View
116
Download
7
Category
Preview:
Citation preview
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1
Sistemas de Energia Ininterrupta: Sistemas de Energia Ininterrupta:
UPS - No-BreaksUPS - No-Breaks
Prof. Dr. Pedro Francisco Donoso Garcia Prof. Dr. Pedro Francisco Donoso Garcia Prof. Dr. Porfírio Cabaleiro CortizoProf. Dr. Porfírio Cabaleiro Cortizo
www.cpdee.ufmg.br/~porfirioParte desta apresentação foi adaptado de material elaborado por Jose A. Villarejo: http://www.ieee-pels-spanish-chapter.org
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 2
Porque a necessidade de equipamentos de Porque a necessidade de equipamentos de energia adicionais para alimentar uma energia adicionais para alimentar uma carga crítica?carga crítica?
Estabilizador de tensãoEstabilizador de tensão
ouou
UPS - UPS - Uninterruptible Power SupplyUninterruptible Power Supply ou No- ou No-BreakBreak
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 3
Principais características:Principais características:
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 4
Sistemas de Energia Ininterrupta – UPS
UPS RotativaUPS Rotativa
Conversão de energia mecânica em elétrica; Conversão de energia mecânica em elétrica;
Autonomia de funcionamento da ordem de Autonomia de funcionamento da ordem de
horas;horas;
Nível de ruído elevado, necessitando de Nível de ruído elevado, necessitando de
ambientes especiais.ambientes especiais.
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 5
UPS EstáticaUPS Estática
Utiliza conversores eletrônicos; Utiliza conversores eletrônicos;
Melhor resposta dinâmica;Melhor resposta dinâmica;
Baixo ruído acústico;Baixo ruído acústico;
Melhor regulação de tensão Melhor regulação de tensão
Melhor regulação da freqüência na carga;Melhor regulação da freqüência na carga;
Instalações simples;Instalações simples;
Custo mais elevado.Custo mais elevado.
Sistemas de Energia Ininterrupta – UPS
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 6
Carga típica de UPS: fonte chaveada de equipamentos eletrônicos
Tensão de alimentação: 110Vca ou 220Vca Desvio máximo permissível da tensão de alimentação:
110Vac de: 93Vac a 140Vac220Vac de: 187Vac a 253Vac
Corrente de partida ( Inrush Current): 120A pico máximo Na falta da tensão de alimentação, a fonte mantém a
regulação das saídas por pelo menos 17ms, com carga nominal. Este tempo é denominado “Time Hold up”.
Fator de potência entre 0,5 e 0,7. Fator de crista entre 2,5 e 3.
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 7
Banco de Banco de BateriasBaterias
Cargas críticasCargas críticas(lineares e (lineares e
não lineares)não lineares)
ConversorConversorRetificadorRetificador/Inversor, /Inversor,
FiltrosFiltros
Diagrama de Blocos de uma UPSDiagrama de Blocos de uma UPS
Fonte de Fonte de AlimentaçãoAlimentação
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 8
Off-line (standby)Off-line (standby)
On-line (sistema de dupla conversão)On-line (sistema de dupla conversão)
Line-interactiveLine-interactive
Classificação das UPS
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 9
Topologia de UPS Topologia de UPS off-line (standby)off-line (standby)
TrafoTrafoInversorInversor
++FiltroFiltro
CarregadorCarregadorde de
BateriasBaterias
Ca
rga
Ca
rga
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 10
Topologia de UPS Topologia de UPS off-line (standby)off-line (standby)
VantagensVantagens:
Elevado rendimento: inversor pode operar a vazio ou desligado;
Baixo custo e volume: carregador de baterias independente;
Desvantagens:Desvantagens:
Pobre regulação da tensão na carga;
Falta de condicionamento da corrente de entrada: injeção de harmônicos na rede elétrica, quando as cargas são não lineares;
Tempo de transferência, entre os modos rede-inversor e inversor-rede, provocando tensão na carga nula nestes instantes;
A forma de onda da tensão de saída geralmente é quadrada.
