En la actualidad dependemos cada vez más de la energía eléctrica en nuestra vida cotidiana. Ya no es sólo nuestra fuente de iluminación en horas nocturnas. Todo nuestro confort, gracias a los aparatos electrodomésticos, así como nuestras actividades comerciales e industriales, está total y absolutamente ligadas al uso de la energía eléctrica. Tanto nos hemos acostumbrado a su uso, que ya pasa desapercibida su absoluta necesidad en nuestras actividades diarias.

Ahí radica la importancia de conocer las características de su generación, distribución, y por sobre todo, los problemas que a menudo suelen presentarse en su utilización. Todos estos problemas conllevan al imperfecto uso de todos los aparatos electrónicos, y en particular, a los problemas sobre los sistemas computacionales e informáticos que sostiene la mayoría de las actividades en la vida cotidiana.

El estudio parte describiendo los principales problemas del suministro eléctrico así como es fácil imaginar que ocurre en los casos de una ausencia total de éste por tiempo prolongados.

Las alternativas tecnológicas son muchas y la tendencia es constituir equipos que suplan las principales falencias del sistema eléctrico, es decir, subidas y bajadas esporádicas de tensión, contenido de ruido en la red eléctrica, deformación de la onda, ausencia total de tensión por pequeños o largos periodos de tiempo, etc.

Dentro de los principales equipos diseñados para mejorar y gestionar el sistema eléctrico se tienen Reguladores o Estabilizadores de Tensión, Sistemas ininterrumpibles de Energía (UPS), Grupos Electrógenos (Generadores), etc.

El logro de una buena gestión del sistema eléctrico de un sistema computacional se basa en el correcto dimensionamiento de los requerimientos de potencia de éste, las características generales de uso, las posibles ampliaciones del sistema, y un entendimiento general de las alternativas tecnológicas con que se cuenta en el mercado.

1.1 Introducción

El principal objetivo de este estudio es ver la problemática que se ocasiona con el sistema eléctrico que alimenta todas las máquinas que componen un sistema computacional y que alternativas tecnológicas existen de modo de gestionar correctamente el sistema eléctrico. Los objetivos específicos se desarrollan, primero comprendiendo los daños que se generan al no tener una buena gestión eléctrica. Segundo, entendiendo cuales son los problemas que contiene un sistema de alimentación convencional. Y por último estudiar con detalle las soluciones existentes en el mercado que facilitan una mejor gestión de todo el sistema eléctrico.

1.2 Definiciones y Conceptos Generales

Carga : es algún elemento físico (equipo) que realizará un consumo determinado de energía.

Potencia : es toda la energía entregada a una carga eléctrica. Solo una parte es convertida en trabajo mecánico (movimiento, elevación de la temperatura, etc.), el resto es devuelto a la fuente de energía.

Potencia Activa : es la energía que se convierte en trabajo. Se mide en Watts.

Potencia Aparente : es la energía que entrega la fuente. Se mide en Volt*Ampere. Observación : La potencia es el producto matemático de la Tensión y la Corriente, como la tensión es una fuente , se puede decir que existe una corriente entregada y otra aprovechada, a la corriente entregada se la llama aparente y a la aprovechada activa.

Factor de potencia : representa la fracción de la potencia de salida que es útil. No tiene unidad y su valor fluctúa entre 0 y 1.

Ruido : son todas aquellas señales de frecuencia distinta a las de la red eléctrica que viajan entre alguno de los dos conductores que llevan la energía y el de tierra. Generalmente este ruido es causado por instalaciones deficientes, sobre-cargas transitorios, cargas elevadas, etc.

Algunas observaciones sobre 'Watts', 'VA' y 'Factor de Potencia'.

La potencia en Watts es la potencia real consumida por el equipo.

La potencia en Volts-Amperes a la" potencia aparente" del equipo, y es el producto de la tensión aplicada y la corriente que por él circula.

Los Watts determinan la potencia real consumida desde la compañía de energía eléctrica y la carga térmica generada por el equipo. El valor en VA es utilizado para dimensionar correctamente los cables y los circuitos de protección.

