Hasta ahora hemos explorado en detalle cuál es el papel del Sistema de Alimentación Ininterrumpida (UPS) [en Criticidad y redundancia en el centro de datos ] y hemos analizado los dos tipos principales de sistemas de alimentación ininterrumpida: estático y rotativo.
Es hora de profundizar en los diferentes tipos de sistemas UPS estáticos. Los sistemas UPS estáticos son el tipo de UPS más extendido y son los responsables de mantener la mayoría de los centros de datos en línea en caso de un fallo de la red.
Como hemos aprendido anteriormente, el diseño de un sistema de suministro de energía de un centro de datos depende completamente de los requisitos de continuidad de la carga de TI que alberga el centro de datos. Como suele ser el caso, la carga de TI requerirá disponibilidad las 24 horas del día, los 7 días de la semana, por lo que el sistema de suministro de energía se construirá según estándares de nivel 3 o nivel 4.
Los sistemas UPS estáticos, en comparación con sus contrapartes rotativas, no tienen partes móviles a lo largo de sus sistemas de conversión y distribución de energía. Los tipos más comunes de sistemas UPS estáticos son los siguientes:
- UPS en modo de espera (o fuera de línea)
- UPS interactivo de línea
- UPS de doble conversión (o en línea)
Cubriremos cada uno de estos tipos de UPS estáticos con una descripción, un diagrama de topología, sus ventajas y desventajas, así como el rendimiento de salida IEC 62040-3.
La norma IEC 62040-3: UPS - método para especificar requisitos de rendimiento y prueba es un estándar establecido que hemos tratado anteriormente en el número 50 y clasifica además el UPS en tres categorías: Dependencia de entrada (AAA); Forma de onda de voltaje de salida (BB); Rendimiento de salida dinámico (CC) .
El SAI de reserva
El SAI de reserva (también llamado fuera de línea) se utiliza habitualmente para proteger cargas como las computadoras de escritorio. Como se muestra en el diagrama a continuación, el interruptor de transferencia está configurado para funcionar con la entrada de CA como fuente de energía (línea continua). Si ocurre un problema con la fuente principal, el interruptor de transferencia cambia el sistema de suministro de energía para pasar a las baterías. El nombre "de reserva" proviene del hecho de que el inversor solo se inicia una vez que falla la ruta de energía principal: el inversor efectivamente "se mantiene en espera" para transportar la carga.
Un SAI estático se caracteriza por su coste relativamente bajo y su reducido tamaño. Además, cuenta con formas de onda de salida no sinusoidales y una alta eficiencia. La mayoría de los sistemas SAI estáticos disponibles en el mercado también ofrecen protección contra sobretensiones y filtrado de ruido eléctrico.
La norma IEC clasifica la dependencia de entrada (AAA) como VFD (dependiente de voltaje y frecuencia) porque el UPS de reserva carece de circuitos para regular el voltaje o la frecuencia de salida cuando funciona en modo normal.
Además, en lo que respecta a la forma de onda de salida (BB), la norma IEC la clasifica como SY porque, en modo normal, pasa la tensión de entrada de CA sinusoidal a la carga de TI. Mientras que en modo de energía, este tipo de SAI utiliza un inversor de onda cuadrada o escalonada (un dispositivo que convierte la tensión de CC en tensión de CA).
Por último, el rendimiento de salida dinámica según la norma IEC es de 33. Esto se debe a que el sistema normalmente tarda unos 10 milisegundos en detectar un fallo de alimentación, mover el interruptor de transferencia y encender el inversor. La clasificación completa para este tipo de SAI según la norma IEC 62040-3 es VFD-SY-33.
El SAI interactivo en línea
Los sistemas UPS interactivos de línea son los más adecuados para proteger los equipos de TI presentes en los centros de datos, como servidores y equipos de red asociados, como conmutadores y enrutadores.
El diagrama de bloques que se muestra a continuación muestra el funcionamiento interno de un SAI interactivo en línea. La principal diferencia entre este y el SAI de reserva es que el convertidor (un inversor o rectificador capaz de procesar energía en ambas direcciones) está conectado constantemente a la salida del SAI. Si falla la fuente primaria, el interruptor de transferencia se abre y la energía fluye desde las baterías a la carga de TI.
Es importante tener en cuenta que debido a que el convertidor está conectado constantemente a la salida del UPS, el cambio entre fuentes de energía produce una reducción de los transitorios de conmutación, así como un mayor filtrado del ruido eléctrico.
El diseño del sistema UPS interactivo utiliza un transformador AVR (regulador automático de voltaje) con cambio de tomas. Al ajustar las tomas del transformador en función del voltaje de entrada, todo el sistema tiene regulación de voltaje. Esto es de suma importancia en condiciones de bajo voltaje, ya que de lo contrario, el UPS transferiría la carga a la batería y, a su vez, apagaría la carga.
Su pequeño tamaño junto con su alta eficiencia y alta confiabilidad, además de contar con la capacidad de corregir el voltaje en condiciones de bajo o alto voltaje, hacen de este UPS el candidato ideal dentro del rango de potencia de 0,5 a 5 kVA.
La clasificación IEC para este tipo de SAI es VI-SS-31. Debido a que el transformador AVR regula el voltaje de entrada, la norma clasifica la dependencia de entrada como independiente del voltaje (VI).
