Un sistema de alimentación ininterrumpida ( SAI ) o fuente de alimentación ininterrumpida es un tipo de sistema de alimentación continua que proporciona energía eléctrica de respaldo automatizada a una carga cuando falla la fuente de alimentación de entrada o la red eléctrica . Un SAI se diferencia de un sistema de alimentación auxiliar / de emergencia tradicional o un generador de reserva en que proporcionará protección casi instantánea contra interrupciones de la alimentación de entrada al cambiar a energía almacenada en paquetes de baterías , supercondensadores o volantes de inercia . Los tiempos de funcionamiento con batería de la mayoría de los SAI son relativamente cortos (solo unos minutos) pero suficientes para "ganar tiempo" para iniciar una fuente de alimentación de reserva o apagar correctamente el equipo protegido. Casi todos los SAI también contienen protección contra sobretensiones integrada para proteger los dispositivos de salida de los picos de voltaje .
Un SAI se utiliza normalmente para proteger equipos como ordenadores , equipos hospitalarios, centros de datos , equipos de telecomunicaciones u otros equipos eléctricos en los que una interrupción inesperada del suministro eléctrico podría provocar lesiones, muertes, interrupciones graves de la actividad comercial o pérdida de datos . Las unidades SAI varían en tamaño, desde las diseñadas para proteger un solo ordenador (con una capacidad nominal de alrededor de 200 voltios-amperios ) hasta unidades de gran tamaño que alimentan centros de datos o edificios enteros.
La función principal de cualquier SAI es proporcionar energía a corto plazo cuando falla la fuente de alimentación de entrada. Sin embargo, la mayoría de las unidades SAI también son capaces, en distintos grados, de corregir problemas comunes de suministro eléctrico:
Algunos fabricantes de unidades UPS categorizan sus productos de acuerdo con la cantidad de problemas relacionados con la energía que abordan. [1]
Una unidad UPS también puede generar problemas con la calidad de la energía eléctrica . Para evitarlo, se debe seleccionar una UPS no solo por su capacidad, sino también por la calidad de energía que requiere el equipo al que se está suministrando.
Las tres categorías generales de sistemas UPS modernos son en línea , interactivos en línea y en espera : [2] [3] [4]
La mayoría de los UPS por debajo de un kilovoltio -amperio (1 kVA) son del tipo interactivo en línea o de reserva, que suelen ser menos costosos.
En el caso de las grandes unidades de potencia, a veces se utilizan sistemas de alimentación ininterrumpida dinámicos (DUPS). Se conecta un motor/alternador síncrono a la red eléctrica a través de un estrangulador . La energía se almacena en un volante de inercia. Cuando falla la red eléctrica, una regulación por corrientes parásitas mantiene la potencia en la carga mientras no se agote la energía del volante de inercia. A veces, los DUPS se combinan o integran con un generador diésel que se enciende tras un breve retraso, formando un sistema de alimentación ininterrumpida rotativo diésel (DRUPS).
El SAI de reserva o fuera de línea ofrece únicamente las funciones más básicas, como protección contra sobretensiones y respaldo de batería. El equipo protegido normalmente se conecta directamente a la red eléctrica de entrada. Cuando el voltaje de entrada cae por debajo o aumenta por encima de un nivel predeterminado, el SAI activa su circuito inversor interno de CC-CA, que se alimenta desde una batería de almacenamiento interna. A continuación, el SAI conmuta mecánicamente el equipo conectado a su salida inversora de CC-CA. El tiempo de conmutación puede ser de hasta 25 milisegundos, según el tiempo que tarde el SAI de reserva en detectar la pérdida de voltaje de la red eléctrica. El SAI estará diseñado para alimentar determinados equipos, como una computadora personal, sin ninguna caída de voltaje o caída de voltaje inaceptable en ese dispositivo.