Los equipos computacionales modernos, utilizan una fuente de alimentación de tipo switching con un gran capacitor de entrada de modo que éstas fuentes de alimentación presentan un factor de potencia de 0,6 a 0,7. Esto significa que los Watts consumidos por una computadora típica son aproximadamente el 60% de su consumo medido en VA.

La mayoría de las veces, no será posible para el usuario determinar el factor de potencia de la carga, y por lo tanto se debe asumir el peor caso cuando calcule la potencia necesaria para un equipo de protección.

La fuente de poder es la encargada de suministrar energía a todos los dispositivos internos de la computadora e inclusive, a algunos externos (como el teclado o el mouse). Actualmente existen dos tecnologías en fuentes de poder, las cuales definen las características de cada una: AT y ATX. Básicamente, son el mismo circuito, pero en la fuente ATX tenemos una etapa de control más complicada, además de tener otras tensiones de salida y señales que no se tenía en las fuentes AT. Es conveniente aclarar que la fuente de poder no es un transformador. Tiene dentro un transformador encargado de disminuir la tensión de entrada a los valores de trabajo de la fuente (los que va a entregar) y uno o dos más de acople, pero no constituyen toda la fuente. Éste es un dispositivo netamente electrónico y como tal, está constituido por etapas. A continuación se menciona cada una ellas.

2.1 Componentes de una Fuente de Poder

Las principales partes que constituyen una fuente de poder son,

La etapa de protección esta constituida por un fusible y un termitor, donde le sigue el Filtro de Línea que elimina el ruido eléctrico. La rectificación de entrada convierte la onda alterna de entrada en una señal positiva pulsante. El Filtro de entrada disminuye el risado de la etapa rectificadora. La salida de la etapa conmutadora entrega una señal cuadrada de una frecuencia mayor a la de la red (40 a 70 Hz). La etapa transformadora separa eléctricamente la entrada de la salida. Por último tenemos el Rectificador de Salida de donde se obtienen los niveles continuos de 12V y 5V que es mejorada por el filtro de salida de donde se tiene +/-5V y +/-12V. La etapa de control verifica el correcto funcionamiento de la fuente .

2.2 Diferencias entre una fuente de poder AT y una ATX

Si bien ambas cumplen la misma función, hay algunas diferencias tanto en funcionamiento como en estructura que favorecen a la fuente ATX. Mencionando algunas diferencias se tiene,

En la fuente AT tenemos un cable que va hacia el interruptor de encendido que se encuentra en el panel frontal. Este cable en realidad está compuesto por cuatro cables de los cuales dos son de entrada y los otros dos van a alimentar a la tarjeta electrónica de la fuente. En la fuente ATX, en cambio, no tenemos este cable. El botón de encendido en una fuente ATX no es un interruptor, sino un pulsador. Al accionarse este pulsador, se envía un pulso hacia la fuente, el cual le indica que se active.

La fuente ATX es administrable es decir para encender o apagar o poner en StandBy una PC ATX podemos configurar una combinación de teclas, e inclusive hasta un comando de voz. Por ejemplo, si el administrador de una red tiene que instalar un software determinado en la compañía donde trabaja, y sucede que esta compañía tiene cien computadoras, distribuidas en ocho pisos. Si todas las computadoras fueran AT, tendría que recorrer cada uno de los ocho pisos encendiendo cada computadora, luego ir a su estación, empezar la instalación y una vez terminada ésta, recorrer nuevamente los ocho pisos apagando cada computadora. En cambio, con fuentes ATX, el asunto sería más sencillo. Si las tarjetas de red y la mainboard instaladas en cada computadora soportan la función WakeOnLAN, el administrador podría enviar a cada computadora una señal para que se encienda sola, instalar el software y desactivar cada computadora desde su estación, sin necesidad de moverse de su sitio.

2.3 Problemas en la fuente de poder.

El principal problema que puede presentar una fuente de poder es debido al voltaje de entrada, cuando la fuente está configurada para utilizar 110V y se le suministra 220V; en este caso la fuente literalmente se quema. Puede ser que sólo falle el fusible, en el mejor de los casos, el cual se cambia; pero para la mayoría de los casos esto no ocurre. Normalmente los diodos o el puente de diodos se dañan así como también los condensadores y por último los transistores.

