4 Theoretical Reviews - apc.com · fornecem aos equipamentos eléctricos uma tensão sinusoidal de amplitude e frequência fixas (por exemplo, 400 volts rms, 50 Hz, em sistemas de

Schneider Electric 09/2015 edition p. 1

Revisão teórica

Índice Cargas de alimentação sensíveis ..................................... 2

Tipos de perturbações eléctricas ..........................................................2 Principais perturbações na energia eléctrica de baixa tensão..............3

UPS ................................................................................... 5 A solução UPS .....................................................................................5 Aplicações UPS ....................................................................................6

Tipos de UPS .................................................................... 8 UPS estáticas ou rotativas ...................................................................8 Tipos de UPS estáticas ........................................................................10

Componentes de UPS e funcionamento ........................... 17 Componentes de uma UPS ..................................................................17 Principais características dos componentes de UPS ...........................20 Diagrama de resumo das características principais .............................26 Modos de funcionamento da UPS ........................................................27 Configurações da UPS .........................................................................28

Tecnologia ........................................................................ 31 Technologia de UPS sem transformador .............................................31

Compatibilidade electromagnética (CEM) ......................... 37 Perturbações electromagnéticas ..........................................................37 Normas de CEM e recomendações ....................................................37

Normas relativas a UPS .................................................... 40 Âmbito e cumprimento das normas ......................................................40 Normas principais relativas a UPS .......................................................40

Armazenamento de energia .............................................. 43 Tecnologias possíveis ..........................................................................43 Baterias ................................................................................................43 Volantes ...............................................................................................47

Combinação de UPS/gerador ........................................... 51 Utilização de um gerador .....................................................................51 Combinação de UPS/gerador ...............................................................51

Harmónicas ....................................................................... 54 Harmónicas ..........................................................................................54 Valores característicos de harmónicas .................................................56

Cargas não lineares e tecnologia PWM (gerador de impulsos modulados) ........................................................ 59

Desempenho de carga não linear de UPS com tecnologia PWM ........62 Corte de frequência livre ......................................................................63

Rectificador de PFC .......................................................... 65


Alimentação de cargas sensíveis

Os sistemas de distribuição de energia, tanto públicos como privados, em teoria fornecem aos equipamentos eléctricos uma tensão sinusoidal de amplitude e frequência fixas (por exemplo, 400 volts rms, 50 Hz, em sistemas de baixa tensão. No entanto, em condições reais, as redes de distribuição de energia eléctrica públicas indicam que o nível de flutuação se situa entre os valores nominais. A norma EN 50160 define as flutuações normais na tensão de alimentação de baixa tensão nos sistemas de distribuição europeus da seguinte forma: • Tensão +10% a -15% (rms (valor eficaz) médio a intervalos de 10 minutos), da qual 95% têm de estar no intervalo +10% por semana. • Frequência +4 a 6% ao longo de um ano com ±1% para 99,5% do tempo (ligações síncronas num sistema interligado). Na prática, contudo, além das flutuações indicadas, a tensão sinusoidal é sempre distorcida até certo nível pelas várias perturbações que ocorrem no sistema.

Consulte a Nota de Aplicação NA 18 “Os Sete Tipos de Problemas de Potência” Origens das perturbações Energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública A energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública pode sofrer perturbações, ou até cortes, devido aos fenómenos seguintes: • Fenómenos atmosféricos que afectem as linhas aéreas ou os cabos subterrâneos - raios que podem provocar uma sobretensão súbita no sistema, - o gelo que se pode acumular nas linhas aéreas e fazer com que estas sejam cortadas, • Acidentes: - um ramo cair sobre uma linha, o que pode provocar um curto-circuito ou o corte de uma linha, - o corte de um cabo, por exemplo durante a escavação de valas ou outros trabalhos de construção, - uma falha na rede de distribuição de energia eléctrica pública • Desequilíbrio entre fases • A ligação de dispositivos de protecção ou de controlo ao sistema público de distribuição de energia eléctrica, para fins de rejeição de carga ou de manutenção. Equipamento do utilizador Alguns equipamentos podem provocar perturbações no sistema de distribuição de energia eléctrica público, por exemplo: • Equipamento industrial: - motores, que podem provocar quedas de tensão devido a correntes de irrupção no arranque, - equipamento como fornos de arco e máquinas de soldagem, que podem provocar quedas de tensão e interferências de frequência muito alta, • Equipamento electrónico de potência (fontes de alimentação com modo de comutação, unidades de velocidade variável, balastros electrónicos, etc.), que provocam frequentemente harmónicas, • Instalações de edifícios, como elevadores, que provocam correntes de irrupção ou lâmpadas fluorescentes que provocam harmónicas. Tipos de perturbações As perturbações devidas às causas acima são resumidas na tabela seguinte, de acordo com as definições contidas nas normas EN 50160 e ANSI 1100-1992.

Consulte WP 18

Tipos de perturbações eléctricas


Alimentação de cargas sensíveis (Cont.)

Perturbações Características Causas principal Consequências principaisFalhas de energia Micro-falhas

Ausência total de tensão ≤ 10 min

Condições atmosféricas, comutação, falhas, intervenções na rede.

Funcionamento com falhas e perda de dados (sistemas informáticos) ou produção interrompida (processos contínuos).

Falhas

Ausência total de tensão por mais do que um período. - breve falha de energia: ≤ 3 minutos (70% das falhas duram menos de 1 s) - falha prolongada: > 3 minutos

Condições atmosféricas, comutação, falhas, acidentes, cortes de linhas, intervenções na rede de distribuição.

Dependendo da duração, inoperatividade das máquinas e riscos para as pessoas (por exemplo, elevadores), perda de dados (sistemas informáticos) ou produção interrompida (processos contínuos).

Variações de tensão Quebras de tensão

Redução no valor da tensão rms para menos de 90% do valor nominal (mas superior a 0%), com regresso a um valor superior a 90% num intervalo de 10 min a 1 minuto.

Fenómenos atmosféricos, flutuações de carga, curto-circuito num circuito vizinho.

Inoperatividade de máquinas, anomalias, danos no equipamento e perda de dados.

Sobretensão

Aumento temporário para mais do que 10% da tensão nominal, por um período de 10 min a alguns segundos.

- Qualidade dos geradores utilitários e dos sistemas de transmissão. - Interacção entre geradores e flutuações de carga no sistema de potência utilitário. - Ligar o sistema de potência utilitário. - Interrupção de cargas de alta potência (por exemplo, motores, baterias de condensadores).

- Para sistemas informáticos: Corrupção dos dados, erros de processamento, encerramento do sistema, tensão sobre componentes. - Aumento de temperatura e envelhecimento prematuro do equipamento.

Subtensão

Queda de tensão com a duração de alguns minutos a dias.

Pico de consumo, quando o utilitário não consegue satisfazer a necessidade e tem de reduzir a sua tensão para limitar a potência.

Encerramento de sistemas informáticos. Corrupção ou perda de dados. Aumento da temperatura. Envelhecimento prematuro do equipamento.

Picos de tensão

Salto súbito e de grandes dimensões na tensão (por exemplo, 6 kV).

Queda de raios nas proximidades, descargas estáticas.

Erros de processamento, corrupção de dados, encerramento do sistema. Danos em computadores, placas electrónicas.

Desequilíbrio de tensão (em sistemas trifásicos)

Situação em que o valor de rms das tensões de fase ou os desequilíbrios entre fases são desiguais.

- Fornos de indução - Cargas monofásicas desequilibradas.

- Aumento da temperatura. - Desactivação de uma fase.

Variações de frequência Flutuações de frequência

Instabilidade de frequência. Normalmente +5%, - 6% (media para intervalos de tempo de dez segundos).

- Regulação de geradores. - Funcionamento irregular de geradores. - Fonte (gerador) de frequência instável.

Estas variações ultrapassam as tolerâncias de determinados instrumentos e hardware de computador (frequentemente ± 1%) e, por isso podem provocar a perda ou corrupção de dados

Oscilações As oscilações nos sistemas de iluminação devido a queda de tensão e frequência. (< 35 Hz).

Máquinas de soldagem, motores, fornos de arco, máquinas de raios-X, laser, baterias de condensadores.

Perturbações fisiológicas.


Alimentação de cargas sensíveis (Cont.)

Outras perturbações Transitórias de AF

Salto de tensão súbito, de grandes dimensões e muito curto. Semelhante a um pico de tensão.

Fenómenos atmosféricos (raios) e comutação.

Destruição de equipamento, envelhecimento acelerado, avaria de componentes ou isoladores.

Curta duração < 1 μs Amplitude < 1 a 2 kV em frequências de várias dezenas de MHz.

Abertura e fecho repetidos de relés e contactores.

Média duração > 1 μs e ≤ 100 μs Valor de pico 8 a 10 veze superior ao do valor nominal até vários MHz.

As falhas (raios) ou a comutação de alta tensão são transmitidas ao sistema de baixa tensão por acoplamento electromagnético.

Longa duração > 100 μs Valor de pico 5 a 6 vezes superior ao do valor nominal até várias centenas de MHz.

Interrupção de cargas indutivas ou de falhas de alta tensão transmitidas ao sistema de baixa tensão por acoplamento electromagnético.

Distorção harmónica

Distorção da corrente e da tensão sinusoidais devido às correntes harmónicas absorvidas pelas cargas não lineares. O efeito das harmónicas acima da 25ª ordem é negligenciável.

As máquinas eléctricas com núcleos magnéticos (motores, transformadores de descarga, etc.), fontes de alimentação com modo de comutação, fornos de arco, unidades de velocidade variável.

Sobredimensionamento do equipamento, aumento da temperatura, fenómenos de ressonância com condensadores, destruição de equipamento (transformadores).

Compatibilidade electromagnética (CEM)

Perturbações de condução ou radiação electromagnética ou electroestática. O objectivo é assegurar níveis reduzidos de emissões e uma alta imunidade.

A comutação de componentes electrónicos (transístores, tirístores, díodos, descargas electroestáticas.

Avarias de dispositivos electrónicos sensíveis.


UPS (Cont.)

As actividades económicas modernas dependem cada vez mais das tecnologias digitais, que são muito sensíveis a perturbações eléctricas. Como resultado, inúmeras aplicações necessitam de uma fonte de alimentação de reserva para se protegerem do risco das perturbações na rede de distribuição de energia eléctrica pública: • Os processos industriais e os respectivos sistemas de controlo/monitorização – riscos de perdas de produção, • Aeroportos e hospitais – riscos para a segurança das pessoas, • Tecnologias de informação e comunicação relacionadas com a Internet – riscos de paragens nos processamentos, com custos extremamente elevados por cada hora de indisponibilidade, devido à interrupção na troca de dados vitais, necessária para as empresas globais. UPS Uma UPS (sistema de alimentação ininterrupta) é utilizada para fornecer uma alimentação segura a aplicações sensíveis. Uma UPS é um dispositivo eléctrico instalado entre o utilitário e as cargas sensíveis que fornece tensão oferecendo: • Alta qualidade: a sinusoidal de saída está livre de todas e quaisquer perturbações da rede de distribuição de energia eléctrica pública e dentro das tolerâncias estritas de amplitude e frequência, • Disponibilidade elevada: o fornecimento contínuo de tensão, dentro das tolerâncias especificadas, é assegurado for uma fonte de alimentação de reserva. A alimentação de reserva é geralmente uma bateria que, se necessário, intervém sem interrupções de alimentação, para substituir a energia eléctrica distribuída pela rede pública e fornecer o tempo de reserva de que a aplicação necessita. Estas características fazem das UPS a fonte de alimentação ideal para todas as aplicações sensíveis, uma vez que asseguram a qualidade e a disponibilidade da alimentação, independentemente do estado da rede de distribuição de energia eléctrica pública. Componentes de uma UPS Uma UPS inclui normalmente os componentes principais listados a seguir. Rectificador/carregador Absorve a energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública e produz uma corrente CC para alimentar o inversor e carregar ou recarregar a bateria. Inversor Regenera completamente uma sinusoidal de saída de tensão de alta qualidade: • Livre de todas as perturbações da rede de distribuição de energia eléctrica pública, nomeadamente das micro-interrupções de energia, • Dentro das tolerâncias compatíveis com os requisitos dos dispositivos electrónicos sensíveis (por exemplo, tolerâncias de amplitude ± 0,5% e frequência ± 1%, comparadas com ± 10% e ± 5% nos sistemas de distribuição de energia eléctrica públicos, que correspondem a factores de melhoria de 20 e 5, respectivamente. Nota. O termo inversor é utilizado algumas vezes para designar uma UPS, quando, na realidade, se trata de uma peça da UPS. Bateria A bateria fornece tempo de reserva de funcionamento suficiente (de 6 minutos a várias horas), intervindo para substituir a energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública. Bypass estático O bypass estático assegura uma transferência sem interrupções da carga do inversor para a rede de distribuição de energia eléctrica pública directa e vice-versa. A transferência sem interrupções é realizada por um dispositivo que implementa SCR (por vezes denominados de comutadores estáticos). O bypass estático torna possível continuar a fornecer a carga, mesmo que ocorra um erro interno ou durante a manutenção dos módulos rectificadores/carregadores e inversores. Também pode servir para transferências para solicitar a potência total disponível a montante, em caso de sobrecargas (por exemplo, curto-circuitos) que ultrapassem a capacidade da UPS. Durante o funcionamento com base no bypass estático, a carga é fornecida directamente pela rede de distribuição de energia eléctrica pública e deixa de estar protegida (funcionamento em modo reduzido).

