Comparação técnica das Topologias de UPS On-line vs. Line-interactive

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1 Comparação técnica das Topologias de UPS On-line vs. Line-interactive Por Jeffrey Samstad Michael Hoff Aplicação técnica nº 79

2 Sumário Executivo Os sistemas UPS abaixo de 5000VA estão disponíveis em duas concepções básicas: lineinteractive ou dupla conversão on-line. Este documento descreve as vantagens e desvantagens de cada topologia e aborda algumas noções erradas sobre os requisitos de aplicação do mundo real. 2

3 Introdução A maioria dos factores que contribuem para decidir quais as UPS a adquirir é óbvia e facilmente compreensível: bateria, tempo de reserva, custo, dimensão, fabricante, número de tomadas, capacidade de gestão, etc. Mas também há outros factores menos óbvios e que não são assim tão fáceis de compreender. Um dos mais difíceis de compreender, contudo muito discutido, é a topologia. A topologia (concepção interna) de uma UPS afecta a forma como ela funciona nos vários ambientes. Seleccionar a topologia certa pode ser complicado se nos guiarmos pelas afirmações de que há topologias que são superiores e absolutamente necessárias para aplicações cruciais. Como estas afirmações provêm normalmente dos fabricantes que tentam vender o que é supostamente uma topologia superior, é difícil tomar uma decisão informada apenas com base nessas afirmações. A finalidade deste documento é falar objectivamente sobre as vantagens e desvantagens de duas das mais vulgares topologias: line-interactive e dupla conversão on-line. Nos extremos superior e inferior do espectro de alimentação gera-se uma pequena discussão quanto às qualidades relativas destas duas topologias. 1 Acima de 5000VA, a line-interactive tem-se verificado pouco prática devido à sua maior dimensão e custo superior. No extremo inferior, abaixo de 750VA, a dupla conversão on-line é raramente considerada, porque outras topologias (incluindo line-interactive) são mais práticas para cargas menores. A discussão em redor de topologia de dupla conversão on-line vs. topologia line-interactive incide normalmente na faixa de alimentação entre 750VA e 5000VA. É aqui que as vantagens funcionais e económicas de uma topologia sobre a outra não são claras e dependem de determinados aspectos da instalação. Embora a line-interactive se tenha tornado a topologia mais vulgarmente fabricada e instalada nesta gama de alimentação, os avanços na tecnologia de semicondutores e nas técnicas de fabrico fizeram descer o preço da dupla conversão on-line em relação à line-interactive, tornando a escolha entre as duas mais difícil do que no passado. Seleccionar a melhor topologia nesta gama sobreposta exige uma compreensão das principais qualidades associadas a cada topologia. 1 No máximo do extremo superior de alimentação VA ou mais existe uma discussão diferente, que se centra mais em torno das vantagens relativas da dupla conversão on-line vs. conversão delta on-line. Consulte a Nota de aplicação n º1 da APC Os diferentes tipos de sistemas UPS para comparar estas duas topologias on-line. 3

