¿Puede un SAI alimentar una casa? Funciones y tipos de SAI

Con el continuo desarrollo de la tecnología de Internet y la creciente popularidad de los ordenadores, los productos y equipos de alta tecnología en general plantean requisitos cada vez más estrictos sobre la calidad de la alimentación eléctrica.

Por ejemplo, el sistema de control de procesos de automatización industrial, el sistema de procesamiento de comunicación de datos, el sistema de gestión de aviación y el sistema de medición de precisión requieren una red de alimentación de CA que proporcione estabilidad de tensión, estabilidad de frecuencia, ausencia de sobretensiones y ausencia de picos de corriente.

Esto se debe a que cuando el suministro de energía se interrumpe repentinamente o la calidad del suministro de energía excede seriamente los requisitos estándar del equipo (sistema), se producirá en casos leves pérdida de datos, funcionamiento anormal del sistema y productos no cualificados, y el sistema se averiará o causará pérdidas inestimables.

Sin embargo, la corriente alterna suministrada por la red pública ordinaria no puede satisfacer plenamente las necesidades de carga debido a la influencia del viento, la lluvia, los rayos y otras catástrofes naturales, así como a la influencia de algunas cargas de usuarios, factores humanos y otros accidentes.

Para garantizar la continuidad del suministro eléctrico de las cargas, proporcione un suministro eléctrico de alta calidad que cumpla los requisitos de las cargas y satisfaga los estrictos requisitos de algunas cargas importantes en el suministro eléctrico.

Desde los años 60, ha surgido un nuevo tipo de sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) de CA cuya configuración es relativamente barata en comparación con los equipos caros. Merece la pena instalar un Alimentación SAI el dispositivo para proteger los equipos críticos.

En los últimos años, la fuente de alimentación SAI se ha desarrollado rápidamente y se ha convertido en un equipo de suministro de energía esencial en los campos de la electricidad, la industria militar, la aviación, la industria aeroespacial y la oficina moderna.

La batería desempeña un papel muy importante en el suministro eléctrico de los SAI. Las baterías de plomo-ácido tienen una tecnología madura y actualmente ocupan una mayor proporción. Con la popularización de batería de iones de litioLa batería de iones de litio se ha convertido gradualmente en un miembro del sistema SAI.

El desarrollo de nuevas energías se ha desarrollado rápidamente en el siglo XXI, y Batería de litio del SAI subvertirá la industria UPS en un futuro próximo.

1.Definición y funciones del SAI

1.1La definición de SAI

Se denomina sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) al dispositivo de alimentación que puede seguir suministrando energía a la carga sin afectar a la calidad del suministro eléctrico cuando la entrada de la red de CA es anormal.

Existen dos tipos de SAI en general, según suministren CA o CC a la carga, es decir, sistemas de alimentación ininterrumpida de CA y sistemas de alimentación ininterrumpida de CC, pero la gente siempre se refiere a los sistemas de alimentación ininterrumpida de CA como SAI.

1.2Funciones del SAI

La tensión de salida ideal de la fuente de alimentación de CA es una onda sinusoidal pura, es decir, no hay armónicos superpuestos a la onda sinusoidal ni perturbaciones instantáneas.

Sin embargo, debido a muchas razones internas y a interferencias externas, la forma de onda de la red eléctrica real no es la onda sinusoidal estándar, y su tensión también es inestable debido a la limitación de la impedancia del circuito.

Hay muchas razones para la interferencia, como la salida de potencia de CA de la propia central eléctrica no es de onda sinusoidal pura, el arranque del motor grande en la red eléctrica, la aplicación de la fuente de alimentación conmutada, el funcionamiento de todo tipo de interruptores, rayos, viento y lluvia, etc, pueden tener efectos adversos en la red.

Como un tipo de equipo de alimentación ininterrumpida de CA, UPS de energía a los grandes sistemas tiene dos funciones principales :

En segundo lugar, cuando la red eléctrica no se interrumpe, pero la calidad de la alimentación no puede satisfacer las necesidades de la carga, debe tener el efecto de purificación de la alimentación de CA, como la tensión y la frecuencia de purificación.

