DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Nº 684

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1 DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Nº 684 CHAVE ESTÁTICA DE TRANSFERENCIA, ESTUDO E SOLUÇÕES DE CASOS, FOCADOS NA CONTINUIDADE DO FORNECIMENTO E AUMENTO DA CONFIABILIDADE DO SISTEMA Marcos Henrique Araujo de Deus DATA DA DEFESA: 1/6/211

2 Universidade Federal de Minas Gerais Escola de Engenharia Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica CHAVE ESTÁTICA DE TRANSFERENCIA, ESTUDO E SOLUÇÕES DE CASOS, FOCADOS NA CONTINUIDADE DO FORNECIMENTO E AUMENTO DA CONFIABILIDADE DO SISTEMA Marcos Henrique Araujo de Deus Dissertação de Mestrado submetida à Banca Examinadora designada pelo Colegiado do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo Belo Horizonte - MG Junho de 211

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4 Agradecimentos Inicialmente agradeço especialmente a Deus por mais esta etapa nesta maravilhosa jornada. Agradeço também a Engetron, pela oportunidade de realização deste trabalho, e em especial ao Wilton de Castro Padrão, que tem me apoiado e conduzido meu desenvolvimento em todos estes anos de trabalho conjunto. Ao professor Porfirio Cabaleiro Cortizo pela orientação, paciência e apoio que foram fundamentais na condução deste projeto. A minha esposa, Grazielle, que sempre me apoiou e me mostrou a importância da continuidade dos estudos. Finalmente ao meu pai, Jurandir, minha mãe, Maria Perpetua que se preocupam comigo todo dia. E também aos meus irmãos, Alexandre e Marcia, força e carinho. A todos vocês que sempre investiram em mim. À UFMG pela oportunidade. 2

5 Lista de Figuras Figura 2.1 Diagrama de blocos de uma Chave de Transferência Estática. 13 Figura 2.2 Opções de evolução de um sistema de Data Center. 18 Figura 2.3 Opções de evolução de um sistema de Data Center. 19 Figura 2.4 Mapa da disponibilidade básica. 2 Figura 2.5 Evolução da Disponibilidade no Brasil. 21 Figura 2.6 A Chave de Transferência Estática e as opções de uso. 23 Figura 2.7 Evolução e prognóstico do mercado de chaves de transferência 23 estática. Figura 3.1 Curva ITIC ( Cbema). 26 Figura 3.2 O SCR Tiristor. 29 Figura 3.3 Esquema da Chave de Transferência Estática convencional. 3 Figura 3.4 Diagrama simplificado da Chave Estática. 31 Figura 3.5 Tensão e corrente nas fontes preferencial e alternativa. 33 Figura 3.6 Detalhe da comutação entre as fontes preferencial e alternativa. 33 Figura 3.7 Tensão e corrente na carga. 34 Figura 3.8 Tensão e corrente nas fontes preferencial e alternativa. 34 Figura 3.9 Tensão e corrente na carga. 35 Figura 3.1 Tensão e corrente nas fontes preferencial e alternativa. 36 Figura 3.11 Corrente nas fontes preferencial e alternativa. 36 Figura 3.12 Tensão e corrente nas fontes preferencial e alternativa. 37 Figura 3.13 Corrente nas fontes preferencial e alternativa. 37 Figura 3.14 Tensão e corrente na carga. 38 Figura 3.15 Tensão e corrente nas fontes preferencial e alternativa. 39 Figura 3.16 Corrente nas fontes preferencial e alternativa. 39 Figura 3.17 Tensão e corrente na carga. 4 Figura 4.1 Lógica de controle Entrada/Saída. 41 Figura 4.2 Fluxograma do comando dos tiristores. 42 Figura 4.3 Tensão e corrente nas fontes preferencial e alternativa. 43 Figura 4.4 Tensão e corrente na fonte preferencial, alternativa e na carga. 44 Figura 4.5 Detalhe da comutação: corrente nas fontes preferencial e alternativa 44 e a ordem de transferência. Figura 4.6 Tensão e corrente na fonte preferencial, alternativa e na carga. 46 Figura 4.7 Corrente nas fontes preferencial e alternativa. 47 Figura 4.8 Tensão e corrente na carga. 47 Figura 4.9 Corrente nas fontes preferencial e alternativa. 47 Figura 4.1 Tensão e corrente na carga. 48 Figura 4.11 Tensão e corrente na fonte preferencial, alternativa e na carga. 48 Figura 4.12 Corrente nas fontes preferencial e alternativa. 49 Figura 4.13 Restauração da fonte preferencial. 49 Figura 5.1 Avaliação do problema de transferência com transformador. 51 Figura 5.2 Transferência sem compensação da área e sem manter a média. 52 3

