Sistemas de respaldo de energía UPS’s en proyectos de videovigilancia y seguridad
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Sistemas de respaldo de energía UPS’s en proyectos de videovigilancia y seguridad

Las UPS’s son elementos indispensables en los sistemas de videovigilancia y en general en seguridad electrónica. En esta nota veremos los aspectos más relevantes a tener en cuenta para su correcta especificación y cómo sacar el mejor provecho de estos equipos. 

La energía de respaldo para los sistemas de videovigilancia generalmente depende de las UPS’s, elementos muy comunes en proyectos, sin embargo es importante conocer algunos aspectos relevantes para el correcto dimensionamiento y especificación del tipo correcto de UPS según el proyecto a implementar. 

Revisaremos las UPS como los equipos de respaldo de energía más comunes en proyectos de videovigilancia y seguridad teniendo en cuenta estos puntos: 

Qué es una UPS y para qué sirve

UPS significa sistema de alimentación ininterrumpida por su siglas en inglés, este equipo permite tener flujo de energía constante durante cierto tiempo en ausencia de la fuente de energía principal. 

Adicionalmente, sirven como elementos de protección para los equipos conectados a la UPS cuando hay subidas y caídas de tensión súbitas en la red de fluido eléctrico, ruido en la señal, armónicos y otras alteraciones que pueden incidir en correcto funcionamiento de los equipos electrónicos sensibles, o que con el tiempo puedan incrementar deterioro prematuro de los componentes internos. 

Principales componentes de las UPS

En general los componentes básicos de las UPS son:

  • El inversor
  • Rectificador 
  • Conmutador 
  • Batería

TECNOSeguroPRO UPS 1Componentes básicos en una UPS

Inversor

Es el componente que se encarga de convertir la corriente continua en corriente alterna. La corriente alterna de salida es la que soporta los equipos que se conectan en las salidas de la UPS.

Rectificador

Este elemento supervisa la señal de corriente alterna que ingresa a la UPS y al mismo tiempo entrega corriente continua a la batería con el fin de mantenerla con carga.

Conmutador

En una posición permite conectar la salida regulada de la UPS con los equipos conectados a ella en condiciones normales de operación, y cuando no hay suministro de energía externo pasa a la otra posición para conectar los equipos que soporta la UPS con la salida del inversor. 

Batería

En el caso de las UPS’s sencillas, es una sola o pueden ser bancos de baterías para sistemas más robustos. La(s) batería(s) suministran la corriente y voltaje necesarias para que en conjunto se reemplace el fluido eléctrico normal por el de soporte con los niveles de potencia requeridos por los equipos conectados a la UPS. 

Las baterías tienen un tiempo de vida útil, así como un tiempo de respaldo, muchas veces estos tiempos vienen especificados por el fabricante, sin embargo el tiempo de soporte siempre dependerá de la capacidad de almacenamiento que la batería  tenga y que generalmente se especifica en amperios/hora. 

Tipos de UPS

TECNOSeguroPRO UPS 2Fuente: ac-cc.com

Hay varios tipos de UPS de acuerdo con el tipo de tecnología a usar. Algunos son: 

  • UPS tipo en espera o standby
  • UPS de tecnología interactiva
  • UPS en línea de doble conversión

UPS tipo en espera o standby

Estas UPS’s también conocidas como “sin conexión” o “respaldo con baterías” son la opción más sencilla y de igual manera la de más bajo costo, durante la operación normal el fluido eléctrico externo pasa a los equipos que se alimentan de la UPS por medio de una etapa de transferencia de energía. 

En el caso de ausencia de energía por un corte en el fluido eléctrico principal o una bajada de tensión, la UPS recurre a la batería interna y al inversor que convierte la corriente directa en alterna para regenerar el fluido eléctrico y se transfiere a la carga protegida. Es importante anotar que la señal alterna que produce este tipo de equipos es aproximada y no idéntica a la del fluido normal. Típicamente este proceso en este tipo de UPS toma entre 6 ms a 8 ms. Ofrecen un tiempo de respaldo apenas suficiente para apagados seguros de los equipos que soportan y tienen una respuesta aceptable en protección a sobretensiones. 

