UPS (Uninterrumptible Power Supply )

¿Qué es? Un Sistema de Fuerza Ininterrumpible es un equipo cuya función principal es evitar una interrupción de voltaje en la carga a proteger. Las UPS pueden hacer el funcionamiento de servidores inmune a la intransigencia de apagones espontáneos y proteger contra muchos otros tipos de perturbaciones repentinas de la red eléctrica.

Interferencias en la red eléctrica. Cortes de electricidad. El UPS permite que los materiales reciban alimentación de una batería de emergencia durante varios minutos en caso de que se produzcan problemas eléctricos, en especial durante: Interferencias en la red eléctrica. Cortes de electricidad. Sobrevoltaje. Baja tensión. Picos de voltaje. Descargas de rayos.

UPS: Son las iniciales en inglés, "Uninterrumptible Power Supply“ Son varios los nombres que recibe este tipo de equipos, a continuación enumero los más comunes: UPS: Son las iniciales en inglés, "Uninterrumptible Power Supply“ No Break: Que significa sin interrupción SFI: Por Sistema de Fuerza Ininterrumpible SAI: Por Sistema de Alimentación Ininterrumpible

En el diagrama a bloques mostrado en la figura, observamos el voltaje de alimentación del UPS y la "Batería", ambas son las dos fuentes de energía para la salida del UPS. El UPS tomará energía de la Batería, en caso de que haya ausencia del voltaje de entrada y de esta manera se podrá seguir dando voltaje a la Carga. La "Carga" esta constituida por los aparatos a ser alimentados por el voltaje de salida de UPS y de los cuales no deseamos se interrumpa la energía.

Ejemplos de cargas serían: Computadoras Equipo médico Equipo de Telecomunicaciones Conmutadores telefónicos Cajeros automáticos de Bancos Equipos de radar en aeropuertos Sistemas contra incendios etc.

El Inversor La Batería es de "Corriente Directa" y en la carga necesita ser "Corriente Alterna“. El inversor se encarga de tomar la corriente directa de la batería y la convierte en corriente alterna para alimentar la carga. Esta corriente alterna obviamente tiene que ser de voltaje de 220 voltios y a una frecuencia de 50 Hz.

Configuración de Puente Inversor.  

Cuando se encienden los transistores Q1 y Q4 simultáneamente el voltaje en los terminales de salida es +/- Ahora si apagamos los transistores Q1 y Q4 y encendemos Q2 y Q3, logramos que el voltaje en los terminales de salida sea -/+. Es así como se logra la alternancia en polaridades.

La Batería. Tipos: En el diagrama anterior se muestra la batería la cual es la que alimenta el inversor para generar la corriente alterna de 220 v para, en caso de ausencia de voltaje de la energía comercial, poder seguir alimentando la carga. Hay diversos tipos de baterías y se las llama generalmente de acuerdo a lo materiales que se utilizan para la construcción.

Como también las hay recargables Las hay de un solo uso como por ejemplo: Zinc-Carbón - Alcalinas – Litio - etc. Como también las hay recargables Ejemplos de baterías recargables: Nickel-Cadmio - Plomo-Acido - Alcalina recargable – Tipo Gel.

A continuación damos los voltajes por celda de diversos tipos de batería:

Control Finalmente, el UPS está controlado por una tarjeta lógica donde generalmente encontramos un Microcontrolador o un microprocesador que sería el que toma decisiones tales como las siguientes: Apagado del UPS por bajo voltaje de batería Detección del nivel de voltaje de Batería para que aún y cuando el voltaje varíe, el Inversor entregue un voltaje regulado a la carga. Detección del voltaje de Entrada para encender el Inversor Detección de regreso de voltaje de Entrada a niveles Normales para apagar el Inversor y comenzar a recargar la batería etc.

Tipos de UPS Para implementar sistemas UPS se utilizan acercamientos a una variedad de diseños, cada uno con distintas características de desempeño. Los acercamientos de diseño más usuales son los siguientes: Standby. Línea Interactiva. Standby - Ferro.  Doble Conversión On - Line.  Delta Conversion On - Line. 

UPS Standby

El UPS Standby es el tipo más utilizado para Computadoras Personales El UPS Standby es el tipo más utilizado para Computadoras Personales. El interruptor (switch) de transferencia está regulado para elegir entre la entrada AC (Alternating Current/Corriente Alterna) filtrada, la cual es la fuente de energía primaria (dibujo en línea sólida) y alternar con la batería/conversor (inversor), siempre que la fuente de energía primaria falle. El conversor solo se enciende cuando la energía falla, por eso el nombre “Standby”. Los principales beneficios de este diseño son: alta eficiencia, pequeño tamaño y bajo costo.

UPS de Línea Interactiva

El UPS de Línea Interactiva, es el diseño más comúnmente utilizado para pequeños negocios, Web y servidores departamentales. En este diseño, el conversor (invertidor) de la batería a energía AC siempre está conectado a la salida del UPS. Si se mantiene el conversor operando al revés de tanto en tanto, cuando la entrada de energía AC es normal provee carga de batería. Cuando la entrada de energía falla, el interruptor de transferencia se abre y la energía fluye desde la batería a la salida de la UPS. Alta eficiencia, pequeño tamaño, bajo costo y alta confiabilidad junto con la habilidad de corregir condiciones de voltaje de líneas bajas o altas.

