SAIs y Rectificadores

Aumento de protección de energía con configuraciones de SAIs en paralelo

Organizaciones como los grandes data centers, los bancos y los hospitales dependen de la electricidad fiable para proteger sus datos críticos. Un sistema de SAIs en paralelo continúa manteniendo la energía en las cargas críticas durante la bajada de tensión de la compañía, los apagones, las sobretensiones, las bajas tensiones, y las condiciones fuera de frecuencia de tolerancia.

Aumentodeproteccion1El paralelo proporciona una excelente solución para satisfacer las necesidades del crecimiento de una organización mientras que amplían el valor de los SAIs existentes. Este documento describe las principales diferencias y preocupaciones típicas sobre los sistemas de Bypass centralizados y los sistemas de Bypass distribuidos para ayudar a determinar la solución adecuada para su organización.


La necesidad de sistemas SAI en paralelo


Los Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI) proporcionan energía continua a los sistemas electrónicos para proteger los datos críticos en cada negocio. Si el inversor SAI tiene que pararse, por alguna razón, cambia a una ruta de bypass interno y las cargas críticas quedan sin protección hasta que el SAI vuelva a estar encendido.


El funcionamiento en paralelo amplía el normal funcionamiento de un SAI, ofreciendo mayor capacidad y/o redundancia. El sistema paralelo sigue manteniendo la potencia en las cargas críticas durante la bajada de tensión de la compañía, los apagones, las sobretensiones, las bajas tensiones, y las condiciones fuera de la frecuencia de tolerancia. La arquitectura de un sistema de protección de energía está diseñada para evitar la pérdida de información electrónica valiosa, minimizar el tiempo de inactividad de los equipos, y minimizar el efecto adverso en el equipamiento de producción debido a problemas de energía inesperados.


Organizaciones como grandes data centers, hospitales y bancos están encontrando cada vez más riesgo en el uso de la red de energía, incluso si se utiliza por períodos cortos de tiempo. Debido a que el coste de inactividad y el riesgo de pérdida de datos son demasiado altos, las organizaciones implementan sistemas SAI redundantes para asegurar el suministro eléctrico, incluso en los casos en que un SAI deja de funcionar.


Cómo las tecnologías de paralelo mejoran la fiabilidad de la electricidad


En paralelo, dos o más SAIs se conectan eléctrica y mecánicamente para formar un sistema unificado con una salida - ya sea por capacidad extra o redundancia. En una configuración redundante N+1, tendrás al menos un módulo SAI más de lo necesario para soportar la carga. Como sistema unificado, cada SAI está listo para asumir la carga de otro SAI siempre que sea necesario, sin interrumpir la protección de las cargas.


Una configuración de SAIs redundantes está diseñada para asegurar que las cargas de trabajo críticas permanecen protegidas, incluso si uno o más de los SAI dentro de esa configuración no está disponible. Las configuraciones en paralelo redundantes, incluyendo arquitecturas N+1 y N+N, se encuentran entre las variedades más comunes y eficaces.


En el sistema paralelo redundante, el fallo eléctrico de cualquier módulo SAI da como resultado sólo el aislamiento instantáneo del módulo afectado, sin cerrar todo el sistema. Los módulos SAI restantes continuarán apoyando la carga crítica, con una potencia condicionada, y por lo tanto la fiabilidad de la aplicación es mayor.


El beneficio de fiabilidad es debido a la redundancia en la alimentación protegida. Si el sistema funciona correctamente, es muy poco probable que el usuario tenga que operar directamente desde la energía de la red. Cualquier fallo en el equipo es gestionado por la redundancia del sistema, por el aislamiento del módulo que ha fallado, con lo que la transferencia al Bypass sólo se usa como último recurso. En esencia, la energía de la red eléctrica Bypass sólo se utilizaría, debido a factores externos al SAI como la sobrecarga, el sobrecalentamiento o cortocircuito. El mantenimiento rutinario del SAI no debería necesitar la transferencia al Bypass.


Aumentodeproteccion2Comprensión del sistema Bypass centralizado y el sistema Bypass distribuido


Normalmente hay dos tipos diferentes de sistemas multimódulo SAI: sistemas de Bypass centralizado y sistemas de Bypass distribuido.
En el sistema de Bypass centralizado, hay un gran conmutador estático común (también conocido como módulo de sistema Bypass o SBM) para todo el sistema SAI, clasificado según el tamaño final conocido del sistema. Si el sistema SAI necesita ser transferido al Bypass, la corriente de carga se alimenta entonces a través del módulo Bypass del sistema.


