¿Qué es un UPS y cómo funciona?

¿Qué es un UPS? Es una fuente de alimentación ininterrumpida (Uninterrupted Power System) que no más que es un dispositivo eléctrico que proporciona energía de emergencia a una carga cuando falla la fuente de alimentación de entrada o la red eléctrica.

Un Sistema de Alimentación Ininterrumpida o SAI se diferencia de un sistema de alimentación auxiliar o de emergencia o de un generador de reserva en que proporciona una protección casi instantánea frente a las interrupciones de la alimentación de entrada mediante el suministro de energía almacenada en baterías, supercondensadores o volantes.

El tiempo de funcionamiento con batería de la mayoría de las fuentes de alimentación ininterrumpida o UPS es relativamente corto (solo unos minutos), pero suficiente para iniciar una fuente de alimentación de reserva o apagar correctamente el equipo protegido.

Un SAI se suele utilizar para proteger hardware como ordenadores, centros de datos, equipos de telecomunicaciones u otros equipos eléctricos en los que una interrupción inesperada del suministro eléctrico podría causar lesiones, muertes, interrupciones comerciales graves o pérdida de datos.

Las unidades UPS varían en tamaño, desde las diseñadas para proteger una sola computadora sin un monitor de video (alrededor de 200 voltios-amperios nominales) hasta unidades grandes que alimentan centros de datos o edificios completos

Tipos de UPS

Los sistemas UPS generalmente se pueden clasificar como uno de estos cinco tipos:

  • SAI en espera
  • SAI de línea interactiva
  • SAI Stand-by-ferro
  • UPS en línea de doble conversión
  • UPS en línea de conversión delta

Tenga en cuenta que estos tipos se basan en una demanda de respaldo de energía de CA para la carga.

¿Qué es un UPS o SAI en espera?

Un SAI de reserva es una configuración en la que una batería de respaldo se carga con el voltaje de la línea y se alimenta a través de un inversor a un interruptor de transferencia. 

Cuando se pierde la energía principal, el interruptor de transferencia pone en línea la ruta de energía de reserva (representada en la figura 1 a continuación como la ruta inferior con la línea discontinua). 

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SAI en Espera o Stand-by SAI de APC Schneider Electrics

Por lo general, el inversor no está activo hasta que se produce un corte de energía y, por lo tanto, se usa el término «en espera» para describir este tipo de UPS. 

La necesidad de cambiar activamente la ruta de alimentación significa que se producirá una breve interrupción desde el momento en que se pierde la alimentación principal hasta que se completa la conmutación. 

La ruta de alimentación principal que se muestra en la Figura 1 incluye un filtro LC y un circuito de protección contra sobretensiones para el aislamiento del ruido.

Diagrama de bloques funcional de un sistema UPS de reserva.

Figura 1. Crédito de la imagen: https://www.schneider-electric.com/

El ejemplo de la computadora portátil que se presentó anteriormente podría considerarse un tipo simplificado de UPS en espera, donde la salida deseada es CC en lugar de CA y no se necesita un interruptor de transferencia.

¿Qué es un UPS o SAI de línea interactiva?

Uno de los diseños más comúnmente utilizados para una fuente de alimentación ininterrumpida es el UPS de línea interactiva, que se presenta en la Figura 2 a continuación. Con el diseño de línea interactiva, la energía principal se alimenta a través de un interruptor de transferencia a un inversor y luego a la carga. 

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SAI Interactivo de CyberPower

El inversor en este diseño siempre está activo y cuando la energía principal está encendida, funciona a la inversa para convertir la energía de CA entrante en CC, que se usa para mantener cargada la batería de respaldo. 

Si se corta la alimentación de línea, el interruptor de transferencia se abre y el inversor funciona en la dirección normal, tomando la alimentación de CC de la batería y convirtiéndola en CA para alimentar la carga.

Diagrama de bloques funcional de un sistema UPS de línea interactiva.

Figura 2. Crédito de la imagen: https://www.schneider-electric.com/

Este diseño que mantiene el inversor activo proporciona un filtrado mejorado y reduce los transitorios de conmutación que podrían estar presentes con la configuración de UPS en espera. 

Según el diseño del inversor, esta configuración puede proporcionar dos rutas de energía independientes para la carga y elimina al inversor como punto único de falla. Entonces, incluso si el inversor fallara, la energía de CA aún puede fluir hacia la salida. Este tipo de UPS ofrece bajo costo, alta confiabilidad y alta eficiencia, y puede admitir aplicaciones de bajo o alto voltaje.

