Revisão teórica. Índice

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1 Revisão teórica Índice Cargas de alimentação sensíveis... 2 Tipos de perturbações eléctricas...2 Principais perturbações na energia eléctrica de baixa tensão...3 UPS... 5 A solução UPS...5 Aplicações UPS...6 Tipos de UPS... 8 UPS estáticas ou rotativas...8 Tipos de UPS estáticas...10 Componentes de UPS e funcionamento Componentes de uma UPS...17 Principais características dos componentes de UPS...20 Diagrama de resumo das características principais...26 Modos de funcionamento da UPS...27 Configurações da UPS...28 Tecnologia Technologia de UPS sem transformador...31 Compatibilidade electromagnética (CEM) Perturbações electromagnéticas...37 Normas de CEM e recomendações...37 Normas relativas a UPS Âmbito e cumprimento das normas...40 Normas principais relativas a UPS...40 Armazenamento de energia Tecnologias possíveis...43 Baterias...43 Volantes...47 Combinação de UPS/gerador Utilização de um gerador...51 Combinação de UPS/gerador...51 Harmónicas Harmónicas...54 Valores característicos de harmónicas...56 Cargas não lineares e tecnologia PWM (gerador de impulsos modulados) Desempenho de carga não linear de UPS com tecnologia PWM...62 Corte de frequência livre...63 Rectificador de PFC Schneider Electric 09/2015 edition p. 1

2 Alimentação de cargas sensíveis Tipos de perturbações eléctricas Consulte WP 18 Os sistemas de distribuição de energia, tanto públicos como privados, em teoria fornecem aos equipamentos eléctricos uma tensão sinusoidal de amplitude e frequência fixas (por exemplo, 400 volts rms, 50 Hz, em sistemas de baixa tensão. No entanto, em condições reais, as redes de distribuição de energia eléctrica públicas indicam que o nível de flutuação se situa entre os valores nominais. A norma EN define as flutuações normais na tensão de alimentação de baixa tensão nos sistemas de distribuição europeus da seguinte forma: Tensão +10% a -15% (rms (valor eficaz) médio a intervalos de 10 minutos), da qual 95% têm de estar no intervalo +10% por semana. Frequência +4 a 6% ao longo de um ano com ±1% para 99,5% do tempo (ligações síncronas num sistema interligado). Na prática, contudo, além das flutuações indicadas, a tensão sinusoidal é sempre distorcida até certo nível pelas várias perturbações que ocorrem no sistema. Consulte a Nota de Aplicação NA 18 Os Sete Tipos de Problemas de Potência Origens das perturbações Energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública A energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública pode sofrer perturbações, ou até cortes, devido aos fenómenos seguintes: Fenómenos atmosféricos que afectem as linhas aéreas ou os cabos subterrâneos - raios que podem provocar uma sobretensão súbita no sistema, - o gelo que se pode acumular nas linhas aéreas e fazer com que estas sejam cortadas, Acidentes: - um ramo cair sobre uma linha, o que pode provocar um curto-circuito ou o corte de uma linha, - o corte de um cabo, por exemplo durante a escavação de valas ou outros trabalhos de construção, - uma falha na rede de distribuição de energia eléctrica pública Desequilíbrio entre fases A ligação de dispositivos de protecção ou de controlo ao sistema público de distribuição de energia eléctrica, para fins de rejeição de carga ou de manutenção. Equipamento do utilizador Alguns equipamentos podem provocar perturbações no sistema de distribuição de energia eléctrica público, por exemplo: Equipamento industrial: - motores, que podem provocar quedas de tensão devido a correntes de irrupção no arranque, - equipamento como fornos de arco e máquinas de soldagem, que podem provocar quedas de tensão e interferências de frequência muito alta, Equipamento electrónico de potência (fontes de alimentação com modo de comutação, unidades de velocidade variável, balastros electrónicos, etc.), que provocam frequentemente harmónicas, Instalações de edifícios, como elevadores, que provocam correntes de irrupção ou lâmpadas fluorescentes que provocam harmónicas. Tipos de perturbações As perturbações devidas às causas acima são resumidas na tabela seguinte, de acordo com as definições contidas nas normas EN e ANSI Schneider Electric 09/2015 edition p. 2

3 Alimentação de cargas sensíveis (Cont.) Perturbações Características Causas principal Consequências principais Falhas de energia Micro-falhas Ausência total de tensão 10 min Condições atmosféricas, comutação, falhas, intervenções na rede. Funcionamento com falhas e perda de dados (sistemas informáticos) ou produção interrompida (processos contínuos). Falhas Variações de tensão Quebras de tensão Sobretensão Subtensão Picos de tensão Ausência total de tensão por mais do que um período. - breve falha de energia: 3 minutos (70% das falhas duram menos de 1 s) - falha prolongada: > 3 minutos Redução no valor da tensão rms para menos de 90% do valor nominal (mas superior a 0%), com regresso a um valor superior a 90% num intervalo de 10 min a 1 minuto. Aumento temporário para mais do que 10% da tensão nominal, por um período de 10 min a alguns segundos. Queda de tensão com a duração de alguns minutos a dias. Salto súbito e de grandes dimensões na tensão (por exemplo, 6 kv). Condições atmosféricas, comutação, falhas, acidentes, cortes de linhas, intervenções na rede de distribuição. Fenómenos atmosféricos, flutuações de carga, curto-circuito num circuito vizinho. - Qualidade dos geradores utilitários e dos sistemas de transmissão. - Interacção entre geradores e flutuações de carga no sistema de potência utilitário. - Ligar o sistema de potência utilitário. - Interrupção de cargas de alta potência (por exemplo, motores, baterias de condensadores). Pico de consumo, quando o utilitário não consegue satisfazer a necessidade e tem de reduzir a sua tensão para limitar a potência. Queda de raios nas proximidades, descargas estáticas. Dependendo da duração, inoperatividade das máquinas e riscos para as pessoas (por exemplo, elevadores), perda de dados (sistemas informáticos) ou produção interrompida (processos contínuos). Inoperatividade de máquinas, anomalias, danos no equipamento e perda de dados. - Para sistemas informáticos: Corrupção dos dados, erros de processamento, encerramento do sistema, tensão sobre componentes. - Aumento de temperatura e envelhecimento prematuro do equipamento. Encerramento de sistemas informáticos. Corrupção ou perda de dados. Aumento da temperatura. Envelhecimento prematuro do equipamento. Erros de processamento, corrupção de dados, encerramento do sistema. Danos em computadores, placas electrónicas. Desequilíbrio de tensão (em sistemas trifásicos) Variações de frequência Flutuações de frequência Oscilações Situação em que o valor de rms das tensões de fase ou os desequilíbrios entre fases são desiguais. Instabilidade de frequência. Normalmente +5%, - 6% (media para intervalos de tempo de dez segundos). As oscilações nos sistemas de iluminação devido a queda de tensão e frequência. (< 35 Hz). - Fornos de indução - Cargas monofásicas desequilibradas. - Regulação de geradores. - Funcionamento irregular de geradores. - Fonte (gerador) de frequência instável. Máquinas de soldagem, motores, fornos de arco, máquinas de raios- X, laser, baterias de condensadores. - Aumento da temperatura. - Desactivação de uma fase. Estas variações ultrapassam as tolerâncias de determinados instrumentos e hardware de computador (frequentemente ± 1%) e, por isso podem provocar a perda ou corrupção de dados Perturbações fisiológicas. Schneider Electric 09/2015 edition p. 3

