Factores clave en instalaciones de SAI

Factores clave en instalaciones de SAI
Índice
Introducción .................................................................... 2
Uso de esta guía.............................................................. 3
Información general sobre soluciones de protección . 4
Soluciones de protección .....................................................................4
Software y servicios complementarios .................................................5
SAI en instalaciones eléctricas ...................................... 6
Función de cada componente de la instalación....................................6
Parámetros clave de instalación...........................................................7
Fuentes de información para especificaciones de instalación ..............8
Ideas básicas en instalaciones con SAI ........................ 9
Necesidad de alimentación de alta calidad y disponibilidad .................9
Sistemas de alimentación con SAI .......................................................11
Calidad de alimentación con SAI..........................................................12
Disponibilidad de alimentación con SAI ...............................................14
Selección de la configuración ...............................................................18
Cálculos de potencia ...................................................... 19
Elementos necesarios para efectuar cálculos de potencia ...................19
Valores nominales en configuraciones con SAI unitario .......................21
Valores nominales en configuraciones de SAI en paralelo ..................25
Control de armónicos aguas arriba ............................... 27
SAI y corrientes de armónicos aguas arriba para distintos
rectificadores de entrada ......................................................................27
Filtrado de armónicos aguas arriba para rectificadores de puente de
Graetz ..................................................................................................27
Selección de un filtro ............................................................................30
Disposiciones de conexión a tierra del sistema........... 33
Información básica sobre las disposiciones de conexión a tierra del
sistema .................................................................................................33
Aplicaciones en instalaciones de SAI ...................................................36
Protección........................................................................ 40
Protección mediante disyuntores .........................................................40
Selección de disyuntores .....................................................................43
Cables ............................................................................. 48
Selección de dimensiones de los cables ..............................................48
Ejemplo de instalación .........................................................................49
Almacenamiento de energía .......................................... 50
Tecnologías de almacenamiento..........................................................50
Selección de baterías ...........................................................................51
Supervisión de baterías ........................................................................53
Interfaz y comunicación hombre-máquina .................. 55
Interfaz hombre-máquina (HMI, human-machine interface) .................55
Comunicación.......................................................................................55
Trabajos preliminares .................................................... 57
Consideraciones sobre la instalación ...................................................57
Sala de baterías ...................................................................................58
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 1
Introducción
Necesidades crecientes de alimentación de alta calidad y
disponibilidad
Los problemas relacionados con la calidad y la disponibilidad de la alimentación
eléctrica se han convertido en un factor esencial debido al papel clave de los
ordenadores y los dispositivos electrónicos en el desarrollo de numerosas
aplicaciones de importancia crítica.
Las perturbaciones en sistemas de distribución (microcortes, interrupciones, bajadas
de tensión, etc.) pueden tener como consecuencia grandes pérdidas o peligros para
la seguridad en numerosas actividades, tales como:
• Industrias de proceso delicadas, en las que un problema de funcionamiento en los
sistemas de control o supervisión puede suponer un descenso en la producción.
• Aeropuertos y hospitales en los que un fallo en el funcionamiento del equipo
puede representar un peligro grave para la vida de las personas.
• Tecnologías de información y comunicación en las que el nivel de confiabilidad y
seguridad de funcionamiento necesario es aún superior. Centros de datos que
exigen alimentación de alta calidad sin cortes 24 horas al día, 365 días al año, año
tras año, sin paradas de mantenimiento.
Los sistemas de protección SAI son actualmente una parte integral de la cadena de
valor de muchas empresas. Su nivel de disponibilidad y la calidad de la alimentación
que suministran afectan directamente a la continuidad del servicio. La productividad,
la calidad de los productos y servicios, la competitividad de la empresa y la
seguridad de las instalaciones dependen del funcionamiento correcto de los SAI. El
funcionamiento incorrecto no es una opción.
Schneider Electric: una solución completa para todas las
necesidades
Schneider Electric ofrece una amplia gama de soluciones de protección de la
alimentación que cubren las necesidades de cualquier aplicación sensible.
Estas soluciones implementan software y productos de comunicación que
incorporan las últimas tecnologías y ofrecen el máximo de confiabilidad. Además,
tienen el respaldo de servicios basados en un nivel de experiencia único, presencia
en todo el mundo y el uso de las tecnologías y técnicas más avanzadas. Global
TM
Services , con 40 años de experiencia, acompaña su instalación a lo largo de todo
su ciclo de vida, desde el diseño y la puesta en marcha hasta el funcionamiento y
las actualizaciones, sea donde sea.
Los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) son, claro está, parte esencial de
estas soluciones. Estos sistemas suministran alimentación de alta calidad y
disponibilidad e incorporan avanzadas interfaces de comunicación compatibles con
entornos eléctricos e informáticos.
Se suelen utilizar conjuntamente con otros productos de comunicación, como
acondicionadores de armónicos activos, interruptores de transferencia, cuadros de
conexión de distribución, sistemas de supervisión de baterías y software de
supervisión. En su conjunto, esta oferta proporciona una respuesta completa y
eficaz a los problemas de protección habituales en instalaciones sensibles.
Para centros de datos, las soluciones a petición integran la infraestructura física, que
incluye bastidores de servidores, SAI, distribución eléctrica, refrigeración y seguridad
junto con el software asociado.
Una guía para los profesionales que tratan con
instalaciones eléctricas para aplicaciones críticas
Schneider Electric ha incluido en esta guía de diseño buena parte de su experiencia.
Su finalidad consiste en servir de ayuda para el diseño y la instalación de soluciones
de protección de la alimentación completas y optimizadas, desde la línea de red
eléctrica hasta la carga final, adaptadas a las necesidades de calidad y
disponibilidad de sus aplicaciones críticas.
Está dirigido a los profesionales que tratan con este tipo de instalaciones:
• Oficinas de diseño y empresas de ingeniería independientes
• Departamentos de diseño de usuarios finales
• Instaladores
• Jefes de proyecto
• Directores de instalaciones
• Directores de informática
• Directores financieros o de compras
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pág. 2
Uso de esta guía
Estructura de este documento
) Buscar información
Hay diversas formas de buscar información:
• El índice general al principio de la guía.
• El resumen de las páginas 4 y 5 del capítulo "Factores clave en la instalación
del SAI", que presenta los productos, sistemas de comunicación, software y
servicios que constituyen las soluciones de protección.
) Capítulos
• El capítulo "Factores clave en la instalación del SAI" presenta en las páginas 6
y 7 la función de los SAI en las instalaciones eléctricas e indica los principales
parámetros que se deben tener en cuenta. El resto del capítulo actúa como guía
durante el proceso de selección de una solución al determinar los principales
elementos de una instalación con SAI.
• El capítulo "Selección de la configuración de SAI" presenta diversos ejemplos
prácticos con vistas a la selección de una configuración, desde un SAI unitario,
hasta instalaciones que ofrecen niveles excepcionales de disponibilidad.
• El capítulo "Eliminar corrientes armónicas" presenta soluciones para eliminar
las corrientes armónicas en las instalaciones.
• El capítulo "Revisión técnica" ofrece información técnica básica sobre
dispositivos e ideas mencionadas en otros lugares de la guía.
Finalmente, para facilitar la elaboración de proyectos:
) Referencias cruzadas
Los diversos capítulos contienen referencias cruzadas (indicadas mediante el
símbolo Î) a otras partes de la guía de diseño que contienen información más
detallada sobre temas específicos.
Las referencias a documentos técnicos (Documentos Técnicos o WP) están
indicadas mediante el símbolo siguiente, junto con el número de documento
técnico en cuestión.
Consultar WP nº Î
Cap. 1: Factores clave en la instalación del SAI
Cap. 2: Selección de la configuración de SAI
Cap. 3: Eliminar corrientes armónicas
Cap. 5: Revisión técnica
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Información general sobre soluciones de
protección
Soluciones de protección de alimentación
Fig. 1.1. Productos Schneider Electric.
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pág. 4
Información general sobre soluciones de
protección
Software y servicios complementarios
Fig. 1.2. Software y servicios Schneider Electric.
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pág. 5
SAI en instalaciones eléctricas
Función de cada componente de la instalación
Fig. 1.3. Funciones de los componentes en instalaciones con SAI.
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pág. 6
SAI en instalaciones eléctricas(cont.)
Parámetros clave de instalación
Fig. 1.4. Principales parámetros de los componentes en instalaciones con SAI.
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pág. 7
SAI en instalaciones eléctricas(cont.)
Fuentes de información para especificaciones de instalación
Los diagramas de las páginas anteriores ofrecen una visión general de los componentes y de diversos parámetros de
instalaciones con SAI.
Ahora entraremos en detalle.
La siguiente tabla indica:
● El orden de presentación de los temas en este capítulo.
● Las decisiones que deben llevarse a cabo.
● La finalidad de cada decisión, con indicación de las páginas de este capítulo que contienen los elementos relevantes.
● Dónde hallar información adicional sobre cada tema en los otros capítulos de esta guía de diseño.
Decisiones
Arquitectura y
configuración de
SAI de una sola
fuente o de varias
fuentes
Finalidad
Consultar
Determinar la arquitectura de la instalación Selección de la
y la configuración de SAI más adecuada configuración de
SAI
para sus necesidades, en cuanto a
disponibilidad energética, actualizaciones,
funcionamiento y presupuesto.
Potencia nominal
del SAI
Determinar la potencia nominal de la
unidad o unidades en paralelo (por
redundancia o capacidad) de SAI,
teniendo en cuenta el sistema de
distribución y las características de la
carga.
Reducir la distorsión de tensión en las
barras colectoras aguas arriba hasta
niveles aceptables, en función de las
probables fuentes de alimentación del
sistema SAI.
Control de
armónicos aguas
arriba
Disposiciones de
conexión a tierra
del sistema
Protección aguas
arriba y aguas
abajo mediante
disyuntores
Conexiones
Batería
Comunicación
Trabajos
preliminares (si
procede)
Normas
Schneider Electric
Información adicional
Consultar
Selección de
Ejemplos y comparación de 13
la
instalaciones típicas, desde unidades
SAI unitarias hasta arquitecturas de alta configuración
de SAI pág. 5
disponibilidad.
Alimentación de cargas sensibles.
Revisión
técnica
pág. 2
Configuraciones de SAI.
Revisión
técnica
pág. 23
Grupos electrógenos de motor.
Revisión
técnica
pág. 35
Revisión
Factores clave Composición y funcionamiento del SAI.
técnica
en instalaciones
pág. 14
de SAI
pág. 17
Factores clave Eliminación de armónicos en
en instalaciones instalaciones.
de SAI
pág. 24
Armónicos
Garantizar la conformidad de la instalación
con las normas aplicables para la
protección personal y material, y para el
correcto funcionamiento de los
dispositivos. ¿Qué tipo de disposiciones
de conexión a tierra requiere cada
aplicación?
Determinar la capacidad de desconexión y
los valores nominales de los disyuntores
aguas arriba y aguas abajo del SAI,
resolver los posibles problemas de
discriminación.
Limitar las caídas de tensión y los
aumentos de temperatura en los cables,
así como la distorsión armónica en las
entradas de carga.
El funcionamiento con alimentación por
batería (tiempo de autonomía) debe durar
lo suficiente para cubrir las necesidades
del usuario.
Definir la comunicación del SAI con el
entorno eléctrico e informático.
Eliminar
corrientes
armónicas
Revisión
técnica
pág. 38
Factores clave
en instalaciones
de SAI
pág. 30
Factores clave
en instalaciones
de SAI
pág. 35
Factores clave
en instalaciones
de SAI
pág. 43
Factores clave Soluciones de almacenamiento de
en instalaciones energía y baterías.
de SAI
pág. 45
Factores clave
en instalaciones
de SAI
pág. 49
Revisión técnica
pág. 51
Deben planificarse los trabajos de
construcción y ventilación, sobre todo si
hay una sala de baterías especial.
Tener en cuenta las principales normas de Revisión técnica Compatibilidad electromagnética
SAI aplicables.
pág. 33
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Revisión
técnica
pág. 31
Revisión
técnica
pág. 26
pág. 8
Ideas básicas en instalaciones con SAI
Necesidad de
alimentación de alta
calidad y disponibilidad
Perturbaciones en la alimentación en sistemas de
distribución
La calidad de la electricidad que suministran las redes públicas y privadas puede
verse reducida a causa de diversas perturbaciones, inevitables debido a las largas
distancias y a la amplia variedad de cargas conectadas.
Entre los orígenes de las perturbaciones se encuentran:
• El propio sistema de distribución (condiciones atmosféricas, accidentes, cambio
de dispositivos de protección o de control, etc.)
• Equipos de usuario (motores, dispositivos susceptibles de producir perturbaciones
como hornos de arco, soldadoras, sistemas que incorporan electrónica de potencia,
etc.)
Entre las perturbaciones hay microcortes, bajadas de tensión, sobretensiones,
variaciones de frecuencia, armónicos, ruido de alta frecuencia, parpadeos, hasta
llegar a las interrupciones de larga duración.
ÎPerturbaciones en la alimentación en sistemas de distribución, ver cap. 5 pág. 3.
Requisitos de las cargas sensibles
Los equipos digitales (ordenadores, sistemas de telecomunicaciones, instrumentos,
etc.) utilizan microprocesadores que funcionan a frecuencias del orden de los
megahercios o incluso gigahercios,
esto es, realizan millones o miles de millones de operaciones por segundo. Una
perturbación en la alimentación eléctrica que no dure más que unos milisegundos
puede afectar a miles o millones de operaciones básicas, y puede tener como
resultado errores de funcionamiento y pérdida de datos con consecuencias
peligrosas (caso, por ejemplo, en el caso de aeropuertos u hospitales) o costosas
(en forma de pérdidas de producción, por ejemplo).
Por eso, muchas cargas, denominadas cargas sensibles o críticas, exigen un
suministro protegido contra perturbaciones del sistema de distribución.
Ejemplos:
• Procesos industriales y sus sistemas de control/supervisión: riesgo de pérdidas de
producción.
• Aeropuertos y hospitales: riesgo para la seguridad de las personas.
• Tecnologías de información y comunicación: riesgo de interrupciones de
operación, con un alto coste por hora.
Muchos fabricantes de equipos sensibles especifican tolerancias muy estrictas
(mucho más que las del sistema de distribución) para el suministro de sus equipos;
por ejemplo, la norma CBEMA (Computer Business Equipment Manufacturer’s
Association, Asociación de fabricantes de equipos informáticos profesionales) para
equipos informáticos.
Î Cargas sensibles, ver Revisión técnica pág. 2 "Suministro de cargas sensibles".
Costes provocados por la calidad de la alimentación
eléctrica
Más del 50% de los fallos en cargas críticas se deben a la alimentación eléctrica, y
el coste por hora del tiempo de inactividad de las aplicaciones correspondientes
suele ser muy alto (Fig. 1.5).
Por tanto, es esencial para la economía moderna, cada vez más dependiente de las
tecnologías digitales, resolver los problemas que afectan a la calidad y
disponibilidad de la electricidad suministrada por el sistema de distribución, en el
caso de cargas sensibles.
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pág. 9
Ideas básicas en instalaciones con SAI
15 %
45 %
Human
error
20 %
Supply
problems
Equipment
failure
20 %
Nuisance tripping
(circuit breaker, etc.)
Ejemplos de costes por hora de los
fallos
● Teléfonos móviles: 40.000 euros.
● Sistemas de reserva de líneas
aéreas: 90.000 euros.
● Transacciones de tarjetas de
crédito: 2,5 millones de euros.
● Línea de montaje de automóviles: 6
millones de euros.
● Transacciones del mercado de
valores: 6,5 millones de euros.
Fig. 1.5. Origen y coste de fallos averías en sistemas debidos al suministro eléctrico.
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pág. 10
Ideas básicas en instalaciones con SAI(cont .)
Sistemas de suministro
con SAI
Finalidad de los SAI
Los SAI (sistemas de alimentación ininterrumpida) están pensados para cubrir las
necesidades presentadas. Presentados por vez primera en la década de los 70, su
importancia ha aumentado al ritmo del desarrollo de las tecnologías digitales.
Los SAI son dispositivos eléctricos que se sitúan entre el sistema de distribución y
las cargas sensibles. Su función es proporcionar una alimentación mucho más fiable
que la del sistema de distribución, adaptada a las necesidades de las cargas
sensibles en cuanto a calidad y disponibilidad.
Î SAI, ver Revisión técnica pág. 4 "La solución SAI".
Tipos de SAI
El término SAI abarca productos con potencias nominales aparentes desde unos
cientos de VA hasta varios MVA, que implementan diversas tecnologías.
La norma IEC 62040-3 y su equivalente europeo EN 62040-3 definen tres tipos
estándar (topologías) de SAI.
Las tecnologías SAI incluyen:
• Espera pasiva
• Interacción con el sistema de distribución
• Doble conversión
Para las potencias nominales bajas (< 2 kVA) coexisten las tres tecnologías. Para
potencias más altas, casi todos los SAI estáticos (esto es, que implementan
componentes semiconductores, como módulos IGBT) implementan la tecnología de
doble conversión.
Los SAI rotativos (con piezas mecánicas giratorias, como volantes de inercia) no se
incluyen en las normas y constituyen una parte marginal del mercado.
Î Tipos de SAI, ver Revisión técnica pág. 9, "Tipos de SAI estáticos".
SAI estáticos de doble conversión
Este es prácticamente el único tipo de SAI que se utiliza en las instalaciones de alta
potencia, debido a sus ventajas únicas sobre los demás tipos:
• Regeneración total de la alimentación suministrada a la salida.