¿Qué es un UPS o SAI Stand-by-ferro?

El UPS standby-ferro utiliza un transformador de tres devanados para acoplar la carga a la fuente de energía, como se muestra a continuación en la Figura 3.

La energía principal fluye a través de un interruptor de transferencia que normalmente está cerrado a las bobinas del transformador, donde se acopla a la bobina secundaria del transformador y luego suministra la energía a la carga de salida. 

La ruta de energía de respaldo lleva el voltaje de línea a un cargador de batería y mantiene la batería de respaldo, que luego se conecta a un inversor que se une a la tercera bobina del transformador.

Diagrama de bloques funcional de un sistema UPS standby-ferro.

Figura 3. Crédito de la imagen: https://www.schneider-electric.com/

Cuando falla la energía principal, el interruptor de transferencia se abre y el inversor suministra energía a la carga desde la batería de respaldo. En esta configuración de diseño, el inversor está en espera y se activa cuando falla la energía principal y se abre el interruptor de transferencia.

El transformador, si bien proporciona aislamiento de la carga de los transitorios de voltaje de línea, puede crear una distorsión del voltaje de salida y transitorios propios, posiblemente peores que los de una mala conexión de CA. 

Además, las ineficiencias del ferrotransformador pueden dar como resultado la generación de una cantidad significativa de calor, además de que son bastante grandes y pesados, lo que hace que los sistemas UPS de reserva ferro también sean voluminosos como resultado.

Este tipo de UPS se usa menos hoy en día para alimentar cargas de sistemas informáticos modernos porque pueden volverse inestables. Las fuentes de alimentación que se utilizan para alimentar servidores y enrutadores tienen un «factor de potencia corregido» para extraer solo energía sinusoidal de los servicios públicos. 

Esto se logra mediante el uso de condensadores que tienen una reactancia como para conducir el voltaje de CA aplicado. La salida del transformador del UPS standby-ferro contiene bobinas cuya inductancia produce un retraso en el voltaje en comparación con la alimentación de CA. 

Esta combinación de un circuito inductivo y capacitivo da como resultado una resonancia o timbre que puede producir corrientes altas y dañar potencialmente el equipo de carga.

¿Qué es un UPS en línea de doble conversión?

Para aplicaciones por encima de 10 kVA, el SAI en línea de doble conversión suele ser la configuración preferida. 

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UPS de Doble Conversión de APC

En el diagrama de la Figura 4 a continuación, el UPS en línea de doble conversión es similar al UPS en espera, excepto que la salida del inversor representa la ruta de alimentación principal, mientras que en el UPS en espera, esta era la ruta secundaria o de respaldo. 

La red principal de alimentación de CA alimenta un rectificador (convertidor de CA a CC) y luego se retroalimenta al inversor que regenera la alimentación de CA a partir de la alimentación de CC. Una batería de respaldo se conecta a la línea de CC y el rectificador la carga.

Diagrama de bloques funcional de un sistema UPS en línea de doble conversión.

Figura 4. Crédito de la imagen: https://www.schneider-electric.com/

Hay disponible un interruptor de derivación estática, pero no se activa en caso de falla de la alimentación principal de CA. La energía de la batería alimentará sin problemas al inversor en caso de que falle la red de CA, lo que da como resultado un diseño que no genera tiempo de transferencia en caso de una pérdida de energía. 

Debido a que el inversor y el rectificador están continuamente activos en este diseño, se reduce la confiabilidad de los componentes eléctricos en comparación con otros diseños. Pero desde la perspectiva de la energía eléctrica, este tipo de UPS ofrece un rendimiento de salida de energía ideal.

¿Qué es un UPS en línea de conversión delta?

El UPS en línea de conversión delta es un diseño relativamente nuevo que se introdujo para abordar algunos de los inconvenientes asociados con el UPS en línea de conversión doble que se discutió anteriormente. Al igual que con el diseño de doble conversión, el UPS en línea de conversión delta tiene el inversor que suministra la potencia de salida a la carga y, por lo tanto, siempre está en funcionamiento. La Figura 5 a continuación muestra el diseño de este tipo de UPS.

Diagrama de bloques funcional de un sistema UPS en línea de conversión delta.

