Os Diferentes tipos de No-Breaks

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1 Os Diferentes tipos de No-Breaks White Paper # 1 Revisão 4

2 Resumo Executivo Existe muita confusão no mercado a respeito dos diferentes tipos de No-Breaks e suas características. Cada um desses tipos será definido, assim como suas aplicações práticas, vantagens e desvantagens. Com essas informações, uma decisão pode ser tomada sobre qual a topologia de No-Break mais apropriada para cada necessidade. 2

3 Introdução A variedade de tipos de No-breaks e suas características reais geralmente causam confusão no mercado de Data Center. Por exemplo, existe uma grande convicção de que existem apenas dois tipos de sistemas de No-Break, chamados de No-Breaks Standby (no Brasil é comum se usar o termo Short-Break para esse tipo de No-Break) e No-Breaks On-Line. Esses dois termos normalmente usados não descrevem corretamente os vários sistemas de No-Breaks disponíveis. Muitos mal entendidos sobre os sistemas de No-Breaks são resolvidos quando seus diferentes tipos de topologias são adequadamente identificados. Os projetos mais comuns estão revisados aqui, incluindo uma breve orientação sobre o funcionamento de cada topologia. Isso irá ajudá-lo a identificar e comparar apropriadamente os sistemas. Tipos de No-Breaks: Uma certa variedade de projetos pode ser usada para implementar um No-Break, cada uma com características de performance distintas. Os projetos mais comuns são os seguintes:! Standby! Linha Interativa! Híbrido On-Line Standby! Ferro-Standby! On-Line Dupla Conversão (Double Conversion)! On-Line Delta Conversion No-Break Standby O No-Break Standby é o tipo mais usado para computadores pessoais. No diagrama da figura 1, a chave de transferência está selecionando a entrada CA filtrada como fonte de energia primária (linha sólida), e para a bateria / inversor como fonte alternativa caso a primária falhe. Quando isso acontece, a chave transfere a carga para a fonte de energia alternativa da bateria / inversor (linha pontilhada). O inversor apenas inicia seu funcionamento quando a energia falha, por isso o nome "Standby" em prontidão. Figura 1 - Standby: Alta eficiência, menor tamanho e baixo custo são os principais benefícios desse projeto. Com circuitos adequados estes sistemas podem oferecer também filtragem de ruído e supressão de surtos. 3

4 No-Break Linha Interativa (Line Interactive) O No-Break Linha Interativa, ilustrado na Figura 2, é o projeto mais usado em pequenas empresas, Web, e servidores departamentais. Neste projeto, o inversor, que converte a energia da bateria para CA, está sempre conectado à saída do No-Break. Operar o inversor em modo reverso nas horas em que a entrada de energia CA está normal, fornece o carregamento da bateria. Quando cai a energia de entrada, a chave de transferência se abre e a energia flui da bateria para a saída do No-Break. Com o inversor sempre ligado e conectado à saída, este projeto fornece filtragem adicional e reduz o chaveamento de transientes quando comparado com a topologia do No-Break Standby. Além disso, o projeto Linha Interativa, normalmente incorpora um transformador de passo. Isso adiciona regulação de tensão no ajuste dos passos do transformador conforme a tensão de entrada varia. Regulação de tensão é uma característica importante quando existem condições de baixa voltagem, caso contrário o No-Break poderia transferir a carga para a bateria e eventualmente derrubar a carga. Essa bateria que é usada com muita freqüência tem sua vida útil reduzida. Entretanto, o inversor pode ser projetado de maneira que, na ocorrência dessa falha, ele permita o fluxo da entrada CA para a saída, eliminando o potencial ponto único de falha e efetivamente oferecer dois caminhos independentes para a energia. Esta topologia é por definição muito eficiente com alta confiabilidade ao mesmo tempo que possui uma proteção de energia superior. Figura 2 - Linha Interativa: alta eficiência, menor custo e alta confiabilidade ao mesmo tempo que permite correções de altas e baixas tensões da rede, fazem dele o tipo dominante na faixa de 0,5-5 kva. No-Break Híbrido On-Line Standby O No-Break Híbrido On-Line Standby é a topologia usada para a maioria dos No-Breaks abaixo de 10 kva que são nomeados on-line. O conversor Standby CC para CC da bateria é ligado quando é detectada uma falha de energia CA, assim como no No-Break Standby. O carregador das baterias também é pequeno, como no No-Break Standby. Devido aos capacitores no combinador da CC, o No-Break não exibirá tempo de transferência durante uma queda na energia CA. Este projeto, em alguns casos, é ajustado com uma chave de transferência adicional para o desvio de energia (bypass) durante o mau funcionamento ou sobrecarga. A Figura 3 ilustra essa topologia. 4

