Embed Size (px)
Citation preview
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”
“TEORIA Y OPERACIÓN DE SISTEMAS DE ENERGÍA ININTERRUMPIBLE DE ALTO DESEMPEÑO (UPS)”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTA:
MARTIN ALEJANDRO CANSECO MARTÍNEZ
ASESORES: M. EN C. ANTULIO MORGADO VALLE
M. EN C. SALVADOR SAUCEDO FLORES
MÉXICO D.F. 2009
1
INDICE
INTRODUCCIÓN Página Justificación ______________________________________________________________________ 2 Antecedentes _____________________________________________________________________ 2 A.- Cambios de Voltaje ______________________________________________________________ 3 B.- Armónicos _____________________________________________________________________ 5 C.- Ruido _________________________________________________________________________ 7 Planteamiento de la Solución _________________________________________________________ 9 CAPITULO 1.- ELECTRONICA DE POTENCIA __________________________________________________ 11 1.1 Electrónica de Potencia ______________________________________________________ 11 1.2 Historia de la Electrónica de Potencia ___________________________________________ 11 1.3 Aplicaciones de la Electrónica de Potencia _______________________________________ 11 1.4 Dispositivos Semiconductores de Potencia _______________________________________ 13 1.5 Características de Control de los Dispositivos de Potencia ___________________________ 20 1.6 Efectos Periféricos como Consecuencia de su Operación ____________________________ 22 1.7 Módulos de Potencia ________________________________________________________ 22 CAPITULO 2.- SEGURIDAD, EQUIPO Y HERRAMIENTA _________________________________________ 23 2.1 Normas de Seguridad Electrónica ______________________________________________ 23 2.2 Recomendaciones de Seguridad en el Mantenimiento Electrónico _____________________ 23 2.3 Herramientas Básicas y Equipo ________________________________________________ 25 2.4 Instalación de Puesta a Tierra _________________________________________________ 26 2.4.1 Función y Objetivos Elementales de una Instalación de Puesta a Tierra ________________ 26 2.4.2 Instalación de una Tierra Física Profesional ______________________________________ 27 CAPITULO 3.- DESCRIPCION DEL DIAGRAMA A BLOQUES _____________________________________ 30 3.1 El Convertidor _____________________________________________________________ 30 3.1.1 El Rectificador _____________________________________________________________ 30 3.1.2 El Cargador Estático ________________________________________________________ 32 3.1.3 El Inversor Estático _________________________________________________________ 33 3.2 Banco de Baterías __________________________________________________________ 36 3.3 El Sistema de Transferencia __________________________________________________ 38 3.4 Protección de Dispositivos y Circuitos ___________________________________________ 39 3.5 Mejoras al Factor de Potencia _________________________________________________ 42 CAPITULO 4.- TIPOS Y MODOS DE OPERACIÓN DEL UPS ______________________________________ 45 4.1 Tipos de UPS _____________________________________________________________ 45 4.2 Modos de Operación del UPS de Alto Desempeño ________________________________ 46 4.3 Luces Indicadoras de Funcionamiento de un UPS _________________________________ 52 4.4 Control y Operación de un UPS _______________________________________________ 53 CAPITULO 5- MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y CORRECTIVO __________________________________ 54 5.1 Introducción al Mantenimiento Electrónico _______________________________________ 54 5.2 Mantenimiento Preventivo ____________________________________________________ 54 5.3 Mantenimiento Correctivo ____________________________________________________ 56 5.4 Cálculo de Capacidades del UPS ______________________________________________ 71 5.5 Reporte de Servicio y de Baterías ______________________________________________ 72 5.6 Costos de Mantenimiento y Baterías ____________________________________________ 74 CAPITULO 6.- CONCLUSIONES _____________________________________________________________ 75 CAPITULO 7.- GLOSARIO DE TERMINOS _____________________________________________________ 79 BIBLIOGRAFIA ___________________________________________________________________________ 82
2
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
Antes de empezar a hablar de los Sistemas de Energía Ininterrumpible (UPS) como una solución a problemas de una pobre calidad de la energía y sus consecuencias, empecemos entendiendo: ¿Qué es precisamente la Calidad de Energía? y ¿Qué es un sistema de Energía Eléctrica?
Calidad de Energía.- El concepto de proporcionar energía y aterrizamiento a equipos sensibles de manera que éste sea adecuado para la correcta operación del propio equipo.
Sistema de Energía Eléctrica.- Es un sistema que produce, transmite, distribuye y entrega energía eléctrica para que con ella se puedan operar cargas eléctricas diseñadas para operar conectadas a este sistema. Si el sistema de energía eléctrica no es el adecuado, éste puede causar daños a los equipos a los que alimenta. La energía eléctrica debe ser suministrada con un nivel adecuado (voltaje), en la cantidad adecuada (corriente), ser del tipo adecuado (monofásico, trifásico, CA o CD) y tener las condiciones adecuadas (pureza). Algunos equipos son particularmente sensibles a cualquier variación de los parámetros antes mencionados. JUSTIFICACIÓN
En la acelerada carrera por mejorar los niveles de productividad de las empresas se han dado cambios en la forma de operar los procesos industriales, implementando sistemas computarizados, de telecomunicaciones, sistemas basados en electrónica de potencia, automatización de procesos mediante PLC’s, variadores de velocidad, etc. Con lo que se ha logrado superar expectativas de niveles de producción, se ha mejorado la eficiencia del sistema eléctrico elevando la productividad y la rentabilidad de las empresas, pero estos nuevos sistemas productivos son cada vez más susceptibles a fallas por calidad de energía, si las condiciones de operación no son aquellas para las que fueron diseñados. Lo anterior exige que el sistema presente mejores niveles en la calidad de la energía que alimenta dichos procesos así como un inminente alto nivel de confiabilidad. Ya que debido al mismo nivel de productividad, una falla mínima puede arrojar cuantiosas pérdidas económicas. Sin ello los resultados de la automatización o mejoras electrónicas, podrían también ser catastróficos y convertirse en problemas en lugar de los beneficios mencionados. Este panorama nos presenta nuevos problemas que afrontar en los sistemas eléctricos de potencia, nuevos criterios de diseño y diferentes puntos de vista en la solución de los mismos. ANTECEDENTES Existen varios problemas asociados a la calidad de la energía, sin embargo, muchos de estos problemas son efectos de tres fenómenos bien definidos los cuales a continuación se explican y desarrollan para poder primero entender los problemas antes de dar una solución efectiva y permanente:
3
A.- CAMBIOS EN EL VOLTAJE Cualquier equipo eléctrico o electrónico tiene una especificación para el voltaje de operación. De hecho, esta especificación está dada como un rango. Anteriormente, el rango especificado era de ±10%, sin embargo con la creación de componentes dedicados al ahorro de energía, este rango es de +5% a –10%. Este rango se debe también en gran medida a que un voltaje bajo es menos dañino que un voltaje alto. Falla momentánea de voltaje: Una falla momentánea en el voltaje es una baja hasta 0 volts en una o más de las líneas de distribución, que dura desde 0.5 ciclos de la señal hasta 3 segundos. Todos los sistemas de distribución tienen fallas momentáneas de voltaje durante su operación normal. Las fallas momentáneas de voltaje pueden ser causadas por rayos que caigan cerca, swicheo en los circuitos de distribución, etc. Falla Temporal de voltaje: Una falla temporal de voltaje es una baja hasta 0 volts en una o más de las líneas de distribución eléctrica, con duración por más de 3 segundos hasta 1 minuto. Todos los sistemas de distribución de energía están protegidos por interruptores automáticos. Estos equipos están diseñados para remover fallas y poder restablecer el circuito. Si un interruptor se restablece en un periodo menor a un minuto, la falla es temporal, si no se le llama falla sostenida. Una falla temporal también puede ocurrir debido al tiempo que le toma a una planta de emergencia en entrar en funcionamiento o si por accidente alguien acciona un interruptor equivocado, etc. Falla Sostenida de voltaje: Una falla sostenida de voltaje se le llama a una baja hasta los 0 volts en todas las líneas de alimentación por un periodo mayor a 1 minuto. Las faltas de voltaje sostenidas (apagones) son comúnmente el resultado de tormentas, activación de interruptores termomagnéticos y/o equipo dañado. Fluctuaciones de voltaje: Una fluctuación de voltaje es una variación hacia el alza o a la baja del voltaje nominal dentro de un rango de ±10%. En cualquier sistema de distribución de energía, la frecuencia es por lo general constante, la corriente cambia constantemente conforme se agregan y quitan cargas de la línea y el voltaje por lo general está dentro de un rango de ±5%. Las fluctuaciones en el voltaje son causadas comúnmente por transformadores sobrecargados, el desbalance de cargas, altas impedancias debido a la longitud de los conductores, la utilización de conductores inapropiados, malas conexiones, etc. Por lo general, las fluctuaciones de voltaje no afectan a las cargas delicadas o sensibles ya que estos equipos están diseñados para poder tolerar las fluctuaciones normales de una línea de alimentación. Baja momentánea de voltaje (Sags): Un sag de voltaje es una baja de voltaje mayor al 10% (sin llegar a 0 volts) por debajo del voltaje nominal de la línea y su duración es de 0.5 ciclos hasta 1minuto. Los sags por lo general ocurren cuando se enciende una carga que demanda mucha corriente y por lo tanto, el voltaje desciende por debajo de la fluctuación normal de 10% por un periodo corto de tiempo.
Subida momentánea de voltaje (Surge Un surge es un incremento en el voltaje de línea en más del 10% del voltaje nominal con una duración de 0.5 ciclos hasta 1 mindemanda mucha corriente y por lo taperiodo corto de tiempo. Voltaje bajo: Un voltaje bajo se le llama a una baja mayor al 10% por debajo del voltaje nominal y su duración es mayor a 1 minuto. El voltaje bajo es más común qsobrecargados, conductores no apropiados, conductores muy largos, una excesiva carga en una misma línea, horas pico de utilización, etc. Sobrevoltaje: Un sobrevoltaje es un incremento mayor al 10% del vperiodo de duración mayor a 1 min10% normal de fluctuación puede ocurrir por un periodo prolongado. Los sobrevoltajes son causados cuando la carga se encuentra muy cerca de las líneas de distribución de energía o si los taps del transformador no están en una posición adecuada. Los taps son puntos de conexión a lo largo del embobinado del transformador. Los taps por lo general vienen en incrementos dde los embobinados del transformador. Transientes o Sobretensión de voltaje: Un transiente es un voltaje temporal no deseado en un circuito eléctrico. Los transientes pueden ir desde unos cuantos volts hasta varios miles de volthasta unos cuantos milisegundos. Los transientes oscilatorios ocurren cuando se desconectan cargas inductivas altas y por el switcheo de capacitores de corrección del factor de potencia. Los transientes de impulso son transientes causados comúno deseado en las líneas de distribución.
4
Surge): es un incremento en el voltaje de línea en más del 10% del voltaje nominal con una
minuto. Un surge ocurre normalmente cuando se apaga una carga que demanda mucha corriente y por lo tanto el voltaje en las líneas de alimentación se incrementa por un
Un voltaje bajo se le llama a una baja mayor al 10% por debajo del voltaje nominal y su duración . El voltaje bajo es más común que un sobrevoltaje y es causado por transformadores
sobrecargados, conductores no apropiados, conductores muy largos, una excesiva carga en una misma línea, horas pico de utilización, etc.
Un sobrevoltaje es un incremento mayor al 10% del valor nominal de voltaje de línea con un minuto. Dependiendo de la causa del sobrevoltaje, el alza por arriba del
10% normal de fluctuación puede ocurrir por un periodo prolongado. Los sobrevoltajes son causados se encuentra muy cerca de las líneas de distribución de energía o si los taps del
transformador no están en una posición adecuada. Los taps son puntos de conexión a lo largo del embobinado del transformador. Los taps por lo general vienen en incrementos del 2.5% a lo largo de uno de los embobinados del transformador.
de voltaje: Un transiente es un voltaje temporal no deseado en un circuito eléctrico. Los transientes pueden ir
desde unos cuantos volts hasta varios miles de volts y pueden durar desde unos cuantos microsegundos hasta unos cuantos milisegundos. Los transientes oscilatorios ocurren cuando se desconectan cargas inductivas altas y por el switcheo de capacitores de corrección del factor de potencia. Los transientes de
so son transientes causados comúnmente por el golpe de un rayo que resulta en un pequeño voltaje no deseado en las líneas de distribución.
Figura 1 Posibles cambios en el voltaje
es un incremento en el voltaje de línea en más del 10% del voltaje nominal con una ocurre normalmente cuando se apaga una carga que
nto el voltaje en las líneas de alimentación se incrementa por un
Un voltaje bajo se le llama a una baja mayor al 10% por debajo del voltaje nominal y su duración ue un sobrevoltaje y es causado por transformadores
sobrecargados, conductores no apropiados, conductores muy largos, una excesiva carga en una misma
alor nominal de voltaje de línea con un . Dependiendo de la causa del sobrevoltaje, el alza por arriba del
10% normal de fluctuación puede ocurrir por un periodo prolongado. Los sobrevoltajes son causados se encuentra muy cerca de las líneas de distribución de energía o si los taps del
transformador no están en una posición adecuada. Los taps son puntos de conexión a lo largo del el 2.5% a lo largo de uno
Un transiente es un voltaje temporal no deseado en un circuito eléctrico. Los transientes pueden ir s y pueden durar desde unos cuantos microsegundos
hasta unos cuantos milisegundos. Los transientes oscilatorios ocurren cuando se desconectan cargas inductivas altas y por el switcheo de capacitores de corrección del factor de potencia. Los transientes de
nmente por el golpe de un rayo que resulta en un pequeño voltaje
Posibles cambios en el voltaje
5
B.-ARMÓNICOS Un armónico es una frecuencia múltiplo entero de la frecuencia fundamental. Pueden existir armónicos de corriente y/o de voltaje. Los armónicos de corriente pueden crear armónicos de voltaje. Todos los armónicos tienen un nombre (número) u orden, frecuencia y secuencia. El primer armónico (60Hz) se llama armónico fundamental. Otros múltiplos de armónicos son el segundo armónico (120Hz), tercer armónico (180Hz), cuarto armónico (240Hz), etc. Algunas forma de onda contienen únicamente al armónico fundamental, estas ondas son senoidales puras. Otras formas de onda pueden incluir armónicos pares, impares o ambos además de la fundamental. La secuencia de un armónico se refiere a la rotación fasorial con respecto a la frecuencia fundamental. La rotación fasorial es el orden en el cual las formas de onda de cada fase (A, B, C) cruzan por cero. La rotación fasorial es más simple si se ve un diagrama de ello como el de la figura 2. La secuencia de fase de un armónico es importante porque determina el efecto que un armónico tiene sobre la carga que está operando así como en los conductores dentro de un sistema de distribución de energía.
Figura 2 Clasificación de los Armónicos
6
Los armónicos de secuencia positiva (1ª, 4ª, 7ª, etc.) tienen la misma secuencia fasorial que la armónica fundamental (1ª) y ocasionan calentamiento adicional sobre los conductores, interruptores y centros de carga del sistema de distribución de energía.
Los armónicos de secuencia negativa (2ª, 5ª, 8ª, etc.) tienen una secuencia fasorial opuesta a la de la fundamental, lo que produce un campo rotativo en la dirección opuesta. Como los armónicos de secuencia positiva, los armónicos de secuencia negativa causan calentamiento adicional sobre los sistemas de distribución de energía y en sus elementos. Además, los armónicos de secuencia negativa causan problemas en los motores de inducción debido a al efecto rotativo inverso. El efecto rotativo inverso de los armónicos no es tan fuerte que pueda causar que el motor gire en la dirección opuesta, más sin embargo, reduce la torque del motor y causa que éste se sobre caliente.
Los armónicos de secuencia cero (3ª, 6ª, 9ª, etc.) no producen campo rotativo alguno. Los efectos
de estos armónicos son el calentamiento del sistema en general. Al realizar la suma fasorial de los armónicos, estos no se cancelan como los demás armónicos, se suman en el neutro de un sistema trifásico. Esto es un gran problema debido a que el neutro no está protegido por fusibles o interruptores termomagnéticos que limiten la corriente. El peligro de esto, es que el exceso de corriente resulte en el sobre calentamiento del neutro y finalmente en un incendio.
En general, los armónicos pares (2ª, 4ª, 6ª, etc.) tienden a desaparecer u ocurren con niveles que
no causan un problema mayor. De la misma manera, los armónicos de mayor orden tienen menor amplitud y son menos importantes sus efectos en el sistema en general. Los armónicos impares (3ª, 5ª, 7ª, etc.) son más comunes y causan problemas. Un ejemplo, es el 3er armónico y múltiplos impares de este (3ª, 9ª, 15º, 21º, etc.) que causan sobrecarga del neutro, interferencia telefónica y calentamiento del transformador.