4 Alimentação de cargas sensíveis (Cont.) Outras perturbações Transitórias de AF Salto de tensão súbito, de grandes dimensões e muito curto. Semelhante a um pico de tensão. Fenómenos atmosféricos (raios) e comutação. Destruição de equipamento, envelhecimento acelerado, avaria de componentes ou isoladores. Curta duração Média duração Longa duração Distorção harmónica Compatibilidade electromagnética (CEM) < 1 μs Amplitude < 1 a 2 kv em frequências de várias dezenas de MHz. > 1 μs e 100 μs Valor de pico 8 a 10 veze superior ao do valor nominal até vários MHz. > 100 μs Valor de pico 5 a 6 vezes superior ao do valor nominal até várias centenas de MHz. Distorção da corrente e da tensão sinusoidais devido às correntes harmónicas absorvidas pelas cargas não lineares. O efeito das harmónicas acima da 25ª ordem é negligenciável. Perturbações de condução ou radiação electromagnética ou electroestática. O objectivo é assegurar níveis reduzidos de emissões e uma alta imunidade. Abertura e fecho repetidos de relés e contactores. As falhas (raios) ou a comutação de alta tensão são transmitidas ao sistema de baixa tensão por acoplamento electromagnético. Interrupção de cargas indutivas ou de falhas de alta tensão transmitidas ao sistema de baixa tensão por acoplamento electromagnético. As máquinas eléctricas com núcleos magnéticos (motores, transformadores de descarga, etc.), fontes de alimentação com modo de comutação, fornos de arco, unidades de velocidade variável. A comutação de componentes electrónicos (transístores, tirístores, díodos, descargas electroestáticas. Sobredimensionamento do equipamento, aumento da temperatura, fenómenos de ressonância com condensadores, destruição de equipamento (transformadores). Avarias de dispositivos electrónicos sensíveis. Schneider Electric 09/2015 edition p. 4

5 UPS (Cont.) A solução UPS As actividades económicas modernas dependem cada vez mais das tecnologias digitais, que são muito sensíveis a perturbações eléctricas. Como resultado, inúmeras aplicações necessitam de uma fonte de alimentação de reserva para se protegerem do risco das perturbações na rede de distribuição de energia eléctrica pública: Os processos industriais e os respectivos sistemas de controlo/monitorização riscos de perdas de produção, Aeroportos e hospitais riscos para a segurança das pessoas, Tecnologias de informação e comunicação relacionadas com a Internet riscos de paragens nos processamentos, com custos extremamente elevados por cada hora de indisponibilidade, devido à interrupção na troca de dados vitais, necessária para as empresas globais. UPS Uma UPS (sistema de alimentação ininterrupta) é utilizada para fornecer uma alimentação segura a aplicações sensíveis. Uma UPS é um dispositivo eléctrico instalado entre o utilitário e as cargas sensíveis que fornece tensão oferecendo: Alta qualidade: a sinusoidal de saída está livre de todas e quaisquer perturbações da rede de distribuição de energia eléctrica pública e dentro das tolerâncias estritas de amplitude e frequência, Disponibilidade elevada: o fornecimento contínuo de tensão, dentro das tolerâncias especificadas, é assegurado for uma fonte de alimentação de reserva. A alimentação de reserva é geralmente uma bateria que, se necessário, intervém sem interrupções de alimentação, para substituir a energia eléctrica distribuída pela rede pública e fornecer o tempo de reserva de que a aplicação necessita. Estas características fazem das UPS a fonte de alimentação ideal para todas as aplicações sensíveis, uma vez que asseguram a qualidade e a disponibilidade da alimentação, independentemente do estado da rede de distribuição de energia eléctrica pública. Componentes de uma UPS Uma UPS inclui normalmente os componentes principais listados a seguir. Rectificador/carregador Absorve a energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública e produz uma corrente CC para alimentar o inversor e carregar ou recarregar a bateria. Inversor Regenera completamente uma sinusoidal de saída de tensão de alta qualidade: Livre de todas as perturbações da rede de distribuição de energia eléctrica pública, nomeadamente das micro-interrupções de energia, Dentro das tolerâncias compatíveis com os requisitos dos dispositivos electrónicos sensíveis (por exemplo, tolerâncias de amplitude ± 0,5% e frequência ± 1%, comparadas com ± 10% e ± 5% nos sistemas de distribuição de energia eléctrica públicos, que correspondem a factores de melhoria de 20 e 5, respectivamente. Nota. O termo inversor é utilizado algumas vezes para designar uma UPS, quando, na realidade, se trata de uma peça da UPS. Bateria A bateria fornece tempo de reserva de funcionamento suficiente (de 6 minutos a várias horas), intervindo para substituir a energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública. Bypass estático O bypass estático assegura uma transferência sem interrupções da carga do inversor para a rede de distribuição de energia eléctrica pública directa e vice-versa. A transferência sem interrupções é realizada por um dispositivo que implementa SCR (por vezes denominados de comutadores estáticos). O bypass estático torna possível continuar a fornecer a carga, mesmo que ocorra um erro interno ou durante a manutenção dos módulos rectificadores/carregadores e inversores. Também pode servir para transferências para solicitar a potência total disponível a montante, em caso de sobrecargas (por exemplo, curto-circuitos) que ultrapassem a capacidade da UPS. Durante o funcionamento com base no bypass estático, a carga é fornecida directamente pela rede de distribuição de energia eléctrica pública e deixa de estar protegida (funcionamento em modo reduzido). Schneider Electric 09/2015 edition p. 5