5 Figura 3 - Híbrido On-Line Standby: A parte mais confusa dessa topologia é acreditar que o trajeto primário da energia está sempre on-line, quando de fato, o trajeto da energia da bateria para a saída é somente metade on-line, enquanto a outra metade (o conversor cc-cc) é operado no modo Standby. No-Break Ferro-Standby O No-Break Ferro-Standby já foi a forma dominante na faixa de 3-15 kva. Este projeto depende de um transformador de saturação especial de três enrolamentos (conexões de energia). O trajeto primário da energia é da entrada de CA passando pela chave de transferência e pelo transformador até a saída. No caso de uma falta de energia, a chave de transferência é aberta, e o inversor segura a carga de saída. Figura 4 - Ferro-Standby: Alta confiabilidade e excelente filtragem de linha são o forte deste projeto. Todavia, ele tem baixa eficiência e falta de estabilidade quando usado com alguns geradores e novos computadores com correção de fator de potência, diminuindo significativamente sua popularidade. No projeto Ferro-Standby, o inversor está no modo Standby sendo energizado quando a entrada de energia falha e a chave de transferência é aberta. O transformador, uma capacidade Ferro-ressonante especial, provê limitada regulagem da tensão e desenho da forma de onda da saída. A isolação de transientes da energia CA fornecida pelo transformador Ferro é tão bom, ou melhor, que qualquer filtro disponível. Mas o próprio transformador Ferro cria uma severa distorção na tensão de saída e transientes, que pode ser pior que uma conexão de CA pobre. Mesmo que seja um No-Break Standby pelo projeto, o Ferro-Standby gera muito calor devido ao transformador ser ineficiente por definição. Estes transformadores são também grandes relativos aos transformadores isoladores comuns; assim os No- Breaks Ferro-Standby são geralmente maiores e mais pesados. Sistemas de No-Break Ferro-Standby são normalmente apresentados como unidades On-line, mesmo que tenham uma chave de transferência, o inversor opera em modo Standby, e eles exibirem uma característica de transferência durante uma falta de energia de CA. A Figura 4 ilustra esta topologia. 5