El SAI interactivo en línea funciona de manera similar a un SAI de reserva, pero con la adición de un autotransformador de voltaje variable de múltiples tomas . Se trata de un tipo especial de transformador que puede agregar o quitar bobinas de cable alimentadas, aumentando o disminuyendo así el campo magnético y el voltaje de salida del transformador. Esto también puede realizarse mediante un transformador reductor-elevador , que es distinto de un autotransformador, ya que el primero puede estar cableado para proporcionar aislamiento galvánico .
Este tipo de SAI puede tolerar caídas de tensión continuas y picos de tensión sin consumir la energía de reserva limitada de la batería. En cambio, lo compensa seleccionando automáticamente diferentes tomas de corriente en el autotransformador. Según el diseño, cambiar la toma del autotransformador puede provocar una interrupción muy breve de la potencia de salida, [5] lo que puede hacer que los SAI equipados con una alarma de pérdida de potencia "suenen" por un momento.
Esto se ha vuelto popular incluso en los SAI más baratos porque aprovecha los componentes que ya están incluidos. El transformador principal de 50/60 Hz que se utiliza para convertir entre el voltaje de línea y el voltaje de la batería debe proporcionar dos relaciones de transformación ligeramente diferentes: una para convertir el voltaje de salida de la batería (normalmente un múltiplo de 12 V) en voltaje de línea y una segunda para convertir el voltaje de línea en un voltaje de carga de batería ligeramente superior (como un múltiplo de 14 V). La diferencia entre los dos voltajes se debe a que cargar una batería requiere un voltaje delta (hasta 13–14 V para cargar una batería de 12 V). Además, es más fácil realizar la conmutación en el lado del voltaje de línea del transformador debido a las corrientes más bajas en ese lado.
Para obtener la función de aumento/reducción , todo lo que se necesita son dos interruptores separados para que la entrada de CA se pueda conectar a una de las dos tomas principales, mientras que la carga se conecta a la otra, utilizando así los devanados primarios del transformador principal como un autotransformador. La batería todavía se puede cargar mientras se "reduce" una sobretensión, pero mientras se "aumenta" una subtensión, la salida del transformador es demasiado baja para cargar las baterías.
Los autotransformadores pueden diseñarse para cubrir una amplia gama de voltajes de entrada variables, pero esto requiere más tomas y aumenta la complejidad, así como el costo del SAI. Es común que el autotransformador cubra un rango de solo aproximadamente 90 V a 140 V para una alimentación de 120 V, y luego cambie a batería si el voltaje es mucho mayor o menor que ese rango.
En condiciones de bajo voltaje, el SAI utilizará más corriente de lo normal, por lo que puede necesitar un circuito de mayor corriente que un dispositivo normal. Por ejemplo, para alimentar un dispositivo de 1000 W a 120 V, el SAI consumirá 8,33 A. Si se produce una caída de tensión y el voltaje cae a 100 V, el SAI consumirá 10 A para compensar. Esto también funciona a la inversa, de modo que en una condición de sobretensión, el SAI necesitará menos corriente.
En un SAI en línea, las baterías siempre están conectadas al inversor, de modo que no se necesitan interruptores de transferencia de energía. Cuando se produce una pérdida de energía, el rectificador simplemente se desconecta del circuito y las baterías mantienen la energía constante y sin cambios. Cuando se restablece la energía, el rectificador vuelve a transportar la mayor parte de la carga y comienza a cargar las baterías, aunque la corriente de carga puede limitarse para evitar que el rectificador de alta potencia dañe las baterías. La principal ventaja de un SAI en línea es su capacidad de proporcionar un "cortafuegos eléctrico" entre la energía entrante de la red pública y los equipos electrónicos sensibles.
El SAI en línea es ideal para entornos en los que es necesario el aislamiento eléctrico o para equipos muy sensibles a las fluctuaciones de la energía. [6] Aunque en un tiempo estaba reservado para instalaciones muy grandes de 10 kW o más, los avances en la tecnología han permitido que ahora esté disponible como un dispositivo de consumo común, que suministra 500 W o menos. El SAI en línea puede ser necesario cuando el entorno eléctrico es "ruidoso", cuando las caídas de tensión, los cortes y otras anomalías de la red eléctrica son frecuentes, cuando se requiere la protección de cargas de equipos informáticos sensibles o cuando es necesario el funcionamiento desde un generador de respaldo de funcionamiento prolongado.
