UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA - UFSM CENTRO DE TECNOLOGIA CT GRUPO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE - GEPOC SEPOC 2010

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA - UFSM CENTRO DE TECNOLOGIA CT GRUPO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE - GEPOC SEPOC 2010 UPS Fontes Ininterruptas de Energia APRESENTADOR: LEANDRO ROGGIA, ME. ORIENTADOR: PROF. CASSIANO RECH, DR. ORIENTADOR: PROF. LUCIANO SCHUCH, DR. COLABORADOR: HENRIQUE H. FIGUEIRA Santa Maria, Agosto de 2010.

2 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC Conteúdo Introdução Motivação UPS s e seus elementos integrantes Tipos de UPS s Normas Autonomia de UPS s Atividade prática Referências bibliográficas 1. Introdução Esta apostila do mini-curso sobre UPS integrante do SEPOC 2010 tem por objetivo mostrar os conceitos básicos a respeito das fontes ininterruptas de energia (UPS, do inglês Uninterruptable Power Supplies). As UPS s são equipamentos cuja principal função é fornecer energia elétrica para as cargas a partir do momento de falha no sistema de fornecimento, até o momento de restabelecimento da alimentação da rede. Inicialmente é mostrada a motivação para o uso de sistemas de UPS, bem como as principais aplicações nas quais estes equipamentos são empregados. Em seguida, a descrição e as funções dos sistemas de UPS s e dos conversores/elementos (retificadores, inversores, carregadores e descarregadores de baterias, filtros de entrada e de saída) que os integram são mostradas. Na seqüência, os principais tipos de UPS (passive stand-by, line interactive, double conversion) são apresentados. Em seguida, algumas normas que impõem regulamentações são mostradas. Considerações sobre autonomia das UPS s, baseadas no banco de baterias, são abordadas adiante. Na seqüência, as características da UPS utilizada para demonstração, servindo como atividade prática realizada na etapa final do mini-curso com o objetivo de facilitar o entendimento da operação das UPS s, são descritas. Por fim, uma lista de referências bibliográficas relevantes para o entendimento e aprofundamento do estudo sobre fontes ininterruptas de energia é apresentada.

3 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC Motivação Atualmente a humanidade é muito dependente da energia elétrica. Muitos são os equipamentos, produtos e atividades que necessitam desta energia. A cada dia que passa a população do planeta aumenta e, junto com ela, a demanda por energia elétrica. Para acompanhar o consumo crescente, a geração de energia elétrica também precisa aumentar, tornando o sistema maior e mais complexo. Porém, os sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica não são totalmente confiáveis e não têm condições de assegurar o fornecimento desta energia de maneira ininterrupta. A maioria dos equipamentos eletrônicos é ligada diretamente à rede pública de energia, como mostrado na Figura 1. Com isso, os equipamentos ficam expostos às anomalias apresentadas pela rede de energia, tais como: variações de tensão e freqüência, harmônicos de corrente, interrupções no fornecimento, etc. Rede pública de energia Equipamento eletrônico Figura 1. Rede pública de energia alimentando equipamento eletrônico. Entretanto, sofisticados equipamentos eletrônicos, como computadores, equipamentos de telecomunicações e de suporte a vida, hospitais, bancos, centrais de processamento de dados, entre outros, são susceptíveis a tais falhas. Assim, um sistema para realizar a interface entre equipamentos eletrônicos e a rede pública de energia deve ser utilizado para o perfeito funcionamento destas cargas críticas, conforme apresentado na Figura 2. Rede pública de energia Sistema de interface Equipamento eletrônico Figura 2. Condicionamento de energia através de um sistema de interface.