• Aislamiento total de la carga del sistema de distribución y sus perturbaciones.
• Transferencia sin cortes (si procede) a un conducto de derivación.
• El principio de funcionamiento (Fig. 1.6) se presenta más adelante.
• Durante el funcionamiento normal, un rectificador/cargador convierte la potencia
de entrada en CA en potencia en CC para alimentar un inversor y proporcionar
carga de flotación a una batería.
• El inversor regenera por completo una señal sinusoidal y convierte la potencia en
CC de nuevo en potencia en CA, pero libre de todas las perturbaciones y dentro de
unas tolerancias de amplitud y frecuencia rigurosas.
• En caso de fallo de la potencia de entrada en CA, la batería proporciona la
alimentación necesaria para el inversor durante un tiempo de autonomía
especificado.
• Una derivación estática puede transferir la carga sin cortes en el suministro de
alimentación a un conducto de derivación para mantener la alimentación de la carga
en caso necesario (fallo interno, cortocircuito aguas abajo, mantenimiento). Este
diseño "con tolerancia a fallos" permite seguir suministrando alimentación a la carga
en "modo degradado" (la alimentación no pasa por el inversor) durante el tiempo
necesario para restablecer las condiciones normales.
Î SAI de doble conversión, ver Revisión técnica pág. 14 "Componentes y
funcionamiento".
Fig. 1.6. SAI estáticos de doble conversión
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pág. 11
Ideas básicas en instalaciones con SAI(cont .)
Calidad de la
alimentación en los SAI
Calidad de la alimentación en los SAI de doble conversión
Por diseño, los SAI de estado sólido de doble conversión suministran a las cargas
conectadas una señal sinusoidal:
• De alta calidad porque se regenera y regula de forma continua (amplitud ±1%,
frecuencia ±0,5%).
• Libre de perturbaciones del sistema de distribución (gracias a la doble conversión)
y, en particular, de microcortes e interrupciones (gracias a la batería).
Este nivel de calidad debe garantizarse, sea cual sea el tipo de carga.
Calidad de tensión para cargas lineales
¿Qué es una carga lineal?
Una carga lineal suministrada con una tensión sinusoidal consume una corriente
sinusoidal con la misma frecuencia que la tensión. Esta corriente puede estar
desplazada (ángulo ϕ) con respecto a la tensión (Fig. 1.7).
Ejemplos de cargas lineales
Muchas cargas son lineales, como las bombillas estándar, los calefactores, las
cargas resistivas, los motores, los transformadores, etc. No contienen componentes
electrónicos activos, sino únicamente resistencias (R), inductores (L) y
condensadores (C).
SAI y cargas lineales
Para este tipo de cargas, la señal de salida del SAI es de una calidad muy alta, esto
es, la tensión y la corriente son perfectamente sinusoidales, de 50 o 60 Hz.
Carga con inductor y/o condensador
Carga resistiva pura
Fig. 1.7. Tensión y corriente para cargas lineales.
Calidad de la tensión para cargas no lineales
¿Qué es una carga no lineal?
Una carga no lineal (o con distorsión) suministrada con una tensión sinusoidal
consume una corriente periódica con la misma frecuencia que la tensión, pero no
sinusoidal.
La corriente consumida por la carga es, de hecho, la combinación (Fig. 1.8) de:
• Una corriente sinusoidal denominada fundamental, a una frecuencia de 50 o 60
Hz
• Armónicos, que son corrientes sinusoidales de una amplitud inferior a la de la
fundamental, pero cuya frecuencia es un múltiplo de la fundamental que define el
orden del armónico [por ejemplo, el armónico de tercer orden tiene una frecuencia
de 3 x 50 Hz
(o 60 Hz), y el de quinto orden, de 5 x 50 (o 60) Hz].
Las corrientes armónicas son causadas por la presencia de componentes de
electrónica de potencia [como diodos, rectificadores controlados de silicio (SCR) o
módulos IGBT] que conmutan la corriente de entrada.
Ejemplos de cargas no lineales
Entre las cargas no lineales se encuentran las que utilizan en su entrada fuentes de
alimentación conmutadas para alimentar la electrónica (por ejemplo, ordenadores,
unidades de velocidad variable, etc.)
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pág. 12
Ideas básicas en instalaciones con SAI(cont .)
Tensión y corriente consumidas por una
fuente de alimentación conmutada
monofásica (ordenadores).
Fig. 1.8. La corriente consumida por cargas no lineales queda distorsionada debido a los
armónicos.
Efecto de los armónicos (H3 y H5 en este
ejemplo).
Espectro armónico de la corriente consumida por una carga no lineal
El análisis armónico de una corriente no lineal consiste en determinar (Fig. 1.9):
• Los órdenes de armónicos presentes en la corriente
• La importancia relativa de cada orden, medida como porcentaje del orden
rms value of harmonic k
rms
value of the fundamental
Hk% = distorsión del armónico k =
Distorsión armónica de tensión y corriente
Las cargas no lineales generan armónicos tanto de tensión como de corriente,
debido a que, para cada armónico de corriente, hay un armónico de tensión con la
misma frecuencia. La tensión de 50 Hz (o 60 Hz) sinusoidal del SAI queda, por
tanto, distorsionada por los armónicos.
La distorsión de una onda sinusoidal se presenta en forma de porcentaje:
rms value of all the harmonic k
THD* % = distorsión total = rms value of the fundamental
* Distorsión armónica total (THD)
Se definen los siguientes valores:
• THDU % para la tensión, basada en los armónicos de tensión.
• THDI % para la corriente, basada en los armónicos de corriente (Fig. 1.9).
Cuanto mayor sea el contenido de armónicos, mayor será la distorsión.
A efectos prácticos, la distorsión de la corriente consumida por la carga es muy
superior (THDI de aproximadamente el 30%) que la de la tensión en la entrada
(THDU de aproximadamente el 5%).
Niveles de distorsión armónica
H5 = 33%
H7 = 2,7%
H11 = 7,3%
H13 = 1,6%
H17 = 2,6%
H19 = 1,1%
H23 = 1,5%
H25 = 1,3%
THDI = 35% (ver cálculo en cap. 5, pág.
41)
Corriente de entrada de un rectificador
Espectro armónico y THDI correspondiente.
trifásico.
Fig. 1.9. Ejemplo del espectro armónico de la corriente consumida por una carga no
lineal.
Î Cargas no lineales, ver "Eliminación de armónicos en instalaciones" y
Revisión técnica pág. 38 "Armónicos".
SAI y cargas no lineales
Los armónicos afectan la tensión sinusoidal en la salida del SAI. Un exceso de
distorsión puede perturbar las cargas lineales conectadas en paralelo en la salida,
sobre todo por el aumento de la corriente que consumen (incremento de
temperatura).
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Ideas básicas en instalaciones con SAI(cont .)
Para mantener la calidad de la tensión de salida del SAI, es necesario limitar su
distorsión (THDU), esto es, limitar los armónicos de corriente que producen
distorsión de tensión.
En particular, es necesario que la impedancia (en la salida del SAI y en los cables
que suministran alimentación a la carga) se mantenga baja.
Limitación de la distorsión de la tensión de salida
Debido a la técnica de recorte de frecuencia libre empleada, la impedancia en la
salida de los SAI de Schneider Electric es muy baja, sea cual sea la frecuencia (esto
es, el orden del armónico). Esta técnica prácticamente elimina toda la distorsión de
la tensión de salida al alimentar cargas no lineales. La calidad de la tensión de
salida es, por tanto, constante, incluso para cargas no lineales.
A efectos prácticos, los diseñadores de la instalación deben:
• Comprobar las tensiones de salida del SAI para cargas no lineales y, sobre todo,
asegurarse de que el nivel declarado de distorsión, medido para cargas no lineales
estandarizadas según la norma IEC 62040-3, sea muy bajo (THDU < 2 a 3%).
• Limitar la longitud (impedancia) de los cables de salida que alimentan las cargas.
Î Rendimiento de SAI para cargas no lineales, ver Revisión técnica pág. 43.
Disponibilidad de
alimentación con SAI
¿Qué significa disponibilidad?
Disponibilidad de una instalación eléctrica
Disponibilidad es la probabilidad de que la instalación pueda suministrar energía con
el nivel de calidad exigido por las cargas alimentadas.
Se expresa en forma de porcentaje.
MTTR
(1−
) × 100
MTBF
Disponibilidad (%) =
MTTR es el tiempo medio de reparación ("mean time to repair") de un sistema de
suministro después de un fallo (incluye el tiempo empleado para detectar la causa
del fallo, repararlo y volver a poner en marcha el sistema).
MTBF es el tiempo medio entre fallos ("mean time between failures"), esto es, el
tiempo durante el que el sistema de suministro es capaz de garantizar el
funcionamiento correcto de las cargas.
• Ejemplo:
Una disponibilidad del 99,9% (denominada "tres nueves") corresponde a una
probabilidad del 99,9% de que el sistema lleve efectivamente a cabo las funciones
requeridas en un momento determinado. La diferencia entre esta probabilidad y 1
(esto es, 1 - 0,999 = 0,001) indica el nivel de no disponibilidad (esto es, una
posibilidad entre mil de que el sistema no lleve a cabo las funciones requeridas en
un momento determinado).
Fig. 1.10. MTTR y MTBF.
¿Cuál es el significado de la disponibilidad a efectos prácticos?
Los costes de inactividad, en el caso de aplicaciones críticas, son muy altos (ver Fig.
1.5).
Estas aplicaciones deben, claro está, permanecer funcionales el máximo tiempo
posible.
Lo mismo rige también para su alimentación eléctrica.
La disponibilidad de la energía suministrada por una instalación eléctrica
corresponda a una medida estadística (en forma de porcentaje) de su tiempo de
funcionamiento.
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pág. 14
Ideas básicas en instalaciones con SAI(cont .)
Los valores de MTBF y MTTR se calculan o miden (a partir de observaciones
suficientemente prolongadas en el tiempo) para los componentes, y se pueden
utilizar para determinar la disponibilidad de la instalación a lo largo del periodo.
¿Qué factores influyen en la disponibilidad?
La disponibilidad depende de los valores de MTBF y MTTR.
• La disponibilidad sería igual a 100% si MTTR fuese igual a cero (reparación
instantánea) o si MTBF fuese infinito (funcionamiento sin averías). Esto es una
imposibilidad estadística.
• A efectos prácticos, cuanto menor sea MTTR y más alto MTBF, mayor será la
disponibilidad.
De "3 nueves" a "6 nueves"
La naturaleza crítica de muchas aplicaciones ha creado la necesidad de niveles
mucho más altos de disponibilidad para la alimentación eléctrica.
• La economía "tradicional" emplea la electricidad de la red eléctrica pública. Un
sistema de distribución de calidad media con reserva de alta tensión ofrece una
disponibilidad del 99,9% (3 nueves), que corresponde a ocho horas sin
disponibilidad al año.
• Las cargas sensibles requieren una alimentación eléctrica capaz de ofrecer una
disponibilidad del 99,99% (4 nueves), que corresponde a 50 minutos sin
disponibilidad al año.
• Los ordenadores y equipos de comunicación de centros de datos exigen una
disponibilidad del 99,9999% (6 nueves), que corresponde a 30 segundos sin
disponibilidad al año. Este nivel permite garantizar, sin peligro de pérdidas
financieras importantes, el funcionamiento de las infraestructuras 24 horas al día,
365 días al año, sin desconexiones por mantenimiento. Es un paso de cara al
suministro continuo.
) La economía "tradicional" utiliza
redes eléctricas públicas que ofrecen
una disponibilidad del 99,9%, esto es,
3 nueves.
) Las cargas sensibles exigen un
nivel de disponibilidad del 99,99%,
esto es, 4 nueves.
) Los centros de datos precisan un
99,9999%, esto es, 6 nueves.
Fig. 1.11. Evolución del nivel de disponibilidad requerido por las aplicaciones.
¿Cómo se puede mejorar la disponibilidad?
Para mejorar la disponibilidad es necesario reducir el MTTR y aumentar el MTBF.
Reducir el MTTR
La detección de fallos en tiempo real y el análisis por parte de expertos para
garantizar un diagnóstico preciso y una reparación rápida contribuyen a reducir el
MTTR.
Estos puntos dependen de factores clave, que se enumeran a continuación.
Calidad del servicio
• Presencia internacional del fabricante.
• Disponibilidad internacional de los servicios.
• Número, cualificación y experiencia de los equipos de mantenimiento.
• Número de productos instalados y experiencia obtenida.
• SAI modulares, fáciles de mantener.
• Recursos y proximidad de la asistencia técnica.
• Disponibilidad local de piezas de repuesto originales.
• Métodos y herramientas de alto rendimiento del fabricante.
• Diagnóstico remoto.
• Formación en cursos adaptados a las necesidades del cliente.
• Calidad y disponibilidad de documentación en el idioma local.
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Ideas básicas en instalaciones con SAI(cont .)
TM
Global Services ofrece una completa gama de servicios de consultoría,
formación y auditoría para proporcionar a los usuarios los conocimientos
exigidos para el funcionamiento, diagnóstico y primer nivel de
mantenimiento del sistema.
Global ServicesTM
Reducir el MTTR
Aumentar la disponibilidad
Fig. 1.12. La calidad del servicio es un factor esencial para la alta disponibilidad.
Funciones de comunicación de los SAI
• Interfaz fácil de usar que ofrece sencillos diagnósticos de funcionamiento.
• Comunicación con el entorno eléctrico e informático.
Î Comunicación y supervisión de los SAI de Schneider Electric, ver Comunicación
de SAI.
Aumentar el MTBF
Este objetivo depende principalmente de los factores que se enumeran a
continuación.
Selección de componentes de confiabilidad probada
• Productos con diseño, desarrollo y procesos de fabricación certificados.
• Niveles de rendimiento certificados por organizaciones independientes
reconocidas.
• Conformidad con las normas internacionales de seguridad eléctrica, EMC
(compatibilidad electromagnética) y medida del rendimiento.
Con una experiencia de 40 años protegiendo 350 GVA de potencia crítica, las
soluciones de Schneider Electric han demostrado su valor en las principales
empresas industriales. Todos sus productos cumplen las principales normas
internacionales y su nivel de rendimiento está certificado por organizaciones
reconocidas.
Calidad y confiabilidad certificadas
Aumentar el MTBF
Aumentar la disponibilidad
Fig. 1.13. La fiabilidad probada de los productos incrementa el MTBF y la disponibilidad.
Tolerancia a fallos integrada
La tolerancia a fallos permite el funcionamiento en modo degradado en caso de
fallos que pueden ocurrir en distintos niveles de la instalación (ver Fig. 1.14).
Durante el tiempo necesario para efectuar la reparación, la carga sigue recibiendo
alimentación y generando ingresos.
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pág. 16
Ideas básicas en instalaciones con SAI(cont .)
Desconexión inmediata:
- Detección y alarmas
- Identificación de causas
- Acción correctiva
Fig. 1.14. La tolerancia a fallos aumenta la disponibilidad.
Facilidad de mantenimiento de la instalación
Se trata de la capacidad de aislar (interrumpir la alimentación) de partes de la
instalación para efectuar las tareas de mantenimiento en condiciones de seguridad,
mientras se sigue suministrando alimentación a la carga. Debería ser posible:
• En el SAI, gracias a la derivación estática y a la derivación de mantenimiento
• En otras partes de la instalación, en función de la arquitectura
Suministro directo de la carga
durante el mantenimiento.
Transferencia automática sin cortes
de la carga al conducto de
derivación después de un fallo
interno o una sobrecarga aguas
abajo.
Fig. 1.15. Derivación estática y derivación de mantenimiento manual.
Las soluciones Schneider Electric garantizan la tolerancia a fallos y la facilidad de
mantenimiento gracias a la implementación de:
• SAI de doble conversión capaces de transferir la carga a la entrada de CA de
derivación mediante la derivación automática, y equipados con una derivación de
mantenimiento.
• Configuraciones de SAI redundantes y de varias fuentes con unidades STS.
Factores clave en la disponibilidad de las instalaciones
con SAI
Hace algunos años, la mayor parte de las instalaciones se componían de SAI
unitarios, y el número de sistemas en paralelo era reducido. Las aplicaciones que
requieren este tipo de instalación siguen existiendo.
Sin embargo, el cambio a la alta disponibilidad requiere el uso de configuraciones
que ofrezcan redundancia a diversos niveles de la instalación (ver Fig. 1.16).
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Ideas básicas en instalaciones con SAI(cont .)
Redundancia de fuentes:
disponibilidad incluso
durante interrupciones
prolongadas de la red
eléctrica.
Redundancia de SAI:
confiabilidad, mantenimiento
más fácil y seguro.
Distribución redundante
con unidades STS: máxima
disponibilidad.
Fig. 1.16. Los niveles requeridos de disponibilidad han dado como resultado el uso de
redundancia en diversos niveles de la instalación.
Esta tendencia ha hecho que los diseñadores, en función de la importancia de las
cargas y de los requisitos de funcionamiento, tengan en cuenta algunos o todos los
factores clave enumerados a continuación.
Fiabilidad y disponibilidad
Proponer una configuración adaptada al nivel de disponibilidad exigido por la carga,
que incluya componentes con niveles de confiabilidad probados y respaldados por el
nivel adecuado de calidad de servicio.
Facilidad de mantenimiento
Garantizar un mantenimiento sencillo del equipo en condiciones seguras para el
personal y sin interrupción de la operación.
