Una fuente de alimentación ininterrumpida ( UPS ) 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 UPS se diferencia de un sistema de energía auxiliar / de emergencia tradicional o de un generador de reserva en que brindará protección casi instantánea contra interrupciones de energía de entrada al cambiar a energía almacenada en paquetes de baterías , supercondensadores o volantes . Los tiempos de funcionamiento con batería de la mayoría de los UPS son relativamente cortos (sólo unos pocos minutos), pero suficientes para "ganar tiempo" para iniciar una fuente de energía de reserva o apagar adecuadamente el equipo protegido. Casi todos los UPS también contienen protección contra sobretensiones integrada para proteger los dispositivos de salida de picos de voltaje .
Un UPS generalmente se usa para proteger hardware como computadoras , centros de datos , equipos de telecomunicaciones u otros equipos eléctricos donde una interrupción inesperada del suministro eléctrico podría causar lesiones, muertes, interrupciones comerciales graves o pérdida de datos . Las unidades UPS varían en tamaño, desde aquellas diseñadas para proteger una sola computadora sin un monitor de video (alrededor de 200 voltios-amperios ) hasta unidades grandes que alimentan centros de datos o edificios completos. El UPS más grande del mundo, el Sistema de Almacenamiento de Energía por Batería (BESS) de 46 megavatios, en Fairbanks, Alaska , suministra energía a toda la ciudad y a las comunidades rurales cercanas durante los cortes. [1]
La función principal de cualquier UPS es proporcionar energía a corto plazo cuando falla la fuente de alimentación de entrada. Sin embargo, la mayoría de las unidades UPS también son capaces, en diversos grados, de corregir problemas comunes de energía de la red pública:
Algunos fabricantes de unidades UPS clasifican sus productos de acuerdo con la cantidad de problemas relacionados con la energía que abordan. [2]
Una unidad UPS también puede presentar problemas con la calidad de la energía eléctrica . Para evitar esto, un UPS debe seleccionarse no solo por su capacidad, sino también por la calidad de la energía que requiere el equipo que se suministra.
Las tres categorías generales de sistemas UPS modernos son en línea , interactivos en línea y en espera : [3] [4]
La mayoría de los UPS de menos de un kilo voltio-amperio (1 kVA) son de línea interactiva o de reserva, que suelen ser menos costosos.
Para unidades de energía grandes, a veces se utilizan fuentes de alimentación ininterrumpibles dinámicas (DUPS). Un motor/alternador síncrono se conecta a la red mediante un estrangulador . La energía se almacena en un volante . Cuando falla la red eléctrica, una regulación de corrientes parásitas mantiene la potencia en la carga mientras no se agote la energía del volante. Los DUPS a veces se combinan o integran con un generador diésel que se enciende después de un breve retraso, formando una fuente de alimentación ininterrumpida rotativa diésel (DRUPS).
La empresa Hydrogenics desarrolló un UPS de celda de combustible utilizando hidrógeno y una celda de combustible como fuente de energía, lo que podría proporcionar tiempos de funcionamiento prolongados en un espacio pequeño. [5]
El UPS fuera de línea/en espera ofrece solo las funciones más básicas, brindando protección contra sobretensiones y respaldo de batería. El equipo protegido normalmente está conectado directamente a la energía eléctrica entrante. Cuando el voltaje entrante cae por debajo o aumenta por encima de un nivel predeterminado, el UPS activa su circuito inversor CC-CA interno, que se alimenta desde una batería de almacenamiento interna. A continuación, el SAI conecta mecánicamente el equipo conectado a su salida del inversor CC-CA. El tiempo de conmutación puede ser de hasta 25 milisegundos, dependiendo de la cantidad de tiempo que le toma al UPS de reserva detectar la pérdida de voltaje de la red pública. El UPS estará diseñado para alimentar ciertos equipos, como una computadora personal, sin ninguna caída o caída de voltaje objetable en ese dispositivo.