La función de depuración se refiere a cuando la corriente alterna suministrada a los usuarios por la red eléctrica no es la onda sinusoidal ideal, sino que es anormal en frecuencia, tensión y forma de onda.

La fuente de alimentación del SAI puede procesar la energía eléctrica que no satisface los requisitos de la carga para convertirla en energía de CA que satisfaga plenamente los requisitos de la carga. La alimentación de red es anormal en los siguientes aspectos (como se muestra en la Figura ).

① Pico de tensión: El pico de tensión es aquel en el que la tensión de pico alcanza los 6000 V y la duración es de 0,01-10 ms. Las causas suelen ser las descargas electrostáticas, los rayos, las descargas de arco y las operaciones de conmutación de grandes equipos eléctricos.

② Transitorio de tensión: tensión de impulso con una tensión de pico de hasta 20kV y una duración de 1~100ps. Las causas principales y los posibles daños son similares a los picos de tensión, pero difieren en la cantidad.

③ Ruido de la línea eléctrica: se refiere a interferencias electromagnéticas (EMI), interferencias de radiofrecuencia (RFI) y otras interferencias de alta frecuencia.

Cuando el motor está en funcionamiento, la acción del relé y la emisión causarán interferencias de ruido en los cables. El ruido del cable de la red eléctrica afectará al circuito de control de carga.

④ Muesca: se refiere a la interferencia de conmutación (u otra interferencia) en la forma de onda de tensión normal, de duración inferior a medio ciclo, contraria a la polaridad normal, y también incluye la pérdida completa de tensión dentro de medio ciclo.

⑤ Caída de tensión o caída de tensión: se refiere al valor efectivo de la tensión de red entre 80% y 85% del valor nominal, y la duración de más de uno a varios ciclos.

La puesta en marcha de grandes equipos, el arranque de grandes motores eléctricos y la conexión de grandes transformadores de potencia a la red provocarán caídas de tensión.

⑥ Sobretensión: se refiere al valor efectivo de la tensión de red que supera el 110% del valor nominal y dura más de uno o varios ciclos. La subida de tensión se debe principalmente a la descarga repentina de la red cuando se apagan varios equipos eléctricos de gran tamaño.

⑦ Bajo voltaje: se refiere a la baja tensión estable que es un cierto porcentaje inferior a la tensión nominal. Las causas incluyen el arranque y la aplicación de equipos grandes, el interruptor de la línea principal de alimentación, el arranque de motores grandes y la sobrecarga de la línea, etc.

⑧ Sobretensión: se refiere a la alta tensión estable que supera la tensión nominal en un determinado porcentaje. Suele estar causada por errores de cableado, errores en el ajuste de centrales eléctricas o estaciones de energía, y la parada de equipos pesados cercanos.

En el caso de la energía monofásica, puede deberse a una carga trifásica desequilibrada o a una mala conexión a tierra de la línea central.

Distorsión armónica: Indica la desviación de la tensión de red respecto a la tensión sinusoidal lineal. Suele expresarse mediante la Distorsión Armónica Total (THD).

Por un lado, la potencia de salida de los equipos de generación de energía no es una onda sinusoidal pura; por otro, la influencia de la carga no lineal en la red eléctrica.

⑩ Fallo de alimentación: La red eléctrica deja de suministrar electricidad durante al menos dos ciclos o varias horas. La causa es la activación de los disyuntores de los cables principales, la interrupción del suministro eléctrico y el fallo de la red eléctrica.

⑪ Variación de frecuencia: Desviación de la frecuencia de la red superior a 2 Hz (52 Hz), debido principalmente al funcionamiento inestable de los generadores de emergencia o al suministro eléctrico con frecuencia inestable.

La contaminación o interferencia al ordenador y otros equipos sensibles causada por el daño no es lo mismo. La interrupción del suministro eléctrico puede causar daños en el hardware.

