Comparación de los UPS con y sin transformador de aislamiento

Comparación de los UPS con y sin transformador
de aislamiento
Resumen ejecutivo
Existe un creciente interés por usar módulos de UPS sin transformador en implementaciones críticas de
respaldo, trifásicas y de alta potencia (por ejemplo, 200kW a 5MW). Sin embargo, muchas organizaciones no
tienen claro cuál arquitectura, con transformador o sin este, se adapta mejor a sus necesidades particulares.
En general, los sistemas de UPS con transformador son muy robustos y se distinguen por proporcionar altas
capacidades y disponibilidad al mismo tiempo que simplifican la administración del voltaje interno y externo
y el control de la corriente durante fallos. Los diseños sin transformador más recientes ofrecen una eficiencia y
flexibilidad mejoradas y ocupan menos área, al mismo tiempo que proporcionan altos niveles de disponibilidad.
Impulsados por la demanda de los diseñadores de centros de datos, la mayoría de proveedores líderes de UPS
ofrecen las dos topologías.
Actualmente, los sistemas grandes sin transformador se componen de bloques modulares de construcción que
proporcionan alta potencia en un paquete compacto y ligero. Este diseño modular ofrece ventajas cuando no se
sabe con exactitud cuándo cambiarán los requisitos de la carga pues permite agregar capacidad (física o en los
ajustes del control) con más facilidad según las necesidades. Sin embargo, un diseño modular se traduce en una
mayor cantidad de componentes, lo cual podría resultar en un reducido tiempo promedio entre fallos (MTBF, por
sus siglas en inglés) de la unidad y más mantenimiento.
Para centros de datos corporativos de alta potencia y otras implementaciones críticas, un moderno UPS con
transformador proporciona una disponibilidad ventajosa. Los transformadores dentro del UPS proporcionan una
administración integrada de fallos y aislamiento galvánico así como una gran compatibilidad con los requisitos
del sistema crítico de distribución de energía, los cuales se deben tomar en cuenta cuando se diseña un sistema
de UPS de alta disponibilidad. El desarrollo tecnológico y las opciones de configuración permiten que los más
recientes diseños con transformadores funcionen con niveles más altos de eficiencia comparados con los diseños
anteriores y los hace comprables con los modelos sin transformador en términos de eficiencia.
Sin embargo, si la eficiencia operacional, la flexibilidad de expansión o la limitación del área que ocupa
el UPS son de suma importancia y se implementan otras medidas apropiadas para proporcionar un nivel
aceptable de disponibilidad, la tecnología sin transformador podría ser una elección apropiada. En general,
200kW corresponde a un umbral por debajo del cual las ventajas de ahorro de espacio, menos peso y costo
de los sistemas de UPS sin transformador superan la robustez y una mayor capacidad de los sistemas con
transformador. Estas implementaciones por debajo de los 200kW se pueden beneficiar de la alta eficiencia y
un excelente acondicionamiento de la energía de entrada gracias a los componentes activos de los diseños sin
transformador. Además, la escalabilidad de un UPS modular sin transformador puede ayudar a evitar una sobre
capacidad excesiva mientras se mantiene la eficiencia operacional.
NOTA: Las recomendaciones en este artículo técnico se pretenden para centros de datos críticos con base en los estándares y las
prácticas de diseño de Norteamérica. Las condiciones, prácticas y regulaciones en otras partes del mundo podrían afectar los criterios
de selección.
2
Introducción
Los UPS sin transformador subsanan la necesidad de sistemas de UPS trifásicos, más livianos, compactos, altamente
eficientes en un mercado que hasta hace poco había estado dominado por los sistemas de UPS con transformador. Este
artículo técnico aborda los factores que se debe tomar en cuenta cuando se debe escoger entre un diseño de UPS con
transformador o sin este.
Los dos enfoques usan un proceso de doble conversión (Figura 1) para proteger la alimentación eléctrica crítica. Se usa un
rectificador en la entrada para convertir la corriente alterna en corriente directa y mantener la fuente de almacenamiento de
CD (batería) y el suministro al inversor CD a CA. A su vez, el inversor proporciona corriente alterna a la carga crítica. En caso
de un corte de la corriente alterna, el inversor sigue proporcionando un suministro acondicionado de CA desde la batería
de CD (o desde otro sistema de almacenamiento de energía). Los tableros eléctricos de entrada y salida y las unidades de
distribución de energía (PDU, por sus siglas en inglés) completan el flujo básico de energía hacia las cargas de TI (racks).
La diferencia principal entre las dos tecnologías corresponde al uso respectivo de los transformadores. Un UPS con
transformador podría tener un transformador antes del rectificador y requiere un transformador de aislamiento después
del inversor para derivar el voltaje que llega a la carga crítica. Los diseños de UPS sin transformador cuentan con tecnologías
de potencia y control electrónico para eliminar la necesidad de un transformador de aislamiento como parte integral de la
sección de salida del inversor. Esto se muestra en las Figuras 2 y 6.
Los avances en los semiconductores de potencia y control han permitido que aumenten las frecuencias de conmutación del
conversor por modulación por ancho de pulsos (PWM, por sus siglas en inglés), lo que impulsa el uso de IGBT (transistores
bipolares de puerta aislada) en el rectificador. Los IGBT se han utilizado dentro de los inversores durante muchos años; las
frecuencias más altas de conmutación por PWM mejoran el desempeño general del inversor.
