Princípios fundamentais dos geradores nas tecnologias de informação

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1 Princípios fundamentais dos geradores nas tecnologias de informação Por Robert Wolfgang Aplicação técnica nº 93

2 Sumário Executivo Qualquer profissional das tecnologias de informação que seja responsável pelo funcionamento de equipamento informático deve certificar-se de que o seu centro de dados ou sala de rede se encontra preparada para fazer face a cortes de energia prolongados. Compreender as funções e conceitos básicos dos sistemas com gerador de reserva ajuda a estabelecer uma base sólida, permitindo aos profissionais de TI definir, instalar e utilizar com sucesso instalações críticas. Esta nota serve como introdução aos geradores e subsistemas de reserva que alimentam as cargas eléctricas críticas de uma instalação sempre que se verificam falhas na corrente eléctrica. 2

3 Introdução Um sistema com gerador de reserva é composto por dois subsistemas básicos: (1) o gerador, que é constituído pelo mecanismo principal, pelo alternador, pelo regulador e (2) pelo sistema de distribuição, onde se encontra o comutador de transferência automática (ATS) e a engrenagem de comutação e distribuição associada. Na Figura 1 é apresentado um gerador de reserva normal. Nesta nota de explicação são descritos estes subsistemas principais e as suas funções básicas, no entanto, trata-se de uma nota introdutória que faz parte de um conjunto de notas da APC relacionadas entre si acerca de sistemas de geradores mais avançados e que servem como referência para os leitores interessados numa análise mais completa deste tema. Figura 1 Gerador de reserva Sempre que se investe num sistema de gerador deve ter-se em consideração as vantagens tecnológicas proporcionadas pelos sistemas actuais e os avanços significativos em termos de fiabilidade e funcionalidade que foram efectuados ao longo dos últimos anos. Os sistemas de gerador mais antigos podem frequentemente ser reajustados em função dos requisitos actuais. Consulte a Aplicação técnica nº 90 da APC, Essential Generator System Requirements for Next Generation Data Centers (disponível apenas em inglês) para uma análise mais detalhada dos requisitos essenciais de um sistema de gerador nas actuais instalações críticas. 3

4 O mecanismo principal: motor de combustão interna O que é a combustão interna? Existem fortes probabilidades de que o automóvel que conduz actualmente seja alimentado por um motor de combustão interna. O motor de combustão interna é a respeitável força de trabalho criada na última metade do século 20 e cuja função se prolongou até ao novo milénio. Em termos básicos, um motor de combustão interna converte a sua fonte de combustível em movimento mecânico através das peças móveis internas. À medida que o ar do exterior se mistura com o combustível existente no interior do motor, estas peças móveis inflamam a mistura de ar / combustível de modo a criar uma explosão interna controlada (combustão) no interior das cavidades denominadas cilindros. Apesar de existirem diversas variações do motor de combustão interna, o modelo mais utilizado nos sistemas com gerador de reserva é o motor de 4 tempos. É denominado por 4 tempos devido às quatro etapas distintas que ocorrem durante o ciclo de combustão. Estas etapas incluem a entrada da mistura de ar / combustível, a compressão da mistura, a combustão ou explosão e a exaustão. Quando relacionado com geradores, o motor é normalmente mencionado como mecanismo principal. Em seguida são descritos os principais atributos associados ao mecanismo principal. Combustível São utilizados quatro combustíveis principais nos motores de combustão interna. São eles o gasóleo, o gás natural, o petróleo líquido e a gasolina. A selecção do combustível varia em função de variáveis como o armazenamento, o custo e a acessibilidade. Exaustão, emissões e ruído A exaustão do sistema do gerador é uma questão importante no que diz respeito à poluição do ar e ao ruído. Apesar dos conceitos de redução do ruído e de canalização dos gases de escape serem bastante evidentes, as questões ambientais e de regulamentação não partilham dessa simplicidade. A EGSA (Electrical Generating Systems Association) é uma organização mundial que proporciona uma grande diversidade de informações acerca de emissões e que tece outras considerações acerca de geradores de reserva. Os regulamentos ambientais, as licenças de construção e a duração dos períodos de utilização do gerador podem variar consideravelmente em função dos locais. Por exemplo, a EPA (Environmental Protection Agency), uma organização federal dos Estados Unidos, delegou em cada estado a autoridade jurisdicional para atingir os objectivos relativos à qualidade do ar definidos a nível nacional. Outros países possuem entidades reguladoras semelhantes que definem limites para as emissões dos geradores. Por exemplo, a Defra (Department for Environment Food and Rural Affairs) define políticas para a protecção ambiental no Reino Unido. Na Índia, esta função é desempenhada pelo Ministério do Ambiente e das Florestas. Se a instalação se encontrar situada numa zona fechada, pode ser necessário apresentar as declarações sobre emissões do sistema do gerador aquando da apresentação do pedido de autorização. Normalmente, os profissionais da indústria encontram-se familiarizados com os processos de aprovação nos locais onde desempenham a sua actividade. 4

