Entrenamiento en UPS

Equipos monofásicos y trifásicos Configuración en módulo sencillo

Primera sesión:   

Definiciones Descripción del sistema Modos de operación

Segunda sesión:   

Componentes principales Mantenimiento preventivo Trou Troubl ble e shoo shooti ting ng

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UPS: UPS: Uni Uninte nterru rrupti ptible ble power power supply supply,, Uni Uninte nterru rrupti ptible ble power power system Fuente o sistema de energía ininterrumpida Rectifier: Rectificador Rectificador,, es un circuito electrónico de potencia empleado para convertir corriente alterna de entrada al UPS en corriente continua para alimentar al inversor y al cargador de baterías. Bypass: Desviación o derivación, derivación, es un sistema para desviar el flujo de la energía desde la alimentación eléctrica a la carga crítica. Puede ser interno o externo al UPS. Stat Static ic switc switch: h: Interruptor estático, estático, Dispositivo electrónico

interno de un UPS que le permite conmutar la alimentación a la carga crítica, entre el voltaje entregado por el suministro eléctrico (CFE) y el voltaje generado por el inversor del UPS. Esta operación se da también en viceversa.

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Inverter: Inversor, circuito electrónico de potencia que cambia el voltaje de CD en voltaje de CA, también llamado ondulador. Charger: Cargador, circuito electrónico alimentado por el rectificador para mantener las baterías cargadas o en flotación todo el tiempo. Converter: Convertidor, no todos los UPS lo incluyen, es un circuito electrónico de potencia que ayuda a la carga de las baterías. EPO Emergency power off : Apagado de emergencia. Accesorio incluido en UPS’s mayores a 20 kVA, normalmente es un simple botón on/off 

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Banco de baterías: Conjunto de baterías generalmente selladas, conectadas en serie. MOB module output breaker: Interruptor de salida del UPS RIB rectifier input breaker: Interruptor de entrada al rectificador BIB bypass input breaker: Interruptor de entrada al bypass Battery breaker: Interruptor de baterías. IGBT Insulated gate bipolar transistor: Transistor de gatillo bipolar aislado. Elemento electrónico de potencia, es el principal componente del rectificador, convertidor e inversor. EMI board: Tarjeta EMI, abreviación del término electro magnetic interference, interferencia electro magnética.

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On line: En línea, término aplicado a la operación normal de un UPS. On bypass: En bypass, término aplicado a la operación por bypass de un UPS, también conocido como UPS fuera de línea. No importa si se trata de un bypass interno del UPS o externo al mismo. On battery: En baterías, término aplicado a la operación en baterías del UPS durante la ausencia de energía eléctrica de alimentación. PWM Pulse wide modulation: Modulación por ancho de pulso, es la forma en la que el microprocesador de un UPS regula los voltajes de CD y CA que el mismo genera.

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Carga crítica: Todos los equipos que están energizados de la salida de un UPS. Para el usuario de un UPS es “crítico” que su “carga” permanezca siempre energizada. Doble conversión: Debido a que el voltaje de entrada CA se rectifica en una primera etapa, y se invierte en una segunda se dice que hay una doble conversión. Se aplica también el término “true on-line” Ventanas de operación: Límites de voltaje, frecuencia y corriente preestablecidos a los que un UPS opera, son modificables totalmente por software en la mayoría de los casos. Conocidas también como tolerancias y rangos. Dual input, Dual feed: Doble entrada o doble acometida: Hay UPS’s que cuentan con dobles barras para alimentar al bypass y al rectificador individualmente. Sincronía: Es la facultad del UPS para seguir desde el punto de inicio, a la onda senoidal generada por CFE o una planta de emergencia.

RECTIFICADOR El rectificador es un circuito electrónico de potencia trifásico, formado por IGBT’s que son regulados por PWM, se encuentran montados en un disipador de calor del módulo que los contiene. Esta topología proporciona un método eficaz para reducir los armónicos durante la conversión del voltaje de entrada CA a corriente continua. Este enfoque disminuye el costo económico del UPS, reduciendo al mínimo el hardware adicional de filtrado, también sirve para aumentar la fiabilidad del producto.