En el sistema Bypass distribuido, cada módulo SAI tiene su propio conmutador estático interno, clasificado según el tamaño del SAI, al igual que en un solo SAI. Cada SAI controla su propia salida, y si el sistema SAI necesita transferirse al Bypass, cada conmutador estático en cada módulo se enciende al mismo tiempo, y comparten la corriente de carga entre sí.
La salida del sistema se suministra normalmente por módulos de alimentación ininterrumpida (UPMs) que figuran en cada SAI. Múltiples UPMs (módulos de potencia) están conectados con sus salidas en paralelo (unidos) para proporcionar un nivel de carga mayor que el de un sólo UPM, para obtener redundancia, o ambas cosas. Los UPMs en paralelo suministran la carga de salida con una potencia protegida siempre y cuando la carga no exceda la capacidad combinada de los UPMs en paralelo.


El sistema de alimentación es redundante, siempre y cuando uno de los UPMs pueda ser desconectado del bus de salida y los restantes UPMs puedan continuar suministrando energía a la carga sin exceder sus valoraciones. Cuando la carga está siendo suministrada por los UPMs, el bus de salida del sistema está continuamente monitorizado por una condición de sobretensión o baja tensión. Si se detecta un estado fuera de los límites, los SAIs en paralelo transfieren la carga al Bypass utilizando los conmutadores SAI estáticos.


¿Cuáles son los efectos sobre la fiabilidad - hay alguno?


Un ratio MTBF (tiempo medio entre fallos) se usa a menudo para describir la fiabilidad del sistema, que es un componente clave en los sistemas de IT de cualquier organización. La fiabilidad es una preocupación común para los sistemas Bypass distribuido desde que un mayor número de componentes resulta en un menor tiempo medio entre fallos (MTBF), y por lo tanto menor fiabilidad. EL MTBF por sí solo no siempre responde a su finalidad para sistemas complejos. Métodos más sofisticados, tales como modelos de Markov, se pueden utilizar para estimar la fiabilidad de la misión crítica de un sistema tolerante a fallos, tales como SAI redundantes. Cuando consideramos la disponibilidad del sistema SAI, igualmente importante es el MTTR (tiempo medio de reparación), simultaneando las capacidades de mantenimiento  y así sucesivamente, aunque estos no se tratan en este artículo.
Cuando se compara un Bypass centralizado con un Bypass distribuido, hay que diferenciar entre dos tipos de fallo, el conmutador estático falla en el circuito abierto y no puede funcionar cuando debe, o está en cortocircuito y sigue llevando corriente cuando debería estar apagado. Echemos un vistazo a lo que sucede en estos casos para obtener una imagen real.

Aumentodeproteccion3•    En un sistema de Bypass centralizado, si el conmutador estático tiene un fallo de circuito abierto, el único conmutador estático del sistema simplemente deja de funcionar cuando se necesita, haciendo que el Bypass no esté disponible.

En un sistema de Bypass distribuido redundante, cuando uno de los conmutadores estáticos deja de funcionar, el resto de los conmutadores están todavía funcionando y pueden soportar la carga cuando es necesario. Por lo tanto, el sistema ha mejorado la fiabilidad contra este tipo de fallo ya que  el sistema no es dependiente de que funcione un conmutador estático clave.
Si el sistema está totalmente cargado y no es redundante, no hay diferencia con el sistema Bypass centralizado, excepto por una mayor cantidad de componentes.
•    En el caso de un problema menos común, el interruptor estático está en cortocircuito. En un sistema típico con un conmutador estático en cortocircuito, la línea Bypass defectuosa conecta la salida del sistema a la red eléctrica entrante. Como resultado de esto, los inversores necesitan ser apagados eventualmente y todo el sistema está en Bypass. Con un número de componentes más alto, esto es un escenario probable.


Sin embargo, si el sistema SAI está bien diseñado y tiene una protección de retroalimentación, junto con una fiable detección de cortocircuito del conmutador estático, el dispositivo de protección de retroalimentación se puede abrir bajo esta condición de fallo y los inversores pueden permanecer en línea para soportar la carga.


En un sistema de Bypass distribuido redundante, cada SAI puede detectar un conmutador estático en cortocircuito de forma independiente y aislarlo, dejando así suficiente capacidad de Bypass del sistema para soportar la carga si es necesario. Por lo tanto, en la práctica, el efecto de una mayor cantidad de componentes tiene un impacto mínimo sobre la fiabilidad global del sistema.

