Sistemas Ininterruptos de Energia

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1 Sistemas Ininterruptos de Energia Nikolas Libert Aula 13 Manutenção de Sistemas Eletrônicos Industriais ET54A Tecnologia em Automação Industrial

2 Sistemas Ininterruptos de Energia Sistemas Ininterruptos de Energia Chamados de No Break ou UPS (Uninterruptible Power System) Necessários em locais onde falhas de alimentação podem provocar sério danos. CPDs, hospitais, aeroportos, controle do espaço aéreo. Em alguns casos, além da UPS são necessários sistemas de geração de emergência. DAELT Nikolas Libert 2

3 Sistemas Ininterruptos de Energia Principais Funções Garantir o fornecimento de energia ao consumidor nos momentos de falha da rede elétrica. Filtrar e regular a energia elétrica. Suprir energia elétrica para cargas sensíveis. Isolar a carga da rede comercial, sujeita a transientes. Princípio de Funcionamento No breaks rotativos (motor CC + alternador). São considerados obsoletos. No breaks estáticos (chaveamento eletrônico). DAELT Nikolas Libert 3

4 Sistemas Ininterruptos de Energia Evolução dos Sistemas No breaks. 1ª Geração: No breaks rotativos. 2ª Geração: No breaks valvulados. 3ª Geração: Equipamentos híbridos, formados por válvulas e transistores. 4ª Geração: Equipamentos totalmente transistorizados, porém sem circuitos integrados. 5ª Geração: Equipamentos desenvolvidos com tiristores e transistores de potência, bem como circuitos integrados de controle. 6ª Geração: Equipamentos inteligentes, com alto grau de automação. DAELT Nikolas Libert 4

5 Sistemas Ininterruptos de Energia Esquema de um No Break Genérico. Saída CA Grupo Gerador USCA Retificador Inversor CC CC CA CA Energia Comercial DAELT Nikolas Libert 5

6 Tipos de No Breaks Os No Breaks podem ser divididos em três categorias: Short Breaks, Bidirecionais ou de Dupla Conversão. Short Break (também conhecido como Off Line ) A carga fica ligada na própria rede. A carga só é conectada à saída do inversor quando ocorre falha na rede. A comutação é lenta (½ a 2 ciclos) e costuma ser feita por relés. Normalmente o sinal de saída do inversor não é sincronizado com a rede. Equipamento mais simples e barato. DAELT Nikolas Libert 6

7 Tipos de No Breaks Bidirecional (também conhecido como Ferro Ressonante ou Line Interactive ) A carga é alimentada pela rede, mas a tensão é regulada por um conjunto transformador com núcleo saturado e filtro LC. A comutação entre rede e inversor não gera interrupção no sinal recebido pela carga. Ocorre apenas uma pequena perturbação. A saída do inversor é sincronizada com a rede. O chaveamento é feito de forma rápida por uma chave tiristorizada. DAELT Nikolas Libert 7

8 Tipos de No Breaks Dupla conversão (também conhecido como On Line ) A carga é sempre alimentada pelo circuito inversor, independente de haver falha na rede ou não. No caso de falta de rede, não há perturbação no sinal recebido pela carga. Gera uma senoide quase perfeita. É o sistema de custo mais elevado. Topologia utilizada na produção de no breaks de grande porte e na maioria dos sistemas de pequeno e médio porte. DAELT Nikolas Libert 8

9 Configuração dos No Breaks Configurações dos No Breaks. Dependendo da aplicação para a qual se destinam, os no breaks podem ter diferentes configurações de entrada e saída. Classificação quanto ao número de fases. Mono / Mono: Entrada e saída monofásica. Equipamentos de pequeno porte, de capacidade geralmente inferior a 10 kva. Mono / Tri: Configuração pouco usada, necessária para acionamento de motores trifásicos de pequeno porte (menos que 10 kva). DAELT Nikolas Libert 9

10 Configuração dos No Breaks Classificação quanto ao número de fases. Tri / Mono: Configuração de uso frequente devido à facilidade de filtragem do sinal retificado. Utiliza apenas um inversor monofásico para gerar a tensão de saída. Utilizado na faixa entre 5 kva e 30 kva. Tri / Tri: Tipo de No Break viável para potências superiores a 20 kva. Os no breaks também podem ser classificados quanto ao arranjo entre o retificador e o carregador de baterias. DAELT Nikolas Libert 10

