año 1 - número 4 - julio/agosto 2003 - www.electromagazine.com.uy www.electromagazine.com.uy
Armónicos qué son y cómo se producen
Llaves limitadoras inteligentes Sistemas de
alimentación ininterrumpida Protección contra
sobretensiones en c.a. S Í A P L E O D O T N E A R O H
MUNDO ELECTRICO
índice artículos técnicos
6.
Protección contra sobretensiones en c.a. (1) Introducción al tema, mostrando (en esta ocasión) los cuidados que hay que tener en la elección de la protección para un tablero general.
10.
Llaves limitadoras inteligentes
14.
Armónicos (1)
24.
Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (1)
Descripción, usos y aplicaciones de una llave limitadora inteligente. Ejemplos reales en donde la potencia instalada es tres veces mayor que la potencia contratada.
En este primer artículo se introduce el tema de qué son y cómo se producen las corrientes armónicas en líneas de baja tensión y algunas de sus consecuencias.
Explicación de lo que es un SAI (o UPS), así como diferentes tecnologías usadas en centros de cómputos, servidores de redes y sistemas de informática.
mercado y empresas
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Mercado y Empresas CIME S.A. presenta las características de los materiales y ser vicios que brindan al sector industrial.
información de interés
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Noticias del sector eléctrico industrial uruguayo. STAFF
Redactor responsable Ing. A.Mikalaiunas
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editorial Llegando ya al ejemplar número 4, en esta edición podrán observar que estamos incluyendo una nueva sección llamada “Mercado y Empresas”. La misma está destinada a mostrar claramente los servicios y/o productos que distintas empresas del mercado eléctrico nacional tienen para usted y su fábrica. ¿Cuántas veces nos ha pasado descubrir que desconocíamos una parte de las prestaciones que un proveedor nuestro tenía? Precisamente, la sección “Mercado y Empresas” la hemos anexado para que esto ya no suceda. También queremos agradecer a quienes nos siguen enviando e-mails o nos llaman por teléfono (característica poco habitual en nosotros los uruguayos) pues todos coinciden en que la información técnica que desde aquí se imprime se presenta en una forma entendible y amena. Y así seguirá siendo. Relativo al contenido y a su alcance, nos es grato comunicarles que ElectroMagazinE está en todas las capitales departamentales del Uruguay . Para nosotros esto significa haber alcanzado una de las primeras metas: ser el punto de encuentro, nexo y difusión a escala nacional de todo el sector industrial de la energía eléctrica. También, para un mayor beneficio de los usuarios de la energía eléctrica, deseamos comunicarles que ElectroMagazine está organizando Cursos Técnicos de Capacitación. ¿Qué son estos cursos? ¿Son charlas de un par de horas? No. La dirección de la revista se ha puesto en contacto con profesionales de gran experiencia en temas específicos y ha desarrollado cursos de entre 10 y 15 horas para que usted pueda conocer tanto la teoría como la práctica de distintos temas de la energía eléctrica. Los docentes elegidos son personas que trabajan desde hace años en cada uno de los respectivos temas. Queremos que de esta manera usted pueda perfeccionar o ampliar sus posibilidades de trabajo. Como ejemplos, en el caso particular del curso de PLC, es el primero de los que le permitirán acceder tanto las aplicaciones básicas como avanzadas de los mismos. Y el curso sobre UPS se ha pensado para que conozca tanto las que se usan en pequeñas computadoras personales como las que se utilizan en grandes centros de cómputos en donde se necesita energía de 100 kW o más. ¿Sabe cómo sacar de servicio una UPS, sustituirla físicamente por otras, poner en marcha la nueva y todo esto sin quitarle la energía a sus equipos? O ¿porqué una UPS que tenga baja carga en su salida puede interactuar con el grupo electrógeno que lo alimenta y sacarlo de servicio? Estos y otros temas serán abarcados con la característica docente que distingue a ElectroMagazine. No dude en seguir comunicándose con nosotros planteándonos sus dudas o inquietudes, así como las sugerencias que vea oportunas. Pero ahora, comience ya a disfrutar del nuevo ejemplar de su ElectroMagazine. La dirección
artículo técnico
Diseño de un sistema de protección contra sobretensiones para líneas de alimentación de corriente alterna en baja tensión (1) Introducción al tema, mostrando (en esta ocasión) los cuidados que hay que tener en la elección de la protección para un tablero general. Actualmente la mayoría de los dispositivos eléctricos instalados en una línea de alimentación de corriente alterna poseen integrado algún tipo de circuito electrónico para control y monitoreo. En el caso de televisores, PCs, impresoras y demás dispositivos de uso más doméstico o de oficina, son totalmente electrónicos y toman la alimentación directamente de la red de distribución de corriente alterna. Los circuitos electrónicos son altamente susceptibles a transitorios que se pueden suceder en la línea de alimentación por lo que hay que tener en cuenta protegerlos para evitar su destrucción. Antes de encarar el diseño de un sistema de protección contra sobretensiones debemos conocer algunos conceptos básicos: es un aumento temporal del valor de la tensión nominal que puede causar Sobretensión:
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o no daño a los elementos conectados a la línea de alimentación. l
Transitorio: es un fenómeno variable de cor-
ta duración que sucede entre dos períodos de tiempo estables. Puede ser positivo o negativo y dura millonésimas de segundo. l
Dispositivo de protección contra sobretensiones: es aquel encargado de fijar el valor de
tensión en presencia de una sobretensión y además de derivar a tierra el exceso de corriente generado. Es importante destacar que no podemos hablar de protección contra sobretensiones sin una puesta a tierra adecuada del sistema a proteger. Sin la puesta a tierra no habría forma de derivar el exceso de co-
Figura 1: Comparación de los impulsos normalizados utilizados para el diseño de dispositivos de protección contra sobretensiones. 6
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En la mayoría de los casos, las edificaciones poseen un pararrayos como elemento de protección conLos transitorios que se suceden en una línea de tra descargas atmosféricas. Esto es suficiente para alimentación de corriente alterna pueden ser de alta o prevenir impactos directos de rayos, pero además, baja energía según sea el fenómeno que los provo- juntamente con el pararrayos, debemos tener en cuenta que: una descarga atmosférica o una maniobra de la utilización de dispositivos adicionales para la protección contra sobretensiones. conmutación. rriente causado por la sobretensión; entonces carecería de sentido instalar los dispositivos de protección.