4 Compreender a própria aplicação Antes de tomar qualquer decisão relativamente a uma topologia UPS é importante compreender os requisitos do equipamento a ser protegido e o ambiente em que a UPS vai ser instalada. Conhecer estes requisitos básicos é essencial para tomar uma decisão informada quando à topologia que melhor serve a aplicação. Equipamento de TI e alimentação CA: A Fonte de alimentação de modo de comutação (SMPS) Normalmente, a electricidade é distribuída como alimentação de corrente alterna (CA) a partir da corrente pública e de geradores de segurança. A tensão CA alterna entre positiva e negativa idealmente como uma onda sinusoidal perfeita passando duas vezes por ciclo pelo ponto zero. Apesar de não ser uma situação detectada pelo olho humano, uma lâmpada ligada à corrente pública pisca 100 ou 120 vezes por segundo (para 50 ou 60 ciclos CA) à medida que a tensão cruza o ponto zero para alterar a polaridade. Como é que o equipamento de TI utiliza a electricidade CA para alimentar os circuitos de processamento? Também é desligado 100 vezes ou mais por segundo à medida que a tensão da linha muda de polaridade? É evidente que existe aqui um problema que deve ser resolvido pelo equipamento de TI. A forma de resolver, na prática, o problema para todo o equipamento moderno de TI é através de uma Fonte de alimentação de modo de comutação (SMPS). 2 Uma SMPS começa por converter a tensão CA com todos os seus componentes não ideais (picos de tensão, distorção, variações de frequência, etc.) em CC uniforme (corrente directa). Este processo permite carregar um elemento de armazenamento de energia, denominado condensador, que se encontra entre a entrada de CA e a restante fonte de alimentação. Este condensador é carregado pela entrada de CA em impulsos que surgem duas vezes por ciclo de CA quando a onda sinusoidal atinge ou se encontra próximo dos seus picos (positivo e negativo) e descarrega com a frequência ditada pelas necessidades dos circuitos de processamento de TI a jusante. O condensador foi concebido para absorver de forma contínua estes impulsos CA normais bem como picos de tensão anómalos ao longo de toda a sua vida útil. Assim sendo, e ao contrário das lâmpadas a piscar, o equipamento de TI funciona com base num fluxo contínuo de tensão CC em vez dos impulsos de tensão CA da instalação pública. Mas esta história não termina por aqui. Os circuitos micro electrónicos requerem voltagens CC bastante baixas (3,3V, 5V, 12V, etc.), mas a tensão do condensador que acabámos de mencionar pode atingir valores da ordem dos 400V. A SMPS converte igualmente esta elevada tensão CC em saídas de CC niveladas e de baixa tensão. 2 modo de comutação refere-se a uma funcionalidade do circuito interno da fonte de alimentação que não se encontra relacionada com esta análise 4

5 Através desta redução da tensão, a SMPS efectua uma outra função importante: fornece isolamento galvânico. O isolamento galvânico é uma separação física no circuito, que serve dois objectivos. O primeiro objectivo é a segurança a protecção contra choques eléctricos. O segundo objectivo é a protecção contra avarias ou danos no equipamento devido a tensão de modo comum (baseada em ligação terra) ou ruído. Pode encontrar informações acerca de ligações terra e tensão de modo comum nas Aplicações técnicas nº 9, Common Mode Susceptibility of Computers e nº 21, Neutral Wire Facts and Mythology da APC. A Figura 1 mostra uma peça de equipamento de TI (um servidor neste exemplo) que está protegido por uma UPS. Também são apresentados os componentes internos do servidor, incluindo a SMPS. Figura 1 Aplicação UPS típica: UPS e servidor Servidor Corrente pública ou CA UPS CA Servidor CC CC Motherboard Disco rígido gerador CC Outros elementos electrónicos Da mesma forma que a SMPS ignora os intervalos entre picos da onda sinusoidal da entrada CA, acaba por ignorar igualmente outras anomalias e interrupções breves da alimentação CA. Esta é uma funcionalidade importante para os fabricantes de equipamento de TI uma vez que estes pretendem que o seu equipamento continue a funcionar mesmo nos casos em que não se encontra presente uma UPS. Nenhum fabricante de equipamento de TI deseja colocar em causa a sua reputação em termos de qualidade e desempenho devido a uma fonte de alimentação que não consiga suportar a mínima anomalia da linha CA. Este facto torna-se particularmente verdadeiro para equipamento informático e de rede de gama alta, que é naturalmente fabricado com fontes de alimentação de maior qualidade. 5

