el suministro de alimentación a la carga (no hay cortes porque la transferencia se realiza mediante componentes electrónicos y no mecánicos). Es posible emplear el interruptor cuando la frecuencia aguas arriba y la frecuencia aguas abajo del SAI son idénticas. La transferencia se lleva a cabo automáticamente por cualquiera de los motivos siguientes: • Desconexión voluntaria del SAI. • Una sobrecarga que supera la capacidad de limitación del inversor (la transferencia se puede desactivar). • Un fallo interno. También se puede realizar manualmente. * La transferencia sin cortes es posible cuando las tensiones de la salida del inversor y la entrada de CA de derivación están sincronizadas. El SAI mantiene la sincronización, siempre que la alimentación de reserva esté dentro de las tolerancias. Derivación manual (5) Se emplea un interruptor manual para transferir la carga a la derivación para realizar tareas de mantenimiento. Es posible emplear el interruptor cuando la frecuencia aguas arriba y la frecuencia aguas abajo del SAI son idénticas. El cambio al modo de derivación manual se lleva a cabo mediante interruptores manuales. Interruptores manuales (6, 7, 8) Estos dispositivos aíslan los módulos de rectificador/cargador e inversor o el conducto de derivación para realizar tareas de mantenimiento o reparación. Disyuntor de batería (9) El disyuntor de batería protege la batería contra la descarga excesiva, y el rectificador/cargador y el inversor contra un cortocircuito de la batería. Transformador de aislamiento aguas arriba (10) (equipamiento opcional) Proporciona aislamiento de entrada/salida al SAI cuando la instalación aguas abajo se suministra mediante la derivación. Es especialmente útil cuando las disposiciones de conexión a tierra del sistema aguas arriba y el sistema aguas abajo son distintas. Se puede instalar en el armario de SAI en la gama de MGE Galaxy PW.



(cont.)

Transformador adaptador de tensión (11) (equipamiento opcional) Adapta la tensión al valor deseado.



(cont.)

Filtros (12) (equipamiento opcional) • Aguas arriba del rectificador/cargador, cuando es del tipo de puente de Graetz basado en tiristor (el caso de los SAI MGE Galaxy PW y 9000), un filtro de armónicos (consultar "Factores clave en la instalación del SAI" pág. 24) reduce los armónicos de corriente resultantes de la conmutación de los tiristores de rectificador. De este modo, se reduce la distorsión de tensión en las barras colectoras aguas arriba debida al flujo de corrientes de armónicos (por lo general, el nivel requerido es <5%). Además, estos SAI de APC by Schneider Electric están equipados con un conductor neutro sobredimensionado instalado como estándar para hacer frente a las consecuencias de los armónicos de tercer orden y sus múltiplos, que fluyen en el conductor neutro. • El resto de los SAI de las gamas MGE Galaxy y Symmetra están equipados con un rectificador de tipo PFC, que elimina la necesidad de un filtro (consultar "Factores clave en la instalación del SAI" pág. 24). • Aguas abajo, los SAI que implementan nuevas técnicas de recorte de PWM se pueden conectar directamente a cargas no lineales. Esta técnica permite que los SAI de APC by Schneider Electric mantengan la distorsión armónica total de tensión por debajo del 3%. Comunicación integrada (13) (14) Además de la necesidad de una interfaz hombre-máquina fácil de usar para la supervisión eficaz del funcionamiento del SAI, hoy en día es cada vez más importante que los SAI se comuniquen con su entorno eléctrico e informático [sistemas de supervisión, sistemas de administración del edificio (BMS), sistemas de administración de equipos, etc.]. Los SAI de APC by Schneider Electric cuentan con capacidad integrada para ofrecer una comunicación total e incluyen: • Una interfaz de hombre-máquina fácil de usar con una visualización gráfica avanzada y un panel esquemático. La interfaz se basa en sistemas de autosupervisión y autodiagnóstico que indican continuamente el estado de los distintos componentes del SAI, en concreto de las baterías. Por ejemplo, para las gamas MGE Galaxy: - El sistema Digibat supervisa continuamente el estado de la batería con funciones completas de administración de la batería. - El sistema de supervisión de la batería B2000 o Cellwatch detecta y localiza inmediatamente los fallos de la batería y proporciona una supervisión predictiva. Para las gamas Symmetra: - El sistema de administración de la batería APC de montaje en bastidor (1U), accesible mediante un explorador web, combina la supervisión y comprobación de la batería con el aumento individual de carga de la batería para obtener el máximo rendimiento de esta. • Una amplia selección de tarjetas de comunicación compatibles con los estándares del mercado: - Tarjeta de administración de red (Ethernet) - Tarjeta Modbus/Jbus (RS232 y RS485) - Tarjeta de relés (contactos secos) para indicaciones - Tarjeta de módem para teleservicios Estas tarjetas se pueden utilizar para implementar funciones de supervisión, notificación, desconexión controlada y teleservicios. Interfaz hombre-máquina y comunicación: consultar “Factores clave en la instalación del SAI" pág. 49. Distribución aguas arriba o aguas abajo y dispositivos de protección (15) (16) (equipamiento opcional) El SAI puede contar con el equipamiento siguiente: • Disyuntores de circuito de baja tensión aguas arriba para las entradas de CA (normal y derivación). • Cuadro de conexión de baja tensión aguas arriba con protección mediante disyuntor de circuito para las entradas de CA (normal y derivación). • Cuadro de conexión de baja tensión aguas abajo con protección mediante disyuntor de circuito para los distintos circuitos salientes.



(cont.)

APC by Schneider Electric es capaz de ofrecer una selección de SAI y dispositivos de protección perfectamente coordinados en cuanto a valores nominales y rendimiento.

Soluciones completas APC by Schneider Electric es capaz de proporcionar soluciones completas que incluyen todos los componentes indicados anteriormente, como soluciones de aire acondicionado para centros de datos, junto con Schneider Electric. Para los usuarios, el resultado es un único socio y una instalación que ofrece un rendimiento y una confiabilidad óptimos.



(cont.)

Estas características se basan en las principales especificaciones técnicas presentadas en las normas IEC 62040-3 / EN 62040-3 sobre los requisitos de rendimiento de los SAI. Algunos de los términos utilizados en esta sección difieren de la jerga común y los fabricantes todavía no han integrado muchas de las nuevas características. Los nuevos términos o características utilizados por la norma se indican entre paréntesis y van precedidos de un asterisco. Por ejemplo, el título de la sección "Corriente de entrada durante carga de flotación de batería", un término utilizado habitualmente, va seguido de (* corriente de entrada nominal), el término utilizado en la norma. Tenga en cuenta que gran parte de los valores numéricos son meros ejemplos. En su mayoría, se han extraído de las características técnicas de los SAI correspondientes, indicados en el capítulo 4, o bien se indican simplemente a modo de ejemplo. Alimentación de entrada de CA Número de fases y disposición de conexión a tierra del sistema El suministro de la entrada de CA (alimentación principal) es trifásico + neutro. Las entradas monofásicas no se utilizan para los niveles de potencia que tratamos aquí. Generalmente las normas imponen la disposición de conexión a tierra del sistema (IT, TT, TNS o TNC). Entrada de CA normal La entrada de CA normal recibe alimentación de la red eléctrica para el rectificador/cargador, dentro de las tolerancias especificadas. • Ejemplo: 400 V de valor eficaz ± 15% a una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz ± 5%, trifásica. Entrada de CA de derivación La entrada de CA de derivación recibe alimentación de reserva. En términos prácticos, se trata de un cable conectado al alimentador de la red eléctrica en el cuadro de conexión de tensión baja principal, distinto al que suministra la alimentación a la entrada de CA normal. En general, suministra tensión con las mismas características que la de la alimentación principal. • Ejemplo: 400 V de valor eficaz ± 15% a una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz ± 5%, y una corriente de cortocircuito Isc2 = 12,5 kA. La corriente de cortocircuito constituye información importante para los dispositivos de protección aguas abajo en el caso de que el funcionamiento se realice a través de la derivación de mantenimiento o estática. Se recomienda el suministro de alimentación de reserva y alimentación principal de forma independiente, puesto que incrementa la confiabilidad general del sistema, pero no es obligatorio. Sin embargo, si no hay disponibles dos circuitos separados del cuadro de conexión de tensión baja principal, la alimentación principal (segundo cable) puede suministrar las dos entradas de CA (normal y derivación). Rectificador/cargador Tensión flotante Es la tensión suministrada por el rectificador/cargador, que mantiene la batería completamente cargada. Depende de las baterías utilizadas y de las recomendaciones del fabricante. Corriente de entrada durante carga de flotación de batería (* corriente de entrada nominal) Esta es la entrada, en condiciones normales de funcionamiento, necesaria para suministrar alimentación al inversor a su potencia nominal mientras se lleva a cabo la carga de flotación de la batería. Ejemplo: para un MGE Galaxy PW de 100 kVA con un tiempo de autonomía de la batería de 10 minutos, esta corriente es I flotador de entrada = 166 A mientras se lleva a cabo la carga de flotación de la batería.

Principales características de los componentes del SAI



(cont.)

Corriente de entrada durante carga de la batería Corresponde a la corriente necesaria para suministrar alimentación al inversor a su potencia nominal mientras se carga la batería. Por consiguiente, es superior a la corriente anterior y se utiliza para dimensionar los cables de entrada del cargador. Ejemplo: para el mismo SAI que en el caso anterior, la corriente de entrada es I flotador de entrada = 182 A, es decir, superior al caso anterior porque es necesario cargar la batería.



(cont.)

Corriente de entrada máxima Esta es la corriente de entrada con el SAI en las peores condiciones de funcionamiento de sobrecarga permitida, con la batería descargada. Es superior a la corriente de entrada anterior durante la carga de la batería (debido a la corriente de sobrecarga) pero tiene una limitación de tiempo (puesto que es la sobrecarga). Ejemplo: para el mismo SAI que en el caso anterior, el MGE Galaxy PW puede aceptar una sobrecarga del 25% durante 10 minutos y una sobrecarga del 50% durante 1 minuto. En el peor de los casos con la batería en carga, la corriente de entrada puede alcanzar: I entrada máx. = 182 A x 1,25 = 227,5 A durante 10 minutos. I entrada máx. = 182 A x 1,5 = 273 A durante 1 minuto. Una vez superados los límites anteriores, el SAI inicia la transferencia sin cortes de la carga al conducto de derivación y la transfiere automáticamente de vuelta cuando la sobrecarga ha finalizado o se ha eliminado mediante los dispositivos de protección correspondientes. Batería (* medio de almacenamiento de energía) Tipo Una batería se caracteriza por su tipo (plomo ácido sellado o ventilado, o bien níquel-cadmio) y por cómo se instala. APC by Schneider Electric propone baterías de plomo ácido selladas montadas en armarios. Vida útil Se define como el periodo de funcionamiento, en condiciones de uso normales, durante el cual la batería suministra por lo menos el 50% del tiempo de autonomía inicial. Por ejemplo, MGE Galaxy PW se suministra como norma con baterías de plomo ácido selladas con una vida útil de diez años o más. Este tipo de batería, con una capacidad de tiempo de autonomía de 30 minutos, contractualmente suministrará solamente 15 minutos al final de la vida útil especificada. Puede suministrar una mayor cantidad si se ha utilizado en condiciones óptimas (especialmente en lo referente a la temperatura). Sin embargo, se garantiza contractualmente que la cantidad no será inferior, a menos que se haya usado de forma incorrecta. Modos de funcionamiento La batería puede estar: • En carga. Emplea una corriente de carga (I1 carga) suministrada por el rectificador/cargador. • En carga de flotación. La batería emplea una corriente baja, denominada flotante (I1 flotante), suministrada por el rectificador/cargador, que mantiene su carga compensando las pérdidas por circuitos abiertos. • En descarga. La batería suministra alimentación al inversor hasta que alcanza la tensión de apagado. Cuando se alcanza dicha tensión, definida por el fabricante de la batería, la batería se desconecta automáticamente (SAI de APC by Schneider Electric) para evitar posibles daños causados por descargas profundas. Tensión nominal Es la tensión de salida de CC que la batería suministra al inversor. Ejemplo: 450 V de CC para la gama MGE Galaxy PW. Capacidad La capacidad de la batería se expresa en amperios/hora. Ejemplo: para un MGE Galaxy PW de 100 kVA equipado con una batería que ofrece 10 minutos de tiempo de autonomía y una vida útil de cinco años, la capacidad es de 85 A/h. Número de celdas Número de celdas de batería individuales que configuran la fila de baterías completa.



(cont.)

Ejemplo: la batería de un MGE Galaxy PW de 100 kVA está compuesta por 33 celdas, para un tipo determinado de batería, y cada una de ellas proporciona 13,6 V, para un tiempo de autonomía de 10 minutos. Tensión flotante Es la tensión de CC utilizada para mantener la carga de la batería, suministrada por el rectificador/cargador. Ejemplo: para un MGE Galaxy PW, la tensión flotante se encuentra entre 423 V y 463 V de CC.



(cont.)