Las caídas de tensión pueden provocar el envejecimiento anticipado del hardware y la pérdida de datos de los archivos. Las sobretensiones, las subtensiones y los picos de tensión pueden dañar los controladores, la memoria, los circuitos lógicos y provocar fallos de software impredecibles. El ruido de los cables y las tensiones transitorias pueden dañar los circuitos lógicos y los datos de los archivos.

2. Tipos de SAI

Los SAI han crecido muy rápidamente desde su creación. Los primeros SAI funcionaban como un sistema dinámico de alimentación ininterrumpida. Cuando la red es normal, ésta acciona el motor, que a su vez acciona el generador para producir corriente alterna.

Esta corriente alterna suministra energía a la carga y hace girar el enorme volante de inercia a gran velocidad. Cuando cambia la red, la enorme inercia del volante no responde al cambio instantáneo de tensión, por lo que la estabilidad de la tensión de salida está garantizada.

En caso de fallo de la red eléctrica, la inercia del volante de inercia impulsa al generador para que siga suministrando energía a la carga, al tiempo que arranca el grupo electrógeno de reserva conectado al volante.

El grupo electrógeno de reserva hace girar el volante de inercia y acciona así el alternador para suministrar energía a la carga.

Sin embargo, en el esquema anterior, la ampliación del tiempo de suministro de energía es limitada cuando el volante de inercia con almacenamiento de energía cinética interrumpe el suministro de energía. Para prolongar aún más el tiempo de suministro de energía, se adopta posteriormente la estructura mostrada en la figura.

Después del rectificador, la batería se carga por completo, y por el otro lado es alimentada por el motor de CC. El motor de CC impulsa la tensión de salida del generador de CA y la estabilidad de la frecuencia.

Cuando la red eléctrica se interrumpe, el generador de CA sigue funcionando gracias a la energía almacenada en el pack de baterías, con el fin de lograr el propósito de suministro de energía de carga ininterrumpida.

Cuando este tipo de SAI dinámico alimenta el equipo, tiene un ruido fuerte y otras desventajas como la baja eficiencia, largo tiempo de conmutación y pesado, y no ha sido ampliamente utilizado.

Con el rápido desarrollo de la tecnología de semiconductores, los SAI estáticos que utilizan diversos aparatos eléctricos sustituyeron rápidamente a los primeros SAI dinámicos,  almacenamiento en batería del sistema almacenan energía y alimentan el SAI estático, a través del inversor estático, para mantener la continuidad de la alimentación de la carga.

En comparación con los SAI dinámicos, los SAI estáticos alimentan la carga con menor ruido y mayor eficiencia, y también son más pequeños en tamaño, ligeros en peso, convenientes en operación, y largos en tiempo de respaldo. Los SAIs descritos en este artículo son SAIs estáticos.

Según la capacidad de salida, los tipos de SAI pueden dividirse en SAI de pequeña capacidad (menos de 10kV-A), SAI de capacidad media (10-100kV -A) y SAI de gran capacidad (más de 100kV-A).

De acuerdo con el número de fase de tensión de entrada y salida, se puede dividir en SAI de entrada única y salida única, SAI de tres entradas y tres salidas y SAI de tres entradas y salida única; de acuerdo con las diferentes formas de onda de salida, los tipos de SAI son: SAI de onda cuadrada, SAI de onda trapezoidal y SAI de onda sinusoidal;

Pero la gente solía clasificar según la forma de la estructura del circuito del SAI, se puede dividir en SAI pasivo de reserva, SAI interactivo de línea y SAI en línea.

2.1 SAI de reserva pasiva

El SAI pasivo de reserva alimenta la carga a través de un regulador de tensión cuando la entrada de CA es normal. Cuando la entrada de CA es anormal, la batería del SAI alimenta la carga a través del inversor.

