Sistemas de Energia Ininterrupta: No-Breaks

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1 Sisemas de Energia Ininerrupa: No-Breaks Prof. Dr.. Pedro Francisco Donoso Garcia Prof. Dr. Porfírio Cabaleiro Corizo GEP-DELT-EEUFMG

2 Porque a necessidade de equipamenos de energia adicionais para alimenar uma carga críica? Esabilizador de ensão SEI - Sisema de Energia Ininerrupa ou UPS - Uninerrupible Power Supply ou No-Break

3 Porque uilizar um sisema NO-Break e não um esabilizador de ensão? Ahhh!! Perdi odo o rabalho do dia!!! Ahhh!!

4 Principais caracerísicas: Regulação ESTABILIZADOR Por apes ou Ferro-ressonane Elevado NO-BREAK Coninua Tempo de Baixo resposa Auonomia Zero De alguns minuos a horas Filro de linha Incluído Incluído Cuso Baixo Médio

5 Tipos de Sisemas de Energia Ininerrupa - SEI SEI Roaivo Conversão de energia mecânica em elérica; Apropriado para poências de operação maior que 300kVA; Ruidosos; Ambienes especiais

6 SEI Esáico Uiliza conversores esáicos. Convere energia elérica com caracerísicas predefinidas em uma oura; Apropriada para poências menores que 400kVA Melhor resposa dinâmica, Baixíssimo ruído acúsico, Melhor regulação de ensão e de freqüência na carga, Insalações simples, Ineração com a rede elérica.

7 Diagrama de Bloco de um SEI Fone de Alimenação Conversor Reificador /Inversor, Filros Cargas críicas (lineares e não lineares) Banco de Baerias

8 Tipos de SEI: Off-line (sandby) On-line (sisema de dupla conversão) Line-ineracive ineracive (sisema de conversão híbrida simples)

9 Topologia de SEI off-line (sandby) Carregador de Baerias Inversor Filros Carga Carga

10 Topologia de SEI off-line (sandby) Vanagens:! Elevado rendimeno: inversor pode operar a vazio ou desligado;! Baixo cuso e volume: carregador de baerias independene;! Sincronismo, ano na fala como no reorno da rede elérica. Desvanagens: " Fala de condicionameno da ensão da carga: fala regulação da ensão de alimenação, assim como a supressão de disúrbios; " Fala de condicionameno de correne: poderá haver injeção de harmônicos de correne na rede elérica para cargas não lineares; " Exisência de empo de ransferência; " Forma de onda de saída poderá ser quadrada (shor-break)

11 Topologia de SEI on-line Carregador de Baerias Inversor Filros Carga Carga

12 Topologia de SEI on-line Vanagens:! A carga esá coninuamene alimenada pelo inversor, porano, não exise empo de ransferência;! A ensão de saída do SEI pode ser regulada e possuir baixa TDH ( 5%);! Disúrbios da rede elérica comercial não aingem a carga; Desvanagens: " Baixo rendimeno, em função do reificador e do inversor, que necessiam ser dimensionados para a poência nominal; " Elevados cuso e volume, em função do amanho do reificador; " O reificador/carregador conrolado por fase provoca poluição harmônica na rede elérica, (Ih.)

13 Topologia de SEI on-line - - Carregador separado Reificador Inversor Filros Carregador de Baerias Carga Carga

14 Topologia de SEI on-line -- Carregador e conversor elevador de ensão Reificador Inversor Filros Carregador de Baerias Conversor BOOST Carga Carga

15 Topologia de SEI on-line -- Carregador/reificador com conversor elevador de ensão Reificador/ Carregador de Baerias Inversor Filros Conversor BOOST Carga Carga

