Factores chave nas instalações da UPS

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1 Factores chave nas instalações da UPS Índice Utilizar este guia... 2 Descrição geral nas soluções de protecção... 4 Soluções de protecção de potência...4 Software e serviços incluídos...5 UPSs em instalações eléctricas... 6 Função de cada componente na instalação...6 Parâmetros essenciais da instalação...7 Fontes de informação na configuração as especificações da instalação...8 Noções básicas em instalações com UPSs... 9 Necessidade de potência de alta qualidade e elevada disponibilidade 9 Sistemas de alimentação com UPSs...10 Qualidade da potência da UPS...11 Disponibilidade da potência da UPS...13 Selecção da configuração...17 Cálculos da potência Elementos necessários para os cálculos da potência...18 Classificações das configurações da UPS simples...20 Classificações das configurações da UPS paralela...23 Controlo das harmónicas a montante UPSs e correntes harmónicas a montante para diferentes rectificadores de entrada...26 Filtragem das harmónicas a montante para os rectificadores em ponte de Graetz...27 Selecção de um filtro...29 Esquemas de ligação à terra do sistema Informação antecedente sobre os esquemas de ligação à terra do sistema...32 Aplicações nas instalações da UPS...35 Protecção Protecção utilizando disjuntores...42 Selecção dos disjuntores...42 Cabos Selecção dos tamanhos do cabos...47 Exemplo de uma instalação...48 Armazenamento de energia Tecnologias de armazenamento...49 Selecção de uma bateria...50 Monitorização da bateria...51 Comunicação e interface homem-máquina Interface homem-máquina (HMI)...53 Comunicação...53 Trabalho preliminar Considerações sobre instalação...56 Sala da bateria...57 Schneider Electric 09/2015 edition p. 1

2 Utilizar este guia Necessidades crescentes de potência de alta qualidade e elevada disponibilidade Os problemas relacionados com a qualidade e disponibilidade da potência eléctrica tornaram-se extremamente importantes devido ao papel chave dos computadores e da electrónica no desenvolvimento de muitas aplicações críticas. As perturbações nos sistemas de distribuição (micro interrupções de energia, interrupções de energia, sobretensões, etc.) podem causar perdas importantes ou situações perigosas de segurança numa variedade de actividades, como por exemplo: Indústrias sensíveis ao processo, em que uma falha nos sistemas de controlo/monitorização podem resultar em perdas de produção. Aeroportos e hospitais, em que o mau funcionamento do equipamento pode representar um perigo grave para a vida humana. Tecnologias de informação e comunicação, em que o nível necessário de fiabilidade e dependência é ainda maior. Centros de dados necessitam de potência 24 horas por dia e 365 dias por ano, sem interrupções e de alta qualidade, ano após ano e sem pausas para manutenção. Agora, os sistemas de protecção UPS são parte integrante da cadeia de valores de muitas empresas. O seu nível de disponibilidade e qualidade de potência tem um efeito directo na continuidade das operações. A produtividade, a qualidade dos produtos e serviços, a capacidade de concorrência da empresa e segurança do local dependem do funcionamento regular da UPS. A falha não é uma opção. Schneider Electric uma solução completa que cobre todas as necessidades Schneider Electric oferece uma gama completa de soluções de protecção de potência para satisfazer as necessidades de todas as aplicações sensíveis. Estas soluções implementam a tecnologia mais avançada de integração de produtos e software de comunicação, que oferecem os níveis de fiabilidade mais elevados. São suportadas por serviços completos baseados em conhecimentos únicos, presença mundial e utilização das técnicas e tecnologias mais avançadas. A Global Services TM, com 40 anos de experiência em instalações no local do cliente, acompanha a instalação através do ciclo de vida, desde a concepção, o arranque, o funcionamento até às actualizações, sempre que forem necessárias. As fontes de alimentação ininterruptas (UPSs) são obviamente uma parte vital destas soluções. Fornecem potência contínua de alta qualidade e elevada disponibilidade com interfaces incorporadas e avançadas de comunicação que são compatíveis com ambientes informáticos e electrónicos Geralmente são utilizadas em conjunto com outros produtos de comunicação, como condicionadores harmónicos, comutadores de transferência, quadros de distribuição, sistemas de monitorização de bateria e software de supervisão. No geral, esta oferta fornece uma resposta completa e eficiente aos problemas de protecção que resultam nas instalações sensíveis. Em relação aos centros de dados, as soluções a pedido integram a infra-estrutura física, incluindo prateleiras do servidor, UPSs, distribuição eléctrica, arrefecimento e segurança em conjunto com o software associado. Um guia para dar assistência aos profissionais que lidam com instalações eléctricas para aplicações críticas A Schneider Electric disponibilizou uma grande parte do seu know-how neste guia de concepção. O seu objectivo é dar assistência na concepção e instalação de soluções completas e optimizadas de protecção de potência, desde a rede de distribuição de energia eléctrica pública até à carga final, de acordo com os requisitos de qualidade e disponibilidade das suas aplicações críticas. Destina-se a todos os profissionais que lidam com este tipo de instalação, incluindo: Empresas de engenharia e escritórios de concepção independentes, Departamento de concepção do utilizador final, Instaladores, Gestores de projecto, Directores de instalação, Directores de sistemas informáticos, Directores financeiros e de compras. Schneider Electric 09/2015 edition p. 2

3 Utilizar este guia Estrutura deste documento Localizar informações Pode localizar as informações de várias formas: O índice geral no início do guia, A descrição geral nas páginas 4 e 5 do capítulo Factores chave na instalação da UPS, que apresenta os produtos, os sistemas de comunicação, o software e os serviços todos incluídos nas soluções de protecção. Capítulos O capítulo Factores chave na instalação da UPS apresenta nas páginas 6 e 7 o papel das UPSs nas instalações eléctricas e indica os parâmetros principais que se podem ter em consideração. A parte restante do capítulo orienta-o através do processo de selecção de uma solução, determinando os elementos principais de uma instalação com uma UPS. O capítulo Selecção da configuração da UPS apresenta vários exemplos práticos para seleccionar uma configuração, desde uma unidade UPS simples até instalações que oferecem níveis de disponibilidade excepcionalmente elevados. O capítulo Eliminar correntes harmónicas apresenta soluções para eliminar correntes harmónicas em instalações. O capítulo Revisão técnica disponibiliza informação técnica precedente para dispositivos e noções mencionadas noutras partes do guia. Finalmente, para facilitar a preparação dos projectos: Referências cruzadas Os vários capítulos incluem referências cruzadas (indicadas pelo símbolo ) a outras partes do guia de concepção apresentando informações mais profundas sobre tópicos específicos. As referências aos artigos técnicos (Notas de Aplicação - NA) são indicadas pelo seguinte símbolo juntamente com o número das Notas de Aplicação em questão. Ver nº NA Capítulo 1: Factores chave na instalação da UPS Capítulo 2 : Selecção da configuração da UPS Capítulo 3 : Eliminar correntes harmónicas Capítulo 5 : Revisão técnica Schneider Electric 09/2015 edition p. 3

4 Descrição geral das soluções de protecção Soluções de protecção de potência Fig Produtos Schneider Electric. Schneider Electric 09/2015 edition p. 4

5 Descrição geral das soluções de protecção Software e serviços incluídos Fig Software e serviços Schneider Electric. Schneider Electric 09/2015 edition p. 5

6 UPSs em instalações eléctricas Função de cada componente na instalação Fig Funções dos componentes nas instalações com UPSs. Schneider Electric 09/2015 edition p. 6

7 UPSs em instalações eléctricas (cont.) Parâmetros essenciais da instalação Fig Parâmetros principais dos componentes nas instalações com UPSs. Schneider Electric 09/2015 edition p. 7

8 UPSs em instalações eléctricas (cont.) Fontes de informação na configuração as especificações da instalação Os diagramas nas páginas anteriores disponibilizam uma descrição geral dos componentes e vários parâmetros nas instalações com UPSs. É essencial neste momento aprofundar os detalhes. A tabela abaixo indica: a ordem pela qual os assuntos são apresentados neste capítulo as escolhas a fazer o objectivo de cada decisão com a indicação das páginas relativas aos elementos relevantes neste capítulo onde se pode localizar informações adicionais noutros capítulos deste guia de concepção. Escolhas Objectivo Ver Informações adicionais Ver Determinar a arquitectura de instalação e Selecção da Exemplos e comparação de 13 a configuração da UPS mais adequada configuração da instalações típicas, desde unidades aos requisitos em termos de energia, UPS simples a arquitecturas de elevada disponibilidade, actualizações, disponibilidade. funcionamento e orçamento. Fornecimento de cargas sensíveis. Arquitectura única ou múltipla e configuração das fontes da UPS Potência nominal da UPS Controlo das harmónicas a montante Esquemas de ligação à terra do sistema Protecção a jusante e a montante utilizando disjuntores Ligações Bateria Comunicação Trabalho preliminar (se existir) Normas Determinar a classificação da unidade Factores chave UPS ou unidades paralelas (para nas instalações redundância ou capacidade) necessárias, da UPS tendo em conta o sistema de distribuição e p.17 características da carga. Reduzir a distorção de tensão nos terminais a montante para níveis aceitáveis, dependendo das possíveis fontes de alimentação para fornecer o sistema UPS. Garantir a conformidade da instalação com as normas aplicáveis em relação à segurança da vida e propriedade e funcionamento correcto dos dispositivos. Quais os esquemas de ligação à terra do sistema necessários para as aplicações? Determinar a capacidade de interrupção e as classificações dos disjuntores a montante e a jusante da UPS, resolver quaisquer problemas de discriminação. Limitar as quedas de tensão e aumento de temperaturas nos cabos, bem como a distorção harmónica nas entradas de carga. Funcionamento com a potência da bateria (tempo de reserva) deve durar o tempo suficiente para satisfazer os requisitos do utilizador. Definir a comunicação da UPS com o ambiente informático e eléctrico. O trabalho de construção e ventilação tem de ser planeado, principalmente se existir uma sala de bateria especial. Ter em consideração as principais normas aplicáveis da UPS. Factores chave nas instalações da UPS p. 24 Factores chave nas instalações da UPS p. 30 Factores chave nas instalações da UPS p. 35 Factores chave nas instalações da UPS p. 43 Factores chave nas instalações da UPS p. 45 Factores chave nas instalações da UPS p. 49 Revisão técnica p. 51 Revisão técnica p. 33 Configurações da UPS. Conjuntos de geradores a motor. Constituição e funcionamento da UPS. Eliminação das harmónicas nas instalações. Harmónicas Soluções de armazenamento de energia e baterias. Compatibilidade electromagnética Selecção da configuração da UPS p.5 Revisão técnica p.2 Revisão técnica p.23 Revisão técnica p.35 Revisão técnica p. 14 Eliminar correntes harmónicas Revisão técnica p. 38 Revisão técnica p. 31 Revisão técnica p. 26 Schneider Electric 09/2015 edition p. 8