El SAI pasivo de reserva es el SAI estático original. Proporciona alimentación de red y consta de un cargador, una batería, un inversor y un regulador de tensión de toma de transformador. La figura siguiente muestra el principio de funcionamiento del SAI de reserva.

(1) Modo de funcionamiento normal

Cuando la tensión y la frecuencia de CA de entrada están dentro del rango permitido, el filtro de paso bajo se utiliza para atenuar adecuadamente las interferencias de alta frecuencia de la red eléctrica y, a continuación, el circuito se divide en dos canales para controlar el funcionamiento normal de la etapa posterior.

① Cargue la batería a través del cargador para apoyar el funcionamiento normal del SAI alimentar la carga en caso de interrupción de la red.

② A través de la "fuente de alimentación reguladora de tensión con toma de transformador" situada en el canal de derivación de CA, se estabiliza la tensión de la red que fluctúa mucho.

A continuación, bajo la acción del circuito de control lógico del SAI, la red estabilizada suministra energía a la carga a través del interruptor de transferencia.

En este punto, el inversor sólo se encuentra en estado de funcionamiento sin carga, no emite energía, en sentido estricto, el inversor no funciona.

(2) Modo de funcionamiento con energía almacenada

Cuando la tensión de CA de entrada o la frecuencia son anormales, bajo la función del circuito de control lógico del SAI, el proceso de alimentación del SAI de la carga es el siguiente.

① El cargador deja de funcionar.

② Al cortar el canal de alimentación de derivación de CA, el interruptor de transferencia conecta la carga al extremo de salida del inversor, a fin de realizar la conversión de la alimentación de red a la alimentación del inversor.

③ El inversor absorbe la cc almacenada en la batería y la transforma en una corriente alterna estable (como 50Hz/220V) para mantener la alimentación de la carga. Dependiendo de la carga, la tensión de salida del inversor puede ser sinusoidal o cuadrada.

De acuerdo con el principio de funcionamiento del SAI de reserva pasivo, sus características de rendimiento son las siguientes:

① Circuito sencillo, bajo coste, alta fiabilidad.

② Cuando la red es normal, el inversor sólo está en estado de funcionamiento en vacío, y la eficiencia de toda la máquina puede alcanzar 98%.

③ Debido a que la mayoría de las veces suministra energía a la red, la capacidad de salida del SAI es fuerte, el coeficiente de cresta de la corriente de carga, el factor de potencia de salida del coeficiente de sobretensión, la sobrecarga y otros no tienen requisitos estrictos.

④ La precisión de la estabilidad de la tensión de salida es baja, pero puede cumplir los requisitos de carga.

⑤ La salida tiene un interruptor de conversión, la potencia de salida tiene un corto período de discontinuidad cuando se interrumpe la alimentación de red, y está limitada por la capacidad de corriente de conmutación y el tiempo de acción, es difícil aumentar la capacidad de salida.

Por lo tanto, la capacidad del SAI de salida de onda sinusoidal de reserva suele ser inferior a 3kV-A, mientras que la capacidad del SAI de salida de onda cuadrada de reserva suele ser inferior a 1kV-A.

2.2 SAI en línea

Cuando la entrada de CA es normal, la batería del SAI alimenta la carga a través del rectificador y el inversor. Cuando la entrada de CA es anormal, la batería del SAI alimenta la carga a través del inversor.

El SAI en línea también se llama SAI en línea de doble transformación o SAI de ajuste en serie. En la actualidad, la mayoría de los SAI de gran capacidad adoptan esta estructura.

La fuente de alimentación del SAI suele estar compuesta por un rectificador, un cargador, una batería, un inversor, etc. Es una fuente de alimentación que principalmente el inversor suministra la energía del SAI. La figura muestra el principio de funcionamiento.

(1) Modo de funcionamiento normal

Cuando la tensión y la frecuencia de CA de entrada se encuentran dentro del rango permitido, el filtro EMI/RFI se utiliza para atenuar adecuadamente las interferencias electromagnéticas conducidas y las interferencias de radiofrecuencia de la red eléctrica y, a continuación, el circuito se divide en tres canales para controlar el funcionamiento normal de la etapa posterior.

