Principios básicos sobre generadores para tecnologías de la

Principios básicos
sobre generadores
para tecnologías
de la información
Por Robert Wolfgang
Documento
técnico nº 93
Sumario
Todos los profesionales de tecnologías de la información que sean responsables del
funcionamiento de los equipos informáticos tienen que asegurarse de que el centro de
datos o la sala de red esté preparada para interrupciones prolongadas del suministro
eléctrico. La comprensión de las funciones y de los conceptos básicos de los sistemas de
generador de reserva proporciona una base sólida que permite a los profesionales de TI
especificar, instalar y manejar instalaciones clave de forma satisfactoria. Este documento
presenta los subsistemas y los generadores de reserva que alimentan las cargas eléctricas
críticas de una instalación cuando se interrumpe el suministro de la red eléctrica.
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reproducirse,fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la
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Introducción
Un sistema de generador de reserva está formado por dos subsistemas básicos: (1) el generador, que
está compuesto por el motor primario, el alternador y el regulador, y (2) el sistema de distribución, que
está compuesto por el conmutador automático (ATS) y los dispositivos de conmutación y distribución
asociados. En la Figura 1 se muestra un generador de reserva convencional. En este documento se
explican los subsistemas principales y sus funciones básicas. Sin embargo, se trata de un documento
introductorio que forma parte de una serie de documentos de APC en los que se tratan cuestiones más
especializadas sobre el sistema de generador y proporciona referencias para los lectores interesados en
un tratamiento más completo del tema.
Figura 1 – Generador de reserva
A la hora de invertir en un sistema de generador, deberíamos ser conscientes de las ventajas tecnológicas
que ofrecen los sistemas de hoy en día y de los avances significativos en fiabilidad y funcionalidad que
se han realizado en los últimos 10-15 años. A menudo, los sistemas de generador más antiguos se pueden
adaptar a posteriori para que cumplan los requisitos actuales. Consulte el Documento técnico de APC
nº 90, “Essential Generator System Requirements for Next Generation Data Centres” (“Requisitos básicos
del sistema de generador para centros de datos de próxima generación”), para obtener más información
sobre los requisitos fundamentales de los sistemas de generador de las instalaciones críticas de hoy en día.
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Motor primario: motor de combustión interna
¿Qué es la combustión interna? Es muy posible que un motor de combustión interna accione su vehículo
actual. El motor de combustión interna es el respetado “burro de carga” de la segunda mitad del siglo XX,
y sigue manteniendo su puesto ahora que hemos entrado en el nuevo milenio. Básicamente, un motor
de combustión interna convierte el combustible del que se alimenta en movimiento mecánico a través
de sus componentes móviles internos. Cuando el aire del exterior se mezcla con el combustible que hay
dentro del motor, estos componentes móviles inflaman la mezcla de aire y combustible para generar una
explosión interna controlada (combustión), dentro de unas cavidades denominadas cilindros. Aunque hay
numerosas variaciones del motor de combustión interna, el modelo más comúnmente utilizado para los
sistemas de generador de reserva es el motor de cuatro tiempos. Este nombre deriva de las cuatro etapas
distintas que tienen lugar durante el ciclo de combustión. Estas etapas son: admisión (entrada de aire
y mezcla con el combustible), compresión (de la mezcla), explosión (o combustión) y escape. Cuando
se habla de generadores, el motor normalmente se denomina motor primario. A continuación se describen
las principales características del motor primario.
Combustible
Hay cuatro tipos principales de combustible utilizados en los motores de combustión interna: gasóleo,
gas natural, petróleo líquido (LP) y gasolina. La elección del tipo de combustible depende de diversas
variables, como el almacenamiento, los costes y la accesibilidad.