5 Outra questão sujeita à aprovação das autoridades jurisdicionais é a poluição sonora. Os regulamentos locais relativos à poluição sonora utilizam normalmente como referência o nível de ruído de fundo mais elevado registado e observável ao longo de um período de 24 horas. Os silenciadores de escape são normalmente classificados como industriais, residenciais ou críticas. Os silenciadores cruciais proporcionam o mais elevado nível de redução do ruído. Para evitar a despesa de um reajuste, deve considerar-se o nível de ruído de um sistema antes da sua aquisição e proceder à aprovação desses valores pelas autoridades locais ainda durante as etapas de planeamento. A vibração mecânica contribui igualmente para o nível de ruído geral e para a percepção individual dos utilizadores que permanecem na zona circundante. Existem técnicas de montagem e de isolamento que permitem minimizar estas questões. Um terceiro factor que é importante analisar é a questão da estética, uma vez que os geradores se encontram sujeitos à aceitação das autoridades municipais. Alguns municípios possuem requisitos especiais em termos da colocação do gerador, exigindo que este se encontre fechado entre paredes de cimento / tijolo semelhantes à restante decoração do edifício. Desta forma torna-se possível dissimular o gerador e fazer com este passe despercebido em relação ao ambiente circundante. Entrada de ar de combustão Torna-se importante integrar a alimentação de fluxo de ar frio e limpo na concepção da sala. Sugere-se igualmente o fornecimento de ar frio e limpo para aumentar o conforto do pessoal de serviço. Este procedimento requer frequentemente a abertura de orifícios de ventilação de grande dimensão e até a instalação de ventoinhas suplementares. Devem ser tomadas precauções para evitar a entrada de chuva, neve e detritos no sistema. Arrefecimento A maioria dos mecanismos principais das aplicações de geradores é refrigerada através de um sistema de refrigeração com radiador, muito semelhante ao que é utilizado num automóvel. É utilizada uma ventoinha para fazer deslocar uma quantidade de ar adequada sobre o radiador de modo a que a temperatura do motor respeite os limites recomendados. O calor produzido é escoado do radiador para o exterior, através de uma conduta que utiliza o mesmo tipo de material usado no fabrico da zona frontal do radiador. A abertura da entrada de ar (ventilação da sala) é normalmente % maior do que esta conduta. Torna-se necessário um trabalho de manutenção rigoroso do sistema de refrigeração para que o seu funcionamento seja fiável. As mangueiras de refrigeração, o nível de líquido de refrigeração, o funcionamento da bomba de água e o anticongelante devem ser verificados regularmente para que o seu desempenho seja satisfatório. Lubrificação Os modernos motores de 4 tempos utilizam sistemas com filtros de fluxo completos, os quais bombeiam o óleo de lubrificação através de filtros montados no exterior, de modo a evitar que partículas e substâncias contaminadoras danifiquem as peças móveis ou as bielas. São utilizados reservatórios de óleo para manter um nível de óleo adequado, bem como refrigeradores de óleo externos que ajudam a evitar problemas de lubrificação devido às temperaturas elevadas. 5