6 Lista de Tabelas Tabela 2-1 Proposta da norma TIA Tabela 2.2 Métrica dos noves. 19 Tabela 2.3 Comparativos de disponibilidade. 21 Tabela 3.1 Comparativo entre tiristor e IGBT. 28 Tabela 3.2 Nível de curto-circuito de chaves estáticas. 28 Tabela 3.3 Condições de disparo e bloqueio de um tiristor. 29 4

7 Lista de Siglas ANEEL ANSI BBM BNDES c.a. c.c. CSA DEC EIA EMC EUA FEC GMG GTO Iak IEC IEEE ITIC LASCR MBB MCT MTBF PAC PLL R RL RMDSTS SCR STS THDi TI TIA TIER TRIAC UL UPS USCA Vak Vgk Valt Vpref Agencia Nacional de Energia Elétrica American National Standards Institute Break-Before-Make Banco Nacional do Desenvolvimento Econômico e Social Corrente Alternada Corrente Continua Canadian Standards Association Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Electronics Industries Alliance Electromagnetic Compatibility Estados Unidos da America Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Grupo Motor Gerador Gate Turn-off Thyristor Corrente anodo-catodo International Electrotechnical Commission Institute of Electrical and Electronics Engineers Information Technology Industry Council Light Activated SCR Make-Before-Break Metal Oxide Semiconductor Controlled Thyristor Mean Time Before Failure Programa de Aceleração do Crescimento Phase Locked Loop Resistiva Resistiva-indutiva Rack Mounted Device Static Transfer Switch Silicon-Controlled Rectifier Static Transfer Switch Total Harmonic Distortion of Current Tecnologia da Informação Telecommunications Industry Association Camadas Referente a norma TIA942 Triode for Alternating Current Underwriters Laboratories Inc. Uninterruptible Power Supply Unidade de supervisão de corrente alternada Tensão anodo-catodo Tensão gate-catodo Fonte alternativa Fonte preferencial 5

8 Índice Agradecimentos... 2 Lista de Figuras... 3 Lista de Tabelas... 4 Lista de Siglas... 5 Índice... 6 Resumo... 8 Abstract... 9 Capítulo 1 Apresentação do trabalho Introdução Motivação e principais objetivos do trabalho Justificativas do trabalho Organização do trabalho Capítulo 2 Revisão bibliográfica Introdução Histórico Normas e Referências de uso O Sistema Elétrico Nacional Aplicações da Chave Estática de Transferência Mercado e oportunidades Conclusões Capítulo 3 Caracterização de uma chave estática Introdução A chave estática Situações de contorno Características da chave de transferência estática Funcionamento da chave estática: a comutação entre tiristores Comutação Make-Before-Break (MBB) Comutação Break-Before-Make (BBM) Conclusões Capítulo 4 O controle da chave estática Introdução O circuito de controle da chave estática Estudo de casos Carga RL - Fontes de energia com freqüências diferentes Carga não linear - Fontes de energia com freqüências diferentes Conclusões Capítulo 5 O problema do transformador

