Download Sistema de UPS en cascada con Interruptor de transferencia estático

UNIVERSIDAD DE MAGALLANES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD
SISTEMA DE RESPALDO REDUNDANTE PARA ALIMENTACIÓN DE SISTEMAS DE
CONTROL Y MONITOREO
Trabajo
en
para
de
titulación
presentado
conformidad a los requisitos
obtener
el
título
de
Ingeniero de Ejecución en Electricidad
Profesor guía: Nelson Barría
LUIS BARRIA OYARZO
WALDO QUINTEROS CACERES
MARZO 2008
CAPITULO I
INTRODUCCION
CAPITULO II
DIAGNOSTICO DE LA SITUACION ACTUAL
CAPITULO III
DESARROLLO DEL SISTEMA DE RESPALDO
CAPITULO IV
PROCEDIMIENTOS DE OPERACION
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
ANEXOS
ANEXO 1
DEFINICIONES
ANEXO 2
TEORIA DE UPS
ANEXO 3
TEORIA DE BATERIAS
ANEXO 4
CUADROS DE CARGA
ANEXO 5
GUIA DE SELECCIÓN Y ESPECIFICACIONES DE UPS CYBEREX
BIBLIOGRAFIA
RESUMEN
Este trabajo consiste en proponer una configuración de UPS como un sistema de
respaldo redundante para alimentación de sistemas de control distribuidos, PLC’s,
sistemas de monitoreo y paneles de control locales de equipos.
La propuesta se orienta para una posible implementación en la planta 2 de
Methanex Chile Limited.
Para cumplir con los objetivos del trabajo se realizará un levantamiento de la
configuración actual del sistema de respaldo y la distribución de las cargas asociadas.
Se realizará un análisis de los incidentes relacionados con UPS con el fin de
respaldar la propuesta y considerando el diagnóstico de la situación actual. A partir de
este diagnóstico se planteará una configuración de un sistema de respaldo con UPS
bajo la configuración en cascada y la mejor distribución de las cargas de los sistemas
de control y monitoreo, considerando los costos que implicarían su implementación y la
elaboración del procedimiento necesario para la operación y manipulación.
Adicionalmente se plantean alternativas de configuración con mayor o menor
confiabilidad y costo.
Finalmente se realizarán mediciones para evaluar la calidad de la energía de
entrada y salida de las UPS, orientado básicamente a observar los armónicos que
presenta el actual sistema.
i
INDICE
CAPITULO I: INTRODUCCION
1.1.- Introducción
1
1.2.- Justificación del trabajo
2
1.3.- Alcance
3
1.4.- Objetivo general
3
1.5.- Objetivos específicos
3
CAPITULO II: DIAGNOSTICO DE LA SITUACION ACTUAL
2.1.- Antecedentes generales
4
2.2.- Sistema actual
6
2.2.1.- Características técnicas de las UPS
6
2.2.2.- Tipo y funcionamiento
8
2.2.3.- Modo de operación
10
2.2.4.- Distribución de cargas de plantas 1 y 2
11
2.3.- Análisis de la situación actual
13
2.3.1.- Análisis de incidentes relacionados con UPS
13
2.3.2.- Análisis de disponibilidad y confiabilidad de las UPS
23
2.3.3.- Criterio de respaldo del sistema actual
29
CAPITULO III: DESARROLLO DEL SISTEMA DE RESPALDO
3.1.- Sistema de UPS en cascada y sistema de bypass para retirarlas de servicio 32
3.2.- Dimensionamiento de componentes
34
3.2.1.- Selección de las UPS
35
3.2.2.- Cargas del sistema
37
3.2.3.- Sistema de tableros de transferencia
42
3.2.4.- Dimensionamiento de las baterías
53
3.2.5.- Sistema de monitoreo de baterías (Btech v/s Alber)
63
3.2.6.- Consideraciones de temperatura del sistema
67
3.3.- Calidad de la energía
71
3.4.- Costos de implementación
79
3.5.- Configuraciones posibles (alternativas de funcionamiento)
80
ii
3.5.1.- Sistema de UPS en paralelo, redundante y con interruptor de
transferencia estático
80
3.5.2.- Sistema de UPS en cascada con Interruptor de transferencia
estático
3.6.- Criterios de respaldo para la confiabilidad de sistemas propuestos
82
85
CAPITULO IV: PROCEDIMIENTOS DE OPERACION
4.1.- Consideraciones previas
91
4.2.- UPS fuera de servicio con interruptor de bypass externo
91
4.3.- Puesta en servicio de UPS desde bypass externo
97
CAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1.- Conclusiones
101
5.2.- Recomendaciones
102
BIBLIOGRAFIA
ANEXOS:
Anexo 1: Definiciones
Anexo 2: Teoría de UPS
Anexo 3: Teoría de baterías
Anexo 4: Cuadros de carga
Anexo 5: Guía de selección y especificaciones de UPS Cyberex
1
CAPITULO I
INTRODUCCION
1.1- INTRODUCCION
Las empresas de hoy requieren sistemas de respaldo de energía eléctrica que
permitan dar continuidad a los procesos productivos y sistemas de información de
manera de proteger sus activos llevándolos a condición segura ante una pérdida del
suministro eléctrico.
Dentro de los sistemas de respaldo de energía se puede encontrar
principalmente generadores de emergencia, UPS y bancos de baterías entre otros, los
que cumplirán su función dependiendo de la naturaleza y necesidades del sistema a
respaldar.
La empresa productora de metanol Methanex Chile Limited ubicada en el parque
industrial Cabo Negro de la ciudad de Punta Arenas, cuenta con su propio sistema de
generación eléctrica compuesto por unidades generadoras impulsadas por turbinas a
vapor y gas que suministran la energía eléctrica necesaria para el normal
funcionamiento de sus plantas productores de metanol.
Por otro lado los sistemas de respaldo de energía con los que cuenta Methanex
Chile Limited están compuestos por generadores diesel, UPS y bancos de baterías;
dichos sistemas requieren de un monitoreo y mantenimiento adecuado con el fin de
asegurar su operatividad y funcionalidad al momento de requerirse. Sin embargo, no
están exentos a vulnerabilidades ya sea por las características propias del diseño,
intervenciones o por factores externos.
2
1.2.- JUSTIFICACION DEL TRABAJO
En el complejo productor de metanol de Methanex Chile Limited y desde los
inicios de la empresa en Chile se ha utilizado como sistemas de respaldo las UPS para
resguardar la integridad de los sistemas de control y monitoreo.
Durante los últimos 13 años, se han producido incidentes relacionados con UPS,
algunos de los cuales han afectado el funcionamiento de los sistemas de control y
monitoreo teniendo como consecuencia problemas operacionales o detención de
alguna planta de producción.
Con la construcción del segundo tren productor se instaló un sistema de respaldo
compuesto por dos UPS en paralelo, una UPS para cada tren, sin embargo, y por
motivos operacionales del momento, no se pudieron separar algunas de las cargas
eléctricas de manera de dejarlas en forma independiente para cada Planta. Ello originó
denominar cargas supercríticas de ambas plantas a aquellas que puedan ser
alimentadas desde ambas UPS en forma automática a través de un Interruptor Estático
de Transferencia (Static Transfer Switch). Ello hoy resulta ser una vulnerabilidad del
sistema debido a que no existe un total aislamiento entre ellas, ya que al efectuar una
intervención en cualquiera de estas UPS, existe la posibilidad de afectar la operación
normal de ambas Plantas.
La oportunidad de proponer un sistema de respaldo redundante utilizando UPS,
permitirá independizar la alimentación de los sistemas de control y monitoreo para cada
Planta y realizar el mantenimiento y/o reemplazo de dichas UPS, disminuyendo el
riesgo de afectar las cargas y la operación de la otra planta productora.
3
1.3.- ALCANCE
El trabajo será propuesto en Methanex Chile Limited para ser implementado bajo
dos premisas:
1. Permitir el aumento de la confiabilidad operacional de los sistemas de respaldo
basados en UPS.
2. Permitir independizar los sistemas de UPS de las plantas 1 y 2, logrando con
ello que cada planta productora de metanol posea su propio sistema de respaldo
de UPS.
1.4.- OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema de respaldo redundante para alimentación de sistemas de
control distribuido, PLC’s, sistemas de monitoreo y paneles de control locales de
equipos, mediante la utilización de UPS y que permita realizar mantenimiento
minimizando el riesgo de afectar estas cargas.
1.5.- OBJETIVOS ESPECIFICOS
•
Diagnosticar la situación actual mediante el levantamiento de la configuración del
sistema y distribución de sus cargas asociadas.
•
Proponer un sistema de respaldo redundante adecuado para la alimentación de
sistemas de control y monitoreo, optimizando la distribución de las cargas
asociadas otorgando una mayor confiabilidad.
•
Elaborar un procedimiento de operación y manipulación del sistema de respaldo
redundante.
4
CAPITULO II
DIAGNOSTICO DE LA SITUACION ACTUAL
2.1.- ANTECEDENTES GENERALES
Actualmente el complejo productor de metanol de Methanex de Punta Arenas,
posee un sistema de alimentación ininterrumpida compartido para las plantas I y II, bajo
la configuración de UPS en paralelo con un interruptor de transferencia estático
compartido. Esta configuración consiste en dos UPS marca Cyberex de 40 KVA
denominadas UPS-1 y UPS-2, las que alimentan dos tipos de cargas:
•
Cargas críticas, son aquellas asociadas a PLC o fuentes de alimentación
de control de equipos que contribuyen al proceso, tales como;
compresores de aire, calderas, desales, generadores eléctricos, etc.
•
Cargas supercríticas, son aquellas asociadas a PLC, DCS o fuentes de
alimentación
de
monitoreo
y
control
de
equipos
que
impactan
directamente con el proceso.
Estas cargas principalmente alimentan paneles de equipos, instrumentación de
terreno, PLC’s, monitores de sala de control y todo el sistema de control distribuido de
(DCS) de ambas plantas, para la normal operación de las plantas. Las cargas
denominadas críticas se alimentan localizadas por cada una de las UPS mientras que
las denominadas supercríticas pueden ser alimentadas desde cualquiera de las dos
ambas UPS mediante un interruptor estático (STS). En la figura 2.1 se puede apreciar el
diagrama en bloques del sistema.
5
Normal AC
entrada 380 VAC,
3 Φ, 50 Hz
Alternativa AC
entrada 380 VAC,
2 Φ, 50 Hz
Alternativa AC
entrada 380 VAC,
2 Φ, 50 Hz
380V-120 V
40 KVA
Cyberex
UPS-1
Normal AC
entrada 380 VAC,
3 Φ, 50 Hz
380V-120 V
STS
40 KVA
Cyberex
UPS-2
Banco Baterías
120 VDC
Banco Baterías
120 VDC
Cargas
Críticas
120 VAC, 1 Φ, 50 Hz
Cargas
Super
Críticas
Cargas
Críticas
120 VAC, 1 Φ, 50 Hz
120 VAC, 1 Φ, 50 Hz
Figura 2.1: Diagrama de bloques configuración UPS-1 y UPS-2
Luego de varios incidentes asociados a los bancos de baterías de las UPS y
otros asociados a falla en el funcionamiento de la UPS-1. Se evaluó reforzar la actual
configuración e instalar una tercera UPS en modo cascada.
El proyecto tuvo como objetivo principal la incorporación de una tercera UPS
designada como UPS-3 de 80 kVA marca Powerware modelo 9315 con salida trifásica,
conectándola en cascada a los 2 equipos de 40 kVA, trifásicos de 380VAC en su
rectificador y monofásicas de 120VAC en su línea alternativa. Para realizar esa nueva
configuración se conectó la salida trifásica de la UPS 3 a la entrada de los
transformadores bifásicos de energía alternativa de las UPS 1 y 2. Por lo anterior solo
se utilizaron 2 fases de la salida entregada por la UPS-3.
Por un lado, la idea fue contar con redundancia ante la eventualidad de que una
de las UPS de la primera línea falle ya que si esto ocurre, se traspasarán las cargas
supercríticas a la línea alternativa, la que hoy está alimentada por la UPS-3.
6
2.2.- SISTEMA ACTUAL
2.2.1.- Características técnicas de las UPS
Las instalaciones de Planta 1 y 2 cuentan con dos UPS de respaldo con entradas
de alimentación en forma independiente una de otra, y las salidas de cada UPS
alimentan un par de paneles de plantas 1 y 2, teniendo en común el neutro. Además de
alimentar estos paneles, las UPS 1 y 2, poseen unas cargas en común denominadas
cargas supercríticas, las que se alimentan mediante un interruptor estático adicional,
donde la UPS 1 actúa como alimentación primaria, y UPS 2 como alimentación
secundaria. La UPS-3 proporciona la alimentación alternativa para la UPS-1 y UPS-2,
en la figura 2.2 se muestra la configuración actual del sistema.
Figura 2.2: Configuración actual del sistema
7
Las características de las UPS son las siguientes:
UPS-1 y UPS-2:
Modelo
: 3T-40/1BF1M-5.
Rectificador/ Cargador
: 350 A DC
Salida UPS
: 40 kVA.
Tensión de entrada
: 380 VAC +/- 10%, 3 fases, 50Hz
Tensión de entrada alternativa
: 380 VAC 2 fases
Tensión entrada alternativa (sec. Transf.): 120 VAC 1fase, 50Hz
Tensión de salida
: 120 VAC, 1fase, 50Hz, 32kW (FP=0,8)
Tensión del bus DC
: 105-140 VDC
Desviación de frecuencia en alimentación alternativa: +/- 1,0 Hz (50 Hz)
UPS-3
Modelo
: Powerware 9315
Salida UPS
: 80 KVA
Tensión de entrada
: 400 VAC (340VAC a 440VAC), 3 fases, (50Hz)
Tensión de entrada alternativa: 400 VAC (340VAC a 440VAC), 3 fases, (50Hz)
Tensión de salida
: 400 VAC (375VAC a 420VAC), 3 fases, (50Hz)
Tensión del bus DC
: 480 VDC
Desviación de frecuencia en alimentación alternativa: +/- 0,5 Hz (50 Hz)
Límites de tensión en Bypass para sincronismo: +5%, -8% de tensión de salida
Regulación de frecuencia
: +/- 0,005Hz
Capacidad de sobrecarga
: 125% por 10 minutos, 150% por 10 segundos, 1000%
por 10 ciclos con bypass.
8
2.2.2.- Tipo y funcionamiento
Las UPS en las plantas de Methanex Chile Limited, son todas del tipo On-Line.
Su configuración en forma general se aprecia en la figura 2.3. Las UPS instaladas en
Methanex en la configuración paralelo, son de iguales características técnicas. Poseen
dos entradas, una normal y otra de by-pass de mantenimiento.
Figura 2.3: Sistema de bypass para retirarlas de servicio
En funcionamiento normal la entrada es del tipo trifásica 380 volts. Esta
alimentación de entrada es filtrada y rectificada. El rectificador además es utilizado
como cargador de las baterías. Esta energía continua proveniente desde el rectificador
se conecta con el inversor obteniendo una energía alterna sinusoidal, la que por medio
de un interruptor estático entrega la energía a las cargas. Este interruptor estático
transfiere automáticamente la carga a la fuente alternativa en una fracción de un ciclo
cuando la tensión del inversor caiga bajo los niveles pre-establecidos. Si la fuente de
energía continua se recupera a niveles normales, entonces el interruptor estático
restaura la carga al inversor. En la etapa final posee un interruptor de mantenimiento
manual.
9
La segunda fuente de alimentación, entrega energía alternativa en el interruptor
estático y al interruptor de mantenimiento. Esta fuente de alimentación alternativa se
encuentra sincronizada con el inversor.
La entrada normal es la que entrega la energía a las cargas y además carga
permanentemente las baterías. Cuando falla la fuente de alimentación normal, las
baterías comienzan a entregar energía a las cargas a través del inversor; si éstas se
agotan, el interruptor estático transfiere a la fuente alternativa. El interruptor de
mantenimiento es utilizado para alimentar directamente las cargas para intervención de
UPS ya sea reparación y/o mantenimiento.
En
caso
de
una
falla
del
inversor,
el
interruptor
estático
transfiere
automáticamente la carga al transformador de by-pass. Durante los periodos de falla de
la fuente de energía alterna, el inversor obtiene la energía del sistema de baterías para
suministrar una fuente de alimentación sin interrupción con la tensión especificada.
El interruptor de transferencia estático posee una lógica de control necesaria
para transferir las cargas de corriente alterna críticas a un by-pass de la fuente de
energía alterna (AC) bajo cualquiera de las siguientes condiciones:
•
Una sobrecarga del inversor
•
Un mal funcionamiento de cualquiera de los elementos
•
Al desconectar la UPS para un mantenimiento específico o para pruebas.
10
2.2.3.- Modos de Operación
Las UPS están diseñadas para operar como un sistema en línea distinguiéndose
las siguientes condiciones de operación:
Normal: La carga de corriente alterna (AC) crítica es suplida continuamente por el
inversor de la UPS. El rectificador/ cargador deriva la potencia desde el suministro de
energía alterna y suple energía continua al inversor, mientras se cargan en forma
simultanea las baterías de reserva.
Emergencia: Ante una falla del suministro de energía alterna, la carga de corriente
alterna crítica es suministrada por el inversor, el que obtiene la energía a través de las
baterías.
Recarga: Ante una restauración del suministro de energía alterna, el rectificador /
cargador automáticamente se restablecerá y cargará las baterías.
By-pass: Cuando la UPS debe ser sacada de servicio para mantención o pruebas, o si
ocurre una sobrecarga del inversor o un mal-funcionamiento dentro de la UPS, el
interruptor de transferencia automática transferirá la carga de energía alterna crítica
desde el inversor hacia la fuente by-pass de energía alterna.
11
2.2.4.- Distribución de cargas de plantas 1 y 2
Figura 2.4: Diagrama esquemático de UPS´s 1 y 2
La nomenclatura para indicar los paneles en planta 1 y 2 está dada por
identificación de Planta y número consecutivo de panel, además de una letra para
definir si es del tipo aislado o no aislado, a través de un transformador de aislación.
Los paneles denominados “A” son no aislados y los paneles “B” son aislados,
en los paneles críticos de planta 2 de cargas críticas, no poseen letra indicadores y no
son aislados.
12
Cuadro resumen de los paneles de Planta 1 y 2
Del diagrama esquemático de plantas 1 y 2 (figura 2.4) se nota que:
Los paneles demarcados en color rojo corresponden a Planta 1 y los paneles en
color azul corresponden a planta 2.
En el diagrama esquemático es posible apreciar que la UPS 1 alimenta en forma
normal a los paneles denominados “1” de ambas plantas y la UPS 2 alimenta los
paneles denominados “2” de plantas 1 y 2.
Los paneles “3A” y “3B” de ambas plantas normalmente son alimentados desde
UPS 1, y pueden, en forma alternativa, ser alimentados desde UPS 2.
Los paneles 1B y 2B de planta 1 y los paneles 1 y 2 de planta 2 poseen cargas
denominadas “críticas” y los paneles 3 A y 3B de ambas plantas poseen las cargas
denominadas “súper-Críticas”.
Las cargas “criticas”, para el caso de planta 1, son aquellas que poseen una sola
fuente de alimentación de energía o bien poseen un equipo paralelo de similares
características y/o equivalente. En el caso de la planta 2, son las cargas que poseen
doble alimentación y/o equipos paralelos.
Las cargas súper-críticas son denominadas de esa forma por su naturaleza al ser
13
equipos únicos de control en planta y que tienen relación con el proceso o con la
detención segura de las plantas siendo esenciales para la operación de estas.
En el anexo 4 se muestran los cuadros de carga asociados a las UPS-1 y USP-2.
2.3.- ANALISIS DE CONFIABILIDAD DE LA SITUACION ACTUAL
La confiabilidad de un sistema o equipo se relaciona con la idea de que la
probabilidad que dicho equipo o sistema permanezca en funcionamiento por un número
de horas (años) sin fallas sea alta. La norma británica BS 4778 (1991), la define como la
característica de un elemento de un equipo, de un equipo completo o de un sistema,
expresada por la probabilidad de que no falle, en condiciones nominales de operación,
en un período de tiempo establecido.
A continuación se mencionan una serie de incidentes para evaluar la
confiabilidad de acuerdo a esta información.
2.3.1.- Análisis de incidentes relacionados con UPS
Durante los últimos años, han ocurrido varios incidentes relacionados con las
UPS en el complejo productor de metanol de Methanex Chile, algunos de estos
incidentes han sido causados por intervención o falla humana y otros por falla en sus
componentes o sistemas auxiliares. Sin embargo, cualquiera sea la causa, el impacto
en la producción y costo económico por su reparación fue de consideración.