9 Noções básicas em instalações com UPSs (cont.) Necessidade de potência de alta qualidade e elevada disponibilidade Perturbações na potência do sistema de distribuição Os serviços da rede de distribuição de energia eléctrica pública e privada fornecem electricidade, cuja qualidade pode ser reduzida devido a várias perturbações. Estas perturbações são inevitáveis devido às distâncias envolvidas e à grande variedade de cargas relacionadas. A origem das perturbações inclui: o próprio sistema de distribuição (condições atmosféricas, acidentes, mudança de dispositivos de protecção ou controlo, etc.), O equipamento do utilizador (motores, dispositivos que podem provocar falhas, como fornos de arco, máquinas de soldagem, sistemas de electrónica, etc.). Estas perturbações incluem micro interrupções de energia, sobretensões, variações de frequência, harmónicas, ruído de AF, oscilações, etc. até interrupções maiores. Perturbações na potência do sistema de distribuição, ver Capítulo 5 p.3. Requisitos das cargas sensíveis O equipamento digital (computadores, sistemas de telecomunicação, instrumentos, etc.) utiliza microprocessadores que funcionam a frequências de vários megas ou, até mesmo, gigas Hertz, ou seja, suportam milhões ou biliões de operações por segundo. Uma perturbação no fornecimento de electricidade que dure poucos milisegundos pode afectar milhares ou milhões de operações básicas. O resultado pode ser mau funcionamento e perda de dados com consequências perigosas (por exemplo, aeroportos e hospitais) ou com consequências dispendiosas (por exemplo, perda de produção). É esta a razão pela qual muitas cargas, denominadas cargas sensíveis ou críticas, necessitam de um fornecimento que esteja protegido contra perturbações do sistema de distribuição. Exemplos: processos industriais e os respectivos sistemas de controlo/monitorização risco de perdas de produção. aeroportos e hospitais riscos de segurança para as pessoas. tecnologias de informação e comunicação risco de pausas no processamento a um elevado custo à hora. Muitos fabricantes de equipamento sensível especificam tolerâncias muito rigorosas (mais rigorosas do que o sistema de distribuição) para o fornecimento do seu equipamento, um dos exemplos e a CBEMA (Computer Business Equipment Manufacturer s Association) para equipamento informático. Cargas sensíveis, ver Revisão técnica p. 2 "Fornecimento de cargas sensíveis". Custos incorridos pela qualidade da potência eléctrica Mais de 50% das falhas de cargas críticas devem-se ao fornecimento de electricidade e o custo da inactividade à hora para as aplicações correspondentes geralmente é muito elevado (fig. 1.5). Desta forma, é essencial para a economia moderna, que está cada vez mais dependente das tecnologias digitais, resolver os problemas que afectam a qualidade e a disponibilidade da potência fornecida pelo sistema de distribuição quando se destina a cargas sensíveis. Schneider Electric 09/2015 edition p. 9

10 Noções básicas em instalações com UPSs (cont.) 45 % Supply problems 15 % Human error 20 % 20 % Equipment failure Nuisance tripping (circuit breaker, etc.) Exemplos de custos das falhas à hora telemóveis 40 mil Euros. sistemas de reservas aéreas 90 mil Euros. transacções de cartões de crédito 2,5 milhões de Euros. linha de montagem automóvel - 6 milhões de Euros transacções da bolsa de valores 6,5 milhões de Euros. Fig Origem e custo das falhas dos sistemas devido ao fornecimento de electricidade. Sistemas de alimentação com UPSs Objectivo das UPSs As UPSs (fonte de alimentação ininterrupta) foram concebidas para satisfazer as necessidades apresentadas acima. Lançadas pela primeira vez nos anos 70, a sua importância tem vindo a crescer em conjunto com o desenvolvimento das tecnologias digitais. As UPSs são dispositivos eléctricos posicionados entre o sistema de distribuição e as cargas sensíveis. Fornecem potência muito mais fiável do que o sistema de distribuição e que corresponde às necessidades das cargas sensíveis em termos de qualidade e disponibilidade. UPSs, ver Revisão técnica p. 4 "A solução UPS". Tipos de UPSs O termo UPS abrange produtos com potências nominais aparentes, desde poucas centenas de VA até vários MVA, implementando diferentes tecnologias. É essa a razão pela qual a norma IEC e a norma equivalente europeia ENV define três tipos padrão (topologias) de UPS. As tecnologias da UPS incluem: Estado em espera passivo, Interacção com o sistema de distribuição, Conversão dupla. Para as potências nominais baixas (< 2 kva), as três tecnologias coexistem. Para as potências nominais superiores, praticamente todas as UPSs (por exemplo, componentes semicondutores de implementação, IGBTs) implementam a tecnologia de conversão dupla. As UPSs rotativas (com peças mecânicas rotativas, por exemplo volantes) não estão incluídas nos padrões e permanecem à margem no mercado. Tipos de UPSs, ver Revisão técnica p. 9 "Tipos de UPSs estáticas". UPSs estáticas de conversão dupla Este é praticamente o único tipo de UPS utilizado em instalações de elevada potência devido às suas vantagens exclusivas em relação aos outros tipos. regeneração completa da potência fornecida à saída, isolamento total da carga do sistema de distribuição e das suas perturbações, sem intervalo de transferência (quando aplicável) para uma linha bypass. O princípio de funcionamento (fig. 1.6) é apresentado abaixo. durante o funcionamento normal, o rectificador/carregador altera a potência de entrada de CA para potência de CC para alimentar um inversor e efectuar o carregamento flutuante da bateria. o inversor regenera completamente um sinal sinusoidal, repondo a potência de CC em potência de CA, livre de todas as perturbações e dentro das tolerâncias rigorosas de amplitude e frequência. se a potência de entrada de CA falhar, a bateria fornece a potência exigida pelo inversor durante um período de tempo de reserva especificado. um bypass estático pode transferir a carga sem uma quebra no fornecimento da potência a uma linha de bypass para continuar a fornecer a Schneider Electric 09/2015 edition p. 10

11 Noções básicas em instalações com UPSs (cont.) carga se for necessário (falha interna, curto-circuito, manutenção). Esta concepção de tolerância a falhas possibilita continuar a fornecer potência à carga no modo de redução (a potência não transita para o inversor) durante o período de tempo necessário para reestabelecer as condições normais. UPSs de conversão dupla, ver Revisão técnica p. 14 "Componentes e funcionamento". Fig UPS estática de conversão dupla Qualidade da potência da UPS Qualidade da potência das UPSs de conversão dupla Por predefinição, as UPSs de estado sólido e conversão dupla fornecem às cargas ligadas um sinal sinusoidal que: é de alta qualidade porque é regenerado e regulado de forma contínua (amplitude ± 1%, frequência ± 0,5% não tem perturbações resultantes do sistema de distribuição (devido à conversão dupla) e, especialmente, das micro interrupções e interrupções (devido à bateria). Este nível de qualidade tem de ser garantido, independentemente do tipo de carga. Qualidade da tensão para cargas lineares O que é uma carga linear? Uma carga linear fornecida com uma tensão sinusoidal transporta uma corrente sinusoidal com a mesma frequência do que a tensão. A corrente pode ser deslocada (ângulo ϕ) em relação à tensão (fig. 1.7). Exemplos de cargas lineares Muitas cargas são lineares, incluindo as lâmpadas padrão, unidades de aquecimento, cargas resistivas, motores, transformadores, etc. Não têm quaisquer componentes electrónicos, apenas resistências (R), indutores (L) e condensadores (C). UPSs e cargas lineares Para este tipo de carga, o sinal de saída da UPS é de elevada qualidade, ou seja, a tensão e a corrente são perfeitamente sinusoides, 50 ou 60 Hz. Carga puramente resistiva Carga com indutor e/ou condensador Fig Tensão e corrente para cargas lineares- Qualidade da tensão para cargas não lineares O que é uma carga não linear? Uma carga não linear (ou com distorção) fornecida com uma tensão sinusoidal transporta uma corrente periódica que tem a mesma frequência do que a tensão, mas não é sinusoidal. A corrente absorvida pela carga é, na verdade, a combinação (fig. 1.8) de: uma corrente sinusoidal denominada a fundamental, à frequência de 50 ou 60 Hz. Schneider Electric 09/2015 edition p. 11

12 Noções básicas em instalações com UPSs (cont.) Harmónicas, que são correntes sinusoides com uma amplitude inferior da fundamental, mas a uma frequência que é múltipla da fundamental e que define a ordem harmónica (por exemplo, a Terceira ordem harmónica tem uma frequência 3 x 50 Hz (ou 60 Hz) e a quinta ordem harmónica tem uma frequência 5 x 50 Hz (ou 60 Hz)). As correntes harmónicas são causadas pela presença dos componentes electrónicos (por exemplo, díodos, SCRs, IGBTs) que mudam a corrente de entrada. Exemplos de cargas não lineares As cargas não lineares incluem todas que têm uma fonte de alimentação no modo de comutador à entrada para fornecer os componentes electrónicos (por exemplo, computadores, unidades de velocidade variável, etc.). Tensão e corrente absorvidas por uma fonte Efeito das harmónicas (H3 e H5 neste de alimentação monofásica e no modo de exemplo). comutador (computadores). Fig A corrente absorvida por cargas não lineares é distorcida pelas harmónicas. O espectro harmónico da corrente absorvida por uma carga não linear A análise harmónica de uma corrente não linear consiste em determinar (fig. 1.9): as ordens harmónicas presentes na corrente, a importância relativa de cada ordem, medida como a percentagem da ordem. rms valueof harmonick Hk% = distorção da harmónica k = rms valueof thefundamental Distorção harmónica da tensão e corrente As cargas não lineares causam harmónicas da tensão e corrente. Porque para cada harmónica de corrente existe uma harmónica de tensão com a mesma frequência. A tensão sinusoidal de 50 Hz (ou 60 Hz) da UPS é distorcida pelas harmónicas. A distorção de um senóide é apresentada como uma percentagem. rms value of all theharmonic k THD* % = distorção total = rms value of the fundamental * Distorção Harmónica Total. Os seguintes valores estão definidos: TDHU % para a tensão, com base nas harmónicas de tensão, TDHI % para a corrente, com base nas harmónicas de corrente (fig. 1.9). Quanto maior for o conteúdo da harmónica, maior é a distorção. Na prática, a distorção na corrente absorvida pela carga é muito superior (THDI aproximadamente de 30%) do que a da tensão à entrada (THDI aproximadamente de 30%) Níveis de distorção harmónica H5 = 33% H7 = 2,7% H11 = 7,3% H13 = 1,6% H17 = 2,6% H19 = 1,1% H23 = 1,5% H25 = 1,3% THDI = 35% (ver cálculo cáp. 5, p. 41) Corrente de entrada de um rectificador trifásico. Espectro harmónico e THDI correspondente. Schneider Electric 09/2015 edition p. 12