① Conecte directamente el canal de alimentación de derivación de CA como fuente de alimentación de reserva cuando el canal del inversor esté averiado.

② Carga flotante del pack de baterías del SAI a través del cargador, de forma que cuando se interrumpe la red eléctrica, la batería del SAI alimenta el funcionamiento normal con energía suficiente.

③ Después de que el rectificador y el filtro de gran capacitancia en una CC relativamente estable, y luego el inversor se convertirá en CA estable de tensión y frecuencia, a través del interruptor de transferencia a la carga.

(2) Modo de funcionamiento con energía almacenada

Cuando la tensión o la frecuencia de CA de entrada son anormales, el SAI alimenta toda la carga en el modo siguiente bajo la acción del circuito de control lógico.

① Apague el cargador y deje de cargar la batería.

② La batería del SAI alimenta el inversor, y la CC almacenada en la batería se convierte en la CA que necesita la carga, que se utiliza para mantener la continuidad del suministro eléctrico de la carga.

(3) Modo de funcionamiento Bypass

En condiciones normales de alimentación de red, se produce una de las siguientes situaciones:

Se produce una sobrecarga de salida o un cortocircuito en el terminal de salida del SAI;La temperatura del tubo del interruptor de potencia del inversor o del rectificador supera el límite de seguridad debido a la elevada temperatura ambiente y al fallo del ventilador de refrigeración;

Si el inversor de la fuente de alimentación del SAI está averiado, el SAI alimenta las cargas conmutando directamente a la derivación a red bajo el control del circuito de control lógico.

(4) Modo de funcionamiento ECO

Entrada de CA Normalmente, el SAI alimenta las cargas a través del modo de bypass estático. Cuando la entrada de CA es anormal, el SAI conmuta el modo de alimentación del inversor.

Basándose en el principio de funcionamiento de la fuente de alimentación SAI en línea, las características de rendimiento son las siguientes:

① Tanto si la red es normal como si no, toda la potencia de la carga la proporciona el inversor. Por lo tanto, en el momento de fallo de red, la salida del SAI no tendrá ninguna interrupción.

② La calidad de la potencia de salida es alta. El inversor SAI adopta la modulación por ancho de pulso sinusoidal de alta frecuencia y el control de realimentación de la forma de onda de salida para proporcionar una potencia de alta calidad con alta estabilidad de tensión, baja distorsión de la forma de onda, frecuencia estable y rápida respuesta dinámica a la carga.

③ Toda la potencia de carga es suministrada por el inversor, el margen de capacidad del SAI es limitado, y la capacidad de salida no es ideal.

Por lo tanto, la carga de la corriente de salida coeficiente de pico, la capacidad de sobrecarga, factor de potencia de salida y otras restricciones se presentan, la potencia activa de salida es inferior a la calibrada kV-A número, la capacidad para hacer frente a la carga de impacto es pobre.

④ El rectificador y el inversor soportan toda la potencia de carga, la eficiencia de la máquina es baja.

2.3Línea SAI interactiva

El SAI interactivo de línea se refiere a cuando la entrada de CA es normal, a través del regulador de tensión a la fuente de alimentación de carga, convertidor sólo para cargar la batería;

Cuando la entrada de CA es anormal, la batería del SAI alimenta la carga a través del convertidor. Los SAI interactivos también se denominan SAI interactivos en línea o SAI de compensación en paralelo.

En comparación con el SAI en línea, esta fuente de alimentación SAI elimina el rectificador y el cargador, y consta de un convertidor bidireccional que puede funcionar en los estados de rectificador e inversor y una batería.

Cuando la entrada de red es normal, el convertidor bidireccional funciona en sentido inverso (es decir, en estado de funcionamiento de rectificación) para cargar el pack de baterías;

Cuando la red eléctrica es anormal, el convertidor bidireccional pasa inmediatamente al estado de funcionamiento de inversor, convirtiendo la energía eléctrica de la batería en salida de CA. La figura siguiente muestra el principio de funcionamiento.