6 UPS (Cont.) Bypass de manutenção Este bypass pode ser utilizado para fornecer a carga directamente com a energia da rede pública, sem recorrer ao inversor ou ao comutador estático. A transferência para o bypass de manutenção é iniciada pelo utilizador através de comutadores. Accionar os comutadores necessários é a forma de isolar o bypass estático e o inversor para manutenção, ao mesmo tempo que se continua a fornecer a carga em modo reduzido. HV system HV/LV transformer Normal utility power (disturbances and system tolerances) Non-sensitive loads UPS Rectifier/ charger Battery Inverter Static bypass Maintenance bypass Sensitive loads Reliable power (no disturbances, within strict tolerances and available due to battery backup power) Fig A solução UPS. Aplicações UPS As UPS são utilizadas para uma ampla gama de aplicações que necessitam de corrente eléctrica que está disponível em permanência e que não é afectada pelas perturbações da rede de distribuição de energia eléctrica pública. A tabela abaixo apresenta várias aplicações. Para cada uma delas, indica a sensibilidade da aplicação a perturbações e o tipo de UPS adequado para protecção. As aplicações que necessitam deste tipo de instalação são: Sistemas informáticos, Telecomunicações, Indústria e instrumentos, Outras aplicações. As tipologias de UPS necessárias são apresentadas na página 9, Tipos de UPS estáticas. Entre estas incluem-se as UPS estáticas que implementam as tipologias seguintes: Estado em espera passivo, Interacção com o sistema de distribuição, Conversão dupla. Schneider Electric 09/2015 edition p. 6

7 UPS (Cont.) Aplicações UPS Aplicação Dispositivos protegidos Necessária protecção contra Tipo de UPS Microinterrupçõ es Interrupçõ es Variações de tensão Variações de frequência Outra (consulte p. 8) Sistemas informáticos Centros de dados Redes empresariais Pequenas redes ou servidores Computadores autónomos Telecomunicações Telecomunicações - Compartimento de grandes dimensões para servidores montados em bastidores - Centros de dados da Internet - Conjuntos de computadores com terminais e dispositivos periféricos (unidades de armazenamento de banda, unidades de disco, etc.) - Redes compostas por PC ou estações de trabalho, redes de servidores (WAN, LAN) - PC, estações de trabalho - Dispositivos periféricos: Impressoras, plotters, correio de voz - PPCA digitais ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** **** **** *** *** ** ** ** * * ** ***** ***** ***** ***** ***** Indústria e instrumentos Processos industriais - Controlo de processo - PLC - Sistemas de controlo numérico - Sistemas de controlo - Sistemas de controlo robotizado/monitorização - Máquinas automáticas *** ***** *** *** **** Medicina e laboratórios - Instrumentação - Scanners (60 Hz) **** ***** **** **** *** Equipamento industrial - Máquinas-ferramentas - Robôs de soldagem *** **** *** *** *** - Prensas de injecção do plástico - Dispositivos de regulação precisa (sector têxtil, do papel, etc.) - Equipamento de aquecimento para fabrico de semi-condutores, vidro, materiais puros Sistemas de iluminação - Edifícios públicos (elevadores, equipamento de segurança) ** **** *** *** ** - Túneis - Iluminação de pistas em aeroportos Outras aplicações Frequências especiais - Conversão de frequência **** - Fontes de alimentação para aeronaves **** **** ***** *** (400 Hz) * reduzida sensibilidade a perturbações ***** elevada sensibilidade a perturbações Conversão dupla Conversão dupla Interacção com o sistema de distribuição Em espera passiva Conversão dupla Conversão dupla Conversão dupla Conversão dupla Conversão dupla Interacção com o sistema de distribuição Conversão dupla Schneider Electric 09/2015 edition p. 7

8 Tipos de UPS UPS estáticas ou rotativas Consulte WP 92 Soluções de UPS estáticas ou rotativas Existem dois tipos principais de UPS (figura 5.2 e detalhes em Nota de Aplicação NA 92 - "Comparação de UPS Estáticas e Rotativas") que diferem basicamente no modo como a função de inversor da UPS é implementada. Solução estática Estas UPS utilizam componentes electrónicos para executar a função de inversor. Obtém-se uma função de inversor estático. Solução rotativa Estas UPS utilizam máquinas rotativas para executar a função de inversor. Obtém-se uma função de inversor rotativo. Na realidade, estas UPS combinam um motor e um gerador com um inversor estático extremamente simplificado. O inversor filtra as perturbações da rede de distribuição de energia eléctrica pública e regula apenas a frequência da sua tensão de saída (normalmente em forma de "ondas quadradas") que alimenta um conjunto de motor/gerador regulado que, por vezes, é combinado com um volante. O conjunto de motor/gerador gera uma tensão de saída sinusoidal, assumindo a frequência de saída do inversor como referência. Fig UPS estáticas e rotativas Comparação Solução rotativa Os argumentos frequentemente apresentados a favor desta solução são os seguintes: Corrente elevada de curto-circuito do gerador na ordem dos 10 In (dez vezes a corrente nominal), o que facilita a instalações de dispositivos de protecção, Capacidade de sobrecarga de 150% (da corrente nominal) num período mais alargado (dois minutos em vez de um), Instalação a jusante, isolada galvanicamente da fonte de CA a montante devido ao conjunto motor/gerador, Impedância interna que fornece alta tolerância às cargas não lineares frequentemente detectadas com as fontes de alimentação com modo de comutação utilizadas pelos sistemas informáticos. Schneider Electric 09/2015 edition p. 8