6 Para demonstrar esta capacidade de sobrevivência a anomalias aplicou-se uma carga pesada sobre a fonte de alimentação de um computador normal e, em seguida, retirou-se a entrada CA. A saída da fonte de alimentação foi monitorizada para determinar até que ponto a tensão de saída disponível continuava a ser fornecida após a perda da entrada CA. Os resultados são apresentados na Figura 2. As ondas apresentadas referem-se à tensão de entrada, tensão de entrada e tensão de saída CC da fonte de alimentação. Figura 2 Auto-suficiência de fonte de alimentação Tensão de entrada Tensão de entrada 18 ms Saída de CC vai abaixo Traço superior: Saída CC de baixa tensão da fonte de alimentação Entrada de CA interrompida Traços centrais: Tensão e corrente de entrada Depois de CA desaparecer, vai abaixo uma saída de fonte de alimentação de computador muito carregada, mas só após um considerável espaço de tempo. Antes de ser retirada, a tensão de entrada é a onda sinusoidal à esquerda na Figura 2. A tensão de entrada a linha irregular por baixo da curva de tensão mais estável consiste num pequeno impulso no pico positivo da tensão de entrada e noutro pequeno impulso no pico negativo. O condensador da SMPS apenas é carregado durante estes impulsos de tensão. Durante o resto do tempo, a alimentação é recebida do condensador, para fornecer alimentação aos circuitos de processamento. 3 A tensão CC na saída da SMPS é a linha na Figura 2. Repare que a tensão de saída se mantém bastante estabilizada durante 18 milissegundos depois de a entrada de CA ser retirada. A APC testou uma grande diversidade de fontes de alimentação de vários fabricantes de computadores e outro equipamento de TI e obteve resultados semelhantes. Se as fontes de alimentação apresentarem uma carga leve, o tempo de auto-suficiência é maior uma vez que o condensador é descarregado mais lentamente. 3 Algumas SMPS efectuam correcção de factor de alimentação (PFC) discutido mais à frente e recebem corrente de entrada sob a forma de onda sinusoidal. Elas também possuem um condensador de alta voltagem que efectua a mesma função de auto-sobrevivência. 6

7 Padrões internacionais para compatibilidade de UPS com cargas SMPS Já vimos que uma SMPS tem de atravessar pequenos distúrbios de alimentação para ser capaz de captar alimentação da tensão de entrada de CA sinusoidal. Mas o que é que se entende por pequenos? A Figura 3 mostra as especificações da IEC , uma norma internacional. Define os limites de magnitude e duração dos distúrbios de tensão de saída da UPS que são aceitáveis para uma carga SMPS. Como se pode ver pela zona de conforto sombreada, quanto menor a magnitude da perturbação, mais ela pode estar presente na saída da UPS. Repare que esta norma permite uma presença contínua de um espectro consideravelmente alargado de variações de tensão nominal +10 % a 20 %. Por outras palavras, a tensão de saída da UPS pode variar dentro do espectro, ao longo de tempo indefinido, sem afectar o funcionamento SMPS; isto deve-se ao facto de normas semelhantes para SMPS requererem auto-suficiência face a uma série de anomalias de entrada, ainda mais extensas do que o espectro permitido para a saída da UPS. 4 Figura 3 A partir da norma IEC : Magnitude e duração de anomalias de tensão CA aceitáveis para compatibilidade com cargas SMPS Variação de voltagem (%) Voltagem de linha dupla Zona transiente de sobrevoltagem Voltagem de linha nominal "Zona de conforto" Todos os transientes com magnitudes e duração de tempo dentro desta faixa podem ser compatíveis com as fontes de alimentação Zona transiente de subvoltagem Voltagem nula Duração de transiente (ms) Distúrbios de tensão ( transientes ) cuja magnitude e duração se encontram na zona de conforto" verde podem estar presentes na saída da UPS ligada ao equipamento SMPS; os outros não podem. 4 As outras normas SMPS afins, que definem o espectro de anomalias que uma SMPS tem de comportar são a curva ITI/CBEMA e a IEC