6 A principal razão pela qual esses No-Breaks se tornaram pouco usados é o fato deles serem fundamentalmente instáveis quando operando com uma carga baseada em sistemas de TI modernos. Todos os servidores e roteadores usam fontes com correção do fator de potência que apresentam uma resistência negativa na entrada sobre algumas faixas de freqüência; quando acoplado à relativa alta impedância e ressonante do transformador Ferro pode causar oscilações espontâneas e prejudiciais. No-Break On-Line Dupla Conversão (Double Conversion) Este é o tipo mais comum de No-Break acima de 10kVA. O diagrama de blocos do No-Break On-line Dupla Conversão, ilustrado na Figura 5, é o mesmo que o do Standby, exceto pelo trajeto primário da energia que é o inversor em vez da CA principal. Figura 5 - On-Line Dupla Conversão: Oferece uma performance de saída elétrica próxima do ideal. Porém o constante uso dos componentes eletrônicos reduz a confiabilidade sobre os outros projetos e o consumo excessivo de energia devido a ineficiência, é uma parte significante no custo operacional da vida-útil do No-Break. Além disso, o consumo na entrada da energia é geralmente não linear e pode interferir na instalação elétrica do prédio ou causar problemas com geradores. No projeto On-line Dupla Conversão, uma falha na CA de entrada. não causa a ativação da chave de transferência, pois a CA da entrada não é a fonte preliminar, e sim a de backup. Conseqüentemente, durante uma falha na CA de energia da entrada, resulta em nenhum tempo de transferência. O modo de operação On-line exibe um tempo de transferência quando o carregador primário, bateria, ou inversor falham. Isso pode ocorrer quando qualquer dos blocos nesse caminho de energia falhar. A energia do inversor pode também cair momentaneamente, causando uma transferência, se o inversor estiver sujeitado a mudanças repentinas da carga ou controle de problemas internos. Um No-Break Dupla Conversão possui tempo de transferência, mas sob condições diferentes dos No-Breaks Standby ou Linha Interativa. Enquanto um No-Break Linha Interativa ou Standby possui tempo de transferência quando ocorre um black-out, um No-Break On-line Dupla Conversão possui tempo de transferência quando houver uma grande corrente entrando nele. Este tempo de transferência é o resultado da transferência da carga do inversor do No-Break para a linha de bypass. Geralmente, esta linha de bypass é construída com retificadores controlados (SCRs). Estes chaveamentos são muito rápidos, similares aos No-Breaks Standby e Linha Interativa onde o tempo de transferência é muito breve, normalmente 4-6 milisegundos. Tanto o carregador de bateria quanto o inversor, convertem todo o fluxo de energia neste projeto, que causa uma eficiência reduzida e um aumento na geração de calor. 6

7 No-Break On-Line Delta Conversão (Delta Conversion) Este projeto, ilustrado na Figura 6, é uma nova tecnologia introduzida para eliminar os inconvenientes do Projeto On-line Dupla Conversão estando disponível nas faixas de 5 kva até 1 MW. Similar ao Dupla Conversão, o No-Break On-Line Delta Conversão tem sempre o inversor ativo fornecendo a tensão para a carga. Entretanto o Conversor Delta também contribui com energia para saída do inversor. Sob condições de falhas ou distúrbios da CA, este projeto exibe comportamento idêntico ao On-Line Dupla Conversão. Figura 6 - On-Line Delta Conversão: Durante condições de normais de trabalho o Conversor Delta permite ao No-Break entregar energia à carga com maior eficiência que o projeto Dupla Conversão. Uma maneira simples de entender a eficiência da topologia Delta Conversão é considerar a energia necessária para a entrega de um pacote do 4º para o 5º andar de um edifício, como apresentado na Figura 7. A tecnologia Delta Conversão salva energia por carregar o pacote apenas pela diferença (delta) entre o ponto inicial e o final. O No-Break On-Line Dupla Conversão, converte a energia no conversor e novamente no inversor enquanto o Conversor Delta move os componentes da energia para saída. Figura 7 - Analogia de um Dupla Conversão vs. Delta Conversão No projeto On-Line Delta Conversão, o Conversor Delta atua com dois propósitos. O primeiro é controlar as características da energia de entrada. Nesse ponto ele ativa ou extrai a energia de maneira Sinusoidal, minimizando os harmônicos refletidos na rede elétrica. Isto assegura ótimas condições para linhas e sistemas de geradores reduzindo o aquecimento e desgaste no sistema de distribuição de energia. A segunda função do Conversor Delta é carregar a bateria do No-Break convertendo a energia para uma tensão CC apropriada. O No-Break On-line Delta Conversão fornece as mesmas características de saída que o projeto On-line Dupla conversão. Entretanto, as características de entrada são extremamente diferentes. Com correção completa do fator de potência, o projeto On-Line Delta Conversão fornece o controle de energia da entrada e o controle de energia da saída. 7