Los dos enfoques (con transformador o sin este) se pueden diseñar para alcanzar los objetivos clave de un desempeño de
calidad del suministro de los UPS, como la disponibilidad, la adaptabilidad y fácil mantenimiento. No obstante, un ingeniero
quien diseña un centro de datos grande debe ser cuidadoso y tomar en cuenta los costos y los beneficios de utilizar una de las
dos tecnologías pues las dos afectan los criterios generales de desempeño de las instalaciones.
UPS básico de doble conversión
Tablero
Fuente
Interrup.
Bypass
Rect
Inv
Tablero
PDU
Rack
Suministro eléctrico
Batt
Figura 1. Diagrama de funcionamiento de un UPS básico de doble conversión.
3
salida de CA durante la pérdida de potencia de la
entrada de CA. Este ejemplo usa 540VCD.
UPS con transformador
La Figura 2 muestra un diagrama de bloques
simplificado de un moderno UPS con transformador.
Los sistemas grandes normalmente se fabrican con
base en subensamblajes duraderos y hay unidades
individuales con una capacidad de hasta 1100kVA.
Los componentes clave de este diseño incluyen los
siguientes
• Un filtro pasivo (inductores y capacitores) en la
entrada del rectificador para reducir la distorsión
de la corriente de entrada y mejorar el factor de
potencia.
• Un rectificador con base en SCR de seis pulsos (o
doce pulsos) en la entrada. De manera opcional,
un transformador adicional (Xfmr) proporciona
aislamiento de CA-CD para el bus de CD y la
batería.
• Un sistema de almacenamiento de energía de CD
(comúnmente baterías) conectado directamente
al bus de CD entre el rectificador y el inversor
para proporcionar una potencia continua de
• Un inversor de PWM con base en IGBT en la
salida.
• Un transformador de aislamiento (Xfmr) en
la salida del inversor para derivar el voltaje
apropiado de salida. Este también proporciona
un punto sólido y conveniente para referenciar
el neutral de salida de CA a la conexión a tierra.
Esta conexión a tierra neutral proporciona una
excelente reducción del ruido del modo normal.
• Un filtro pasivo en la salida del inversor
proporciona un suministro de voltaje de CA con
una distorsión muy baja.
• AUn conmutador automático con bypass
(conmutador estático) con semiconductores
de potencia (SCR) transfiere inmediatamente la
carga a una fuente alternativa si se presenta una
alteración de la salida del UPS.
SCR
Interrup.
Bypass
Pasivo
Filtro
SCR
Transfor.
Rect
Opcional
6-P o 12-P
IGBT
540 VCD
Figura 2. Diagrama de un UPS con transformador.
4
Inv
PWM
Batt
Pasivo
Transfor.
Filtro
Detalles del rectificador
Los rectificadores de los UPS con transformador son
técnicamente elegantes, robustos y ampliamente
acreditados. Estos usan técnicas con filtros pasivos en
la entrada para producir niveles relativamente bajos de
distorsión de la corriente de entrada y un relativamente
alto factor de potencia de entrada. Los modelos con
transformador de menor potencia (menos de 500kW)
comúnmente incorporan un SCR de seis pulsos (Figuras
3 y 4). Las unidades de alta potencia (500kW y más)
normalmente usan un diseño de 12 pulsos (Figura 5).
Los transformadores con aislamiento de la entrada son
opcionales con rectificadores de seis pulsos (Figura
3-4) y necesarios con los rectificadores de doce pulsos
(Figura 5). Junto con el aislamiento de la salida del
inversor, un transformador de aislamiento de la entrada
del rectificador aislará la fuente de entrada de CA del
UPS y la carga crítica de salida de CA de los fallos de la
conexión a tierra del bus de CD. Esta característica es
tal vez más común para bancos remotos de baterías
(particularmente, aquellos con racks abiertos) o
sistemas de conexión a tierra de CA de alta resistencia.
Los SCR se conmutan naturalmente con el voltaje de
la línea y presentan una aplicación muy eficiente y
robusta. El control de la fase de SCR inherentemente
cuenta con un arranque gradual (walk-in) al encenderse
y no tiene componentes adicionales para el control
480 VCA
de la potencia. El voltaje de CD de salida se regula en
la entrada del inversor y en la carga la batería con un
amplio rango de voltaje de la fuente de entrada.
Una característica de funcionamiento normal de
un rectificador de seis pulsos corresponde a la
generación de corrientes armónicas en la fuente de
entrada. Un rectificador de seis pulsos generará una
distorsión armónica total (THD, por sus siglas en
inglés) superior a un 30%. Por lo tanto, en la mayoría
de implementaciones, se incluye un filtro pasivo de
entrada (capacitancia además de inductancia) para
disminuir la distorsión de la corriente en un 10% al
mismo tiempo que mejora el factor de potencia de
entrada.
Un rectificador de doce pulsos con un filtro reducirá la
distorsión de la corriente a menos de un 5% y mejorará
todavía más el factor de potencia de entrada, aunque
los sistemas adicionales magnéticos tienen un costo en
la eficiencia.
Con cargas ligeras en el UPS, un filtro pasivo en la
entrada puede obligar la corriente de entrada del UPS
a un factor de potencia de adelanto (carga capacitiva)
y debe considerarse en los controles del generador. La
mayoría de los fabricantes de UPS ofrecen opciones
para eliminar las condiciones de un factor de potencia
de adelanto con cargas ligeras.
6-P
480 VCA o
208 VCA
540 VCD
A
A
B
C
B
C
Transf. ISO
N
Figura 3. UPS con aislamiento en la salida y rectificador con SCR y 6 pulsos (6-P).
5
480 VCA
6-P
480 VCA o
208 VCA
540 VCD
A
B
C
A
A
B
C
B
C
Transfor. IS0
Transfor. IS0
N
Figura 4. UPS con un rectificador con SCR y seis pulsos (6-P) y aislamiento de la salida/entrada.