11 Configuração dos No Breaks Classificação quanto ao arranjo retificador/carregador. Com retificador completamente controlado e carregador concomitante: É o tipo mais comum de configuração, podendo possuir ou não controle de corrente de recarga das baterias. Com retificador não controlado e carregador independente: Possui um retificador à diodos para alimentar o inversor quando a rede está presente. Para recarga das baterias há um outro retificador semicontrolado independente. DAELT Nikolas Libert 11

12 Configuração dos No Breaks Classificação quanto ao acoplamento magnético. Sem transformador: A ausência de transformador na entrada do retificador torna o equipamento mais leve e barato. No entanto, o retificador provocará distorções na rede de alimentação. Com autotransformador na entrada e/ou saída: Podem existir autotransformadores para adaptar a tensão de saída ou a tensão de entrada do inversor. Os autotransformadores são mais baratos que os transformadores isoladores, mas não fornecem isolação galvânica. DAELT Nikolas Libert 12

13 Configuração dos No Breaks Classificação quanto ao acoplamento magnético. Com transformador isolador na entrada e/ou saída: Possuem maior confiabilidade, porém são mais caros, pesados e apresentam maior dissipação térmica. Fator de potência do No Break. Este é um fator que deve ser observado na compra do no break, em conjunto com a potência aparente do equipamento. Ex.: Um no break de 10 kva com FP de 0,6 pode alimentar no máximo uma carga de 6 kw. DAELT Nikolas Libert 13

14 Configuração dos No Breaks Taxa de distorção harmônica ou THD (Total Harmonic Distortion). Indica o quanto o sinal de saída se aproxima de uma senoide pura ou o quanto o sinal da rede de entrada será distorcido. São desejáveis os menores valores de THD possíveis. Tipo da chave de transferência. No breaks de pequeno porte (5 kva) costumam utilizar relés. São preferíveis chaves estáticas devido à velocidade de comutação. Relé: 2 ms a 20 ms / Semicondutor: 1 ms. DAELT Nikolas Libert 14

15 Sistemas Ininterruptos de Energia Exemplo: UPS Siemens Fornecimento de energia CA em situações de emergência. Potência aparente: 15 kva. A Siemens não trabalha mais neste segmento. DAELT Nikolas Libert 15

16 Exemplo: UPS Siemens Entrada trifásica de 380 V CA. Saída monofásica de 220 V CA. Frequência de 60 Hz. Fator de potência de 0,8. Qual a potência real máxima que a carga pode consumir? 0, = 12 kw DAELT Nikolas Libert 16

17 Exemplo: UPS Siemens Características: Ponte retificadora trifásica totalmente controlada. Entrada de 380 V CA e saída de 432 V CC. Não há transformador isolador de entrada, mas existe um acoplamento indutivo para reduzir perturbações na rede. L1 L2 L3 CA CC V - DAELT Nikolas Libert 17

18 Exemplo: UPS Siemens Características: O banco de baterias e o inversor são alimentados pelo barramento de 432 V CC. O inversor gera uma tensão monofásica de 220 V CA e possui transformador isolador de saída V - CC CA V - Carregador Transformador isolador DAELT Nikolas Libert 18

19 Exemplo: UPS Siemens Características: Banco de 32 baterias de 12 V. Cada bateria é composta por 6 elementos. A tensão de recarga é de 2,25 V por elemento. Qual a tensão necessária para recarregar todo o banco? 6. 2, = 432 V Exatamente a tensão de saída do retificador. DAELT Nikolas Libert 19

20 Exemplo: UPS Siemens Características: O sistema é do tipo de dupla conversão ou online. Durante o funcionamento normal, a tensão de saída é proveniente do inversor, que é alimentado pelo retificador. Na falta de energia, a tensão de saída continua vindo do inversor, que agora é alimentado pelo banco de baterias. Mesmo assim, em caso de falhas do sistema, um caminho de bypass pode ser acionado, conectando a carga diretamente na entrada. Nesse caso, a comutação é sem interrupção e SCRs são usados como chave. DAELT Nikolas Libert 20

