Alimentación de cargas críticas y sensibles

Alimentación de cargas críticas y sensibles
A. Llamas
Programa de Graduados en Ingeniería - Maestría en Ingeniería Eléctrica
ITESM Campus Monterrey, E. Garza Sada 2501 Sur, C.P. 64849, Monterrey, N.L.
Tel.: +52 81 81582001, email: allamas@ itesm.mx
depende del diseño del filtro. Se forman de
reactores en serie y capacitores en paralelo.
1. Introducción
Una carga crítica es aquella que al dejar de
funcionar o al funcionar inapropiadamente
ocasiona
grandes
perjuicios
económicos,
mientras que una carga sensible es la que
requiere de un suministro de alta calidad (voltaje
y frecuencia estables, ausencia de ruido,
ausencia de distorsión y voltaje mínimo de neutro
a tierra) [1,2]. Los centros de cómputo en los
bancos son cargas críticas y sensibles. Los
PLCs son cargas menos sensibles; pero algunos
son cargas muy críticas, si un PLC deja de
funcionar puede ser necesario tirar producto o se
puede detener toda una línea de producción.
c. Filtros de armónicas. Reducen la distorsión en
la corriente de entrada de cargas no lineales, la
distorsión puede causar el calentamiento de los
conductores y los transformadores. Los filtros
están formados por reactores serie y trampas
para evitar que las armónicas sean alimentadas
a la fuente (figura 1).
Carga con
fuente regulada
En este artículo se describen algunos de los
acondicionadores más utilizados, se comparan
los
reguladores
ferrorresonantes
y
los
electrónicos y se describen algunas de las
técnicas de alambrado que dan lugar a una mejor
calidad de alimentación eléctrica.
por conmutación
a) reactor serie
2. Equipos acondicionadores
Carga con
Los equipos de acondicionamiento considerados
aquí son los siguientes:
fuente regulada
a. Supresores, "Surge suppressers".
b. Filtros de radio frecuencia.
c. Filtros de armónicas.
d. Transformadores de aislamiento.
e. Transformadores
de
aislamiento
cambiadores de "tap".
f. Transformadores ferrorresonantes.
g. UPSs.
por conmutación
b) filtro serie
con
Carga con
fuente regulada
por conmutación
a. Supresores. Reducen o eliminan los impulsos
o "surge transients". Los más comunes utilizan
varistores de óxido metálico (MOVs) y solo
eliminan impulsos cuando se excede cierto valor
instantáneo en el voltaje. Los más sofisticados
son los supresores activos que son capaces de
limitar impulsos sin importar en qué punto de la
onda sinusoidal ocurren.
c) filtro paralelo
Fig. 9 Configuraciones de filtros pasivos
monofásicos
b. Filtros de radio frecuencia. Reducen el ruido
(de modo común y de modo diferencial), la
atenuación del ruido y el ancho de banda
8
Carga con
fuente regulada
por conmutación
d) filtro paralelo y filtro serie
Fig. 1 Configuraciones de filtros pasivos
monofásicos
d. Transformadores de aislamiento. Atenúan los
disturbios de modo común (neutro a tierra y fase
a tierra). Proporcionan un punto de tierra local.
Con derivaciones "taps" permite la compensación
de caídas de voltaje de estado estable en el
circuito de alimentación. Es un transformador
con primario y secundario separados cierta
distancia y uno o varios blindajes para reducir el
ruido de modo común, la figura 2 ilustra la
conexión apropiada de un transformador de
aislamiento.
CIRCUITO DE
CONTROL
Figura 3. Transformador de aislamiento, con
cambio de TAP.
f.
Transformadores ferrorresonantes o
transformadores de voltaje constante.
Este
regulador mantiene un voltaje casi constante a la
salida con excursiones de 20 a 40 % en el voltaje
de entrada. Son muy confiables pues no tienen
partes móviles ni componentes electrónicas
activas. Filtran muy bien los ruidos y picos de
voltaje.
