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SAI - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell

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SISTEMAS DE ALIMENTACION ININTERRUMPIDA EN
INSTALACIONES HOSPITALARIAS


Chloride
1 INTRODUCCION

Los continuos avances tecnológicos tienen un claro reflejo en el desarrollo en materia de
medicina. La incorporación de sofisticados equipos electrónicos es una práctica habitual en
nuestros hospitales y gracias a ellos se mejora día a día todas y cada una de las labores que
se desarrollan en un hospital, desde la adquisición y registro de datos de los pacientes,
pasando por los diagnósticos, intervenciones quirúrgicas y finalmente en el proceso de
rehabilitación, por mencionar algunos.
Sin embargo, estos nuevos equipamientos, imprescindibles en cualquier hospital, se
caracterizan, entre otros aspectos, por su total dependencia de un suministro eléctrico de gran calidad y disponibilidad. En este sentido, una instalación eléctrica adecuada es la única forma de garantizar un suministro eléctrico de calidad. Una parte fundamental de esta instalación eléctrica es el Sistema de Alimentación Ininterrumpida “SAI”, el cual, en conjunción con el resto de los elementos de la instalación (alimentación alternativa, grupo generador, protecciones, etc.), representa la solución capaz de ofrecer dicha calidad de onda necesaria para los equipos médicos, frente a las perturbaciones de la red comercial (microcortes o cortes prolongados del suministro, variaciones de frecuencia, oscilaciones de la tensión, distorsión armónica, etc.). Como se deduce de lo anteriormente dicho y aunque parezca obvio, debemos ser conscientes de la importancia de la alimentación eléctrica, sobre todo en aquellas aplicaciones críticas, situación que se recoge en el nuevo Reglamento de Baja Tensión, en lo que respecta a los hospitales, al definir no solo los quirófanos como áreas de riesgo, sino en general todos aquellos sistemas de asistencia vital.

CONCEPTOS TÉCNICOS RELACIONADOS CON UN SAI

¿Qué es un SAI?

“SAI” son las siglas de Sistema de Alimentación Ininterrumpida. Como su nombre viene a indicar, un SAI es un sistema capaz de garantizar el suministro de energía eléctrica, de forma continuada, incluso cuando la red eléctrica falla completamente. Pero un SAI no solo protege las cargas críticas de los cortes de suministro, sino que además proporciona protección ante microcortes, caídas y elevaciones de la tensión, variaciones de la frecuencia, picos de tensión, ruido de radiofrecuencia y otras anomalías que si no fueran eliminadas podrían dar lugar no solo a fallos temporales sino a un envejecimiento prematuro de la carga o incluso a su propia destrucción. Es por ello por lo que los SAIs representan la solución más adecuada para asegurar la calidad y disponibilidad del suministro eléctrico a las cargas críticas, proporcionando una alimentación adecuada a sus características, dentro de los márgenes de valor eficaz y frecuencia establecidos.

PARTES FUNDAMENTALES DE UN SAI

Tal como se ha indicado en el párrafo anterior, los SAI deben ser capaces de almacenar energía para cederla en caso de fallo de la red comercial. Está necesidad se resuelve en el 99% de las aplicaciones típicas por medio de baterías, es por ello por lo que a estos SAIs se les denomina estáticos, frente a otras soluciones mecánicas basadas por ejemplo en volantes de inercia.

La utilización de baterías, con tensión continua, da lugar a la existencia de varios bloques
funcionales bien definidos dentro de un SAI: Rectificador, Cargador de baterías e Inversor. Por otro lado la necesidad de incrementar la fiabilidad del SAI y superar las limitaciones del inversor, da lugar a la incorporación del By-pass estático. Finalmente y pensando en las labores de mantenimiento los SAIs pueden incorporar (dependiendo principalmente de la potencia del equipo) un By-pass de mantenimiento


Rectificador/Cargador

Dado que las baterías son elementos que trabajan con tensión continua, debe haber un elemento capaz de transformar la tensión alterna de la red en tensión continua que pueda ser utilizada para recargarlas, dicha función la realiza el rectificador / cargador de baterías El rectificador es el elemento que se encarga de transformar la tensión alterna proveniente de la red eléctrica en tensión continua. En función de la topología del SAI, este elemento puede tener dos funciones:
a) Mantener las baterías cargadas, para asegurar el mayor tiempo de autonomía posible (todas las topologías de SAIs).
b) Proporcionar al inversor la energía necesaria para que éste alimente a la carga  (sólo los SAIs del tipo Doble Conversión)