Los transitorios debidos a descargas atmosféricas son de gran energía y tienen una forma de onda 10/350ms. El primer número indica el tiempo que tarda el frente de onda en alcanzar el 90% del valor máximo mientras que el segundo número indica el tiempo que tarda en reducirse hasta el 50% de su valor, momento en el cual se considera extinguido.
Figura 2: Influencia del campo electromagnético causado por la corriente de rayo.
Los transitorios por maniobras de conmutación son transitorios de baja energía y tienen una forma de onda tipo 8/20ms. El 80% de los daños causados por sobretensiones se deben a transitorios por conmutación. Si bien estos transitorios son invisibles, causan tanto o más daño que una descarga atmosférica.
Al momento que se produce una descarga atmosférica, por el pararrayos circula una corriente muy elevada. Esta corriente produce un campo electromagnético muy grande que induce sobre los conducto-
res aledaños diferencias de potencial capaces de producir daños a los dispositivos eléctricos y electrónicos instalados. Para la protección de la instalación en este caso se deben utilizar, conjuntamente con el pararrayos, un descargador de corrientes de rayo.
indican la corriente de cortocircuito en función de la distancia al transformador y la sección del conductor utilizado.
En cuanto a los transitorios debidos a maniobras de conmutación, un ejemplo típico es cuando se interrumpe el suministro de energía eléctrica y vuelve a reestablecerse; en ese momento se produce en la línea de alimentación un pico de tensión que suele causar daño a los dispositivos conectados. Otros momentos en que pueden producirse transitorios por conmutación son cuando se activan contactores, cuando se queman fusibles o bien cuando se accionan interruptores. Como elemento de protección contra transitorios por conmutación en una línea de alimentación de corriente alterna se deben emplear varistores.
Etapas de diseño de un sistema de protección contra sobretensiones: El primer paso para el diseño de un sistema de protección contra sobretensiones para líneas de alimentación de corriente alterna es verificar si la instalación posee o no pararrayos. Si hay pararrayos, entonces debemos instalar descargadores de corrientes de rayo como primer nivel de protección contra sobretensiones. Los descargadores de corrientes de rayo se deben seleccionar teniendo en cuenta tres parámetros: la tensión nominal, el valor de la corriente de rayo esperado y el valor de la corriente de cortocircuito de la instalación.
Figura 3: Curvas para la determinación de la corriente de cortocircuito.
Una vez determinados estos tres parámetros, seleccionamos el descargador de corrientes de rayo apropiado para la instalación. Existen descargadores de corriente de rayo monofásicos diseñados para soportar corrientes de 35kA y 50kA desconectando corrientes de cortocircuito de 3kA y 50kA respectivamente.
Figura 4a: FLASHTRAB FLT- PLUS descargador de corrientes de rayo abierto para I =50kA / Icc=50kA R
El valor de la tensión nominal es bien conocido. Los descargadores de corrientes de rayo están diseñados para operar con una tensión nominal de hasta 440VCA. En cuanto a la corriente de rayo soportada por los dispositivos, éstos están diseñados para una corriente de hasta 100kA (10/350 ms) entre las tres fases según la norma IEC 61312. Finalmente, para determinar la corriente de cortocircuito de la instalación, existen curvas que nos
Figura 4b: FLASHTRAB FLT 35-260 descargador de corrientes de rayo encapsulado para I =35kA / Icc=3kA R
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Diseño de un sistema de protección
Los descargadores para corriente de rayo 35kA / corriente de cortocircuito 3kA, son totalmente encapsulados y permiten montaje rasante sobre riel DIN simétrico. Por otro lado, los descargadores para corriente de rayo 50kA / corriente de cortocircuito 50kA, son de confección abierta y deben montarse sobre riel DIN simétrico por lo menos a 10cm de la placa de monta je del tablero Esto se debe a que cuando el dispositivo de protección actúa, se produce internamente un incremento de la presión por el aire ionizado generado, entonces las aberturas permiten la liberación del exceso de presión sin que se destruya.
Figura 5: Al momento de actuar el descargador de corrientes de rayo, en su interior se produce aire ionizado el cual es expulsado por medio de dos aberturas posteriores; por esto debe ubicarse separado de la placa de montaje del tablero.
Hay que tener en cuenta que el aire ionizado es conductor, por lo tanto aun cuando tengamos el recaudo de instalar el descargador separado de la placa de montaje, no debe haber ninguna barra de potencial detrás de ellos para evitar un cortocircuito. Normalmente los descargadores de corriente de rayo abiertos se instalan en una caja aparte dentro o fuera del tablero. También se puede dejar el espacio mínimo requerido de montaje al momento del diseño del tablero para un montaje interno. Autor: Phoenix Contact – Información brindada por el Ing. Aldo Mostrada de la empresa Vertice
artículo técnico
Llaves limitadoras inteligentes Descripción, usos y aplicaciones de una llave limitadora inteligente. Ejemplos reales en donde la potencia instalada es tres veces mayor que la potencia contratada.
¿Qué es una llave limitadora inteligente? Es un dispositivo inteligente que mide el consumo total de la instalación. Toma las decisiones de desconectar la calefacción u otras cargas no prioritarias en forma rotativa cuando se está próximo a alcanzar un límite de potencia predefinido y las vuelve a conectar en forma automática cuando disminuye el consumo.
¿En qué se diferencia la llave limitadora inteligente de una llave limitadora convencional o ICP? El ICP cumple la función de evitar que la instalación consuma mayor potencia que la contratada. Acciona en forma inesperada (sin aviso previo) y desconecta todos los usos eléctricos. Es una situación desagradable para el cliente. Requiere siempre el restablecimiento manual. La llave limitadora inteligente en cambio, desconecta en forma automática algunas cargas mientras hay un consumo mayor en la instalación. Por ejemplo, al cocinar una comida en un horno eléctrico. Durante el tiempo en que el horno está encendido las cargas controladas se conectan y desconectan en forma rotativa, manteniendo la función en forma parcial y evitando que el ICP accione.
