Calculadora de tamaño de UPS (kVA): watts, FP y margen crecimiento

Calculadora para dimensionar UPS considerando kVA, watts, factor de potencia y margen futuro crecimiento previsto.

Guía técnica con fórmulas, tablas y ejemplos reales para seleccionar UPS correctamente según normas internacionales.

Conceptos clave y definiciones técnicas

Para seleccionar un UPS es necesario comprender varias magnitudes eléctricas y criterios de diseño:

• kVA: kilovolt-amperio, potencia aparente. Representa la magnitud combinada de tensión y corriente sin considerar desfase.
• kW (o watts): potencia activa útil, la que realmente alimenta cargas resistivas, electrónicas y mecánicas.
• Factor de potencia (pf o cosφ): relación entre potencia activa y aparente. pf = kW / kVA.
• Margen de crecimiento: porcentaje adicional para prever expansión futura o picos temporales.
• Eficiencia del UPS: porcentaje de potencia entregada respecto a la entrada; influye en pérdidas térmicas y dimensionado de baterías.
• Autonomía: tiempo que el UPS puede mantener la carga solo con baterías, medida en minutos o horas.

Relación entre kVA, kW y factor de potencia

Fórmulas básicas (usar únicamente HTML):

Explicación de variables y valores típicos:

• P (kW): potencia activa. Valores típicos de equipos: servidor por U entre 0,2 kW y 1 kW; PC 0,15–0,4 kW; switch 0,05–0,5 kW.
• S (kVA): potencia aparente del UPS. Se especifica en la hoja técnica del equipo.
• pf: factor de potencia. Valores comunes: 0,6 a 0,9 en equipos antiguos; 0,9 a 1,0 en UPS modernos y cargas con corrección.

Cálculo de corriente en sistemas monofásicos y trifásicos

Fórmulas:

Variables y valores típicos:

• V (V): tensión en monofásico, típicamente 230 V.
• V_LL (V): tensión línea a línea en trifásico, por ejemplo 400 V en muchos países.
• √3 ≈ 1,732.

Margen de crecimiento y factor de seguridad

Incluir margen de crecimiento es una práctica profesional para evitar sobredimensionamiento inmediato y permitir ampliaciones. Se recomienda aplicar un margen entre 10 % y 40 % según el caso:

• Margen típico para oficinas: 10 %–20 %.
• Data centers en expansión: 20 %–40 %.
• Instalaciones críticas con previsión de cargas adicionales: hasta 50 % en algunos diseños a largo plazo.

Fórmula para incorporar margen:

Convirtiendo a kVA según pf del UPS:

Dimensionado de baterías y autonomía

Para calcular la capacidad de batería necesaria para una autonomía determinada se usan relaciones energéticas:

Si hay pérdidas por eficiencia del inversor/UPS:

Variables típicas:

• V_banco: 48 V es común en UPS de pequeña/mediana potencia; bancos de 240 V pueden ser usados en grandes instalaciones.
• Eficiencia_total: 0,9–0,96 para UPS modernas (90 %–96 %).
• Profundidad de descarga recomendada (DOD): para baterías VRLA, DOD típico ≤ 50 %; para baterías diseñadas para ciclo profundo puede ser mayor.

Tablas prácticas: valores comunes y mapeos kVA–kW

Notas: corrientes calculadas con fórmulas mostradas. Para trifásico se usa V_LL = 400 V; para monofásico V = 230 V.

Fórmulas detalladas y ejemplos de uso

Listado de fórmulas esenciales con explicación paso a paso:

1. Conversión kVA a kW: P (kW) = S (kVA) × pf. Ejemplo típico: S = 10 kVA, pf = 0,9 => P = 9 kW.
2. Conversión kW a kVA: S (kVA) = P (kW) / pf. Ejemplo: P = 15 kW, pf = 0,9 => S ≈ 16,67 kVA.
3. Corriente trifásica: I = (S × 1000) / (√3 × V_LL). Ejemplo: S = 20 kVA, V_LL = 400 V => I ≈ 28,9 A.
4. Capacidad batería: Ah = (P (W) × t (h)) / V_banco, considerando eficiencia. Ejemplo: P = 5000 W, t = 0,5 h, V_banco = 48 V => Ah ≈ (5000×0.5)/48 ≈ 52,1 Ah (sin considerar eficiencia).

Ejemplo real 1: Oficina pequeña, monofásico

Planteamiento:

• Carga actual: 6 PCs (200 W cada uno), 1 servidor pequeño (500 W), 1 switch (100 W), iluminación crítica 300 W.
• Margen de crecimiento previsto: 20 %.
• Deseo autonomía: 30 minutos (0,5 h) a carga completa.
• UPS monofásico, tensión 230 V; elegir PF del UPS típicamente 0,9; eficiencia del UPS 0,92.