480 VCA
12-P
480 VCA o
208 VCA
540 VCD
A
A
B
C
B
C
Transfor. IS0
Transfor. IS0
N
Figura 5. UPS con un rectificador con SCR y doce pulsos(12-P) y aislamiento de la salida/entrada.
Bus de CD – Detalles de almacenamiento de energía
El sistema de almacenamiento de energía de CD (Batería,
Figura 2) del diseño con transformador se conecta
directamente al bus de CD, lo que conecta la salida del
rectificador a la entrada del inversor (Figura 3, 4 y 5) y
contribuye, así, a la confiabilidad. La formación de este
circuito proporciona un excelente desempeño durante el
corte del suministro eléctrico pues la batería cargada se
encuentra disponible inmediatamente. Sin embargo, como
la batería está conectada a la salida del rectificador y a la
entrada del inversor, se encontrará sometida a los voltajes
y corrientes con pulsos de CA. Aunque estas corrientes con
pulsos se mitigan con un ensamblaje de capacitor con filtro
de CD, estas todavía se dan en menor grado y podrían tener
algún efecto en la batería, especialmente con temperaturas
ambiente más altas. Un diseño apropiado minimiza el efecto
de los pulsos en la batería.
bus de CD (540 VCD se usan como ejemplo). Estos usan
técnicas con filtros pasivos de la salida para producir
niveles relativamente bajos de distorsión de las corrientes
de salida con un rango razonable de características de la
carga conectada. Un filtro pasivo de salida trabaja con la
impedancia del transformador para facilitar un voltaje con
ondas sinusoidales con armónicas bajas (inferior a un 5%
de THD) para todas las condiciones de funcionamiento de
la carga. La potencia de salida de CA trifásica del inversor
fluye a través de un transformador con aislamiento y
conexiones delta-estrella trifásicas, las cuales proporcionan
flexibilidad para combinaciones de voltaje de salida/entrada
del UPS. La configuración neutral y voltaje de salida de
cuatro cables del UPS se establece con una conexión estrella
secundaria al transformador. Esto asegura un aislamiento
magnético (galvánico) del sistema de baterías de CD de la
salida de CA del UPS. Cuando un transformador se usa con
un rectificador, la entrada de CA también contará con un
aislamiento galvánico del bus de CD.
Detalles del inversor
Los inversores de los UPS con transformador son
relativamente simples, robustos y están acreditados.
Estas unidades usan un inversor IGBT-PWM (Figuras 3,
4 y 5) y funcionan con un voltaje inferior de la batería/
6
Con un transformador de salida, el voltaje de salida de CA del
UPS no necesita igualar el voltaje de entrada del rectificador,
pero si debe ser igual al voltaje del bypass. La fuente del
voltaje de bypass y la del voltaje del rectificador pueden ser
fuentes separadas.
UPS sin transformador con un
rectificador de PWM
Las topologías sin transformador reemplazan las funciones
simples de transformación magnética y pasiva de voltaje con
circuitos electrónicos de potencia de estado sólido. La Figura
6 muestra un diagrama de bloques simplificado de un diseño
de UPS sin transformador. Hay diferencias clave entre este
circuito y la unidad en la Figura 2
Al reemplazar los componentes pasivos de potencia
(transformadores, capacitores, inductores) con
ensamblajes de circuitos de potencia con técnicas de
conversión de potencia de PWM, los rectificadores de los
UPS sin transformador son físicamente más pequeños y
producen pocas armónicas en la corriente de entrada con
aproximadamente un factor de potencia valor 1.
Normalmente, la batería del UPS en implementaciones
sin transformador se conecta al bus interno de CD (unos
800VCD en este ejemplo) con un conversor integrado
bidireccional de CD/CD. Esto pone un elemento adicional de
conversión de potencia en serie con la batería.
Con técnicas parecidas de conversión de potencia de PWM,
los inversores en los UPS sin transformador son físicamente
similares, y producen pocas armónicas en el voltaje de
salida en un rango más amplio de características de la carga
conectada.
La función de bypass (conmutadores estáticos del bypass)
es similar al diseño con transformador. Sin embargo, si no
se agregan transformadores externos, la entrada de CA del
bypass debe tener el mismo voltaje que la salida de CA del
inversor.
Los UPS sin transformador normalmente se diseñan para
salas de computadoras en filas o para salas de equipos.
Las unidades completas de UPS sin transformador son con
regularidad un ensamblaje de marcos estándar más módulos
de potencia y control.
Un UPS sin transformador es más ligero y pequeño que el
diseño con transformador con una potencia equivalente
tanto con respecto al volumen como al espacio físico. Sin
embargo, puede ser necesario agregar transformadores
externos para un aislamiento de CA-CD, por razones de
seguridad o cambios de voltaje de CA y para alcanzar
flexibilidad de la distribución de la energía. Al agregar
transformadores externos el espacio físico y el peso total de
las instalaciones podrían ser mayores que con un diseño de
UPS sin transformador con implicaciones para la eifciencia
de todo el sistema. Si se debe agregar transformadores a una
unidad sin transformador para hacerla compatible con las
instalaciones, una unidad con transformador podría ser una
mejor solución.
SCR
IGBT
Transfor.
Rect
PWM
IGBT
>800 V
Inv
PWM
Opcional
Conv
CD/CD
Interrup.
Bypass
Pasivo
Filtro
Conmutador
estático
Transfor.
SCR
Opcional
Batt
540 VCD
Figura 6. Diagrama de un UPS sin transformador.