Otro problema menos frecuente, es cuando se sobrecarga la fuente; es decir, cuando la potencia de los dispositivos instalados supera la que es capaz de entregar la fuente. Esto es difícil de determinar, ya que los síntomas pueden asociarse a cualquier otra falla; por ejemplo, que intentemos usar la unidad de CD y la computadora como que se "apaga" sola. Puede deberse a un dispositivo defectuoso, pero también a que la fuente esté en problemas. Algo muy similar ocurre con fuentes de mala calidad, las cuales ni siquiera soportan un disco duro esclavo.

En el momento del ensamblaje, existe otras falla comunes, que no se deben a la fuente, sino al ensamblador, como por ejemplo, algún error al conectar los cables.

· Falta total del suministro por períodos muy breves (microcortes). Causas: Maniobras de transferencia en las centrales de distribución de energía (puede derivar en cambios importantes de la tensión luego del microcorte).

· Baja o muy baja tensión de la energía suministrada en forma permanente Causas: Por lo general debido a la caída en líneas de distribución sobrecargadas de forma continua. Baja capacidad de suministro de la compañía eléctrica.

· Baja o muy baja tensión de la energía suministrada en forma intermitente. Causas: Conexión de cargas de alto consumo transitorio (eje. motores), que producen una baja de tensión momentánea debido a líneas de distribución inadecuadas.

· Alta o muy alta tensión de la energía suministrada en forma permanente. Causas: Inadecuada elección de los pasos de un transformador de distribución, por lo general, para compensar la caída en una línea de gran longitud y consumo. Cargas desequilibradas que modifican la corriente en el conductor de neutro.

· Alta o muy alta te

nsión de la energía suministrada en forma intermitente. Causas: Desconexión de cargas importantes. Conductor de neutro dañado.

· Sobre tensiones muy elevadas y de muy corta duración (picos transitorios). Causas: Suelen ser consecuencia de descargas atmosféricas en la línea, así como por el encendido o apagado de cargas como motores, transformadores, etc.

· Componentes espúreos de baja, media ó alta frecuencia (ruidos eléctricos). Causas: Transmisores, equipos de soldadura eléctrica, arcos eléctricos por conexiones ó contactos defectuosos, controles industriales de potencia, dimmers (reguladores de luz), etc.

· Caídas muy abruptas y breves de la tensión de suministro. Causas: Inclusión de cargas muy grandes o cortocircuitos en la línea (pueden ser seguidas por oscilaciones en la tensión de la línea).

· Deformación de la forma de onda de la energía utilizada (distorsión). Causas: Cargas muy alineales, ó la utilización de un grupo electro-generador de baja calidad o subdimensionado.

La solución de la gran mayoría de los problemas enumerados anteriormente se basan en la prevención conectando los equipos electrónicos involucrados en un sistema computacional a 'Estabilizadores de Tensión', que además incorporen protectores de sobretensión, picos transitorios, y filtros de ruidos eléctricos, ó para una protección0 aún más completa el uso de un Sistema de Energía Initerrumpible (UPS) con las mismas protecciones. El problemas de corte de energía no puede ser eliminado, pero el daño que ocasionan puede ser prevenido con una UPS, la cual mantendrá una corriente constante por un tiempo determinado, hasta que el sistema pueda ser apagado en forma segura y ordenada. Por último tenemos que en los casos de cortes de energía por periodos de tiempo muy prolongados, es necesario recurrir a generadores de corriente que suplan el suministro eléctrico convencional por todo el tiempo que sea necesario (grupo electrógeno). Además del uso de Reguladores, UPS y otros equipos es necesario salvaguardar las instalaciones eléctricas locales que se utilizaran para alimentar el sistema de computación como se detalla a continuación.

3.3 Otras consideraciones respecto de la protección de un sistema computacional.

Algunos de los requisitos especiales del sistema eléctrico de la conexión de computadores son,

· Utilizar una línea de tierra aislada que no sea compartida por otros equipos ni toque los conductos, las cajas, ni los gabinetes metálicos de la instalación eléctrica para evitar el "ruido eléctrico" inducido por cortos o fallas en otros circuitos.