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¿En qué casos es conveniente instalarla? l
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¿Qué ventajas tiene la instalación de la llave limitadora inteligente? l
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Brinda al instalador seguridad de que jamás se accionará el ICP que instala UTE. Posibilita disponer del máximo confort al mínimo costo, ya que permite un alto consumo mensual de energía durante el horario LLANO. |
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Permite contratar una potencia más baja que la suma de las potencias instaladas. La potencia a contratar puede ser inferior incluso a la potencia instalada en calefacción. Disminuye el pago de cargos mensuales por potencia. El costo mensual de cada KW es $ 25,40 impuestos incluídos. Un cliente que pasa de 8,8 KW a 15,2 KW de potencia contratada aumenta sus cargos fijos mensuales de 218,10 a 386,10, o sea un aumento de $ 168 mensuales en el cargo fijo por potencia. Evita sobredimensionar la llave general y los cables que se instalan desde el ICP junto al medidor hasta el tablero general dentro de la casa.
En un servicio monofásico que requiere el pasaje a trifásica luego de agregar calefacción eléctrica o aire acondicionado. Si la potencia contratada es 8,8 KW se deberá pasar a trifásica pues UTE definió como límite máximo de los servicios monofásicos 8,8 KW. En un servicio trifásico para limitar el aumento de potencia contratada a 19,8 KW y no generar un presupuesto de obra de UTE con costo a pagar por el cliente. Para disminuir los costos fijos de potencia mensual en la factura de UTE.
¿Qué requiere el pasaje a trifásica de una instalación? l
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Contratar una firma instaladora eléctrica que haga la tramitación en UTE. Esperar un plazo de una a tres semanas para que se j li /
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complete la instalación interior y los trabajos de UTE (cambio de ICP y de medidor) Instalar un nuevo cajón para alojar el medidor, pues al pasar de 10 KW se requiere espacio para el medidor de energía reactiva. Es posible que haya que reformar el nicho donde está alojado el cajón del medidor. Enhebrar tres conductores de fase, el neutro y el cable de tierra forrado. En general, las canalizaciones existentes son de diámetro reducido y no permiten el enhebrado de un mayor número de conductores por esa canalización. Instalar una llave termomagnética trifásica y un disyuntor diferencial trifásico en el tablero y recablear la alimentación de todas las llaves para disponer de una distribución trifásica en el tablero. Pagar una tasa de evaluación de documentación técnica de 6 UBT: $ 1.639,90 impuestos incluídos. Pagar una tasa por el nuevo contrato de 5 UBT: $ 1.366,50 impuestos incluídos.
¿Cómo se determina la potencia a contratar en una instalación tradicional ? Se estima la potencia total del equipamiento eléctrico que se usará en forma simultánea para determinar la potencia a contratar. El instalador eléctrico solicita información sobre el equipamiento que se conectará para dimensionar la instalación. Pero es normal que luego de terminada la instalación se agreguen cargas no previstas inicialmente. En la práctica, como regla general, la falta de información se suple con un porcentaje de carga contratada adicional que brinde la cobertura de seguridad en caso de que el cliente decidiera comprar un equipo no previsto inicialmente. Generalmente, el resultado final es que el cliente tiene un servicio sobredimensionado con una carga contratada excesiva.
¿Cómo se determina la potencia a contratar en una instalación con llave limitadora inteligente ? Se estima la potencia total del equipamiento eléctrico que se usará en forma simultánea sin incluir las cargas que se controlarán (aire acondicionado,
calefones, bombas de riego, calefacción eléctrica, etc).
Por ejemplo, se sumará únicamente la iluminación, el horno, el secador de pelo, la computadora, el lavarropas y la plancha. El resultado de esa suma será la potencia mínima a solicitar, por ejemplo 5,5 kW. Se deberá estimar el consumo de los otros usos eléctricos, la calefacción eléctrica, calefones, bomba de agua, etc. Si se estima que el consumo de los usos controlados es inferior a 3.000 kWh al mes en las 18 horas del horario llano, se puede solicitar 6,6 kW y si es inferior a 4.300 kWh se puede contratar 8,8 kW. Si el consumo estimado en el horario llano es superior a 4.300 kWh al mes se debe solicitar un servicio trifásico. Veamos a continuación dos ejemplos.
Caso 1: Casa en la La Paz, Canelones La casa tiene una potencia contratada de 5,5 kW y dispone del siguiente equipamiento: Calefón de 30 litros en la cocina (1 kW) Calefón de 60 litros para el baño (1,5 kW) Lavarropas automático (2 kW) Microondas (0,5 kW) Horno eléctrico de cocina: (2 kW) Decide la compra de 6 acumuladores por un total de 15,2 kW. La solución tradicional es dividir la carga de los acumuladores en dos grupos de manera que cada grupo es accionado por un contactor y un reloj que los mantiene encendidos durante 8 horas no simultáneas entre ambos grupos. En este caso cada grupo consume 7,6 kW, lo que sumado a los 5,5 kW iniciales es: 13,1 kW. La potencia normalizada a solicitar en este caso es: 15,4 kW en 220 V o 16,5 kW en 380 V y es necesario reformar la instalación para pasar a trifásica. La solución con la llave limitadora inteligente implicó aumentar la potencia a 8,8 kW y permitir que los calefones y los acumuladores de calor consuman durante el período LLANO (de 23 a 17 horas) en forma alternada, manteniendo mayor prioridad los calefones. La instalación se realizó en el día. 12
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La casa consumió 4.200 kWh en junio y julio del 2002 durante el período llano con tarifa doble horario residencial.
Caso 2: Casa en Parque Batlle, Montevideo Cargas instaladas: 7,5 kW de losa radiante eléctrica, 2 calefones, cocina eléctrica, microondas, lavarropas, aire acondicionado. Potencia contratada: 6,6 kW. No se aumentó la potencia contratada. En este caso tampoco se hubiera podido dividir la losa radiante en dos grupos mediante dos contactores y dos timers (o reloj de vidriera). La casa consumió 3.200 kWh en junio y julio del 2002 durante el período LLANO con tarifa doble horario residencial.