La tecnología básica del SAI en línea es la misma que la de un SAI de reserva o interactivo en línea. Sin embargo, suele costar mucho más, debido a que tiene un cargador/rectificador de batería de CA a CC de mucha mayor corriente, y a que el rectificador y el inversor están diseñados para funcionar de forma continua con sistemas de refrigeración mejorados. Se denomina SAI de doble conversión debido a que el rectificador acciona directamente el inversor, incluso cuando se alimenta con corriente CA normal.
Los UPS en línea generalmente tienen un interruptor de transferencia estático (STS) para aumentar la confiabilidad.
Estos diseños de UPS rotativos híbridos [7] no tienen designaciones oficiales, aunque un nombre utilizado por UTL es "doble conversión a demanda". [8] Este estilo de UPS está orientado a aplicaciones de alta eficiencia, manteniendo al mismo tiempo las características y el nivel de protección que ofrece la doble conversión.
Un SAI híbrido (doble conversión a demanda) funciona como un SAI fuera de línea/en espera cuando las condiciones de energía se encuentran dentro de un cierto intervalo preestablecido. Esto permite que el SAI alcance índices de eficiencia muy altos. Cuando las condiciones de energía fluctúan fuera de los intervalos predefinidos, el SAI cambia al funcionamiento en línea/de doble conversión. [8] En el modo de doble conversión, el SAI puede ajustarse a las variaciones de voltaje sin tener que usar energía de la batería, puede filtrar el ruido de la línea y controlar la frecuencia.
Las unidades ferroresonantes funcionan de la misma manera que una unidad UPS de reserva; sin embargo, están en línea con la excepción de que se utiliza un transformador ferroresonante para filtrar la salida. Este transformador está diseñado para retener energía el tiempo suficiente para cubrir el tiempo entre el cambio de la alimentación de la red a la alimentación de la batería y elimina de manera efectiva el tiempo de transferencia. Muchos UPS ferroresonantes tienen una eficiencia del 82 al 88 % (CA/CC-CA) y ofrecen un excelente aislamiento.
El transformador tiene tres devanados, uno para la alimentación de red normal, el segundo para la alimentación de batería rectificada y el tercero para la alimentación de CA de salida a la carga.
Este fue en su momento el tipo dominante de UPS y está limitado a un rango de alrededor de 150 kVA . Estas unidades todavía se utilizan principalmente en algunos entornos industriales (mercados de petróleo y gas, petroquímicos, químicos, de servicios públicos e industria pesada) debido a la naturaleza robusta del UPS. Muchos UPS ferroresonantes que utilizan tecnología ferro controlada pueden interactuar con equipos de corrección del factor de potencia. Esto dará como resultado una tensión de salida fluctuante del UPS, pero se puede corregir reduciendo los niveles de carga o agregando otras cargas de tipo lineal. [ se necesita más explicación ]
Un SAI diseñado para alimentar equipos de CC es muy similar a un SAI en línea, excepto que no necesita un inversor de salida. Además, si el voltaje de la batería del SAI coincide con el voltaje que necesita el dispositivo, tampoco será necesaria la fuente de alimentación del dispositivo . Dado que se eliminan uno o más pasos de conversión de energía, esto aumenta la eficiencia y el tiempo de funcionamiento.
Muchos sistemas utilizados en telecomunicaciones utilizan una " batería común " de voltaje extra bajo de 48 V CC, porque tiene normas de seguridad menos restrictivas, como la instalación en conductos y cajas de conexiones. La CC ha sido tradicionalmente la fuente de energía dominante para las telecomunicaciones, y la CA ha sido tradicionalmente la fuente dominante para las computadoras y los servidores.