· Verificar que el voltaje entre el neutro y la tierra en el tomacorriente del computador permanezca por debajo de uno o dos voltios para garantizar la seguridad de las comunicaciones electrónicas entre los distintos componentes de computador (y entre éste y los demás computadores interconectados en red).

· Para lograr una línea de tierra aislada se debe instalar un cable aislado (no desnudo) y preferiblemente sin empalmes, desde la "barra de tierras" del tablero principal hasta las tomas de los computadores, verificando que éstos sean tomacorrientes especiales de tierra aislada, donde el polo de tierra no haga contacto con la caja metálica de conexiones.

· Una de las finalidades de la de tierra es proporcionar una referencia común para las comunicaciones electrónicas de los computadores, por lo tanto, para garantizar una comunicación confiable y evitar daños en los módulos de comunicaciones todos los computadores, impresoras y equipos de comunicaciones de una red local deben utilizar la misma tierra como referencia .

· Cuando hay muchos computadores situados en una misma área, se recomienda utilizar un acondicionador general y diseñar, a partir de él, una instalación eléctrica exclusiva para los computadores: A la salida del acondicionador se debe instalar un tablero auxiliar con "barras aisladas" para neutros y tierras, y para minimizar la caída de tensión en los conductores no se deben manejar más de 10 ó 15 amperios en cada circuito ni compartir cables entre circuitos diferentes.

· El uso de una Línea Dedicada es bastante conveniente, la cual es una línea eléctrica que va desde el tablero de conexiones a la carga crítica y no tiene otras cargas conectadas a él, generalmente con una llave térmica. Una línea dedicada tiene las siguientes ventajas : la carga conectada a ella no esta sujeta a las variaciones de voltaje que otras cargas pueden generar en la línea, las cargas cercanas no comparten la línea, se permite protección a la carga de modo que no este sujeta a variaciones de tensión en el cable de tierra que otras cargas generarían, si se dispara una protección esta no alterara a las otras cargas cercanas. Ver Figura 3.1.

 Existen en la actualidad una gran cantidad de marcas y modelos de Estabilizadores de Tensión. Aunque todos ellos fueron diseñados y construidos con el propósito de entregar una tensión estable a su salida, a partir de una tensión de entrada que puede variar dentro de determinados límites, no todos utilizan el mismo principio de funcionamiento, ó son adecuados a los diferentes tipos de cargas.

La razón de ser de los estabilizadores de tensión, se basa en el hecho de que, aún con los últimos adelantos técnicos y mejoras de los servicios en el área energética, no se han podido suprimir las frecuentes caídas o elevaciones de tensión en las redes de alimentación de energía eléctrica. Tampoco ha sido posible eliminar disturbios comunes como picos transitorios de alta tensión, interferencias de media y alta frecuencia y /ó ruidos eléctricos en general, que pueden provocar, no sólo un funcionamiento errático de los modernos equipos electrónicos, sino también su destrucción total.

Cuanto más sofisticado y costoso es un equipo electrónico, tanto más sensible pareciera a los problemas de la tensión de la red. Es por ello que la mayoría de los usuarios de equipos de computación, o similares, han adoptado como regla de seguridad intercalar un estabilizador de tensión en la línea de alimentación de sus equipos. Podemos agrupar los estabilizadores de tensión actuales en tres grandes grupos, y dentro de cada uno de éstos, hay importantes diferencias entre marcas y modelos, ya que la tecnología utilizada por cada fabricante, no suele ser la misma, aún en equipos de similar potencia.

· Estabilizadores por pasos.

· Estabilizadores continuos.

· Estabilizadores ferroresonantes.

4.1 Estabilizadores por Pasos

El principio de funcionamiento de éstos estabilizadores se basa en la elección de una u otra derivación de un autotransformador, según el valor de la tensión de entrada. El modo de operación se puede apreciar en la Figura 4.1. Si la tensión de entrada es correcta, el selector de paso se ubicará en la posición "B", si tensión de entrada es baja, lo hará en la posición "A", y si es alta lo hará en la posición "C".