16 Topologia de SEI Tri-Por Esabilizador Carga Carga Esabilizador pode ser ou não ser do ipo ferro-ressonane

17 Topologia de SEI Line-ineracive ineracive Carga Carga Inversor/ Reificador Filro

18 Topologia de SEI Line-ineracive ineracive Vanagens:! Menor cuso e maior eficiência: possui um eságio de poência;! Possibilidade de se efeuar regulação da ensão de carga;! Aua na compensação dos harmônicos da correne de carga, simulaneamene com a carga das baerias;! Faor de poência quase uniário;! Há pequeno empo de ransferência nos modos: rede-inversor e inversor-rede

19 Topologia de SEI Line-ineracive ineracive Desvanagens: " É impossível auar simulaneamene na regulação da ensão de carga e na compensação dos harmônicos da correne de enrada; " Quando uilizada chave esáica by-pass, não é possível ransferência sem ransienes, devido ao fao de que a ensão de saída não esá em fase com a ensão de enrada - pela presença de Induor L

20 SEI Line-ineracive: ineracive: ouras opologias SEI Line-ineracive ineracive com compensação paralela Cargas Críicas Lf L Cf A B C D C L

21 SEI Line-ineracive: ineracive: ouras opologias SEI Line-ineracive ineracive com compensação série-paralela A B A B C D C D Cargas Críicas

22 SEI Line-ineracive: ineracive: ouras opologias SEI Line-ineracive ineracive com compensação série-paralela Vanagens: Possibilidade de auar simulaneamene, por conrole independene, na compensação da ensão de enrada e na correne da carga; Faor de poência uniário; Eliminação de harmônicos da ensão de enrada; Eliminação de harmônicos e/ou compensação de reaivos da correne de carga; Tensão de saída balanceada e regulada com TDH ( 5%); Correne de enrada balanceada com TDH ( 5%); Cuso compaível com o sisema on-line; Tempo máximo enre falhas (MTBF - Maximum Time Beween Fails) e eficiência superiores ao do sisema on-line.

23 SEI Line-ineracive: ineracive: ouras opologias SEI Line-ineracive ineracive com compensação série-paralela Desvanagens: $ Conrole mais complexo; $ Necessidade de um maior número de moniorameno de variáveis de ensão e correne, o que jusifica sua aplicação para poências superiores a 20 KVA.

24 Classificação dos SEI s on-line quano ao ipo de isolameno A) Não isolados Carga Carga

25 Classificação dos SEI s on-line quano ao ipo de isolameno A) Isolameno por ransformador para baixa freqüência Carga Carga Isolameno na enrada

26 Classificação dos SEI s on-line quano ao ipo de isolameno a) Isolameno por ransformador para baixa freqüência Carga Carga Isolameno na saída

27 Classificação dos SEI s on-line quano ao ipo de isolameno b) Isolameno por ransformador para ala freqüência Conversor CC/CC de ala freqüência isolado Carga Carga

28 Classificação dos SEI s on-line quano ao ipo de isolameno c) Isolameno por ransformador para ala freqüência Carga Carga fs > 20 khz fs > 20 khz Cicloconversor de ala freqüência

29 Classificação dos SEI s on-line quano ao ipo de isolameno d) Carregador de baerias aravés de conversor em HF Transformador de ala freqüência isolado Carga Carga

30 Conversores para o carregameno de baerias O que é um conversor CC/CC? Fone de ensão conínua + Conversor CC/CC (carga não-linear ou sisema elerônico)

31 Conversores nos sisemas de alimenação Conversores CA/CC Com alo coneúdo de harmônicos de baixa freqüência. Com baixo coneúdo de harmônicos de baixa freqüência. Conversores CA/CC Conversores lineares; Conversores comuados. Conversores CC/CA

32 Conversores CC/CC baseados em reguladores lineares: Idéia básica Realimenação

33 Conversor CC/CC baseados em reguladores lineares: Realização física Realimenação

34 Conversores CC/CC baseados em reguladores lineares: Cálculo do rendimeno I g V T + - I R + - I R I g η = ( I R ) / ( I g ) η / $ O rendimeno depende da ensão de enrada. $ O conversor só pode reduzir a ensão de enrada.