A solução UPS


UPS (Cont.)

Bypass de manutenção Este bypass pode ser utilizado para fornecer a carga directamente com a energia da rede pública, sem recorrer ao inversor ou ao comutador estático. A transferência para o bypass de manutenção é iniciada pelo utilizador através de comutadores. Accionar os comutadores necessários é a forma de isolar o bypass estático e o inversor para manutenção, ao mesmo tempo que se continua a fornecer a carga em modo reduzido.

HV/LV transformer

HV system

Non-sensitive loads

Normal utility power(disturbances andsystem tolerances)

Static bypass

Maintenance bypass

Inverter

Battery

Rectifier/charger

Sensitive loads

UPS

Reliable power(no disturbances, within

strict tolerancesand available due to

battery backup power)

Fig. 5.1. A solução UPS.

As UPS são utilizadas para uma ampla gama de aplicações que necessitam de corrente eléctrica que está disponível em permanência e que não é afectada pelas perturbações da rede de distribuição de energia eléctrica pública. A tabela abaixo apresenta várias aplicações. Para cada uma delas, indica a sensibilidade da aplicação a perturbações e o tipo de UPS adequado para protecção. As aplicações que necessitam deste tipo de instalação são: • Sistemas informáticos, • Telecomunicações, • Indústria e instrumentos, • Outras aplicações. As tipologias de UPS necessárias são apresentadas na página 9, “Tipos de UPS estáticas”. Entre estas incluem-se as UPS estáticas que implementam as tipologias seguintes: • Estado em espera passivo, • Interacção com o sistema de distribuição, • Conversão dupla.

Aplicações UPS


UPS (Cont.)

Aplicações UPS Aplicação Dispositivos protegidos Necessária protecção contra Tipo de UPS

(consulte p. 8) Micro-interrupções

Interrupções

Variações de tensão

Variações de frequência

Outra

Sistemas informáticos Centros de dados - Compartimento de grandes dimensões

para servidores montados em bastidores - Centros de dados da Internet

***** ***** ***** ***** ***** Conversão dupla

Redes empresariais - Conjuntos de computadores com terminais e dispositivos periféricos (unidades de armazenamento de banda, unidades de disco, etc.)

***** ***** ***** ***** ***** Conversão dupla

Pequenas redes ou servidores

- Redes compostas por PC ou estações de trabalho, redes de servidores (WAN, LAN)

**** **** *** *** ** Interacção com o sistema de distribuição

Computadores autónomos

- PC, estações de trabalho - Dispositivos periféricos: Impressoras, plotters, correio de voz

** ** * * ** Em espera passiva

Telecomunicações Telecomunicações - PPCA digitais ***** ***** ***** ***** ***** Conversão dupla

Indústria e instrumentos Processos industriais - Controlo de processo

- PLC - Sistemas de controlo numérico - Sistemas de controlo - Sistemas de controlo robotizado/monitorização - Máquinas automáticas

*** ***** *** *** **** Conversão dupla

Medicina e laboratórios - Instrumentação - Scanners (60 Hz) **** ***** **** **** *** Conversão dupla

Equipamento industrial

- Máquinas-ferramentas - Robôs de soldagem - Prensas de injecção do plástico - Dispositivos de regulação precisa (sector têxtil, do papel, etc.) - Equipamento de aquecimento para fabrico de semi-condutores, vidro, materiais puros

*** **** *** *** *** Conversão dupla

Sistemas de iluminação - Edifícios públicos (elevadores, equipamento de segurança) - Túneis - Iluminação de pistas em aeroportos

** **** *** *** ** Conversão dupla Interacção com o sistema de distribuição

Outras aplicações Frequências especiais - Conversão de frequência

- Fontes de alimentação para aeronaves (400 Hz)

**** **** **** ***** *** Conversão dupla

* reduzida sensibilidade a perturbações ***** elevada sensibilidade a perturbações


Tipos de UPS

Soluções de UPS estáticas ou rotativas Existem dois tipos principais de UPS (figura 5.2 e detalhes em Nota de Aplicação NA 92 - "Comparação de UPS Estáticas e Rotativas") que diferem basicamente no modo como a função de inversor da UPS é implementada. Solução estática Estas UPS utilizam componentes electrónicos para executar a função de inversor. Obtém-se uma “função de inversor estático”. Solução rotativa Estas UPS utilizam máquinas rotativas para executar a função de inversor. Obtém-se uma “função de inversor rotativo”. Na realidade, estas UPS combinam um motor e um gerador com um inversor estático extremamente simplificado. O inversor filtra as perturbações da rede de distribuição de energia eléctrica pública e regula apenas a frequência da sua tensão de saída (normalmente em forma de "ondas quadradas") que alimenta um conjunto de motor/gerador regulado que, por vezes, é combinado com um volante. O conjunto de motor/gerador gera uma tensão de saída sinusoidal, assumindo a frequência de saída do inversor como referência.

Fig. 5.2. UPS estáticas e rotativas Comparação Solução rotativa Os argumentos frequentemente apresentados a favor desta solução são os seguintes: • Corrente elevada de curto-circuito do gerador na ordem dos 10 In (dez vezes a corrente nominal), o que facilita a instalações de dispositivos de protecção, • Capacidade de sobrecarga de 150% (da corrente nominal) num período mais alargado (dois minutos em vez de um), • Instalação a jusante, isolada galvanicamente da fonte de CA a montante devido ao conjunto motor/gerador, • Impedância interna que fornece alta tolerância às cargas não lineares frequentemente detectadas com as fontes de alimentação com modo de comutação utilizadas pelos sistemas informáticos.

UPS estáticas ou rotativas Consulte WP 92


Tipos de UPS (Cont.)

Solução estática Comparada com as vantagens das soluções rotativas As UPS estáticas da Schneider Electric oferecem as vantagens listadas abaixo. • Funcionamento em modo de limitação de corrente (por exemplo, até 2,33 In para Galaxy 5000) com descriminação assegurada para circuitos calculados até In/2. Estas características, que na prática são mais do que suficientes, previnem as desvantagens dos sistemas rotativos: - sobreaquecimento de cabos, - os efeitos de uma corrente de curto-circuito excessiva e a correspondente queda de tensão nos dispositivos sensíveis, durante o tempo que os dispositivos de protecção demoram a eliminar a falha. • Capacidade de sobrecarga de 150% (da corrente nominal) por um minuto. A capacidade de sobrecarga de dois minutos não tem qualquer utilidade prática, uma vez que a maior parte das sobrecargas é muito curta (menos de um segundo, por exemplo, em correntes de irrupção de motores, transformadores e electrónica de potência. • Isolamento galvânico, quando necessário, através de um transformador de isolamento. • Operação de conversão dupla que isola completamente a carga da rede de distribuição de energia eléctrica pública e regenera a tensão de saída através de uma regulação precisa da amplitude da tensão e da frequência. • Impedância interna muito baixa para um mais elevado desempenho com cargas não lineares devido à utilização das tecnologias de transístor de potência. Outras vantagens

As soluções estáticas fornecem muitas outras vantagens, devido à tecnologia de transístor de potência combinada com a técnica de corte de PWM. • Concepção geral simplificada, com uma redução do número de peças e ligações, bem como do número de possíveis causas de erro. • Capacidade de reagir instantaneamente à amplitude e às flutuações de frequência da energia eléctrica da rede de distribuição pública através da regulação da comutação controlada por microprocessadores baseada em técnicas de amostragem digital. A amplitude da tensão volta às condições reguladas (± 0.5% ou ± 1% dependendo do modelo) em menos de 10 milissegundos para alterações do escalão da carga de até 100%. No intervalo de tempo indicado, uma alteração do escalão da carga como esta produz uma variação da tensão da carga inferior a, por exemplo, ± 2% para Galaxy PW e Galaxy 5000. • Uma eficiência elevada e constante, independentemente da carga em percentagem, que é uma grande vantagem para unidades UPS redundantes com baixas cargas em percentagem. Uma unidade UPS estática com uma carga de 50% mantém uma eficiência elevada (94%), enquanto a eficiência de uma UPS rotativa cai para o intervalo entre 88-90% (valor típico), o que tem um impacto directo nos custos operacionais. • Configurações redundantes que fornecem uma disponibilidade elevada na estrutura de sistemas de alimentação ultra-fiáveis (por exemplo, para centros de dados). • Integração possível em arquitecturas redundantes com funções separadas que facilitam a manutenção, isolando partes da instalação. Os sistemas rotativos integram a UPS, a fonte de alimentação de reserva e o gerador como um único componente, impossibilitando assim a separação das funções. • Sem pontos únicos de falha. Os sistemas rotativos que incorporam volantes dependem da capacidade do motor para arrancar rapidamente (normalmente em menos de 12 segundos). Isto significa que o motor tem de estar em perfeito estado e ser alvo de uma manutenção rigorosa. Se o motor não arrancar, não existe tempo para desligar as cargas críticas ordenadamente.

Pense também nas seguintes vantagens que não podem ser negligenciadas. • reduzidas dimensões e peso, • sem desgaste das peças rotativas, o que torna a manutenção mais fácil e rápida. Por exemplo, os sistemas rotativos requerem a verificação do alinhamento das partes rotativas e a substituição dos rolamentos após 2 a 6 a nos é uma operação de grandes dimensões (mecanismo de elevação, aquecimento e arrefecimento dos rolamentos durante a substituição).



Conclusão Dadas as vantagens apresentadas acima, as UPS estáticas são utilizadas numa grande maioria dos casos e, em particular, para aplicações de alta potência.

Nas páginas seguintes, entende-se que o termo fonte de alimentação ininterrupta (UPS) significa a solução estática. Normas UPS Devido a um enorme aumento do número de cargas sensíveis, o termo "UPS" inclui agora dispositivos que vão de algumas centenas de VA para computadores de secretária a vários MVA para centros de dados e sites de telecomunicações. Ao mesmo tempo, foram desenvolvidas tipologias diferentes e os nomes utilizados para os produtos disponíveis no mercado nem sempre são claros (ou chegam a ser enganadores) para os utilizadores finais. Foi por isso que a IEC (Comissão Electrotécnica Internacional) estabeleceu normas que regem os tipos de UPS, bem como as técnicas utilizadas para medir os seus níveis de desempenho, e esses critérios foram adoptados pelo CENELEC (Comité Europeu de Normalização). A norma IEC 62040-3 e a sua equivalente europeia EN 62040-3 definem três tipos de normas (topologias) de UPS e os seus níveis de desempenho. As tecnologias da UPS incluem: ● Modo em espera passivo, ● Interactividade linear, ● Conversão dupla. Potência de entrada de CA Estas definições dizem respeito ao funcionamento da UPS relativamente à fonte de alimentação, incluindo o sistema de distribuição a montante da UPS. As normas definem os termos seguintes: • Alimentação primária: alimentação normalmente disponível em contínuo que, em geral, é fornecida por uma companhia de distribuição de energia eléctrica, mas por vezes é-o pelo gerador do próprio utilizador, • Potência em espera: A potência que se destina a substituir a alimentação primária em caso de uma falha desta última, Na prática, uma UPS tem uma ou duas entradas: • Entrada de CA normal (ou Principal 1), alimentada pela alimentação principal, • Entrada de CA de Bypass (ou Principal 2), alimentada pela potência em espera (em geral, através de um cabo separado a partir do mesmo quadro de comutação principal de baixa voltagem (MLVS). UPS em funcionamento no modo em espera passivo

A UPS é instalada em paralelo com a rede de distribuição pública e serve de reserve à mesma. A bateria é carregada por um carregador separado do inversor. Princípio de funcionamento • Modo normal - O inversor funciona em modo em espera passivo. - A carga é fornecida através da rede de distribuição de energia eléctrica pública por intermédio de um filtro que elimina determinadas perturbações e fornece um certo nível de regulação da tensão. - As normas não mencionam este filtro, falando simplesmente de um "comutador UPS". Indicam igualmente que "podem ser incorporados dispositivos adicionais para fornecer o condicionamento da potência, por exemplo, um transformador ferro-ressonante ou um transformador com regulação". • Modo de reserva da bateria - Quando a tensão de entrada de CA está fora das tolerâncias especificadas para a UPS, ou quando ocorre uma falha da rede de distribuição de energia eléctrica pública, o inversor e a bateria intervêm para assegurar uma fornecimento contínuo de potência à carga após um tempo de transferência muito curto (geralmente, inferior a 10 min). As normas não estipulam um tempo, mas indicam que "a carga [é] transferida directamente para o inversor ou através do comutador da UPS (que pode ser electrónico ou electromecânico)".