Figura 5. Crédito de la imagen: https://www.schneider-electric.com/

Un transformador delta acopla la red de CA al convertidor delta, que genera una salida de alimentación de CC. 

Al igual que con el diseño de doble conversión, la salida de CC sirve para mantener la carga en una batería de respaldo y también para alimentar el inversor, que luego produce una salida de CA que se transmite a la carga. 

La energía principal también tiene una alimentación que se encuentra con la salida del inversor.

El convertidor delta funciona para minimizar cualquier armónico que pueda reflejarse en la red eléctrica o en un sistema generador conectado, lo que hace que este diseño de UPS sea compatible con grupos electrógenos y elimina la necesidad de sobredimensionar el cableado o los generadores. 

Desde la perspectiva de las características de potencia de salida, el SAI en línea de conversión delta es idéntico al SAI en línea de doble conversión, pero con una reducción sustancial de las pérdidas de energía o una mayor eficiencia.

Qué es un UPS de Corriente continua

Un UPS diseñado para alimentar equipos de CC es muy similar a un UPS en línea, excepto que no necesita un inversor de salida. 

Además, si el voltaje de la batería del UPS coincide con el voltaje que necesita el dispositivo, tampoco se necesitará la fuente de alimentación del dispositivo. Dado que se eliminan uno o más pasos de conversión de energía, esto aumenta la eficiencia y el tiempo de funcionamiento.

Muchos sistemas utilizados en telecomunicaciones utilizan una » batería común » de tensión extra baja de 48 V CC, porque tiene normas de seguridad menos restrictivas, como instalarse en conductos y cajas de conexiones. DC ha sido típicamente la fuente de energía dominante para las telecomunicaciones, y AC ha sido típicamente la fuente dominante para computadoras y servidores.

Se ha experimentado mucho con la alimentación de 48 V CC para servidores informáticos, con la esperanza de reducir la probabilidad de fallas y el costo del equipo. 

Sin embargo, para suministrar la misma cantidad de energía, la corriente sería superior a la de un circuito equivalente de 115 V o 230 V; mayor corriente requiere conductores más grandes, o más energía perdida en forma de calor.

La CC de alto voltaje (380 V) está encontrando uso en algunas aplicaciones de centros de datos y permite pequeños conductores de energía, pero está sujeta a las reglas más complejas del código eléctrico para la contención segura de altos voltajes. 

Para dispositivos de menor potencia que funcionan con 5 V, algunos bancos de baterías portátiles pueden funcionar como UPS.

Componentes de un UPS

Hay cuatro componentes principales en cualquier sistema de fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) de doble conversión en línea: Rectificador ; Baterías SAI ; inversor ; y el interruptor de derivación estática .  

Rectificador  

El rectificador lleva a cabo varias funciones clave. El primero es convertir la potencia de entrada de CA (corriente alterna) a CC (corriente continua). Su segunda función principal es recargar las baterías, mientras que la alimentación de CC también se dirige al inversor. 

Dependiendo del tamaño del SAI, el módulo rectificador puede incorporar el cargador de baterías. Con sistemas de alimentación ininterrumpida más pequeños (es decir, por debajo de 3 kVA), no es raro que el rectificador y el cargador de batería sean componentes separados.  

Los rectificadores de UPS pueden aceptar amplias fluctuaciones de voltaje de entrada, lo que significa que el sistema puede manejar sobrecargas o picos sin tener que conectar las baterías.  

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Rectificador

Baterías SAI 

Las baterías en un sistema UPS proporcionan energía de emergencia cuando falla la fuente de alimentación. El rectificador o un cargador independiente garantiza que las baterías estén siempre cargadas.  

Los sistemas de baterías de UPS tienen al menos una cadena de baterías, y la cantidad de baterías requeridas depende del voltaje de CC del UPS. Las baterías dentro de una cadena están conectadas en serie, por lo que si una sola batería falla, también falla toda la cadena.  

Para los sistemas UPS más pequeños, las baterías suelen ser internas a la unidad. Mientras que en soluciones más grandes, las baterías de UPS a menudo se alojan en sus propios gabinetes independientes.

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Baterias

Inversor 

Este componente cumple con la segunda mitad de la doble conversión al cambiar el voltaje de CC del rectificador o la batería a una salida de CA que alimenta la carga crítica. 