Se ha experimentado mucho con la alimentación de 48 V CC para servidores informáticos, con la esperanza de reducir la probabilidad de fallos y el coste del equipo. Sin embargo, para suministrar la misma cantidad de energía, la corriente sería mayor que la de un circuito equivalente de 115 V o 230 V; una corriente mayor requiere conductores más grandes o se pierde más energía en forma de calor.
La CC de alto voltaje (380 V) se utiliza en algunas aplicaciones de centros de datos y permite conductores de energía pequeños, pero está sujeta a reglas de códigos eléctricos más complejas para la contención segura de altos voltajes. [9]
Para dispositivos de menor potencia que funcionan con 5 V, algunos bancos de baterías portátiles pueden funcionar como UPS.
Un SAI rotativo utiliza la inercia de un volante de inercia giratorio de gran masa ( almacenamiento de energía en volante de inercia ) para proporcionar una autonomía de corta duración en caso de pérdida de energía. El volante de inercia también actúa como amortiguador frente a picos y caídas de tensión, ya que estos eventos de energía de corta duración no pueden afectar de forma apreciable la velocidad de rotación del volante de inercia de gran masa. También es uno de los diseños más antiguos, anterior a los tubos de vacío y los circuitos integrados.
Se puede considerar que está en línea ya que gira continuamente en condiciones normales. Sin embargo, a diferencia de un SAI basado en batería, los sistemas SAI basados en volante de inercia suelen proporcionar entre 10 y 20 segundos de protección antes de que el volante de inercia se ralentice y se detenga la salida de energía. [10] Se utiliza tradicionalmente junto con generadores de reserva, proporcionando energía de respaldo solo durante el breve período de tiempo que el motor necesita para comenzar a funcionar y estabilizar su salida.
El SAI rotativo se reserva generalmente para aplicaciones que necesitan más de 10.000 W de protección, para justificar el gasto y aprovechar las ventajas que aportan los sistemas SAI rotativos. Un volante de inercia más grande o varios volantes de inercia que funcionen en paralelo aumentarán el tiempo de funcionamiento de reserva o la capacidad.
Debido a que los volantes de inercia son una fuente de energía mecánica, no es necesario utilizar un motor eléctrico o generador como intermediario entre este y un motor diésel diseñado para proporcionar energía de emergencia. Al utilizar una caja de cambios de transmisión, la inercia rotacional del volante de inercia se puede utilizar para arrancar directamente un motor diésel, [11] y una vez en funcionamiento, el motor diésel se puede utilizar para hacer girar directamente el volante de inercia. Asimismo, se pueden conectar varios volantes de inercia en paralelo a través de contraejes mecánicos , sin necesidad de motores y generadores separados para cada volante de inercia.
Por lo general, están diseñados para proporcionar una salida de corriente muy alta en comparación con un SAI puramente electrónico y son más capaces de proporcionar corriente de entrada para cargas inductivas, como arranque de motores o cargas de compresores, así como equipos médicos de resonancia magnética y de laboratorio de cateterismo . También pueden tolerar condiciones de cortocircuito hasta 17 veces mayores que un SAI electrónico, lo que permite que un dispositivo funda un fusible y falle mientras otros dispositivos continúan recibiendo energía del SAI rotatorio.
Su ciclo de vida suele ser mucho mayor que el de un SAI puramente electrónico, hasta 30 años o más. Pero sí requieren tiempos de inactividad periódicos para realizar tareas de mantenimiento mecánico, como la sustitución de cojinetes de bolas . En sistemas más grandes, la redundancia del sistema garantiza la disponibilidad de los procesos durante este mantenimiento. Los diseños basados en baterías no requieren tiempos de inactividad si las baterías se pueden cambiar en caliente , lo que suele ser el caso de las unidades más grandes. Las unidades rotativas más nuevas utilizan tecnologías como cojinetes magnéticos y carcasas con evacuación de aire para aumentar la eficiencia en modo de espera y reducir el mantenimiento a niveles muy bajos.
