ESTUDIO: UPS, Fuentes de poder ininterrumpibles.

Con esto de la racionalización energética, lo mejor es informarse antes de malgastar el dinero en una UPS… La parte interesante de esta investigación corresponde a la sección “problemas de calidad de la energía”, en donde se encuentra un listado de fallas típicas de la red eléctrica.

Vamos entonces:

Escrito por Jorge Herrera (24 de Abril-07)

UPS: Fuentes de poder ininterrumpibles.

Introducción

El uso de la electricidad en nuestros días llega a tal punto que se considera como un recurso que no necesita mayor atención; el hecho de que se produzca un “apagón” permanente es suficiente para que este recurso sea exigido. Pero su importancia a nivel mundial debiera ser tan radical como lo es la importancia del agua. No sólo la suspensión del suministro (o Black-out) son las fallas que sufre el sistema eléctrico, sino que también distorsiones que afectan directamente a la calidad de la electricidad, implicando una disminución del rendimiento o fallas en sistemas que utilizan alimentación eléctrica para operar….

Para quienes ofrezcan algún tipo de servicio informático permanente, ya sean bancos, centros de información, servidores en general, es necesario contar con UPS, ya que cabe la posibilidad de que una detención repentina del suministro eléctrico interrumpa el servicio ofrecido, con la consecuente detención del trabajo de quien requería el servicio. Las UPS pueden hacer el funcionamiento de servidores inmune a la intransigencia de apagones espontáneos y proteger contra muchos otros tipos de perturbaciones repentinas de la red eléctrica.

Desarrollo, características, propósitos

Dentro de los dispositivos eléctrico o electrónicos utilizados para la detección y corrección de fallas del suministro eléctrico (generalmente protección de equipos computacionales), se encuentran las UPS (Uninterruptible Power Supply), que son fuentes de energía que poseen una batería para mantener electricidad en caso de una detención del sistema eléctrico. Son utilizadas entre la fuente principal de alimentación (red eléctrica) y el equipo electrónico que necesite energía continua. Normalmente una UPS mantiene un computador funcionando varios minutos después de un corte del suministro eléctrico, permitiendo así guardar los datos que estén en la memoria RAM y apagar el PC sin dificultad. Muchas UPS actuales ofrecen un software que les permite automatizar reservas de energía y proceden a apagar el equipo conectado, en caso de que exista alguna falla en el suministro de energía, mientras uno se encuentre lejos del computador.

Las UPS internamente se caracterizan por contener tres bloques de componentes fundamentales: un conjunto de pilas o baterías, un inversor que transforma la corriente continua de baja tensión de la batería en corriente alterna usada por el computador, y un cargador de baterías que asegura que la reserva de energía esté siempre disponible dentro de la batería. En otras palabras, es una fuente de poder “inteligente”, que activa la energía de la batería cuando la energía de la red eléctrica no se encuentra presente. Además de estos tres grandes bloques, una fuente de poder ininterrumpible se compone de un sistema de conmutación, que varía de corriente alterna a corriente continua dependiendo de si existe o no suministro eléctrico; filtros de la señal de entrada, encargados de responder frente a alguna perturbación de la red y proveer la salida de la señal requerida por el computador (señal alterna limpia); un sistema de estabilización y un sistema de comunicación, necesario para que la UPS sea capaz de ser conectada y administrada bajo software en un computador.

De poseer mejoras en cada sección, depende exclusivamente del tipo de UPS a utilizar, teniendo como punto central el mayor costo cuando se requiera un mejor rendimiento, por ejemplo, en el acondicionamiento de la señal de salida, o en el filtrado de perturbaciones de la línea de entrada.