EJEMPLO DE PWM GENERADO POR EL MICROPROCESADOR

CONVERTIDOR/ CARGADOR Los componentes del convertidor de energía para la carga de baterías se encuentran en un módulo aparte y reciben su alimentación de la CD regulada de la salida del rectificador (en UPS EATON máximo 373VDC con una entrada de alimentación 208 VCA y 820 VCD con una entrada de alimentación a 480 VAC). Durante el funcionamiento normal del UPS, la cantidad de corriente de carga para baterías es determinada por un sensor de corriente. El sensor de corriente puede determinar tanto la carga como la descarga de corriente.

BYPASS En el modo de bypass, la salida del sistema envía a la carga crítica las tres fases de alimentación de CA directamente desde la entrada del sistema (CFE). En este modo, la salida del UPS no está protegida de las fluctuaciones de voltaje y la frecuencia o cortes de energía de la fuente. Existen niveles de protección contra picos de voltaje como filtrado pero no de acondicionamiento eléctrico activo o soporte de baterías.

INVERSOR Durante el funcionamiento normal del UPS, la energía para la carga crítica se deriva de la entrada de servicios públicos (CFE) a través del inversor. El panel frontal de cualquier equipo muestra "Normal", lo que indica que la potencia de entrada se encuentra dentro de la tensión y frecuencia de las ventanas de operación. La potencia de entrada de CA es rectificada y luego invertida, lo que filtra y purifica totalmente la forma de onda del voltaje, así como la frecuencia suministradas por CFE.

Existen 3 modos de operación en cualquier UPS trifásico: 

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Modo normal: Todos los elementos del UPS están activos y energizados. La carga crítica se alimenta del voltaje generado por el inversor y está respaldada por el banco de baterías. Modo en batería: Durante las ausencias de energía el rectificador del UPS se apaga, el switch estático está activo pero sin energía y el convertidor alimenta al inversor para que permanezca encendido. Utilizando la corriente disponible en las baterías el inversor alimentará la carga crítica. Modo en bypass: Cuando un UPS es puesto a operar en bypass manualmente, solamente el switch estático queda operando, y los elementos internos pueden o no quedar energizados. Si se requiere hacer mantenimiento al UPS, entonces se deberán apagar manualmente el resto de los componentes.

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Modo de operación normal. El rectificador recibe directamente todo el voltaje de CFE y lo convierte a corriente directa.

Modo de operación normal: 

El convertidor/cargador recibe el voltaje de CD generado por el rectificador y lo utiliza para cargar o mantener en flotación a las baterías.

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Modo de operación normal:

El inversor recibe el voltaje de CD generado por el rectificador y lo invierte para generar voltaje y frecuencia CA pura y sin distorsiones

Modo de operación en batería: Durante una ausencia de energía, el rectificador se apaga, el switch estático queda activo pero sin energía y el voltaje hacia la carga crítica es generado por el inversor, el cual es energizado por el convertidor. El inversor consume la corriente disponible en el banco de baterías mientras dure la ausencia de energía, si la misma no regresa, el UPS se apagará una vez que el voltaje de baterías se agote. 

Modo de operación en baterías: Si la potencia de entrada no regresa o regresa fuera de las ventanas de operación necesarias para el funcionamiento normal del UPS, las baterías continuarán en descarga hasta que el nivel de voltaje DC alcance su límite a la salida del inversor y el mismo ya no puede soportar a las cargas críticas conectadas. Voltaje final de descarga por celda: V epc = 1.75 Un UPS con banco de 40 baterías marca Dynasty se apagará cuando el voltaje total del banco baje a 420 VCD. 

Modo de operación en bypass: Un UPS puede entrar a modo de operación por bypass de manera manual o automática. Bypass manual: Operación directa de la interface de diálogo hombre máquina, comúnmente formado por un display analógico (luces led), digital (pantallas LCD) o una combinación de ambos. Bypass automático: Fallas directas o indirectas del UPS pueden ocasionar su operación por bypass automático. 

