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LOS UPS IDEALES

La nueva generacin de tecnologa de UPS 'ecolgicas'de

productos trifsicos.

IntroduccinLos UPS Tradicionales de Doble Conversin representan una dificultad para los servicios

pblicos y los consumidores de energa que no se hallan protegidos por un UPS.Debido a las armnicas de la corriente, dichos UPS tradicionales retornan energa a la lnea.

Esas corrientes armnicas alteran la calidad de tensin en la lnea de fuerza elctrica, que a su vezpuede causar mal funcionamiento en equipos sensibles, explosiones en el grupo de capacitadoresque controlan el factor de potencia y recalentamiento en los transformadores distribuidores.

Los UPS tradicionales de Doble Conversin desperdician mucha energa debido a las elevadasprdidas inherentemente, y dado que normalmente funcionan 24 horas al da, 365 das al ao, lacantidad de energa desperdiciada realmente se observa en la factura, adems de ejercer unainfluencia negativa sobre los recursos energticos del planeta.

Los UPS Tradicionales de Doble Conversin no utilizan la red de servicios pblicos ni lainstalacin local de manera eficiente, debido al bajo factor de potencia absorbida en los UPS.

Esto lleva a requerir instalaciones de potencia sobredimensionadas, a nivel de distribucin yfinalmente, a nivel de transmisin.Del mismo modo, un generador diesel opcional debera ser sobre dimensionado. Todo esto hacambiado al incorporarse la nueva generacin Silcon de UPS de tecnologa 'ecolgicas' denominadaConversin Delta, aplicada por primera vez en los nuevos sistemas DP300E trifsicos. Comparadacon los UPS Tradicionales de Doble Conversin, la nueva tecnologa brinda: Reduccin del desperdicio de energa, del 10% actual al 3%. Reduccin de la corriente armnica del 30% actual a menos del 3%. Utilizacin de la instalacin de potencia del 80% actual hasta 99%.

Principios bsicos:En las figuras 1, 2 y 3 se exponen tres principios: Doble Conversin, Conversin Simple yConversin Delta, en un esquema sencillo.

Doble Conversin : El rectificador carga la batera y abastece al inversor de corriente continua(CC), el inversor abastece la carga de corriente alterna (CA) en forma continua y regulada, ydurante la interrupcin de la lnea principal, la energa se obtiene de la batera, hasta que la primerase encuentre nuevamente disponible. Luego el rectificador recarga la batera y continaabasteciendo al inversor de corriente contnua. Todas las transiciones de funcionamiento desde lalnea principal hacia la batera y viceversa, se producen sin interrupcin de la energa de salida, yas, la carga se abastece de tensin de corriente alterna en forma continua y regulada, de altacalidad.

Tales caractersticas son propias de los UPS en lnea, y por consiguiente, se encuentran en elnuevo UPS de Conversin Delta que se observan en la Figura 3. Normalmente todos los tipos sehallan equipados con un interruptor de derivacin electrnico, pero no trataremos ese tema aqu.

En la figura 2, que muestra el probado esquema de Conversin Simple, la diferencia msimportante con la figura 1 es la ausencia detipo de 4 cuadrantes, lo cual significa que ppuede sustituir al rectificador.

En el funcionamiento normal, el interrobtiene de la lnea principal. La mayor preactor, de manera que no se convierte dos

Esto significa que las prdidas son muy bajPuede no resultar obvio, pero el inversor mayor parte de la energa no se convierte. LOS UPS IDEALES 2

un rectificador separado. En cambio, el inversor es deluede enviar energa en cualquier direccin. Por lo tanto,

uptor de la lnea principal se halla cerrado y la energa searte de la energa se traslada a la carga por medio delveces, como ocurre en el sistema de Doble Conversin.

as en comparacin con el sistema de Doble Conversin.an controla la tensin de energa de salida, aunque la