Escape, emisiones y ruido
El escape del sistema de generador es una cuestión importante cuando se trata de la contaminación
atmosférica y acústica. Aunque el concepto de la atenuación del ruido y de la conducción del aire de escape
es muy sencillo, las cuestiones medioambientales y legislativas no lo son. La EGSA (Electrical Generating
Systems Association) es una organización internacional que proporciona gran cantidad de información
sobre las emisiones y otras consideraciones sobre los generadores de reserva. Las leyes
medioambientales, la concesión de licencias de construcción y el periodo de utilización de los generadores
varían considerablemente de un lugar a otro. Por ejemplo, la Agencia de Protección Ambiental de Estados
Unidos (EPA) ha delegado en cada estado la autoridad competente y ha dejado a su discreción el modo
de alcanzar los objetivos de calidad del aire establecidos a escala nacional. Otros países tienen organismos
reguladores similares que fijan límites para las emisiones de los generadores. Por ejemplo, en el Reino
Unido, el Ministerio de Medio Ambiente, Alimentación y Asuntos Rurales (DEFRA) establece políticas para
la protección medioambiental. En la India, el Ministerio de Medio Ambiente y Bosques (MoEF) desempeña
esta función. Si la instalación está ubicada en un área de requisitos estrictos, es posible que sea necesario
presentar las declaraciones de emisiones del sistema de generador al solicitar las licencias oportunas.
Normalmente, los profesionales del sector están familiarizados con el proceso de autorización en las zonas
en las que trabajan.
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Otra cuestión sujeta a la aprobación de las autoridades competentes es la contaminación acústica.
Las ordenanzas locales sobre contaminación acústica normalmente la enmarcan en el contexto del
mayor nivel de ruido de fondo registrable observable durante un periodo de 24 horas. Por norma general,
los silenciadores de escape se clasifican como industriales, residenciales y críticos. Los silenciadores
críticos ofrecen el mayor nivel de reducción de ruido. Para ahorrarse los gastos que supone un diseño
adaptado a posteriori, hay que considerar el nivel de ruidos del sistema antes de la adquisición y conseguir
que las autoridades de urbanismo aprueben estas cifras durante las fases de planificación. La vibración
mecánica también contribuye al nivel global de ruido y a la percepción del ruido de las personas de los
alrededores de la zona. Existen técnicas de montaje y aislamiento que minimizan este factor.
Una tercera cuestión que también hay que tener en cuenta es la de la estética, ya que es posible que los
generadores estén sujetos a la autorización de las autoridades municipales. Algunos ayuntamientos dictan
requisitos en cuanto al emplazamiento de los generadores, incluso la obligación de forrarlo con paredes
de ladrillo o cemento que armonicen con la estética general del edificio. De este modo se evita que el
generador salte a la vista y desentone con los edificios o las instalaciones circundantes.
Admisión de aire de combustión
Es fundamental prever el aprovisionamiento de aire frío y limpio al motor en el diseño de la sala. La entrada
de bastante aire fresco también es recomendable para garantizar la comodidad del personal. A menudo,
esto requiere el uso de grandes conductos de ventilación y de ventiladores suplementarios. Además, hay
que tomar las precauciones necesarias para evitar que la lluvia, la nieve o las impurezas se filtren en el
sistema.
Refrigeración
La mayoría de los motores primarios para aplicaciones de generador se refrigera mediante un radiador muy
parecido al de los automóviles. Se utiliza un ventilador para mover una cantidad suficiente de aire sobre el
radiador y mantener una temperatura moderada en el motor. El calor residual se expulsa desde el radiador
al exterior a través de unos conductos cuya área transversal es la misma que la superficie del radiador.
La abertura de admisión de aire (rejillas que dan a la sala) es normalmente entre un 25 y un 50% más
grande que estos conductos. Se requiere un mantenimiento riguroso del sistema de refrigeración para
garantizar la fiabilidad del funcionamiento. Se deben revisar minuciosamente los tubos de circulación del
refrigerante, el nivel de refrigerante, el funcionamiento de la bomba de agua y la protección anticongelación
para garantizar un rendimiento correcto.