En esta sección se analizarán los incidentes más relevantes en los últimos años
14
Incidente nº 342: 17 de agosto 2001
Falla de sincronismo UPS por alta frecuencia en la barra de energía eléctrica
Costo: US $ 0
Descripción breve: Debido a movimientos de carga efectuados entre generadores a
raíz de la puesta en servicio de la unidad de co-generación 3GGT-703, se produce una
elevación de la frecuencia de la barra llegando a 50,5 Hz. siendo lo usual 50,2 Hz. Esta
nueva frecuencia provoca que los sistemas de respaldo de energía UPS salgan de
sincronismo lo que ante una eventual pérdida de la generación, provocaría la descarga
de las baterías y la pérdida del respaldo a equipos críticos mientras durara la
contingencia.
Causa:
1. La instrucción dada al personal del departamento de Producción sobre el modo
de comportamiento de los generadores en el nuevo esquema de trabajo no
profundizó en los temas. Los ajustes de frecuencia en la barra no son habituales,
por lo cual no se cuenta con la experiencia necesaria.
2. En la ingeniería no se considera una alarma común (common trouble) de UPS en
sala de control, siendo muchas las razones técnicas por las que se produce una
alarma en estas unidades.
3. El procedimiento PR-UT-P-PO-010 “Ajuste de parámetros en generadores”, en el
punto 5.1.7, cita como frecuencia normal un margen entre 50,0 Hz. y 50.9 Hz.
Luego, en el punto 5.2, define como frecuencia normal en la barra el margen
entre 50,0 y 50,5 Hz, lo que se contrapone con el punto precedente
15
Incidente nº 382: 10 de marzo 2002
Falla UPS 301
Costo: US $ 0
Descripción breve: Al efectuar el mantenimiento preventivo a los bancos de baterías
de la UPS-301, se encuentra una alarma en el panel local de la UPS e indicaba falla en
el inversor, lo que establecía que las cargas estaban alimentadas desde la fuente
alternativa. Ello implicaba que no se estaba contando con un respaldo de energía como
se había diseñado.
Incidente nº 376: 20 de diciembre 2002
Al realizar pruebas de carga del generador de emergencia 112J, se decide transferir el
centro de control de motores (EMCC-121) al generador 112-J
Costo: US $ 0
Descripción breve: El motor diesel de la unidad de emergencia 112-J, había sido
sometido a mantenimiento (overhaul) y estaba en etapa de prueba, es decir, se estaba
incrementando carga. Hasta el momento de ocurrido el evento su funcionamiento lo
realizaba con 500 KW y se requería llegar al menos a 600 KW (carga mínima acordada
para dejar en funcionamiento esta unidad durante el fin de semana):
Causa: Como carga disponible quedaban el centro de control de motores EMCC-121
(dentro de sus cargas está la UPS-1) y el centro de control de motores EMCC-122
(dentro de sus cargas está el motor 104-JA), ambos con aproximadamente 120 KW. Se
eligió transferir el EMCC-121.
Al transferir el EMCC-121 de energía normal a energía de emergencia (112-J), se
16
produce una caída del control del área de destilación por falla en la UPS-1 que alimenta
cargas críticas en la planta1.
Incidente nº CL000714: 15 de Enero 2003
Caída de Planta 1 por trabajos realizados en UPS-1
Costo: US $ 72.885
Descripción breve: Estando UPS-1 en modo de bypass, se estaban ejecutando
trabajos de medición para detección de la falla. Producto de la intervención se producen
variaciones en la tensión de alimentación de algunos equipos críticos, asociados a
UPS-1, que terminan provocando la detención (Trip) de Planta 1.
Causas:
1. Durante la puesta en servicio de la UPS-1se descubrió el problema del neutro
flotante y la solución propuesta por la empresa Kvaerner no pudo ser
implementada debido a que la planta 1 estaba en servicio y posteriormente la
planta 2 también.
2. La conexión de cargas a UPS durante la construcción de la planta 1 no se
adecuó a planos del proyecto, quedando el neutro flotante.
3. Los mantenimientos preventivos de equipos asociados a UPS no consideraban
buscar el problema del neutro flotante
4. Existía un conocimiento previo del problema del neutro flotante pero no se
visualizó el riesgo potencial que esta condición crea en los equipos asociados a
UPS.
17
5. Existiendo conocimiento del problema, no se evaluaron los riesgos y las
consecuencias que las mediciones podrían provocar, en caso de una
equivocación, al tener el sistema un neutro flotante.
6. Se apresuró la venida de un proveedor y no se planificó trabajo con bastante
antelación.
7. Se atendieron 2 trabajos críticos eléctricos simultáneamente, a pesar de no tener
relación. Había falta de recursos o los recursos se dividieron, se podría haber
planificado para detención de planta (Shutdown), se concluye que es buena
práctica no hacer 2 trabajos críticos a la vez.
Incidente nº 252: 16 de septiembre 2003
Falla UPS 552 al reponer el interruptor del panel de trazados de calor (HTP-536) en el
centro de control de motores del muelle
Costo: US $ 250
Descripción breve: Al estar trabajando en el tendido de cables para el proyecto muelle
2 dentro del edificio de centro de control de motores (MCC) del muelle, se encuentra
interruptor del panel de trazados de calor HTP-536 del MCC 523 (edificio 2201-K) en la
posición de falla, este interruptor alimenta circuitos de trazados de calor para líneas.
Al reponer el interruptor no cerró de forma normal. Esto provocó una baja de
tensión en la barra del centro de control de motores (MCC). Debido a esta condición la
UPS-552 se transfirió a baterías. (Esto se determinó después de realizar mediciones en
los circuitos).
El personal no advierte que la UPS se había transferido sin perder la presencia
de la alimentación normal, se realiza un nuevo intento de cierre del interruptor del HTP536, tampoco es posible el enclavamiento del interruptor. Debido a los continuos
18
intentos, la barra de 380V generaba inestabilidad en la tensión de entrada a la UPS, lo
que no permitía que esta volviera a su condición normal. Durante todo este tiempo, son
las baterías las que aportaban energía a las cargas hasta que en uno de los intentos la
UPS simplemente dejó de entregar tensión de salida producto de protecciones internas
que operaron.
La pérdida de energía de la UPS 552 hacia las cargas, afectó al panel de
alimentación DP-UPS 303 que alimenta al controlador lógico programable PLC-308 y al
sistema de control de transferencia energía alternativa ENAP-Methanex. Esta pérdida
de energía también deja fuera de servicio la unidad de electroclorinación.
Incidente n°157: 4 de noviembre 2003
Caída de UPS muelle
Costo: US $ 300
Descripción breve: Operador de consola informa de pérdida de comunicación con
PLC-308, caída de servicio de planta de electroclorinación, área se encuentra sin
iluminación, interruptor automático de transferencia (ATS) Methanex / ENAP
inoperativo, se verifica UPS y se observa que ésta se encuentra con indicación de
alimentación de entrada apagada, 100% baterías cargadas, e indicación de partida
manual requerida.
19
Incidente CL00833: 30 de noviembre 2003
Daño en inversor de UPS-1
Descripción breve: Se daña inversor de UPS-1 durante la secuencia de detención
(shutdown), de acuerdo a procedimiento.
Costo: US $ 900
Causas:
1. A pesar de que existe procedimiento que indica los pasos a seguir para dejar
fuera de servicio UPS, se cometió un error en la secuencia la que generó un
daño interno en el rectificador del inversor.
2. No es habitual el manipular las UPS y dejarlas fuera de servicio debido a su
criticidad como equipo y por las cargas que éstas tienen involucradas con directo
impacto en el proceso.
Incidente CL001223: 12 de junio 2004
Falla de UPS-1
Costo: US $ 2.443
Descripción breve: Durante el turno de noche, un condensador de uno de los módulos
del inversor falla, provocando transferencia de la UPS a energía alternativa.
Causa:
1. Para el mantenimiento programado (Turnaround) de Agosto 2004, se requerían
condensadores originales para el mantenimiento, los que no estaban disponibles,
sin embargo se optó por unidades alternativas aprobadas por el proveedor
20
(Cyberex) que estaban disponibles en el proveedor RS Santiago. Uno de los
condensadores falló luego de 3 meses de instalados.
Incidente CL001187: 10 de noviembre 2004
Descoordinación en desenergización de UPS-551
Costo: US $ 0
Descripción breve: Se requiere dejar fuera de servicio UPS-551 para realizar cambios
de parámetros en su configuración. Para ejecutar el trabajo antes mencionado se
coordinó con el departamento de Producción para detener en forma programada los
equipos alimentados con esta energía, no contemplándose el computador ubicado en
la caseta de control del muelle dos.
Causa: No es práctica habitual dejar fuera de servicio
unidades de respaldo de
energía eléctrica (UPS).
Incidente CL001276: 13 de enero 2005
Falla de fusible de una línea de baterías de UPS-3
Costo: US $ 300
Descripción breve: Luego de la actividad de reubicación de los cables de alimentación
de las líneas de baterías de la UPS-3, se inicia el proceso de normalización, en esta
etapa al instalar el fusible del banco de baterías, se observa que ésta operado, no
pudiendo con ello energizar la línea 1, lo que demora la entrega del equipo.
21
Causa: No se evalúa la tensión nominal del banco 540Vdc v/s la tensión de diseño del
fusible instalado 500Vdc
Incidente CL001369: 13 de abril 2005
Demora en entrega de equipo UPS 3
Costo: US $ 2.000
Descripción breve: Al producirse falla interna en tarjeta controladora de UPS-551, las
cargas asociadas quedan sin energía (panel de control local de brazos de carga Muelle
1, panel de control de panel de brazos de carga Muelle 2, panel de control local de
planta electroclorinación, circuito de control a iluminación muelle 2, PLC 306 entre
otros), creando confusión en personal de Methanex y ENAP.
Causa: Durante mantenimiento realizado el 14 de agosto del 2004, se advierte falla en
tarjeta controladora por lo que se recomienda su cambio, al no existir en bodega se
realizan las gestiones para su compra, sin embargo, no se genera la orden de trabajo
para el cambio.
Incidente CL001688: 30 de Agosto 2005
Caída de 3X-614 durante trabajos de UPS-301
Costo: US $ 4.000
Descripción breve: Durante los trabajos de Implementación del interruptor de bypass
externo para la UPS-301 ejecutado en el mantenimiento programado (Turnaround) de
planta III, y mientras se normalizaba el conexionado de alimentaciones provisorias que
22
se implementaron para mantener en servicio equipos e instrumentos que el proceso
requería, se desenergiza el panel de control de la caldera 3X-614 antes de lo
previamente establecido, originando la detención de ésta unidad, la cual se encontraba
con 19 toneladas de vapor y alineada al cabezal de vapor.
Causa: Dado que el trabajo mayor por parte de mantenimiento ya se había realizado,
el proceso de normalización de las cargas eléctricas se trató de finalizar
lo antes
posible. Esto llevó a no realizar una buena identificación de cables desenergizando en
forma errónea un alimentador provisorio.
Incidente CL001824: 28 de Diciembre 2005
Sobrecalentamiento de banco baterías Nº 1 de UPS-1
Costo: US $ 4.000
Descripción breve: Durante el mantenimiento realizado a las baterías de la UPS- 3 se
detecta que varias de estas presentan valores de impedancia fuera de los márgenes
permitidos. (Agosto 2005). Se realizó reclamo a la empresa que vendió las baterías
debido a que las baterías eran relativamente nuevas (4 años en baterías de 10 años de
duración), el cual fue aceptado. (Septiembre 2005)
Causa: No se realizó adecuado mantenimiento al sistema de aire acondicionado HVAC
De los incidentes mencionados, se presenta un gráfico resumen de los costos
totales relacionados con los incidentes anteriormente descritos, la idea es utilizar la
estadística de costos por fallas en UPS, para justificar la propuesta de respaldo de UPS
en modo cascada.
23
Costo US$
80.000
Costo Incidentes UPS
72.885
70.000
60.000
52.511
50.000
40.000
30.000
20.000
10.000
250
900
300
100
4.000
2.000
2.243
300
100
100
100
0
10-Mar-02 20-Dec-02 15-Jan-03 16-Sep-03
4-Nov-03
30-Nov-03 10-Nov-04
6-Dec-04
13-Jan-05 14-Jan-05
5-Apr-05
30-Aug-05 28-Dec-05
Figura 2.5: Costos de incidentes
2.3.2.- Análisis de disponibilidad y confiabilidad de las UPS
Los análisis de disponibilidad y confiabilidad están ligados a sistemas que ya
están en funcionamiento debido a que se requiere conocer el historial de
comportamiento, es decir, las fallas que hayan tenido en un determinado periodo de
manera de conocer la disponibilidad observada y que tan confiable es a un tiempo
definido.
La disponibilidad está dada por:
Disponibilidad =
TMPF
* 100%
(TMPF + TMPR)
Donde:
TMPF = Tiempo medio entre fallas del sistema (Historia de fallas)
TMPR = Tiempo medio entre reparación del sistema (el tiempo que se demoró en
dejarlo operativo nuevamente).
24
Mientras que la confiabilidad está dada por:
−
R( t ) = e
t
TMPF
Donde:
R(t ) = Confiabilidad en % (Probabilidad que tiene un sistema a no fallar)
t = Tiempo medido para un misión determinada
TMPF
= Tiempo medio entre fallas de sistemas (Historia de fallas)
De acuerdo a los datos obtenidos tales como fecha de la falla y cuando se reparó
para la entrega del equipo al sistema, en la tabla 2.1 en se registran fechas y datos para
analizar y calcular los tiempos medios para fallar (TMPF) y los tiempos medios para
reparar (TMPR).
Fecha falla
Falla 1
Falla 2
Falla 3
Falla 4
Falla 5
Falla 6
Falla 7
Falla 8
Falla 9
Falla 10
Falla 11
Falla 12
Falla 13
10-Mar-02
20-Dec-02
15-Jan-03
16-Sep-03
4-Nov-03
30-Nov-03
10-Nov-04
6-Dec-04
13-Jan-05
14-Jan-05
5-Apr-05
30-Aug-05
28-Dec-05
Fecha reparación
01-01-02
11-Mar-02
23-Dec-02
18-Jan-03
17-Sep-03
5-Nov-03
3-Dec-03
11-Nov-04
7-Dec-04
14-Jan-05
15-Jan-05
6-Apr-05
31-Aug-05
29-Dec-05
Promedio
2002
2003
2004
2005
Tiempo medio
para fallar (días)
TMPF
68
284
23
241
48
25
343
25
37
0
80
146
119
111
176
84
184
76
Tabla 2.1: Historial de fallas del sistema
Tiempo medio para
reparar (dias)
TMPR
1,00
3,00
3,00
1,00
1,00
3,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,46
25
Con estos antecedentes y considerando la formula para estimar la disponibilidad
Disponibilidad =
TMPF
* 100%
(TMPF + TMPR)
de
las
UPS,
podemos
decir
que
la
disponibilidad obtenida en base a los promedios generales de TMPF y TMPR es la
siguiente:
Disponibilidad
=
111
111+1,46
* 100% =
98,70%
Podemos interpretar de acuerdo al historial de fallas de los equipos de UPS, que
la disponibilidad es de un 98,70%, valor bastante bueno si consideramos que estamos
refiriéndonos a equipos de respaldo de cargas importantes que tienen que ver con el
proceso de producción y que los estándares internacionales consideran un 85% como
promedio y un valor mayor al 97% para las organizaciones de clase mundial.
Por otro lado la confiabilidad de las unidades evaluadas y de acuerdo a la
−
formula R( t ) = e
t
TMPF
la cual en base a una función del tiempo (días), se obtiene la
planilla que se representa la tabla 2.2 y que nos permite graficar la confiabilidad
proyectada en el tiempo o confiabilidad probable.
El tiempo medio entre falla obtenido de 111 días muestra que el sistema puede
volver a tener falla en ese tiempo. Por otro lado si observamos en la tabla 2.2, a los 112
días el sistema en forma global tendrá una confiabilidad proyectada de 36.36% por lo
que las probabilidades que el sistema falle nuevamente al día 112 son de un 63.64%.
26
Global
R(t)
93,03%
86,54%
80,51%
74,89%
69,67%
64,81%
60,30%
56,09%
52,18%
48,54%
45,16%
42,01%
39,08%
36,36%
33,82%
31,46%
29,27%
27,23%
25,33%
23,56%
21,92%
20,39%
18,97%
17,65%
16,42%
t
8
16
24
32
40
48
56
64
72
80
88
96
104
112
120
128
136
144
152
160
168
176
184
192
200
2002
R(t)
95,56%
91,31%
87,25%
83,38%
79,67%
76,13%
72,75%
69,51%
66,43%
63,47%
60,65%
57,96%
55,38%
52,92%
50,57%
48,32%
46,18%
44,12%
42,16%
40,29%
38,50%
36,79%
35,15%
33,59%
32,10%
2003
R(t)
90,94%
82,70%
75,21%
68,40%
62,20%
56,57%
51,44%
46,78%
42,55%
38,69%
35,19%
32,00%
29,10%
26,46%
24,07%
21,89%
19,90%
18,10%
16,46%
14,97%
13,61%
12,38%
11,26%
10,24%
9,31%
2004
R(t)
95,75%
91,67%
87,77%
84,04%
80,46%
77,04%
73,76%
70,62%
67,62%
64,74%
61,99%
59,35%
56,82%
54,41%
52,09%
49,87%
47,75%
45,72%
43,78%
41,91%
40,13%
38,42%
36,79%
35,22%
33,72%
2005
R(t)
90,06%
81,11%
73,04%
65,78%
59,24%
53,35%
48,05%
43,27%
38,97%
35,09%
31,61%
28,46%
25,63%
23,09%
20,79%
18,72%
16,86%
15,19%
13,68%
12,32%
11,09%
9,99%
9,00%
8,10%
7,30%
Tabla 2.2: Proyección de confiabilidad del sistema
Global 2002-2005
R(t)
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
8
32
56
80
104
128
152
176
200
Figura 2.6: Tendencia global de confiabilidad en cuatro años
t
27
R(t)100%
Global 2002-2005
2002
2003
2004
2005
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
8
32
56
80
104
128
152
176
200
t
Figura 2.7: Tendencia de confiabilidad anual
De las tendencias podemos observar que los años 2003 y 2005 presentan una
menor confiabilidad, esto se explica por la mayor cantidad de fallas que se registraron
en esos periodos.
Por otra parte si analizamos con la misma metodología anterior, pero esta vez
solo a la UPS-1, los resultados son:
Fecha falla
Falla 1
Falla 2
Falla 3
Falla 4
20-Dec-02
15-Jan-03
30-Nov-03
6-Dec-04
Fecha reparación
01-01-02
23-Dec-02
18-Jan-03
3-Dec-03
7-Dec-04
Promedio
2002
2003
2004
Tiempo medio
para fallar (días)
TMPF
353
23
316
369
82
353
170
369
Tabla 2.3: Historial de fallas en UPS-1
Tiempo medio para
reparar (días)
TMPR
3,00
3,00
3,00
1,00
0,77
28
Aplicando la misma fórmula de disponibilidad y graficando esta, podemos
interpretar de acuerdo al historial de fallas de la UPS-1, su disponibilidad alcanza un
99,70%, valor superior al analizado en forma grupal.
Disponibilidad
=
82
82 + 0,77
* 100%
=
99,70%
Como se observa en la tabla 2.4, el año 2003 es el periodo donde ocurrieron
mayor cantidad de fallas que se refleja en una menor confiabilidad.
t
8
16
24
32
40
48
56
64
72
80
88
96
104
112
120
128
136
144
152
160
168
176
184
192
200
Global
R(t)
90,66%
82,20%
74,52%
67,56%
61,26%
55,54%
50,35%
45,65%
41,39%
37,52%
34,02%
30,84%
27,96%
25,35%
22,99%
20,84%
18,89%
17,13%
15,53%
14,08%
12,77%
11,57%
10,49%
9,51%
8,62%
2002
R(t)
97,76%
95,57%
93,43%
91,33%
89,29%
87,29%
85,33%
83,42%
81,55%
79,72%
77,94%
76,19%
74,48%
72,81%
71,18%
69,59%
68,03%
66,50%
65,01%
63,56%
62,13%
60,74%
59,38%
58,05%
56,75%
2003
R(t)
95,39%
90,99%
86,80%
82,80%
78,98%
75,34%
71,86%
68,55%
65,39%
62,38%
59,50%
56,76%
54,14%
51,65%
49,26%
46,99%
44,83%
42,76%
40,79%
38,91%
37,11%
35,40%
33,77%
32,21%
30,73%
2004
R(t)
97,86%
95,76%
93,70%
91,69%
89,73%
87,80%
85,92%
84,08%
82,27%
80,51%
78,78%
77,09%
75,44%
73,82%
72,24%
70,69%
69,17%
67,69%
66,24%
64,82%
63,43%
62,07%
60,74%
59,43%
58,16%
Tabla 2.4: Proyección de confiabilidad de la UPS-1
29
R(t)100%
Global 2002-2005
2002
2003
2004
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
8
32
56
80
104
128
152
176
200
t
Figura 2.8: Tendencia de confiabilidad en UPS-1
En la figura 2.8 se aprecia claramente que el periodo 2003 fue el más bajo.