Tipos de UPS estáticas



- A UPS continua a funcionar com base na potência da bateria até ao fim do tempo de reserva da bateria ou até a rede de distribuição de energia eléctrica pública ser reposta, o que provoca uma transferência da carga de novo para a entrada de CA (modo normal).

Fig. 5.3. UPS em funcionamento no modo em espera passivo Vantagens • Diagrama simples. • Custo reduzido. Desvantagens • Não existe um verdadeiro isolamento da carga relativamente ao sistema de distribuição a montante. • Tempo de transferência. Funciona sem um comutador estático real, por isso é necessário algum tempo para transferir a carga para o inversor. Este tempo é aceitável para algumas aplicações individuais, mas é incompatível com o desempenho exigido por sistemas mais sofisticados e mais sensíveis (grandes centros de informática, centrais telefónicas, etc.). • Sem regulação da frequência de saída, que é simplesmente a da rede de distribuição de energia eléctrica pública. Utilização Esta configuração é, de facto, um compromisso entre um nível aceitável de protecção contra perturbações e custo. As desvantagens mencionadas significam que, na prática, este tipo de UPS só pode ser utilizado para classificações de baixa tensão (< 2 kVA) e não pode ser utilizado como conversor de frequência. UPS em funcionamento no modo de interactividade linear

O inversor está ligado em paralelo com a entrada de CA numa configuração em espera, e carrega igualmente a bateria. Interage assim (exploração reversível) com a fonte de entrada de CA. Princípio de funcionamento • Modo normal A carga é fornecida com potência condicionada através de uma ligação de porta paralela da entrada de CA e do inversor. Enquanto a energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública se mantiver dentro das tolerâncias, o inversor regula as flutuações da tensão de entrada. Caso contrário (exploração reversível), carrega a bateria. A frequência de saída depende da frequência de entrada de CA. • Modo de reserva da bateria - Quando a tensão de entrada de CA se encontrar fora das tolerâncias para UPS ou ocorrer uma falha da rede de distribuição de energia eléctrica pública, o inversor e a bateria intervêm para assegurar um fornecimento contínuo de potência à carga. O



comutador de potência (por exemplo, o comutador estático) também desliga a entrada de CA para impedir que a potência do inversor flua para montante. - A UPS continua a funcionar com base na potência da bateria até ao fim do tempo de reserva da bateria ou até a rede de distribuição de energia eléctrica pública ser reposta, o que provoca uma transferência da carga de novo para a entrada de CA (modo normal). • Modo bypass Este tipo de UPS pode ser equipado com um bypass. Se uma das funções da UPS falhar, a carga pode ser transferida para a entrada de CA do bypass através do bypass de manutenção.

Fig. 5.4. UPS em funcionamento no modo de interactividade linear Vantagens • O custo pode ser inferior ao de uma UPS de conversão dupla com a classificação de potência equivalente porque o inversor não funciona em contínuo. Desvantagens • Não existe um verdadeiro isolamento da carga relativamente ao sistema de distribuição a montante, assim: - a sensibilidade às variações da tensão da rede de distribuição de energia eléctrica pública e as solicitações frequentes do inversor, - influência das cargas não lineares a jusante na tensão de entrada a montante. • Sem regulação da frequência de saída, que é simplesmente a da rede de distribuição de energia eléctrica pública. • Condicionamento medíocre da tensão de saída por o inversor não estar instalado em série com a entrada de CA. A norma fala de "potência condicionada", dada a ligação em paralelo da entrada de CA e do inversor. Contudo, o condicionamento é limitado pela sensibilidade das flutuações da tensão a jusante e a montante e pelo modo de exploração reversível do inversor. • A eficiência depende de: - o tipo de carga. Com cargas não lineares, a corrente absorvida inclui harmónicas que alteram a fundamental. As correntes harmónicas são fornecidas pelo inversor reversível que regula a tensão e a eficiência é bastante reduzida. - a carga em percentagem. A potência necessária para carregar a bateria torna-se cada vez mais significativa enquanto a carga em percentagem diminui. • Existe um ponto único de falha devido à inexistência de um bypass estático, i.e. se ocorrer uma avaria, a UPS é encerrada. Utilização Esta configuração não é adequada para a regulação de cargas sensíveis na classificação de média a alta potência porque a regulação da potência não é possível. Por este motivo, raramente é utilizada para além das classificações de baixa potência.



UPS de conversão dupla

O inversor é ligado em série entre a entrada de CA e a aplicação. A alimentação fornecida continuamente à carga flui através do inversor. Princípio de funcionamento • Modo normal Durante o funcionamento normal, toda a alimentação fornecida à carga passa através do rectificador/carregador e inversor que, juntos, executam uma conversão dupla (CA-CC-CA), e daqui o nome. A tensão é regenerada e regulada em contínuo. • Modo de reserva da bateria - Quando a tensão de entrada de CA se encontra fora das tolerâncias especificadas para a UPS ou existe uma falha da rede de distribuição de energia eléctrica pública, o inversor e a bateria intervêm para assegurar um fornecimento contínuo de potência à carga. - A UPS continua a funcionar com base na potência da bateria até ao fim do tempo de reserva da bateria ou até a rede de distribuição de energia eléctrica pública ser reposta, o que provoca uma transferência da carga de novo para a entrada de CA (modo normal). • Modo bypass Este tipo de UPS inclui um bypass estático (por vezes denominado comutador estático) que assegura uma transferência ininterrupta da carga do inversor para a rede de distribuição de energia eléctrica pública directa e vice-versa. A carga é transferida para o bypass estático, nas situações seguintes: - falha da UPS, - transitórios de correntes de carga (correntes de irrupção ou de falha), - sobrecargas, - fim do tempo de reserve da bateria. A presença de um bypass estático assume que as frequências de entrada e de saída são idênticas, o que significa que não pode ser utilizado como um conversor de frequência. Se os níveis de tensão não forem idênticos, é necessário um transformador de bypass. A UPS é sincronizada com a entrada de CA do bypass para assegurar transferências ininterruptas do inversor para a linha do bypass. Nota. Está disponível uma outra linha de bypass, frequentemente denominada bypass de manutenção, para fins de manutenção. É fechada por um comutador manual.

Fig. 5.5. UPS de conversão dupla.



Vantagens • Regeneração completa da potência de saída, quer esta provenha da rede de distribuição de energia eléctrica pública ou da bateria. • Isolamento total da carga do sistema de distribuição e respectivas perturbações. • Intervalo de tensão de entrada bastante alargado, mas com uma regulação precisa da tensão de saída. • Independência das frequências de entrada e de saída, assegurando assim uma frequência de saída dentro das tolerâncias estritas. Capacidade para funcionar como um conversor de frequência (se planeado para esse efeito), através da desactivação do comutador estático. • Níveis de desempenho bastante mais elevados sob condições transitórias e em estado estável. • Passagem instantânea para o modo de reserva da bateria se ocorre uma falha da rede de distribuição de energia eléctrica pública. • Transferência ininterrupta para uma linha de bypass (modo bypass). • Bypass manual (normalmente normalizado) para facilitar a manutenção. Desvantagens • Preço mais elevado, que é compensado pelas inúmeras vantagens. Utilização Esta configuração é a mais completa em termos de protecção da carga, possibilidades de regulação e níveis de desempenho. Assegura nomeadamente a independência da tensão e à frequência de saída relativamente à tensão e à frequência de entrada. As suas inúmeras vantagens significam que se trata praticamente da única configuração utilizada para classificações de média e de alta potência (acima de 10 kVA). Conclusão As UPS de conversão dupla representam a grande maioria dos sistemas de média a alta potência vendidos (95% começando por poucos kVA e 98% para as de 10 kVA e superior). Isto deve-se aos seus inúmeros pontos fortes na satisfação das necessidades das cargas sensíveis com estas classificações de potência e é em grande parte resultado do inversor posicionado em série com a entrada de CA. E o que é mais importante, têm muito poucos pontos fracos à excepção do custo elevado, que é necessário para oferecer um nível de desempenho frequentemente indispensável, dada a natureza crítica das cargas protegidas. Um outro ponto fraco são perdas um pouco mais altas (algumas por cento). Nas classificações de potência em consideração, as outras tecnologias são marginais, apesar de um custo significativamente inferior. Têm as desvantagens listadas abaixo. • Sem regulação de tensão para UPS no modo em espera passivo. • Sem regulação de frequência para UPS no modo em espera passivo e UPS no modo de interactividade linear. • Isolamento medíocre (frequentemente um protector contra picos) da entrada de CA devido à configuração em paralelo do inversor. Conclusão

Para classificações de baixa potência (< 2 kVA), as três tecnologias normalizadas coexistem. É a relação custo-eficácia das funções de protecção relativamente aos requisitos das cargas e os riscos corridos (para pessoas, produção, etc.) que determinam a selecção de uma das três tipologias.

A UPS online de conversão delta Esta concepção de UPS, ilustrada na Figura 5.6, é uma tecnologia mais recente, com 10 anos, que foi introduzida para eliminar os inconvenientes da consepção online de conversão dupla e está disponível em tamanhos que vão dos 5 kVA a 1,6 MW. Semelhante à concepção online de conversão dupla, a UPS online de



conversão delta tem sempre o inversor a fornecer a tensão de carga. No entanto, o conversor delta adicional também fornece potência à saída do inversor. Em condições de uma falha ou perturbações de CA, esta concepção exibe um comportamento idêntico ao do online de conversão dupla.

DELTACONVERTER

BATTERY

MAININVERTER

ACDC DC

AC

STATIC BYPASSSWITCH

DELTATRANSFORMER

Figura 5.6: UPS online de conversão delta

Uma forma simples de compreender a eficiência energética da topologia de conversão delta é pensar na energia necessária para entregar um pacote do 4º andar ao 5º andar de um edifício, como exemplificado na Figura 5.7. A tecnologia de conversão Delta economiza energia transportando o pacote apenas na diferença (delta) entre os pontos de início e de fim. A UPS online de conversão dupla converte a potência para a bateria e vice-versa enquanto o conversor delta move os componentes da potência da entrada para a saída.

X4th

Floor

5thFloor

DOUBLE CONVERSION DELTA CONVERSION

X4th

Floor

5thFloor

Figura 5.7: Analogia da conversão dupla vs. conversão delta Na concepção online da conversão delta, o conversor delta actua com um duplo objectivo. O primeiro é controlar as características da potência de entrada. Esta unidade inicial activa absorve a potência de modo sinusoidal, minimizando as harmónicas reflectidas na rede de distribuição pública. Isto assegura uma compatibilidade optimizada entre a rede de distribuição pública e o sistema do gerador, reduzindo o aquecimento e o desgaste do sistema no sistema de distribuição de potência. A segunda função do conversor delta é controlar a corrente de entrada de modo a regular o carregamento do sistema da bateria.

A UPS online de conversão delta fornece as mesmas características de saída que a concepção online de conversão dupla. No entanto, as características de entrada são frequentemente diferentes. As concepções online de conversão delta fornecem



entrada controlada dinamicamente, com correcção com factor de potência, sem a utilização ineficiente de bancos de filtros associados a soluções tradicionais. O benefício mais importante é uma redução significativa das perdas de energia. O controlo da potência de entrada torna igualmente a UPS compatível com todos os conjuntos de geradores e reduz a necessidade de um sobredimensionamento da cablagem e do gerador. A tecnologia online da conversão delta é a única tecnologia de UPS de núcleo actualmente protegida por patente e, portanto, não é provável que esteja disponível numa gama alargada de fornecedores de UPS.

Durante as condições do estado estável o conversor delta permite que a UPS forneça potência à carga com uma eficiência bastante maior do que a da concepção de conversão dupla.


Componentes de UPS e funcionamento

(Cont.)

As informações apresentadas abaixo dizem respeito a uma UPS de conversão dupla, a tecnologia mais comummente utilizada pela Schneider Electric para classificações de potência superiores a 10 kVA. Diagrama geral de uma UPS Foram atribuídos números aos vários itens do diagrama abaixo que correspondem aos sectores das páginas seguintes.

Fig. 5.6. Componentes de uma UPS Fontes de alimentação e entradas de UPS Na prática, uma UPS tem uma ou duas entradas: • Entrada de CA normal (ou Principal 1), alimentada pela alimentação principal, • Entrada de CA de Bypass (ou Principal 2), alimentada pela potência em espera (em geral, através de um cabo separado a partir do mesmo quadro de comutação principal de baixa voltagem (MLVS).

Fontes de CA, consulte a p. 9 A ligação da UPS às fontes de alimentação primária e de potência em espera (entradas da UPS alimentadas por dois circuitos separados do MLVS) é recomendada porque a fiabilidade do sistema em geral aumenta. No entanto, se não estiverem disponíveis dois circuitos separados do MLVS, é possível que as duas entradas de CA (normal e de bypass) sejam alimentadas pela alimentação principal (segundo cabo). A gestão de transferências entre as duas linhas de entrada é organizada do modo seguinte. • A UPS sincroniza a tensão de saída do inversor com a da linha de bypass enquanto esta última se situar dentro das tolerâncias. Assim, será possível, se necessário, ao comutador estático transferir a carga para a entrada de CA de bypass, sem uma interrupção (porque as duas tensões estão sincronizadas e em fase) ou perturbações (porque a potência de standby está dentro das tolerâncias) para a carga.