La distorsión armónica es creada por equipo electrónico como los controladores de velocidad de
los motores, balastros electrónicos, computadoras, impresoras, equipo médico y cualquier equipo que tome corriente de la línea en pulsos pequeños. La eficiencia de los equipos electrónicos aumenta al tomar corriente en pulsos pequeños, sin embargo, esto causa distorsión armónica en las líneas de alimentación.
Figura 3 Forma de onda típica de la alimentación del equipo de cómputo
y el contenido armónico asociado a la corriente.
7
En la figura 3 se puede ver las formas de onda típicas asociadas a la alimentación de equipo de cómputo. La corriente ya no es senoidal pura, contiene ondas senoidales de frecuencias mayores y por esto se distorsiona la onda. En el voltaje, se puede ver como los extremos superior e inferior de la onda están distorsionados debido a los armónicos. En la figura 3 del lado derecho, vemos el contenido armónico asociado a la corriente. Se puede observar que la corriente contiene las 1ª, 3ª, 5ª, 7ª, 9ª, 11ª, 13ª, 15ª y 17ª armónicas. En esta figura también se puede observar que al incrementar el orden de las armónicas, su amplitud disminuye por lo que las armónicas que más causan problemas son las de menor orden.
Los armónicos son causados cuando se rectifica el voltaje de CA para cargar capacitores y obtener CD. Para cargar los capacitores, los diodos solo permiten que se tome corriente durante el pico de voltaje de cada medio ciclo de la onda de CD. Debido a esto, el voltaje puede presentar achatamientos en los picos lo que en casos extremos puede causar que las computadoras y otros equipos electrónicos se reestablezcan debido a un voltaje pico insuficiente. C.- RUIDO
El ruido puede entrar en un sistema de distribución de energía directamente en los cables de distribución, la tierra o simplemente por cables que se encuentren muy cerca e induzcan corrientes el uno al otro. El ruido se produce en la línea de dos maneras: en modo común y en modo transversal. El ruido de modo común se produce entre las líneas de fase y la tierra o entre el neutro y la tierra. El ruido de modo transversal se produce entre las líneas de fase y el neutro. Ver la figura 4.
Figura 4 Ruido eléctrico en las líneas de transmisión de energía.
8
El ruido en modo común es causado por arcos de corriente en los cepillos de los motores, por una tierra poco efectiva, fallas en la tierra, transmisores de radio, sistemas de ignición y el switcheo de contactos. Cuando se abre un contacto eléctrico, se produce un arco al separar las superficies conductoras. Cuanto mayor sea la corriente que está circulando por el contacto, mayor será el arco que se forme. El ruido de modo transversal es causado por soldadoras, fuentes de alimentación por switcheo y por la activación de rectificadores controlados de silicio (SCR´s) dentro de equipo electrónico.
El ruido en el sistema de alimentación puede causar fallas de procesamiento en sistemas
electrónicos lo que conduce a errores de procesamiento, transferencia incorrecta de datos, errores de impresión, etc. Los problemas de ruido pueden ser solucionados implementando supresores de ruido en la fuente de alimentación. TABLA 1 RESUMEN DE LOS PROBLEMAS DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA CONDICIONES DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
DEFINICIÓN CAUSAS POSIBLES PROBLEMAS
Desviación de Frecuencia
Variación de la frecuencia nominal de 60 Hz mayor a +/-1%, cuando se produce una alteración del equilibro entre carga y generación.
La carga es superior o inferior en capacidad a la generación de voltaje. Alimentación por planta de emergencia o sistemas rotativos.
Los motores transmiten más o menos potencia. Equipos electrónicos a base de frecuencia se alteran. Los filtros de armónicas se distorsionan.
Ruido
Señal de bajo nivel sobrepuesta en la onda fundamental. Amplitud- 0.5 V a 25 V
Operación normal de computadoras. Swicheo en las fuentes de voltaje. Controladores de velocidad de motores. Equipos de modulación.
Errores de proceso. Incorrecta Transmisión de datos del CPU a la memoria. Errores de impresión ó en terminales.
Impulsos y Transitorios
Típicamente es un reducido y angosto pico de voltaje. Puede ser seguida por una oscilación que cae del valor nominal en menos de un ciclo. Amplitud- 50 V a 6 KV Duración- 0.5 a 2000 useg.
Swicheo de encendido/ apagado de carga. Operación normal de computadoras. Alumbrado.
Incorrectos datos en disco. Errores de proceso. Errores de impresión ó en terminales. Daños severos en Hardware.
Bajas de voltaje
Un bajo voltaje de una o más fases. El voltaje RMS cae un 80- 85 % de su valor nominal. Duración- Más de un ciclo.
Falla de Tierra. Encendido de máquinas. Falta de capacidad del sistema de potencia. Falla de equipos. Alumbrado.
Se apaga el sistema de cómputo. Daños en Hardware.
Altas de voltaje
Un alta de voltaje en una o más fases. Voltaje arriba del 110 % de su valor nominal. Duración- Más de un ciclo.
Rápida reducción de carga. Swicheo.
Daños en Hardware.
9
Distorsión de onda
Es una derivación de la onda fundamental.
Controladores de velocidad de motores. Operación de computadoras. Otras cargas no lineales.
Errores en comunicaciones. Daños en Hardware.
Pérdida de voltaje
Es la pérdida de voltaje en una o más fases por más de medio ciclo.
Falla de un fusible. Falla de tierra. Falla en un equipo. Un accidente. Alumbrado. Falla en la red eléctrica. Actos de la naturaleza.
Se apaga el sistema de cómputo. Daños en Hardware.
PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN Hay un dilema a la hora de decidir qué tipo de protección es la más adecuada para los equipos sensibles y críticos. Hay varios sistemas o tecnologías disponibles con diferentes grados de protección. Ver la Tabla 2. Supresor de Transientes (TVSS): Es el equipo que elimina transitorios de voltaje a través de los componentes Varistor de Óxido Metálico (MOV´s) ó Diodo de Avalancha de Silicio (SAD´s) ó Tubo de Gas; diseñados específicamente para absorber el exceso de energía destructora. Filtros EMI/RFI: Dispositivo que elimina diferentes tipos de interferencia eléctrica como son los generados por emisiones electromagnéticas y de radio frecuencia. Transformador de aislamiento: Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario atenuando los ruidos y transitorios de tensión de modo común que aparecen en la red. Sin embargo no puede proteger a la carga contra transitorios en modo diferencial ni caídas de tensión ni sobre tensiones. Regulador de Voltaje: También llamado estabilizador de voltaje o acondicionador de voltaje, es un equipo eléctrico que acepta una tensión de voltaje variable a la entrada, dentro de un parámetro predeterminado y mantiene a la salida una tensión constante (regulada). Sistema UPS “Stand-by” ó Interactivos: Provee protección de transitorios, bajos y altos voltajes, así como respaldo de baterías en cortes de energía de corta duración. Algunos modelos interactúan con la energía comercial, regulando pequeños cambios en voltaje. Sistema UPS “On-line” de Alto Desempeño: Convierte la entrada de CA en CD y nuevamente a CA, esta doble conversión asegura una calidad de energía a la salida, aislando los disturbios y ofreciendo una completa protección de bajas, subidas y distorsión de voltaje además de proveer respaldo en cortes de energía de corta duración.
10
Plantas de Emergencia: Generan energía eléctrica de CA cuando existe una falla en el suministro de la red comercial prolongada, mediante un arreglo de un motor, un generador (operado por diesel) y un tablero de transferencia.
TECNOLOGIA
CONDICIONES DE LA CALIDAD DE LA ENERGÍA
Tran
sito
rio
Ru
ido
Dis
tors
ión
de
V
olt
aje
Baj
a
Mo
me
ntá
nea
de
Vo
ltaj
e
Sub
ida
Mo
me
ntá
nea
d
e V
olt
aje
Alt
o V
olt
aje
Baj
o V
olt
aje
Inte
rru
pci
ón
Mo
me
ntá
nea
Inte
rru
pci
on
es
Larg
as
Var
iaci
ón
de
Fre
cue
nci
a
Supresor de Transientes TVSS
Filtros EMI/RFI
Transformador de Aislamiento
Regulador de Voltaje
Sistema UPS "Stand-by" ó Interactivo
Sistema UPS "On-line" de alto
desempeño
Planta de Emergencia
Tabla 2 Sistemas de protección más comunes. Hay una característica común a todos estos sistemas, que ninguna ofrece una protección total de la carga contra las perturbaciones de la red y además algunas de ellas tienen potencialmente riesgos devastadores para el usuario. Solo una solución tiene cerca del 100% de protección, el Sistema de Energía Ininterrumpida de Alto Desempeño UPS (Uninterrumpible Power Supply) frente a la mayoría de los problemas de la calidad de energía que en complemento con una planta de emergencia si nos proporciona la totalidad de protección deseada ya que el UPS tiene un respaldo inicial de fábrica de entre 5 a 15 minutos durante los cortes de energía. Este sistema lo describiremos a detalle a partir del capítulo 3.
11
CAPITULO 1 - ELECTRÓNICA DE POTENCIA
1.1 ELECTRONICA DE POTENCIA
Se denomina electrónica de potencia a la rama de la ingeniería eléctrica que consigue adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar otros equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc.
Se refiere a la aplicación de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores, al control y transformación de potencia eléctrica. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control como de suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión sistemas eléctricos de potencia.
El principal objetivo de esta disciplina es el procesamiento de energía con la máxima eficiencia posible, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off).
1.2 HISTORIA DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA El primer avance significativo para la evolución de la electrónica propiamente fue el 1900 al descubrirse el bulbo al vació por J. Fleming, mas adelante el físico estadounidense Lee de Forest en 1906 le agrega una tercera terminal y descubre el audión al que después se convertiría a en lo que actualmente conocemos como tríodo. En las décadas 1910-1940 fueron de transición ya que el desarrollo que se obtuvo fue algo insignificante ya que se utilizaba la misma tecnología descubierta en la década anterior (1910). A finales de la década de los 40 y principios de la década de los 50 se descubre el transistor de silicio en los laboratorios Bell por los ingenieros John Bardeen, Walter Houser B. y William B. Shockley. Lo cual abrió campo a todo lo que hoy conocemos como microelectrónica y entre ellos la electrónica de potencia a gran escala y pequeño tamaño en cuanto a dispositivos. Entre los años 1950-1960 los laboratorios de General Electric descubren el SCR (rectificador controlado de silicio) lo cual inicia una brecha gigantesca en la cual se descubren un sin número de dispositivos de potencia con los cuales se abre paso a paso día a día la microelectrónica de potencia. 1.3 APLICACIONES DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCA
Las principales aplicaciones son las siguientes:
Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más claro de aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de las computadoras.
12
Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar parámetros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominada comercialmente como "inverter" sustituye el antiguo control encendido/apagado por una regulación de velocidad que permite ahorrar energía.
Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un material conductor a través del campo generado por un inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios convertidores electrónicos de frecuencia. La aplicación más vistosa se encuentra en las cocinas de inducción actuales.
Convertidores de Energía: Como se ha comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrónica de potencia. Además de las ya comentadas destacan: los sistemas de energía ininterrumpida (UPS), sistemas de control del factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interfase entre fuentes de energía renovables y la red eléctrica, etc.
Convertidores de la Energía eléctrica:
Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos.
Dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores estáticos de potencia, clasificados en:
Rectificadores: Convierten corriente alterna en corriente continua.
Inversores: Convierten corriente continua en corriente alterna.
Convertidor Resonante: Convierten corriente alterna en corriente alterna.
Choppers: Convierten corriente continua en corriente continua.
En la actualidad esta disciplina está cobrando cada vez más importancia debido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrónicos en comparación a los métodos tradicionales y su mayor versatilidad. Un paso imprescindible para que se produjera esta revolución fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de distribución eléctrica.
Figura 1
1.4 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE PO
Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del siguientes:
SCR Transistores Bipolares MOSFET IGBT
13
Figura 1-1 Aplicaciones de la electrónica de potencia
POSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo semiconductor o el transistor. Entre est
Aplicaciones de la electrónica de potencia
Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de Entre estos se encuentran los
SCR Un rectificador controlado de silicioterminales usado para controlar corrientes máse presenta en la Figura 1.2
Figura 1.2 Símbolo esquemático y nombres de las terminales de un SCR.
Un SCR actúa a semejanza de un interruptor. Cuandoadecuado esta encendido (ON), hay una trayectoria de flujo de corriente del ánodo al cátodo. Actúa entonces como un interruptor cerrado. Cuando(OFF) y no hay flujo de corrientede estado sólido, la acción de conmutación de un SCR es muy rápida.
El flujo de corriente promedio para una carga puede ser controlado colocando un SCR en serie con la carga. Este arreglo es presentadde 60 Hz de CA, pero puede ser de CD
Si la alimentación de voltaje es de CAel estado ON y el resto del tiempo en el eses de 16.67 milisegundos. La cantidad de tiempo que está
Si una porción pequeña del tiempo estáes pequeña, ya que fluye desde la fuente a través de SCR únicamente durante ese tiempocompuerta es cambiada para hacer que el la corriente de carga promedio será mayorla carga puede variarse ajustando la porció
Figura 1.3 Relación de circ
14
rectificador controlado de silicio (SCR, rectificador controlado de silicio) es un dispositivo de tres ado para controlar corrientes más bien altas para una carga. El símbolo esquemático del SCR
Símbolo esquemático y nombres de las terminales de un SCR.
Un SCR actúa a semejanza de un interruptor. Cuando la compuerta (G) tiene un nivel de voltaje esta encendido (ON), hay una trayectoria de flujo de corriente del ánodo al cátodo. Actúa
interruptor cerrado. Cuando la compuerta no tiene el nivel de voltajey no hay flujo de corriente. Por tanto, actúa como un interruptor abierto. Dado que
ido, la acción de conmutación de un SCR es muy rápida.
El flujo de corriente promedio para una carga puede ser controlado colocando un SCR en serie con la carga. Este arreglo es presentado en la figura 1.3. La alimentación de voltaje es comúde 60 Hz de CA, pero puede ser de CD en circuitos especiales.
alimentación de voltaje es de CA, el SCR pasa una cierta parte del tiempo del ciclo de CA en po en el estado OFF. Para una fuente de 60 Hz de CA
. La cantidad de tiempo que está en cada estado es controlado por el disparador.
porción pequeña del tiempo está en el estado ON, la corriente promedi, ya que fluye desde la fuente a través de SCR únicamente durante ese tiempo
compuerta es cambiada para hacer que el SCR este en ON por un periodo más largo del tiempo, entonces dio será mayor ya que fluye por más tiempo. De esta manera, la corriente para
ede variarse ajustando la porción del tiempo del ciclo que el SCR permanece encendido.
Relación de circuito entre la fuente de voltaje, un SCR y la c
(SCR, rectificador controlado de silicio) es un dispositivo de tres símbolo esquemático del SCR
Símbolo esquemático y nombres de las terminales de un SCR.
la compuerta (G) tiene un nivel de voltaje esta encendido (ON), hay una trayectoria de flujo de corriente del ánodo al cátodo. Actúa
la compuerta no tiene el nivel de voltaje está apagado ruptor abierto. Dado que es un dispositivo
El flujo de corriente promedio para una carga puede ser controlado colocando un SCR en serie con n de voltaje es comúnmente una fuente
parte del tiempo del ciclo de CA en tado OFF. Para una fuente de 60 Hz de CA, el tiempo del ciclo
en cada estado es controlado por el disparador.
en el estado ON, la corriente promedio que pasa a la carga , ya que fluye desde la fuente a través de SCR únicamente durante ese tiempo. Si la señal de la
s largo del tiempo, entonces . De esta manera, la corriente para
n del tiempo del ciclo que el SCR permanece encendido.
un SCR y la carga
15
Como lo sugiere su nombre, el SCR es un rectificador, por lo que pasa corriente sólo durante los semiciclos positivos de la fuente de CA. El semiciclo positivo es el semiciclo en que el ánodo del SCR es más positivo que el cátodo. Esto significa que el SCR de la Figura 1.3 no puede estar encendido más de la mitad del tiempo. Durante la otra mitad del ciclo, la polaridad de la fuente es negativa y esta polaridad negativa hace que el SCR tenga polarización inversa, evitando el paso de cualquier corriente a la carga.
Foto 1 SCR TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR
Del inglés (Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:
1.- Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.
2.- Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
3.- Colector, de extensión mucho mayor.
