Fuente de alimentación ininterrumpida

El SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida) en modo de espera ofrece únicamente las funciones más básicas: protección contra sobretensiones y respaldo de batería. El equipo protegido se conecta normalmente directamente a la red eléctrica. Cuando la tensión de entrada cae por debajo o sube por encima de un nivel predeterminado, el SAI activa su circuito inversor CC-CA interno, alimentado por una batería interna. A continuación, el SAI conmuta mecánicamente el equipo conectado a su salida inversora CC-CA. El tiempo de conmutación puede ser de hasta 25 milisegundos, dependiendo del tiempo que tarde el SAI en detectar la pérdida de tensión. El SAI está diseñado para alimentar determinados equipos, como un ordenador personal, sin que se produzcan caídas o bajadas de tensión indeseables .

El SAI interactivo funciona de forma similar a un SAI de reserva, pero incorpora un autotransformador de tensión variable con múltiples tomas . Este transformador especial puede añadir o quitar bobinas de alambre alimentadas, aumentando o disminuyendo así el campo magnético y la tensión de salida. Esto también puede lograrse mediante un transformador elevador-reductor , que se diferencia de un autotransformador, ya que este último puede cablearse para proporcionar aislamiento galvánico .

Este tipo de UPS puede tolerar caídas de tensión continuas y sobretensiones sin consumir la limitada energía de la batería de reserva. En su lugar, compensa seleccionando automáticamente diferentes tomas de potencia en el autotransformador. Dependiendo del diseño, cambiar la toma del autotransformador puede causar una interrupción muy breve de la potencia de salida, ^{[ 10 ]} lo que puede provocar que los UPS equipados con una alarma de pérdida de energía emitan un pitido momentáneo.

Esto se ha popularizado incluso en los sistemas UPS más económicos, ya que aprovecha los componentes ya incluidos. El  transformador principal de 50/60 Hz, utilizado para convertir entre la tensión de línea y la tensión de la batería, necesita proporcionar dos relaciones de espiras ligeramente diferentes: una para convertir la tensión de salida de la batería (normalmente un múltiplo de 12  V) a tensión de línea, y otra para convertir la tensión de línea a una tensión de carga de batería ligeramente superior (como un múltiplo de 14  V). La diferencia entre ambas tensiones se debe a que la carga de una batería requiere una diferencia de potencial (hasta 13-14  V para cargar una  batería de 12 V). Además, es más fácil realizar la conmutación en el lado de tensión de línea del transformador debido a las menores corrientes en ese lado.

Para obtener la función de reducción/aumento de tensión , basta con dos interruptores independientes para conectar la entrada de CA a una de las dos tomas primarias, mientras que la carga se conecta a la otra. De esta forma, el devanado primario del transformador principal actúa como un autotransformador. La batería puede seguir cargándose al reducir una sobretensión, pero al aumentar una subtensión, la salida del transformador es demasiado baja para cargar las baterías.

Los autotransformadores pueden diseñarse para cubrir un amplio rango de voltajes de entrada variables, pero esto requiere más tomas y aumenta la complejidad, así como el costo del SAI. Es común que el autotransformador cubra un rango de aproximadamente 90  V a 140  V para una alimentación de 120  V, y que luego cambie a la batería si el voltaje supera o disminuye significativamente ese rango.

En condiciones de baja tensión, el SAI consumirá más corriente de lo normal, por lo que podría necesitar un circuito con mayor capacidad que un dispositivo convencional. Por ejemplo, para alimentar un  dispositivo de 1000 W a 120  V, el SAI consumirá 8,33  A. Si se produce una bajada de tensión y el voltaje cae a 100  V, el SAI consumirá 10  A para compensar. Esto también funciona a la inversa: en caso de sobretensión, el SAI necesitará menos corriente.