9 Capitulo 6 Conclusões e sugestões de trabalhos futuros Referências Bibliográficas

10 Resumo O presente trabalho apresenta o estudo, desenvolvimento e soluções para casos onde uma chave estática de transferência pode ser usada, e principalmente os aspectos que envolvem seu projeto e seu uso. Mostrando também uma visão comercial e de mercado, onde a perspectiva de mercado direciona a um prognostico muito favorável, tudo isto focado em uma visão direta de maior disponibilidade dos sistemas associados e com isto obtendo uma maior confiabilidade. Neste ponto observamos o uso das normas para o ambiente de tecnologia da informação para direcionamento dos níveis de disponibilidade em relação à configuração eletroeletrônica em cada planta. Para a chave estática observamos o aspecto dos concorrentes mundiais e também as normas como IEC, IEEE e UL, focadas na caracterização da STS e seu desempenho. Por fim, observa-se como um sistema comporta na ausência de um controle adequado para seleção entre as fontes e a correção destas falhas com uma STS corretamente empregada. Palavras chaves: chave estática de transferência, confiabilidade e disponibilidade. 8

11 Abstract This paper describes the research, development and solutions for cases where a static transfer switch can be used, and especially the aspects surrounding your project and its use. Also showing a vision and commercial market, where market perspective directs a very favorable prognosis, all focused on a direct view of the greater availability of systems associated with it and getting a higher reliability. At this point we observe the use of standards for information technology environment for targeting the levels of availability for electronics configuration on each plant. To observe the static key aspect of global competitors and also standards such as IEC, IEEE and UL, focused on the characterization of STS and its performance. Finally we see how a system behaves in the absence of an adequate control for selecting between sources and correction of these faults with a STS properly employed. Keywords: Static Transfer Switch, reliability and availability. 9

12 Capítulo 1 Apresentação do trabalho 1.1 Introdução O crescente aumento e utilização dos benefícios trazidos pela evolução rápida da tecnologia da informação (TI), associados com a deficiência da qualidade de energia recebida pelos grandes centros, nos direcionam a avaliar como evoluir tecnologicamente e também garantir o perfeito funcionamento destes sistemas. Um dos pontos mais importantes destes sistemas, sem dúvida, está relacionado à confiabilidade e consequentemente à continuidade do funcionamento. Sendo assim nos deparamos com a necessidade de equipamentos de Eletrônica de Potência que permitam garantir esta continuidade. Observa-se neste trabalho a opção pelo uso de uma Chave de Transferência Estática (Static Transfer Switch STS nos Estados Unidos ou Automatic Transfer Switch ATS na Europa), focada no aumento da continuidade de funcionamento dos sistemas de TI e Eletrônica de Potência em Média Tensão [1] e no aumento da confiabilidade através da redução do número de interrupções. 1.2 Motivação e principais objetivos do trabalho O objetivo do trabalho é apresentar a STS como uma solução para o problema de garantia de fornecimento de energia a um sistema de TI. Hoje estes sistemas já são beneficiados com a grande evolução dos sistemas de alimentação ininterrupta (Uninterruptible Power Supply UPS) que aumentam a confiabilidade do sistema de alimentação, além de, em algumas situações, corrigirem os problemas de qualidade de energia gerados pelas cargas de TI, como a elevada distorção harmônica da corrente (THDi) e baixo fator de potência. Existem no mercado nacional UPS [2] que absorvem da rede elétrica uma corrente com THDi menor que 7% e com fator de potência de,99. A chave estática de transferência não tem o objetivo de substituir os sistemas de UPS existentes, mas trabalhar em conjunto, de modo a aumentar a confiabilidade dos sistemas de energia. 1