Lubricación
Los motores modernos de cuatro tiempos utilizan sistemas de filtro de paso único, que bombean el aceite
lubricante a través de filtros montados de forma externa, para evitar que los contaminantes o las partículas
nocivas dañen los cojinetes o las piezas móviles. Se utilizan depósitos de aceite de compensación para
mantener un nivel de aceite adecuado, y una serie de refrigeradores de aceite externos contribuyen a evitar
que se interrumpa la lubricación por las altas temperaturas.
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Filtros: aire y combustible
El aire y el combustible son elementos esenciales para el funcionamiento fiable del motor primario.
Es fundamental respetar el programa de mantenimiento adecuado. Un sistema que incluya filtros y tubos
de combustible dobles, redundantes, representa una ventaja notable en aplicaciones críticas sujetas
a largos periodos de funcionamiento. Esto se debe a que los filtros y tubos de combustible se pueden aislar
y cambiar mientras el motor sigue en marcha. Si no se dispone de piezas de repuesto para los filtros y otros
“consumibles”, se producirán tiempos de inactividad.
La supervisión proactiva de estos filtros se realiza a través de indicadores de presión diferencial. Éstos
indican la diferencia de presión en un filtro o entre dos tubos de combustible durante el funcionamiento
del motor. Cuando se aplican a los filtros de aire, estos dispositivos de supervisión proactiva se denominan
indicadores de restricción de aire. Estos dispositivos avisan mediante una indicación visual de que es
necesario reemplazar un filtro de aire de entrada de tipo seco mientras funciona el motor del generador.
Motor de arranque
El sistema de arranque es uno de los más importantes para la correcta utilización del generador.
Las cargas críticas suelen contar con sistemas SAI que ofrecen algunos minutos de autonomía con
la batería, por lo que un rápido arranque es esencial. Por norma general, el tiempo mínimo para detectar
el problema de alimentación, arrancar el motor primario, establecer una tensión y frecuencia de salida
estables y conectarlas a las cargas es de al menos 10-15 segundos. Sin embargo, muchos de los sistemas
que se utilizan actualmente no realizan de forma fiable este rápido despliegue debido a diversos factores,
p. ej., baterías descargadas o robadas, mantenimiento inadecuado o error humano. El diseño y el
mantenimiento concienzudos son absolutamente indispensables para alcanzar un nivel de éxito
aceptable en los arranques del sistema de generador.
La mayoría de los sistemas de generador utilizan un motor de arranque accionado por batería (como el
de los automóviles), aunque a veces también se encuentran alternativas neumáticas o hidráulicas en los
motores primarios más potentes. El elemento fundamental de los motores de arranque convencionales
es claramente el sistema de batería. Por ejemplo, el alternador de carga de la batería de algunos motores
no hace nada para evitar la descarga de la batería durante los periodos de reposo. La instalación de un
sistema de carga automático independiente con alarma remota se considera una “buena práctica”. También
es esencial para mantener la batería caliente y libre de corrosión.
El calentamiento de la batería se realiza a través de un calentador que mantiene la temperatura del
electrolito de las baterías de ácido y plomo. En climas fríos, esto aumenta considerablemente la corriente de
arranque del motor disponible para el motor de arranque. Las baterías se clasifican por CCA (amperios de
arranque en frío). Este valor especifica la cantidad de amperios disponibles durante 30 segundos a 17,8 °C
(0 °F). Con temperaturas inferiores a -17,8 °C (0 °F) y superiores a 26,7 °C (80 °F), la fiabilidad es muy
escasa.
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Los calentadores del bloque motor también contribuyen al nivel de éxito del arranque, reduciendo las
fuerzas de fricción a las que se somete el motor de arranque cuando recibe energía. Numerosos estudios
han demostrado que los fallos de arranque son la principal causa de los fallos del sistema de generador.