En un SAI en línea, las baterías están siempre conectadas al inversor, por lo que no se necesitan interruptores de transferencia de energía. Cuando se produce un corte de energía, el rectificador simplemente se desconecta del circuito y las baterías mantienen la energía constante. Al restablecerse la energía, el rectificador vuelve a asumir la mayor parte de la carga y comienza a cargar las baterías, aunque la corriente de carga puede limitarse para evitar que el rectificador de alta potencia las dañe. La principal ventaja de un SAI en línea es su capacidad para proporcionar una "barrera eléctrica" ​​entre la energía de la red eléctrica y los equipos electrónicos sensibles.

El SAI en línea es ideal para entornos donde se requiere aislamiento eléctrico o para equipos muy sensibles a las fluctuaciones de potencia. ^{[ 11 ]} Si bien en un principio estaba reservado para instalaciones muy grandes de 10  kW o más, los avances tecnológicos han permitido que ahora esté disponible como un dispositivo de consumo común, con una potencia de 500  W o menos. El SAI en línea puede ser necesario cuando el entorno eléctrico es inestable, cuando las caídas de tensión, los cortes de suministro y otras anomalías son frecuentes, cuando se requiere la protección de cargas de equipos informáticos sensibles o cuando es necesario el funcionamiento desde un generador de respaldo de larga duración.

La tecnología básica de un SAI en línea es la misma que la de un SAI de reserva o interactivo. Sin embargo, suele ser mucho más caro, debido a que cuenta con un cargador/rectificador de batería de CA a CC de mayor corriente, y a que tanto el rectificador como el inversor están diseñados para funcionar de forma continua con sistemas de refrigeración mejorados. Se denomina SAI de doble conversión porque el rectificador acciona directamente el inversor, incluso cuando se alimenta con corriente alterna normal.

Los sistemas UPS en línea suelen tener un interruptor de transferencia estática (STS) para aumentar la fiabilidad.

Estos diseños de UPS rotativos híbridos ^{[ 12 ]} no tienen designaciones oficiales, aunque un nombre utilizado por UTL es "doble conversión bajo demanda" ^{[ 13 ]} . Este estilo de UPS está dirigido a aplicaciones de alta eficiencia, manteniendo al mismo tiempo las características y el nivel de protección que ofrece la doble conversión.

Un SAI híbrido (de doble conversión bajo demanda) funciona como un SAI fuera de línea/en espera cuando las condiciones de alimentación se encuentran dentro de un rango preestablecido. Esto permite que el SAI alcance índices de eficiencia muy altos. Cuando las condiciones de alimentación fluctúan fuera de los rangos predefinidos, el SAI cambia al modo en línea/de doble conversión. ^{[ 13 ]} En el modo de doble conversión, el SAI puede compensar las variaciones de voltaje sin necesidad de utilizar la batería, filtrar el ruido de la línea y controlar la frecuencia.

Las unidades ferroresonantes funcionan de la misma manera que una unidad UPS de reserva; sin embargo, están conectadas a la red eléctrica, con la excepción de que utilizan un transformador ferroresonante para filtrar la salida. Este transformador está diseñado para almacenar energía el tiempo suficiente para cubrir el intervalo entre la conmutación de la alimentación de red y la alimentación por batería, eliminando así el tiempo de transferencia. Muchas unidades UPS ferroresonantes tienen una eficiencia del 82-88% (CA/CC-CA) y ofrecen un excelente aislamiento.

El transformador tiene tres bobinados: uno para la alimentación de la red eléctrica, el segundo para la alimentación rectificada de la batería y el tercero para la alimentación de corriente alterna (CA) de salida a la carga.

Este tipo de SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida) fue el predominante en el pasado y actualmente se limita a potencias de alrededor de 150 kVA . Estas unidades aún se utilizan principalmente en algunos entornos industriales (petróleo y gas, petroquímica, química, servicios públicos e industria pesada) debido a su robustez. Muchos SAI ferroresonantes que utilizan tecnología ferroeléctrica controlada pueden interactuar con equipos de corrección del factor de potencia. Esto provoca fluctuaciones en la tensión de salida del SAI, pero puede corregirse reduciendo los niveles de carga o añadiendo otras cargas lineales.

