MXPA99002260A - Metodos y aparatos para suministrar energia de arranque a un suministro de energia ininterrumpible respaldado por una unidad generadora - Google Patents

Abstract

Un suministro de energía ininterrumpida (200) proporciona una mejorada confiabilidad al suministrar energía temporal de reserva a una carga crítica (104) y energía de respaldo (112) desde solo sistema de almacenamiento de energía (230). En la modalidad preferida, se utiliza un dispositivo de almacenamiento de energía de volante que produce voltaje de CA trifásico, para suministrar energía temporal a una carga crítica mientras el suministro de energía de respaldo,tal como una cantidad generadora (GENERADOR) DIESEL (112) se acelera a su velocidad plena. La energía de arranque para el GENERADOR se suministra también desde el dispositivo de almacenamiento de energía de volante a través de un circuito que convierte el voltaje CA,que esta en un nivel, en voltaje CD que estáen un nivel inferior(por ejemplo,12 o 24 volts).Por lo tanto,se suministrara energía de respaldo desde el GENERADOR menos que en el GENERADOR se presenta una falla catastrófica.

Description

MÉTODOS Y APARATOS PARA SUMINISTRAR ENERGÍA DE ARRANQUE A UN SUMINISTRO DE ENERGÍA ININTERRUMPIBLE RESPALDADO POR UNA UNIDAD GENERADORA CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona con sistemas de suministro de energía ininterrumpible (UPS) y, más particularmente, con sistemas UPS que incluyen una fuente de energía de reserva, tal como una unidad generadora de reserva de diesel (es decir, un GENERADOR) .

ANTECEDENTES DE A INVENCIÓN Los sistemas UPS frecuentemente están instalados en entornos en los que la operación continua es crítica, incluso en el caso de una pérdida de energía principal. Por ejemplo, estos sistemas pueden instalarse en aeropuertos, hospitales, plantas de procesamiento y centros computacionales . En cada caso, la pérdida total de energía puede conducir a resultados catastróficos (por ejemplo, la pérdida de energía a la mitad de una cirugía puede dar por resultado la muerte del paciente) . En los sistemas UPS normales, se proporciona la circuitería que monitorea la energía que se suministra desde una fuente principal de energía, frecuentemente, mediante una conexión a una barra de distribución principal P775 de CD o bus CD. Un banco de baterías, frecuentemente baterías de plomo y ácido, está conectado al bus de CD que alimenta la carga crítica para proporcionar temporalmente energía tan pronto como el voltaje en el bus o barra principal de distribución cae por debajo del voltaje de la batería. Se pretende que las baterías proporcionen solamente energía temporal o provisional hasta que la fuente de energía de reserva, tal como puede ser el generador antes descrito, puede ponerse en línea. Por lo tanto, las baterías proporcionan normalmente energía durante un período de tiempo muy corto, hasta que el generador de reserva esté funcionando a plena velocidad y proporcionando la energía de respaldo. Una deficiencia de los sistemas UPS basados en baterías de plomo y ácido tradicionales es que la fuente de energía de reserva recibe su energía inicial de arranque desde una batería de arranque separada. Estas baterías de plomo y ácido frecuentemente fallan debido a un mantenimiento inapropiado o a la carga incompleta debida a la corrosión de las terminales de la batería. Por lo tanto, si la batería arrancadora falla, solo se suministrará la energía de respaldo hasta que el banco de baterías se agote, debido a que el GENERADOR (al igual que un automóvil, por ejemplo) necesita de energía externa para arrancar.