2.3.3.- Criterio de respaldo del sistema actual
Mediante el método de criterio de respaldo para la confiabilidad de sistemas,
podemos conocer el criterio que posee la actual configuración del sistema de UPS. Los
criterios de respaldo para la confiabilidad de sistemas se utilizan para determinar el
comportamiento de un sistema ante determinadas situaciones, logrando con ello tener
una visión clara en forma simple de la confiabilidad de dicho sistema y determinar si
requiere mejoras para aumentar su respaldo.
30
Para recordar la configuración actual se muestra en la siguiente figura:
Las cargas actuales de las UPS 1 y 2 son las siguientes:
ƒ
UPS-1 mantiene una carga de 25 kVA, incluidas las cargas supercríticas
ƒ
UPS-2 mantiene una carga de 16 kVA, aumentando a 27 kVA cuando respalda
las cargas supercríticas.
Condiciones:
ƒ
La instalación está compuesta por 3 UPS, las dos primeras unidades de 40
kVA respaldan cargas en forma independientes y la tercera de 80 kVA
respalda ambas unidades.
ƒ
La unidad 1 respalda los sistemas de control de planta 1, mientras que la
unidad 2 respalda los sistemas de control de la planta 2.
31
ƒ
Un interruptor estático de transferencia es el medio para respaldar solo los
paneles de cargas supercríticos entre las unidades 1 y 2, de manera que el
respaldo no es total entre ambas unidades.
ƒ
La unidad 3 respalda las cargas de las otras dos unidades.
Criterio respaldo:
De los ejercicios de criterio de respaldo se puede apreciar que la mejor condición de
respaldo es N+1, esto se explica ya que al no existir un 100% de respaldo entre las
unidades 1 y 2, el criterio se reduce a N+0 mientras la unidad 3 se encuentre en
mantenimiento, no tolerando la falla de alguna de las otras unidades.
32
CAPITULO III
DESARROLLO DEL SISTEMA DE RESPALDO
La propuesta para un sistema de respaldo se basa en mejorar la confiabilidad,
dos componentes de un sistema se consideran conectados en paralelo, en términos de
confiabilidad, cuando la falla de uno no ocasiona la falla del sistema, el que, por el
contrario continúa funcionando normalmente. El sistema que se propone es para ser
implementado en la planta 2, es decir, pretende dejar dos sistemas de UPS
independientes entre las plantas 1 y 2 por lo que la configuración del sistema actual se
dejará exclusivamente para planta 1. Por el contrario el sistema de respaldo de la planta
2 propone incorporar equipos nuevos.
3.1.- SISTEMA DE UPS EN CASCADA Y SISTEMA DE BYPASS PARA
RETIRARLAS DE SERVICIO.
La nomenclatura de las UPS a presentar en el desarrollo de este capítulo y
manteniendo la configuración ya instaurada en las instalaciones del complejo de
Methanex, serán mencionadas en el desarrollo de este trabajo como UPS-201, UPS202 y UPS-203
En este tipo de configuración, la UPS-201 y la UPS-202, respaldarán las cargas
de aquellos equipos que posean sistema de alimentación de fuentes redundantes. La
redundancia de fuentes consiste en un arreglo de dos fuentes de alimentación
denominadas fuente primaria y fuente secundaria. Por ejemplo un PLC que controla un
turbogenerador posee fuentes redundantes lo que significa que es alimentado por la
33
fuente primaria y ante una falla de esta, la carga se transfiere a la fuente secundaria,
manteniendo el PLC funcionando.
En la configuración propuesta (ver figura 3.1) la UPS-203 será la que respalde a
las UPS-201 y UPS-202.
Figura 3.1: Sistema de UPS en cascada
Por otra parte, se propone implementar un sistema de bypass (figura 3.2) que
permita sacar una UPS fuera de servicio de manera simple permitiendo realizar el
mantenimiento sin hacer peligrar el óptimo funcionamiento del sistema. Esta condición
que forma parte de esta propuesta será aplicada a las 3 UPS.
34
Figura 3.2: Sistema de bypass para retirarlas de servicio
3.2.- DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
El desarrollo del sistema de respaldo está orientado a independizar las cargas de
las UPS-1 y UPS-2 para otorgar una mayor confiabilidad operacional del sistema de
respaldo de UPS, lo que significa que el sistema propuesto se aplicará a las cargas de
la planta 2 para tener un sistema independiente para dicha planta.
35
3.2.1.- Selección de las UPS
De acuerdo a la revisión de la situación actual del sistema de respaldo de UPS y
las cargas que son alimentadas por la UPS-2, se detallan en la tabla 3.1 los paneles
asociados a la planta 2.
POTENCIAS DE LOS PANELES
UPS-II-1
UPS-II-2
UPS-II-3A
UPS-II-3B
TOTALES
Potencia nominal
instalada (Watts)
21208
21769
11721
7830
62528
CORRIENTES DE LOS PANELES
UPS-II-1
UPS-II-2
UPS-II-3A
UPS-II-3B
TOTALES
Potencia total con Potencia total
factor de diversidad medida (VA)
0.65
13785
7176
14150
7608
7619
1512
5090
3876
40644
20172
Corrientes
calculadas por
potencia instalada
Corrientes
calculadas con
diversidad
Corriente medida
(I0)
177
181
98
65
521
115
118
64
42
339
59.8
63.4
12.6
32.3
168.1
Tabla 3.1: Carga de paneles asociados a planta 2
El diseño de la propuesta se realizará en base a 3 UPS de acuerdo a las siguientes
potencias:
•
Dos unidades de 15 KVA
•
Una unidad de 30 KVA para el respaldo de las dos primeras.
Se considerará distribuir dos paneles para cada UPS y considerando dejar
equilibradas las cargas para cada UPS, la distribución se muestra en la tabla 3.2. Las
UPS que se proponen para la implementación del sistema de respaldo serán de marca
Cyberex; esto responde principalmente a que en el complejo Methanex se utiliza esta
marca como estándar para aquellas UPS que están directamente relacionadas con el
36
proceso productivo. Además, permite reducir la cantidad de repuestos en stock gracias
a la compatibilidad.
CARGA UPS-201
Potencia nominal
instalada (Watts)
UPS-II-1
UPS-II-3B
TOTALES
Potencia total con
factor de diversidad
0.65
13785
5090
18875
Potencia total
medida (VA)
Potencia nominal
instalada (Watts)
Potencia total con
factor de diversidad
0.65
Potencia total
medida (VA)
21769
11721
33490
14150
7619
21769
7608
1512
9120
21208
7830
29038
CARGA UPS-202
UPS-II-2
UPS-II-3A
TOTALES
7176
3876
11052
Tabla 3.2: Distribución de paneles a UPS
Para una adecuada selección, considerando tanto los antecedentes de la situación
actual, como la información técnica de la UPS que hoy utiliza la planta II, se revisan las
alternativas de equipos que entrega el fabricante de manera de elegir aquellos que se
adecuen a las necesidades.
Cyberex provee equipos que van desde 10 kVA hasta 150 kVA, que
constructivamente son similares y que difieren en los requerimientos técnicos de los
clientes. De acuerdo con las necesidades la configuración que satisface los
requerimientos es la que se aprecia en la figura 3.3.
37
Figura 3.3: Configuración típica de las UPS Cyberex
Para la adecuada selección de las UPS de 15 kVA y 30 kVA, se utiliza la guía de
selección de UPS proporcionada por la Cyberex, mostrada en el anexo 5. En esta guía
se puede obtener la información técnica estándar y las especificaciones opcionales de
selección de acuerdo a lo que se requiere.
3.2.2.- Cargas del sistema
Es necesario cuantificar las potencias de la carga y saber con precisión la
intensidad de corriente, para determinar una adecuada protección y conocer la potencia
que deberá suministrar la tercera UPS. De acuerdo con los datos de los paneles, en la
tabla 3.3 se presenta un resumen de las cargas para realizar los cálculos
correspondientes.
38
CARGAS
Designación MEDICION DE
POTENCIA TOTAL (VA) POTENCIA TOTAL POR
CORRIENTE (A)
MEDICIONES (W) FP=0,9
CARGAS
UPS-201
PUPS 201
92.1
11052
9947
CARGAS
UPS-202
PUPS 202
76
9120
8208
CARGAS
TOTALES
PC arg as
168.1
20172
18155
Tabla 3.3: Resumen de cargas de las UPS
La suma de las cargas de UPS-201 y UPS-202, es la potencia que debe entregar UPS203, para lo cual se debe tener en cuenta las pérdidas en dos partes:
1.- Pérdidas en el Inversor de UPS-3
2.- Pérdidas en el transformador 380/120V en las UPS-201 y UPS-202
Las pérdidas en el inversor de UPS-203, se consideran en un 15% de acuerdo a
las especificaciones del fabricante y las pérdidas en el transformador se cuantifican en
un 5%, valor típico de pérdidas de un transformador según información del proveedor
de UPS Cyberex.
Con ello, la potencia que debe entregar la UPS-203 (en la Salida), es de:
PC arg as + Pérdidas = PC arg as *1,05 = 18155 *1,05 = 19063
Watts
La potencia nominal de la UPS-203 es de 30 kVA por lo que de acuerdo a los
cálculos la potencia que debe suministrar en el peor de los casos es de 19.06 kW con
las cargas de las otras UPS.
39
La potencia máxima en watts, para un factor de potencia =0,8 está dada por:
PMax = 30000 * 0.8 = 27000
Watts
Por lo que el porcentaje de trabajo de la UPS-203 será:
PC arg as + Pérdidas
PMax
× 100% =
19063
× 100% = 70,6%
27000
El porcentaje de carga entonces será de un 70.6 % para la UPS-203. Como
antecedente, las UPS Cyberex permiten hasta un 50% de sobrecarga sobre su
capacidad nominal. Como antecedente el aumento de carga máxima está dado por:
ΔP ≤ PMáx * 1,5 − PC arg a + Pérdidas
Corrientes de las UPS
Para calcular la corriente, se deben considerar las pérdidas en los
transformadores de la alimentación alternativa, que es de un 5% (según proveedor de
UPS Cyberex).
La corriente se calcula como sigue:
IL =
S
*1,05 , donde VL = 380Volts
VL
De acuerdo a la expresión la corriente en alternativo de la UPS-201 es:
ILUPS 201 =
11052
* 1,05 = 30.6 Amperes
380
40
Para el caso de la corriente de la UPS-202 en alternativo es:
ILUPS 202 =
9120
* 1,05 = 25.2 Amperes
380
Por otro lado se sabe que la UPS-203 suministra potencia a las otras dos UPS, por lo
que su corriente total es la suma de ambas UPS:
I OutUPS 203 = I LUPS 201 + I LUPS 202 = 55.8 Amperes
Flujos de corriente
Los flujos de corrientes se calculan para potencias máximas, esto con el fin de
dimensionar el sistema ya sea en cuanto a cableado y protecciones. A continuación se
muestra el flujo de corriente máxima en base a los cálculos efectuados.
Figura 3.4: Flujos de corriente máximos
41
Caída de tensión en las líneas
Se debe considerar la caída de tensión en las líneas ya que es un factor que
influye para el correcto funcionamiento de la UPS. Para efectos de cables de
alimentación de las UPS se utilizarán cable armado calibre 2/0 AWG, que tienen una
caída de 0,64 V/10 mts, y la distancia desde los MCC de planta 1 y planta 2, es de 400
mts.
La caída de tensión (considerando la caída de 0,64V/10mt según tabla) es:
ΔV =
( )
0,64 V
× 400mt = 25,6V
mt
10
Luego la variación de tensión es de un - 6,73% para la tensión de entrada de 380 Volts.
Otra alternativa es un cable armado de sección 4/0 AWG, el que posee una caída de
tensión de 0,55V/10mt (valor tabla).
La caída de tensión se expresa por:
ΔV =
( )
0,55 V
× 400mt = 22,0V
mt
10
La variación de tensión es de un - 5,78% y tiene una capacidad mayor de
corriente. Para alimentar las UPS, tanto de energía normal como alternativa, es
recomendable utilizar este último tipo de cable.
42
3.2.3.- Sistema de tableros de transferencia
Para sacar de servicio totalmente las UPS, se requiere utilizar tableros de
transferencia que permitan aislarlas completamente con el objeto de poder realizarles
mantenimiento o permitir incluso reemplazarlas sin afectar sus cargas asociadas, para
ello se requiere que el sistema de cargas sea independiente de las UPS; el sistema de
traspaso propuesto es un tablero (ver figura 3.5)
compuesto de un transformador,
interruptores y un switch para efectuar el bypass de las UPS, dichos tableros para el
desarrollo del sistema de transferencia se denominarán:
•
TC- TRANSFER-201, tablero de transferencia de la UPS-201
•
TC- TRANSFER-202, tablero de transferencia de la UPS-202
•
TC- TRANSFER-203, tablero de transferencia de la UPS-203
Los transformadores de bypass de aislación de las UPS para la energía alternativa se
estiman de acuerdo a la potencia de las UPS, es decir, 15 kVA y 30 kVA, éstos se
denominarán:
•
TR-ALT-201, transformador de energía alternativa UPS-201
•
TR-ALT-202, transformador de energía alternativa UPS-202
•
TR-ALT-203, transformador de energía alternativa UPS-203
43
Figura 3.5: Tablero de transferencia de las UPS
Interruptores automáticos del tablero de transferencia
La elección de los interruptores automáticos se estima en base a la potencia del
transformador de aislación, que es de 15 kVA y 30 kVA a 120 volts respectivamente.
La corriente para las UPS 201 y 202 es:
IL =
S (kVA) 15000
=
= 125
VL
120
Amps
Luego, la corriente para las UPS 203 es:
IL =
S (kVA) 30000
=
= 250
VL
120
Amps
44
Los automáticos que componen el tablero TC-TRANSFER, se muestran en la tabla 3.4:
ITEM
Alimentación
CB-1 TR-ALT
CB-2 UPS OUT
CB-3 UPS IN
Automático
UPS 201/202 UPS 203
50 A
90 A
125 A
250 A
125 A
250 A
Tabla 3.4: Automáticos del tablero transferencia
Interruptor de bypass externo
El interruptor de bypass es el componente más importante del tablero de
transferencia debido a que su función es permitir aislar completamente la UPS del
sistema y así alimentar las cargas a través del transformador de bypass. La
característica importante del interruptor de bypass es que permite realizar la
transferencia de las cargas con la UPS funcionando por lo que las cargas no se ven
afectadas.
El interruptor de bypass externo considera tres modos de operación:
•
Modo normal: Cuando el interruptor de bypass se encuentra en la posición
normal, las cargas se alimentan directamente desde la UPS a través del inversor.
•
Modo bypass: Con el interruptor en posición de bypass las cargas se alimentan
desde la UPS a través de su línea de energía alternativa, es decir, las cargas
aún fluyen por el interior de la UPS.
•
Modo bypass aislado: Cuando el interruptor de bypass externo se encuentra en
la posición de bypass aislado, las cargas están totalmente aisladas de la UPS y
alimentadas a través del transformador de bypass.
45
Pruebas de interruptor de bypass externo
A partir del interruptor de bypass propuesto, se realizaron pruebas de
funcionalidad y mediciones en un interruptor de similar al propuesto.
Para estas
pruebas se utilizó un osciloscopio con el fin de graficar las transiciones de los contactos
durante la operación de transferencia; estas mediciones se muestran a continuación.
Transición de normal a bypass
En la figura 3.6 se observan los puntos de comparación muestreados para
registrar las señales de tensión y corriente.
Figura 3.6: Puntos de medición en condición normal
El canal CH1 corresponde a la tensión de entrada a UPS, y el canal CH2
corresponde a la tensión en las cargas.
46
Figura 3.7: Oscilograma de tensiones durante transición a bypass
En la figura 3.7 se puede apreciar que no existe perturbación en la tensión de la
carga cuando se efectúa la transferencia de normal a bypass.
Antes de realizar la transferencia (BYPASS), las cargas eran alimentadas desde
UPS mediante el interruptor A1; A6, y al momento de realizar la transferencia, las
cargas se alimentan directamente desde el transformador de alimentación alternativo,
señal que está representada por el canal CH2.
En la figura 3.8, se observa el traspaso de las cargas hacia la fuente UPS.
Figura 3.8: Oscilograma de corrientes durante transición
47
En este caso CH3 es la corriente que fluye hacia UPS, y CH4 es la corriente vista
en las cargas. Se observa que antes de realizar la transferencia la corriente que fluye
hacia UPS es la misma que se ve reflejada en la carga, también se observa cómo fluye
la corriente hacia UPS al momento de realizar el bypass, la que se va a cero en el
instante de accionar el interruptor.
Transferencia bypass-bypass aislado
Figura 3.9: Puntos de medición en condición bypass
A continuación se observa las siguientes curvas de tensión en ambos puntos en
el transcurso de la transferencia de bypass a bypass aislado mediante el interruptor de
bypass externo.
48
Figura 3.10: Oscilograma de tensiones durante transición a bypass aislado
Se observa que al momento de empezar a girar el interruptor la tensión en UPS
se desconecta, dado a que se abren los contactos A3; A6 (ver figura 3.10), y que la
tensión en las cargas no sufre perturbaciones.
Figura 3.11: Puntos de medición durante transición a bypass aislado
49
Transferencia bypass aislado-bypass
Los canales 1 y 2 se mantienen conectados en los mismos puntos a la espera de
observar la misma señal. En el siguiente oscilograma se observan las curvas de tensión
en ambos puntos en el transcurso de la transferencia de bypass aislado a bypass en el
interruptor de bypass externo.
3.12: Oscilograma de tensiones durante transición a bypass
Se puede apreciar como se comporta la tensión de energía alternativa de la UPS (CH1).
50
Transferencia bypass-normal
Figura 3.13: Puntos de medición durante transición a normal
Figura 3.14: Oscilograma de tensiones durante transición a normal
Se puede apreciar que no existe un desfase entre las señales de tensión de
ambos puntos (CH1 y CH2), y que al momento de hacer el traspaso a NORMAL, las
señales de tensión se mantienen dentro de los mismos parámetros, no existiendo
perturbación alguna en la carga. Antes de realizar la transferencia (BYPASS), las
cargas eran alimentadas directamente desde el transformador de alimentación
alternativa mediante el interruptor por los contactos A2; A5, y al momento de realizar la
51
transferencia, las cargas pasan a ser alimentadas desde la salida de UPS, señal que
está representada por el canal CH1. A continuación en la figura 3.15, se observa el
traspaso de las cargas hacia la fuente UPS.
Figura 3.15: Oscilograma de corriente durante transición a normal
En este caso CH3 es la corriente que fluye hacia UPS, y CH4 es la corriente vista
en las cargas. Como se observa según en la figura 3.15, la corriente en las cargas al
momento de hacer la transferencia no tiene perturbaciones, por lo que en la carga no
existen efectos nocivos al hacer la transferencia. Se observa también cómo fluye la
corriente hacia la UPS al momento de realizar la transferencia. La diferencia que se
observa entre la señal de corriente que entra UPS y la señal de corriente en las cargas
(Es la misma corriente de salida de UPS) es producida por el consumo de cargas
internas de UPS (sistemas de medición y control, etc.)
Considerando que los resultados de las pruebas han sido satisfactorias y avalan
la propuesta del interruptor de bypass externo, se debe tener en cuenta que para poder
efectuar las transiciones del interruptor sin afectar el funcionamiento de las cargas, ello
es posible con un interruptor como el que se muestra en la figura 3.16 junto con su
diagrama de transición entre las posiciones requeridas.
52
Figura 3.16: Diagrama operación de interruptor de transferencia
El sistema de transferencia propuesto se muestra en el diagrama unilineal del
tablero de la figura 3.17.
Figura 3.17: Diagrama unilineal del tablero de transferencia
53
Considerando el tablero de transferencia se muestra en la figura 3.18, el
diagrama conjunto de UPS- Tablero transferencia
Figura 3.18: Conjunto UPS y tablero transferencia
3.2.4.- Dimensionamiento de las baterías
Los fabricantes de baterías proporcionan variada información para dimensionar
las baterías considerando la temperatura de trabajo que van a estar sometidas,
normalmente el estándar a considerar y la recomendación de trabajo dentro de una sala
es de 77º F (25º C). La información que normalmente se suministra es en base a tres
alternativas:
•
Watts por celda
•
Watts por banco
•
Amperes por celda
La información que se suministra está diseñada por tiempos de descargas a
través de tablas de watts por celda o amperes por celda para varios tiempos de
54
respaldo. Estas tablas son importantes para calcular la potencia requerida para operar
una UPS a determinadas cargas, usualmente se asume plena carga.
La ecuación para cálculo de la potencia requerida por batería está dado por:
Potencia(W / B) =
VA * PF
+ AL
Eff * N º celdas
Donde:
VA : Potencia de la carga
PF : Factor de potencia de la carga
Eff : Eficiencia UPS a full carga
N º celdas : Número de celdas requeridas, normalmente este dato es suministrado por el
fabricante.