Normalmente la elección de la derivación es realizada automáticamente, mediante conmutadores que operan comandados por un circuito electrónico de control. Este circuito de control compara un valor interno de referencia, con una muestra de la tensión de entrada ó salida. Según donde sea tomada la muestra, el equipo trabajará en el modo "lazo abierto" ó "realimentado".

La precisión en la tensión de salida de un estabilizador electrónico, está relacionada con la cantidad de pasos que el mismo posea y con el rango de la tensión de entrada dentro del cual se considera correcto su funcionamiento.

Figura 4.1 Estabilizador por pasos

Un Estabilizador Electrónico de Tensión no conforma, por si solo, una total y adecuada protección para los modernos equipos electrónicos. Ciertas funciones de protección deberán ser agregadas al diseño básico para lograr un mayor grado de confiabilidad en la energía que estamos suministrando a nuestro sistema. Los inconvenientes o daños provocados por picos transitorios de alta energía, interferencias de media y alta frecuencia, ruidos eléctricos, etc., pueden provocar daños mayores que una tensión de alimentación de bajo valor.

Existen muchas variantes que se introducen día a día en estos equipos mejorando las prestaciones.

4.2 Estabilizadores a Servomotor (Continuos)

El estabilizador Electromecánico Continuo utiliza, al igual que el estabilizador por pasos un autotransformador. La diferencia fundamental es que éste autotransformador se construye sobre un núcleo de hierro de forma toroidal, y parte de su bobinado se encuentra accesible, mecánica y eléctricamente. Sobre esa sección del bobinado se desliza una escobilla de carbón, que se sitúa en la posición correcta para obtener la tensión de salida deseada.

El movimiento de la escobilla se lleva a cabo mediante un servomotor comandado por un circuito electrónico de control.

El estabilizador a servomotor es muy utilizado para alimentar cargas que poseen corrientes de arranque importantes, por ejemplo motores, debido a su alta capacidad de sobrecarga momentánea. Su desventaja radica, en que la velocidad de respuesta es mucho más lenta, que la de un estabilizador electrónico por pasos. Debido a su tiempo de respuesta, no es utilizado es sistemas de computación ó similares.

4.3 Estabilizadores Ferroresonantes

El estabilizador Ferroresonante está constituido por un tansformador especial de tres bobinados, en el cual uno de ellos se encuentra "sintonizado" con la frecuencia de la red, formando un denominado circuito tanque, que le permite absorber pequeñas y bruscas variaciones en la tensión de línea. Poseen una elevada velocidad de respuesta y la tensión de salida no presenta saltos. Estos estabilizadores suelen entregar una tensión de salida muy estable. Se menciona como ventajas el hecho que posee un factor de atenuación de ruidos eléctricos muy alto, una velocidad de respuesta instantánea y ausencia de saltos en la tensión de salida. Como desventaja se tiene que estos equipos son ruidosos, tienen un muy bajo rendimiento, emiten mucho calor, son voluminosos y pesados, y pueden distorsionar fuertemente la forma de onda de la tensión de salida cuando son utilizados con cargas no lineales (computación, cargadores de baterías, etc).

 Capitulo 5 UPS Sistema de Energía Ininterrumpible

Como su nombre lo indican , estos equipos que se ubican entre el sistema eléctrico convencional y los equipos que se desean proteger, permiten entregar en forma initerrumpida la energía en casos de corte del suministro por instantes de tiempo breves (minutos u horas). En el mercado actual hay gran cantidad de diseños de UPS. Puede llegar a ser confuso determinar que tipo de equipo es el más conveniente para la carga crítica que se posee, y cual entregará la energía con el nivel requerido de calidad y confiabilidad. Existen dos categorías principales de UPS, llamadas ON-Line y Off-Line. Ambos diseños proveen de una energía de reserva desde un grupo de baterías cuando la línea de alimentación principal falla, pero difieren en el rango y extensión de otros beneficios que ellas pueden otorgar.