8 O benefício mais importante é uma redução significante na perda de energia. O controle de energia de entrada faz também o No-Break compatível com todos os grupos de geradores e reduz a necessidade de super-dimensionamento da instalação elétrica ou do gerador. A tecnologia On-Line Delta Conversão é a única tecnologia de No-Break hoje, protegida por patentes e conseqüentemente não disponível por uma grande parte dos fabricantes e fornecedores de No-Breaks. Sumário dos tipos de No-Breaks A tabela a seguir ilustra características dos diferentes tipos de No-Breaks. Algumas, como eficiência, são definidas pelo tipo de No-Break. Como a implementação e qualidade produtiva têm um maior impacto em características como confiabilidade, esses fatores também devem ser considerados em qualquer avaliação. Faixa Prática de Potência (kva) Regulação de Voltagem Custo por VA Eficiência Inversor sempre ativo Standby 0 0,5 Baixa Baixo Muito Alta Não Linha Interativa 0,5 5 Depende do Projeto Médio Muito Alta Depende do Projeto Híbrido On-Line Standby 0,5 5 Alta Alto Baixa Parcial Ferro Standby 3 15 Alta Alto Baixa Não On-Line Dupla Conversão Alta Médio Baixa Sim On-Line Delta Conversão Alta Médio Alta Sim Aplicações dos tipos de No-Breaks Com o tempo, a indústria de No-Breaks incorporou muitos desses projetos. Os diferentes tipos de No- Breaks possuem atributos que os tornam mais ou menos adequados para diferentes aplicações e a linha de produtos APC reflete essa diversidade, conforme ilustrado na tabela abaixo: Produtos APC Benefícios Limitações Considerações da APC Usa bateria durante Melhor relação custo / benefício baixas tensões, para estações Impraticável > 2 kva Standby Back-UPS Baixo custo, Alta eficiência, compacto. Linha Interativa Híbrido On-Line Standby Ferro Standby On-Line Dupla Conversão On-Line Delta Conversão Back-UPS PRO, Smart-UPS, Matrix Não usado pela APC Não usado pela APC Symmetra Silcon Series Symmetra MW Alta confiabilidade, Alta eficiência, Boa regulação de tensão Excelente regulação de tensão Excelente regulação de tensão, Alta Confiabilidade Excelente regulação de tensão, Fácil paralelismo Excelente regulação de tensão, Alta eficiência Impraticável > 5 kva Baixa eficiência, Baixa confiabilidade, Alto custo, Impraticável > 5 kva Baixa eficiência, Falta de estabilidade na combinação de certas cargas com geradores Baixa eficiência, Caro abaixo de 5 kva Impraticável < 5 kva Tipo de No-Break mais popular devido a alta confiabilidade, ideal para racks, servidores distribuídos e ambientes inóspitos. Linha Interativa oferece melhor confiabilidade com regulação de tensão similar com um melhor custo Aplicações limitadas devido a baixa eficiência e as instabilidades podem gerar problemas, além disso, projetos On-Line N+1 oferecem melhor confiabilidade. Bem posicionado para projetos N+1 Alta eficiência reduz substancialmente o custo da energia em grandes instalações 8

9 Conclusões Diferentes tipos de No-Breaks são apropriados para diferentes aplicações. Não existe um tipo único de No- Break ideal para todas as aplicações. Com a variedade de topologias de No-Breaks disponíveis hoje no mercado, essas regras irão ajudar a limpar essa confusão sobre como cada topologia opera, suas vantagens e desvantagens. Existem diferenças significativas entre os projetos de No-Breaks disponíveis no mercado, com vantagens teóricas e práticas para cada um. Entretanto, a implementação desse projeto e a qualidade produtiva são geralmente, os fatores dominantes para determinar a melhor performance na real aplicação do usuário. 9