13 Noções básicas em instalações com UPSs (cont.) Fig Exemplo do espectro harmónico da corrente absorvida por uma carga não linear. Cargas não lineares, ver "Eliminação das harmónicas nas instalações" e Revisão técnica p. 38 "Harmónicas". UPSs e cargas não lineares As harmónicas afectam a tensão sinusoidal na saída da UPS. A distorção excessiva pode perturbar as cargas lineares ligadas em paralelo na saída, principalmente aumentando a corrente que transportam (aumento da temperatura). Para manter a qualidade da tensão de saída da UPS, é necessário limitar a sua distorção (THDU), por exemplo, limitar as harmónicas de corrente que produzem distorção de tensão. Particularmente, é necessário que a impedância (na saída da UPS e nos cabos que fornecem a carga) permaneça reduzida. Limitar a distorção da tensão de saída Devido à técnica de corte da frequência, a impedância da saída das UPSs da Schneider Electric é muito baixa, independentemente da frequência (por exemplo, independentemente da ordem harmónica). Esta técnica elimina praticamente toda a distorção na tensão de saída no fornecimento de cargas não lineares. A qualidade da tensão de saída é constante, até para cargas não lineares. Na prática, os criadores de instalação têm de: verificar os valores de saída da UPS em relação a cargas não lineares e, especialmente, garantir que o nível apresentado de distorção, calculado para cargas não lineares padronizadas conforme a norma IEC , é muito reduzido (THDU < 2 a 3%), limitar o comprimento (impedância) dos cabos de saída que fornecem as cargas. Desempenho da UPS para cargas não lineares, ver Revisão técnica p 43. Disponibilidade da potência da UPS O que significa disponibilidade? Disponibilidade de uma instalação eléctrica Disponibilidade é a possível capacidade da instalação para fornecer energia com o nível de qualidade exigido pelas cargas fornecidas. É expressa em percentagem. MTTR Disponibilidade (%) = ( 1 ) 100 MTBF MTTR é o tempo médio para reparar o sistema de fornecimento depois de uma falha (incluindo o tempo para detector a causa da falha, repará-la e iniciar novamente o sistema). MTBF é o tempo médio entre as falhas, por exemplo o tempo em que o sistema de fornecimento consegue garantir o funcionamento correcto das cargas. Exemplo. Uma disponibilidade de 99,9% (denominada três noves) corresponde a uma hipótese de 99,9% em que o sistema terá as funções necessárias num dado momento. A diferença entre esta probabilidade e 1 (ou seja 1 0,999 = 0,001) indica o nível de não disponibilidade (ou seja, uma hipótese entre 1000 que o sistema não terá as funções exigidas num dado momento). Fig MTTR e MTBF. Qual o significado prático de disponibilidade? Schneider Electric 09/2015 edition p. 13

14 Noções básicas em instalações com UPSs (cont.) Os custos do tempo de inactividade para aplicações críticas são elevados (ver fig. 1.5). Obviamente, estas aplicações têm de permanecer em funcionamento durante o maior tempo possível. O mesmo aplica-se ao fornecimento de electricidade. A disponibilidade da energia fornecida por uma instalação eléctrica corresponde a uma medição estatística (em forma de percentagem) do seu tempo de funcionamento. Os valores de MTBF e MTTR são calculados ou medidos (com base nas observações longas o suficiente) para os componentes. Podem ser utilizados para determinar a disponibilidade da instalação durante o período de tempo. Quais são os factores que contribuem para a disponibilidade? A disponibilidade depende do MTBF e MTTR. A disponibilidade seria igual a 100% se MTTR fosse igual a zero (reparação instantânea) ou se MTBF fosse infinito (funcionamento sem interrupções). Isto é estatisticamente impossível. Na prática, quanto menor for MTTR e maior for MTBF, maior é a disponibilidade. Desde "3 noves" a "6 noves" A natureza crítica de muitas aplicações criou a necessidade de níveis muito maiores de disponibilidade da potência eléctrica. A economia tradicional utiliza potência dos serviços da rede de distribuição de energia eléctrica pública. Um sistema de distribuição de qualidade média com segurança HV oferece 99,9% de disponibilidade (3 noves), que corresponde a oito horas de não disponibilidade por ano. As cargas sensíveis necessitam de fornecimento eléctrico com capacidade em disponibilizar 99,99% de disponibilidade (4 noves), que corresponde a 50 minutos de não disponibilidade por ano. O equipamento informático e de comunicação em contros de dados necessita de 99,9999% de disponibilidade (6 noves), que corresponde a 30 segundos de não disponibilidade por ano. Este nível é a forma para garantir, sem risco de perda maior financeira, o funcionamento de infraestruturas 24 horas por dia e 365 dias por ano, sem encerramento para manutenção. É um passo para o fornecimento contínuo. A economia tradicional utiliza energia dos serviços da rede de distribuição de energia eléctrica pública que oferecem 99,9% de disponibilidade, ou seja, 3 noves. As cargas sensíveis necessitam de um nível de 99,99% de disponibilidade, ou seja, 4 noves. Os centros de dados necessitam de 99,9999%, ou seja, 6 noves. Fig Evolução do nível de disponibilidade necessária por aplicações. Como se pode melhorar a disponibilidade? Para melhorar a disponibilidade, é necessário reduzir o MTTR e aumentar o MTBF. Reduzir o MTTR A detecção de falha em tempo real, a análise por especialistas para garantir um diagnóstico exacto e a reparação rápida contribuem para reduzir o MTTR. Estes esforços dependem dos factores chave listados abaixo. Qualidade do serviço Presença internacional do fabricante. Disponibilidade internacional dos serviços. O número, as competências e a experiência das equipas de assistência. Schneider Electric 09/2015 edition p. 14

15 Noções básicas em instalações com UPSs (cont.) A base do produto instalado e a experiência adquirida. UPSs modulares simples de manter Os recursos e a proximidade do suporte técnico. Disponibilidade local de peças sobressalentes originais. Métodos e ferramentas do fabricante de alto desempenho. Diagnóstico remoto. Formação em cursos adaptados às necessidades dos clientes. Documentação disponível e de qualidade no idioma local. A Global Services TM oferece uma gama completa de serviços de consultadoria, formação e auditoria para disponibilizar aos utilizadores o conhecimento necessário para o funcionamento do sistema, o diagnóstico e a manutenção de nível um. Global Services TM Reduzir o MTTR Aumentar a disponibilidade Fig A qualidade dos serviços é um factor essencial na disponibilidade elevada. Capacidades da comunicação da UPS Interface de fácil utilização para fornecer um diagnóstico simples. Comunicação com o ambiente informático e eléctrico. Comunicação e supervisão das UPSs da Schneider Electric, ver. Comunicação da UPS. Aumentar o MTBF Esta meta depende principalmente dos factores listados abaixo. Selecção dos componentes com fiabilidade comprovada Produtos com processos certificados de fabrico, desenvolvimento e concepção. Níveis certificados de desempenho por organizações independentes reconhecidas. Conformidade com normas internacionais de segurança eléctrica, EMC (compatibilidade electromagnética) e medição de desempenho. As soluções da Schneider Electric, com 40 anos de experiência na protecção de 350 GVA da potência crítica, têm comprovado o seu valor às principais empresas industriais. Todos os produtos estão em conformidade com as principais normas internacionais e o seu nível de desempenho está certificado por organizações reconhecidas. Qualidade e fiabilidade certificadas Aumentar o MTBF Aumentar a disponibilidade Fig A fiabilidade comprovada dos produtos aumenta o MTBF e a disponibilidade. Tolerância de falha incorporada A tolerância de falha possibilita o funcionamento num modo de redução, após falhas que podem ocorrer em diferentes níveis da instalação (ver fig. 1.14). Durante o tempo necessário de reparação, a carga continua a ser fornecida e gera receitas. Schneider Electric 09/2015 edition p. 15

16 Noções básicas em instalações com UPSs (cont.) Immediate tripping: - detection and alarms - identification of causes - corrective action Fig A tolerância de falha aumenta a disponibilidade. Capacidade de manutenção da instalação É a capacidade para isolar (retirar energia) partes da instalação para manutenção sob condições seguras, enquanto o fornecimento da carga permanece. Deve ser possível: na UPS, devido ao bypass estático e bypass de manutenção, noutras partes da instalação, dependendo da arquitectura. Fornecimento directo da carga durante a manutenção. Transferência automática sem interrupções da carga para a linha bypass após uma falha interna a jusante ou sobrecarga. Fig Bypass estático e bypass de manutenção manual. As soluções da Schneider Electric garantem a tolerância de falha e capacidade de manutenção implementando: UPSs de conversão dupla com capacidade para transferir a carga para a entrada de CA do bypass através do bypass automático e equipadas com um bypass de manutenção, configurações da UPS redundante e de múltiplas fontes com unidades STS. Factores principais para a disponibilidade das instalações com UPSs Há alguns anos, a maioria das instalações era constituída por unidades UPS simples e o número de sistemas paralelos era reduzido. As aplicações que exigem este tipo de instalação ainda existem. No entanto, a passagem para a disponibilidade elevada exige a utilização de configurações que oferecem redundância a vários níveis na instalação (ver fig. 1.16). Schneider Electric 09/2015 edition p. 16

17 Noções básicas em instalações com UPSs (cont.) Redundância da fonte: disponibilidade até mesmo durante longas interrupções dos serviços da rede de distribuição de energia eléctrica pública. redundância da UPS: fiabilidade e manutenção mais fácil e segura. Distribuição redundante com unidades STS: disponibilidade máxima. Fig Os níveis necessários de disponibilidade deram origem à utilização de redundância em vários níveis da instalação. Esta tendência levou os criadores, dependendo da gravidade das cargas e dos requisitos de funcionamento, a terem em conta alguns ou todos os factores chave listados abaixo. Fiabilidade e disponibilidade Proponha uma configuração correspondente ao nível de disponibilidade necessária pela carga, incluindo componentes com níveis comprovados de fiabilidade e seguros através de um nível adequado de qualidade do serviço. Capacidade de manutenção Garanta uma manutenção simples do equipamento sob condições seguras para o pessoal e sem interromper o funcionamento. Capacidade de actualização Deve ser possível actualizar a instalação ao longo do tempo, tendo em conta a necessidade para expandir a instalação gradualmente e os requisitos de funcionamento. Discriminação e não propagação das falhas Deve ser possível limitar tanto quanto possível as falhas a uma pequena parte da instalação e ao mesmo tempo permitir a manutenção sem interromper as operações. Gestão e funcionamento da instalação Facilite as operações fornecendo os meios para antecipar os eventos através da supervisão da instalação e gestão dos sistemas. Selecção da configuração Pré-requisito na definição das especificações da instalação A selecção de uma configuração determina o nível de disponibilidade criada para a carga. Determina também as soluções possíveis para a maioria dos factores listados acima. A configuração pode ser de fonte única ou múltipla, com unidades UPS simples ou paralelas e com ou sem redundância. A selecção da configuração é o passo inicial na definição as especificações da instalação. Para ajudar na tomada da decisão certa, o capítulo 2 é totalmente dedicado a este assunto. Compara as várias configurações em termos de disponibilidade, protecção das cargas, capacidade de manutenção, capacidade de actualização e custo. Selecção da configuração baseada em instalações típicas correspondendo a diferentes níveis de disponibilidade, ver Selecção da configuração da UPS Schneider Electric 09/2015 edition p. 17