Alternador: componente de generación eléctrica
La función del alternador es convertir la energía mecánica procedente del motor primario en corriente
alterna. Es muy parecido al alternador de un automóvil; no obstante, el alternador de un vehículo
normalmente se acciona mediante una correa, mientras que el alternador de un generador se acciona
mediante el eje motriz principal del motor primario. Con un bobinado conductor y un imán se puede
fabricar un alternador casero. La electricidad se genera cuando la bobina de alambre se mueve por el
campo magnético, creado por los polos positivo y negativo del imán. También se genera electricidad si
se mueve el campo magnético mientras el bobinado permanece estacionario. Lógicamente, un alternador
de este tipo genera una cantidad muy pequeña de electricidad, pero se basa en los mismos principios
eléctricos que los grandes alternadores utilizados en los generadores. Con el paso de los años, se han
perfeccionado determinadas características de los componentes de los alternadores para aumentar su
eficacia, capacidad y fiabilidad. A continuación se explican todas estas características. La Figura 2 ilustra
los componentes principales de un alternador convencional de un sistema de generador.
Figura 2 – Vista de la sección transversal de un alternador autoexcitado, sin escobillas y de
regulación externa
Revolving Field Main Alternator
MainStator(ArmatureWindings)
Revolving Armature
Exciter Alternator
PrimeMover
Housing
ExciterRotor
(Armature)
Drive Shaft
Main Rotor Leads
Rectifier
Assembly
(AC to DC)
+
DCinput
(from Voltage Regulator)
ExciterStator (Field)
3 phase + Neutral
AC Output
Main Rotor (Field)
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Sin escobillas
“Sin escobillas” se refiere al hecho de que este diseño no requiere la colocación de ningún contacto junto
a ninguna pieza en movimiento para transferir la energía eléctrica desde o hacia los componentes. Puede
que la utilización de escobillas en motores y generadores de pequeño tamaño siga siendo un diseño
aceptable, pero previsiblemente las escobillas se desgastan con el uso y no se pueden inspeccionar
de forma proactiva. El diseño de un generador grande que dependa del uso de escobillas no está a la
altura de los estándares de fiabilidad necesarios para el funcionamiento de equipos de vital importancia.
Autoexcitado
En el ejemplo anterior se utilizaba un imán para generar un campo magnético. Los grandes alternadores
requieren un campo magnético mucho más potente para generar grandes cantidades de electricidad. Del
mismo modo, en un desguace no sería posible mover grandes piezas de metal con un simple imán. En su
lugar se utiliza un electroimán colgado de una grúa. Un electroimán es un imán accionado por electricidad
y, en el caso de los alternadores modernos, este electroimán es “autoexcitado”. Es decir, la electricidad
utilizada para crear el campo electromagnético se genera dentro del propio alternador, permitiéndole
producir grandes cantidades de electricidad sin más energía que la que suministra el motor primario.
Devanados del estator principal o el inducido
Los devanados del estator principal o el inducido son bobinas estacionarias en las que se genera
la electricidad para las cargas críticas. Las características de la corriente alterna generada están
relacionadas con la cantidad y la geometría de los devanados de las bobinas. Hay disponible una gran
variedad de configuraciones para cumplir todos los requisitos de tensión y corriente permanente admisible.
Los devanados trifásicos están formados por tres bobinas independientes colocadas con una separación
de 120 grados en la circunferencia de rotación. Cuando el campo magnético del alternador tiene un
par de polos norte / sur, se crea un ciclo de corriente alterna por fase cada vez que rota el motor
primario Es decir, para generar 60 Hz de CA, el motor primario tiene que girar el alternador a 3.600 r.p.m
(revoluciones por minuto). Éste es un régimen de r.p.m moderadamente alto para sistemas de generador
diésel, y provoca casi el doble de desgaste y deterioro que un motor que funcione a 1.800 r.p.m. Si el
campo magnético del alternador tiene cuatro polos, el régimen de r.p.m del motor primario se puede regular
a 1.800 r.p.m para generar una salida de 60 Hz. También hay disponibles sistemas de generador con
regímenes de r.p.m aún más bajos que incorporan alternadores de 6 u 8 polos (1.200 r.p.m y 900 r.p.m
respectivamente).
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Puesta a tierra
La puesta a tierra del sistema de generador y la puesta a masa del neutro son detalles de vital importancia.