Por lo general, el volante de inercia de gran masa se utiliza junto con un sistema de motor-generador . Estas unidades pueden configurarse como:
En el caso n.° 3, el motor generador puede ser síncrono/síncrono o de inducción/síncrono. El lado del motor de la unidad en los casos n.° 2 y 3 puede ser accionado directamente por una fuente de alimentación de CA (normalmente cuando está en derivación del inversor), un variador de motor de doble conversión de 6 pasos o un inversor de 6 pulsos. El caso n.° 1 utiliza un volante de inercia integrado como fuente de energía a corto plazo en lugar de baterías para dar tiempo a que los grupos electrógenos externos acoplados eléctricamente arranquen y se pongan en funcionamiento. Los casos n.° 2 y 3 pueden utilizar baterías o un volante de inercia acoplado eléctricamente independiente como fuente de energía a corto plazo.
Los sistemas UPS más pequeños vienen en diferentes formas y tamaños. Sin embargo, las dos formas más comunes son las de torre y las de montaje en bastidor. [12]
Los modelos de torre se colocan en posición vertical sobre el suelo o sobre un escritorio o estante, y se utilizan normalmente en estaciones de trabajo en red o aplicaciones informáticas de escritorio. Los modelos de montaje en bastidor se pueden montar en bastidores estándar de 19 pulgadas y pueden requerir entre 1U y 12U ( unidades de bastidor ). Se utilizan normalmente en aplicaciones de servidores y redes. Algunos dispositivos cuentan con interfaces de usuario que giran 90°, lo que permite montarlos verticalmente sobre el suelo u horizontalmente como se encontrarían en un bastidor.
En entornos empresariales de gran tamaño, donde la fiabilidad es de gran importancia, un único SAI de gran tamaño también puede ser un único punto de fallo que puede interrumpir el funcionamiento de muchos otros sistemas. Para proporcionar una mayor fiabilidad, se pueden integrar varios módulos SAI más pequeños y baterías para proporcionar una protección de energía redundante equivalente a un SAI de gran tamaño. " N + 1" significa que si la carga puede ser suministrada por N módulos, la instalación contendrá N + 1 módulos. De esta manera, el fallo de un módulo no afectará al funcionamiento del sistema. [13]
Muchos servidores informáticos ofrecen la opción de fuentes de alimentación redundantes , de modo que en caso de que falle una fuente de alimentación, una o más fuentes de alimentación adicionales puedan alimentar la carga. Este es un punto crítico: cada fuente de alimentación debe poder alimentar todo el servidor por sí sola.
La redundancia se mejora aún más al conectar cada fuente de alimentación a un circuito diferente (es decir, a un disyuntor diferente ).
La protección redundante se puede ampliar aún más conectando cada fuente de alimentación a su propio SAI. Esto proporciona doble protección tanto en caso de fallo de la fuente de alimentación como de un fallo del SAI, de modo que se garantiza el funcionamiento continuo. Esta configuración también se conoce como redundancia 1 + 1 o 2 N. Si el presupuesto no permite dos unidades SAI idénticas, es una práctica habitual enchufar una fuente de alimentación a la red eléctrica y la otra al SAI. [14] [15]
Cuando un sistema UPS se coloca al aire libre, debe tener algunas características específicas que garanticen que pueda tolerar el clima sin afectar el rendimiento. Factores como la temperatura, la humedad , la lluvia y la nieve, entre otros, deben ser considerados por el fabricante al diseñar un sistema UPS para exteriores. Los rangos de temperatura de funcionamiento para sistemas UPS para exteriores pueden estar alrededor de −40 °C a +55 °C . [16]
Los sistemas UPS para exteriores pueden montarse en postes, en tierra (pedestal) o en el host. El entorno exterior puede ser extremadamente frío, en cuyo caso el sistema UPS para exteriores debe incluir una estera calefactora de baterías, o extremadamente caluroso, en cuyo caso el sistema UPS para exteriores debe incluir un sistema de ventilación o un sistema de aire acondicionado.