AL : Otras cargas adicionales en las baterías expresadas en watts
Por otro lado, los fabricantes de UPS recomiendan una tensión final por celda
durante la descarga. Esta recomendación del proveedor Cyberex y que se utiliza como
estándar en Methanex para efectos de prueba de aceptación y verificación de los
bancos de baterías es de 1.75 Volts/celda. Si se considera un banco de 60 celdas de 2
volts cada una la tensión final del banco debe ser 105 Volts.
Otro método para determinar las baterías necesarias para el requerimiento de
respaldo es por medio del cálculo de la corriente DC, este método está determinado
por:
DCamps =
VA * PF
+ AL
Eff * DCV
55
Donde:
VA : Potencia de la carga
PF : Factor de potencia de la carga
Eff : Eficiencia UPS a plena carga
DCV : Es un 4% por sobre el valor de tensión final, para este caso 109 Volts.
AL : Otras cargas adicionales en las baterías expresadas en amperes.
Cálculo de baterías
Para determinar las baterías que se utilizarán en las UPS es necesario
considerar el tiempo de respaldo mínimo de acuerdo a las necesidades. Para este caso
se considera un tiempo de respaldo de 20 minutos y un factor de potencia de 0.8
aplicado a todas las UPS.
Por otro lado se considera utilizar baterías tipo libre mantenimiento VRLA marca
PowerSafe DDm.
Calculo de baterías para UPS-201 y 202 en base a la potencia requerida:
Potencia(W / B) =
15000 * 0.8
= 227.27
0.88 * 60
Watts , para las UPS-201 y 202
Potencia(W / B) =
30000 * 0.8
= 454.54
0.88 * 60
Watts , para la UPS-203
Nota: Se considera un Nº de celdas de 60 para cada banco.
56
Cálculo de baterías para UPS-201 y 202 en base a consumo de corriente:
DCamps =
15000 * 0.8
= 125.1
0.88 *109
Amps , para las UPS-201 y 202
DCamps =
30000 * 0.8
= 250.2
0.88 * 109
Amps , para la UPS-203
Con los cálculos realizados y tomando en consideración el tiempo de respaldo
requerido se utilizan las tablas de descargas características proporcionadas por el
fabricante para seleccionar la batería adecuada.
Tabla 3.5: Tabla descarga en watts por celda
De acuerdo a la tabla las baterías que satisfacen los requerimientos de tiempo de
respaldo calculado en base a watts por celda son:
•
DDm50-09 de 200 Ah para las UPS de 15 kVA
•
DDm85-13 de 300 Ah para la UPS de 30 kVA
57
Tabla 3.6: Tabla descarga en amperes
De acuerdo a los cálculos de corriente se puede apreciar que las baterías
adecuadas son las mismas que las seleccionadas según tabla 3.5, por lo que cualquiera
de los dos métodos de selección es válido.
Especificaciones de las baterías
En la figura 3.19 se muestra la disposición de las baterías Powersafe que facilita
su reemplazo y mantenimiento. Las especificaciones generales de las baterías se
observan en la tabla 3.7.
Figura 3.19: Foto referencial de banco de baterías
58
Tabla 3.7: Especificaciones generales
Bancos de baterías redundantes
Para mantener un respaldo de las baterías en forma permanente se mantendrá el
estándar utilizado en Methanex Chile Ltd, que considera dos líneas (string) o bancos de
baterías por UPS. Esta configuración que se aprecia en la figura 3.20 y tiene la gran
ventaja de que permite sacar completamente un banco de baterías para chequeos y
prueba de descargas sin afectar la confiabilidad operacional de las UPS.
Figura 3.20: Configuración de bancos de baterías redundantes
Los cálculos de las baterías requeridas por las UPS se realizan de acuerdo al
método que utiliza el proveedor, esto es, considerando la potencia de cada UPS y el
tiempo mínimo que se requiere de respaldo definido por el consumidor. Sin embargo, el
tiempo real de autonomía depende de la carga real de la UPS y en este caso particular
por la configuración de baterías propuesta. Los cálculos de autonomía real de los
bancos de baterías se detallan más adelante.
59
Cargas en UPS lado DC
De acuerdo a las especificaciones técnicas de las UPS, las pérdidas en el
Inversor van de un 12% a 15%, dependiendo del porcentaje de carga. Esto significa que
las potencias en el lado DC aumentan según lo detallado en la tabla siguiente:
CARGAS
Designación POTENCIA TOTAL POR POTENCIA
MEDICIONES (W)
LADO DC
FP=0,9
CARGAS
UPS201
PUPS 201
9947
11439
CARGAS
UPS202
PUPS 202
8208
9439
CARGAS
TOTALES
PUPS 203
18155
20878
Tabla 3.8: Potencias lado DC
Nota: para efectos de cálculos se considera un 15% de pérdidas.
En las UPS Cyberex, la tensión en el lado DC es de 130 volts, luego la corriente
DC se calcula de la siguiente manera:
I DC =
PDC
V DC
Figura 3.21: Esquema Batería/Inversor/Carga
60
En la siguiente tabla, se muestra la corriente entregada por las baterías de UPS201, UPS-202 y UPS-203 a sus respectivas cargas.
CARGAS
CORRIENTE
BATERIAS (IDC)
UPS-201
UPS-202
UPS-203
88.0
72.60
160.6
Tabla 3.9: Corrientes lado DC
Autonomía de las baterías
La potencia en las Baterías de las UPS Cyberex, corresponde a la potencia
consumida por la carga más las pérdidas del inversor estimadas en un 15%.Con este
valor se calcula la potencia que aporta cada batería.
La potencia se calcula de la siguiente manera:
Potencia(W )
Potencia(W ) =
B
N º String × N º Baterias / String
Donde:
N º string = 2
N º Baterías / string = 60
Para UPS-201 la potencia por baterías es:
Potencia(W / B) =
11439
= 95.33
2 * 60
W /B
61
Para UPS-202 la potencia por baterías es:
Potencia(W / B) =
9439
= 78.65
2 * 60
W /B
Autonomía Baterías DDm-50-09
600
Watt/baterías
500
400
300
200
100
360
300
270
240
210
180
150
120
90
60
50
40
30
20
15
10
5
0
Minutos
Figura 3.22: Curva de autonomía de las baterías de UPS-201/202
Tiempo estimado de autonomía de las baterías:
Potencia de UPS
POTENCIA/BATERIAS Tiempo Estimado
según curva de
Autonomía
TOTAL CARGAS UPS-201
TOTAL CARGAS UPS-202
95.33
78.65
195 min
255 min
Hay que considerar que los tiempos estimados son en base a dos bancos de
baterías. Es decir, cuando cada UPS esté respaldada solo por un banco estos tiempos
se reducen a:
•
67 minutos para la UPS-201
•
97 minutos para la UPS-202
62
Potencia por batería para UPS-203 soportando las cargas de las otras UPS es:
Potencia(W / B) =
20878
= 173.9
2 * 60
W /B
Autonomía Baterías DDm-50-13
700
Watt/baterías
600
500
400
300
200
100
600
480
360
300
270
240
210
180
150
120
90
60
50
40
30
20
15
0
Minutos
Figura 3.23: Curva de autonomía de las baterías de UPS-203
Tiempo estimado de autonomía de las baterías de la UPS-203:
Potencia de UPS
POTENCIA/BATERIAS Tiempo Estimado
según curva de
Autonomía
CON CARGAS DE UPS-201
CON CARGAS DE UPS-202
TOTAL CARGAS UPS-203
95.33
78.65
173.9
315 min
450 min
150 min
Al igual que las UPS-201 y UPS-202, se consideran los tiempos estimados en
base a dos bancos de baterías, por lo que los tiempos con un solo banco se reducen a:
•
128 minutos solo con las cargas de la UPS-201
•
170 minutos solo con las cargas de la UPS-202
•
46 minutos respaldando las cargas de las dos UPS
63
3.2.5.- Sistemas de Monitoreo de Baterías (BTECH V/S ALBER)
Los bancos de baterías de las UPS en Methanex Chile Ltd, utilizan sistema de
monitoreo BTECH y Alber, A continuación se presentan características comparativas
entre ambos sistemas de manera de justificar cual sistema se utilizará.
Figura 3.25: Sistemas de monitoreo de baterías
Tabla característica:
Características
Auto extracción de datos y
estatus
Dial-in/Dial-out
Gráfico de tendencia de datos
Alber
Base de datos para 1000
sitios
Reporte de alarmas de forma
remota
Tensión y resistencia
Datos en tiempo real vistos en
forma remota
Generación de alarma vía
pager o fax
Visualizar datos de corriente
en cualquier momento
Las alarmas van a personal de
mantenimiento
Mantiene registros
apagones
Usado para establecer items
de garantías y analizar
problemas de energías de
entrada
Gráficas
de
barras
visualizando
todos
los
tensiones de las celdas, O.V.
& corrientes.
de
los
Revisión de datos grabado de
descarga
BTECH
Base de datos para 1000 sitios
Reporte de alarmas de forma remota
Impedancia, tensión, temperatura,
descargas, cargas y corrientes de flote.
Visualizar datos de corriente en
cualquier momento
Las alarmas van a personal de
mantenimiento o a alguna empresa de
servicios
Usado para establecer items de
garantías y analizar problemas de
energías de entrada en texto y de
forma de gráficos históricos.
Gráficos seleccionables de tensiones
individuales por celda, corrientes
independientes por línea, tiempo y
potencia durante los apagones.
64
Análisis Competitivo:
Deben tener características
Estado de Salud proactivo
recomendados por la IEEE
Alber
SI / Mediciones DC no
influenciadas por los ripple de
corriente
Capacidad
de
medir
impedancia de celda grande
NO / solamente lee resistencia
Prueba de corriente para
determinar el estado de
interno
Despliegue de información en
tiempo real de los parámetros
de descarga
Capacidad de rastrear y
grabar descargas en tiempo
real
ResistenciaDescarga
batería a 40-70 Amps
Despliegue de parámetros de
descarga en tiempo real
la
BTECH
SI / mediciones de impedancia AC no
influenciadas por los ripple de corriente
y no descarga las baterías para
obtener las mediciones.
Puede leer las impedancias de todas
las celdas además de las conexiones
entre baterías
Impedancia- Utiliza una señal de 20
amps a 220Hz.
SI
SI / Incluyendo las temperaturas de
cada celda
SI
SI
SI / Todos los parámetros son
actualizado a una razón especificada
por los estándares IEEE. Datos
incluyen Kw removidos de las baterías
durante una descarga.
SI / Todos los parámetros son
actualizado a una razón especificada
por los estándares IEEE. Datos
incluyen líneas individuales. Lecturas
pueden ser corregidas por la
temperatura.
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
NO
SI
SI
SI
Desarrollándose
SI
SI
SI
SI
SI / Hasta 6
SI / Cuatro
SI
1 por unidades
NO
NO
SI / Para cada conector (-)
SI
SI
NO
NO
SI / Tres niveles
SI / No interfiere con otros Ground
Fault Detector
Bajo / No interacciona con la UPS
4, 32, o 40 unidades de voltaje Imódulo, C-módulo
SI
Análisis Comunicación:
Comunicación
TCP/IP Internet Intranet
Módem
RS232/MODEM
MODBUS
Alarma remota
Dial out a un computador
Paging
Fax remoto
Contactos de Alarma local
Entrada digital
Lazo de corriente 4-20MA
para alarmas
Temperatura
Impedancia promedio de línea
Protección de parámetros con
password
Indicador Local de alarma
Detección de falla a tierra
Riesgo de Seguridad
Modular
Moderado
Módulo de 60 unidades
Tiempo estimado restante
SI
65
Selección del sistema de monitoreo
De acuerdo a las características y antecedentes de experiencia con estos dos
sistemas de monitoreo de baterías se utiliza el sistema BTECH ya que permite realizar
un mejor diagnóstico y tendencia del estado de las baterías que pueden comenzar a
presentar algún tipo de problema.
Especificaciones técnicas:
•
Máximo de 257 celdas y líneas en paralelo entre 1 a 7.
•
Tensión máxima de 600VDC
•
Corriente de prueba de 10A.
•
Margen de temperatura de 32ºF a 130ºF.
•
Energía de alimentación: 120VAC 50-60Hz, 240VAC 50-60Hz, 24Watts
•
Opciones de comunicación: Módem telefónico, Módem de corta distancia,
Ethernet.
•
Resolución de mediciones: tensiones de baterías 0-600 +/- 100mV, tensión por
celda 0-16 +/- 10mV, resistencia 100 µOhms – 10mOhms +/-0.01mOhms.
•
Resistencia de la prueba de descarga, 0.1mAh por unidad.
Características del sistema de monitoreo:
•
Monitoreo de las resistencias internas de las baterías
•
Monitoreo de las resistencias de las conexiones
•
Mediciones de temperatura ambiental y por celdas
•
Recolección de datos de descarga de las baterías
•
Adquisición de datos de forma automática en forma remota o local
•
Intervalos de pruebas programables
•
Alarmas por fuera de límites de: resistencia en las celdas, tensiones en las
66
celdas, tensiones en las baterías, temperaturas.
•
Desempeño de corrientes de baterías durante una descarga
•
Desempeño de la tensión de baterías durante una descarga
El sistema de monitoreo BVS (Battery Validation System) es complementado por un
software para su análisis, este software es el BVM (Battery Validation Manager) que
permite verificar el desempeño de las baterías.
Características del software:
•
Captura, archiva, reporta y muestra gráficamente datos por ubicación, fecha y
números de unidad.
•
Muestra tendencias de resistencia y tensión.
•
Muestra de tensiones totales, tensiones por celda, resistencias por celda y
temperatura ambiente y celdas.
•
Analiza datos de resistencia ya sea promedios o modos iniciales.
•
Muestra listas y duración de eventos de las baterías del banco.
•
Muestra la respuesta de la tensión de cada celda ante una descarga de las
baterías como también las corrientes.
•
Automáticamente sensa monitoreos múltiples de BVS
•
Recibe, resetea y muestra alarmas.
•
Control remoto del BVS a través de modo keypad
67
3.2.6.- Consideraciones de temperatura del sistema
Dentro de una sala donde se encuentren equipos, es necesario considerar la
temperatura que generan durante su funcionamiento, este calor emanado por las UPS
se puede estimar con la siguiente relación:
BTU / hr = 3.412 * (
1
− 1 ) * Fload
Eff
Donde:
Fload : Máxima carga de las UPS expresada en watts
Eff : Eficiencia de la UPS
3.412: es la relación entre la potencia y la energía calórica.
Esta estimación de calor generado se entrega en la información técnica de los
equipos UPS’s Cyberex, los que están diseñados para trabajar entre 0º y 40º C, y
aportan 5.600 BTU/hr cada UPS de 15 KVA y 14.460 BTU/hr la UPS de 30 KVA, lo que
hace un total de 25.660 BTU/hr.
Se debe considerar que los transformadores de la alimentación alternativa son de
15 KVA y 30 KVA, cuyo valor de aporte de energía calórico se calcula según las
pérdidas de los mismos, que se estiman en un 5%. Con estos datos se calcula el aporte
de energía calórica entregada por estos equipos al sistema. (Se considera un factor de
potencia de 0.9).
Total de Pérdidas:
15kVA * 5% = 0.75kVA
30kVA * 5% = 1.5kVA
68
Pérdidas en watts:
0.75kVA ⋅ 0.9 = 0.675kW ⇒ 675 watts
1.5kVA ⋅ 0.9 = 1.35kW ⇒ 1350 watts
Las pérdidas por calentamiento se estiman entre un 15% y 30% del total de
pérdidas. Para efectuar los cálculos, se utilizará la mayor pérdida (30%) y se
considerará un factor de potencia de 0.9
Las pérdidas totales equivalen a las pérdidas efectivas producto de la corriente,
más las pérdidas producidas por energía calórica, debido a corrientes de fuga están
definidas por:
PT = Pe + PC
(1)
Las pérdidas calóricas se consideran en un 30% del total de las pérdidas
efectivas.
PC = 30% Pe
( 2)
Reemplazando 2 en 1, la expresión de las pérdidas totales está dada por:
PT = Pe + 0.3Pe
(3)
Despejando Pe en la expresión 3:
PT = Pe (1 + 0.3) ⇒ Pe =
PT
(1 + 0.3)
(4)
69
Luego por 4 las pérdidas efectivas en los transformadores son:
Para el transformador de 15 KVA, Pe =
675
= 520 W
(1 + 0.3)
Para el transformador de 30 KVA, Pe =
1350
= 1038 W
(1 + 0.3)
Por lo tanto reemplazando en la expresión 2, las pérdidas producidas por
corrientes de fuga en los transformadores de 15 KVA son:
PC = 0.3 × 520 = 156 Watts
Y las pérdidas producidas por corrientes de fuga en los transformadores de 30
kVA:
PC = 0.3 × 1350 = 311 Watts
La relación entre potencia y energía calórica, se indica en la siguiente expresión:
BTU
hr
= 3.4124 × Watt
(5)
De acuerdo a la expresión 5, el valor para las pérdidas por calor de los transformadores
es:
Para el transformador de 30 KVA, BTU
Para el transformador de 15 KVA, BTU
hr
hr
= 3.4124 × 311 = 1061,26
= 3.4124 × 156 = 532,33
Por lo tanto, el total de las pérdidas por calor considerando la suma de los tres
transformadores es:
2125,93
BTU
hr
70
Temperaturas totales
Los equipos considerados en esta propuesta, ya sean baterías, UPS, y monitor
de baterías, están diseñados para funcionar en ambientes con una temperatura
determinada como sigue:
•
Baterías:
Las baterías que se utilizan son las Powersafe. DDm-50-09 y DDm-50-13 tienen
un rango de temperatura de operación recomendado de: +20ºC a +25ºC
Para efecto de cálculo de masa de aire acondicionado, la temperatura de las
baterías es la temperatura ambiente especificada por el fabricante. Por consiguiente se
debe asegurar que la temperatura ambiente no sobrepase los 25ºC.
•
Sistema monitor de baterías Btech, tienen un rango de temperatura recomendado
de: +20ºC a +25ºC
Al igual que en las baterías, se desprecia la energía calórica emitida al ambiente,
ya que este equipo, a máxima carga, consume una potencia de 24 Watts a 120 Volts
AC. La utilización de tres equipos BTECH involucra un consumo total de 72 Watts, que
en términos de energía calórica, es despreciable comparando con el aporte de las UPS.
Por lo expuesto, para mantener las condiciones de temperatura adecuadas, de
acuerdo a las recomendaciones del fabricante, los equipos de aire acondicionado que
se instalen para dicho efecto deben ser capaces de cubrir un flujo mayor a la suma de
todos los equipos que aportan energía calórica, esto es:
71
•
Dos UPS de 15 KVA aportan 11200 BTU hr
•
Una UPS de 30 KVA aporta 14460 BTU hr
•
Dos transformadores de 15 KVA aportan 1064,66 BTU hr
•
Un transformador de 30 KVA aporta 1061,26 BTU hr
Por lo tanto, el total de energía calórica generado es:
27785.92 BTU
hr
3.3.- CALIDAD DE LA ENERGÍA
Calidad de la energía generada en el complejo - Mediciones, gráficos y
comentarios
Dentro del complejo de Methanex, existen variadas fuentes generadoras de
armónicos, que son precisamente las propias cargas necesarias para el proceso de
producción. Dentro de las principales, se encuentran equipos de electrónica de
potencia, como lo son los variadores de velocidad, rectificadores con diodos o tiristores,
inversores, fuentes de alimentación conmutadas. También existen cargas que utilizan el
arco eléctrico, como por ejemplo máquinas de soldar, alumbrado (lámparas de
descarga, tubos fluorescentes), por mencionar algunos.
Los armónicos proceden principalmente de cargas no lineales cuya característica
es absorber una corriente que no tiene la misma forma que la tensión que los alimenta.
Esta corriente suele tener alto contenido de armónicos y su espectro será función de la
naturaleza de la carga. Al circular a través de las impedancias de la red, estas
corrientes armónicas crean armónicas de tensiones que pueden perturbar el
72
funcionamiento de otros usuarios conectados a la misma fuente. La impedancia de la
fuente a las diferentes frecuencias armónicas tiene pues un papel fundamental en la
gravedad de la distorsión en tensión.
La figura 3.26 muestra la forma de onda de corriente, el espectro y el THD (Total
Armonic Distorsion) de algunas cargas no lineales tradicionales.
Figura 3.26: Características de algunos generadores de armónicos
Las UPS evaluadas en el complejo productor de metanol y las propuestas,
poseen filtros en su entrada y salida del tipo pasivo circuito LC, que esta sintonizado
para cada una de las frecuencias de armónicos que se desea eliminar.
73
La figura 3.27 indica un diagrama típico de una UPS con filtros en la entrada y
salida.