El UPS de línea interactiva tiene un funcionamiento similar al de un UPS de respaldo, pero con la adición de un autotransformador de voltaje variable de tomas múltiples . Este es un tipo especial de transformador que puede agregar o restar bobinas de cable alimentadas, aumentando o disminuyendo así el campo magnético y el voltaje de salida del transformador. Esto también se puede realizar 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 UPS es capaz de tolerar continuas caídas de voltaje y sobretensiones sin consumir la energía de reserva limitada de la batería. En cambio, lo compensa seleccionando automáticamente diferentes tomas de corriente en el autotransformador. Dependiendo del diseño, cambiar la toma del autotransformador puede causar una interrupción muy breve de la energía de salida, [6] lo que puede hacer que los UPS equipados con una alarma de pérdida de energía emitan un "chirrido" por un momento.
Esto se ha vuelto popular incluso en los UPS más baratos porque aprovecha los componentes ya incluidos. El transformador principal de 50/60 Hz utilizado 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 a 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 de voltaje de línea del transformador debido a las corrientes más bajas en ese lado.
Para obtener la función de reducción/aumento , todo lo que se requiere son dos interruptores separados para que la entrada de CA se pueda conectar a una de las dos derivaciones primarias, mientras que la carga se conecta a la otra, usando así los devanados primarios del transformador principal como autotransformador. La batería aún se puede cargar mientras se "contrarresta" 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 UPS. Es común que el autotransformador cubra un rango solo de aproximadamente 90 V a 140 V para una alimentación de 120 V, y luego cambie a batería si el voltaje sube o baja mucho más que ese rango.
En condiciones de bajo voltaje, el UPS usará más corriente de lo normal, por lo que puede necesitar un circuito de corriente más alto que el de un dispositivo normal. Por ejemplo, para alimentar un dispositivo de 1000 W a 120 V, el UPS consumirá 8,33 A. Si se produce una caída de tensión y el voltaje cae a 100 V, el UPS consumirá 10 A para compensar. Esto también funciona a la inversa, de modo que en una condición de sobretensión, el UPS necesitará menos corriente.
En un UPS en línea, las baterías siempre están conectadas al inversor, por lo que no son necesarios interruptores de transferencia de energía. Cuando se produce una pérdida de energía, el rectificador simplemente se sale del circuito y las baterías mantienen la energía estable y sin cambios. Cuando se restablece la energía, el rectificador continúa transportando 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 UPS en línea es su capacidad de proporcionar un "cortafuegos eléctrico" entre la energía entrante de la red pública y los equipos electrónicos sensibles.
El UPS en línea es ideal para entornos donde es necesario el aislamiento eléctrico o para equipos muy sensibles a las fluctuaciones de energía. [7] Aunque en un momento estuvo reservado para instalaciones muy grandes de 10 kW o más, los avances tecnológicos ahora han permitido que esté disponible como un dispositivo de consumo común, que suministra 500 W o menos. El UPS en línea puede ser necesario cuando el ambiente de energía es "ruidoso", cuando las caídas de energía de la red pública, los cortes y otras anomalías son frecuentes, cuando se requiere protección de cargas de equipos de TI sensibles o cuando es necesaria la operación desde un generador de respaldo de funcionamiento extendido.
La tecnología básica del UPS en línea es la misma que la de un UPS en espera o de línea interactiva. Sin embargo, normalmente cuesta mucho más, debido a que tiene un cargador/rectificador de batería de CA a CC de corriente mucho mayor, y a que el rectificador y el inversor están diseñados para funcionar continuamente con sistemas de refrigeración mejorados. Se denomina UPS de doble conversión debido a que el rectificador acciona directamente el inversor, incluso cuando se alimenta con corriente alterna normal.
El UPS en línea generalmente tiene un interruptor de transferencia estática (STS) para aumentar la confiabilidad.