9 Tipos de UPS (Cont.) Solução estática Comparada com as vantagens das soluções rotativas As UPS estáticas da Schneider Electric oferecem as vantagens listadas abaixo. Funcionamento em modo de limitação de corrente (por exemplo, até 2,33 In para Galaxy 5000) com descriminação assegurada para circuitos calculados até In/2. Estas características, que na prática são mais do que suficientes, previnem as desvantagens dos sistemas rotativos: - sobreaquecimento de cabos, - os efeitos de uma corrente de curto-circuito excessiva e a correspondente queda de tensão nos dispositivos sensíveis, durante o tempo que os dispositivos de protecção demoram a eliminar a falha. Capacidade de sobrecarga de 150% (da corrente nominal) por um minuto. A capacidade de sobrecarga de dois minutos não tem qualquer utilidade prática, uma vez que a maior parte das sobrecargas é muito curta (menos de um segundo, por exemplo, em correntes de irrupção de motores, transformadores e electrónica de potência. Isolamento galvânico, quando necessário, através de um transformador de isolamento. Operação de conversão dupla que isola completamente a carga da rede de distribuição de energia eléctrica pública e regenera a tensão de saída através de uma regulação precisa da amplitude da tensão e da frequência. Impedância interna muito baixa para um mais elevado desempenho com cargas não lineares devido à utilização das tecnologias de transístor de potência. Outras vantagens As soluções estáticas fornecem muitas outras vantagens, devido à tecnologia de transístor de potência combinada com a técnica de corte de PWM. Concepção geral simplificada, com uma redução do número de peças e ligações, bem como do número de possíveis causas de erro. Capacidade de reagir instantaneamente à amplitude e às flutuações de frequência da energia eléctrica da rede de distribuição pública através da regulação da comutação controlada por microprocessadores baseada em técnicas de amostragem digital. A amplitude da tensão volta às condições reguladas (± 0.5% ou ± 1% dependendo do modelo) em menos de 10 milissegundos para alterações do escalão da carga de até 100%. No intervalo de tempo indicado, uma alteração do escalão da carga como esta produz uma variação da tensão da carga inferior a, por exemplo, ± 2% para Galaxy PW e Galaxy Uma eficiência elevada e constante, independentemente da carga em percentagem, que é uma grande vantagem para unidades UPS redundantes com baixas cargas em percentagem. Uma unidade UPS estática com uma carga de 50% mantém uma eficiência elevada (94%), enquanto a eficiência de uma UPS rotativa cai para o intervalo entre 88-90% (valor típico), o que tem um impacto directo nos custos operacionais. Configurações redundantes que fornecem uma disponibilidade elevada na estrutura de sistemas de alimentação ultra-fiáveis (por exemplo, para centros de dados). Integração possível em arquitecturas redundantes com funções separadas que facilitam a manutenção, isolando partes da instalação. Os sistemas rotativos integram a UPS, a fonte de alimentação de reserva e o gerador como um único componente, impossibilitando assim a separação das funções. Sem pontos únicos de falha. Os sistemas rotativos que incorporam volantes dependem da capacidade do motor para arrancar rapidamente (normalmente em menos de 12 segundos). Isto significa que o motor tem de estar em perfeito estado e ser alvo de uma manutenção rigorosa. Se o motor não arrancar, não existe tempo para desligar as cargas críticas ordenadamente. Pense também nas seguintes vantagens que não podem ser negligenciadas. reduzidas dimensões e peso, sem desgaste das peças rotativas, o que torna a manutenção mais fácil e rápida. Por exemplo, os sistemas rotativos requerem a verificação do alinhamento das partes rotativas e a substituição dos rolamentos após 2 a 6 a nos é uma operação de grandes dimensões (mecanismo de elevação, aquecimento e arrefecimento dos rolamentos durante a substituição). Schneider Electric 09/2015 edition p. 9

10 Tipos de UPS (Cont.) Conclusão Dadas as vantagens apresentadas acima, as UPS estáticas são utilizadas numa grande maioria dos casos e, em particular, para aplicações de alta potência. Nas páginas seguintes, entende-se que o termo fonte de alimentação ininterrupta (UPS) significa a solução estática. Tipos de UPS estáticas Normas UPS Devido a um enorme aumento do número de cargas sensíveis, o termo "UPS" inclui agora dispositivos que vão de algumas centenas de VA para computadores de secretária a vários MVA para centros de dados e sites de telecomunicações. Ao mesmo tempo, foram desenvolvidas tipologias diferentes e os nomes utilizados para os produtos disponíveis no mercado nem sempre são claros (ou chegam a ser enganadores) para os utilizadores finais. Foi por isso que a IEC (Comissão Electrotécnica Internacional) estabeleceu normas que regem os tipos de UPS, bem como as técnicas utilizadas para medir os seus níveis de desempenho, e esses critérios foram adoptados pelo CENELEC (Comité Europeu de Normalização). A norma IEC e a sua equivalente europeia EN definem três tipos de normas (topologias) de UPS e os seus níveis de desempenho. As tecnologias da UPS incluem: Modo em espera passivo, Interactividade linear, Conversão dupla. Potência de entrada de CA Estas definições dizem respeito ao funcionamento da UPS relativamente à fonte de alimentação, incluindo o sistema de distribuição a montante da UPS. As normas definem os termos seguintes: Alimentação primária: alimentação normalmente disponível em contínuo que, em geral, é fornecida por uma companhia de distribuição de energia eléctrica, mas por vezes é-o pelo gerador do próprio utilizador, Potência em espera: A potência que se destina a substituir a alimentação primária em caso de uma falha desta última, Na prática, uma UPS tem uma ou duas entradas: Entrada de CA normal (ou Principal 1), alimentada pela alimentação principal, Entrada de CA de Bypass (ou Principal 2), alimentada pela potência em espera (em geral, através de um cabo separado a partir do mesmo quadro de comutação principal de baixa voltagem (MLVS). UPS em funcionamento no modo em espera passivo A UPS é instalada em paralelo com a rede de distribuição pública e serve de reserve à mesma. A bateria é carregada por um carregador separado do inversor. Princípio de funcionamento Modo normal - O inversor funciona em modo em espera passivo. - A carga é fornecida através da rede de distribuição de energia eléctrica pública por intermédio de um filtro que elimina determinadas perturbações e fornece um certo nível de regulação da tensão. - As normas não mencionam este filtro, falando simplesmente de um "comutador UPS". Indicam igualmente que "podem ser incorporados dispositivos adicionais para fornecer o condicionamento da potência, por exemplo, um transformador ferroressonante ou um transformador com regulação". Modo de reserva da bateria - Quando a tensão de entrada de CA está fora das tolerâncias especificadas para a UPS, ou quando ocorre uma falha da rede de distribuição de energia eléctrica pública, o inversor e a bateria intervêm para assegurar uma fornecimento contínuo de potência à carga após um tempo de transferência muito curto (geralmente, inferior a 10 min). As normas não estipulam um tempo, mas indicam que "a carga [é] transferida directamente para o inversor ou através do comutador da UPS (que pode ser electrónico ou electromecânico)". Schneider Electric 09/2015 edition p. 10