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Dado que la tensin de salida es siempre sinusoidal, se infiere que la corriente tomada de la lneaprincipal a travs del reactor es tambin sinusoidal, de modo que no hay corrientes armnicas de lalnea principal desde este sistema. Esto se opone al sistema de Doble Conversin, con su conocidorectificador controlado por un tiristor, que carga a la lnea principal de fuertes corrientes armnicas.En caso de paralizacin de la lnea principal, el sistema de Conversin Simple acta de la mismamanera que el de Doble Conversin: la energa se toma simplemente de la batera, y el inversor, quese encuentra en constante funcionamiento y regulacin, abastece ahora la carga utilizando la batera.Para evitar la retroalimentacin hacia la lnea principal durante el funcionamiento de la batera, seabre el interruptor del mismo. En la reposicin de la lnea principal, el interruptor se cierra de nuevoy la carga, ahora, se abastece nuevamente por medio del reactor de la lnea principal, pero elinversor contina controlando la tensin de la energa de salida. Al mismo tiempo, el inversor co-mienza a trabajar tambin como rectificador, cargando la batera de manera controlada,simplemente enviando la energa en direccin opuesta hacia la batera. As, el UPS de ConversinSimple resulta casi ideal porque sus prdidas son bajas, la corriente de la lnea principal essinusoidal y es simple. Sin embargo, presenta una desventaja en comn con el sistema de DobleConversin: el factor de potencia enviada a la lnea principal es relativamente bajo. Ms an, elfactor de potencia vara con la tensin de la lnea principal y, en parte, con la carga. De este modo,la utilizacin de la instalacin de la lnea principal no es ptima. Adems, a alta tensin de la lneaprincipal (+ 10% a + 15% del rgimen normal de trabajo), en sistemas de Conversin Simple, lasprdidas aumentan, como se observa en la Fig.2. Esto es el resultado de corrientes reactivas cadavez ms elevadas que el inversor debe soportar, cuando la diferencia entre la tensin de la lneaprincipal y la tensin de la energa de salida es elevada (mucha tensin en el reactor). Aun teniendoen cuenta esas pequeas desventajas, el sistema de Conversin Simple es muy superior al UPS deDoble Conversin.

El principio de Conversin Delta

La continua bsqueda de mejoras y la nueva tecnologa disponible nos han llevado a la nuevageneracin denominada Conversin Delta.Esta tecnologa elimina las pequeas desventajas del UPS de Conversin Simple, y se acercabastante a la solucin ideal. Como puede observarse en la figura 3, el sistema cuenta con 2inversores conectados a una batera comn. El inversor 1 se establece en el 20% tpico de potenciade energa de salida de UPS, y se halla conectado por medio de un transformador en serie con lalnea principal que abastece la carga. El inversor 2 es un inversor totalmente nominal y tiene, enesencia, la misma funcin que el inversor en el UPS de Conversin Simple. Ambos inversoresposeen mrgenes de funcionamiento de 4 cuadrantes. El inversor 2 mantiene estable y bien reguladala tensin hacia la carga, en el funcionamiento de la lnea principal o en el funcionamiento de labatera, o durante las transiciones de funcionamiento de la lnea principal a la batera, o viceversa.El inversor 1, denominado inversor Delta, compensa cualquier diferencia entre la tensin de laenerga de salida de los UPS y la tensin de la lnea principal.El inversor Delta tambin controla el factor de potencia absorbida a la unidad, mientras se controlaque tome corriente de la lnea principal, que es sinusoidal y de la misma fase que la tensin del lneaprincipal. Adems el inversor Delta con- trola la carga de la batera.El interruptor del lnea principal posee la misma funcin que en el UPS de Conversin Simple, queconsiste en evitar la retroalimentacin hacia la lnea principal.Recordemos las diferencias de rendimiento entre los tres diferentes tipos de UPS. En la Figura 4, seobserva que la corriente absorbida, muy distorsionada, de un UPS de Doble Conversin, dis-torsiona significativamente la tensin del lnea principal. Debe notarse especialmente elescalonamiento en la forma de onda de la tensin. Este es el resultado inevitable del proceso deconmutacin del rectificador, controlado por medio de un tiristor.