Las formas de onda de salida se clasifican como SS porque pasan el voltaje de entrada de CA sinusoidal a la carga cuando funcionan en modo normal y utilizan un inversor de onda sinusoidal en modo de energía almacenada. Finalmente, el rendimiento de salida dinámico es 31 porque generalmente demora aproximadamente 10 ms en detectar una falla de energía, abrir el interruptor de transferencia e invertir el flujo de energía a través del inversor, que maneja muy bien las cargas escalonadas.
La doble conversión
Por encima de 10 kVA, el UPS de doble conversión domina el panorama, ya que se utiliza mejor para proteger grandes franjas de servidores junto con equipos de red y almacenamiento.
Los tipos de SAI estáticos que hemos analizado (interactivos en línea y en modo de espera) tienen dos modos de funcionamiento: normal y de almacenamiento de energía. Por el contrario, los SAI de doble conversión suelen contar con dos modos de funcionamiento adicionales: un modo bypass de alta eficiencia y un modo bypass PFC (factor de potencia corregido) de alta eficiencia.
Cada modo de operación en un UPS de doble conversión tiene flujos de energía, mecanismos de transferencia y clasificaciones IEC ligeramente diferentes.
El SAI de doble conversión en modo normal en línea se representa en la figura 3. El diseño es similar al de un SAI de reserva, con la única diferencia de que la carga de energía se alimenta a través del rectificador (un dispositivo que convierte el voltaje de CA en voltaje de CC) y el inversor en lugar de a través de un interruptor de transferencia alimentado desde la fuente de CA. Básicamente, la corriente pasa por una conversión doble (CA-CC-CA), de ahí el nombre.
Si falla la ruta principal, el rectificador se apaga y el inversor comienza a extraer energía directamente de las baterías y luego alimenta la carga de TI. La principal ventaja de este diseño es que no hay cambios en la ruta de alimentación si falla la fuente principal, no hay interruptores abiertos ni cerrados, lo que significa que el tiempo de transferencia se mantiene en 0 ms. Este tipo de UPS que funciona en modo normal en línea proporciona un rendimiento de salida eléctrica casi ideal.
El rendimiento de salida estándar IEC completo se clasifica como VFI-SS-11. Esto se debe al hecho de que el SAI de doble conversión en línea que funciona en modo normal regula tanto el voltaje como la frecuencia de salida, por lo que es un sistema independiente de voltaje y frecuencia (VFI). Además, debido a que el inversor de onda sinusoidal alimenta la carga en todos los modos de operación, la forma de onda de salida se clasifica como SS. Finalmente, el rendimiento de salida dinámico es 11 porque el inversor suministra energía a la carga de manera continua sin interrupción y también puede manejar cargas escalonadas muy bien.
El UPS en línea de doble conversión que opera en modo normal de bypass se ilustra en la figura 4. La ruta de energía a través de la carga ocurre a través del interruptor de transferencia de bypass estático con el rectificador operando en modo de bajo consumo para mantener las baterías cargadas mientras el inversor está en espera.
Si falla la fuente de energía principal, el interruptor de transferencia se abre, el inversor se activa y empieza a suministrar la carga directamente desde las baterías.
El funcionamiento de este tipo de SAI en modo normal de derivación mejora la eficiencia del SAI y extiende su vida útil, ya que se administra menos estrés a los componentes junto con una menor emisión de calor. Sin embargo, el funcionamiento en modo de derivación significa que cualquier problema de calidad de la energía que se perciba en la ruta de alimentación principal afectará directamente a la carga, ya que el inversor no está en funcionamiento.
El rendimiento de salida estándar IEC completo para este tipo de UPS en el modo normal de derivación es VFD-SS-31.
Debido al uso del interruptor de transferencia en la ruta de alimentación primaria, no regula el voltaje ni la frecuencia, por lo que depende del voltaje y la frecuencia (VFD). Además, debido a que ambas rutas de alimentación terminan suministrando una onda sinusoidal de CA, la salida de forma de onda es SS. Con un tiempo de transferencia de alrededor de 10 ms y un buen manejo de las cargas escalonadas por parte del inversor, el rendimiento de salida dinámica es 31.
El modo bypass PFC se diferencia del modo bypass habitual en que mantiene el inversor en línea, lo que proporciona la corriente adicional necesaria para garantizar que la carga reciba solo corriente sinusoidal con un factor de potencia alto. Esto alivia algunos de los inconvenientes del modo de funcionamiento anterior y hace que la transferencia sea instantánea. Debido a un tiempo de transferencia de 0 ms, la clasificación IEC para un sistema UPS en modo bypass PFC de doble conversión es VFD-SS-11.
La tecnología UPS continúa evolucionando en línea con la demanda exponencialmente creciente de suministro de energía limpia, ininterrumpida y confiable en una amplia gama de industrias.
Los enfoques especializados, como la conversión delta, la conversión híbrida o los diseños de UPS ferroresonantes, buscan además aumentar la eficiencia y atender todos los casos de uso probados.
Los sistemas y tecnologías descritos han sido durante mucho tiempo fundamentales para hacer posible la sociedad digital actual y seguirán desempeñando un papel funcional y fundamental en su evolución a medida que el panorama del centro de datos sigue respondiendo a la insaciable demanda de datos.