Desarrollo paso a paso:

1. Calcular potencia actual:
   PCs: 6 × 200 W = 1200 W

   Servidor: 500 W

   Switch: 100 W

   Iluminación: 300 W

   Total actual P_act = 1200 + 500 + 100 + 300 = 2100 W
2. Aplicar margen de crecimiento 20 %:
   P_proy = P_act × (1 + 0,20) = 2100 × 1,2 = 2520 W
3. Convertir a kW y calcular kVA requerido con pf = 0,9:
   P_proy_kW = 2,52 kW
   S_req = P_proy_kW / pf = 2,52 / 0,9 ≈ 2,80 kVA

   Seleccionar UPS comercial: redondear a la siguiente capacidad estándar, por ejemplo 3 kVA.

4. Comprobar corriente monofásica:
   I = (S_req × 1000) / V = (2,8 × 1000) / 230 ≈ 12,17 A

   El interruptor y cableado deben dimensionarse para al menos 16 A o más según normativas.

5. Dimensionado de batería para 30 minutos:
   Energía requerida (Wh) = P_proy (W) × t (h) = 2520 × 0,5 = 1260 Wh
   Considerando eficiencia UPS 0,92, energía en baterías = 1260 / 0,92 ≈ 1369,6 Wh
   Si V_banco = 48 V, Ah necesarios = 1369,6 / 48 ≈ 28,53 Ah

   Si la batería seleccionada es VRLA 12 V/100 Ah, se necesitarían configuración en serie/paralelo:

   • Para 48 V: 4 módulos de 12 V en serie. Con 100 Ah, Ah disponible = 100 Ah. Necesario 28,53 Ah → 100 Ah cubre la demanda.
   • Si límite DOD 50 %, considerar doble capacidad para conservar vida útil: 100 Ah × 0,5 = 50 Ah utilizable > 28,53 Ah → OK.

6. Selección final:

   UPS 3 kVA monofásico con banco 48 V formado por 4 × 12 V/100 Ah, ofreciendo ~30 minutos al 2,52 kW proyectado.

Ejemplo real 2: Sala de servidores mediana, trifásico

Planteamiento:

• Rack 1: 6 servidores densos de 1 kW cada uno.
• Rack 2: 4 servidores de 0,8 kW cada uno.
• Equipos de red y refrigeración crítica: 6 kW.
• Margen de crecimiento: 30 %.
• Deseo autonomía mínima: 10 minutos (0,1667 h) para puente a generador.
• Sistema trifásico 400 V, pf objetivo 0,95, eficiencia UPS 0,94.

Desarrollo paso a paso:

1. Calcular potencia actual:
   Rack 1: 6 × 1 kW = 6 kW
   Rack 2: 4 × 0,8 kW = 3,2 kW

   Red y refrigeración: 6 kW

   Total P_act = 6 + 3,2 + 6 = 15,2 kW
2. Aplicar margen 30 %:
   P_proy = 15,2 × 1,3 = 19,76 kW
3. Calcular kVA requerido con pf = 0,95:
   S_req = P_proy / pf = 19,76 / 0,95 ≈ 20,80 kVA

   Seleccionar UPS comercial: 25 kVA trifásico o combinar módulos N+1 (por ejemplo dos módulos de 20 kVA en paralelo con redundancia).

4. Corriente por fase en 400 V:

   I_fase = (S_req × 1000) / (√3 × 400) = (20,8 × 1000) / (1,732 × 400) ≈ 30,0 A

   Dimensionar interruptores y conductores para 40 A o 63 A según normativa y capacidad de arranque.

5. Dimensionado de baterías para 10 minutos:
   Energía requerida (Wh) = P_proy (W) × t (h) = 19.760 × 0,1667 ≈ 3293 Wh
   Considerar eficiencia del UPS 0,94 => energía en baterías = 3293 / 0,94 ≈ 3503 Wh

   Si banco de baterías V_banco = 240 V (por ejemplo sistemas grandes con baterías en serie), Ah = 3503 / 240 ≈ 14,6 Ah

   Si se usa banco de 480 V, Ah = 3503 / 480 ≈ 7,3 Ah. La elección dependerá de arquitectura del UPS.

   En instalaciones grandes se prefieren bancos a 240–480 V para reducir corriente y cables.

6. Consideraciones adicionales:
   • Si se quiere redundancia N+1, duplicar módulos y ajustar baterías para soportar falla de un módulo.
   • Comprobar que la potencia de arranque de refrigeración no provoque disparos; sobredimensionar circuitos críticos.