Posibilidad de actualización
Debe ser posible actualizar la instalación a lo largo del tiempo, teniendo en cuenta
tanto la necesidad de ampliarla gradualmente como los requisitos de
funcionamiento.
Discriminación y no propagación de fallos
Debe ser posible limitar los fallos a una parte de la instalación lo más reducida
posible y permitir el mantenimiento sin interrupciones de funcionamiento.
Funcionamiento y administración de la instalación
Facilitar el funcionamiento permitiendo la anticipación de sucesos a través de
sistemas de supervisión y administración de la instalación.
Selección de la
configuración
Paso previo necesario para establecer las especificaciones
de la instalación
La selección de una configuración determina el nivel de disponibilidad que se creará
para la carga, así como las posibles soluciones para la mayor parte de los factores
enumerados arriba.
La configuración puede ser de una o varias fuentes, con un SAI unitario o varias
unidades en paralelo, y con o sin redundancia.
La selección de la configuración es el paso previo necesario para establecer las
especificaciones de la instalación. El capítulo 2 está íntegramente dedicado a este
tema y será de gran ayuda para la toma de decisiones correctas. En él se comparan
las diversas configuraciones en cuanto a disponibilidad, protección de las cargas,
facilidad de mantenimiento, posibilidad de actualización y coste.
Î Selección de configuraciones a partir de instalaciones típicas correspondientes a
diversos niveles de disponibilidad, consultar Selección de la configuración de los
SAI.
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pág. 18
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
Elementos necesarios para
efectuar cálculos de
potencia
Consideraciones sobre la instalación
Tipo de carga suministrada
Cargas lineales (cos ϕ) o no lineales (factor de potencia).
Estas características determinan el factor de potencia en la salida del SAI.
La potencia máxima consumida por la carga en condiciones de estado
estable
Para una carga, esto es el valor nominal de la potencia. Si hay varias cargas
conectadas en paralelo a la salida del SAI, es necesario calcular la carga total
cuando todas ellas están funcionando al mismo tiempo. En caso contrario, será
necesario emplear diversidad para calcular el peor de los casos en cuanto a
potencia consumida.
Corrientes de energización en condiciones transitorias o para un
cortocircuito aguas abajo
La capacidad de sobrecarga de un sistema SAI depende del tiempo de duración de
la sobrecarga.
Si se supera este límite temporal, el SAI transfiere la carga a la entrada de CA de
derivación si sus características de tensión están dentro de los valores de tolerancia.
En este caso, la carga deja de estar protegida contra perturbaciones en el sistema
de distribución.
Según la calidad de la potencia en CA de derivación, es posible:
• Utilizar la entrada de CA de derivación para encargarse de los picos de corriente
debidos a la conmutación de dispositivos o a cortocircuitos aguas abajo. De esta
forma, se evita sobredimensionar el sistema.
• Desactivar la transferencia automática (salvo en el caso de fallos internos) y
mantener la posibilidad de transferencia manual (para mantenimiento, por ejemplo).
Los SAI de Schneider Electric funcionan en modo de limitación de corriente.
Mediante el espaciado en el tiempo de la conmutación de dispositivos,
generalmente es posible administrar las corrientes de energización sin necesidad de
transferir a la potencia en CA de derivación. Si la corriente de energización supera el
umbral de limitación (por ejemplo, 2,33 In (corriente nominal) para los SAI Galaxy
9000, durante unos cuantos periodos (pero menos de un segundo), la corriente del
SAI queda limitada durante el tiempo necesario. Este modo de funcionamiento
degradado puede ser aceptable, por ejemplo, en el caso de un arranque en frío (con
alimentación de batería, en ausencia de red eléctrica).
Potencia de un SAI
Potencia nominal de un SAI
Este valor nominal, indicado en los catálogos, es la potencia de salida. Se
indica como potencia aparente Sn en kVA, con la correspondiente potencia activa
Pn en kW, para una:
• Carga lineal
• Carga con cos ϕ = 0,8
Sin embargo, los SAI de última generación de Schneider Electric pueden
alimentar cargas con un cos ϕ = 0,9 en adelanto.
Cálculo de la potencia nominal
Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA): potencia activa nominal
Este cálculo depende de la tensión de salida del SAI y de la corriente consumida por
la carga, donde:
3
en sistemas trifásicos
Sn (kVA) = UnIn
Sn (kVA) = VnIn en sistemas monofásicos
Para un SAI trifásico, U e I son valores eficaces de línea; para un SAI monofásico, V
es una tensión de fase a neutro, donde:
Un = tensión de fase a fase
Vn = tensión de fase a neutro
3
Un = Vn
Por ejemplo, si Un = 400 voltios, Vn = 230 voltios.
Potencia y tipo de carga
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pág. 19
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
Las dos tablas siguientes presentan las ecuaciones que relacionan potencia, tensión
y corriente en función del tipo de carga (lineal o no lineal).
Se utilizan los símbolos siguientes:
• Valores de tensión instantánea u(t) y corriente instantánea i(t)
• Los valores eficaces correspondientes U e I
• ω = frecuencia angular = 2 π f, donde f es la frecuencia (50 o 60 Hz)
• ϕ = desplazamiento entre la tensión y la corriente en condiciones sinusoidales
Cargas lineales
Trifásicas
Tensión sinusoidal
u(t) = U
2
Monofásicas
sin ωt
v(t) = V
entre fases
U=V
Corriente sinusoidal desplazada
Potencia aparente
Potencia activa
Potencia reactiva
2
i(t) = I
S (kVA) = UI
3
3
P (kW) = UI
Q (kvar) = UI
cos ϕ
sin ωt
corriente de fase
Factor de cresta de corriente
S (kVA) = VI
2
P (kW) = VI cos ϕ = S (kVA) cos ϕ
Q (kvar) = VI sin ϕ = S (kVA) sin ϕ
sin ϕ = S (kVA) sin ϕ
S=
fase a neutro
3
sin (ωt - ϕ)
cos ϕ = S (kVA) cos ϕ
3
2
P 2 +Q
2
Cargas no lineales
Tensión sinusoidal
u(t) = U
La tensión de SAI regulada sigue siendo
sinusoidal (THDU baja) para cualquier tipo de
carga.
2
sin ωt
v(t) = V
entre fases
2
sin ωt
fase a neutro
3
U=V
i(t) = i1(t) + Σihk(t) corriente de fase total
Corriente con armónicos
2
i1(t) = I1
ik(t) = Ihk
I12
2
sin (ωt - ϕ1)
2
2
corriente fundamental
sin (kωt - ϕk)
k-orden armónico
2
+ I2 + I3 + I4 + ....
I=
valor eficaz de la corriente total
C = valor de corriente de pico / valor eficaz Factor de cresta de la corriente
I12 + I22 + I3 2 + I4 2 + ....
I1
THDI =
Potencia aparente
Potencia activa
S (kVA) = UI
P (kW) = λ UI
Distorsión armónica total de la corriente
S (kVA) = VI
3
3
P (kW) = λ VI = λ S (kVA)
= λ S (kVA)
Factor de potencia
P(kW )
S
λ = (kVA)
Porcentaje de carga del SAI
Es el porcentaje de la carga nominal que efectivamente consume la carga.
Sload (kVA )
Carga (%) =
Sn (kVA )
) Recomendación: tener en cuenta el crecimiento de las cargas
Se aconseja dejar un margen (exceso de potencia) al establecer la potencia
nominal, en especial si se tiene prevista una ampliación de la instalación. En
tal caso, asegúrese de que el porcentaje de carga en el SAI sigue siendo
aceptable tras la ampliación.
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pág. 20
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
Eficacia del SAI
Este factor determina la potencia consumida por el SAI en el sistema de
distribución aguas arriba, esto es, el consumo. Se puede calcular como:
PUPSoutput (kW )
P
(kW )
η (%) = UPSinput
Para una potencia nominal determinada, un alto nivel de eficacia:
• Reduce las facturas eléctricas
• Reduce las pérdidas térmicas y, en consecuencia, los requisitos de ventilación
Es posible calcular la eficacia a carga nominal completa, esto es, con un 100%
de carga.
Pn (kW )
ηn (%) = PUPSinput (kW )
La potencia activa nominal del SAI se obtiene multiplicando la potencia
aparente nominal Sn (kVA) por 0,8 (si λ > 0,8) o por λ (si λ< 0,8).
La eficacia puede variar de forma significativa en función del porcentaje de
carga y del tipo de carga.
El diseñador de la instalación debe, pues, prestar atención a dos aspectos de
la eficacia.
) Recomendación 1: comprobar la eficacia para cargas no lineales
La presencia de cargas no lineales tiende a reducir el factor de potencia a
valores por debajo de 0,8. Es, por tanto, necesario comprobar el valor de
eficacia para cargas no lineales estandarizadas. Esta comprobación la
recomiendan las normas IEC 62040-3 / EN 62040-3.
) Recomendación 2: comprobar la eficacia para el porcentaje de carga
planificado
Los fabricantes suelen indicar la eficacia para la carga nominal completa. Sin
embargo, este valor puede reducirse si el porcentaje de carga es inferior (1). Se
debe, por tanto, prestar atención a los SAI que operan en una configuración de
redundancia activa, donde las unidades comparten la carga total y suelen operar al
50% de su carga nominal completa, o incluso menos.
(1) Un SAI está optimizado para funcionar a su carga nominal completa. A pesar de
que, a la carga nominal completa, las pérdidas son máximas, también lo es la
eficacia. En un SAI estándar, las pérdidas no son proporcionales al porcentaje de
carga, y la eficacia se reduce drásticamente al disminuir el porcentaje de carga. Esto
se debe a que una parte de las pérdidas es constante y el porcentaje relativo de
esta parte aumenta al disminuir la carga. Para obtener una alta eficacia con niveles
bajos de carga, las pérdidas constantes deben ser muy reducidas.
Debido a su diseño, los SAI de Schneider Electric tienen perdidas constantes muy
pequeñas y, en consecuencia, su eficacia es prácticamente estable para cargas del
30% al 100%.
Î Eficacia de SAI, ver Revisión técnica pág. 20.
Valores nominales en
configuraciones con SAI
unitario
Schneider Electric
Configuraciones con SAI unitario
Estas configuraciones contienen un SAI unitario de doble conversión (ver Fig. 1.17).
La capacidad de sobrecarga en la salida del SAI viene indicada por un diagrama (el
ejemplo siguiente corresponde a la gama Galaxy 9000).
En caso de fallo interno o de sobrecarga que supere la capacidad del SAI, el
sistema transfiere automáticamente a la entrada de CA de derivación. Si la
transferencia no se puede llevar a cabo, los SAI de Schneider Electric limitan la
corriente para sobrecargas superiores al valor máximo (por ejemplo, un pico de 2,33
In durante un segundo para el Galaxy 9000, que corresponde a una onda sinusoidal
máxima con un valor eficaz de 2,33 / 2 = 1,65 In). Para más de un segundo, el
SAI se apaga.
Está disponible un juego de interruptores de desconexión para aislar el SAI para
efectuar tareas de mantenimiento con total seguridad.
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pág. 21
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
Fig. 1.17. Unidad SAI individual estática de doble conversión y ejemplo de curva de
sobrecarga.
Niveles de potencia en condiciones de estado estable
Un SAI se dimensiona empleando la potencia de salida nominal aparente Sn (kVA) y
un factor de potencia de salida de 0,8. Estas condiciones corresponden a una
potencia activa nominal de Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA).
En situaciones reales, un SAI alimenta diversas cargas con un factor de potencia
global λ que con frecuencia no es 0,8 debido a la presencia de cargas no lineales y
de recursos para mejorar el factor de potencia.
• Si λ ≥ 0,8, el SAI sigue estando limitado a Pn (kW).
• Si λ < 0,8, el SAI está limitado a λ Sn (kW) < Pn (kW).
En consecuencia, la selección de la potencia nominal en kVA debe tener en cuenta
la potencia activa suministrada a las cargas.
La potencia activa se determina mediante los cuatro pasos siguientes.
1 - Potencia aparente y activa consumida por las cargas
El primer paso consiste en evaluar los requisitos de potencia de la carga.
La tabla siguiente se debe completar para las cargas k que deben alimentarse.
Carga
Potencia nominal
aparente (kVA)
Potencia nominal
activa (kW)
S1
S2
Factor de potencia
de entrada λ (o cos
ϕ)
λ1
λ2
Carga 1
Carga 2
…
Carga i
…
Carga k
Total
Si
λi
Pi = λ i S i
Sk
S
(1) S no es la suma de
Si.
λk
λ
(2) λ debe medirse o
calcularse.
P k = λk S k
P = λS
(3) P = λ S = Σ λi S i
P1 = λ 1 S1
P2 = λ 2 S2
(1) S no es la suma de Si porque:
- Sería necesario calcular la suma vectorial si todas las cargas fuesen lineales, utilizando los
ángulos de los diferentes cos ϕ.
- Algunas de las cargas son no lineales.
(2) λ Se debe medir in situ o evaluar a partir de la experiencia.
(3) P = λ S = Σ λi S i porque la potencia activa se suma (sin desplazamiento).
2 - Potencia aparente nominal del SAI (Sn)
El segundo paso es seleccionar un SAI con una potencia aparente nominal
suficiente para cubrir los requisitos de la carga (en kVA).
Con las condiciones dadas, la potencia aparente nominal adecuada para el SAI es:
Sn(kVA) > S. donde S = P / λ.
En la gama de SAI, seleccione el modelo con una potencia nominal Sn (kVA) justo
por encima de S. Si se necesita potencia de reserva y el valor nominal seleccionado
está demasiado próximo a S, seleccione el inmediatamente superior.
3 - Comprobar la potencia activa
El tercer paso es una comprobación para asegurarse de que la potencia
nominal seleccionada pueda cubrir los requisitos de la carga en kW en
las condiciones de funcionamiento estipuladas.
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pág. 22
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
Para el valor seleccionado, el SAI suministrará la potencia activa nominal
Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA)
• Si λ ≥ 0,8, asegúrese de que Pn (kW) > P, es decir, que el SAI pueda suministrar
la potencia adicional requerida; si no es así, seleccione el valor nominal
inmediatamente superior.
• Si λ < 0,8, la potencia suministrada por el SAI es suficiente porque Pn (kW) > λ Sn
(kVA), es decir, la selección es correcta.
4. - Porcentaje de carga
El cuarto paso es comprobar que el porcentaje de carga es aceptable ahora y en
un futuro, según las condiciones de funcionamiento deseadas.
El porcentaje de carga es:
Carga = S / Sn(kVA) .
Debe bastar para cubrir posibles incrementos de la carga o previsiones de
ampliación del sistema para hacerlo redundante.
Niveles de potencia en condiciones transitorias
Corrientes de energización de la carga
Es necesario conocer la corriente de energización de cada carga y la duración de
las condiciones transitorias. Si existe el riesgo de que varias cargas se pongan en
marcha al mismo tiempo, es necesario sumar las corrientes de energización.
Comprobaciones necesarias
A continuación es necesario comprobar que la potencia nominal planificada del SAI
puede soportar las corrientes de energización. Tenga en cuenta que el SAI puede
funcionar durante unos pocos periodos en modo de limitación de corriente (por
ejemplo, 2,33 In durante un segundo para un Galaxy 9000). Si el SAI no puede
hacerse cargo de las corrientes de energización, se deberá decidir si es aceptable
transferir a la entrada de CA de derivación en el momento en que se presentan las
condiciones transitorias. Si la transferencia no es aceptable, será necesario
incrementar la potencia nominal.
Î Revisión de corrientes de energización, ver Revisión técnica pág. 37.
Ejemplo
La finalidad del ejemplo siguiente es simplemente ilustrar la cuestión; no
corresponde a una situación real. Su propósito es indicar los pasos
necesarios. La instalación se compone de tres cargas trifásicas de 400 V
conectadas en paralelo:
• Sistema informático: S1 = 4 x 10 kVA (4 cargas idénticas de 10 kVA), λ = 0,6 para
todas las cargas, corriente de energización de 8 In a lo largo de cuatro periodos de
50 Hz (80 ms) para cada carga
• Unidad de velocidad variable: S2 = 20 kVA, λ = 0,7, corriente de energización de 4
In a lo largo de cinco periodos (100 ms)
• Transformador de aislamiento: S3 = 20 kVA, λ = cos ϕ = 0,8, corriente de
energización de 10 In a lo largo de seis periodos (120 ms)
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pág. 23
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
Potencia aparente nominal
de salida Sn(kVA)
Potencia activa
Pn(kW) = 0,8 Sn(kVA)
Factor de potencia λ en la
salida del SAI para todas
las cargas
Potencia total consumida
por las cargas
P (kW) = 54 kW
4 x 10 kVA
λ1 = 0,6
20 kVA
λ2 = 0,7
20 kVA
cos ϕ = 0,8
Potencia activa máxima de
salida (que el SAI puede
suministrar a las cargas)
λ Sn (kVA)
Fig. 1.18. Ejemplo de instalación.
Niveles de potencia en condiciones de estado estable
1 - Potencia aparente y activa consumida por las cargas
A continuación se muestra la tabla que se debe completar.
Carga
Sistema informático
Unidad de velocidad
variable
Transformador baja
tensión/baja tensión
Total
Potencia aparente
nominal (kVA)
40
20
Factor de potencia
de entrada
0,8*
0,7
Potencia activa
nominal (kW)
32*
14
20
0,8
16
S
λ = 0,68
medida o estimada
P = 54 kW
* Promedio de sistemas nuevos de gama alta con factor de potencia 0,9 y equipos
antiguos con factor de potencia entre 0,7 y 0,8.