Figura 3.27: UPS con filtros de entrada y salida
Las características que tienen estos filtros son:
•
Sin limites en corriente armónica
•
Se asegura la compensación de energía reactiva
•
Elimina uno o varios órdenes de armónicos
Filtros de armónicos en la entrada de la UPS
Para evaluar la calidad de la energía entregada por el sistema y la cual será la
fuente de alimentación a las UPS, se realizan mediciones de los armónicos utilizando
un osciloscopio de características técnicas marca Tektronix THS720P, con canal
aislado, 100Mhz Scope/DMM y con medición en tiempo real de 500MS/s.
74
Las mediciones realizadas para identificar los registros de los armónicos de
tensión en la entrada de la UPS-2, indicaron los siguientes datos
Valores obtenidos
Los valores obtenidos se pueden interpretar para posteriores análisis de la
calidad de energía que está ingresando a la UPS-2, o también interpretar la calidad de
la energía generada en el complejo de Methanex.
De los valores del porcentaje de la fundamental de tensión de la 3th, 5th y 7th, se
construye la gráfica indicada en la figura 3.28.
120%
100%
% Fundamental
100%
80%
60%
40%
20%
8.5%
3.4%
0.1%
0%
Fnd
2
3
4
5
6
7
Armónicos
Figura 3.28: Armónicos de tensión de entrada
8
9
75
La tabla siguiente indica los valores de las lecturas de corriente tomadas en la
entrada. De los valores del porcentaje de la fundamental de la corriente de la 3th, 5th y
7th, se construye la gráfica indicada en la figura 3.29.
Valores obtenidos
120%
100%
% Fundamental
100%
80%
60%
40%
20%
6.2%
3.0%
1.0%
0%
Fnd
2
3
4
5
6
7
Armónicos
Figura 3.29: Armónicos de corriente de entrada
8
9
76
Filtros de armónicos a la salida de la UPS
El filtro de salida de la UPS que se muestra en la figura 3.30 viene diseñado para
eliminar el 3°, 5° y 7° armónico.
Figura 3.30: Diagrama típico de un filtro de armónicos para la salida de una UPS
De las mediciones de armónicos de tensión en la salida (ver figura 3.31) de la
UPS-2, se obtuvieron los siguientes datos en porcentaje de la fundamental:
Figura 3.31: Señal de tensión de salida
Valores obtenidos de armónicos de tensión
77
120%
100%
% Fundamental
100%
80%
60%
40%
20%
1.2%
1.1%
1.0%
0%
Fnd
2
3
4
5
6
7
8
9
Armónicos
Figura 3.32: Armónicos de tensión de salida de la UPS
La tabla siguiente indica los valores de las lecturas tomadas en porcentaje de la
señal fundamental, de la corriente de 3th, 5th y 7th. Se construye la gráfica indicada en
la figura 3.33. La señal de corriente registrada es la de la figura 3.34.
Valores obtenidos de armónicos de corriente
78
120%
100%
% Fundamental
100%
80%
60%
40.6%
40%
34.2%
20%
9.5%
0%
Fnd
2
3
4
5
6
7
Armónicos
Figura 3.33: Armónicos de corriente de salida de la UPS
Figura 3.34: Señal de corriente de salida
8
9
79
3.4.- COSTOS DE IMPLEMENTACION
La condición de independizar las cargas entre planta 1 y planta 2, llevó a
presentar la propuesta inicial con una configuración de un sistema de UPS en cascada
y sistema de by pass para retirarlas de servicios. La implementación de dicha propuesta
debe considerar un espacio adecuado, lo que se traduce en una sala o container que
también forma parte de los costos de esta propuesta.
La propuesta considera UPS de un mismo proveedor, con el fin de mantener el
estándar ya escogido por la empresa Methanex Chile.
Los principales materiales y equipamientos a considerar para hacer la inversión
son los siguientes ítems:
•
2 UPS Cyberex 15 KVA modelo
US$ 50.000
•
1 UPS Cyberex 30 KVA modelo
US$ 37.000
•
3 Banco de baterías Power Safe
US$ 60.000
•
3 Paneles para sistema bypass
US$ 15.000
•
Contenedor
US$
•
Costos involucrados en la instalación preparación
9.000
o de terreno, transporte, instalación, cables, instalación
o cableado, contenedor para su instalación, etc.
TOTAL
US$ 30.000
US$ 201.000
80
3.5.- CONFIGURACIONES POSIBLES (ALTERNATIVAS DE FUNCIONAMIENTO)
Las propuestas o configuraciones posibles que se plantearán, resultados del
desarrollo de este trabajo son:
1.- Sistema de UPS en paralelo redundante con Interruptor de transferencia estático
2.- Sistema de UPS en cascada con Interruptor de transferencia estático
3.5.1.- Sistema de UPS en paralelo, redundante y con interruptor de transferencia
estático
Este sistema elimina el punto de falla de la lógica del sistema paralelo
redundante, incorporando un interruptor estático de transferencia (STS, por sus siglas
en inglés) a la salida del sistema de UPS redundante.
Para aplicaciones industriales se puede usar un STS (static transfer switch), que
permite que si la UPS-201 falla o se desconecta, el STS transferirá la carga a la UPS202 sin afectar la carga del sistema.
En la siguiente alternativa se propone el uso de este equipo o sistema de
transferencia.
Se mantendrá la nomenclatura de las UPS presentadas en el desarrollo de este
capítulo, siendo la UPS-201 y la UPS-202 las que respaldarán las cargas de aquellos
equipos que posean sistema de alimentación de fuentes redundantes, también
denominadas con fuentes principal y auxiliar.
81
Las cargas de equipos que no posean fuentes de respaldo serán conectadas
como carga del interruptor de transferencia estático (STS), el que tendrá la
nomenclatura STS-204, las cargas serán denominadas cargas críticas.
Figura 3.35: Sistema de UPS en paralelo redundante con interruptor de
transferencia estático
82
Costos:
Los principales materiales y equipamientos a considerar para hacer la inversión
son los siguientes ítems:
•
2 UPS Cyberex 15 KVA
US$ 50.000
•
1 STS Cyberex de 50 A
US$
•
2 Banco de baterías Power Safe
US$ 40.000
•
2 Paneles de sistema bypass
US$ 10.000
•
Contenedor
US$
•
Costos involucrados en la instalación preparación
9.700
9.000
o de terreno, transporte, instalación, cables, instalación
o cableado, contenedor para su instalación, etc.
TOTAL
US$ 30.000
US$ 148.700
3.5.2.- Sistema de UPS en cascada con Interruptor de transferencia estático
En la siguiente alternativa, al igual que en la anterior, se propone el uso de un
interruptor estático de transferencia (STS), pero adicionalmente se incluye una UPS
bajo la misma configuración que en la propuesta inicial de este capitulo.
Se mantendrá nomenclatura de las UPS presentadas en el desarrollo de este
capítulo.
En este tipo de configuración, la UPS-201 y la UPS-202, respaldarán las cargas
de aquellos equipos que posean sistema de alimentación de fuentes redundantes
83
también denominadas como fuente principal y auxiliar, que están conectados a la UPS201 y UPS-202 respectivamente.
Las cargas de equipos que no posean fuentes de respaldo serán conectadas
como carga del interruptor estático de transferencia (Static Transfer Switch (STS)), el
que tendrá la nomenclatura STS-204. Las cargas serán denominadas cargas críticas.
La UPS-203 será la que respalde a las UPS antes mencionadas.
Figura 3.36: Diagrama Sistema de UPS en cascada con Interruptor de transferencia
estático
Ventajas:
Al encontrarse las UPS-201 y UPS-202 respaldadas por la UPS-203, es posible
sacar una UPS fuera de servicio para su mantenimiento, pruebas o atención de
fallas, de manera simple, confiable y segura.
84
Costos:
Los principales materiales y equipamientos a considerar para hacer la inversión
son los siguientes ítems:
•
2 UPS Cyberex 15 KVA modelo
US$ 50.000
•
1 UPS Cyberex 30 KVA modelo
US$ 37.000
•
1 STS Cyberex de 50 A
US$
•
3 Banco de baterías Power Safe
US$ 60.000
•
3 Panel de Breaker para sistema By Pass
US$ 15.000
•
Contenedor
US$
•
Costos involucrados en la instalación (Preparación
9.700
9.000
o de terreno, transporte, instalación, cables, instalación
o cableado, contenedor para su instalación, etc.)
TOTAL
US$ 30.000
US$ 210.700
85
3.6.- CRITERIO DE RESPALDO PARA LA CONFIABILIDAD DE SISTEMAS
PROPUESTOS
En base a las alternativas de configuración que se proponen para respaldar los
sistemas de planta 2, se desarrolla un ejercicio de criterio de respaldo de sistemas para
verificar
en
cual
criterio
se
encontrarán
implementarlas.
a) Alternativa sistema de UPS en cascada
las
configuraciones
propuestas
al
86
Condiciones:
ƒ
En la instalación se proponen 3 UPS, las dos primeras unidades de 15 KVA
respaldan cargas en forma independientes y la tercera de 30 KVA respalda
ambas unidades.
ƒ
La unidad 201 respalda las fuentes de poder primarias de los sistemas de
control, mientras que la unidad 202 respalda las fuentes de poder
secundarias de los mismos sistemas.
ƒ
La unidad 203 posee el doble de capacidad de las dos primeras unidades.
Criterio respaldo:
87
b) Alternativa sistema de UPS en paralelo, redundante y con interruptor de
transferencia estático
Condiciones:
ƒ
En la instalación se proponen 2 unidades, cada una
de 15 KVA que
respaldan cargas independientes. La primera unidad respalda las fuentes de
poder primarias de los sistemas de control y la segunda las fuentes de poder
secundarias.
ƒ
Mediante un interruptor estático de transferencia es posible el respaldo de las
cargas entre las unidades.
88
Criterio respaldo:
c) Alternativa sistema de UPS en cascada con interruptor de transferencia
estático.
89
Condiciones:
ƒ
En la instalación se proponen 3 UPS, las dos primeras unidades de 15 KVA
respaldan cargas en forma independientes y la tercera de doble capacidad
respalda ambas unidades.
ƒ
La unidad 201 respalda las fuentes de poder primarias de los sistemas de
control, mientras que la unidad 202 respalda las fuentes de poder
secundarias de los mismos sistemas.
ƒ
Mediante un interruptor estático es posible el respaldo entre las unidades 201
y 202.
ƒ
La unidad 203 respalda las cargas de las otras dos unidades.
Criterio respaldo:
90
Considerando los resultados de criterio de respaldo, las alternativas que resultan más
convenientes son:
•
Sistema de UPS en cascada
•
Sistema de UPS en cascada con interruptor de transferencia estático.
En ambos casos el criterio de respaldo es N+2 y en términos de costos los
valores son muy similares, sin embargo, para asegurar el criterio en el primer caso
necesariamente las todas las cargas deben contar con fuentes de alimentación
redundantes, de lo contrario el criterio de respaldo se reduce a N+1, lo cual puede
resultar a la larga más caro en términos de costos.
Por el contrario el segundo caso resulta ser más conveniente por criterio de
respaldo y considerando que los costos no se alejan mucho del primer caso.
91
CAPITULO IV
PROCEDIMIENTOS DE OPERACION
En este capitulo está orientado a la propuesta inicial de utilizar tres UPS como
configuración del sistema de respaldo, que representa el proyecto final propuesto para
cumplir con el objetivo general y los objetivos específicos planteados en este trabajo de
titulo.
4.1.- CONSIDERACIONES PREVIAS
Hay que considerar primeramente que este procedimiento de operación del
sistema de respaldo está orientado a retirar de servicio las UPS y transferir sus cargas
completamente a una fuente de alimentación externa por medio del tablero de
transferencia. Este procedimiento es válido para las tres UPS que componen el sistema
redundante de respaldo. Para el desarrollo de este procedimiento se tomaron como
referencia los manuales de las UPS existente en Methanex Chile Limited y
procedimientos vigentes.
4.2.- UPS FUERA DE SERVICIO CON SWITCH DE BYPASS EXTERNO
La condición inicial antes de realizar este procedimiento es que la UPS se
encuentra alimentando las cargas normalmente, como lo muestra la figura 4.1.
92
Figura 4.1: Condiciones normales de la UPS
De la figura se observan en rojo las partes activas y en gris las partes pasivas.
Operación en UPS:
Para realizar la manipulación de las UPS se considera la utilización del
procedimiento del manual el fabricante y el actual procedimiento de manipulación de
UPS en las plantas de Methanex, a continuación se detalla procedimiento:
1. Presionar botón de CONTROL ENABLE y después de 5 segundos se debe presionar
STOP. En este paso, se prepara la UPS para hacer el traspaso de las cargas a
alimentación alternativa, para ello sincroniza la señal de salida del inversor de UPS con
la de alimentación alternativa y automáticamente se hace el traspaso mediante el switch
estático hacia la alimentación alternativa como lo muestra la figura 4.2.
93
Figura 4.2: Transferencia por switch estático
2. Mover el SWITCH MAN BYPASS a posición bypass.
Figura 4.3: Switch Man bypass
Durante la transición de NORMAL a BYPASS, el SWITCH MAN BYPASS
mantiene sus tres contactos cerrados, para no perder la alimentación en la carga y para
posteriormente abrir el contacto de salida del static switch. En la siguiente figura 4.4 se
observa esta transición.
94
a) Posición normal
b) Transición a posición bypass
c) Posición bypass
Figura 4.4: Transiciones a posición bypass
Con esto, UPS ha quedado en modo BYPASS, y las cargas reciben alimentación
directa desde la energía alternativa pasando por la UPS.
95
Figura 4.5: UPS en condición de bypass
3. Mover el SWITCH MAN BYPASS a posición BYPASS ISOLATED.
Se pretende apagar UPS, desconectando las fuentes de su sistema de control,
sin embargo, todavía quedarán partes activas al interior de UPS, como lo son las barras
de salida de ésta y por supuesto el MAN BYPASS SWITCH.
Figura 4.6: Switch en posición bypass isolated
Con esto las cargas son completamente aisladas de UPS en términos eléctricos,
sin embargo, sigue energizado a través de UPS (como equipo), por lo que en caso de
una reparación mayor, esta no se podría llevar a cabo.
96
4. Abrir interruptor de banco de baterías (CB-202).
5. Abrir interruptor de alimentación normal de la UPS (CB-201)
Los pasos 4 y 5 están orientados a apagar UPS. El siguiente esquema muestra
las partes activas hasta este punto. Si se requiere aislar completamente la UPS se debe
continuar con procedimiento de bypass externo.
Figura 4.7: UPS en bypass isolated
Operación en tablero de transferencia:
A continuación se indican las maniobras a realizar en el panel de BYPASS
EXTERNO (TC TRANSFER), para llevar a cabo la completa desconexión de UPS de
cualquier parte activa presente, manteniendo las cargas energizadas y sin alteraciones
en las señales de alimentación.
1. Mover switch de BYPASS EXTERNO a posición BYPASS.
En este paso se empieza a dejar de alimentar las cargas mediante la UPS, para
alimentarlas directamente desde el panel TC-TRANSFER.
Durante la transición a BYPASS, el switch de BYPASS EXTERNO mantiene sus
tres contactos cerrados, para no perder la alimentación en la carga, para posteriormente
abrir el contacto de alimentación a la UPS.
97
2. Abrir interruptor CB-3 (salida de la UPS).
3. Abrir interruptor CB-2 (entrada de la UPS).
4. Mover SWITCH DE BYPASS EXTERNO a posición de BYPASS ISOLATED.
Con estos pasos queda completamente fuera de servicio la UPS, sin partes
energizadas, tal como se observa en el siguiente esquema.
Figura 4.8: UPS totalmente aislada
Así, se tiene un acceso total a UPS, incluso hasta podría ser reemplazada en
caso de ser necesario, quedando siempre las cargas alimentadas.
4.3.- PUESTA EN SERVICIO DE UPS DESDE BYPASS EXTERNO
Se debe tener presente que antes de realizar este procedimiento, el panel TC
TRANSFER se encuentra alimentando las cargas, a través del SWITCH DE BYPASS
EXTERNO en posición BYPASS ISOLATED.
98
Se debe colocar previamente la UPS en servicio hasta modo BYPASS,
verificando que los interruptores CB-201 (en UPS), CB-202 (en UPS) y CB-2 (en panel
TC-TRANSFER) estén en OFF.
Operación en tablero de transferencia:
1. Cerrar interruptor CB-2 (ON)
2. Mover el SWITCH DE BYPASS EXTERNO a posición BYPASS.
Con estos pasos, se energiza la UPS con alimentación alternativa desde el panel TCTRANSFER.
Operación en UPS:
1. Mover el switch MAN BYPASS a posición BYPASS
En este paso, lo que se quiere es alimentar el static switch, de manera de seguir
realizando la puesta en servicio de la UPS.
2. Cerrar interruptor CB-201 (entrada al rectificador)
3. En el DISPLAY MAIN MENU seleccionar CONTROL
4. Presionar botón CONTROL ENABLE y dentro de los 5 segundos presionar el botón
START para encender el rectificador.
5. Cerrar interruptor CB-202 para conectar el banco de baterías.
Con los pasos 2, 3, 4 y 5 se energiza la UPS mediante su alimentación normal y
99
se coloca en servicio el rectificador, preparando así a la UPS para alimentar las cargas
normalmente, con respaldo de baterías incluido.
6. En el display de control se debe verificar que el switch estático (STATIC SWITCH) se
encuentre en posición de PREFERED LINE.
7. En el display de la UPS presionar el botón CONTROL y dentro de 5 segundos
presionar ALTERNATE LINE. Con esto se prepara el STATIC SWITCH para la
alimentación alternativa.
Operación en tablero de transferencia:
1. Cerrar interruptor CB-3
2. Mover SWITCH DE BYPASS EXTERNO a posición NORMAL.
En este paso, se comienza a dejar de alimentar las cargas mediante el panel TCTRANSFER, para alimentarlas directamente desde la UPS.
Durante la transición a NORMAL el SWITCH DE BYPASS EXTERNO mantiene
sus tres contactos cerrados, para no perder la alimentación en la carga, y así
posteriormente, abrir el contacto de BYPASS de alimentación.
Operación en UPS:
1. Mover SWITCH MAN BYPASS a posición NORMAL.
En este paso, las cargas siguen siendo alimentadas desde la fuente alternativa,
pero desde el STATIC SWITCH.
Al igual que en el caso anterior, durante la transición a NORMAL el SWITCH
MAN BYPASS mantiene sus tres contactos cerrados, para no perder la alimentación
hacia las cargas y así posteriormente abrir el contacto de BYPASS de alimentación.
100
Con esto, la UPS queda lista para transferir las cargas hacia la fuente NORMAL,
mediante el STATIC SWITCH, previa sincronización entre la fuente alternativa y la
salida del rectificador.
2. En el display de la UPS presionar el botón CONTROL ENABLE y dentro de los
próximos 5 segundos presionar PREFERED LINE.
En este paso se prepara la UPS para realizar la transferencia de las cargas hacia
la alimentación normal, sincronizando la señal de salida del rectificador con los
parámetros de la fuente alternativa, para actuar sobre el STATIC SWITCH realizando la
transferencia. En este paso final la UPS queda totalmente normalizada.
101
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1.- CONCLUSIONES
De acuerdo con el presente trabajo y las alternativas de configuración del
sistema de respaldo que se presentan y basándose en los resultados obtenidos de
criterio de respaldo se puede concluir que la alternativa más conveniente es la
configuración de un “sistema de UPS en cascada con interruptor de transferencia
estático”, esta alternativa se presenta como la mejor debido a que es posible lograr
una mayor robustez del sistema al tener un respaldo de N+2 lo que permite poder sacar
un equipo para mantenimiento o por falla conservando un respaldo confiable del
sistema.
Otra consideración es que con cualquiera de las configuraciones planteadas se
logra el objetivo de separar los sistemas de UPS de las plantas 1 y 2 de manera que
quedan totalmente independientes y por otro lado implementar los paneles de bypass
de las UPS permitirá la posibilidad de inclusive reemplazarlas completamente sin poner
en riesgo el resto del sistema.
Al revisar la calidad de la energía en relación a los armónicos en la entrada y
salida de las UPS de planta 1 y 2, se aprecia que la calidad de la energía es aceptable,
esto se debe a los filtros en la salida de la UPS y el tipo de cargas, los que en su
mayoría son fuentes AC/DC, CPU y monitores, los armónicos son bastantes aceptables.
101
102
5.2.- RECOMENDACIONES
En las configuraciones propuestas con las UPS en modo cascada y paralelo
redundante con las UPS-201 y UPS-202, ambas respaldarán las cargas de aquellos
equipos que posean sistema de alimentación de fuentes redundantes o fuentes principal
y auxiliar o también llamadas fuentes primarias y secundarias, siendo están conectadas
a la UPS-201 y UPS-202 respectivamente. Sin embargo pueden existir cargas en
terreno que no posean fuentes redundantes, por lo que se recomienda lo siguiente:
•
Realizar un levantamiento de las fuentes de alimentación de las cargas de
UPS e identificar aquellas que no cuenten con fuentes secundaria o
auxiliar.