Proporcionan un punto de tierra local
para disminuir el voltaje de neutro a tierra.
Tienen un tiempo de respuesta inferior a uno y
medio ciclos, esto es, si el voltaje de entrada
cambia repentinamente, en menos de 25 ms el
voltaje de salida queda regulado. El circuito
resonante almacena suficiente energía para
alimentar a la carga cuando hay interrupciones
cortas (cero volts durante medio ciclo) [4].
Protegen a las cargas críticas de disminuciones
grandes de voltaje cuando tienen carga reducida.
Por ejemplo, en pruebas experimentales se
alimentaron cuatro computadoras que demandan
380 VA con un ferrorresonante de 1 kVA, se
lograron 110 V de salida con 35 V de entrada.
Esto es muy importante, pues en una instalación
que se alimente por medio de un transformador ∆
Y, se logra alimentación adecuada con cero volts
en la misma fase de la delta. Otra ventaja es que
(con buen nivel de voltaje de entrada) filtran las
armónicas [5]. Tienen la desventaja de ser
ineficientes (medidos con voltaje nominal a la
entrada del ferrorresonante: 90 % de eficiencia a
plena carga; 68 % de eficiencia a 38 % de carga),
pesados y en algunos casos ruidosos; pero son
la mejor opción cuando se requiere alta
confiabilidad. La figura 5 muestra el voltaje de
salida contra el voltaje de entrada de un
secundario del
transformador
ITM
fase
I
Zf
ITM
carga
I
neutro
tierra
Zn
n1
n2
monofásica
Vn1,g
Vn2,g
g
g
tierra local
ITM: interruptor termomagnético
Figura 2. Transformador de aislamiento.
e.
Transformadores de aislamiento con
cambiadores de "tap". Son como los anteriores
pero ajusta una derivación o "tap" para regular el
voltaje de salida. La figura 3 ilustra mediante un
diagrama simplificado el cambio de "taps" para
limitar las variaciones de voltaje a la salida.
Este acondicionador mantiene el voltaje de salida
entre ciertos límites y si tiene blindaje
proporciona aislamiento de modo común. El
tiempo de corrección es típicamente de tres a
cinco ciclos. La figura 4 muestra el voltaje de
salida contra el voltaje de entrada de un
regulador electrónico de 1 kVA. En dicha figura
se aprecia que una vez que el voltaje de entrada
está por arriba del límite inferior, 98 V rms,
aparece una ligera saturación favorable a la
regulación (cambio de pendiente), de la gráfica
se deduce que este regulador electrónico tiene
tres derivaciones.
9
regulador ferrorresonante de 1 kVA. Obsérvese
que la función es continua a diferencia de la de
los reguladores electrónicos.
carga crítica por medio de un transformador o un
inductor. El equipo magnético está normalmente
a cargo de la alimentación regulada a la carga.
En algunos casos el equipo magnético consta de
elementos
inversores
e
inductores
o
transformadores y en otros casos es un
transformador
ferrorresonante.
El nombre
interactivo proviene del hecho de que el UPS
interactúa con la alimentación de línea para
reducir, aumentar o reemplazar el voltaje de
entrada según se requiera para mantener voltaje
regulado.
voltaje de salida (Vrms)
140
120
100
80
90
110
130
Entrada
150
Salida
Rectificador y
cargador C.A. a C.D.
Inversor C.D. a C.A.
voltaje de entrada (Vrms)
Baterias
voltaje de salida (Vrms)
Figura 4. Voltaje de salida contra voltaje de
entrada de un regulador electrónico
a. UPS rectificador / cargador
Entrada
140
Salida
Equipo magnético
(Transformador)
120
Inversor y cargador
100
Baterias
80
90
110
130
150
b. UPS interactivo
voltaje de entrada (Vrms)
Figura 6. Diseños de UPSs
Figura 5. Voltaje de salida contra voltaje de
entrada de un regulador ferrorresonante
3.