13 Uma chave estática irá desta forma permitir que um sistema, normalmente cargas de TI, hospitais ou aeroportos, por exemplo, possam ter dois ramais de alimentação. Como se pode observar a opção da segunda fonte de energia irá aumentar consideravelmente a confiabilidade do sistema desde que o índice de confiabilidade da STS seja superior aos índices de confiabilidade das fontes de alimentação. O objetivo do trabalho é apresentar o funcionamento de uma chave estática de transferência que eleve a confiabilidade de um sistema de alimentação, com cargas resistivas indutivas (RL) e principalmente cargas não lineares, que neste trabalho será apresentada conforme normatização IEC Justificativas do trabalho A confiabilidade de grandes sistemas é hoje o principal foco dos responsáveis pelas áreas de TI e demais áreas que necessitem de garantia de continuidade no fornecimento de energia, como p.e. em indústrias, bancos e hospitais. O aumento da confiabilidade de um sistema passa, sem dúvida, por vários aspectos, mas a garantia da continuidade do fornecimento de energia elétrica, com um nível mínimo de qualidade, é essencial para todos dos ambientes. Apesar da alta taxa de confiabilidade da chave estática, os sistemas são sempre dependentes das taxas de confiabilidade das fontes de alimentação. Se as duas fontes não forem confiáveis, não teremos uma melhoria significativa da confiabilidade do sistema [3]. Dentro do sistema de alimentação, as fontes de energia são as que apresentam menor taxa de confiabilidade. Assim, o uso de uma UPS com chave estática permite um aumento significativo da taxa de confiabilidade do sistema. As fontes de alimentação deverão atender aos parâmetros de tensão, freqüência e distorção harmônica necessários ao perfeito funcionamento da carga. A chave estática não tem como função adequar os parâmetros das fontes à carga, mas escolher qual a fonte de alimentação que deverá alimentar a carga. 11

14 1.4 Organização do trabalho Este trabalho esta organizado de forma a apresentar a evolução de cada ponto e seus aspectos técnicos. Este capítulo apresentou os objetivos e motivações para o desenvolvimento da chave estática de transferência, além dos aspectos comerciais associados. No capítulo 2 apresenta a perspectiva atual dos ambientes que necessitam de grande continuidade no fornecimento de energia elétrica e o histórico da evolução dos sistemas de transferências. Apresentamos também as normas internacionais de referência para desenvolvimento de uma chave estática e as normas para ambientes de TI, como a norma TIA-942 com a visão dos níveis de confiabilidade e continuidade. A parte central do capitulo 2 apresenta os pontos de projeto de uma chave estática para garantir um elevado tempo médio entre falhas (MTBF), as perspectivas financeiras do mercado internacional. Finalmente são mostradas as características da carga não linear padrão definida pela IEC e a curva da ITIC (antiga CBEMA) delimitando as regiões de funcionamento de equipamentos eletrônicos. O capítulo 3 apresenta os modos de funcionamento da chave estática na ausência de controle, mostrando suas limitações quando alimentando cargas resistivas, indutivas e não lineares, as situação de funcionamento correto e mau funcionamento. O capítulo 4 mostra a lógica de controle da chave estática de modo a resolver os problemas apresentados no capítulo anterior, além de apresentar um foco nos problemas e soluções, com uma carga resistivo-indutiva e por uma carga não linear, caracterizada facilmente nas aplicações reais por um computador. No capítulo 5 é apresentada uma situação especifica baseada na alimentação de um transformador através de uma chave estática. O capítulo 6 apresenta as conclusões do trabalho e também as sugestões de continuidade do mesmo. 12

15 Capítulo 2 Revisão bibliográfica 2.1 Introdução Nos últimos anos, a crescente utilização de sistemas informatizados aumentou os requisitos sobre a infra-estrutura dos circuitos de alimentação. Hoje o grande herói neste segmento são os equipamentos de energia ininterrupta (Uninterruptible Power Supply - UPS), que garantem a continuidade do fornecimento de energia elétrica em caso de pane na rede elétrica [4]. Estes equipamentos estão presentes não somente em sistemas de tecnologia da informação (TI), mas também em locais onde a falta de energia elétrica provoca grandes perdas como em sistemas industriais, bancos e hospitais, aeroportos, etc. A perda de dados nos sistemas informatizados pode significar a perda de milhões de reais e no caso de hospitais, a perda de vidas humanas. Neste ambiente critico a necessidade de continuidade no fornecimento de energia para alimentação das cargas é primordial. A garantia de continuidade no fornecimento de energia elétrica pode ser melhorada com a duplicidade de equipamentos e de fontes de alimentação. Deste modo, na ocorrência de uma pane em um destes equipamentos ou fontes os sistemas críticos passam a ser alimentados por um caminho alternativo. Assim, é cada vez mais comum encontrarmos sistemas de TI com grupos geradores diesel, UPS e chaves de transferência estáticas. A chave de transferência estática (Static Transfer Switch - STS) já é utilizada internamente em sistemas de UPS, mas o seu uso como um equipamento independente para redirecionamento de circuitos de alimentação é mais recente. A chave estática de transferência tem como função principal a continuidade do fornecimento de energia à carga em ambientes em que estejam disponíveis ao menos duas fontes de energia denominadas de fonte preferencial e fonte alternativa. A fonte preferencial alimenta a carga através da chave estática e no caso de falha 13