18 Cálculos da potência (cont.) Elementos necessários para os cálculos da potência Considerações sobre instalação Tipo de carga fornecida Cargas lineares (cos ϕ) ou cargas não lineares (factor de potência). Estas características determinam o factor de potência na saída da UPS. Potência máxima absorvida pela carga sob condições em estado estável. Para uma carga, esta é a potência nominal. Se várias cargas estiverem ligadas em paralelo na saída da UPS, é necessário calcular a carga total quando todas as cargas funcionam ao mesmo tempo. Caso contrário, é necessário utilizar diversidade para calcular o funcionamento menos favorável em termos de potência absorvida. Correntes de pico sob condições transitórias ou para um curto circuito a jusante A capacidade de sobrecarga de um sistema UPS depende do tempo de duração da sobrecarga. Se este tempo limite for excedido, a UPS transfere a carga para a entrada de CA do bypass, se as respectivas características de tensão estiverem dentro das tolerâncias. Neste caso, a carga deixa de estar protegida contra perturbações no sistema de distribuição. Dependendo da qualidade da tensão de CA do bypass, é possível: utilizar a entrada de CA do bypass para suportar aumentos de energia, devido a mudanças de dispositivos ou a curto-circuitos a jusante. Evita uma sobredimensão do sistema. Desactivar a transferência automática (excepto para falhas internas), enquanto a possibilidade de transferências manuais permanecem (por exemplo, para manutenção). As UPSs da Schneider Electric funcionam no modo de limitação de corrente. Ao espaçar a mudança dos dispositivos ao longo do tempo, geralmente é possível suportar correntes de pico sem ser necessário transferir para a potência de CA do bypass. Se a corrente de pico exceder o limite (por exemplo, 2,33 In para a UPS Galaxy 9000) durante alguns períodos de tempo (mas inferiores a um segundo), a corrente da UPS é limitada durante o tempo necessário. Este modo de funcionamento reduzido pode ser aceitável, por exemplo para um arranque forçado (na potência de bateria, na ausência da energia dos serviços da rede de distribuição de energia eléctrica pública). Potência de uma UPS Potência nominal de uma UPS Esta classificação, indicada nos catálogos, está na potência de saída. Está indicada como uma potência S n em kva, com a potência activa correspondente P n em kw, para uma: carga linear, carga com cos ϕ = 0,8. Contudo, as UPSs de última geração da Schneider Electric pode, fornecer cargas com cos ϕ = 0,9 capacitiva. Cálculo da potência nominal P n (kw) = 0,8 S n (kva). potência nominal activa Este cálculo depende da tensão de saída da UPS e a corrente absorvida pela carga, em que: S n (kva) = U n I n 3 nos sistemas trifásicos S n (kva) = V n I n nos sistemas monofásicos Para uma UPS trifásica, U e I são valores de linha rms, para uma UPS monofásica, V é uma tensão fase a neutra, em que: U n = tensão fase a fase V n = tensão fase a neutra U n = V n 3 Por exemplo, se U n = 400 volts, V n = 230 Volts. Schneider Electric 09/2015 edition p. 18

19 Cálculos da potência (cont.) Potência e tipo de carga As duas tabelas abaixo apresentam as equações que associam a potência, tensão e corrente, dependendo do tipo de carga (linear ou não linear). São utilizados os seguintes símbolos: valores de tensão instantânea u(t) e de corrente i(t), os valores rms correspondentes U e I, ω = frequência angular = 2 π f em que f é a frequência (50 ou 60 Hz), ϕ = deslocação entre a tensão e a corrente sob condições sinusoidais. Cargas lineares Trifásico Monofásico Tensão sinusoidal u(t) = U 2 sin ωt entre fases v(t) = V 2 sin ωt fase a neutra U = V 3 Corrente sinusoidal deslocada i(t) = I 2 sin (ωt - ϕ) corrente da fase Factor de crista da corrente 2 Potência aparente S (kva) = UI 3 cos ϕ S (kva) = VI Potência activa P (kw) = UI 3 cos ϕ = S (kva) cos ϕ P (kw) = VI cos ϕ = S (kva) cos ϕ Potência reactiva Q (kvar) = UI 3 sin ϕ = S (kva) sin ϕ Q (kvar) = VI sin ϕ = S (kva) sin ϕ 2 2 S = P + Q Cargas não lineares Tensão sinusoidal u(t) = U 2 sin ωt entre fases v(t) = V 2 sin ωt fase a neutra A tensão da UPS regulada permanece sinusoidal (THDU baixo), independentemente U = V 3 do tipo de carga. Corrente com harmónicas i(t) = i 1 (t) + Σih k (t) total da corrente de fase i 1 (t) = I 1 2 sin (ωt - ϕ 1 ) corrente fundamental i k (t) = Ih k 2 sin (kωt - ϕ k ) k-ordem harmónica I = I1 2 + I2 2 + I3 2 + I valor rms da corrente total C = valor da corrente de pico / valor rms Factor de crista da corrente THDI = I + I + I + I +... I Potência aparente S (kva) = UI 3 S (kva) = VI 1 Distorção harmónica total da corrente Potência activa P (kw) = λ UI 3 = λ S (kva) P (kw) = λ VI = λ S (kva) Factor de potência λ = PkW ( ) SkVA ( ) Carga em percentagem da UPS Esta é a percentagem da potência nominal absorvida pela carga. Carga (%) = S load ( kva ) S ( kva) n Recomendação: tenha em conta o aumento nas cargas Aconselha-se a dar uma margem (potência em excesso) ao definir a potência nominal, especialmente se está planeada uma expansão do local. Neste caso, garanta que a carga em percentagem na UPS ainda é aceitável depois da expansão. Eficiência da UPS Este factor determina a potência absorvida pela UPS no sistema de distribuição a jusante, ou seja, o consumo. Pode calcular-se da seguinte forma: Schneider Electric 09/2015 edition p. 19

20 Cálculos da potência (cont.) η (%) = P UPSoutput ( k W) PUPSinput ( kw) Para uma determinada potência nominal, um elevado nível de eficiência: reduz as facturas de energia, reduz as perdas de calor e, consequentemente, os requisitos de ventilação. É possível calcular a eficiência à carga total, ou seja, com 100% de carga. Pn ( kw) η n (%) = PUPSinput ( kw) A potência activa da UPS é obtida ao multiplicar a potência aparente S n (kva) por 0,8 (if λ > 0,8) ou por λ (se λ< 0,8). A eficiência pode variar significativamente dependendo da carga em percentagem e do tipo de carga. O criador da instalação deve ter em atenção dois aspectos da eficiência. Recomendação 1: verifique a eficiência para cargas não lineares A presença de cargas não lineares tem tendência a reduzir o factor de potência para valores abaixo de 0,8. Desta forma, é necessário verificar o valor de eficiência para cargas não lineares padronizadas. Recomenda-se esta verificação através das normas IEC / EN Recomendação 2: verifique a eficiência na carga em percentagem planeada Geralmente, os fabricantes indicam a eficiência à carga total. Contudo, o valor pode ser inferior se a carga em percentagem for menor (1). Deve ter-se em atenção as UPSs que funcionam numa configuração de redundância activa, em que as unidades partilham a carga total e geralmente funcionam a 50% da carga total ou menos. Uma UPS está optimizada para funcionar à carga total. Apesar das perdas serem nos níveis máximos à carga total, a eficiência também está nos níveis máximos. Numa UPS padrão, as perdas não são proporcionais à carga em percentagem, e a eficiência é reduzida drasticamente quando a carga em percentagem também é inferior. Esta situação ocorre porque as perdas são constantes e a percentagem relativa desta parte aumenta quando a carga aumenta. Para obter uma eficiência elevada a nível de carga reduzidos, as perdas constantes podem ser muito baixas. Devido à sua concepção, as UPSs da Schneider Electric têm perdas constantes muito reduzidas e como resultado, a eficiência é praticamente estável para cargas desde 30% a 100%. Eficiência da UPS, ver Revisão técnica p. 20. Classificações das configurações da UPS simples Configurações da UPS simples Estas configurações incluem uma unidade UPS simples de conversão dupla (ver fig. 1.17). A capacidade de sobrecarga na UPS está indicada por um diagrama (o exemplo abaixo é para a gama Galaxy 9000). No caso de uma falha interna ou uma sobrecarga que exceda a capacidade da UPS, o sistema transfere automaticamente para a entrada de CA do bypass. Se a transferência não for possível, as UPSs da Schneider Electric limitam a corrente (ou seja, pico de 2,33 In durante um segundo para o Galaxy 9000, que corresponde a um senóide máximo com um valor rms de 2,33 / 2 = 1,65 In). Para além de um segundo, a UPS é encerrada. Está disponível um conjunto de comutadores de desactivação para isolar a UPS para manutenção em total segurança. Schneider Electric 09/2015 edition p. 20

21 Cálculos da potência (cont.) Fig Unidade UPS estática simples de conversão dupla e exemplo de uma curva de sobretensão. Níveis de potência sob condições em estado estável Uma UPS é dimensionada utilizando a potência nominal aparente de saída S n (kva) e um factor de potência de saída de 0,8. Estas condições correspondem a uma potência nominal activa de P n (kw) = 0,8 S n (kva). Em situações reias, uma UPS fornece um número de cargas com um factor global de potência λ que geralmente não é 0,8 devido à presença de cargas não lineares e formas para aumentar o factor de potência; Se λ 0,8, a UPS ainda está limitada a P n (kw), Se λ < 0,8, a UPS está limitada a λ S n (kw) < P n (kw). Consequentemente, a selecção da potência nominal em kva deve ter em conta a potência activa fornecida às cargas. A potência activa é determinada através dos quatro passos seguintes. 1 Potência aparente e activa absorvida pelas cargas O primeiro passo é avaliar os requisitos de potência da carga. A tabela abaixo deve ser elaborada para as cargas k a serem fornecidas. Carga Potência nominal aparente (kva) Factor de potência de entrada λ (ou cos ϕ) Potência nominal activa (kw) Carga 1 S 1 λ 1 P 1 = λ 1 S 1 Carga 2 S 2 λ 2 P 2 = λ 2 S 2 Carga i S i λ i P i = λ i S i Carga k S k λ k P k = λ k S k Total S λ P = λ S (1) S não é a soma de S i. (2) λ tem de ser medido ou calculado. (3) P = λ S = Σ λ i S i (1) S não é a soma de S i porque: -seria necessário calcular a soma vectorial se todas as cargas fossem lineares, utilizando os ângulos dos diferentes cos ϕ, - algumas das cargas não são lineares. (2) λ tem de ser medido no local ou avaliado com base na experiência passada. (3) P = λ S = Σ λ i S i porque a potência activa é adicionada (sem deslocação). 2 Potência nominal aparente da UPS (S n ) O segundo passo é seleccionar uma UPS com uma potência nominal aparente suficiente para incluir os requisitos da carga (em kva). Mediante as condições fornecidas, a potência nominal aparente adequada para a UPS é: S n (kva) > S. em que S = P / λ. Na gama de UPSs, escolha a UPS com uma potência nominal S n (kva) logo acima de S. Se for necessária a potência de reserva e a classificação escolhida for demasiado próxima de S, escolha a próxima classificação mais elevada. 3 Verificar a potência activa O terceiro passo é verificar se a potência nominal escolhida consegue satisfazer os requisitos de carga em kw, mediante as condições de funcionamento estipuladas. Para a classificação escolhida, a UPS fornecerá a potência nominal activa Schneider Electric 09/2015 edition p. 21