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Fallas directas del UPS: Comúnmente por degradación de los componentes, sobre todo de capacitores y ventiladores. Las fuentes de voltaje regulado internas también pueden degradarse por vida útil, ya que operan por tiempo ilimitado recibiendo hasta 4 alimentaciones eléctricas diferentes. Fallas indirectas: Sobrecarga a la salida, alta temperatura ambiental, operación manual incorrecta y baterías en mal estado.

Modo de operación en bypass: El Bypass del UPS se compone principalmente de una retroalimentación del voltaje de entrada mediante barras a un contactor, un interruptor estático que consta de seis rectificadores controlados de silicio (SCR), fusibles, ventiladores y la tarjeta de control. Todos los componentes del bypass interno son de tamaño adecuado y clasificado para soportar continuamente el 100% de la carga nominal de la unidad. 

Dos (2) dispositivos SCR se requieren en cada fase, uno para manejar el medio ciclo positivo y el otro para manejar el medio ciclo negativo del voltaje de entrada o de bypass. Los SCR conducirán sólo durante un período de tiempo muy corto, dando oportunidad a que cierre un contactor que será el encargado de mantener energizada la carga crítica.

BYPASS (Switch estático) SCR’s Tarjeta de control Contactor RECTIFICADOR  IGBT’S Tarjeta de disparos (driver) CONVERTIDOR  IGBT’s Tarjeta de disparos (driver) INVERSOR  IGBT’s Tarjeta de disparos (driver) OTROS  Tarjetas EMI Comunicaciones 

Tarjeta de control de SCR’s

SCR’s de potencia

Fusibles del switch estático

Contactor de bypass

Módulos de potencia de UPS’s EATON, modelo 9390 de 40 a 160 kVA

Bobinas para generar alta frecuencia

Disipador de calor, al reverso se encuentran montados los IGBT’s

Capacitores de CD

Los módulos de potencia, son idénticos para el rectificador y para el inversor en UPS’s de la marca EATON. El convertidor está incluido en cualquiera de ellos. Aisladores

EPO Y REPO: El objetivo del botón o mando EPO es la de apagar completamente la carga crítica durante una contingencia: Temblor, incendio, accidentes personales. EL EPO puede activarse también de manera remota, y toma el nombre de REPO Remote emergency power off  Para esto es necesario que al UPS se le conecte un botón aparte a las terminales definidas por el fabricante del UPS. 

UPS EATON 9315 El botón EPO también es llamado LOAD OFF y apaga la carga crítica de inmediato

UPS MITSUBISHI El botón EPO también es llamado Emergency Stop y apaga la carga crítica de inmediato

Display de operación de un UPS Liebert NX, botón EPO con acrílico de protección mostrado.

Display de UPS Liebert Serie 600. En este UPS el EPO no apaga la carga crítica, sólo la transfiere a bypass

Display de UPS EATON 9390 o 9395 En estos UPS’s no existe un botón externo de EPO, es un comando integrado en el software del equipo

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El EPO en la marca Liebert de capacidades grandes (>30 kVA) no apaga la carga crítica sólo la transfiere a bypass. Es el único UPS que puede llegar a dañarse si el EPO se opera. El EPO en las marcas MGE (APC) y Mitsubishi es un botón de retención, por lo que el UPS no encenderá hasta que el mismo botón sea restablecido. El EPO en la marca EATON (Powerware) Apaga la carga y al propio UPS sin posibilidad de daño. También puede ser un botón de retención.

El mantenimiento preventivo a los UPS se clasifica en dos tipos: Mantenimiento preventivo rutinario menor. Es un mantenimiento preventivo que se aplica con el UPS en línea, sin operarlo y poniendo atención especial en la revisión de las baterías. También se debe ejecutar una rutina de revisión de temperaturas a los principales componentes del UPS y verificar el historial de alarmas del equipo.

Mantenimiento preventivo mayor con transferencia a bypass. Es un mantenimiento que implica la operación del UPS, haciendo las siguientes pruebas: Sincronía del UPS y planta de emergencia. Transferencia de la carga crítica a bypass. Transferencia de la carga crítica de bypass a UPS. Corte de suministro eléctrico (descarga de baterías)

Mantenimiento preventivo rutinario Inspeccione el sistema para detectar cualquier signo de daño por sobrecalentamiento: a.) Busque las áreas oscuras o carbonizadas alrededor de todas las conexiones. b.) Busque decoloración en el aislamiento de los cables en todas las conexiones del cableado. Esto incluye todos los gabinetes opcionales. 