Componentes de uma UPS



(Cont.)

• Quando a potência em espera não se encontra dentro das tolerâncias, o inversor fica dessincronizado e a transferência é desactivada. No entanto, pode ser realizado manualmente. Componentes de uma UPS Rectificador/carregador (1) Transforma a potência de CA da fonte de alimentação primária em tensão de CC e a corrente utilizada para: • Alimentar o inversor, • Carregar e transferir carga flutuante para a bateria. Inversor (2) Utilizando a potência de CC fornecida por: • Rectificador, durante o funcionamento normal, • Bateria, durante o funcionamento autónomo, o inversor regenera completamente o sinal de saída sinusoidal, dentro de uma amplitude estrita e das tolerâncias de frequência. Bateria (3) Torna a UPS autónoma relativamente à rede de distribuição de energia eléctrica pública em caso de: • Uma falha da rede de distribuição de energia eléctrica pública, • Características da energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública fora das tolerâncias especificadas para a UPS. Os tempos de reserva da bateria vão dos 6 aos 30 minutos como norma e podem ser prolongados a pedido. Dependendo da duração do tempo de reserva, a bateria está instalada no mesmo armário da UPS ou num armário separado. Bypass estático (4) É utilizado um comutador estático para transferir a carga do inversor para o bypass sem qualquer interrupção* no fornecimento de potência à carga (sem interrupções porque a transferência é realizada por componentes electrónicos em detrimento dos mecânicos). A comutação é possível quando as frequências a montante e a jusante da UPS são idênticas. A transferência é efectuada automaticamente por qualquer uma das razões seguintes: • Encerramento voluntário da UPS, • Uma sobrecarga que exceda a capacidade limitadora do inversor (esta transferência pode ser desactivada), • Uma falha interna. Também pode ser realizado manualmente. * A transferência ininterrupta é possível quando as tensões na saída do inversor e na entrada de CA do bypass estão sincronizadas. A UPS mantém a sincronização enquanto a potência em espera se mantiver dentro das tolerâncias. Bypass manual (5) É utilizado um comutador manual para transferir a carga para o bypass para fins de manutenção. A comutação é possível quando as frequências a montante e a jusante da UPS são idênticas. A passagem para o modo de bypass manual é realizada através de comutadores manuais. Comutadores manuais (6, 7, 8) Estes dispositivos isolam os módulos do rectificador/carregador e do inversor e/ou a linha de bypass para assistência ou manutenção. Disjuntor da bateria (9) O disjuntor da bateria protege-a de descargas excessivas, e o rectificador/carregador e inversor protegem-na de um curto-circuito. Transformador de isolamento a montante (10) (equipamento opcional) Fornece isolamento de entrada/saída à UPS quando a instalação a jusante é alimentada através de bypass.



(Cont.)

É particularmente útil quando as disposições de ligação à terra do sistema a jusante são diferentes. Pode ser instalado no armário da UPS na gama Galaxy PW. Transformador de correspondência da tensão (11) (equipamento opcional) Adapta a tensão para o valor pretendido. Filtros (12) (equipamento opcional) • A montante do rectificador/carregador, quando são do tipo ponte de Graetz baseados em tirístor (o caso do Galaxy PW e 9000 UPS), um filtro harmónico (consulte “Factores principais da instalação da UPS”, na pág. 24) reduz as harmónicas da corrente resultantes da comutação dos tirístores do rectificador. Isto reduz a distorção da tensão nos terminais a montante resultantes do fluxo das correntes harmónicas (o nível necessário é geralmente a <5%). E o que é mais importante, estas UPS da Schneider Electric estão equipadas com um condutor neutro de um tamanho for a do normal instalado de origem para ultrapassar as consequências das harmónicas de terceira ordem e dos seus múltiplos que fluem no condutor neutro. • Todas as outras UPS das gamas Galaxy e Symmetra estão equipadas com um rectificador do tipo PFC, que elimina a necessidade de um filtro (Factores principais da instalação da UPS”, na pág. 24). • A jusante, as UPS que implementam novas técnicas de corte PWM podem estar directamente ligadas a cargas não lineares. Esta técnica possibilita que as UPS da Schneider Electric mantenham a THDU abaixo de 3%. Comunicação incorporada (13) (14) Além da necessidade de uma interface ser humano/máquina de fácil utilização para uma monitorização eficaz do funcionamento da UPS, actualmente é cada vez mais importante que as UPS possam comunicar com os seus ambientes eléctrico e informático (sistemas de supervisão, sistemas de gestão de edifícios (BMS), sistemas de gestão informática, etc.). As UPS da Schneider Electric são desenhadas com uma capacidade incorporada de comunicação total e incluem: • Uma interface ser humano/máquina (HMI) de fácil utilização com um monitor gráfico avançado e um painel sinóptico. A interface é construída em volta de sistemas de auto-monitorização e de auto-diagnóstico que indicam continuamente o estado dos vários componentes da UPS; em especial das baterias. Por exemplo, para as gamas Galaxy: - o sistema Digibat monitoriza continuamente o estado da bateria com funcionalidades completas de gestão da bateria, - o B2000 ou sistema de monitorização de bateria Cellwatch detecta imediatamente e localiza as falhas da bateria e fornece uma monitorização preditiva. Para as gamas Symmetra: - O sistema de gestão da bateria Schneider Electric (1 U) que pode ser montado em bastido, acessível através de um browser da Web, combina a monitorização da bateria e a realização de testes com um carregamento rápido individual para um desempenho inexcedível da bateria. • Uma vasta selecção de placas de comunicação compatíveis com as normas de mercado: -Placa de gestão de rede (Ethernet) - Placa Modbus – Jbus (RS232 e RS485) - Placa de relé (contactos secos) para indicações - Placa de modem de telesserviços Estas placas podem ser utilizadas para implementar supervisão, notificação, encerramento controlado e funções de telesserviços.

Interface ser-humano – máquina e Comunicação Consulte “Factores principais na instalação da UPS” na pág. 49 Distribuição a montante e/ou a jusante e dispositivos de protecção (15) (16) (equipamento opcional) AS UPS podem ser fornecidas com o equipamento seguinte: • Disjuntores de BT a montante para entradas de CA (normal e bypass)



(Cont.)

• Quadro de comutação de BT a montante com protecção de disjuntor para as entradas de CA (normal e bypass), • Quadro de comutação de BT a jusante com protecção de disjuntor para os diferentes circuitos de saída. Schneider Electric pode fornecer uma selecção de UPS e de dispositivos de protecção que são perfeitamente coordenados em termos de classificações e de desempenho.

Soluções completas A Schneider Electric pode fornecer soluções completas que incluem todos os componentes listados acima, incluindo soluções de condicionamento do ar para centros de dados, em conjunto com a Schneider Electric. Para os utilizadores, o resultado é um único parceiro e uma instalação que fornece desempenho e fiabilidade optimizados. Estas características baseiam-se nas principais especificações técnicas apresentadas nas normas IEC 62040-3/EN 62040-3 relativas aos requisitos de desempenho de UPS. Alguns termos aqui utilizados diferem da linguagem comumente utilizada e algumas das características ainda não foram assimiladas pelos fabricantes. Os novos termos ou características utilizados pela norma são indicados entre parênteses e precedidos por um asterisco. Por exemplo, o título de uma secção "corrente de entrada durante a transferência de carga flutuante para a bateria", um termo comummente utilizado, é seguido por (*corrente de entrada nominal), o termo utilizado na norma. Tenha em atenção que uma série de valores numéricos é indicada como exemplo. Na sua maior parte, são retirados das características técnicas das UPS correspondentes, indicados no capítulo 4, ou indicados simplesmente a título de exemplo. Potência de entrada de CA Número de fases e disposições de ligação à terra no sistema A fonte de alimentação de entrada de CA (alimentação primária) é trifásica + neutra. As entradas monofásicas não são utilizadas para os níveis de potência abordados aqui. A disposição de ligação à terra do sistema é geralmente imposto pelas normas (IT, TT, TNS ou TNC). Entrada de CA normal A entrada de CA normal é alimentada com a energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública para o rectificador/carregador, dentro das tolerâncias especificadas. • Exemplo: 400 V rms ± 15% com uma frequência de 50 ou 60 Hz ± 5%, trifásica. Entrada de CA de bypass A entrada de CA de bypass é alimentada com potência em espera. Na prática, trata-se de um cabo ligado a um alimentador utilitário no MLVS diferente do que alimenta a entrada de CA normal. Em geral, fornece tensão com as mesmas características das da alimentação principal. • Exemplo: 400 V rms ± 15% a uma frequência de 50 ou 60 Hz ± 5%, e uma corrente de curto-circuito Isc2 = 12,5 kA. A corrente de curto-circuito é uma informação importante para os dispositivos de protecção a jusante, em caso de funcionamento através do bypass estático ou de manutenção. É recomendado o fornecimento de alimentação primária e de potência em standby em separado porque aumenta a fiabilidade geral do sistema, mas não é obrigatório. No entanto, se não estiverem disponíveis dois circuitos separados do MLVS, é possível que as duas entradas de CA (normal e de bypass) sejam alimentadas pela alimentação principal (segundo cabo). Rectificador/carregador Tensão flutuante É a tensão fornecida pelo rectificador/carregador que mantém a bateria completamente carregada.

Principais características dos componentes de UPS



(Cont.)

Depende das baterias utilizadas e das recomendações do fabricante. Corrente de entrada durante a transferência de carga flutuante (* corrente de entrada nominal) Em condições de funcionamento normais, é a corrente necessária para alimentar o inversor à sua potência nominal enquanto se transfere carga flutuante para a bateria.

Exemplo: para uma Galaxy PW de 100 kVA, com tempo de reserva da bateria de 10 minutos, esta corrente é I flutuante de entrada = 166 A enquanto se transfere carga flutuante para a bateria. Corrente de entrada durante o carregamento da bateria Isto corresponde à corrente necessária para alimentar o inversor à sua potência nominal durante o carregamento da bateria. É consequentemente mais alta do que a corrente anterior e é utilizada para dimensionar os cabos de entrada do carregador.

Exemplo: para a mesma UPS como a descrita acima, a corrente de entrada é I flutuante de entrada = 182 A, i.e. mais alta do que acima porque é necessária para carregar a bateria.



(Cont.)

Corrente de entrada máxima É a corrente de entrada com a UPS a funcionar nas piores condições de sobrecarga permitidas, com a bateria descarregada. É mais alta do que a corrente de entrada acima durante o carregamento da bateria (devido à corrente de sobrecarga) mas é limitada no tempo (tal como a sobrecarga).

Exemplo: para uma UPS idêntica à acima descrita, a Galaxy PW tem capacidade para aceitar uma sobrecarga de 25% durante dez minutos e uma sobrecarga de 50% durante um minuto. Nos piores cenários de carregamento da bateria, a corrente de entrada pode alcançar: I máx. entrada = 182 A x 1,25 = 227,5 A durante dez minutos, I máx. entrada = 182 A x 1,5 = 273 A durante um minuto. Acima dos limites acima referidos, a UPS inicia uma transferência ininterrupta da carga para a linha de bypass e transfere-a automaticamente de volta quando a sobrecarga tiver cessado ou quando tiver sido eliminada pelos dispositivos de protecção respectivos. Bateria (* armazenamento de energia significa) Tipo Uma bateria caracteriza-se pelo seu tipo (ácido de chumbo ventilado ou selado, ou níquel/cádmio e pela forma como está instalada. A Schneider Electric propõe as baterias de ácido de chumbo seladas montadas em armários. Vida útil Define-se como o período de funcionamento, em condições de utilização normais, durante o qual a bateria fornece pelo menos 50% do tempo de reserva inicial.

Por exemplo, a Galaxy PW é fornecida de origem com as baterias de ácido de chumbo seladas com uma vida útil de dez anos ou mais. Este tipo de bateria, com a classificação de 30 minutos de tempo de reserva, Fornecerá contratualmente apenas 15 minutos no final da vida útil especificada. Pode fornecer mais, se tiver sido utilizada em condições optimizadas (nomeadamente no que respeita à temperatura). No entanto, está contratualmente garantido que não fornecerá menos, salvo se utilizada de modo indevido. Modos de funcionamento A bateria pode estar em: • Carregamento. Absorve uma corrente de carga (Carga de I1) fornecida pelo rectificador/carregador. • Transferência de carga flutuante. A bateria absorve uma corrente baixa, denominada flutuante (flutuante de I1), fornecida pelo rectificador/carregador, que mantém a sua carga, compensando as perdas do curto-circuito. • Descarga. A bateria alimenta o inversor até a sua tensão de encerramento ser alcançada. Quando esta tensão, definida pelo fabricante da bateria, é alcançada, esta é automaticamente desligada (UPS da Schneider Electric) para evitar danos por descarga profunda. Tensão nominal É a tensão de saída de CC que a bateria fornece ao inversor.