Estos diseños de UPS rotativos híbridos [8] no tienen designaciones oficiales, aunque un nombre utilizado por UTL es "doble conversión bajo demanda". [9] Este estilo de UPS está dirigido a aplicaciones de alta eficiencia y al mismo tiempo mantiene las características y el nivel de protección que ofrece la doble conversión.
Un UPS híbrido (doble conversión bajo demanda) funciona como un UPS fuera de línea/en espera cuando las condiciones de energía están dentro de una determinada ventana preestablecida. Esto permite que el UPS alcance índices de eficiencia muy altos. Cuando las condiciones de energía fluctúan fuera de las ventanas predefinidas, el UPS cambia al funcionamiento en línea/de doble conversión. [9] En el modo de doble conversión, el UPS 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 línea a la alimentación de la batería y elimina eficazmente 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 alimentación de red ordinaria, el segundo para alimentación de batería rectificada y el tercero para alimentación de CA de salida a la carga.
Este fue alguna vez el tipo dominante de UPS y está limitado a alrededor del rango de 150 kVA . Estas unidades todavía se utilizan principalmente en algunos entornos industriales (mercados de petróleo y gas, petroquímicos, químicos, servicios públicos y de la 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 resultará en una fluctuación del voltaje de salida del UPS, pero se puede corregir reduciendo los niveles de carga o agregando otras cargas de tipo lineal. [ Se necesita más explicación ]
Un UPS diseñado para alimentar equipos de CC es muy similar a un UPS en línea, excepto que no necesita un inversor de salida. Además, si el voltaje de la batería del UPS coincide con el voltaje que necesita el dispositivo, tampoco 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 ejecución.
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 típicamente la fuente de energía dominante para las telecomunicaciones y la CA ha sido típicamente la fuente dominante para computadoras y servidores.
Se ha experimentado mucho con 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) está encontrando uso 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. [10]
Para dispositivos de menor potencia que funcionan con 5 V, algunos bancos de baterías portátiles pueden funcionar como UPS.
Un UPS rotativo utiliza la inercia de un volante giratorio de gran masa ( almacenamiento de energía del volante ) para proporcionar un funcionamiento a corto plazo en caso de pérdida de energía. El volante también actúa como amortiguador contra picos y caídas de potencia, ya que tales eventos de potencia de corta duración no pueden afectar apreciablemente la velocidad de rotación del volante 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 UPS basado en batería, los sistemas UPS basados en volante generalmente brindan de 10 a 20 segundos de protección antes de que el volante se desacelere y la salida de energía se detenga. [11] 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 potencia.
El UPS rotativo generalmente se reserva para aplicaciones que necesitan más de 10.000 W de protección, para justificar el gasto y beneficiarse de las ventajas que aportan los sistemas UPS rotativos. Un volante más grande o varios volantes funcionando en paralelo aumentarán el tiempo o la capacidad de funcionamiento de reserva.
Debido a que los volantes son una fuente de energía mecánica, no es necesario utilizar un motor o generador eléctrico como intermediario entre este y un motor diesel diseñado para proporcionar energía de emergencia. Al utilizar una caja de cambios de transmisión, la inercia rotacional del volante se puede utilizar para arrancar directamente un motor diésel y, una vez en funcionamiento, el motor diésel se puede utilizar para hacer girar directamente el volante. Asimismo, se pueden conectar varios volantes en paralelo mediante contraejes mecánicos , sin necesidad de motores y generadores separados para cada volante.
Normalmente están diseñados para proporcionar una salida de corriente muy alta en comparación con un UPS puramente electrónico, y son más capaces de proporcionar corriente de entrada para cargas inductivas como el arranque de motores o cargas de compresores, así como equipos de laboratorio de cateterismo y resonancia magnética médica . También es capaz de tolerar condiciones de cortocircuito hasta 17 veces mayores que un UPS electrónico, lo que permite que un dispositivo funda un fusible y falle mientras otros dispositivos continúan recibiendo energía del UPS rotativo.