Tiempo de autonomía (* tiempo de energía almacenada) Es el tiempo, especificado al inicio de la vida útil de la batería, durante el cual la batería puede suministrar alimentación al inversor en funcionamiento a plena carga nominal, ante la ausencia de la fuente de alimentación de entrada de CA. Ejemplo: MGE Galaxy PW ofrece tiempos de autonomía estándar de 8, 10, 15, 20, 30 y 60 minutos. Este tiempo depende del porcentaje de carga del SAI. • Para un SAI en funcionamiento a plena carga nominal (100% de la potencia nominal), el final del tiempo de autonomía de la batería se alcanza cuando la tensión de la batería desciende a la tensión de apagado especificada por el fabricante. Esto provoca el apagado automático de los SAI de APC by Schneider Electric. • Para un SAI en funcionamiento a un porcentaje de carga inferior (por ejemplo, 75%), el tiempo de autonomía real puede ser mayor. Sin embargo, siempre finaliza cuando la batería alcanza la tensión de apagado. Tiempo de recarga (* tiempo de energía de restablecimiento nominal) Es el tiempo que requiere la batería para recuperar el 80% de su tiempo de autonomía (el 90% de su capacidad), a partir de la tensión de apagado de la batería. El rectificador/cargador suministra la alimentación. Ejemplo: para un SAI MGE Galaxy 5500, el tiempo de recarga es de 8 a 10 horas, según la batería y el tiempo de autonomía. Tenga que en cuenta que las probabilidades de que se solicite el suministro de alimentación a la batería dos veces en un periodo de tiempo tan breve son bajas. Esto significa que el tiempo de recarga indicado es representativo del rendimiento real. Corriente de la batería máxima (Ib) Durante la descarga, la batería suministra al inversor una corriente Ib que alcanza su valor máximo al final de la descarga. Este valor determina la protección de la batería y las dimensiones de los cables. Ejemplo: para un MGE Galaxy 5500 de 100 kVA, esta corriente es Ib máx. = 257 A. Inversor Potencia nominal (Sn) (* potencia nominal aparente de salida) Es la potencia máxima aparente Sn (kVA) que el inversor puede suministrar a una carga lineal a un factor de potencia de 0,8, durante el funcionamiento normal en condiciones de estado estable. Las normas también definen este parámetro para el funcionamiento con alimentación de la batería. Teóricamente se mantiene igual si la batería tiene el tamaño adecuado. Ejemplo: un MGE Galaxy 5500 con una potencia nominal (Sn) de 100 kVA. Potencia de salida activa (Pa) (* potencia nominal de salida activa para carga lineal o carga no lineal de referencia) Es la potencia activa Pa (kW) correspondiente a la potencia de salida aparente Sn (kVA), en las condiciones de medición mencionadas anteriormente. Este valor también se puede indicar para una carga no lineal de referencia estandarizada. Ejemplo: el SAI anterior, un MGE Galaxy 5500 con una potencia nominal de 100 kVA suministra una potencia activa de Pa = Sn x 0,8 = 80 kW. Corriente nominal (In) Es la corriente correspondiente a la potencia nominal. Ejemplo: una vez más para un SAI MGE Galaxy 5500 de 100 kVA y una tensión de salida de 400 V, esta corriente es:

InSn

Un=

3 =

100000400 1732x , = 144,3 A



(cont.)

Potencia de carga aparente (Su) y porcentaje de carga Es la potencia aparente Sn (kVA) que el inversor suministra a la carga realmente, en las condiciones de funcionamiento seleccionadas. Este valor es una mínima parte de la potencia nominal, que depende del porcentaje de carga. .Su ≤ Sn. y .Tc = porcentaje de carga (%) = Su / Sn.. Ejemplo: para el SAI mencionado anteriormente, si el inversor suministra 3/4 de su potencia nominal (el 75% de la carga), suministra una potencia aparente de 75 kVA, que en condiciones de funcionamiento estándar (PF = 0,8) corresponde a una potencia de carga activa de Pa = Su x PF = 75 x 0,8 = 60 kW. Corriente de carga (Iu) Es la corriente correspondiente a la potencia de carga, es decir, al porcentaje de carga en cuestión. Se calcula a partir de Pu para la corriente nominal, donde la tensión es la tensión nominal Un (valor regulado por el inversor). Ejemplo: para el SAI mencionado anteriormente (carga del 75%)

IuSu

Un=

3 =

75000400 1732x , = 108,2 A

que es lo mismo que: .Iu = In x Tc. = 144,3 x 0,75 = 108,2 A Eficacia (η) Esta es la relación de la potencia activa Pu (kW) suministrada por el SAI a la carga para la potencia Pin (kW) que recibe en su entrada, ya sea mediante el rectificador o la batería. .η= Pu / Pin. Para la mayoría de los SAI, la eficacia es óptima a la carga nominal completa y disminuye bruscamente con los porcentajes de carga más bajos. Debido a su baja impedancia de salida y la carencia de pérdidas de carga, la eficacia de los SAI MGE Galaxy es prácticamente estable para cargas del 25% al 100%. La gama MGE Galaxy ofrece una eficacia superior al 90%, desde el 25% de carga hasta el 93% a la carga nominal completa, así como un modo ECO que aumenta la eficacia en un 4%, es decir, hasta el 97%. En términos prácticos, para los SAI MGE Galaxy, se puede emplear un valor de eficacia de 0,93 para todos los cálculos de alimentación de entrada para cargas del 30% al 100%. Ejemplo: para un MGE Galaxy de 100 kVA a una carga del 75%, un valor de eficacia de 0,93 corresponde a una potencia de entrada activa del SAI de Pin = Pu / η = 60/0,93 = 64,5 kW. Tensión de salida (Un) Número de fases La salida puede ser trifásica (SAI 3 fases-3 fases) o monofásica (SAI 3 fases-1 fase), dependiendo de la situación. Tenga en cuenta que las disposiciones de conexión a tierra del sistema aguas arriba y el sistema aguas abajo pueden ser distintas. Tensión de salida nominal En general, es la misma que la de la entrada de CA. Sin embargo, se puede instalar un transformador adaptador de tensión. Características estáticas Son las tolerancias (variaciones máximas permisibles) para la amplitud y la frecuencia de la tensión de salida en condiciones de estado estable. Son más estrictas que las que se aplican a la alimentación de la red eléctrica, se miden para el funcionamiento normal de la alimentación de entrada de CA y para el funcionamiento en modo de autonomía con batería. • Variación de la tensión de salida La tolerancia de amplitud se expresa en forma de porcentaje del valor eficaz nominal y se puede ajustar.



(cont.)

Ejemplo: para un MGE Galaxy, la tensión de 400 V de valor eficaz ± 1% se puede ajustar a ± 3%. Las normas también estipulan una tensión de salida de pico nominal y la tolerancia con respecto al valor nominal. • Variación de la frecuencia de salida La tolerancia se expresa en forma de porcentaje de la frecuencia nominal. Ejemplo: para un MGE Galaxy, 50 Hz o 60 Hz ± 0,1% durante el funcionamiento normal de la alimentación principal y ± 0,5% en modo de autonomía con batería.



(cont.)

Sincronización de la frecuencia con la alimentación principal El inversor suministra una tensión de salida dentro de las tolerancias anteriores, independientemente de las perturbaciones que afectan a la alimentación aguas arriba. Para ello, el SAI: • Supervisa los parámetros de tensión (amplitud, frecuencia, fase) de la fuente de alimentación principal para determinar si se encuentran dentro de las tolerancias especificadas. • Reacciona ante cualquier desviación en los parámetros para: - Reajustar el inversor (fase y frecuencia) a la alimentación de reserva, siempre que la desviación permanezca dentro de las tolerancias, en vista de la transferencia de carga, si es preciso. - Transferir la carga a la alimentación de la batería en cuanto la desviación supere las tolerancias. Las nuevas tecnologías de recorte IGBT y PWM empleadas en los SAI de APC by Schneider Electric aportan una adaptación excelente a estas variaciones. Ejemplo: para los SAI MGE Galaxy, la variación máxima en la frecuencia correspondiente a la tolerancia es 50 Hz x 0,5% = 0,25 Hz. La sincronización de la frecuencia con potencia en CA de derivación es posible de 0,25 Hz a 2 Hz, en pasos de 0,25 Hz. En términos prácticos, esto significa que las variaciones de la frecuencia se pueden supervisar en dF/dt = 0,25 Hz/s y el reajuste se puede llevar a cabo dentro de 0,25 en 1 segundo. Características dinámicas Son las tolerancias en condiciones de carga transitoria. Los SAI MGE Galaxy son capaces de soportar las condiciones siguientes. • Desequilibrio de la carga Para el desequilibrio en la tensión de carga (fase a neutro o fase a fase) del: - 30%, la variación en la tensión de salida es inferior al 0,1%. - 100% (una fase a Pn y otras a 0), la tensión de salida no varía por encima del 0,2%. • Cambios en los pasos de carga (oscilaciones momentáneas de la tensión) Para los pasos de carga del 0% al 100% o del 100% al 0% de la carga nominal, la tensión no varía por encima del: ± 2% en la alimentación de la red eléctrica. +2% al -4% en la alimentación de la batería. Capacidad de cortocircuito y sobrecarga • Sobrecargas - 1,1 In durante 2 horas. - 1,5 In durante 1 minuto. Sin cambios en las tolerancias de salida. • Cortocircuitos Por encima de 1,65 In, los inversores MGE Galaxy funcionan en el modo de limitación de corriente hasta 2,33 In durante 1 segundo, correspondiente a: I de pico máx. = √2 x 1,65 In = 2,33 In. Por encima de este valor, el inversor transfiere la carga a la alimentación de reserva o realiza un apagado estático (función de autoprotección). Distorsión de tensión de salida total Los SAI deben garantizar los niveles de rendimiento para todos los tipos de cargas, incluidas las cargas no lineales. Ejemplo: Los SAI MGE Galaxy limitan la distorsión armónica total de tensión (THDU) en la alimentación de salida a los niveles siguientes para: • Cargas lineales del 100%: - THDU fase/fase < 1,5% - THDU fase/N < 2% • Cargas no lineales del 100%: - THDU fase/fase < 2% - THDU fase/N < 3% Los SAI MGE Galaxy funcionan en conformidad con las características especificadas para todos los tipos de cargas.



(cont.)

Nota general: la norma especifica algunos de los niveles de rendimiento mencionados anteriormente para la alimentación de salida durante el funcionamiento normal y el funcionamiento con la alimentación de la batería. Por lo general, son idénticos.



(cont.)

Diagrama recopilatorio de las características principales

Fig. 5.7. Diagrama en el que se muestran las principales características (consultar la lista a continuación). Entrada de CA normal ● Tensión Un + de 10% a - 15% ● Frecuencia f + de 4% a - 6% Entrada de CA de derivación ● Tensión Un + de 10% a - 15% ● Frecuencia f + de 4% a - 6% ● Corriente de cortocircuito Isc2 (capacidad de resistencia de la derivación estática) Rectificador/cargador ● Tensión flotante ● Corrientes de entrada - nominal (en carga de flotación de batería) - máxima (batería en carga) Batería ● Tiempo de autonomía: estándar 5, 6, 8, 10, 15, 20, 30, 60 minutos, tiempos superiores bajo petición) ● Vida útil: diez años o más ● Corriente máxima (Ib máx.) Inversor ● Potencia de salida aparente: - nominal: Sn (kVA) - alimentación de carga: Su (kVA) = Sn x Tc% ● Porcentaje de carga del SAI Tc% = Su / Sn ● Potencia de salida activa: - nominal: Pn (kW) = Sn (kVA) x 0,8 - alimentación de carga: Pu (kW) = Su (kVA) x PF = Sn x Tc% x PF = Un Iu PF ● Eficacia: η Pu / Pn = 93% (97% en modo ECO). ● Características estáticas (tolerancias de tensión de salida en condiciones de estado estable) - Amplitud: Un ± 1% ajustable a ± 3% - Frecuencia: f ± 1% durante el funcionamiento normal, f ± 0,5% en modo de autonomía con batería - Tensión de salida del inversor sincronizada (frecuencia y fase) con la de la alimentación de reserva, siempre que esta última se mantenga dentro de las tolerancias. ● Características dinámicas (tolerancias en condiciones transitorias) - Máximas variaciones de tensión y frecuencia para cambios en los pasos de carga del 0% al 100% o del 100% al 0%: Un ± 2%, f ± 0,5% ● Distorsión de tensión de salida - THDU < 2% de cargas no lineales del 100% ● Capacidad de cortocircuitos y sobrecargas: - Sobrecargas: 1,5 In durante 1 minuto



(cont.)

- Cortocircuitos: limitación de corriente a 2,33 In durante 1 segundo Carga ● Corriente de carga (Iu) ● Factor de potencia (PF)



(cont.)

Modo normal (en alimentación de la red eléctrica, consultar la Fig. 5.8 en el lado izquierdo) El SAI obtiene la alimentación en CA de la red eléctrica necesaria para funcionar a través del rectificador/cargador que proporciona la corriente CC. Una parte de la alimentación de la red eléctrica se utiliza para la carga o carga de flotación de la batería: • I1 flotante, si la batería ya está completamente cargada. • I1 carga, si la batería no está completamente cargada (por ejemplo, se ha puesto en carga tras una descarga reciente). La corriente restante se suministra al inversor, que genera una onda sinusoidal de tensión de salida dentro de las tolerancias de frecuencia y amplitud especificadas. Modo de autonomía con batería (en alimentación de batería, consultar la Fig. 5.8 en el lado izquierdo) La batería entra en acción para reemplazar la alimentación principal y suministra la alimentación que necesita el inversor para la carga, con las mismas tolerancias que en el modo normal. Esto se lleva a cabo mediante la transferencia inmediata (la batería está conectada en paralelo) en caso de: • Fallo de entrada de CA normal (interrupción de la alimentación de la red eléctrica). • Entrada de CA normal fuera de las tolerancias (disminución de tensión de la alimentación de la red eléctrica).

Modo normal.

Modo de autonomía con batería.

Fig. 5.8. Modo normal y modo de autonomía con batería. Modo de derivación (en conducto de derivación estática, consultar la Fig. 5.9 en el lado izquierdo) Un interruptor estático garantiza la transferencia sin cortes de la carga a la entrada de CA de derivación para el suministro directo de la carga mediante la alimentación de reserva. La transferencia es automática en caso de: • Una sobrecarga aguas abajo del SAI que supera su capacidad de sobrecarga. • Un fallo interno en los módulos de inversor y rectificador/cargador. La transferencia siempre se realiza para fallos internos, pero en caso contrario solo es posible si la tensión de la alimentación de reserva se encuentra dentro de las tolerancias y en fase con el inversor. Para ello: • El SAI sincroniza la tensión de salida del inversor con la del conducto de derivación, siempre que este último se mantenga dentro de las tolerancias. La transferencia se podrá realizar: - Sin cortes en el suministro de alimentación. Como las tensiones están en fase, los SCR de los dos canales del interruptor estático tienen una tensión equivalente a cero al mismo tiempo.

Modos de funcionamiento de los SAI



(cont.)