2 - Potencia aparente nominal del SAI
S = 54 / 0,68 = 79,4 kVA
Se debe seleccionar un SAI de la gama Galaxy PW con unos valores nominales
suficientes. Un valor nominal de 80 kVA no sería suficiente, esto es, se debería
seleccionar un valor de 100 kVA o superior si se tiene prevista una ampliación.
3 - Comprobar la potencia activa
• El SAI puede suministrar a las cargas 100 x 0,68 = 68 kW > 54 kW.
4 - Comprobar el porcentaje de carga y la corriente nominal
• El porcentaje de carga es, por tanto, 79,4 / 100 = 79,4%.
3
, es decir, I = 100 / (400 x 1,732) =
• Corriente nominal del SAI: Sn (kVA) = UI
144 A.
Corrientes de energización en condiciones transitorias
Las cargas deben ponerse en marcha en sucesión para evitar que las corrientes de
energización se combinen. A continuación es necesario comprobar que el SAI
pueda soportar las corrientes de energización.
3
, es decir:
Las corrientes nominales se calculan como S (kVA) = UI
• Sistema informático: In = 10 / (400 x 1,732) = 14,4 A, esto es, 8 In ≈ 115 A durante
80 ms
• Unidad de velocidad variable: In = 20/(400 x 1,732) = 28,8 A, esto es, 4 In ≈ 115 A
durante 100 ms
• Transformador: In = 20 / (400 x 1,732) = 28,8 A, esto es, 10 In = 288 A durante
120 ms
• Un SAI Galaxy PW de 100 kVA tiene una capacidad de sobrecarga del 120%,
esto es, 151 A x 1,2 = 173 A durante 10 minutos, y 150%, esto es, 151 A x 1,5 = 216
A durante 10 minutos
• Funcionamiento en modo de limitación de corriente a 2,33 In, esto es, 335 A
durante un segundo.
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pág. 24
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
Si las cargas de los cuatro ordenadores (10 kVA cada uno) se ponen en marcha una
detrás de otra, la capacidad de sobrecarga del 20% del SAI es suficiente (173 A 1min > 115 A - 80 ms).
Si las cuatro cargas se ponen en marcha simultáneamente, la corriente de
energización sería
4 x 115 = 460 A > 335 A. El sistema limitaría la corriente durante 80 ms.
Para la unidad de velocidad variable, la capacidad de sobrecarga es suficiente. Para
el transformador de aislamiento (288 A durante 120 ms), la capacidad de sobrecarga
es también suficiente.
Valores nominales en
configuraciones de SAI en
paralelo
Configuraciones de SAI en paralelo
Finalidad de la conexión en paralelo
La conexión en paralelo de varias unidades idénticas sirve para:
• Aumentar la potencia nominal.
• Establecer redundancia para aumentar el valor de MTBF y la disponibilidad.
Tipos de conexiones en paralelo
Pueden conectarse en paralelo dos tipos de unidades SAI:
• Unidades SAI integradas en paralelo: cada unidad SAI incluye una derivación
automática y una derivación de mantenimiento manual. La derivación manual puede
ser común a todo el sistema y situarse en un armario externo.
• Unidades SAI en paralelo con un armario con interruptor estático: el armario
con interruptor estático consta de una derivación automática y una derivación de
mantenimiento que son comunes en diversas unidades SAI sin derivación (ver Fig.
1.19).
También existen sistemas en paralelo realmente modulares, que constan de
módulos dedicados y redundantes (alimentación, inteligencia, batería y derivación),
en un diseño que facilita un mantenimiento eficaz. Es posible añadir fácilmente
módulos de potencia cuando sea preciso o cuando se necesiten mayores niveles de
disponibilidad.
Existen dos tipos de configuraciones en paralelo:
• Sin redundancia: se requieren todas las unidades SAI para alimentar la carga. El
fallo de una unidad implica el apagado de todo el sistema (no se recomienda).
• Con redundancia N+1, N+2, etc.: el número de unidades SAI que la carga
requiere es igual a N. Todas las unidades SAI (N+1, N+2, etc.) comparten la carga.
Si se apaga una unidad SAI, el resto de ellas (un número, como mínimo, igual a N)
siguen compartiendo la carga.
Î Configuraciones típicas y características, ver cap. 2.
Fig. 1.19. Sistema SAI con unidades conectadas en paralelo y un armario con interruptor
estático.
Niveles de potencia en configuraciones en paralelo
redundantes
En una configuración en paralelo redundante compuesta de unidades idénticas, las
unidades comparten la carga. La potencia nominal de cada unidad no depende del
nivel de redundancia, sino que se debe calcular para seguir alimentando la carga
aunque la redundancia se pierda por completo.
Redundancia activa:
• Mejora la disponibilidad.
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pág. 25
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
• Incrementa la capacidad de sobrecarga
• Reduce el porcentaje de carga en cada unidad SAI
El nivel de potencia se determina siguiendo los mismos cuatro pasos que en el caso
de una configuración con un SAI unitario.
1 - Potencia aparente y activa consumida por las cargas
Se utiliza el mismo tipo de tabla que para un SAI unitario (ver cap. 1, pág. 20).
El resultado es la potencia aparente S que se debe suministrar a la carga.
2 - Potencia aparente nominal de las unidades SAI (Sn) de la
configuración
Consideremos un nivel de redundancia N + K (por ejemplo, 2 + 1), lo que significa:
- Se requieren N unidades (por ejemplo, 2) para alimentar la carga.
- K unidades (por ejemplo, 1 unidad adicional) garantizan la redundancia.
Cada unidad SAI se debe dimensionar de forma que el sistema en su conjunto
pueda funcionar sin redundancia, esto es, con N unidades operativas y K unidades
apagadas.
En este caso, cada una de las N unidades debe tener una potencia aparente
nominal Sn (kVA) tal que:
Sn(kVA) > S / N.
En la gama de SAI, seleccione la potencia nominal Sn (kVA) justo por encima de
S/N. Si se necesita potencia de reserva y la nominal está demasiado próxima a S,
seleccione la inmediatamente superior.
3 - Comprobar la potencia activa
Para el valor nominal seleccionado, el SAI suministrará la potencia activa nominal
Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA).
• Si λ ≥ 0,8, asegúrese de que Pn (kW) > P, es decir, que el SAI puede suministrar
la potencia adicional requerida; si no es así, seleccione el valor nominal
inmediatamente superior.
• Si λ < 0,8, la potencia suministrada por el SAI es suficiente, porque Pn (kW) > λ
Sn (kVA), es decir, la selección es correcta.
4 - Porcentaje de carga
Con redundancia, las unidades SAI comparten la carga según la ecuación:
S / (N+K). El porcentaje de carga para cada unidad en caso de redundancia es, por
tanto:
TL = S / (N + k) Sn(kVA).
En un sistema no redundante, se calcula como:
TL = S / N Sn(kVA).
Debe bastar para cubrir posibles incrementos de la carga.
Ejemplo
En este ejemplo se emplearán los resultados del último ejemplo, y supondremos que
las cargas son críticas, esto es, que es necesaria redundancia.
• La carga total es de 54 kW , con un factor de potencia global para todas las
cargas de 0,68, es decir, S = 54 / 0,68 = 79,4 kVA.
• Si se utiliza redundancia 2+1, dos unidades SAI deben ser capaces de alimentar
la carga. Cada una de ellas deberá suministrar S / 2 = 79,4 / 2 = 39,7 kVA.
• Se debe seleccionar un SAI de la gama Galaxy PW con un valor nominal
suficiente. Un valor nominal de 40 kVA no sería suficiente, esto es, se debería
seleccionar un valor de 50 kVA o superior si se tiene prevista una ampliación.
• Si no se dispone de redundancia, las dos unidades SAI deben ser capaces de
alimentar la carga.
• Este es el caso, porque 2 x 50 x 0,68 = 68 kW > 54 kW.
• Durante el funcionamiento, el porcentaje de carga será:
- Con redundancia, es decir, con 3 unidades SAI compartiendo la carga: 79,4 / 3 x
50 = 52,9%,
- Sin redundancia, es decir, con solo 2 unidades SAI compartiendo la carga: 79,4 / 2
x 50 = 79,4%.
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Edición de 09/2015
pág. 26
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
SAI y armónicos aguas arriba
Función del rectificador de entrada
Las unidades SAI reciben potencia del sistema de distribución de CA a través de un
rectificador/cargador. En lo que respecta al sistema aguas arriba, el rectificador es
una carga no lineal que provoca armónicos. En términos de armónicos, hay dos
tipos de rectificadores:
Rectificadores estándar
Se trata de rectificadores trifásicos que incorporan rectificadores controlados de
silicio (SCR) y que utilizan un puente de seis fases (puente de Graetz) con recorte
estándar de la corriente.
Este tipo de puente provoca corrientes armónicas de órdenes n = 6 k ± 1 (siendo k
un número entero), principalmente H5 y H7, y, en menor cuantía, H11 y H13.
Los armónicos se controlan mediante un filtro (ver Fig. 1.20).
Rectificadores activos controlados basados en transistores, de
tipo PFC
Estos rectificadores activos basados en transistores disponen de un sistema de
regulación que ajusta la tensión y la corriente de entrada a una onda sinusoidal de
referencia. Esta técnica garantiza que la tensión y la corriente de entrada:
• Sean perfectamente sinusoidales, es decir, libres de armónicos.
• Estén en fase, esto es, con un factor de potencia de entrada próximo a 1.
Con este tipo de rectificadores no son necesarios filtros.
Î Rectificadores limpios basados en transistores, ver cap. 4.
Todas las gamas de SAI de alta potencia de Schneider Electric (salvo Galaxy PW y
Galaxy 9000) utilizan tecnologías de rectificador activo controlado de tipo PFC; por
consiguiente, no generan armónicos.
Fig. 1.20. Rectificador de entrada y armónicos.
Filtrado de armónicos
aguas arriba para SAI
con rectificadores de
puente de Graetz
Objetivos del filtrado de armónicos
Esta sección hace referencia únicamente a las gamas Galaxy PW y Galaxy 9000, y
los SAI con rectificadores convencionales de puente de Graetz.
Un sistema aguas arriba "limpio"
El objetivo es garantizar un nivel de distorsión armónica total de tensión (THDU) en
las barras colectoras que alimentan al SAI que sea compatible con las otras cargas
conectadas.
La norma UTE recomienda limitar la THDU a:
• 5% cuando la fuente es un generador.
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Edición de 09/2015
pág. 27
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
• 3% cuando la fuente es un transformador, para tener en cuenta de un 1% a 2% de
THDU que puede estar ya presente en el sistema de distribución de alta tensión.
Esta recomendación puede diferir de un país a otro.
A efectos prácticos, las soluciones para distorsión armónica total de tensión (THDU)
se deben implementar de forma específica al país en el que se halla la instalación.
Fácil combinación con un grupo electrógeno de motor
El objetivo es combinar un SAI con un grupo electrógeno de motor sin peligro de
aumentar el nivel de armónicos al transferir la carga al generador. Este riesgo se
debe a que el generador tiene una impedancia de fuente inferior a la de un
transformador, lo que incrementa los efectos de los armónicos.
Alto factor de potencia en la entrada del rectificador
El objetivo es incrementar el factor de potencia de entrada (generalmente a un nivel
superior a 0,94).
De esta forma, se reduce el consumo de kVA y se evita el sobredimensionado de las
fuentes.
Instalación conforme a normas
El objetivo es cumplir las normas relacionadas con perturbaciones armónicas y las
recomendaciones indicadas por las compañías de suministro de red eléctrica.
• Normas sobre perturbaciones armónicas (ver Tabla 1.2)
- IEC 61000-3-2 / EN 61000-3-2 para dispositivos con una corriente de entrada ≤ 16
A por fase.
- IEC 61000-3-4 / EN 61000-3-4 para dispositivos con una corriente de entrada > 16
A por fase.
• Normas y recomendaciones sobre la calidad de los sistemas de distribución; en
especial:
- IEC 61000-3-5 / EN 61000-3-5
- EN 50160 (Europa)
- IEEE 519-2 (Estados Unidos)
- ASE 3600 (Suiza)
- G5/3 (Reino Unido), etc.
Î Normas sobre armónicos, ver "Normas de SAI", en Revisión técnica, pág. 29.
Tabla 1.2. Ejemplo de limitaciones de corriente de armónicos según la directriz IEC 61000-34 / EN 61000-3-4 para dispositivos con una corriente de entrada > 16 A por fase (etapa 1,
conexión simplificada).
Armónico
% de H1 (fundamental)
H3
21,6%
H5
10,7%
H7
7,2%
H9
3,8%
H11
3,1%
H13
2,0%
H15
0,7%
H17
1,2%
H19
1,1%
H21
≤ 0,6%
H23
0,9%
H25
0,8%
H27
≤ 0,6%
H29
0,7%
H31
0,7%
≥ H33
≤ 0,6%
Órdenes pares
≤ 0,6% o ≤ 8/n (orden par n)
Tipos de filtros de armónicos
Los filtros de armónicos eliminan algunos órdenes o todos ellos, en función de la
tecnología que empleen. Están disponibles los siguientes tipos:
Filtros LC pasivos
• No compensados
• Compensados
• No compensados con contactor
Rectificador de doble puente
Filtro de desplazamiento de fase
Filtro activo THM (tecnología de 12 impulsos activa).
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Edición de 09/2015
pág. 28
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
Filtrado y conexión en paralelo
Cuando se conectan varias unidades SAI en paralelo, y en función del tipo de filtro
utilizado, se puede instalar:
• Un filtro individual en cada unidad SAI
• Un filtro común para toda la configuración en paralelo
El objetivo consiste en lograr un equilibrio entre coste y eficacia, teniendo en cuenta
los niveles aceptables de distorsión armónica.
Las tablas comparativas para las diversas soluciones (cap. 1, pág. 28) resultan útiles
para llevar a cabo una selección.
Combinación de filtros LC y generador
El generador solamente puede suministrar corrientes capacitivas relativamente
bajas (del 10% al 30% de In). Cuando se instala un filtro LC, la principal dificultad
reside en el arranque gradual del rectificador con la alimentación del generador,
cuando la potencia activa es igual a cero y el generador suministra únicamente la
corriente capacitiva para el filtro. Por consiguiente, el uso de filtros LC se debe
analizar correctamente para garantizar que la operación cumpla con las
especificaciones del fabricante. A continuación se indica un método de selección de
filtros LC, utilizando como ejemplo una curva de desclasificación del generador,
similar a la que proporcionan los fabricantes.
Fig. 1.21. Curva de descenso de un generador, en función del factor de potencia de la
instalación.
La curva de la figura superior, que se indica como un ejemplo posible, muestra la
desclasificación de la potencia en función del punto operativo para un generador
determinado. Para una carga puramente capacitiva (λ = 0), la potencia disponible es
igual a únicamente el 30% de la potencia nominal (punto A). Si suponemos una
potencia aparente nominal tal que Pn del generador = Pn del rectificador, el
significado de los puntos A, B, C, D, E y F es el siguiente:
A: potencia reactiva correspondiente a la corriente capacitiva de un filtro no
compensado
B: potencia reactiva correspondiente a la corriente capacitiva de un filtro
compensado
C: punto operativo inicial con un filtro no compensado con contactor
D: punto operativo en la carga nominal con un filtro no compensado
E: punto operativo en la carga nominal con un filtro compensado
F: punto operativo en la carga nominal sin filtro o con un filtro de desplazamiento de
fase
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pág. 29
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
Ejemplo
Imagine un filtro no compensado con un generador de 300 kVA y un SAI Galaxy PW
de 200 kVA.
La potencia nominal del rectificador, si se toma como valor de eficacia el 87% (1 /
0,87 = 1,15), es 1,15 veces el del inversor, es decir, 200 x 1,15 = 230 kVA.
La corriente capacitiva del filtro no compensado es 230 x 30% (1) = 69 kVA.
La potencia reactiva que puede manejar el generador (punto A) es 300 x 0,3 = 90
kVA.
El filtro es, por tanto, compatible con el generador.
(1) El valor de 30% se ha determinado experimentalmente.
Selección de un filtro
Parámetros de selección de un filtro
Eficacia global: reducción en distorsión (THDI y THDU)
La eficacia depende de los órdenes armónicos filtrados y de hasta qué punto
quedan atenuados o eliminados. Se mide a partir de la distorsión armónica total de
corriente (THDI) en la entrada del rectificador.
El impacto en la THDI determina el nivel de la distorsión armónica total de tensión
(THDU). Es necesario comprobar el rendimiento al porcentaje de carga previsto, ya
que muchos sistemas SAI funcionan en porcentajes de carga de entre el 50 y el
75%.
Mejora del factor de potencia λ
El filtro mejora el factor de potencia (generalmente a un nivel superior a 0,92).
Compatibilidad con un grupo electrógeno de motor
Es también necesario comprobar el rendimiento con las fuentes previstas, ya sea un
transformador o un grupo electrógeno de motor, ya que el generador tiene una
impedancia de salida inferior a la de un transformador, lo que incrementa los efectos
de los armónicos.
Adecuado para configuraciones de SAI en paralelo
En función del tipo de filtro, será posible instalar uno en cada unidad SAI o
configurar un único filtro para la eliminación global de los armónicos.
Eficacia
El consumo de los filtros puede modificar ligeramente la eficacia de la instalación en
su conjunto.
Flexibilidad de configuración y actualizaciones
Los filtros suelen ser específicos de un SAI, y pueden venir montados de fábrica o
montarse después de la instalación. El acondicionador SineWave ofrece eliminación
global de armónicos y una gran flexibilidad en la configuración.
