MANUAL DE ENERGIA E NO-BREAKS
Há muita confusão no mercado a respeito dos diferentes tipos de eventos de energia e sistemas de no-break, incluindo suas características. Temos então uma descrição de cada evento de energia e bem como uma explicação sobre a diferença entre Watts e VA's. Também os no-breaks são definidos, junto com suas aplicações práticas e suas vantagens e desvantagens. Com essa informação, uma decisão acertada pode ser tomada com a topologia apropriada para uma dada necessidade.
Eventos de Energia Sub-Voltagem: Também conhecidas como quedas de voltagem, sub-voltagens são pequenas depressões de curta duração nos níveis de voltagem. Este é o evento mais comum dentre os problemas de energia, contabilizando 87% de todos os distúrbios de acordo com os laboratórios da Bell. Causas - São normalmente causados pelo ligamento de vários tipos de dispositivos elétricos, como motores, compressores, elevadores, etc. Companhias provedoras de energia utilizam-se de quedas de voltagens para cobrir demandas extraordinárias de energia, nesse procedimento os níveis de energia são reduzidos sistematicamente em certas áreas por horas ou dias. Dias quentes de verão, quando sistemas de ar-condicionando atingem seu pico de uso ou nos horários de início da noite quando a maioria dos chuveiros elétricos das residências estão ligados são os momentos mais prováveis. Efeitos - Uma queda de voltagem pode drenar a energia que um computador precisa para funcionar e causar o congelamento do teclado e "crashes" inesperados no sistema resultando em perda e corrupção de dados. Quedas de voltagem também reduzem a eficiência e vida útil de equipamentos elétricos, particularmente motores. Blackout Perda total da energia elétrica. Também conhecido como "Apagão". Causas - Blackouts são causados por uma excessiva demanda na corrente elétrica, tempestades com raios, acidentes de carros, eventos da natureza, terremotos e outros tipos de catástrofes. Efeitos - Perda do trabalho armazenados na memória ou cache do computador. A tabela de alocação de arquivos (FAT) pode ser perdida, resultando em perda total dos dados armazenados no disco. Picos - É um incremento, instantâneo e dramático na voltagem. Similar à força de uma grande onda, um pico de energia pode penetrar em equipamentos eletrônicos através de linha AC, conexões de rede, linhas seriais ou telefônicas e danificar ou destruir completamente seus componentes Causas - Picos de energia são causados normalmente por raios que caiam nas redondezas. Também podem ocorrer quando a energia volta depois de um blackout ou como resultado de acidentes de carro. Efeitos - Danos catastróficos no hardware. Perda de dados. Surtos - É um pequeno incremento de voltagem de curta duração, tipicamente durando ao menos 1/120 de um segundo. Causas - Surtos resultam da presença de motores elétricos de alta potência, eletrodomésticos e outros equipamentos elétricos nas proximidades. Quando estes equipamentos são desligados, a voltagem extra é dissipada através da rede elétrica. Efeitos - Computadores e outros dispositivos eletrônicos são projetados para receber energia elétrica numa determinada faixa de voltagem. Níveis acima dessa faixa podem estressar componentes mais delicados provocando falha prematura.