5.1 Bloques Constructivos de una UPS

Todos los sistemas de energía ininterrumpida utilizan los mismos bloques constructivos que se enumeran a continuación :· Entrada · Filtro · Inversor · Baterías · Cargador · Conmutador · Salida · Comunicación · Controles · Estabilizador · Transformador

La mayoría de las configuraciones de UPS utilizan solamente estos bloques. Cada configuración tiene sus ventajas y desventajas como: costo más bajo, mejor filtrado de ruidos, mayor eficiencia, acondicionamiento de línea, etc.

5.2 Tipos de UPS

Hay dos grandes categorías principales en equipos UPS; On-Line y Off-Line. La mayoría de las más extrañas configuraciones entra en la categoría de las UPS Off-Line.

1. Off-Line: la corriente de la carga es suministrada directamente por la línea en operación normal.

2. On -Line: el 100% de la corriente suministrada a la carga en operación normal es entregada por el inversor la UPS.

5.2.1 UPS Off Line

En la Figura 5.1 se tiene una UPS del tipo Stand-By (Off-Line) donde el flujo de la potencia es, desde la entrada, a través del filtro y el relé de transferencia, a la salida en operación normal. Esto realmente no difiere en mucho con conectar la carga directamente a la línea; solamente estamos protegiendo la carga contra lospicos transitorios y ruidos de línea que el filtro pueda atenuar.

Máquinas que generan energía eléctrica, aprovechando la energía máxima producida por máquinas de combustión interna.

Una planta generadora ideal, deberá tener el rendimiento y capacidad adecuada para alcanzar los requerimientos de carga que va a soportar. Esta hará que no tenga capacidad excesiva o funciones innecesarias que incrementarían el costo inicial y el costo de operación.

Para obtener el rendimiento y la confiabilidad adecuada, se recomienda que se declare las especificaciones en términos de rendimiento deseado, en vez de intentar especificar un determinado tamaño, tipo o marca de equipo.

Es necesario mencionar que el circuito de generación eléctrica produce extraños voltajes y corrientes en el circuito de comunicación telefónica. Esto puede ser peligroso para las personas o puede dañar los aparatos o interferir las comunicaciones. Por eso, se debe evitar la proximidad de un grupo electrógeno con los circuitos telefónicos y proteger éstos con dispositivos que eviten los peligros y la interferencia.

El tablero de control debe ser diseñado de acuerdo al voltaje y corriente que se propone soportar, y debe ser equipado con los dispositivos necesarios de protección contra fallas para proteger al generador de daños, cuando hay fallas o sobrecargas en el sistema.

En caso que los grupos electrógenos sean usados sólo en emergencias, se debe establecer una política de puesta en funcionamiento los fines de semana durante 1 ó 2 horas, para mantener operativo los equipos.

Evaluar correctamente los daños que se generaran por una mala instalación eléctrica que alimenta un sistema computacional donde se involucran el costo de los equipos, sistemas de respaldo y toda la información contenida en los sistemas, conllevan a gestionar de la forma más optima la alimentación de todos los equipos involucrados.

Todas las medidas a tomar son previsoras, evitando que los problemas del sistema eléctrico lleguen a los equipos. Para esto es necesario como primera etapa, evaluar cuales son los equipos de mayor trascendencia en el sistema y en que orden de prioridad serán protegidos, ya que idealmente se pensaría en diseñar una protección completa de todo el sistema, pero eso tiene un alto costo monetario.

Por otra parte el uso de líneas de alimentación dedicadas a los sistemas computacionales permiten reducir los riesgos y problemas asociados a la conexión de otros equipos no pertenecientes al sistema informático.

Respecto a la información sobre el consumo de las cargas de computación, no está todavía especificada de forma que resulte simple la elección del tamaño de una UPS o Regulador de Voltaje. Es posible configurar sistemas que parezcan correctamente dimensionados, pero que en la práctica sobrecarguen la UPS o Regulador. Sobredimensionando este tipo de equipos ligeramente por encima de las especificaciones de potencia de los equipos, brindará una operación más segura. Un sobredimensionamiento también tiene el beneficio de proveer un mayor tiempo de autonomía (backup) a la carga.

En resumen este es un problema con muchas alternativas de solución así como también abierto a recibir otras mejoras tecnológicas siempre recordando la real dependencia que se tiene de la energía eléctrica.