- Sin alterar la carga. La carga se transfiere a un conducto de derivación que está dentro de las tolerancias. • Cuando la alimentación de reserva no está dentro de las tolerancias, el inversor se desincroniza y funciona de forma autónoma con su propia frecuencia. Se desactiva la transferencia. No obstante, se puede realizar manualmente. Nota 1: esta función incrementa considerablemente la confiabilidad, puesto que las probabilidades de que se produzcan una sobrecarga aguas abajo y un fallo en la alimentación de reserva al mismo tiempo son escasas. Nota 2: para garantizar el correcto funcionamiento del conducto de derivación, se debe garantizar la discriminación entre el dispositivo de protección aguas arriba de la entrada de CA de derivación (elemento saliente en el cuadro de conexión de tensión baja principal) y los de los circuitos salientes del SAI (consultar la información sobre la discriminación a continuación).



(cont.)

Modo de mantenimiento (en derivación de mantenimiento, consultar la Fig. 5.9 en el lado derecho) El mantenimiento se puede llevar a cabo sin interrumpir el funcionamiento de la carga. La carga se suministra con alimentación de reserva a través de la derivación de mantenimiento. La transferencia a la derivación de mantenimiento se lleva a cabo mediante interruptores manuales. El rectificador/cargador, el inversor y el interruptor estático se apagan y se aíslan de las fuentes de alimentación. La batería se aísla mediante el disyuntor de protección.

Modo de derivación (derivación estática).

Modo de mantenimiento (derivación de

mantenimiento). Fig. 5.9. Modo de derivación y modo de mantenimiento. SAI en paralelo con redundancia El segundo capítulo está totalmente dedicado a la presentación de las distintas configuraciones posibles. A continuación se proporciona información adicional sobre la conexión en paralelo para redundancia. Concretamente hace referencia a los SAI MGETM GalaxyTM. Los SAI SymmetraTM modulares también utilizan una conexión en paralelo. Configuraciones, consultar "Selección de la configuración de los SAI" Tipos de configuraciones paralelas Existen dos tipos de configuraciones paralelas. • Unidades SAI integradas en paralelo Esta configuración actualizable se puede empezar con un SAI unitario mediante una derivación estática integrada y una derivación de mantenimiento manual. Para las configuraciones con más de dos unidades SAI, se aloja una derivación de mantenimiento común en un armario externo (consultar la Fig. 5.10). • Unidades SAI en paralelo con un armario con interruptor estático centralizado El armario con interruptor estático consta de una derivación automática y una derivación de mantenimiento que son comunes en una amplia variedad de unidades SAI sin derivación (consultar la Fig. 5.11). Esta configuración, menos actualizable que la anterior debido al valor nominal de la derivación, ofrece una gran confiabilidad (la unidad SAI y el armario con interruptor estático centralizado son independientes). • SAI modulares Los SAI de la gama SymmetraTM constan de módulos dedicados y redundantes (alimentación, inteligencia, batería y derivación). El diseño modular con módulos de potencia conectables mejora la seguridad de funcionamiento, concretamente la facilidad de mantenimiento y la disponibilidad, así como la facilidad de actualización de la instalación.

Configuraciones de los SAI



(cont.)

Redundancia La redundancia en configuraciones en paralelo puede ser N+1, N+2, etc. Esto significa que se requieren N unidades SAI para suministrar la carga, pero están instaladas N+1 o N+2 y comparten la carga. Observe el ejemplo siguiente.



(cont.)

Ejemplo • Imagine que tiene una carga crítica con un valor nominal de 100 kVA. • Redundancia 2+1 - Dos unidades SAI deben ser capaces de suministrar por completo la carga si se pierde la redundancia. - Por lo tanto, cada unidad SAI debe tener un valor nominal de 50 kVA. - Por lo general, tres unidades SAI comparten la carga de 100 kVA, es decir, cada una suministra 33,3 kVA. - Las tres unidades SAI suelen funcionar a un porcentaje de carga del 33,3% / 50% = 66,6%. - Cada unidad SAI integrada en paralelo cuenta con una derivación estática. La transferencia se realiza de tal modo que las tres unidades SAI realizan la transferencia a la derivación de forma simultánea, si es preciso.

Fig. 5.10. Unidades SAI integradas en paralelo con derivación de mantenimiento común y redundancia 2+1. El funcionamiento es correcto en todas las unidades (redundancia disponible). • Pérdida de redundancia - Se apaga una de las unidades SAI, las dos restantes funcionan al 100%. - Es posible revisar la unidad SAI defectuosa gracias a la derivación de mantenimiento.



(cont.)

Fig. 5.11. Unidades SAI integradas en paralelo con derivación de mantenimiento común y redundancia 2+1. Funcionamiento tras la pérdida de redundancia.


Tecnología: SAI sin transformador

Principio Inicialmente todos los SAI incluían un transformador de salida que se utilizaba para ajustar la tensión de salida al valor requerido, recrear un neutro y garantizar el aislamiento galvánico entre el sistema de alimentación aguas arriba y aguas abajo (Fig. 5.12). Hoy en día, el progreso tecnológico y los costes reducidos de semiconductores IGBT hacen que dicho transformador ya no sea necesario (Fig. 5.13).

NormalAC input

Rectifiercharger

UPS

BypassAC input

Q4S

Q1

Inverter

Q5N

K3N

Staticbypass

Battery QF1Manualbypass

Loads

Q3BP

NormalAC input

Rectifiercharger

UPS

BypassAC input

Q4S

Q1

Inverter

Q5N

K3N

Staticbypass

Battery QF1Manualbypass

Loads

Q3BP

Fig. 5.12. SAI con transformador de salida.

Fig. 5.13. SAI sin transformador.

Ventajas Esta tecnología ofrece una gran cantidad de ventajas clave a los usuarios. ● Espacio reducido: sin transformador se necesita menos espacio. ● Peso reducido: al eliminar el transformador, se reduce el peso. ● Mayor eficacia: eliminación de las pérdidas debidas al transformador. ● Regulación de la tensión mediante la modulación de la señal para una mejor adaptación con la carga. Los elementos electrónicos actúan directamente en la tensión de salida para obtener una regulación de la tensión más rápida y precisa. La tendencia El uso de los SAI sin transformador se introdujo a principios de los años 90 para valores nominales de hasta varios centenares de kVA. Debido a sus muchas ventajas, actualmente también son muy utilizados para valores nominales más elevados, tal y como se muestra en la figura 5.14. La potencia nominal media se ha visto aumentada en un 50% en los últimos quince años gracias al uso de la técnica sin transformador.

100

400

P(kVA)

1990 1995 2000 2010

years

200

300

52005

500

Fig. 5.14. Potencias nominales medias de SAI sin transformador.

Tecnología SAI sin transformador



Aislamiento galvánico Una de las razones para el uso de transformadores de salida es el aislamiento galvánico. No obstante, los SAI trifásicos por encima de una determinada potencia nominal cuentan con una derivación para garantizar la continuidad de la alimentación. La presencia de una derivación significa que un SAI, con o sin un transformador de salida, no puede proporcionar aislamiento entre la fuente y las cargas. Por este motivo, la tecnología SAI sin transformador se está convirtiendo poco a poco en la solución preferida para valores nominales elevados. A continuación hablaremos sobre este aspecto comparando el uso de las dos tecnologías en función de la disposición de conexión a tierra del sistema.

Análisis de disposiciones de conexión a tierra del sistema Las disposiciones de conexión a tierra hacen referencia a la conexión a tierra de: ● El punto neutro del sistema de distribución. ● Las partes conductoras expuestas de las cargas. Las partes conductoras expuestas siempre están interconectadas, ya sea todas juntas o en grupos. Cada grupo interconectado está conectado a un terminal de tierra por un conductor de protección (PE o PEN dependiendo de si está combinado con el conductor neutro o si está separado). La norma IEC 60364(1) emplea dos letras para identificar las distintas disposiciones de conexión a tierra. ● La primera letra describe la conexión a tierra del punto neutro del transformador: - T: conectado a tierra - I: no conectado a tierra ● La segunda letra describe la conexión a tierra de las partes conductoras expuestas del equipo de carga: - T: conectado a tierra - N: conectado al conductor neutro que está conectado a tierra En este caso (N), una tercera letra indica la relación entre el conductor neutro (N) y el conductor de protección (PE): - C: conductor único empleado para ambas funciones - S: conductores separados (1) Reemplazada por la Guía de carga para transformadores de potencia IEC 60076-7 Ed. 1. Por tanto, la norma define los sistemas siguientes: ● IT: aislado neutro ● TT: conectado a tierra neutro ● TN-C: conductor neutro y conductor a tierra de protección combinados (PEN) ● TN-S: conductor a tierra neutro (N) t conductor a tierra de protección (PE) separados.

Disposición de conexión a tierra para salas de equipos informáticos Uso sistemático del sistema TN-S El sistema TN-S es la disposición de conexión a tierra recomendada por los fabricantes y las normas para sistemas informáticos. La razón es que proporciona una distribución monofásica, además de garantizar un potencial de referencia para las partes conductoras expuestas con el conductor de protección.

L1L2L3

PEN

ECPs ECPs

3-ph loads ph-N loads

Fases: L1, L2, L3 Neutro: N Conductor de protección: PE Polo de disyuntor: x N y PE separados

Fig. 5.15. Sistema TN-S para salas de equipos informáticos.

Uso con cargas de equipo informático



Los sistemas IT y TT no resultan apropiados para sistemas informáticos ● El sistema IT requiere operarios competentes y una supervisión de aislamiento sofisticada para localizar y solucionar los fallos de aislamiento antes de que un segundo fallo con una corriente de desconexión elevada pueda causar perturbaciones.



● El sistema TT es demasiado sensible a las sobretensiones por rayos para dispositivos informáticos sensibles. ● El sistema TN-C(1) (conductor PE y conductor neutro conectado a tierra combinados) no ofrece un potencial de referencia fiable como el sistema TN-S. Las cargas monofásicas, frecuentes en los sistemas informáticos, causan armónicos H3 y los múltiplos de 3 correspondientes (H6, H9, etc.) en el neutro. Los armónicos fluyen en el conductor PEN donde pueden causar: - Pérdida de equipotencialidad del PEN, que se extiende por la protección y puede afectar al funcionamiento del sistema informático. - Altas corrientes de desequilibrio en teleféricos y en la estructura del edificio debidas a conexiones PEN a tierra frecuentes. La radiación electromagnética resultante en el teleférico puede causar perturbaciones en los dispositivos sensibles. (1) El sistema TN-C se puede utilizar en el sentido aguas arriba de un sistema TN-S, pero al contrario no está permitido porque puede dar lugar a la interrupción aguas arriba del conductor de protección, lo cual supone un peligro para la seguridad de las personas aguas abajo. Recomendaciones de los fabricantes de equipos informáticos: recrear una red con un neutro conectado a tierra en la entrada de la sala de equipos informáticos Los fabricantes de equipos informáticos recomiendan que el sistema TN-S con un conductor neutro conectado a tierra se cree lo más cerca posible de las cargas. Normalmente se instala en la entrada de la sala de equipos informáticos. El uso del sistema TN-S sin tomar esta medida, es decir, con el neutro conectado a tierra situado lejos en sentido aguas arriba, puede dar lugar a una diferencia de potencial entre el conductor de tierra y el neutro debido a la distribución aguas arriba. En resumidas cuentas, se recomienda crear un sistema TN-S en la entrada de la sala de equipos informáticos con el conductor neutro conectado a tierra en este punto para garantizar la correcta distribución eléctrica al sistema informático. Normalmente esto se consigue utilizando unidades de distribución de alimentación (PDU) que incluyen un transformador de entrada, lo que permite obtener un potencial de referencia neutro fiable y garantiza el aislamiento galvánico en todos los modos de funcionamiento del SAI (en entrada de CA normal o derivación). Además, esta solución emplea transformadores que ofrecen un elevado nivel de confiabilidad, que supera el de los transformadores de salida del SAI. Esta solución con transformadores de entrada se utiliza mucho en los EE. UU., donde se instala un sistema de distribución trifásico de 480 V en la entrada de la sala de equipos informáticos para suministrar un transformador de 480 V/208 (Fig. 5.16).

UPS A

PDU A

UPS B

PDU A

Blade server

Isolatingtransformers

used to recreatea TN-S system

with neutral

xx x

x

..



Fig. 5.16. Ejemplo de transformadores utilizados en la entrada de la PDU para crear un sistema de distribución TN-S con un neutro.



Sistema IT o TT aguas arriba En este caso, la disposición de conexión a tierra del sistema se debe cambiar al TN-S aguas abajo del SAI. Dado que el neutro no puede tener dos referencias distintas a tierra, se requiere el aislamiento galvánico para todos los modos de funcionamiento del SAI (normal o derivación). ● Para los SAI con un transformador de salida, se suele añadir un transformador en la entrada a la derivación (consultar la Fig. 5.17). Esta solución tiene dos inconvenientes: - Se deben utilizar disposición de protección de cuatro polos para cablear e interrumpir el neutro en la derivación. - La distancia D2 de la corriente de salida neutra del SAI y las cargas puede afectar al potencial neutro porque los transformadores de aislamiento no están situados cerca de las cargas. ● Los SAI sin transformador de APC by Schneider Electric pueden funcionar en tres fases sin un neutro. Esto permite utilizar un sistema de distribución trifásico con tres conductores hasta la PDU o equivalente y recrear el sistema TN-S lo más cerca posible de la aplicación (consultar lado derecho de la Fig. 5.17). Esta disposición garantiza un potencial de referencia "limpio" para el PE. Además de las ventajas en cuanto a eficacia, espacio, peso y adaptación de la tensión, la tecnología sin transformadores es sencilla y económica.

Solución con transformador de salida Solución sin transformador IT o TT aguas arriba - TN-S aguas abajo IT o TT aguas arriba - TN-S aguas abajo

Normal ACinput

Rectifiercharger

L1L2L3N

LVMS

UPS

PE

Bypass ACinput

Bypasstransformer

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Staticbypass

Battery QF1

Q5N

K3N

PE

Earthingterminal

L1L2L3N

Outputtransformer

LVS

D2

ITTT

Normal ACinput

Rectifiercharger

L1L2L3N

LVMS

UPS

Bypass ACinput

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Battery QF1

Q5N

K3N

PEL1L2L3N

LVS

Staticbypass

D1

ITTT

Power Distribution Unittransformer

Fixed and cleanreference for

Neutral

PE

Fig. 5.17. IT o TT aguas arriba y TN-S aguas abajo.

Comparación de distintas disposiciones de conexión a tierra aguas arriba


Tecnología: SAI sin transformador (cont.)