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Este escalonamiento puede causar mal funcionamiento de otros equipos conectados a la mismalnea principal, y que se produzcan picos de corriente extremadamente elevados en los capacitoresde compensacin, con altas probabilidades de destruccin de los mismos.En la figura 5 se observa la corriente del UPS de Conversin Simple, y dado que esta corriente es deforma exactamente sinusoidal, no se produce distorsin en la tensin de la lnea principal. Perotambin puede observarse que existe una cierta desviacin de fase entre tensin y corriente, y porconsiguiente el factor de potencia no es una unidad, lo cual es conveniente para la mejor utilizacinde la grilla de potencia.La Figura 6 muestra el UPS 'ideal': el de Conversin Delta.Como puede observarse, no hay distorsin de corriente ni de tensin; y tensin y corriente seencuentran exactamente en la misma fase, de aqu que el factor de potencia sea una unidad.Revisemos algunas condiciones de funcionamiento diferentes y observemos el flujo de energa,dimensiones y direccin.

La figura 7 muestra la condicin de rgimen normal de trabajo, es decir que no hay diferencia entrela tensin de la lnea principal y la tensin de la energa de salida, las bateras se encuentrancompletamente abastecidas y la carga es del 100%.El inversor Delta (1) slo soporta la corriente de la lnea principal, en este caso equivalente a lacorriente de la carga (se estima carga lineal resistiva). Dado que la 'tensin delta' en eltransformador es cero, se infiere que la potencia neta desde o hacia el inversor Delta es cero.Tambin el inversor principal (2) trabaja en vaco, ya que su tensin de energa de salida reguladaes exactamente equivalente a la tensin de la lnea principal. De manera que, en el ideal, toda laenerga se dirige directamente a la carga, nada se convierte y, por consiguiente, nada se pierde. Enla prctica existen, por supuesto, pequeas prdidas del circuito de energa en vaco, componentesmagnticos y ventiladores.

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En caso en que la carga no sea resistiva, sino que tambin tenga una parte armnica oreactiva, dichas corrientes reactivas y armnicas sern soportadas por el inversor principal, ya queno pueden tomarse de la linea principal (esto se evita por el modo en que el inversor Delta toma lacorriente de la lnea principal).

Dichas corrientes reactivas o armnicas aumentarn levemente las prdidas totales, pero sueficiencia es excepcionalmente elevada.

En la Figura 8 comienza a tornarse realmente interesante. Aqu se presenta una situacin contensin inferior en la lnea principal, en este caso, -15%.

Dado que la tensin de la energa de salida debe permanecer estable y regulada dentro del +/-1 %, se sigue que el inversor Delta, a travs de su transformador, debe 'agregar 15% a la tensinde la lnea principal'. Pero de dnde proviene esta energa adicional?

Se toma simplemente de la lnea principal a travs de la energa de salida de inversorprincipal, enviada hacia atrs por medio de este inversor, a travs de enlace de corriente directa, ypor ltimo se enva hacia adelante por medio de inversor Delta, en direccin al transformador.Este es un verdadero proceso de Doble Conversin con prdidas conexas, pero la gran diferenciaaqu, comparada con la Doble Conversin tradicional, es que solamente se convierte la delta entreentrada y salida, de manera que, si estimamos las prdidas totales en un UPS Tradicional de DobleConversin en 10%, y suponemos quelos dos inversores juntos alcanzan una eficiencia similar, sesigueque las prdidas totales, cuando la lnea principal se halle a -1 5 %, sern solamente 0, 15 x 10% =1,5%, ya que slo se convierte el 15 %de la energa total.

Al -10% de la lnea principal, las prdidas seran entonces 0,10 x 10% 1%, y assucesivamente.

En la figura 9 se observa el caso dealta tensin en la lnea principal.Ahora el inversor Delta debe .absorber el 15% de la tensin de la lnea principal'para

alcanzar el equilibrio.En este caso el 1 5% de la energa se enva a travs de inversor Delta, de enlace de

corriente directa y, por ltimo, a travs del inversor principalhacia la carga. Una vez ms, noshallamos frente a un proceso dedoble Conversin, al cual corresponden las mismasconsideraciones de prdida que en el caso de la Fig. 8.