11 Tipos de UPS (Cont.) - A UPS continua a funcionar com base na potência da bateria até ao fim do tempo de reserva da bateria ou até a rede de distribuição de energia eléctrica pública ser reposta, o que provoca uma transferência da carga de novo para a entrada de CA (modo normal). Fig UPS em funcionamento no modo em espera passivo Vantagens Diagrama simples. Custo reduzido. Desvantagens Não existe um verdadeiro isolamento da carga relativamente ao sistema de distribuição a montante. Tempo de transferência. Funciona sem um comutador estático real, por isso é necessário algum tempo para transferir a carga para o inversor. Este tempo é aceitável para algumas aplicações individuais, mas é incompatível com o desempenho exigido por sistemas mais sofisticados e mais sensíveis (grandes centros de informática, centrais telefónicas, etc.). Sem regulação da frequência de saída, que é simplesmente a da rede de distribuição de energia eléctrica pública. Utilização Esta configuração é, de facto, um compromisso entre um nível aceitável de protecção contra perturbações e custo. As desvantagens mencionadas significam que, na prática, este tipo de UPS só pode ser utilizado para classificações de baixa tensão (< 2 kva) e não pode ser utilizado como conversor de frequência. UPS em funcionamento no modo de interactividade linear O inversor está ligado em paralelo com a entrada de CA numa configuração em espera, e carrega igualmente a bateria. Interage assim (exploração reversível) com a fonte de entrada de CA. Princípio de funcionamento Modo normal A carga é fornecida com potência condicionada através de uma ligação de porta paralela da entrada de CA e do inversor. Enquanto a energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública se mantiver dentro das tolerâncias, o inversor regula as flutuações da tensão de entrada. Caso contrário (exploração reversível), carrega a bateria. A frequência de saída depende da frequência de entrada de CA. Modo de reserva da bateria - Quando a tensão de entrada de CA se encontrar fora das tolerâncias para UPS ou ocorrer uma falha da rede de distribuição de energia eléctrica pública, o inversor e a bateria intervêm para assegurar um fornecimento contínuo de potência à carga. O Schneider Electric 09/2015 edition p. 11

12 Tipos de UPS (Cont.) comutador de potência (por exemplo, o comutador estático) também desliga a entrada de CA para impedir que a potência do inversor flua para montante. - A UPS continua a funcionar com base na potência da bateria até ao fim do tempo de reserva da bateria ou até a rede de distribuição de energia eléctrica pública ser reposta, o que provoca uma transferência da carga de novo para a entrada de CA (modo normal). Modo bypass Este tipo de UPS pode ser equipado com um bypass. Se uma das funções da UPS falhar, a carga pode ser transferida para a entrada de CA do bypass através do bypass de manutenção. Fig UPS em funcionamento no modo de interactividade linear Vantagens O custo pode ser inferior ao de uma UPS de conversão dupla com a classificação de potência equivalente porque o inversor não funciona em contínuo. Desvantagens Não existe um verdadeiro isolamento da carga relativamente ao sistema de distribuição a montante, assim: - a sensibilidade às variações da tensão da rede de distribuição de energia eléctrica pública e as solicitações frequentes do inversor, - influência das cargas não lineares a jusante na tensão de entrada a montante. Sem regulação da frequência de saída, que é simplesmente a da rede de distribuição de energia eléctrica pública. Condicionamento medíocre da tensão de saída por o inversor não estar instalado em série com a entrada de CA. A norma fala de "potência condicionada", dada a ligação em paralelo da entrada de CA e do inversor. Contudo, o condicionamento é limitado pela sensibilidade das flutuações da tensão a jusante e a montante e pelo modo de exploração reversível do inversor. A eficiência depende de: - o tipo de carga. Com cargas não lineares, a corrente absorvida inclui harmónicas que alteram a fundamental. As correntes harmónicas são fornecidas pelo inversor reversível que regula a tensão e a eficiência é bastante reduzida. - a carga em percentagem. A potência necessária para carregar a bateria torna-se cada vez mais significativa enquanto a carga em percentagem diminui. Existe um ponto único de falha devido à inexistência de um bypass estático, i.e. se ocorrer uma avaria, a UPS é encerrada. Utilização Esta configuração não é adequada para a regulação de cargas sensíveis na classificação de média a alta potência porque a regulação da potência não é possível. Por este motivo, raramente é utilizada para além das classificações de baixa potência. Schneider Electric 09/2015 edition p. 12