16 a chave comuta a sua saída para a fonte alternativa. A figura 2.1 mostra o diagrama esquemático de uma chave estática de transferência. Fonte 1 Fonte 2 Carga Crítica Figura 2.1 Diagrama de blocos de uma chave de transferência estática Apresentamos a seguir os problemas elétricos, bem como os problemas de fabricação, de uma chave de transferência estática. Para tal, foram pesquisados equipamentos já desenvolvidos por fabricantes multinacionais, normas e patentes relacionadas ao tema. 2.2 Histórico O primeiro dispositivo semicondutor de potência surgiu no final de 1957 e desde então a indústria de microeletrônica tem desenvolvido dispositivos capazes de comutar tensões e correntes elevadas a freqüências cada vez mais elevadas. Até 197, os SCR Silicon Controlled Rectifier pertencentes à família dos tiristores, foram utilizados de maneira exclusiva para o controle da energia elétrica em aplicações industriais [3]. Trinta anos atrás, a Cyberex revolucionou o segmento de Distribuição de Energia com a invenção da chave de transferência estática. A Cyberex desenvolveu a primeira chave de transferência estática em 1971 e a primeira chave de transferência estática completamente digital em Estas chaves digitais são utilizadas em ambientes que requerem alto nível de disponibilidade de energia, tais como Data Centers, ambientes de telecom, ISPs, fabricação de semicondutores e aplicações onde não pode ocorrer interrupção no fornecimento de energia elétrica. 14

17 O projeto de sistemas de energia de alta confiabilidade é baseado em uma arquitetura que não permite a existência de pontos únicos de falha, através do uso sistemas mais robustos, e redundância de componentes eletroeletrônicos. Nestes sistemas chaves de transferência estática podem gerenciar 2 ou 3 fontes de energia, provenientes da concessionária de energia, de sistemas de energia ininterrupta - UPS s e de grupos geradores diesel. As chaves de transferência estáticas montadas em padrão Rack-Mount (RMDSTS) são as mais versáteis, confiáveis e fáceis de usar em instalações de pequeno e médio porte. Elas estão disponíveis em diferentes tensões (monofásicas e bifásicas) e capacidades de corrente variadas, sendo o modelo de 1A usado como referência. São projetadas para serem instaladas próximas das cargas críticas em seus próprios racks, oferecendo transferência entre 2 fontes de energia, assegurando funcionamento contínuo para a carga crítica, livre de quaisquer distúrbios que possam ocorrer nas fontes distintas. Existem no mercado vários fabricantes a nível mundial de chaves de transferência estáticas, sendo que o mercado brasileiro é atendido por poucas empresas. A evolução deste mercado passa necessariamente pela elaboração da norma TIA-942, Telecommunications Infrastructure Standard for Datacenters, inicialmente focada no sistemas de datacenters, que nasce com premissa de torna-se uma referencia para toda e qualquer infra-estrutura para sistemas de Datacenters. 2.3 Normas e Referências de uso As normas que regulam o mercado de chaves de transferência estática no Brasil são originárias dos mercados americanos e europeus. Podemos citar a UL18 (Transfer Switch Equipment) e a IEC (Low-voltage switchgear and controlgear - Part 6-1: Multiple function equipment - Transfer switching equipment), que tratam da construção, desempenho, ensaios de produção e fabricação e procedimentos de instalação de chaves de transferência automática ou manual com mecânicas e estáticas. O foco destas normas é baseado na segurança do sistema. 15