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 11
Topologia de UPS on-line
TrafoTrafo
Ca
rga
Ca
rga
CarregadorCarregadorde de
BateriasBaterias
InversorInversor++
FiltroFiltro
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 12
Topologia de UPS de UPS on-line on-line Vantagens:Vantagens:
A carga é continuamente alimentada pelo inversor, portanto, não existe tempo de transferência;
A tensão de saída da UPS é regulada e possui baixa Taxa de Distorção Harmônica (TDH 5%);
Distúrbios da rede elétrica comercial não atingem a carga;
A utilização de uma chave estática, aumenta a confiabilidade do UPS.
Desvantagens:Desvantagens: Baixo rendimento ( rendimento do inversor * rendimento do retificador), em função dos conversores estarem em cascata;
Elevado custo e volume, em função do retificador que é dimensionado para alimentar o inversor mais a carga das baterias.
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 13
Topologia de UPS Topologia de UPS Line-interactive Line-interactive
Filtro
Ca
rga
Ca
rga
Inversor/Inversor/retificadorretificador
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 14
Topologia de UPS Topologia de UPS Line-interactiveLine-interactive
VantagensVantagens:
Baixo custo e maior rendimento;
Possibilidade de se regular a tensão de saída ou compensar os harmônicos da corrente de carga, permitindo que a entrada do conversor seja senoidal e apresente um Fator de Potência Quasi-unitário;
Pequeno tempo de transferência nos modos: rede-inversor e inversor-rede.
Desvantagens:Desvantagens:
A presença do indutor não permite que a tensão de saída e a tensão de entrada estejam em fase, gerando um transitório quando da utilização da chave de “by-pass”.
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 15
Componentes de uma UPS
Baterias Inversor Retificador Chave Estática
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 16
Retificador semi-controlado monofásico
D2
T2
DRL
D1
T1
T2 D2
D1T1
Baixo CustoBaixo Custo
Não permite inversão Não permite inversão do fluxo de energiado fluxo de energia
Baixo Fator de PotênciaBaixo Fator de Potência
Taxa de Distorção Harmônica da Taxa de Distorção Harmônica da Corrente de Entrada elevada Corrente de Entrada elevada
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 17
Retificador semi-controlado monofásico
0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.0650
50
100
150
200Tensao e corrente de saida
Tempo(s)
πθ)(VmV cos1
0
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 18
Retificador semi-controlado monofásico
0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200Tensao e corrente de entrada
Tempo(s)
Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da corrente de entradacorrente de entrada
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 19
Retificador controlado monofásico
T2 T3
T4T1
Baixo Fator de PotênciaBaixo Fator de Potência
Taxa de Distorção Harmônica da Taxa de Distorção Harmônica da Corrente de Entrada elevada Corrente de Entrada elevada
Baixo CustoBaixo Custo
Permite inversão do fluxo Permite inversão do fluxo de energia: INVERSOR de energia: INVERSOR NÃO AUTÔNOMONÃO AUTÔNOMO
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 20
Retificador controlado monofásicoModo retificador
0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200Tensao e corrente de saida
Tempo(s)
πθVmV cos2
0
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 21
Retificador controlado monofásicoModo retificador
Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da corrente de entradacorrente de entrada
0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200Tensao e corrente de entrada
Tempo(s)
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 22
Retificador controlado monofásicoEfeito da Comutação
1.1. Introdução de “Notches” na tensão de entradaIntrodução de “Notches” na tensão de entrada
2.2. Redução da Tensão de saída:Redução da Tensão de saída:
ILoaV2
T1La
T4
T2 T3
IL2
V ao