Su ciclo de vida suele ser mucho mayor que el de un UPS puramente electrónico, hasta 30 años o más. Pero sí requieren paradas periódicas para mantenimiento mecánico, como el reemplazo de rodamientos 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 tiempo de inactividad si las baterías se pueden cambiar en caliente , lo que suele ser el caso de unidades más grandes. Las unidades rotativas más nuevas utilizan tecnologías como cojinetes magnéticos y gabinetes con vacío de aire para aumentar la eficiencia en espera y reducir el mantenimiento a niveles muy bajos.
Normalmente, el volante de inercia de gran masa se utiliza junto con un sistema motor-generador . Estas unidades se pueden configurar como:
En el caso No. 3 el motor generador puede ser síncrono/síncrono o de inducción/síncrono. El lado del motor de la unidad en los casos Nos. 2 y 3 puede ser accionado directamente por una fuente de alimentación de CA (normalmente cuando está en derivación del inversor), un motor de doble conversión de 6 pasos o un inversor de 6 pulsos. El Caso No. 1 utiliza un volante 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 línea. Los casos 2 y 3 pueden utilizar baterías o un volante independiente acoplado eléctricamente 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 la torre y el montaje en bastidor. [12]
Los modelos de torre se colocan en posición vertical sobre el suelo o sobre un escritorio o estante, y normalmente se utilizan en estaciones de trabajo en red o aplicaciones informáticas de escritorio. Los modelos de montaje en bastidor se pueden montar en gabinetes de bastidor estándar de 19 pulgadas y pueden requerir desde 1U hasta 12U ( unidades de bastidor ). Normalmente se utilizan en aplicaciones de servidores y redes. Algunos dispositivos cuentan con interfaces de usuario que giran 90°, lo que permite montarlos verticalmente en el suelo u horizontalmente como se encontraría en un bastidor.
En entornos de grandes empresas donde la confiabilidad es de gran importancia, un solo UPS enorme también puede ser un punto único de falla que puede interrumpir muchos otros sistemas. Para brindar mayor confiabilidad, se pueden integrar múltiples módulos UPS y baterías más pequeños para brindar protección de energía redundante equivalente a un UPS muy grande. " N +1" significa que si la carga puede ser alimentada por N módulos, la instalación contendrá N +1 módulos. De esta manera, la falla de un módulo no afectará el 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 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 conectando 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 UPS. Esto proporciona doble protección tanto ante un fallo del suministro eléctrico como ante un fallo del UPS, 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 UPS idénticas, entonces es una práctica común enchufar una fuente de alimentación a la red eléctrica y la otra al UPS. [14] [15]
Cuando un sistema UPS se coloca al aire libre, debe tener algunas características específicas que garanticen que pueda tolerar el clima sin ningún efecto en el rendimiento. El fabricante debe considerar factores como la temperatura, la humedad , la lluvia y la nieve, entre otros, al diseñar un sistema UPS para exteriores. Los rangos de temperatura de funcionamiento para sistemas UPS para exteriores pueden oscilar entre −40 °C y +55 °C . [dieciséis]
Los sistemas UPS para exteriores pueden montarse en poste, tierra (pedestal) o host. El ambiente exterior podría significar frío extremo, en cuyo caso el sistema UPS exterior debe incluir una estera calefactora de batería, o calor extremo, en cuyo caso el sistema UPS exterior debe incluir un sistema de ventilador o un sistema de aire acondicionado.
Un inversor solar , o 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 alimentarse a una red eléctrica comercial o utilizarse por una red eléctrica local aislada de la red . Es un componente BOS crítico en un sistema fotovoltaico , que permite el uso de equipos ordinarios alimentados por CA. Los inversores solares tienen funciones especiales adaptadas para su uso con paneles fotovoltaicos, incluido el seguimiento del punto de máxima potencia y la protección contra islas .