7
Detalles del rectificador
En el UPS sin transformador típico, el rectificador SCR se
reemplaza con un rectificador PWM IGBT trifásico, con
factor de potencia y forma corregida de onda de la corriente.
Los algoritmos de control y funcionamiento expanden las
funciones básicas de la rectificación y la regulación de CD
para controlar la forma de onda de la corriente de entrada, la
corrección del factor de potencia y las funciones de arranque
gradual.
Además de su función principal de rectificación de energía
de CA a CD, el rectificador ahora tiene la capacidad de
regular la corriente de entrada de aproximadamente un
factor de potencia de valor 1 y una distorsión de la corriente
de entrada por debajo del 3 al 5% a carga plena. Por ende,
no es necesario un filtro pasivo de entrada tan grande
como los de los diseños con transformador. Como el factor
de potencia no cambia con la carga, la entrada en kVA es
aproximadamente igual a la entrada en kW en todas las
condiciones, lo que permite un interruptor de entrada
con menos capacidad y más parecido a la capacidad del
generador.
Bus de CD – detalles del almacenamiento de energía
El diseño sin transformador usa la batería diferente al
diseño con transformador descrito en la sección anterior. La
batería no está conectada directamente al bus de CD, pero
mantiene su carga gracias a una carga complementaria de
la batería (un conversor de CD/CD) (Figura 7). Esto también
evita los efectos en aumento del paso del tiempo de la
batería debido a las corrientes armónicas de CD del inversor/
rectificador.
480 VCA
Durante los cortes eléctricos, la batería debe descargarse
a través del ensamblaje del conversor de CD/CD, el cual
actúa como un regulador durante la descarga de la batería.
Este regulador dará como resultado eficiencias reducidas
de conversión CD/CA en algunos niveles de carga, pero
la curva de eficiencia es, en general, más plana que en las
unidades con transformador. Los componentes adicionales
del conversor de CD/CD y el cargador de la batería de CD/CD
reducen gradualmente el tiempo promedio entre fallos de la
unidad de UPS.
Cabe destacar que no hay un aislamiento galvánico en la
entrada de CA o en la salida de CA en esta configuración.
Si se prefiere eliminar el riesgo de los fallos de CD al
propagarse al alimentador de entrada y al bus crítico de
salida, se necesita un transformador de aislamiento externo
en la entrada del rectificador o en la salida del inversor. Los
transformadores de aislamiento también se recomiendan
para las baterías, en particular las baterías abiertas en rack,
instaladas largo de la unidad de UPS.
Detalles del inversor
La salida del inversor PWM trifásico se filtra pasivamente y
se presenta en las terminales de salida del UPS sin pasar por
un transformador de salida. Este proporciona una salida de
tres cables (Figura 7). En algún diseño se podría requerir un
cuarto ramal de conmutación del inversor para balancear el
voltaje del bus de CD cerca de cero voltios o respaldar una
salida de cuatro cables (trifásico más neutro) (Figura 8). Si se
requiere un neutro (es decir, una salida de conexión estrella
de cuatro cables) en la salida del inversor, se necesitaría
un neutro de capacidad plena que pase desde la fuente de
entrada de CA del bypass o del rectificador hasta la salida de
inversor y la carga conectada.
CONVERSOR
CD/CD
>800 V
480 VCA
A
A
B
C
B
540 V
C
Figura 7. UPS sin transformador con tres cables.
8
480 VCA
CONVERSOR
CD/CD
>800 V
480 VCA
A
A
B
C
B
540 V
C
N
N
Figura 8. UPS sin transformador con cuatro cables.
Cabe destacar que en esta implementación sin
transformador, la salida normal tiene tres cables y requiere
que los voltajes de CA de entrada, salida y bypass sean los
mismos. También se recomienda (aunque no es necesario,
si se siguen los lineamientos adecuados de implementación)
que los circuitos de entrada y de bypass vengan de la misma
fuente de CA.
Con una salida del inversor de tres cables, el acoplamiento
a un diferente voltaje de distribución (por ejemplo, a
208/120 voltios de salida con una entrada de 480 VCA) se
dará circuitos abajo en una unidad de distribución de energía
(PDU). La PDU requiere un transformador de aislamiento
que también proporcionará la formación del neutro de salida
de la PDU y un punto de conexión a tierra local.
Características técnicas y diferencias de
desempeño
Al mismo tiempo que logran objetivos similares de
desempeño de alta disponibilidad, las unidades de UPS
con transformador y sin transformador usan enfoques un
poco diferentes para cumplir los requisitos específicos de
desempeño de la salida.
En aplicaciones del sistema de UPS, los transformadores
proporcionan un aislamiento pasivo de fallos, mitigación
de arcos eléctricos, reducción del ruido eléctrico, cambios
de voltaje, una referencia de neutro sólido y algún grado
de limitación de corrientes de fallo. Las unidades de UPS
sin transformador usan todas las técnicas de conversión
activa de potencia para cumplir un desempeño parecido. Las
unidades con transformador integran sistemas magnéticos
pasivos con menos componentes de conversión activa de
potencia, lo que da como resultado una unidad de UPS
relativamente más robusta y sencilla.
Al escoger entre una solución de UPS con transformador y
sin este, el diseñador del sistema debe determinar dónde
se aprovecha más los transformadores y si estos deben ser
internos o externos al UPS con respecto a las limitaciones
y a los requisitos de distribución eléctrica y física. Esta
sección repasa las técnicas y limitaciones de los diferentes
rectificadores, almacenamiento de energía, inversores
y bypass estáticos de los dos diseños de UPS en varios
desempeños.