La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en forma directa, mientras que la base-colector en forma inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, que por ser muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad o conducción, los cuales se explicarán cuando se vea el MOSFET.
La configuración NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.
Figura 1.4
Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisorcomún es amplificada en la salida del colector.
La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisoen la que la corriente convencional
PNP es el otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NP
Figura 1.5
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.
16
Figura 1.4 El símbolo de un transistor NPN.
Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopadoN. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor
común es amplificada en la salida del colector.
La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
Figura 1.5 El símbolo de un transistor PNP.
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopadoP. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor
onectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el
dopado P (la "base") entre N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-
r y apunta en la dirección amiento activo.
otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en
N brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
dopado N entre dos capas P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor
onectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el
17
La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
Foto 2 Transistor
MOSFET MOSFET son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Consiste en un transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. Prácticamente la totalidad de los circuitos integrados de uso comercial están basados en transistores MOSFET.
Figura 1.6 Transistor MOSFET de empobrecimiento canal N
Figura 1.7 Transistor MOSFET de empobrecimiento canal P
Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor. Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje:
18
Tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n.
Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.
Las áreas de difusión se denominan fuente (source) y drenador (drain), y el conductor entre ellos es la puerta (gate).
El transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:
Estado de corte.- Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador aunque se aplique una diferencia de potencial entre ambos. También se llama mosfet a los aislados por juntura de dos componentes.
Conducción lineal.- Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva (nMOS), se crea una zona de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones en nMOS, huecos en pMOS) en la región de deplexión que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta.
Saturación.- Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debida al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.
TRANSISTOR IGBT
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.
Figura 1-8 Símbolo más extendido del IGBT: Gate o puerta (G), colector (C) y emisor (E)
Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y voltaje de baja saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de ade la tracción en motores y codispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de con voltajes de bloqueo de 6.000
Se puede concebir el IGBT como un corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutacióaplicaciones de electrónica de potencia es intermque los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a
Figura 1.10
Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.
19
Figura 1.9 Sección de un IGBT
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 KHz s usado en aplicaciones de alta y media energía como fuente conmutada
cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de
e 6.000 voltios.
Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidad corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin
entes transitorias de conmutación de la base pueden ser igualmente anica de potencia es intermedio entre los tiristores y los Mosfet
que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.
Figura 1.10 Circuito equivalente de un IGBT
Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de c. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal
eléctrica de entrada muy débil en la puerta.
Foto 3 IGBT
y ha sustituido al BJT en fuente conmutada, control
. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios
híbrido. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin
n de la base pueden ser igualmente altas. En osfet. Maneja más potencia
. La tensión de control de . Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal
20
TABLA 1.1 ESPECIFICACIONES Y DIFERENCIAS DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Tipo
Especificación de Voltaje/corriente
Alta Frecuencia
(Hz)
Tiempo deconmutación
(us)
Resistencia en estado activo (n)
Diodos Uso generalAlta velociadaSchottky
5000 V/5000 A3000 V/1000 A40 V/60 A
1K10K20K
1002-50.23
0.16m1m10m
Tiristores desactivados en forma forzada
De bloqueo inversoAlta velocidadBloqueo inversoConducción inversaGATTDisparo lumínico
5000 V/5000 A1200 V/1500 A2500 V/400 A2500 V/1000 A1200 V/400 A6000 V/1500 A
1K10K5K5K20K400
2002040408
200-400
0.25m0.47m2.16m2.1m2.24m0.53m
TRIACTiristores desactivados automáticamenteTransistores de potencia
GTOSITHIndividual
Darlington
1200 V/300 A4500 V/3000 A4000 V/2200 A400 V/250 A400 V/40 A630 V/50 A1200 V/400 A
40010K20K20K20K25K10K
200-400156.5961.730
3.57m2.5m5.75m4m31m15m10m
SITMOSFET de potencia Individual
1200 V/300 A500 V/8.6 A1000 V/4.7 A500 V/50 A
100K100K100K100K
0.550.70.90.6
1.20.62
0.4m
IGBT Individual 1200 V/400 A 20K 2.3 60m
MCT Individual 600 V/60 A 20K 2.2 18m 1.5 CARACTERÍSTICAS DE CONTROL DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden operar como interruptores mediante la aplicación de señales de control a la terminal de compuerta de los tiristores (y a la base de los transistores bipolares). La salida requerida se obtiene mediante la variación del tiempo de conducción de estos dispositivos de conmutación. En la Figura 1-11 se muestran los voltajes de salida y las características de control de los dispositivos de interrupción de potencia de uso común. Una vez que un SCR está en modo de conducción la señal de la compuerta ya sea positiva o negativa no tiene efecto, esto aparece en la figura 1-11(a). Cuando un dispositivo semiconductor de potencia está en modo de conducción normal, existe una pequeña caída de voltaje a través del mismo en las formas de onda de las figuras 1-11, estas caídas de voltaje se consideran despreciables.
21
La fuente de voltaje es de CA por lo que sólo cuando el SCR está en ON hay voltaje a la carga siempre y cuando sea en ciclo positivo. (a) SCR
La fuente de voltaje es de CD por lo que sólo cuando el Transistor esta en ON hay voltaje a la carga.
Figura 1-11 Características de control de los dispositivos de interrupción de potencia.
22
1.6 EFECTOS PERIFÉRICOS COMO CONSECUENCIA DE SU OPERACIÓN Las operaciones de los convertidores de potencia se basan principalmente en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia; y como resultado, los convertidores introducen armónicas de corriente y de voltaje en el sistema de alimentación y en la salida de los convertidores. Estas pueden originar problemas de distorsión del voltaje de salida, generación de armónicas en el sistema de alimentación e interferencia con circuitos de comunicación y señalización. Normalmente es necesario introducir filtros en la salida y en la entrada de un sistema convertidor, para reducir a una magnitud aceptable el nivel de armónicas. Un nivel tolerable y aceptable es tener menos del 10% de armónicas. La estrategia de control para los convertidores de potencia juega un papel importante en la generación de armónicas y en la distorsión de la forma de onda de salida, y puede guiarse a fin de minimizar o reducir estos problemas. Los convertidores de potencia pueden causar interferencia de radio frecuencia, debido a radiación electromagnética y los circuitos de mando generar señales erróneas. Esta interferencia se puede evitar mediante un blindaje aterrizado. 1.7 MÓDULOS DE POTENCIA Los dispositivos de potencia están disponibles como unidades individuales o como módulos. A menudo los convertidores de potencia en especial para aplicaciones de los UPS requieren de dos, cuatro o seis dispositivos, dependiendo de su capacidad. Los módulos ofrecen las ventajas de: menores pérdidas en estado activo, altas característica de manejo y control para la activación por voltaje y corriente a una velocidad más alta que los dispositivos convencionales. Algunos módulos incluyen circuitería para la protección de transitorios y de la excitación de la compuerta.
23
CAPITULO 2 – SEGURIDAD, EQUIPO Y HERRAMIENTAS
2.1 NORMAS DE SEGURIDAD ELÉCTRICAS El objetivo de las normas es establecer las disposiciones y especificaciones de carácter técnico que deben satisfacer las instalaciones destinadas a la utilización de la energía eléctrica, a fin de que ofrezcan condiciones adecuadas de seguridad para las personas y sus propiedades, en lo referente a protección contra choque eléctrico, efectos térmicos, sobrecorrientes, corrientes de falla, sobretensiones, fenómenos atmosféricos e incendios, entre otros. El cumplimiento de las disposiciones indicadas en las normas garantizará el uso de la energía eléctrica en forma segura. La siguiente norma es la que debemos cumplir en México: NORMA Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005, Instalaciones eléctricas Que tiene los siguientes campos de aplicaciones: 1.- Propiedades industriales, comerciales, residenciales y de vivienda, institucionales, cualquiera que sea su uso, públicas y privadas, y en cualquiera de los niveles de tensiones eléctricas de operación, incluyendo las utilizadas para el equipo eléctrico conectado por los usuarios. Instalaciones en edificios utilizados por las empresas suministradoras, tales como edificios de oficinas, almacenes, estacionamientos, talleres mecánicos y edificios para fines de recreación. 2.- Plantas generadoras de emergencia o de reserva propiedad de los usuarios. 3.- Subestaciones, líneas aéreas de energía eléctrica y de comunicaciones e instalaciones subterráneas. 4.- Cualesquiera otras instalaciones que tengan por finalidad el uso de la energía eléctrica. 2.2 RECOMENDACIONES DE SEGURIDAD EN EL MANTENIMIENTO ELECTRÓNICO Debe tratarse con sumo cuidado todo equipo que funcione con voltaje de línea. Estos equipos han de estar siempre apagados o en bypass con las baterías desenchufadas del UPS mientras se sustituyen o quitan componentes, y si el equipo se encontraba encendido esperar a que se descarguen los capacitores o descargarlos manualmente. Esta recomendación no tiene ninguna excepción en absoluto.
Figura 2-1 Descargando un capacitor electrolítico.
24
El peligro de un choque eléctrico depende de tres factores: - El voltaje de la fuente. - La corriente eléctrica que la fuente puede producir. - El camino que la corriente toma a través del cuerpo humano. Los 120 Volts que se encuentran en una casa son más que suficientes, bajo ciertas condiciones, para matar a una persona. Cuando una persona recibe un choque eléctrico, la cantidad de corriente que puede fluir por su cuerpo está limitada por la resistencia eléctrica del mismo y de la resistencia de la conexión entre su cuerpo y la tierra. El cuerpo humano contiene un gran porcentaje de agua y sales que desafortunadamente lo hacen un gran conductor eléctrico. Debemos seguir los siguientes procedimientos todas las veces cuando se trabaje en o cerca de equipos con fuentes eléctricas: • No trabajar solo. Donde quiera que se trabaje asegurar que haya personal que sepa que alguien está
haciendo algo, para asistirle en el evento de una emergencia. • Nunca asumir que la energía está apagada. Siempre medir el circuito o cableado destinado al área de
trabajo antes de comenzar a laborar. • Asegurarse que una vez que la energía está apagada no puede ser energizada sin consentimiento. • No trabajar en áreas de energía potencialmente peligrosas si se está fatigado física o mentalmente. • Cuando se muevan o caminen por equipo eléctrico asegurarse tener balance y seguridad en cada
paso. • Nunca trabajar bajo influencias del alcohol. Avisar al encargado sí se está bajo medicamentos. • No trabajar con equipo eléctrico si se está con ropa húmeda o el piso esta mojado. • Si se realizan mediciones con círculos energizados usar solo una mano para asegurar de no proveer
una ruta de flujo a través del cuerpo. • Siempre quitarse los objetos personales como reloj, anillos, pulsera, etc. antes de trabajar con equipo
eléctrico o maquinaria. Se puede afirmar que el primer paso en el mantenimiento preventivo y/o correctivo a un Sistema de Energía Ininterrumpida (UPS) consiste en revisar la alimentación eléctrica en donde se encuentra conectado el equipo. Para iniciar dicha revisión se deberá hacer una inspección visual de la instalación, buscando posibles cortos o manchas de flamas. Si el aspecto es correcto, entonces se deberá medir la tensión de línea y comprobar el estado de la tierra física.
Las mediciones correctas en una instalación eléctrica monofásica de 120 VAC a 60 Hz. deben ser aproximadamente las siguientes: - Fase a Neutro 110 a 127 de VAC - Fase a Tierra física 110 a 127 de VAC - Neutro a Tierra física 2 ó menos de VAC
25
Si alguna de las mediciones anteriores está fuera de la normal, se deberá anotar en el reporte de servicio el problema y recomendar se repare por un técnico electricista competente para un correcto funcionamiento del sistema. 2.3 HERRAMIENTAS BÁSICAS Y EQUIPO. En cuanto al equipo, herramientas y materiales necesarios para llevar a cabo un servicio de mantenimiento profesional, a continuación se muestra un listado mínimo de los mismos. TABLA 2.1 EQUIPO Y MATERIALES
EQUIPO MATERIALES
Osciloscopio de 40 MHz Pasta para soldar
Multimetro digital Malla desoldadora
Punta de alto voltaje Liquido limpiador de tarjetas
Punta logica Liquido limpiador de cubiertas de plastico
Amperimetro EstopaSopleteadora Cinta aislante
Probador de baterias Fajillos
MALETA DE HERRAMIENTAS Cubre boca
Tubos de silicón TABLA 2.2 MALETA DE HERRAMIENTAS
MALETA DE HERRAMIENTAS
Desarmador plano Juego de llaves AllenDesarmador de cruz Llave Perica de 8''Desarmador plano corto Juego de llaves (1/4, 5/16, 3/8, 7/16, 1/2,
Desarmador de cruz corto 9/16, 5/8).
Desarmador plano delgado Juego de dados
Desarmador de cruz delgado Juego de puntas Cautín Juego de conectores (caimanes).Estractor de soldadura Brocha
Pinzas de punta Ajustador de potenciometrosPinzas de punta a 45º LentesPinzas de corte Matraca con extención
Pinzas de presión
Pinzas de electricista
26
2.4 INSTALACIÓN DE PUESTA A TIERRA.
La unión eléctrica con la tierra, de una parte de un circuito eléctrico o de una parte conductora perteneciente al mismo, se efectúa mediante la instalación de puesta a tierra que, es: El conjunto formado por electrodos y líneas de tierra de una instalación eléctrica. Las instalaciones de puesta a tierra estarán constituidas por uno o varios electrodos enterrados y por las líneas de tierra que conecten dichos electrodos a los elementos que deben quedar puestos a tierra.
2.4.1 FUNCIÓN Y OBJETIVOS ELEMENTALES DE UNA INSTALACIÓN DE PUESTA A TIERRA.
La función de puesta a tierra de una instalación eléctrica es de forzar la derivación al terreno de las intensidades de corriente, de cualquier naturaleza que se puedan originar, ya se trate de corrientes de defecto o debidas a descargas atmosféricas de carácter impulsional.
Con ello se logra: Limitar la diferencia de potencial que, en un momento dado, puede presentarse entre estructuras metálicas y tierra. Posibilitar la detección de defectos de tierra y asegurar la actuación y coordinación de las protecciones eliminando o disminuyendo, así, el riesgo que supone una avería para el material utilizado y las personas. Limitar las sobretensiones internas (de maniobra, transitorias y temporales) que pueden aparecer en la red eléctrica, en determinadas condiciones de operación. Evitar que las tensiones de frente (impulsos) que originan las descargas de los rayos, en el caso de las instalaciones de exterior y particularmente en líneas aéreas. La circulación de las intensidades mencionadas por la instalación de puesta a tierra pueden originar la aparición de diferencias de potencial entre ciertos puntos, por ejemplo, entre la instalación de puesta a tierra y el terreno que la rodea o entre dos puntos, por ejemplo, entre la instalación de puesta a tierra y el terreno que la rodea o entre dos puntos del mismo, por cuya razón debe concebirse la instalación de puesta a tierra para que incluso con la aparición de las diferencias de potencial mencionadas se cubran los siguientes objetivos:
• Seguridad de las personas. • Protección de las instalaciones. • Mejora de la calidad de servicio (alta calidad y eficiencia eléctrica). • Establecimiento y permanencia de un potencial de referencia (equipotencialidad efectiva).
Debe hacerse especial énfasis en que la seguridad de las personas es lo que verdaderamente preocupa y se constituye en el fin primordial de la instalación de puesta a tierra, lo que significa que no se deje de reconocer la importancia de los otros tres objetivos. Así mismo, "toda instalación eléctrica deberá disponer de una protección o instalación de tierra diseñada en forma tal que, en ningún punto normalmente accesible del interior o exterior de la misma las
27
personas en tránsito corran el riesgo de que puedan estar sometidas a una tensión peligrosa, durante cualquier defecto de la instalación eléctrica o en la red unida a ella".
2.4.2 INSTALACIÓN DE UNA TIERRA FÍSICA PROFESIONAL
Figura 2-2 Vista transversal del arreglo de varillas para sistema de tierra física
1.- Se deberá realizar perforaciones con las siguientes dimensiones 30 cm X 30 cm. En el interior de dicha perforación se introduce la varilla de copperweld de 3.0 mt de longitud X 5/8“ de diámetro. 2.- Las varillas de copperweld instaladas en el sistema de tierra física, deberán contar con una rejilla de herrería para inspección. Ver la Figura 2-2. 3.- El sistema de tierra constará de 3 o 4 varillas de copperweld según se requieran con la finalidad de obtener la resistencia menor a 5 ohms, los extremos superiores de las varillas estarán unidas con soldadura cadwell, a través de un cable desnudo de calibre 1/0 y a su vez conectadas a un cable de calibre 1/0 el cual será conectado a la barra de cobre instala en el sitio de red. Ver Figuras 2-3 y 2-3. 4.- La descripción de la instalación de barra de cobre para tierras se detalla en la Figura 2-5.