Aumentocuadro1
¿Cómo hacer funcionar múltiples conmutadores estáticos simultáneamente bajo condiciones de fallo?


Otra preocupación común es que un sistema de Bypass distribuido no puede realizar la conmutación simultánea de los conmutadores estáticos bajo condiciones de fallo, y los conmutadores pueden quedar inutilizables. Esto ha llevado incluso a algunos expertos a tener dudas sobre el uso de un sistema de Bypass distribuido en sus diseños para data centers. Para entender cómo actúa el sistema de Bypass distribuido en situaciones de fallo, vamos a ver dos casos: una transferencia normal a Bypass y un traslado urgente a Bypass.

•    Una transferencia normal (o planeada) se lleva a cabo cuando el usuario ordena al sistema SAI derivar desde el panel frontal del SAI, por una señal externa o debido a ciertos fallos como la sobrecarga, sobrecalentamiento o similar. Cualquiera que sea la razón, el sistema ha detectado la necesidad de transferir a bypass. En este caso, uno de los módulos toma la decisión de transferir y alimenta su propio conmutador estático.

Al mismo tiempo, transmite la petición de transferencia para otras unidades en la línea de comunicación. Otras unidades reciben esta solicitud y también transfieren. Procesar los datos que se deben enviar y recibir produce retrasos menores, máximo alrededor de 2 milisegundos en el tiempo de encendido del conmutador estático.
Este retraso es insignificante, ya que durante la transferencia normal al Bypass, los inversores aún son capaces de soportar la carga. Los niveles de corriente en la salida del sistema están en niveles moderados, por lo tanto no corren riesgo los dispositivos de potencia en los conmutadores.

•    Traslado de emergencia a Bypass (ETB) se produce cuando los inversores no son capaces de mantener la tensión de salida del sistema dentro de los límites normales. Una situación más crítica sería cuando hay un cortocircuito en el lado de salida del sistema SAI. En este caso, los inversores están alimentando tanta corriente como pueden para mantener el voltaje de salida y, posiblemente, llegará a su límite de corriente utilizada para proteger los componentes de potencia.

Aumentocuadro2Si los dispositivos de protección entre el SAI y el fallo no son lo suficientemente pequeños y/o rápidos, la tensión de salida del sistema SAI disminuirá y llegará a estar fuera de los límites. Entonces, el traslado de emergencia a Bypass (ETB) se produce inmediatamente resultando en un alto nivel de corriente de fallo a través del bypass para solucionarlo. Para tal caso, es muy importante que todos los conmutadores estáticos se activen simultáneamente y compartan la corriente entre ellos.


En el sistema Bypass distribuido, cada SAI monitorizará de forma individual  su propia salida (la misma que la salida del sistema), y transfiere a Bypass si está fuera de los límites. Cada unidad detectará el fallo  en la salida de forma independiente.


La detección del voltaje de salida adecuado es rápido, y la necesidad de ETB se detecta aproximadamente al mismo tiempo en todas las unidades. Ellos a su vez, activarán sus conmutadores estáticos de forma independiente, sin las demoras de las líneas de comunicación. Los retrasos posibles entre las unidades son el resultado de la ejecución de los bucles de programa para la detección de la tensión de salida y son fracciones de un milisegundo. De este modo se permite la transferencia simultánea para compartir adecuadamente la corriente de fallo entre los conmutadores estáticos.


Es importante entender cómo un sistema SAI funciona bajo condiciones de fallo diferentes. Como se puede comprender, las dos configuraciones de Bypass tienen la misma fiabilidad en los diferentes escenarios de fallos dentro y fuera del sistema SAI, cuando se han tenido en cuenta en el diseño del producto. En un sistema SAI con adecuadas detecciones de fallos y dispositivos de retro-protección pueden operar conmutadores estáticos de forma simultánea o aislar el conmutador estático defectuoso permitiendo a los inversores funcionar con normalidad. En los SAI y SBM de Eaton, la retro-protección viene incorporada de serie y ambos utilizan los mismos métodos de detección de fallos para permitir la máxima fiabilidad de misión crítica.