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 23
Retificador controlado monofásicoEfeito da Comutação
0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200Tensao e corrente de saida
Tempo(s)0.042 0.0425 0.043 0.0435 0.044
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 24
0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200Tensao e corrente de entrada
Tempo(s)
Retificador controlado monofásicoEfeito da Comutação
0.042 0.0425 0.043 0.0435 0.044-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 25
Retificador controlado monofásicoModo inversor
0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200Tensao e corrente de saida
Tempo(s)
9090 < Ângulo de disparo < 150 < Ângulo de disparo < 150
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 26
Retificador controlado monofásicoModo inversor
0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200Tensao e corrente de entrada
Tempo(s)
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 27
Retificador trifásico
D3
0
D3
T2
D1
T1
D2
T3
T4
0
T1
T2
T5T3
T6
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 28
Retificador trifásico semi-controlado
0.1 0.11 0.12 0.130
100
200
300
Tensao e corrente de saida
Tempo(s)0.1 0.11 0.12 0.13
-200
0
200
Tensao e corrente de entrada
Tempo(s)
Ângulo de Disparo = 30Ângulo de Disparo = 30
Na tensão de saída, o primeiro Na tensão de saída, o primeiro harmônico presente é o terceiroharmônico presente é o terceiro Na corrente de entrada, Na corrente de entrada,
aparecem harmônicos paresaparecem harmônicos pares
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 29
Retificador trifásico semi-controlado
Ângulo de Disparo = 90Ângulo de Disparo = 90
0.1 0.11 0.12 0.13
-200
0
200
Tensao e corrente de entrada
Tempo(s)0.1 0.11 0.12 0.13
0
100
200
300
Tensao e corrente de saida
Tempo(s)
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 30
Retificador trifásico controlado
Ângulo de Disparo = 30Ângulo de Disparo = 30
0.1 0.11 0.12 0.13
-200
0
200
Tensao e corrente de entrada
Tempo(s)0.1 0.11 0.12 0.13
0
100
200
300
Tensao e corrente de saida
Tempo(s)
Na tensão de saída, o primeiro Na tensão de saída, o primeiro harmônico presente é o sextoharmônico presente é o sexto Na corrente de entrada, não Na corrente de entrada, não
aparecem harmônicos paresaparecem harmônicos pares
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 31
Retificador trifásico controladoModo Inversor não autônomo
Ângulo de Disparo = 120Ângulo de Disparo = 120
0.1 0.11 0.12 0.13
-200
0
200
Tensao e corrente de saida
Tempo(s)0.1 0.11 0.12 0.13
-200
0
200
Tensao e corrente de entrada
Tempo(s)
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 32
Retificador trifásico controlado 12 pulsos
T2
0
T3
T4T2
T1
T5
T6
T3
T6
T5
T4
T1
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 33
Retificador trifásico controlado 12 pulsos
0.1 0.11 0.12 0.130
100
200
300
Tensao e corrente de saida
Tempo(s)
Ângulo de Disparo = 60Ângulo de Disparo = 60
0.1 0.11 0.12 0.13-400
-200
0
200
400Tensao e corrente de entrada
Tempo(s)
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 34
Retificadores trifásicos a tiristores
VantagensVantagens
Baixo CustoBaixo Custo Rendimento ElevadoRendimento Elevado RobustezRobustez
DesvantagensDesvantagens
Baixo Fator de PotênciaBaixo Fator de Potência Corrente de entrada com THD elevadaCorrente de entrada com THD elevada
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 35
Inversores monofásicos
VOE
S2S1“Push-pull”
VO
ES2
S1
Meia ponte
S2
S1
E
S3
S4
VO
Ponte completa
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 36
Como controlar a tensão de saída do inversor?
Inversor de onda quadrada Problema com harmônicos de baixa
freqüência.
Empregado em UPS “Off-Line” de baixo custo
Inversores com controle por Modulação em Largura de Pulso Senoidal
Os harmônicos de baixa freqüência são eliminados. Os harmônicos presentes estão em bandas em torno de múltiplos da freqüência de chaveamento.