Sistema TN-C o TN-S aguas arriba Estas dos situaciones se pueden afrontar del mismo modo. Con un sistema TN-C aguas arriba, es posible separar el neutro y el PE aguas arriba del SAI (separando los cables) y crear la situación con un sistema TN-S aguas arriba y uno aguas abajo. En los diagramas siguientes, el TN-C aguas arriba simplifica la distribución. La Fig. 5.18 ilustra el único caso para un sistema TN-C aguas arriba. Para proporcionar un potencial de referencia, es necesario crear un sistema de distribución "limpio" instalando un transformador en la entrada de la sala de equipos informáticos (por lo general mediante una PDU o equivalente). Cuanto mayor sea la distancia D1 entre el transformador aguas arriba y la salida del SAI, más necesaria será esta solución porque el potencial neutro se puede ver afectado por la distribución aguas arriba. En tal caso, las soluciones que emplean SAI con o sin transformador son idénticas; no obstante, la tecnología sin transformadores ofrece ventajas en cuanto a eficacia, espacio, peso y precisión en la regulación de la tensión.

Solución con transformador de salida Solución sin transformador TN-C aguas arriba y TN-S aguas abajo TN-C aguas arriba y TN-S aguas abajo

Normal ACinput

Rectifier/charger

L1L2L3N

LVMS

UPS

Bypass ACinput

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Battery QF1

Q5N

K3N

L1L2L3N

Staticbypass

D1

PE LVS



Neutral

Normal ACinput

Rectifier/charger

L1L2L3N

LVMS

UPS

Bypass ACinput

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Battery QF1

Q5N

K3N

PEL1L2L3N

Staticbypass

D1

LVS



Neutral

Fig. 5.18. TN aguas arriba y aguas abajo.


Tecnología: SAI sin transformador (cont.)

Resultados de la comparación Soluciones con un transformador de salida ● El transformador en la salida del SAI es de un tipo específico, más caro y requiere más espacio. ● Es necesario añadir un transformador en la entrada de derivación, es decir, la instalación requiere dispositivos de cuatro polos y un cable neutro, o bien hay que instalar un transformador de salida. ● El transformador añadido no está situado lo más cerca posible de las cargas. Soluciones sin transformador ● Se evitan las limitaciones causadas por el transformador de salida del SAI. ● Se instala un transformador en la entrada de la sala de equipos informáticos, por lo general en una PDU. No se necesitan dispositivos de cuatro polos en la derivación ni la distribución aguas arriba del neutro. Se debe añadir igualmente un transformador, pero existen ventajas en cuanto a: ● Coste del SAI, es decir, no se necesita un transformador de salida específico, dispositivos de cuatro polos ni un neutro en el conducto de derivación. ● Espacio y paso reducidos. ● Mejor regulación de la salida para fluctuaciones de la carga rápidas. Debido a sus múltiples ventajas, la tecnología sin transformadores se está convirtiendo rápidamente en la solución preferida para los SAI.



Perturbaciones electromagnéticas En todas las perturbaciones electromagnéticas hay tres elementos implicados. Una fuente Una fuente natural (atmósfera, tierra, sol, etc.) o, más a menudo, una fuente industrial (dispositivos eléctricos y electrónicos). La fuente genera perturbaciones a través de variaciones repentinas (impulsos) en los valores eléctricos (tensión o corriente), definidas por: • Una forma de onda • Una amplitud de onda (valor pico) • Un espectro de frecuencias • Un nivel de energía Un modo de acoplamiento El acoplamiento permite la transmisión de perturbaciones y puede ser: • Capacitivo (o galvánico), por ejemplo a través de bobinados del transformador. • Inductivo, mediante un campo magnético radiante. • Conducido, mediante una impedancia común, a través de una conexión a tierra. Una víctima Cualquier dispositivo que pueda verse afectado y que funcione de forma incorrecta debido a la presencia de las perturbaciones. Ejemplos Fuentes En las instalaciones de baja tensión, las fuentes incluyen corrientes que varían de forma repentina, como consecuencia de: • Fallos o cortocircuitos • Conmutación electrónica • Armónicos de orden superior • Rayos o avería del transformador Las frecuencias pueden ser bajas (< 1 MHz) para las frecuencias de alimentación y sus armónicos o elevadas (> 1 MHz) para rayos. Acoplamiento • Capacitivo: transmisión de una onda de rayo a través de un transformador. • Inductivo: radiación de un campo magnético creado por una de las corrientes anteriores. La radiación crea una fuerza electromotriz inducida, es decir, una corriente perturbadora inducida, en los bucles de conductores, compuestos por los cables que suministran alimentación a los dispositivos y los conductores a tierra de los dispositivos. Como se indica, una radiación de 0,7 A/m puede causar perturbaciones a un monitor de vídeo. Esto corresponde al campo creado a lo largo de 2,2 m alrededor de un conductor portador de una corriente de 10 A. • Conducido (impedancia común): incremento en el potencial de una conexión a tierra.

Perturbaciones Emisión, inmunidad, susceptibilidad Un dispositivo eléctrico se instala en un entorno que puede estar más o menos expuesto a perturbaciones electromagnéticas. Se debe considerar como una fuente y una posible víctima de las perturbaciones electromagnéticas. Dependiendo del visto de vista, hablaremos de: • El nivel de emisión de una fuente • El nivel de compatibilidad de un entorno • Los niveles de inmunidad y susceptibilidad de una víctima Trataremos estos conceptos en la página siguiente, en la sección sobre niveles de perturbación definidos por las normas.

Perturbaciones electromagnéticas

Normas y recomendaciones de EMC



(cont.)

Niveles de perturbación La norma IEC 6100-2-4 define múltiples niveles de perturbación para EMC: • Nivel 0: sin perturbaciones. • Nivel de emisión: nivel máximo autorizado para un usuario en una red pública o para un dispositivo. • Nivel de compatibilidad: nivel máximo de perturbación esperado en un entorno concreto. • Nivel de inmunidad: nivel de perturbación que puede soportar un dispositivo. • Nivel de susceptibilidad: nivel en el que un dispositivo o sistema empieza a funcionar de forma incorrecta. Por consiguiente, para los dispositivos y equipos tomados en consideración: • Fuentes: se deben definir límites (niveles de emisión) para las perturbaciones emitidas por los dispositivos para evitar que alcancen los niveles de compatibilidad. • Víctimas: también deben soportar niveles de perturbación superiores a los niveles de compatibilidad, si estos se superan, lo cual es admisible de forma transitoria. Estos niveles superiores son los niveles de inmunidad. Las normas de EMC definen estos niveles. Para la lista de normas de EMC, consultar la sección de la página 34 sobre normas de EMC.

Fig. 5.19 Niveles de perturbación de EMC para dispositivos perturbadores/perturbados. Valores medidos Los dispositivos se someten a pruebas. Se miden cinco valores básicos: • CE: emisiones conducidas • RE: emisiones radiadas • ESD: descargas electrostáticas • CS: susceptibilidad conducida • RS: susceptibilidad radiada Las pruebas requieren recursos importantes, concretamente una jaula de Faraday para emisiones y susceptibilidad conducidas y una cámara anecoica para emisiones radiadas. APC by Schneider Electric tiene cámaras de prueba anecoicas certificadas.



(cont.)

Fig. 5.20 Los cinco valores de medición básicos.


Normas de SAI

Ámbito de las normas Las normas cubren los aspectos siguientes: • Diseño del SAI • Seguridad de las personas • Niveles de rendimiento • Entorno eléctrico (especialmente perturbaciones de armónicos y EMC) • Entorno ecológico Las normas sobre los SAI ahora son mucho más precisas, especialmente a raíz de la creación de las normas EN europeas y su armonización con una parte de las normas IEC ya existentes. Cumplimiento de las normas y certificación El cumplimiento de las normas garantiza la confiabilidad y calidad de un SAI, su compatibilidad con las cargas suministradas, así como con el entorno técnico, humano y natural. La declaración de conformidad con las normas por parte del fabricante no es, por sí sola, una indicación suficiente de calidad. Únicamente la certificación por parte de organizaciones reconocidas constituye una auténtica garantía de conformidad. Por este motivo, los niveles de rendimiento de los SAI de APC by Schneider Electric en relación con las normas están certificados por organizaciones como TÜV y Veritas. Marcado CE El marcado CE fue creado por la legislación europea. Es obligatorio para la libre circulación de bienes en la UE. Su objetivo es garantizar, mediante el cumplimiento de las directivas europeas correspondientes: • Que el producto no sea peligroso (Directiva de Baja Tensión) • Que el producto no contamine (Directiva de Medio Ambiente), además de garantizar su compatibilidad electromagnética (Directiva de EMC) Antes de añadir el marcado CE a un producto, el fabricante debe llevar a cabo o haber llevado a cabo comprobaciones y pruebas que garantizan la conformidad del producto con los requisitos dispuestos en las directiva(s) aplicable(s). NO es una certificación normalizada ni una marca de conformidad. No significa que el producto cumple con las normas nacionales o internacionales. No es una certificación, tal como se entienden en la legislación francesa (de fecha 3 de junio de 1994). Por otra parte, el marcado CE se añade a un producto bajo la responsabilidad exclusiva del fabricante o el importador. No implica la inspección por parte de una organización externa certificada. No todas las etiquetas tienen las mismas implicaciones para los fabricantes. La conformidad con las normas y los niveles especificados de rendimiento se deben poder certificar a través de una organización. Este no es el caso del marcado CE, que autoriza la autocertificación.

Los SAI de APC by Schneider Electric (certificados por TÜV y Veritas) cumplen las principales normas internacionales aplicables. Seguridad • IEC 60950-1 / EN 60950-1 Equipos de tecnología de la información. Seguridad. Parte 1: requisitos generales • IEC 62040-1/ EN 62040-1 Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI). Requisitos generales y de seguridad para los SAI. • IEC 62040-3 / EN 1000-3 Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI). Método para especificar las prestaciones y los requisitos de ensayo. • IEC 60439

Ámbito y cumplimiento de las normas

Principales normas que regulan los SAI


Normas de SAI

Conjuntos de equipos de maniobra y conmutación de baja tensión. • Directiva de Baja Tensión: 2006/95/CE


Normas de SAI (cont.)

Entorno eléctrico, armónicos y compatibilidad electromagnética (EMC) Armónicos • IEC 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 suministro público en baja tensión. (Consultar la Tabla 5-A de la página siguiente). • IEC 61000-3-2 / EN 61000-3-2 Límites para las emisiones de corriente armónica (equipos con corriente de entrada ≤ 16 A por fase). • IEC 61000-3-4 / EN 61000-3-4 Límites para las emisiones de corriente armónicas (equipos con corriente de entrada > 16 A por fase). • IEC 61000-3-5 / EN 61000-3-5 Limitación de las fluctuaciones de tensión y del flicker. • EN 50160 Características de la tensión de las redes generales. (Consultar la Tabla 5-B de la página siguiente). • IEEE 519 Recomendaciones prácticas y requerimientos para el control de armónicos en sistemas eléctricos de potencia. EMC • EN 50091-2 Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI). EMC. • IEC 62040-2/ EN 62040-2 Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI). Requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC). • Directiva EMC 2004/108/CE Para equipos que puedan causar o verse afectados por perturbaciones electromagnéticas. Calidad • Diseño, producción y mantenimiento según la norma ISO 9001 (gestión de la calidad). Entorno ecológico • Fabricación según la norma ISO 14001.


Normas de SAI (cont.)

Ruido acústico • ISO 3746 Niveles de potencia acústica. • ISO 7779 / EN 27779 Medición del ruido aéreo emitido por ordenadores y equipos de oficina. Tablas sobre niveles de compatibilidad de armónicos Tabla 5-A. Niveles de compatibilidad para tensiones armónicas individuales en redes de baja tensión, según las estipulaciones de las normas IEC 61000-2-2 / EN 61000-2-2.

Armónicos impares no múltiplos de 3

Armónicos impares múltiplos de 3

Armónicos pares

Nº orden armónico

Tensión armónica como % de tensión fundamental

Nº orden armónico


Nº orden armónico


5 6 3 5 2 2 7 5 9 1,5 4 1 11 3,5 15 0,3 6 0,5 13 3 21 0,2 8 0,5 17 19 23 25 >25

2 1,5 1,5 1,5 0,2+0,5x25/n

>21 0,2 10 12 >12

0,5 0,5 0,2 0,2

THDU resultante < 8% (para todos los armónicos encontrados entre los indicados). Tabla 5-B. Niveles de compatibilidad para tensiones armónicas de acuerdo con el tipo de equipo según las estipulaciones de la norma EN 50160.

Orden del armónico de tensión generado

Clase 1 (equipos y sistemas sensibles) % de la tensión fundamental

Clase 2 (1) (redes industriales y públicas) % de la tensión fundamental

Clase 3 (para la conexión de los principales contaminadores) % de la tensión fundamental

2 2 2 3 3 3 5 6 4 1 1 1,5 5 3 6 8 6 0,5 0,5 1 7 3 5 7 8 0,5 0,5 1 9 1,5 1,5 2,5 10 0,5 0,5 1 11 3 3,5 5 12 0,2 0,2 1 13 3 3 4,5 TDHU 5% 8% 10% (1) La Clase 2 corresponde a los límites de la Tabla A de las normas IEC 61000-2-2 / EN 61000-2-2.

94APC by Schneider Electric Edición de 01/2012 pág. 58

Almacenamiento de energía

Almacenamiento de energía en los SAI Los sistemas de almacenamiento de energía utilizados por los SAI para actuar como reserva de la fuente principal deben presentar las características siguientes: • Disponibilidad inmediata de la energía eléctrica • Potencia nominal suficiente para suministrar alimentación a la carga • Tiempo de autonomía suficiente o compatibilidad con sistemas que proporcionan

tiempos de autonomía prolongados (por ejemplo, un grupo electrógeno de motor o celdas de combustible).

Evaluación de las tecnologías disponibles La observación técnica establecida por APC by Schneider Electric dio lugar al análisis exhaustivo de las tecnologías siguientes: • Baterías • Supercondensadores (ultracondensadores) • Volantes de inercia • Dispositivo superconductor magnético de almacenamiento de energía. Para obtener más información, consulte WP 65 [Documento Técnico WP 65: "Comparing Data Center Batteries, Flywheels, and Ultracapacitors" ("Comparación de ultracondensadores, volantes de inercia y baterías de centros de datos")]. Las soluciones de baterías y volantes de inercia se analizan a continuación.