Tanto para excluir fallos como para garantizar la calidad de la alimentación es imperativo que el método de
puesta a tierra sea coherente con las normas eléctricas de la región en cuestión. Por ejemplo, en Estados
Unidos se aplica el artículo 250, ref. 4, del National Electrical Code (NEC) o alguna otra norma adicional,
dependiendo de la jurisdicción.
La puesta a tierra es quizá el factor peor comprendido y aplicado del cableado de las instalaciones de todos
los tamaños. Encontrará información útil en la norma 446-1995 del IEEE, IEEE Recommended Practice for
Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications (Orange Book).1 Para la
alimentación de cargas electrónicas sensibles, también deberían tenerse en cuenta las recomendaciones de
la norma 1100-1999 del IEEE, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic
Equipment (Emerald Book).
Temperatura de servicio
La temperatura de servicio del devanado del alternador es otra especificación técnica importante, sobre
todo en aplicaciones que pueden implicar condiciones ambientales excesivas de altitud, temperatura
ambiente o ventilación.
A veces se utiliza el sobredimensionamiento con un generador más grande para contener las temperaturas
del devanado. También hay disponible un aislamiento especial para soportar temperaturas más altas.
El entorno operativo específico puede presentar retos de funcionamiento y condiciones adversas (humedad,
temperatura, hongos, insectos, etc.). Existen diseños y aislamientos especiales para entornos peligrosos
que contribuyen a mantener los devanados secos y a evitar el deterioro del aislamiento.
Regulador: frecuencia y regulación de la salida de CA
El regulador mantiene constantes las revoluciones del motor primario bajo una variedad de condiciones,
ajustando el caudal de combustible que se suministra al motor primario. Se requiere una frecuencia
de CA estable, que es directamente proporcional a la precisión y el tiempo de respuesta del regulador.
Este elemento es un componente clave para determinar la calidad de alimentación de salida de CA.
1
El IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) es una autoridad líder en un gran ámbito de
áreas técnicas, incluida la alimentación eléctrica. Se trata de una asociación profesional técnica sin ánimo
de lucro formada por más de 360.000 miembros individuales de unos 175 países (www.ieee.org).
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La variación de frecuencia y su repercusión en la calidad de la alimentación no es un problema con el
que tengan que lidiar los usuarios conectados a una red eléctrica estable. Sin embargo, los componentes
electrónicos sensibles son vulnerables a las perturbaciones provocadas por los cambios bruscos de
frecuencia, bajo la influencia de la alimentación del generador. La capacidad del generador de producir
una frecuencia constante es directamente proporcional a la velocidad (r.p.m) del motor primario, que está
controlado por el regulador. Hay muchos diseños de sistema, desde los tipos de resorte más simples hasta
los sistemas hidráulicos y electrónicos más complejos, que ajustan de forma dinámica el obturador
de combustible para mantener el motor a un régimen de r.p.m constante. Al agregar o eliminar cargas,
o al activar y desactivar dichas cargas por ciclos, se crean condiciones ante las que el regulador debe
reaccionar.
Un diseño de regulador isócrono (velocidad constante) mantiene la misma velocidad con independencia
del nivel de carga. Aún así, se producen ligeras variaciones en la velocidad del motor primario y su alcance
sirve como indicativo de la estabilidad del regulador. Hoy en día, la tecnología aplicada a los reguladores
permite mantener la regulación de frecuencia al ±0,25% con tiempos de respuesta del orden de 1 a 3
segundos ante cargas cambiantes. Los diseños electrónicos de estado sólido actuales ofrecen una alta
fiabilidad y la regulación de frecuencia necesaria para cargas sensibles.
Cuando se instalan en paralelo dos o más generadores por redundancia o capacidad, es necesario regular
todos ellos a la misma velocidad utilizando la red eléctrica u otro generador como referencia de frecuencia
principal. Esto se debe al hecho de que, si las dos fuentes no están sincronizadas, una de ellas soportará
una mayor proporción de la carga, lo que requerirá una corrección.