Mantenimiento preventivo rutinario: Inspeccione los ventiladores: a.) Módulo de alimentación de las bandejas de ventiladores b.) Ventilado Ventiladorr del del switch switch estático. estático. c.) Ventiladores opcionales del gabinete (si está instalados) d.) Si el historial de alarmas indica alguna alarma de temperatura, verificar la temperatura ambiente de la zona 

Mantenimiento preventivo rutinario Utilizando la pantalla del panel frontal, inicie sesión con la contraseña de servicio. a.) Establecer fecha y hora correctas. b.) Si el sistema es EATON, correr la auto prueba del display. c.) Ajustar los contrastes de la pantalla. d.) Verificar las versiones de firmware y registrarlas. 

Mantenimiento preventivo rutinario Inspeccione todos los cables del banco de baterías, en busca de signos de sobrecalentamiento. Inspeccione el cableado del interruptor que desconecta al banco de baterías, reapriete. 

En cada una de las baterías buscar: 1. Deformación de las baterías. 2. Conexiones corroídas. 3. Líquido sobre el sello de cada batería.

Mantenimiento preventivo rutinario En cada una de las baterías medir: Voltaje de flotación. Voltaje de rizo. Temperatura de operación. 

Registre todos los valores encontrados en reportes separados, uno para el UPS y otro para las baterías.

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Mantenimiento preventivo mayor con transferencia:

Aparte de lo realizado en el mantenimiento preventivo menor, se deberán realizar las siguientes actividades: Revisar el historial de alarmas, ubique el último corte de energía y operación en baterías. Es necesario conseguir primero la aprobación del cliente, antes de proceder a la siguiente prueba: a.) Si el sistema no ha experimentado interrupciones, realizar una prueba de corte de suministro eléctrico al UPS. b) La prueba no deberá durar más de 5 minutos y se deberá realizar una medición del voltaje individual de baterías, de ser esto posible.

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Mantenimiento preventivo mayor con transferencia:

Operación del UPS con generador de emergencia. a.) Solicitar al cliente que encienda el generador de emergencia b.) Verificar la frecuencia del generador estable y regulación de tensión c.) Si el UPS no sincroniza con el generador la siguiente información puede ser necesaria para ayudar a resolver el problema: • Tipo del motor del generador: (Gas / Diesel / Otros) • Números de modelo y de serie del generador • Tamaño o capacidad del generador en kW, kVA, PF • Tipo del gobernador del generador (Mec. / Elect. / otros) • Tipo del switch de transferencia (automático / manual / otros) • Carga total del generador • Carga en el generador sin UPS (kW, kVA, PF)

Mantenimiento preventivo mayor con transferencia Transferencias (la aprobación del cliente es necesaria antes de proceder) a.) Conectar un voltímetro a la salida del UPS para medir y grabar tensiones entre fases, y tensiones entre fases y neutro. b.) Haga una transferencia de la carga del UPS al bypass. c.) Haga una transferencia de la carga del bypass al UPS. 

Mantenimiento preventivo mayor con transferencia a.) Verificar la limpieza de filtros de aire (cambiar si es necesario) b.) Verifique la temperatura ambiente y humedad relativa c.) Verificar ventilación adecuada d.) Verificar limpieza de la habitación e.) Registro del historial de alarmas / eventos 

Cuando el sistema UPS está funcionando en modo normal, se auto diagnostica continuamente a sí mismo y a la energía de la red de entrada. En los modos de operación de batería o bypass, el UPS puede emitir alarmas que le permiten saber exactamente qué evento causó el cambio del modo Normal. Los eventos ocurridos al UPS pueden ser indicados por sonidos, luces, mensajes, o los tres.