Dimensiones
Se debe comprobar si el filtro se puede instalar en el armario del SAI o si se requiere
un segundo armario.
Coste
Afecta a la eficacia del filtro y se debe evaluar en función de las ventajas obtenidas.
Cumplimiento normativo
Es necesario determinar la conformidad con las normas, en particular IEC 61000-34, en cuanto a los niveles armónicos individuales indicados en los textos.
Tabla comparativa de soluciones
En las tablas siguientes se enumeran los elementos para poderlos comparar, y se
incluye un comentario general sobre el uso de cada tipo de solución.
La Tabla 1.3 presenta soluciones individuales para configuraciones con SAI
unitarios. Estas soluciones se pueden usar también en configuraciones en paralelo.
La Tabla 1.4 presenta soluciones globales para configuraciones completas.
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pág. 30
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
Tabla 1.3. Comparación de soluciones individuales de filtrado de armónicos.
Tipo de filtro LC no compensado
LC compensado
LC con contactor
Doble puente
THM integrado
Fig. 1.22a
Fig. 1.22b
Fig. 1.22c
Fig. 1.22d
Fig. 1.22e
7 a 8%
10%
H5, H7
7 a 8%
10%
H5, H7
7 a 8%
10%
H5, H7
10%
15%
H5, H7, H17, H19
4%
5%
H2 a H25
0,95
1
0,95
1
0,95
1
0,85
0,8
0,94
0,94
*
**
**
**
***
***
*
***
*
***
*
*
*
**
***
***
***
***
***
***
***
*
*
**
***
*
*
*
*
**
Fig. 1.22f
Fig. 1.22g
Fig. 1.22h
Fig. 1.22i
Fig. 1.22j
No
No
No
No
Sí
Solución adecuada
para instalaciones sin
grupo electrógeno de
motor.
Solución adecuada
para instalaciones
con grupo
electrógeno de motor.
La carga inductiva
añadida reduce la
potencia capacitiva
que debe suministrar
el grupo electrógeno
de motor.
Solución adecuada
para instalaciones
con grupo
electrógeno de motor
con potencia nominal
inferior a la del SAI.
La línea LC es
conmutada por el
contactor a un valor
preestablecido
correspondiente a un
porcentaje de carga
del inversor aceptable
para el grupo
electrógeno de motor.
Criterio
Diagrama
Reducción de distorsión
THDI al 100% de carga
THDI al 50% de carga
Armónicos eliminados
Factor de potencia
λ al 100% de carga
λ al 50% de carga
Compatibilidad con
generador
Eficacia del filtro
Flexibilidad, posibilidad de
actualización
Coste
Dimensiones
Conexión en paralelo con
SAI
Conformidad con directriz
IEC 61000-3-4
Comentario general
*** Excelente
Schneider Electric
** Buena
Solución adecuada
para instalaciones
con grupos
electrógenos.
Solución adecuada
para instalaciones
sensibles o con
niveles de carga
variables. La solución
más eficaz y flexible.
No depende del
porcentaje de carga ni
del tipo de fuente
aguas arriba.
* Suficiente
Edición de 09/2015
pág. 31
Control de armónicos aguas arriba(cont.)
Tabla 1.4 comparativa de soluciones globales.
Tipo de filtro
SineWave
Criterio
Diagrama
Filtro de desplazamiento de fase
AC input
SW
UPS
UPS
UPS
Load
Reducción de distorsión
THDI al 100% de carga
THDI al 50% de carga
Armónicos eliminados
Fig. 1.23a
Fig. 1.23b
Fig. 1.23c
Fig. 1.23d
4%
5%
< 10%
35% con 1 SAI
apagado
< 5%
19% con 1 SAI
apagado
< 4%
12% con 1 SAI
apagado
H2 a H25
Factor de potencia
λ al 100% de carga
λ al 50% de carga
Compatibilidad con
generador
Eficacia del filtro
Flexibilidad, posibilidad de
actualización
Coste
Dimensiones
Conformidad con directriz
IEC 61000-3-4
Comentario general
*** Excelente
Schneider Electric
** Buena
0,95
1
0,8
0,8
***
**
***
***
**
*
***
***
***
*
Sí
Sí
Solución adecuada para instalaciones
sensibles o con niveles de carga variables.
La solución más eficaz y flexible. No
depende del porcentaje de carga ni del tipo
de fuente aguas arriba.
La solución no se puede modificar. Adecuada para instalaciones
con más de dos unidades SAI conectadas en paralelo.
* Suficiente
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pág. 32
Disposiciones de conexión a tierra del
sistema(cont.)
Información básica
sobre disposiciones de
conexión a tierra del
sistema
Protección de personas contra contacto eléctrico
Las normas internacionales exigen que las instalaciones eléctricas implementen dos
tipos de protección para las personas contra los peligros de la corriente eléctrica.
Protección contra contactos directos
La finalidad de esta forma de protección es evitar el contacto "directo" entre
personas y partes intencionadamente con tensión (ver Fig. 1.24).
Incluye las siguientes cuestiones:
• Aislamiento de partes con tensión mediante barreras o cerramientos que
ofrezcan un grado de protección igual, como mínimo, a IP2X o IPXXB.
• La apertura del cerramiento (puertas, bastidores, etc.) solo debe ser posible
mediante el uso de una llave o herramienta, o después de la desconexión de las
partes con tensión o de la colocación automática de una pantalla.
• Conexión del cerramiento metálico a un conductor de protección.
Protección contra contactos indirectos y disposiciones de conexión a
tierra del sistema
La finalidad de esta forma de protección es evitar el contacto "indirecto" entre
personas y partes conductoras expuestas que tienen tensión de forma
accidental debido a un fallo de aislamiento. El fallo crea en las partes conductoras
expuestas un potencial que puede bastar para hacer que una corriente peligrosa
fluya a través del cuerpo de una persona en contacto con las partes conductoras
expuestas (ver Fig. 1.24).
Esta protección incluye las siguientes cuestiones:
• Conexión a tierra obligatoria de todas las partes conductoras expuestas a las
que pueda acceder el usuario.
El conductor de protección se utiliza para la conexión a tierra. No debe
interrumpirse en ninguna circunstancia (no debe haber dispositivos disyuntores en el
conductor de protección).
Las técnicas de interconexión y conexión a tierra de las partes conductoras
expuestas determinan disposiciones de conexión a tierra del sistema para la
instalación.
• Desconexión del suministro cuando el potencial de las partes conductoras
expuestas corre el riesgo de alcanzar niveles peligrosos. La interrupción se lleva a
cabo mediante un dispositivo de protección que depende de la disposición de
conexión a tierra del sistema seleccionada. Con frecuencia precisa de dispositivos
de corriente residual, porque las corrientes debidas a fallos de aislamiento suelen
ser demasiado bajas para que las detecten los dispositivos de protección por
sobrecorriente estándar.
Fig. 1.24. Contactos directos e indirectos.
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 33
Disposiciones de conexión a tierra del
sistema(cont.)
Tipos de disposiciones de conexión a tierra del sistema
Hay tres tipos de disposiciones de conexión a tierra del sistema.
• Neutro aislado (IT).
• Neutro conectado a tierra (TT).
• Partes conductoras expuestas conectadas a neutro (TN con TN-C y TN-S).
Las dos primeras letras indican cómo se conectan el neutro y las partes conductoras
expuestas de las cargas.
Primera letra
Conexión del neutro
T = conectado a tierra neutro
Segunda letra
Conexión de las partes
conductoras expuestas
T = partes conductoras
Tercera letra (para TN)
Tipo de conductor de
protección
C = Común neutro y
expuestas conectadas a tierra
conductor de protección
(PEN)
N = partes conductoras
expuestas conectadas a neutro S = Neutro separado (N) y
conductor de protección (PE)
Sistemas IT, TT o TN
TN-C o TN-S
I = neutro aislado
Disposiciones de conexión a tierra del sistema
Neutro aislado (IT)
● El neutro fuente está:
- Bien aislado de tierra (neutro aislado)
- O bien conectado a tierra a través de una
alta impedancia res (impedante neutro)
● Las partes conductoras expuestas,
protegidas todas ellas por el mismo dispositivo
disyuntor, están conectadas a tierra
(resistencia de electrodo de tierra RA).
L1
L2
L3
N
PE
Zres
Id
RA
Ud
Por ejemplo: fallo fase-parte conductora
expuesta en una carga.
Uo es la tensión de fase a neutro en el
sistema de distribución (230 V).
● Corriente del primer fallo
RA= 10 Ω y Zres= 3.500 Ω (aproximadamente),
Id = Uo / (RA + Zres) = 66 mA
● Tensión del primer fallo
Ud = Uo x RA / (RA + Zres) = 0,66 V
Este potencial no es peligroso.
El fallo debe detectarlo un dispositivo de
supervisión de aislamiento (IMD), localizado
por un dispositivo de localización de fallos y
repararlo.
● Corriente del segundo fallo
Un segundo fallo que tiene lugar después de
reparar el primero tiene como consecuencia
un cortocircuito de fase a fase o de fase a
neutro. Los dispositivos de protección contra
sobrecorriente deben solucionarlo dentro de
los límites temporales marcados por las
normas.
Fig. 1.25.Sistema IT
Neutro conectado a tierra (TT)
Por ejemplo: fallo fase-parte conductora
expuesta en una carga.
protegidas todas ellas por el mismo dispositivo Uo es la tensión de fase a neutro en el
sistema de distribución (230 V).
disyuntor, están conectadas a tierra
(resistencia de electrodo de tierra RA).
● Corriente de fallo
Por ejemplo: RA = 10 Ω y RB = 5 Ω
Id = Uo / (RA + RB) = 15,3 A
L1
● El neutro fuente está conectado a tierra.
● Las partes conductoras expuestas,
L2
L3
N
PE
RB
Id
RA
Ud
● Tensión de fallo
Ud = Uo x RA / (RA + RB) = 153 V
Este potencial es peligroso (> 50 V).
Los dispositivos de protección deben
solucionar el fallo dentro de los límites
temporales marcados por las normas.
La corriente de fallo es baja y debe, por tanto,
ser detectada por un dispositivo de
protección de corriente residual (RCD) que
active el dispositivo de protección
inmediatamente aguas arriba. La corriente de
funcionamiento del RCD y el tiempo requerido
para resolver el fallo están establecidos en las
normas.
Fig. 1.26. Sistema TT.
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 34
Disposiciones de conexión a tierra del
sistema(cont.)
Partes conductoras expuestas conectadas a neutro (TN)
● Impedancia del bucle del fallo
● El neutro fuente está conectado a tierra
Zb = ZABCDEF (parte del circuito ABCDEF)
Zb ≈ ZBCDE ≈ 2 ZDE porque ZBC = ZDE (BC y DE
instalación están conectadas al neutro y, por son idénticas, la impedancia del fallo es
insignificante)
tanto, a tierra a través del conductor de
protección (PEN). Esta disposición convierte Por ejemplo: una carga alimentada mediante
un cable de cobre de 50 mm² de 50 metros de
todos los fallos de aislamiento en
longitud (fase y PE).
cortocircuitos de fase a neutro.
2
ρ = 22,5 Ω. mm /m
● El potencial del conductor de protección se Zb = 2 ρ L / S, donde
-3
x
50
/
50
=
45
mΩ.
Zb
=
2
x
22,5
10
mantiene próximo al de tierra mediante
● Tensión de fallo
numerosos puntos de conexión.
Una caída de tensión del 20% es permisible
para la tensión de fase a neutro Uo, es decir,
UBE = 0,8 Uo.
Como ZBC = ZDE, el potencial de las partes
L1
expuestas conductoras sube a Ud = UBE / 2 =
L2
0,8.Uo / 2 = 92 V
L3
B
A
Id
E
● Corriente de fallo
PEN
-3
F
Id = 0,8 Uo / Zb = 0,8 x 230 / 45 10 = 4.089 A
La
interrupción
la
llevan
a
cabo
los
D
dispositivos de protección contra
C
sobrecorriente dentro de los límites
temporales marcados por las normas. La
corriente de fallo depende de la impedancia
Ud
del bucle de fallo.
Se debe tener cuidado de asegurarse de
que en todos los puntos del sistema, la
corriente de fallo sea mayor que el umbral
operativo de los dispositivos de
protección.
Fig. 1.27. Sistema TN-S (el principio básico es idéntico para el sistema TN-C).
directamente.
● Las partes expuestas conductoras de la
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pág. 35
Disposiciones de conexión a tierra del
sistema(cont.)
Comparación de las disposiciones de conexión a tierra del
sistema
Tipos de
disposiciones de
conexión a tierra
del sistema
IT (neutro aislado)
Funcionamiento
TT (neutro conectado a
tierra)
● Detección del primer fallo
de aislamiento.
●Localización y eliminación
del primer fallo.
● Desconexión para el
segundo fallo.
Protección de las
● Interconexión y conexión a
personas
tierra de las partes
conductoras expuestas.
●Primer fallo:
- Corriente muy baja
- Supervisión/indicación por
un IMD
●Segundo fallo:
- Corriente potencialmente
peligrosa
- Interrupción por
dispositivos de protección
contra sobrecorriente (por
ejemplo, disyuntor)
Equipos específicos
Dispositivo de supervisión
de aislamiento (IMD) y
dispositivo de localización de
fallos.
Ventajas e
● Esta solución ofrece la
inconvenientes
mejor continuidad de
EMC
servicio (se señala el primer
fallo).
● Requiere personal de
vigilancia competente
(localización del primer
fallo).
● Alto rendimiento de EMC,
corrientes muy bajas en el
cable de tierra.
Uso
● Instalaciones que exigen
continuidad de servicio,
como hospitales,
aeropuertos, procesos
industriales o barcos.
● Instalaciones en las que
exista riesgo de incendio o
explosión, como minas, etc.
ECP = partes conductoras expuestas.
Aplicaciones en
instalaciones de SAI
● Desconexión para el
TN-S (parte conductora
expuesta a neutro)
● Tiene lugar la
primer fallo de aislamiento.
desconexión para el primer
fallo de aislamiento.
● Neutro separado (N) y
conductor de protección
(PE).
● Conexión a tierra de las
● La interconexión y
partes conductoras
conexión a tierra de las
expuestas combinada con el partes conductoras
uso de dispositivos de
expuestas y el neutro es
corriente residual (RCD).
imprescindible.
●Primer fallo:
●Primer fallo:
- La pérdida de corriente es - Corriente de fallo
peligrosa, pero demasiado
- Interrupción por
débil para ser detectada por dispositivos de protección
los dispositivos de
contra sobrecorriente (por
protección contra
ejemplo, disyuntor)
sobrecorriente.
- Detección mediante RCD
combinada con disyuntores.
Dispositivos de corriente
Para largas distancias se
residual (RCD).
deben utilizar RCD.
TN-C (parte conductora
expuesta a neutro)
● Desconexión para el
primer fallo de aislamiento.
● Neutro común y conductor
de protección (PEN).
● La interconexión y
conexión a tierra de las
partes conductoras
expuestas y el neutro es
imprescindible.
●Primer fallo:
- Corriente de fallo
- Interrupción por
dispositivos de protección
contra sobrecorriente (por
ejemplo, disyuntor)
● La solución más fácil de
● Costes de instalación altos ● Costes de instalación
diseñar e instalar.
● Uso obligatorio de RCD.
● Electrodos de tierra
diferentes (fuentes
distantes).
● Muy sensible a rayos.
para potencias nominales
altas.
● Difícil de diseñar (cálculo
de las impedancias de
bucle).
● Corrientes de fallo altas.
● Alto rendimiento de EMC,
corriente muy baja en PE
durante funcionamiento
normal.
● Grandes instalaciones
comerciales, edificios altos,
etc.
● Industrias sin procesos
continuos (sistema IT).
● Alimentación de sistemas
informáticos.
● Instalaciones comerciales
y residenciales, iluminado
público, escuelas, etc.
reducidos (un conductor
menos).
● Difícil de diseñar (cálculo
de las impedancias de
bucle).
● Corrientes de fallo altas.
● Bajo rendimiento de EMC,
corrientes altas en el
conductor de protección
(conexiones entre ECP).
● Grandes instalaciones
comerciales, edificios altos,
etc.
● Industrias sin procesos
continuos (sistema IT).
● Alimentación de sistemas
informáticos.
Aspectos específicos en sistemas con SAI
La implementación de los sistemas de protección indicados en instalaciones que
incluyen un SAI exige ciertas precauciones por diversas razones:
• El SAI tiene dos funciones:
- Una carga para el sistema aguas arriba
- Una fuente de alimentación para el sistema aguas abajo
• Cuando la batería no está instalada en un armario, un fallo de aislamiento del
sistema de CC puede provocar el flujo de un componente de CC residual. Este
componente puede afectar al funcionamiento de determinados dispositivos de
protección, en concreto los RCD que se utilizan para la protección de personas.
Protección contra contacto directo
Todas las instalaciones de SAI de Schneider Electric cumplen los requisitos
aplicables, porque los equipos se instalan en armarios que ofrecen un grado de
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 36
Disposiciones de conexión a tierra del
sistema(cont.)
protección IP 20. Esto es así incluso para la batería cuando está alojada dentro de
un armario.
Cuando la batería no está instalada en un armario (generalmente eso significa que
está en una sala especial), se deben implementar las medidas presentadas al final
de este capítulo.