6 Filtros: ar e combustível O ar e o combustível são elementos cruciais para o funcionamento fiável do mecanismo principal. Torna-se essencial seguir um plano de manutenção adequado. Um sistema que inclua tubagens e filtros de combustível duplos e redundantes representa um benefício significativo para aplicações críticas em que é necessário manter o equipamento em funcionamento durante longos períodos de tempo. Este benefício resulta da possibilidade de poder isolar e substituir as tubagens e os filtros de combustível enquanto o motor se mantém em funcionamento. O facto de não se ter armazenado peças sobressalentes para os filtros ou outros consumíveis pode provocar tempos de paragem. A monitorização pró-activa destes filtros é efectuada com indicadores de pressão diferencial. Estes indicadores mostram a diferença de pressão existente num filtro ou entre duas tubagens de combustível durante a utilização do motor. Quando aplicados aos filtros de ar, estes dispositivos de monitorização proactivos denominam-se indicadores de restrição de ar. Estes indicadores permitem avaliar visualmente a necessidade de substituir um filtro de ar de entrada do tipo seco enquanto o motor do gerador se encontra em funcionamento. Motor de arranque O sistema de arranque é um dos componentes mais importantes para a utilização bem sucedida do gerador. Encontram-se muitas vezes presentes sistemas UPS com alguns minutos de autonomia da bateria para cargas críticas da empresa, pelo que se torna importante dispor de um arranque rápido. O período mínimo necessário para detectar o problema de alimentação, activar o mecanismo principal, definir a tensão e frequência de saída estáveis e efectuar a ligação às cargas é normalmente de segundos. No entanto, muitos dos sistemas utilizados actualmente não apresentam um desempenho fiável a este nível devido a diversos factores, como baterias descarregadas ou roubadas. Podem ainda ser contabilizados outros factores como uma manutenção inadequada e as falhas humanas. Uma manutenção e concepção adequadas são factores absolutamente críticos para atingir uma taxa de sucesso aceitável para os arranques do sistema do gerador. A maioria dos sistemas com gerador utiliza um motor de arranque com bateria, tal como acontece nas aplicações da indústria automóvel, apesar de ser possível encontrar alternativas pneumáticas ou hidráulicas nos mecanismos principais mais pesados. O elemento mais importante do motor de arranque convencional é sem dúvida o sistema da bateria. Por exemplo, o alternador de carregamento da bateria existente em alguns motores não evita o descarregamento da bateria durante os períodos de inactividade. A criação de um sistema de carregamento automático e autónomo com alarme remoto é considerada uma prática essencial. É ainda importante manter a bateria quente e livre de sinais de corrosão. O aquecimento da bateria é conseguido através de um aquecedor que mantém a temperatura do electrólito da bateria. Em climas frios, este procedimento permite aumentar significativamente a corrente de arranque do motor disponibilizada pelo motor de arranque. As baterias são classificadas em CCA (Cold Cranking Amperes), em que se indica o número de amperes disponível durante 30 segundos a -17,8 C. No caso das temperaturas inferiores a -17,8 C e superiores a 26,7 C, a fiabilidade é muito reduzida. 6