8 Com base na Figura 3, os requisitos de compatibilidade para uma UPS com saída nominal de 120V CA são os seguintes: Para durações até 1 milissegundo, a tensão de saída da UPS pode chegar a atingir 240V. Para durações até 10 milissegundos, a tensão de saída da UPS pode ser nula! Para durações até 100 milissegundos podem ocorrer oscilações menos intensas (para cima ou para baixo) a duração permitida depende da intensidade do distúrbio. Para durações superiores a 100 milissegundos (inclui funcionamento contínuo), a tensão de saída da UPS deve permanecer entre 96V e 132V. Na maior parte das regiões mundiais, à excepção de alguns países de mercados emergentes, a energia é relativamente estável. Num dia normal podem verificarse voltagens que variam, no máximo, 5 % acima ou abaixo da nominal bem dentro das variações de tensão apresentadas na Figura 3. Como uma SMPS pode receber alimentação de uma fonte CA com estas características, a irregularidade por ela fornecida está dentro de parâmetros que permitem uma interligação fiável com uma tensão típica de corrente pública. Em suma, as SMPS possuem as seguintes vantagens: Mito vs. Realidade MITO: O equipamento crucial necessita de um tempo de transferência zero por parte da UPS por exemplo, para impedir bloqueio e/ou perda de carga em comutadores de rede. REALIDADE: As SMPS são as fontes de alimentação que se encontram praticamente em todo o equipamento crucial. Têm de ter um tempo de auto-suficiência de 10 ou mais milissegundos para obedecer às normas internacionais (ver Figura 3). Qualquer equipamento electrónico que não possa manter um tempo de auto-suficiência é geralmente considerado de concepção inferior ou extremamente raro mais provavelmente uma aplicação especializada (ou seja, nem computador nem equipamento de TI). Podem aceitar grandes variações de tensão de entrada e frequência, sem prejudicarem o seu desempenho. Possuem um isolamento galvânico incorporado entre a entrada CA e as saídas CC, eliminando a necessidade de isolamento de modo comum a montante (neutro-terra). Conseguem absorver uma quantidade razoável de distorção de tensão de entrada sem que isso prejudique o tempo de vida ou a fiabilidade. Possuem um tempo de auto-suficiência incorporado para tolerar breves interrupções de alimentação. 8

9 Compreender as opções da UPS A Aplicação técnica n º1 da APC Os diferentes tipos de sistemas UPS descreve as seguintes cinco principais topologias UPS usadas actualmente, juntamente com as suas características de desempenho: Standby Line Interactive Standby-Ferro Dupla conversão on-line Conversão Delta on-line Na gama de alimentação de 750VA a 5000VA, praticamente todas as UPS vendidas actualmente para aplicações de TI são line-interactive ou de dupla conversão on-line. Há outras topologias menos comuns dentro desta gama, mas a análise dos motivos que as tornam menos requisitadas ultrapassa o âmbito deste documento. UPS Line Interactive Uma UPS line-interactive condiciona e regula a alimentação CA da corrente pública, geralmente através de um único conversor de alimentação principal. A Figura 4 apresenta a descrição padrão desta topologia segundo a norma IEC Figura 4 Topologia UPS line-interactive, do diagrama de blocos da IEC apresenta uma interface de alimentação e um bloco de conversão principal Entrada de CA Interface de alimentação Saída de CA Modo normal Inversor Modo de energia armazenada IEC 488/ IEC:1999 Bateria 9