Este proceso de conversión (CA a CC a CA) y filtrado suaviza eventos como picos, caídas, sobretensiones y ruido eléctrico, asegurando que la salida final sea una forma de onda sinusoidal pura.  

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Inversor

Interruptor de derivación estática 

Este componente es una salvaguarda en caso de que haya una falla dentro del sistema UPS. En el caso de una falla del UPS, el interruptor de derivación estática conecta automáticamente la carga a la red eléctrica, sin pasar por el rectificador, las baterías y el inversor.  

Tener que transferir a la red eléctrica no es lo ideal, ya que la energía no se filtrará ni se acondicionará como de costumbre en un UPS de doble conversión en línea, pero permite que el equipo continúe funcionando mientras se repara o reemplaza el UPS.  

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Interruptr de Derivación Estática

Otros componentes de SAI

Dependiendo del tamaño y tipo de UPS, hay varios otros componentes comunes que pueden incluirse, por ejemplo, ventiladores o capacitores.

Además, también hay componentes como un  bypass de mantenimiento externo , que permite quitar y/o reemplazar el UPS sin interrumpir la carga, supresores de sobrevoltaje transitorio (TVSS) y monitoreo y monitoreo compatibles con el protocolo simple de administración de redes (SNMP).

Las fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) proporcionan energía de respaldo de emergencia a corto plazo en caso de que se produzcan perturbaciones o interrupciones en el suministro eléctrico principal.

¿Por qué necesitas un UPS?

Un sistema UPS protege computadoras, equipos de TI, redes de telecomunicaciones y otros equipos eléctricos vitales, infraestructura y maquinaria contra problemas inesperados con la fuente de alimentación de entrada.

La energía limpia y continua es un requisito esencial de la vida cotidiana del siglo XXI, con sectores tan diversos como la banca, los servicios públicos, la fabricación, el transporte, el comercio minorista, la atención médica y el entretenimiento, todos dependientes de tecnologías informáticas y de comunicaciones complejas.

Cualquier interrupción inesperada del suministro eléctrico en estas sofisticadas redes de misión crítica puede provocar tiempos de inactividad perjudiciales y pérdida de datos, lo que cuesta a las empresas miles de libras por minuto en ventas y horas de pérdida de productividad. Peor aún, podría incluso provocar la muerte y lesiones graves.

Los sistemas de alimentación ininterrumpida reducen estos riesgos y forman parte fundamental de la planificación de continuidad de cualquier organización.

¿Cómo funciona un sistema UPS?

Un UPS se diferencia de otros sistemas de energía de reserva, como un generador, en que usa energía almacenada en baterías, supercondensadores o volantes para mantener la energía en la carga cuando hay una interrupción en el suministro principal.

El tiempo de ejecución de la batería (o autonomía) de la mayoría de los sistemas UPS es relativamente corto, a menudo de solo unos minutos. Esta batería de respaldo brinda tiempo suficiente para que el equipo conectado se apague de manera segura con un riesgo mínimo de daño o pérdida de datos, o para que se active una fuente de energía alternativa, como un generador de respaldo.

La función principal de una fuente de alimentación ininterrumpida es proporcionar energía de emergencia a corto plazo cuando hay una falla total o un apagón .

Además, la mayoría de los UPS en línea modernos pueden corregir una amplia gama de problemas de energía comunes, que incluyen:

  • Sags: períodos cortos cuando el voltaje está por debajo del nivel habitual de suministro de red
  • Bajas de voltaje: una baja tensión similar a un sag, pero durante un período de tiempo más largo (varias horas o incluso días)
  • Sobretensiones: un aumento repentino en el voltaje causado por un evento como la caída de un rayo.
  • Armónicos: una distorsión de la forma de onda sinusoidal ideal
  • Frecuencia inestable: donde la potencia oscila en algo diferente a 50 Hertz (a veces denominado ruido eléctrico )
  • Picos: ráfagas de energía muy cortas de milisegundos en la línea eléctrica

¿Cómo dimensionar un UPS correctamente?

Hay varios factores que influyen en el tamaño de un sistema UPS, incluida la carga combinada de todos los equipos que protegerá el UPS, el alcance para una mayor expansión del sistema, el tiempo de funcionamiento de la batería y la redundancia.  

