¿Qué analizar al comparar UPS estáticos y dinámicos?

Decidir qué tipo de UPS es el más adecuado para un centro de datos, entre los modelos estáticos y dinámicos, no es tarea fácil. Por eso ofrecemos una serie de consideraciones que es necesario valorar para decantarse por uno u otro sistema de alimentación ininterrumpida. Incidimos en la necesidad de hacer una valoración previa para saber qué oferta se ajusta más a cada data center.

¿Cuáles son los rasgos que definen un UPS estático?

Se les denomina UPS estáticos porque para su funcionamiento no requieren de elementos mecánicos en movimiento (salvo los ventiladores). Utilizan electrónica de potencia para hacer una conversión de tensión alterna en tensión continua mediante semiconductores y tienen almacenada la energía necesaria para entregar, en caso de fallo de suministro, en baterías de acumuladores (solución más implantada), en volantes de inercia o en pilas de combustible.

Hay fabricantes que llaman equipos dinámicos a equipos que realmente son híbridos entre equipos estáticos y rotativos, que utilizan electrónica de potencia en convertidores y almacenan energía en volantes de inercia. Nosotros consideraremos que dichos equipos híbridos pertenecen a los estáticos, teniendo en cuenta las peculiaridades desde el punto de vista de almacenamiento de energía.

Los UPS estáticos de última generación, con el uso de los IGBTs (insulated gate bipolar transistors), han representado un gran avance desde el punto de vista de calidad de filtraje bidireccional, tanto de las perturbaciones de la red eléctrica hacia las cargas críticas como de la distorsión armónica que estas generan, no consumiendo energía reactiva e incrementando además la eficiencia energética. El tiempo de autonomía de los equipos estáticos se diseña según las necesidades concretas del usuario.

Los UPS estáticos tienen un gran rango de potencias, que permiten dimensionar soluciones desde 500 VA hasta 1,6 MW por equipo, y con posibilidad de funcionamiento en paralelo. Además existen en el mercado equipos modulares que permiten escalabilidad según el usuario vaya creciendo, adecuando la inversión a cada situación particular, lo que representa una gran ventaja para usuarios de data centers.

En términos generales nuestra experiencia nos dice que su uso puede ser aplicado a cualquier data  center. Si la potencia de UPS demandada es superior a 1,5 MW hay que estudiar las características concretas para determinar si otra solución representa ventajas. Para potencias inferiores no suele estar justificado otro tipo de solución.

¿Cuáles son las principales características de  los UPS dinámicos?

Los equipos dinámicos o rotativos tienen un motor eléctrico síncrono en movimiento que transforma energía eléctrica en mecánica o viceversa en su funcionamiento como alternador. Además, tienen almacenada la energía necesaria, para entregar en caso de fallo de suministro, como energía cinética en un volante de inercia.

El tiempo de autonomía es de escasos segundos y por lo tanto es apto para protegerse de huecos y microcortes, pero cuando queremos protegernos de cortes de suministro es necesario la instalación complementaria de un motor (normalmente diésel) acoplado al SAI dinámico, o de una planta generadora de emergencia que asegure la continuidad.

Aunque existen en el mercado soluciones estáticas, es más típica la utilización de equipos dinámicos cuando los requerimientos de los UPS sean instalaciones outdoor y en aplicaciones en media tensión.

¿En qué momento debemos decantarnos por un UPS estático o por uno dinámico en data centers de gran envergadura?

Hay muchas variables a tener en cuenta. Se requiere de un estudio de ingeniería preciso, calculando los costos de inversión y de explotación para poder decantarnos por una solución de equipos estáticos o dinámicos. En términos generales, la solución de equipos dinámicos empezará a ser más competitiva cuanto más grande en potencia sean las necesidades del data center.

Resumidamente, los factores a analizar son:

Inversión inicial: Los UPS rotativos representan un costo de inversión alto, típicamente no son modulares, por lo que inicialmente habrá que sobredimensionarlos para prevenir futuros crecimientos de la carga crítica. Además hay que tener en cuenta las instalaciones auxiliares de ambas soluciones y las necesidades de espacio. Los UPS estáticos permiten más flexibilidad de crecimiento, siendo posible inclusive la protección distribuida.

Eficiencia energética: Históricamente en los 70, los data centers cumplían con la clasificación Tier I, en los 80 con Tier II, siendo a día de hoy la configuración más implementada la Tier III, que en muchas instalaciones está desde el punto de vista eléctrico preparada para crecer a Tier IV.