Protección contra contacto indirecto
Selección de una disposición de conexión a tierra del sistema
Una medida de protección básica exigida por las normas es crear una disposición
estándar de conexión a tierra del sistema tanto aguas arriba del SAI como aguas
abajo. Ambos sistemas pueden ser el mismo o distintos si se tienen en cuenta
ciertas precauciones.
En una instalación existente a la que se añade el SAI, el sistema aguas arriba ya
está determinado. La selección del sistema aguas abajo, ya sea el mismo o uno
distinto, depende de su compatibilidad con cargas sensibles.
La tabla de la página anterior incorpora los elementos necesarios para compara las
diversas disposiciones estándar de conexión a tierra del sistema.
) Hay que tener en cuenta que algunas regulaciones locales pueden prohibir
determinadas disposiciones de conexión a tierra del sistema.
Selección de los disyuntores
Más allá de la interconexión y la conexión a tierra de las partes conductoras
expuestas, a fin de cumplir con una disposición estándar de conexión a tierra del
sistema, la protección de las personas debe garantizarse mediante disyuntores
seleccionados de acuerdo con la disposición de conexión a tierra del sistema. Estos
dispositivos deben desconectar los dispositivos de protección por sobrecorriente en
caso de fallo de aislamiento.
La desconexión puede:
• Ser directamente provocada por una configuración adecuada de los dispositivos
de sobreprotección (disyuntores, fusibles).
• Requerir (obligatorio en el caso del sistema IT) el uso de dispositivos de corriente
residual (RCD) que pueden o no estar incorporados en el disyuntor.
Los RCD son necesarios para detectar las corrientes generadas por el fallo del
aislamiento, que con frecuencia son demasiado débiles para disparar los
dispositivos de protección contra sobrecorriente convencionales.
) Compruebe los requisitos locales relativos a la seguridad de las instalaciones
eléctricas.
Tipos de sistemas para SAI
Los sistemas posibles dependen de:
• El sistema existente o seleccionado situado aguas arriba del SAI.
• El sistema situado aguas abajo del SAI para el cual la selección puede
determinarse mediante:
- La reutilización del mismo sistema que aguas arriba
- La presencia de transformadores de aislamiento aguas arriba o aguas abajo, que
permiten cambiar la disposición de conexión a tierra del sistema
- Las cargas (por ejemplo, los sistemas informáticos requieren un sistema TN-C o
TN-S)
- La organización del sistema de distribución aguas abajo, con interruptores de
transferencia estática (STS)
• Ciertos requisitos impuestos por las normas; por ejemplo, que el conductor de
protección PE o PEN no debe interrumpirse nunca para garantizar el flujo de la
corriente de fallo. Un sistema TN-C (PEN no interrumpido) se puede instalar aguas
arriba de un sistema TN-S (conductores N y PE separados), pero no a la inversa.
Consultar WP
98 Î
Schneider Electric
Cada vez más, el diseño de los SAI no incluye transformadores, lo que ofrece
ventajas en cuanto a peso, tamaño y eficacia. La tecnología sin transformador
permite asimismo modular la tensión para una mejor adaptación a cargas de todo
tipo, en especial cargas no lineales con armónicos.
La tecnología sin transformador afecta al uso de disposiciones de conexión a tierra
del sistema. Para obtener más información, consulte el Documento Técnico WP 98:
"The Elimination of Isolation Transformers in Data Center Power Systems" ("La
Edición de 09/2015
pág. 37
Disposiciones de conexión a tierra del
sistema(cont.)
eliminación de los transformadores de aislamiento en sistemas de alimentación de
centros de datos").
Pueden presentarse muchos casos distintos en función de las disposiciones de
conexión a tierra aguas arriba y aguas abajo, y del tipo de SAI. Su representante de
Schneider Electric dispone de un completo conjunto de diagramas para todas las
disposiciones de conexión a tierra y gamas de SAI.
Las gamas Galaxy PW y Galaxy 9000 se han diseñado con transformadores de
aislamiento. El resto de gamas utilizan tecnología sin transformadores, con una
recreación electrónica del neutro.
En las páginas siguientes se muestran algunos ejemplos para los SAI Galaxy PW y
Galaxy 5000, 7000 y 9000. Para otros casos, póngase en contacto con su
representante de Schneider Electric para obtener el diagrama pertinente.
Transformador de salida
(Galaxy PW y 9000)
Sin transformador de salida
(Galaxy 5000 y 7000))
Entradas de CA normal y de derivación independientes
Entradas de CA normal y de
derivación comunes
Fig. 1.28. Diagramas estándar.
Sistemas idénticos en aguas arriba y aguas abajo
Mismo sistema aguas arriba y aguas abajo
IT o TT o TN-S.
Neutro distribuido en las dos líneas.
Mismo sistema aguas arriba y aguas abajo
IT o TT o TN-S.
Neutro distribuido solo en el conducto de derivación.
Mismo sistema aguas arriba y aguas abajo
TN-C
Mismo sistema aguas arriba y aguas abajo
IT o TT o TN-S.
Neutro distribuido.
Galaxy PW y 9000
Galaxy 5000 y 7000
Fig. 1.29. Algunos ejemplos con el mismo sistema aguas arriba y aguas abajo.
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 38
Disposiciones de conexión a tierra del
sistema(cont.)
Sistemas distintos aguas arriba y aguas abajo
Cambio en conexión a tierra de sistemas
a IT o TT o TN-S aguas abajo.
Neutro distribuido en las dos líneas.
Cambio en conexión a tierra de sistemas
a IT o TT o TN-S aguas abajo.
Neutro distribuido en las dos líneas.
Cambio en conexión a tierra de sistemas
a TN-C aguas abajo.
Cambio en conexión a tierra de sistemas
a TN-C aguas abajo.
Galaxy PW y 9000
Galaxy 5000 y 7000
Fig. 1.30. Algunos ejemplos con sistemas distintos aguas arriba y aguas abajo.
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 39
Protección
Protección mediante
disyuntores
El sistema de protección para instalaciones con unidades SAI que se presenta aquí
implementará disyuntores. A continuación se indican las características principales
de los disyuntores y sus unidades de disparo. Las referencias mencionadas
corresponden a disyuntores de Schneider Electric. Otras características, como el
límite de tensión térmica y de corriente, son algunos de los puntos fuertes de la
gama de disyuntores Compact NSX, pero no se comentarán aquí.
Î Para más información, consulte el catálogo de Schneider Electric para
distribución de baja y media tensión, y la "Guía de instalación eléctrica".
Unidades de disparo
Tecnología
Hay dos tipos de unidades de disparo:
• Magnetotérmicas
• Electrónicas
Construcción
• Incorporadas (solo magnetotérmicas)
• Intercambiables
Comparación
Las unidades de disparo magnetotérmicas son simples y asequibles.
Las unidades de disparo electrónicas ofrecen posibilidades de configuración más
precisas y exhaustivas para una mejor adaptación a los requisitos de las
instalaciones.
En la siguiente tabla se resumen las características de ambos tipos de unidades de
disparo para disyuntores de 1 a 630 A, y debe bastar para resolver los problemas
más habituales (de 1 a 400 kVA).
En la Figura 1.31 se presentan las curvas características de las unidades de
disparo.
Protección
Símb. Definición
Ir
Protección contra
sobrecarga (térmica
o de largo retardo)
(1)
Largo retardo (2)
tr
Protección contra
cortocircuitos
(magnética o de
corto retardo) (3)
Im
o
Isd
Corto retardo (4)
tm
o
tsd
Protección contra
cortocircuitos,
disparo instantáneo
(5)
Ii
Disponibilidad
Configuración de corriente de
sobrecarga.
Todas las unidades de
disparo.
Aplica un retardo de disparo largo
(por ejemplo, para arrancar un
motor).
Unidades de disparo
electrónicas (por
ejemplo, Micrologic 2, 5,
6).
Todas las unidades de
disparo.
Configuración de corriente de
cortocircuito En unidades de
disparo electrónicas, Isd es una
función de Ir (generalmente de 2 a
10 Ir).
Aplica un breve retardo de disparo
(por ejemplo, para discriminación
temporal con disyuntor aguas
abajo).
Configuración de cortocircuito
instantánea
Depende exclusivamente de la
unidad de disparo (por ejemplo,
protección de interruptores
estáticos).
Unidades de disparo
electrónicas (por
ejemplo, Micrologic 5,
6).
Unidades de disparo
electrónicas (por
ejemplo, Micrologic 5,
6).
(1) Ir es el umbral de protección térmica (que a veces se indica como Ith) de las unidades de
disparo magnetotérmicas, o el umbral de protección de retardo largo de las unidades de
disparo electrónicas. Estos umbrales se definen mediante una curva temporal inversa que
depende de la configuración seleccionada.
(2) tr es el retardo temporal en el caso de la protección térmica de retardo largo, para un valor
concreto de Ir.
(3) Im es el umbral magnético de las unidades de disparo magnetotérmicas , e Isd es el umbral
de retardo corto de las unidades de disparo electrónicas.
(4) tm es el retardo temporal (fijo o ajustable) de la protección magnética de las unidades de
disparo magnetotérmicas; tsd es el retardo temporal (generalmente ajustable) de la protección
de retardo corto de las unidades de disparo electrónicas.
(5) Es el umbral de disparo instantáneo.
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Edición de 09/2015
pág. 40
Protección (cont.)
Fig. 1.31. Curvas tiempo/corriente de los disyuntores (Icu es la capacidad de
desconexión final).
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 41
Protección (cont.)
Discriminación, cascada, limitación de corriente
Discriminación
La discriminación es el resultado de la selección correcta de disyuntor, y de una
configuración tal que, en caso de fallo, se dispare únicamente el primer disyuntor
aguas arriba.
Así, la discriminación limita la parte de la instalación afectada por el fallo
estrictamente al mínimo. Hay diversos tipos de discriminación, que se resumen en la
tabla siguiente y se ilustran en la página anterior.
Limitación de corriente
Cuando una corriente alta provocada por un fallo llega al disyuntor, los contactos de
este se separan debido a las fuerzas electrodinámicas, se crea un arco y su
resistencia limita la energía del cortocircuito.
Cascada
Cuando hay un cortocircuito aguas abajo de la instalación (ver Fig. 1.32), la corriente
de fallo fluye también a través del disyuntor aguas arriba que limita la corriente,
atenuando así la corriente aplicada al disyuntor aguas abajo. Esto refuerza, pues, la
capacidad de desconexión de este último.
Discriminación
Discriminación de
corriente
Afecta a
Todos los tipos
de unidades de
disparo
Discriminación
temporal
Solo unidades
de disparo
electrónicas
(por ejemplo,
Micrologic)
Compact NSX y La presión de arco aguas arriba no basta
NS
para disparar el disyuntor aguas arriba, pero
sí para disparar el disyuntor aguas abajo.
Compact
Retrasa el disparo aguas arriba si el
NSX 100 a
cortocircuito se detecta también aguas
Masterpact con abajo.
unidades de
Un cable piloto conecta las unidades de
disparo
disparo aguas arriba y aguas abajo.
Micrologic
Discriminación de
energía
Interbloqueo
selectivo de zona
Principio
La corriente de fallo es inferior al valor del
umbral aguas arriba.
Ir aguas arriba > Ir aguas abajo e Im o Isd
aguas arriba > Im o Isd aguas abajo
Retrasa el disparo en sentido aguas arriba
según la duración del retardo largo (Ir) y
corto (Im o Isd).
Fig. 1.32. Discriminación y cascada aguas arriba/aguas abajo.
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Edición de 09/2015
pág. 42
Protección (cont.)
Selección de
disyuntores
Valor nominal
El valor nominal seleccionado (corriente nominal) para el disyuntor debe ser el
inmediatamente superior a la corriente nominal del cable aguas abajo protegido.
Capacidad de desconexión
La capacidad de desconexión que se debe seleccionar debe estar justo por encima
de la corriente de cortocircuito que puede aparecer en el punto de instalación.
Umbrales de Ir e Im
En la tabla siguiente se indica la forma de determinar los umbrales de Ir e Im para
garantizar la discriminación, en función de las unidades de disparo aguas arriba y
aguas abajo.
Nota:
La discriminación temporal la debe implementar personal cualificado, ya que los
2
retardos temporales antes del disparo incrementan la tensión térmica (I t) aguas
abajo (cables, semiconductores, etc.) Es necesario tomar precauciones si se retarda
el disparo de CB2 mediante el retardo temporal del umbral de Im.
La discriminación de energía no depende de la unidad de disparo, sino únicamente
del disyuntor.
Umbrales de Ir e Im en función de las unidades de disparo aguas arriba y aguas abajo
Tipo de circuito
aguas abajo
Unidad de disparo
aguas abajo
Distribución
Motor asíncrono
Relación Ir
aguas arriba / Ir
aguas abajo
Todos los tipos
Relación Im aguas
arriba/ Im aguas
abajo
Magnética
Relación Im aguas
arriba/ Im aguas
abajo
Electrónica
> 1,6
>3
>2
>2
> 1,5
> 1,5
Caso especial de cortocircuitos en generador
En la Figura 1.33 se muestra la reacción de un generador a un cortocircuito.
Para evitar dudas acerca del tipo de excitación, dispararemos en el primer pico (de 3
a 5 In según X"d) utilizando el valor de protección Im sin retardo temporal.
Fig. 1.33. Generador durante un cortocircuito.
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 43
Protección (cont.)
Ejemplo
Imaginemos el ejemplo utilizado para determinar la potencia nominal del SAI (cap. 1
pág. 21) con varias cargas trifásicas de 400 V conectadas en paralelo, a saber:
• Sistema informático- S1 = 4 x 10 kVA, λ = 0,6, corriente de energización de 8 In a
lo largo de cuatro periodos (80 ms)
• Unidad de velocidad variable: S2 = 20 kVA, λ = 0,7, corriente de energización de 4
In a lo largo de cinco periodos
(100 ms)
• Transformador de aislamiento: S3 = 20 kVA, λ = = 0,8, corriente de energización
de 10 In a lo largo de seis periodos (120 ms)
Las tres cargas representan 54 kW con un factor de potencia de 0,68.
En el capítulo 1, pág. 21, se seleccionó un SAI Galaxy PW, con una potencia
3
) = 144 A.
nominal de 100 kVA, I = 100 / (400 x
Transformador de 630
kVA
Generador de 400 kVA
Determinar CB1 y CB2
Potencia aparente nominal
de salida
100 kVA
In = 144 A
Factor de potencia en la
salida del SAI para todas
las cargas
λ = 0,68
Determinar el CB3 más
potente para
discriminación
Potencia total consumida
por las cargas
P (kW) = 54 kW
40 kVA
λ = 0,6
20 kVA
λ = 0,7
20 kVA
cos ϕ = 0,8
Potencia activa máxima de
salida (que el SAI puede
suministrar a las cargas)
λ Sn (kVA) = 68 kW
Fig. 1.34. Ejemplo de instalación.
El objetivo es seleccionar los disyuntores CB1 y CB2, y el disyuntor más potente
CB3 compatible con los requisitos de discriminación, sabiendo que la instalación
aguas arriba incluye lo siguiente:
• Transformador de 20 kV / 400 V con una potencia nominal de 630 kVA
• Grupo electrógeno de motor de 400 V con una potencia nominal de 400 kVA
• Conexión de transformador con cuadro principal de baja tensión, cinco metros de
2
cable de aluminio de 4 x 240 mm por fase
• Conexión de barras colectoras con disyuntor, cuatro metros con tres barra de
cobre de 400 mm² por fase
Cálculo de valores nominales y capacidades de
desconexión de CB1 y CB2
La capacidad de desconexión depende de las corrientes aguas abajo de
cortocircuito de CB1 y CB2 en el nivel del cuadro principal de conexión de baja
tensión (MLVS). Con frecuencia, este valor de cortocircuito aguas arriba lo
proporciona la propia red eléctrica. También se puede calcular. Es necesario
determinar la suma R de las resistencias aguas arriba y la suma X de las
reactancias aguas arriba del punto considerado.
La corriente de cortocircuito trifásico se calcula como:
U
3 R2 + X 2
Isc trifásica =
U es la tensión de fase a fase sin carga (tensión de carga + 3 a 5%).
R = Σ Raguas arriba y X = Σ Xaguas arriba
En este ejemplo nos limitamos a indicar el método general con diversas
simplificaciones para abreviar los cálculos.
Î Para una información más detallada, consulte el Cahier Technique documento nº
158, "Calculation of short-circuit currents" ("Cálculo de corrientes de cortocircuito")
de Schneider Electric.
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 44
Protección (cont.)
Sistema aguas arriba
Ra, Xa
Fuentes
Rtr, Xtr
Cable de conexión de salida de
fuente a MLVS
Rc, Xc
Disyuntor general
Rd, Xd
Barras colectoras del MLVS
Rb, Xb
Fig. 1.35. Cálculo de corriente de cortocircuito para CB1 y CB2.
Es necesario calcular las resistencias y reactancias aguas arriba de CB1 y CB2 en
la Figura 1.34.
Sistema de distribución aguas arriba del transformador
• Psc = potencia de cortocircuito aguas arriba = 500 MVA = 500 x 106 VA
• U20 = tensión de fase a fase sin carga en el bobinado secundario del
transformador = 400 V, + 3%, esto es, 410 V
• Rup = resistencia aguas arriba ≈ 15% Xup, insignificante respecto a Xup
• Xup = reactancia aguas arriba con respecto al bobinado secundario del
transformador
2
410
U20 2
6
Xup = Psc = 500 x 10 = 0,288 mΩ
Rup ≈ 0 y Xup = 0,33 mΩ.
