¿Por qué elegimos un UPS OnLine frente a un UPS Interactivo?

Por Jorge Pareja 2019

En la mayoría de las aplicaciones de uso de los sistemas ininterrumpidos de potencia (UPS del inglés uninterruptible power supply), estos equipos enfrentan cargas del tipo lineal (fuente de alimentación estándar) y a fuentes de tipo conmutado (SMPS = switch mode power supply), cuyas características son no lineales y que representan un reto al diseñador de UPS.

Una fuente de alimentación del tipo lineal posee elementos tradicionales distribuidos alrededor de una etapa de rectificación y de un transformador. Su principal desventaja es su eficiencia, que no es muy alta.

Como podemos apreciar en el gráfico superior, la fuente de alimentación básica consta de una etapa de transformación y aislamiento galvánico, constituido por un transformador grande. Luego le sigue la etapa de rectificación, la etapa de filtrado y finalmente la etapa de regulación.

Hay dos etapas críticas y estas son: la etapa del filtrado y la etapa de regulación. En el primer caso, el diseño eléctrico debe de considerar la capacidad necesaria para que la fuente lineal pueda responder a una variación (pérdida de voltaje) de la entrada y sostener la salida por unos milisegundos, con base en su energía almacenada. Un capacitor muy grande puede generar corrientes de carga y descarga muy altas que pueden desestabilizar la operación de la fuente, uno muy pequeño no podría ayudar a absorber los niveles de ruido (rizado) que posee la señal eléctrica que viene de la etapa anterior.

Normalmente se recurre a la siguiente relación eléctrica:

Ic = C ∗ ∂V /∂t

De donde podemos aproximar:

C = I ∗ t /∆Vpp 

La siguiente etapa es crítica y existen variantes en los reguladores de tensión como son:

Reguladores de tensión fija

Reguladores de baja caída (LDO)

Reguladores Conmutados (se verá más adelante)

Los reguladores de tensión fija, son los clásicos arreglos de circuitos con un diodo regulador zener y un dispositivo de control (transistor de potencia) que opera en la región lineal y por lo general en colector común (el colector es común y es referenciado como punto de entrada de alimentación del circuito)

Los reguladores LDO operan basados en arreglos de circuitos diferenciales (un amplificador diferencial) y en topología de colector abierto, permitiendo adaptarse al dispositivo y con una caída de tensión muy baja entre sus terminales, consigue con ello una eficiencia mayor.

Esto se comprueba con el test denominado PSSR (Power Supply Rejection Ratio), también denominado rechazo al rizado de fuente de alimentación. Es la medición de la relación del cambio en la tensión de alimentación respecto a la tensión de entrada equivalente (diferencial) a un nivel de frecuencia determinado, puede realizarse aplicando un rizado sinusoidal al voltaje de alimentación y midiendo la ganancia desde la entrada y la salida del regulador. El PSRR es muy importante porque indica la estabilidad de la salida de la fuente de alimentación y dice cómo influyen las variaciones en el voltaje de entrada sobre la estabilidad de voltaje de salida.

Para el UPS, una fuente lineal con transformador de entrada, representa una carga muy estable y con pocas variaciones dinámicas (o si estas ocurren están muy ajustadas a un nivel mínimo y máximo (voltage span), las cargas lineales no distorsionan la forma de onda y tampoco desplazan las fases.

Las fuentes de alimentación conmutadas, son un adelanto al uso de material eléctrico y reemplazan el transformador por circuitos electrónicos que operan en la región no lineal y que son mucho más pequeños.

La finalidad de una fuente conmutada es aumentar la eficiencia y esto significa que las etapas que comprende la fuente conmutada deben poseer la mayor eficiencia posible, existen variantes de las fuentes conmutadas en función a la topología del circuito de conmutación y conversión DC-DC y las topologías básicas más conocidas son:

Buck / step down : la tensión de salida es menor que la tensión de entrada.

Boost / step up : la tensión de salida es mayor que la tensión de entrada.

Buck-Boost / inverter : la tensión de salida es opuesta a la tensión de entrada.

Flyback : Similar a la anterior, pero su funcionamiento se basa en 2 o más inductores acoplados, posee la ventaja de permitir obtener varias salidas de tensión.

Vamos a mostrar un cuadro resumen muy interesante sobre la clasificación de los convertidores DC-DC.

La topología de funcionamiento de un circuito convertidor, conlleva a una etapa de conmutación eléctrica, que genera impulsos de una frecuencia superior a 100 KHz, esto significa que existe una doble conversión que permite acondicionar la señal de la fuente de entrada hasta la etapa del regulador de salida.

El circuito anterior es una fuente SMPS conmutada para uso en una PC, cuenta con tres transformadores pequeños de alta frecuencia y de pulsos, estos llegan a una frecuencia de 56KHz y modulan los pulsos hasta una tensión de 300V.

Las fuentes conmutadas generan armónicos cuando operan, estos armónicos en lo posible son reducidos por los filtros de salida, de modo que se obtenga un valor PSSR muy reducido y una calidad y estabilidad de la señal continua a la carga.

Efectos de las fuentes de alimentación como Carga.

Por ejemplo tenemos dos UPS del tipo On line y del tipo Interactivo y con las características siguientes:

Párametros eléctricos UPS On line UPS Interactivo Potencia Aparente (KVA) 1.00 1.00 Factor de Potencia (cos φ) 0.90 0.70 Potencia Real (W) 900.00 700.00 Factor de Cresta 3.00 2.10 Corriente Eficaz (A) 4.55 4.55 Corriente Máxima pico-pico (A) 13.64 9.55 Voltaje monofásico (V) 220.00 220.00

La operación con impedancias constantes dentro de un rango determinado de voltaje y corriente, como son las fuentes lineales, permiten tener una entrada sinusoidal sin desfases ni variaciones dinámicas que afecten a la forma de onda, así no afectamos a la forma de onda de salida del UPS, como tampoco se producen desfase entre tensión y corriente ni sobrecorrientes en el neutro del circuito.