35 Sisemas baseados em reguladores lineares Carga1 +5V Carga2 +15V Transformador de baixa freqüência Reificadores Reguladores Lineares Carga3-15V

36 Sisema de alimenação baseado em reguladores lineares Poucos componenes Robusos Sem geração de EMI $ Pesados e volumosos $ Baixo rendimeno

37 Conversor CC/CC comuados: Idéia básica + Carga PWM Regulador comuado - Carga Regulador linear

38 Conversor CC/CC comuados: Filrando a ensão sobre a carga PWM Filro V V F Passa-Baixa g - - Vg V F

39 Conversor CC/CC comuados: Pode-se usar apenas um filro C? + + Filro V V F Passa-Baixa g V C g - V F NÃO é possível

40 Conversores CC/CC comuados: Pode-se usar um filro LC como apresenado? Filro V V Passa-Baixa V V C g F g - - O - V F NÃO, é impossível porque inerrompe bruscamene a correne no induor porque inerrompe bruscamene a correne no induor

41 Conversores CC/CC comuados: Filro LC com Diodo de roda-livre + + Filro V V F Passa-Baixa g - - Vg - + V F

42 Análise do conversor abaixador (Buck) Hipóeses da análises: A ensão de saída não varia num ciclo de comuação. A correne no induor nunca se anula (modo conínuo de condução). - id il V il g - + is Durane d T il id Durane (1-d) T comando i L i S i D d T T

43 É possível enconrar um conversor que eleve a ensão de saída? A parir do conversor abaixador: R Conrolado por comando Conversor abaixador conrolado pela polaridade d 1-d Fluxo de poência

44 É possível enconrar um conversor que eleve a ensão de saída? d Inveremos as ensões V d % 1-d 1-d 1-d % d Fluxo de poência % % Fluxo de poência Abaixador Ouro conversor d Ese inerrupor deve ser conrolado pelo comando. Do conrário, haveria um curo circuio permanene.

45 É possível enconrar um conversor que eleve a ensão de saída? 1-d 1-d d d Fluxo de poência Mudando a forma de desenho do circuio Fluxo de poência Conversor ELEVADOR de ensão (Boos)

46 Alguns carregadores de baerias Inversor VCC Inversor VB>VCC

47 Alguns carregadores de baerias VB Inversor VBAT>VB VBAT CC/CC

48 Inversores clássicos com ransisores (alimenados por uma fone de ensão) S 2 S 1 Push-pull S 1 S 1 S 3 S 2 Meia pone S 2 S 4 Pone complea

49 Obenção de conversores CC/CC a parir dos inversores clássicos (Ex.) Inversor push-pull Re.. com ransf. com ap cenral Conv. CC/CC push-pull Rec.. em pone Conv. CC/CC push-pull Rec.. com dois induores Conv. CC/CC push-pull

50 O conversor push-pull ou simérico n 1 : n 2 n 1 n 2 n 1 n 2 L C Circuio equivalene quando conduz S 1 : n 2 /n 1 L C S 2 S 1 Circuio equivalene quando conduz S 2 : O que aconece quando não conduzem nenhum dos dois ransisores? n 2 /n 1 L C

51 O conversor push-pull ou simérico i L1 D 1 L i L Conduzem D1 e D2 A ensão no ransformador é zero As correnes i L1 e i L1 devem ser ais que: D 2 i L2 i L1 + i L2 = i L i L1 - i L2 = i Lm (sec. rans.) Circuio equivalene quando não conduzem nem S 1 nem S 2 : L

52 Tensões no conversor push-pull Comando S 1 S 2 S 2 + n 1 S 1 - v S2 n 2 n 1 n + 2 v - S1 - vd2 vd L v D - d max = 0.5 D 2 + A ensão v D é a mesma que no conv. direo, com um ciclo de rabalho 2 d = 2 d n 2 /n 1 (em modo conínuo) v smax = 2 V v g D1max = v D2max = 2 Vg n 2 /n 1 D 1 v S1 v S2 v D v D1 v D2 d T 2 n 2 /n 1 2 n 2 /n 1 2 n 2 /n 1 T 2