Un SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida) diseñado para alimentar equipos de CC es muy similar a un SAI en línea, con la diferencia de que no necesita un inversor de salida. Además, si el voltaje de la batería del SAI coincide con el voltaje que necesita el dispositivo, tampoco se necesitará la fuente de alimentación del dispositivo . Al eliminarse uno o más pasos de conversión de energía, se incrementa la eficiencia y la autonomía.

Muchos sistemas de telecomunicaciones utilizan una fuente de alimentación de 48 V CC de voltaje muy bajo , conocida como " batería común  " , debido a que presenta regulaciones de seguridad menos restrictivas, como la instalación en conductos y cajas de conexiones. Tradicionalmente, la corriente continua (CC) ha sido la fuente de alimentación predominante en telecomunicaciones, mientras que la corriente alterna (CA) lo ha sido en ordenadores y servidores.

Se han realizado numerosos experimentos con  alimentación de 48 V CC para servidores informáticos, con la esperanza de reducir la probabilidad de fallos y el coste de los equipos. Sin embargo, para suministrar la misma cantidad de potencia, la corriente sería mayor que en un circuito equivalente de 115  V o 230  V; una mayor corriente requiere conductores de mayor diámetro o una mayor pérdida de energía en forma de calor.

La corriente continua de alto voltaje (380  V) se está utilizando en algunas aplicaciones de centros de datos y permite el uso de conductores de potencia pequeños, pero está sujeta a las normas más complejas del código eléctrico para la contención segura de altos voltajes. ^{[ 14 ]}

Para dispositivos de baja potencia que funcionan a 5  V, algunas baterías portátiles pueden funcionar como un SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida).

Un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) rotativo utiliza la inercia de un volante de inercia giratorio de gran masa ( almacenamiento de energía mediante volante ) para proporcionar continuidad de servicio a corto plazo en caso de pérdida de energía. El volante también actúa como amortiguador contra picos y caídas de tensión, ya que estos eventos de corta duración no afectan significativamente su velocidad de rotación. Además, es uno de los diseños más antiguos, anterior a las válvulas de vacío y los circuitos integrados.

Se puede considerar que está en línea , ya que gira continuamente en condiciones normales. Sin embargo, a diferencia de un SAI basado en baterías, los sistemas SAI basados ​​en volantes de inercia suelen proporcionar de 10 a 20 segundos de protección antes de que el volante se ralentice y la salida de energía se detenga. ^{[ 15 ]} Tradicionalmente se utiliza junto con generadores de reserva, proporcionando energía de respaldo solo durante el breve período de tiempo que el motor necesita para arrancar y estabilizar su salida.

El SAI rotativo se suele reservar para aplicaciones que requieren más de 10 000  W de protección, para justificar el coste y beneficiarse de las ventajas que ofrecen estos sistemas. Un volante de inercia de mayor tamaño o varios volantes de inercia funcionando en paralelo aumentarán el tiempo de funcionamiento o la capacidad de reserva.

Dado que los volantes de inercia constituyen una fuente de energía mecánica, no es necesario utilizar un motor eléctrico o un generador como intermediario entre estos y un motor diésel diseñado para proporcionar energía de emergencia. Mediante una caja de cambios, la inercia rotacional del volante puede utilizarse para arrancar directamente un motor diésel ^{[ 16 ]} , y una vez en marcha, este puede hacer girar directamente el volante. Asimismo, se pueden conectar varios volantes en paralelo mediante ejes intermedios mecánicos , sin necesidad de motores ni generadores independientes para cada uno.

Normalmente, están diseñados para proporcionar una salida de corriente muy alta en comparación con un SAI puramente electrónico, y son más capaces de suministrar corriente de arranque para cargas inductivas como el arranque de motores o compresores, así como para equipos médicos de resonancia magnética y cateterismo . También pueden tolerar cortocircuitos hasta 17 veces mayores que un SAI electrónico, lo que permite que un dispositivo se funda y falle mientras otros dispositivos siguen recibiendo alimentación del SAI rotativo.