Fig. 1 Disposición del rectificador en un SAI Doble Conversión


El rectificador en configuración cargador de baterías se encarga de mantener las baterías completamente cargadas siempre que la red esté presente. Para ello mantiene las baterías en su tensión de flotación, evitando así que se descarguen. Si las baterías se hayan descargadas, debido, por ejemplo, a un fallo de red, el cargador, automáticamente, las recargará, mediante una curva UI (cuando las baterías están muy descargadas, la recarga es a corriente constante, y más adelante, a tensión constante). Si el SAI es del tipo doble conversión, cuando hay red presente, el rectificador proporciona, además, energía al inversor para que éste alimente la carga.


Baterías:

Las baterías son el elemento que utiliza el SAI para almacenar la energía con la que alimentará a la carga en caso de que la tensión de la red no sea de la calidad exigida. Por ello es importante asegurar que las baterías cuenten con un ambiente óptimo, con objeto de aprovechar al máximo su vida útil y su capacidad.

Es de especial importancia mantener la temperatura de las baterías en unos niveles adecuados, ya que se trata de elementos muy sensibles a este factor ambiental. La temperatura óptima recomendable se centra entorno a los 20ºC. Así mismo, es importante que el SAI se adapte a los cambios de temperatura para no acortar la vida útil de las baterías. La tensión de flotación de las baterías varía en función de la temperatura. Así pues el SAI debe ser capaz de modificar dicha tensión de flotación a medida que varía la temperatura. Esto redunda en una mayor duración de las baterías y un mayor rendimiento del equipo. Además, permite asegurar en todo momento que se cuenta con la máxima autonomía.


Fig. 2 Disposición típica de las baterías entre el cargador y el inversor

Inversor:

Tal como ya hemos indicado, ante un fallo de la red eléctrica, el SAI debe ser capaz de seguir alimentando a las cargas críticas y para ello debe utilizar la energía almacenada en las baterías convirtiendo la tensión continua de las mismas en tensión alterna utilizable por las cargas. Esta conversión de tensión continua a tensión alterna la realiza el inversor u ondulador.



Fig. 3 Disposición del inversor

El inversor se encarga de generar la onda senoidal con la que el SAI alimenta a las cargas que protege. Cuando hay tensión de red, el inversor se mantiene sincronizado con ella. De este modo el conmutador estático puede realizar transferencias desde el inversor a la red, o viceversa, de modo instantáneo, y sin problemas de inversión de fase.

El inversor se alimenta de una tensión continua, proporcionada por las baterías (cuando la tensión de entrada está fuera de tolerancias), o por el rectificador (cuando la tensión de entrada es de la calidad requerida) en los equipos de doble conversión. Para regular la forma de onda de salida y sus parámetros asociados (valor eficaz, etc.), el inversor utiliza una tecnología denominada PWM o “modulación por anchura de pulso”. En función del equipo podremos hacer trabajar al inversor a la frecuencia de la red 50/60 Hz, o incluso a frecuencias diferentes: Red de entrada 60 Hz, salida 50Hz, de forma que el inversor trabaje como convertidor de frecuencia.

Asimismo se deben tener en cuenta los avances en materia de control realizados en los últimos años. Gracias al control Vectorial y al uso de microprocesadores especializados “DSP”, se han logrado mejoras sustanciales en el funcionamiento del inversor ante situaciones tales como sobrecargas, cortocircuitos, reparto de cargas en sistemas paralelos, etc.


By-pass estático y manual.

Existen circunstancias en las cuales el inversor puede no ser capaz de alimentar adecuadamente a las cargas conectadas en su salida, por ejemplo en caso de sobrecarga o en situaciones de calentamiento excesivo o la situación más trágica, en caso de fallo del propio inversor. Ante estas circunstancias sería deseable poder seguir alimentando a las cargas críticas aunque sea a través de la red eléctrica si esta está disponible. Esta funcionalidad la proporciona de forma automática el by-pass estático y de forma manual el by-pass manual o de mantenimiento.


Fig. 4 Disposición del By-pass estático y manual


En la figura 4 podemos ver como se alimentaría la carga ante, por ejemplo, un fallo del inversor. El by-pass estático alimentaría de forma automática a las cargas a través de la red auxiliar de entrada. Una característica del By-pass estático es que tiene un funcionamiento “made – before – break”, es decir, que no se interrumpe en ningún momento la alimentación de la carga.