La solución de batería Las baterías son con diferencia la solución utilizada más habitualmente hoy en día para el almacenamiento de energía en los SAI. Son la solución dominante por su bajo coste, eficacia probada y capacidad de almacenamiento, pero también tienen una gran cantidad de inconvenientes en cuanto a tamaño, mantenimiento e impacto medioambiental. A las potencias nominales tomadas en consideración, ofrecen tiempos de autonomía dentro del intervalo de diez minutos, suficiente para hacer frente a interrupciones prolongadas y esperar para el arranque de un grupo electrógeno de motor durante un tiempo de ejecución extendido. Para la gama SymmetraTM PX, APC by Schneider Electric también ofrece soluciones de tiempo de ejecución extendido basadas en celdas de combustible, con la gama de productos FCXR (Fuel Cell eXtended Run). Esta solución reduce considerablemente el impacto medioambiental y los requisitos de espacio con respecto a las soluciones que combinan las baterías con un grupo electrógeno de motor. El almacenamiento de energía electroquímica mediante baterías, respaldado por un grupo electrógeno de motor térmico en los casos en que corresponda, es la solución utilizada habitualmente para proteger cargas críticas mediante SAI.

Fig. 5.21. Almacenamiento de energía utilizando una batería y un grupo electrógeno de motor para tiempos de autonomía prolongados.

Posibles tecnologías

Baterías

Consultar WP 65


Almacenamiento de energía (cont.)

Tipos de baterías industriales Familias de baterías Una batería es un conjunto de celdas interconectadas. En función del tipo de celda, existen dos familias de baterías principales: • Baterías de plomo ácido • Baterías de níquel-cadmio Las celdas también pueden ser de estos tipos: • Con recombinación baterías selladas La tasa de recombinación de gases es de por lo menos el 95% y, por lo tanto, no requieren la adición de agua durante la vida útil (de ahí el uso del término "selladas"). • Con ventilación baterías ventiladas Están equipadas con puertos para: - Liberar a la atmósfera el oxigeno y el hidrógeno producidos durante las distintas reacciones químicas. - Llenar el electrolito hasta arriba incorporando agua destilada o desmineralizada. Baterías utilizadas en los SAI Los principales tipos de baterías utilizadas con los SAI son: • Baterías de plomo ácido selladas, utilizadas en el 95% de las ocasiones porque son fáciles de mantener y no requieren una sala especial, estas baterías se pueden instalar en oficinas y en cualquier posición. • Baterías de plomo ácido ventiladas • Baterías de níquel-cadmio ventiladas Las baterías ventiladas imponen mayores restricciones en cuanto a mantenimiento (comprobaciones en el nivel de electrolito) y la posición adecuada (solo pueden estar en posición vertical). Actualmente se están estudiando las baterías de polímero de litio para su uso en los SAI. Para el uso con sus gamas de SAI, APC by Schneider Electric recomienda baterías de plomo ácido selladas, pero también ofrece una amplia selección de otros tipos de baterías. Ofrece los tres tipos de baterías para todos los tipos de vidas útiles disponibles. Los niveles de capacidad y los tiempos de autonomía se pueden adaptar para satisfacer las necesidades del usuario. Las baterías propuestas también son apropiadas para las aplicaciones de SAI, puesto que son el resultado de la colaboración con fabricantes de baterías líderes en el mercado. Selección de baterías, consultar "Factores clave en la instalación del SAI” pág. 46. Modos de instalación Dependiendo de la gama del SAI, la capacidad de la batería y el tiempo de autonomía, la batería: • Será de tipo sellado y estará alojada en el armario del SAI. • Será de tipo sellado y estará alojada en uno, dos o tres armarios. • Será de tipo sellado o ventilado y estará montada en bastidor. Montaje en armarios Este método de instalación (consultar Fig. 5.15) es adecuado para las baterías selladas. Es fácil de implementar y ofrece el máximo nivel de seguridad. Baterías instaladas en bastidores • En estantes (Figura 5.16) Este método de instalación es posible para baterías selladas o baterías ventiladas sin mantenimiento que no requieren el relleno del electrolito. • Montaje en niveles (Figura 5.17) Este método de instalación es adecuado para todo tipo de baterías y, especialmente, para baterías ventiladas, ya que el relleno y la comprobación por niveles se llevan a cabo fácilmente.



Fig. 5.22. Montaje en armarios. Fig. 5.23. Montaje en estantes. Fig. 5.24. Montaje en niveles.



Limitaciones en las baterías Limitaciones atmosféricas Las baterías suministradas con los SAI de APC by Schneider Electric están diseñadas para funcionar en las condiciones siguientes: • Intervalo de temperaturas óptimo: de 15 °C a 25 °C • Intervalo de humedad relativa óptimo: del 5% al 95% • Presión atmosférica: de 700 a 1060 hPa (de 0,7 a 1,06 bares). Para otras condiciones de funcionamiento, póngase en contacto con nosotros. Acceso Se debe proporcionar acceso para las operaciones de pruebas. • Batería instalada en el armario del SAI o en otro armario: debe cumplir con los espacios indicados en la sección "Dimensiones y pesos" del capítulo 4. • Batería instada en bastidores: se debe seleccionar un método de instalación apropiado para el tipo de batería. • Trabajo preliminar: este aspecto es importante porque implica la seguridad. Se trata en la sección "Factores clave en la instalación del SAI" pág. 49. Principales parámetros de la batería Tiempo de autonomía Para cualquier batería, el tiempo de autonomía depende de: • La alimentación que se debe suministrar; un valor bajo incrementa la autonomía disponible. • Las condiciones de descarga; una tasa de descarga alta hace posible la presencia de una tensión de apagado inferior y, por tanto, incrementa el tiempo de autonomía. • La temperatura, dentro de los límites de funcionamiento recomendados; el tiempo de autonomía incrementa con una temperatura creciente. No obstante, tenga en cuenta que las temperaturas altas tienen un impacto negativo en la vida útil de la batería. • El deterioro; el tiempo de autonomía de la batería disminuye con la antigüedad de la batería. APC by Schneider Electric ofrece una amplia variedad de tiempos de autonomía estándar (5, 6, 8, 10, 15 o 30 minutos y vidas útiles (5, 10 años o más) y satisface todos los requisitos específicos. Vida útil Se considera que una batería alcanza el final de su vida útil cuando su tiempo de autonomía real cae por debajo del 50% del tiempo de autonomía especificado. La vida útil de una batería se puede mejorar proporcionando: • Protección contra la descarga profunda • Una configuración de cargador correcta, en concreto el factor de ondulación de la carga o corriente de flotación • Una temperatura de funcionamiento óptima, entre 15 °C y 25 °C. Modo de recarga El ciclo de carga tiene lugar en dos pasos: • Paso 1, una corriente constante limitada a 0,1 C10 (un décimo de la capacidad de la batería para una descarga de diez horas). • Paso 2, una tensión constante, al valor máximo permisible. La corriente de descarga disminuye de forma regular y alcanza el valor flotante.



Fig. 5.25. Ciclo de carga de la batería.



Administración de la batería para las gamas MGETM GalaxyTM DigibatTM Para administrar los parámetros anteriores, todos los SAI MGETM GalaxyTM de APC by Schneider Electric se suministran de forma estándar con el sistema de supervisión de baterías DigibatTM con microprocesador (DSP dedicado para procesamiento en tiempo real). DigibatTM, un sistema fácil de usar, ofrece funciones flexibles y avanzadas, así como protección física y asistida por ordenador para la batería. Proporciona un elevado nivel de seguridad y mediciones precisas del tiempo de autonomía, además de optimizar la vida útil de la batería. Por ejemplo, para un SAI MGE Galaxy 5000, las funciones incluyen: • Entrada automática de parámetros de batería. • Medición del tiempo de autonomía real restante, teniendo en cuenta la antigüedad de la batería, la temperatura y el nivel de carga. • Estimación de la vida útil restante de la batería (1). • Prueba de la batería para detectar de forma preventiva fallos en funciones de la batería (1). • Regulación de la tensión de la batería con respecto a la temperatura para optimizar la vida útil de la batería. • Prueba automática de descarga de la batería a intervalos de tiempo ajustables. La protección incluye: • Protección contra la descarga profunda (en función de la tasa de descarga) y aislamiento de la batería mediante un disyuntor que se abre automáticamente una vez transcurrido el tiempo de autonomía, multiplicado por dos más dos horas. • Limitación de la corriente de recarga en la batería (de 0,05 C10 a 0,1 C10). • Alarma sonora progresiva que indica el final del tiempo de autonomía. • Múltiples pruebas automáticas. (1) Patentes exclusivas de APC by Schneider Electric.

Fig. 5.26. DigibatTM Supervisión de la temperatura Los SAI MGETM GalaxyTM también pueden estar equipados con el módulo de supervisión de la temperatura, que se utiliza para: • Optimizar la tensión del cargador en función de la temperatura de la sala donde se encuentra la batería. • Avisar al usuario si se superan los límites de temperaturas permisibles predefinidos. • Perfeccionar la estimación sobre el tiempo de autonomía de la batería realizada por el sistema estándar. La ventilación natural de los armarios de baterías evita el aumento de la temperatura de las baterías. El sensor de entorno también es una forma sencilla de supervisar la temperatura y la humedad. Se puede utilizar para iniciar el apagado si se utiliza en combinación con el software que ejecuta el módulo. Supervisión de la batería



APC by Schneider Electric también ofrece los sistemas autónomos y de comunicación B2000 y Cellwatch para la supervisión de la batería, que detectan y localizan de inmediato todos los fallos de la batería. Estos sistemas supervisan cada bloque o celda de la batería y permiten la realización del mantenimiento predictivo.



Almacenamiento de energía mediante volantes de inercia Principio de funcionamiento Un sistema de almacenamiento de energía mediante un volante de inercia es una "batería mecánica" que almacena energía cinéticamente en forma de masa en movimiento rotativo. Cuando es preciso durante una interrupción del suministro de la red eléctrica, la energía almacenada por la masa en movimiento rotativo se convierte en energía eléctrica a través del generador eléctrico integrado del volante de inercia. La cantidad de energía almacenada en un volante de inercia se representa del siguiente modo: E = kMω2 donde k depende de la forma de la masa en movimiento rotativo, M es la masa del volante de inercia y ω su velocidad angular. Tenga en cuenta que la energía almacenada es proporcional al cuadrado de la velocidad angular. Esta es una de las razones por las que APC by Schneider Electric propone volantes de inercia que giran a velocidades relativamente elevadas. De esta forma, se reduce el peso y el espacio del sistema de almacenamiento de energía. Aplicaciones de SAI Las unidades de volantes de inercia pueden reemplazar las baterías de SAI tradicionales o trabajar conjuntamente con las baterías para proporcionar alimentación de reserva altamente fiable e instantánea para las aplicaciones que se consideran de importancia vital en la actualidad (centros de datos, hospitales, estudios de retransmisión, casinos aeropuertos y plantas de fabricación). Funcionan en conjunto con el bus de CC del SAI, como una batería, por lo que recibe corriente de carga del SAI y proporciona corriente CC al inversor del SAI durante la descarga.

Rectifier

Criticalloads

AC input

Inverter

Battery

UPS

Flywheel Fig. 5.27. Diagrama simplificado de un SAI con un sistema de almacenamiento de energía con volante de inercia conectado en paralelo con una batería. Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia tienen dos aplicaciones, dependiendo de si la instalación incluye un grupo electrógeno o no. Endurecimiento de la batería para instalaciones sin grupos electrógenos Para las instalaciones sin grupos electrógenos, un sistema de almacenamiento de energía con volante de inercia puede funcionan en paralelo con baterías. Esta aplicación del volante de inercia suele denominarse "endurecimiento de la batería". En una configuración de este tipo, el volante de inercia es la primera línea de defensa contra anomalías en la alimentación: ofrece una mayor disponibilidad y protege las baterías contra interrupciones prolongadas en el suministro de alimentación. Al ser el primero en proporcionar la energía necesaria para afrontar los cortes en la alimentación, el sistema del volante de inercia aumenta considerablemente la vida útil de la batería absorbiendo más del 98% de las descargas que normalmente serían suministradas por las baterías. El endurecimiento de la batería con volantes de inercia ofrece múltiples ventajas. • Una menor cantidad de ciclos de carga-descarga de la batería, por lo que se extiende la vida útil de la batería.

Volantes de inercia



• Disminución de la frecuencia en la sustitución de la batería y el desecho de plomo ácido asociado. • Mayor disponibilidad del bus de CC crítico.