28
Figura 2-3 Esquema del sistema de tierra física
Figura 2-4 Vista superior del arreglo de varillas del sistema de tierra física (medidas en metros)
29
Figura 2-5 Instalación de barra de cobre para la toma de tierras
Finalmente es indispensable que los contactos queden alambrados con la polarización correcta y de acuerdo al código de colores internacional para instalaciones eléctricas, como a continuación se indica en la Figura 2-6.
Figura 2-6 Polarización de contactos
30
CAPITULO 3 - DESCRIPCIÓN DEL DIAGRAMA DE BLOQUES
El control de casi todos los UPS’s queda concentrado en algún tipo de microcontrolador. Este circuito integrado forma parte de la “Tarjeta Microcontroladora“ junto con la memoria y circuitos auxiliares. Las señales de control que entran y salen son convertidas por una segunda tarjeta “Tarjeta de Interface“. Esta contiene el circuito para el convertidor y los controladores de disparos. Estas dos tarjetas son alimentadas normalmente por una fuente conmutada que se alimenta de DC del mismo rectificador o de las baterías. En la parte de potencia un UPS’s consta básicamente de un convertidor, un sistema de transferencia y circuitos auxiliares para proteger a los dispositivos de potencia y control. La batería o banco de baterías son las que se encargan de almacenar la energía y en dado caso que falle la red pública de energía eléctrica, estas alimentan con voltaje al inversor y así evitan que se pierda la carga. Estas pueden estar dentro del mismo gabinete del UPS o en otro modulo, que incluso en los equipos de grandes capacidades llegan a estar en un cuarto aparte del UPS. 3.1 EL CONVERTIDOR El convertidor comprende un rectificador-cargador estático y un inversor estático. El rectificador-cargador transforma la corriente alterna de la red comercial en corriente continua estabilizada para alimentar al inversor y mantener completamente cargada o en flotación a las baterías. El inversor transforma la corriente continua proveniente del rectificador (ó de las baterías cuando haya falla de la red) y la transforma en corriente alterna precisa, limpia y estabilizada. 3.1.1 EL RECTIFICADOR Un rectificador es un circuito que convierte una señal de corriente alterna en una señal unidireccional. Los diodos se usan extensamente en los rectificadores. Un rectificador monofásico de media onda es el tipo más sencillo, pero no se utiliza normalmente en aplicaciones industriales. El rectificador de uso común en aplicaciones industriales es el rectificador puente en el que se utilizan 4 diodos como se muestra en la figura 3-1a. Durante el medio ciclo positivo del voltaje de entrada, se suministra potencia a la carga a través de los diodos D
1 y D
2. Durante el ciclo negativo, los diodos D
3 y
D4 conducirán. La forma de onda del voltaje de salida aparece en la figura 3-1b.
31
Figura 3-1 Rectificador puente de onda completa.
Filtro simple con capacitor: El circuito filtro simple con capacitor que se muestra en la figura 3-2. El capacitor está conectado a través de la salida del rectificador y se dispone de voltaje CD de salida a través del capacitor. La figura 3.2a muestra el voltaje de salida rectificada de un rectificador de onda completa de un circuito rectificador de onda completa y la forma de onda resultante después de que el capacitor se conecta a través de la salida del rectificador. Como se muestra, este voltaje filtrado tiene un nivel CD con cierto factor de rizo sobrepuesto en él. Como se muestra en la figura 3.2b se observa la forma de onda cuando se conecta carga a la salida. Si no hubiera carga conectada al filtro, la forma de onda seria idealmente un nivel constante CD igual al Voltaje Pico (Vp) del circuito rectificador. Sin embargo, el propósito de obtener un voltaje de CD es alimentar al inversor y en algunas ocasiones a otros circuitos ó tarjetas electrónicas. En la señal rectificada de onda completa que se indica en la figura 3.2b se señalan dos intervalos de tiempo. t1 es el tiempo durante el cual un diodo del rectificador de onda completa conduce y carga el capacitor hasta el voltaje de salida pico del rectificador (Vp). t2 es el tiempo en el que el voltaje del rectificador desciende por debajo del voltaje pico, y el capacitor se descarga a través de la carga. Para apreciar mejor estas cantidades debemos examinar con mayor detalle la forma de onda de salida y determinar algunas relaciones entre la señal de entrada que se rectificará, el valor del capacitor, el valor del resistor (carga), el factor de rizo y la regulación del circuito.
32
A partir de un análisis de onda de voltaje es posible obtener los siguientes las siguientes ecuaciones:
( )2
ppr
pcdV
VV−−=
( ) ( )
32
pprrmsr
VV
−=
Figura 3-2 Filtrado de CD con capacitor. 3.1.2 EL CARGADOR ESTÁTICO Como se muestra en la figura 3-3 el cargador es un circuito que está directamente conectado a la masa de CD o voltaje del rectificador, este voltaje debe ser igual ó un poco mayor que el voltaje de flotación de la batería. El cargador es un circuito pulsador “encendido-apagado” que mantiene el nivel de flotación a la batería (cerca de 0 amperes). Cuando la batería se encuentra totalmente descargada la corriente aumenta por la misma demanda química interna de la batería, entre mayor sea la corriente menor tiempo pasará para cargarse las baterías, pero esta corriente debe tener un límite, en caso contrario la batería empezará a calentarse
33
degradándose rápidamente. La carga lenta para las baterías es más recomendable ya que afecta directamente a la vida útil de la batería; un cálculo de tiempo de recarga es multiplicar por 10 los minutos de descarga que tuvo la batería, el total nos dará los minutos que se requieren para que las baterías lleguen al 90% de su carga normal. El circuito que se muestra en la figura 3-3 opera de la siguiente manera, el “Capacitor de Rechazo C1” se carga a través de la fuente de poder, el IGBT opera a una frecuencia de 31.25 Khz. Cuando el IGBT se “enciende” la corriente del inductor aumenta por la diferencia de voltaje entre la batería y el del “Capacitor de Rechazo C1”. El voltaje del “Capacitor de Rechazo C1” siempre es mayor que el voltaje de baterías.
Figura 3-3 Circuito del cargador de baterías.
3.1.3 EL INVERSOR ESTÁTICO Los convertidores de CD a CA se conocen como inversores. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de CD a un voltaje simétrico de salida en AC, con magnitud y frecuencia deseadas. Tanto el voltaje de salida como la frecuencia pueden ser fijos o variables. En un UPS el voltaje de salida debe de ser fijo si se modifica el voltaje de entrada de CD; esto por lo general se hace controlando la modulación del ancho de pulso (PWM) dentro del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la relación entre el voltaje de salida en AC y el voltaje de entrada en CD. En los inversores ideales de los UPS, las formas de onda del voltaje de salida deberían ser senoidales. Sin embargo en los inversores reales no son senoidales y contienen ciertas armónicas. Para UPS’s de mediana y baja potencia, se pueden aceptar los voltajes de onda cuadrada o casi cuadrada; para
34
UPS de alta potencia, son necesarias las formas de onda senoidales de baja distorsión. Dada la disponibilidad de los dispositivos semiconductores de potencia de alta velocidad, es posible minimizar o reducir significativamente el contenido armónico del voltaje de salida mediante las técnicas de conmutación. Cada tipo puede utilizar dispositivos con activación y desactivación controlada (es decir BJT, MOSFET, IGBT) o tiristores de conmutación forzada. Principio de operación: Mediante la figura 3.4 se puede explicar el principio de funcionamiento de los inversores monofásicos. El circuito inversor está formado por dos pulsadores. Cuando sólo el transistor Q1 está activo durante el tiempo To/2, el voltaje instantáneo a través de la carga Vo es Vs/2. Si sólo el transistor Q2 está activo durante un tiempo To/2, aparece el voltaje -Vs/2 a través de la carga. El circuito lógico debe diseñarse de tal forma que Q1 y Q2 no estén activos simultáneamente. La figura 3-4c muestra las formas de onda para los voltajes de salida y las corrientes de los transistores en caso de una carga resistiva. Este inversor se conoce como inversor de medio puente. El voltaje rms de salida se puede encontrar a partir de:
22
22/1
2/
0
sTo
oo
Vdt
Vs
TV =
= ∫
Figura 3-4 Inversor monofásico de medio puente
35
Control de Voltaje para los inversores monofásicos (PWM). En los equipos UPS es necesario controlar el voltaje de salida del inversor para hacer frente a las variaciones de entrada de CD, ya sea del rectificador (cuando existe variaciones en la entrada de CA) o de las baterías (cuando estas se van agotando). Existen varias técnicas para modificar la ganancia del inversor. El método más eficiente es controlar la ganancia y el voltaje de salida es incorporar en los inversores el control de modulación del ancho de pulso (PWM). Cada fase del inversor (en este caso solo una) consiste en dos dispositivos conectados a través de dos barras de CD como se muestra en la figura 3.5, Los IGBT’s identificados como Q1 y Q2 son conectados por + ve CD, y por -ve CD, la salida del inversor es tomada en función de estos dos IGBT’s. Cuando el circuito es utilizado como interruptor tiene dos condiciones estables: • Cuando Q1 esta “encendido” y Q2 esta “apagado”, la salida del inversor esta conectada a + ve CD. • Cuando Q2 esta “encendido” y Q2 esta “apagado” la salida esta conectada a - ve CD. Los dispositivos son usados en su región linear, por lo tanto la transición entre el “apagado” y la saturación es hecha lo más rápido posible. Las señales de disparo de los dispositivos son generadas por el microproprocesador. Para prevenir que ambos IGBT’s se pongan en corto circuito las señales de disparo deben estar siempre desfasadas. La salida (rms) del inversor, está en función directa del ancho de pulso que tiene una frecuencia constante (normalmente de 20 KHz.). El programa de software del microprocesador marca el espacio del PWM, para mantener una salida constante de AC del inversor a pesar de una posible variación de los niveles de la masa de DC ó de condiciones de la carga.
Figura 3-5 Inversor monofásico PWM
36
3.2 BANCO DE BATERÍAS La batería es un sistema de almacenamiento de energía. La batería suministra la corriente continua requerida por el inversor durante los fallos de red o cuando la red baja más del 15% o sube más del 10 % de su valor nominal. La batería esta adaptada al inversor para proporcionar el tiempo de protección especificado. La batería de respaldo por lo general es del tipo níquel-cadmio o plomo-ácido. Una batería de níquel-cadmio es preferible a la de plomo-ácido, dado que el electrolito de una batería de níquel-cadmio no es corrosivo y no emite gases explosivos. Tiene una vida más larga debido a su capacidad de soportar el sobrecalentamiento o la descarga. Sin embargo su costo es por lo menos tres veces el de una batería de plomo-ácido.
Figura 3-6 Construcción interna de las Baterías
El voltaje de carga nominal de cada celda es de 2.275 Volts, multiplicado por él numero de celdas conectadas en serie. Si el voltaje por celda varía mas allá de 2.3 VDC y baja menos de 2.25 VDC el tiempo de vida útil de la batería se reduce.
37
Existe muchos tipos y modelos de baterías pero las que utilizan generalmente los UPS son baterías de 6 o 12 Volts. Las baterías de 6 Volts tienen 3 celdas y su voltaje de flotación es de 6.825 VDC (2.275*3= 6.825 VDC). Las baterías de 12 Volts tienen 6 celdas y su voltaje de flotación es de 13.65 VDC (2.275*6=13.65 V). La batería puede estar en serie con otras baterías (figura 3-7) de la misma capacidad y voltaje para así formar un “banco de baterías” de esta manera se incrementa el nivel de voltaje para alimentar al inversor. Es por eso que es importante revisar todas y cada una de ellas ya que si una se abre, el voltaje entre los extremos de la serie cae provocando que el inversor no tenga de donde alimentarse y se pierda la carga.
-- 13.5 VDC. --
54.0 VDC+ -
RECTIFICADOR
CARGADORO
-- 13.5 VDC. -- -- 13.5 VDC. -- -- 13.5 VDC. --
Distribución del Voltaje de Carga
Figura 3-7 Banco de Baterías.
La vida útil de una batería “libre de mantenimiento” depende en gran medida a la temperatura, si esta es mayor a 25 ºC se reduce su tiempo de vida que es de 5 años (figura 3-8).
10090807060
50
40
30
20
1015.6º 21.1º 26.7º 32.2º 37.8º 41.6º 45.4º25º
TEMPERATURA (Cº)
% TIEMPO DE VIDA
Figura 3-8 Vida de Baterías contra Temperatura
38
3.3 EL SISTEMA DE TRANSFERENCIA El sistema de transferencia incluye un interruptor estático de transferencia y un bypass electro mecánico. Si se produjese una sobrecarga ó un corto circuito en la carga, ó una avería en el UPS, el interruptor estático de transferencia proporciona el medio para transferir la carga crítica sin interrupción del inversor a la red. El bypass electromecánico se utiliza cuando se requiere aislar el convertidor entero así como el interruptor estático permitiendo la realización de forma segura del mantenimiento o reparación de sistemas. Los tiristores pueden activarse y desactivarse en cuestión de unos cuantos microsegundos, las señales de compuerta o de control necesarias para los tiristores pueden ser generadas por señales o sensores que detectan la posición mecánica eléctrica, tales como los contactos auxiliares (normalmente abierto o normalmente cerrado) de los interruptores de CA, los tiristores son conmutados por línea o en forma natural y la velocidad de conmutación queda limitada por la frecuencia de la alimentación de CA y el tiempo de desactivación de los tiristores.
Figura 3-9 Interruptor monofásico de CA de tiristor.
39
El diagrama del circuito de un interruptor monofásico de onda completa se muestra en la figura 3-9a, en donde dos tiristores se conectan en paralelo inverso. El tiristor T1 se dispara en ωt=0 y el tiristor T2 en ωt=π. El voltaje de salida es el mismo que el de entrada. Los tiristores actúan como interruptores y se conmutan por línea. La figura 3-9b y 3-9c se muestran las formas de onda del voltaje de entrada, del voltaje de salida y de la corriente de salida respectivamente. 3.4 PROTECCIÓN DE DISPOSITIVOS Y DE CIRCUITOS Debido al proceso de recuperación inversa de los dispositivos de potencia y a las acciones de conmutación en presencia de las inductancias, en los circuitos pueden ocurrir transitorios de voltaje. Aun en los circuitos cuidadosamente diseñados, pueden ocurrir situaciones de falla debido a un corto circuito, que dan como resultado un flujo excesivo de corriente a través de los dispositivos. El calor producido por las perdidas en un semiconductor debe disiparse en forma suficiente y eficaz, a fin de que este opere por debajo de su limite superior de temperatura. Para la operación segura de un UPS es necesario asegurar que en ningún momento las condiciones de los circuitos no excedan las especificaciones de los dispositivos de potencia, mediante la adición de protecciones contra sobrevoltaje, sobre corriente y sobrecalentamiento. Protección de voltaje: Diodos de selenio: Estos diodos tienen un voltaje directo bajo, pero un voltaje de ruptura inverso bien definido. La muestra de una curva típica de los diodos de selenio aparecen en la figura 3-10. Normalmente, se selecciona el punto de operación antes de la rodilla de la curva característica y se utiliza una corriente muy pequeña desde el circuito. Sin embargo cuando ocurre un sobrevoltaje, el punto de rodilla se cruza y el flujo de corriente inversa a través del selenio se incrementa en forma repentina, limitando por lo tanto el voltaje transitorio a dos veces el voltaje normal.
Figura 3-10 Características del diodo de selenio
40
Un diodo de selenio (también llamado supresor) debe ser capaz de disipar un sobrevoltaje sin una elevación indebida de temperatura. En los circuitos de CD el circuito de supresión esta polarizado (sólo suprime de manera positiva) y en los de CA no pasa lo mismo suprimiendo el sobrevoltaje en ambas direcciones. Varistores: Son dispositivos no lineales de impedancia variable, formados de partículas de óxido metálico, separadas por un aislamiento o una película de óxido, que tienen como función enviar a tierra el exceso de voltaje del pico del transitorio. Como se muestra en la figura 3-11. el varistor limita la amplitud de un transitorio en la onda senoidal.