El by-pass manual o de mantenimiento consiste en un interruptor manual cuya finalidad principal el permitir labores de mantenimiento del SAI sin necesidad de interrumpir el suministro eléctrico de las cargas. Un ejemplo sería el uso del by-pass manual para realizar un cambio de tarjetas en el SAI. Lógicamente, cuando la carga está alimentada a través del by-pass manual, queda sin protección contra fallos en la tensión de alimentación. Siguiendo una secuencia adecuada es posible alimentar la carga sin corte alguno a través del by-pass manual. Igualmente dispone de protecciones adecuadas para evitar la paralelización de la red auxiliar con el inversor.



TIPOS DE SAIS

Es evidente que no todos los equipos eléctricos tienen las mismas características en lo que a requisitos de tensión de entrada se refiere. Algunos aparatos pueden soportar microcortes, ciertas variaciones del valor eficaz de tensión de entrada, y pequeños cambios de frecuencia. Otros, en cambio, son más sensibles a estas perturbaciones, por lo que requieren un mayor nivel de protección. Por otro lado la tecnología ofrece diferentes posibilidades técnicas tanto a nivel de componentes como a nivel de topologías. Es por ello que existen varios “tipos” de SAIs, permitiendo proporcionar la solución más adecuada a cada caso, de forma que se consiga un buen equilibrio entre el coste y las prestaciones.



Tecnología Off-Line:

En este tipo de SAIs, la carga está alimentada “normalmente” directamente por la red eléctrica a través de unos filtros contra picos de tensión y ruido de alta frecuencia. En caso de que la red eléctrica no sea adecuada para alimentar las cargas, un conmutador transfiere la carga desde la red eléctrica al inversor. Éste alimenta a la carga hasta el momento en que los parámetros de la red vuelven a estar dentro de una tolerancia prefijada. Con esta topología, el rectificador se encarga únicamente de mantener las baterías en flotación, o de recargarlas si fuese necesario.

Esta configuración permite un alto rendimiento en funcionamiento normal, ya que, prácticamente, no hay elementos disipativos entre la carga y la red eléctrica.  El consumo “extra” sería el necesario para mantener las baterías cargadas. El inconveniente es que también presenta un menor grado de protección frente a microcortes y variaciones de frecuencia: la tensión de salida es la misma que la de entrada.


                        
                                                                Fig. 5 Tecnología Off-line



Tecnología Doble Conversión:

En este tipo de SAIs la carga es normalmente alimentada de forma permanente por el inversor.
Por ello ahora el rectificador no sólo debe cargar las baterías, sino que además, debe proporcionar la corriente continua que necesita el inversor para alimentar la carga. Por lo tanto este tipo de SAIs realizan una primera conversión de tensión alterna a continua (rectificador) tras la cual se produce una segunda conversión de tensión continua a alterna (inversor), de ahí el nombre que recibe esta tecnología “Doble Conversión”.

Esta doble conversión da lugar a que la tensión de salida sea totalmente inmune a variaciones de la tensión de entrada. Igualmente sucedería con las variaciones de frecuencia, aunque en este último caso debido a que el inversor debe estar sincronizado con la red de entrada, esta inmunidad no es del todo cierta. Por otro lado, este mayor grado de protección de la carga ante variaciones de la red se ve penalizado con un mayor coste y un menor rendimiento debido a las dos conversiones de energía.
Al igual que en los casos anteriores, cuando la tensión de entrada se sale de las tolerancias prestablecidas, son las baterías las que proporcionan la energía para que el inversor alimente la carga.



Fig. 9 Topología Doble Conversión


CONFIGURACIONES

Según las necesidades de consumo y grado de protección, es posible utilizar SAIs en diferentes configuraciones:

Configuración Individual:

Es la más sencilla, y consiste, simplemente, en proteger las cargas por un único SAI. La autonomía que proporciona el SAI depende por una parte del número y capacidad de las baterías utilizadas y por otra del rendimiento del inversor, así como, evidentemente, de la carga conectada a la salida. En caso de fallo del inversor, el SAI tratará de alimentar la carga a través del by-pass automático. En caso de que falle completamente el SAI se podrá utilizar el by-pass manual para alimentar temporalmente la carga y poder realizar las labores de mantenimiento dentro del SAI, aunque se deberá tener en cuenta que la carga no dispondrá de protección frente a fallos en la red.