7 Os aquecedores de bloqueio do motor contribuem igualmente para a taxa de sucesso do arranque, reduzindo as forças de atrito contra as quais o motor de arranque tem de agir aquando da sua activação. Vários estudos chegaram à conclusão que as falhas no arranque são as principais causas de avaria dos sistemas com gerador. O alternador: O componente de criação de potência eléctrica A função do alternador é a de converter energia mecânica do mecanismo principal em corrente alternada. Este procedimento é muito semelhante ao do alternador de um automóvel, no entanto, no automóvel este dispositivo utiliza uma correia ao passo que num gerador se recorre ao eixo principal do mecanismo principal. É possível criar um alternador muito básico a partir de um laço de arame e de um íman. A electricidade é produzida quando o laço de arame é deslocado através do campo magnético produzido pelos pólos positivo e negativo do íman. Em alternativa, é possível deslocar o campo magnético enquanto o laço permanece fixo. É óbvio que um alternador deste tipo produz apenas uma pequena quantidade de electricidade, mas baseia-se nos mesmos princípios eléctricos dos alternadores de grande dimensão utilizados nos geradores. Ao longo dos anos, algumas das características dos componentes do alternador foram melhoradas de modo a aumentar a eficácia, capacidade e fiabilidade do alternador. Em seguida explica-se cada uma destas características. Na Figura 2 são apresentados os principais componentes de um alternador normal utilizado num sistema com gerador. 7

8 Figura 2 Vista transversal: alternador de activação automática, regulado externamente e sem escovas Sem escovas A designação sem escovas refere-se ao facto de que esta concepção não necessita da participação de quaisquer contactos junto das peças móveis para efectuar a transferência de energia eléctrica para ou dos componentes. As escovas existentes nos motores e em geradores de pequena dimensão continuam a ser um componente muito utilizado, mas acabam por sofrer um elevado desgaste com a utilização continuada e não é possível verificar o seu estado de uma forma proactiva. A concepção de um gerador de grande dimensão que utilize este tipo de escovas não se encontra em conformidade com as normas de fiabilidade exigidas numa operação crítica para a empresa. Activação automática No exemplo anterior foi utilizado um íman para criar um campo magnético. No caso dos alternadores de grande dimensão, torna-se necessário utilizar um campo magnético muito mais forte para criar maior quantidade de energia eléctrica. Também não seria possível deslocar grandes pedaços de metal num ferro-velho com um simples íman e é por essa razão que se utiliza um electromagneto pendurado de uma grua. Um electromagneto é um íman alimentado a electricidade e, no caso dos modernos alternadores, esse íman é activado automaticamente. Activação automática significa que a electricidade utilizada para criar o campo electromagnético é gerada no interior do próprio alternador, permitindo que este produza grandes quantidades de electricidade sem que necessite de qualquer outra energia para além da que é providenciada pelo mecanismo principal. 8

9 Estator principal ou enrolamentos da armadura O estator principal ou enrolamentos da armadura são as bobinas de arame fixas onde é induzida a electricidade para as cargas críticas. As características da corrente alternada produzida encontram-se relacionadas com a quantidade e geometria dos enrolamentos da bobina. Encontra-se disponível uma enorme variedade de configurações que permitem responder a diversas combinações de requisitos de corrente e tensão. Os enrolamentos trifásicos são três bobinas autónomas dispostas com um afastamento de 120 graus no círculo de rotação. Quando o campo magnético do alternador apresenta apenas um par de pólos Norte / Sul, é gerado um ciclo de corrente alternada por fase a cada rotação do mecanismo principal. Por outras palavras, para produzir uma corrente CA de 60 Hz, o mecanismo principal deve rodar o alternador a uma velocidade de 3600 RPM (rotações por minuto). Esta é uma velocidade de rotação ligeiramente elevada para sistemas com gerador a gasóleo, os quais acabam por sofrer um desgaste duplamente superior ao de um motor a funcionar a 1800 RPM. Graças à concepção de um campo magnético com quatro pólos, as RPM do mecanismo principal podem ser reguladas para 1800 RPM de modo a conseguir uma saída de 60 Hz. Existem também sistemas com gerador que apresentam velocidades ainda mais baixas e que integram alternadores com 6 ou 8 pólos (1200 RPM e 900 RPM respectivamente). Ligação terra A ligação terra do sistema com gerador e a respectiva ligação ao neutro são pormenores de extrema importância. Torna-se essencial para a eliminação de falhas e para a qualidade da alimentação que o método utilizado para a ligação terra seja consistente com o código eléctrico seguido na zona de aplicação. Por exemplo, os Estados Unidos seguem o artigo 250, ref 4 do NEC (National Electrical Code) (ou outra norma adicional dessa jurisdição). A ligação terra é possivelmente a ligação menos compreendida e mais desrespeitada nas instalações de qualquer dimensão. Pode encontrar todas as informações aplicáveis na norma , IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications (Orange Book), do IEEE 1. Aquando da ligação de cargas electrónicas sensíveis, devem ser respeitadas todas as recomendações da norma , IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Emerald Book), do IEEE. Taxa da temperatura A taxa da temperatura dos enrolamentos do alternador é outra especificação importante, especialmente para as aplicações relacionadas com condições ambientais extremas em termos de altitude, temperatura ambiente ou ventilação. 1 O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) é uma autoridade reconhecida em muitas áreas técnicas, incluindo a energia eléctrica. Trata-se de uma associação profissional e técnica, não lucrativa, com mais de membros em aproximadamente 175 países. 9