Consideraciones prácticas de diseño y selección

• Siempre redondear al próximo tamaño comercial: evitar operar un UPS al límite permanente.
• Verificar limitaciones térmicas y espaciales para bank de baterías. Baterías VRLA generan calor y requieren ventilación.
• Estudiar tiempos de recarga, mantenimiento y vida útil de baterías según ciclos y temperatura (cada 10 °C por encima de 20 °C reduce vida útil significativamente).
• Evaluar estrategias de redundancia (N+1, 2N, paralelo escalable) en función de criticidad.
• Aplicar protecciones eléctricas (interruptores, fusibles y transferencias automáticas) conforme a normativas locales.

Ejemplo de verificación de compatibilidad: cargas no lineales

Cargas con fuentes conmutadas (servidores, PCs) presentan armónicos y corrientes pico; el UPS debe soportar distorsión armónica total (THDi) y ofrecer corrección o filtrado.

Recomendación técnica:

1. Consultar hoja técnica del UPS sobre capacidad de carga resistiva y no lineal.
2. Si THDi > 20 %, considerar UPS con filtrado activo o banco de condensadores y filtros de armónicos.
3. Realizar medición in situ con analizador de redes antes de la compra para validar factor de potencia real y armónicos.

Normativa aplicable y buenas prácticas

Normas y guías relevantes para dimensionado e instalación de UPS y baterías:

• IEC 62040 — Sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS): especificaciones y requisitos de rendimiento. Información: https://www.iec.ch/
• IEC 60364 — Instalaciones eléctricas de baja tensión (requisitos de diseño de alimentaciones y protección).
• IEC 60896 — Baterías de plomo-ácido estacionarias (tipos y requisitos).
• IEEE Std 1188 — Guía para mantenimiento de baterías estacionarias (mantenimiento preventivo).
• IEEE 450 — Guía para diseño, instalación y mantenimiento de baterías VRLA.
• Guías de fabricantes reconocidos: Schneider Electric (https://www.se.com), APC by Schneider (https://www.apc.com), Eaton (https://www.eaton.com).
• Normativas eléctricas locales y códigos de edificación aplicables (consultar regulador local).

Lista de verificación previa a la compra

1. Inventario de cargas reales con medidas o especificaciones nominales.
2. Determinación de factor de potencia real de la carga o medidas con analizador.
3. Definir margen de crecimiento razonable y política de redundancia.
4. Definir autonomía requerida y estrategia de respaldo (generador, tiempo de transferencia).
5. Evaluación de espacio, ventilación y condiciones ambientales para baterías.
6. Verificar compatibilidad con infraestructura eléctrica (transformadores, paneles).
7. Plan de pruebas de aceptación in situ y documentación técnica.

Ejemplos adicionales de cálculo rápido

Ejemplo rápido A: convertir 50 kW con pf 0,95 a kVA.

S = 50 / 0,95 ≈ 52,63 kVA. Seleccionar UPS comercial 60 kVA para margen operativo.

Ejemplo rápido B: autonomía 15 minutos para 10 kW en banco 48 V y eficiencia 0,93.

Energía requerida = 10.000 W × 0,25 h = 2500 Wh.

Energía en baterías = 2500 / 0,93 ≈ 2688 Wh.

Ah a 48 V = 2688 / 48 ≈ 56 Ah. Considerar DOD = 50 % => seleccionar batería 120 Ah.

Referencias normativas y enlaces externos de autoridad

• IEC — International Electrotechnical Commission. Sitio oficial: https://www.iec.ch/
• IEC 62040 información general sobre UPS: https://www.iec.ch/standards
• IEEE Standards Association: https://standards.ieee.org/ — consultar IEEE 1188, IEEE 450
• Schneider Electric — Guías y calculadoras de UPS: https://www.se.com/
• APC by Schneider — Documentación técnica sobre UPS y baterías: https://www.apc.com/
• Eaton — Soluciones de infraestructura crítica: https://www.eaton.com/
• NEMA — Recomendaciones y estándares eléctricos: https://www.nema.org/

Recomendaciones finales para ingeniería práctica

• Realizar mediciones reales antes del dimensionado: potencia activa, reactiva y armónicos.
• Usar un margen objetivo acorde a política de TI y criticidad: documentar la justificación técnica.
• Asegurar compatibilidad entre UPS, generador y transferencias automáticas; probar secuencia de operación.
• Planificar mantenimiento preventivo de baterías y realizar pruebas de descarga periódicas según estándar.
• Documentar esquema eléctrico, puntos de medición y protocolos de prueba para auditoría.