10 Quando existe entrada CA, o bloco de interface de alimentação na Figura 4 filtra a alimentação CA, suprime picos de tensão e fornece estabilidade de tensão suficiente para funcionar bem dentro das especificações anteriormente descritas. Isto é muitas vezes conseguido através de componentes de filtro passivo e um transformador de alternância de tomadas. O conversor de alimentação principal (o bloco inversor ) redirecciona alguma da alimentação CA para manter as baterias completamente carregadas, enquanto existe tensão de linha CA. Isto normalmente requer menos de 10 % de taxa de alimentação da UPS, para que os componentes se mantenham refrigerados neste modo de funcionamento. Por exemplo, o bloco inversor numa UPS line-interactive de 3000 watts funciona apenas com 300 watts (um décimo da sua capacidade) ou até menos quando recarrega baterias. Muitos componentes dimensionados para funcionamento a toda a carga, podem trabalhar um pouco acima da temperatura ambiente exterior quando se está perante CA o modo de funcionamento mais comum. Embora a tensão de linha CA caia fora da gama de entrada da interface de alimentação, o inversor fornece saída CA com alimentação da bateria. O espectro de tensão de entrada da interface de alimentação é normalmente um intervalo fixo, geralmente 30 % a +15 % de nominal. Por exemplo, uma UPS line-interactive com tensão de saída nominal 120V mantém uma saída entre 107V e 127V, enquanto a entrada varia entre 84V e 138V. Um pequeno e relevante pormenor relativamente ao funcionamento de uma UPS line-interactive é que embora ela filtre e condicione a tensão fornecida à carga, não altera a forma ondular da corrente recebida pela carga. Como tal, se a carga tiver uma SMPS com correcção de factor de alimentação (PFC), 5 a UPS line-interactive não irá distorcer ou interferir com a correcção do factor de alimentação. Se a SMPS de carga não tiver correcção de factor de alimentação e receber a corrente em picos (como se pode ver na Figura 2), a UPS line-interactive também não vai alterar ou corrigir esta forma ondular. Teoricamente, o pequeno número de componentes e a operação de refrigeração do conversor de alimentação principal (o bloco inversor na Figura 4) contribui para um tempo de vida alargado e elevada fiabilidade. Na prática, contudo, a fiabilidade é normalmente determinada por outros factores, conforme descrito na secção mais abaixo Considerações sobre fiabilidade. Devido ao seu baixo custo e durabilidade, a UPS line-interactive tem sido utilizada com êxito em milhões de instalações de TI pelo mundo inteiro. Aspectos a ter em conta (Line-interactive): Nos países em desenvolvimento ou noutras zonas com problemas infra-estruturais, em que a tensão de linha CA é instável, flutua bastante, ou tem elevada distorção, uma UPS line-interactive pode transferir para bateria uma a duas vezes por dia, ou até com mais frequência. Isto porque a concepção line-interactive tem uma capacidade algo limitada de impedir que grandes oscilações de tensão e forte distorção atinjam a carga, a menos que se desliguem da fonte CA e passem para alimentação de bateria. Embora a UPS line-interactive possa fornecer uma tensão de saída dentro dos limites IEC (Figura 3) enquanto houver alimentação de bateria, a utilização frequente da bateria reduz a sua capacidade, fazendo com que haja menos tempo de actividade disponível no caso de um grande corte energético. Além 5 Um dispositivo com uma correcção de factor de alimentação (PFC) recebe corrente de uma entrada CA sob a forma de onda sinusoidal regular e não sob a forma de impulsos. Consulte a Figura 2 para ver uma ilustração de saída não PFC. 10

11 disso, mesmo que as baterias não estivessem completamente descarregadas, a utilização frequente poderia redundar na necessidade de as substituir mais regularmente. Vantagens da topologia line-interactive. Menor consumo de electricidade (menos dispendiosa no funcionamento) Mais eficiente, porque há menor conversão de alimentação quando existe uma entrada aceitável de CA. Teoricamente com maior fiabilidade Menor contagem de componentes e temperaturas de funcionamento mais baixas. (Ver secção mais abaixo Considerações sobre fiabilidade.) Menor carga de calor na instalação É produzido menos calor pela UPS. Factores desvantajosos: A UPS line-interactive pode não ser a escolha mais acertada para instalações em que a alimentação CA é instável e altamente distorcida, porque a alimentação de bateria é utilizada em excesso para manter a saída de UPS dentro das especificações. é necessária Correcção de factor de alimentação (PFC) e o equipamento de carga não desempenha esta função. Mito vs. Realidade MITO: As UPS line-interactive não condicionam a alimentação o ruído e os picos passam e desgastam as fontes de alimentação. REALIDADE: As unidades lineinteractive de alta qualidade têm forte protecção incorporada contra picos de tensão e ruído, para manter a saída dentro de níveis aceitáveis, de modo a que a fiabilidade da carga não seja afectada. UPS de dupla conversão on-line Como o nome indica, a UPS de dupla conversão on-line converte alimentação duas vezes. Em primeiro lugar, a entrada CA, com respectivos picos de tensão, distorção e anomalias várias, é convertida em CC. Isto é muito semelhante ao funcionamento da SMPS relativamente ao equipamento TI, como já foi descrito anteriormente. E, tal como na SMPS, a UPS de dupla conversão on-line utiliza um condensador para estabilizar a tensão CC e armazenar energia recebida da entrada CA. Em segundo lugar, CC é convertida de novo em CA, que é estreitamente regulada pela UPS. Esta saída de CA pode inclusive possuir uma diferença de frequência em relação à entrada de CA algo de impossível no caso de UPS line-interactive. Toda a alimentação fornecida ao equipamento de carga passa por este processo de conversão dupla, quando existe entrada de CA. Quando a entrada de CA sai fora de um determinado espectro, a UPS recebe alimentação da bateria, para que a saída da UPS não seja afectada. Em muitas concepções de dupla conversão on-line, esta transição dentro da UPS entre entrada CA e bateria, leva vários milissegundos. Mais uma vez, é o condensador na ligação CC (ver Figura 5) que fornece energia armazenada ao inversor durante estas transições. Portanto, mesmo que haja uma breve interrupção de alimentação na ligação CC, a tensão de saída da UPS não é afectada e mantém-se contínua. 11