10 Por vezes é utilizado um sobredimensionamento com um gerador de maior dimensão para reduzir as temperaturas dos enrolamentos. Em alternativa, existem igualmente soluções de isolamento especiais que permitem suportar temperaturas mais elevadas. O ambiente de funcionamento específico pode apresentar desafios em termos operacionais, bem como condições difíceis, devido à humidade, fungos, parasitas, etc. Existem concepções e isolamentos especiais para situações ambientais difíceis que ajudam a manter os enrolamentos secos e a evitar a deterioração do isolamento. O regulador: regulação e frequência de saída CA O regulador mantém o valor de RPM do mecanismo principal nas mais diversas condições, através de ajustes no fluxo de combustível que alimenta o mecanismo principal. Torna-se necessário manter uma frequência de CA estável e directamente proporcional à precisão e tempo de resposta do regulador. Esta variável é um dos principais componentes para a definição da qualidade de potência da saída CA. A variação da frequência e o seu impacto sobre a qualidade da potência não é um problema com o qual os utilizadores se vejam confrontados quando se encontram ligados a uma instalação de corrente pública estável. No entanto, os componentes electrónicos mais sensíveis são vulneráveis a estas flutuações devido a alterações bruscas na frequência provocadas pela potência do gerador. A capacidade do gerador para produzir uma frequência constante é directamente proporcional à velocidade em termos de RPM do mecanismo principal, que é controlado pelo regulador. Existem sistemas, desde os tipos mais simples baseados em molas até aos mais complexos sistemas hidráulicos e electrónicos, que ajustam dinamicamente o regulador de combustível de modo a manter o nível das RPM do motor. A simples introdução ou remoção de cargas, ou a activação e desactivação dessas cargas, cria condições às quais o regulador deve reagir. Um regulador isócrono (mesma velocidade) mantém a velocidade sempre constante independentemente do nível da carga. Continuam a verificar-se pequenas variações na velocidade do mecanismo principal e a sua complexidade é reveladora da estabilidade do regulador. Actualmente, existe tecnologia que permite manter a frequência da regulação num intervalo de ± 0,25 %, com tempos de resposta à alteração das cargas da ordem dos 1 a 3 segundos. As actuais concepções dos componentes electrónicos de estado sólido proporcionam uma elevada fiabilidade e a regulação de frequência necessária para as cargas mais sensíveis. Quando dois ou mais geradores são ligados em paralelo com o objectivo de aumentar a capacidade ou a redundância do sistema, torna-se necessário regulá-los para a mesma velocidade, utilizando para esse efeito a corrente pública ou outro gerador como fonte de frequência principal. Se esta sincronização das duas fontes não se efectuar, uma delas acaba por suportar a maior parte da carga, o que provoca correcções que poderiam ser evitadas. Recentemente foram desenvolvidos sistemas de regulação electrónica mais sofisticados tendo em vista esta ligação em paralelo, que proporcionam uma melhor coordenação e estabilidade da frequência numa grande diversidade de condições. Estes desenvolvimentos são um melhoramento extremamente útil para 10