La salida de algunos UPS electrónicos puede tener una desviación significativa de una forma de onda sinusoidal ideal. Esto es especialmente cierto en el caso de unidades monofásicas económicas para el consumidor diseñadas para uso doméstico y de oficina. A menudo utilizan 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, incluidas las comunicaciones por radio, y algunos dispositivos (por ejemplo, cargas inductivas como motores de CA) pueden funcionar con eficiencia reducida o no funcionar en absoluto. Las unidades UPS más sofisticadas (y caras) pueden producir energía CA sinusoidal casi pura.
Un problema en la combinación de un UPS de doble conversión y un generador es la distorsión de voltaje creada por el UPS. La entrada de un UPS de doble conversión es esencialmente un gran rectificador. La corriente consumida por el UPS 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 del voltaje puede causar problemas en todos los equipos eléctricos conectados a esa fuente de energía, incluido el propio UPS. También provocará que se pierda más energía en el cableado que suministra energía al UPS debido a los picos en el flujo de corriente. Este nivel de "ruido" se mide como porcentaje de la " distorsión armónica total de la corriente " (THD I ). Los rectificadores UPS clásicos tienen un nivel THD I de alrededor del 25 % al 30 %. Para reducir la distorsión de voltaje, esto requiere cableado de red más pesado o generadores más del doble de grandes que el UPS.
Existen varias soluciones para reducir el THD I en un SAI de doble conversión:
Las soluciones clásicas, como los filtros pasivos, reducen el THD I al 5%-10% a plena carga. Son fiables, pero grandes y sólo funcionan a plena carga, y presentan sus propios problemas cuando se utilizan junto con generadores.
Una solución alternativa es un filtro activo. Mediante el uso de un dispositivo de este tipo, el THD I puede descender al 5 % en todo el rango de potencia. La última tecnología 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 UPS de doble conversión con un inductor y un rectificador de transistor bipolar de puerta aislada puede tener un THD I tan pequeño como 2%. Esto elimina por completo la necesidad de sobredimensionar el generador (y los transformadores), sin filtros adicionales, costos de inversión, pérdidas o espacio.
La administración de energía (PM) requiere:
Los métodos básicos de control de computadora a UPS están destinados a la señalización uno a uno desde una sola fuente a un solo destino. Por ejemplo, un solo UPS puede conectarse a una sola computadora para proporcionar información de estado sobre el UPS y permitir que la computadora controle el UPS. De manera similar, el protocolo USB también está destinado a conectar una sola computadora a múltiples dispositivos periféricos.
En algunas situaciones, resulta útil que un único SAI grande pueda comunicarse con varios dispositivos protegidos. Para el control serial o USB tradicional, se puede usar un dispositivo de replicación de señal , que por ejemplo permite que un UPS se conecte a cinco computadoras usando conexiones seriales o USB. [18] Sin embargo, la división suele ser en una sola dirección desde el UPS 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 UPS. [19]
A medida que el uso de Ethernet ha aumentado desde la década de 1990, las señales de control ahora se envían comúnmente entre un solo UPS y varias computadoras utilizando métodos de comunicación de datos Ethernet estándar, como TCP/IP . [20] La información de estado y control generalmente está cifrada para que, por ejemplo, un pirata informático externo no pueda obtener el control del UPS y ordenarle que se apague. [21]
La distribución de los datos de control y estado del UPS requiere que todos los dispositivos intermediarios, como conmutadores Ethernet o multiplexores en serie, estén alimentados por uno o más sistemas UPS, para que las alertas del UPS lleguen a los sistemas de destino durante un corte de energía . Para evitar la dependencia de la infraestructura Ethernet, los UPS se pueden conectar directamente al servidor de control principal utilizando también el canal GSM/GPRS. Los paquetes de datos SMS o GPRS enviados desde los UPS activan el software para apagar las PC y reducir la carga.
Hay tres tipos principales de baterías UPS: baterías de plomo ácido reguladas por válvula (VRLA), baterías de celda inundada 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 tasa de descarga y de la eficiencia del inversor. La capacidad total de una batería de plomo-ácido es función de la velocidad a la que se descarga, lo que se describe como ley de Peukert .