Planeamiento del sitio y adaptabilidad
Muchos usuarios creen que los UPS sin transformador
proporcionan una mayor flexibilidad para cumplir los
inciertos requisitos futuros. Los diseños sin transformador
normalmente son más pequeños que aquellos con
transformador de la misma potencia, lo cual permite colocar
el UPS más cerca de donde se usará la potencia o en un piso
elevado más ligero (libras/pie cuadrado).
El incluir un UPS sin transformador en un sistema crítico
de distribución de energía no significa que todos los
transformadores en el trayecto de potencia se pueden
quitar, si no que permite que el diseñador del sistema
coloque transformadores solo dónde se necesitan.
Los transformadores de aislamiento, los cuales están
integrados en los UPS con transformador, siempre se
necesitan para desempeñar funciones específicas dentro del
sistema crítico de distribución de energía:
9
• Establecer una fuente independiente derivada de
cuatro cables (trifásico más neutro) a partir de la
entrada de tres cables.
• Colocar puntos locales para las conexiones neutral a
tierra.
• Establecer puntos de conexión a tierra locales por
seguridad, así como reducción del ruido en modo
normal.
• Permitir fuentes separadas de entrada del bypass y del
rectificador.
• Permitir que el voltaje de distribución de entrada sea
diferente al voltaje de entrada de la carga crítica.
• Proporcionar una impedancia adicional de la fuente
para reducir los arcos eléctricos y la corriente de fallo.
• Una implementación más fácil y un rendimiento
mejorado de los sistemas de conexión a tierra de alta
resistencia.
• Manejar las cargas desbalanceadas conectadas a la
estrella cuando funcionan con una distribución de tres
cables.
• Mejorar el desempeño de los dispositivos contra
sobrecorrientes (fusibles y disyuntores) al reducir la
resistencia del trayecto de corriente de fallo.
Una vez que se determina dónde podrían hacer falta los
transformadores en el sistema, los UPS sin transformador
podrían permitir una colocación óptima en el trayecto de
distribución de energía. Empero, se debe recordar que
los UPS con transformador cuentan con algunas de estas
funciones internamente como parte del diseño del sistema,
un potencial beneficio para la confiabilidad.
Confiabilidad y disponibilidad
Los UPS con transformador tienen una confiablidad
inherente mayor debido a la cantidad reducida de partes,
robustas configuraciones redundantes y un mantenimiento
simplificado. También se benefician de las innovaciones
tecnológicas y una base sólida de miles de años-máquina de
experiencia y perfeccionamiento.
El más reciente diseño de UPS sin transformador logra
su desempeño de alta disponibilidad con avanzadas
tecnologías de conversión de potencia, redundancia,
modularidad, administración activa de fallos y las lecciones
aprendidas con los diseños con transformador. Todos los
10
principales fabricantes de UPS producen las dos topologías
para implementaciones críticas y subsanar, así, las
necesidades del diseñador del sistema de UPS.
Las unidades de UPS con transformador usan una
combinación de sistemas de administración activa y
pasiva de fallos, al mismo tiempo que los sistemas sin
transformador usan un diseño de control solamente activo.
Las estrategias de control y los procesos expandidos de
conversión de potencia dentro del rectificador PWM,
conversor CD/CD y el inversor de los UPS sin transformador
se comparan un poco menos favorablemente con el tiempo
promedio entre fallos previsto de la unidad. El hecho de
que hay unidades individuales de UPS con transformador
de hasta 1100kW mientras que los módulos más grandes
de UPS sin transformador cuentan con menos de 300kW,
demuestra el límite potencial de disponibilidad de los
componentes en paralelo en un UPS sin transformador
cuando se requiere más de un módulo para alcanzar la
capacidad. Sin embargo, al analizar el tiempo promedio
entre fallos para mantener la carga crítica (MTBF, por sus
siglas en inglés) y la disponibilidad de la potencia crítica, los
dos tipos de productos son similares.
Robustez
En términos generales, la robustez es una expresión para
expresar el nivel cualitativo de abuso y se refiere a que
el sistema de UPS puede manejar una capacidad mayor
al 100% al mismo tiempo que cumple los requisitos de
disponibilidad. Tanto los UPS con transformador como sin
este pueden proporcionar una capacidad de sobrecarga
dinámica excelente y similar para eventos de carga dinámica
trifásica o fase a neutro. Las unidades proporcionan un
manejo automático de sobrecargas y fallos temporales en la
red de distribución de circuitos abajo y pueden facilitar una
conexión en paralelo inmediata con el bypass de CA para
respaldar el manejo de sobrecargas y fallos de la carga. Los
UPS con transformador suman el beneficio de algún grado
de manejo pasivo de fallos con los transformadores y filtros
internos.
La mayoría de diseños con transformador usan interruptores
en puntos clave de desconexión (entrada, salida, bypass y
batería). Estos interruptores brindan una protección contra
sobrecorrientes y permiten una mayor capacidad para
despejar fallos.
Algunos diseños sin transformador podrían usar una
combinación de contacto y fusible que puede producir
problemas durante ciertas condiciones de fallo o sobrecarga.