Empregado em UPS “On-line” e “Line-Interactive”
Inversores monofásicos
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 37
Inversores de onda quadrada
E
EVVoo
t
1EVorms
Presença de harmônicos de baixa freqüência na tensão de saída:
Filtragem difícil
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 38
TA +
ADA+
DA -
0
E/2
E/2
+-
t
VControle
VA0 E/2
-E/2
+ + +
- - -
O valor médio de VAO é positivoO valor médio de VAO é positivo
TA -
Modulação em Largura de Pulsos - PWM
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 39
TA +
ADA+
DA -
0
E/2
E/2 /2
+-
t
VControle
VA0 E/2
-E/2
O valor medio de VAO é zeroO valor medio de VAO é zero
TA -
+ +- - -
Modulação em Largura de Pulsos - PWM
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 40
TA +
ADA+
DA -
0
E/2
E/2
+-
t
VControle
VA0 E/2
-E/2
O valor médio de VAO é negativoO valor médio de VAO é negativo
TA -
- - -
+ + +
Modulação em Largura de Pulsos - PWM
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 41
<VA0>T em função de VC ; VPT ; E
E
-E
VPT
VC
TT/2
T2T1 T1
VA0
T1=VC
VPT
T
4T2=T/2-2T1
2
1
2 1210
TTTT
T
EV
TA
PT
CTA V
VEV
20
Modulação em Largura de Pulsos - PWM
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 42
PWM Senoidal Bipolar
E/2
-E/2
VAO
T /2
T1T2T3
T
VC VPT
tempo
tempo
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 43
|VC|
|VPT|
PWM Senoidal Bipolar
PT
Ca V
Vm
ma<1, Sistemas modulados
Sistemas Sobremodulados introduzem harmônicos de baixa Sistemas Sobremodulados introduzem harmônicos de baixa freqüência e portanto não são utilizados em UPSfreqüência e portanto não são utilizados em UPS
|VC|
|VPT|
ma>1, Sistemas sobremodulados
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 44
PWM Senoidal Bipolar
PT
Cf f
fm
Para mf inferior a 21, cuidado ao escolher a freqüência de chaveamento.
mf > 21 – Sistema com modulação de freqüência elevada
mf < 9 – Sistema com modulação de freqüência reduzida
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 45
Considerações sobre a escolha de mf
Para mf < 21: Sincronizar os sinais da modulante Vc e da portadora VPT mf deverá ser inteiro e ímpar As inclinações da modulante e da portadora deverão ser de
polaridades opostas, quando ambas cruzarem o eixo das ordenadas.
Para mf > 21: Não há necessidade de sincronismo e mf não necessita ser
inteiro.
PWM Senoidal Bipolar
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 46
PWM Senoidal Bipolar
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1M
a
Mf
Espectro Harmônico da Tensão de saida - PWM Bipolar
Ma = 0,8Mf = 15
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 47
TA +
TA -
A0
E/2
E/2
)(2
)(0 tsenmE
tV axTX
PT
CxTx V
tVEtV
)(2
)(0
(Vxx)T
TB +
TB -
Btempo
maB , φB
φBE
2maB
VB0
VA0
maA , φA=0
E2
maA
PWM Senoidal Unipolar
VAB
222 B
aAB senmE
V
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 48
φB =
VA0
VB0
VAB
VCBVCA
E/2
-E/2
tempo
E
-E
PWM Senoidal Unipolar
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 49
PWM Senoidal Unipolar
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1M
a
Mf
Espectro Harmônico da Tensão de saída - PWM Unipolar
Ma = 0,8Mf = 15
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Ma
Mf
Espectro Harmônico da Tensão de saida - PWM Bipolar
Ma = 0,8Mf = 15
Espectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM BipolarEspectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM Bipolar
Comparação PWM Senoidal
Espectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM UnipolarEspectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM Unipolar
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 51
Influência do Tempo Morto
iA > 0
iA < 0
E
-E
T1T1
T2T2
D1D1
D2D2
Tensão Desejada na saída
T1
T2
Tensão real na saída para iA
Tensão real na saída para iA
E
-E
ttmm
ttmm
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 52
corrente na carga positiva: a comutação de S1 para D2 não é influenciada pelo tempo morto, o mesmo não acontece com a comutação de D2 para S1.