21 Exemplo: UPS Siemens Características: Bypass de sobrecarga e de manutenção. O Bypass de manutenção isola o sistema da rede elétrica para que alterações possam ser feitas com segurança. Chave termo-magnética. Rede 2 Bypass primário Bypass de manutenção Rede 1 CA CC CC CA Saída DAELT Nikolas Libert 21

22 Exemplo: UPS Siemens Funcionamento normal: Rede 2 Rede 1 CA CC CC CA Saída Falha na rede 1: Rede 2 Rede 1 CA CC CC CA Saída DAELT Nikolas Libert 22

23 Exemplo: UPS Siemens Funcionamento em caso de anomalia: Rede 2 Rede 1 CA CC CC CA Saída DAELT Nikolas Libert 23

24 Unidade de Supervisão de Corrente Alternada Unidade de Supervisão de Corrente Alternada - USCA Efetua comando, medição, alerta e proteção das fontes de corrente alternada em sistemas de energia. Responsável por realizar a transferência entre a fonte CA principal e a reserva (grupo gerador). A USCA monitora todas as fontes CA do sistema de forma independente. DAELT Nikolas Libert 24

25 Unidade de Supervisão de Corrente Alternada Carga Carga Carga Carga Esquema de um Sistema de Energia Genérico. AT 13,8 kv USCA BT 380/220 V 220/127 V Circuito de Monitoramento Circuito de Controle Grupo Gerador No-Break Carga Crítica DAELT Nikolas Libert 25

26 Unidade de Supervisão de Corrente Alternada As USCAs podem ser ligadas modularmente. Nesse caso, são classificadas de acordo com a fonte CA. USCA de grupo: fontes CA formadas exclusivamente por grupos geradores. USCA de rede: a fonte CA é a rede comercial. O sistema de energia pode ser classificado quanto às fontes disponíveis: Tipo A: Utiliza apenas USCAs de grupo, não há conexão com a rede comercial. Tipo B: Utiliza USCAs de grupo e de rede. Quando há falha na rede comercial, a energia é proveniente de um grupo motogerador. DAELT Nikolas Libert 26

27 Unidade de Supervisão de Corrente Alternada Exemplo: Sistema Tipo B Dois gabinetes (um por USCA, EMBRATEL 1980) Fonte Principal USCA de Rede Circuitos USCA de Grupo Circuitos Fonte Reserva ϕ R ϕ R Rede Comercial ϕ S ϕ T N ϕ S ϕ T N Grupo Gerador ϕ R ϕ S ϕ T N Consumidores Num sistema Tipo A, poderiam haver duas USCAs de grupo, por exemplo. Uma para cada grupo. DAELT Nikolas Libert 27

28 Unidade de Supervisão de Corrente Alternada Os parâmetros monitorados pela USCA dependem do seu tipo. Parâmetros monitorados na USCA de Grupo: Falha na partida de motor. Pressão anormal do óleo lubrificante do motor. Defeito no ventilador de arrefecimento do motor. Tensão e frequências anormais do alternador. Sobrecarga nos consumidores. Nível anormal de combustível no tanque diário. Grupo em funcionamento. Barramento de saída alimentado. DAELT Nikolas Libert 28

29 Unidade de Supervisão de Corrente Alternada Parâmetros monitorados na USCA de Rede: Tensão e frequência anormais da rede. Sobrecarga nos consumidores. Nos sistemas mais atuais, uma única USCA controla tanto a rede quanto o grupo gerador. Um único gabinete desempenha as duas funções. Ex.: USCA Ômega 20 kva / 220 V, USCA Amperex 30 kva. DAELT Nikolas Libert 29

30 Unidade de Supervisão de Corrente Alternada USCA Ômega. DAELT Nikolas Libert 30

31 Referências URBANETZ, Jair Jr., MAIA, José da Silva. Apostila - Curso Sistemas de CC e CA, DAELT / UTFPR, FIGUEIRA, Antonio. Sistemas No-Breaks Estáticos, Antenna Edições Técnicas, Rio de Janeiro, SILVA, A. Ferreita da, BARRADAS, A. Telecomunicações: Sistemas de Energia, EMTRATEL / Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., ÔMEGA, Unidade de Supervisão de Corrente Alternada USCA. GADELHA, Glauber. Manual da Unidade de Supervisão de Corrente Alternada Microprocessada, AMPEREX, Belém, DAELT Nikolas Libert 31