¿Qué características tiene la llave limitadora inteligente? l
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Dispone de 8 salidas de relés (10, 16 ó 35 Amp.), cada una de ellas con prioridad independiente. Es posible fijar distintas prioridades, por ejemplo, que un dormitorio determinado sea el que primero desconecta la calefacción o que tres habitaciones de la planta baja compartan la desconexión de la calefacción. Desconecta las cargas que controla durante el horario PUNTA. Dispone de memoria continua. Puede estar desconectado durante meses y cuando se enciende mantiene la programación. Reloj a batería que mantiene la hora en forma permanente. Modelos con y sin display El modelo con display permite modificar la potencia y las prioridades con la perilla y el botón que tiene en su frente. Software desarrollado por ULTRALUX S.A. y BRAYDEN AUTOMATION CORP. para su aplicación en Uruguay. Fabricado en Estados Unidos por BRAYDEN AUTOMATION CORP. Marca registrada: ENERGY SENTRY Dispone de tres años de garantía.
¿Dónde se puede obtener más información y/o asesoramiento de la llave limitadora inteligente? En ULTRALUX S.A. Tel/fax: 900 0994 y Celular: 099 607788 Autor: Ingeniero Industrial Jorge Waserstein
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artículo técnico
Armónicos (1) En este primer artículo se introduce el tema de qué son y cómo se producen las corrientes armónicas en líneas de baja tensión y algunas de sus consecuencias. Más de una vez hemos escuchado hablar de que en alguna parte de la instalación de nuestra empresa existen corrientes o tensiones armónicas. Incluso se ha escuchado comentar que la tensión de distribución de UTE tiene una cierta componente armónica y que ciertos tipos de iluminación fluorescente, las fuentes de alimentación de las computadoras y los cargadores de baterías, entre otros, producen corrientes armónicas en nuestra instalación.
Corrientes no sinusoidales
Pero...¿qué son realmente las corrientes armónicas? ¿Cómo influencian en otras partes de mi instalación?
Por eso, pensar que cada vez que encendemos un aparato eléctrico, el mismo consumirá una corriente sinusoidal, es cada vez menos probable.
Algunos de los temas e influencias de los armónicos de corrientes en las redes de baja tensión estudiados son:
Desde el punto de vista de la carga eléctrica, si la misma consume una corriente sinusoidal al estar conectada a una alimentación eléctrica del mismo tipo, diremos que la carga tiene un comportamiento lineal respecto a la tensión de trabajo, o simplemente que es una carga lineal. Esto es, la relación entre la corriente y la tensión es la forma I(t) = a.V(t) (siendo "a" una constante independiente del tiempo, I(t) la corriente y V(t) la tensión). En otras palabras, la corriente es proporcional al voltaje.
a. Cuidados en la sección del neutro en redes trifásicas por tercer armónico b. Sobrecalentamiento en los transformadores de tensión c. Funcionamiento no previsto de interruptores termomagnéticos d. Distorsión de la tensión de distribución de baja tensión
Hace 20 años atrás, cuando alguien escuchaba hablar de corrientes armónicas, lo asociaba a industrias que tenían instalados hornos de arco industrial o rectificadores de potencia, esto último, como el caso de las centrales telefónicas. Con el avance de la electrónica de potencia, la cantidad de equipos que generan armónicas es cada vez mayor.
Pero esto no es siempre cierto. Si bien la corriente se consume desde una diferencia de potencial que
e. Interferencia telefónica producto de corrientes armónicas f. Influencia sobre los grupos electrógenos g. Cuidados cuando hay condensadores de compensación de energía reactiva h. Eliminación de armónicos mediante filtros pasivos y activos i. Temas relativos a la medición de los mismos En este primer artículo vamos a ver cuándo se generan armónicos de corrientes, cuáles son los índices para establecer la distorsión de la onda sinusoidal, y las consideraciones a tener en cuenta en redes de distribución con neutro. En próximos artículos vamos a mostrar el resto de los ítems mencionados. 14
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Figura1: Puente rectificador de media onda. j li /
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varía a lo largo del tiempo con una forma sinusoidal, la corriente no tiene porque ser así. En esto casos diremos que las cargas son alineales o no-lineales. Veamos un pequeño ejemplo en la figura 1. Este es el circuito de un puente rectificador de media onda. De no existir el diodo en el circuito, la corriente del circuito sí sería sinusoidal, pero su existencia impide que la corriente tome los valores de la semisinusoide debajo del eje horizontal. Esto hace que la corriente no sea totalmente sinusoidal. Veamos un segundo ejemplo en la figura 2. Este circuito es el de un sencillo cargador de baterías. La figura muestra que la corriente circula cuando la tensión a la salida del puente de 4 diodos supera a la de la batería (corriente que va cargando a la batería). De esta forma, la corriente que se consume es tal cuál se muestra en la figura. Como se puede apreciar esta corriente tampoco es sinusoidal (este tipo de corriente también se encuentra en las fuentes de las computadoras, televisores, etc.)
Figura 2: Típico cargador de batería (la figura no está a escala)
ficha técnica Por ejemplo, la gráfica de la teórica tensión de UTE es una función sinusoidal del tiempo v(t) = .220.sen(w t) donde w =2.p /T y donde T vale 20 mS y es el período de la función sinusoidal (su inverso vale 50 Hz y es la frecuencia industrial). También cada una de las corrientes comentadas de las figuras 1 a 3 son periódicas. No son sinusoidales, pero son periódicas, siendo su período igual al de la frecuencia industrial, es decir, T = 20 mS .
Figura 3: Corriente de una lámpara de descarga de alto rendimiento
Otro ejemplo es el de la figura 3. Esta es la típica corriente de una lámpara de descarga con balasto electrónico (lámparas de alto rendimiento). Algunas empresas han resuelto este problema adicionando un filtro para que la corriente sea sinusoidal. Esto es debido a que algunas legislaciones así lo solicitan, pero dá lugar a un producto más caro. En términos generales, las cargas eléctricas que califican como del tipo alineal son: rectificadores, iluminación fluorescente, variadores de velocidad, computadoras, televisores, iluminación halógena, hornos de arco industrial. Como se puede apreciar, bien puede ser el caso que la instalación de su empresa coincida que tiene gran parte de su carga eléctrica instalada del tipo de las antes descritas.