UPS Standby-Ferro UPS

El paso de energía primario va desde la entrada AC hasta la salida, pasando a través del interruptor de transferencia y del transformador. En el caso de una falla de energía, el interruptor de transferencia se abre y el conversor toma la carga de salida.  En el diseño Standby-Ferro, el conversor está en modo standby y es energizado cuando la entrada de energía falla y el interruptor de transferencia es abierto. El transformador tiene una capacidad especial “Ferro-resonant”, la cual provee regulación de voltaje limitado y una salida “shaping” en forma de ola. Las fortalezas de este diseño son: alta confiabilidad y excelente línea de filtrado.

UPS de Doble Conversión On - Line

Este es la UPS más usualmente utilizado sobre 10kVA. En un diseño de Doble Conversión On-Line, la falla de entrada AC no activa el interruptor de transferencia debido a que la entrada AC está cargando la fuente de batería, la cual provee energía al conversor de salida. Por lo tanto, durante una falla de la energía AC de entrada, la operación on-line no tiene tiempo de transferencia.

UPS de Conversión On-Line Delta

Similar al diseño de Conversión On-Line Doble, el UPS de Conversión On-Line Delta siempre tiene al conversor proveyendo voltaje a la carga. Pero el conversor Delta adicional también aporta energía al conversor de salida.

El beneficio más importante es una reducción importante en la pérdida de energía. El control de energía de entrada también hace a este UPS compatible con todos los grupos generadores y reduce la necesidad de cableado y sobre dimensión del generador. 

Resumen sobre los tipos de UPS

Usos de los tipos de UPS en la industria.

Autosuficiencia: En el caso de aquellas compañías en las que es fundamental contar con una alimentación eléctrica constante, es posible instalar una serie de UPS en un cuarto denominado "cuarto de autosuficiencia". Estas cámaras están generalmente equipadas con decenas o incluso cientos de UPS capaces de proporcionar alimentación eléctrica durante un corte de electricidad de varias horas. Las cámaras de "autosuficiencia" también pueden incluir un generador que continúe proporcionando electricidad una vez agotada la energía de los UPS.

Por ultimo: Tabla de problemas de calidad típicamente encontrados en la red eléctrica, señalándose la relación del tipo de problema con la UPS que lo soporta.

Problema de Calidad del suministro Tipo de Onda Descripción Efecto Lo soporta: Interrupción Temporal Pérdida total, planeada (por reparación) o accidental, del suministro utilizado en un área localizada de una comunidad. Segundos a minutos. Los equipos se apagan, pérdida de trabajo y datos, corrupción de archivos del disco duro y sistema operativo, pérdida conexiones de fibra óptica, T1 e ISDN. Off-Line: SI Line-Interactive: SI On-Line: SI Interrupción Prolongada Minutos a Horas. Los equipos se apagan, pérdida de trabajo y datos, archivos del HDD y SO corruptos, pérdida conexiones de fibra óptica, T1 e ISDN Off-Line: NO Line-Interactive: 95% NO

Interrupción Momentánea Muy corta pérdida del suministro (planeada o accidental). Milisegundos a segundos. Los PC se cuelgan (pantalla azul!) o se resetean, así como también equipos de red. Pérdida de datos y trabajo, corrupción de archivos del HDD. Off-Line: Puede Ser Line-Interactive: Puede Ser On-Line: SI Baja de Tensión (Sag) Disminución en tensión de entrada. “Pandeos”: Milisegundos a unos pocos segundos Bajo voltaje: Más largo que unos segundos Se encogen las pantallas, el equipo se cuelga o reinicia, daño de fuentes de poder de los equipos, los equipos de red se cuelgan o se resetean. Pérdida de datos y trabajo, corrupción de archivos del HDD y SO. Off-Line: NO Line-Interactive: SI Sobretensión (Swell) Un incremento en el voltaje. Elevaciones: Milisegundos a unos segundos Sobretensión: Más largo que unos segundos Equipos se dañan permanentemente, equipos se cuelgan o reinician. Pérdida de datos y trabajo, corrupción de archivos del HDD y SO.

Transitorio, Impulso o Pulso (Spike) Un cambio repentino de voltaje hasta varios cientos a miles de volts Microsegundos. Errores de red, los equipos se dañan o se queman sus circuitos, equipos se dañan permanentemente, computadores se cuelgan o reinician. Pérdida de datos y trabajo, corrupción de archivos del HDD y SO. Off-Line: SI Line-Interactive: SI On-Line: SI, Alto Nivel de Protección Muesca (Notch) Una perturbación de polaridad opuesta a la forma de onda. Microsegundos Transmisión en LAN (Local Area Network) lenta debido a errores excesivos, ruido audible en el teléfono y equipos de audio. Off-Line: NO Line-Interactive: NO On-Line: SI Ruido (Noise) Una señal eléctrica no deseada de alta frecuencia de otro equipo. Esporádico Transmisión en LAN (Local Area Network) lenta debido a errores excesivos, ruido audible en el teléfono y sistemas de audio. Computadores se cuelgan. Distorsión Armónica (Harmonic Distortion) Una alteración de la forma de onda pura (sinewave distortion), debido a cargas no lineales, como computadores con fuentes de poder conmutadas (switching). Provoca recalentamiento de alambres en motores y transformadores, baja la eficiencia operativa de equipos de oficina.

Conclusiones Varios tipos de UPS son apropiados para diferentes usos y no existe un tipo de UPS singular que sea ideal para todas las aplicaciones.  Diferencias significantes en los diseños de UPS ofrecen ventajas teóricas y prácticas para diferentes propósitos. De todos modos, la calidad básica del diseño de implementación y de fabricación son siempre dominantes en la determinación del desempeño último obtenido en la aplicación del cliente.