Un estudio preciso de la eficiencia energética requiere que se tenga en cuenta lo anterior. No se trata de comparar el rendimiento de un SAI al 100% de carga estático frente a uno dinámico, se trata de hacer una comparativa con un régimen de carga real según la configuración de diseño inicial y futuro del data center, teniendo en cuenta no solo el rendimiento de la máquina en sí, sino todos los elementos auxiliares necesarios, como climatización, ventilación, resistencias de pre-caldeo, bombas de trasiego de combustible, motores de rejillas de ventilación, etc.

Además hay que tener en cuenta los costes de tarificación energética particular de cada país y/o emplazamiento, la posibilidad de alimentación en media tensión, las posibles subvenciones, etc.

Costos de mantenimiento: Cada solución tiene unos requerimientos específicos de mantenimiento con diferentes períodos. Los UPS dinámicos intrínsecos a elementos mecánicos en continuo movimiento con desgaste de rodamiento, escobillas, volante de inercia, embrague, etc… Así como los preventivos de ajustes, arranque de motor diésel, trasiego de combustible, engrases, pérdidas de gases dieléctricos, ventilación, limpieza, etc.. Los UPS estáticos a nivel preventivo de ajustes, limpieza, sustitución de tarjetas de control, así como sustitución de elementos que pierden su vida útil, como ventiladores, condensadores y baterías de acumuladores.

Impacto medioambiental: Típicamente los UPS estáticos están instalados en el interior, en la propia sala o en salas específicas. La solución más utilizada de almacenar energía en baterías de acumuladores requiere de un estudio de dimensionamiento de pesos a los que serán sometidos los forjados. Si se utilizan baterías abiertas se deberán diseñar salas apropiadas para una posible acumulación de hidrógeno, con el consiguiente peligro de explosión/incendio.

Los dinámicos, sin embargo, son instalados en el exterior o en unas salas adaptadas a los mismos. Requieren un emplazamiento adecuado teniendo en cuenta el peso, el ruido que generan, las vibraciones y las necesidades de ventilación y expulsión de los gases de escape, así como posible riesgo de incendio del combustible.

Fiabilidad: Ambos sistemas son soluciones fiables, hay que hacer un comparativo según la configuración proyectada. Un estudio de fiabilidad requiere un estudio del MTBF y del MTTR. Cuanto mayor sea el MTBF y menor el MTTR, más fiable será nuestra instalación.

Ambos sistemas dependen ante cortes prolongados de suministro eléctrico de un generador diésel, sin embargo hay que tener en cuenta que, dado que la acumulación de energía en los sistemas dinámicos es de escasos segundos, el apoyo a generadores será más a menudo que en el caso de equipos estáticos, y el tiempo de funcionamiento mayor. Es típico prever para equipos dinámicos sistemas de arranques redundantes y alternativos para aumentar la fiabilidad.

Además hay que tener en cuenta la calidad del suministro eléctrico en el emplazamiento en cuestión, la posibilidad de tener dobles acometidas de diferentes subestaciones y compañías, así como tener claras las reglamentaciones vigentes.

¿Qué potencia y rendimiento ofrece cada UPS?

Desde el punto de vista de potencias, lógicamente depende de los fabricantes en cuestión. En el mercado existen UPS estáticos desde 150 W hasta 2 MW por equipo. Los dinámicos los podemos encontrar en un rango entre 300 kW a 2 MW por equipo.

Hay que tener en cuenta varias consideraciones a la hora de hablar de rendimientos. Por una parte, en la aplicación de data centers normalmente los UPS no tienen más de un 80% de carga, lo más común es entre un 45% o 55% en instalaciones no redundantes, y entre un 20% o 50% de carga en instalaciones redundantes.

Por otra parte, deben estimarse las características de la carga, siendo la misma no lineal, con una alta distorsión armónica en corriente y con un factor de potencia que históricamente ha ido evolucionando por la utilización de fuentes de alimentación conmutada con corrección del factor de potencia, desde antiguamente 0,6 inductivo hasta hoy en día 0,9 capacitivo.

En modo de funcionamiento online, el rendimiento de los UPS estáticos actuales es mayor que el de los UPS dinámicos para un régimen de carga del 50%, siendo la diferencia mayor cuanto menos carga tengamos. Para un 25% de carga, la diferencia puede llegar a ser de un 10% a favor de los estáticos.

 

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