Su ciclo de vida suele ser mucho mayor que el de un SAI puramente electrónico, llegando a los 30 años o más. Sin embargo, requieren paradas periódicas para el mantenimiento mecánico, como la sustitución de rodamientos . En sistemas de mayor tamaño, la redundancia garantiza la continuidad de los procesos durante este mantenimiento. Los sistemas basados ​​en baterías no requieren paradas si estas se pueden intercambiar en caliente , lo que suele ser el caso en las unidades de mayor tamaño. Las unidades rotativas más modernas utilizan tecnologías como rodamientos magnéticos y carcasas con vacío de aire para aumentar la eficiencia en modo de espera y reducir el mantenimiento a niveles mínimos.

Normalmente, el volante de inercia de alta masa se utiliza junto con un sistema motor-generador . Estas unidades se pueden configurar de la siguiente manera:

1. Un motor que acciona un generador conectado mecánicamente, ^{[ 12 ]}
2. Un motor y generador síncrono combinado, bobinado en ranuras alternas de un solo rotor y estator,
3. Un SAI rotativo híbrido, diseñado de forma similar a un SAI en línea, con la diferencia de que utiliza un volante de inercia en lugar de baterías. El rectificador acciona un motor para hacer girar el volante, mientras que un generador utiliza este volante para alimentar el inversor.

En el caso n.°  3, el generador-motor puede ser síncrono/síncrono o de inducción/síncrono. El motor de la unidad en los casos n.  ° 2 y 3 puede ser accionado directamente por una fuente de alimentación de CA (normalmente en modo bypass del inversor), un variador de velocidad de doble conversión de 6 etapas o un inversor de 6 pulsos. El caso n.°  1 utiliza un volante de inercia integrado como fuente de energía a corto plazo en lugar de baterías para dar tiempo a que los grupos electrógenos externos acoplados eléctricamente arranquen y se pongan en línea. Los casos n.  ° 2 y 3 pueden utilizar baterías o un volante de inercia independiente acoplado eléctricamente como fuente de energía a corto plazo.

En entornos empresariales de gran tamaño donde la fiabilidad es crucial, un único SAI de gran tamaño puede convertirse en un punto único de fallo que puede interrumpir el funcionamiento de muchos otros sistemas. Para proporcionar mayor fiabilidad, se pueden integrar varios módulos SAI y baterías más pequeños para ofrecer una protección de alimentación redundante equivalente a la de un SAI de gran tamaño. " N  +  1" significa que si la carga puede ser alimentada por N módulos, la instalación contendrá N  +  1 módulos. De esta forma, el fallo de un módulo no afectará al funcionamiento del sistema. ^{[ 18 ]}

Muchos servidores informáticos ofrecen la opción de fuentes de alimentación redundantes , de modo que, en caso de fallo de una fuente, una o más fuentes adicionales puedan alimentar la carga. Este es un punto crítico: cada fuente de alimentación debe ser capaz de alimentar todo el servidor por sí sola.

La redundancia se mejora aún más conectando cada fuente de alimentación a un circuito diferente (es decir, a un disyuntor diferente ).

La protección redundante puede ampliarse aún más conectando cada fuente de alimentación a su propio SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida). Esto proporciona doble protección tanto contra fallos en la fuente de alimentación como en el SAI, garantizando así la continuidad del funcionamiento. Esta configuración también se conoce como redundancia 1  +  1 o 2N . Si el presupuesto no permite adquirir dos unidades SAI idénticas, es habitual conectar una fuente de alimentación a la red eléctrica y la otra al SAI. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Cuando un sistema UPS se instala en exteriores, debe contar con características específicas que garanticen su resistencia a las inclemencias del tiempo sin afectar su rendimiento. Factores como la temperatura, la humedad , la lluvia y la nieve, entre otros, deben ser considerados por el fabricante al diseñar un sistema UPS para exteriores. El rango de temperatura de funcionamiento para sistemas UPS en exteriores puede oscilar entre -40  °C y +55 °C . ^{[ 21 ]} 

Los sistemas UPS para exteriores pueden montarse en poste, en el suelo (pedestal) o sobre una base. El entorno exterior puede implicar frío extremo, en cuyo caso el sistema UPS para exteriores debe incluir una manta calefactora para la batería, o calor extremo, en cuyo caso debe incluir un sistema de ventilación o un sistema de aire acondicionado.