12 Nas concepções mais modernas acrescenta-se quase sempre um circuito suplementar de carregamento de bateria à topologia, para que a UPS de dupla conversão on-line tenha pelo menos três fases de conversão de alimentação. A Figura 5 mostra esta topologia com base na norma IEC Figura 5 Topologia UPS de dupla conversão on-line, do diagrama de blocos da IEC que apresenta quatro blocos de conversão Entrada de CA Bypass (principal ou de reserva) Entrada de CA Rectificador Ligação CC Inversor Comutador de bypass Saída de CA Entrada de CA Carregador de bateria (opcional) Bateria para conversor CC Modo normal Modo de energia armazenada Bateria Modo bypass IEC 487/ IEC:1999 Para além de efectuar a conversão de CA para CC, a secção rectificadora também fornece correcção de factor de alimentação (PFC), o que significa que recebe corrente de uma linha CA sob a forma de onda sinusoidal regular e não sob a forma de impulsos (consultar Figura 2 para ver ilustração de corrente de entrada não PFC). Como a PFC corrige a forma de onda da corrente de entrada, menos corrente é recebida incluindo reduções em oscilações de elevada frequência. Isto acontece mesmo quando o equipamento de TI alimentado pela UPS recebe corrente sob a forma de impulsos (não PFC). Consulte a Aplicação técnica n º26 da APC Hazards of Harmonics and Neutral Overloads, para saber mais sobre a correcção de factor de alimentação e as oscilações neutras. Quando se funciona com carga total, o espectro de tensão de entrada CA aceitável da dupla conversão online é semelhante ao da line-interactive. No entanto, ao contrário da line-interactive, a dupla conversão online consegue funcionar com menor tensão de entrada, caso a UPS não esteja completamente carregada. Numa UPS de dupla conversão 120V típica, isto significa que pode ser capaz de funcionar a partir de alimentação CA a cargas muito pequenas, mesmo quando a tensão de entrada é tão baixa quanto 50 % da nominal (60V). Embora isto seja um atributo interessante da topologia on-line, é raramente útil (a não ser para demonstração), porque são extremamente raros extensos distúrbios desta magnitude, porque as condições de carga, na prática, são variáveis. Uma UPS on-line é normalmente mais pequena do que uma UPS line-interactive, seja qual for a capacidade de alimentação. Embora possuam mais componentes (por norma três vezes mais), costumam ser mais pequenas. Isto é especialmente verdade para unidades de maior alimentação, acima de 2200VA, e é sempre verdade na comparação com uma UPS line-interactive de prolongamento de tempo de actividade. 12