Componentes armónicas de una corriente Cuando la gráfica de una figura se repite a lo largo de determinados intervalos de tiempo, se dice que la misma tiene un período o que es periódica. A dicho intervalo de tiempo, luego del cual la función se repite, se le llama período de la función y se representa con la letra T. El valor de T se mide en segundos (el valor inverso de T, o sea 1/T, es la frecuencia de la función, y se mide en Hz). 16
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En estas circunstancias, y hace varios siglos atrás, el matemático francés Jean Joseph Fourier (17681830), encontró que una función periódica puede ser descrita por la suma de funciones sinusoidales del tiempo, desde una sinusoide de frecuencia igual a la de la función en cuestión (llamada frecuencia fundamental), más la de sinusoides de frecuencia múltiplo de la fundamental (a las que se llama componentes armónicas). Llamemos f(t) a una función periódica cualquiera del tiempo donde T es su período (f(t) podría ser cualquiera de las funciones de las figuras 1 a 3). Fourier demostró que se pueden encontrar unos valores que llamaremos a0, a 1, a 2, a 3,......., a n y otros f1, f2, f3, ...., fn de forma tal que se cumpla: f(t) = a0+ a1.sen(w t+f1)+ a2.sen(2w t+f2) +a3.sen(3w t+f3)+………….+ an.sen(nw t+fn) Al valor a0 se le llama componente de continua de la función f(t). Al valor a1 se le llama componente fundamental de la función f(t). Al valor an se le llama componente de la armónica n de la función f(t). Finalmente los valores f1, f2,..., fn son los valores del ángulo de desfasaje de cada una de las funciones respecto al instante inicial tomado como referencia. A la expresión total, como suma de funciones sinusoidales, se llama descomposición en serie de Fourier de la función f(t). Este tipo de descomposición es la que se usa para analizar el comportamiento de este tipo de cargas eléctricas en las redes eléctricas. Entonces, cuando digamos que una corriente (o tensión) tiene un tercer armónico, estaremos diciendo que es una corriente que se compone de una coj li /
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Armónicos 1
rriente sinusoidal de 50 Hz , más otra de frecuencia 3x50 = 150 Hz. Análogamente, cuando digamos que una corriente tiene un 5º, 7º o 11º armónico, estaremos queriendo decir que, por donde esta corriente circula, también están circulando unas corrientes sinusoidales de frecuencias 250, 350 y 550 Hz respectivamente. Por ejemplo, si deseamos hallar las componentes armónicas de la tensión de UTE v(t)= .220.sen(w t) encontraremos que todos los coeficientes de Fourier valen 0 menos el coeficiente a 1 el cual vale .220, con lo que deducimos que una función sinusoidal pura no tiene componentes de frecuencias superiores. Veamos el caso de la corriente del puente de onda completa (figura 2). En la figura 4 se muestra, en forma parcial, cómo corrientes de frecuencias 3x50, 5x50, 7x50 y 9x50 Hz (o sea, corrientes armónicas 3ª, 5ª, 7ª y 9ª) adicionadas a la corriente sinusoidal de 50 Hz inicial se van aproximando a la forma de la corriente de la figura 2. (para lograr exactamente la corriente de la figura 2 tendríamos que sumar componentes armónicas 11ª, 13ª, 15ª, ... 49ª, etc. las
cuales se han omitido por falta de espacio; aún así, la figura transmite la idea de cómo se logra la corriente a partir de otras que son sinusoidales) . En dicha figura, cada resultado parcial de sumar una corriente a un armónico se muestra en color azul y en línea contínua, y cuando éste pasa a la figura siguiente, se le cambia a color verde y en línea a tramos; cada armónico que se va agregando se dibuja en color celeste y en línea punteada.
Distorsión armónica Una función sinusoidal a la que se le suman algunos de sus armónicos pasa a estar distorsionada según su valor inicial, dejando de ser sinusoidal. Si estamos hablando de una corriente, el valor eficaz de la misma se define como: Irms = Ief = Este es el valor que sólo medirá correctamente aquel instrumento que mida verdadero valor eficaz (o, como se indica en algunos con la expresión "True rms")
ficha técnica Figura 4: Aproximación a la corriente de la figura 2 con los armónicos 3, 5, 7 y 9
Para indicar el grado de distorsión respecto al valor ideal (sin armónicos) se ha establecido internacionalmente el índice THD (en inglés "Total Harmonic Distortion") que indica la distorsión total armónica de una función periódica. Genéricamente, para una función periódica del tiempo, que tiene componentes de Fourier a 0, a1, a2, a3...., a n se tiene que: THD =
Figura5: THD y tasas de los armónicos de la corriente típica de una lámpara de descarga de alto rendimiento de 20 W 18
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Armónicos 1
(En alguna literatura se llama al THD simplemente D, coeficiente de distorsión armónica). Muchas veces el valor de n se limita a 25, que es aproximadamente hasta el grado al que muchos instrumentos miden dicho índice, aunque las normas de la IEC consideran n = 40.
Como el THD solo establece el valor global de la deformación de la onda, muchas veces el mismo viene acompañado de la relación, o tasa, de cada armónico respecto al fundamental. O sea, se establece la relación a n /a1 para los valores de n que se entienden importantes.
Si lo que estamos midiendo es la distorsión de una corriente, entonces al valor de THD se suele agregar el subíndice I, quedando THDI. Para el caso de la tensión queda THDV.
En la figura 5 se muestra el valor de THD y la tasa de algunos armónicos para la corriente típica de la figura 3. La magnitud de los valores de a n es amper.
Ciertas normas definen al THD de forma un poco distinta, comparando la suma de los cuadrados de las distintas componentes armónicas respecto a la corriente eficaz. En este caso
Consecuencias en instalaciones trifásicas con neutro
THD = Cuando consideramos una onda sinusoidal pura, o sea, cuando an vale cero a excepción de n =1, el valor de THD vale 0, independientemente de la definición a la que se esté haciendo uso.
Supongamos una instalación trifásica de 380 V, en donde las cargas eléctricas no tengan armónicos y estén equilibradas. Es decir, las corrientes de línea son iguales y sinusoidales de 50 Hz. Un sistema trifásico de estas condiciones (donde las corrientes de línea son iguales y están desfasadas 120º) tiene la característica de que la suma instantánea de las corrientes de línea es cero.
artículo técnico Por lo tanto, no habrá retorno de corriente por el neutro. Esto se muestra en la figura 6. Un desequilibrio en el valor de las corrientes de fase crea una circulación de corriente por el neutro. De aquí que se intente equilibrar las cargas en una instalación, con el propósito de que por el neutro circule menos corriente que por cualquiera de las fases.