4 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC Atualmente, a utilização de sistemas de alimentação ininterrupta de energia (UPS Uninterruptible Power Supply) para fornecer energia para cargas críticas tem se tornado comum. Estas UPS s estão disponíveis em uma grande diversidade de topologias e operam desde baixas até altas potências. Estes sistemas podem fornecer energia monofásica, bifásica ou trifásica em diferentes freqüências (50Hz, 60Hz, 400Hz, etc.). Além disso, podem sintetizar formas de onda de tensão senoidal, trapezoidal ou quadrada. 3. UPS s e seus elementos e conversores integrantes Fonte ininterrupta de energia é a denominação dada a um sistema projetado para fornecer energia automaticamente para uma carga, durante algum tempo, enquanto a fonte normal de energia é incapaz de realizar o fornecimento de modo aceitável. Além de manter a continuidade no fornecimento de energia, as UPS s têm a função de filtrar, regular e condicionar energia para cargas sensíveis; isolar a carga da fonte de potência; permitir o desligamento ordenado de equipamentos no caso de falta de energia; conduzir o sistema durante o intervalo entre o instante de falta de energia e o momento em que um gerador de emergência possa assumir a carga. Uma UPS completa é formada basicamente por um retificador (conversor CA-CC) de entrada, um sistema armazenador de energia e um inversor (conversor CC-CA) de saída. Na maioria das aplicações, empregam-se ainda filtros de entrada (para adequações às normas de interferência eletromagnética) e de saída (para fornecimento de forma de onda senoidal da tensão de saída). A partir destes conversores/elementos, existem diversas configurações que podem ser obtidas de acordo com o grau de exigência da carga. O conversor CA-CC mais utilizado na entrada das UPS é o conversor boost PFC que, além de realizar a retificação da tensão de entrada, também proporciona correção do fator de potência (FP) do sistema. Com relação ao conversor CC-CA da saída, diversas topologias podem ser empregadas, sendo a mais utilizada em UPS s o inversor em ponte completa (full-bridge). A carga e descarga do banco de baterias geralmente são realizadas através dos conversores abaixador de tensão buck CC-CC e elevador de tensão boost CC-CC.

5 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC Tipos de UPS s Dentre as diversas configurações existentes de UPS s, pode-se dividi-las em três grandes grupos: passive stand-by (off-line), line interactive e double conversion (on-line). 4.1 UPS Passive Stand-by As UPS s passive stand-by apresentam somente um estágio de conversão de energia, onde normalmente a energia é diretamente transferida da rede de distribuição para a carga e, somente quando ocorre uma falha no sistema de distribuição, um elemento armazenador de energia fornece energia para a carga. Neste tipo de UPS, o inversor é conectado em paralelo à rede pública. A configuração básica deste tipo de UPS pode ser vista na Figura 3. Rede Filtro Carga Carregador Inversor Baterias Figura 3. Configuração básica de uma UPS passive stand-by. Este tipo de UPS apresenta fácil projeto, maior eficiência e menor custo se comparado com os demais tipos de UPS. Porém, a tensão/freqüência de saída é dependente da tensão/freqüência de entrada e o sistema apresenta um tempo de transferência entre os diferentes modos de operação. Assim, este tipo de UPS representa um compromisso entre um nível aceitável de proteção contra distúrbios e o custo e é comumente utilizada em baixas potências (menor do que 2 kva) [2]. 4.2 UPS Line Interactive As UPS s line interactive também apresentam apenas um estágio de conversão de energia. Neste tipo de UPS, o inversor é conectado em paralelo à entrada CA e atua em falhas do

6 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC fornecimento de energia de maneira a suprir a carga, para carregar o banco de baterias ou para condicionar a tensão de saída, dependendo das condições de fornecimento pela rede de alimentação. O termo line interactive provém do fato que em um dos modos de operação o inversor interage com a linha (rede pública) para diminuir, elevar, ou substituir a energia conforme requerido para manter a tensão constante para a carga crítica. A configuração básica deste tipo de UPS pode ser vista na Figura 4. Rede Carga Inversor/ Retificador Baterias Figura 4. Configuração básica de uma UPS line interactive. Esta UPS apresenta a vantagem de que o tempo de transferência da alimentação pela rede para o elemento armazenador de energia é reduzido se comparado com a UPS passive stand-by. Entretanto, a tensão/freqüência de saída apresenta dependência com relação à tensão/freqüência de entrada. 4.3 UPS Double Conversion As UPS s double conversion se caracterizam por dois estágios de conversão de energia, ou seja, primeiramente a energia CA da rede pública é convertida em CC e, posteriormente, é transformada em CA e transferida para a carga. Quando a rede pública apresenta alguma falha, o elemento armazenador fornece energia para a carga através do inversor. Neste tipo de UPS, o inversor é conectado em série entre a rede pública de energia e a carga. Assim, a energia para a carga flui continuamente pelo inversor. A configuração básica deste tipo de UPS pode ser vista na Figura 5.

7 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC Retificador Inversor Rede Carga Carregador/ Descarregador Baterias Figura 5. Configuração básica de uma UPS double conversion. As UPS s double conversion apresentam algumas importantes vantagens, como independência da tensão/freqüência de saída com relação à tensão/freqüência de entrada, possibilidade de tempo de transferência nulo, possibilidade de sintetizar diferentes tipos de forma de onda de tensão de saída e possibilidade de correção do fator de potência. Entretanto, como desvantagem, devido à dupla conversão de energia durante a operação normal, este tipo de UPS apresenta menor eficiência que os demais. Portanto, esta é a configuração mais completa em termos de proteção na carga, possibilidade de regulação e níveis de desempenho. Devido às suas várias vantagens, UPS s double conversion são largamente utilizadas para a proteção de cargas críticas em maiores níveis de potência. 5. Normas Nas seções seguintes serão mostrados resumos de três normas que regulamentam as especificações de entrada e de saída e condições de operação de UPS s. 5.1 Norma NEMA PE Esta norma, redigida pela NEMA (National Electrical Manufacturers Association) em 1992, é aplicada para sistemas de conversão de energia CA-CA com um elemento armazenador de energia elétrica CC dedicado. O objetivo desta publicação é fornecer definições, especificações, programa para testes, considerações sobre segurança, entre outros, aos fabricantes e usuários de UPS s.