Un inversor solar , también conocido como inversor fotovoltaico o convertidor solar , transforma la corriente continua (CC) variable de un panel solar fotovoltaico (FV) en corriente alterna (CA) de frecuencia estándar , que puede inyectarse a la red eléctrica comercial o utilizarse en una red eléctrica local aislada . Es un componente fundamental del sistema fotovoltaico , ya que permite el uso de equipos convencionales alimentados por CA. Los inversores solares cuentan con funciones especiales adaptadas para su uso con paneles fotovoltaicos, como el seguimiento del punto de máxima potencia y la protección anti- isla .

Cuando una batería de plomo-ácido se carga o descarga, inicialmente esto afecta solo a las sustancias químicas reactivas, que se encuentran en la interfaz entre los electrodos y el electrolito. Con el tiempo, la carga almacenada en las sustancias químicas de la interfaz, a menudo denominada "carga interfacial", se propaga por difusión a través de todo el volumen del material activo.

Si una batería se ha descargado por completo (por ejemplo, si las luces del coche se dejaron encendidas durante la noche) y luego se le aplica una carga rápida durante solo unos minutos, durante ese breve tiempo de carga solo se genera una carga cerca de la interfaz. El voltaje de la batería puede aumentar hasta aproximarse al voltaje del cargador, de modo que la corriente de carga disminuye significativamente. Después de unas horas, esta carga de interfaz no se extenderá por todo el volumen del electrodo y el electrolito, lo que dará lugar a una carga de interfaz tan baja que puede resultar insuficiente para arrancar un coche. ^{[ 28 ]}

Debido a la carga de la interfaz, las funciones breves de autodiagnóstico del SAI que duran solo unos segundos pueden no reflejar con precisión la verdadera capacidad de funcionamiento del SAI, y en su lugar se necesita una recalibración prolongada o una prueba de descarga que descargue profundamente la batería. ^{[ 29 ]}

Las pruebas de descarga profunda dañan las baterías debido a que los componentes químicos de la batería descargada comienzan a cristalizarse en formas moleculares altamente estables que no se redisuelven al recargarse, reduciendo permanentemente la capacidad de carga. En las baterías de plomo-ácido, esto se conoce como sulfatación , pero el daño por descarga profunda también afecta a otros tipos, como las baterías de níquel-cadmio y las de litio . ^{[ 30 ]} Por lo tanto, se suele recomendar que las pruebas de descarga se realicen con poca frecuencia, por ejemplo, cada seis meses o un año. ^{[ 31 ]}

Los sistemas UPS comerciales de varios kilovatios con bancos de baterías grandes y de fácil acceso son capaces de aislar y probar celdas individuales dentro de una cadena de baterías , que consta de unidades de baterías de celdas combinadas (como  baterías de plomo-ácido de 12 V) o celdas químicas individuales conectadas en serie. Aislar una sola celda e instalar un puente en su lugar permite probar la descarga de esa batería, mientras que el resto de la cadena de baterías permanece cargada y disponible para brindar protección. ^{[ 32 ]}

También es posible medir las características eléctricas de las celdas individuales en una cadena de baterías, utilizando cables sensores intermedios instalados en cada unión entre celdas, y monitorizados tanto individualmente como en conjunto. Las cadenas de baterías también pueden conectarse en serie-paralelo, por ejemplo, dos conjuntos de 20 celdas. En tal caso, también es necesario monitorizar el flujo de corriente entre cadenas paralelas, ya que la corriente puede circular entre ellas para compensar los efectos de las celdas débiles, las celdas muertas con alta resistencia o las celdas en cortocircuito. Por ejemplo, las cadenas más potentes pueden descargarse a través de las más débiles hasta que se igualen los desequilibrios de voltaje, y esto debe tenerse en cuenta en las mediciones individuales entre celdas dentro de cada cadena. ^{[ 33 ]}