Figura 7: Las componentes del 3er armónico están en fase (I neutro no está a escala)
Esto llevó a que durante años los proyectistas de instalaciones eléctricas dimensionaran la sección del neutro menor que la de las fases, pues en definitiva la misma transportaba mucho menos corriente. La idea de que la suma de las corrientes de fase suman 0 al estar desfasadas 120º deja de ser cierto al existir corrientes armónicas. El porqué se debe a que,
Figura 6: Corrientes en un sistema trifásico equilibrado 20
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Armónicos 1
aunque el desfasaje de las corrientes fundamentales es de 120º, las componentes armónicas pueden llegar a estar en fase, con lo cual las mismas se sumarán al encontrarse en el neutro. Este es el caso de los armónicos múltiplos de tres, como el 3º, 6º y 9º (también llamadas corrientes de secuencia cero). En la figura 7 se muestra el caso de 3 corrientes iguales por fase, desfasadas 120º pero con un armónico 3º en cada una. Si bien hemos visto que las componentes armónicas son, en general, de menor valor que las fundamentales, el que ahora circulen las tres por el neutro, llega a significar lo mismo que una sola de estas multiplicada por tres, y en muchos casos llega a tomar casi el valor de las corrientes de fase. De aquí se deduce fácilmente el efecto que pueda tener sobre el conductor del neutro. Aparatos que en una oficina generan armónicos terceros de corriente son: Computadoras, lámparas de descarga (fluorescentes, de vapor de sodio, etc), UPS y microondas.
Las fuentes de las computadoras, por ejemplo, generan 4A de corriente de 150 Hz por cada kW de consumo. Si a esto le sumamos que la instalación eléctrica puede no tener sus cargas equilibradas, estaremos ante el peligro que exista una corriente por el neutro bastante mayor de lo que estaba previsto. Imagínese el tablero que alimenta un instituto de enseñanza de informática, o un banco, donde hay decenas de computadoras e iluminación fluorescente. Esto trae aparejado que el dimensionamiento del cable del neutro en instalaciones donde se sabe que existen armónicos, deba ser igual o mayor al de las fases. Esto último, por ejemplo, es la recomendación del Código Eléctrico Venezolano de instalaciones eléctricas. Ahora bien....¿cómo se pueden eliminar dichas corrientes armónicas?...¿cómo incide la aparición de corrientes armónicas en el consumo de energía activa y reactiva?.... Estos y otros asuntos relativos serán tratados en el próximo número. Autor: Ing. Alberto Mikalaiunas
Mercado / empresas
Mercado y Empresas CIME S.A. presenta las características de los materiales y servicios que brindan al sector industrial.
Como parte de la filosofía que mueve a ElectroMagazine, estamos incluyendo un espacio en el cual puedan darse a conocer diferentes empresas de nuestro medio. Tanto las más jóvenes como las que llevan muchos años trabajando en plaza podrán tener aquí un lugar. Saber un poco más quiénes son, qué servicios ofrecen o qué características las distingue es parte del apoyo y del conocimiento que desde éstas páginas queremos brindar al sector eléctrico de nuestro país. Una de las empresas que desde hace algunos años se desempeña en nuestro medio es CIME INGENIERÍA. Sus directores son la Ing. Elect. Ana Paula Carranza y el Sr. Otto Salustio. Ellos nos dieron a conocer un poco más quiénes son y qué servicios prestan en nuestro medio.
¿Cuánto tiempo hace que existe vuestra empresa y cuáles son los ramos de actividad de CIME? CIME, es una sociedad de Ingenieros uruguayos que, desde 1973, viene brindando sus servicios a las empresas de nuestro medio en diversos campos de la Ingeniería Industrial. Debido a ello, esta Consultora está en condiciones de poner a vuestra disposición una vasta experiencia para una amplia gama de actividades en diversas áreas de especialización:
ÁREA ELÉCTRICA: 1. 2. 3.
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Subestaciones de transformación y distribución Estaciones de generación, complementarias o de emergencia Redes de distribución para plantas industriales y residenciales (Acondicionamiento Eléctrico), incluyendo instalaciones a prueba de explosión Protección integral contra descargas atmosféricas Protección contra cargas estáticas Acondicionamiento lumínico para todo tipo de instalaciones (locales de oficinas, hospitales, etc., caminería, grandes naves de fábricas, escenarios deportivos, salas de espectáculos y ornamentales) |
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Cursos de capacitación para el personal de fábricas Análisis de optimización para el uso racional de la energía 9. Análisis de factibilidad de integración al nuevo Marco Regulatorio Energético Uruguayo 10. Análisis de compensación de energía reactiva 11. Determinación de pérdidas técnicas en redes de distribución 7. 8.
ÁREA MECÁNICA: 1. 2. 3.
4. 5.
Acondicionamiento térmico de confort, industrial y especial Generadores de vapor y redes de distribución Instalaciones hidráulicas de bombeo, distribución y almacenaje de fluídos (aguas, aguas servidas, combustibles, productos químicos, etc.) Compresores y redes de suministro de gases Accionamientos y automatismos óleo-hidráulicos y neumáticos
OTRAS ÁREAS: Acondicionamiento acústico para todo tipo de locales (oficinas, industrias, hospitales, aulas, salas de espectáculos). Relevamientos acústicos y análisis de ruidos. Proyectos de supresión y aislación de ruidos molestos 2. Instalación, Modificación y Mantenimiento en equipos de cobalto-terapia para tratamientos médicos 3. Respaldo ante organismos estatales. Habilitación ante IMM y Bomberos ( Habilitación Mecánica, Control de ruido, etc.), Representación ante UTE. 1.
Nuestros servicios a los clientes incluyen: l l l l l
Administración de Proyectos Desarrollo de Especificaciones para Obras Planificación y Seguimiento de Obras Dirección de Obras Suministro, Instalación y Mantenimiento en el área -Protección contra descargas atmosféricasj li /
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¿Cuántos empleados tiene CIME, y cuántos componen su staff técnico?
¿Que tipo de certificación tienen los descargadores y pararrayos que instala CIME?
CIME ingeniería cuenta con 11 empleados permanentes, 7 de los cuales corresponden al departamento de ingeniería vinculados a las áreas descriptas en el punto anterior y soporte técnico informático de tareas de planificación de redes de distribución.