P775 De la Patente Alemana No. 1 199 392, se conoce un suministro de energía ininterrumpible que tiene algunas de las particularidades expuestas en la Figura 1 de la presente solicitud. De la Patente de los Estados Unidos No. ,285,029, se conoce un dispositivo para excitar o impulsar un elevador en el momento de una interrupción en el servicio que tiene algunas de las particularidades expuestas en la Figura 1 de la presente solicitud. De la Patente de los Estados Unidos No. 4,857,755 se conoce un método y un sistema de energía de salida constante que tiene algunas de las particularidades expuestas en la Figura 1 de la presente solicitud. En vista de lo anterior, es un objeto de la presente invención, proporcionar un suministro de energía ininterrumpible mejorado en el que la energía de arranque se suministre en forma más confiable a la fuente de energía de respaldo. También es un objeto de la presente invención proporcionar un método mejorado para suministrar la energía de arranque a la fuente de energía de respaldo de un suministro de energía ininterrumpible.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Estos así como otros objetos de la invención se P775 logran de conformidad con uno de los principios de la invención al proporcionar un suministro de energía ininterrumpible en el que la fuente de energía de respaldo recibe su energía inicial desde un sistema de almacenamiento de energía que también proporciona la energía provisional o temporal hacia la carga crítica. Las modalidades preferidas incluyen dispositivos de almacenamiento de energía de volante que proporcionan tanto la energía provisional o temporal durante el tiempo en el que la fuente de energía de respaldo es acelerada hasta su velocidad plena, como la energía de arranque a la fuente de energía de respaldo. El dispositivo de almacenamiento de energía de volante, que se activa mediante un circuito de monitoreo cada vez que se detecta una falla en la energía principal, proporciona energía provisional o temporal durante todo el ciclo de arranque del GENERADOR. Mientras se suministra la energía temporal, se proporciona energía adicional desde el dispositivo de volante hacia el GENERADOR, hasta que el GENERADOR esté operando en forma autosuficiente (es decir, funcionando con un combustible tal como diesel o gasolina) , que normalmente es menor de treinta segundos. La energía provisional o temporal se suministra en forma continua desde el volante hasta que el GENERADOR alcanza una velocidad rotacional predeterminada (en donde el nivel de energía apropiado puede ser suministrado por el GENERADOR) . Particularidades adicionales de la invención, su naturaleza así como diversas ventajas serán más evidentes a partir de los dibujos acompañantes y de la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama de bloques de un suministro de energía ininterrumpible energizado por baterías respaldado por un GENERADOR convencional; La Figura 2 es un diagrama de bloques de un suministro de energía ininterrumpible respaldado por GENERADOR, construido de conformidad con los principios de la presente invención y; y La Figura 3 es un diagrama de bloques esquemático de un circuito convertidor de muestra que puede ser utilizado en el suministro de energía ininterrumpible de la Figura 2 para proporcionar la energía de arranque a la fuente de respaldo y la energía temporal a la carga crítica desde un solo sistema de almacenamiento de energía, de conformidad con los principios de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS La Figura 1 muestra un suministro de energía ininterrumpible energizado por baterías y respaldo por GENERADOR 100 convencional (UPS 100) . El UPS 100 está conectado entre la fuente de energía principal 102, la cual simplemente puede ser la energía suministrada desde la compañía proveedora y la carga crítica 104. La carga crítica 104 representa a cualquiera de las diferentes aplicaciones en las que es crítico el suministro continuo de energía, tal como pueden ser los antes mencionados, aeropuerto, hospital, etc. El UPS 100 proporciona la energía de respaldo a la carga crítica 104 en el caso de que falle la fuente de energía principal 102. El UPS 100 incluye un conmutador de transferencia 106, un convertidor de CA a CD 108, un convertidor de CD a CA 110, un GENERADOR 112, un circuito de monitoreo 114, un banco de baterías de energía provisional o temporal 116 y una batería de arranque 118. El conmutador de transferencia 106 transfiere el suministro de energía de la fuente de energía principal 102 al GENERADOR 112 después de que falla la fuente principal 102 y el GENERADOR 112 está proporcionando energía en un nivel suficiente. El convertidor de CA a CD 108 toma la energía de CA suministrada ya sea por la fuente de energía principal 102 o por el GENERADOR 112 y la convierte en energía de CD. El convertidor 108 puede ser un simple circuito rectificador o puede ser cualquier otro circuito convencional utilizado para convertir energía de CA en energía de CD, siempre y cuando se mantengan los niveles de energía apropiados. Esto se logra normalmente al proporcionar la CD en un nivel de aproximadamente 480 volts al bus de CD 120. La energía de CD se alimenta a través del bus de CD 120 al convertidor de CD a CA 110, que lo convierte nuevamente en energía de CA. El convertidor 110 puede ser un simple circuito inversor o puede ser cualquier otro circuito convencional utilizado para convertir la energía de CD en CA. El bus de CD 120 es monitoreado por el circuito de monitoreo 114 (en tanto que se muestra que el circuito de monitoreo 114 solamente recibe señales indicadoras del estado del bus de CD 120, pueden recibirse señales de entrada de "falla de la energía principal" adicionales al monitorear la entrada al convertidor de CA en CD 108 y/o la salida del convertidor de CD en CA 110) . Una vez que se ha detectado la falla en la energía principal, el circuito de monitoreo 114 envía señales a lo largo de la línea 124 las cuales pueden provocar que la energía de respaldo sea suministrada a la carga crítica 104 desde el GENERADOR 112. El banco de baterías 112 de energía temporal suministra energía de CD al bus de CD 120 tan pronto como el voltaje en el bus de CD 120 cae por debajo del voltaje de la batería. El banco de baterías 116 continuará suministrando energía al bus 120 hasta que cualquiera de las baterías se agote o hasta que la energía adecuada sea suministrada a la carga crítica 104 desde otra fuente (es decir, ya sea de la fuente de energía principal 102 o del GENERADOR 112) . La señal en la línea 124 dispara o activa al GENERADOR 112 para que comience un ciclo de energizado. El GENERADOR 112, que incluye un motor de arranque (no mostrado) similar a un motor de arranque automotriz que es excitado o impulsado por una batería de arranque 118, normalmente se energizará para suministrar energía de respaldo a la carga crítica 104 siempre y cuando la batería de arranque 118 no esté defectuosa (a menos que el GENERADOR 112 tenga una falla mayor) . El problema potencial se presenta debido a que el GENERADOR 112 depende de la batería de arranque 118 para su energía de arranque. La batería de arranque 118 puede ser, por ejemplo, una batería de 24 volts que necesita de un mantenimiento casi constante para asegurar la operación apropiada. Pueden presentarse fallas debido, por ejemplo, a la naturaleza corrosiva de las conexiones de las terminales entre la batería 118 y el GENERADOR 112 o la batería 118 puede fallar debido a un cambio en las condiciones ambientales (por ejemplo, frío o calor excesivo) . Adicionalmente, las baterías de plomo y ácido típicas tienen un intervalo de vida limitado (que en promedio es de tres a ocho años) las cuales, desafortunadamente, pueden caducar cerca del momento crítico en que se necesiten.