Configuración paralelo redundante:

Este tipo de configuraciones persiguen aumentar la disponibilidad del suministro eléctrico. Consiste en utilizar dos o más SAIs en paralelo, de tal forma que exista un cierto grado de redundancia en la configuración (N+1, N+2, N+Y, etc.), donde N es el número de SAI necesarios para alimentar la carga e Y es el número de SAI redundantes. Esto permite que, en caso de fallo de uno de los SAIs, la carga pueda seguir alimentada por el sistema SAI paralelo restante. Existen varias configuraciones:


Paralelo Distribuido:

Esta configuración utiliza varios SAIs conectados en paralelo, cada uno, incluyendo todos los elementos típicos de un SAI individual, (también el by-pass estático y manual). Lógicamente, los SAIs así conectados deben estar preparados para operar de modo coordinado. Si por algún motivo la carga debe ser alimentada directamente desde la red eléctrica, se hace a través de todos los by-pass estáticos de los SAIs que estén en paralelo.


Fig. 11 Paralelo distribuido o modular


Paralelo Centralizado:

La diferencia fundamental con la configuración anterior es la utilización de un by-pass estático general para el sistema, que sirve para alimentar la carga desde la red auxiliar. Ahora cada SAI individual no precisa de un By-pass estático propio, por lo que o bien está inhibido o bien no lo incorpora. Lógicamente, el conmutador estático general deberá estar dimensionado para suministrar toda la potencia que requiere la carga.


Fig. 12 Paralelo centralizado


Paralelo HFC:

En esta configuración se combinan las dos posibilidades anteriores, existe un by-pass centralizado y adicionalmente los by-passes de cada equipo están activos.. De esta forma en caso de que sea preciso pasar a by-pass, todos los by-pass entrarán en funcionamiento, el general y los individuales de cada SAI. Esto permite, en caso de cortocircuito en la salida, proporcionar una mayor corriente instantánea de cortocircuito, y como resultado, una mayor selectividad de las protecciones aguas abajo del SAI. De esta forma es más sencillo coordinar el funcionamiento de las diversas protecciones eléctricas, mejorando la respuesta del sistema antes cortocircuitos y sobrecargas aguas abajo del SAI.



Fig. 13 Paralelo centralizado HFC



Configuración “Hot Stand By”

Esta configuración trata de incrementar la disponibilidad del suministro eléctrico que un SAI proporciona a sus cargas haciendo que la alimentación de la red auxiliar proceda de la salida
protegida de otro SAI normalmente de potencia muy superior (de forma que no represente una carga excesiva para dicho SAI). Se suele utilizar esta configuración en aquellos casos donde
existe un SAI de gran potencia, por ejemplo el SAI de “Servicios Generales” de un edificio, mientras que el SAI más pequeño podría ser utilizado para alimentar un pequeño Centro de Proceso de Datos.


Fig. 14 Configuración “Hot Stand By”


Configuración redundante en las líneas: Sistemas SAI + Sistemas de
Transferencia Estática STS “CROSS”

La utilización de un SAI o un sistema paralelo, incrementa la fiabilidad de la fuente de energía protegida, sin embargo no protege frente a problemas en la instalación eléctrica aguas abajo del SAI. Así por ejemplo podemos tener una carga crítica alejada del SAI, de forma que si se produce un corte en la línea, dicha carga dejará de ser alimentada independientemente de lo sofisticado del SAI.

Para evitar este tipo de problemas Chloride presenta el concepto de redundancia en las líneas de alimentación. Hemos logrado redundancia en las fuentes a través de la paralelización de SAIs y ahora podemos extender este concepto a las líneas de distribución, para ello simplemente tenemos que instalar, lo más cerca posible de las cargas críticas los denominados Sistemas de Transferencia Estáticos “CROSS” los cuales permitirán seleccionar de forma automática e inteligente entre dos líneas diferentes.

Las ventajas ofrecidas por estos equipos frente a los tradicionales conmutadores mecánicos son claras: ofrecen una inteligencia capaz de seleccionar entre una alimentación u otra en función de la calidad de las mismas (históricos, etc.) a la vez que al tratarse de sistemas totalmente electrónicos, su velocidad de conmutación permite realizar transferencias sin corte para la carga, a la vez que su fiabilidad se incrementa de forma sustancial al no incorporar elementos mecánicos.



Fig. 14 Diagrama de redundancia en las líneas con STSs





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