11 os requisitos de elevada disponibilidade dos actuais centros de dados, devido às suas características de fiabilidade, manutenção reduzida e esforço de coordenação. O tipo de combustível do gerador, bem como a magnitude das potenciais alterações do nível da carga, são factores que influenciam a selecção do regulador. Uma vez que estes factores contribuem para a precisão e estabilidade da velocidade do mecanismo principal, a sua contribuição deve ser analisada em termos da concepção geral. Regulação da tensão A função básica de um regulador de tensão é simplesmente o controlo da tensão produzida à saída do alternador. O funcionamento do regulador de tensão é um factor extremamente importante para as cargas críticas que se encontram dependentes da alimentação eléctrica dos computadores. O objectivo a cumprir reside na configuração de um sistema que apresente um tempo de resposta adequado para minimizar os intervalos e picos que ocorrem aquando da alteração das cargas. Outra questão que deve ser levada em consideração é o comportamento do regulador quando sujeito a cargas irregulares, tal como acontece com as fontes de alimentação dos comutadores mais antigos. As cargas irregulares recebem corrente de uma forma que é incompatível com a onda da tensão, enquanto as cargas resistivas (como as lâmpadas) recebem corrente que se encontra sincronizada com a onda da tensão. As cargas irregulares podem interagir negativamente com o sistema de um gerador colocando deste modo em perigo a disponibilidade da carga crítica durante o modo de funcionamento de reserva. A secção 5 da EGSA 101E define os parâmetros de regulação da tensão como a diferença entre o valor de tensão sem carga estável e o valor de tensão com carga total expresso em termos percentuais da tensão de carga total. Existem três aspectos do alternador que influenciam a tensão: a força do campo magnético, a velocidade de corte do campo magnético e o número de enrolamentos (espiras) da bobina. Os dois últimos factores são constantes nesta análise, o que significa que a regulação da tensão é uma função que é utilizada para alterar o campo magnético, de modo a atingir um determinado objectivo. Existem diversas tecnologias que monitorizam a tensão de saída de modo a obter a qualidade de potência mais adequada para ser utilizada no centro de dados. Independentemente da concepção do regulador, deve prever-se sempre o pior cenário possível, mas este cenário deve permitir a obtenção de uma variação da tensão inferior ao valor máximo admissível. Os factores que podem contribuírem para as situações de pior cenário possível incluem as tensões insuficientes devido a uma temperatura excessiva dos enrolamentos ou uma percentagem elevada de cargas irregulares. Os centros de dados actuais apresentam um baixo índice de cargas irregulares devido à prevalência de fontes de alimentação com o factor de potência corrigido (PFC). No entanto, caso o gerador seja utilizado como reserva para outros sistemas do edifício, devem identificar-se as cargas irregulares de modo a garantir a selecção do sistema com gerador mais adequado. 11