En la fig. 10 se observa un rgimen normal de trabajo, salvo que la batera est siendocargada.

Aqu vemos que el 110% de la energa se toma de la lnea principal, y ya que la carga notomar ms del 100%, el 10% restante se enva hacia atrs, a travs del inversor principal y seabsorbe en la batera como corriente de abastecimiento.

Existe un interesante 'trabajo compartido' entre los dos inversores.El inversor principal simplemente se mantiene sincronizado con la lnea principal y controla

la tensin de la energa de salida en todos los modos de funcionamiento. (En el funcionamiento abatera, su frecuencia se controla por medio de una referencia de frecuencia interna, tal como entodos los dems UPS en lnea).

El inversor Delta controla el factor de potencia absorbida, la carga de las bateras al'importar' de la lnea principal la cantidad de energa que sea necesaria para soportar la carga, yfinalmente compensa cualquier diferencia de tensin y forma de curva entre la lnea principal y latensin de la energa de salida.

En el modo de abastecimiento de la batera, el inversor principal enva la energa 'excesiva'de la lnea principal a la batera, pero el control de la carga lo realiza el inversor Delta.

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Rendimiento del nuevo sistemaA continuacin se muestran varias curvas de rendimiento, que prueban el avance de la nueva

topologa. En la figura 1 1 se observa la eficiencia total, como funcin de la carga y la lneaprincipal, dentro del+ 15%.

La eficiencia es excepcionalmente elevada, la curva es plana y casi independiente de latensin de la lnea principal. Todo esto se traduce en bajas prdidas, incluso cuando las condicionesdistan de ser ideales.

La figura 1 2 muestra el factor de potencia absorbida en condiciones similares a las de lafigura 1 1 .

Nuevamente se observa un factor de potencia extremadamente elevado,de ms de 0,99, en unamplio rango de funcionamiento.

En la figura 1 3 se observa la tensin de energa de salida durante las transiciones deparalizacin y recuperacin de la lnea principal, simplemente a efectos de evitar cualquiermalentendido en cuanto a si este tipo de UPS es de lnea o no. Como puede observarse, la tensinde energa de salida no se ve afectada por dichas transiciones, probando su capacidad en lnea.

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Comparacin y conclusinEn la figura 14 se establece una comparacin entre los tres tipos de UPS.El de Doble Conversin atravesar, por cierto, momentos crticos con ingenieros y, en el

futuro, con clientes que se preocupan por la energa, ahora que existe un UPS verdaderamente.verde'.

Tambin es interesante observar lo que costara lograr que un UPS Tradicional de DobleConversin igualara al de Conversin Delta, slo en cuanto a las caractersticas secundarias de lalnea principal.

Esto se observa en la figura 1 5.Aun agregando todo estehardware, sumamente costoso, el de Doble Conversin nunca podr

igualar la eficiencia de un UPS de Conversin Delta.

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Hay que mantenerse alerta frente a algunos vendedores de Doble Conversin, que proclamanvalores de eficiencia extremadamente elevados.

Estas cifras solamente corresponden al modo de derivacin, en que no se regula la tensin deenerga de salida y, en consecuencia, el sistema es del tipo off-line, o bien, tratndose de un sistemaen lnea, funciona como uno off-line.

Se dice que algunos sistemas son 'inteligentes', y normalmente se manejan como si fueran off-line, y en el caso en que surjan muchas dificultades con la lnea principal, se transfierenautomticamente al modo en lnea. Pero entonces puede ser ya demasiado tarde, y el cliente puedehaber perdido su computadora.

De todos modos, cuando dichos sistemas se encuentran trabajando en el modo en lnea, no sonms eficientes, por consiguiente, toda esta maniobra parece desorientar al cliente conespecificaciones confusas.

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