Ejemplo 1. Si tenemos un equipo electrónico que consume 600 watts con una fuente lineal cuyo factor de potencia es 1 (f.p = 1) y consideramos un factor de cresta de 2 entonces podemos calcular de manera aproximada con:

Potencia aparente (VA) = Potencia real / f.p = 600W / 1 = 600 VA.

Corriente eficaz (A) = Potencia Aparente / Voltaje = 600 VA / 220 V = 2.73 A

Corriente máxima (App) = Corriente Eficaz X Factor de Cresta = 2.73 A X 2 = 5.46 A

Como vemos, el UPS Interactivo puede soportar a este equipo electrónico con fuente lineal, debido a que soporta corrientes máximas de 9.55 Amperios.

Con cargas no lineales, los UPS sufren con las distorsiones de la forma de onda y con los desfasajes por solicitud de corrientes y voltajes altos de manera dinámica.

Adicionalmente en los sistemas de UPS trifásicos, se pueden generar corrientes altas en el neutro (por efecto de los armónicos y por efecto de las corrientes adelantadas a las tensiones) y esto requiere que los conductores eléctricos sean adecuadamente dimensionados ante los eventos de sobrecargas.

Ejemplo 2. Si tenemos un Servidor de datos y multimedia que consume 600 watts con una fuente SMSP con factor de potencia estándar de 0.7 (f.p = 0.7) y con un factor de cresta típico para cargas no lineales de equipos de datos de 2.7 entonces podemos calcular de manera aproximada como sigue:

Potencia aparente (VA) = Potencia real / f.p = 600W / 0.7 = 857.14 VA.

Corriente eficaz (A) = Potencia Aparente / Voltaje = 857.14 VA / 220 V = 3.89 A

Corriente máxima (App) = Corriente Eficaz X Factor de Cresta = 3.89 A X 2.7 = 10.50 A

Como vemos, el UPS Interactivo no puede soportar a este equipo electrónico con fuente no lineal, debido a que la solicitud de corriente supera a la máxima capacidad del UPS interactivo.

Aquí es necesario pasar al modelo del UPS On Line, que si está preparado para soportar al servidor con fuente no lineal o conmutada.

Resumen.

La selección adecuada del UPS para proteger cargas electrónicas críticas debe de ser evaluada por un especialista del tema, recomendar un equipo sin la evaluación técnica correspondiente puede ocasionar muchos inconvenientes técnicos como:

  • Fallas en caso de re-arranques instantáneos
  • Sobrecarga de corrientes en los conductores de neutro
  • Desbalance de tensión a la salida del UPS
  • Armónicos en los conductores eléctricos
  • Etc.

La normativa Norma IEC 62040-3, define a los UPS de la manera siguiente:

  • Off-line : tensión y frecuencia dependientes (VFD : Voltage and Frequency Dependent).
  • Linea interactiva: tensión independiente (VI : Voltage Independent).
  • Doble conversión on-line : tensión y frecuencia independientes (VFI : Voltage and Frequency Independent).

Los componentes con los cuales se fabrican los UPS están en relación con el nivel de criticidad de la carga y por supuesto influyen en los precios.

Por ejemplo la electrónica del inversor de un equipo UPS de tipo interactivo, es similar al del UPS Off Line, diseñados para operar por muy poco tiempo y por ello también los elementos de disipación térmica y protecciones de esta etapa inversora son muy reducidos y para soportar una operación de corto tiempo. Los fabricantes utilizan dispositivos como los MOSFET, que trabajan a una frecuencia de conmutación muy alta como 100Khz, para UPS que operan con baterías desde 6V hasta 48V, en algunos casos 96V . Esto ocurre con los UPS que van desde los 500 VA hasta los 3000 VA.

Por lo general la forma de onda de salida del UPS del tipo interactivo es Senoidal modificada (simulada), esto significa que se aproxima a una forma de onda sinusoidal pero contenido de rizado incluido.

Cuando se requieren UPS del tipo On Line, cuyo trabajo es 100% continuo, entonces los dispositivos que se utilizan tienen otras características distintas, incluso se utilizan otros dispositivos como son los IGBT. El uso de IGBT, con una frecuencia de conmutación menor (operan entre 20KHz y 100kHz), pueden manejar muy bien las altas corrientes en modo de conmutación, esto es una mejora sobre los Mosfet y les permite ser muy utilizados en UPS, por otro lado la tensión de operación en DC alcanza los 1200VDC, esto les permite transformar energía DC en Energía AC con menos perdidas y dentro de sus rangos de trabajo, así un UPS Trifásico que tiene un bus de baterías de 480VDC opera de manera eficiente con IGBT.

Un circuito típico de Inversor monofásico de UPS, que funciona basado en IGBT, que tiene capacidad de operación muy superior a los MOSFET, en el manejo de potencia eléctrica.

Operar un UPS del tipo On Line, exige a los fabricantes a incluir dentro de su diseño componentes de mayor resistencia a la operación, esto significa que los elementos pasivos como los capacitores, las bobinas y las resistencias son más robustas y de mayor precisión.

Para equipos profesionales y que deben de operar dispositivos, software y horas hombre críticos, es recomendable el uso de UPS del tipo On Line. Para operaciones domésticas y donde nunca es importante la pérdida del equipo o de la información y consecuentemente la horas-hombre trabajadas, se puede utilizar un UPS interactivo.

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