13 Tipos de UPS (Cont.) UPS de conversão dupla O inversor é ligado em série entre a entrada de CA e a aplicação. A alimentação fornecida continuamente à carga flui através do inversor. Princípio de funcionamento Modo normal Durante o funcionamento normal, toda a alimentação fornecida à carga passa através do rectificador/carregador e inversor que, juntos, executam uma conversão dupla (CA-CC-CA), e daqui o nome. A tensão é regenerada e regulada em contínuo. Modo de reserva da bateria - Quando a tensão de entrada de CA se encontra fora das tolerâncias especificadas para a UPS ou existe uma falha da rede de distribuição de energia eléctrica pública, o inversor e a bateria intervêm para assegurar um fornecimento contínuo de potência à carga. - A UPS continua a funcionar com base na potência da bateria até ao fim do tempo de reserva da bateria ou até a rede de distribuição de energia eléctrica pública ser reposta, o que provoca uma transferência da carga de novo para a entrada de CA (modo normal). Modo bypass Este tipo de UPS inclui um bypass estático (por vezes denominado comutador estático) que assegura uma transferência ininterrupta da carga do inversor para a rede de distribuição de energia eléctrica pública directa e vice-versa. A carga é transferida para o bypass estático, nas situações seguintes: - falha da UPS, - transitórios de correntes de carga (correntes de irrupção ou de falha), - sobrecargas, - fim do tempo de reserve da bateria. A presença de um bypass estático assume que as frequências de entrada e de saída são idênticas, o que significa que não pode ser utilizado como um conversor de frequência. Se os níveis de tensão não forem idênticos, é necessário um transformador de bypass. A UPS é sincronizada com a entrada de CA do bypass para assegurar transferências ininterruptas do inversor para a linha do bypass. Nota. Está disponível uma outra linha de bypass, frequentemente denominada bypass de manutenção, para fins de manutenção. É fechada por um comutador manual. Fig UPS de conversão dupla. Schneider Electric 09/2015 edition p. 13

14 Tipos de UPS (Cont.) Vantagens Regeneração completa da potência de saída, quer esta provenha da rede de distribuição de energia eléctrica pública ou da bateria. Isolamento total da carga do sistema de distribuição e respectivas perturbações. Intervalo de tensão de entrada bastante alargado, mas com uma regulação precisa da tensão de saída. Independência das frequências de entrada e de saída, assegurando assim uma frequência de saída dentro das tolerâncias estritas. Capacidade para funcionar como um conversor de frequência (se planeado para esse efeito), através da desactivação do comutador estático. Níveis de desempenho bastante mais elevados sob condições transitórias e em estado estável. Passagem instantânea para o modo de reserva da bateria se ocorre uma falha da rede de distribuição de energia eléctrica pública. Transferência ininterrupta para uma linha de bypass (modo bypass). Bypass manual (normalmente normalizado) para facilitar a manutenção. Desvantagens Preço mais elevado, que é compensado pelas inúmeras vantagens. Utilização Esta configuração é a mais completa em termos de protecção da carga, possibilidades de regulação e níveis de desempenho. Assegura nomeadamente a independência da tensão e à frequência de saída relativamente à tensão e à frequência de entrada. As suas inúmeras vantagens significam que se trata praticamente da única configuração utilizada para classificações de média e de alta potência (acima de 10 kva). Conclusão As UPS de conversão dupla representam a grande maioria dos sistemas de média a alta potência vendidos (95% começando por poucos kva e 98% para as de 10 kva e superior). Isto deve-se aos seus inúmeros pontos fortes na satisfação das necessidades das cargas sensíveis com estas classificações de potência e é em grande parte resultado do inversor posicionado em série com a entrada de CA. E o que é mais importante, têm muito poucos pontos fracos à excepção do custo elevado, que é necessário para oferecer um nível de desempenho frequentemente indispensável, dada a natureza crítica das cargas protegidas. Um outro ponto fraco são perdas um pouco mais altas (algumas por cento). Nas classificações de potência em consideração, as outras tecnologias são marginais, apesar de um custo significativamente inferior. Têm as desvantagens listadas abaixo. Sem regulação de tensão para UPS no modo em espera passivo. Sem regulação de frequência para UPS no modo em espera passivo e UPS no modo de interactividade linear. Isolamento medíocre (frequentemente um protector contra picos) da entrada de CA devido à configuração em paralelo do inversor. Conclusão Para classificações de baixa potência (< 2 kva), as três tecnologias normalizadas coexistem. É a relação custo-eficácia das funções de protecção relativamente aos requisitos das cargas e os riscos corridos (para pessoas, produção, etc.) que determinam a selecção de uma das três tipologias. A UPS online de conversão delta Esta concepção de UPS, ilustrada na Figura 5.6, é uma tecnologia mais recente, com 10 anos, que foi introduzida para eliminar os inconvenientes da consepção online de conversão dupla e está disponível em tamanhos que vão dos 5 kva a 1,6 MW. Semelhante à concepção online de conversão dupla, a UPS online de Schneider Electric 09/2015 edition p. 14

15 Tipos de UPS (Cont.) conversão delta tem sempre o inversor a fornecer a tensão de carga. No entanto, o conversor delta adicional também fornece potência à saída do inversor. Em condições de uma falha ou perturbações de CA, esta concepção exibe um comportamento idêntico ao do online de conversão dupla. STATIC BYPASS SWITCH DELTA TRANSFORMER AC DC DELTA CONVERTER DC AC MAIN INVERTER Figura 5.6: UPS online de conversão delta BATTERY Uma forma simples de compreender a eficiência energética da topologia de conversão delta é pensar na energia necessária para entregar um pacote do 4º andar ao 5º andar de um edifício, como exemplificado na Figura 5.7. A tecnologia de conversão Delta economiza energia transportando o pacote apenas na diferença (delta) entre os pontos de início e de fim. A UPS online de conversão dupla converte a potência para a bateria e vice-versa enquanto o conversor delta move os componentes da potência da entrada para a saída. 4th Floor DOUBLE CONVERSION X 5th Floor 4th Floor DELTA CONVERSION X 5th Floor Figura 5.7: Analogia da conversão dupla vs. conversão delta Na concepção online da conversão delta, o conversor delta actua com um duplo objectivo. O primeiro é controlar as características da potência de entrada. Esta unidade inicial activa absorve a potência de modo sinusoidal, minimizando as harmónicas reflectidas na rede de distribuição pública. Isto assegura uma compatibilidade optimizada entre a rede de distribuição pública e o sistema do gerador, reduzindo o aquecimento e o desgaste do sistema no sistema de distribuição de potência. A segunda função do conversor delta é controlar a corrente de entrada de modo a regular o carregamento do sistema da bateria. A UPS online de conversão delta fornece as mesmas características de saída que a concepção online de conversão dupla. No entanto, as características de entrada são frequentemente diferentes. As concepções online de conversão delta fornecem Schneider Electric 09/2015 edition p. 15