La configuración del conmutador estático Bypass para el soporte de carga


La principal diferencia entre los sistemas de Bypass centralizado y distribuido proviene de la configuración del conmutador estático de Bypass para el sistema SAI.
•    En el sistema de Bypass centralizado (o en el SBM), el conmutador estático de Bypass está calificado para soportar toda la carga del sistema SAI, ya sea momentáneamente o de forma continua.
•    En el sistema de Bypass distribuido, cada unidad SAI tiene su propio commutador Bypass clasificado SAI y estos están conectados en paralelo.
Esta configuración diferente tendrá efecto en la configuración de salida del engranaje de conmutación:
•    Con el sistema de Bypass centralizado, existe una necesidad de un sistema completo de interruptor de alimentación adicional en el engranaje de conmutación de entrada y un sistema completo de conmutador de alimentación adicional en el engranaje de conmutación de salida para alimentar y aislar el conmutador estático. También hay una necesidad de múltiples interruptores clasificados SAI en el engranaje de conmutación de entrada y conmutadores en el engranaje de conmutación de salida para alimentar y aislar los módulos SAI. Para obtener más información, véase la figura 2.
•    Con el sistema de Bypass distribuido, hay necesidad de múltiples interruptores clasificados SAI en el engranaje de conmutación de entrada y  conmutadores en el engranaje de conmutación de salida para alimentar y aislar los SAIs con los conmutadores paralelos estáticos.

Como el conmutador de mantenimiento de Bypass (MBS), necesita ser dimensionado para proporcionar una potencia total del sistema, no hay diferencia en el diseño del sistema a este respecto. El MBS será parte de la entrada y salida del engranaje de conmutación.


Los interruptores para las unidades SAI en los engranajes de conmutación de entrada y salida serán el mismo en ambas configuraciones, si los ratios del SAI o del módulo de entrada salida (IOM) son los mismos. En este caso, SAI significa la unidad SAI utilizada para un sistema de Bypass distribuido incluyendo un conmutador estático, y el SAI-OIM significa unidad SAI utilizada para un sistema Bypass centralizado sin conmutador estático.
Por lo general, un SAI o un sistema Bypass distribuido tiene alimentadores separados para el rectificador y conmutador estático del SAI (para más información, ver Figura 3). En un sistema Bypass distribuido redundante, de cualquier modo, un alimentador común para rectificador y el conmutador estático se pueden utilizar sin comprometer la fiabilidad del sistema y para ahorrar costes de instalación.


Cuando se utiliza un sistema Bypass distribuido, hay una necesidad de considerar que el cableado de unidad SAI o bus conectado desde el engranaje de conmutación de entrada al Bypass del SAI estático y desde la salida SAI al engranaje de conmutación de salida, debe tener la misma longitud e impedancias. Esto es necesario para compartir la carga de forma igualitaria entre los switches de SAI estáticos cuando el sistema está en Bypass activo. Si estas impedancias no son iguales, causará un desequilibrio de carga entre los conmutadores estáticos  y puede conducir a una sobrecarga de uno o más conmutadores estáticos.


La siguiente ilustración muestra el principio básico del cableado. (Ilustración)-Figura 4
Esta es la razón principal por la cual los sistemas distribuidos en paralelo no son una elección óptima para utilizar hasta el 100% de su capacidad, pero para redundancia N+1 o hasta el 90% (como se especifica en la clasificación Tier III). El sistema Bypass centralizado es más tolerante para impedancias de cableado entre los SAIs.


El sistema Bypass distribuido dará una mayor flexibilidad para el dimensionamiento del sistema, ya que podría ser ampliado por SAIs en paralelo con potencia nominal similar para agregar redundancia o capacidad. Con sistema Bypass centralizado (SBM), la potencia nominal se limita a la calificación del módulo SBM, pero permitirá el uso de SAI-IOM con potencia diferente en paralelo.


Centralizado o distribuido? Escogiendo el sistema SAI en paralelo
Las grandes organizaciones necesitan configuraciones adaptadas que tengan los requisitos de disponibilidad y capacidad de gestión. La elección de la configuración también se ve afectada por la situación existente, tanto si el cliente está instalando, actualizando o cambiando un nuevo sistema SAI de una configuración existente.
En la siguiente tabla, hemos enumerado algunos de los pros y los contras que se pueden tener en cuenta al evaluar la configuración adecuada para un sistema paralelo de SAI.


Cuando se trata de los costes de los sistemas, si se comparan dos sencillos sistemas de dos módulos distribuidos y centralizados, el sistema Distribuido será menos costoso. Sin embargo, a medida que aumenta el tamaño del sistema UPM paralelo, la diferencia en el coste global del sistema de SAI, incluyendo la conexión y la instalación, se acerca a la otra.