13 A topologia on-line inclui geralmente um circuito de bypass utilizado no caso de extensa sobrecarga ou quando há um problema num dos circuitos de dupla conversão. As transições entre funcionamento bypass e inversor fazem baixar frequentemente a saída durante alguns milissegundos, o que se assemelha a uma UPS line-interactive a transferir para bateria. Consequentemente, várias unidades on-line dependem da SMPS para auto-sobrevivência durante estes distúrbios para a saída da UPS. Tal como no caso das unidades line-interactive, isto não representa um problema desde que a interrupção na saída da UPS esteja dentro das especificações apresentadas na Figura 3. Aspectos a ter em conta (Dupla conversão on-line) As fases de conversão de alimentação on-line, que decorrem continuamente para fornecer uma tensão de saída estritamente regulada pela qual são conhecidas, pode transportar cargas até ao máximo de taxa de alimentação. Há, todavia, custos associados a este desempenho melhorado. Mito vs. Realidade MITO: As UPS on-line proporcionam melhor protecção contra ruído de Modo comum (CM). REALIDADE: Apesar de ser possível conceber topologias on-line e line-interactive com isolamento galvânico, ambas usam normalmente componentes passivos para reduzir a tensão Devido às várias fases de alimentação, uma típica UPS CM. Nem a topologia on-line nem a lineinteractive oferecem uma nítida vantagem a este de dupla conversão on-line terá muito mais respeito. As SMPS já têm isolamento galvânico, componentes do que uma típica UPS line-interactive. por isso não é necessário isolamento externo. Como estes componentes estão a processar Para mais informações consulte as Aplicações continuamente toda a alimentação recebida pelo técnicas nº 9 e 21 da APC. equipamento de carga, as suas temperaturas são normalmente superiores às dos componentes numa UPS line-interactive, quando existe entrada CA. Teoricamente, tanto o funcionamento permanente como as temperaturas elevadas reduzem a fiabilidade dos componentes da UPS. Na prática, contudo, a fiabilidade é normalmente determinada por outros factores, conforme descrito na secção abaixo Considerações sobre fiabilidade. Outro factor a considerar é a energia suplementar necessária para pôr a funcionar uma UPS de dupla conversão on-line ao longo do tempo. Uma UPS de dupla conversão on-line funciona continuamente com uma eficiência de 85 % a 92 %, dependendo da concepção em questão, comparativamente aos 96 % a 98 % de uma UPS line-interactive. Por exemplo, uma UPS 1000W com 90 % de eficiência consome continuamente, quando completamente carregada, 100W de alimentação. Isto traduz-se em cerca de 100 dólares por ano em gastos adicionais de corrente pública (em média). Para além dos gastos de electricidade pública, estes 100W de calor têm de ser removidos do meio circundante, o que implica gastos suplementares de refrigeração, que variam consoante a eficiência do sistema de refrigeração utilizado. Isto pode não parecer muito, mas quando se somam as despesas de todas as UPS de uma empresa, ou até mesmo o consumo de energia total durante o tempo de vida de uma única UPS, verifica-se que é um factor que pesa no custo total de exploração das UPS. Comparativamente, uma UPS line-interactive com carga semelhante implica menos de um terço desses custos energéticos por alimentação de carga. 13

14 Vantagens da dupla conversão on-line: Funciona menos frequentemente com bateria quando a tensão de entrada é altamente distorcida ou bastante flutuante. Fornecimento de correcção de factor de alimentação (PFC), independentemente do tipo de carga Mais compacta e leve, especialmente no caso de elevados níveis de alimentação Consegue regular frequência de saída e até efectuar conversão de frequência de 50Hz para 60Hz (e vice-versa) Pode argumentar-se que a tensão de saída CA estritamente regulada é uma vantagem da topologia online. Contudo, uma SMPS não precisa de CA estritamente regulada devido à regulação de tensão proporcionada pela própria SMPS, como já foi dito anteriormente. Mito vs. Realidade MITO: Regulação de tensão mais estrita melhora o desempenho e a fiabilidade do equipamento de TI. REALIDADE: Todas as SMPS convertem tensão de entrada CA (com respectivos picos e distorção) em CC estável. Esta CC é depois usada para criar saída limpa e bem regulada de CC para todas as cargas de TI. As condições de linha de entrada, dentro dos seus limites estimados, NÃO afectam a qualidade das saídas das SMPS ou o desempenho do equipamento de TI. Caso contrário, para que é que uma SMPS haveria de ter esses limites impressos no chassis? Factores desvantajosos: A dupla conversão on-line contém mais componentes que funcionam continuamente a altas temperaturas e, sendo tudo o resto igual, têm menos tempo de vida de funcionamento do que peças semelhantes encontradas na line-interactive. A dupla conversão on-line utiliza mais electricidade do que a line-interactive, porque está continuamente a converter e reconverter alimentação da entrada para a saída, quando existe entrada de CA. A dupla conversão on-line gera mais calor, que é libertado para o ambiente de TI. Esse calor tem de ser eficazmente removido para reduzir os efeitos danificadores para os outros sistemas e até para as próprias baterias da UPS. Considerações sobre fiabilidade Em ambas as topologias há certos aspectos das concepções que teoricamente aumentam ou diminuem o tempo de vida operacional e a fiabilidade. Para a line-interactive, o pequeno número de componentes e operação de refrigeração da fase de alimentação principal têm tendência para aumentar o tempo de vida operacional e a fiabilidade. No caso da dupla conversão on-line, tanto o funcionamento constante como as temperaturas mais elevadas de funcionamento têm ambos tendência para diminuir o tempo de vida operacional e a fiabilidade. Na prática, contudo, a fiabilidade é geralmente determinada pelo grau de qualidade com que o fabricante concebe e constrói uma UPS e pela qualidade dos componentes utilizados, independentemente da topologia. Como a qualidade depende do fornecedor, podem haver concepções de dupla conversão on-line de alta qualidade e concepções line-interactive de baixa qualidade, e vice-versa. 14