Reguladores
electrónicos
f.
UPSs. Existen varias configuraciones de
sistemas
de
alimentación
ininterrumpible
(Uninterruptible Power Supply) o UPSs, las
categorías principales son UPSs giratorios y
estáticos. Aquí se considerarán los estáticos, de
los cuales existen dos diseños básicos: UPS
rectificador / cargador y UPS interactivo, figura 6
[2].
ferrorresonantes
y
La literatura [1, 2, 4 y 5] recomienda que en
donde se requiera de alta confiabilidad se debe
utilizar
el
acondicionador
ferrorresonante.
Algunos reguladores electrónicos tienen un
tiempo de respuesta alto. Además para corregir
el voltaje miden la corriente y en algunos casos la
distorsión presente en las fuentes reguladas por
conmutación
ocasiona
inestabilidades
o
fluctuaciones en el circuito de control.
Resumiendo, las ventajas de los reguladores
ferrorresonantes
sobre
los
electrónicos
(transformador de aislamiento con cambios
automáticos de tap) son las siguientes:
a) son más confiables,
En el UPS rectificador / cargador, la potencia de
entrada se convierte primero a corriente directa,
ésta se emplea simultáneamente para cargar las
baterías y operar el inversor que alimenta
corriente alterna a la carga.
En el diseño interactivo la alimentación de
corriente alterna no se convierte en corriente
directa sino que se alimenta directamente a la
10
Acometida Principal
Tablero
Tubo Counduit
Aterrizado
j
Tubo Counduit
Aterrizado
N
N
G
G
Equipo de
Computo
j
N
Tierra Normal
G
Tomacorrientes
Electrodo de
Aterrizamiento
Acometida Principal
j
Thomas M. Gruzs, “The How’s and Why’s of Isolated Grounding,”
Power Quality Assurance, March/april 1995.
Tablero
Tubo Counduit
Aterrizado
Tubo Counduit
Aterrizado
N
N
G
G
Equipo de
Computo
j
N
Tierra Aislada
G
Tomacorrientes
Electrodo de
Aterrizamiento
Figura 7. Puesta a tierra de equipos con conductor aislado.
b) la función de voltaje de salida contra
voltaje de entrada es continua (figura
5),
c) tienen buen nivel de rechazo al ruido,
un excelente tiempo de respuesta
(menos de ciclo y medio),
d) tienen la capacidad de entregar voltaje
de salida sin voltaje de entrada (si el
voltaje de entrada se pierde durante
menos de medio ciclo),
e) filtran las armónicas y
f) proporcionan reactivos lo cual puede
ayudar a corregir el factor de potencia.
de modo común en forma importante. Si se tiene
un alto voltaje de neutro a tierra no lo eliminan
como lo elimina un transformador de aislamiento.
4. Técnicas de alambrado para lograr una
buena calidad de alimentación eléctrica
La puesta a tierra de equipo sensible se puede
llevar a cabo con conductor aislado. Desde el
puente de unión principal hasta el equipo
sensible se lleva un cable para la puesta a tierra
del equipo sensible, este cable aislado no hace
contacto con canalizaciones, gabinetes ni cajas
de contactos, este equipo se pone a tierra con
otro conductor o por medio de las canalizaciones
mismas. La figura 7 ilustra esta excepción del
NEC [6]. El objetivo es el de disminuir el ruido de
modo común ocasionado por las diferencias de
potencial entre distintos puntos conectados a
tierra. Las diferencias de potencial se deben a
corrientes en las partes metálicas que
normalmente no llevan corriente y estas
corrientes se puede originar por uniones ilegales
neutro - tierra y por fallas a tierra.
Tienen las siguientes desventajas:
a) pueden ser un poco más costosos,
b) son más ineficientes,
c) son más pesados y ruidosos.