Sustitución de la batería para instalaciones con grupos electrógenos Por lo general, los grupos electrógenos pueden asumir la carga en un plazo de 10 segundos tras un fallo en el suministro de la red eléctrica. Mientras las baterías de los SAI pueden proporcionar alimentación durante esta transición, su confiabilidad siempre se pone en cuestión. ¿Están completamente cargadas? ¿Se ha echado a perder alguna celda en la fila de baterías? ¿Cuándo se comprobaron por última vez? En cambio, los sistemas con volante de inercia proporcionan almacenamiento de energía fiable de forma instantánea para garantizar una transición previsible al grupo electrógeno de reserva, todo ello en un espacio reducido. Un sistema con volante de inercia que proporciona 10 o 20 segundos de energía ofrece múltiples ventajas en comparación con las baterías para instalaciones con grupos electrógenos. • Almacenamiento de energía altamente previsible y fiable: - Tiempo medio entre fallos estimado de 54.000 horas - La supervisión continua aporta un rendimiento altamente previsible • Alternativa a las baterías respetuosa con el medio ambiente: - Sin plomo ni ácido, huella de carbono reducida • Coste total de propiedad reducido: - 20 años de vida útil - Bajo mantenimiento. - Tamaño reducido y peso ligero - Capaz de funcionar a temperaturas de hasta 40 °C Tipos de volantes de inercia Los volantes de inercia de los SAI se pueden dividir en varios tipos, en función de su velocidad, el material y la configuración del grupo electrógeno. Velocidad de los volantes de inercia • Volantes de inercia de baja velocidad - Velocidad angular <10.000 rpm - La energía para potencias altas requiere volantes de inercia de acero de gran espesor (pesados y voluminosos). - Mantenimiento periódico y sustitución de los cojinetes mecánicos - Gran cantidad de pérdidas de energía parásita - Requiere especificaciones especiales de losas de hormigón para la instalación. • Volantes de inercia de alta velocidad - De 30.000 rpm a 60.000 rpm (potencialmente hasta 100.000 rpm) - Son mucho más ligeros para potencias altas (energía almacenada mediante una mayor velocidad de rotación). - Levitación magnética total - Mantenimiento periódico reducido - Espacio y peso inferiores - Puesta en marcha, inicio y apagado sencillos Como se ha mencionado anteriormente, los volantes de inercia suministrados con los SAI de APC by Schneider Electric funcionan a velocidades relativamente elevadas (36.000 rpm cuando están totalmente cargados) y ofrecen todas las ventajas correspondientes. Materiales de los volantes de inercia • Volantes de inercia de fibra de carbono Los volantes de inercia de fibra de carbono normalmente se elaboran bobinando grandes cantidades de fibra de carbono alrededor de un vástago. Se mantienen unidos mediante una resina epoxi. Las imperfecciones en el proceso y los espacios entre las fibras pueden dar lugar al desequilibrio del volante con el paso del tiempo debido a las tensiones aplicadas, puesto que la rueda pasa de girar a una velocidad elevada a una velocidad baja y viceversa, lo cual ocurre durante cada suceso de descarga. Una vez que el volante de inercia de fibra de carbono se desequilibra, se debe sustituir el módulo del volante de inercia completo, un proceso que es muy costoso y requiere mucho tiempo. • Volantes de inercia de acero



Los volantes de inercia suministrados con los SAI de APC by Schneider Electric están hechos con acero de tipo 4340 aeronáutico. Las propiedades de este material son muy conocidas; se trata de un material que ofrecen múltiples proveedores y que se utiliza en muchas aplicaciones giratorias de alta velocidad. Lo más importante es que la integridad del material se pueda medir mediante muestras básicas y ultrasonidos para garantizar que cumpla con las especificaciones de la aplicación. El mismo volante de inercia se ha utilizado no solo para aplicaciones de SAI, sino también para aplicaciones regenerativas con números de ciclos elevados, como es el caso de los motores eléctricos para grúas y rieles eléctricos. Estas aplicaciones recurren al volante de inercia para que se cargue y descargue hasta 20 veces por hora. Estas aplicaciones demuestran la solidez de utilizar acero de tipo aeronáutico como material preferente para el volante de inercia. Configuración del grupo electrógeno Otra diferencia de los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia es la configuración del grupo electrógeno. • Los sistemas con volante de inercia suministrados por APC by Schneider Electric utilizan un grupo electrógeno magnético permanente, que aporta dos ventajas: - Mayor eficacia del grupo electrógeno durante la carga y descarga, lo que proporciona la elevada capacidad cíclica del volante de inercia. - El volante de inercia puede generar su propia alimentación para mantener su levitación, aunque se pierda la alimentación de control o se produzca un fallo en la electrónica de potencia. • Otros fabricantes de volantes de inercia utilizan un motor de reluctancia síncrono que no puede generar por sí solo alimentación se produce un fallo en la electrónica de potencia. - Por lo tanto, la unidad requiere un suministro de reserva de un SAI pequeño para proporcionar alimentación de reserva a los cojinetes magnéticos. Instalación Armarios del volante de inercia Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia se suministran en armarios separados que se conectan al bus de CC, como los armarios de baterías. Se pueden instalar varios armarios de volantes de inercia en paralelo para obtener una mayor alimentación, tiempos de ejecución prolongados o redundancia. Preparación de la ubicación No es necesario realizar grandes preparativos en la ubicación para la instalación de armarios de volantes de inercia. Antes de la instalación, se deben tener en cuenta algunos aspectos: • La conexión y el cableado al SAI y otros equipos • El acceso para mantenimiento • Los espacios libres para la refrigeración • El montaje en el suelo Limitaciones en los volantes de inercia Limitaciones atmosféricas Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia suministrados con los SAI de APC by Schneider Electric están diseñados para funcionar en las condiciones siguientes: • Temperatura de funcionamiento: de -20 °C a 40 °C (sin disminución) • Temperatura mínima de inicio en frío: 0 °C • Humedad relativa: hasta el 95% (sin condensación) Para otras condiciones de funcionamiento, póngase en contacto con nosotros. Principales parámetros del volante de inercia Alimentación de salida y tiempo de autonomía Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia suministrados con los SAI de APC by Schneider Electric ofrecen flexibilidad a la hora de



seleccionar la mejor combinación de nivel de potencia y tiempo de ejecución para satisfacer los requisitos de la aplicación. • Las unidades individuales están disponibles con valores nominales de 215 kW y 300 kW. • El modelo de 300 kW puede suministrar 160 kW durante ~18,75 segundos o 220 kW durante ~10 segundos, que por lo general son suficientes para aplicaciones de arranque de grupos de electrógenos o endurecimiento de baterías. • Se pueden instalar varias unidades de volantes de inercia en paralelo para ofrecer una mayor capacidad, redundancia o tiempo de ejecución. Vida útil • La vida útil de un sistema de almacenamiento de energía con volante de inercia suele ser mucho más larga que la de las baterías de plomo ácido. • Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia suministrados con los SAI de APC by Schneider Electric tienen una vida útil de 20 años para temperaturas de funcionamiento de hasta 40 °C y ciclos de carga-descarga frecuentes.


Combinación de SAI / grupo electrógeno

Tiempos de autonomía prolongados Un grupo electrógeno de motor está compuesto por un motor de combustión interna que acciona un generador que suministra alimentación al sistema de distribución. El tiempo de autonomía de un grupo electrógeno de motor depende de la cantidad de combustible disponible. En algunas instalaciones, el tiempo de autonomía requerido en caso de una interrupción en el suministro de la red eléctrica es tan elevado que es preferible utilizar un grupo electrógeno de motor para respaldar la alimentación de la red eléctrica (Figura 5.28). Esta solución permite prescindir del uso de baterías grandes con tiempos de autonomía prolongados. A pesar de que no existe una regla general a este respecto, a menudo se utiliza un generador para los tiempos de autonomía superiores a 30 minutos. Las instalaciones críticas que requieren niveles de disponibilidad muy altos y que presentan costes de inactividad elevados (por ejemplo, los centros de datos) combinan de forma sistemática SAI y grupos electrógenos de motor. El tiempo de autonomía de la batería del SAI debe ser suficiente para el arranque y la conexión del generador a la instalación eléctrica. La conexión se suele realizar en el cuadro de conexión de tensión baja principal mediante un sistema automático de conmutación de fuentes. El tiempo necesario para la conmutación depende de las características específicas de cada instalación, especialmente la secuencia de arranque, la interrupción de la carga, etc.

Fig. 5.28. Combinación de SAI / grupo electrógeno.

Compatibilidad de SAI / grupo electrógeno A la hora de utilizar un grupo electrógeno de motor para proporcionar alimentación con tiempos de autonomía prolongados a los SAI se deben tener en cuenta múltiples factores. Cambios en los pasos de carga En caso de que se produzcan condiciones de emergencia que requieran la conexión de la instalación al grupo electrógeno, las cargas pesadas pueden dar lugar a altas corrientes de energización, que pueden causar problemas de funcionamiento serios

Uso de un generador




en el grupo electrógeno. Para evitar este fenómeno, los SAI de APC by Schneider Electric están equipados con un sistema que garantiza el arranque gradual del cargador. La estabilización dura aproximadamente 10 segundos. Además, cuando se restablece la alimentación de la red eléctrica, el cargador se puede detener gradualmente mediante un interruptor auxiliar para evitar la alteración del resto de las cargas.



(cont.)

Fig. 5.29. Inicio gradual del rectificador del SAI durante el funcionamiento basado en la alimentación del generador. Corrientes capacitivas El generador solamente puede suministrar corrientes capacitivas bajas (del 10% al 30% de In). Cuando se instala un filtro LC, la principal dificultad reside en el arranque gradual del rectificador con la alimentación del generador, cuando la potencia activa es igual a cero y el generador suministra únicamente la corriente capacitiva para el filtro. Por consiguiente, el uso de filtros LC se debe analizar correctamente para garantizar que la operación cumpla con las especificaciones del fabricante. El uso de filtros LC compensados con un contactor resuelve el problema. Con los SAI con un rectificador PFC, la compatibilidad es total. Filtros LC y generadores, consultar capítulo 1 pág. 26. Potenciales nominales de generador y SAI respectivas Un SAI equipado con un rectificador PFC tiene un factor de potencia de entrada elevado (superior a 0,9). Por lo tanto, el grupo electrógeno de motor se puede utilizar para alcanzar la máxima eficacia. En el caso de los filtros LC, los filtros compensados con un contactor resuelven el problema relacionado con las corrientes capacitivas. La compatibilidad de potencias nominales entre los grupos electrógenos de motor y los SAI modernos evita cualquier problema de disminución. Estabilidad de frecuencia del generador Durante el funcionamiento con alimentación del grupo electrógeno de motor, se puede producir una fluctuación en la frecuencia del generador debida a variaciones en la velocidad del motor térmico para el cual las funciones de regulación no son instantáneas. Estas variaciones se deben a cambios en la carga. Algunos ejemplos son: el propio arranque del grupo electrógeno de motor (hasta que alcanza su velocidad nominal), el arranque de otras cargas suministradas por el grupo electrógeno de motor (ascensores, sistemas de aire acondicionado) o la interrupción de cargas. Esto puede crear problemas con SAI de línea interactiva cuya frecuencia de salida sea idéntica a la de entrada. Las variaciones en la frecuencia del generador pueden dar lugar a múltiples transferencias a la alimentación de batería (frecuencia fuera de tolerancias) para luego volver a la alimentación de la red eléctrica (cuando el inversor ha estabilizado la frecuencia, pero el generador todavía no se ha estabilizado), lo que genera fenómenos de "penduleo" (inestabilidad en torno al valor de referencia de frecuencia). Con los SAI de doble conversión, este problema se evita con la regulación de la alimentación de salida por parte del inversor. Los SAI de doble conversión son totalmente compatibles con las fluctuaciones de frecuencia de los grupos electrógenos de motor. Este no es el caso de los SAI de línea interactiva. Armónicos Por lo general, la reactancia subtransitoria X"d de un generador es superior a la tensión de cortocircuito Uscx de un transformador (entre dos y cuatro veces superior). Cualquier corriente de armónicos empleada por el rectificador del SAI puede tener un mayor impacto en la distorsión armónica de tensión en las barras colectoras aguas arriba. Con la tecnología de rectificadores PFC, la ausencia de armónicos aguas arriba evita este problema.



(cont.)



(cont.)

Análisis de corrientes de energización Durante el arranque, múltiples cargas causan importantes corrientes de energización (sobretensiones de conmutación, picos de arranque), que duran cierto tiempo. Para el SAI, estas corrientes representan una carga aparente Sa (kVA) que es superior a Sn (kVA), que se puede suministrar en condiciones de estado estable. El valor de Sa que se debe tener en cuenta para dimensionar la alimentación del SAI se calcula a partir de estas corrientes de energización. A continuación se proporcionan indicaciones sobre estas corrientes causadas por dispositivos de carga comunes. Motores Normalmente los motores son de tipo asíncrono trifásico (el 95% de todos los motores). El requisito de alimentación adicional corresponde a la corriente de arranque definida por (Fig. 5.30): • Id (de 5 a 8 In, valor eficaz nominal) para un tiempo td (de 1 a 10 segundos). • Imax = 8 a 12 In, para entre 20 y 30 milisegundos. La potencia recibida que se debe tener en cuenta (omitiendo el efecto de pico de Imax) es:

Sa (kVA) = Un Id 3 durante td. Transformadores de baja tensión/baja tensión La conmutación de transformadores produce picos de corriente con amplitudes que se amortiguan de acuerdo con una decadencia exponencial con una constante de tiempo (consultar Fig. 5.31). • i = Iprimer pico exp -t/τ, donde τ son unos cuentos ciclos (de 30 a 300 ms). • Iprimer pico = k In (donde se especifica k, por lo general entre 10 y 20). Las indicaciones suelen incluir el número de ciclos que dura el fenómeno y el valor de los distintos picos como porcentaje de primer pico de I. La corriente de energización correspondiente normalmente se calcula a partir de (consultar ejemplo): • Sa (kVA) = Un primer pico de I 3 , es decir, Sa (kVA) = k Un In 3 durante el número de ciclos. • Ejemplo de una corriente de energización amortiguada en cuatro ciclos con: Primer pico (100%): k In (k de 10 a 20) Segundo pico del 30%: 0,3 k In Tercer pico del 15%: 0,15 k In El total de los valores eficaces de las corrientes correspondientes a los distintos picos (pico de I / 2 ) (1) es:

Ink2

45,1InK2

)15,03,01(Ink≈=

++

Aproximadamente es equivalente solo al valor del primer pico. (1) Considerando los picos de corriente como ondas sinusoidales; tenga en cuenta que algunos fabricantes indican un valor eficaz de pico de I / 2.

Cargas de equipo informático Las fuentes de alimentación conmutada son cargas no lineales. La corriente para una carga monofásica tiene una forma de onda similar a la mostrada en la Figura 5.32. Puede producirse un pico durante la primera mitad de onda de aproximadamente 2 In. No obstante, suele ser mucho inferior a este valor y se puede obviar.



(cont.)

Fig. 5.30. Curva para el

arranque en línea directo de un motor asíncrono trifásico.

Fig. 5.31. Corriente de conmutación de un transformador de baja tensión/baja tensión.

Fig. 5.32. Corriente de arranque de carga de equipo informático.


Armónicos

Origen de los armónicos El uso cada vez mayor de dispositivos relacionados con las telecomunicaciones, la electrónica de potencia y la informática ha multiplicado el número de cargas no lineales conectadas a sistemas de alimentación. Estas aplicaciones requieren fuentes de alimentación conmutada que transforman la onda sinusoidal de tensión en señales periódicas de distintas formas de onda. Todas estas señales periódicas de frecuencia f son el producto de señales sinusoidales superpuestas con frecuencias que son múltiplos de f, conocidas como armónicos (consultar la sección "Valores de armónicos característicos" donde se trata el teorema de Fourier a continuación, en la pág. 40). La Figura 5.32 ilustra este fenómeno mostrando la corriente inicial (la fundamental) y el armónico de tercer orden.