Los fabricantes proporcionan índices de tiempo de ejecución en minutos para sistemas UPS empaquetados. Los sistemas más grandes (como 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, inicialmente esto afecta solo a los químicos que reaccionan, 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 propaga por difusión de estas sustancias químicas por todo el volumen del material activo.
Si una batería se ha descargado completamente (por ejemplo, las luces del coche se han dejado encendidas durante la noche) y luego se carga rápidamente durante sólo unos minutos, durante el breve tiempo de carga sólo se carga cerca de la interfaz. El voltaje de la batería puede aumentar hasta acercarse al voltaje del cargador, de modo que la corriente de carga disminuya significativamente. Después de unas horas, esta carga de interfaz no se extenderá al volumen del electrodo y del electrolito, lo que provocará una carga de interfaz tan baja que puede ser insuficiente para arrancar un automóvil. [23]
Debido a la carga de la interfaz, las breves funciones de autoprueba del UPS que duran solo unos pocos segundos pueden no reflejar con precisión la verdadera capacidad de funcionamiento de un UPS y, en su lugar, se necesita una recalibración prolongada o una prueba de agotamiento que descargue profundamente la batería. [24]
La prueba de descarga profunda es en sí misma perjudicial para las baterías debido a que los productos químicos de la batería descargada comienzan a cristalizar en formas moleculares altamente estables que no se vuelven a disolver cuando se recarga la batería, 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 de litio . [25] Por lo tanto, comúnmente se recomienda que las pruebas de resumen se realicen con poca frecuencia, como cada seis meses a 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 series. 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 individual como colectivamente. Las cadenas de baterías también se pueden conectar en serie-paralelo, por ejemplo dos juegos 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 las células débiles, las células muertas con alta resistencia o las células en cortocircuito. Por ejemplo, las cadenas más fuertes pueden descargarse a través de cadenas más débiles hasta que se ecualicen 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 en paralelo. Las baterías defectuosas en una cadena pueden afectar negativamente el funcionamiento y la vida útil de las baterías nuevas o en buen estado de otras cadenas. Estos problemas también se aplican a otras situaciones en las que se utilizan cadenas en serie-paralelo, no sólo en sistemas UPS sino también en aplicaciones de vehículos eléctricos . [30]
Considere una disposición de baterías en serie paralela con todas las celdas en buen estado, y una sufre un cortocircuito o se agota:
La única forma de evitar estas sutiles interacciones 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 más 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 caerá y, cuando las baterías viejas se agoten, las baterías nuevas todavía tendrán carga disponible. Las celdas más nuevas pueden continuar descargándose a través del 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.
Para las celdas que se supone deben operar dentro de una ventana de descarga específica, las celdas nuevas con más capacidad pueden causar que las celdas viejas en la cadena en serie continúen descargándose más allá del límite inferior seguro de la ventana de descarga, dañando las celdas viejas.
Cuando se recargan, las celdas viejas se recargan más rápidamente, lo que lleva a un rápido aumento de voltaje hasta casi 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 nuevas celdas con más capacidad ahora se cargan muy lentamente, tan lentamente que los químicos pueden comenzar a cristalizar antes de alcanzar el estado de carga completa, lo que reduce la capacidad de las nuevas celdas durante varios ciclos de carga/descarga hasta que su capacidad se acerque más a las celdas antiguas de la cadena en serie. .
Por tales razones, algunos sistemas de gestión de UPS industriales recomiendan el reemplazo periódico de conjuntos completos de baterías que potencialmente utilizan cientos de baterías costosas, debido a estas interacciones dañinas entre baterías nuevas y viejas, dentro y entre cadenas en serie y en paralelo. [31]
Multi-XS es un conmutador de datos RS232 activo, diseñado para manejar comunicaciones en serie de un UPS con hasta 5/10 computadoras.
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