En el mercado existen reguladores electrónicos
muy pequeños y de bajo costo que no
proporcionan
aislamiento,
proporcionan
regulación y en algunos casos tienen filtros y
supresores de sobrevoltajes transitorios.
La
desventaja de éstos es que no eliminan el ruido
11
(ITM: interruptor termomagnético)
secundario transformador
estrella aterrizada
ITM
ITM
Zf
fase a
Zf
fase b
Zf
fase c
neutro
In
Ic
Ib
Ia
Zn
Vng
tierra
ruido de modo común
distancia entre unión y carga
Figura 8. Voltaje de neutro a tierra en instalación trifásica
(ITM: interruptor termomagnético)
secundario transformador
estrella aterrizada
delta
ITM
Y aterrizada ITM
Zf
fase a
Zf
fase b
Zf
fase c
Ic
Ib
Vng
Ia
tierra local
Figura 8. Transformador de aislamiento en instalación trifásica
Si la distancia entre la unión neutro y tierra y la
carga sensible es grande, entonces se presenta
un voltaje de neutro a tierra en el lado de la
carga, este es ruido de modo común y se ilustra
en la figura 8. Para disminuir este ruido de modo
común, se recomienda emplear 480 V para llegar
a los diferentes pisos de un edificio y ahí reducir
a 208 V por medio de un transformador delta estrella. Se llevan cuatro hilos al transformador
(tres de fase y uno de puesta a tierra de equipo) y
en el secundario se obtienen cinco hilos, (tres
hilos de fase, un neutro y uno de puesta a tierra
en el secundario), esto se ilustra en la figura 9.
Debido a que la unión neutro - tierra se encuentra
cerca de la carga, el ruido de modo común queda
aminorado, esta recomendación aparece en la
guía para instalaciones eléctricas para equipo de
procesamiento de datos, página 25 [7].
12
220Y/127V
220Y/127V
220 / 127 V
220 / 127 V
aire
equipo
acondicionado
220Y/127V
aire
sensible
equipo
acondicionado
a) Pésimo
sensible
equipo
acondicionado
sensible
c) Bueno
480Y/277V
480Y/277V
480V
208Y/120V
aire
acondicionado
208Y/120V
aire
b) Regular
480Y/277V
480V
220 / 127 V
208Y/120V
equipo
sensible
aire
acondicionado
d) Muy bueno
equipo
sensible
e) Excelente
Figura 9. Segregación de cargas y aislamiento
Otra práctica de alambrado consiste en separar
las cargas críticas y sensibles de las cargas
convencionales (tales como equipos de aire
acondicionado en las oficinas, o motores en las
plantas industriales). Ver la figura 9 [7].
5. Bibliografía
[ 1]
Salvador Martínez García, "Alimentación
de equipos informáticos y otras cargas críticas,"
Serie
McGraw-Hill
de
Electrotecnologías,
13
McGraw-Hill / Iberdrola / Ente Vasco de la
Energía, 1992, ISBN: 84-7615-920-X.
[2]
IEEE
Std
1100-1992,
"IEEE
Recommended Practice for Powering and
Grounding Sensitive Electronic Equipment, (IEEE
Emerald Book)," Power Systems Engineering
Committee of the IEEE Industry Applications
Society, ISBN: 1-55937-231-1.
[3]
A. Llamas et. al., "Implementación de un
filtro de tercera armónica," ITESM Campus
Monterrey.
[4]
John R. Gyorki, "Power conditioner
hardened for the factory floor," Machine Design
July 11, 1991.
[5]
Cheryl Janusz, " Odd-Order Harmonics
Threaten Premise Wiring And Power Systems,"
Computer Technology Review, Spring 1991.
[6]
Thomas M. Grusz, “The How’s and
Why’s of isolated grounding,” Power Quality
Assurance March - April 1995.
[7]
Federal
Information
Processing
Standards Publication 94: Guideline on Electrical
Power for ADP Installations, Sept. 21, 1983.
14