El término UPS muchas veces se utiliza para señalar muchos dispositivos de protección de poder. Dentro de esta descripción, existen las llamadas SBS (Standby Backup Supply) que son equipos que proporcionan energía en cuanto falta el suministro eléctrico solamente y proveen un respaldo de energía menor, suficiente para terminar procesos en un computador y no perder información. Son conocidas como fuentes de respaldo o reserva, y sólo solucionan un número mínimo de problemas de calidad de la red eléctrica. En vista del tipo de falla que pueden cubrir las UPS y las SBS, se puede entender la diferencia señalando el costo entre ellas: una SBS cuesta alrededor de $30000 (al menos en el mercado norteamericano… o sea, app. 50USD), mientras que una UPS del tipo On-line (más abajo los detalles) costará cerca del doble.

Así, dentro de las UPS existen 2 tipos básicos de diseño, que dependen del uso final que se ellos tengan, un dato curioso es que si el fabricante de la UPS es honesto, señalará en la caja o en la hoja de espeificaciones el tipo de diseño de la UPS. Los 2 tipos de diseño son Off-Line y On-Line.

Tipos de UPS, apagado automático de servidores

Off-Line o de tiempo diferido (SBS), son de nivel más bajo en cuanto a calidad y precio; es la más popular entre usuarios de PC a nivel normal. Ofrece protección básica para cortes del suministro y respaldo de energía en batería. Son referidas a las unidades SBS.

Este tipo de SBS conecta directamente la fuente de entrada a la señal de salida (corriente de carga) en operación normal. En caso de que exista algún transitorio en la línea de entrada, la salida lo tendrá. Cuando los niveles de tensión de entrada están por debajo del umbral permitido, actúa la energía que provee la batería hacia la salida, según los detalles de la operación:

En la figura 1 (pág.sgte.) se tiene una unidad de tipo Stand-By (Off-Line) donde el flujo de la potencia atraviesa desde la entrada, a través del filtro y el relé de transferencia, a la salida en operación normal. Esto realmente no difiere en mucho con conectar la carga directamente a la línea; solamente se protege la carga contra los peaks transitorios y ruidos de línea que el filtro pueda atenuar.

Cuando la UPS cambia al modo de reserva, la potencia fluye desde el inversor, siendo la batería la que provee la energía. Cuando se produce una falla en la línea, es necesario transferir la carga desde la línea de alimentación al inversor. Esta conmutación tiene una duración típica de 5 a 10 milisegundos, aunque los fabricantes han indicado en algunas versiones (las más antiguas sobretodo) que el tiempo transcurrido máximo puede ser de 25ms.

El tipo de señal de salida para cuando está en modo de reserva se requiere que sea similar a la señal de entrada y por lo tanto a la señal alterna que requiere el PC que se está protegiendo, siendo necesario que trabaje a una frecuencia permitida (50Hz). La señal del tipo sinusoidal a 50hz en este modo es originada por el inversor desde la batería, pero esta señal no es completamente sinusoidal, siendo en algunos casos una onda cuadrada o semi-sinusoidal. En muchos casos un PC alimentado permanentemente con estos tipos de señal puede funcionar normalmente, pero con el tiempo puede terminar dañándose. Una señal fácil de desarrollar por el inversor es la onda de tipo trapezoidal, que es efectiva para el funcionamiento de equipos computacionales.

Las ventajas que ofrece este tipo de UPS son su bajo costo, una eficiencia cercana a 95-98% y los transitorios eléctricos que produce este tipo de UPS son aceptados por la mayoría de las cargas eléctricas.

UPS On-Line (En línea) (UPS), de más alto nivel, usada en grandes instituciones (en servidores preferentemente).

Por su mayor calidad, normalmente cuestan mucho más que una UPS de los tipos anteriores, pero como todo avance electrónico, hoy en día el costo baja a medida que avanza la tecnología. La ventaja verdadera de la UPS en línea es su capacidad de proporcionar una aislación eléctrica entre el suministro de poder de entrada y sus sistemas electrónicos más sensibles. Mientras los diseños en tiempo diferido y línea interactiva dejan el PC (o servidor) conectado directamente a la red eléctrica con protección de perturbaciones mínima, la UPS On-Line proporciona una capa electrónica de aislamiento de problemas en la calidad de la red. Esto es logrado dentro del UPS en varias hileras de circuitos. Otra característica es que la corriente suministrada a la carga en operación normal es entregada directamente por el inversor, haciendo nulo el tiempo de conmutación entre estado activo y de reserva.