Específicamente, un IGBT del inversor puede fallar, lo cual
podría causar que el contacto se suelde e introduzca una
corriente de CD en el bus crítico. Además, la mayoría de
contactos no pueden abrirse durante las condiciones de
fallo de CD o situaciones con altas corrientes de fallo de
CA, las cuales se pueden manejar de forma sencilla con un
interruptor del tamaño apropiado. También, en un UPS con
transformador, la corriente de fallo de CD no puede pasar a
través del transformador de aislamiento. Como resultado,
el alimentador de entrada o el bus crítico no puede
experimentar ninguna condición de fallo de CD o fallos de
CD en cascada.
electrógeno) si no se toman en cuenta durante el diseño
de integración del generador/UPS. Los kVAR agregados del
filtro también requieren que el generador tenga un mayor
tamaño cuando se compara con la capacidad de potencia
del UPS. Por esta razón, la mayoría de fabricantes de UPS
ofrecen una opción para automáticamente eliminar el factor
de potencia de adelanto con cargas ligeras.
Aislamiento del sistema de almacenamiento de
energía de CD
Como una nota extra con respecto al diseño del sistema,
asegúrese confirmar que el generador así como cualquier
otro componente de distribución de potencia puede
manejar el factor de potencia de la carga crítica y la
distorsión de la corriente de CA por separado del UPS. De
vez en cuando, el UPS estará en bypass, con la carga crítica
potenciada directamente desde el suministro eléctrico de
entrada, el generador u otra fuente alternativa de CA.
Los transformadores internos o externos pueden mejorar
la confiabilidad del bus de CD de varias maneras. Los
transformadores agregan un grado de impedancia al circuito
de potencia que ayuda a reducir paulatinamente la magnitud
de las corrientes en fallo. Un transformador de salida asociado
con el inversor ayudará aún más a aislar la salida de CA de
los fallos de CD. De la misma manera, un transformador de
entrada evita que un fallo de conexión a tierra de CD cause un
fallo de conexión a tierra de CA en la fuente de entrada. Los
fallos de CD de alta impedancia, típicos con baterías abiertas,
solo se pueden detectar cuando se usan dos transformadores
de aislamiento. Si se incluye un transformador de salida de CA
y de entrada de CA en el sistema de alimentación, la entrada
de CA y la salida de CA no se verán afectadas por los fallos de
CD a tierra, los sensores de fallos de conexión a tierra de CD
funcionarán mejor y los procedimientos de mantenimiento
de la batería serán significativamente más seguros. Se puede
preferir el aislamiento de CD cuando se usa baterías abiertas
en rack (por ejemplo, celdas inundadas) y particularmente
cuando se colocan en salas remotas de baterías.
Interfaz del generador
El diseño sin transformador, con un factor de potencia de
valor 1 y una baja distorsión de la corriente de entrada en
el rango de carga plena de salida, evita estas características
y permite un funcionamiento más cercano al generador. El
generador todavía podría necesitar ser de mayor tamaño en
algún grado para manejar la carga plena crítica además de
recargar las baterías.
Consideraciones de la salida del UPS
El transformador de salida en un diseño de UPS con
transformador proporciona flexibilidad del voltaje de salida,
fases y conexión a tierra. El transformador con conexiones
delta-estrella se puede configurar como un delta de tres
cables (trifásico más tierra) o conexión estrella de cuatro
cables (trifásico más neutro más tierra), salida del sistema
de 600, 480, 400 o 208 voltios. La conexión estrella permite
cumplir la definición de neutro derivado separado del
Código Eléctrico de EE.UU. También permite conectar
el neutro a tierra y establecer una distribución local de
referencia. Los puntos de conexión a tierra para fuentes
separadas de entrada de CA del bypass y de la entrada de CA
del rectificador no necesitan acoplarse, como se requiere en
los diseños sin transformador.
El filtro de entrada en los diseños con transformador es lo
suficientemente grande en kVAR para producir que el factor
de potencia de entrada se vuelva de adelanto (capacitivo)
cuando el UPS tiene una carga ligera (menos del 40%). Esto
puede causar problemas de control del generador (grupo
11
El diseño del UPS sin transformador normalmente
implementado como un sistema de tres cables únicamente
de entrada y salida con el mismo voltaje de salida que el
de entrada (Figuras 6 y 7). El establecer el neutro (es decir
la salida de conexión estrella de cuatro cables) para la
distribución ocurre circuitos abajo en un transformador de
aislamiento, sea independiente o dentro de una unidad de
distribución de energía.
Si se requiere un neutro de salida en un UPS sin
transformador, se agrega un cuarto ramal al inversor (Figura
8). El neutro creado no tiene un aislamiento magnético y se
referenciará a la entrada (rectificador o bypass) con varias
impedancias. Esta carencia de aislamiento puede crear retos
cuando se requiere manejar el voltaje neutro con cargas de
línea a neutro. Físicamente a capacidad plena, el cable de
conductor neutro de baja impedancia (para un desempeño
apropiado de protección contra sobrecorrientes) debe pasar
por la fuente de entrada de CA hasta la carga circuitos abajo,
lo que se traduciría en un costo adicional. Por otro lado,
esto podría reducir la necesidad de colocar transformadores
circuitos abajo y reduce potencialmente el costo general del
sistema.
de su diseño de administración general de fallo. Las unidades
con transformador manejan este requisito de administración
de fallos con la combinación de una impedancia magnética
interna (efectos para limitar la corriente) y técnicas de
control activo de fallos.
Los UPS sin transformador tienen, por lo general, la
capacidad de pasar más corriente de fallo por su estructura
hacia los circuitos en fallo pues la limitación de la impedancia
podría ser solo una función de los semiconductores de
potencia del rectificador y del inversor. Las unidades sin
transformador dependen de medios activos complejos de
acciones rápidas para lograr un nivel de administración de
fallos similar al de los diseños con transformador.