S1 ON S1 OFF
corrente na carga positiva
Influência do Tempo Morto
0I se
0I se
A
A
ET
tV
ET
tV
mAO
mAO
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 53
Influência do Tempo Morto
VAO + ΔVAO
iA > 0
Tensão desejadaVAO + ΔVAO
iA < 0
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 54
Topologias de UPS Trifásicas
S1
S6S4
S2 S3
S5
S6
S1
C
S3
S5
S2
S4
C
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 55
Sinais de controle defasados de 120º
φB=120º
E
2ma
VB0
E
2ma
VA0
φB
VAB
2
1202 0 senVV AAB
PWM Senoidal trifásico
0.8
VCA(t) VCB(t))
VA0
VB0
E/2
-E/2
E/2
-E/2
E/2
-E/2
VAB
VCC(t))
(VAB)1
Tempo
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 56
Se subtrairmos dois sinais identicos defasados de 120º, o terceiro harmônico é eliminado
1 15 30 45 60
0,20,40,60,81,0
mf
(VA0)n
Conteúdo harmônico de VAO
0 15 30
0.2
0.4
0.6
0.8
1
(VAB)n
E
ma=0,8mf=15
( )1
23×= a
AB mEV
3327
Conteúdo harmônico da tensão entre fases
PWM Senoidal trifásico
mf
E
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 57
Tensão e corrente de saída de uma UPS
THD = 5% fp = 0,61
TT
T
T
1) Ch 1: 100 Volt 5 ms 2) Ch 2: 20 Amps 5 ms
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 58
Retificadores de Alto Fator de Potência
T1
D4
Va
C
LCf
D3
D1
T2
D2
Lf
D2
L
D3
C
Lf
T2T1
CfVa
D4
D1
• Alto Fator de PotênciaAlto Fator de Potência
• Fluxo de energia não Fluxo de energia não reversívelreversível
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 59
Lf
T4
D4
Va
T3
C
L
T2
T1
D1
Cf
D3D2
Retificadores de Alto Fator de Potência
•Fator de potência ajustávelFator de potência ajustável
•Fluxo de energia bidirecionalFluxo de energia bidirecional
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 60
S1
C5
L1
C2
D4
D1L2
D3
D6
D2
Retificadores de Alto Fator de Potência
Modo de Condução DescontínuoModo de Condução Descontínuo Modo de Condução CríticoModo de Condução Crítico Modo de Condução ContínuoModo de Condução ContínuoModo de Condução DescontínuoModo de Condução Descontínuo
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 61
Modo de Condução Crítico ou Descontínuo:Modo de Condução Crítico ou Descontínuo:
•Implementação Simples;Implementação Simples;
•Corrente máxima nas chaves elevada;Corrente máxima nas chaves elevada;
•Aplicação em equipamentos de baixa potência.Aplicação em equipamentos de baixa potência.
Modo de Condução Contínuo:Modo de Condução Contínuo:
•Implementação complexa Multiplicador;Implementação complexa Multiplicador;
•Corrente máxima nas chaves reduzida;Corrente máxima nas chaves reduzida;
•Aplicação em equipamentos de média e alta potência.Aplicação em equipamentos de média e alta potência.
Retificadores de Alto Fator de Potência
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 62
Retificadores de Alto Fator de Potência
Modo Contínuo:Modo Contínuo:
Controle da Corrente MédiaControle da Corrente Média
Modo Contínuo:Modo Contínuo:
Controle da Corrente por Controle da Corrente por HistereseHisterese
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 63
Retificadores de Alto Fator de Potência
Controle da Corrente Média:Controle da Corrente Média:
•Freqüência fixa;Freqüência fixa;
•Fácil de ser implementado em um microcontrolador ou DSP;Fácil de ser implementado em um microcontrolador ou DSP;
•Ajuste de dois reguladores, um para a malha de controle da Ajuste de dois reguladores, um para a malha de controle da tensão e outro para a malha de corrente.tensão e outro para a malha de corrente.
Controle da Corrente por Histerese:Controle da Corrente por Histerese:
•Freqüência variável;Freqüência variável;
•Ajuste apenas do regulador de tensão ;Ajuste apenas do regulador de tensão ;
•Impossível de implementar em um microcontrolador ou DSP.Impossível de implementar em um microcontrolador ou DSP.
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 64
Retificadores de Alto Fator de Potência
Controle do valor médio da corrente:Controle do valor médio da corrente:
Dimensionamento do indutor:Dimensionamento do indutor:
O “ripple” máximo ocorre quando a tensão instantânea da rede é O “ripple” máximo ocorre quando a tensão instantânea da rede é igual a metade da tensão de saída no barramento cc.igual a metade da tensão de saída no barramento cc.