La energía provista desde la entrada pasa a través del filtro, del rectificador, inversor y conmutador hasta la salida. El bloque de filtro está conformado por varios condensadores de alta capacidad. Esta hilera de condensadores elimina de la línea de tensión el ruido, los altos transitorios, la distorsión armónica y toda la frecuencia no relacionada con 50Hz (o 60 para otros países). Los condensadores también actúan como almacenadores de energía que dan a la UPS la capacidad de mantener continuidad energética frente a interrupciones momentáneas. La batería también se conecta a esta hilera. Esto es lo que hace que la transición entre el modo activo y el de reserva sea instantánea (no existe tiempo de conmutación). El inversor provee permanentemente la energía acondicionada que la carga requiere. Cuando el suministro de entrada falla, el inversor entrega energía desde las baterías.

La UPS On-Line posee un inversor que entrega una tensión de salida con una forma senoidal, que no cambia cuando conmuta desde modo activo a modo batería. Una UPS On-Line tiene un tercer modo de operación, el Modo Bypass, que puede ser utilizado en los casos de tareas de mantenimiento (reemplazo de batería), como también en caso de falla.

Este tipo de UPS ofrece grandes ventajas respecto a los tipos anteriores, ya que provee energía regulada y acondicionada a la carga en todo momento, no existiendo variaciones de voltaje ni de frecuencia en la salida, puesto que además posee un sistema de conversión automática de frecuencia cuando la entrada provee otra frecuencia distinta a 50Hz. Es posible realizar cambios en las capacidades de almacenamiento de las baterías, pudiéndose llegar a una reserva superior a las 4 horas.

Muchos modelos de UPS On-Line ofrecen la característica llamada “Input Power Factor Correction” (Corrección de Factor de Potencia de Entrada), convirtiéndose así en la UPS de mejor nivel.

Desarrollo, problemas de calidad de energía

Tabla de problemas de calidad típicamente encontrados en la red eléctrica, señalándose la relación del tipo de problema con la UPS que lo soporta.