Sólo el indicador “Normal” está encendido durante la operación de modo en línea del sistema UPS. Los demás indicadores se iluminan para indicar alarmas o eventos. Cuando se produce una alarma, se debe primero comprobar el estado de estos indicadores para ver qué tipo de evento ha tenido lugar.

La mayoría de los fabricantes de UPS’s designan varios términos para definir cuando hay una alarma verdadera en un equipo.

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STATUS Estado: Se utiliza para definir el estado de operación de la máquina (En línea, Normal, En bypass, En Baterías etc.) NOTICE Notificación: Reporte que el equipo está haciendo sobre una condición normal del equipo o anormal no grave del equipo. EVENT Evento: Situación normal, en transcurso o transcurrida. COMMAND Comando: Operación manual hecha al equipo por algún usuario. ALARM Alarma: Condición anormal y grave del equipo, puede ocasionar la transferencia de la carga crítica al bypass interno del equipo de manera automática.

En las siguientes láminas se demuestra un listado que contiene la mayoría de las alarmas que son de alto impacto para casi todos los modelos y marcas de UPS.  No todas las siguientes alarmas ocasionan la transferencia de carga a bypass. 

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Battery Totally Discharged Shutdown Imminent Check Bypass Service Required Check Bypass Switchgear Service Required Check Charger Service Required Check Fan Service Required Check Input Switchgear Service Required Check Inv Temperature Sensor Service Required

Check Inverter Service Required  Check Logic Power Supply Service Required  Check Output Switchgear Service Required  Check Output Switchgear OK Condition Cleared 

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Check Power Supply Service Required Check Precharge Service Required Check Rect Temperature Sensor Service Required Check Rectifier Service Required Check Static Switch Service Required Close Battery Switchgear User Action Required

Umbrales de alarma por temperatura: Existen dos umbrales de alarma por temperatura en la mayoría de los UPS’s: 1. Si la temperatura externa alcanza 30º C aproximadamente, el interior de cualquier UPS llegará a 45º C. En ese momento se emitirá una alarma de “Alta temperatura ambiental” en el UPS. Si esta condición se presenta no se transfiere la carga crítica al bypass. 

Umbrales de alarma por temperatura 2. Si la temperatura externa alcanza 37º C, la temperatura interna del UPS llegará a 60º C aproximadamente y en ese momento habrá una transferencia de la carga crítica a bypass. El equipo exhibirá la alarma “Sobre temperatura interna” 

Un UPS puede operar hasta con 30ºC, pero las baterías no.

Umbrales de alarma por sobrecarga: Hay generalmente 3 umbrales de alarma por sobrecarga (en UPS’s EATON hay 4): 1. En el primer umbral, si la corriente de salida del UPS alcanza el 101% en alguna fase, y no pasan más allá de 120 segundos, el UPS no se transfiere a bypass, solo marca momentáneamente la alarma “sobrecarga nivel 1” Si transcurren más de 120 segundos con la sobrecarga presente, si habrá transferencia a bypass. 

Umbrales de alarma por sobrecarga 2. En el segundo umbral, si la corriente de salida del UPS alcanza el 105% en alguna fase, y no pasan más allá de 60 segundos, el UPS no se transfiere a bypass, solo marca momentáneamente la alarma “sobrecarga nivel 2” SI transcurren más de 60 segundos la carga crítica será transferida al bypass. 

Umbrales de alarma por sobrecarga 3. En el tercer umbral, si la corriente de salida del UPS alcanza el 110% en alguna fase, y no pasan más allá de 5 segundos, el UPS no se transfiere a bypass, solo marca momentáneamente la alarma “sobrecarga nivel 3” SI transcurren más de 5 segundos la carga crítica será transferida al bypass. 

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Umbrales de alarma por sobrecarga

4. Si la corriente de salida del UPS alcanza el 120% en alguna fase, la carga crítica será transferida al bypass inmediatamente, en algunos casos el UPS se apagará y en casos extremos habrá daño severo en el inversor.

Umbrales de alarma por sobrecarga Aún después de transferida la carga crítica a bypass, si la sobrecarga desaparece, la mayoría de los UPS’s harán hasta 4 intentos de ponerse en operación en modo en línea de forma automática. 