22 Cálculos da potência (cont.) P n (kw) = 0,8 S n (kva) Se λ 0,8, garanta que P n (kw) > P, ou seja, que a UPS pode fornecer a potência adicional necessária, caso contrário seleccione a próxima classificação mais elevada. Se λ < 0,8, a potência fornecida pela UPS é suficiente porque P n (kw) > λ S n (kva), ou seja, a selecção está correcta Carga em percentagem O quarto passo é verificar se a carga em percentagem é aceitável agora e no futuro, consoante as condições de funcionamento pretendidas. A carga em percentagem é: Carga = S / S n (kva). Tem de ser suficiente para incluir quaisquer aumentos na carga ou se existirem planos para expandir o sistema de forma a ser redundante. Níveis de potência mediante condições transitórias Correntes de pico de carga É necessário saber a corrente de pico de cada carga e a duração das condições transitórias. Se existir o risco de um número de cargas ser activado ao mesmo tempo, é necessário somar as correntes de pico. Verificações necessárias Em seguida, é necessário verificar se a potência nominal da UPS planeada pode suportar as correntes de pico. Tenha em atenção que a UPS pode funcionar durante poucos períodos de tempo em modo de limitação de corrente (ou seja, 2.33 In durante um segundo para uma Galaxy 9000). Se a UPS não conseguir suportar as correntes de pico, é necessário decidir se é aceitável transferir para a entrada de CA do bypass quando ocorrem as condições transitórias. Se a transferência não for aceitável, é necessário aumentar a potência nominal. Revisão das correntes de pico, ver Revisão técnica p. 37. Exemplo O exemplo abaixo serve simplesmente para ilustrar o ponto em questão e não corresponde a uma situação real. O objectivo é indicar os passos necessários. A instalação é constituída por três cargas trifásicas de 400 V ligadas em paralelo: Sistema informático - S 1 = 4 x 10 kva (4 cargas idênticas de 10 kva), λ = 0,6 para todas as cargas, corrente de pico 8 In durante 4 períodos de 50 Hz (80 ms) para cada carga, Controlador de velocidade variável - S 2 = 20 kva, λ = 0,7, corrente de pico 4 In durante cinco períodos (100 ms), Transformador de isolamento - S 3 = 20 kva, λ = cos ϕ = 0,8, corrente de pico 10 In durante seis períodos (120 ms). Potência nominal aparente de saída S n (kva) Potência activa P n (kw) = 0,8 S n (kva) Factor de potência λ à saída da UPS para todas as cargas Potência total consumida pelas cargas P (kw) = 54 kw Fig Exemplo de uma instalação. 4 x 10 kva 20 kva 20 kva λ 1 = 0.6 λ 2 = 0,7 cos ϕ = 0,8 Potência máxima activa de saída (que a UPS possa fornecer às cargas) λ S n (kva) Schneider Electric 09/2015 edition p. 22

23 Cálculos da potência (cont.) Níveis de potência sob condições em estado estável 1 Potência aparente e activa absorvida pelas cargas Deve ser elaborada a tabela que se segue. Carga Potência nominal aparente (kva) Factor de potência de entrada Potência nominal activa (kw) Sistema informático * 32* Controlador de velocidade variável Transformador LV/LV Total S λ = 0.68 medido ou estimado P = 54 kw * média do novo sistema topo de gama com factor de potência 0,9 e do equipamento mais antigo com factor de potência entre 0,7 e 0,8. 2 Potência nominal aparente da UPS S = 54 / 0,68 = 79,4 kva Deve seleccionar uma Galaxy PW UPS com uma classificação suficiente. A classificação 80 kva não seria suficiente, ou seja, deve ser seleccionada a classificação 100 kva ou superior, se estiver planeada uma extensão do local. 3 Verificar a potência activa A UPS pode fornecer as cargas 100 x 0,68 = 68 kw > 54 kw. 4 Verificações da carga em percentagem e corrente nominal A carga em percentagem é 79,4 / 100 = 79,4%. Corrente nominal da UPS - S n (kva) = UI 3, ou seja I = 100 / (400 x 1,732) = 144 A. Correntes de pico sob condições transitórias As cargas devem ser iniciadas uma após a outra para evitar juntarem-se às correntes de pico. É necessário verificar se a UPS pode suportar as correntes de pico. As correntes nominais são calculadas como S (kva) = UI 3, ou seja: Sistema informático - In = 10 / (400 x 1,732) = 14,4 A, ou seja, 8 In 115 A durante 80 ms Unidade de velocidade variável In = 20/(400 x 1,732) = 28,8 A, ou seja, 4 In 115 A durante 100 ms Transformador - In = 20 / (400 x 1,732) = 28,8 A, ou seja, 10 In = 288 A durante 120 ms Uma Galaxy PW UPS de 100 kva tem uma capacidade de sobrecarga de 120%, ou seja, 151 A x 1,2 = 173 A para 1 minuto e 150%, ou seja, 151 A x 1,5 = 216 A durante 1 minuto Funcionamento em modo de limitação de corrente a 2,33 In, ou seja, 335 A durante um segundo. Se as quatro cargas do computador (10 kva cada) forem iniciada uma após a outra, a capacidade de sobrecarga de 20% da UPS é suficiente (173 A-1mn > 115 A - 80 ms). Se as quatro cargas forem iniciadas simultaneamente, a corrente de pico seria 4 x 115 = 460 A > 335 A. O sistema iria limitar a corrente durante 80 ms. Para o controlador de velocidade variável, a capacidade de sobrecarga é suficiente. Para o transformador de isolamento (288 A durante 120 ms), a capacidade de sobrecarga é novamente suficiente. Classificações das configurações da UPS paralela Configurações da UPS paralelas Objectivo da ligação paralela A ligação paralela de um número de unidades idênticas é a forma para: aumentar a potência nominal, estabelecer redundância que aumenta a MTBF e disponibilidade. Tipos de ligação paralela Podem ser ligados dois tipos de unidades UPS em paralelo. Unidades UPS paralelas integradas cada unidade UPS inclui um bypass automático e um bypass de manutenção manual. O bypass manual pode ser comum a todo o sistema (num compartimento externo). As unidades UPS paralelas com um SSC compartimento de comutador estático inclui um bypass automático e um bypass de manutenção comuns a uma variedade de unidades paralelas sem bypasses (ver fig. 1.19). Schneider Electric 09/2015 edition p. 23

24 Cálculos da potência (cont.) Também estão disponíveis sistemas paralelos modulares, constituídos por módulos redundantes e dedicados, potência, inteligência, bateria e bypass, tudo numa concepção de manutenção fácil e eficiente. Os módulos de potência podem ser adicionados facilmente à medida que a necessidade aumenta ou à medida que são necessários níveis mais elevados de disponibilidade. Existem dois tipos de configurações paralelas. Sem redundância todas as unidades UPS são obrigadas a fornecer a carga. A falha de uma unidade significa que todo o sistema encerra (não recomendado). Com redundância N+1, N+2, etc. o número de unidades UPS necessário para a carga é igual a N. Todas as unidades UPS (N+1, N+2, etc.) partilham a carga. Se uma unidade UPS for encerrada, as unidades restantes (pelo menos igual em número a N) continuam a partilhar a carga. Características e configurações típicas, ver Capítulo 2. Fig Sistema UPS com unidades ligadas em paralelo e um compartimento de comutador estático (SSC). Níveis de potência em configurações paralelas redundantes Numa configuração paralela redundante constituídas por unidades idênticas, as unidades partilham a carga. A potência nominal de cada unidade não depende do nível de redundância, mas tem de ser calculada para continuar a fornecer a carga, mesmo se não existir redundância. A redundância activa: aumenta a disponibilidade, aumenta a capacidade de sobrecarga, reduz a carga em percentagem em cada unidade UPS. O nível de potência é determinado através dos mesmos quatro passos do que a configuração da UPS simples. 1 Potência aparente e activa absorvida pelas cargas É utilizado o mesmo tipo de tabela do utilizado para um UPS simples (ver Capítulo1 p. 20). O resultado é a potência aparente S que tem de ser fornecida à carga. 2 Potência nominal aparente das unidades UPS (S n ) na configuração Considere um nível de redundância N + K (ou seja 2 + 1), que significa: - São necessárias unidades N (ou seja 2) para fornecer a carga, - As unidades K (ou seja 1 unidade extra) garante a redundância. Cada unidade UPS tem de ser dimensionada para activar o sistema como um todo para funcionar sem redundância, ou seja, com unidades operacionais N e unidades K encerradas. Neste caso, cada uma das unidades N tem de ter uma potência nominal aparente S n (kva), da seguinte forma: S n (kva) > S / N. Escolha d gama de UPSs, a UPS com uma potência nominal S n (kva) logo acima de S/N. Se for necessária a potência de reserva ou a classificação escolhida for demasiado próxima de S, escolha a próxima classificação mais elevada. 3 Verificar a potência activa Para a classificação escolhida, a UPS fornecerá a potência nominal activa Schneider Electric 09/2015 edition p. 24

25 Cálculos da potência (cont.) P n (kw) = 0,8 S n (kva) se λ 0,8, garanta que P n (kw) > P, ou seja, que a UPS pode fornecer a potência adicional necessária, caso contrário seleccione a próxima classificação mais elevada. se λ < 0,8, a potência fornecida pela UPS é suficiente porque P n (kw) > λ S n (kva), ou seja, a selecção está correcta. 4 - Carga em percentagem Com redundância, as unidades UPS partilham a carga de acordo com a equação S / (N+K). A carga em percentagem para cada unidade quando existe redundância é: T L = S / (N + k) S n (kva). Num sistema não redundante, é calculada da seguinte forma: T L = S / N S n (kva). Tem de ser suficiente para incluir quaisquer aumentos na carga. Exemplo Este exemplo utilizará os resultados do último exemplo e vamos considerar que as cargas são críticas, ou seja, a redundância é necessária. A carga total é 54 kw com um factor de potência global para todas as cargas de 0,68, ou seja, S = 54 / 0,68 = 79,4 kva. Se for utilizada redundância de 2+1, as duas unidades devem ter capacidade para fornecer a carga. Cada deve fornecer S / 2 = 79,4 / 2 = 39,7 kva. Deve seleccionar uma Galaxy PW UPS com uma classificação suficiente. A classificação 40 kva não seria suficiente, ou seja, deve ser seleccionada a classificação 50 kva ou superior, se estiver planeada uma extensão do local. Se a redundância não estiver disponível, as duas unidades devem ter capacidade para fornecer a carga. Este é o caso porque 2 x 50 x 0,68 = 68 kw > 54 kw. Durante o funcionamento, a carga em percentagem será: - com redundância, ou seja, com 3 unidades UPS que partilham a carga: 79,4 / 3 x 50 = 52,9%, - sem redundância, ou seja, só com 2 unidades UPS que partilham a carga: 79,4 / 2 x 50 = 79,4%. Schneider Electric 09/2015 edition p. 25