Lf4E
iL
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 65
Retificadores de Alto Fator de Potência
Controle do valor médio da corrente: Controle do valor médio da corrente: dimensionamento do capacitordimensionamento do capacitor
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 66
Retificadores de Alto Fator de Potência
S1
Vo
PWM
Iref
C5
L1
K
Regulador
Regulador
C2
de Corrente
D4
D1L2
A
D3
AB
iL
+
-
B de Tensão
D6
+
D2
-
VrefControle sem Controle sem “feedforward”“feedforward”
KKss
KKmmKK
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 67
Retificadores de Alto Fator de Potência
D2
+
D3
Vref
PWM
-
L1
B2
Vo
iL
Regulador
D1
A
C
Regulador
ABde Tensão
C2
K
D4
+
D6
C
Iref
-
L2
de Corrente
C5
S1
FPB
Controle com Controle com “feedforward”“feedforward”
KKss
KK
KKmmKKffff
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 68
Retificadores de Alto Fator de Potência
Controle sem “Feedforward” Controle com “Feedforward”Controle sem “Feedforward” Controle com “Feedforward”
ea2
inms
ininin
eain
msin
VVK
KKIVP
VK
VKKI
ea2ff
msininin
2in
2ff
eain
msin
VKK
KKIVP
VK1
VK
VKKI
Vantagens do controlador com “Feedforward”:Vantagens do controlador com “Feedforward”:
Controlador de tensão não precisa compensar variações da Tensão eficaz de Controlador de tensão não precisa compensar variações da Tensão eficaz de entrada;entrada;
Menor esforço do controlador da tensão de saída, melhorando a resposta Menor esforço do controlador da tensão de saída, melhorando a resposta dinâmica da malha;dinâmica da malha;
Potência de entrada controlada.Potência de entrada controlada.
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 69
Retificadores de Alto Fator de Potência
Malha de corrente:Malha de corrente:
Limitação do ganho Limitação do ganho proporcional para evitar proporcional para evitar multiplas comparaçõesmultiplas comparações
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 70
Retificadores de Alto Fator de Potência
Malha de corrente:Malha de corrente:
Limitação do ganho de Limitação do ganho de alta freqüência da alta freqüência da medição da corrente.medição da corrente.
Banda passante da Banda passante da malha de corrente:malha de corrente:
1 a 10 kHz1 a 10 kHz
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 71
Retificadores de Alto Fator de Potência
Fatores que afetam a banda passante da malha de controle Fatores que afetam a banda passante da malha de controle da tensão:da tensão:
Distorção harmônica da referência para a malha de controle Distorção harmônica da referência para a malha de controle da corrente:da corrente:
1.1. Harmônicos presentes na medição da tensão de saída Harmônicos presentes na medição da tensão de saída aparecem em Vaparecem em Veaea
2.2. Método da medição da Tensão eficaz:Método da medição da Tensão eficaz:
filtragem da tensão retificadafiltragem da tensão retificada
Banda passante da malha de controle da tensão de saída: Banda passante da malha de controle da tensão de saída:
1 a 10Hz1 a 10Hz
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 72
Retificadores de Alto Fator de Potência
0.04 0.05 0.06330340350360
Tensao de saída
Tempo(s)
0.04 0.05 0.060
50
Corrente no indutor
Tempo(s)
0.0445 0.045 0.04550
20
40
60
80
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 73
Retificadores de Alto Fator de Potência
0.04 0.05 0.06-400
-200
0
200
400Tensao e corrente de entrada
Tempo(s)
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 74
UPS Line-Interactive (1)
D3
D1
CL T5
T3
Va
E
T2
Tr1
D4
T1
T4
D2
Durante funcionamento com rede presente o conversor Durante funcionamento com rede presente o conversor carrega a bateria e filtra os harmônicos da carga. carrega a bateria e filtra os harmônicos da carga.
Fator de potência unitário e corrente de entrada senoidal. Fator de potência unitário e corrente de entrada senoidal. Regulação da tensão de saída depende das variações da Regulação da tensão de saída depende das variações da tensão da rede.tensão da rede.