18 Adicionalmente as chaves estáticas também devem respeitar outras normas, mais particularmente as de sistemas de energia ininterrupta, as de compatibilidade eletromagnética e a de equipamentos que agregam funcionalidade a chave estática, como por exemplo: IEC 6947 Low-voltage switchgear and control gear EN Uninterruptible Power System (UPS) - EMC requirements EM 61-6 Electromagnetic Compatibility Em complemento das normas especificas da chave estática, temos a norma AINSI- EIA-TIA 942, que indica os requisitos a serem respeitados a partir da construção até a ativação de um Datacenter. O foco da norma é bastante abrangente, visando todo o sistema com requisitos para: Redundância de rotas físicas e de lógica, Telecomunicações, Arquitetura (civil), Instalações elétricas, Instalações de ar condicionado, Segurança e Gestão. Todos estes requisitos possuem quatro níveis, denominados de TIER (camadas), divididos basicamente em: TIER I Requisitos básicos, TIER II Componentes redundantes, TIER III Manutenção concorrente e TIER IV Tolerante a falhas. A versão prévia da norma ficou pronta em 23, e foi elaborada com o objetivo de unificar os TIER s (camadas) de proteção, que até então eram independentes, conforme abaixo: TIER I 196 TIER II 197 TIER III 198 TIER IV

19 A elaboração desta norma foi feita por quatro Institutos/Associações e teve a participação de empresas de engenharia e arquitetura, fabricantes, consultores e principalmente de usuários de sistemas de alta confiabilidade. Os Institutos e Associações que participaram na elaboração da norma foram: ANSI - American National Standards Institute, CSA - Canadian Standards Association, EIA - Electronics Industries Alliance e TIA - Telecommunications Industry Association. O objetivo final da TIA é apresentar sistematicamente, como aumentar a disponibilidade do sistema, lembrando que, um ponto chave é a relação custo & beneficio. A Tabela 2-1, mostra uma visão geral da proposta da norma. Tabela Proposta da norma TIA 942 Requisitos TIER I TIER II TIER III TIER IV Alimentação externa Única Única Única Dupla, de ramais diferentes Redundância N N+1 N+1 2 Ponto único de falha Muitos Muitos Poucos Nenhum Manutenção corrente Não Não Sim Sim Tolerante a falhas Não Não Não Sim Disponibilidade 99,67% 99,75% 99,98% 99,99% Resumo (29hs) Sem redundância, sujeito a paradas programadas e não programadas; (22hs) Alguns componentes redundantes, sujeito a paradas programadas e não programadas (1:3hs) Com manutenção corrente, durante a manutenção o risco de paralisação pode ser alto (:4hs) Infra Estrutura Tolerante a Falha Para se atender ao nível 4, ou aplicações com a premissa de dupla alimentação, o uso de chaves de transferência estáticas é essencial. Podemos observar que quanto maior o nível TIER da infra-estrutura, maior a disponibilidade e confiabilidade. 17