(1) Modo de funcionamiento normal

Cuando la tensión alterna y la frecuencia de entrada se encuentran dentro del rango permitido (por ejemplo, la tensión de red oscila entre 150 v y 276 V), la fuente de alimentación de red atenúa las interferencias de rf y las interferencias electromagnéticas conducidas procedentes de la red eléctrica mediante un filtro de paso bajo, y controla el funcionamiento normal del SAI a través de los siguientes canales de control.

Cuando la tensión de red está comprendida entre 176 v y 264V, bajo la acción del circuito de control lógico del SAI, enciende el interruptor S0 y el interruptor del canal de salida de red de la fuente de alimentación del SAI. De este modo, se envía directamente a la carga una alimentación de red no regulada.

Cuando la tensión de red está entre 150 ~ 176 v, en vista de la tensión de entrada de red en el lado bajo, en el papel de circuito de control lógico de SAI, el interruptor S0 bajo el estado del interruptor al mismo tiempo.

El devanado de refuerzo cerrado interruptor S1 en la entrada, la baja amplitud de la red eléctrica después del tratamiento de refuerzo, será una mayor amplitud de la tensión por el interruptor a la carga.

Cuando la tensión de red está entre 264 ~ 276 v, para evitar daños a la carga, la tensión de salida es demasiado alta en el papel de UPS circuito de control lógico, el interruptor S0 bajo el estado del interruptor al mismo tiempo.

El devanado reductor cerrado en el interruptor de entrada S2, hace que la amplitud en el lado alto de la alimentación de red a través del interruptor para cargar de nuevo después del tratamiento de reducción de tensión, lograr el objetivo de la operación segura de la carga del usuario.

Una vez procesada, la red eléctrica no sólo suministra energía eléctrica a la carga, sino que también sirve como alimentación de entrada de CA del inversor bidireccional.

El inversor bidireccional funciona en estado rectificador, absorbiendo energía de la red y almacenándola en un banco de baterías para proporcionar suficiente energía de CC cuando la red es anómala.

(2) Modo de funcionamiento con energía almacenada

Cuando la tensión o la frecuencia de CA de entrada son anormales (por ejemplo, la tensión de entrada de red es inferior a 150 V o superior a 276 V), el circuito de control lógico interno realiza las siguientes operaciones en los componentes clave de la fuente de alimentación del SAI.

El convertidor bidireccional pasa del modo de rectificación original al modo inversor.

En otras palabras, en este momento, el sistema ya no carga la batería, sino que absorbe la energía de CC almacenada por la batería, que el inversor de onda sinusoidal convierte en potencia de CA estable en tensión y frecuencia para la carga.

Basándose en el principio de funcionamiento del SAI interactivo, las características de rendimiento son las siguientes:

① Alta eficiencia, hasta 98%;

② Estructura de circuito sencilla, bajo coste, alta fiabilidad.

③ El factor de potencia de entrada y los componentes armónicos de la corriente de salida dependen de la corriente de carga, el SAI por sí mismo no produce distorsión adicional del factor de potencia de entrada ni de la corriente armónica.

④ Fuerte capacidad de salida, el coeficiente de pico de corriente de carga, coeficiente de sobretensión, sobrecarga y otros sin restricciones estrictas.

⑤ El convertidor está conectado directamente al extremo de salida, y en un estado de respaldo en caliente, la interferencia de pico de tensión de salida tiene un efecto de filtrado.

⑥ La mayor parte del tiempo para la fuente de alimentación de red, sólo en la tensión de red ligeramente estabilizado procesamiento, la calidad de la potencia de salida es pobre.

⑦Cuando la red se interrumpe, debido a que el interruptor de derivación de CA tiene un tiempo de desconexión, la salida del SAI tiene un cierto tiempo de interrupción de la alimentación, pero el tiempo de conversión es más corto que el SAI pasivo de reserva.