Este tipo de equipos son los más adecuados para requerimientos de potencia menores a 1.5KVA, como aplicaciones de oficinas pequeñas, hogares y en general aplicaciones con equipos no tan sensibles a picos de corriente o voltaje y aplicaciones que no son críticas. 

UPS de tecnología interactiva

Este tipo de UPS supervisa el nivel de voltaje y corriente, equilibrando tanto bajas tensiones como  sobretensiones. Otra característica de este tipo de UPS es que el inversor se vuelve parte de la salida y se mantiene encendido siempre y carga la batería de forma constante por lo que en estos sistemas la vida útil de la batería puede ser menor.

Cuando el suministro de entrada de corriente alterna principal falla, el conmutador de transferencia de la unidad se abre y la energía fluye desde la batería a la salida de la UPS. Con el inversor siempre encendido y conectado a la salida, la  UPS interactiva ofrece un filtrado adicional y genera menos transitorios de conmutación en comparación con un UPS tipo standby. 

Las UPS interactivas son eficientes en sitios donde los cortes de energía son constantes pero si fluctuaciones de energía, estos equipos pueden soportar varias clases de fluctuaciones de voltaje de entrada y corriente, antes de pasar a la etapa de respaldo con baterías. Los sistemas de UPS interactivas se usan en aplicaciones ya sea tipo torre o de montaje en rack con requerimientos de soporte de energía  inferiores a 5KVA.

UPS en línea de doble conversión 

Conocidas también como UPS “online” , este tipo de equipos se diferencia de las dos anteriores en el suministro de  energía que proviene de las baterías hacia los equipos conectados generando una señal estable y libre de fluctuaciones o anomalías eléctricas. 

La UPS en línea toma el suministro de energía de corriente alterna de entrada y lo convierte en corriente directa mediante un rectificador para alimentar la batería y la carga conectada a través del inversor; de modo que los conmutadores de transferencia de energía no son necesarios. Si la entrada principal de corriente alterna falla o hay un corte, las baterías mantienen la corriente que fluye hacia el dispositivo conectado a la UPS. Cuando se restablece el suministro de energía de la fuente externa  el rectificador asume el suministro de energía hacia la carga y al mismo tiempo carga las baterías. 

Lo más importante en este tipo de UPS es que las señal de la fuente externa se sigue todo el tiempo es decir que cuando hay un cambio de suministro de energía de la fuente principal externa a soporte de batería, este es instantáneo, no hay pérdida de milisegundos y eso es algo bueno para los equipos altamente sensibles a fluctuaciones y a interrupciones abruptas de energía. 

La energía que sale de estas UPS, aparte que no presenta pérdidas o retrasos de fase la señal es totalmente rectificada y limpia, esto se debe a que la señal alterna de entrada se convierte en corriente directa y luego se vuelve a convertir en corriente alterna. Este doble proceso garantiza un mayor grado de inmunidad ante las irregularidades que se presentan en el suministro de energía principal.   

Aunque estos equipos tienen un costo considerablemente mayor a las otras dos opciones es la más recomendada para equipos críticos como switches administrables, enrutadores, equipos médicos, enlaces de alto rendimiento, servidores, sistemas de almacenamiento masivo, NVR’s, sistemas de control de acceso, y equipos aplicados en infraestructura crítica.

Tiempo de respaldo de las UPS 

Los sistemas de respaldo de energía se especifican para el soporte y suministro de energía en tiempos cortos, es decir que uno de los principales factores a tener en cuenta, es determinar el tiempo de respaldo necesarios para la continuidad de una operación de seguridad y que en caso de cortes prolongados de energía se puedan generar las rutinas de apagado de equipos de forma segura.