20 Na figura 2.2 vemos a estrutura elétrica de um Datacenter com as opções de evolução do sistema de modo a aumentar a sua confiabilidade. Podemos observar a redundância do sistema de alimentação através de dois ramais A e B. Cada um destes ramais possui também uma redundância dos geradores (GMG) que estão ligados ao sistema através das suas unidades de controle (USCA) e a presença de duas UPS em paralelo alimentando a chave de transferência estática. Esta chave estática seleciona se a carga é alimentada pelo ramal A ou pelo ramal B. Esta topologia aumenta consideravelmente a confiabilidade total do sistema. Pode-se notar a opção de dupla alimentação, apesar de esta ser uma situação pouco comum no mercado nacional. Observa-se que em caso de falha do ramal A, por exemplo, o sistema será atendido pelo ramal B. Observa-se ainda que através das chaves estáticas, a carga continuará sendo assistida pelos dois ramais. Mesmo em caso de falha até na fonte de alimentação do Datacenter, o sistema continuará em funcionamento. A figura 2.3 mostra a mesma idéia de outra forma, com um visual mais ilustrativo. Neste caso pode-se observar a presença da STS para garantir a transferência entre os barramentos, e conseqüentemente, aumentar a confiabilidade e disponibilidade do sistema. Nas duas situações apresentadas, mesmo que ocorra uma falha dupla, o sistema manterá em funcionamento (exceto se a falha ocorrer nas duas fontes do Data Center) 2.4 O Sistema Elétrico Nacional Na avaliação da continuidade dos serviços é importante o conhecimento da confiabilidade do sistema elétrico em uma situação onde não há nenhum sistema de proteção, ou seja, não estão presentes nem UPS e nem STS. Avaliando as informações sobre qualidade do serviço, disponíveis no site da Agencia Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, disponível no site encontramos os principais indicadores do sistema que são: DEC - Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora, indicador do número de horas, em média, que um consumidor fica sem energia elétrica durante 18

21 um período, geralmente mensal; FEC - Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora, indicador de quantas vezes, em média, houve interrupção na unidade consumidora. Figura Opções de evolução de um sistema de Data Center Ao avaliar os dados disponíveis chegamos ao seguinte panorama nacional, apresentado na figura 2.4, com indicação do DEC/FEC médio para cada região, e também a disponibilidade/continuidade nas mesmas. Os parâmetros de DEC/FEC são avaliados para interrupções superiores a 3 minutos, conforme cita o site a ANEEL. Desta forma, interrupções de curta duração não são avaliadas. Pelo mapa da figura 2.4 podemos observar que a região sudeste tem o melhor índice inicial de disponibilidade enquanto que a região norte tem o pior indicador. A 19

22 inclusão de UPS e STS no sistema de alimentação da carga critica tem como objetivo elevar a disponibilidade do sistema de alimentação, afetando diretamente sua confiabilidade e reduzindo o número e a duração das interrupções no fornecimento de energia elétrica. Figura Opções de evolução de um sistema de Data Center [5] O guia para plataformas virtuais [7] mostra uma visão do downtime (tempo de parada), sendo esta avaliação muito usada no mercado para caracterizar a confiabilidade de um sistema e é conhecida como a métrica dos noves. A tabela 2.2 mostra a interpretação direta da métrica dos noves e sua relação com disponibilidade/confiabilidade de um sistema. Tabela 2.2 Métrica dos noves Métrica dos noves Disponibilidade Tempo de parada (minutos/mês) Tempo de parada (minutos/ano) 2 99% 438 ~88 horas 3 99,9% 43,8 ~9 horas 4 99,99% 4,38 53 minutos 5 99,999%,44 5,3 minutos 2

23 DEC = 26.46hs FEC = 13 Disponibilidade = 99.7% DEC = 94.75hs FEC = 55 Disponibilidade = 98.92% DEC = 39.56hs FEC = 29 Disponibilidade = 99.55% DEC = 15.34hs FEC = 9 Disponibilidade = 99.82% DEC = 33.34hs FEC = 17 Disponibilidade = 99.62% Figura Mapa da disponibilidade básica [6] Na figura 2.5 observa-se a evolução da disponibilidade nos últimos anos no Brasil e vemos que a situação está melhor, mas não chegamos a uma disponibilidade de 3 noves ( %). O decréscimo observado em 29 é preocupante, pois este parâmetro está muito associado ao crescimento do Brasil e a política de infra-estrutura em novas fontes de energia elétrica. Contudo o governo federal tem feito pesados investimentos no setor, o Programa de Aceleração do Crescimento (PAC), prevê investimentos em todos os setores de desenvolvimento, inclusive as Fonte de Energia Alternativa (Proinfa). Segundo o BNDES os investimentos são da ordem de 14 bilhões para , sendo o que o aporte total para infra-estrutura deve chegar a R$319,1 bilhões no período. 21