Recientemente se han desarrollado sistemas reguladores electrónicos sofisticados para la instalación
en paralelo que ofrecen una estabilidad de frecuencia y una coordinación superiores en diversas
condiciones. Estos avances son siempre bienvenidos, ya que contribuyen a satisfacer los requisitos
de alta disponibilidad de los centros de datos modernos gracias a su fiabilidad, a su escasa necesidad
de mantenimiento y a sus esfuerzos de coordinación.
El tipo de combustible del generador y la magnitud de los posibles cambios escalonados de la carga,
influyen en la elección del regulador. Como estos dos factores contribuyen a la precisión y la estabilidad
de la velocidad del motor primario, se deben tener en cuenta en el diseño general.
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Regulación de la tensión
La función básica de un regulador de tensión es controlar la tensión producida a la salida del alternador.
El funcionamiento del regulador de tensión es esencial para las cargas críticas dependientes de un
suministro adecuado para equipos informáticos. El objetivo es configurar un sistema con un tiempo de
respuesta apropiado para minimizar las subidas y bajadas de tensión que se producen cuando cambia
la carga. Otro factor que hay que tener en cuenta es el comportamiento del regulador cuando está sujeto
a cargas no lineales, como las antiguas fuentes de alimentación conmutadas.Las cargas no lineales
consumen corriente de forma parcial, respecto a la forma de onda de la tensión, mientras que las cargas
resistivas (como las bombillas) consumen corriente en sincronización con la forma de onda de la tensión.
Las cargas no lineales pueden interactuar de forma negativa con un sistema de generador, poniendo en
peligro la disponibilidad de la carga crítica durante el funcionamiento de reserva.
Según la norma 101E, sección 5 de la EGSA, el parámetro de regulación de tensión es la “diferencia entre
la tensión sin carga de estado estable y la tensión de carga completa expresada como porcentaje de la
tensión de carga completa”. Hay tres aspectos del alternador que determinan la tensión: la fuerza del campo
magnético, la velocidad a la que se corta el campo magnético y el número de devanados (vueltas) de la
bobina. La influencia de los dos últimos es constante en esta descripción, lo que significa que la regulación
de la tensión es una forma de alterar el campo magnético para conseguir los resultados deseados.
Existen muchas tecnologías para controlar la tensión de salida con el fin de proporcionar la calidad
de alimentación más adecuada para el centro de datos. Independientemente del diseño del regulador,
siempre hay que estar preparado para el peor de los casos, con una generación inferior a la variación
máxima tolerable de tensión. Algunos de los factores que pueden contribuir a crear situaciones pésimas
son una baja tensión provocada por una temperatura de devanado excesiva o un elevado porcentaje de
cargas no lineales. Los centros de datos de hoy en día contienen muy pocas cargas no lineales debido
al predominio de suministros de alimentación con factor de potencia corregido (PFC). Sin embargo, si el
generador se va a utilizar como respaldo de otros sistemas del edificio, es necesario identificar las cargas
no lineales para garantizar la elección de un sistema de generador adecuado.
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Dispositivos de conmutación y distribución
La distribución de la salida del generador a las cargas críticas es otro elemento fundamental del
diseño del sistema. La norma 1100-1999 del IEEE (Emerald Book) está aceptada como estándar para
la alimentación de equipos delicados. El IEEE, autoridad competente líder, recomienda diseñar los sistemas
según su norma 446-1995 (Orange Book). Esta norma facilita indicaciones sobre sistemas automáticos
que supervisan la fuente de alimentación e inician el arranque del motor y la transferencia de la carga al
generador en cuanto ésta está disponible y es estable. Esto incluye la retransferencia de la carga a la
red eléctrica cuando se restablecen las condiciones normales. Generalmente, todas estas funciones
están incorporadas en un sistema llamado conmutador automático (ATS). Otras funciones comunes son
la programación automática de comprobación del generador y un ciclo muy importante de refrigeración
del generador una vez que se restaura la red eléctrica. Estos accesorios se pueden adquirir a través
de una amplia gama de distribuidores: fabricantes de generadores, fabricantes de dispositivos
de conmutación y distribución, especialistas en diseño de ATS, etc. Sin embargo, hoy en día existen
sistemas preconfigurados que carecen de los escollos que presentan las soluciones personalizadas,
como la complejidad y el elevado coste total de propiedad (TCO). Para obtener más información sobre
los sistemas ATS, consulte el Documento técnico de APC nº 94, “Fundamental Principles of Generator
Transfer Switches for Information Technology” (“Principios básicos sobre conmutadores de transferencia
de generadores para tecnologías de la información”). En la Figura 3 se ilustra la posición del ATS en la
distribución eléctrica del edificio.