Figura 3-11 Operación del varistor Conforme el voltaje aplicado se incrementa, la película se hace conductora y el flujo de corriente aumenta, la corriente puede expresarse como:
αKVI = en donde K es una constante y V es el voltaje aplicado. El valor de α varía entre 30 y 40. Protecciones contra corriente. Los el convertidor del UPS puede provocar cortos circuitos o fallas, y las corrientes resultantes deberán eliminarse con rapidez. Normalmente se utilizan fusibles de acción rápida a fin de proteger el problema en unos cuantos milisegundos. El fusible se encuentra en serie con el dispositivo que protege. Cuando se eleva la corriente de falla, también se eleva la temperatura del fusible hasta que t = tm, donde tm es el tiempo en el cual el fusible se funde y se desarrollan arcos a través del mismo.
El tiempo de liberación tc es la suma del tiempo de fusión tm y el tiempo del arco ta.tm depende
41
de la corriente de la carga, en tanto que ta depende del factor de potencia o de los parámetros del circuito de falla. El problema normalmente queda superado después de que la corriente de falla llega a su primer pico. Esta corriente de falla, que podría haberse elevado si no existiera fusible, se denomina corriente de falla posible. Lo anterior queda mostrado en la figura 3-12.
Tiempo de liberación = tc
Corriente de fallaposible
i
Corriente picopermitida
Corrientereal
tc
Tiempo de arqueo = taTiempo de fusión = tm tatm t0
Figura 3-12 Corriente del fusible
Enfriadores y disipadores de calor: Debido a las pérdidas por operación por conmutación, dentro del dispositivo de potencia se genera calor. Este calor debe transferirse del dispositivo a un medio mas frío, a fin de mantener la temperatura de operación de la unión dentro del rango especificado.
Figura 3-13 Características de la resistencia térmica
42
Hay una amplia variedad de disipadores de calor de aluminio estriada, que utilizan aletas de enfriamiento a fin de aumentar la capacidad de transferencia de calor. Las características de resistencia térmica de un disipador de calor típico, con enfriamiento natural y forzado aparecen en la figura 3-13. Donde la disipación de potencia en función de la elevación de la temperatura del disipador queda ilustrada para en enfriamiento natural. En el caso un enfriamiento forzado, la resistencia térmica se reduce con la velocidad del aire. Sin embargo mas allá de cierta velocidad, la reducción de la resistencia térmica no es significativa. 3.5 MEJORAS AL FACTOR DE POTENCIA El uso del transformador a la entrada de un UPS puede eliminarse mediante la adición de un enlace de alta frecuencia de CD por medio de un convertidor resonante que tendrá la función de elevar el voltaje de entrada a niveles superiores. Como se muestra en la figura 3-14 existen dos inversores, el inversor del lado de entrada opera con un control PWM a muy alta frecuencia y de filtro de CD en la entrada del inversor del lado de la salida. El inversor del lado de la salida opera a la frecuencia de salida (60 hz.). Como se observa en la figura 3-14 la fuente de AC es conectada directamente a un filtro RFI y el voltaje es monitoreado por el microcontrolador de la señal (1). La señal es rectificada y atenuada antes de llegar a la tarjeta del microcontrolador por la “Tarjeta de disparos e interfase”. Esta señal es para el swicheo del convertidor resonante (2).
Figura 3-14 Diagrama simplificado de un UPS
43
Protegido por un fusible la fuente de AC es convertida a CD por el puente rectificador de onda completa y esta de alimenta al convertidor resonante. El convertidor controla la potencia a alta frecuencia para activar al transformador TX1. La salida del transformador TX1 es rectificada por el segundo puente rectificador, y mantienen controlado el voltaje de CD en la masa de CD que es utilizado para alimentar al inversor. Cuando el UPS esta operando con la entrada de AC, el voltaje controlado en la masa de DC es utilizado para cargar las baterías. La sección del convertidor resonante esta diseñada con una bobina de choque L1 y el capacitor C3, estos están sintonizados a una frecuencia natural de 25 KHz. Las señales de control del microcontrolador dan el disparo (2) para los IGBT’s del convertidor. La corriente en el circuito del convertidor esta monitoreada por la corriente del transformador CT1 (3), colocado en la “Tarjeta de disparos e interfase”; también sobre la misma tarjeta se encuentra el monitoreo de la corriente del transformador TX1. Este transformador tiene dos bobinados secundarios, diseñados para usar “onda cuadrada”, para la salida de los IGBT’s del convertidor resonante. La reacción de la señal de la masa de CD (4) está conectado a través de la “tarjeta de disparos e interfase” al microcontrolador. El microcontrolador entonces ajusta la señal del convertidor resonante manteniendo un voltaje de DC bus constante. El voltaje regulado de la masa de CD mantiene a las baterías en flotación, y la entrada de CD de la sección del inversor. La corriente de baterías tiene protección a través de los fusibles FS2 y FS3; provisionado también para las baterías extras en caso de tenerlas. El incrementar a otro o más bancos de baterías se incrementa el tiempo de respaldo del UPS. La sección del inversor consiste en dos pares de IGBT’s de potencia. Estos son controlados por las señales que genera el microcontrolador, y conectados a los IGBT’s a través de la “tarjeta de disparos e interfase” (5). Dos IGBT’s Q1 y Q2 son controlados a una frecuencia de 60 Hz. Y el otro par Q3 y Q4 son dispositivos de alta frecuencia controlados a una frecuencia de 20 Khz por medio de una señal PWM. La salida del inversor esta conectada al transformador TX2 y la corriente es monitoreada por la corriente del transformador CT2, conectada a la línea de entrada de TX2. CT2 forma parte de la “tarjeta de disparos e interfase”. La corriente de salida es sensada por el CT2 (6) y es monitoreada por el microcontrolador a través de la “tarjeta de disparos e interfase”. Una señal de peligro será generada cuando la carga ó corriente de salida del UPS exceda los límites de la capacidad del UPS. Del transformador TX2, el microcontrolador monitorea el voltaje de salida a través de la señal (7), que pasa por la “tarjeta de disparos e interfase”. La salida de voltaje es medida por el microcontrolador y ajustar los disparos del PWM del inversor para mantener un voltaje de salida de 120 VAC. A través de la salida del transformador TX2 esta conectado el ventilador de enfriamiento del UPS, así es que este solo trabajara cuando el inversor este funcionando. La temperatura del UPS es sensada
44
por el termistor T1, colocado en el disipador de calor de los módulos de potencia. En caso de que falle el ventilador ó la temperatura del disipador rebase los 90 ºC, el termistor mandara una señal de alta temperatura al microprocesador y este detendrá el funcionamiento del inversor si se puede transfiriendo la carga a bypass y quedando alarmado de alta temperatura. En adición de las señales de operación normal del equipo y de las señales del microprocesador, las señales del estado del UPS se pueden obtener a través de la tarjeta de comunicaciones, que consisten en tarjetas con interfaces: 1.- Serial RS-232 2.- Modbus RS-485 3.- Red Ethernet
CAPITULO 4
4.1 TIPOS DE UPS.- A continuación se muestra una tabla con las principales tecnologías de fabricación de UPS’s.
TABLA 4.1 TIPOS DE UPS
Tipos de UPS OFF-LINE
INTERACTIVO
INTERACTIVO FERRORESONANTE
ON LINE (alto desempeño)
45
CAPITULO 4 - TIPOS Y MODOS DE OPERACIÓN DEL UPS
A continuación se muestra una tabla con las principales tecnologías de
Ventajas Desventajas
- Bajo costo. - Alta eficiencia. - Bajo tiempo de operación de los componentes de potencia. - Tamaño pequeño físicamente.
- No regula mientras trabaja en operación normal.- Transferencia a entrada de voltaje falla y esto provoca transitorios. - Los problemas del inversor son detectados hasta que existe un corte.- En algunos modelos la salida del inversor no es senoidal.
-Mediano costo. - Voltaje regulado a la salida todo el tiempo. - Onda senoidal a la salida. - Tamaño pequeño. - Alta eficiencia.
- Complejo diagrama de control.- Ciclo de carga y descarga de baterías frecuente.- Apagones frecuentes producen transitorios a la carga.- La combinación drectificador/inversor es la clposibles fallas.
INTERACTIVO FERRORESONANTE
- El transformador ferro resonante es un dispositivo confiable. - Alta eficiencia en operación normal. - Bajo tiempo de operación del inversor.
- Sensibilidad a las variaciones frecuencia. - Los problemas del inversor no son detectados hasta que existe un corte de energía. -Genera mucho calor y ruido.
- Voltaje regulado a la carga en todo momento. - Inversor en línea asegura respaldo en todo momento. - Forma de onda pura y limpia a la salida especial para equipos sensibles. - Ningún swicheo de CA o CD cuando falla la entrada de CA.
- Alto costo.
OS Y MODOS DE OPERACIÓN DEL UPS
A continuación se muestra una tabla con las principales tecnologías de
Desventajas No regula mientras trabaja en operación normal. Transferencia a inversor cuando la entrada de voltaje falla y esto provoca
Los problemas del inversor son detectados hasta que existe un corte. En algunos modelos la salida del inversor no es senoidal.
Complejo diagrama de control. Ciclo de carga y descarga de baterías frecuente. Apagones frecuentes producen transitorios a la carga. La combinación de ficador/inversor es la clave de
posibles fallas.
Sensibilidad a las variaciones de
Los problemas del inversor no son detectados hasta que existe un corte
Genera mucho calor y ruido.
4.2 MODOS DE OPERACIÓN DEL UPS
En las siguientes figuras
El UPS opera en forma “on line”, con la carga. El rectificador alimenta alpuede utilizarse para acondicionar la alimentación a la cargaproteger la carga de los transitoriel valor deseado. En caso de una falla en el inversoralimentación principal por medio del switch estático de manera limpia y sin interrupciones; si la sobrecarga fue momentánea el UPS regresa a operación “on line” automáticamente. El switch estático es un elemento extra que tienen los UPS de Alto Desempeño que tiene como función asegurar que la carga crítica siempre este alimentada de alguna fuente, ya sea de Inversor de UPS o de energía comercial.
46
MODOS DE OPERACIÓN DEL UPS DE ALTO DESEMPEÑO
se muestran los modos de operación de un UPS “On Line”.
OPERACIÓN NORMAL
Figura 4-1 Operación Normal.
El UPS opera en forma “on line”, el inversor opera en forma continua y su salida esta conectada con la carga. El rectificador alimenta al inversor y mantiene la carga de la batería en flotación
condicionar la alimentación a la carga como un regulador de voltajeproteger la carga de los transitorios en la alimentación principal y de mantener la fel valor deseado. En caso de una falla en el inversor o una sobrecarga, la carga se transfierealimentación principal por medio del switch estático de manera limpia y sin interrupciones; si la sobrecarga
regresa a operación “on line” automáticamente. El switch estático es un elemento extra que tienen los UPS de Alto Desempeño que tiene como
función asegurar que la carga crítica siempre este alimentada de alguna fuente, ya sea de Inversor de UPS
se muestran los modos de operación de un UPS “On Line”.
nua y su salida esta conectada la batería en flotación. El inversor
como un regulador de voltaje, a fin de y de mantener la frecuencia de la carga en
, la carga se transfiere a la alimentación principal por medio del switch estático de manera limpia y sin interrupciones; si la sobrecarga
El switch estático es un elemento extra que tienen los UPS de Alto Desempeño que tiene como función asegurar que la carga crítica siempre este alimentada de alguna fuente, ya sea de Inversor de UPS
El UPS opera en forma “on battery”, la alimentación de entrada se ha perdido y el rectificador se ha apagado. No es necesaria alguna transferencia ya que las forma continua y su salida está baterías que en promedio es de 5 a 15 minutos con el UPS a plena carga de su capacidad. En caso de una falla en el inversorcompletamente.
47
OPERACIÓN EN BATERÍAS (FALLA DE ENTRADA)
Figura 4-2 Operación en Baterías.
El UPS opera en forma “on battery”, la alimentación de entrada se ha perdido y el rectificador se ha apagado. No es necesaria alguna transferencia ya que las baterías alimentan al inversor que opera en
conectada con la carga. El UPS trabajará hasta agotar la carga de las baterías que en promedio es de 5 a 15 minutos con el UPS a plena carga de su capacidad.
en el inversor en este momento la carga se perderá, apagándose el UPS
El UPS opera en forma “on battery”, la alimentación de entrada se ha perdido y el rectificador se ha baterías alimentan al inversor que opera en
El UPS trabajará hasta agotar la carga de las baterías que en promedio es de 5 a 15 minutos con el UPS a plena carga de su capacidad.
en este momento la carga se perderá, apagándose el UPS
Figura 4
El UPS opera en forma “on line”, el inversor opera en forma continucon la carga. El rectificador alimenta al inversor y en esta ocasión la corriente de carga de las baterías de respaldo es mayor. En caso de una falla en el inversor, la carga se transfiere a la alimentación principal. Pero en caso de falla de alimentación de entrada ede las baterías no se ha completado y perderábaterías al 90% se obtiene multiplicando los minutos de descarga por 10 veces.
48
NORMAL / RECARGA DE BATERÍAS (REGRESA LA ENTRADA)
Figura 4-3 Operación en recarga de Baterías.
El UPS opera en forma “on line”, el inversor opera en forma continua y su salida esta conectada con la carga. El rectificador alimenta al inversor y en esta ocasión la corriente de carga de las baterías de respaldo es mayor. En caso de una falla en el inversor, la carga se transfiere a la alimentación principal.
caso de falla de alimentación de entrada el UPS respaldará menorno se ha completado y perderá capacidad rápidamente. Un tiempo estimado de carga de
baterías al 90% se obtiene multiplicando los minutos de descarga por 10 veces.
a y su salida esta conectada con la carga. El rectificador alimenta al inversor y en esta ocasión la corriente de carga de las baterías de respaldo es mayor. En caso de una falla en el inversor, la carga se transfiere a la alimentación principal.
respaldará menor tiempo, ya que la carga Un tiempo estimado de carga de
Figura 4
El UPS opera en forma “on bypass”, la carga esta alimentadalimentación de entrada falla, la carga se perderáocurrido una falla en el inversor o se ha provocando una sobrecarga (por ejeswitch estático transfiriendo la carga del inversor a la línea comercial de forma limpia, en este último caso si la sobrecarga fue momentánea el UPS regresa a su operación normal auto
49
BYPASS AUTOMÁTICO
Figura 4-4 Operación en Bypass Automático.
El UPS opera en forma “on bypass”, la carga esta alimentada desde la fuenterada falla, la carga se perderá. El UPS opera en esta forma por dos razones: H
ocurrido una falla en el inversor o se ha demandado mayor corriente que puede soportar el inversor por ejemplo: corto circuito en la carga) y para no perder la car
switch estático transfiriendo la carga del inversor a la línea comercial de forma limpia, en este último caso si la sobrecarga fue momentánea el UPS regresa a su operación normal automáticamente.
a desde la fuente principal de CA. Si la a en esta forma por dos razones: Ha
demandado mayor corriente que puede soportar el inversor y para no perder la carga se activa el
switch estático transfiriendo la carga del inversor a la línea comercial de forma limpia, en este último caso si máticamente.
Figura 4-5
El UPS opera en forma “on bypass” y la carga estáeste caso el control del UPS queda totalmente fueramanual. Si la alimentación de entrada falde operación ya que se puede llevar a cab(si el “bypass” es externo) se puede retirar el UPS para su traslado o reparación Es muy importante recordar que genera en inversor, por lo cual se debe de operación de los interruptores del bypass manual perder la carga critica e incluso dañar severamente elcon desfasamiento.
50
BYPASS MANUAL (MANTENIMIENTO)
Operación en Bypass Manual de Mantenimiento.
orma “on bypass” y la carga está alimentada desde la fuente principal de este caso el control del UPS queda totalmente fuera y solo pudo haber llegado a este modo en forma manual. Si la alimentación de entrada falla, la carga crítica se perderá, pero también es muy útil este modo
ya que se puede llevar a cabo el mantenimiento preventivo y/o correctivo y en algunos (si el “bypass” es externo) se puede retirar el UPS para su traslado o reparación mayor
Es muy importante recordar que la fuente de voltaje de CA de la red eléctrica es distinta a la que , por lo cual se debe de tener conocimiento y mucho cuidado cuando se real
del bypass manual externo, ya que si es operado incorrectamente se puede a carga critica e incluso dañar severamente el inversor si se unen dos fuentes de voltaj
Operación en Bypass Manual de Mantenimiento.
esde la fuente principal de CA. En y solo pudo haber llegado a este modo en forma
, pero también es muy útil este modo correctivo y en algunos casos mayor. Ver Figura 4.6.
de la red eléctrica es distinta a la que tener conocimiento y mucho cuidado cuando se realice la
ya que si es operado incorrectamente se puede inversor si se unen dos fuentes de voltaje distintas
Figura 4 Operación en Línea Los interruptores termomagnéticos CB1 y CB2 están normalmente cerradosnormalmente abierto. Operación de UPS a Bypass externo: 1.- Antes que nada hay que colocar el UPS en Modo de Bypass, esto para evitar un daño en el equipo antes de operar los interruptores.2.- Se cierra el interruptor CB3. 3.- Se abren los interruptores CB2 y CB1 en ese orden.4.- Ahora se puede intervenir el UPS sin riesgos o incluso retirarlo. Operación de Bypass externo a UPS: 1.- Se cierran los interruptores CB1 y CB2.2.- EL UPS se coloca en Modo Bypass.2.- Se abre el interruptor CB3. 3.- El UPS se coloca en Modo On
51
OPERACIÓN DE BYPASS EXTERNO
Figura 4-6 Sistema UPS con bypass externo.