Exemplo: CC de 450 V para a gama Galaxy PW. Capacidade A capacidade da bateria é expressa em ampere/horas.

Exemplo: para uma Galaxy PW de 100 kVA equipada com uma bateria que forneça dez minutos de tempo de reserva e com uma vida útil de cinco anos, a capacidade é de 85 A/h. Número de células Número de células de bateria única que compõem toda a cadeia de baterias.

Exemplo: a bateria de uma Galaxy PW de 100 kVA inclui, para um determinado tipo de bateria, 33 células, fornecendo 13,6 V cada uma, para um tempo de reserva de dez minutos.



(Cont.)

Tensão flutuante É a tensão de CC utilizada para manter a carga da bateria, fornecida pelo rectificador/carregador.

Exemplo: para uma Galaxy PW, a tensão flutuante é de entre 423 e 463 V de CC. Tempo de reserva (* tempo de energia armazenada) Trata-se do tempo, especificado no início da vida útil da bateria, durante o qual a bateria tem capacidade para alimentar o inversor funcionando com a carga nominal total, na ausência de uma alimentação de entrada de CA.

Exemplo: A Galaxy PW fornece, como padrão, tempos de reserve de 8, 10, 15, 20, 30 e 60 minutos. Este tempo depende da carga em percentagem da UPS. • Para uma UPS que funcione com a carga nominal completa (100% da carga nominal), o fim do tempo de reserva da bateria é alcançado quando a tensão desta cai para a tensão de encerramento especificada pelo fabricante. Isto provoca um encerramento automático da UPS da Schneider Electric. • Para uma UPS que funcione com uma carga em percentagem inferior (por exemplo, 75%), o tempo de reserva real pode ser mais longo. No entanto, termina sempre quando a tensão de encerramento é alcançada. Tempo de recarregamento (* tempo nominal de energia restaurada) Trata-se do tempo necessário para a bateria recuperar 80% do seu tempo de reserva (90% da sua capacidade), a partir da tensão de encerramento da bateria. O rectificador/carregador fornece a potência.

Exemplo: para uma UPS Galaxy 5500, o tempo de recarregamento é de oito a dez horas, dependendo da bateria e do tempo de reserve. Tenha em atenção que a probabilidade de a bateria ser solicitada para fornecer potência duas vezes num período de tempo tão curto é reduzida. Isto significa que o tempo de recarregamento indicado é representativo do desempenho real. Corrente máxima da bateria (bl (bateria local)) Durante o descarregamento, a bateria alimenta o inversor com uma corrente bl que atinge o seu valor máximo no final do descarregamento. Este valor determina a protecção da bateria e as dimensões do cabo.

Exemplo: Para uma UPS Galaxy 5500 de 100 kVA esta corrente é máx. bl = 257 A. Inversor Potência nominal (Sn) (*potência nominal aparente de saída) Trata-se da potência aparente máxima Sn (kVA) que o inversor pode fornecer a uma carga linear com um factor de potência de 0,8, durante o funcionamento normal em condições de estado estacionário. As normas definem igualmente este parâmetro para funcionamento com base na potência da bateria. Em teoria, significa o mesmo que se a bateria tiver as dimensões corretas.

Exemplo: uma Galaxy 5500 com uma potência nominal (Sn) de 100 kVA. Potência ativa de saída (Pa) (* potência nominal ativa de saída para carga linear ou referencial não linear) Trata-se da potência ativa Pa (kW) correspondente à potência de saída aparente Sn (kVA), nas condições de medição acima mencionadas. Este valor também pode ser indicado para uma carga normalizada referencial não linear.

Exemplo: a UPS anterior, uma Galaxy 5500 com uma tensão nominal de 100 kVA fornece uma potência ativa de Pa= Sn x 0,8 = 80 kW. Corrente nominal (In) É a corrente que corresponde à potência nominal.

Exemplo: mais uma vez, para uma UPS Galaxy 5500 de 100 kVA e com uma tensão de saída de 400 V, esta corrente é:

InSn

Un=

3=

100000400 1732x ,

= 144,3 A



(Cont.)

Potência de carga aparente (Su) e carga em percentagem Trata-se da potência aparente Sn (kVA) realmente fornecida pelo inversor à carga, nas condições de funcionamento selecionadas. Este valor é uma fracção da potência nominal, dependendo da carga em percentagem. .Su ≤ Sn. e .Tc = Carga em percentagem (%) = Su / Sn..

Exemplo: para a UPS mencionada acima, se o inversor fornecer 3/4 da sua potência nominal (carga de 75%), distribui uma potência aparente de 75 kVA, o que em condições de funcionamento normalizadas (PF = 0,8) corresponde a uma potência de carga ativa de Pa = Su x PF = 75 x 0,8 = 60 kW. Corrente de carga (lu) Trata-se da corrente correspondente à potência de carga, ou seja, à carga em percentagem em questão. Calcula-se a partir de Pu, tal como para a corrente nominal, na qual a tensão é a tensão nominal Un (valor regulado pelo inversor).

Exemplo: Para a UPS acima mencionada (carga de 75%)

IuSu

Un=

3=

75000400 1732x ,

= 108,2 A

que é o mesmo que: .Iu = In x Tc. = 144,3 x 0,75 = 108,2 A Eficiência (η) Trata-se do rácio da potência activa Pu (kW) fornecida pela UPS à carga ao Pin de potência (kW) que absorve na sua entrada, seja pelo rectificador quer seja pela bateria. .η= Pu / Pin. Para a maioria das UPS, a eficiência é óptimizada com uma carga nominal completa e cai drasticamente com cargas em percentagem inferiores. Devido à sua baixa impedância e às perdas sem carga, a eficiência das UPS Galaxy é praticamente estável para cargas que vão dos 25 aos 100%. A gama Galaxy fornece uma eficiência superior a 90%, começando numa carga de 25% e indo até 93% com carga nominal total, assim como um modo ECO que aumenta a eficiência em 4%, ou seja até 97%. Na prática, para as UPS Galaxy, um valor de eficiência de 0,93 pode ser utilizado para todos os calculos de potência de entrada para cargas que vão de 30 a 100%.

Exemplo: para uma Galaxy de 100 kVA com carga a 75%, uma eficiência de 0,93 corresponde a uma potência de entrada activa da UPS de Pin = Pu / η = 60/0,93 = 64,5 kW. Tensão de saída Un Número de fases A saída pode ser trifásica (UPS 3f-3f) ou monofásica (UPS 3f-1f), dependendo da situação. Tenha em atenção que as disposições de ligação à terra do sistema a montante e a jusante podem ser diferentes. Tensão nominal de saída Em geral, é a mesma que a da entrada de CA. No entanto, é possível instalar um transformador de correspondência de tensão. Características estáticas Trata-se de tolerâncias (máximo de variações permissíveis) para a amplitude e a frequência da tensão de saída em condições de estado estacionário. Mais estritas do que as que se aplicam à energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública, são medidas para funcionamento normal com base em potência de entrada de CA e para funcionamento com base em modo de reserva da bateria. • Variação de tensão de saída A tolerância de amplitude é expressa sob a forma de uma percentagem do valor rms nominal e pode ser ajustável.

Exemplo: para uma Galaxy, a tensão 400 V rms ± 1% pode ser ajustada para ± 3%.



(Cont.)

As normas estipulam igualmente uma tensão nominal de saída de pico e a tolerância relativamente ao valor nominal. • Variação de frequência de saída A tolerância é expressa sob a forma de uma percentagem da frequência nominal.

Exemplo: Para uma Galaxy, 50 ou 60 Hz ± 0,1% durante o funcionamento normal com base em alimentação principal e ± 0,5% com base no modo de reserva da bateria. Sincronização da frequência com a alimentação principal O inversor fornece uma tensão de saída dentro das tolerâncias acima referidas, independentemente das perturbações que afectem a potência a montante. Para esse efeito, a UPS: • Monitoriza os parâmetros de tensão (amplitude, frequência, fase) para que a fonte de alimentação principal determine se se encontram dentro das tolerâncias especificadas. • Reage a qualquer desvio nos parâmetros de forma a: - reajustar o inversor (fase e frequência) à potência em espera, desde que o desvio se mantenha dentro das tolerâncias, com vista à transferência da carga, se necessário, - transferir a carga para a potência da bateria, assim que o desvio ultrapasse as tolerâncias. As novas tecnologias de corte IGBT e PWM utilizadas nas UPS da Schneider Electric permitem uma adaptação excelente a estas variações.

Exemplo: para as UPS Galaxy, a variação máxima de frequência correspondente à tolerância é 50 Hz x 0,5% = 0,25 Hz. É possível sincronizar a frequência com potência de CA de bypass dos 0,25 aos 2 Hz, em escalões de 0,25 Hz. Na prática, isto significa que aas variações de frequência podem ser monitorizadas a dF/dt = 0,25 Hz/s e os reajustamentos realizados entre 0,25 a 1 segundo. Características dinâmicas São as tolerâncias sob condições transitórias da carga. As UPS Galaxy têm capacidade para resistir às seguintes condições: • Desequilíbrio da carga Para desequilíbrio na tensão da carga (fase-para-neutro ou fase-para-fase) de: - 30%, a variação da tensão de saída é inferior a 0,1%, - 100% (uma fase a Pn e as outras a 0), a tensão de saída não varia mais do que 0,2%. • Alterações do escalão da carga (transitórios de tensão) Para escalões de carga de 0 a 100% ou de 100 a 0% da carga nominal, a tensão não varia mais do que: ± 2% com energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública; + 2% a -4 % com base na potência da bateria. Capacidade de sobrecarga e de curto-circuito • Sobrecargas - 1,1 In durante 2 horas, - 1,5 In durante 1 minuto, sem alterações das tolerâncias de saída. • Curto-circuitos Para além dos 1,65 In, os inversores Galaxy funcionam no modo de limitação de corrente até 2,33 In durante 1 segundo, correspondendo a: Máx. pico I . = √2 x 1,65 In = 2,33 In. Para além deste valor, o inversor transfere a carga para a potência em standby ou efectua um encerramento estático (função de auto-protecção). Distorção total da tensão de saída As UPS têm de garantir os níveis de desempenho para todos os tipos de cargas, incluindo cargas não lineares.

Exemplo: As UPS Galaxy limitam a distorção de tensão harmónica total (THDU) na potência de saída aos níveis seguintes para: • Cargas lineares a 100%: - THDU f/f < 1,5 %, - THDU f/N < 2%, • Cargas não lineares a 100%:



(Cont.)

- THDU f/f < 2 %, - THDU f/N < 3%. As UPS Galaxy funcionam em conformidade com as características especificadas para todos os tipos de cargas. Nota geral. A norma especifica alguns dos níveis de desempenho anteriormente mencionados relativamente a potência de saída durante o funcionamento normal e durante o funcionamento com base em potência da bateria. Em geral, são idênticos.

Diagrama de resumo das características principais

Fig. 5.7. Diagrama que descreve as características principais (consulte a lista abaixo). Entrada de CA normal ● Tensão Un + 10% a - 15% ● Frequência f + 4% a - 6% Entrada de CA de bypass ● Tensão Un + 10% a - 15% ● Frequência f + 4% a - 6% ● Corrente de curto-circuito lsc2 (capacidade de resistência do bypass estático) Rectificador/carregador ● Tensão flutuante ● Correntes de entrada - nominal (transferência de carga flutuante para a bateria) - máximo (carregamento da bateria) Bateria ● Tempo de reserva: padrão 5, 6, 8, 10, 15, 20, 30, 60 minutos, tempos mais longos, a pedido) ● Vida útil: 10 anos ou mais longa ● Corrente máxima máx. bl Inversor ● Potência aparente de saída: - nominal: Sn (kVA) - potência de carga: Su (kVA) = Sn x Tc% ● Carga em percentagem da UPS Tc% = Su / Sn ● Potência activa de saída: - nominal: Pn (kW) = Sn (kVA) x 0,8 - potência de carga: Pu (kW) = Su (kVA) x PF = Sn x Tc% x PF = Un Iu PF ● Eficiência: η Pu / Pn = 93% (97% em modo ECO). ● Características estáticas (tolerâncias de tensão de saída sob condições de estado estacionário) - amplitude: Un ± 1% ajustável a ± 3% - frequência: f ± 1% durante o funcionamento normal, f ± 0.5% em modo de reserva da bateria - tensão de saída do inversor sincronizada (frequência e fase) com a da potência em standby, desde que a última se encontre dentro das tolerâncias. ● Características dinâmicas (tolerâncias sob condições transitórias)



(Cont.)