En ningún caso las UPS se diseñan para durar días o tiempos largos, casi siempre están diseñados para funcionar durante unas pocas horas o menos. Los tiempos de respaldo típicos van desde decenas de minutos hasta unas pocas horas y la razón es que las UPS están diseñadas para cerrar las brechas en el suministro principal de energía, no para reemplazarlo durante tiempos prolongados.

Unidades de medida de energía de UPS

El cálculo de la potencia en las UPS puede ser algo confuso en especial cuando estos equipos pueden venir especificados por los fabricantes de forma diferente. En las UPS, se utilizan tres unidades básicas para establecer la capacidad relativa y el tiempo de funcionamiento:

  • Watts (W)
  • Voltios/amperios (VA)
  • Watt/Horas (Wh):

Vatios (Watts)

Para tener una idea general de cuánta energía necesita un dispositivo se utilizan Watts. Esta unidad de potencia normaliza el consumo de energía de manera general. Es decir, un equipo que funciona con 12 VDC y otro con 120 VAC pueden tener el mismo nivel de potencia requerida. De este modo la unidad de potencia Watts no ofrece una idea de la demanda a lo largo del tiempo, sino de la demanda en un momento dado. 

En varios casos los fabricantes de UPS’s expresan la potencia de salida en Watts.  A pesar de ser una de las clasificaciones más útiles para fines de selección, la clasificación de potencia no suele ser un valor que aparezca siempre en las designaciones o presentaciones comerciales de productos y por eso es importante validar el consumo en Watts de los equipos que se conectaran a la UPS en las especificaciones técnicas o hojas de datos, con el fin de tener la certeza que la potencia entregada por la UPS soportará la potencia requerida por el equipo que se conectará.

Voltios/amperios (VA)

En muchas UPS's se expresa la capacidad de energía con voltios-amperios, que es una unidad de energía alternativa. Sin embargo, la unidad generalmente se limita a describir solo las salidas de DC, es decir, no se aplica con precisión a las cargas reactivas de AC, mientras que la mayoría de los dispositivos alimentados por UPS, como servidores, suiches de red,  NVR, etc., usan AC. 

Las UPS usan este término a menudo para describir la clasificación de capacidad de sus baterías internas, que son en DC, pero es importante tener en cuenta que la  cantidad total de energía que se especifica o se afirma tener, generalmente no está disponible al 100% debido a las pérdidas y a los ciclos de desgaste de las baterías. Así, el vatiaje real disponible para el uso de energía de respaldo será menor que la clasificación teórica de VA de la unidad, aunque la mayoría de los UPS usan VA como atributo principal de capacidad. 

Vatios/Horas (Wh)

Para una medida de potencia a lo largo del tiempo, se necesitan otras unidades como Vatios/Horas. Definido de manera simple, 1 vatio hora suministra 1 vatio durante 60 minutos. Los UPS en especial las de baja capacidad no brindan este valor como un número en la hoja de especificaciones porque sus casi siempre son de menos de una hora y las demandas suelen ser dinámicas. En su lugar, incluyen tablas o gráficos de tiempo de ejecución que ayudan a establecer cuánto tiempo un equipo puede suministrar energía con una carga determinada en vatios.

Para establecer cuánto tiempo un UPS puede suministrar energía de respaldo, primero se debe calcular la demanda total de energía del sistema.

Cálculo de UPS para el sistema de videovigilancia o seguridad 

La potencia total del sistema combina la potencia que necesitan todos los componentes del sistema, incluidas cámaras, switch de red, estaciones de trabajo, monitores, grabadores y/o servidores. Para el cálculo de la potencia total puede adoptarse la siguiente fórmula:

Potencia Total Requerida = (Número de cámaras * Vatios consumidos por la cámara) + (consumo de energía de sistemas de grabación y servidores ) + (Potencia del equipos de red como switch de red y enrutadores)

Ejemplo: Para un sistema pequeño con 16 cámaras , un NVR y un switch de 24 puertos:

(16 cámaras * 5 W) + (NVR de 70 W) + (switch 120 W) = 270 W Potencia total requerida

Relación entre la potencia requerida y potencia suministrada por la UPS

Aunque la potencia de dispositivos conectados  y la UPS se especifican con frecuencia con la misma unidad de potencia “vatios”,   no hay una relación directa o uno a uno entre ambas potencias. Por ejemplo, un NVR un consumo de 100 W conectado a un UPS que genera  800 W no implica que lo podrá soportar por 8 horas, por lo que es erróneo deducir o asumir que la potencia de la UPS se puede dividir por la potencia requerida del dispositivo para obtener el tiempo de respaldo. 