Ruídos: Conhecido tecnicamente como Interferência Eletro-Magnética (EMI) e Interferência de Rádio Rádio Freqüência (RFI), ruídos elétricos corrompem a onda de sinal senoidal esperada pela energia fornecida pela rede elétrica. Causas - Ruídos elétricos são causados por muitos fatores e fenômenos como raios, chaveamento de cargas, geradores elétricos, transmissores de rádio e equipamentos industriais. Eles podem ser intermitentes ou crônicos. Efeitos - Ruídos podem produzir erros em arquivos de dados e programas executáveis. VA x Watts VA é uma medida de potência em que se multiplica a tensão da rede (120 V ou 230 V) pela Amperagem (corrente), que ela consome. Existem vários tipos de circuitos: eletrônicos, motores, equipamentos de informática, lâmpadas incandecentes, etc. Para obtermos a potência em Watts destes equipamentos, existe um fator de potência específico de cada circuito elétrico. No caso da maioria dos equipamentos de informática podemos considerar este fator como 0,7. Quer dizer, se multiplicarmos a potência em VA medida na tomada por 0,7, teremos o consumo em Watts. Exemplo: Um técnico mede um consumo de 2 Ampéres em uma tomada de 120 V, onde está ligado um computador. Ele multiplica 2 x 120 e encontra uma potência de 240 VA. Para saber quantos Watts este computador consome, ele multiplica 240 por 0,7. Ou seja: 240 x 0,7 = 168W. Você deve estar se perguntando: mas por que eu preciso saber disso? Simples. Assim como em equipamentos de informática, os No-Breaks também têm este fator de potência, e isto varia de equipamento para equipamento. Se você adquirir dois No-Breaks, os dois de 600 VA, podemos verificar uma grande diferença em sua potência em Watts. Se o fator de potência do No-break "A" for 0,6, teremos 360 W disponíveis. Se o fator de potência do Nobreak "B" for 0,35, teremos apenas 210 W disponíveis. Para dimensionarmos um No-Break, sempre devemos levar as duas potências em consideração. Isto significa que se você comprar um computador que consome 300W, você não poderá comprar o No-break "B", pois ele fornece apenas 210 W, mesmo tendo a mesma potência em VA do UPS "A".
Tipos de No-breaks Os tipos variados de no-break e seus atributos geralmente causam confusão na indústria de data centers. Por exemplo, acredita-se que existam apenas dois tipos de sistemas de no-break: nobreak stand-by e no-break on-line. Esses dois termos, comumente usados, não descrevem corretamente os muitos sistemas de no-break disponíveis. Muitas má interpretações sobre sistemas de no-break são esclarecidos quando os diferentes tipos de topologias são devidamente identificados. As abordagens de design comuns serão revistas aqui, incluindo breves explicações sobre o funcionamento de cada uma das topologias. Isso o ajudará a identifcar e comparar sistemas adequadamente. Tipos de no-break Uma variedade de abordagens no design são utilizadas para implementar sistemas de no-break, cada uma delas contendo características de performance distintas. As abordagens mais comuns são as seguintes: Stand-by Linha Interativa Conversão Dupla On-Line Conversão Delta On-Line O no-break Stand-by O no-break Stand-by é o tipo mais comum, usado em PCs. No diagrama de blocos ilustrado na Figura 1, a chave de transferência está ajustada para escolher a entrada AC filtrada como uma fonte de energia primária (linha contínua no diagrama), e fazer a transferência para a bateria / inversor como fonte de backup no caso de uma falha na fonte primária. Quando isso acontece, a chave de transferência deve funcionar, mudando a carga para o backup de bateria / inversor (linha tracejada). O inversor só inicia quando a energia cai, daí o nome "Stand-by".
Figura 1 No-break Stand-by: Alta eficiência, tamanho pequeno e custo baixo são os principais benefícios desse design. Com um filtro e circuito contra surtos adequado, esses sistemas também podem fornecer uma supressão de surtos e filtragem de ruídos apropriado. O No-break de Linha Interativa O No-break de Linha Interativa, ilustrado na Figura 2, é o design mais comum em pequenas empresas, Web e servidores de departamentos. Nesse design, o conversor bateria-energia AC (inversor) está sempre conectado à saída do no-break. Operar o inversor no modo reverso quando a entrada de energia AC está normal irá carregar a bateria. Quando a entrada de energia falhar, a chave de transferência abrirá e a energia fluirá da bateria para a saída do no-break. Com o inversor sempre ligado e conectado à saída, este design fornece uma filtragem adicional e produz um tempo de chaveamento reduzido se comparado à topologia No-break Standby. Além disso, o design de Linha Interativa geralmente incorpora um transformador Isso adiciona uma regulação de tensão já que a tensão de entrada varia. Regulação de tensão é uma característica importante quando as condições de tensão baixa existem, do contrário o no-break transferiria para a bateria e então eventualmente diminuiria a carga. Essa utilização mais frequente da bateria pode causar uma falha prematura da bateria. Entretanto, o inversor também pode ser designado para que sua falha ainda irá permitir que o fluxo de energia da entrada AC para a saída, o que elimina o potencial de uma falha única e efetivamente fornece dois caminhos de energia independentes. A topologia é inerentemente muito eficiente, o que leva à alta confiabilidade enquanto ao mesmo tempo fornecerá uma proteção de energia superior.