12 Engrenagem de comutação e distribuição A distribuição da saída do gerador para as cargas críticas é outro factor extremamente importante para a concepção do sistema. O Emerald Book do IEEE (norma da IEEE) é reconhecido como a autoridade máxima em termos de equipamento sensível à corrente eléctrica. A prática recomendada reside na concepção do sistema de acordo com o Orange Book do IEEE (norma da IEEE). O Orange Book da IEEE proporciona directrizes para os sistemas automáticos que monitorizam a corrente eléctrica, activam o arranque do motor e transferem a carga para o gerador assim que este se encontra disponível e apresenta um funcionamento estável. Este processo inclui o retorno da carga para a instalação pública assim que forem restauradas as condições de funcionamento normais. Normalmente, todas estas funções se encontram integradas num sistema denominado comutador de transferência automática (ATS). Outros factores muito comuns incluem o planeamento do teste automático do gerador e um importante ciclo de arrefecimento do gerador após o restauro da corrente pública. Tradicionalmente, este hardware provém de uma grande diversidade de fornecedores, nos quais se incluem os fabricantes de geradores, de comutadores de distribuição e de especialistas em concepção de sistemas ATS. No entanto, existem actualmente sistemas pré-concebidos que evitam as armadilhas das soluções personalizadas e dos elevados índices de complexidade e custo total de exploração (TCO). Para obter mais informações acerca dos sistemas ATS, deve consultar a nota de aplicação nº 94 da APC, Fundamental Principles of Generator Transfer Switches for Information Technology (disponível apenas em inglês). Na Figura 3 é indicada a posição do sistema ATS no sistema de distribuição eléctrica do edifício. Figura 3 Sistema com gerador de reserva e comutador de transferência automática Normal Corrente Comutador de transferência automática Cargas Emergência Corrente A concepção do sistema também deve ter em consideração uma protecção adequada contra sobretensão. Os contactos do mecanismo de comutação devem poder suportar correntes elevadas sem que colem. É igualmente importante evitar o sobreaquecimento do comutador no caso de se verificar uma carga completa e este deve possuir a capacidade de fornecer uma corrente de curto-circuito adequada (corrente necessária para activar os dispositivos de protecção contra sobretensão, como os disjuntores). Existem diversos esquemas de comutação que permitem reenviar a alimentação para a corrente pública e que são conhecidos como transição aberta e fechada. Transição aberta significa que a carga é desligada da corrente pública antes de ser ligada ao gerador. Transição fechada significa que a carga é ligada em primeiro lugar ao gerador e apenas posteriormente é que é desligada da corrente pública. Quer isto dizer que durante um curto período de tempo, a corrente pública e o gerador se encontram ligados simultaneamente. A transição fechada é um modo mais complexo e permite minimizar as interrupções de transferência momentâneas. 12

13 Sistemas com gerador redundante múltiplo ou paralelo A questão da quantidade encontra-se intimamente relacionada com a capacidade e fiabilidade pretendidas para o sistema. Um sistema com diversas (idênticas) unidades de menor dimensão, cujo conjunto totalize a carga máxima pretendida, e uma unidade adicional é denominado como redundante N+1. Um bom exemplo desta estratégia, apresentado na Figura 4 é o da sincronização de 3 sistemas com um gerador de 800 kw que suportam uma carga de 1,6 MW e que mantêm uma reserva de 800 kw. Figura 4 Sistema com gerador isócrono redundante de 1.6 MW N+1 Controlo de combustível Controlo de combustível Controlo de combustível Motor Regulador da velocidade Motor Regulador da velocidade Motor Regulador da velocidade Gerador de 800 kw Monitorização de RPM Partilha da carga Gerador de 800 kw Monitorização de RPM Partilha da carga Gerador de 800 kw Monitorização de RPM Partilha da carga Monitorização da voltagem Monitorização da voltagem Monitorização da voltagem Carga O início da sequência de arranque activa os três geradores e efectua a sua sincronização. A partir desse momento é possível suportar uma carga de 1,6 MW com redundância N+1. Uma engrenagem de comutação paralela aumenta o custo, mas melhora igualmente a fiabilidade estatística em relação a um único mecanismo principal. Neste exemplo, a probabilidade de que mais do que um gerador se encontre desactivado num determinado momento é muito baixa em comparação com um sistema de gerador único. É claro que se torna necessário reconhecer que uma causa de falha comum, como a falta de combustível, pode arruinar um plano de redundância considerado infalível. 13