La Figura 2 muestra un suministro de energía ininterrumpible 200 respaldado por GENERADOR (UPS 200) que, de conformidad con los principios de la presente invención, supera las deficiencias de los sistemas UPS respaldados por GENERADOR convencionales. El UPS 200 incluye muchos de los mismos componentes que el UPS 100. Por ejemplo, el conmutador de transferencia 110, el convertidor de CA en CD 108, el convertidor de CD en CA 110 y el GENERADOR 112. El circuito de monitoreo se muestra como el circuito de monitoreo 214 en vista del hecho de que se requieren diferentes señales de control en el UPS 200 (por ejemplo, la señal en la línea 222) . El UPS 200 también incluye un sistema de almacenamiento de energía 230 que, preferentemente, es un sistema de almacenamiento de energía de volante pero que puede ser un banco de baterías similar al banco de baterías 116 de energía provisional o temporal. Sin embargo, si el sistema de almacenamiento de energía 230 es desde luego un banco de baterías, deben realizarse modificaciones adicionales al circuito (no mostradas) para reducir el voltaje de CD a 24 volts (el banco de baterías alternativo es un poco menos práctico debido a que la circuitería adicional puede incluir otro par de convertidores para pasar de CD a CA y de regreso) . En tanto que la confiabilidad del sistema UPS se mejora en cualquier caso debido al uso de un solo P775 suministro de energía para el bus de CD 120 y para el GENERADOR 112, el aumento más significativo en la confiabilidad se logra cuando el sistema de almacenamiento de energía 230 es un dispositivo de almacenamiento de energía de volante. Un dispositivo de almacenamiento de energía de volante proporciona una fuente de energía más confiable y mejor monitoreada tanto para el GENERADOR como para el requerimiento de energía temporal, debido a que es un sistema mecánico en vez de un sistema químico. El UPS 200 funciona normalmente en el modo de monítoreo, con lo que el circuito de monitoreo 214 monitorea al bus de CD 120 hasta que el voltaje en el bus 120 cae por debajo de un umbral predeterminado (según se describió anteriormente, el circuito de monitoreo 214 también puede ser activado por entradas de detector ya sea en la entrada al convertidor de CA en CD 108, la salida hacia el convertidor de CD en CA 110 o en ambas) . En el momento en que el circuito de monitoreo 214 detecta una falla, se aplica una señal disparadora a través de la línea 222 que pone al sistema de almacenamiento de energía 230 en línea con el bus de CD 120 (para suministrar energía temporal hasta que el GENERADOR 112 esté activado y en funcionamiento) . La señal disparadora también dirige al sistema de almacenamiento de energía 230 a que proporcione la energía de arranque al GENERADOR 112, que es encendido P775 por una señal disparadora en la línea 224. El sistema de almacenamiento de energía 230 suministra la energía de arranque al GENERADOR 112 hasta que el GENERADOR 112 esté funcionando en forma independiente sobre su suministro externo de combustible (por ejemplo, diesel o gasolina) . Una vez que el GENERADOR 112 está produciendo energía al nivel apropiado, el conmutador de transferencia 106 transfiere la energía de entrada de la fuente de energía principal 102 al GENERADOR 112 y el sistema de almacenamiento de energía 230 deja de suministrar energía al bus de CD 120. La Figura 3 muestra un ejemplo representativo de un circuito convertidor 300 que puede ser utilizado por el sistema de almacenamiento de energía 230 de la Figura 2 para proporcionar energía de arranque al GENERADOR 112 desde la misma fuente que suministra la energía de respaldo temporal al bus de CD 120. El circuito convertidor 300 incluye al dispositivo de almacenamiento de energía de volante 302, a los transformadores 304, 306 y 308, a los pares de diodos 310, 312 y 314, al capacitor 316, a la terminal 318, a los pares de diodos 320, 322 y 324 y a las terminales 326. El dispositivo de volante 302 produce una salida de CA trifásica (es decir, las fases A, B y C) que se conecta a través de los primarios de los transformadores 304, 306 y 308.