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 75
UPS Line-Interactive (2)
CVa
E
D2
T5
T4
T2
Tr1
D1
T3
L
D3
L1
T1
D4
Durante funcionamento com rede presente o conversor Durante funcionamento com rede presente o conversor carrega a bateria e regula a tensão na carga. carrega a bateria e regula a tensão na carga.
Fator de potência não unitário e corrente de entrada com Fator de potência não unitário e corrente de entrada com taxa de distorção harmônica elevadataxa de distorção harmônica elevada
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 76
UPS “Line-interactiva : TUPS “Line-interactiva : Tri-Portri-Port
EstabilizadorEstabilizador
Ca
rga
Ca
rga
Inversor/Inversor/retificadorretificador
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 77
UPS UPS on-line on-line - Carregador separado- Carregador separado
RetificadorRetificador TrafoTrafo
CarregadorCarregadorde de
BateriasBaterias
InversorInversor++
FiltroFiltro
Ca
rga
Ca
rga
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 78
UPS On-line
S2
S2
S4
T2
0
S1
S3 S5
T3T1
0
S4
S3
D1 D3
D3
S6
S1
S6S5 D2
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 79
UPS “Line-interactiva : conversor deltaUPS “Line-interactiva : conversor delta
Ca
rga
Ca
rga
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 80
Tensão e corrente na carga de uma UPS Tensão e corrente na carga de uma UPS “on-line” com controle por duas malhas“on-line” com controle por duas malhas
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 81
Tensão e corrente na carga de uma UPS Tensão e corrente na carga de uma UPS “on-line” com controle por duas malhas + “on-line” com controle por duas malhas + malha de controle repetitivomalha de controle repetitivo
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 82
Baterias Longa Duração:
Autonomia mínima de 3 horas, típica de 8 horas. Aplicação em sistemas de Telecomunicações.
Uso Geral: Usadas em UPS, quando autonomia é da ordem de 1 a 3
horas. Aplicações em sistemas de controle e comutação.
Curta Duração: Aplicações necessitando de potência elevada em um curto
intervalo de tempo. Em UPS, com autonomia da ordem de 15 minutos. Placas mais finas. Densidade do eletrólito mais elevada.
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 83
Baterias Chumbo-ácidas
Química da Bateria:
Placa Positiva: Dióxido de Chumbo – PbO2 Placa Negativa: Chumbo Esponjoso – Pb Eletrólito: Solução de ácido Sulfúrico – H2SO4
Densidade específica do eletrólito mais elevada, entre 1,25g/cm3 e 1,3g/cm3, aumentando a capacidade Ah da bateria às custas da redução da vida útil.
Tensão de Flutuação mais elevada para compensar as perdas internas mais elevada.
OHPbSOSOHPbPbO 2442 222Descarga
Carga
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 84
Tipos de baterias chumbo-ácidas:
Ventilada (“vented cells” ou “flooded cells”): Placas mergulhadas no eletrólito; Mecanismo permite o escape dos gases produzidos durante o
processo de carga (hidrogênio e oxigênio), com conseqüente perda do eletrólito.
Regulada por Válvula (VRLA): Possuem válvula reguladora da pressão interna que alivia o
excesso de hidrogênio produzido durante o processo de carga e impede que o oxigênio da atmosfera afete a reação química, prejudicando o rendimento e vida útil da bateria.
Os gases produzidos durante os ciclos de carga e descarga são recombinados no interior da bateria e retornam para a composição do eletrólito. A baixa quantidade de gás liberado a torna vantajosa para aplicações em UPS.
Baterias Chumbo-ácidas
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 85
Regulada por Válvula (VRLA):
Eletrólito absorvido (AGM-Absorvent Glass Material): Eletrólito impregnado em mantas de fibra de vidro microporosa,
que isola as placa positivas das negativas. A manta distribui uniformemente o eletrólito e o mantém em
contato com o material ativo das placa. Apresentam uma baixa resistência interna e são adequadas
para UPS que necessitam de correntes elevadas em um curto intervalo de tempo.
Eletrólito gelificado: Processo construtivo similar ao das baterias ventiladas. O eletrólito é combinado com dióxido de silica formando um
composto na forma de gel. Apresentam uma resistência interna mais elevada e são mais
indicadas para aplicações requerendo um grande tempo de descarga.