Es importante destacar que el flujo en el bypass estático
de cualquiera de las dos topologías representa un camino
aún más directo de las corrientes de fallo desde la fuente de
entrada del bypass a la carga de salida o a las corrientes de
retorno al inversor. Un transformador en la salida del inversor
reduce la magnitud de la corriente interna de fallo en algún
grado, dependiendo de cómo el transformador de salida se
conecta dentro del sistema de UPS.
Conexión a tierra de alta resistencia
Arcos eléctricos
Algunos diseñadores implementan sistemas de conexión
a tierra de alta resistencia para proteger contra el disparo
innecesario de los interruptores en caso de fallos de
conexión a tierra de bajo nivel. Los sistemas de conexión a
tierra de alta resistencia también permiten localizar y darle
mantenimiento a los fallos de conexión a tierra de bajo nivel
de manera más sencilla y segura. Estos sistemas son fáciles
de instalar en los sistemas de UPS con transformador. Los
diseños sin transformador necesitarán agregar componentes
al sistema para proporcionar los puntos necesarios de
separación de la conexión eléctrica a tierra.
Los arcos eléctricos son una consecuencia de corto
circuitos que forman arcos debido a una baja impedancia
y están alimentados por uno o más trayectos de la fuente
de energía. Se debe tomar en cuenta muchos factores
cuando se calcula la energía de los arcos eléctricos, lo que
incluye lo siguiente: los niveles de voltaje de la fuente, la
magnitud potencial de la corriente de fallo, las impedancias
de la fuente, la cantidad de trayectos contribuyentes y
las características de disparo del interruptor (tiempo más
magnitud).
Disponibilidad de la corriente de fallo
Un requisito clave para todos los productos de UPS es
su habilidad para manejar las corrientes internas de fallo
mientras evita perturbar el funcionamiento de la carga
crítica. Los diseñadores del sistema deben realizar los
cálculos de la magnitud de la corriente de fallo como parte
12
El diseño y ubicación física del UPS dentro del trayecto de
potencia crítica de la infraestructura también influenciará la
energía disponible que podría utilizarse dónde se encuentra
el fallo. En general, la impedancia de los transformadores
incluidos dentro del UPS con transformador disminuirá la
energía de fallo disponible dentro del sistema de distribución
circuitos abajo.
Con un UPS sin transformador, el diseñador del sistema
podría determinar que se debe agregar un transformador
externo circuitos abajo del UPS para ayudar a limitar las
corrientes en fallo y, por lo tanto, los niveles de energía de
los arcos eléctricos. Esto se traduce en la diferencia entre
necesitar un Nivel 1 PRE (Equipo protector personal - cubierta
de algodón resistente al fuego) y Nivel 4 PPE (un casco,
guantes y traje con aislamiento y protección contra arcos
eléctricos) durante los procedimientos de mantenimiento.
se determina que son necesarios y no duplicados, lo cual
permite ahorrar potenciales costos, espacio y peso. Estos
beneficios deben balancearse con el hecho de que las
unidades de UPS y los transformadores de aislamiento de
terceros no se pueden diseñar y evaluar como un sistema
en la fábrica, lo que crea la posibilidad de pasar por alto
algún aspecto del diseño del sistema, como los requisitos
de aislamiento de la doble fuente de entrada de CA o las
necesidades de mitigación de los arcos eléctricos.
Aislamiento
Mantenimiento
Además de manejar la corriente de fallo y la mitigación de los
arcos eléctricos, los sistemas de distribución eléctrica deben
incluir medidas para dividir en secciones el alimentador y los
circuitos ramales para lo siguiente:
• Proporcionar trayectos seguros a tierra.
El mantenimiento es un reflejo de la comodidad, seguridad,
velocidad, exactitud y riesgo de realizar el mantenimiento
de los componentes del sistema de UPS. El diseño con
transformador tiene una larga historia de facilidad de
mantenimiento y seguridad para el personal de servicio. El
aislamiento magnético y la impedancia que proporcionan los
transformadores integrados constituyen una ventaja cuando
se planean acciones de mantenimiento. La mayoría de
sistemas de UPS sin transformador usan técnicas modulares
para que puedan recibir mantenimiento de manera confiable
en secciones mientras se mantiene el funcionamiento de la
carga crítica con un riesgo mínimo.
• Limitar el ruido eléctrico de modo normal.
Costo total de propiedad
Otras funciones pueden incluir la transformación de voltaje,
transformación de conexión delta-estrella, formación de
neutral, aislamiento de circuito CA a CD a CA y reducir el
riesgo durante los procedimientos de mantenimiento. Los
transformadores de frecuencia de la línea constituyen el
método típico para proporcionar todas estas funciones. Los
transformadores internos dentro de las unidades de UPS
con transformador proporcionan soluciones magnéticas
integradas e integrales para casi todas estas funciones. Estos
se diseñaron y evaluaron como un paquete completo. Si se
necesita otros puntos locales de neutral/conexión a tierra, se
pueden agregar con transformadores externos adicionales.
Cuando se toma en cuenta el costo total de propiedad de
un sistema de UPS, es importante incluir tanto la inversión
inicial o gastos de capital, como los gastos operativos para
energizar, mantener y darle mantenimiento.
• Administrar los conductores de neutro y de tierra.
• Limitar la longitud de los circuitos cerrados de
corriente de neutro y de fallo (reduce la corriente por
impedancia).