53 Correnes no conversor push-pull Comando S 1 S 2 i S2 n 1 n 1 : n 2 i D1 n 2 D 1 i L L i O i L i S1 S 2 S 1 n 1 n 2 i S1 D 2 d max = 0.5 i D1 i S2 i D2 i D2 Correnes médias: i S1 = i S2 = i O d (n 2 /n 1 ) i D1 = i D2 = i O /2 d T T

54 O conversor em meia pone ( half bridge ) /2 /2 S 2 S 1 + v S2 - D 1 n 2 n 1 n v S1 D 2 - vd2 vd1 +- L + v D - d max = Comando S 1 S 2 v S1 v S2 v D 0.5 n 2 /n 1 A ensão v D é a meade da ensão do push push-pull % = d n 2 /n 1 (modo conínuo) v D1 v D2 n 2 /n 1 n 2 /n 1 v smax = v D1max = v D2max = n 2 /n 1 d T T

55 Correnes no conversor em meia pone ( half bridge ) Comando S 1 S 2 i D1 i L i L /2 /2 S 2 S 1 i S2 D 1 n 2 n 1 n 2 i S1 D 2 L V O d max = 0.5 i O i S1 i D1 i S2 i D2 Correnes médias: i S1 = i S2 = i O d (n 2 /n 1 ) i D1 = i D2 = i O /2 i D2 d T T

56 O conversor em pone complea ( full bridge ) S 1 S vd1+ n 2 D 2 - vd2 - v S3 D 1 n 1 n 2 L + v D - S + S 2 4 v d - S4 max = 0.5 V O Comando S 1, S 4 S 2, S 3 v S1, v S4 v S2, v S3 v D n 2 /n 1 A ensão v D é a mesma do push-pull % = 2 d n 2 /n 1 (modo conínuo) v smax = V v g D1max = v D2max = 2 Vg n 2 /n 1 v D1 v D2 d T 2 n 2 /n 1 2 n 2 /n 1 T

57 O conversor em pone complea ( full bridge ) S 1, S 4 S 2, S 3 Comando S 1 S 2 S 3 S 4 i S3 n 1 n 2 i S4 i D1 i L i O n 2 D 1 D 2 L d max = 0.5 i S1, i S4 i S2, i S3 i L i D1 Correnes médias: i D2 i S3 = i S4 = i O d (n 2 /n 1 ) i D1 = i D2 = i O /2 i D2 d T T

58 Comparação enre push-pull e pones i S + - v S P O P O v Smax = 2 i S = P O /(2 ) Maiores soliciações de ensão % apo para baixa ensão de enrada + i S v Smax = i S = P O / Maiores soliciações de correne % apo para alas ensões de enrada i S + v S - v S P O v Smax = i S = P O /(2 ) Menores soliciações eléricas % apo para ala poência -

59 Como é feio o conrole de um Sisema de Energia Ininerrupa?

60 Conrole com apenas malha de realimenação da ensão de saída Vref Vo PID + - PWM Carga Carga

61 Conrole com duas malhas de realimenação: 1. Malha exerna para conrole da ensão de saída 2. Malha inerna para conrole da correne Vref Vo Iref PID Io PID + - PWM Carga Carga

62 Uma forma de conrole por microprocessador DSP Inversor Filro LC DSP PWM Vo Io Inerface Medição Carga

63 Como projear malhas de conroladores para um SEI? Vo Vref Vo Io Vo E ma= ce Io= ce.. ma ce E= =. ce. ma= ce. Io= ce. função de ransferência Impedância de saída audiossuscepibilidade ATENÇÃO: a ensão de referência é senoidal em malha fechada 1. Aumenar a banda passane do inversor para reduzir o erro de regime permanene 2. Diminuir a impedância de saída para reduzir a TDH causada por cargas nãolineares 3. Minimizar a audiosuscepibilidade do conversor para reduzir a influência da ensão de ripple na alimenação sobre a ensão de saída.

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