Problema de Calidad del suministro	Tipo de Onda	Descripción	Efecto	Lo soporta:
Interrupción Temporal		Pérdida total, planeada (por reparación) o accidental, del suministro utilizado en un área localizada de una comunidad. Segundos a minutos.	Los equipos se apagan, pérdida de trabajo y datos, corrupción de archivos del disco duro y sistema operativo, pérdida conexiones de fibra óptica, T1 e ISDN.	Off-Line: SI Line-Interactive: SI On-Line: SI
Interrupción Prolongada		Pérdida total, planeada (por reparación) o accidental, del suministro utilizado en un área localizada de una comunidad. Minutos a Horas.	Los equipos se apagan, pérdida de trabajo y datos, archivos del HDD y SO corruptos, pérdida conexiones de fibra óptica, T1 e ISDN	Off-Line: NO Line-Interactive: 95% NO On-Line: SI
Interrupción Momentánea		Muy corta pérdida del suministro (planeada o accidental). Milisegundos a segundos.	Los PC se cuelgan (pantalla azul!) o se resetean, así como también equipos de red. Pérdida de datos y trabajo, corrupción de archivos del HDD.	Off-Line: Puede Ser Line-Interactive: Puede Ser On-Line: SI
Baja de Tensión (Sag)		Disminución en tensión de entrada. “Pandeos”: Milisegundos a unos pocos segundos Bajo voltaje: Más largo que unos segundos	Se encogen las pantallas, el equipo se cuelga o reinicia, daño de fuentes de poder de los equipos, los equipos de red se cuelgan o se resetean. Pérdida de datos y trabajo, corrupción de archivos del HDD y SO.	Off-Line: NO Line-Interactive: SI On-Line: SI
Sobretensión (Swell)		Un incremento en el voltaje. Elevaciones: Milisegundos a unos segundos Sobretensión: Más largo que unos segundos	Equipos se dañan permanentemente, equipos se cuelgan o reinician. Pérdida de datos y trabajo, corrupción de archivos del HDD y SO.	Off-Line: NO Line-Interactive: SI On-Line: SI
Transitorio, Impulso o Pulso (Spike)		Un cambio repentino de voltaje hasta varios cientos a miles de volts Microsegundos.	Errores de red, los equipos se dañan o se queman sus circuitos, equipos se dañan permanentemente, computadores se cuelgan o reinician. Pérdida de datos y trabajo, corrupción de archivos del HDD y SO.	Off-Line: SI Line-Interactive: SI On-Line: SI, Alto Nivel de Protección
Muesca (Notch)		Una perturbación de polaridad opuesta a la forma de onda. Microsegundos	Transmisión en LAN (Local Area Network) lenta debido a errores excesivos, ruido audible en el teléfono y equipos de audio.	Off-Line: NO Line-Interactive: NO On-Line: SI
Ruido (Noise)		Una señal eléctrica no deseada de alta frecuencia de otro equipo. Esporádico	Transmisión en LAN (Local Area Network) lenta debido a errores excesivos, ruido audible en el teléfono y sistemas de audio. Computadores se cuelgan.	Off-Line: NO Line-Interactive: NO On-Line: SI
Distorsión Armónica (Harmonic Distortion)		Una alteración de la forma de onda pura (sinewave distortion), debido a cargas no lineales, como computadores con fuentes de poder conmutadas (switching).	Provoca recalentamiento de alambres en motores y transformadores, baja la eficiencia operativa de equipos de oficina.	Off-Line: NO Line-Interactive: NO On-Line: SI

Desarrollo, modelos disponibles

Line-Interactive (Línea Interactiva) (SBS), de nivel medio. Ofrece la misma protección de entrada de línea que el tipo Off-Line, excepto que añade características de regulación de voltaje cuando existe un voltaje inferior al promedio (baja de tensión), todo mientras el SBS funciona en modo directo o activo. Este diseño de UPS apareció debido a la inhabilidad del tipo Off-Line de proporcionar una tensión de salida aceptable al equipo conectado como carga, durante condiciones de “apagón parcial” (o Brown-Out).

Un “apagón parcial” sucede cuando el voltaje de servicio permanece excesivamente bajo durante un período considerable de tiempo. En estas condiciones, el tipo Off-Line iría a la operación de reserva y si el corte parcial se mantuviera durante mucho tiempo, la batería de la unidad se descargaría completamente, terminando por apagar el equipo conectado y no ser capaz de entregar una tensión de salida normal. Para impedir este hecho, un regulador de voltaje y un transformador fueron añadidos, de ahí que proviene el término “interactivo”. Este rasgo realmente ayuda cuando las condiciones de baja tensión son comunes. El punto negativo de este tipo de diseño es que la mayor parte de las unidades disponibles tienen que cambiar al modo reserva momentáneamente en situaciones de baja tensión para realizar ajustes de transformación de voltaje y esto puede ser un poco molesto en cuanto a ruidos producidos por el conmutador (relé), pensándose por lo demás de que la unidad se encuentra defectuosa.

Al igual que para el caso de las UPS Off-Line, siempre es mejor seleccionar un modelo que pueda reproducir en la salida una verdadera señal alterna sinusoidal de 50Hz en modo reserva, aunque para obtener este tipo de señal “perfecta” se requiere que trabaje normalmente un microcontrolador, aumentando los costos, por lo que también es posible que los equipos informáticos funcionen con una señal de salida del tipo triangular o por pasos.