P775 Si la salida trifásica es a 480 volts CA, por ejemplo, los transformadores 304, 306 y 308 tendrán una relación de reducción de 19:1, de modo que se obtiene un voltaje de salida de 24-26 volts (es decir, 480 volts/19 = 25.26 volts). La salida trifásica de los secundarios de los transformadores 304, 306 y 308 se conectan a través de los pares de diodos 310, 312 y 314, que rectifican la salida de CA convirtiéndola en salida de CD. La señal de CD puede refinarse adicionalmente por medio de la adición de un pequeño filtro capacitor 316 (mostrado en una caja a trazos para indicar que el uso del capacitor 316 es opcional) . La salida de 24 volts CD se suministra en la terminal 318, la cual puede conectarse directamente al motor de arranque del motor de combustión interna que impulsa o excita al GENERADOR 112. La salida trifásica del dispositivo de volante 302 también se alimenta a los pares de diodos 320, 322 y 324, que rectifican la salida trifásica convirtiéndola en una señal de CD de alto voltaje que se conecta al bus 120 mediante las terminales 326. Las personas experimentadas en la técnica apreciarán que, aunque la Figura 3 muestra una configuración específica de un circuito convertidor para producir una salida de 24 volts desde el sistema de almacenamiento de energía, también pueden utilizarse otras configuraciones sin desviarse del espíritu de la presente P775 invención. Por ejemplo, podría utilizarse un solo transformador trifásico en lugar de los transformadores individuales 304, 306 y 308. Otra configuración puede hacer uso solamente de dos salidas provenientes de los secundarios y dos pares de diodos para producir la señal de salida de 24 volts (pero se prefiere utilizar las tres fases) . Se comprenderá que lo precedente solamente es ilustrativo de los principios de la invención y que los experimentados en la técnica pueden realizar diversas modificaciones sin desviarse del alcance y espíritu de la invención.