En la práctica, el tiempo de respaldo suele ser bastante corto. Por ejemplo, en esta gráfica se puede ver el tiempo de respaldo de una UPS que genera 800 W de potencia con relación a la carga, como se aprecia un equipo conectado que consume 100 W solo puede funcionar aproximadamente 45 minutos, teniendo en cuenta que las baterías estén en full capacidad de desempeño.

TECNOSeguroPRO UPS 3a

TECNOSeguroPRO UPS 3Curva de tiempo de ejecución UPS modelo SRV1KA de APC. Fuente: APC

Así, es muy importante consultar el gráfico/cuadro de tiempo de respaldo de las  UPS’s desde el diseño o la especificación de los proyectos para determinar cuánto tiempo de respaldo proporcionará el equipo.

Gráficos de tiempo de ejecución

Los gráficos (o diagramas) de tiempo de ejecución muestran cuánto tiempo de respaldo brindará un modelo específico de UPS para una carga determinada.

TECNOSeguroPRO UPS 4Fuente: APC

Una vez que se conoce la demanda total de vatios, un gráfico de tiempo de ejecución ayudará a precisar la capacidad de las baterías y durante cuánto tiempo sostendrán la carga.

Si bien, la mayoría de los fabricantes publican gráficos de tiempo de funcionamiento de la unidad, en muchos casos no están disponibles, sin embargo, hay calculadoras de tiempo de funcionamiento de la batería que fabricante o distribuidores las ofrecen como herramientas para especificar como una alternativa equivalente. Una vez se conoce la demanda total de energía, se puede seleccionar la fuente de respaldo adecuada.

Algunas UPS están diseñadas para ser más eficientes en el suministro de baja potencia, otras son más eficientes en sistemas que requieren alta potencia, de esta manera, especificar las UPS solo con base en las clasificaciones de vatiaje o VA es un error.

Los tipos de baterías y la cantidad de baterías afectan las capacidades de tiempo de ejecución total de una UPS, lo que resulta en un rendimiento mixto UPS más banco de baterías, de este modo, los valores de tiempo de ejecución o de respaldo  mostrarán el rendimiento de una manera diferente en función del componente de baterías que se tenga o que se agregue.

TECNOSeguroPRO UPS 5UPS más banco de baterías. Fuente: shopdelta.eu

UPS de consumo masivo Vs UPS enfocadas en proyectos 

Las UPS para consumo masivo aunque cumplen bien la función de protección contra sobretensiones, están equipadas con baterías pequeñas, generalmente diseñadas para uso en oficinas, retail, y residenciales, con alimentación monofásica a 120 VAC. Sin embargo, estas unidades generalmente no están construidas con suficiente capacidad para sostener el funcionamiento de los dispositivos conectados durante más de unos minutos y no son buenas soluciones para los sistemas de videovigilancia de media o alta envergadura.

Hay soluciones de respaldo con baterías más grandes y de mayor capacidad, claro está, pero el costo de estos sistemas aumenta considerablemente frente a  los modelos de consumo masivo, aspecto a tener en cuenta en el presupuesto del proyecto.

TECNOSeguroPRO UPS 6UPS’s tipo mini torre. Fuente: sieingenieria.co

TECNOSeguroPRO UPS 7UPS y banco de baterías tipo bastidor. Fuente: riello-ups.com

Las UPS enfocadas en soluciones medianas y grandes generalmente están disponibles como en formato mini torre o unidades montadas en bastidor, cuantas más baterías tienen, más espacio físico requieren, de hecho, se recomienda para proyectos de alto consumo que estos equipos estén es espacios aislados o dedicados, además, para las labores de revisión y mantenimiento es mucho más seguro. En general, los paquetes de baterías internas se pueden reemplazar como módulos especificados por el fabricante. 