Transformador
•
•
•
•
Sn = potencia aparente nominal 630 kVA
3
3
= 630 103 / (400 x
) = 909 A
In = corriente nominal = 630 / U
Usc = tensión de cortocircuito del transformador = 4%
Pcu = Pérdidas en el cobre del transformador en VA
Pcu
Rtr = resistencia del transformador =
Ztr
3 In2
≈ 20% Xtr, insignificante con respecto a
U20 2
x Usc
Xtr ≈ Ztr = impedancia del transformador = Sn
= 4102 x 0,04 / 630 103 = 10,7
mΩ
Rtr ≈ 0 y Xtr = 10,7 mΩ.
Cables de conexión del transformador al MLVS
• Longitud: 5 metros
• Sección transversal: 240 mm²
• ρ = resistividad a la temperatura normal de los conductores
2
2
cobre: ρ = 22,5 mΩ.mm /m, aluminio: ρ = 36 mΩ.mm /m
• Xc = reactancia del conductor (generalmente 0,08 mΩ/m) = 0,08 x 5 = 0,4 mΩ
L
Rc = resistencia del cable (cobre) = ρ S = 22,5 x 5 / (4 x 240) = 0,12 mΩ
Rc = 0,12 mΩ
y
Xc = 0,4 mΩ.
Disyuntor general
Valores típicos
Rd ≈ 0 y Xd = 0,15 mΩ.
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 45
Protección (cont.)
Barras colectoras
• Xb = reactancia de la barra colectora (generalmente 0,15 mΩ/m) = 0,15 x 4 = 0,6
mΩ
• Rb = resistencia de la barra colectora (cobre) = ρ = 22,5 x 4 / (3 x 400) = 0,075
mΩ (insignificante)
Rb ≈ 0
y
Xb = 0,6 mΩ.
Isc del transformador en el nivel de CB1 y CB2
• R = Resistencia total aguas arriba = 0,12 mΩ
• X = Reactancia total aguas arriba = 0,33 + 10,7 + 0,4 + 0,15 + 0,6 =12,18 mΩ
R es insignificante con respecto a X.
U
U
410
2
2
−3
3 R +X
≈ 3 X = 3 x 12.18 x 10
= 19,4 kA
Isc trifásica =
Nota: Una estimación aproximada la ofrece la corriente de cortocircuito en los
terminales del transformador, suponiendo que la potencia de cortocircuito aguas
arriba sea infinita.
ISCT = en terminales del transformador = In / Usc = 20 In = 20 x 909 = 18,2 kA
Isc del generador en el nivel de CB1 y CB2
• Potencia aparente nominal del generador = 400 kVA
3
3
• Corriente nominal del generador = 400 / U
= 400 103 / (400 x
) = 577 A
• X"d = tensión de cortocircuito del generador = 10%
Se decide efectuar el disparo a 5 In (ver Fig. 1.33).
ISCG = en los terminales del generador = 5 In = 5 x 577 = 2,9 kA
Corriente continua de CB1
Es la corriente en la entrada del SAI. Se debe multiplicar el valor nominal del SAI por
1,2 para tener en cuenta la eficacia, esto es, 120 kVA.
Ientrada = 120 / U
3
= 120 103 / (400 x
3
) = 173 A
Corriente continua de CB2
Es la corriente continua de las cargas alimentadas a través de la derivación, es
decir, 54 kW con un factor de potencia de 0,68 para una potencia aparente S = 54 /
0,68 = 67,5 kVA.
Icarga = 67,5 / U
3
= 120 103 / (400 x
3
) = 97 A
Corriente de alimentación de la mayor de las cargas
Las cargas se deben alimentar en instantes distintos. La corriente de energización
más elevada es la del transformador de 20 kVA, esto es, In = 28,8 A y 10 In = 288 A
- 120 ms.
Cálculo de la corriente máxima de interruptor estático
Es la corriente de cortocircuito en el nivel de CB3, que es prácticamente la de CB2.
Parámetros de selección
En la tabla siguiente se resumen los diversos valores calculados.
Parámetro
Valor
Corriente de cortocircuito de transformador
19,4 kA
Corriente de cortocircuito de generador
2,9 kA
Corriente de rectificador (entrada de SAI)
173 A
Corriente de carga continua aguas abajo del SAI
97 A
Corriente de alimentación de la mayor de las cargas
288 A - 120 ms
Corriente máxima de interruptor estático
19,4 kA
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 46
Protección (cont.)
Características de CB1 y CB2
Característica
Capacidad de desconexión
D1
D2
> 19,4 kA, esto es, 25 kA > 19,4 kA, esto es, 25
kA
Corriente continua
> 173 A, esto es, 200 A > 97 A, esto es, 125 A
Umbral de Ir
> 173 A +20%
> 97 A + 20%
Umbral de Im
> 173 A + 20% y
> 288 A + 20% y
< 2,9 kA - 20%
< 2,9 kA - 20%
Aquí, este 20% representa el intervalo de tolerancia típico de la configuración de los
disyuntores.
Características del disyuntor CB3 con mayor potencia
posible
Fuentes
Disyuntores de circuito entrante
(entrada)
Derivación estática
Impedancia insignificante
Disyuntores de circuito saliente
(salida)
Isc en CB3 ≈ Isc en CB2
Fig. 1.36. Cálculo de la corriente de cortocircuito en CB3.
Funcionamiento con potencia de derivación
• Capacidad de desconexión
La máxima corriente de cortocircuito aguas abajo de CB3 es prácticamente la de
CB2, porque se da por supuesto que los circuitos salientes están cerca del SAI.
En consecuencia, la capacidad de desconexión de CB3 es también de 25 kA.
• El valor nominal lo determina la carga máxima, esto es, los 4 x 10 kVA del sistema
informático con una corriente continua de:
3
3
= 40 103 / (400 x
) = 57 A
Icarga = 40 / U
Se debe seleccionar un dispositivo de 60 A.
• Ajustes
La mayoría de las cargas son del tipo de distribución, esto es, el umbral Ir de CB3
debe ser inferior a 97 A / 1,6, es decir, < 61 A.
El umbral de Im debe ser inferior 1847 / 2, es decir, < 900 A.
Funcionamiento sin potencia de derivación
En este caso, el SAI cortocircuitado limita su corriente a 2,33 In durante un segundo.
Para los SAI Schneider Electric de la gama Galaxy, los resultados experimentales
han determinado que el valor nominal máximo de CB3 debe ser inferior a 0,5 In para
garantizar la discriminación.
Este es el caso para el disyuntor de las cargas informáticas.
60 A < 0,5 x 144= 72 A
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 47
Cables
Selección de dimensiones
de los cables
Aumento de temperatura y caídas de tensión en los cables
La sección transversal del cable depende de:
• El aumento de la temperatura admisible
• La caída de tensión admisible
Para una determinada carga, cada uno de estos parámetros tiene como resultado
una sección transversal mínima admisible. Se debe utilizar la mayor de las dos.
Al encaminar los cables, se debe prestar atención en mantener las distancias
necesarias entre los circuitos de control y de potencia, para evitar perturbaciones
provocadas por corrientes de alta frecuencia.
Aumento de la temperatura
El aumento de temperatura admisible en cables queda limitado por la capacidad de
resistencia del aislamiento de los cables.
El aumento de la temperatura de los cables depende de:
• El tipo de núcleo (Cu o Al)
• El método de instalación
• El número de cables que se tocan
Las normas estipulan, para cada tipo de cable, la corriente máxima admisible.
Caídas de tensión
Valores máximos
Las caídas de tensión máximas admisibles son:
• 3% para circuitos de CA (50 o 60 Hz)
• 1% para circuitos de CC
Tablas de selección
En las tablas siguientes se indica la caída de tensión porcentual para un circuito
compuesto de 100 metros de cable de cobre. Para calcular la caída de tensión en
un circuito de longitud L se debe multiplicar el valor de la tabla por L/100.
Si la caída de tensión supera el 3% en un circuito trifásico o el 1% en un circuito de
CC, se deberá aumentar la sección transversal de los conductores hasta que el
valor entre dentro de las tolerancias.
Caída de tensión para cables de 100 metros
• Sph: sección transversal de los conductores
• In: corriente nominal de los dispositivos de protección del circuito
Circuito trifásico (conductores de cobre)
Sistema trifásico + N equilibrado de 50-60 Hz, 400 V, cos ϕ = 0,8
2
Sph (mm ) 10
16
25
35
50
70
95
120 150
In (A) 10
0,9
16
1,2
20
1,6
1,1
25
2,0
1,3
0,9
32
2,6
1,7
1,1
40
3,3
2,1
1,4
1,0
50
4,1
2,6
1,7
1,3
1,0
63
5,1
3,3
2,2
1,6
1,2
0,9
70
5,7
3,7
2,4
1,7
1,3
1,0
0,8
80
6,5
4,2
2,7
2,1
1,5
1,2
0,9
0,7
100 8,2
5,3
3,4
2,6
2,0
2,0
1,1
0,9
0,8
125
6,6
4,3
3,2
2,4
2,4
1,4
1,1
1,0
160
5,5
4,3
3,2
3,2
1,8
1,5
1,2
200
5,3
3,9
3,9
2,2
1,8
1,6
250
4,9
4,9
2,8
2,3
1,9
320
3,5
2,9
2,5
400
4,4
3,6
3,1
500
4,5
3,9
600
4,9
800
1.000
3
.
Para un circuito trifásico de 230 V, multiplique el resultado por
Para un circuito monofásico de 208/230 V, multiplique el resultado por 2.
Schneider Electric
Edición de 09/2015
185
0,8
1,1
1,3
1,7
2,1
2,7
3,4
4,2
5,3
240
300
0,9
1,2
1,4
1,9
2,3
2,9
3,6
4,4
6,5
0,9
1,2
1,5
1,9
2,4
3,0
3,8
4,7
pág. 48
Cables (cont.)
Circuito de CC (conductores de cobre)
2
Sph (mm ) 25
In (A) 100 5,1
125
160
200
250
320
400
500
600
800
1.000
1.250
35
3,6
4,5
50
2,6
3,2
4,0
70
1,9
2,3
2,9
3,6
95
1,3
1,6
2,2
2,7
3,3
120
1,0
1,3
1,6
2,2
2,7
3,4
150
0,8
1,0
1,2
1,6
2,2
2,7
3,4
185
0,7
0,8
1,1
1,3
1,7
2,1
2,8
3,4
4,3
240
0,5
0,6
0,6
1,0
1,3
1,6
2,1
2,6
3,3
4,2
5,3
300
0,4
0,5
0,7
0,8
1,0
1,3
1,6
2,1
2,7
3,4
4,2
5,3
Caso especial para conductores neutros
En sistemas trifásicos, los armónicos de tercer orden (y sus múltiplos) de cargas
monofásicas se suman al conductor neutro (suma de las corrientes de las tres
fases).
Por ello, se aplica la regla siguiente: sección transversal de neutro = 1,5 x
sección transversal de fase.
Ejemplo de cálculo:
Considérese un circuito trifásico de 70 metros de 400 V, con conductores de cobre y
corriente nominal de 600 A.
La norma IEC 60364 indica una sección transversal mínima en función del método
2
de instalación y de la carga. Supondremos que la sección mínima es de 95 mm .
En primer lugar se debe comprobar que la caída de tensión no supera el 3%.
La tabla para circuitos trifásicos de la página siguiente indica, para una corriente de
2
600 A que pasa por un cable de 300 mm , una caída de tensión del 3% para 100
metros de cable; es decir, para 70 metros:
3 x 70/100 = 2,1%, menos que el límite del 3%.
Se puede efectuar un cálculo idéntico para una corriente de CC de 1.000 A en un
cable de 10 metros con una sección transversal de 240 mm². La caída de tensión
para 100 metros es del 5,3%, es decir, para diez metros:
5,3 x 10/100 = 0,53%, menos que el límite del 1%.
Ejemplo de instalación
Fig. 1.37. Conexión de cables.
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 49
Almacenamiento de energía (cont.)
Tecnologías de
almacenamiento
Almacenamiento de energía en los SAI
Los SAI requieren un sistema de almacenamiento de energía para alimentar el
inversor en caso de fallo de la red eléctrica o en caso de que esta se salga de los
valores de tolerancia.
La energía almacenada debe cumplir las características siguientes:
• Electricidad disponible inmediatamente para solucionar microcortes, caídas de
tensión breves e interrupciones de la red eléctrica.
• Nivel de potencia suficiente para alimentar toda la carga, es decir, potencia
nominal equivalente a la del propio SAI.
• Tiempo de autonomía, generalmente de unos diez minutos, adecuada a las
necesidades de las cargas y a otras fuentes disponibles (por ejemplo, un grupo
electrógeno de motor para tiempos de autonomía prolongados).
Fig. 1.38. Diagrama simplificado de un SAI con almacenamiento de energía de reserva.
Tecnologías disponibles
Las diversas tecnologías actualmente disponibles son las siguientes:
• Baterías:
- De plomo ácido selladas
- De plomo ácido ventiladas
- De níquel-cadmio
• Ultracondensadores
• Volantes de inercia:
- Unidades tradicionales que giran a velocidades bajas (1.500 rpm) combinadas con
grupos electrógenos de motor.
- Unidades de velocidad media (7.000 rpm) o alta (de 30.000 a 100.000 rpm).
Comparación de tecnologías
Consultar WP 65
Î
Schneider Electric
Las baterías son, con diferencia, la solución más habitual hoy en día
debido a su bajo coste, eficacia probada y capacidad de almacenamiento, pero
también tienen numerosos inconvenientes en cuanto a tamaño, mantenimiento e
impacto medioambiental.
Loa ultracondensadores aún no ofrecen los niveles de rendimiento necesarios.
Los volantes de inercia que operan a altas velocidades representan una posible
tecnología en cuanto a su potencia nominal (de 40 a 500 kW), para tiempos de
autonomía breves (entre 12 segundos y 1 minuto).
En la Figura 1.39 se muestran los campos de aplicación para las distintas
tecnologías.
Î Para obtener más información, consulte el Documento Técnico WP 65:
"Comparing Data Center Batteries, Flywheels, and ultracapacitors" ("Comparación
de ultracondensadores, volantes de inercia y baterías de centros de datos").
Edición de 09/2015
pág. 50
Almacenamiento de energía (cont.)
Fig. 1.39. Características en cuanto a potencia nominal y tiempos de autonomía.
En la tabla siguiente se comparan las distintas soluciones en cuanto a su capacidad
para cumplir los requisitos de almacenamiento de energía de los SAI estáticos.
Criterios para la comparación
Tecnología
Baterías de
plomo ácido
selladas
Baterías de
plomo ácido
ventiladas
Baterías de
Ni/Cd
Ultracondensad Volantes de
ores
inercia
Potencia
****
****
****
*
***
Tiempo de autonomía
***
****
*
*
**
Entre 5 minutos y
varias horas
Entre 5 minutos y
varias horas
Entre 5 minutos y
varias docenas de
minutos
Unos pocos
segundos
Varias docenas de
segundos
****
***
**
*
*
Bajo
Bajo a medio
Alto
Coste multiplicado
por 2 o 3
comparado con
baterías, para 10
segundos de
tiempo de
autonomía
Coste multiplicado
por 8 o comparado
con baterías, para
10 segundos de
tiempo de
autonomía
Implementación/instalación/inicio
Requiere una sala especial
Temperatura
Vida útil
Tamaño
Mantenimiento
Frecuencia/tiempo requerido
***
**
*
****
**
No
Sí
Sí
No
Sí
*
**
**
***
*
**
**
**
**
***
**
*
****
****
****
****
***
***
***
*
Bajo
Medio
Alto
Ninguno
Tiempos de
mantenimiento
prolongados
Madurez de la tecnología para SAI
****
****
****
**
***
Precio de compra
**** Excelente *** Buena ** Justa * Deficiente
Volantes de inercia
A petición, Schneider Electric ofrece sistemas de almacenamiento de energía en
volantes de inercia.
Esta solución es adecuada como complemento a las baterías, ya que se puede
utilizar para hacer frente a perturbaciones breves sin recurrir a baterías,
conservando así dicho recurso.
Es posible su uso sin batería, pero el tiempo de autonomía es de solo unos cuantos
segundos. Para determinadas aplicaciones, un tiempo de autonomía así de breve
no es suficiente para poner en marcha un grupo electrógeno de motor.
Selección de batería
Schneider Electric
Tipos de baterías
Las baterías utilizadas con más frecuencia en SAI son:
• De plomo ácido selladas, llamadas también de recombinación de gases
• De plomo ácido ventiladas
• De níquel-cadmio
Actualmente se están estudiando las baterías de polímero de litio para su uso en
SAI. En dos o tres años es posible que ya haya soluciones basadas en esta
tecnología.
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pág. 51
Almacenamiento de energía (cont.)
Î Tipos de baterías, ver cap. 5 pág. 32 "Almacenamiento de energía: tipos de
baterías".
Para el uso con sus gamas de SAI, Schneider Electric recomienda baterías de
plomo ácido selladas.
La selección de una batería depende de los factores siguientes:
• Condiciones y requisitos de funcionamiento (sala especial, armario para baterías,
bastidores, etc.)
• Tiempo de autonomía requerido
• Consideraciones de coste
Tiempo de autonomía
Schneider Electric ofrece:
• Tiempos de autonomía estándar de 5, 10, 15 o 30 minutos.
• Tiempos de autonomía personalizados hasta varias horas.
La selección depende de:
• La duración media de los fallos del sistema de alimentación.
• Las fuentes disponibles que ofrecen tiempos de autonomía prolongados (grupos
electrógenos de motor, etc.).