Los interruptores termomagnéticos CB1 y CB2 están normalmente cerrados, pero el interruptor CB3 está
externo:
Antes que nada hay que colocar el UPS en Modo de Bypass, esto para evitar un daño en el equipo antes de operar los interruptores.
Se abren los interruptores CB2 y CB1 en ese orden. Ahora se puede intervenir el UPS sin riesgos o incluso retirarlo.
Operación de Bypass externo a UPS:
Se cierran los interruptores CB1 y CB2. en Modo Bypass.
en Modo On-line.
pero el interruptor CB3 está
Antes que nada hay que colocar el UPS en Modo de Bypass, esto para evitar un daño en el equipo
52
4.3 LUCES INDICADORAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN UPS
Figura 4-6 Panel de control de un UPS marca Eaton.
Normalmente un UPS’s tiene tres colores indicadoras de estado del UPS que por analogía trabajan como un semáforo: una verde (operación normal), una de color ámbar (advertencia de un evento) y una roja (falla del UPS) que se encuentran localizadas arriba del display LCD, como se muestra en la figura 4-6. • Indicador de Energía a la carga crítica (Power indicator – verde): El indicador verde está mostrando que la carga crítica está siendo alimentada, si solo este indicador esta encendido significa que no hay problemas (UPS on line) o en caso de haberlos el equipo está listo para respaldar adecuadamente. En la mayor parte del tiempo es el único indicador encendido. • Indicador del estado de la Batería (Battery indicator – ámbar): El indicador de color ámbar localizado por encima del símbolo de la batería esta asociado con el estado de la batería. Significa que hubo un corte o parpadeo de energía eléctrica comercial y la carga está siendo respaldada por las baterías, el indicador verde aun debe permanecer encendido. Cuando se restablece las condiciones normales de energía de forma automática se paga este indicador ámbar.
53
• Indicador de apagado de inversor (Bypass indicator – ámbar): Al activarse este indicador significa que por motivos de operación manual durante el encendido o apagado del UPS está en modo de bypass. El indicador verde permanece encendido pero en el evento de un corte de energía comercial se perderá la carga. • Indicador de alarma (Alarm indicator – rojo): Al encenderse este indicador en rojo significa que ha ocurrido un evento en el UPS y no habrá respaldo en caso de un corte de energía comercial, se debe encender al mismo tiempo el indicador ámbar Bypass. Para su restablecimiento normal requiere de atención o servicio técnico el UPS. 4.4 CONTROL Y OPERACIÓN DEL UPS • Botón de encendido y apagado (On/Off): Este botón tiene la función de encender el UPS presionando este por aproximadamente 3 segundos, para el caso de apagarlo se hace el mismo procedimiento. • Display de LCD (cristal líquido): Este display muestra de manera de texto en varios idiomas las mediciones de voltaje, corriente, frecuencia, capacidad de baterías y del UPS; así como las alarmas que se presenten. • Botones de navegación: Tiene 4 botones de navegación que ayudan a ver más pantallas del menú en el display para configurar algún parámetro o simplemente ver el estado del mismo. Con los botones de flechas arriba y abajo se observan estas pantallas; con el botón de Enter seleccionamos las pantallas y con el botón de Escape salimos de la pantalla actual.
54
CAPITULO 5 - MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y CORRECTIVO
5.1 INTRODUCCIÓN AL MANTENIMIENTO ELECTRÓNICO El mantenimiento electrónico se divide en: • Mantenimiento Preventivo. • Mantenimiento Correctivo. El Mantenimiento Preventivo se lleva a cabo para mantener en buen estado de operación al UPS y sus baterías. El mantenimiento preventivo se lleva a cabo periódicamente de acuerdo a un programa, previamente realizado. La periodicidad de este tipo de mantenimiento depende de la carga que alimenta y el área en donde se encuentra el equipo, sin embargo se puede generalizar que puede ser semestral o trimestral. Se proporciona mantenimiento preventivo a las baterías, ventiladores, tarjetas electrónicas etc. Dicho servicio va desde una sopleteada (con turbina de aire) y limpieza hasta la revisión y ajuste de las tarjetas. También se pueden realizar algunas pruebas como la prueba de corte de energía, de transferencia y retransferencia y a las baterías prueba de descarga. El mantenimiento correctivo se lleva a cabo cuando ha ocurrido una falla grave o defecto crítico que afecta en modo importante la operación del UPS o a las baterías. Este mantenimiento se proporciona de urgencia y puede estar sujeto a la póliza de servicio. Este tipo de mantenimiento ocurre principalmente cuando ha ocurrido un evento en la red de comisión o en la carga que alimenta el UPS. 5.2 MANTENIMIENTO PREVENTIVO. Debido a que UPS soporta la carga crítica de una empresa no siempre el cliente permite que se apague el UPS o en su defecto se transfiera la carga a bypass para llevar a cabo el mantenimiento preventivo. Cuando la carga es demasiado crítica como un servidor de red ó un equipo de telecomunicaciones, es recomendable realizar el mantenimiento en días y horarios inhábiles para evitar riesgos innecesarios. El mantenimiento preventivo para UPS puede ser de 2 tipos: • Mantenimiento Preventivo sin paro (trimestral). • Mantenimiento Preventivo con paro (semestral). El Mantenimiento Preventivo sin paro (trimestral), se lleva a cabo normalmente en horas de trabajo y se debe de tener mucho cuidado ya que cualquier error podría provocar un apagón en la carga o lo que es peor dañar el UPS.
55
A continuación se muestra una serie de actividades a realizar en el Mantenimiento Preventivo sin paro: • Revisar la correcta instalación eléctrica y polarizada adecuadamente. • Revisar la correcta instalación a Tierra Física. • Verificar formas de onda de entrada y salida del UPS. • Revisar que los interruptores de los tableros estén en posición correcta. • Revisar que el equipo se encuentre protegido de humedad, polvo, calor etc. • Realizar limpieza exterior (con estopa y líquido limpiador especial para cubiertas de plástico o metal). • Revisar panel y lógica del equipo. • Revisar panel remoto (si existe). • Revisar el historial de alarmas (si existe). (Las siguientes actividades se realizan con el equipo abierto) • Tomar el voltaje de flotación de cada una de las baterías y si una batería varia su voltaje o su voltaje
esta fuera de los valores nominales (2.17 a 2.31 VDC por celda), esta batería ya no es confiable y se recomienda cambiarla lo antes posible.
• Anotar las condiciones de operación del sistema: - Voltaje de entrada y salida del UPS - Frecuencia de entrada - Voltaje del rectificador - Voltaje entre neutro y tierra. - Voltaje del cargador de baterías. - Corriente de entrada del UPS - Frecuencia del inversor. - Corriente utilizada por la carga • Revisar los ventiladores y temperatura de los disipadores. • Revisión de componentes eléctricos y electrónicos visualmente. • Verificar la temperatura de los transformadores, semiconductores, cables, disipadores de calor, etc. • Escuchar el ruido del UPS y si es anormal verificar de donde proviene y anotarlo en el reporte. • Llenar reporte de UPS y de Baterías. El Mantenimiento Preventivo con paro (semestral) se lleva a cabo normalmente en horarios fuera de trabajo y se puede tener más confianza para la limpieza y ajuste del equipo. A continuación se muestra una serie de actividades a realizar en el Mantenimiento Preventivo con paro: • Realizar las actividades del Mantenimiento Preventivo sin paro. • Limpieza general en baterías y conectores. • Prueba de descarga a las baterías (esta prueba debe ser sin el cargador de baterías activo). • Realizar limpieza interior y sopleteado. • Verificar los ajustes electrónicos en cada tarjeta. • Realizar prueba de sincronía con la planta de emergencia (si existe). • Simular falla de alimentación principal y verificar que el UPS respalde la carga. • Comprobar que no exista interrupción a la salida del sistema cuando se realice la transferencia y la
retransferencia.
56
5.3 MANTENIMIENTO CORRECTIVO A continuación se muestra una guía de posibles problemas que se puede consultar antes realizar alguna reparación mayor al UPS. Las luces indicadoras están basadas en el display de la figura 4-6. TABLA 5.1 GUÍA DE POSIBLES PROBLEMAS.
SÍNTOMAS POSIBLE PROBLEMA SOLUCIÓN Todas las luces están apagadas El UPS no está conectado o la
línea de CA no está presente. El botón de encendido no se ha presionado.
Conecte el UPS a la línea de 120 VCA y 60 Hz. Presione el botón de encendido. La luz verde se debe de encender. Presione el botón de encendido y el indicador verde debe encender.
Durante un corte real o simulación de pérdida de energía comercial el indicador amarillo "Battery" se encendió brevemente y después se apagó sin respaldar la carga
La batería tiene poca carga o cerca del fin de su vida útil.
Permita que el UPS cargue las baterías por 12 horas, después realice la prueba de corte. Dependiendo los resultados decida si se reemplaza por una nueva la batería.
La luz verde de encendido está parpadeando
La energía de CA está distorsionada o la frecuencia no es estable. El voltaje de entrada está fuera de rango (más del 10 % arriba o menos del 15% abajo del valor nominal).
El UPS se comporta así debido a un disturbio a la entrada de CA. Solo espere que se estabilice correctamente UPS. Trate de corregir la fuente de energía de CA y no intente hacer alguna transferencia.
La luz verde de encendido está apagada y la luz amarilla " Battery" está encendida
La protección de sobre corriente se ha activado y no ha sido reestablecido.
Oprima el interruptor térmico que protege al UPS o cambie el fusible de entrada, asegúrese de revisar previamente el UPS y que no esté sobrecargado.
La luz roja de "Alarm” está encendida y el UPS no proporciona energía.
El UPS ha sufrido un daño y/o no respalda adecuadamente. Existe una condición de sobrecarga en el UPS.
Se requiere revisar el UPS en su interior y probablemente reemplazar componentes dañados. Reduzca la carga conectada al UPS hasta que la luz roja se apague.
La luz que indica "Battery" permanece encendida
Las baterías están en malas condiciones o necesitan ser reemplazadas.
Permita que el UPS cargue las baterías por 12 horas y reestablezca el equipo (apáguelo por unos segundos y enciéndalo), si la luz permanece encendida el reemplazo de las baterías es necesario.
Nota: Las luces indicadoras pueden variar un poco dependiendo de la marca o modelo del UPS pero en general son las mismas.
57
Siempre que se realice un mantenimiento correctivo se debe primeramente desenergizar el UPS y abrir el interruptor de baterías, de no ser así, se corre el riesgo de recibir una descarga eléctrica. Después se puede proceder a realizar una inspección visual de los componentes y si existe algún daño no intentar encenderlo ya que podríamos provocar un daño mayor. Para ayudarnos a realizar esta inspección es recomendable sopletear ligeramente el equipo y limpiar con líquido las tarjetas de control.
ADVERTENCIA
CUANDO TRABAJE CON UN UPS RECUERDE QUE EL EQUIPO CONTIENE VOLTAJE TODO EL TIEMPO A PESAR DE QUE SE HA DESCONECTADO LA FUENTE PRINCIPAL DE ENERGÍA. ES ESENCIALMENTE IMPORTANTE QUE LEA Y ENTIENDA LA INFORMACIÓN CONTENIDA EN ESTE MANUAL.
Revisión visual: • Capacitores electrolíticos: Revisar de un posible agujero, inflado, abierto, etc. • Componentes magnéticos: Revisar de posibles recalentamientos o pérdida de aislante. • Cables y conectores: Revisar cables de posibles chispazos, rozaduras o recalentamiento y revisar que
los conectores estén apretados. • Tarjetas electrónicas: Revisar la limpieza e integridad de las tarjetas. • Baterías: Revisar algún signo de ácido, deformación o corrosión y también los conectores. Si el UPS no presenta daño visual como un componente flameado o dañado, se puede proceder a revisarlo con multímetro, es posible que se encuentre algún fusible abierto y si es así, no se debe cambiar sin antes revisar el circuito que alimenta ese fusible, ya que si se abrió es probable que tenga algún corto circuito y al energizarlo se vuelva a abrir provocando un daño mayor. Algunos UPS de poca capacidad se pueden encender únicamente con el voltaje de baterías pero la mayoría requieren de una entrada de AC estable para arrancar, también es importante revisar el voltaje de las baterías ya que algunos UPS no encienden con las baterías bajas, esto debido a que la tarjeta de control del UPS se alimenta de las baterías.
CUIDADO
EL SIGUIENTE PROCEDIMIENTO DEBE SER DEL CONOCIMIENTO Y COOPERACIÓN DEL USUARIO YA QUE LA CARGA CRITICA O LOS PROCESOS PUEDEN PERDERSE.
La mayoría de los UPS’s realizan una auto prueba al encender y si esta no se completa el proceso de encendido se detiene o aborta, por lo que es importante observar en que momento se detiene el proceso de encendido y si nos da una alarma visual o en texto revisar en el manual del equipo a que alarma se refiere.
58
Es muy importante que cuando se estén realizando pruebas de arranque con el UPS se haga sin carga y una vez que arranque revisar el voltaje de salida antes de conectar la carga. El voltaje se debe estar monitoreando mientras aumenta el amperaje de salida cuidando de no sobrecargar al UPS o el voltaje de salida quede fuera de límites. Revisión de la masa de CD: • Revisar el puente de diodos y si está en combinación con un rectificador controlado de SCR’s revisar
también que ningún SCR se encuentre en corto circuito. • Desconectar las terminales y medir la impedancia ente las terminales como se muestra en la figura 5-1. • Desconectar y medir los capacitores electrolíticos con un capacímetro y verificar que la lectura tomada
coincida con la etiqueta del capacitor o con el valor que marca el diagrama electrónico del equipo. • Si no se encontró nada dañado conectar el UPS, encenderlo y medir el voltaje a la salida del
rectificador ó el de los capacitores electrolíticos de filtrado de CD. El voltaje medido debe ser igual al voltaje pico de la onda senoidal que entra al puente rectificador.
AK2K1A
Resistencia entre A-AK2; AK2-K1,(inversa) mayor a 20 ohms
A K1 AK2
(polarizado) entre 500 ohms-1K ohms.
Figura 5-1 Comprobación el puente rectificador.
Revisión del cargador de baterías: • Revisar el MOSFET o IGBT del cargador de Baterías y sus circuitos auxiliares. • Revisar cuando encienda el UPS que se eleve el voltaje de las baterías al voltaje de flotación y medir el
amperaje. • Revisar que el voltaje de flotación de las baterías tenga una pequeña variación, esto debido a que el
cargador es un circuito PWM y provoca pulsos de corriente a las baterías. • Observar la señal de los disparos (PWM) que es generada por la tarjeta del microprocesador, esta
debe de ser muy parecida a la que se muestra en la figura 5-2.
59
Figura 5-2 Revisión de los disparos del cargador de baterías.
Revisión del inversor: En el caso de una falla en el convertidor resonante o en el inversor, es muy posible que este daño lo hubieran provocado los dispositivos de potencia. A continuación se muestran los procedimientos para revisar los transistores de potencia del inversor basándose en TRANSISTORES (BJT), MOSFETS o IGBT’s. Cuando se revisen los Transistores de potencia, ya sea Transistores (BJT), MOSFETS, IGBT’S los valores de las mediciones pueden variar un poco debido a las interconexiones eléctricas, es por eso que se deben de desconectar los cables del Transistor que se desea revisar. Revisión de Transistores de Potencia (BJT): Un transistor de juntura (BJT) es un dispositivo controlado por corriente, que requiere de corriente de base para controlar el flujo de corriente del colector. Dado que la corriente del colector depende de la corriente de entrada (o de la base), la ganancia de corriente es altamente dependiente de la temperatura de la unión. Un transistor bipolar se forma añadiendo una segunda región p o n a un diodo de unión pn. Las tres terminales se llaman colector, emisor y base (figura 5-3). Un transistor tiene dos uniones la unión colector base (CBJ) y la unión base emisor (BEJ).