TECNOSeguroPRO UPS 8Cuarto para UPS. Fuente: infiniti-it.co.uk

Estas unidades a menudo incluyen herramientas de monitoreo que se gestionan por medio de red de datos, notifican cuando hay novedades como caídas de energía si la carga de las baterías está baja, consumo, capacidad ocupada y los controles generales del estado de la unidad. 

TECNOSeguroPRO UPS 9Software de monitoreo y gestión de UPS SentryHD. Fuente: minutemanups.com

Factores que afectan el tiempo de respaldo de las UPS

Los fabricantes en muchos casos advierten sobre la exención de responsabilidad en duraciones más cortas de lo esperado en los tiempos de respaldo de las UPS, y usualmente esto se notifica en los gráficos y las hojas de especificaciones. En estas advertencias se hace especial mención a los condicionamientos de la duración de la batería y los aspectos ambientales a tener en cuenta en el funcionamiento de la UPS; los principales son: 

Antigüedad de la batería

Con el tiempo, cada batería perderá su capacidad de almacenar y regenerar la  carga, debido a la descomposición del cátodo y los ánodos internos. Para una batería de celda húmeda típica, la misma reacción química que excita los electrones en una celda, eventualmente perderá potencia con el tiempo, o incluso puede conducir a la destrucción de la celda misma.

En la mayoría de los casos, las baterías dentro de una UPS tendrán una vida útil de 3 a 5 años antes de que sea necesario reemplazarlas. Sin embargo, antes de eso, una batería puede debilitarse más de lo que se indica en las hojas de especificaciones y el tiempo de recambio puede ser menor.

El entorno

Las baterías en ambientes fríos pueden ser menos eficientes que áreas o regiones cálidas, y las celdas instaladas en ambientes húmedos y corrosivos pueden experimentar problemas de conductividad a medida que se produce la corrosión en los contactos eléctricos de las mismas.

Si las baterías no se almacenan en áreas templadas y/o ambientalmente controladas, pueden fallar prematuramente o funcionar por debajo de la capacidad nominal. En muchos casos, las UPS en aplicaciones para exteriores incluyen elementos calefactores o almohadillas para mantener la temperatura de la celda por encima del punto de congelación para evitar daños y mejorar el rendimiento.

Cargas temporales

Las opciones de las cámaras, como la iluminación IR, el movimiento del motores en las cámaras PTZ, los calefactores o los ventiladores en carcasas para cámaras, pueden generar cargas intermitentes que no son típicas o no se tuvieron en cuenta durante los cálculos de diseño y estas cargas no típicas pueden reducir los tiempos de soporte de energía de la batería.

Conclusión 

Las UPS, son elementos muy importantes en el buen desempeño de los sistemas electrónicos de seguridad son múltiples los beneficios, no escatimar en costos teniendo criterios técnicos y aterrizados sobre las necesidades reales de cada sistema es crucial para la correcta especificación del tipo de UPS teniendo como principal enfoque el soporte de energía requerido, la tecnología a implementar y las proyecciones de crecimiento.

Jairo Rojas Campo

Ing. Electrónico de la Universidad Javeriana, especialista en Gerencia de Proyectos, con experiencia como líder de gestión de proyectos en varias empresas reconocidas del gremio de la seguridad desde el 2001. Cuenta con múltiples certificaciones en seguridad electrónica en las líneas de CCTV, sistemas de alarmas de intrusión, detección de incendio, controles de acceso, plataformas de integración, entre otras. Actualmente realiza actividades orientadas a la transferencia de su conocimiento y experiencia a equipos de trabajo del sector, realiza diseño y especificación de proyectos. Jairo es Editor Ingeniero Senior en TECNOSeguro.

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