Baterias Chumbo-ácidas
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 86
Mecanismos de Falha
Alta Impedância: Corrosão das placas; Mau contato do material ativas das placas; Baixa Densidade Específica do Eletrólito.
Baixa Impedância: Curto-circuito entre placas.
Deterioração da capacidade: Ciclos de descarga profunda; Temperatura Elevada; Redução do Eletrólito; Número Elevados de ciclos de carga-descarga.
Baterias Chumbo-ácidas
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 87
Efeitos da Temperatura
A corrente de carga e a corrosão da grade da placa positiva aumentam exponencialmente com o aumento da temperatura do eletrólito.
Operação prolongada em níveis elevados de temperatura diminue a vida útil da bateria.
Operação da bateria em baixa temperatura aumenta a vida útil, mas reduz a capacidade disponível.
Ondulação da corrente circulando pela bateria e a ondulação da tensão nos terminais da bateria provocam um aumento da temperatura de operação da bateria.
Baterias Chumbo-ácidas
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 88
Química da Bateria:
Placa Positiva: hidrato de níquel - NiOOH Placa Negativa: cadmio esponjoso - Cd Eletrólito: Solução aquosa de Hidróxido de Potássio – KOH
Densidade específica do eletrólito entre 1,16g/cm3 e 1,25g/cm3 e independe do estado de carga da bateria. O eletrólito não participa da reação, apenas facilita a transferência de íons entre as placa.
As baterias são do tipo ventilada. As baterias seladas são de baixa capacidade e utilizadas em equipamentos portáteis.
Baterias Níquel-Cadmio
222 )()(222Carga
DescargaOHCdOHNiOHCdNiOOH
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 89
Mecanismos de Falha
A deterioração ocorre por alterações nos materiais ativos. Não há corrosão da estrutura mecânica das placas e assim não há
o risco da redução do desempenho ou da perda súbita da capacidade (Ah) da bateria.
A degradação da capacidade (Ah) é contínua no tempo. As baterias de NiCd podem tolerar ciclos de carga e descarga
leves ou descargas profundas com freqüência, sem sofrer danos. As baterias de NiCd são menos afetadas pela temperatura do que
as baterias chumbo ácidas. Por exemplo, uma bateria de NiCd submetida a temperatura de 32C terá a sua vida útil diminuída de cerca de 20% enquanto que a redução na bateria chumbo ácida será de 50%.
Baterias Níquel-Cadmio
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 90
Estratégias para a Carga de Baterias
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
Tempo (h)
Co
rren
te %
C(A
h)
0
1
2
3
Ten
são
po
r el
emen
to
Corrente
Tensão
Carga da bateria a tensão constante, com limitação de corrente:Carga da bateria a tensão constante, com limitação de corrente:
1)1) Etapa de carga a corrente constante;Etapa de carga a corrente constante;
2)2) Etapa de carga a tensão constante e igual ao valor da tensão de Equalização;Etapa de carga a tensão constante e igual ao valor da tensão de Equalização;
3)3) A bateria está carregada. A partir deste ponto a tensão na bateria é mantida no A bateria está carregada. A partir deste ponto a tensão na bateria é mantida no valor da tensão de Flutuação.valor da tensão de Flutuação.
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 91
Estratégias para a Carga de Baterias
Bateria chumbo ácida Bateria Níquel Cadmio
Tensão de Equalização 2,3 V/el < V < 2,5 V/el 1,45V/el
Tensão de Flutuação 2,2 V/el < V < 2,3 V/el 1,42V/el
Máxima corrente de recarga 0,2 CAh a 0,4 C20Ah
Tensão final de descarga 1,67 V/el < V < 2,1 V/el 1V/el
Correção tensão Flutuação -5 mV/C T 25C+5 mV/C T 25C
-3mV/C T 25C+3mV/C T 15C
Os valores acima são valores típicos. Consultar os dados técnicos Os valores acima são valores típicos. Consultar os dados técnicos fornecidos pelo fabricante da bateria.fornecidos pelo fabricante da bateria.
Recommended