60
B
E
C
Ic
Ie
Ib B
E
C
Ic
Ie
Ib
a) Transistor NPN b) Transistor PNP
Figura 5-3 Circuito equivalente de un transistor de potencia (BJT).
En un Transistor (BJT), existen tres regiones de operación: de corte, activa y de saturación. En la región de corte, el transistor se encuentra desactivado o la corriente de base no es suficiente para activarlo teniendo ambas uniones polarización inversa (figura 5-4). En la región activa, el transistor actúa como un amplificador, donde la corriente del colector queda amplificada mediante una ganancia y el voltaje colector-emisor disminuye con la corriente de base. La unión colector-base tiene polarización inversa, y la base-emisor polarización directa. En la región de saturación, la corriente de base es lo suficientemente alta para que el voltaje colector-emisor sea bajo, y el transistor actúe como interruptor.
Base Emisor
Colector
+ Colector+ Emisor+ Base+ Emisor+ Base+ Colector
- Colector- Emisor
- Emisor
- Colector- Base
- Base
10 M ohms610-810 ohms
200 ohms200 ohms
10 M ohms780-980 ohms
Multimetro en ohms
Figura 5-4 Comprobación de un transistor de potencia (BJT). Revisión de MOSFETS de potencia: El MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje, que requiere sólo de una pequeña corriente de entrada. La velocidad de conmutación es muy alta siendo los tiempos de conmutación del orden de los nanosegundos. El símbolo de un Mosfet se muestra en la figura 5-5. Sus tres terminales son compuerta, drenaje y fuente.
61
G1S1 S2
Aux.
D1 S D2
G2
Figura 5-5 Circuito equivalente de un MOSFET de potencia.
Los MOSFETS son dispositivos controlados por voltaje, por lo que tienen una impedancia de entrada muy alta. Sin embargo, los MOSFETS tienen problemas de descargas electrostáticas, por lo que su manejo requiere de cuidados especiales (usar pulseras antiestáticas). Además, es relativamente difícil protegerlos bajo condiciones de falla por corto circuito. En la figura 5-6 se muestran las impedancias normales que nos debe de medir un Mosfet.
+ D2+ S+ D1+ D2+ S+ D1
- D1- S
- D2
- D2- D1
- S
10 M ohms610-810 ohms
10 M ohms
Multimetro en ohms
D1
S
D2S2
G2
S1
G1
± S ±S1 ±S2 0-1 ohms
10 M ohms10 M ohms610-810 ohms
Figura 5-6 Comprobación de un MOSFET de potencia
Revisión de IGBT’S: Los IGBT’S combinan las ventajas de los Transistores BJT y de los MOSFETS. Un IGBT tiene una alta impedancia de entrada igual que los MOSFETS y baja pérdidas de conducción en estado activo, como los BJT. Un IGBT es un dispositivo controlado por voltaje, similar a un MOSFET de potencia. Tiene menores pérdidas de conmutación y de conducción, en tanto comparte muchas de las características atractivas de los MOSFETS de potencia como la facilidad de excitación de la compuerta, la corriente de pico, la capacidad y la resistencia. Sin embargo, la velocidad es inferior a la de los MOSFETS.
62
El símbolo de un interruptor IGBT se muestra en la figura 5-7. Las tres terminales son compuerta, colector y emisor, en vez de compuerta, drenaje y fuente de un MOSFET.
C1
G1 E1/C2 G2
E1 E2
E2
(B1) (B2)
Figura 5-7 Circuito equivalente.
El procedimiento para activar y revisar los IGBT se muestra a continuación, al finalizar para evitar algún problema es preferible dejar desactivados los IGBT’s. Figuras 5-8, 5-9 y 5-10. Nota: Cada módulo de potencia contiene un par de IGBT’s que deben de ser revisados individualmente.
Figura 5-8 Comprobación de los diodos internos.
63
Figura 5-9 Comprobación del primer IGBT.
Figura 5-10 Comprobación del segundo IGBT.
64
Observación: En algunos inversores de UPS’s los transistores de potencia pueden operarse en serie para aumentar su capacidad de manejo de voltaje, es muy importante que los transistores conectados en serie estén activados al mismo tiempo y desactivados en forma simultánea. En algunos otros, los transistores se conectan en paralelo para manejar una mayor demanda de corriente de la carga, estos transistores deberán ser pareados en lo que se refiere a ganancia, transconductancia, voltaje de saturación, tiempos de activación y tiempos de desactivación. Revisión de baterías: Fallas de Baterías Mientras el UPS se encuentre en operación se pueden detectar algunas anomalías en las baterías. A continuación se muestran las posibles fallas que puede presentar una batería y como detectarlas con el cargador encendido.
-- 13.5 VDC. --
54.0 VDC+ -
Cargadoro
Distribución del Voltaje de Carga
-- 13.5 VDC. -- -- 13.5 VDC. -- -- 13.5 VDC. --
Rectificador
Figura 5-11 Falla de Tierra (Una celda se aterrizó con el chasis del gabinete).
-- 11.85 VDC. --
54.0 VDC+ -
-- 13.90 VDC. -- -- 14.10 VDC. -- -- 14.15 VDC. --
Distribución del Voltaje de Carga
Cargadoro
Rectificador
Figura 5-12 Celda con bajo Voltaje (Una celda se puso en corto circuito).
65
-- 12.90 VDC. --
54.0 VDC+ -
-- 12.90 VDC. -- -- 12.90 VDC. -- -- 15.30 VDC. --
Distribución del Voltaje de Carga
Cargadoro
Rectificador
Figura 5-13 Celda con alto Voltaje (Una celda se abrió del resto).
Pruebas de baterías: La siguiente tabla muestra las pruebas más comunes que se le pueden realizar a las baterías para detectar una posible anomalía. TABLA 5.2 PRUEBA DE BATERÍAS.
PRUEBASDAÑOS EN BATERIAS
VOLTAJE DEBATERIA
VOLTAJE DEFLOTACIÓN
CORRIENTEDE FLOTACIÓN
PRUEBA DE DESCARGA
DESCARGA DE CELDAS X X X
CELDAS EN CORTO X X X X
CELDAS ABIERTAS X X X X
CELDAS CON ALTA RESISTENCIA X
BAJA CAPACIDAD DE CELDAS X
CELDAS SOSPECHOSAS X X X Las pruebas de baterías, por su manera de realizarse, pueden ser de dos tipos: con el cargador encendido (voltaje de flotación y corriente de flotación) y sin el cargador (voltaje de batería y prueba de descarga): • Las pruebas con el cargador encendido se deben de realizar con mucho cuidado ya que el equipo se
encuentra en operación normal y existe el riesgo de un choque eléctrico. • Las pruebas sin el cargador se pueden realizar con el equipo operando, si tiene interruptor de baterías,
pero con la consigna de que el UPS se alarme y quede sin respaldo la carga. Así es que es preferible transferir a bypass o apagar completamente el UPS para realizar estas pruebas.
66
Nota: Para las siguientes pruebas es necesario revisar todas y cada una de las baterías. Debido a que el banco de baterías se encuentra conectado en serie. No es necesario desconectar los puentes conectores.
-- 13.5 VDC. -- -- 13.5 VDC. --
a) Voltaje de flotación b) Corriente de flotación
(multimetro en Volts)
(multimetro en Amperes)
De 13.4 VDC a 13.98 VDC buena.Menos 13.4 VDC mala.
Mas 13.98 VDC mala. De 0 a .5 Amp. si esta cargada. De 0.5 Amp. a 2 si esta descargada. La corriente debera disminuir conformese va cargando.
Cargadoro
Rectificador
Cargadoro
Rectificador
Figura 5-14 Pruebas con el cargador.
-- 12.5 VDC. --
a) Voltaje de Bateria
-- 11.5 VDC. --
b) Prueba de descarga.
3 ohms 100 Watts
mas de 11.5 VDC buena.
(multimetro en Volts)
Cargadoro
Rectificador(multimetro en Volts)
Cargadoro
Rectificador
Duración 5 seg:mas de 11.8 VDC buena. de 11.6 VDC a 11.0 VDC necesita recarga.menos de 10.8 VDC mala.
Figura 5-15 Pruebas sin el cargador.
67
Revisión del Switch o Interruptor Estático: • Revisar los SCR del Switch estático como se muestra en la figura 5-16. • Se debe de revisar si el UPS es capaz de transferir el voltaje de línea comercial a voltaje del inversor
sin que exista un parpadeo a la salida del UPS y viceversa.
K2G2
K1G1
AK2 K1 A
Resistencia entre AK2-K1; A-AK2 mayor a 500 K ohmsResistencia entre G2-K2; G1-K1 mayor a 20 ohms
Figura 5-16 Revisión de los SCR’s del Switch estático.
Revisión de la tarjeta generadora de disparos y de la fuente de swicheo: Fuente de Swicheo: La fuente de swicheo consta básicamente de un C.I. de modulación de ancho de pulso, transformadores, transistores, diodos de protección y sus resistencias de polarización, capacitores cerámicos para la alta frecuencia, capacitores para filtro, capacitores para ruido, un puente rectificador y componentes auxiliares (figura 5-17). Como se puede observar el corazón de la fuente de swicheo es el C.I. de modulación de anchura de pulso, de frecuencia fija y el músculo, que es lo que más se daña son los transistores bipolares o Mosfets amplificadores de potencia. En caso de que en el UPS no enciende y no de señal alguna es probable que la fuente de swicheo este dañada, lo más común que se puede dar es que el fusible pico se encuentre abierto y algún transistor dañado. Disparos del convertidor resonante y del inversor: Siempre que se realice un mantenimiento correctivo es muy importante que se revise la impedancia de los disparos del inversor. Esta medición se puede hacer en la tarjeta generadora de disparos o en el mismo semiconductor (figura 5-17), esta impedancia debe ser del orden de los KΩ. Si alguno de los disparos da una impedancia distinta no se debe de intentar encender el UPS ya que podría dañar el inversor.
68
El circuito de cada disparo esta integrado por resistencias, diodos, transistores, capacitores, transformadores etc. y son simétricos entre sí (figura 5-17). Por lo que tenemos la gran ventaja de poder comparar las mediciones de una sección con la de los otros disparos y así determinar que componentes cambiar para reparar la tarjeta. Si el UPS tiene convertidor resonante también se deben de revisar los disparos de esa sección.
Figura 5-17 “Gate Drive and P.F.C. board”. Para mayor seguridad se puede utilizar el osciloscopio para observar la señal de los disparos. Algunos UPS’s tienen la opción de realizar un arranque “en frío” o en modo de “mantenimiento” esto
69
significa que se puede energizar el control del UPS y simular su operación sin aplicar potencia. Esto nos puede ser de gran utilidad ya que podemos comprobar la operación de los disparos sin dañar los semiconductores de potencia. Si el UPS puede encender por secciones, el primero en activarse es el convertidor resonante y después el inversor por lo que se deberá primero revisar los disparos del convertidor. La señal observada para los disparos del convertidor resonante debe ser similar a la que se muestra en la figura 5-17.
Figura 5-18 Revisión de los disparos PWM del convertidor resonante.
Después de revisar la salida de voltaje de CD del convertidor se puede proceder a revisar la señal observada para los disparos del inversor que debe ser similar a la que se muestra en la figura 5-17
Figura 5-19 Revisión de los disparos del PWM del inversor.
70
Revisión de la tarjeta de control: Cuando se llega a dañar la tarjeta del microprocesador es muy difícil repararla debido a su arquitectura tan compleja y porque contiene en su mayoría C.I. En pocas ocasiones se puede reparar al encontrarse un diodo, un fusible pico o una resistencia dañada, en caso contrario se recomienda el reemplazo por una nueva. Lo que ocurre frecuentemente con los UPS’s con mayor vida de uso, es que no encienden y despliegan “basura” en el display, es una falla provocada por la memoria ROM ya que esta se encuentra dañada o a llegado al fin de su vida útil que es de 10 años. En algunos casos se puede sustituir solicitando los integrados al fabricante pero es probable que el fabricante haya creado diferentes versiones y revisiones del programa original por lo que se deberá de comprobar que realmente funcione con la nueva memoria. Revisión de fusibles, varistores y ventiladores: Los fusibles deben marcar una resistencia muy baja que tiende a 0 ohm y estos se deben revisar fuera de su base o de los portafusiles para evitar alguna medición errónea. Nunca se debe reemplazar un fusible por otro que no sea del mismo voltaje y amperaje del que se abrió. Los varistores deben de marcar una resistencia muy alta que tiende a infinito y no deben de verse requemados o calcinados. Al reemplazarse un varistor se debe de tener cuidado en comprarlo del mismo voltaje pico que soporta y de la misma capacidad de Joules. Los ventiladores no deber emitir un ruido excesivo o rozar con alguna pieza del UPS. Algunos ventiladores ruidosos tienen solución ya sea limpiándolos con una franela húmeda y agregándole unas gotas de aceite a la flecha, a otros se les pueden cambiar los valeros. Para los ventiladores que se encuentren pegados o quemados del embobinado lo más recomendable es reemplazarlo por uno nuevo. Antes de comprar un ventilador nuevo se debe de tomar en cuenta varios aspectos como el tamaño, a que voltaje se alimenta, el tipo de voltaje con el que se alimenta (CD o CA) y los amperes o wataje que consume.
71
5.4 CALCULO DE CAPACIDADES DEL UPS Para poder estimar si un UPS se encuentra a la medida de nuestras necesidades o si se encuentra instalado para saber si no está sobrecargado, existen varios caminos dependiendo de la información que se tenga a la mano. Típicamente las fuentes de las computadoras o en la entrada de los equipos se encuentran los datos de placa y las condiciones eléctricas que requiere el equipo. Teniendo presente los KVA’s requeridos se puede utilizar alguna de las siguientes fórmulas: 1. - Kilowatts (KW) y factor de potencia (pf)
pf
KWKVA =
(si pf no es conocido se asume como 0.8) 2. - Conociendo los Amperes y el voltaje de un equipo trifásico o un conjunto de equipos.
1000
3** AVKVA =
(Si es monofásico se elimina la raíz de 3) 3. - Calculo de BTU/hr o kcal/hr.
860
/
3413
/ hrkcalhrBTUKW ==
pf
KWKVA =
(si pf no es conocido se asume como 0.8) 4. - Otras conversiones
)(
)(
entradaKW
salidaKWEficiencia =
Whp 7461 =
72
5.5 REPORTES DE SERVICIO Y DE BATERÍAS REPORTE DE SERVICIO A UPS
Servicio: Preventivo ( ) Correctivo ( ) Arranque ( )
Compañia:
Domicilio:
Responsable:
Ciudad: Tel.:
Marca:
Modelo:
Nº. de Serie:
Capacidad:
SERVICIOS: LECTURAS:
VAC:
C-NA-B B-C C-A B-N
Entrada:
Salida:
N-TierraA-N
VDC:
D.C. Link: Voltaje del Rectificador:
CORRIENTES Y CARGA:
Entrada:
Salida:
a b c N Total de KVA % Carga
FRECUENCIAS:
Entrada: Salida:
Limpieza Externa:
Limpieza de Ventiladores:
Revición de conecciones:
Sopleteado:
( )
( )
( )
( )
PRUEBAS:
Falla de Energia:
Sincronización con Planta:
Transferencia:
Retransferencia:
( )
( )
( )
( )
TEMPERATURAS:
Del cuarto:
Interna del UPS:
____. ºC
____. ºC
BATERIAS: MATERIALES:
OBSERVACIONES:
REALIZO:RECIBIO:
Nombre: Nombre:
Firma: Firma:
Fecha: Hora de llegada: ______. Hora de Salida: ______.
Flotacion ( ) Carga ( ) Descarga ( )
Voltaje:
Corriente:
_____ VDC
_____ Amp.
73
REPORTE DE BATERIAS
Compañia:
Domicilio:
Responsable:
Ciudad: Tel.:
Marca:
Modelo:
Fecha de fabricación:
Capacidad:
TEMPERATURAS: Del cuarto:
De las baterias:
____. ºC
____. ºC
BATERIAS:
REALIZO:RECIBIO:
Nombre: Nombre:
Firma: Firma:
Fecha: Hora de llegada: ______. Hora de Salida: ______.
Voltaje de flotación:
Corriente de carga:
_____ VDC
_____ Amp.
V. de carga V. abierto V. descarga. OtrosNº. V. de carga V. abierto V. descarga. OtrosNº.
Nº. de celdas:Ah.