Aunque el diseño más compacto sin transformador beneficia
en tamaño y peso, no proporciona las funciones internas
de aislamiento y distribución eléctrica mencionadas
anteriormente. El beneficio para el diseñador del sistema
es la capacidad de colocar transformadores solo donde
13
• Costos iniciales o de capital: Debido a la ausencia
de transformadores, la mayoría de los módulos de
UPS sin transformador serán más baratos que los
modelos con transformador. También ocuparán un
área más pequeña y reducen la necesidad expandir
el espacio del centro de datos. El costo/beneficio de
estos sistemas puede ser engañoso si un ingeniero
determina que se requiere un transformador de
aislamiento de la entrada y/o salida. El agregar
transformadores necesarios además del UPS resulta
en costos generales de compra más elevados, un área
total de producción mayor y más mano de obra para
instalar y conectar el cableado del equipo adicional.
Además, el transformador externo podría no estar tan
bien coordinado como lo sería con un diseño de UPS
con transformador.
• Costos operativos: Tantos los módulos de UPS con
transformador y sin este pueden lograr una eficiencia y
desempeño a carga plena similares, aunque el diseño
sin transformador tiene la ventaja. Los dos diseños
normalmente cuentan con opciones para optimizar
la eficiencia, las cuales incluyen permitir que la carga
crítica funcione normalmente en el modo de bypass
del UPS (“eco-mode”), y se transfiera al inversor del
UPS en solo unos pocos milisegundos cuando la fuente
de entrada tiene una perturbación fuera de los límites.
• La evolución tecnológica constantemente afecta la
eficiencia relativa de las soluciones con transformador
o sin este. Después de muchos años de optimizar el
desempeño, los sistemas de UPS con transformador
lograron una curva de eficiencia relativamente plana
con un 30% al 80% de carga durante el funcionamiento
de un centro de datos típico de Nivel (Tier) 3 y 4. Los
más recientes diseños sin transformador también
tienen curvas muy planas de hasta un 20% de
capacidad y tienen niveles de eficiencia en el rango
del 96% en el modo de doble conversión. Se requiere
un estudio del diseño completo del sistema para
determinar el impacto de las eficiencias relativas
conforme se agregan transformadores, y de la
eficiencia de esos transformadores.
14
Características
Con
Transf
Sin
Transf
Tamaño y peso (se prefiere pequeño/
ligero)
+
+++
Flexibilidad de colocación (ocupa
menos área)
+
+++
Administración de la forma de onda de
entrada de CAt
+
+++
Compatibilidad del grupo electrógeno
+
+++
Costo inicial del sistema (extremo a
extremo)
++
+++
Adaptabilidad/Escalabilidad/
Modularidad
++
+++
Eficiencia del sistema del UPS
++
+++
Eficiencia del eco-mode del UPS
++
+++
Desempeño dinámico de la salida
(que incluye el eco-mode)
+++
+++
Disponibilidad del sistema
+++
+++
Distribución delta (3 cables)
+++
+++
Administración de fallos/resistencia
+++
++
Distribución con conexión estrella (4
cables+neutral)
+++
+
Implementación de conexión a tierra
de alta resistencia
+++
+
Cantidad de componentes
+++
+
Entrada/CD/aislamiento de la salida
+++
+
Flexibilidad de la configuración de la
salida/entrada
+++
+
Confiablidad, por unidad t
+++
+
La mejor= +++ Mejorada = ++ Buena = +
Figura 9. Comparación de las características
del rendimiento de los diseños de UPS con
transformador o sin este.
Conclusión
La disponibilidad de la salida de CA de los UPS con
transformador ha mejorado consistentemente con
el pasar de las décadas; conforme se han refinado y
evaluado los componentes, los diseños y las técnicas
de fabricación y control. El desempeño también ha
mejorado significativamente al mismo tiempo que se
ha reducido la cantidad de componentes. Estos diseños,
principalmente para la instalación en salas de equipos,
han consistido en gran medida en un ensamblaje
compuesto de subensamblajes que se pueden reparar y
cambiar. Conforme la fuente principal de potencia para las
aplicaciones críticas de alta potencia (más de 200kW), la
disponibilidad observada en el campo ha llegado a niveles
sorprendentes.
Al mismo tiempo, las topologías de UPS sin transformador
han surgido para cumplir la demanda de sistemas de UPS
más ligeros, eficientes, flexibles y que ocupan menos
espacio. El precio de estas mejoras del rendimiento ha
sido el reemplazo de algunos componentes que aunque
robustos se traducen en un tamaño y peso mayores (por
ejemplo, transformadores, inductores, capacitores) con
equivalentes electrónicos de potencia implementados
con muchos más componentes empacados en
subensamblajes modulares que se pueden cambiar en el
campo. Es razonable esperar que, mientras logra valores
de disponibilidad de salida del sistema que se acercan a
aquellos logrados con los diseños con transformador, las
unidades sin transformador tendrán tasas de llamadas
de servicios un poco mayores que sus contrapartes con
transformador.
Los transformadores, internos o externos al UPS, son
necesarios para aislar los circuitos y para puntos locales
de conexión a tierra y neutral, así como para proporcionar
puntos de transformación del voltaje. Esto facilita, por
ejemplo, la implementación de instalaciones de muy
alta densidad con base en fuentes de distribución de 600
voltios, que subsecuentemente se reducen a 208/120
voltios para las implementaciones de carga de TI. Cuando
se utiliza en conjunto con un enlace interno de CD del
UPS, se puede facilitar un aislamiento de la entrada de CA
a CD y de la salida CD a CA, y reducir o eliminar el riesgo
de que fallos de CD se propaguen aguas arriba o aguas
abajo del UPS. Debido a las solicitudes de diseñadores de
centros de datos, la mayoría de proveedores líderes de
UPS siguen ofreciendo las dos topologías como parte de
las soluciones que necesitan transformadores.
Un resumen del desempeño más alto de los dos diseños se
muestra en la Figura 9.
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