14 Outro benefício principal para o conceito de arquitectura modular adicionar pequenos sistemas até perfazer a totalidade da carga é a sua escalabilidade. As instalações em crescimento podem optar por um sistema em que esteja previsto adicionar mais elementos de capacidade num futuro mais ou menos próximo, em que o espaço reservado e a capacidade da cablagem seja pré-seleccionada para uma eventual carga. O gasto de capital e as necessidades de manutenção são adiadas até que o crescimento da carga crítica justifique o investimento. Torna-se importante efectuar uma avaliação cuidada das necessidades e efectuar as selecções necessárias em função das definições prévias. Para mais informações sobre escalabilidade, deve consultar a Aplicação técnica nº 37 da APC, Evitar custos de infra-estruturas sobredimensionadas em centros de dados e salas de rede. Concepção geral do sistema e da compatibilidade A Aplicação técnica nº 95 da APC, Sizing Engine Generators for Mission Critical Infrastructure (disponível apenas em inglês), analisa os conceitos de dimensionamento e carga dos geradores. No entanto, torna-se importante realçar a influência de factores como a potência, os comutadores de transferência e as UPS sobre o desempenho geral do sistema combinado. Quando se recorre aos serviços de diversos fornecedores, torna-se essencial que todos os participantes no projecto testem exaustivamente o processo de instalação e colocação em serviço. Este tipo de plano pode revelar questões de compatibilidade imprevistas antes que estas influenciem as cargas críticas. Este tipo de teste deve ser efectuado com uma grande diversidade de cargas, até à utilização do sistema a 100 %. Torna-se necessário recorrer frequentemente a bancos de carga para simular as cargas previstas. É necessário ter em conta que este procedimento pode não ser fiel ao factor de potência das cargas dos computadores. Se não se encontrarem disponíveis bancos de carga reactivos especiais, deve ser efectuado um teste adicional com as cargas reais, assim que estas se encontrarem disponíveis. Uma forma de evitar a complexidade e a diversidade de testes dos geradores personalizados, sistemas ATS e soluções UPS, é optar por um sistema completo que tenha sido pré-concebido, fabricado e pré-verificado ao abrigo das normas ISO 9000 por um único fornecedor. Outro benefício dos sistemas pré-concebidos é o melhoramento contínuo da qualidade e da fiabilidade, resultante das técnicas de fabrico normalizadas que eliminam os erros que vão surgindo, e cujo processo também é conhecido por crescimento da fiabilidade. Conclusões O mecanismo principal fornece energia ao sistema do gerador e necessita de um regulador preciso para produzir uma frequência estável tendo em conta a alteração das cargas. O alternador, o regulador de tensão e os outros controlos são necessários para criar e fornecer corrente CA de qualidade ao comutador de transferência de modo a fazer face às cargas críticas. Os sistemas com geradores tradicionais podem ser naturalmente complexos, o que resulta em trabalhos de engenharia mais complexos e numa maior probabilidade para o erro. Os sistemas pré-concebidos alternativos proporcionam uma maior fiabilidade através da utilização de técnicas de fabrico normalizadas. 14

15 Referências NFPA 110, Standard for Emergency and Standby Power Systems, edição de 1999, National Fire Prevention Association, 1999 ( NFPA 111, Standard on Stored Electrical Energy Emergency and Standby Power Systems, edição de 1996 National Fire Prevention Association, 1999 Norma da IEEE, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications (Orange Book) ( Norma da IEEE, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment. (Emerald Book) Norma da IEEE, IEEE Recommended Practice for Electric Systems in Health Care Facilities, (Emerald Book) Normas 100, 101 e 404 da EGSA ( On-Site Power Generation, Electrical Generating Systems Association, 1998 ISBN Acerca do autor: Robert Wolfgang é um engenheiro de aplicações sénior da APC. Actualmente é responsável pela consultoria em centros de dados e pela análise da disposição física das instalações dos clientes em CAD, de acordo com o NEC e as melhores práticas de concepção. Enquanto membro da Electrical Generating Society Association da equipa científica de disponibilidade da APC, a sua preocupação é compilar as melhores práticas para muitos dos subsistemas nas áreas da infra-estrutura física crítica de rede. Bob possui um bacharelato em engenharia mecânica, bem como 15 anos de experiência na APC, tendo desempenhado diversos cargos nas áreas de controlo de qualidade, gestão dos serviços de apoio técnico e ciência da disponibilidade. 15