1234567891011121314151617181920
2122232425262728293031323334353637383940
Chequeo visual de baterias:
Chequeo visual del cuarto:
Comentarios:
74
5.6 COSTOS DE MANTENIMIENTO Y BATERÍAS El costo que se sugiere pagar al año para el mantenimiento de su equipo electrónico es del 5% al 8% del valor del equipo. A continuación se muestran los precios para el contrato de servicios de mantenimiento anual. TABLA 5.4 COSTO DE CONTRATOS ANUALES
Capacidad KVA´s Cobertura Amplia Cobertuda Limitada Diagnóstico o Evento
Menores a 3 Kva $345.00 $250.00 $850.00
4 Kva a 6 Kva $1,000.00 $600.00 $2,000.00
8 Kva a 15 Kva $1,700.00 $900.00 $3,000.00
50 Kva a 80 Kva $4,000.00 $1,700.00 $6,000.00
100 Kva a 160 Kva $5,500.00 $2,000.00 $10,000.00 Cobertura amplia: Incluye 6 visitas al año, mano de obra y refacciones. Cobertura limitada: Incluye 4 visitas al año y mano de obra. Diagnóstico: Reporte del estado y daños del UPS. NOTA: • No incluye baterías, inductores y transformadores. • En equipos obsoletos o marcas poco conocidas se deben hacer consideraciones especiales de
acuerdo a cada caso. • En los contratos las visitas de correctivos son ilimitadas. Debido a que las baterías es la principal causa de falla en los UPS’s, a continuación se muestra una lista de precios de las baterías más usadas en los UPS’s. TABLA 5.5 PRECIOS DE BATERÍAS
Batería / Capacidad Marca Enersys 12 VDC, 7 AH $275.00
12 VDC, 12 AH $550.00
12 VDC, 18 AH $673.00
12 VDC, 24 AH $115.00
12 VDC, 38 AH $1,787.00
12 VDC, 55 AH $2,194.00
12 VDC, 75 AH $2,368.00 Nota: Precios en M.N. sin IVA y costos vigentes a Junio de 2009.
75
CONCLUSIONES
NECESIDAD DE CALIDAD EN LA ENERGÍA ELÉCTRICA
Cuando se tiene un adecuado suministro de energía, una carga cualquiera debe de operar adecuadamente a través de su vida útil. Si existiera algún problema con la carga, ésta puede ser reparada. Sin embargo, si existe un problema con el suministro de energía, el darle servicio o reparar la carga es simplemente una solución a corto plazo. Un problema en el suministro de la energía puede resultar en daños a equipo, altos costos por paros de producción, altos riesgos de trabajo, etc. Debemos reconocer el gran esfuerzo que C.F.E. realiza por prestar un servicio de calidad, se reconoce su excelente tecnología en generación, transmisión y distribución, pero es responsabilidad de esta empresa el diseño y mantenimiento de todo aquel componente del sistema que se encuentre antes del medidor de energía del usuario, y todo esto implica una compleja red de distribución expuesta a factores ambientales, aves, vandalismo, crecimiento de árboles bajo sus líneas, etc., lo que hace que la confiabilidad del sistema se vea afectada, por lo que ya se aplican técnicas adecuadas para mantener la confiabilidad en valores aceptables. Una falla en la red de C.F.E. afecta en ocasiones a muchos usuarios, haciendo de gran importancia la labor de mejoras en este rubro de la ingeniería. Por otra parte reconocemos la complejidad del sistema de distribución eléctrica de las industrias, la diversidad de cargas que contiene, el dinamismo del sistema en cuanto a demandas y cambios en el mismo. En ocasiones este sistema dinámico no permite planeaciones adecuadas en las instalaciones, carece de buen mantenimiento, contiene cargas no lineales, malos sistemas de tierra, etc., conceptos que afectan sin duda la calidad de la energía del sistema. Lo anterior nos sugiere casos en que C.F.E. considera que la mala calidad de energía la genera el mismo usuario en sus propias instalaciones y el usuario opina lo contrario. En la actualidad la industria adopta gran cantidad de equipos y sistemas basados en electrónica de estado sólido, mismos que han venido a ofrecer beneficios excelentes en automatización de procesos, administración y almacenamiento de datos, control y seguridad. Estos equipos electrónicos cada vez son más delicados y sensibles a variaciones de voltaje, debido a que los circuitos integrados comerciales trabajan a voltajes de 5-12V, lo que restringe cada vez más los niveles de las variaciones de voltaje. Cuando falla un equipo electrónico, normalmente culpamos al equipo o infraestructura eléctrica involucrados directamente en el suministro de energía del mismo, o en ocasiones a la calidad, marca y envejecimiento del equipo, lo que puede ser válido, pero no en la mayor parte de las ocasiones. Normalmente se debe a la calidad de la energía del punto del suministro o conexión del equipo, lo que sugiere un análisis de la misma, y cuando este se realiza los resultados obtenidos en su mayoría arrojan que estos eventos corresponden a desviaciones del voltaje esperado, ruido eléctrico, conexiones falsas o mal elaboradas, inestabilidad en el conductor de tierra, etc.
76
Curiosamente este tipo de problemas comúnmente tienen una solución fácil y económica sin embargo sus consecuencias son devastadoras en la economía industrial. Además cuando los daños ocasionados son de consecuencias graves, hace en ocasiones, que los encargados de solucionar el problema, pierdan el enfoque básico y se involucren en soluciones complejas y costosas en lugar de revisar los aspectos básicos y simples de este sistema. Los factores que influyen en la creciente necesidad de resolver problemas de calidad de energía se enfocan en: -El gran incremento de uso de equipo electrónico sensible (microelectrónica). -El incremento en el uso de equipo que genera problemas de calidad de energía. -El incremento en la inter-conectividad de los sistemas eléctricos. -Los incrementos en los niveles de automatización. -El cambio de procesos aislados a procesos de flujo continuo. -Que los procesos se hacen cada vez más críticos. -Que se establecen procesos de manufactura continuos 24/365 sin mantenimiento. -Cambios de sistemas electromecánicos por electrónicos. -Que las computadoras salen de los cuartos de cómputo al piso de producción y oficinas. Existen varios problemas asociados a la calidad de la energía, sin embargo, muchos de estos problemas son efectos de los siguientes fenómenos: -Variaciones en el Voltaje -Armónicos -Transientes -Tierras físicas El 95% de los problemas de calidad de energía se encuentran del lado del medidor que pertenece al usuario.
PROBLEMAS CON EL EQUIPO ELECTRÓNICO
La mayoría del equipo electrónico que opera hoy en día, utiliza circuitos de estado sólido. El equipo
electrónico es muy sensible a variaciones en la alimentación debido a que opera con niveles de voltaje y corrientes muy bajos. Cambios en el voltaje pueden causar que falle un disco duro, que se re-establezca el equipo de computo, que se congele la computadora, un mal funcionamiento del software y/o fallas en la comunicación de datos. Las bajas de voltaje son la mayor causa de este tipo de problemas. Las altas de voltaje en la línea de alimentación pueden causar fallas permanentes del equipo tales como fallas en los circuitos impresos.
77
CONCLUSIÓN
Como hemos podido ver a lo largo de este texto, cuando un dispositivo eléctrico falla no siempre es debido a fallas internas del mismo. En un sistema de distribución eléctrica no todo es perfecto, pueden surgir anomalías con los parámetros de distribución que afectan a las máquinas eléctricas. La existencia de armónicos, desbalances en las fases en general, ruido en la línea de alimentación, transientes de voltaje y/o corriente, etc. son todos factores que afectan el funcionamiento de cualquier dispositivo que se conecte a un sistema de distribución de energía. Si algún dispositivo falla constantemente y no existe una explicación obvia del porqué, es hora de realizar un estudio de calidad de energía.
La calidad en la energía no solamente nos va a ayudar a solucionar problemas con los dispositivos
eléctricos. La calidad de energía nos va a brindar seguridad en el trabajo y nos puede ahorrar mucho dinero. Como hemos visto, la mala calidad de la energía puede ser peligrosa para la seguridad humana ya que puede causar incendios que pueden dañar no solamente a la maquinaria sino al hombre también. La mala calidad de energía puede costar mucho ya que una instalación con mala calidad de energía consume mucha energía y en consecuencia se gasta mucho dinero a causa de ello.
Por razones que van desde la seguridad humana hasta las económicas, siempre es necesario
tener una buena calidad de energía.
Gracias a los conocimientos adquiridos durante el desempeño en mi trabajo profesional con 20 años de experiencia y a certificaciones técnicas tomadas de los principales fabricantes de UPS, puedo concluir en la importancia del mantenimiento electrónico para mantener al equipo operando en condiciones optimas, alargar su vida útil y para prevenir o cambiar la ruta de desastre de cualquier eventualidad que se presente. Por parte del servicio correctivo puedo concluir que el 80% de los problemas que presentan los equipos UPS’s son las baterías. Las baterías tienen un periodo de vida útil predecible en condiciones normales de operación de no más de 5 años y después de esta fecha pierden su confiabilidad y pueden fallar en cualquier momento. Se recomienda una revisión especial al banco de baterías después de los 3 años de su fabricación y si se encuentra una o varias en mal estado, se recomienda el cambio total del banco ya que si se reemplazan solo las que están en mal estado las baterías más antiguas pueden dañar a las nuevas y a la larga saldrá más costoso el reemplazo. Las fallas en los UPS’s generalmente se presentan con alguno de estos eventos: como un corte de energía, disturbio o una sobrecarga. El daño comúnmente se da en la parte de potencia del inversor ya que es la parte que resiente directamente cualquier alteración por parte de la carga. Las fallas en la parte de control no son tan frecuentes pero son las menos deseadas porque son las más difíciles de detectar y su reparación resulta compleja por el gran numero de circuitos que la integran. En esta guía textual o manual de Mantenimiento Preventivo y Correctivo a Sistemas de Energía Ininterrumpida de alto desempeño, se ofrece a los lectores la teoría y principios de operación de un equipo UPS (sin adentrarse mucho en la teoría de circuitos y en la teoría del semiconductor), así como una serie de pasos para llevar a cabo un Mantenimiento Preventivo. En el caso del mantenimiento correctivo se
78
presenta una serie de rutinas de revisión y pruebas para determinar si una sección del UPS, componente ó batería se encuentra en buenas condiciones. RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS Las recomendaciones para trabajos futuros es la situación del impacto ambiental que tenemos actualmente y en cuanto a la falta de recursos naturales para seguir generando energía. Se estima que el crecimiento anual en el consumo de energía es del 12%, en los centros de cómputo de las empresas el consumo eléctrico se ha duplicado del 2000 al 2006 y se estima que en 2010 se incrementará 10 veces ese consumo. Por tal motivo en muchos países (sobre todo europeos) ya han cambiado a energías alternas, tales como la eólica, celdas solares, baterías o buscando cogeneración y no solo eso, sino que se busca actualmente tener sistemas más eficientes con menos impacto ambiental, a lo que se ha llamado sustentabilidad donde su planeación, diseño y operación deberá estar fundamentada en las mejores prácticas de la industria y soportada bajo normas y estándares.
79
GLOSARIO DE TÉRMINOS
APAGADO DE EMERGENCIA: Es el corte de energía a la salida del UPS y apagado al instante que se activa en situaciones de emergencia (inundación, terremotos, etc.). ARMÓNICOS: Una onda de forma periódica que puede ser expresado como una sumatoria de ondas, las cuales son múltiples enteros de la frecuencia fundamental de la onda. La primera armónica es referida como fundamental y tiene una sola frecuencia (60 hz.). AUTORETRANSFERENCIA: Característica del Switch estático que permite colocar de regreso en línea al UPS sin alguna intervención manual. AUTOTRANSFORMADOR: Un transformador usado para subir o bajar el voltaje por pasos. El primario y el secundario comparten vueltas comunes y ello no produce aislamiento. BATERÍA SELLADA: Un contenedor de gel que captura el electrolito líquido, pero no tiene acceso para reemplazo de agua. BUS O BUSBAR: Es el sistema de conductores usados para transportar energía (cables, barra de cobre, etc.). Conductor rígido usado para alimentar alta potencia. BYPASS: Es el circuito de energía de un UPS que por medio de un puente lleva la energía eléctrica directamente a la carga. CARGA DINÁMICA: Una carga que cambia de un nivel a otro rápidamente. CELDA: Una unidad de batería conteniendo una combinación de placas metálicas y una solución electrolítica. Cuando se conecta a un circuito externo una celda cargada reacciona químicamente y proporciona una salida eléctrica. Una celda de una batería ácido-plomo provee aproximadamente 2 V CD. CONTACTO SECO: Es un relevador (abierto o cerrado) de una alarma el cual no tiene voltaje y puede ser usado por otro dispositivo como señal de estado. CONVERTIDOR: Un dispositivo que proporciona energía de DC cuando es energizado por una fuente AC o viceversa. CT (sensor de corriente): Un transformador de corriente (CT) es usado para bajar una corriente CA grande a una corriente CA pequeña para uso de monitoreo o senseo. CD LINK o Masa de CD: Es la barra común de CD en la cual se conectan juntas la salida del rectificador, las baterías y la entrada de inversor.
80
DISTORSIÓN ARMÓNICA: Se refiere a la distorsión en la onda senoidal, la cual es causada por la presencia de armónicos no deseados o distorsión causada por dispositivos electrónicos de potencia (convertidores o rectificadores). ECM, EMI, RFI: Acrónimos para varios tipos de interferencia eléctrica. EFICIENCIA: Es la relación de energía de salida a la energía de entrada. La eficiencia de un UPS indica cuánta energía consume de la energía comercial. La verdadera eficiencia de un UPS es determinada con las baterías completamente descargadas y funcionando el inversor a plena carga, mientras las baterías son cargadas. ELECTROLITO: El ácido o solución alcalina entre las placas de una celda. FACTOR DE CRESTA: La onda de forma de la corriente en una carga no-lineal es algunas veces caracterizada comparando el pico de la onda de la corriente al valor RMS de la misma onda. Esta comparación es expresada como una relación Pico/RMS o Pico:RMS. Es la corriente pico actual demandada por la carga, expresada como una relación de la demanda contra el promedio de corriente RMS aumentado por el UPS. FACTOR DE POTENCIA: Un término determinado para la diferencia de fases entre la corriente y el voltaje. FILTRO: Una red sensitiva a frecuencia que atenúa ruidos no deseados de una salida rectificada. FILTRO DE ENTRADA: Usada para reducir o eliminar la distorsión de corriente debido a corrientes armónicas creadas por la operación de un circuito R/C. GATE o Disparo: Es el elemento lógico que se refiere a la señal de un SCR, que puede encenderlo o apagarlo para inhibir o pasar otra señal eléctrica. LIMITE DE CORRIENTE: Electrónicamente maneja la máxima corriente de salida del rectificador y/o inversor. RETRANSFERENCIA: Es la operación del Switch estático en la cual cambia la carga de fuente de energía, de energía comercial a inversor de UPS, sin interrupción. SWITCH DE BYPASS ESTÁTICO: Conecta la entrada del UPS a la carga en forma transparente si el inversor no esta disponible o se activo manualmente. TRANSFERENCIA: Es la operación del Switch estático en la cual cambia la carga de fuente, de energía de inversor UPS a energía comercial sin interrupción. TRANSFORMADOR: Es un dispositivo para cambiar el voltaje de un circuito CA y/o aislar un circuito CA de su distribución. Un transformador que se usa en aplicaciones de poder, esta compuesto de un núcleo de hierro laminado, el cual es cubierto por un conjunto de vueltas de cobre o aluminio. Las vueltas conectadas
81
al voltaje de entrada es llamado el primario, mientras que las conectadas al circuito de salida son conocidas como el secundario. El voltaje de salida es directamente proporcional a las vueltas en los dos extremos (menos una pequeña pérdida por concepto de calor). TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO: No tiene concesión eléctrica entre las vueltas del primario y el secundario. TRANSFORMADOR FERRORESONANTE: Un transformador disociado para que su salida tenga una frecuencia natural de oscilación. UL y CSA: Organizaciones de prueba de seguridad pública. UL (Underwriter Laboratories) es americana y CSA (Canadian Standards Association) es canadiense. En México tenemos su correspondiente llamada NOM.
82
BIBLIOGRAFÍA
Muhammad H. Rashid / Electrónica de Potencia, Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones.- 2nd/Ed.: Prentice Hall Hispanoamericana, S.A., 1995.
Emerson Computer Power / Acupower 200s True On-Line UPS.- Service Manual.
Exide Electronics / Powerware Plus Model 6 .- Service Manual.
Liebert / AP 100 Series Model AP115, Model AP130.- Service Manual.
Eaton /9135 Model – Service Manual
Johnson Controls / Lead Acid Battery for UPS Stanby Power Applications.- Dynasty.