CIME Ingeniería solo distribuye e instala equipamientos conforme a las normativas más exigentes (IEC 6164311, NFC 61740, VDE 0675-6, UL 1449 Ed.2 entre otras) cuyas certificaciones son emitidas por organismos oficiales.
¿Que marcas de productos representa e instala CIME?
¿Cuántas empresas de plaza hacen uso de los servicios y asesoramiento de CIME?
Representamos y distribuímos marcas de gran prestigio internacional, por ejemplo: CITEL 2CP de Francia (descargadores de baja tensión) HELITA, de Francia (protección contra rayos) POLYPHASER de USA (descargadores de sobretensión para sistemas de comunicación, coaxiales) POWER TECHNOLOGIES INC de USA (soluciones en software para cálculo y análisis en redes eléctricas) OBSTA de Francia (obstáculos para la navegación aérea) SURTELEC de Francia (rearmadores automáticos)
CIME Ingeniería en la actualidad cuenta con una base de datos de 350 empresas de las más variadas áreas que solicitan nuestros materiales y servicios. Estamos presentes en toda la actividad industrial, económica y social.
¿Cuáles son los medios para comunicarse con CIME? CIME Ingeniería está ubicada en Charrúa N° 1814 C.P. 11200, entre Yaro y Gaboto. Teléfono 409 8074 y Fax 409 1764, correo electrónico
[email protected].
artículo técnico
Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (1) Explicación de lo que es un SAI (o UPS), así como diferentes tecnologías usadas en centros de cómputos, servidores de redes y sistemas de informática. Su sistema de computadoras, servidores y centro Noise (Ruidos): También llamado “potencia sude datos, se enfrenta diariamente a los siguientes pro- cia”. Es una corrupción de toda la onda sinuosoidal blemas de energía y en las proporciones que indica la generada por los equipos de otros usuarios, inclufigura 1. yendo computadoras y periféricos en la propia red. SAGS (Bajos Voltajes): Se puede definir como
un “pequeño-momento” de bajo voltaje, ocasionado por encendidos de equipamientos, cortes de energía, servicios eléctricos mal dimensionados, rayos. Surges (También llamados Swells) (Sobrevoltaje): Esta es una condición de altos voltajes (+ 10%
de lo normal) ocasionados por una rápida reducción de cargas o cortes de energía. Spikes (Picos): Una condición instantánea de muy
alto voltaje. Ocasionado por rayos o fallas eléctricas.
Problemas en el pico de la onda sinuosidad, incluyendo armónicas, que se presentan naturalmente en ondas comunes. Estas son provocadas por controladores de velocidad de motores en edificios (unidades exteriores de equipos de aire, ascensores, etc.) o por computadoras en la propia red. Distorsión de onda:
Se presentan aumentando o disminuyendo el valor real de 50 ciclos por segundo. Extraño en la red eléctrica comercial, pero un suceso común en grupos electrógenos. Variación de frecuencia:
Técnicamente, un corte de energía o “blackout” es un valor cero de tensión mayor de medio ciclo. Mas de unos pocos segundos de interrupción son suficientes para resetear relojes digitales en una casa u oficina (causado por fallas de equipos, accidentes, rayos, termomagnéticas y fusibles saltados, etc). Cortes de energía:
¿Qué efectos trae lo anterior en sus equipos informáticos? l
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Figura 1: Problemas comunes encontrados en la red de alimentación 24
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Inexplicables e incomprensibles caídas del sistema y “rotura” de drivers. Errores en transmisión de datos; datos corrompidos o ilegibles. Inexplicables buteos de los servidores. Fallas de los componentes, acortando la vida de los mismos. j li /
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Solución
SAI ON-LINE
Las problemáticas mencionadas que se presentan en las líneas eléctricas de transporte, distribución e instalación interior, normalmente son desconocidas por el usuario. Los mismos sólo empiezan a tener conciencia de ellas cuando sufren problemas operativos en sus equipos. Según el tipo de problema que afecte a la instalación informática y la dimensión de la misma, los ingenieros y especialistas de todo el mundo instalan un SAI (o UPS por sus siglas en Inglés, de Uninterruptible Power Supply) entre la red eléctrica de alimentación pública y los equipos electrónicos.
La tecnología on-line es la más habitual cuando sistemas de gran potencia (más de 6 kVA hasta 500 kVA) se intentan proteger.
Estas SAI pueden ser de distinta tecnología, entre las cuáles se destacan:
c. Una batería: allí se acumula energía para suministrarla al inversor durante los intervalos de tiempo en que falta la red pública de alimentación eléctrica.
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ON-LINE
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OFF-LINE
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INTERACTIVAS
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IN-LINE
La figura 2 es el diagrama interno de una SAI online. Allí se observan: a. Un rectificador (o cargador de baterías): transforma la tensión alterna de la red eléctrica en tensión continua b. Un Inversor (u ondulador): transforma la tensión continua en tensión alterna pero a un valor completamente estable en valor y frecuencia
Normalmente la red eléctrica (o simplemente la red) alimenta al cargador de baterías y al inversor. A la salida del rectificador nos encontramos con las
baterías en paralelo con el inversor y por tanto cualquier corte o microcorte en la red queda suplido por la energía acumulada en la batería. Se garantiza el aislamiento de la red, por medio del transformador separador existente en el cargador de baterías. La tensión de salida la proporciona el inversor, y por tanto, se garantiza la estabilización de salida, la estabilidad en frecuencia y la ausencia de perturbaciones. No existe transferencia Red-SAI ni SAI-Red, puesto que es el inversor quien está permanentemente trabajando y suministrando energía a la salida.