Además de elegir la topología de UPS correcta, es crucial dimensionar correctamente una fuente de alimentación ininterrumpida: el tamaño insuficiente inevitablemente causa problemas inmediatos, mientras que el sobredimensionamiento inicial desperdiciará energía, dinero y espacio valioso.  

La forma más fácil de garantizar un sistema UPS del tamaño correcto es hacer que los posibles proveedores realicen una inspección completa del sitio  donde puedan evaluar con precisión sus requisitos. Sin embargo, es posible dimensionar ampliamente un SAI usted mismo siguiendo un proceso paso a paso. 

Cargas críticas o no críticas 

Esto comienza con una lista y revisión de todos los equipos que necesitarán ser protegidos por el UPS. Establezca si un elemento del equipo es crítico, y, por lo tanto, necesitará el respaldo de emergencia provisto por el UPS, o no crítico, que puede fallar cuando lo haga la fuente de alimentación principal. (Obtenga más información sobre la diferencia entre cargas críticas y no críticas).

Rango de poder 

El siguiente paso es calcular el rango de potencia total para la carga crítica combinada que necesita protección. Es importante basar esto en el uso durante las horas pico de trabajo, en lugar de en momentos más tranquilos, como una red de oficina durante la noche. 

Las etiquetas de los equipos y los datos técnicos de respaldo proporcionarán información como el voltaje de suministro, la frecuencia, el número de fases, la corriente de carga, el factor de potencia y el consumo de energía.  

El consumo de energía de los equipos eléctricos se indica en vatios (W) o voltios-amperios (VA). Debido a que los sistemas UPS están clasificados por valores nominales de VA o kVA, esto puede requerir una conversión de W a VA, que se puede calcular dividiendo el consumo de energía (W) por el factor de potencia.  

Sume todo el VA, luego multiplíquelo por una cifra como 1.2 o 1.25, que tiene en cuenta el crecimiento futuro y la expansión del sistema. Esa cifra es el tamaño máximo en VA o kVA que debe tener su UPS.  

Tenga en cuenta que nunca se debe dimensionar un SAI para que funcione al 100 % de su capacidad de carga, ya que esto no se recomienda para un rendimiento seguro, estable y confiable. 

Cargas potencialmente problemáticas 

Ciertos equipos (es decir, impresoras láser, servidores blade, acondicionadores de aire, ciertos sistemas de iluminación, motores y compresores) tienen una irrupción de corriente durante el arranque o consumen corrientes más altas durante el funcionamiento normal, lo que puede causar que el UPS se sobrecargue. Esto puede generar alarmas intermitentes o potencialmente enviar el UPS al modo de derivación.  

Para estos tipos de carga, las buenas prácticas sugieren dos opciones: eliminarlos del sistema de protección de energía (si el equipo puede apagarse de manera segura en caso de falla de la red) o sobredimensionar el UPS por un factor de al menos tres.  

Duración de la batería 

Esta es la cantidad de tiempo que desea que el UPS mantenga el equipo en funcionamiento en caso de un corte de energía. El tamaño de una batería UPS  depende de la naturaleza del equipo. En algunas circunstancias, el tiempo de ejecución solo necesita ser de unos minutos como puente para permitir que los generadores de reserva se activen y tomen el control. 

Marcas más reconocidas de UPS

El mercado global de suministro de energía ininterrumpida (UPS) está dominado en gran medida por fabricantes estadounidenses, japoneses y europeos.

La creciente demanda de UPS en varios sectores verticales de la industria, como educación, atención médica, BFSI, telecomunicaciones, automatización de plantas, hospitalidad y sectores gubernamentales, están impulsando aún más el crecimiento del mercado. Según Market Research Reports estas son las marcas líderes en UPS en el mundo:

Eaton Corporación Inc. 

Emerson Electric Co. 

APC de Schneider Electric

Sistemas SAI Toshiba

Energia General

Mitsubishi Electric Group 

Siemens AG

Kehua Hengsheng Co., Ltd. 

Socomec

Corporación del Grupo Vertiv

Fuente: APC, Scneider Electric, CyberPower, Riello

Felipe Argüello
Felipe Argüello

Felipe Argüello es el fundador de Infoteknico. Ingeniero con más de 30 años de experiencia trabajando en América Latina, Estados Unidos y Europa en las áreas de ingeniería, consulta técnica, proyectos, ventas y entrenamiento en soluciones de alta tecnología y seguridad electrónica.

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