•
Desarrollar un plan de trabajo para agregar una fuente redundante.
Por otro lado revisar el actual programa de mantenimiento en lo referido a su
alcance y frecuencia, considerando los incidentes planteados y las causa que aplican a
la mejora durante un mantenimiento.
102
1
ANEXO 1
DEFINICIONES
Autonomía. Autonomía o tiempo de respaldo es lo mismo y significa el tiempo por el
cuál permanece entregando energía la UPS hacia la carga conectada después de un
corte de energía que haya sido detectada por la misma (cortes en la red eléctrica).
Normalmente este tiempo esta dado entre 5 y 15 minutos como estándar. Pudiendo
obtenerse mayor autonomía con bancos adicionales de baterías de acuerdo a cada
necesidad.
Armónicos reflejados: Se refiere a la distorsión de la señal de la línea ocasionada por
equipos de soporte tales como UPS. Su valor esta dado en un porcentaje. Como
condición especial se busca que la contribución de armónicos reflejados de la UPS a la
línea sea mínima.
Bajadas de tensión sostenida (Undervoltage): Baja tensión sostenida en la línea por
periodos largos de unos cuantos minutos, horas y hasta días, pueden ser causados por
una reducción intencionada de la tensión para conservar energía durante los periodos
de mayor demanda. La baja tensión puede causar daños al hardware principalmente.
Bajadas de tensión momentánea ó microcortes (Sag): Es la caída momentánea de
tensión, generada por el arranque de grandes cargas, encendido de maquinaria
pesada, fallos de equipos. Se presenta de manera similar a los apagones pero en
oleadas repetitivas. Las bajadas de voltaje momentáneo pueden causar principalmente
daños al hardware y pérdida de datos.
2
Capacidad de sobrecarga: Es el porcentaje de carga por encima de la potencia de
salida de una UPS puede soportar por un tiempo especifico. Por ejemplo una UPS de 4
KVA con una capacidad de sobrecarga de 125 % por 10 minutos está en capacidad de
soportar una carga de 5 KVA por este tiempo antes de que la carga sea transferida por
medio del BYPASS estático a la línea.
Carga critica: Termino usado para referirse a equipos microprocesados (como equipos
de computación o comunicaciones) que ya sea por su costo físico o por la información
que maneja, representa un alto valor para la empresa. Por esta condición especial son
equipos que requieren un soporte especial de energía regulada.
Cortes de energía ó apagones (Blackout): Es la pérdida total del suministro eléctrico.
Puede ser causado por diversos eventos; relámpagos, fallas de las líneas de energía,
exceso de demandas, accidentes y desastres naturales, pueden causar daños en el
equipo electrónico (hardware), pérdida de datos, o parada total del sistema.
Factor de potencia: Cantidad adimensional entre 0 y 1 que equivale al coseno del
ángulo de desfase entre la señal de voltaje y la de corriente. El factor de potencia puede
ser en atraso o en adelanto. En términos prácticos representa la cantidad de potencia
reactiva que un equipo devuelve a la fuente generadora.
Fuente alternativa: Es la fuente de energía eléctrica alternativa, que se tiene presente
como respaldo de la UPS, que está conectada al switch estático y que alimentará a la
carga en caso de perdida de la fuente normal después que la carga de las baterías no
sea capaz de mantener el voltaje mínimo del bus DC o en caso de mantenimiento de la
UPS.
3
Fuente normal: En una UPS en línea, la fuente de alimentación normal es la energía
eléctrica obtenida a través del inversor de la unidad, y es la que alimenta eléctricamente
las cargas.
IGBT: El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo electrónico que
generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la
conmutación en sistemas de tensión, utilizados en UPS. La tensión de control de puerta
es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una
señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.
Inversor: Subsistema de una UPS que tiene la función de crear una señal de onda
senoidal de 120 VAC a partir de su suministro de tensión DC proporcionado por un
banco de baterías.
Modo bypass: Cuando la UPS se debe sacar de servicio para mantención o pruebas, o
si ocurre una sobrecarga del inversor o un malfuncionamiento dentro de la UPS, el
conmutador de transferencia automática transferirá la carga AC critica desde el inversor
hacia la fuente bypass de AC.
Modo emergencia: Ante una falla del suministro de corriente alterna, la carga crítica es
suplida por el inversor, el cual obtiene la energía de las baterías.
Modo normal: La carga crítica es continuamente suplida por el inversor de la UPS. El
rectificador/Cargador deriva la potencia desde el suministro de corriente alterna y suple
4
energía de corriente contínua al inversor, mientras en forma simultanea se cargan las
baterías de reserva.
Modo recarga: Ante una restauración del suministro de corriente alterna, el rectificador/
cargador automáticamente se reestablecerá y recargará sus baterías mientras que el
inversor continuará alimentando sus cargas.
Picos de tensión ó alta tensión momentánea (Surge): Los picos pueden ser
producidos por una rápida reducción de las cargas, cuando el equipo pesado es
apagado, por tensiones que van por arriba del 110 % de la nominal. Los resultados
pueden ser daños irreversibles al hardware.
Rack de baterías: Acumulador reversible capaz de entregar energía eléctrica a un
circuito, a expensas de la energía química de las sustancias activas que existen en su
interior y capaz de acumular energía en las sustancias activas, a expensas de un
cargador de corriente continua.
Rectificador: Subsistema de una UPS encargado de convertir la señal de corriente
alterna AC de la línea en energía de corriente continua DC para alimentar la entrada del
inversor y mantener cargado el banco de baterías del sistema de UPS.
Regulación de tensión: Término usado para especificar la precisión en el nivel de
tensión con la que una UPS genera una señal de onda senoidal a la salida. Este
término se expresa como un porcentaje respecto del valor nominal de 120 VAC. Entre
más bajo sea el porcentaje de regulación de tensión mejor es la UPS.
5
Resistencia de carga: Equipo auxiliar usado para extraer corriente eléctrica desde la
UPS puede ser para corriente continua o corriente alterna
Ruido eléctrico (Line noise): Significa interferencias de alta frecuencia causadas por
RFI ó EMI. Pueden ser causadas por interferencias producidas por transmisores,
máquinas de soldar, impresoras, relámpagos, etc. Introduce errores en los programas y
archivos, así como daños a los componentes electrónicos.
Sistema redundante. Significa tener la disponibilidad de que existe otro equipo,
dispositivo o elemento que respalde o reemplace en caso de que falle la unidad
principal. En el caso de los sistemas eléctricos de respaldo de energía existen varios
puntos que pueden tener alguna posibilidad de falla y es por esto que un buen proyecto
debe ser capaz de que la disponibilidad del sistema este por sobre el 99.99% de
UpTime. Actualmente podemos contar con redundancia a nivel de generación,
distribución y cargas, pero en gran parte los problemas eléctricos suceden con mayor
recurrencia a nivel de la distribución de la energía ya que los sistemas de respaldo cada
vez son más confiables. Es por esto que existen varios tipos de redundancia.
Sobretensión ó subidas de tensión (Overvoltage): La sobre tensión en la línea por
periodos largos, puede ser causado por un relámpago y puede incrementar la tensión
de la línea hasta 6000 voltios en exceso. La sobre tensión casi siempre ocasiona
pérdida de la información y daños del hardware.
Static transfer switch: Dispositivo electrónico de potencia, que permite transferir
cargas desde una UPS a otra, con tiempo cero en el cambio de energía.
6
Switch bypass /manual: Interruptor que permite transferir la carga de la UPS a otra
fuente cuyos contactos si permanecen abiertos por un tiempo mayor al permitido por la
carga, generalmente superior a 20 ciclos, se perderá la alimentación a la carga.
Switch de bypass: Interruptor mecánico que permite llevar la salida de la UPS desde
una condición normal a modo bypass y bypass isolated o maintenance bypass, sin
interrumpir la energía hacia la carga.
Switch estático: Dispositivo electrónico de potencia que permite cambiar la fuente de
alimentación normal a una alternativa o viceversa, sin afectar el suministro de energía
hacia las cargas.
THD o distorsión armónica total: Termino usado para describir el nivel de distorsión
de una señal respecto a una onda Senosoidal pura. Este término se mide como un
porcentaje y entre mas bajo sea su valor mas pura es la onda Senosoidal generada o
suministrada.
Tensión límite por celda: La tensión limite por celda, corresponde a aquella en la que
no se produce la disociación de la molécula de agua cuando el banco de batería está
sometida a carga (2,3 volts).
Transientes ó micropicos (Switching transient): Es la caída instantánea de la
tensión en el rango de los nanosegundos. La duración normal es más corta que un pico.
Puede originar comportamientos extraños del ordenador y coloca estrés en los
componentes electrónicos quedando propensos a fallos prematuros.
7
UPS: Su sigla significa en español Unidad ininterrumpida de poder, este, tiene por
finalidad entregar energía a equipos de gran importancia o misión crítica, en el que la
continuidad del suministro de la alimentación eléctrica es crítica para el funcionamiento
de estos, generalmente asociados con sistemas de control de procesos o paneles de
control de equipos, están conformados generalmente por un rectificador, un rack de
baterías, un inversor, un interruptor estático e interruptor de bypass. Tienen dos fuentes
de alimentación, una normal y otra alternativa.
Variación de frecuencia (Frequency variation): Se refiere a un cambio en la
estabilidad de la frecuencia. Resultado de un generador o pequeños sitios de cogeneración siendo cargados o descargados. La variación de frecuencia puede causar
un funcionamiento errático de los equipos, pérdida de información, caídas del sistema y
daños de equipos.
Tensión de igualación: Tensión para una aplicación rápida de carga de recuperación,
la tensión de igualación o ecualización no debe superar la tensión límite por celda.
Tensión máxima de flote: Es la tensión máxima al cual puede estar sometida una
celda por periodos largos de tiempo, sin que se produzca daño en ella, está
determinado por las características técnicas de el banco de batería, recomendado por el
fabricante, aproximadamente de 2.25 volts por celda.
1
ANEXO 2
TEORIA DE UPS
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA SAI O UPS
La función de un SAI o, UPS1 (Uninterruptible Power Supply) es la de alimentar
con corriente alterna, equipos que por la importancia de su función requieren una
alimentación de alta calidad y confiabilidad.
Los equipos que requieren ser alimentados por UPS’s también se denominan
“cargas críticas”, estas cargas pueden ser muy variadas dependiendo de su
aplicación, dentro de los usuarios más comunes de los sistemas UPS’s están todas las
redes de computadores, sistemas de telecomunicaciones, equipos de electromedicina,
sistemas de control para la industria, sistemas de control para generación, transmisión y
distribución de energía, sistemas aéreo-espaciales, equipos de computación y
comunicaciones para la oficina y el hogar, etc.
Debido a esta gran diversidad de aplicaciones se debe hacer un estudio
detallado para seleccionar el tipo y la configuración de UPS más apropiada a la
aplicación particular y a los recursos técnico-económicos disponibles.
En el mercado actual hay gran cantidad de diseños de UPS y hoy en día puede
llegar a ser confuso determinar que tipo de equipo es el más conveniente para proteger
los equipos o sistemas, y cual nos entregará la energía con el nivel requerido de calidad
y confiabilidad. Por otro lado también existe mucha confusión en el mercado acerca de
los diferentes tipos de UPS existentes y sus características.
2
2.- Tipos de UPS
La IEC (International Electrotechnical Commision) y la comisión Europea,
Cenelec, han establecido standards para definir con claridad los diferentes tipos de
UPS existentes y los métodos usados para medir su desempeño. El standard IEC
62040-3 y el equivalente Europeo ENV 50091-3 definen tres tipos de UPS.
Los tipos de UPS según el Standard son:
•
Standby
•
Interactiva en línea
•
Doble conversión
Cada una de estas tres topologías ha sido desarrollada para aplicaciones
específicas tomando en consideración:
1
•
Nivel de Desempeño
•
Nivel de Protección
•
Costos de Adquisición
Se puede definir una UPS como aquel dispositivo que provee protección contra las perturbaciones en el suministro
eléctrico; y un respaldo de energía para asegurar la continuidad e integridad del proceso y/o operación que se esté
ejecutando. Boletín Power Quality & Solutions.
3
2.1.- UPS STANBY
Más conocido como UPS stand by u off line provee un nivel de protección básico
y tiene dos modos de operación.
Modo normal: En modo normal la carga es alimentada por la energía eléctrica de la
red, la energía se acondiciona de manera muy básica simplemente atenuando los picos
de tensión de cierta intensidad y el ruido en la línea. En operación normal la batería se
carga y se mantiene en stand by para proveer energía en caso de apagón.
Figura 1: Diagrama de bloques de un UPS standby modo normal
Modo en batería: Durante un corte de energía o en caso de que la tensión caiga por
debajo del rango mínimo de tolerancia, la batería y el inversor entran en operación para
asegurar la continuidad en el suministro eléctrico. El tiempo de transferencia, es decir,
el tiempo que toma conmutar de modo normal a modo en batería es menor a 5 ms. Las
aplicaciones no-críticas de acción pueden seguir operando con tales cortes de energía
con cierto grado de confiabilidad.
4
Figura 2: Diagrama de bloques de un UPS standby modo baterías
Ventajas:
•
Diseño simple
•
Tamaño compacto
•
Bajo costo
Desventajas:
•
No hay regulación de tensión en la línea
•
No hay regulación de frecuencia
•
No cuenta con acondicionamiento para filtrar armónicos
•
En modo batería la forma de onda entregada es cuasi-senoidal (cuadrada),
con lo cual se tiene una Distorsión Armónica* (THD) cercana al 20%
•
No provee un aislamiento real del resto de la red
Capacidades:
Típicamente los UPS Stand by se diseñan en capacidades que van de los 300
VA a los 1500 VA
5
Aplicaciones:
Debido a que ofrecen una protección muy básica solamente se recomienda
usarlos en aplicaciones no-criticas: PCs para el hogar, videojuegos, etc.
2.2.- UPS interactiva en línea
Estas UPS ofrecen un nivel de protección intermedia. El principio de una
operación de una UPS interactiva en línea es muy parecido al del UPS stand by. Tiene
dos modos de operación.
Modo normal: Al igual que en los UPS stand by, la carga es alimentada normalmente
por la energía de la red. La gran diferencia con respecto a la topología anterior es que el
UPS line-interactive en todo momento monitorea el voltaje de la línea y lo acondiciona
para mantener a la salida una tensión regulada.
Figura 3: Diagrama de bloques de un UPS line-interactive
6
Modo en batería: Durante un corte de energía o en caso de que la tensión caiga por
debajo del rango mínimo de tolerancia, la batería y el inversor entran en operación para
asegurar la continuidad en el suministro eléctrico. El tiempo de transferencia, es decir,
el tiempo que toma conmutar de modo normal a modo en batería es menor a 5 ms. Las
aplicaciones no-críticas de cómputo pueden seguir operando con tales cortes de
energía con cierto grado de confiabilidad.
Figura 4: Diagrama de bloques de un UPS line-interactive
Ventajas:
•
Regulación constante de tensión
•
Elevada relación costo-beneficio.
Desventajas:
•
No hay regulación de frecuencia
•
No cuenta con acondicionamiento para filtrar armónicos
•
Pobre protección contra picos y sobretensiones
7
•
En modo batería la forma de onda entregada es cuasi-senoidal (cuadrada),
con lo cual se tiene una distorsión armónica (THD)
Capacidades:
Típicamente las UPS interactiva en línea se diseñan en capacidades menores a
5000 VA.
Aplicaciones:
No se recomiendan para proteger cargas críticas. Sus aplicaciones típicas son:
PCs, estaciones de trabajo, servidores de rango medio, multilíneas, conmutadores,
dispositivos de conectividad (hubs, switches), etc.
La operación de una UPS Interactiva, en modo Batería es idéntica al de las UPS
Stand-By. El inversor arranca, se activa el relé de conmutación se activa, y la energía
es provista por la batería.
8
2.3.- UPS doble conversión
También conocidos como UPS Online, estas UPS proveen el mayor nivel de
protección. Tiene tres modos de operación2.
Modo normal: La carga es alimentada por la batería y el inversor, dándose en todo
momento una doble conversión en la energía AC-DC-AC. Además, la energía pasa por
un sistema de acondicionamiento que provee un nivel máximo de protección idóneo
para proteger cargas críticas.
Figura 5: Modo normal
Modo en batería: Durante un corte de energía, las baterías dejan de cargarse pero
éstas y el inversor continúan suministrando energía eléctrica al sistema. El tiempo de
transferencia es cero, esto es debido a que la carga es alimentada siempre por la
batería y el inversor, lo cual significa que la carga en ningún instante dejará de recibir
energía.
2
Algunos modelos pueden incluir un cuarto modo de operación adicionando un bypass de mantenimiento que
permite llevar a cabo reparaciones del equipo sin necesidad de apagar o desconectar la carga ni un instante.
9
Figura 6: Modo batería
Modo bypass: En caso de que las baterías lleguen al fin de su vida útil, o de un mal
funcionamiento de la UPS, un switch, llamado bypass interno, conmuta sin interrupción
la energía de la red. Con esto se asegura que la carga sigue siendo alimentada.
Figura 7: Modo bypass
Ventajas:
•
Aislamiento total de la carga del resto de la red, lo cual elimina la posibilidad
que alguna fluctuación presente en la red eléctrica incida en la carga.
•
Tiempo de transferencia cero, lo que asegura una alimentación continua de
energía.
10
•
Amplio rango del tensión de entrada y precisa regulación del tensión a la
salida (± 3% típicamente).
•
Regulación de frecuencia.
•
Onda senoidal pura a la salida en todo momento, eliminando los problemas
originados por armónicos.
•
La capacidad para adicionar bypass de mantenimiento aumenta la
disponibilidad de los sistemas. Ideal para equipos que tienen que operar
24hrs / 365días.
Desventajas:
•
Precio relativamente alto.
•
Los equipos >3 kVA requieren ser instalados por técnicos especializados.
Capacidades:
Se diseñan desde 500 VA hasta sistemas de varios miles de KVA.
Aplicaciones:
Ideales para proteger todo equipo sensible y aplicaciones de misión crítica:
Servidores, redes, equipos de telecomunicaciones, centros de datos, equipo médico,
procesos industriales, etc.
11
2.4. - UPS off-line y on-line
Cabe mencionar que dentro de los tres tipos de UPS existen también variantes, y
que se puede agrupar dentro de dos categorías principales de UPS, llamadas On-Line y
Off-Line.
Para entender estas dos categorías debemos saber que una UPS off-line es
aquella cuyo inversor solo funciona y alimenta los consumos durante un corte del
suministro eléctrico, estando fuera de servicio y desconectado de los consumos durante
la presencia de red eléctrica. Mientras que una UPS on-line es aquella que siempre el
inversor está conectado y funcionando debido que su función es alimentar a los
consumos tanto con la presencia de la red eléctrica o sin ella.
De forma estricta los tipos sistemas SAI o UPS vistos se categorizar de esta
forma:
Off-line:
•
Stand-by
•
Interactivas en línea
On-line
•
Doble Conversión
Esto es, si se considera el hecho que el inversor debe alimentar continuamente a
los consumos, pero comúnmente en el mercado se consideran a los sistemas con el
inversor en funcionamiento constante, de esta forma quedan así:
Off-line
•
Stand-by
On-line
•
Interactivos en línea
•
Doble Conversión
12
Otros diseños de UPS Off-Line
Otras dos topologías de UPS bastante comunes en el mercado, las cuales son
esencialmente de operación Off-Line son las del tipo Ferroresonante y Triport.
2.5.- UPS Ferroresonante
Las UPS del tipo Ferroresonante utilizan un transformador especial a la salida, el
cual está sintonizado a 50 ó 60 Hz (dependiendo de la frecuencia de la red donde se
encuentren instaladas). Este transformador con tres bobinados, regula la tensión de
salida, y puede ser visto como un estabilizador de tensión. Uno de los bobinados es
utilizado para el Inversor.
Cuando la energía de la línea falla, el relé de transferencia conmuta, el inversor
arranca y alimenta a la carga. Como se ve, el Inversor está en modo Stand-By, y es
energizado solo cuando la línea falla. El transformador, debido a sus especiales
características, tiene la capacidad de almacenar energía, lo que hace que durante el
período de transferencia no se manifieste un micro corte de energía tan importante
como en la UPS Stand-By. La aislación del transformador también provee una alta
atenuación de ruidos y picos transitorios, igual o mejor que cualquier otro filtro
disponible, pero el transformador mismo puede crear severas distorsiones en la tensión
de salida (fundamentalmente con cargas no lineales), que pueden llegar a ser peores
que una mala conexión de línea.
13
Figura 8: UPS Ferroresonante
Aún considerando que ésta es una UPS Stand-By, su rendimiento es bajo,
debido a la ineficiencia del transformador. En la Figura 8 se ve el diagrama en bloques
de una UPS de éstas características, funcionando en Modo Normal.