Figura2: Diagrama interno de una típica SAI on-line
Existe la posibilidad del BYPASS (fig. 3) el cual garantiza, por redundancia, el suministro a la salida en caso de fallo del SAI o del sistema. La presencia o incorporación del Bypass no va en detrimento del poder de sobrecarga del inversor, puesto que no es usual la intervención del mismo. Como puede observarse en la figura, el conmutador de la salida está normalmente en la posición “2” y por tanto el inversor alimenta la carga.
en la intervención del mismo no debe perderse el aislamiento, característica fundamental que debe aportar un SAI ON-LINE. El BYPASS deberá incorporar transformador-separador para garantizar ésta característica durante su intervención. Esta característica es fácilmente olvidada por algunos equipos que consiguen reducidas dimensiones y costos al incorporar técnicas de alta frecuencia. Esta tecnología, la primera históricamente en ser utilizada, es la que aporta mayor grado de protección en su salida ya que ésta es totalmente independiente de la entrada. Las condiciones de trabajo extremas desde un punto de vista de red eléctrica, es decir, referentes a la entrada, dependen de la concepción del rectificador que se usa en la entrada del SAI. Hasta hace pocos años atrás la etapa de rectificación del SAI consumía corrientes con gran contenido de armónicas y no tenían un buen factor de potencia. Actualmente se dota de una tecnología que produce un excelente factor de potencia, a la vez que la corriente de consumo es sin armónicos. El inversor, construído generalmente con tecnología PWM y semiconductores MOSFET o IGBT, aporta las características de salida. En cualquier caso, esta topología, la más segura y de mayor grado de protección, es cara y voluminosa, lo que da paso a las siguientes topologías, cuya evolución tiende siempre a limitar las prestaciones respecto a una configuración ON-LINE. Estas configuraciones, la OFF-LINE, INTERACTIVA, y la IN-LINE, se explicarán en el próximo número.
El control del BYPASS supervisa esta alimentación y en caso de producirse alguna anomalía, el conmutador cambia a la posición “1”. Por tanto, la red de alimentación eléctrica será quien alimentará a la carga en estas circunstancias. Cuando el control del BYPASS observe restaurado el funcionamiento del inversor, o haya desaparecido la anomalía que ha provocado la intervención, devolverá la alimentación al inversor. Es importante observar que dado que el BYPASS se comporta como sistema redundante de seguridad, 26
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Figura 3: SAI On-line con BYPASS j li /
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Sistema de Alimentación Ininterrumpida (1° parte)
Características Eléctricas Destacaremos a continuación algunas de las características eléctricas más importantes a tener en cuenta en un SAI. Las mismas son las que usted encontrará en un cualquier manual del SAI:
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Inversor: l
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Estabilidad de la tensión de salida en régimen estático: Indica la variación de la tensión de salida sin perturbaciones de red ni variaciones de carga. Estabilidad en régimen transitorio: Indica la variación de la tensión de salida cuando se produce una variación rápida de red ó bien con variaciones en la carga. Distorsión armónica: Indica la distorsión que contiene la tensión de salida. Dicho contenido será función de la tecnología utilizada por el inversor, siendo mucho más fácil entregar la misma distorsión en un inversor que trabaje en PWM, que no en otro que opere con señal cuadrada. Factor de potencia admisible: Indica el desfase tensión-intensidad que admite el inversor. Potencia de salida: Indicada normalmente en VA (pot. aparente), expresa la potencia nominal que puede entregar el inversor; a través del factor de potencia se puede conocer la potencia activa W, que puede suministrar el equipo. W=VA x cos( f) Factor de Cresta: El factor de Cresta, es el cociente de la división entre el valor de pico de la corriente demandada por el ordenador y el valor RMS o eficaz de la corriente. El factor usual de un ordenador es de 2 a 3. El grave perjuicio que ocasiona este tipo de consumo, que se agrava cuantos más ordenadores se deben alimentar, debe ser soportado por la red eléctrica o por el SAI. La inclusión de correctores de cos(f) en los SAI, minimiza el problema hacia la red eléctrica, siendo el SAI quien proporciona la totalidad de energía de cresta, sin afectar a la red eléctrica. Sobrecarga admisible y forma de protección: Indica las veces en que se puede sobrecargar al inversor sin deterioro para él. Es una característica importante en sistemas ON-LINE, ya que es el inversor quien debe soportar dicha sobrecarga, al conectar el ordenador o la carga a proteger. Forma de onda: Existen diversas posibilidades en el diseño o construcción del inversor, con lo cual
un SAI, puede entregar diversas formas de onda. Será un dato interesante el conocimiento de ésta, sobre todo en función del equipo informático que estamos alimentando y los armónicos generados. Estabilidad en frecuencia: Indica la variación en frecuencia que genera el inversor, por tratarse de un generador, debe ser lo más cercana posible a la frecuencia de red.
Rectificador (Cargador de baterías) ON-LINE o al sistema OFF-LINE. l
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Tensión de entrada. Indica la tensión máxima y mínima tolerable por el SAI. Será un dato importante la tensión de red a la cual todavía se carga la batería. En sistemas OFF-LINE indicará la tensión de intervención del equipo y por tanto los límites de protección. Corriente de carga. Su control es muy importante para evitar un deterioro prematuro de las baterías. La corriente ideal es C/10, la capacidad en Amperios/hora divido por 10. El cargador debe
ser capaz de mantener este máximo de carga sin descuidar la corriente que necesita la etapa inversora en los modelos ON-LINE para seguir funcionando.
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Las baterías: l
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Autonomía. Es el tiempo que podemos seguir alimentando a la carga, cuando no existe red o ésta está por debajo de la tensión mínima, a la cual todavía se carga la batería. Debe medirse a potencia nominal. Tipo de batería y número de éstas. Dá una idea de las corrientes que circulan por el inversor, también del coste de cambio de acumuladores y su esperanza de vida.
Bypass: l
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Bypass o posibilidad de éste. Es la posibilidad de incorporar un conmutador que alimente a la carga desde la red, en caso de fallo del inversor o del sistema.
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Aislamiento eléctrico cuando interviene el Bypass. Si el Bypass no dispone de aislamiento, obligatoriamente una fase de entrada está en permanente conexión con una fase de salida, por tanto se está ofreciendo una vía inmejorable, para que el ruido o perturbaciones en modo común, lleguen al sistema que se debería proteger.
Generales: l
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Tipo de ventilación, temperatura, rendimiento. Son valores indicativos de las pérdidas del equipo y del esfuerzo al que se somete a los semiconductores de potencia. Número de avisos e indicaciones. Reflejarán la situación en la que se encuentra el equipo, y facilitarán su manejo. Son en definitiva una mayor comodidad para el usuario. Autor: Miguel Angel Silva Petracca Asesor en UPS - Ingecom Solutions
[email protected]
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