26 Controlo das harmónicas a montante UPSs e correntes harmónicas a montante para diferentes rectificadores de entrada Função do rectificador de entrada As unidades UPS absorvem potência do sistema de distribuição de CA através de um rectificador/carregador. Em relação ao sistema a montante, o rectificador é uma carga não linear que causa harmónicas. No que diz respeito às harmónicas, existem dois tipos de rectificadores. Rectificadores padrão Estes rectificadores são trifásicos e incluem SCRs e utilizam uma ponte hexafásica (ponte de Graetz) com corte padrão da corrente. Este tipo de ponte transporta correntes com ordens de n = 6 k ± 1 (em que k é um número inteiro), principalmente H5 e H7 e para um grau menor H11 e H13. As harmónicas são controladas utilizando um filtro (ver fig. 1.20). Rectificadores activos controlados com base em transístor tipo PFC Estes rectificadores activos com base em transístor têm um sistema de regulação que ajusta a tensão de entrada e a corrente a um senoide de referência. Esta técnica garante uma tensão de entrada e uma corrente que são: Perfeitamente sinusoidais, ou seja, livres de harmónicas, em fase, ou seja, com um factor de potência próximo de 1. Com este tipo de rectificador, não são necessários filtros. Limpar rectificadores com base em transístor, ver Capítulo 4. Todas as gamas de UPSs de elevada potência da Schneider Electric (excepto a Galaxy PW e Galaxy 9000) utilizam tecnologias de rectificadores activos controlados do tipo PFC e, desta forma, não geram harmónicas. Fig Rectificador de entrada e harmónicas. Schneider Electric 09/2015 edition p. 26

27 Controlo das harmónicas a montante (cont.) Filtragem das harmónicas a montante para os rectificadores em ponte de Graetz Objectivos da filtragem harmónica Esta secção diz respeito apenas às gamas Galaxy PW e Galaxy 9000 e às UPSs com rectificadores convencionais em ponte de Graetz. Um sistema a montante limpo O objectivo é garantir um nível de distorção de tensão (THDU) nos terminais que fornecem a UPS compatível com as outras cargas ligadas. A UTE recomenda limitar o THDU a: 5% quando a fonte é um gerador, 3% quando a fonte é um transformador para ter em conta 1 a 2% do THDU, que pode já estar presente no sistema de distribuição HV. Esta recomendação pode variar de país para país. Na prática, as soluções de distorção de tensão (THDU) têm de ser implementadas de acordo com as especificações do país onde a instalação está localizada. Combinação simples com um gerador a motor O objectivo é possibilitar uma combinação de UPS/gerador a motor sem risco de aumento do nível de harmónicas quando a carga é transferida para o gerador. Este risco existe porque o gerador tem uma impedância de fonte inferior à do transformador, que aumenta os efeitos das harmónicas. Factor de potência elevada na entrada do rectificador O objectivo é aumentar o factor de potência de entrada (geralmente para um nível superior do que 0,94). Reduz o consumo de kva e evita a sobredimensão das fontes. Instalação em conformidade com as normas O objectivo é estar em conformidade com as normas relacionadas com as perturbações das harmónicas e com as recomendações para os serviços da rede de distribuição de energia eléctrica pública. Normas sobre perturbações das harmónicas (ver tabela 1.2) - IEC / EN para dispositivos com uma corrente de entrada de 16 A/ph. - IEC / EN para dispositivos com uma corrente de entrada de > 16 A/ph. Normas e recomendações sobre a qualidade dos sistemas de distribuição, principalmente: - IEC / EN , - EN (Europa), - IEEE (Estados Unidos), - ASE 3600 (Suíça), - G5/3 (Reino Unido), etc. Normas sobre harmónicas, ver "Normas da UPS" na Revisão técnica p. 29. Tabela 1.2. Exemplo das limitações da corrente harmónica consoante o guia IEC / EN para dispositivos com uma corrente de entrada de > 16 A/ph (fase 1, ligação simplificada). Harmónica % de H1 (fundamental) H3 21.6% H5 10.7% H7 7.2% H9 3.8% H11 3.1% H13 2.0% H15 0.7% H17 1.2% H19 1.1% H21 0.6% H23 0.9% H25 0.8% H27 0.6% H29 0.7% H31 0.7% H33 0.6% Ordens pares 0,6% ou 8/n (n ordem par) Tipos de filtros de harmónicas Os filtros de harmónicas eliminam determinadas ordens ou todas as ordens, dependendo da sua tecnologia. Estão disponíveis os seguintes tipos. Schneider Electric 09/2015 edition p. 27

28 Controlo das harmónicas a montante (cont.) Filtros LC passivos não compensados compensados não compensados com relé Rectificador de ponte dupla Filtro de mudança de fase Filtro THM activo (tecnologia activa de 12 impulsos). Filtragem e ligação paralela Quando várias unidades UPS estão ligadas em paralelo e dependendo do tipo de filtro utilizado, é possível instalar: um filtro individual em cada unidade UPS, um filtro comum para toda a configuração em paralelo. O objectivo é alcançar um equilíbrio entre custo e eficiência, tendo em conta os níveis aceitáveis de distorção harmónica. As tabelas de comparação das várias soluções (Capítulo 1, p. 28) são úteis para fazer uma selecção. Combinação de filtros LC e gerador O gerador só pode fornecer correntes capacitivas relativamente reduzidas (10 a 30% de In). Ao instalar-se um filtro LC, a principal dificuldade recai sobre o arranque gradual do rectificador quando alimentado pelo gerador, quando a potência activa é zero e o gerador só fornece corrente capacitiva para o filtro. Em consequência, a utilização dos filtros LC têm de ser analisados correctamente para garantir que o funcionamento está em conformidade com as especificações do fabricante. Seguese um método de selecção de filtros LC, utilizando como exemplo uma curva de redução de potência do gerador, semelhante aos fornecidos pelos fabricantes. Fig Curva de redução de potência de um gerador, como uma função do factor de potência da instalação. A curva na figura acima, fornecida como exemplo entre muitas, mostra a redução de potência como uma função do ponto de funcionamento de um determinado gerador. Para uma carga verdadeiramente capacitiva (λ = 0), a potência disponível é igual apenas a 30% da potência nominal (ponto A). Se considerarmos uma potência nominal aparente, como a do gerador Pn = rectificador Pn, o significado dos pontos A, B, C, D, E e F é o seguinte: A: potência reactiva correspondente à corrente capacitiva de um filtro não compensado, B: potência reactiva correspondente à corrente capacitiva de um filtro compensado, C: ponto de funcionamento no arranque com um filtro não compensado com relé, D: ponto de funcionamento na carga nominal com um filtro não compensado, E: ponto de funcionamento na carga nominal com um filtro compensado, F: ponto de funcionamento na carga nominal, sem um filtro ou com um filtro de mudança de fase. Schneider Electric 09/2015 edition p. 28

29 Controlo das harmónicas a montante (cont.) Exemplo Considere um filtro não compensado com um gerador de 300 kva e uma 200 kva Galaxy PW UPS. A potência nominal do rectificador, tendo em conta 87% do valor de eficiência (1 / 0,87 = 1,15), é 1,15 vezes a do inversor, ou seja, 200 x 1,15 = 230 kva. A corrente capacitiva do filtro não compensado é 230 x 30% (1) = 69 kva. A potência reactiva que o gerador pode suportar (ponto A) é 300 x 0,3 = 90 kva. Assim, o filtro é compatível com o gerador. (1) O valor de 30% foi determinado experimentalmente. Selecção de um filtro Parâmetros de selecção de um filtro Eficácia global redução em distorção (THDI e THDU) A eficácia depende das ordens harmónicas filtradas e do grau de atenuação ou eliminação. É medido através do THDI na entrada do rectificador. O impacto no THDI determina o nível do THDU. É necessário verificar o desempenho na carga em percentagem planeada, tendo em conta que muitos sistemas UPS funcionam com cargas em percentagem entre 50 e 75%. Aumento no factor de potência λ O filtro aumenta o factor de potência (geralmente para um nível superior a 0,92). Compatibilidade com um gerador a motor Também é necessário verificar o desempenho com a(s) fonte(s) planeada(s), quer um transformador ou um gerador a motor. Porque o gerador tem uma impedância de saída inferior à do transformador, o que aumenta os efeitos das harmónicas. Adequado a configurações da UPS paralela Dependendo do tipo de filtro, é possível instalar um em cada unidade UPS ou configurar um único filtro para eliminação global das harmónicas. Eficiência O consumo dos filtros pode modificar ligeiramente a eficiência da instalação como um todo. Flexibilidade para configuração e actualizações Geralmente, os filtros são específicos a uma UPS e podem vir montados de fábrica ou serem colocados após a instalação. O regulador SineWave fornece eliminação global das harmónicas e maior flexibilidade na configuração. Dimensões É necessário verificar se o filtro pode ser instalado no gabinete da UPS ou num segundo gabinete. Custo Tem impacto na eficácia do filtro e tem de ser comparado com as vantagens obtidas. Conformidade com as normas É necessário determinar a conformidade com as normas, especialmente a IEC , em termos dos níveis harmónicos individuais indicados nos textos. Tabela de comparação das soluções As seguintes tabelas listam os elementos para comparação, com um comentário geral sobre a utilização de cada tipo de solução. A tabela 1.3 apresenta soluções individuais para configurações da UPS simples. Estas soluções também podem ser utilizadas em configurações paralelas. A tabela 1.4 apresenta as soluções globais para todas as configurações. Schneider Electric 09/2015 edition p. 29

30 Controlo das harmónicas a montante (cont.) Tabela 1.3. Comparação de soluções individuais de filtragem harmónica Critério Diagrama Tipo de filtro LC não compensado LC compensado LC com relé Ponte dupla THM incorporado Redução na distorção Fig. 1.22a Fig. 1.22b Fig. 1.22c Fig. 1.22d Fig. 1.22e THDI com 100% de carga 7 a 8% 7 a 8% 7 a 8% 10% 4% THDI com 50% de carga 10% 10% 10% 15% 5% Harmónicas eliminadas H5, H7 H5, H7 H5, H7 H5, H7, H17, H19 H2 a H25 Factor de potência λ a 100% de carga λ a 50% de carga Compatibilidade com gerador * ** ** ** *** Eficiência do filtro *** *** *** * ** Flexibilidade, capacidade * * * * *** de actualização Custo *** *** *** * ** Dimensões *** *** *** * *** Ligação em paralelo com UPS * * * * ** Conformidade com o guia IEC Comentários gerais Fig. 1.22f Fig. 1.22g Fig. 1.22h Fig. 1.22i Fig. 1.22j não não não não sim Solução adequada a instalações sem um gerador a motor. Solução adequada a instalações com um gerador a motor. A carga indutora adicionada reduz a potência capacitiva que deve ser fornecida pelo gerador a motor. Solução adequada a instalações incluindo um gerador a motor com uma potência nominal inferior à da UPS. A linha LC é ligada pelo relé com um valor predefinido correspondente à carga em percentagem do inversor aceitável para o gerador a motor. Solução adequada a instalações com geradores Solução adequada a instalações sensíveis ou com níveis de carga variáveis. A solução mais eficiente e mais flexível. Não depende da carga em percentagem, ou do tipo de fonte a montante. *** Excelente ** Boa * Suficiente Schneider Electric 09/2015 edition p. 30