Figura 3 – Sistema de generador de reserva con conmutador automático
Normal
Automatic
Transfer
Switch
Power
Loads
Emergency
Power
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Para diseñar el sistema también hay que tener en cuenta la protección adecuada frente a sobrecorrientes.
Los contactos del mecanismo de conmutación deben ser capaces de resistir corrientes de arranque sin
soldarse. También es importante que el conmutador evite el recalentamiento con corriente de carga
completa y que sea capaz de suministrar una corriente de cortocircuito adecuada (la corriente necesaria
para disparar los dispositivos de protección frente a sobrecorrientes, como los cortacircuitos). Existen
diferentes patrones de conmutación para la retransferencia a la red eléctrica: los de transición abierta
y los de transición cerrada. “Transición abierta” quiere decir que primero se desconecta la carga de la
red eléctrica antes de conectarla al generador. “Transición cerrada” quiere decir que la carga se conecta
primero al generador y luego se desconecta de la red eléctrica. Esto significa que, durante un breve periodo
de tiempo, la red eléctrica y el generador están conectados de forma simultánea. El tipo de transición
cerrada es más complejo y minimiza las interrupciones de transferencia momentáneas.
Sistemas de generador redundantes paralelos
o múltiples
La pregunta de cuántos generadores son necesarios está íntimamente relacionada con la capacidad y la
fiabilidad deseadas del sistema. Un sistema con múltiples unidades más pequeñas (idénticas) que sumen
la carga pico requerida más una unidad adicional se denomina sistema redundante N+1. En la Figura 4 se
ilustra un ejemplo: tres sistemas de generador de 800 kW sincronizados y con capacidad para una carga de
1,6 MW más 800 kW de reserva.
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Figura 4 – Sistema de generador isócrono redundante N+1 de 1,6 MW
Fuel
Control
Fuel
Control
Fuel
Control
Engine
Engine
Engine
RPM
Monitoring
RPM
Monitoring
RPM
Monitoring
800 kW
Generator
800 kW
Generator
Voltage
Monitoring
Load
Sharing
Load
Sharing
Load
Sharing
800 kW
Generator
Speed
Governor
Speed
Governor
Speed
Governor
Voltage
Monitoring
Voltage
Monitoring
Load
La iniciación de la secuencia de arranque activa los tres generadores y los sincroniza. Ahora es
posible soportar una carga de 1,6 MW con redundancia N+1. Los dispositivos de conmutación paralela
incrementarán el coste, pero mejorarán la fiabilidad estadística en comparación con un solo motor primario.
En este ejemplo, la probabilidad de que más de un sistema de generador se interrumpa en un momento
dado es pequeña si la comparamos con la de un sistema de un solo generador. Aunque hay que ser
consciente de que un fallo de causa común, p. ej., si se acaba el combustible, puede arruinar un plan
aparentemente redundante.
Otra ventaja clave del concepto de arquitectura de componentes (que consiste en sumar sistemas más
pequeños hasta alcanzar el tamaño de la carga) es su escalabilidad. Las instalaciones en crecimiento
pueden decidir diseñar un sistema con la previsión de agregar más elementos de capacidad en el futuro,
reservando el espacio necesario y preseleccionando la corriente permanente admisible del cableado a su
carga final. El coste de capital y el mantenimiento necesario se postergan hasta que el crecimiento de la
carga crítica garantiza la inversión. Es fundamental evaluar las necesidades detenidamente y aplicar el
sentido común a la selección de acuerdo con las definiciones anteriores. Para obtener más información
sobre la escalabilidad, consulte el Documento técnico de APC nº 37, “Evitar costes de
sobredimensionamiento en la estructura para Centros de Proceso de Datos (Datacenters)”.