Un inversor solar , inversor fotovoltaico o convertidor solar , convierte la salida de corriente continua (CC) variable de un panel solar fotovoltaico (PV) en una corriente alterna (CA) de frecuencia de servicio público que puede suministrarse a una red eléctrica comercial o utilizarse en una red eléctrica local fuera de la red . Es un componente BOS crítico en un sistema fotovoltaico , que permite el uso de equipos comunes alimentados por CA. Los inversores solares tienen funciones especiales adaptadas para su uso con conjuntos fotovoltaicos, incluido el seguimiento del punto de máxima potencia y la protección contra el efecto isla .
La salida de algunos SAI electrónicos puede tener una desviación significativa de la forma de onda sinusoidal ideal. Esto es especialmente cierto en el caso de las unidades monofásicas económicas de consumo diseñadas para uso doméstico y de oficina. Estas suelen utilizar fuentes de alimentación de CA conmutadas simples y la salida se asemeja a una onda cuadrada rica en armónicos. Estos armónicos pueden causar interferencias con otros dispositivos electrónicos, incluida la comunicación por radio, y algunos dispositivos (por ejemplo, cargas inductivas como motores de CA) pueden funcionar con una eficiencia reducida o no funcionar en absoluto. Las unidades SAI más sofisticadas (y costosas) pueden producir energía de CA sinusoidal casi pura.
Un problema en la combinación de un SAI de doble conversión y un generador es la distorsión de tensión creada por el SAI. La entrada de un SAI de doble conversión es esencialmente un gran rectificador. La corriente que consume el SAI no es sinusoidal. Esto puede provocar que la tensión de la red de CA o de un generador también se vuelva no sinusoidal. La distorsión de tensión puede causar problemas en todos los equipos eléctricos conectados a esa fuente de alimentación, incluido el propio SAI. También provocará que se pierda más energía en el cableado que suministra energía al SAI debido a los picos en el flujo de corriente. Este nivel de "ruido" se mide como un porcentaje de la " distorsión armónica total de la corriente " (THD I ). Los rectificadores SAI clásicos tienen un nivel de THD I de alrededor del 25%–30%. Para reducir la distorsión de tensión, esto requiere un cableado de red más pesado o generadores más del doble de grandes que el SAI.
Existen varias soluciones para reducir el THD I en un SAI de doble conversión:
Las soluciones clásicas, como los filtros pasivos, reducen la distorsión armónica total (THD ) entre un 5% y un 10% a plena carga. Son fiables, pero grandes y solo funcionan a plena carga, y presentan sus propios problemas cuando se utilizan en combinación con generadores.
Una solución alternativa es un filtro activo. Mediante el uso de un dispositivo de este tipo, la THD I puede reducirse hasta el 5% en todo el rango de potencia. La tecnología más reciente en unidades SAI de doble conversión es un rectificador que no utiliza componentes rectificadores clásicos (tiristores y diodos), sino que utiliza componentes de alta frecuencia. Un SAI de doble conversión con un rectificador de transistor bipolar de puerta aislada y un inductor puede tener una THD I tan pequeña como el 2%. Esto elimina por completo la necesidad de sobredimensionar el generador (y los transformadores), sin filtros adicionales, costos de inversión, pérdidas o espacio.
La gestión de energía (PM) requiere:
Los métodos básicos de control de ordenador a SAI están pensados para la transmisión de señales uno a uno desde una única fuente a un único destino. Por ejemplo, un único SAI puede conectarse a un único ordenador para proporcionar información sobre el estado del SAI y permitir que el ordenador controle el SAI. De forma similar, el protocolo USB también está pensado para conectar un único ordenador a varios dispositivos periféricos.