2.6.- UPS Triport
La UPS denominada Triport es realmente una UPS Interactiva. En la figura 9 se
aprecia que éste sistema el inversor está interactuando permanentemente con la línea.
Note que hay un inductor intercalado entre la entrada de la línea y la salida del inversor.
Este inductor es el que distingue a la UPS tipo Triport de las otras tecnologías.
14
Figura 9: UPS Triport
El nombre Triport (tres puertos) es debido a que realmente, el inversor, la línea, y
la carga configuran los tres puertos.
Operando en modo normal (con línea presente), hay una caída de tensión en el
inductor, y es necesario el funcionamiento del inversor para regular la tensión de salida
a la carga. El inversor también toma parte de energía de la línea y además mantiene la
carga de las baterías. Si el inversor tomara la energía desde las baterías, éstas se
descargarían y no estarían disponibles en el caso de un corte de tensión de entrada.
Cuando la entrada falla, el interruptor se abre y el inversor alimenta a la carga con la
energía de las baterías. El diseño Triport es algunas veces comercializado como UPS
de Simple Conversión, pero realmente ésta tecnología sigue encuadrándose dentro de
las UPS Off-Line. Estas UPS pueden presentar un incorrecto funcionamiento cuando se
las opera con grupos electrógenos que tengan una frecuencia inestable.
2.7.- UPS Redundantes de diseño modular.
UPS Redundantes (Tolerantes a las Fallas) de diseño modular, este tipo de UPS,
fue utilizado hace tiempo sólo para grandes instalaciones. Desde el lanzamiento al
mercado de UPS de mediana potencia con el mismo concepto de redundancia y
modularidad, se encuentra una alternativa que ofrece variadas ventajas.
15
La figura 10 es un simple diagrama que muestra múltiples UPS modulares, y un
gabinete para las conexiones de entrada y salida. Cada módulo, es en realidad una
UPS completa, usando las últimas tecnologías: doble conversión, salida perfectamente
sinusoidal, cargador de baterías incorporado, factor de potencia de entrada corregido,
etc.
Figura 10: UPS Redundantes de diseño modular
En una UPS de tipo redundante, al menos un módulo se encuentra en reserva, si
un módulo falla, es excluido del sistema y la UPS continúa operando normalmente.
Algunas de las fundamentales ventajas de éste tipo de UPS son: la posibilidad de
ampliación (por crecimiento de los sistemas a proteger), la facilidad de cambio del
módulo con fallas (tiempos mínimos de reparación sin perder la protección de la UPS), y
su muy alta confiabilidad.
16
2.8.- Bloques Constructivos de una UPS
Todos los sistemas de energía ininterrumpida utilizan los mismos bloques
constructivos.
Entrada: La sección de entrada es la forma en que la tensión de la línea es
conectada a la UPS, puede ser un cable incorporado, un cable enchufable, o una
bornera con terminales. Algunas UPS pequeñas tienen una entrada común para la
entrada y el by-pass. Las UPS de gran potencia suelen tener una entrada independiente
para la conexión del by-pass.
Filtro: Después de la sección de entrada suele haber un filtro, para proteger los
peaks de las transciendes, interferencias de radio frecuencia, etc. Un filtro tiene una
respuesta de frecuencia y no atenúa todas en la misma proporción
Rectificador: Todas las configuraciones de UPS tienen un rectificador, las UPS
de bajo costo poseen un rectificador con condensador, que entrega una salida filtrada
de corriente continua, mientras que las UPS de mayor tamaño y costo incorporan un
rectificador con filtros de alta eficiencia con una salida DC plana.
Cargador: Un circuito cargador es necesario para recargar la batería luego de
un corte de energía y para mantener las baterías a plena carga mientras no están en
uso.
Baterías: Las baterías son necesarias para mantener funcionando la UPS
cuando la energía eléctrica de alimentación normal falla a cae demasiado la tensión.
Normalmente las UPS de pequeña potencia utilizan baterías internas selladas, libres de
mantenimiento. En grandes UPS se suele utilizar también baterías de electrolito líquido.
17
Una autonomía típica para una UPS de pequeño o mediano tamaño, suelen ser de 10 a
15 minutos.
Inversor: Todas las configuraciones de UPS tienen un inversor. Las UPS de
bajo costo poseen un inversor que entrega una salida de onda cuasi sinusoidal,
mientras que las UPS de mayor tamaño y costo incorporan un inversor con una forma
de onda de salida sinusoidal.
Interruptor: En una UPS de tipo On line, un conmutador mecánico o estático es
usado como parte del circuito automático o manual de by pass. En una UPS de tipo Off
line, un conmutador mecánico o relé, es usado para conmutar la carga a la salida del
inversor cuando falla la línea de alimentación.
Salida: La sección de salida es donde se conectan las cargas a proteger por la
UPS. La cantidad y configuración de las tomas de salida varían según marcas y
modelos. En UPS de gran tamaño es común que la salida se realice por intermedio de
borneras.
La sección de entrada es la forma en que la tensión de la línea es conectada a la
UPS. Puede ser un cable incorporado, un cable enchufable, o una bornera con
terminales.
Algunas UPS pequeñas tienen una entrada común para la entrada y el by-pass.
Las UPS de gran potencia suelen tener una entrada independiente para la conexión del
by-pass. Después de la sección de entrada suele haber un filtro. La denominación filtro
será aquí utilizada de modo genérico, e incluye la protección contra picos transitorios,
interferencias de radio frecuencia, etc. Un filtro tiene una respuesta de frecuencia y no
atenúa todas las armónicas en la misma proporción.
18
La posibilidad de la UPS de comunicarse se ha hecho muy importante ya que
permite un monitoreo remoto del funcionamiento de la UPS, el estado de la línea de
alimentación, las baterías, etc., así como la posibilidad de realizar un cierre ordenado
del sistema. El uso de las comunicaciones vía RS-232, protocolos TCP/IP, y SNMP, es
muy común en las UPS actuales. También se suelen proveer contactos libres de
potencial (secos) que entregan información del estado de línea y batería.
La mayoría de los equipos UPS operan de manera automática, tienen una alarma
sonora indicadora de falla de línea, y un panel de control y estado de la UPS
relativamente sencillo.
En grandes UPS se incluyen medidores y un sistema de control mucho más
sofisticado.
Una UPS con un sistema de regulación de tensión de entrada (estabilizador) es
conocida como UPS Interactiva. El estabilizador de tensión es utilizado para mantener
el voltaje de entrada dentro de los límites aceptables para la carga, cuando la tensión
de la línea disminuye ó se eleva fuera de un rango predeterminado Normalmente no se
necesita usar un transformador de aislamiento, pero es necesario en algunos tipos de
diseño de UPS. Un transformador agrega peso, tamaño y costo a una UPS. Muchas
empresas ofrecen un transformador opcional cuando es necesario tener un aislamiento
galvánico de la carga.
La mayoría de las configuraciones de UPS utilizan solamente estos bloques,
cada configuración tiene sus ventajas y desventajas como: costo más bajo, mejor
filtrado de ruidos, mayor eficiencia, acondicionamiento de línea, etc.
1
ANEXO 3
TEORIA DE BATERIAS
Baterías VRLA
VRLA son las siglas de Valve Regulated Lead Acid, lo que significa que la batería
es hermética. Habrá escape de gas en las válvulas de seguridad únicamente en caso
de sobrecarga o de algún fallo de los componentes. Estas baterías son muy resistentes
a los escapes excepcionales y se pueden utilizar en todas las posiciones.
Figura 1: Batería tipo VRLA
Características
•
No requieren ningún tipo de mantenimiento solo monitoreo
•
Auto descarga escasa
•
Gracias a la utilización de rejillas de plomo-calcio y materiales de gran pureza,
se pueden almacenar durante largo tiempo sin necesidad de recarga. El índice
de auto descarga es inferior a un 2% al mes, a 20ºC.
•
La auto descarga se duplica por cada 10ºC de aumento de temperatura.
•
Con un ambiente fresco, las baterías VRLA se pueden almacenar durante un año
sin tener que recargar.
2
Válvula de recombinación de gases
Durante la carga de la batería convencional de plomo ácido, la electrólisis del
agua genera el hidrógeno en las placas negativas y oxígeno en las placas positivas, lo
que causa pérdida de agua por lo que es necesario el relleno periódico.
Como la evolución de oxígeno y gases de hidrógeno no ocurre simultáneamente,
porque la recarga de las placas positivas no es tan eficiente como las negativas, el
oxígeno es generado en la placa positiva antes de que el hidrógeno sea producido en la
placa negativa, es necesario recombinar estos gases de alguna forma. Esto se hace
con una válvula de recombinación de gases si este proceso fuera el 100 % eficiente,
nada del agua se perdería
de la batería. El diseño cuidadoso y selección de
componentes de batería, la eficacia de recombinación de gas es de alrededor de 95 %
al 99 %.
Figura 2: Principio de reducción del ciclo de oxigeno
Efecto de la temperatura baterías
Las temperaturas elevadas tienen una influencia muy negativa en la duración de
vida, en la tabla 1 presenta la duración de vida previsible de las baterías en función de
la temperatura.
3
Tabla 1: Tabla efectos de temperatura
Efectos de la temperatura en la capacidad
El gráfico muestra que la capacidad disminuye en gran medida a baja
temperatura. La temperatura ambiente a la cual se espera que vayan a trabajar las
baterías tiene una enorme influencia en su comportamiento y tiempo de vida.
Figura 3: Capacidad v/s temperatura
El módulo de baterías se diseña para trabajar a temperaturas ambiente de entre 0 y 40
º C, pero la batería sólo proporcionará un comportamiento y vida de servicio óptimos si
la temperatura se mantiene entre 20-25 º C. Las bajas temperaturas perjudican el
comportamiento de las baterías, pero las altas temperaturas durante largos periodos de
tiempo reducen drásticamente la vida de servicio, dando lugar a fallos prematuros.
Por cada 10 º C de incremento de la temperatura por encima de 20 º C, la vida de la
batería se reduce en un 50 %.
4
Tensión de flote
La elección de la tensión de carga de flotación que permite mantener la batería en
un estado de plena carga, está íntimamente relacionada con la temperatura ambiente
que soporta la batería.
El valor típico se sitúa en torno a los 2.27 Voltios por celda a 20 º C, este valor debe
mantenerse con precisión y compensarse automáticamente ante cualquier cambio en la
temperatura ambiente.
La resistencia interna como alternativa a las pruebas de capacidad
Para determinar el estado operacional de un banco de baterías es necesario
realizar pruebas de capacidad o de descarga, para lo cual se aplica una carga resistiva
al banco y se ajusta una corriente de descarga ya establecida por el fabricante en las
tablas características de las baterías, se toman registros de tensión por batería en
función del tiempo y al llegar al voltaje umbral de descarga de la celda, se detiene la
prueba.
Modelo de la batería
La batería puede verse como un conjunto de elementos eléctricos. La figura 4 ilustra
el modelo básico de Randles para baterías de plomo como un circuito equivalente con
resistencias y condensadores (R1, R2 y C). La reactancia inductiva normalmente se
omite, porque juega un rol imperceptible en una batería a bajas frecuencias.
5
Figura 4: Batería: Modelo básico de Rancles
Método de conductancia AC
Se inyecta en la batería una señal de corriente alterna AC. Se elige una frecuencia
entre 80 y 100 Hz para minimizar la reactancia. En esta frecuencia, la reactancia
inductiva y capacitiva convergen, resultando en un retraso mínimo de tensión
(compensándose sus efectos). Los fabricantes de equipos de conductancia AC dicen
que las lecturas de resistencia de batería están en el rango de los 50 m Ohms.
La razón entre la corriente AC y la tensión AC en bornes de la batería es la
conductancia
1
ANEXO 4
CUADRO DE CARGAS
Cuadros de Cargas actuales de Plantas 1 y 2.
Cuadro de cargas planta 1:
LOCATION: CONTROL ROOM
SERVICE: UPS ISOLATED
120V AC LOADS
TRAIN I
FEEDER: 3/C-#2/0
CIRCUIT
DESCRIPTION
IFC-105 BRIDGE (PRI) EX CAB 2
IFC-101 PRI PWR SUPPLY
PLC101 PRI PS MCC RIO DROPS 10-11-12
PLC101 PRI PS SKID A2 DROPS 2-3-4-5
X-TERM SINGLE & DOUBLE OWP1
102U PLC & OXIG. ANALIZER
OWP1 CONTROL MODULE RACK
TRICONEX TS3420 101JT PRI
2001L AIR DRIER CONTROL PANEL
PD1A CP 101 DISTRIBUTION PANEL
101J/102J B. NEVADA TACH.
IFC-102 PRI PWR SUPPLY
DRFD 1 PS1
DRFD 2 PS1
FUSE
AMPS
20A
20A
20A
20A
30A
30A
30A
20A
20A
20A
20A
20A
20A
20A
CKT
N°
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
LOCATION: CONTROL ROOM
SERVICE: UPS ISOLATED
120V AC LOADS
TRAIN I
CIRCUIT
DESCRIPTION
IFC105 BRIDGE SEC (A5) (6)
IFC-105 SEC PWR SUPPLY
IFC-102 SEC PWR SUPPLY
IFC-104 SEC PWR SUPPLY
X-TERM 1 & X-TERM 2 OWP2
PLC 101 POWER SUPPLY TOP
PLC 24 VDC POWER SUPPLY LEFT
2001LA AIR DRIER CONTROL
PANEL
106U PLC & OXIG. ANALIZER
IFC-103 SEC PWR SUPPLY
IFC-101 SEC PWR SUPPLY
PD1-B DISTRIBUTION PANEL CP101
DRFD 1 PS2
DRFD 2 PS2
VOLTAGE: 120VAC, 1PH, 2W, N, GND.
MAIN:
100A FUSED SWITCH
UPSI-1B
CKT
N°
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
FUSE
AMPS
20A
20A
20A
30A
20A
20A
30A
30A
30A
30A
20A
20A
20A
20A
CIRCUIT
DESCRIPTION
DCS SKID B3 HDL-PDI PL1 (EX A4)
IFC-103 PRI PWR SUPPLY
IFC-104 PRI PWR SUPPLY
2201UA LOCAL CONTROL PANEL
PLC 48 VDC PWR. SUPPLY LEFT
PLC 24 VDC PWR. SUPPLY RIGHT
102U LOCAL CONTROL PANEL
PLC 101 PWR. SUPPLY BOTTOM
2005J AIR COMPRESOR LCP
TRICONEX PLC102
102U ELECTRO HYE EYE
CAB-DV1 PS2 (DELTA V SERVER)
IFC-105 PRI PWR SUPPLY
103JT LOCAL CONTROL PANEL
VOLTAGE: 120VAC, 1PH, 2W, N, GND.
MAIN:
100A FUSED SWITCH
UPSI-2B
FEEDER: 3/C-#2/0
FUSE
AMPS
20A
20A
20A
20A
30A
30A
20A
20A
CKT
N°
1
3
5
7
9
11
13
15
CKT
N°
2
4
6
8
10
12
14
16
FUSE
AMPS
20A
20A
20A
30A
30A
30A
20A
20A
30A
20A
20A
20A
20A
20A
17
19
21
23
25
27
18
20
22
24
26
28
20A
30A
20A
20A
30A
20A
CIRCUIT
DESCRIPTION
SKID B3 PRI
PLC101 PRI PS SKID A1 DROPS 6-7-8-9
PLC101 PRI PS MCC RIO DROPS 13-14-15
2201UB LOCAL CONTROL PANEL
PLC 48 VDC POWER SUPPLY RIGHT
2005JA AIR COMPRESOR LCP
OWP2 CONTROL MODULE RACK
SPARE
CAB-DV2 PS1 (DELTA V SERVER)
TRICONEX PLC 102
106U ELECTRO HYE EYE
CAB-DV1 PS3 (DELTA V SERVER)
106U LOCAL CONTROL PANEL
103JAT LOCAL CONTROL PANEL
2
LOCATION: CONTROL ROOM
SERVICE: UPS NON-ISOLATED
120V AC LOADS
TRAIN I
CIRCUIT
DESCRIPTION
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
111JT LCP/111JT BENTLY NEVADA
FEEDER: 3/C-#2/0
FUSE
AMPS
20A
20A
30A
30A
20A
20A
20A
20A
20A
30A
CKT
N°
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
LOCATION: CONTROL ROOM
SERVICE: UPS ISOLATED
120V AC LOADS
TRAIN I
CIRCUIT
DESCRIPTION
101BL NON ROT. DET. PANEL &
101BJ1T ALARM PANEL
104K ANALIZER BLDG. P.S
101B PENTHOUSE CONTROL PANEL
MICROVAX DIST. PANEL
SOCKET VDU1 DIST. PANEL
PD3 CP101 DIST. PANEL
CAB-DV1 PS1 (DELTA V SERVER)
VOLTAGE: 120VAC, 1PH, 2W, N, GND.
MAIN:
100A FUSED SWITCH
UPSI-3A
CKT
N°
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
FUSE
AMPS
30A
30A
30A
30A
20A
20A
20A
20A
20A
20A
CIRCUIT
DESCRIPTION
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
VOLTAGE: 120VAC, 1PH, 2W, N, GND.
MAIN:
100A FUSED SWITCH
UPSI-3B
FEEDER: 3/C-#2/0
FUSE
AMPS
15A
CKT
N°
1
CKT
N°
2
FUSE
AMPS
30A
30A
30A
30A
20A
20A
20A
3
5
7
9
11
13
4
6
8
10
12
14
20A
20A
30A
20A
20A
20A
FT108 CONTROLLER
CD ROOM MUSIC RADIO AND
RECEPTORS
CONTROL ROOM ALARMS PRINTERS
20A
20A
15
17
16
18
20A
20A
20A
19
20
20A
LT179, 101F ELECTRO HYE EYE
CAB-DV2 PS2 (DELTA V SERVER)
RACK CHIPS (PICTON & ALPHA)
RACK CHIPS (LYNCH)
30A
20A
20A
20A
21
23
25
27
22
24
26
28
20A
20A
20A
20A
CIRCUIT
DESCRIPTION
2002L N2 PLANT CONTROL PANEL
2001U POLISHERS LC PANEL
PLC101 SEC PS SKID A1 DROPS 6-7-8-9
2201UC LOCAL CONTROL PANEL
SOCKETS PLC COMPUTER AREA
GAITRONIC CONTROL ROOM
PLC101 SEC PS MCC RIO DROPS 10-1112
PD2 CP101 DIST. PANEL
CAB-1 (OWP1/OWP2) FANS SOCK
RACK
PLC101 SEC PS MCC RIO DROPS 13-1415
PLC101 SEC PS SKID A2 DROPS 2-3-4-5
CAB B3 PWR SUPPLY SEC
TRICONEX TS3420 101JT SEC
SPARE
3
Cuadros de cargas Planta 2:
LOCATION: CONTROL ROOM
SERVICE: UPS NON-ISOLATED
120V AC LOADS
TRAIN II
VOLTAGE: 120VAC, 1PH, 2W, N, GND.
MAIN:
100A FUSED SWITCH
UPSII-1
FEEDER: 3/C-#2/0
CIRCUIT
DESCRIPTION
PL2 DCS CONSOLE 2 CAB 1
DCS-2A (DCS I/O CAB. #2 AUX.)
DCS-3A (DCS I/O CAB. #3 AUX.)
DCS-4A (DCS I/O CAB. #4 AUX.)
DCS-MCCA (DCS I/O CAB. MCC AUX.)
CONSOLA PL2-MODULO 6
DCS-5A (DCS I/O CAB. #5 AUX.)
O2 COMB. ANALYSER AJT-1363
SPARE
SPARE
SPARE
PL3-CP301 (PWR SECONDARY)
FUSE
AMPS
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
CKT
N°
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
CKT
N°
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
FUSE
AMPS
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
20A
20A
CONSOLA PL3-MODULO 2
CONSOLA PL3-SPARE EN MODULO 2
30A
30A
25
27
26
28
20A
30A
LOCATION: CONTROL ROOM
SERVICE: UPS NON-ISOLATED
120V AC LOADS
TRAIN II
CIRCUIT
DESCRIPTION
PL2 DCS CONSOLA 1 CAB. 1
DCS-2N (DCS I/O CAB. #2 NOR.)
DCS-3N (DCS I/O CAB. #3 NOR.)
DCS-4N (DCS I/O CAB. #4 NOR.)
DCS-MCCN (DCS I/O CAB. MCC NOR.)
SPARE (CONSOLA PL2-MODULO 4)
DCS-5N (DCS I/O CAB. #5 NOR.)