- tensão máxima e variações de frequência para alterações de escalão de carga de 0% a 100% ou de 100% a 0% Un ± 2%, f ± 0.5% ● Distorção da tensão de saída - Cargas não lineares a 100% THDU < 2% ● Capacidade de sobrecarga e de curto-circuito: - sobrecargas: 1,5 In durante 1 minuto - curto-circuitos: Limitação de corrente a 2.33 ln durante 1 segundo Carga ● Corrente de carga (lu) ● Factor de potência FP

Modo normal (com base na energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública, consulte a fig. 5.8 do lado esquerdo) A UPS absorve a potência de CA da rede de distribuição pública para funcionar através do rectificador/carregado que fornece corrente de CC. Parte da corrente da rede de distribuição pública absorvida é utilizada para carregar ou transferir carga flutuante para a bateria: • Flutuante l1, se a bateria já estiver completamente carregada, • carga I1 , se a bateria não estiver completamente carregado (ou seja, carregamento na sequência de um descarregamento recente) A corrente restante é fornecida ao inversor que gera uma sinusoidal de tensão de saída dentro das tolerâncias de frequência e de amplitude especificadas. Modo de reserva da bateria (com base em potência da bateria, consulte fig. 5.8 do lado direito) A bateria intervém para substituir a alimentação principal e fornece a potência necessária ao inversor para a carga, com as mesmas tolerâncias do modo normal. Isto decorre através da transferência imediata (a bateria está ligada em paralelo) em caso de: • Falha normal da entrada de CA (falha da rede de distribuição pública), • Entrada de CA normal fora das tolerâncias (degradação da tensão da rede de distribuição de energia eléctrica pública).

Modo normal.

Modo de reserva da bateria.

Fig. 5.8. Modo normal e modo de reserva da bateria. Modo de bypass (com base na linha de bypass estático, consulte fig. 5.9. do lado esquerdo) Um comutador estático (SS) assegura uma transferência ininterrupta da carga para a entrada de CA de bypass para alimentação directa da carga através de potência em standby. A transferência é automática em caso de: • Uma sobrecarga a montante da UPS excedendo a sua capacidade de sobrecarga, • Uma falha interna nos módulos retificador/carregador e inversor.

Modos de funcionamento de UPS



(Cont.)

A transferência decorre sempre para falhas internas, mas também só é possível se a tensão da potência em standby estiver dentro das tolerâncias e em fase com o inversor. Para esse efeito: • A UPS sincroniza a tensão de saída do inversor com a da linha de bypass enquanto esta última se situar dentro das tolerâncias. A transferência é então possível: - sem uma quebra na alimentação: Uma vez que as tensões se encontram em fase, as SCR nos dois canais do comutador estático têm tensão zero em simultâneo. - sem perturbar a carga. A carga é transferida para uma linha de bypass que se encontra dentro das tolerâncias. • Quando a potência em standby não está dentro das tolerâncias, o inversor dessincroniza-se e funciona em modo autónomo com a sua própria frequência. A transferência é desactivada. No entanto, pode ser realizada manualmente. Nota 1. Esta função aumenta bastante a fiabilidade devido à muito reduzida probabilidade de uma sobrecarga a jusante e uma falha de potência em standby ocorrerem em simultâneo. Nota 2. Para assegurar o correcto funcionamento da linha de bypass, a discriminação tem de ser assegurada entre o dispositivo de protecção a montante da entrada de CA de bypass (no MLVS de saída) e os dos circuitos de saída da UPS (consulte as informações sobre discriminação abaixo). Modo de manutenção (ou bypass de manutenção, consulte a fig. 5.9 do lado direito) A manutenção é possível sem a interrupção da operação de carga. A carga é fornecida com potência em standby através do bypass de manutenção. A transferência para o bypass de manutenção é realizada através de comutadores manuais. O rectificador/carregador, inversor e o comutador estático são encerrados e isolados das fontes de alimentação. A bateria é isolada pelo seu disjuntor de protecção.

Modo de bypass (bypass estático) Modo de manutenção (bypass de

manutenção). Fig. 5.9. Modo de bypass e modo de manutenção. UPS em paralelo com redundância O capítulo dois é totalmente dedicado à apresentação das várias configurações. Abaixo, apresentamos algumas informações adicionais sobre ligação em paralelo para redundância. Refere-se a UPS Galaxy em particular. A modular UPS SymmetraTM também utiliza uma ligação em paralelo.

Configurações de UPS



(Cont.)

Configurações, consulte “Selecção da configuração da UPS” Tipos de configurações em paralelo Existem dois tipos de configurações em paralelo. • Unidades integradas de UPS em paralelo Esta configuração actualizável pode ser iniciada utilizando uma única unidade UPS com um bypass estático integrado e um bypass de manutenção manual. Para configurações com mais de duas unidades UPS, um bypass de manutenção comum é alojado num cubículo externo (consulte a fig. 5.10) • Unidades de UPS em paralelo com um cubicúlo de comutador estático centralizado (SSC) O cubículo do comutador estático inclui um bypass automático e um bypass de manutenção que são comuns para uma série de unidades UPS que não têm bypass (consulte a fig. 5.11). Esta configuração, menos actualizável do que a anterior devido à classificação do bypass, fornece uma maior fiabilidade (as unidades SSC e UPS são independentes). • UPS modulares As UPS da gama SymmetraTM são compostas por módulos dedicados e redundantes (potência, inteligência, bateria e bypass). A concepção modular com módulos de potência plug-in melhora a fiabilidade, em particular a facilidade de manutenção e a disponibilidade, bem como a actualização da instalação. Redundância A redundância em configurações em paralelo pode ser N+1, N+2, etc. Isto significa que x unidades UPS são necessárias para fornecer a carga, mas N+1 ou N+2 estão instaladas e todas partilham a carga. Consulte o exemplo abaixo. Exemplo • Imagine uma carga crítica com uma classificação de 100 kVA. • redundância 2+1 - 2 unidades UPS têm de ter capacidade para alimentarem completamente a carga se a redundância se perder. - Cada unidade UPS tem de ter assim uma classificação de 50 kVA. - 3 unidades UPS partilham normalmente a carga de 100 kVA, isto é, cada uma fornece 33,3 kVA. - As 3 unidades UPS funcionam normalmente com uma carga em percentagem de 33,3 / 50 = 66,6%. - As unidades UPS integradas em paralelo estão equipadas com um bypass estático. A transferência é gerida de forma a que as três unidades UPS transfiram o bypass em simultâneo, se necessário.



(Cont.)

Fig. 5.10. Unidades UPS integradas em paralelo com um bypass comum de manutenção e redundância 2+1. Funcionamento com todas as unidades OK (redundância disponível). • Perda da redundância - Uma unidade UPS é encerrada, as duas unidades restantes funcionam a 100%. - A UPS que sofreu a falha pode ser objecto de assistência devido ao bypass de manutenção.

Fig. 5.11. Unidades UPS integradas em paralelo com um bypass comum de manutenção e redundância 2+1. Funcionamento após a perda de redundância.


Tecnologia: UPS sem transformador

Princípio Originalmente, todas as UPS incluíam um transformador de saída que era utilizado para ajustar a tensão de saída ao valor necessário, recriar um neutro e assegurar o isolamento galvânico entre os sistemas de alimentação a montante e a jusante (Fig. 5.12). Actualmente, o progresso tecnológico e os custos mais baixos dos semi-condutores IGBT torna possível eliminar este transformador (Fig. 5.13).

NormalAC input

Rectifiercharger

UPS

BypassAC input

Q4S

Q1

Inverter

Q5N

K3N

Staticbypass

Battery QF1Manualbypass

Loads

Q3BP

NormalAC input

Rectifiercharger

UPS

BypassAC input

Q4S

Q1

Inverter

Q5N

K3N

Staticbypass

Battery QF1Manualbypass

Loads

Q3BP

Fig. 5.12. UPS com transformador de saída

Fig. 5.13. UPS sem transformador.

Vantagens Esta tecnologia fornece aos utilizadores uma série de vantagens fundamentais. ● Uma pegada mais reduzida: menos espaço necessário sem o transformador ● Menos peso: redução do peso através da eliminação do transformador Maior eficiência: eliminação das perdas do transformador ● regulação da tensão através da modulação do sinal para uma melhor correspondência com a carga. A electrónica actua directamente sobre a tensão de saída para uma regulação mais rápida e mais precisa da tensão. A tendência A utilização de UPS sem transformador começou no início da década de 90 do século XX para classificações até algumas centenas de kVA. Dadas as suas inúmeras vantagens, são agora amplamente utilizadas até às classificações mais altas, tal como exibido na figura 5.14. A classificação de média potência que utiliza a técnica sem transformador aumentou num factor de 50 ao longo dos últimos 50 anos

100

400

P(kVA)

1990 1995 2000 2010

years

200

300

52005

500

Fig. 5.14. Classificações de média potência das UPS sem transformador.

Tecnologia de UPS sem transformador



Isolamento galvânico Uma das razões citadas para a utilização de transformadores de saída é fornecer isolamento galvânico. No entanto, as UPS trifásicas acima de uma determinada classificação de potência estão equipadas com um bypass para assegurar a continuidade da potência. A presença de um bypass significa que uma UPS, com ou sem um transformador de saída, não pode fornecer isolamento galvânico entre a fonte e as cargas. Por este motivo, a tecnologia de UPS sem transformador está a tornar-se progressivamente a solução preferencial para classificações mais altas. Este aspecto será debatido abaixo, comparando a utilização das duas tecnologias, dependendo da disposição de ligação à terra do sistema encontrada.

Revisão das disposições de ligação à terra do sistema As disposições de ligação à terra referem-se à ligação à terra de: ● o ponto neutro do sistema de distribuição, ● as partes condutoras expostas (ECP) das cargas. Estas ECP estão sempre interligadas, quer juntas, quer em grupos. Cada grupo interligado está ligado a um terminal de ligação à terra através de um condutor protector (PE ou PEN, dependendo de se está combinado ou não com o condutor neutro ou se está separado). A norma IEC 60364(1) utiliza 2 letras para identificar as diferentes disposições de ligação à terra. ● A 1ª letra descreve a ligação à terra do ponto neutro do transformador: - T: ligado à terra, - I: não ligado à terra. ● A 2ª letra descreve a ligação à terra das ECP do equipamento de carga: - T: ligado à terra, - N: ligado ao neutro, que está ligado à terra. Neste caso (N), uma 3ª letra indica a relação entre os condutores neutro (N) e protector (PE): - C: condutor único utilizado para as duas funções, - S: condutores separados. (1) Substituído pela norma IECI 60076-7 Ed. 1. relativa a Power Transformer Loading Guide (Guia de Carregamento de Transformador de Potência). A norma define assim os sistemas seguintes: ● IT: neutro isolado ● TT: neutro ligado à terra ● TN-C: Condutor combinado protector ligado à terra e neutro (PEN) ● TN-S: Condutores separados neutro ligado à terra (N) e protector ligado à terra (PE).

Disposições de ligação à terra para salas de computadores Utilização sistemática do sistema TN-S O sistema TN-S é a disposição de ligação à terra recomendada pelos fabricantes e pelas normas para sistemas informáticos. Isto é porque fornece uma distribuição monofásica ao mesmo tempo que assegura um potencial referencial para as ECP com um condutor protector.

L1L2L3

PEN

ECPs ECPs

3-ph loads ph-N loads

Fases: L1, L2, L3 Neutro: N Condutor protector: PE Pólo disjuntor: x N e PE separados

Fig. 5.15. Sistema TN-S para centros informáticos Os sistemas IT e TT são pouco adequados aos sistemas informáticos ● O sistema de TI requer equipas operacionais competentes e uma monitorização do isolamento sofisticada para localizar e eliminar falhas de isolamento antes de

Utilização com cargas de computadores



uma segunda falha com uma corrente de activação alta poder provocar perturbações. ● O sistema TT é demasiado sensível a sobrecargas devido a raios para dispositivos informáticos sensíveis. ● O sistema TN-C(1) (neutro ligado à terra combinado com condutor PE) não fornece um potencial referencial fiável como o sistema TN-S. As cargas monofásicas, frequentes em sistemas informáticos, provocam harmónicas H3 e respectivos múltiplos de 3 (H6, H9, etc.) no neutro. As harmónicas fluem posteriormente para o condutor PEN, onde podem provocar: - perda de equipotencialidade PEN que se espalha pela blindagem e pode afectar o funcionamento do sistema informático. - correntes desequilibradoras elevadas nos caminhos dos cabos e na estrutura do edifício devido a ligações à terra PEN frequentes. A radiação electromagnética resultante nos caminhos dos cabos pode perturbar os dispositivos sensíveis. (1) O sistema TN-C pode ser utilizado a montante de um sistema TN-S, mas o contrário não é permitido, porque pode provocar uma interrupção a montante do condutor protector, criando assim um risco para a segurança de pessoas a jusante. Recomendações dos fabricantes de computadores: recrie uma rede com um neutro ligado à terra à entrada da sala de computadores Os fabricantes de computadores recomendam que o sistema TN-S com o neutro ligado à terra seja criado o mais perto possível das cargas. Isto deve ser posto em prática, geralmente, à entrada da sala de computadores). A utilização de um sistema TN-S sem esta medida, ou seja com o neutro ligado à terra criado bastante mais a montante) pode criar uma potencial diferença entre a terra e o neutro devido à distribuição a montante.