• El tipo de aplicación.
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Edición de 09/2015
pág. 52
Almacenamiento de energía (cont.)
Son de aplicación las normas siguientes.
• Sistemas informáticos
El tiempo de autonomía de la batería debe bastar para los procedimientos de
guardado de archivos y apagado del sistema necesarios para garantizar un apagado
controlado del sistema informático. En general, el departamento de informática
determina el tiempo de autonomía necesario en función de sus requisitos
específicos.
• Procesos industriales
El cálculo del tiempo de autonomía deberá tener en cuenta el coste económico de
una interrupción en el proceso, así como el tiempo necesario para reiniciarlo.
• Aplicaciones que exigen tiempos de autonomía prolongados
Un grupo electrógeno de motor puede servir de respaldo a una batería en caso de
interrupciones prolongadas, por lo que se evita la necesidad de baterías muy
grandes. En general, el uso de un grupo electrógeno de motor es viable para
tiempos de autonomía por encima de 30 minutos a una hora. Se debe estudiar con
cuidado el caso para optimizar los valores nominales del generador y garantizar un
funcionamiento correcto.
Î Combinación con un grupo electrógeno de motor, ver cap. 5 pág. 35, "Grupo
electrógeno de motor".
Vida útil
Schneider Electric ofrece baterías con vidas útiles de 5 o 10 años, o incluso más.
Î Vida útil de las baterías, ver cap. 5 pág. 33.
Comparación entre los distintos tipos de baterías
Baterías de plomo ácido selladas (recombinación de gases)
Son las baterías más habituales, por los motivos siguientes:
• Sin mantenimiento
• Fáciles de implementar
• Instalación en todo tipo de salas (salas de equipos informáticos, salas técnicas no
especialmente diseñadas para baterías, etc.)
Baterías ventiladas
Este tipo de batería (plomo ácido o Ni/Cd) ofrece algunas ventajas:
• Vida útil prolongada
• Tiempos de autonomía prolongados
• Alta potencia nominal
Las baterías ventiladas se deben instalar en salas especiales que se ajusten a
normativas precisas (ver cap. 1 pág. 51 "Trabajos preliminares") y exigen un
mantenimiento adecuado.
Supervisión de baterías
Los SAI de Schneider Electric incluyen sistemas avanzados de supervisión de
baterías.
Supervisión de la batería en los SAI Galaxy
DigiBatTM
El sistema de supervisión de baterías DigiBatTM es una combinación de hardware y
software que se instala de forma estándar en los SAI de la gama Galaxy de
Schneider Electric y que ofrece las funciones siguientes:
• Entrada automática de parámetros de batería
• Vida útil de batería optimizada
• Protección contra descargas excesivas
• Regulación de la tensión flotante de la batería en función de la temperatura
• Limitación de la corriente en la batería
• Evaluación continua de la potencia disponible, teniendo en cuenta la antigüedad
de la batería, la temperatura y el porcentaje de carga
• Previsión de la vida útil de la batería
• Pruebas periódicas automáticas de la batería, que incluyen una comprobación del
circuito de batería, una prueba de circuito abierto, una prueba de descarga parcial,
etc.
Î DigiBat, ver cap. 5 pág. 34 "Administración de baterías".
Schneider Electric
Edición de 09/2015
pág. 53
Almacenamiento de energía (cont.)
Unidad de sensor de entorno
Los parámetros de funcionamiento de la batería, en especial la temperatura, afectan
a su duración.
El sensor de entorno, fácil de instalar y combinado con una tarjeta de Administración
de red (SNMP/Web), permite supervisar la temperatura/humedad y el estado de dos
contactos a través de SNMP o de la web. Además, en caso necesario, inicia el
apagado del equipo.
Detección y prevención de fallos de batería en los
SAI Galaxy
A pesar de las ventajas de las baterías de plomo ácido selladas, todas las baterías
acaban fallando con el tiempo debido simplemente a la antigüedad. Sin una
supervisión rigurosa, la verdadera integridad y capacidad de una batería permanece
desconocida.
Las técnicas de supervisión de baterías influyen profundamente en la confiabilidad,
y se pueden utilizar para definir la mejor estrategia de sustitución, lo que tiene como
consecuencia un mayor nivel de protección.
Schneider Electric ofrece también sistemas de supervisión continua de baterías
celda a celda, con software y capacidad de comunicación. Estos sistemas puede
implementarlos el usuario o integrarse en la oferta de teleservicios.
Sistema de supervisión de baterías B2000
El sistema B2000 ofrece supervisión continua global de los principales parámetros
de las baterías; esto es, tensión, corriente, temperatura y posibles desviaciones
detectadas durante los ciclos de carga y descarga. Cuando se superan los niveles
de tolerancia, el sistema emite una alarma. También está disponible el registro
automático de las descargas, ya sean planificadas o no, para el análisis de los
datos.
El sistema de supervisión puede ayudar a detectar posibles problemas antes de que
la batería falle, por lo que se mejora la disponibilidad de energía del SAI.
Sistema de supervisión de baterías Cellwatch
Es posible que un mantenimiento general de las baterías no baste para garantizar
su funcionamiento correcto, sobre todo en el caso de aplicaciones de importancia
crítica en las que no hay margen de error.
Es posible que una celda falle de pronto entre pruebas periódicas (generalmente
cada tres meses). Una celda de plomo ácido sellada regulada por válvula puede
fallar unos pocos días después de una prueba periódica. La causa son las
reacciones químicas que tienen lugar en la celda tras los ciclos de carga y descarga.
Estos ciclos tienen lugar aunque el sistema de protección no esté en
funcionamiento. Es más, la corrosión puede afectar a todo el sistema de conexión
de la fila de baterías, tanto dentro como fuera de la celda.
Por tanto, ha sido necesario ir más allá de una simple comprobación de la tensión.
En la investigación efectuada se ha averiguado que la resistencia interna o la
impedancia de la celda es un buen indicador de su estado, ya que pone de
manifiesto tanto su deterioro como posibles problemas físicos.
El sistema de supervisión Cellwatch utiliza este método basado en la impedancia
para supervisar cada una de las celdas. El método ofrece una supervisión fiable de
la vida útil de cada celda.
Sistema de administración de baterías Schneider Electric
para SAI SymmetraTM
El sistema de administración de baterías Schneider Electric, disponible para SAI de
la gama Symmetra de Schneider Electric, garantiza que las baterías queden
óptimamente cargadas y listas para su uso. Este sistema de montaje en bastidor
(1U), accesible mediante un explorador web, combina la supervisión y comprobación
de la batería con el aumento individual de la carga para obtener el máximo
rendimiento de esta. La integración en su sistema de administración de edificio
preferido o el uso de un explorador web ofrece visibilidad del estado de las baterías.
Este sistema permite resolver los problemas de las baterías antes de que afecten a
la disponibilidad.
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pág. 54
Interfaz y comunicación hombre-máquina
Interfaz hombre-máquina
(HMI)
Características generales
La interfaz hombre-máquina del SAI debe ser fácil de usar y multilingüe (adaptable
al idioma del usuario).
Normalmente se compone de un panel esquemático, un panel de estado y uno
control, y una pantalla alfanumérica. Puede que haya un menú de personalización
protegido por contraseña para la entrada de parámetros de instalación y el acceso a
información detallada.
Ejemplo
La HMI suele ofrecer las funciones siguientes.
Botones de encendido y apagado
• Con retardo para evitar accionarlos por error
• Con opción de apagado remoto de emergencia (EPO)
• Independiente del resto de la pantalla
Indicadores LED de estado que identifican con claridad:
• Funcionamiento normal (carga protegida)
• Modo de funcionamiento degradado (funcionamiento inadecuado)
• Situaciones de peligro para la carga (carga no protegida)
• Funcionamiento con alimentación por batería
Alarmas
• Zumbador de alarma y botón de restablecimiento del zumbador
• Advertencia de apagado de la batería
• Alarma general
• Fallo de la batería
Una pantalla que ofrece:
• Acceso a mediciones
- Alimentación de entrada (tensión, corriente, frecuencia)
- Batería (tensión, corrientes de carga y descarga, tiempo de autonomía restante,
temperatura)
- Salida del inversor (tensión de fase a neutro, corriente, frecuencia, potencia activa
y aparente, factor de cresta)
• Acceso a registros históricos
- Registro que contiene eventos con fecha y hora
- Curvas y gráficos de barras de los valores medidos
Comunicación
La alta disponibilidad para aplicaciones críticas exige un
equipo de protección con capacidades de comunicación
El sistema SAI, esencial en los equipos críticos, debe incluir funciones de
comunicación que mantengan a los operadores informados de forma continua,
estén donde estén, de los posibles eventos que pongan en peligro la
seguridad operativa del sistema, de modo que puedan llevar a cabo acciones
inmediatas.
Para garantizar la disponibilidad de la alimentación, las funciones de
comunicación del SAI ofrecen las cuatro características esenciales siguientes:
) Supervisión de todos los SAI instalados a través de software
) Notificación por red y por Internet
) Apagado controlado (local o remoto, automático o manual) de las
aplicaciones protegidas
) Teleservicio a través de módem y línea telefónica con un centro de
asistencia
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pág. 55
Interfaz y comunicación hombre-máquina
(cont.)
Soluciones de Schneider Electric
Tarjetas de comunicación
• Tarjeta de administración de red (Ethernet)
- Supervisión por web
- Notificación por correo electrónico
- SNMP MIB y capturas
- Protección del servidor mediante módulo de apagado de red
- Supervisión con Enterprise Power Manager o ISX Central
- Supervisión del entorno mediante sensor de entorno (T°, H%, entradas)
• Tarjeta Modbus - Jbus (RS232 y RS485)
- Supervisión
• Tarjeta de teleservicio (módem)
- Alertas
- Supervisión
- Diagnóstico
- Informes
• Tarjeta de relés (contactos)
- Indicaciones
Software de administración
• Enterprise Power Manager e ISX Central (software y servidor)
Soluciones de software para administrar todos los SAI instalados a través de
redes IP, compatibles con web y accesibles desde cualquier explorador web.
• Kits de integración NMS (sistema de administración de red)
Integración en NMS como HP OpenView, IBM Tivoli, CA Unicenter, etc.
• Módulo de apagado de red
- Módulo de software para el apagado seguro del sistema.
Fig. 1.40. Las tarjetas de comunicaciones con software de supervisión ofrecen una amplia
gama de funciones.
pág. 56
Trabajos preliminares
Consideraciones sobre la
instalación
Estos son los principales elementos que hay que tener en cuenta para la instalación
de SAI:
• Planes para modificaciones de la instalación, trabajos preliminares (sobre todo
para una sala de baterías), teniendo en cuenta:
- Las dimensiones del equipo
- Las condiciones de funcionamiento y mantenimiento (accesibilidad, espacios libres,
etc.)
- Condiciones de temperatura que deben respetarse
- Consideraciones de seguridad
- Normas y regulaciones aplicables
• - Ventilación o acondicionamiento de aire de las salas
• Creación de una sala da baterías
Dimensiones
La distribución de los armarios de SAI debe seguir planes precisos.
Las características físicas de los SAI de Schneider Electric que se pueden utilizar
para preparar tales planes se presentan en el capítulo 4.
Para cada gama, se indican:
• El peso y las dimensiones de:
- SAI y armarios centralizados-de derivación
- Armarios de baterías
- Posibles armarios auxiliares (autotransformadores, transformadores, filtros, etc.)
• Espacios libres mínimos necesarios para garantizar una ventilación óptima de los
armarios y un acceso suficiente.
Ventilación, aire acondicionado
Requisitos de ventilación
Los SAI están diseñados para funcionar en un intervalo de temperaturas
determinado (de 0 a 40 °C para los SAI de Schneider Electric ), suficiente para la
mayor parte de condiciones de funcionamiento sin necesidad de modificaciones.
Sin embargo, los SAI y su equipo auxiliar producen pérdidas de calor que, si no se
toman medidas, pueden incrementar la temperatura de las salas mal ventiladas.
Asimismo, la vida útil de una batería depende en gran medida de la temperatura
ambiente. La vida útil es óptima para temperaturas de entre 15 ° C y 25 ° C. Este
factor se debe tener en cuenta si la batería se instala en la misma sala que el SAI.
Otro factor que se debe tener en cuenta es el hecho de que los SAI pueden estar
instalados en la misma sala que el equipo informático, que suele tener requisitos
más estrictos en lo que respecta a los intervalos de temperatura de funcionamiento.
Selección del tipo de ventilación
Por las razones expuestas, se requiere una mínima ventilación, y aire acondicionado
si procede, para evitar cualquier riesgo de exceso de temperatura en la sala debido
a pérdidas de calor.
El método de ventilación puede ser:
• Convección natural
• Intercambio forzado mediante un sistema de ventilación
• Instalación de una unidad de aire acondicionado
La selección depende de:
• Las pérdidas de calor que deben evacuarse
• El tamaño de la sala
Las características térmicas de los SAI de Schneider Electric se indican en el
capítulo 4 y se pueden utilizar para el cálculo de las necesidades de ventilación.
Para cada gama, se indican:
• Las pérdidas de calor de los armarios y de los posibles filtros instalados
• El volumen de salida de aire de un sistema de ventilación
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pág. 57
Trabajos preliminares
Nivel de protección IP y nivel de ruido
Nivel de protección (IP)
Los SAI deben operar en un entorno compatible con su nivel de protección (IP 20
para los SAI de Schneider Electric), definido por la norma IEC 60529/EN 60529. Se
debe evitar la presencia de polvo, agua y sustancias corrosivas.
Nivel de ruido
Los SAI deben generar un nivel bajo de ruido, adecuado a la sala en la que están
instalados.
Las condiciones de medida para el nivel de ruido indicado por el fabricante deben
cumplir la norma ISO 3746 (medición de ruido).
Sala de baterías
Si es posible y si se desea, las baterías deben instalarse en un armario.
Las dimensiones del armario de batería se indican para cada gama de SAI, y
dependen de la potencia nominal.
Sin embargo, para los SAI de muy alta potencia, las baterías se suelen instalar en
salas especiales (sala eléctrica).
Las baterías deben instalarse conforme a las normas internacionales, a las
regulaciones locales y a la norma IEC 60364.
Método de instalación de baterías
Los criterios que determinan el método de instalación de las baterías son los
siguientes:
• Espacio disponible
• Peso que puede soportar el suelo (kg/m2)
• Facilidad de acceso y mantenimiento
Se utilizan los tres métodos siguientes:
Batería instalada directamente en el suelo
Esta es la disposición más simple. Sin embargo, requiere de una sala de baterías
grande, debido a:
• El gran espacio ocupado por una batería
• El pavimento aislado (flotante), obligatorio si la tensión supera los 150 voltios
Batería en bastidor
Las celdas de la batería se instalan separadas del suelo, en varios niveles.
Para determinar la altura entre bastidores, se debe tener en cuenta el espacio
necesario para comprobar los niveles de las baterías y rellenar las celdas con
facilidad. Se recomienda una altura mínima de 450 mm.
Batería en pisos
Este método de instalación es similar al anterior, y es el más cómodo para
comprobar los niveles de las baterías.
Características de las salas de baterías
Sea cual sea el método seleccionado, la instalación de la batería debe cumplir los
requisitos siguientes (los números indican los elementos que se muestran en la
Figura 1.40).
Suelo y paredes (1)
• El suelo debe estar inclinado hacia un sumidero de evacuación conectado con un
depósito.
• El suelo y las paredes deben tener una capa de protección antiácido, hasta una
altura mínima de 0,5 metros.
Por ejemplo, puede ser asfalto para baterías de plomo ácido, y PVC o pintura con
base de cloro para baterías alcalinas.
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pág. 58
Trabajos preliminares
Ventilación (2)
• Cálculo del flujo de aire
El volumen de aire que se debe evacuar depende de la máxima corriente de carga y
del tipo de batería. En instalaciones con más de una batería, la cantidad de aire que
se debe evacuar es acumulativa.
- Baterías ventiladas
d = 0,05 x N x Im, donde
d: caudal en metros cúbicos por hora
N: número de celdas de batería
Im: corriente de carga máxima en amperios
- Batería sellada
Las condiciones de ventilación en una sala de uso general son suficientes.
• Seguridad
En caso de fallo del sistema de ventilación, un dispositivo automático debe detener
la carga de las baterías.
• Ubicación
Se debe extraer el aire de la parte superior de la sala de baterías.
Disposición de las celdas (3)
La disposición debe impedir el contacto simultáneo con dos partes descubiertas que
presenten una tensión mayor o igual a 150 V. Si no se puede cumplir esta condición,
se deben instalar protectores de terminales y las conexiones se deben efectuar
mediante cables aislados.
Suelo técnico (4)
Si la tensión supera los 150 V, se requiere un suelo especial. Debe ofrecer
seguridad, estar aislado del suelo propiamente dicho y ofrecer una pasarela de al
menos un metro alrededor de la batería.
Conexión de la batería (5)
Las conexiones deben ser lo más cortas posible.
Disyuntor de protección de la batería (6)
El disyuntor se suele instalar en un armario de montaje en pared.
Equipo antiincendios (7)
Los extintores autorizados son los de fuegos eléctricos, CO2 o arena.
Equipo de seguridad (8)
El equipo de seguridad debe incluir gafas protectoras, guantes y una fuente de
agua.
Equipo de inspección (9)
• Higrómetro
• Dispositivo de llenado
• Termómetro
Sensores (10)
• Detector de hidrógeno
• Sensor de temperatura
Fig. 1.41. Disposición de la sala de baterías
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