En la solución de Eaton, la tecnología en paralelo HotSync® se comparte por ambos sistemas. Considerando que la mayoría de las tecnologías paralelas en el mercado pueden satisfacer las necesidades de sincronización, reparto de carga y disparo selectivo, generalmente, se necesita una gran cantidad de cableado entre los módulos y, a veces entre los módulos y el armario de bypass. En esencia, el fracaso de cualquiera de estos “lazos” se traducirá en el sistema paralelo transfiriendo al Bypass, y esto es exactamente el resultado que los clientes están tratando de evitar con la compra de un SAI paralelo redundante. Con la tecnología en paralelo HotSync® de Eaton, los problemas mencionados anteriormente se eliminan.
Una arquitectura basada en un algoritmo de distribución de carga HotSync®  proporciona una conectividad y control de modo de funcionamiento, y lleva a cabo la sincronización de múltiples SAIs y la distribución de la carga, sin la dependencia de redes de cableado entre módulos. El sistema de Bypass distribuido consta de dos a seis unidades de SAI, cada uno con una tarjeta (CAN) controladora de red (de forma paralela al SAI), y un armario suministrado por el cliente o panel de distribución de la carga para actuar como un punto de enlace. Una arquitectura peer-to-peer opera el sistema paralelo sin la necesidad de una cuota de carga maestra o controles maestros de sincronización, ya que cada inversor que usa el algoritmo de distribución de carga HotSync es capaz de regular su propia producción y la cuota de carga compartida de forma independiente en función de sus propias medidas .
Ambos sistemas pueden utilizar el Energy Advantage Architecture  de Eaton (EAA) para ahorrar energía y por lo tanto gastos de funcionamiento del sistema de IT. Las dos tecnologías patentes complementarias, el Variable Module Management System (VMMS) y  el Energy Saver System (ESS), maximizan la eficiencia del SAI y reducen significativamente el consumo de energía e impacto ambiental.


Reflexiones finales


Las empresas apuestan por los sistemas paralelos de SAI para evitar la pérdida de valiosa información electrónica, reducir al mínimo el tiempo de inactividad de los equipos, y minimizar el efecto adverso de los cortes de energía en equipos de producción. Ya en la década de 1970, las instalaciones de SAI se estaban haciendo en diversas instituciones militares, defensa, industriales, comerciales, gubernamentales y centros de salud.
En los sistemas modernos, no hay ningún punto único de fallo. Al utilizar una arquitectura peer-to-peer, cada módulo del SAI opera de forma independiente, sin un controlador maestro externo o cableado entre módulos de control. Ambos sistemas Bypass centralizado (SBM) y Bypass distribuido tienen el beneficio de la mejora de la fiabilidad de la energía, y por lo tanto la disponibilidad del propio data centers. Esto ocurre en dos formas: (1) redundancia del sistema SAI, y (2) la capacidad de realizar el mantenimiento simultáneo en cualquier SAI o SBM mientras que el total del sistema sigue proporcionando alimentación acondicionada, respaldada por batería.


Al elegir un sistema paralelo de SAI Eaton, puede estar seguro de que su carga crítica está protegida por el sistema más fiable del mercado. Durante el diseño del sistema SAI, las tres palabras más importantes que los ingenieros se preguntan son: “¿Qué pasaría si ...” para eliminar cualquier punto de fallo. Contrariamente a la creencia común sobre los sistemas de Bypass distribuidos, la solución de Eaton es capaz de ofrecer el mismo nivel de fiabilidad que el sistema de Bypass centralizado desde que el diseño del SAI se hace correctamente y se tienen en cuenta debidamente diversas condiciones de fallo.

 

Aumentodeproteccion4La longitud de cableado del sistema paralelo requerida debe ser igualitaria para asegurar una distribución proporcionada aproximadamente de la corriente cuando está en modo Bypass. Para un correcto funcionamiento, lo siguiente debe ser verdad:

1A=2A=3A=4A
1B=2B=3B=4B

Con el fin de ahorrar costes de cableado, la siguiente también se considera condición suficiente:

1A+1B=2A+2B=3A+3B=4A+4B

Cualquier diferencia en la longitud del cableado se traducirá en disminución de la capacidad del sistema SAI mientras esté en Bypass. Por ejemplo, una diferencia del 10% entre la longitud del cableado más largo y más corto se traduce en una disminución de la capacidad de derivación del 10%. Esto se puede deshabilitar la transferencia al inversor.

Autor:

Janne Paananen: Ingeniero de Aplicaciones, Large Systems Group Eaton
Carlos De la Guardia: Ingeniero de Aplicaciones de producto, SAIs trifásicos en Eaton

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