Em conclusão, é aconselhável que crie um sistema TN-S à entrada da sala de computadores com o neutro ligado à terra neste ponto para assegurar a distribuição eléctrica limpa e adequada para o sistema informático. Isto é realizado geralmente através de PDU (Unidades de distribuição de potência) que incluem um transformador de entrada, possibilitando a obtenção de um potencial referencial neutro fiável e assegurando o isolamento galvânico em todos os modos de funcionamento da UPS (em entrada de CA normal ou de bypass). Além disso, esta solução utiliza transformadores padrão que fornecem uma fiabilidade bastante elevada ultrapassando a dos transformadores de saída de UPS. Esta solução com um transformador de entrada é amplamente utilizada nos EUA onde um sistema de distribuição trifásico de 480 V é instalado à entrada das salas de computadores para alimentar um transformador de 208/480 V (fig. 5.16).

UPS A

PDU A

UPS B

PDU A

Blade server

Isolatingtransformers

used to recreatea TN-S system

with neutral

xx x

x

..

Fig. 5.6. Exemplo de transformadores utilizados na entrada PDU para criar um sistema de distribuição TN-S com um neutro.



Sistema IT ou TT a montante Neste caso, a disposição de ligação à terra do sistema tem de ser alterada para TN-S a jusante da UPS. Uma vez que o neutro não pode ter duas referências à terra, o isolamento galvânico é necessário para todos os modos de funcionamento da UPS (normal ou bypass). ● Para UPS com um transformador de saída, um transformador é adicionado geralmente na entrada do bypass (consulte a fig. 5.17). Esta solução tem dois inconvenientes: - os dispositivos de protecção de 4 pólos têm de ser utilizados para ligar e interromper o neutro no bypass, - a distância D2 do neutro da UPS e das cargas podem afectar o potencial neutro porque os transformadores de isolamento não estão localizados perto das cargas. ● As UPS sem transformador da Schneider Electric podem funcionar em 3 fases sem um neutro. Isto possibilita a utilização de um sistema trifásico, com três ligações até ao PDU ou equivalente e a recriação do sistema TN-S o mais perto possível da aplicação (consulte o lado direito da fig. 5.17). Esta disposição assegura um potencial referencial "limpo" para o PE.

Além destas vantagens em termos de eficiência, pegada, peso e correspondência de tensão, a tecnologia sem transformador é simples e económica.

Solução com um transformador de potência Solução sem transformadorIT ou TT a montante - TN-S a jusante IT ou TT a montante - TN-S a jusante

Normal ACinput

Rectifiercharger

L1L2L3N

LVMS

UPS

PE

BypassACinput

Bypasstransformer

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Staticbypass

Battery QF1

Q5N

K3N

PE

Earthingterminal

L1L2L3N

Outputtransformer

LVS

D2

ITTT

Normal ACinput

Rectifiercharger

L1L2L3N

LVMS

UPS

Bypass ACinput

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Battery QF1

Q5N

K3N

PEL1L2L3N

LVS

Staticbypass

D1

ITTT

Power Distribution Unittransformer

Fixed and cleanreference for

Neutral

PE

Fig. 5.17. IT ou TT a monatnte e TN-S a jusante.

Comparação das diferente disposições de ligação à terra a montante


Tecnologia: UPS sem transformador (Cont.)

Sistema TN-C ou TN-S a montante Estas duas situações podem ser abordadas do mesmo modo. Com um sistema TNH-C a montante, é possível separar o neutro e o PE a montante da UPS (separando as ligações) e criar assim a situação com TN-S tanto a montante como a jusante. No diagrama abaixo, o TN-C a montante simplifica a distribuição. A Fig. 5.18 lustra o único caso de um sistema TN-C a montante. Para fornecer um potencial referencial, é necessário criar um sistema de distribuição "limpa", instalando um transformador à entrada das ala de computadores (geralmente utilizando um PDU ou equivalente). Quanto maior for a distância de D1 entre o transformador a montante e a saída da UPS, mais necessária é esta solução, porque o potencial neutro pode ser afectado pela distribuição a montante.

Neste caso, as soluções que utilizam as UPS com ou sem um transformador são idênticas, no entanto, a tecnologia sem transformadores apresenta vantagens em temos de eficiência, pegada, peso e rigor da regulação da potência.

Solução com um transformador de potência Solução sem transformadorTN-C a montante e TN-S a jusante TN-C a montante e TN-S a jusante

Normal ACinput

Rectifier/charger

L1L2L3N

LVMS

UPS

Bypass ACinput

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Battery QF1

Q5N

K3N

L1L2L3N

Staticbypass

D1

PE LVS



Neutral

Normal ACinput

Rectifier/charger

L1L2L3N

LVMS

UPS

Bypass ACinput

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Battery QF1

Q5N

K3N

PEL1L2L3N

Staticbypass

D1

LVS



Neutral

Fig. 5,18. TN a montante e a jusante.


Tecnologia: UPS sem transformador (Cont.)

Resultados da comparação Soluções com um transformador de saída ● O transformador na saída da UPS é de um tipo específico, mais dispendioso e exige mais espaço. ● É necessário adicionar um transformador na entrada de bypass, ou seja, a instalação requer dispositivos de quatro pólos e um cabo neutro, ou é necessário instalar um transformador de saída. ● O transformador adicionado não está localizado tão perto quanto possível das cargas. Soluções sem transformador ● As limitações provocadas por um transformador de saída da UPS são evitados. ● Um transformador é instalado à entrada da sala dos computadores, geralmente num PDU. Não são necessários dispositivos de quatro pólos no bypass nem a distribuição a montante do neutro. No entanto, continua a ser necessário adicionar um transformador, mas existem vantagens em termos de: ● Custo da UPS, isto é, sem transformador de potência específico e sem neutro na linha de bypass, ● pegada e peso reduzidos, ● melhor regulação de saída para flutuações de carga rápidas.

Pelas suas inúmeras vantagens, a tecnologia sem transformador está a tornar-se rapidamente a solução preferida para UPS.


Compatibilidade electromagnética (EMC)

Perturbações electromagnéticas Todas as perturbações electromagnéticas envolvem três elementos. Uma fonte Uma fonte natural (atmosfera, terra, sol, etc.) ou, mais frequentemente, uma fonte industrial (dispositivos eléctricos e electrónicos). A fonte gera perturbações através de variações repentinas (impulso) nos valores eléctricos (tensão ou corrente), definidas por: • Uma forma de onda, • Uma amplitude de onda (valor de pico), • Um espectro de frequências, • Um nível de energia. Um modo de acoplamento O acoplamento permite a transmissão de perturbações e pode ser: • Capacitivo (ou galvânico), por exemplo, através de enrolamentos do transformador, • Indutivo, por um campo magnético radiado, • Conduzido, por uma impedância comum, através de uma ligação à terra. Uma vítima Trata-se de qualquer dispositivo susceptível de sofrer perturbações e que funciona incorrectamente devido à presença das perturbações. Exemplos Fontes Em instalações de baixa tensão, as fontes incluem correntes variáveis súbitas resultantes de: • Falhas ou curto-circuitos, • Comutação electrónica, • Harmónicas de alta ordem, • Descargas ou interrupção do transformador. As frequências podem ser baixas (< 1 MHz) para frequências de alimentação e respectivas harmónicas ou altas (> 1 MHz) no caso de descargas. Acoplamento • Capacitivo: transmissão de uma onde de descarga através de um transformador. • Indutivo: Radiação de um campo magnético criado por uma das correntes acima. A radiação cria uma força electromotiva induzida, ou seja, uma corrente capaz de provocar perturbação induzida, nas ligações dos condutores que constituem os cabos que alimentam os dispositivos e nos condutores de ligação à terra dos dispositivos. A título indicativo, uma radiação de 0,7 A/m pode causar perturbações num monitor de vídeo. Isso corresponde ao campo criado de 2,2 m à volta de um condutor que transporte uma corrente de 10 A. • Conduzido (impedância comum): aumento no potencial de uma ligação à terra.

Perturbações Emissão, imunidade, susceptibilidade Um dispositivo eléctrico está instalado num ambiente que pode sofrer mais ou menos perturbações electromagneticamente. O mesmo tem de ser considerado como uma fonte e possível vítima de perturbações electromagnéticas. Dependendo do ponto de vista, pode falar-se de: • O nível de emissão de uma fonte, • O nível de compatibilidade de um ambiente, • Os níveis de imunidade e susceptibilidade de uma vítima. Estas noções são abordadas na página seguinte na secção sobre níveis de perturbação definidos pelas normas.

Perturbações electromagnéticas

Normas e recomendações EMC



(Cont.)

Níveis de perturbação A norma IEC 6100-2-4 define vários níveis de perturbação da EMC: • Nível 0: sem perturbação, • Nível de emissão: nível máximo autorizado para um utilizador num serviço público ou para um dispositivo, • Nível de compatibilidade: nível máximo de perturbação esperado um determinado ambiente, • Nível de imunidade: nível de perturbação que um dispositivo pode suportar, • Nível de susceptibilidade: nível a partir do qual um dispositivo ou sistema funciona incorrectamente. Consequentemente, devem ser tomados em consideração dispositivos e equipamento: • Fontes, devem ser definidos limites (níveis de emissão) relativamente a perturbações emitidas por dispositivos para evitar atingir níveis de compatibilidade, • Vítimas, devem também suportar níveis de perturbação superiores aos níveis de compatibilidade, se ultrapassados, o que é permitido numa fase transitória. Estes níveis superiores são os níveis de imunidade. As normas EMC definem estes níveis.

Lista das normas EMC, ver secção na página 34 sobre normas EMC.

Fig. 5.19 Níveis de perturbação de EMC para dispositivos susceptíveis de sofrer/provocar perturbações. Valores medidos Os dispositivos são submetidos a testes. São medidos cinco valores principais: • CE – emissões conduzidas, • RE – emissões radiadas, • ESD – descargas electrostáticas, • CS – susceptibilidade conduzida, • RS – susceptibilidade radiada. Os testes requerem recursos importantes, nomeadamente uma gaiola de Faraday para as emissões conduzidas e a susceptibilidade e uma câmara anecóica para as emissões radiadas. A Schneider Electric possui câmaras de teste anecóicas certificadas.



(Cont.)

Fig. 5.20 Cinco valores de medição principais.


Normas relativas à UPS

Âmbito das normas As normas abrangem os aspectos seguintes: • A concepção da UPS, • A segurança dos indivíduos, • Os níveis de desempenho, • O ambiente eléctrico (principalmente as perturbações harmónicas e a EMC), • O ambiente ecológico. As normas relativas às UPSs tornaram-se muito mais precisas, principalmente no que respeita a criação de normas EN europeias e respectiva harmonização com parte das normas IEC anteriormente existentes. Cumprimento das normas e certificação O cumprimento das normas garante a fiabilidade e a qualidade de uma UPS, respectiva compatibilidade com as cargas fornecidas, bem como com o ambiente técnico, humano e natural. A declaração de conformidade com as normas por parte de um fabricante não é, por si só, uma indicação suficiente da qualidade. Apenas a certificação por organizações reconhecidas constitui uma garantia verdadeira da conformidade. Com essa finalidade, os níveis de desempenho das UPSs da Schneider Electric relativamente às normas são certificados por organizações como a TÜV e a Veritas. Marca CE A marca CE foi criada pela legislação europeia. É obrigatória para a livre circulação de mercadorias na UE. O seu objectivo é garantir, através do cumprimento das directivas europeias correspondentes de que: • O produto não é perigoso (Directiva relativa à baixa tensão), • Não é poluente (Directiva relativa ao ambiente) e respectiva compatibilidade electromagnética (Directiva relativa à EMC). Antes da colocação da marca CE num produto, o fabricante teve/tem de realizar as verificações e testes que asseguram a conformidade do produto com os requisitos na(s) directiva(s) aplicável(eis). Tal NÃO se trata de uma norma de certificação ou marca de conformidade. Isto não significa que o produto está em conformidade com as normas nacionais ou internacionais. Não se trata de uma certificação, tal como definido pela legislação francesa (lei datada de 3 de Junho de 1994) Além disso, a colocação da marca CE num produto é da exclusiva responsabilidade do fabricante ou do importador. A mesma não implica a inspecção por parte de uma organização certificada externa.

Nem todas as etiquetas têm as mesmas implicações para os fabricantes. A conformidade com as normas e os níveis de desempenho especificados têm de ser certificados por uma organização. Este não é o caso da marca CE que autoriza a auto-certificação.