24 Horas/ano Figura Evolução da Disponibilidade no Brasil [6] Em um panorama mais especifico, pode-se observar na tabela 2.3 que o desenvolvimento está muito relacionado à disponibilidade do sistema. A visualização mostra a diferença entre Minas, São Paulo e a Cemig. Podemos observar que a disponibilidade da Cemig é maior que a de Minas, já que Minas não é plenamente atendida pela Cemig. De outra forma, ainda observa-se que o estado de São Paulo tem uma disponibilidade bastante elevada. Tabela Comparativos de disponibilidade [6] Cemig São Paulo Minas É importante ressaltar que, conforme site da ANEEL, os números visualizados são para interrupções, sendo que no caso do sistema elétrico nacional só são computados valores acima de 3 minutos. Desta forma observamos que existe um grande índice que não é avaliado, e consequentemente irá abaixar em muito os índices apresentados. 2.5 Aplicações da Chave Estática de Transferência Em aplicações de alta confiabilidade é normal o emprego de UPS com chaves de transferência estática integrada de modo a garantir a alimentação da carga quando da 22

25 ocorrência de uma falha interna à UPS ou em situações de manutenção preventiva do equipamento. Atualmente, as chaves estáticas têm sido empregadas como um equipamento a parte que seleciona uma entre duas fontes de alimentação para o fornecimento de energia à carga. Em sistemas de distribuição de energia elétrica em média tensão elas tem sido empregadas para substituir sistemas eletromecânicos, permitindo um aumento na velocidade comutação entre os alimentadores. Em sistemas com UPS, a chave de transferência estática provê um caminho alternativo para carga. Durante a operação normal, a carga é alimentada pela UPS através da chave estática. Na ocorrência de uma falha da UPS ou de uma sobrecarga, a chave estática transfere a alimentação da carga critica para a rede elétrica. Após a recuperação do defeito ou término da sobrecarga o processo é revertido. A figura 2.6, mostra um sistema com duas UPS em paralelo e uma STS alimentando a carga. Nesta figura também mostramos uma situação em que a chave estática alimenta a carga selecionando se a mesma é alimentada por um grupo motor gerador ou pelo sistema elétrico. Em todas estas situações, existe um grande ganho na confiabilidade do sistema. 2.6 Mercado e oportunidades O mercado de Chave Estáticas de Baixa Tensão tem aumentado consideravelmente nos últimos anos. Esse crescimento deve continuar principalmente por causa do aumento dos centros de dados e de telecomunicações. Além disto, outro fator importante para este crescimento é a sensibilização dos usuários finais da necessidade de proteger os equipamentos e processos de eventos catastróficos, como o apagão de 23 na América do Norte [8,9]. As perdas totais foram calculados na faixa de 6 a 1 bilhões de dólares. A figura 2.7, mostra a visão geral da evolução do mercado e seu prognóstico. Conforme estudo da Sullivan Frost de 27, os usuários finais têm percebido a importância de fazer investimentos no intuito de reduzir a duração e o número de interrupções no fornecimento de energia elétrica. O estudo mostra um mercado de 9 a 1 milhões de dólares em 26 e 27, com previsão de mais do que duplicar até 213. Devemos aqui salientar que a previsão foi realizada antes da crise econômica mundial de 28-29, mas já é observado que o crescimento tem se mantido. Em 29 esta avaliação foi refeita para o período e a previsão de 23

26 crescimento foi ligeiramente reduzida. Figura A Chave de Transferência Estática e as opções de uso O mercado para chave estática é dominado por fabricantes como Liebert (do grupo Emerson) e Cyberex nos Estados Unidos e Socomec na Europa e na Ásia, conforme também mostra relatorio da Sullivan Frost de 27. Milhões de dólares / ano Figura Evolução e prognóstico do mercado de Chaves de Transferência Estática [8] O mercado para chave estática é dominado por fabricantes como Liebert (do grupo Emerson) e Cyberex nos Estados Unidos e Socomec na Europa e na Ásia, conforme também mostra relatorio da Sullivan Frost de