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Diseño del sistema general y la compatibilidad
En el Documento técnico de APC nº 95, “Sizing Engine Generators for Mission Critical Infrastructure”
(“Dimensionamiento de generadores para infraestructuras críticas”), se describen los conceptos de
dimensionamiento y carga de los generadores. Sin embargo, es importante subrayar las influencias del
factor de potencia, los conmutadores de transferencia y el SAI sobre el rendimiento general del sistema
combinado. Si el sistema está formado por componentes de varios fabricantes, es esencial que todos los
fabricantes participen en un proceso global de puesta en servicio y comprobación de la instalación. Este
tipo de plan puede dejar al descubierto problemas de compatibilidad imprevistos antes de que afecten
a las cargas críticas. Esta comprobación se debe realizar con varios niveles de carga hasta la utilización
al 100%. Con frecuencia es necesario instalar bancos de carga para simular las cargas reales previstas.
Tenga en cuenta que es posible que no se represente el factor de potencia de las cargas informáticas.
Si no hay bancos de carga reactiva especializados, habrá que realizar una comprobación adicional con
las cargas reales cuando estén disponibles.
Una forma de evitar la complejidad y la comprobación de compatibilidad de las soluciones
personalizadas de generadores, ATS y SAI es especificar un sistema completo preconfigurado,
fabricado y precomprobado según la norma ISO 9000 por un solo fabricante. Otra ventaja de los
sistemas preconfigurados es el continuo aumento de calidad y fiabilidad como resultado de unas
técnicas de fabricación estandarizadas que reducen los defectos, también denominado crecimiento
de fiabilidad.
Conclusión
El motor primario suministra energía al sistema de generador y requiere la presencia de un regulador
adecuado que produzca una frecuencia estable con cargas cambiantes. El alternador, el regulador
de tensión y otros controles son necesarios para crear y suministrar CA de calidad al conmutador
de transferencia para la alimentación de las cargas críticas. Los sistemas de generador tradicionales
pueden tener una naturaleza compleja, lo que supone unas labores de ingeniería más costosas y un
mayor potencial de fallos. Los sistemas preconfigurados alternativos ofrecen mayor fiabilidad gracias
a una serie de técnicas de fabricación estandarizadas.
Referencias
NFPA 110, Standard for Emergency and Standby Power Systems, 1999 Edition,
National Fire Prevention Association, 1999 (http://www.nfpa.org)
NFPA 111, Standard on Stored Electrical Energy Emergency and Standby Power Systems, 1996 Edition
National Fire Prevention Association, 1999
2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse,
reproducirse,fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la
autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com
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IEEE Standard 446-1995, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for
Industrial and Commercial Applications (Orange Book) (http://ieee.org)
IEEE Standard 1100-1999, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic
Equipment. (Emerald Book)
IEEE Standard 602-1996, IEEE Recommended Practice for Electric Systems in Health Care Facilities,
(White Book)
EGSA Standards 100, 101, & 404 (http://www.egsa.org)
“On-Site Power Generation,” Electrical Generating Systems Association, 1998 ISBN 0-9625949-3-8
Acerca del autor:
Robert Wolfgang es ingeniero superior de aplicaciones de APC. Actualmente es responsable de los
servicios de análisis y consultoría de centros de datos para los diseños físicos de nuestros clientes en
CAD, de acuerdo con las mejores prácticas de diseño y de NEC. Como miembro formado por la Electrical
Generating Society Association del equipo de estudio de disponibilidad de APC, su misión principal ha
sido la compilación de las “mejores prácticas” para muchos de los subsistemas de las áreas de la
infraestructura física de red. Bob es licenciado en Ingeniería Mecánica y lleva 15 años en APC, donde
ha ocupado diversos cargos en los departamentos de QA, soporte técnico y estudio de disponibilidad.
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