O2 COMB. ANALYSER AJT-1364
NETWORK PANEL CAB #7
(SECONDARY)
SPARE
SPARE
PL3-CP301 (PWR PRIMARY)
CONSOLA PL3-MODULO 5
CONSOLA PL3-SPARE EN MODULO 5
CIRCUIT
DESCRIPTION
PLC-201 CABINET 1
PLC-202/203 CABINET 1
SPARE
SPARE
CONSOLA PL2-MODULO 5
PLC-204 CABINET 1
PLC-202/203 CABINET 6
DCS HOT SPARE TECH/BLDG
PS2-KPS #3 PLC202 CAB. 6R
SPARE
CP-301 (FOE)
CONSOLA PL3-SPARE EN
MODULO 5
PL3- PRINTERS
PL3- OWP-1 (SECONDARY)
VOLTAGE: 120VAC, 1PH, 2W, N, GND.
MAIN:
100A FUSED SWITCH
UPSII-2
FEEDER: 3/C-#2/0
FUSE
AMPS
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
CKT
N°
1
3
5
7
9
11
13
15
17
CKT
N°
2
4
6
8
10
12
14
16
18
FUSE
AMPS
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
20A
19
21
23
25
27
20
22
24
26
28
30A
30A
20A
20A
30A
CIRCUIT
DESCRIPTION
PLC-201 CABINET 2
PLC-202/203 CABINET 2
CONSOLA PL2-MODULO 1
CONSOLA PL2-MODULO 2
CONSOLA PL2-MODULO 3
PLC-204 CABINET 1
PLC 202/203 CABINET 6
DCS HOT SPARE TECH/BLDG
PS1-KPS #3 PLC202 CAB. 6R
SPARE
SPARE
PL3-SOE/TRISTATION/BN
PL3-FIRE PANEL PWR
PL3- OWP-1 (PRIMARY)
4
LOCATION: CONTROL ROOM
SERVICE: UPS ISOLATED
120V AC LOADS
TRAIN II
VOLTAGE: 120VAC, 1PH, 2W, N, GND.
MAIN:
100A FUSED SWITCH
UPSII-3A
FEEDER: 3/C-#2/0
FUSE
AMPS
20A
30A
20A
CKT
N°
1
3
5
CKT
N°
2
4
6
FUSE
AMPS
20A
30A
20A
20A
20A
20A
20A
30A
7
9
11
13
15
8
10
12
14
16
20A
40A
40A
30A
30A
BN-5BC (B-N #5 CAB. B MOD.)
SPARE
30A
30A
17
19
18
20
30A
30A
SPARE
SPARE
EXCITACION PANEL/GST701
SPARE
30A
30A
20A
20A
21
23
25
27
22
24
26
28
30A
30A
30A
20A
CIRCUIT
DESCRIPTION
SYCH. PANEL PLC
CP-1 (LT-1511 HP STEAM DRUM)
NETWORK PANEL CAB #7
(PRIMARY)
FCP-01 (FIRE CONTROL PANEL)
FIRE BEACONS
BN-4AC (B-N #4 CAB. A MOD.)
BN-4BC (B-N #4 CAB. B MOD.)
BN-5AC (B-N #5 CAB. A MOD.)
LOCATION: CONTROL ROOM
SERVICE: UPS ISOLATED
120V AC LOADS
TRAIN II
CIRCUIT
DESCRIPTION
SYNCH. PANEL MTM+
BN-1AC (B-N #1 CAB. A MOD.)
BN-1BC (B-N #1 CAB. B MOD.)
BN-2AC (B-N #2 CAB. A MOD.)
BN-2BC (B-N #2 CAB. B MOD.)
BN-3C (B-N #3 MOD. CNTR.)
SPARE
FLARE PANEL PLC LP-X703
BN-5 (BN-5A CAB)
BN-5 (BN-5B CAB)
BN-4 (BN-4A CAB)
BN-4 (BN-4B CAB)
SPARE
SPARE
CIRCUIT
DESCRIPTION
PC’S BN21-BN22
CP-1 (INDICADORES LOCALES)
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
SPARE
LP X-604 A/B LCP (NO
IMPLEMENTADO)
LP X-702A LCP/LP X-705A LCP
ANALIZADOR O2 Y COMB AIT-1366
A/B
SPARE
SPARE
CP-302
KEPCO CP-302
VOLTAGE: 120VAC, 1PH, 2W, N, GND.
MAIN:
100A FUSED SWITCH
UPSII-3B
FEEDER: 3/C-#2/0
FUSE
AMPS
20A
20A
20A
20A
20A
20A
20A
30A
30A
30A
30A
30A
20A
20A
CKT
N°
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
CKT
N°
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
FUSE
AMPS
20A
20A
20A
20A
20A
20A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
30A
20A
CIRCUIT
DESCRIPTION
SOE PRINTER RECEPTACLE
BN-1AA (B-N #1 CAB. A TDIX & AUX.)
BN-1BA (B-N #1 CAB. B AUX.)
BN-2AA (B-N #2 CAB. A TDIX & AUX.)
BN-2BA (B-N #2 CAB. B AUX.)
BN-3A (B-N #3 TDIX & AUX. EQ.)
B-NEVADA PC’S BN-21, BN22
LP X-604A/B LOCAL CONTROL POWER
LP X-702B/LP X-705B LCP
SPARE
CON. POL. PNL. PLC CP-X605
PL2-GAITRONICS SYSTEM POWER
SPARE
SPARE
5
1
ANEXO 5
GUIA DE SELECCIÓN Y ESPECIFICACIONES DE UPS CYBEREX
CyberWave UPS Selection Guide
UPS Model
kVA
CW-15
CW-20
CW-30
15
20
30
Input
Input Voltage
208, 480, or 600 Volts for 60 Hz Systems and 220/240, 380, or
415/440 Volts for 50 Hz Systems
Number of Phases
3 Phases
Number of Wires
Standard: 3 wire + Ground, Optional: 4 Wire + Ground
Input Frequency
Standard: 60 Hz, Optional: 50Hz
Input Power Factor
0.75 pf at rated output and load
Maximum Input Current @ 480V, 100% Load, 240
31A
41A
62A
Input Breaker @ 480V
50A
60A
90A
Bypass
Same as Output of the UPS
Input Voltage
Nominal Bypass Current @ 120V
125A
Maintenance Bypass Switch
Bypass Switch
167A
250A
Rotary 3 Position Switch
Standard for M2 & M3; Bypass Line Input Disconnect Switch,
Optional for M2 & M3; Automatic Battery Disconnect Breaker
DC Bus
Voltage
Battery Switch
Standard: 240 VDC, Optional: 120 VDC
Standard: Battery Disconnect Switch, Optional: Automatic
Battery Disconnect Breaker
Maximum Battery Current @ 240VDC , 100% Load
76A
102A
152A
Maximum Rectifier/Charger Current @ 240VDC , 100%
Load
61A
78A
112A
Output
Output Voltage
Standard: 120VAC for 60 Hz Output, Optional: 110/120 VaC
for 50 Hz Output
Output Frequency
Standard: 60 Hz, Optional: 50 Hz
Number of Phases
Single Phase
Number of Wires
Standard: 2 Wire, Optional: 3 Wire
Output Isolation Switch/Breaker
Standard in M2 & M3 Configurations
UPS Output Current @ 120VAC, 100% Load
15 Minute Overload Current
125A
167A
250A
150A
200A
300A
950%
700%
600%
@ 120VAC Unity PF, 150% KW Rating
Overload: Static Bypass (One Loop)
Inverter Efficiency
100%
Load 88%
75%
Load 89%
50%
Load 88%
25%
Load 85%
Full Load Heat Rejection (BTU/Hr)
5600
7460
14460
2
Especificaciones técnicas de las UPS
Las especificaciones técnicas de las UPS son básicamente estándares y difieren
según la selección obtenida de la guía. A continuación se entregan las especificaciones
de las UPS de acuerdo a información del fabricante.
Especificaciones técnicas
AC Input Rating
Input Voltage
Nominal Voltage +10% and –20%
Frequency
Nominal Frequency ± 5%
Input Power Factor
0.75@ Full Load and Nominal Input
Input Inrush Current
400% of Nominal Input Current
Current Walk-In Ramp
Up To Full Load in 15 Seconds
Surge Withstand
Meets IEEE 587/ANSI C62.41
Transient Energy
160 Joules (Max Ratings at 85° C, 10/1000msec & Combination Wave Tests)
Current Limit
125% of Rated 0.8pf Current
Input Current
THD 30% Typical, 10% with Optional Filters
DC Bus Rating
DC Voltage
Standard 240VDC, 120VDC Optional
DC Regulation
±.25% from No Load to Full Load
DC Voltage Ripple
<2% RMS Ripple @ Full Load, without Battery Connected
AC Output Rating
Inverter Power
Rated at 0.8 Power Factor
Voltage
120V, 240V Optional (International Voltages Available)
Voltage Adjustability
± 5% of Nominal
Voltage Regulation
<± .5% Steady State for 0-100% Load Change
Transient Response
<± 5% for a 100% Load Step
<± 1% for Loss or Return of AC Input Power
<± 5% for Manual Transfer to Bypass and Back @100% Load
Voltage Recovery
Return to Within ± 2.5% of Nominal Value Within 16 Milliseconds (One Cycle)
Voltage Distortion
Linear Loads: <3.5% at Full Load
Non Linear Loads (Crest Factor = 3:1): Max 5% at Full Load
Overload: Inverter
Up to 150% of Rated Output Power for 15 Minutes at Min DC Bus and Input
Up to 150% of Rated Output Power for 5 Minutes at 50°C
Overload: Static Bypass
10 to 20kVA: 1193A RMS Symmetrical with XL/R=15 for One Loop
25 to 30kVA: 1491A RMS Symmetrical with XL/R=15 for One Loop
40 to 75kVA: 5321A RMS Symmetrical with XL/R=15 for One Loop
Frequency
60Hz Nominal, 50Hz Optional
Frequency Stability
± .1% Free Running
Frequency Slew Rate
1.0 Hz/Sec Maximum
3
Especificaciones estándares
Standard Specifications
Environmental Specifications
IGBT-Based PWM Inverter
Accoustical Noise Level
Less Than 60dBA at 3 Feet
Modbus Communications
Operating Temperature
0-40°C
Full Digital Controls with DSP’s
Relative Humidity
0-95% Non-Condensing
Full Isolation Input/Output Transformers
Access
No Rear or Side Access Required
for Operations or Maintenance
Full Color Touch Screen Monitor Panel
Cooling
RS 232 Communications Port
Operating Altitude
Forced Air; Optional Redundant
Fan Assemblies for Cabinet
Up to 1000 m at 40°C; Derate by 9%
for Every 1000m Altitude Increase
Bidirectional Fully Rated Static Switch
Maintenance Bypass Switch
Fiber Optic Datapaths
Advanced Battery Monitoring & Management
BIBLIOGRAFIA
•
Cyberex Inc. (1993): Cooling considerations in uninterruptible power supply
rooms. Number 4, volume 6. The Cyberexpert Inc.
•
E.J. Yohman. (1989): Comparison of uninterruptible power supply systems.
Engineering seminar on UPS power products, Cyberex Inc.
•
Cyberex Llc. (2000): CyberWave UPS User’s Manual. Rev. 17.
•
H. Wayne Beaty. (2001): Handbook of electric power calculations, 3a edition.
McGraw-Hill ISBN 0-07-136298-3.
•
Alber. Battery monitors data manager software with report generator. User’s
guide.
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IEEE Red Book. (1994). IEEE recommended practice for Electric power
distribution for industrial plants. Institute of electrical an electronics engineers, Inc.
ISBN 1-55937-333-4.
•
Charles Michael Holt. (1996) 2a Edition. Understanding the national electrical
code. Based on 1996 national electrical code. ISBN 0-82723-6805-4.
•
Charles R. Miller. (2002) 2a Edition. Illustrated guide to the national electrical
code. Based on 2002 national electrical code. ISBN 0-7668-7334-X.
•
SolidState controls, Inc (1991). Uninterruptible power supply (UPS) seminar.
Universidad de Magallanes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Electricidad
Sistema de respaldo redundante
para alimentación de sistemas de
control y monitoreo
Trabajo de titulación presentado en
conformidad a los requisitos para
obtener
el título de Ingeniero
de Ejecución en Electricidad
Profesor Guía: Nelson Barría
Luís Barría - Waldo Quinteros
Índice
Introducción
„ Objetivos
„ Situación original
„ Justificación
„ Desarrollo del sistema de respaldo
„ Conclusiones
„
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Introducción
„
Dentro de los sistemas de respaldo de
energía
se
puede
encontrar
principalmente
generadores
de
emergencia, UPS y bancos de baterías
entre otros, los que cumplirán su función
dependiendo
de
la
naturaleza
y
necesidades del sistema a respaldar.
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Objetivo general
„
Proponer un sistema de respaldo
redundante para alimentación de sistemas
de control y monitoreo
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Objetivos específicos
„
Levantamiento de la configuración del
sistema y distribución de sus cargas
asociadas
„
Proponer un sistema de respaldo
redundante adecuado
„
Elaborar un procedimiento de operación y
manipulación del sistema de respaldo
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Situación original
„
Incidentes
Costo US$
80.000
Costo Incidentes UPS
72.885
70.000
60.000
52.511
50.000
40.000
30.000
20.000
10.000
250
900
100
300
100
4.000
2.000
2.243
300
100
100
0
10-Mar-02 20-Dec-02 15-Jan-03 16-Sep-03
4-Nov-03
30-Nov-03 10-Nov-04
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
6-Dec-04
13-Jan-05 14-Jan-05
5-Apr-05
30-Aug-05 28-Dec-05
Situación original
„
Confiabilidad
R(t)100%
Global 2002-2005
2002
2003
2004
90%
80%
70%
60%
50%
36%
40%
30%
20%
10%
días
0%
8
32
56
80
104
128
111
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
152
176
200
t
Configuración original
ENERGIA
NORMAL
RECTIFICADOR
UPS-1
ENERGIA
NORMAL
CARGAS
CRÍTICAS
STATIC
SWITCH
BANCO
BATERIAS
STS
ENERGIA
ALTERNATIVA
INVERSOR
RECTIFICADOR
UPS-2
INVERSOR
BANCO
BATERIAS
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
STATIC
SWITCH
CARGAS
SUPERCRÍTICAS
CARGAS
CRÍTICAS
Justificación para el desarrollo
„
Disminuir la vulnerabilidad
„
Aumentar la confiabilidad
„
Aislamiento seguro de las unidades
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Desarrollo del sistema
Funcionamiento de una UPS
„ Alimentaciones
„ Panel de aislamiento
„ Propuestas
„ Costos
„
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Funcionamiento de la UPS
„
Condición normal
ENERGIA
NORMAL
RECTIFICADOR
INVERSOR
BANCO BATERIAS
ENERGIA
ALTERNATIVA
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
CARGAS CRÍTICAS
STATIC
SWITCH
Funcionamiento de la UPS
„
Pérdida de la energía normal
ENERGIA
NORMAL
RECTIFICADOR
INVERSOR
BANCO BATERIAS
ENERGIA
ALTERNATIVA
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
CARGAS CRÍTICAS
STATIC
SWITCH
Funcionamiento de la UPS
„
Retorno automático
ENERGIA
NORMAL
RECTIFICADOR
INVERSOR
BANCO BATERIAS
ENERGIA
ALTERNATIVA
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
CARGAS CRÍTICAS
STATIC
SWITCH
Funcionamiento de la UPS
„
Pérdida de la energía normal
ENERGIA
NORMAL
RECTIFICADOR
INVERSOR
BANCO BATERIAS
ENERGIA
ALTERNATIVA
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
CARGAS CRÍTICAS
STATIC
SWITCH
Funcionamiento de la UPS
„
Pérdida de la energía normal
ENERGIA
NORMAL
RECTIFICADOR
INVERSOR
BANCO BATERIAS
ENERGIA
ALTERNATIVA
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
CARGAS CRÍTICAS
STATIC
SWITCH
Funcionamiento de la UPS
„
Pérdida del banco de baterías
ENERGIA
NORMAL
RECTIFICADOR
INVERSOR
BANCO BATERIAS
ENERGIA
ALTERNATIVA
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
CARGAS CRÍTICAS
STATIC
SWITCH
Funcionamiento de la UPS
„
Retorno manual
ENERGIA
NORMAL
RECTIFICADOR
INVERSOR
BANCO BATERIAS
ENERGIA
ALTERNATIVA
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
CARGAS CRÍTICAS
STATIC
SWITCH
Desarrollo del sistema
Funcionamiento de una UPS
„ Alimentaciones
„ Panel de aislamiento
„ Propuestas
„ Costos
„
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Alimentaciones
52-4
1000 KW
400V
TR
6.9KV-400V
CCM
380V, 1200A
CCME
E
N
6 MW
6.900V
ATS
800A
380V, 800A
ENERGIA
ALTERNATIVA
ENERGIA
NORMAL
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Normal
Alimentaciones
52-4
1000 KW
400V
TR
6.9KV-400V
CCM
380V, 1200A
CCME
E
N
6 MW
6.900V
ATS
800A
380V, 800A
ENERGIA
ALTERNATIVA
ENERGIA
NORMAL
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Alternativa
Desarrollo del sistema
Funcionamiento de una UPS
„ Alimentaciones
„ Panel de aislamiento
„ Propuestas
„ Costos
„
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Panel de aislamiento
„
Condición normal
ENERGIA
NORMAL
By Pass
SWITCH
CB-201
RECTIFICADOR
CARGAS
INVERSOR
STATIC
SWITCH
CB-3
CB-202
UPS
BANCO
BATERIAS
CB-1
ENERGIA
ALTERNATIVA
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
CB-2
Panel de Aislamiento
Panel de aislamiento
„
Condición UPS en by pass
ENERGIA
NORMAL
By Pass
SWITCH
CB-201
RECTIFICADOR
CARGAS
INVERSOR
STATIC
SWITCH
CB-3
CB-202
UPS
BANCO
BATERIAS
CB-1
ENERGIA
ALTERNATIVA
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
CB-2
Panel de Aislamiento
Panel de aislamiento
„
Condición UPS aislada
ENERGIA
NORMAL
By Pass
SWITCH
CB-201
RECTIFICADOR
CARGAS
INVERSOR
STATIC
SWITCH
CB-3
CB-202
UPS
BANCO
BATERIAS
CB-1
ENERGIA
ALTERNATIVA
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
CB-2
Panel de Aislamiento
Desarrollo del sistema
Funcionamiento de una UPS
„ Alimentaciones
„ Panel de aislamiento
„ Propuestas
„ Costos
„
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Propuestas
1ª - Sistema de UPS en cascada
2ª - Sistema de UPS en paralelo, redundante y con
interruptor de transferencia estático
3ª - Sistema de UPS en cascada con Interruptor de
transferencia estático
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Propuestas
1ª - Sistema de UPS en cascada y sistema de bypass
para retirarlas de servicio.
2ª - Sistema de UPS en paralelo, redundante y con
interruptor de transferencia estático
3ª - Sistema de UPS en cascada con Interruptor de
transferencia estático
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Configuración de respaldo
UPS-201
Inversor
Rectificador
Switch de
Transferencia
Tensión de
Entrada
Salida
Banco de
Baterías
15Kva
UPS-203
Rectificador
Cargas
Críticas
Inversor
Tensión de
Entrada
Switch de
Transferencia
STS-204
Tensión
Alternativa
Cargas
Supercríticas
30Kva
Tensión
Alternativa
Banco de
Baterías
UPS-202
Rectificador
Inversor
Tensión de
Entrada
Cargas
Críticas
Salida
Switch de
Transferencia
15Kva
Banco de
Baterías
Desarrollo del sistema
Funcionamiento de una UPS
„ Alimentaciones
„ Panel de aislamiento
„ Propuestas
„ Costos
„
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
3ª - Sistema de UPS en cascada con Interruptor de
transferencia estático
„
„
„
„
„
„
„
2 UPS Cyberex 15 KVA
1 UPS Cyberex 30 KVA
1 STS Cyberex de 50 A
3 Banco de baterías Power Safe
3 Panel de Breaker para sistema By Pass
Contenedor
Costos involucrados en la instalación (Preparación
de terreno, transporte, instalación, cables, instalación
cableado, contenedor para su instalación, etc.)
US$
US$
US$
US$
US$
US$
50.000
37.000
9.700
60.000
15.000
9.000
US$ 30.000
TOTAL US$ 210.700
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Conclusiones
„
Cumplimiento de los objetivos específicos
„
Propuestas de un sistema de UPS en cascada
con interruptor de transferencia estático,
alternativa de mayor robustez del sistema al
tener un respaldo de N+2
… Disminuye
la vulnerabilidad, Aumenta la
confiabilidad y existe un aislamiento seguro
de las unidades
Facultad de Ingeniería – Departamento de Electricidad
Universidad de Magallanes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Electricidad
Sistema de respaldo redundante
para alimentación de sistemas de
control y monitoreo
Trabajo de titulación presentado en
conformidad a los requisitos para
obtener
el título de Ingeniero
de Ejecución en Electricidad
Profesor Guía: Nelson Barría
Luís Barría - Waldo Quinteros