8 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC A Tabela 1 apresenta as principais especificações para a entrada de UPS s. Tabela 1 Principais especificações para a entrada de UPS s. 1) Mínimo fator de potência à plena carga Potência (kva) Fator de potência 0,1 1 0,60 > ,65 > ,70 > ,75 > ,80 > ,85 2) Limite da corrente de entrada (Máxima carga da bateria e/ou máxima sobrecarga na saída) 125 % da corrente de entrada para plena carga 3) Máxima THD da corrente de entrada Potência (kva) THD > % > % > % A Tabela 2 apresenta as principais especificações para a saída de UPS s. Tabela 2 Principais especificações para a saída de UPS s. 1) Regulação da tensão de saída em regime permanente (operação à vazio até plena carga e da tensão mínima até a máxima tensão da bateria) Potência (kva) Máxima variação da tensão de saída 0, % a +5 % > ± 2 % 2) Máxima THD da tensão de saída para carga nominal Potência (kva) THD 2 10 % > 2 5 % 3) Capacidade de sobrecarga Potência (kva) Sobrecarga 0,1 2 Sem sobrecarga > % por 5 minutos > % por 10 minutos 4) Freqüência de saída Potência (kva) Variação da freqüência de saída 0,1 2 ± 1 Hz > 2 ± 0,5 Hz

9 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC Normas IEC e As normas internacionais IEC e IEC estabelecem limites para os harmônicos de corrente injetados na rede pública de alimentação. A diferença entre elas reside no fato de que a primeira é aplicada para equipamentos elétricos e eletrônicos cuja corrente de entrada é igual ou inferior a 16 A por fase, enquanto que a segunda é aplicada para equipamentos elétricos e eletrônicos cuja corrente de entrada é superior a 16 A por fase. Como exemplo, de acordo com a norma IEC , as UPS s são classificadas como sendo equipamentos da classe A. Desta maneira, os harmônicos da corrente de entrada não devem exceder os valores absolutos dados pela Tabela 3. Tabela 3 Limite dos harmônicos de corrente pela norma IEC Ordem do harmônico (n) Ímpares Pares Classe A Corrente máxima (A) 3 2,3 5 1,14 7 0,77 9 0, , ,21 15 n 39 0,15 (15/n) 2 1,08 4 0,43 6 0,3 8 n 40 0,23 (8/n) 5.3 Norma IEC A forma usual de classificação de UPS s (passive stand-by ou off-line, line interactive e double conversion ou on-line) deixa margem aos fornecedores de UPS para a criação termos que confundam o consumidor como, por exemplo, UPS semi on-line, UPS quase on-line, UPS true on-line, tecnologia on-line compartilhado, entre outros. Com o intuito minimizar os problemas gerados pela antiga classificação das UPS s apresentadas anteriormente, foi criada a norma IEC , a qual realiza a classificação de UPS s de forma independente dos antigos termos, evitando expressões fantasiosas.

10 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC Os três passos para a classificação das UPS s, segundo a norma IEC são: Passo 1: dependência da tensão de saída da UPS em relação à tensão da rede; Passo 2: forma de onda da tensão de saída da UPS; Passo 3: curvas de tolerância dinâmicas da saída da UPS. Maiores detalhes dos critérios de classificação podem ser encontrados diretamente na norma IEC Autonomia das UPS s A autonomia da UPS, ou seja, o tempo no qual a fonte é capaz de fornecer energia elétrica para a carga na ausência da rede de fornecimento é definido principalmente pela capacidade do banco de baterias empregado. A determinação do banco de baterias depende dos seguintes fatores: tempo de autonomia desejado, potência da carga alimentada, tensão do barramento de conexão do banco de baterias e capacidade das baterias. A Figura 6 mostra o tempo de descarga em função da corrente de descarga para diversas baterias do fabricante Saturnia com capacidade variando de 1,2 Ah até 40 Ah. TEMPO DE DESCARGA MINUTOS HORAS SH 8-6 SH 7-12 SH 5-12 SH 4-6 SH 4-12 SH SH 3-12 SH 2-12 SH SH Ah 24 Ah 17 Ah 12 Ah 10 Ah 8 Ah 7 Ah 5 Ah 4 Ah 3.2 Ah 2 Ah 40 Ah SH 10-6 SH SH SH SH ma A CORRENTE DE DESCARGA Figura 6 Tempo de descarga em função da corrente de descarga de baterias.