31 Controlo das harmónicas a montante (cont.) Tabela 1.4 Comparação das soluções globais. Critério Diagrama Tipo de filtro SineWave AC input Filtro de mudança de fase SW UPS UPS UPS Load Redução na distorção THDI com 100% de carga THDI com 50% de carga Fig. 1.23a Fig. 1.23b Fig. 1.23c Fig. 1.23d 4% 5% Harmónicas eliminadas H2 a H25 Factor de potência λ a 100% de carga 0.95 λ a 50% de carga 1 Compatibilidade com gerador < 10% 35% com 1 encerramento de UPS < 5% 19% com 1 encerramento de UPS *** ** Eficiência do filtro *** ** Flexibilidade, capacidade *** * de actualização Custo *** *** Dimensões *** * Conformidade com o guia IEC Comentários gerais *** Excelente ** Boa * Suficiente sim Solução adequada a instalações sensíveis ou com níveis de carga variáveis. A solução mais eficiente e mais flexível. Não depende da carga em percentagem, ou do tipo de fonte a montante. sim < 4% 12% com 1 encerramento de UPS Não é possível alterar a solução. Adequada a instalações com mais de duas unidades UPS ligadas em paralelo. Schneider Electric 09/2015 edition p. 31

32 Esquemas de ligação à terra do sistema Informação antecedente sobre as disposições de ligação à terra do sistema Protecção de pessoas contra o contacto eléctrico As normas internacionais exigem que as instalações eléctricas tenham dois tipos de protecção das pessoas contra os perigos das correntes eléctricas. Protecção contra contactos directos O objectivo desta forma de protecção é evitar o contacto "directo" entre as pessoas e as peças com corrente (ver fig. 1.24). Inclui os pontos listados abaixo. isolamento das peças com corrente utilizando barras ou compartimentos que proporcionem um grau de protecção, pelo menos, igual a IP2X ou IPXXB. abertura no compartimento (portas, prateleiras, etc) só deve ser permitida mediante a utilização de uma chave ou ferramenta ou depois da desactivação das peças com corrente ou instalação automática de um ecrã. ligação de um compartimento em metal a um condutor de protecção. Protecção contra contactos indirectos e esquemas de ligação à terra do sistema O objectivo desta forma de protecção é evitar o contacto indirecto entre pessoas e peças condutoras expostas (ECP) que ficaram com corrente acidentalmente devido a uma falha de isolamento. A corrente com falha cria nas peças condutoras expostas (ECP) um potencial que pode ser suficiente para causar uma corrente perigosa para passar pelo corpo da pessoa em contacto com as peças condutoras expostas (ver fig. 1.24). Esta protecção inclui os pontos listados abaixo. ligação à terra obrigatória de todas as peças condutoras expostas (ECP) às quais o utilizador possa ter acesso. O condutor de protecção é utilizado para ligação à terra. Nunca deve ter interrupções (sem dispositivos de interrupção no condutor de protecção). As técnicas de interligação e ligação à terra das peças condutoras expostas (ECP) determinam o esquema de ligação do sistema (SEA) para a instalação. desactivação da alimentação quando o potencial das ECPs tem a possibilidade de atingir níveis perigosos. A interrupção é efectuada através de um dispositivo de protecção que depende do esquema seleccionado de ligação à terra do sistema (SEA). geralmente necessita de dispositivos de corrente residual (RCD), porque as correntes de falha de isolamento são demasiado baixas para serem detectadas pelos dispositivos de protecção de sobrecorrente. Fig Contactos directos e indirectos. Tipos de esquemas de ligação à terra do sistema (SEA) Existem três tipos de esquemas de ligação à terra do sistema (SEA). Neutro isolado (IT). Neutro ligado à terra (TT). Peças condutoras expostas ligadas ao neutro (TN com TN-C e TN-S). As duas primeiras letras indicam a forma como o neutro e os ECPs das cargas estão ligadas. Primeira letra Segunda letra Terceira letra (para TN) Ligação ao neutro Ligação aos ECPs Tipo de condutor de protecção T = neutro ligado à terra T = peças condutoras expostas ligadas ao neutro I = neutro isolado N = peças condutoras expostas ligadas ao neutro Sistemas IT, TT ou TN C = Neutro comum e condutor de protecção (PEN) S = Neutro separado (N) e condutor de protecção (PE) TN-C ou TN-S Schneider Electric 09/2015 edition p. 32

33 Esquemas de ligação à terra do sistema (Cont.) Esquemas de ligação à terra do sistema (SEA) Neutro isolado (IT) O neutro da fonte é: - isolado da ligação à terra (neutro isolado), - ou ligado à terra através de uma impedância elevada res (neutro impedante). As peças condutoras expostas (ECP), todas protegidas pelo mesmo dispositivo de interrupção, são ligadas à terra (resistência do electródio de ligação à terra R A ). Zres Id RA Fig Sistema IT. Ud PE L1 L2 L3 N Neutro ligado à terra (TT) O neutro da fonte tem ligação à terra. As peças condutoras expostas (ECP), todas protegidas pelo mesmo dispositivo de interrupção, são ligadas à terra (resistência do electródio de ligação à terra R A ). RB Id RA Fig Sistema TT. Ud PE L1 L2 L3 N Ex. Falha fase-a-ecp numa carga. Uo é a tensão fase-a-neutro num sistema de distribuição (230 V). Corrente da primeira falha R A = 10 Ω e Z res = 3500 Ω (aproximadamente), Id = Uo / (R A + Z res ) = 66 ma. Tensão da primeira falha Ud = Uo x R A / (R A + Z res ) = 0,66 V. Esta potência não é perigosa. A falha tem de ser detectada por um IMD (dispositivo de monitorização de isolamento) localizado por um dispositivo de localização de falha e reparada. Corrente da segunda falha A segunda falha que ocorre antes da primeira falha ser reparada resulta num fluxo de um curto-circuito fase-para-fase ou fase-paraneutro. Tem de ser eliminada pelos dispositivos de protecção de sobrecorrente dentro do limite de tempo definido pelas normas. Ex. Falha fase-a-ecp numa carga. Uo é a tensão fase-a-neutro num sistema de distribuição (230 V). Corrente com falha Ex. R A = 10 Ω e R B = 5 Ω Id = Uo / (R A + R B ) = 15,3 A Tensão com falha Ud = Uo x R A / (R A + R B ) = 153 V Esta potência é perigosa (> 50 V). A falha tem de ser eliminada pelos dispositivos de protecção dentro do tempo definido pelas normas. A corrente com falha é baixa e, desta forma, tem de ser detectada por um dispositivo de protecção de corrente residual (RCD) que impulsiona o dispositivo de protecção imediatamente. A corrente de funcionamento do RCD e o tempo necessário para eliminar a falha são definidos pelas normas. Schneider Electric 09/2015 edition p. 33

34 Esquemas de ligação à terra do sistema (Cont.) Peças condutoras expostas ligadas ao neutron (TN) O neutro da fonte tem ligação à terra directamente. As ECPs da instalação ligadas ao neutro e consequentemente ligadas à terra através do condutor de protecção (PEN). Este esquema transforma todas as falhas de isolamento em curto-circuitos fase-a-neutro. A potência do condutor de protecção é mantida próxima da ligação à terra pelos vários pontos de ligação. F A Id E D B C Ud L1 L2 L3 PEN Impedância da ligação em sequência da falha Zb = Z ABCDEF (parte do circuito ABCDEF) Zb Z BCDE 2 Z DE porque Z BC = Z DE (BC e DE são idênticos, a impedância de falha é insignificante) Ex. Uma carga fornecida por um cabo de cobre de 50 mm² com comprimento de 50 metros (fase e PE). Zb = 2 ρ L / S em que ρ = 22,5 Ω. mm 2 /m Zb = 2 x 22, x 50 / 50 = 45 mω. Tensão com falha Uma quebra de tensão de 20% é permitida para a tensão de fase-a-neutro Uo, ou seja, U BE = 0,8 Uo. No Z BC = Z DE, a potência dos ECPs aumenta para Ud = U BE / 2 = 0,8.Uo / 2 = 92 V Corrente com falha Id = 0,8 Uo / Zb = 0,8 x 230 / = 4089 A A interrupção é feita pelos dispositivos de protecção de sobrecorrente dentro do tempo definido pelas normas. A corrente com falha depende da impedância da ligação em sequência da falha. É necessário ter em atenção para garantir que em todos os pontos no sistema a corrente com falha é superior ao limite de funcionamento dos dispositivos de protecção. Fig Sistema TN-S (o princípio básico é idêntico ao sistema TN-C). Schneider Electric 09/2015 edition p. 34