Las cadenas de baterías conectadas en serie-paralelo pueden desarrollar modos de falla inusuales debido a las interacciones entre las múltiples cadenas paralelas. Las baterías defectuosas en una cadena pueden afectar negativamente el funcionamiento y la vida útil de las baterías buenas o nuevas en otras cadenas. Estos problemas también se aplican a otras situaciones donde se utilizan cadenas en serie-paralelo, no solo en sistemas UPS sino también en aplicaciones de vehículos eléctricos . ^{[ 34 ]}

Consideremos una configuración de baterías en serie-paralelo con todas las celdas en buen estado, y una de ellas sufre un cortocircuito o deja de funcionar:

• La celda defectuosa reducirá la tensión máxima desarrollada para toda la cadena en serie a la que pertenece.
• Las demás cadenas de baterías conectadas en paralelo con la cadena dañada se descargarán a través de ella hasta que su voltaje coincida con el de la cadena dañada, lo que podría provocar una sobrecarga y la ebullición del electrolito , así como la liberación de gases de las celdas restantes en buen estado. Estas cadenas en paralelo ya no podrán recargarse por completo, ya que el aumento de voltaje se disipará a través de la cadena que contiene la batería defectuosa.
• Los sistemas de carga pueden intentar medir la capacidad de la cadena de baterías midiendo el voltaje total. Debido a la disminución del voltaje total de la cadena por las celdas defectuosas, el sistema de carga puede detectarlo como un estado de descarga e intentará continuamente cargar las cadenas en serie-paralelo, lo que provoca una sobrecarga continua y daños en todas las celdas de la cadena degradada que contiene la batería dañada.
• Si se utilizan baterías de plomo-ácido , todas las celdas de las cadenas paralelas que antes estaban en buen estado comenzarán a sulfatarse debido a la imposibilidad de recargarlas por completo, lo que provocará un daño permanente en la capacidad de almacenamiento de estas celdas, incluso si la celda dañada en la cadena degradada se descubre y se reemplaza por una nueva.

La única forma de evitar estas sutiles interacciones entre cadenas en serie y en paralelo es no utilizar cadenas en paralelo en absoluto y utilizar controladores de carga e inversores separados para cada cadena en serie.

Incluso una sola serie de baterías conectadas en serie puede tener interacciones adversas si se mezclan baterías nuevas con viejas. Las baterías más antiguas suelen tener una menor capacidad de almacenamiento, por lo que se descargan más rápido que las nuevas y también se cargan a su capacidad máxima con mayor rapidez.

Cuando una cadena de baterías mixtas (nuevas y usadas) se agota, el voltaje de la cadena disminuye. Cuando las baterías viejas se agotan, las nuevas aún tienen carga disponible. Las celdas más nuevas pueden seguir descargándose a través del resto de la cadena, pero debido al bajo voltaje, este flujo de energía puede no ser útil y desperdiciarse en las celdas viejas en forma de calentamiento por resistencia.

En el caso de las celdas que deben operar dentro de un rango de descarga específico, las celdas nuevas con mayor capacidad pueden provocar que las celdas antiguas en la cadena en serie continúen descargándose más allá del límite inferior seguro del rango de descarga, dañando así las celdas antiguas.

Al recargarse, las celdas antiguas se recargan más rápidamente, lo que provoca un rápido aumento del voltaje hasta casi alcanzar la carga completa, pero antes de que las celdas nuevas, con mayor capacidad, se hayan recargado por completo. El controlador de carga detecta el alto voltaje de una cadena casi completamente cargada y reduce el flujo de corriente. Las celdas nuevas, con mayor capacidad, se cargan ahora muy lentamente, tan lentamente que los componentes químicos pueden comenzar a cristalizarse antes de alcanzar la carga completa, lo que reduce la capacidad de las celdas nuevas durante varios ciclos de carga/descarga hasta que su capacidad se aproxima más a la de las celdas antiguas en la cadena.

Por tales razones, algunos sistemas de gestión de UPS industriales recomiendan el reemplazo periódico de conjuntos completos de baterías que potencialmente utilizan cientos de baterías costosas, debido a estas interacciones dañinas entre baterías nuevas y viejas, dentro y entre cadenas en serie y en paralelo. ^{[ 35 ]}