15 Sumário comparativo A tabela seguinte resume as importantes vantagens e desvantagens das topologias UPS line-interactive e de dupla conversão on-line. Tabela 1 Comparação das topologias line-interactive e de dupla conversão on-line TOPOLOGIA Fiabilidade + Custo total de exploração + Entrada Saída + / Dimensão / peso Line Interactive Menos peças Menor temperatura de funcionamento Menores custos iniciais (menos peças) Menores gastos operacionais (menos electricidade) Não PFC Extrema distorção de tensão pode requerer uso frequente de bateria + Frequência de saída varia dentro de limites configuráveis + Normalmente maior/mais pesada + Dupla conversão on-line Muitas peças Maior temperatura de funcionamento Maiores custos iniciais (mais peças) Maiores gastos operacionais (electricidade e refrigeração) Tem PFC Suporta extrema distorção de tensão sem recorrer a bateria Saída fixada a uma frequência configurável Normalmente mais pequena/mais leve especialmente em níveis de alimentação superiores Conclusões Na gama de alimentação entre 750VA e 5000VA, ambos os tipos de UPS protegem devidamente o equipamento de TI dos distúrbios de alimentação, por isso a topologia a adoptar é essencialmente baseada nas especificidades da aplicação do cliente. Como o custo inicial, os gastos operacionais, a produção de calor e a fiabilidade são aspectos prioritários para qualquer aplicação, talvez parecesse mais lógico à partida escolher a line-interactive. A lineinteractive tem-se revelado, de facto, como a fiel e eficiente servidora dos típicos ambientes de TI. Sob certas circunstâncias, contudo, a dupla conversão on-line pode constituir melhor opção. Particularmente, em zonas geográficas em que a alimentação CA regista elevada distorção e / ou extremas variações de tensão, uma UPS de dupla conversão on-line passa a bateria com menos frequência para manter uma saída adequada. A reduzida utilização de bateria garante maior capacidade de bateria para fazer face a grandes cortes energéticos e permite a salvaguarda de tempo de vida operacional da mesma. Além disso, a redução dos custos de substituição de bateria podem compensar a aparente vantagem dos menores custos iniciais e operacionais de uma UPS line-interactive. Outros casos menos comuns que podem requerer uma UPS de dupla conversão on-line podem ser, por exemplo, os que exijam correcção de factor de alimentação (PFC), pequenas dimensões físicas ou então conversão de frequência, tal como acontece com alguns tipos de equipamento médico ou instrumentação.

16 Acerca dos autores: Jeffrey Samstad é Engenheiro-chefe da linha de produtos Smart-UPS RT da American Power Conversion. Possui bacharelato em Engenharia electrotécnica e 14 anos de experiência à frente das equipas de concepção de UPS e a trabalhar com várias arquitecturas UPS. Michael Hoff possui mestrado em Engenharia electrotécnica, Sistemas de alimentação, pela Northeastern University e dirige um grupo de Pesquisa de novas tecnologias da American Power Conversion. Ao longo dos 16 anos de carreira na APC desenvolveu fontes de alimentação ininterrupta (UPS) e arquitecturas UPS, gerindo igualmente projectos de desenvolvimento de produto, equipas e grupos nos EUA e no estrangeiro. 16