35 Esquemas de ligação à terra do sistema (Cont.) Comparação dos esquemas de ligação à terra do sistema (SEA) Tipo de SEA IT (neutro isolado) TT (neutro ligado à terra) TN-S (ECP para neutro) TN-C (ECP para neutro) Funcionamento Sinalização da primeira falha de isolamento. Localização e eliminação da primeira falha. Desactivação para a segunda falha. Desactivação para a primeira falha de isolamento. Ocorre a desactivação para a primeira falha de isolamento Neutro separado (N) e condutor de protecção (PE). Desactivação para a primeira falha de isolamento. Neutro comum e condutor de protecção (PEN). Protecção de pessoas Interligação e ligação à terra dos ECPs. Primeira falha: - corrente muito baixa, - monitorização/indicação por um IMD. Segunda falha: - corrente potencialmente perigosa, - interrupção por dispositivos de sobrecorrente (ex. disjuntor de circuito). Equipamento específico Vantagens e desvantagens EMC Dispositivo de monitorização de isolamento (IMD) e dispositivo de localização de falha. Solução que oferece o melhor serviço de continuidade (primeira falha é assinalada). Necessita de pessoal competente para supervisão (localização da primeira falha). Desempenho elevado do EMC, correntes muito baixas no cabo de ligação à terra. Utilização Instalações que necessitam de assistência contínua, ex. Hospitais, aeroportos, processos industriais, navios. Instalações e locais onde existe risco de incêndio ou explosão, ex. minas, etc. ECP = Peças condutoras expostas. Ligação à terra dos ECPs combinados com a utilização dos dispositivos de corrente residual (RCD). Primeira falha: - corrente de fuga é periogosa, mas demasiado baixa para ser detactada pelos dispositivos de protecção de sobrecorrente, - detecção pelos RCDs combinados com dispositivos de interrupção. Dispositivos de corrente residual (RCD). Solução mais simples em relação à concepção e instalação. Uso obrigatório dos RCDs. Electródios de ligação à terra diferentes (fontes distantes). Altamente sensível a relâmpagos. Edifícios comerciais e residenciais, iluminação pública, escolas, etc. Interligação e ligação à terra necessárias dos ECPs e neutros. primeira falha: - corrente com falha, - interrupção por dispositivos de sobrecorrente (ex. disjuntor de circuito). Deve utilizar-se RCDs para longas distâncias. Elevados custos de instalação para potência nominal elevada. Dificuldade de concepção (cálculo das impedâncias da ligação em sequência). Fluxo de elevadas correntes de falha. Elevado desempenho do EMC, corrente baixa no PE durante o funcionamento normal. Grandes edifícios comerciais, edifícios altos, etc. Indústrias sem processos contínuos (sistema IT). Alimentação dos sistemas informáticos. Interligação e ligação à terra necessárias dos ECPs e neutros. Primeira falha: - corrente com falha, - interrupção por dispositivos de sobrecorrente (ex. disjuntor de circuito). Custos de instalação reduzidos (menos um condutor). Dificuldade de concepção (cálculo das impedâncias da ligação em sequência). Fluxo de elevadas correntes de falha. Baixo desempenho do EMC, elevadas correntes no PEN (ligações entre ECPs). Grandes edifícios comerciais, edifícios altos, etc. Indústrias sem processos contínuos (sistema IT). Alimentação dos sistemas informáticos. Aplicações nas instalações da UPS Aspectos específicos nos sistemas com UPSs A implementação dos sistemas de protecção acima em instalações que incluem uma UPS exige várias precauções devido a inúmeras razões: A UPS tem duas funções: - carga para o sistema a montante, - fonte de alimentação para o sistema a jusante, Quando a bateria não está instalada num gabinete, uma falha de isolamento no sistema de CC pode dar origem ao fluxo de um componente de CC residual. Este componente pode perturbar o funcionamento de determinados dispositivos de protecção, principalmente RCDs utilizados para a protecção de pessoas. Protecção contra contactos directos Todas as instalações de UPSs da Schneider Electric satisfazem os requisitos aplicáveis porque o equipamento está instalado em gabinetes que fornecem um grau de protecção IP 20. Esta situação acontece mesmo quando a bateria está num gabinete. Quando a bateria não está instalada num gabinete (geralmente numa sala especial), devem ser implementadas as medidas apresentadas no final deste capítulo. Schneider Electric 09/2015 edition p. 35

36 Esquemas de ligação à terra do sistema (Cont.) Protecção contra contactos indirectos Selecção de um esquema de ligação à terra do sistema Uma medida básica de protecção exigida pelas normas é a criação de um esquema de ligação à terra do sistema normalizado para a montante e a jusante da UPS. Os dois sistemas podem ser o mesmo ou diferentes se forem tomadas determinadas precauções. Numa instalação existente à qual a UPS é acrescentada, o sistema a montante já está definido. A selecção do sistema a jusante, quer o mesmo ou um diferente, depende da compatibilidade com as cargas sensíveis. A tabela na página anterior fornece os elementos necessários para comprar os vários esquemas normalizados de ligação à terra do sistema. Atenção, os regulamentos locais podem proibir determinados tipos de esquemas de ligação à terra do sistema. Selecção dos dispositivos de interrupção Além da interligação e ligação à terra das peças condutoras expostas em conformidade com um esquema de ligação à terra do sistema normalizado, a protecção das pessoas tem de ser assegurada por dispositivos de interrupção, de acordo com o esquema de ligação à terra do sistema. Estes dispositivos têm de accionar os dispositivos de protecção de sobrecorrente no caso de uma falha de isolamento. O accionamento pode: ser directamente provocado por definições adequadas nos dispositivos de sobreprotecção (disjuntores, fusíveis), ou pode necessitar (obrigatório para o sistema IT) da utilização de dispositivos de corrente residual (RCU) que podem ou não ser montados no disjuntor de circuito. Os RCDs são necessários para detetar as correntes de falha de isolamento que geralmente são muito baixas para accionar dispositivos de protecção de sobrecorrente normalizados. Consulte os requisitos locais em relação à segurança das instalações eléctricas. Tipos de sistemas para UPSs Os sistemas possíveis dependem: do sistema a montante seleccionado ou existente da UPS, do sistema a jusante da UPS, para o qual a selecção pode ser determinada: -pela reutilização do mesmo sistema do que o sistema a montante, -pela presença de transformadores de isolamento a montante e a jusante, que tornam possível a alteração do esquema de ligação à terra do sistema, - pelas cargas (ex. sistemas informáticos necessitam de um sistema TN-C ou TN), - pela organização do sistema de distribuição a jusante, com comutadores de transferência estática (STS), de determinados requisitos impostos pelas normas, por exemplo o PE do condutor de protecção ou PEN pode nunca ser interrompido para garantir fluxo de corrente de falha. Pode ser instalado a montante um sistema TN-C (PEN não interrompida) de um sistema TN-S (condutores separados N e PE), mas não o contrário. See WP 98 As UPSs são cada vez mais concebidas sem transformadores, oferecendo vantagens em termos de peso, tamanho e eficiência. A tecnologia sem transformador também torna possível modular a tensão para uma melhor adaptação a todos os tipos de cargas, em particular as cargas não lineares com harmónicas. A tecnologia sem transformador tem um impacto na utilização dos esquemas de ligação à terra do sistema. Para obter mais informações, consulte Nota de Aplicação NA 98: "A Eliminação dos Transformadores de Isolamento nos Sistemas de Alimentação de Centros de Dados"). Existem muitos casos dependendo dos esquemas de ligação à terra a montante e a jusante e do tipo de UPS. O seu representante Schneider Electric tem um conjunto completo de diagramas para todos os esquemas de ligação à terra do sistema e gamas de UPSs. Schneider Electric 09/2015 edition p. 36

37 Esquemas de ligação à terra do sistema (Cont.) As gamas Galaxy PW e Galaxy 9000 foram concebidas com transformadores de isolamento. Todas as outras gamas utilizam tecnologia sem transformadores, com o neutro recriado electronicamente. As seguintes páginas mostram alguns exemplos das UPSs Galaxy PW e Galaxy 5000, 7000 e Para outros casos, contacte o seu representante Schneider Electric para obter o diagrama aplicável. Transformador de saída (Galaxy PW e 9000) Sem transformador de saída (Galaxy 5000 e 7000)) Entradas separadas de bypass de CA e normal. Fig Diagramas padrão. Entradas comuns BP e normais. Sistemas idênticos a montante e a jusante Mesmo sistema a montante e a jusante IT, TT ou TN-S. Neutro distribuído pelas duas linhas. Mesmo sistema a montante e a jusante IT, TT ou TN-S. Neutro distribuído apenas na linha de bypass. Mesmo sistema a montante e a jusante Mesmo sistema a montante e a jusante TN-C IT, TT ou TN-S. Neutro distribuído. Galaxy PW e 9000 Galaxy 5000 e 7000 Fig Alguns exemplos com o mesmo sistema a montante e a jusante. Schneider Electric 09/2015 edition p. 37

38 Esquemas de ligação à terra do sistema (Cont.) Sistemas diferentes a montante e a jusante Alteração nos sistemas de ligação à terra a IT, TT ou TN-S a jusante. Neutro distribuído pelas duas linhas. Alteração nos sistemas de ligação à terra a IT, TT ou TN-S a jusante. Neutro distribuído pelas duas linhas. Alteração nos sistemas de ligação à terra Alteração nos sistemas de ligação à terra a TN-C a jusante. a TN-C a jusante. Galaxy PW e 9000 Galaxy 5000 e 7000 Fig Alguns exemplos com o sistema diferente a montante e a jusante. Schneider Electric 09/2015 edition p. 38

39 Protecção Protecção utilizando disjuntores O sistema de protecção para instalações com unidades UPS apresentadas aqui irá implementar disjuntores. Segue uma apresentação das características principais dos disjuntores e das respectivas unidades de activação. O número da peça referido como exemplo diz respeito aos disjuntores da Schneider Electric. Outras características, como corrente e esforço térmico limitado, estão entre os pontos mais fortes da gama de disjuntores Compact NSX, mas não serão tratadas neste documento. Para obter mais informações, consulte o catálogo de distribuição de média e baixa tensão da Schneider Electric e o Guia de Instalação Eléctrica. Unidades de activação Tecnologia Existem dois tipos de unidades de activação: termo-magnética, electrónica. Construção incorporada (apenas termo-magnética). intermutável. Comparação As unidades de activação termo-magnéticas são simples e acessíveis. As unidades de activação eléctrica oferecem mais definições precisas e completas para uma adaptação melhor às instalações e aos seus requisitos. A tabela abaixo resume as características dos dois tipos de unidades de activação para disjuntores, desde 1 a 630 A e deve permitir a resolução da maioria dos problemas detectados (desde 1 a 400 kva). A figura 1.31 apresenta as curvas características das unidades de activação. Protecção Símb. Definição Disponibilidade Protecção de sobrecarga (atraso Ir Definição de corrente em sobrecarga. Todas as unidades de activação. térmico ou longo) (1) Atraso longo (2) tr Aplica-se ao atraso logo de Unidades de activação activação (por ex. para arranque do electrónicas (por ex. motor). Micrologic 2, 5, 6). Protecção de curtocircuito (atraso curto ou magnético) (3) Atraso curto (4) Protecção de curtocircuito, activação instantânea (5) Im ou Isd tm ou tsd Ii Definição da corrente em curtocircuito. Em unidades de activação electrónica, lsd é uma função de Ir (geralmente 2 a Ir). Aplica-se a um atraso de activação curto (por ex. para discriminação de tempo com disjuntor a jusante). Definição de curto-circuito instantâneo. Depende exclusivamente da classificação da unidade de activação (por exe. protecção de comutadores estáticos). Todas as unidades de activação. Unidades de activação electrónicas (por ex. Micrologic 5, 6). Unidades de activação electrónicas (por ex. Micrologic 5, 6). (1) lr é o limite de protecção térmica (por vezes escrito lth) das unidades de activação termomagnéticas ou o limite de protecção do atraso longo das unidades de activação electrónicas. Estes limites são definidos por uma curva de tempo inverso que depende da definição seleccionada. (2) tr é o atraso de tempo da protecção térmica do atraso longo para um determinado valor de lr. (3) lm é o limite magnético das unidades de activação termo-magnéticas e lsd é o limite de atraso curto das unidades de activação electrónicas. (4) tm é o atraso de tempo (ajustável ou fico) da protecção magnetic das unidades de activação termo-magnéticas e tsd é o atraso de tempo (geralmente ajustável) da protecção de atraso curto das unidades de activação electrónicas. (5) li é o limite de activação instantânea. Schneider Electric 09/2015 edition p. 39

40 Protecção (cont.) Fig Curvas de tempo/corrente do disjuntor (lcu é a capacidade de interrupção final). Schneider Electric 09/2015 edition p. 40