Figura 2 Linha Interativa: Alta eficiência, baixo custo e alta con fiabilidade acopladas com a habilidade de corrigir condições de tensão altas ou baixas faz desse o tipo dominante de no-break na faixa de 0.5-5 Kva. No-break de Conversão Dupla On-Line Este é o tipo de no-break mais comum acima de 10 kva. O diagrama de blocos do No-break de Dupla Conversão Online, ilustrado na figura 5, é o mesmo que o Standby, exceto que o caminho de energia primário é o inversor ao invés da rede AC. Figura 5 Conversão Dupla On-Line: Este no-break fornece uma performance de saída elétrica próxima à ideal. Mas o desgaste constante dos componentes de energia reduz a con fiabilidade em relação aos outros designs e a energia consumida pela ineficiência de energia elétrica é uma parte significante do custo do cilco de vida do nobreak. Além disso, a energia de entrada drenada pelo grande carregador de bateria geralmente é não-linear e pode interferir com o cabeamento de energia do local ou causar problemas com geradores standby. No design de Conversão Dupla On-Line, uma falha na entrada AC não causa ativação da chave de transferência, porque a entrada AC NÃO é a fonte primária, mas sim a fonte backup. Portanto, durante uma falha de entrada de energia AC, as operações online resultam em não ter tempo de transferência. O modo de operação online tem um tempo de transferência quando a energia do caminho do inversor / bateria / carregador de bateria primário falha. Isso pode ocorrer quando qualquer um dos blocos desse caminho de energia falhar.
A energia do inversor também pode cair levemente, causando uma transferência, se o inversor estiver sujeito a mudanças bruscas de carga ou problemas de controle internos. Os sistemas de Dupla Conversão On-Line realmente apresentam um tempo de transferência, mas sob diferentes condições em relação ao no-break de linha interativa. Enquanto um No-break de Linha Interativa e Standby apresentam um tempo de transferência no caso de ocorrer um blecaute, um no-break de dupla conversão apresentará o tempo de transferência quando há um grande desnível de carga ou corrente de energização transitória. Esse tempo de transferência é o resultado de transferir a carga do inversor do no-break para a linha de bypass. Geralmente, essa linha de bypass é construída com Retificadores Controlados de Silício duplos. Essas chaves são muito rápidas, portanto do mesmo modo que nos no-breaks de Linha Interativa e Standby, o tempo de transferência é muito breve, geralmente de 4 a 6 milisegundos. Tanto o carregador de bateria quando o inversor convertem o fluxo de carga total neste design, o que gera uma eficiência reduzida e um aumento da geração de calor. No-break de Conversão Delta On-Line Este design de no-break, ilustrado na Figura 6, é uma nova tecnologia introduzida para eliminar as desvantagens da Conversão Dupla Online e está disponível entre 5kVA a 1 MW. Similar ao design de Conversão Dupla On-Line, o no-break de Conversão Delta On-Line sempre tem o inversor fornecendo a tensão da carga. Entretanto, o Conversor Delta adicional também contribui com energia para a saída do inversor. Sob condições de falhas AC ou distúrbios, esse design apresenta um comportamento idêntico ao Conversão Dupla On-Line. AC DC DELTA CONVERTER - + BATTERY DC AC INVERTER Figure 6 Conversão Delta On-Line: Durante condições de mudança de estado, o Conversor Delta permite que o no-break envie energia à carga com uma eficiência muito maior que o design de Conversão Dupla. Uma maneira simples de entender a eficiência de energia da topologia de conversão delta é considerar a energia necessária para entregar um pacote do 4 para o 5 andar de um prédio, como mostra a Figura 7. A tecnologia de Conversão Delta economiza energia,