P775

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES : 1. Un suministro de energía ininterrumpible para proporcionar energía continua a una carga crítica, el suministro de energía ininterrumpible incluye un conmutador de transferencia acoplado a una fuente de energía principal, el conmutador de transferencia tiene una salida, un circuito convertidor de CA en CD que tiene una entrada acoplada a la salida del conmutador de transferencia, y una salida, un circuito convertidor de CD en CA que tiene una entrada acoplada a la salida del circuito convertidor de CA en CD, y una salida para la conexión con la carga crítica, un circuito de monitoreo que monitorea una falla en la energía, un generador impulsado por motor de combustión interna de respaldo acoplado eléctricamente al conmutador de transferencia y al circuito de monitoreo, el generador impulsado por motor de combustión interna de respaldo tiene la capacidad de suministrar energía de reemplazo a la carga crítica en el caso de una falla en la energía, el generador tiene un circuito de arranque, y un sistema de almacenamiento de energía que está caracterizado porque: el sistema de almacenamiento de energía está acoplado eléctricamente a la entrada del convertidor de CD a CA, al circuito de arranque del generador y al circuito de monitoreo, la falla en la energía detectada por el circuito de monitoreo provoca que el dispositivo de almacenamiento P775 de energía proporcione energía temporal a la carga crítica mediante el convertidor de CD en CA y energía de arranque al generador, al menos hasta que el generador esté funcionando independientemente de la energía de arranque.
2. 2. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 1, en donde el sistema de almacenamiento de energía incluye al menos un dispositivo de almacenamiento de energía de volante.
3. 3. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 2, en donde el circuito de monitoreo monitorea la salida del convertidor de CA en CD.
4. 4. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 2, en donde el circuito de monitoreo monitorea la salida del conmutador de transferencia.
5. 5. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 2, en donde el circuito de monitoreo monitorea la salida del convertidor de CD en CA.
6. 6. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 2, en donde el sistema de almacenamiento de energía incluye además un primer circuito convertidor acoplado a la entrada del circuito convertidor de CD en CA que convierte la energía CA del al menos un dispositivo de volante en energía CD, a un primer nivel, y un segundo circuito convertidor acoplado al circuito de P775 arranque del generador que convierte la energía CA del al menos un dispositivo de volante en energía CD, a un segundo nivel .
7. 7. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 6, en donde el primer nivel es de aproximadamente 480 volts.
8. 8. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 6, en donde el segundo nivel es de aproximadamente 24 volts.
9. 9. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 6, en donde el segundo circuito convertidor comprende: un circuito reductor para reducir el voltaje de salida aproximadamente al segundo nivel; y un circuito de rectificación para rectificar a voltaje de CD el voltaje de CA reducido.
10. 10. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 9, en donde el circuito de reducción comprende al menos un transformador para proporcionar al menos una señal de salida monofásica.
11. 11. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 10, en donde el circuito de rectificación comprende al menos dos pares de diodos acoplados para rectificar la al menos una señal de salida monofásica. P775 12. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 9, en donde el circuito de reducción comprende tres transformadores acoplados para proporcionar una señal de salida trifásica. 13. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 12, en donde el circuito de rectificación comprende tres pares de diodos acoplados para rectificar la señal de salida trifásica. 14. El suministro de energía ininterrumpible según la reivindicación 9, en donde el circuito de reducción comprende un transformador trifásico que proporciona una señal de salida trifásica. 15. Un sistema de almacenamiento de energía para utilizarse en un suministro de energía ininterrumpible que, en el caso de una falla en el suministro de energía principal, proporciona energía temporal a una carga crítica el tiempo hasta que pueda suministrarse energía de respaldo a la carga crítica proveniente de un generador impulsado por motor de combustión interna de respaldo, el sistema de almacenamiento de energía incluye un dispositivo de almacenamiento de energía que produce voltaje en un primer nivel, el primer nivel está relacionado con la energía provisional o temporal requerida por la carga crítica, el sistema de almacenamiento de energía está caracterizado por: P775 un circuito de conversión para convertir al voltaje del primer nivel en un segundo nivel que puede ser utilizado para arrancar una fuente de energía de respaldo, al menos hasta que la fuente de energía de respaldo esté funcionando independientemente del segundo nivel del voltaje . 16. El sistema de almacenamiento de energía según la reivindicación 15, en donde el dispositivo de almacenamiento de energía es un dispositivo de almacenamiento de energía de volante. 17. Un método para suministrar energía de respaldo a una carga crítica en el caso de una falla de energía, el método comprende los pasos de: monitorear la falla de energía; producir una señal disparadora para generar la energía de respaldo de un generador impulsado por motor de combustión interna de respaldo cuando el monitoreo detecta la falla de energía; proporcionar energía temporal a la carga crítica hasta que el generador impulsado por motor de combustión interna de respaldo se pone en línea; y proporcionar energía de arranque al generador impulsado por motor de combustión interna de respaldo al menos hasta que el generador impulsado por motor de combustión interna de respaldo esté funcionando independientemente de la energía de arranque, el sistema de almacenamiento de energía está caracterizado por: P775 la energía temporal y la energía de arranque se suministran desde un solo sistema de almacenamiento de energía . 18. El método según la reivindicación 17, en donde el sistema de almacenamiento de energía incluye un dispositivo de almacenamiento de energía de volante. 19. El método según la reivindicación 18, en donde el paso de suministrar energía temporal comprende los pasos de: producir energía de CA a un primer nivel; rectificar en energía de CD la energía de CA que está al primer nivel; invertir a CA la energía CD rectificada; y suministrar la energía CA invertida a la carga crítica. 22. El método según la reivindicación 19, en donde el paso de suministrar la energía de arranque comprende los pasos de: reducir del primer nivel a un segundo nivel la energía CA producida; rectificar a CD la energía CA reducida al nivel reducido; y suministrar la energía CD reducida al motor de arranque del generador impulsado por motor de combustión interna de respaldo. P775