11 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC Por exemplo, supondo que se deseja uma autonomia de 40 minutos, para uma carga que consome 400 W de potência e que o banco de baterias possui tensão de 96 V (8 baterias de 12 V conectadas em série), sabe-se que a corrente fornecida pelo banco de baterias nesta situação é de P 400 I = = = 4,17A. V 96 Através do gráfico da Figura 6, chega-se a conclusão que é necessária a utilização de baterias de capacidade igual a 7 Ah. De posse desta capacidade, pode-se determinar a autonomia da UPS para outros valores de carga alimentada. Por exemplo, caso uma carga que necessite 2 A (192 W de potência) for suprida pela UPS, a sua autonomia será de aproximadamente 2 horas. 7. Atividade prática A atividade prática deste mini-curso consiste na apresentação e demonstração da UPS modelo Breakless New do fabricante CP Eletrônica. Esta UPS possui as características apresentadas na Tabela 4. Tabela 4 Características da UPS modelo Breakless New. Potência 6 kva / 4,2 kw Tipo/topologia Dupla conversão (on-line) Tensão de entrada 220 V ± 20 % Tensão de saída 220 V Número de fases da entrada monofásica ou bifásica Número de fases da saída monofásica THD da corrente de entrada < 10 % THD da tensão de saída < 3 % Variação da tensão de saída ± 1 %

12 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC Referências bibliográficas [1] W. Sölter, A New International UPS Classification by IEC , in Proceedings of 24th Annual International Telecommunications Energy Conference, 2002, pp [2] M. S. Racine, J. D. Parham, and M. H. Rashid, An overview of uninterruptible power supplies in Proceedings of the 37th Annual North American Power Symposium, 2005, pp [3] R. Krishnan and S. Srinivasan, Topologies for uninterruptible power supplies, in Proceedings IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 1993, pp [4] S. A. Hamed and Y. Al-Shiboul, Off-line UPS system with optimum utilization of power elements, in Proceedings of International Conference on Opportunities and Advances in International Electric Power Generation, 1996, pp [5] W.-J. Ho, J.-B. Lio, and W.-S. Feng, A line-interactive UPS structure with built-in vectorcontrolled charger and PFC, in Proceedings of International Conference on Power Electronics and Drive Systems, 1997, vol. 1, pp [6] G. Joos, Y. Lin, P. D. Ziogas, and I. F. Lindsay, An online UPS with improved input-output characteristics, in Proceedings IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1992, pp [7] W.-J. Ho, M.-S. Lin, and W.-S. Feng, A new single-phase on-line UPS structure pre-staged with PFC-and-boost converter in Proceedings of International Conference on Power Electronics and Drive Systems, 1997, vol. 1, pp [8] Y. Deng and X. He, Power stage arrangement for high power single-phase input and singlephase output online UPS, in Proceedings IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2002, vol. 3, pp [9] C. Rech, H. A. Gründling, and J. R. Pinheiro, Comparison of discrete control techniques for UPS applications, in Proceedings IEEE Industry Applications Conference, 2000, vol. 4, pp [11] L. Schuch, C. Rech, H. L. Hey, H. A. Gründling, H. Pinheiro, J. R. Pinheiro, A battery ZVT bi-directional charger for uninterruptible power supplies, in Proceedings IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2002, vol. 4, pp [12] L. Schuch, C. Rech, H. L. Hey, H. A. Gründling, H. Pinheiro, J. R. Pinheiro, Evaluation of a digital control system for a high-efficiency battery charger/ups, in Proceedings IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2003, vol. 2, pp

13 SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE SEPOC [13] C. Rech, H. Pinheiro, H. A. Gründling, H. L. Hey, and J. R. Pinheiro, A modified discrete control law for UPS applications, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 18, no. 5, pp , Sep [14] L. Schuch, C. Rech, H. L. Hey, and J. R. Pinheiro, Integrated ZVT auxiliary commutation circuit for input stage of double-conversion UPSs, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, no. 6, pp , Nov [15] L. Schuch, W. Priesnitz Filho, C. Rech, H. L. Hey, and J. R. Pinheiro, Integrated software to assist the design and study of UPS s, in Proceedings IEEE Workshop Power Electronics Education, 2005, pp [16] L. Schuch, C. Rech, and J. R. Pinheiro, Input stage of double-conversion UPS s using integration concept of ZVT auxiliary commutation circuit, in Proceedings IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2005, vol. 1, pp