levando a energia somente pela diferença (delta) entre o ponto inicial e o final. O no-break de Conversão Dupla On-Line converte a energia para a bateria e retorna, ao passo que o Conversor Delta move os componentes de energia da entrada para a saída. Figura 7 Analogia da Conversão Dupla vs. Conversão Delta No design de Conversão Delta On-Line, o conversor Delta atua com dois propósitos. O primeiro é controlar as características de energia de entrada. O front end ativo drena energia de maneira senoidal, minimizando os harmônicos refletidos na rede. Isso assegura condições ótimas para linhas de rede e sistemas com geradores e reduz o aquecimento e o desgaste dos sistemas no sistema de distribuição de energia. A segunda função do Conversor Delta é carregar a bateria do no-break drenando energia e convertendo-a para a tensão de carregamento DC apropriada. O nobreak de Conversão Delta On-Line fornece as mesmas características de saída do design de Conversão Dupla On-Line. Entretanto, as características de entrada são extremamente diferentes. Com a correção total do Fator de Potência, a conversão delta on-line fornece tanto o controle da potência de entrada quanto a de saída. O benefício mais importante é uma redução significativa em perdas de energia. O controle de energia de entrada também faz com que o no-break seja compatível com todos os geradores e reduz a necessidade de superestimar o cabeamento e o gerador. A tecnologia de Conversão Delta On-Line é a única tecnologia de no-break hoje em dia protegida por patentes e portanto não é provável que esteja disponível por um número muito grande de fabricantes de no-breaks. Resumo dos tipos de no-break A seguinte tabela mostra algumas das características dos vários tipos de no-break. Alguns atributos de um no-break, como eficiência, são ditados pela escolha do tipo de no-break. Como a qualidade da implementação e fabricação impactam mais fortemente em
características como confiabilidade, esses fatores devem ser também avaliados, além dos atributos de design. Standby Linha Interativa Convrsão Dupla On-Line Convrsão Delta On-Line Limites de energia (kva) 0-0.5 Baixa Baixo Muito alta Não 0.5-5 Dependente de Médio Muito alta Dependente de Design Design May-00 May-00 Condição de tensão Custo por VA Eficiência Inversor sempre funcionando Alta Médio Baixa Sim Alta Médio Alta Sim Uso dos tipos de no-break na indústria Os produtos que a indústria atual de no-break oferece tem evoluído com o tempo para incluir muitos designs. Os diferentes tipos de no-break tem atributos que os tornam mais ou menos adequados para diferentes aplicações e a linha de produtos APC refrete essa diversidade, como mostra a tabela abaixo. Standby Linha Interativa Utilização em produtos APC Benefícios Limitações Descobertas APC Back-UPS Baixo custo, alta efidiência, Melhor custo benefício para estações pessoais. compacto Smart-UPS, Back-UPS Pro e Matrix Alta confiabilidade, alta eficiência, bom condicionamento de tensão Utiliza baterias errr blecautes, impraticável acima de 2 kva. Impraticável acima de 5 kva. Tipo de no-break mais popular existente devido à alta confiabilidade, ideal para racks ou servidores distribuídos e/ou ambientes com energia muito instável. Conversão Dupla On-Line Symmetra Excelente condicionamento de tensão, fácil de colocar em paralelo Baixa eficiência, caro abaixo de 5kVA Muito adequado para designs N+1 Conversão Delta On-Line Silcon, série Symmetra MW Excelente condicionamento de tensão, alta eficiência Impraticável abaixo de 5 kva. Alta eficiência reduz o custo de ciclo de vida substancial de energia em grandes instalações Conclusões Os diferentes tipos de no-break são apropriados para diferentes aplicações, e não há um único no-break que seja ideal para todas as aplicações. Com a variedade de topologias de no-break no mercado hoje em dia, esse guia o ajudará a acabar com a confusão sobre c o m o c a d a t o p o l o g i a f u n c i o n a e s u a s v a n t a g e n s e d e s v a n t a g e n s. Há diferenças significantes no design do no-break entre outros disponíveis no mercado, com as vantagens práticas e teóricas para diferentes abordagens. Apesar disso, a qualidade básica da implementação de design e qualidade de manufatura é frequenstemente dominante em determinar a melhor performance obtida na aplicação do cliente.