Otras alternativas de UPS Off-Line: Otras dos topologías de UPS bastante comunes en el mercado, las cuales son esencialmente de operación Off-Line: modelo Ferrorresonate y Triport.

Las UPS del tipo Ferrorresonate utilizan un transformador especial a la salida, el cual está sintonizado a 50 ó 60 Hz. Este transformador con tres bobinados regula la tensión de salida, y puede ser visto como un estabilizador de tensión.

La UPS denominada Triport es realmente una UPS de línea Interactiva. El nombre Triport (tres puertos) es debido a que realmente el inversor, la línea, y la carga configuran los tres puertos.

XUPs: Estos nuevos equipos ” state-of-the-art heavy-duty” proporcionan una señal de salida sinusoidal pura y se almacenan en racks de acero, así como son montados los equipos de comunicación. Este modelo tiene como características regular automáticamente la tensión de forma interactiva (AVR – automatic voltage regulation), protección de sobre y baja tensión, filtrado de ruido y capacidad de comunicación mediante un puerto RS232. Además poseen baterías de respado de alta capacidad.

UPS Redundantes: Este tipo de UPS, fue utilizado hace tiempo sólo para grandes instalaciones. Desde el lanzamiento al mercado de UPS de mediana potencia con el mismo concepto de redundancia y modularidad, se ubica una alternativa que ofrece una importante cantidad de ventajas. La figura 3 es un simple diagrama que muestra múltiples UPS modulares, y un gabinete para las conexiones de entrada y salida. Cada módulo, es en realidad una UPS completa, usando las últimas tecnologías: doble conversión, salida perfectamente sinusoidal, cargador de baterías incorporado, factor de potencia de entrada corregido, etc.

Actualmente las UPS vienen con software que soporta la supervisión avanzada, la adquisición de datos y programación, el tiempo de detención y arranque automático. Hay opciones de controlar y supervisar varias UPS vía red LAN.

Conclusión

Siempre es importante contar con un respaldo energético al momento en que se produzcan fallas en la red eléctrica, ya sea para resguardar datos importantes que se están procesando, como también para cuidar equipos electrónicos y computacionales.

A nivel personal uno recuerda la importancia de tener junto a su computador una UPS justo cuando se pierde algún trabajo importante, o el suministro eléctrico sufrió la famosa “recesión energética”, o cuando un apagón a media noche no deja revisar un correo urgente…

A nivel de empresa es necesario que cada vez más se cuente con equipamento de respaldo energético tipo UPS para que los cambios efectuados por miles de usuarios a través de internet, sean archivados y actualizados en los servidores, que pese a las distorsiones de la red, no debieran sufrir “caídas” ni reinicios; en caso de que los hubieran estarán presentes las UPS para mantener continuo el suministro eléctrico.

El tipo y característica de UPS a requerir tiene relación directa con la cantidad (y calidad) de cargas que se conecten, muchas veces se desea que la señal de salida sea senoidal perfecta, como también se requiere más baterías que calidad de la señal… La potencia que entregue la UPS tiene relación con la cantidad de equipos a proteger, por lo que es recomendable sobredimensionar la capacidad del equipo antes de que no sea capaz de resistir más equipos de los previstos, así se obtendrá una operación más segura. Sobredimensionar también tiene el beneficio de soportar mayor tiempo de autonomía la carga conectada.

Referencias

Tipos UPS, perturbaciones de red:

http://www.falconups.com/pdf-04-2004/sbs_ups_tutorial.pdf

UPS:

http://www.webopedia.com/TERM/U/UPS.html
http://www.extremetech.com/article2/0,1697,49153,00.asp
http://www.tsipower.com/Uninterruptible-Power-Supply-120V-230V-AC.htm

Resumen para curso EIE547: Sistemas Computacionales, Prof: Juan Vignolo B.; Escrito por Jorge Herrera (24 de Abril-07)