En algunas situaciones, resulta útil que un único SAI de gran tamaño pueda comunicarse con varios dispositivos protegidos. Para el control tradicional por USB o serie, se puede utilizar un dispositivo de replicación de señales , que, por ejemplo, permite que un SAI se conecte a cinco ordenadores mediante conexiones por USB o serie. [18] Sin embargo, la división suele ser en una sola dirección, desde el SAI a los dispositivos para proporcionar información de estado. Es posible que solo se permitan señales de control de retorno desde uno de los sistemas protegidos al SAI. [19]
A medida que el uso de Ethernet se ha vuelto más común desde los años 1990, las señales de control ahora se envían comúnmente entre un solo SAI y múltiples computadoras utilizando métodos de comunicación de datos Ethernet estándar, como TCP/IP . [20] La información de estado y control generalmente está encriptada de modo que, por ejemplo, un pirata informático externo no pueda obtener el control del SAI y ordenarle que se apague. [21]
La distribución de los datos de control y estado del SAI requiere que todos los dispositivos intermediarios, como conmutadores Ethernet o multiplexores en serie, reciban alimentación de uno o más sistemas SAI, para que las alertas del SAI lleguen a los sistemas de destino durante un corte de energía . Para evitar la dependencia de la infraestructura Ethernet, los SAI se pueden conectar directamente al servidor de control principal mediante el canal GSM/GPRS. Los paquetes de datos SMS o GPRS enviados desde los SAI activan el software para apagar las PC y reducir la carga.
Existen tres tipos principales de baterías de UPS: baterías de plomo-ácido reguladas por válvula (VRLA), baterías de celdas inundadas o VLA y baterías de iones de litio. El tiempo de funcionamiento de un UPS que funciona con baterías depende del tipo y tamaño de las baterías, de la velocidad de descarga y de la eficiencia del inversor. La capacidad total de una batería de plomo-ácido es una función de la velocidad a la que se descarga, lo que se describe como la ley de Peukert .
Los fabricantes proporcionan una clasificación de tiempo de funcionamiento en minutos para los sistemas UPS empaquetados. Los sistemas más grandes (como los de los centros de datos) requieren un cálculo detallado de la carga, la eficiencia del inversor y las características de la batería para garantizar que se alcance la resistencia requerida. [22]
Cuando se carga o descarga una batería de plomo-ácido, esto afecta inicialmente solo a las sustancias químicas reactivas, que se encuentran en la interfaz entre los electrodos y el electrolito. Con el tiempo, la carga almacenada en las sustancias químicas en la interfaz, a menudo denominada "carga de interfaz", se extiende por difusión de estas sustancias químicas en todo el volumen del material activo.
Si una batería se ha descargado completamente (por ejemplo, si las luces del coche se han dejado encendidas durante la noche) y luego se le aplica una carga rápida durante sólo unos minutos, durante el breve tiempo de carga sólo se desarrolla una carga cerca de la interfaz. El voltaje de la batería puede aumentar hasta estar cerca del voltaje del cargador, de modo que la corriente de carga disminuye significativamente. Después de unas horas, esta carga de la interfaz no se extenderá al volumen del electrodo y el electrolito, lo que dará lugar a una carga de la interfaz tan baja que puede ser insuficiente para poner en marcha un coche. [23]
Debido a la carga de la interfaz, las breves funciones de autoprueba del UPS que duran solo unos segundos pueden no reflejar con precisión la capacidad de funcionamiento real de un UPS y, en su lugar, se necesita una recalibración prolongada o una prueba de descarga que descargue profundamente la batería. [24]
Las pruebas de descarga profunda son en sí mismas dañinas para las baterías debido a que los químicos en la batería descargada comienzan a cristalizarse en formas moleculares altamente estables que no se volverán a disolver cuando la batería se recargue, lo que reduce permanentemente la capacidad de carga. En las baterías de plomo-ácido, esto se conoce como sulfatación , pero el daño por descarga profunda también afecta a otros tipos, como las baterías de níquel-cadmio y las baterías de litio . [25] Por lo tanto, se recomienda comúnmente que las pruebas de reducción se realicen con poca frecuencia, como cada seis meses o un año. [26] [27]