En la figura se muestra lo que sucede cuando un armónico de tercer orden (150/180 Hz) se superpone en la frecuencia fundamental (50/60 Hz). La frecuencia de la señal periódica resultante es la de la fundamental, pero la forma de onda está deformada.

Fig. 5.33. Ejemplo de armónicos. La presencia mayor de armónicos es un fenómeno que incumbe a todas las instalaciones eléctricas, comerciales e industriales, así como residenciales. Ningún entorno eléctrico moderno está exento de estas perturbaciones causadas por dispositivos como PC, servidores, tubos fluorescentes, acondicionadores de aire, unidades de velocidad variable, lámparas de descarga, rectificadores, fuentes de alimentación estáticas, microondas, televisores, lámparas halógenas, etc. Todas estas cargas son "no lineales". Consecuencias de los armónicos Los armónicos causan perturbaciones, cada vez más gravemente, en todos los tipos de actividades, desde fábricas que producen componentes electrónicos y sistemas de procesamiento de datos hasta estaciones de bombeo, sistemas de telecomunicaciones, estudios de televisión, etc., porque representan una parte significativa de la corriente recibida. Estos son los tres tipos de consecuencias negativas para los usuarios: Impacto en la instalación eléctrica Los armónicos incrementan el valor eficaz de la corriente con respecto al de la corriente sinusoidal nominal. El resultado es un aumento de la temperatura (a veces considerable) en las líneas, transformadores, generadores, condensadores, cables, etc. Los costes ocultos del deterioro acelerado de estos dispositivos pueden ser muy elevados. Impacto en las aplicaciones Las corrientes de armónicos circulan en las impedancias de líneas y fuentes, por lo que generan armónicos de tensión que dan lugar a la distorsión de la tensión en las barras colectoras aguas arriba de las cargas no lineales (Figura 5.34). La distorsión de la tensión de suministro (THDU aguas arriba) puede alterar el funcionamiento de ciertos dispositivos sensibles que estén conectados a dichas barras colectoras. Además, para sistemas TNC donde se combinan los conductores N y PE para formar un conductor PEN, los armónicos de tercer orden de secuencia cero se acumulan en el conductor neutro. Esta corriente de desequilibrio en el neutro puede

Armónicos


Armónicos

causar perturbaciones en los circuitos que interconectan dispositivos de corriente baja y puede requerir el sobredimensionamiento del neutro.


Armónicos (cont.)

Fig. 5.34. Distorsión de la tensión debida a la reinyección de corrientes de armónicos por parte de cargas no lineales. Impacto en la alimentación eléctrica disponible Los armónicos representan una pérdida de corriente evidente (consumo hasta un 30% superior). El usuario tiene que pagar más para una menor cantidad de alimentación disponible. Precauciones General Existen múltiples soluciones tradicionales para limitar los armónicos: • Instalación de filtros pasivos ajustados. • Instalación en paralelo de varios cables con secciones transversales de tamaño medio. • Separación de cargas no lineales y cargas sensibles detrás de los transformadores de aislamiento. No obstante, estas soluciones presentan dos inconvenientes básicos: • La limitación de los armónicos solamente es eficaz en la instalación existente (la adición o eliminación de cargas puede hacer que pierda eficacia). • La implementación en las instalaciones existentes es complicada. Los acondicionadores de armónicos activos AccuSine (consultar capítulo 3) evitan estos inconvenientes. Son mucho más eficaces que otras soluciones, se pueden utilizar con todos los tipos de cargas y pueden eliminar de forma selectiva los armónicos del 2º al 25º orden. Eliminación de armónicos, consultar"Eliminar corrientes de armónicos" SAI • Debido al rectificador/cargador, un SAI es una carga no lineal para su fuente de alimentación. Los SAI de APC by Schneider Electric ofrecen el control perfecto sobre los armónicos aguas arriba al utilizar filtros o rectificadores PFC "limpios" (MGE Galaxy PW y 9000). Aguas arriba del SAI, la distorsión de tensión total permanece dentro de los límites aceptables para el resto de los dispositivos conectados a las mismas barras colectoras.


Armónicos (cont.)

Valores de corriente Expansión armónica de una corriente periódica El teorema de Fourier indica que cualquier función periódica con una frecuencia f se puede representar como la suma de términos (serie) compuesta por: • Un término sinusoidal con frecuencia f, denominado frecuencia fundamental. • Términos sinusoidales con frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental, es decir, los armónicos. • Un componente de CC, si procede. La aplicación del teorema de Fourier a las corrientes de cargas no lineales indica que una corriente periódica I(t), de cualquier forma a frecuencia f (50 o 60 Hz), es la suma de las corrientes sinusoidales de armónicos definidas por:

I t IH t IHn n t n

n

( ) sin( ) sin( )= + + +=

∞

∑12

2 1 2ω ϕ ω ϕ

donde • IH1 es el valor eficaz de la corriente fundamental a frecuencia f (50 o 60 Hz). • ω = 2 π f es la frecuencia angular del valor fundamental. • ϕ1 es el desplazamiento de fase entre la corriente fundamental y la tensión. • IHn es el valor eficaz del armónico nº, a frecuencia nf. • ϕn es el desplazamiento de fase entre la corriente de armónicos nº y la tensión. Es importante evaluar los armónicos (n ≥ 2) con respecto al valor fundamental (n = 1) para determinar hasta qué punto la función difiere del valor fundamental. Para ello, se tienen en cuenta los valores que se indican a continuación. Contenido de armónicos individuales de la corriente Este valor expresa la proporción en (porcentaje) entre el valor eficaz del armónico en cuestión y el del valor fundamental.

1

nn

IHIH100%Ih =

Todos los armónicos presentes en una corriente específica con la indicación de su importancia relativa (valores Ihn) constituyen el espectro de armónicos de la corriente. En términos generales, la influencia de los órdenes por encima del 25º es insignificante. Distorsión armónica total de corriente Esta distorsión se denomina THDI (distorsión armónica total de corriente, donde I significa corriente). Expresa la proporción entre el valor eficaz de todos los armónicos (n ≥ 2) y el del valor fundamental. La THDI también se expresa de acuerdo con los armónicos individuales.

( )THDI

IH

IHIHIH

Ihn

n n

nn

n

% %= =

==

∞

=

∞

=

∞∑∑ ∑100 100

2

2

1 1

2

2

2

2 Nota: en ocasiones, el contenido de armónicos se expresa con respecto a la señal completa Irms, y no con respecto al valor fundamental (documentos de IEC). Nosotros utilizamos la definición de CIGREE, que utiliza el valor fundamental. Para el contenido de armónicos analizado en las páginas siguientes, las dos definiciones producen resultados prácticamente idénticos. Valor eficaz de una corriente con armónicos El valor eficaz de una corriente alterna con un periodo T es:

( )I

TI t dtrms

T= ∫1 2

0 Tras el cálculo y el uso de la representación de armónicos, se puede expresar como:

I IHrms n

n

==

∞

∑ 2

1 donde IHn = valor eficaz del armónico nº.

Valores armónicos característicos


Armónicos (cont.)

El valor eficaz también se expresa como:

I IH IHrmsn

= +=

∞

∑12 2

2n

o:

∑∞

=

+=

2n

2n

1eff1IH

IH1IHI

, por lo tanto:

I IH Ih IH THDIrms nn

= + = +=

∞

∑12

21

21 1

• Ihn = Ihn% / 100 (nivel individual expresado 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 corriente fundamental, multiplicado por un coeficiente que se debe a los armónicos y es una función de la distorsión. Por consiguiente, un efecto de los armónicos es el aumento del valor eficaz de la corriente, lo que puede dar lugar a un incremento de la temperatura y, por tanto, que sea necesario sobredimensionar los conductores. Cuanto menor es la distorsión, la necesidad de sobredimensionamiento será inferior. Ejemplo Corriente de entrada de un rectificador trifásico.

Niveles de distorsión armónica

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%

Fig 5.35. Ejemplo del espectro de una corriente de armónicos.

( )THDI Ihnn

% %==

∞

∑ 2

2 El valor que está debajo del signo de raíz cuadrada es: 332 + 2,72 + 7,32 + 1,62 +2,62 + 1,12 + 1,52 +1,32 = 1.164 por lo tanto, THDI% ≈ 34% y THDI = 0,34.

I IH THDIeff = +121 = IH1

21 0 34+ . = 1,056 x I1 Por tanto, el valor eficaz de esta corriente es un 5,6% más alto que el valor eficaz de la corriente fundamental, es decir, la corriente nominal que no contiene armónicos, con el correspondiente incremento de la temperatura. Valores de tensión En los terminales de una carga no lineal, a través de los cuales fluye una corriente de CA periódica deformada, la tensión también es periódica con una frecuencia f, y también está deformada con respecto a la onda sinusoidal teórica. La relación entre tensión y corriente ya no se rige por la ley linear de Ohm, porque solo es aplicable para la corriente y tensión sinusoidal. Sin embargo, es posible utilizar una expansión de Fourier para la tensión, y definir, de forma parecida a la corriente y con los mismos resultados, los valores siguientes: Contenido de armónicos individuales de la tensión

1

nn

UHUH100%Uh =

El espectro armónico también se puede calcular para la tensión.


Armónicos (cont.)

Distorsión armónica total de tensión

( )THDU

UH

UHUHUH

Uhn

n n

nn

n

%= =

==

∞

=

∞

=

∞∑∑ ∑100 100

2

2

1 1

2

2

2

2 THDU (distorsión armónica total), donde U significa tensión. Valor eficaz de una tensión con armónicos

I IHrms n

n

==

∞

∑ 2

1 De forma similar a la corriente, también se puede expresar como:

2

12

nrms THDUIHUh1UHU +=+= ∑∞

=

112n

El valor eficaz de la tensión es el de la tensión fundamental, multiplicado por un coeficiente que se debe a los armónicos. Valores de potencia Factor de potencia en presencia de armónicos Basado en la potencia activa en los terminales de una carga no lineal P (kW) y la potencia aparente suministrada S (kVA), el factor de potencia se define mediante:

)kVA(S)kW(P

=λ

Este factor de potencia no expresa el desplazamiento de fase entre la tensión y la corriente, puesto que no son sinusoidales. Sin embargo, es posible definir el desplazamiento entre el valor fundamental de tensión y el valor fundamental de corriente (ambos sinusoidales), mediante:

)kVA(S)KW(Pcos

1

11 =ϕ

donde P1 y S1 son la potencia activa y reactiva, respectivamente, del valor fundamental. La norma IEC 146-1 define el factor de distorsión:

1cosϕλ

=ν

Cuando no hay armónicos, este factor es igual a 1 y el factor de potencia es simplemente el cos ϕ. Potencia en presencia de armónicos • En los terminales de una carga lineal trifásica equilibrada, proporcionada con una tensión fase a fase u(t) y una corriente I(t), donde el desplazamiento entre u e i es ϕ, la potencia aparente en kVA, según los valores eficaces U e I, es:

3UIS = La potencia activa en kW es: P = S cos ϕ La potencia reactiva en kvar es: Q = S sin ϕ Donde:

22 QPS += • En los terminales de una carga no lineal, la definición matemática de P es mucho más compleja porque U e I contienen armónicos. No obstante, se puede expresar simplemente como: .P = S λ. (λ = factor de potencia) Si U1 e I1 son los valores fundamentales desplazados por ϕ1, es posible calcular la potencia aparente, activa y reactiva correspondiente de este modo: S U I1 31 1= P1 = S1 cos ϕ1 y Q1 = S1 sin ϕ1. La potencia aparente total es:

S P Q D= + +1 12 2 2

D es la potencia de distorsión debida a los armónicos.


Cargas no lineales y tecnología PWM

Importancia de la impedancia de salida del SAI Diagrama equivalente de una salida de inversor Con respecto a la carga, un inversor es una fuente perfecta de tensión sinusoidal V0 en serie con una impedancia de salida Zs. En la Figura 5.36 se muestra el diagrama equivalente de la salida de inversor cuando hay presente una carga.

La salida de inversor es una fuente perfecta

de tensión V0 en serie con una impedancia de salida Zs.

Vc = impedancia en los terminales de carga. Vs = impedancia en la salida de inversor. ZL = impedancia de línea. Zc = impedancia de carga.

Fig. 5.36. Diagrama equivalente de una salida de inversor. Efectos de distintos tipos de cargas • Para una carga lineal, las impedancias Zs, ZL, Zc se consideran a la frecuencia angular ω = 2 π f corresponde a la frecuencia de distribución (f = 50 o 60 Hz), cuyo resultado es: V0 = (Zs + ZL + Zc) I • Para una carga no lineal, las corrientes de armónicos recibidas por el flujo de carga a través de las impedancias. Para el valor fundamental y cada armónico individual, los valores eficaces de la corriente y la tensión están relacionados de forma similar, y se pueden expresar como: - Para el valor fundamental: U1 = (Zs + ZL + Zc) I1 - Para cada orden de armónico k: UK = [Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] IK Los valores de impedancia se consideran a la frecuencia kf del orden específico. La distorsión de tensión se reduce con los niveles individuales de los armónicos de tensión UK / U1. Estos niveles están relacionados con los niveles de las corrientes de armónicos IK/ I1 mediante la ecuación: [Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] / (Zs + ZL + Zc). Por consiguiente, para un determinado espectro de corriente de carga, los niveles de armónicos de tensión individuales y la distorsión total (THDU) se reducen con la impedancia de la fuente y los cables a las frecuencias específicas. Consecuencias de cargas no lineales Para reducir los efectos de las corrientes de armónicos (THDU a B y C), es necesario, en la medida de lo posible: • Reducir la impedancia de la línea • Garantizar una impedancia de fuente baja a varias frecuencias de armónicos El buen comportamiento por parte de un SAI que suministra cargas no lineales requiere una impedancia de salida baja a las distintas frecuencias de armónicos. A continuación, se indican las ventajas de la técnica de recorte PWM (modulación de anchura de impulsos) a este respecto.

Rendimiento de cargas no lineales de SAI mediante tecnología PWM


Cargas no lineales y tecnología PWM (cont.)