16 Tipos de UPS (Cont.) entrada controlada dinamicamente, com correcção com factor de potência, sem a utilização ineficiente de bancos de filtros associados a soluções tradicionais. O benefício mais importante é uma redução significativa das perdas de energia. O controlo da potência de entrada torna igualmente a UPS compatível com todos os conjuntos de geradores e reduz a necessidade de um sobredimensionamento da cablagem e do gerador. A tecnologia online da conversão delta é a única tecnologia de UPS de núcleo actualmente protegida por patente e, portanto, não é provável que esteja disponível numa gama alargada de fornecedores de UPS. Durante as condições do estado estável o conversor delta permite que a UPS forneça potência à carga com uma eficiência bastante maior do que a da concepção de conversão dupla. Schneider Electric 09/2015 edition p. 16

17 Componentes de UPS e funcionamento (Cont.) Componentes de uma UPS As informações apresentadas abaixo dizem respeito a uma UPS de conversão dupla, a tecnologia mais comummente utilizada pela Schneider Electric para classificações de potência superiores a 10 kva. Diagrama geral de uma UPS Foram atribuídos números aos vários itens do diagrama abaixo que correspondem aos sectores das páginas seguintes. Fig Componentes de uma UPS Fontes de alimentação e entradas de UPS Na prática, uma UPS tem uma ou duas entradas: Entrada de CA normal (ou Principal 1), alimentada pela alimentação principal, Entrada de CA de Bypass (ou Principal 2), alimentada pela potência em espera (em geral, através de um cabo separado a partir do mesmo quadro de comutação principal de baixa voltagem (MLVS). Fontes de CA, consulte a p. 9 A ligação da UPS às fontes de alimentação primária e de potência em espera (entradas da UPS alimentadas por dois circuitos separados do MLVS) é recomendada porque a fiabilidade do sistema em geral aumenta. No entanto, se não estiverem disponíveis dois circuitos separados do MLVS, é possível que as duas entradas de CA (normal e de bypass) sejam alimentadas pela alimentação principal (segundo cabo). A gestão de transferências entre as duas linhas de entrada é organizada do modo seguinte. A UPS sincroniza a tensão de saída do inversor com a da linha de bypass enquanto esta última se situar dentro das tolerâncias. Assim, será possível, se necessário, ao comutador estático transferir a carga para a entrada de CA de bypass, sem uma interrupção (porque as duas tensões estão sincronizadas e em fase) ou perturbações (porque a potência de standby está dentro das tolerâncias) para a carga. Schneider Electric 09/2015 edition p. 17

18 Componentes de UPS e funcionamento (Cont.) Quando a potência em espera não se encontra dentro das tolerâncias, o inversor fica dessincronizado e a transferência é desactivada. No entanto, pode ser realizado manualmente. Componentes de uma UPS Rectificador/carregador (1) Transforma a potência de CA da fonte de alimentação primária em tensão de CC e a corrente utilizada para: Alimentar o inversor, Carregar e transferir carga flutuante para a bateria. Inversor (2) Utilizando a potência de CC fornecida por: Rectificador, durante o funcionamento normal, Bateria, durante o funcionamento autónomo, o inversor regenera completamente o sinal de saída sinusoidal, dentro de uma amplitude estrita e das tolerâncias de frequência. Bateria (3) Torna a UPS autónoma relativamente à rede de distribuição de energia eléctrica pública em caso de: Uma falha da rede de distribuição de energia eléctrica pública, Características da energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública fora das tolerâncias especificadas para a UPS. Os tempos de reserva da bateria vão dos 6 aos 30 minutos como norma e podem ser prolongados a pedido. Dependendo da duração do tempo de reserva, a bateria está instalada no mesmo armário da UPS ou num armário separado. Bypass estático (4) É utilizado um comutador estático para transferir a carga do inversor para o bypass sem qualquer interrupção* no fornecimento de potência à carga (sem interrupções porque a transferência é realizada por componentes electrónicos em detrimento dos mecânicos). A comutação é possível quando as frequências a montante e a jusante da UPS são idênticas. A transferência é efectuada automaticamente por qualquer uma das razões seguintes: Encerramento voluntário da UPS, Uma sobrecarga que exceda a capacidade limitadora do inversor (esta transferência pode ser desactivada), Uma falha interna. Também pode ser realizado manualmente. * A transferência ininterrupta é possível quando as tensões na saída do inversor e na entrada de CA do bypass estão sincronizadas. A UPS mantém a sincronização enquanto a potência em espera se mantiver dentro das tolerâncias. Bypass manual (5) É utilizado um comutador manual para transferir a carga para o bypass para fins de manutenção. A comutação é possível quando as frequências a montante e a jusante da UPS são idênticas. A passagem para o modo de bypass manual é realizada através de comutadores manuais. Comutadores manuais (6, 7, 8) Estes dispositivos isolam os módulos do rectificador/carregador e do inversor e/ou a linha de bypass para assistência ou manutenção. Disjuntor da bateria (9) O disjuntor da bateria protege-a de descargas excessivas, e o rectificador/carregador e inversor protegem-na de um curto-circuito. Transformador de isolamento a montante (10) (equipamento opcional) Fornece isolamento de entrada/saída à UPS quando a instalação a jusante é alimentada através de bypass. Schneider Electric 09/2015 edition p. 18