Los sistemas UPS comerciales de varios kilovatios con bancos de baterías grandes y de fácil acceso son capaces de aislar y probar celdas individuales dentro de una cadena de baterías , que consta de unidades de baterías de celdas combinadas (como baterías de plomo-ácido de 12 V) o celdas químicas individuales conectadas en serie. Aislar una sola celda e instalar un puente en su lugar permite probar la descarga de una batería, mientras que el resto de la cadena de baterías permanece cargada y disponible para brindar protección. [28]
También es posible medir las características eléctricas de celdas individuales en una cadena de baterías, utilizando cables sensores intermedios que se instalan en cada unión de celda a celda, y se monitorean tanto de manera individual como colectiva. Las cadenas de baterías también pueden estar conectadas en serie-paralelo, por ejemplo, dos conjuntos de 20 celdas. En tal situación, también es necesario monitorear el flujo de corriente entre cadenas paralelas, ya que la corriente puede circular entre las cadenas para equilibrar los efectos de celdas débiles, celdas muertas con alta resistencia o celdas en cortocircuito. Por ejemplo, las cadenas más fuertes pueden descargarse a través de cadenas más débiles hasta que se igualen los desequilibrios de voltaje, y esto debe tenerse en cuenta en las mediciones individuales entre celdas dentro de cada cadena. [29]
Las cadenas de baterías conectadas en serie-paralelo pueden desarrollar modos de falla inusuales debido a las interacciones entre las múltiples cadenas paralelas. Las baterías defectuosas en una cadena pueden afectar negativamente el funcionamiento y la vida útil de baterías buenas o nuevas en otras cadenas. Estos problemas también se aplican a otras situaciones en las que se utilizan cadenas en serie-paralelo, no solo en sistemas UPS sino también en aplicaciones de vehículos eléctricos . [30]
Considere una disposición de baterías en serie-paralelo con todas las celdas en buen estado y una se cortocircuita o muere:
La única forma de evitar estas interacciones sutiles entre cadenas en serie y en paralelo es no utilizar cadenas en paralelo en absoluto y utilizar controladores de carga e inversores separados para cadenas en serie individuales.
Incluso una sola cadena de baterías conectadas en serie puede tener interacciones adversas si se mezclan baterías nuevas con baterías viejas. Las baterías viejas tienden a tener una capacidad de almacenamiento reducida, por lo que se descargarán más rápido que las baterías nuevas y también se cargarán a su capacidad máxima más rápidamente que las baterías nuevas.
A medida que se agota una cadena mixta de baterías nuevas y viejas, el voltaje de la cadena bajará y, cuando las baterías viejas se agoten, las nuevas aún tendrán carga disponible. Las celdas más nuevas pueden continuar descargándose en el resto de la cadena, pero debido al bajo voltaje, este flujo de energía puede no ser útil y puede desperdiciarse en las celdas viejas como calentamiento por resistencia.
En el caso de las celdas que se supone que deben operar dentro de una ventana de descarga específica, las celdas nuevas con más capacidad pueden provocar que las celdas antiguas en la serie continúen descargándose más allá del límite inferior seguro de la ventana de descarga, dañando las celdas antiguas.
Al recargarse, las celdas antiguas se recargan más rápidamente, lo que produce un aumento rápido del voltaje hasta casi alcanzar el estado de carga completa, pero antes de que las celdas nuevas con más capacidad se hayan recargado por completo. El controlador de carga detecta el alto voltaje de una cadena casi completamente cargada y reduce el flujo de corriente. Las celdas nuevas con más capacidad se cargan ahora muy lentamente, tan lentamente que los productos químicos pueden comenzar a cristalizarse antes de alcanzar el estado de carga completa, lo que reduce la capacidad de las celdas nuevas a lo largo de varios ciclos de carga/descarga hasta que su capacidad se acerque más a la de las celdas antiguas en la cadena en serie.
Por estas razones, algunos sistemas de gestión de UPS industriales recomiendan el reemplazo periódico de conjuntos de baterías completos, lo que puede llegar a utilizar cientos de baterías costosas, debido a estas interacciones dañinas entre baterías nuevas y viejas, dentro y entre cadenas en serie y en paralelo. [31]
-XS es un conmutador de datos RS232 activo, diseñado para gestionar las comunicaciones en serie de un SAI con hasta 5/10 ordenadores.