Principio de funcionamiento del SAI Recorte de la tensión de CC por parte del inversor con filtrado Un inversor está formado por un convertidor que transforma la potencia en CC suministrada por el rectificador/cargador o la batería a la potencia en CA. Por ejemplo, en un SAI monofásico, la potencia en CC se puede convertir de dos formas: utilizando medio puente (consultar Fig. 5.37) o un puente completo (consultar Fig. 5.38). La tensión de onda cuadrada obtenida entre A y B se filtra para producir una tensión sinusoidal con un nivel bajo de distorsión en la salida.

Los interruptores representados para ilustrar el principio son IGBT controlados.

Fig. 5.37. Convertidor CC/CA de medio puente. Fig. 5.38. Convertidor CC/CA de puente completo. En términos prácticos, los interruptores mostrados en las figuras 5.37 y 5.38 son IGBT, para los que es posible controlar los tiempos de conexión y desconexión relativos. Controlando los tiempos de conexión y desconexión, es posible "distribuir" la tensión por la onda sinusoidal de referencia. El principio se conoce como PWM (modulación de anchura de impulsos). Se muestra de forma simplificada, con cinco impulsos de onda cuadrada, en la Figura 5.39. El área de la onda sinusoidal de tensión es igual a la de los impulsos de onda cuadrada utilizados para generarla. Estas áreas representan la alimentación suministrada por el inversor a la carga en un periodo de

tiempo determinado, es decir, VIdtT

0∫ Cuanto mayor es la frecuencia de recorte (mayor es el número de impulsos de onda cuadrada), mejor es la regulación con respecto a la onda de referencia. El recorte también reduce el tamaño del filtro interno requerido en la salida LC (consultar Fig. 5.40).



Fig. 5.39. Tensión de salida del convertidor CC/CA con cinco impulsos de onda cuadrada por mitad de onda.

Fig. 5.40. Filtro de salida del inversor.



Inversores PWM Recorte PWM La técnica de recorte PWM (modulación de anchura de impulsos) combina el recorte de alta frecuencia (unos cuantos kHz) de la tensión de CC por parte del inversor y la regulación de la anchura de impulsos para la salida del inversor para cumplir con una onda sinusoidal de referencia. La técnica emplea IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) que ofrecen las ventajas del control de tensión y tiempos de conmutación muy breves. Debido a la alta frecuencia, el sistema de regulación puede reaccionar con rapidez (por ejemplo, 333 nanosegundos para una frecuencia de 3 kHz) para modificar las anchuras de impulsos en un periodo determinado. La comparación con la onda de tensión de referencia permite mantener la tensión de salida del inversor dentro de las tolerancias de distorsión exactas, incluso en el caso de corrientes deformadas. Diagrama funcional de un inversor PWM En la Figura 5.41 se muestra el diagrama funcional de un inversor PWM. La tensión de salida se compara continuamente con la tensión de referencia Vref, que es una onda sinusoidal con un nivel muy bajo de distorsión (< 1%). La diferencia en la tensión ε se procesa mediante un corrector, de acuerdo con una función de transferencia C(p), cuyo objetivo es garantizar el rendimiento y la estabilidad de control. La tensión del corrector se amplifica mediante el convertidor CC/CA y su sistema de control con una ganancia A. La tensión Vm suministrada por el convertidor se filtra mediante el filtro LC para suministrar la tensión de salida Vs. En términos prácticos, es necesario tener en cuenta la impedancia del transformador de salida, cuando este existe, para obtener la inductancia total L. A menudo, la inductancia está integrada en el transformador, y es este el motivo por el cual no se incluye en los diagramas.

Fig. 5.41. Diagrama funcional de un inversor PWM. Impedancia de salida de un inversor PWM Es posible representar el convertidor CC/CA y el filtro anteriores como una impedancia en serie Z1 y una impedancia paralela Z2 (consultar lado izquierdo de la Fig. 5.42). El diagrama se puede modificar para mostrar la impedancia de salida Zs. El diagrama equivalente (lado derecho de la Fig. 42) muestra:

• V'm = tensión medida en condiciones sin carga, es decir, V'm = Vm

ZZ Z

2

1 2+ • Zs = impedancia medida en la salida con V'm en cortocircuito, es decir:

Zs =

Z ZZ Z

1 2

1 2+



Fig. 5.42. Diagrama equivalente de un inversor, visto desde la salida.



La proporción

ZZ Z

2

1 2+ es la función de transferencia del filtro, indicada como H(p). Para simplificarlo, C(p) x A se sustituye por µ(p), que representa la función de transferencia de la corrección y amplificación. Por lo tanto, es posible sustituir la Fig. 5.41 por el diagrama funcional de la Fig. 5.43.

Fig. 5.43. Diagrama funcional transformado de un inversor de recorte PWM equipado con un sistema de regulación de tensión de salida con frecuencia de recorte modulada. Es posible mostrar que en este caso la impedancia de salida del inversor Zs es igual a:

Z' s ≈Z1

µ (p) (para obtener más información, consulte Schneider Electric Cahier Technique, documento nº 159). Esto significa que en la banda de paso de regulación, la impedancia de salida del inversor es igual a la impedancia en serie del filtro dividida entre la ganancia de corrección y de amplificación. Dada la elevada ganancia de la banda de paso de regulación, la impedancia de salida se reduce considerablemente en comparación con la impedancia Z1 de un inversor sin este tipo de regulación. Fuera de la banda de paso de regulación, la impedancia de salida del inversor es igual a la del filtro, pero permanece baja porque corresponde a la impedancia de un condensador de alta frecuencia. Por lo tanto, la impedancia de salida es una función de la frecuencia (consultar Fig. 5.44). La técnica PWM (modulación de anchura de impulsos) de frecuencia libre limita considerablemente la impedancia de salida.

Impedancia de salida de varias fuentes Las curvas de la Figura 5.44 muestran las impedancias de salida para varias fuentes con valores nominales de salida iguales como una función de la frecuencia de CA. Las impedancias están trazadas como porcentaje de la impedancia de carga Zc. • Transformadores y generadores: la curva es una línea recta que corresponde al efecto de la inductancia L (el término que pasa a ser rápidamente dominante en la reactancia con respecto a la resistencia y que aumenta linealmente como función de la frecuencia). • Inversores modernos que implementan la técnica de recorte PWM con frecuencia de recorte modulada, a todas las frecuencias de armónicos, la proporción Zs/Zc es: - Inferior a la indicada para otras fuentes - Baja y prácticamente constante Conclusión El inversor PWM es la fuente que ofrece con diferencia la impedancia de salida más baja en presencia de armónicos. Es sin duda la mejor fuente del mercado en cuanto a su capacidad para minimizar la distorsión de tensión causada por cargas no lineales. Es entre cinco y seis veces mejor que un transformador con una potencia nominal idéntica. La nueva generación de SAI que implementan IGBT y la técnica de recorte PWM con modulación de frecuencia son las mejores fuentes de tensión sinusoidal, sea cual sea el tipo de corriente recibida por la carga.

Comparación de distintas fuentes



Fig. 5.44. Impedancia de salida de distintas fuentes dependiendo de la frecuencia.

Recorte de frecuencia libre La frecuencia libre es una mejora de la técnica PWM. El recorte PWM puede utilizar dos técnicas distintas (Fig. 5.45). Recorte de frecuencia fija Los frentes de recorte se producen a intervalos regulares fijos y corresponden a la frecuencia de recorte a lo largo de un periodo. La anchura de los impulsos (impulsos de onda cuadrada) se puede modular para ajustarse a la referencia dentro del intervalo de tiempo fijo. Las dos ondas sinusoidales mostradas en el diagrama corresponden a la tolerancia (< 1%) alrededor de la onda sinusoidal de referencia. Recorte de frecuencia libre Los frentes de recorte no se producen necesariamente a intervalos fijos. El recorte se adapta a los requisitos de la regulación, es decir, la tasa de variación de la referencia. La anchura de los frentes de conmutación disminuye (la frecuencia de recorte aumenta) a medida que aumenta la tasa de variación de la onda sinusoidal de referencia. Por el contrario, la anchura de los frentes de conmutación aumenta (la frecuencia de recorte disminuye) a medida que disminuye la tasa de variación de la referencia. En general, la frecuencia de recorte media es la misma que la de la técnica de frecuencia fija (aproximadamente 3 kHz). No obstante, la regulación es mejor porque la conmutación se acelera en las zonas en que la tasa de variación es elevada (ver Fig. 5.46). Puede alcanzar ocho conmutaciones por milisegundo, es decir, un tiempo de regulación muy bajo que puede llegar a ser de hasta 125 nanosegundos (en comparación con los 300 nanosegundos de la técnica de frecuencia fija). La técnica de frecuencia libre incrementa la precisión de la regulación de tensión en los inversores PWM, en comparación con la técnica de frecuencia fija.

Recorte de frecuencia libre



La frecuencia de recorte es fija.

La modulación tiene lugar en intervalos fijos, independientemente de la tasa de variación de la onda sinusoidal de referencia.

La frecuencia de recorte libre incrementa en los puntos en que la tasa de variación de la referencia es alta. Por lo tanto, la modulación tiene lugar en intervalos que son más breves cuando la tasa de variación de la onda sinusoidal de referencia aumenta.

Frecuencia fija. Frecuencia libre. Fig. 5.45. Recorte PWM con regulación de frecuencia fija y frecuencia libre.

Free-frequencyswitching

Qualityband withvariations< 1%

Output voltagecurve

Up to 8 commutationsper millisecond

Fig. 5.46. Regulación mediante conmutación de frecuencia libre.


Rectificadores PFC

Rectificadores estándar y PFC Las unidades SAI reciben potencia del sistema de distribución de CA a través de un rectificador/cargador. En lo que respecta al sistema aguas arriba, el rectificador es una carga no lineal que provoca armónicos. En términos de armónicos, hay dos tipos de rectificadores: Rectificadores estándar Se trata de rectificadores trifásicos que incorporan SCR (rectificadores controlados de silicio) y que utilizan un puente de seis fases con recorte estándar de la corriente. Este tipo de puente provoca corrientes armónicas de órdenes n = 6 k ± 1 (siendo k un número entero), principalmente H5 y H7, y, en menor cuantía, H11 y H13. Los armónicos se controlan mediante un filtro. Rectificador de corrección de factor de potencia (PFC) "limpio". Este tipo de rectificador consta de un IGBT integrado y un sistema de regulación que ajusta la tensión y la corriente de entrada a una onda sinusoidal de referencia. Esta técnica garantiza que la tensión y la corriente de entrada: • Sean perfectamente sinusoidales, es decir, libres de armónicos. • Estén en fase, esto es, con un factor de potencia de entrada próximo a 1. Con este tipo de rectificadores no se necesitan filtros. Rectificadores PFC Principio de funcionamiento El principio que se esconde tras los rectificadores PFC consiste en forzar que la corriente recibida siga siendo sinusoidal. Para ello, se utiliza la técnica PWM presentada más arriba. El principio es el mismo que el de un convertidor de "fuente de tensión" (consultar Fig. 5.47), mientras que el acondicionador de armónicos activo AccuSine utiliza un convertidor de "fuente de corriente". El convertidor actúa como una fuerza contraelectromotriz (un "generador de tensión sinusoidal") en el sistema de distribución y la corriente sinusoidal se obtiene insertando un inductor entre la alimentación de la red eléctrica y la fuente de tensión. Aunque otras cargas no lineales aumenten la distorsión de tensión en el sistema de distribución, la regulación se puede adaptar para obtener una corriente sinusoidal. La frecuencia de las corrientes de armónicos residuales bajas es la frecuencia de la modulación de sus múltiplos. La frecuencia depende de las posibilidades de los semiconductores utilizados.

Fig. 5.47. Principio de funcionamiento de un convertidor "generador de tensión" limpio. Implementación Rectificador monofásico En la Figura 5.48 se muestra el funcionamiento de un rectificador monofásico. La modulación de tensión se obtiene mediante un controlador que fuerza la corriente a que siga una referencia de corriente sinusoidal. El transistor T y el diodo D configuran el modulador de tensión. Por consiguiente, la tensión u cambia entre 0 y Vs en función de si el transistor T está encendido o apagado. Cuando el transistor T conduce la corriente, la corriente en el inductor L solo puede aumentar porque la tensión es positiva y u = 0. Por tanto:


Rectificadores PFC

didt

eL

=> 0


Rectificadores PFC (cont.)

Cuando el transistor T está apagado, la corriente en L disminuye, siempre que Vs sea superior a V, por lo que: didt

e VsL

=−

> 0 Para que se cumpla, la tensión Vs debe ser superior a la tensión de pico de V, es

decir, el valor eficaz de la tensión de CA multiplicada por 2 . Si se cumple esta condición, la corriente en L puede aumentar o disminuir en cualquier momento. La variación de la corriente en L con el tiempo se puede forzar supervisando los tiempos de encendido y apagado respectivos del transistor T. En la Figura 5.49 se muestra la evolución de la corriente IL con respecto a un valor de referencia.

Desde el punto de vista de la fuente, el convertidor debe actuar como una resistencia, es decir, la corriente i tiene que ser sinusoidal y estar en fase con e (cos ϕ = 1). Controlando el transistor T, el controlador fuerza IL a que siga una referencia de corriente sinusoidal con rectificación de onda completa. Por tanto, la forma de I es necesariamente sinusoidal y está en fase con e. Además, para mantener la tensión Vs en su valor nominal en la salida, el controlador ajusta el valor medio de IL.

Fig. 5.48. Diagrama de un rectificador monofásico limpio que recibe una señal sinusoidal.

Fig. 5.49. Evolución de la corriente IL con respecto a la referencia.



Rectificador/cargador trifásico La disposición de circuito básica se muestra en la Fig. 5.50. Es similar a la de la Fig. 5.48, con el inductor colocado aguas arriba de los rectificadores; el principio de funcionamiento también es el mismo. El sistema de supervisión controla cada línea de potencia y fuerza la corriente recibida en cada fase a seguir la referencia sinusoidal.

Fig. 5.50. Diagrama de un rectificador trifásico limpio que recibe una señal sinusoidal.

revisión teórica - - apc usa · 2013-02-22 · - los motores pueden causar caídas de tensión...

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