19 Componentes de UPS e funcionamento (Cont.) É particularmente útil quando as disposições de ligação à terra do sistema a jusante são diferentes. Pode ser instalado no armário da UPS na gama Galaxy PW. Transformador de correspondência da tensão (11) (equipamento opcional) Adapta a tensão para o valor pretendido. Filtros (12) (equipamento opcional) A montante do rectificador/carregador, quando são do tipo ponte de Graetz baseados em tirístor (o caso do Galaxy PW e 9000 UPS), um filtro harmónico (consulte Factores principais da instalação da UPS, na pág. 24) reduz as harmónicas da corrente resultantes da comutação dos tirístores do rectificador. Isto reduz a distorção da tensão nos terminais a montante resultantes do fluxo das correntes harmónicas (o nível necessário é geralmente a <5%). E o que é mais importante, estas UPS da Schneider Electric estão equipadas com um condutor neutro de um tamanho for a do normal instalado de origem para ultrapassar as consequências das harmónicas de terceira ordem e dos seus múltiplos que fluem no condutor neutro. Todas as outras UPS das gamas Galaxy e Symmetra estão equipadas com um rectificador do tipo PFC, que elimina a necessidade de um filtro (Factores principais da instalação da UPS, na pág. 24). A jusante, as UPS que implementam novas técnicas de corte PWM podem estar directamente ligadas a cargas não lineares. Esta técnica possibilita que as UPS da Schneider Electric mantenham a THDU abaixo de 3%. Comunicação incorporada (13) (14) Além da necessidade de uma interface ser humano/máquina de fácil utilização para uma monitorização eficaz do funcionamento da UPS, actualmente é cada vez mais importante que as UPS possam comunicar com os seus ambientes eléctrico e informático (sistemas de supervisão, sistemas de gestão de edifícios (BMS), sistemas de gestão informática, etc.). As UPS da Schneider Electric são desenhadas com uma capacidade incorporada de comunicação total e incluem: Uma interface ser humano/máquina (HMI) de fácil utilização com um monitor gráfico avançado e um painel sinóptico. A interface é construída em volta de sistemas de auto-monitorização e de auto-diagnóstico que indicam continuamente o estado dos vários componentes da UPS; em especial das baterias. Por exemplo, para as gamas Galaxy: - o sistema Digibat monitoriza continuamente o estado da bateria com funcionalidades completas de gestão da bateria, - o B2000 ou sistema de monitorização de bateria Cellwatch detecta imediatamente e localiza as falhas da bateria e fornece uma monitorização preditiva. Para as gamas Symmetra: - O sistema de gestão da bateria Schneider Electric (1 U) que pode ser montado em bastido, acessível através de um browser da Web, combina a monitorização da bateria e a realização de testes com um carregamento rápido individual para um desempenho inexcedível da bateria. Uma vasta selecção de placas de comunicação compatíveis com as normas de mercado: -Placa de gestão de rede (Ethernet) - Placa Modbus Jbus (RS232 e RS485) - Placa de relé (contactos secos) para indicações - Placa de modem de telesserviços Estas placas podem ser utilizadas para implementar supervisão, notificação, encerramento controlado e funções de telesserviços. Interface ser-humano máquina e Comunicação Consulte Factores principais na instalação da UPS na pág. 49 Distribuição a montante e/ou a jusante e dispositivos de protecção (15) (16) (equipamento opcional) AS UPS podem ser fornecidas com o equipamento seguinte: Disjuntores de BT a montante para entradas de CA (normal e bypass) Schneider Electric 09/2015 edition p. 19

20 Componentes de UPS e funcionamento (Cont.) Quadro de comutação de BT a montante com protecção de disjuntor para as entradas de CA (normal e bypass), Quadro de comutação de BT a jusante com protecção de disjuntor para os diferentes circuitos de saída. Schneider Electric pode fornecer uma selecção de UPS e de dispositivos de protecção que são perfeitamente coordenados em termos de classificações e de desempenho. Soluções completas A Schneider Electric pode fornecer soluções completas que incluem todos os componentes listados acima, incluindo soluções de condicionamento do ar para centros de dados, em conjunto com a Schneider Electric. Para os utilizadores, o resultado é um único parceiro e uma instalação que fornece desempenho e fiabilidade optimizados. Principais características dos componentes de UPS Estas características baseiam-se nas principais especificações técnicas apresentadas nas normas IEC /EN relativas aos requisitos de desempenho de UPS. Alguns termos aqui utilizados diferem da linguagem comumente utilizada e algumas das características ainda não foram assimiladas pelos fabricantes. Os novos termos ou características utilizados pela norma são indicados entre parênteses e precedidos por um asterisco. Por exemplo, o título de uma secção "corrente de entrada durante a transferência de carga flutuante para a bateria", um termo comummente utilizado, é seguido por (*corrente de entrada nominal), o termo utilizado na norma. Tenha em atenção que uma série de valores numéricos é indicada como exemplo. Na sua maior parte, são retirados das características técnicas das UPS correspondentes, indicados no capítulo 4, ou indicados simplesmente a título de exemplo. Potência de entrada de CA Número de fases e disposições de ligação à terra no sistema A fonte de alimentação de entrada de CA (alimentação primária) é trifásica + neutra. As entradas monofásicas não são utilizadas para os níveis de potência abordados aqui. A disposição de ligação à terra do sistema é geralmente imposto pelas normas (IT, TT, TNS ou TNC). Entrada de CA normal A entrada de CA normal é alimentada com a energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública para o rectificador/carregador, dentro das tolerâncias especificadas. Exemplo: 400 V rms ± 15% com uma frequência de 50 ou 60 Hz ± 5%, trifásica. Entrada de CA de bypass A entrada de CA de bypass é alimentada com potência em espera. Na prática, tratase de um cabo ligado a um alimentador utilitário no MLVS diferente do que alimenta a entrada de CA normal. Em geral, fornece tensão com as mesmas características das da alimentação principal. Exemplo: 400 V rms ± 15% a uma frequência de 50 ou 60 Hz ± 5%, e uma corrente de curto-circuito Isc2 = 12,5 ka. A corrente de curto-circuito é uma informação importante para os dispositivos de protecção a jusante, em caso de funcionamento através do bypass estático ou de manutenção. É recomendado o fornecimento de alimentação primária e de potência em standby em separado porque aumenta a fiabilidade geral do sistema, mas não é obrigatório. No entanto, se não estiverem disponíveis dois circuitos separados do MLVS, é possível que as duas entradas de CA (normal e de bypass) sejam alimentadas pela alimentação principal (segundo cabo). Rectificador/carregador Tensão flutuante É a tensão fornecida pelo rectificador/carregador que mantém a bateria completamente carregada. Schneider Electric 09/2015 edition p. 20