As UPSs da Schneider Electric estão em conformidade (certificadas pela TÜV e Veritas) com as principais normas internacionais aplicáveis. Segurança • IEC 60950-1/EN 60950-1 Equipamento de tecnologia de informação - Segurança - Parte: Requisitos gerais • IEC 62040-1/EN 62040-1 Sistemas de Alimentação Ininterrupta (UPS) - Requisitos gerais e de segurança para UPS. • IEC 62040-3/EN 1000-3 Sistemas de Alimentação Ininterrupta (UPS) - Método de especificação dos requisitos de desempenho e teste. • IEC 60439 Conjuntos de aparelhagem de baixa tensão. • Directiva relativa a LV: 2006/95/EC

Principais normas reguladoras das UPSs

Âmbito e cumprimento das normas



Ambiente eléctrico, harmónicas e compatibilidade electromagnética (EMC) Harmónicas • IEC 61000-2-2/EN 61000-2-2 Níveis de Compatibilidade para Falhas Provocados por Baixa Frequência e Sinalização em Sistemas Públicos de Fontes de Alimentação de Baixa Tensão. (ver Tabela 5-A na página seguinte) • IEC 61000-3-2/EN 61000-3-2 Limites de emissões de correntes harmónicas ( corrente de entrada do equipamento ≤ 16 A/ph). • IEC 61000-3-4/EN 61000-3-4 Limites de emissões de correntes harmónicas (corrente de entrada do equipamento > 16 A/ph). • IEC 61000-3-5/EN 61000-3-5 Limitação de flutuações e oscilações de tensão. • EN 50160 Características da tensão de redes públicas. (ver Tabela 5-B na página seguinte). • IEEE 519 Práticas recomendadas e requisitos para o controlo harmónico em sistemas de alimentação eléctrica. EMC • EN 50091-2 UPS - EMC. • IEC 62040-2/EN 62040-2 Sistemas de Alimentação Ininterrupta (UPS) - Requisitos de compatibilidade electromagnética (EMC). • Directiva relativa à EMC 2004/108/EC Para equipamento susceptível de causar ou ser afectado por perturbações electromagnéticas. Qualidade • Concepção, produção e manutenção em conformidade com a norma ISO 9001 – organização para a qualidade. Ambiente ecológico • Fabrico em conformidade com a norma ISO 14001. Ruído acústico • ISO 3746 Níveis da potência sonora. • ISO 7779/EN 27779 Medição do ruído aéreo emitido por um computador ou equipamento empresarial.



Tabelas sobre níveis de compatibilidade harmónica Tabela 5-A. Níveis de compatibilidade para tensões harmónicas individuais em redes de baixa tensão como indicado nas normas IEC 61000-2-2/EN 61000-2-2.

Harmónicas ímpares não múltiplas de 3

Harmónicas ímpares múltiplas de 3

Harmónicas pares

Ordem harmónica n

Tensão harmónica como uma % da fundamental

Ordem harmónica n


Ordem harmónica n


5 6 3 5 2 2 7 5 9 1.5 4 1 11 3.5 15 0.3 6 0.5 13 3 21 0.2 8 0.5 17 19 23 25 >25

2 1.5 1.5 1.5 0,2+0,5x25/n

>21 0.2 10 12 >12

0.5 0.5 0.2 0.2

THDU < 8% resultante (para todas as harmónicas encontradas entre essas indicadas). Tabela 5-B. Níveis de compatibilidade para tensões harmónicas de acordo com o tipo de equipamento como indicado na norma EN 50160.

Ordem da harmónica de tensão gerada

Classe 1 (equipamento e sistemas sensíveis) % fundamental

Classe 2 (1) (redes industriais e públicas) % fundamental

Classe 3 (para ligação dos principais poluidores) % fundamental

2 2 2 3 3 3 5 6 4 1 1 1.5 5 3 6 8 6 0.5 0.5 1 7 3 5 7 8 0.5 0.5 1 9 1.5 1.5 2.5 10 0.5 0.5 1 11 3 3.5 5 12 0.2 0.2 1 13 3 3 4.5 TDHU 5% 8% 10% (1) A classe 2 corresponde aos limites da Tabela A das normas IEC 61000-2-2/EN 61000-2-2.


Armazenamento de energia

Armazenamento de energia em UPSs Os sistemas de armazenamento de energia utilizados pelas UPSs para salvaguardar a fonte principal têm de ter as seguintes características: • Disponibilidade imediata da alimentação eléctrica, • Potência nominal suficiente para fornecer a carga, • Tempo de reserva suficiente e/ou compatibilidade com sistemas com capacidade

para tempos de reserva prolongados (por ex. gerador a motor ou células a combustível).

Avaliação das tecnologias disponíveis O acompanhamento técnico estabelecido pela Schneider Electric resultou numa examinação profunda das seguintes tecnologias: • Baterias, • Supercapacitores (ultracapacitores), • Volantes, • Armazenamento de energia magnética supercondutora (SMES).

Para mais informações, ver NA 65 (Nota de Aplicação 65: "Comparar baterias de centros de dados, volantes e ultracapacitores". As soluções referentes a baterias e volantes são abordadas a seguir.

A solução bateria As baterias são de longe a solução frequentemente utilizada actualmente em termos de armazenamento de energia em UPSs. São a solução dominante devido ao custo reduzido, à eficácia comprovada e à capacidade de armazenamento, apresentando no entanto várias desvantagens no que respeita ao tamanho, à manutenção e ao ambiente. Em termos de potência nominal, as mesmas oferecem tempos de reserva num período de dez minutos, suficiente para trabalhar durante longas interrupções e aguardar pelo arranque de um gerador a motor preparado para tempos de funcionamento alargados. Para a gama SymmetraTM PX , a Schneider Electric também oferece soluções para tempos de funcionamento alargados baseadas em células a combustível, com a gama de produtos FCXR (Fuel Cell eXtended Run). Esta solução reduz significativamente o impacto ambiental e os requisitos em termos de espaço no que respeita a soluções que combinam baterias e um gerador a motor.

O armazenamento de energia electroquímica a bateria, assegurado por um gerador a motor térmico (se for o caso), é a solução normalmente utilizada para proteger cargas críticas utilizando UPSs.

Fig. 5.21. Armazenamento de energia utilizando uma bateria e um gerador a motor para longos tempos de reserva.

See WP 65

Baterias

Tecnologias possíveis


Armazenamento de energia (Cont.)

Tipos de baterias industriais Famílias de baterias Uma bateria é um conjunto de células interligadas. Dependendo do tipo de células, existem duas famílias principais de baterias: • Baterias de ácido-chumbo, • Baterias de níquel-cádmio. As células também podem ser do : • Tipo recombinação baterias seladas A taxa de recombinação de gás é de, pelo menos, 95% e, por essa razão, não necessitam da adição de água durante o tempo de vida útil (daí o termo "selada"), • Tipo ventilada baterias ventiladas Estão equipadas com portas para: - libertar para a atmosfera o oxigénio e hidrogénio produzidos durante as diferentes reacções químicas, - encher o electrólito adicionando água destilada ou desmineralizada. Baterias utilizadas nas UPSs Os principais tipos de baterias utilizadas em conjunto com as UPSs são: • Baterias de ácido-chumbo seladas, utilizadas 95% do tempo porque são de fácil manutenção e não requerem um espaço especial, estas baterias podem ser instaladas em ambientes de escritório e em qualquer posição, • Baterias de ácido-chumbo ventiladas, • Baterias de níquel-cádmio ventiladas. As baterias ventiladas impõem maiores restrições em termos de manutenção (verificações no nível do electrólito) e respectiva posição (apenas na posição vertical). As baterias de polímero de lítio estão actualmente a ser estudadas para utilização nas UPSs. Para utilizar em conjunto com as suas gamas de UPS, a Schneider Electric recomenda baterias de ácido-chumbo seladas. Contudo, disponibiliza uma ampla selecção de outros tipos de bateria. A empresa oferece os três tipos de bateria para todos os tempos de vida útil disponíveis. Os níveis de capacidade e os tempos de reserva podem ser adaptados para satisfazer as necessidades do utilizador. As baterias propostas estão totalmente adaptadas às aplicações da UPS, resultado da colaboração com os principais fabricantes de baterias.

Selecção da bateria, ver ” Factores chave na instalação da UPS” p. 46. Modos de instalação Dependendo da gama da UPS, capacidade da bateria e tempo de reserva, a bateria é: • Do tipo selada e alojada no gabinete da UPS, • Do tipo selada e alojada num a três gabinetes, • Do tipo ventilada ou selada e montada em rack. Montagem em gabinete Este método de instalação (ver fig. 5.15) é adequado a baterias seladas. É fácil de implementar e oferece máxima segurança. Baterias instaladas em racks • Em prateleiras (figura 5.16) Este método de instalação é possível para baterias seladas ou baterias ventiladas sem manutenção que não requerem o abastecimento do respectivo electrólito. • Montagem em camada (tier) (figura 5.17) Este método de instalação é adequado para todos os tipos de baterias e para as baterias ventiladas em particular, uma vez que a verificação do nível e o abastecimento são facilitados.



Fig. 5.22. Montagem em gabinete. Fig. 5.23. Montagem em prateleira. Fig. 5.24. Montagem em camada (tier). Restrições relativas a baterias Restrições atmosféricas As baterias fornecidas com as UPSs da Schneider Electric foram concebidas para funcionar nas seguintes condições: • Intervalo de temperatura ideal: 15°C a 25°C, • Intervalo de humidade relativa ideal: 5% a 95%, • Pressão atmosférica: 700 a 1060 hPa (0,7 a 1,06 bars). Para obter informações sobre outras condições de funcionamento, consulte-nos. Acesso Deve ser fornecido acesso para operações de teste. • Bateria instalada no gabinete da UPS ou outro gabinete: conformidade com as distâncias indicadas na secção "Dimensões e pesos" no capítulo 4. • Bateria instalada em racks: Seleccione um método de instalação adequado ao tipo de bateria. • Trabalho preliminar: este aspecto é importante uma vez que está relacionado com a segurança. Este assunto é abordado na secção “Factores chave na instalação da UPS” p. 49. Principais parâmetros da bateria Tempo de reserva Para uma determinada bateria, o tempo de reserva depende de: • A potência a fornecer, um valor baixo aumenta a autonomia disponível, • As condições de descarga, uma taxa de descarga elevada torna possível uma tensão de encerramento inferior, aumentando assim o tempo de reserva, • A temperatura, dentro dos limites de funcionamento recomendados, o tempo de reserva aumenta com o aumento da temperatura. Contudo, tenha em atenção que uma temperatura elevada afecta de modo negativo a vida útil da bateria, • O envelhecimento, o tempo de reserva da bateria diminui com a idade da bateria. A Schneider Electric oferece uma gama de tempos de reserva padrão (5, 6, 8, 10, 15 ou 30 minutos e tempos de vida útil (5 ou 10 anos ou mais), satisfazendo igualmente todos os requisitos específicos. Vida útil Considera-se que uma bateria atingiu o fim de vida útil quando o respectivo tempo de reserva tiver diminuído 50% do tempo de reserva especificado. O tempo de vida útil de uma bateria é basicamente melhorado: • Pelo fornecimento de protecção contra descarga profunda, • Pelas definições correctas do carregador, em particular o factor de ondulação da carga ou corrente flutuante, • Por uma temperatura de funcionamento ideal, mantida entre os 15°C e 25°C. Modo de recarga O ciclo de carga acontece em dois passos: • Passo 1, uma corrente constante limitada a 0,1 C10 (um décimo da capacidade da bateria para uma descarga de dez horas), • Passo 2, uma tensão constante, no valor máximo permitido. A corrente de carga diminui regularmente e atinge o valor de flutuação.



Fig. 5.25. Ciclo de carga da bateria. Gestão da bateria para as gamas Galaxy DigibatTM Para gerir os parâmetros acima, todas as UPS Galaxy da Schneider Electric vêm equipadas de origem com o sistema de monitorização de bateria DigibatTM baseado em microprocessador (DSP dedicado para processamento em tempo real). O sistema DigibatTM, de fácil utilização, oferece funções avançadas e flexíveis, bem como protecção física e protegida por computador à bateria. O mesmo fornece um elevado nível de segurança, medição exacta do tempo de reserva e optimiza o tempo de vida útil da bateria. Por exemplo, uma UPS Galaxy 5000, inclui as seguintes funções: • Introdução automática dos parâmetros da bateria, • Medição do tempo de reserva real remanescente, tendo em consideração a idade da bateria, a temperatura e o nível de carga, • Estimativa do tempo de vida útil restante da bateria (1), • Teste da bateria para detectar preventivamente falhas nas funções da bateria (1), • Regulação da tensão da bateria relativamente à temperatura para optimizar a vida útil da bateria, • Teste automático de descarga da bateria a intervalos ajustáveis. A protecção inclui: • Protecção contra a descarga profunda (dependendo da taxa de descarga) e isolamento da bateria através da utilização de um disjuntor que abre automaticamente quando o tempo de reserva, multiplicado por duas mais duas horas, tiver decorrido, • Limite da corrente de recarga na bateria (0,05 C10 a 0,1 C10), • Alarme de áudio progressivo que assinala o fim do tempo de reserva, • Diversos testes automáticos. (1) Patentes exclusivas da Schneider Electric.

Fig. 5.26. DigibatTM Monitorização da temperatura As UPSs Galaxy podem também estar equipadas com o módulo Monitorização da Temperatura utilizado para: • Optimizar a tensão do carregador dependendo da temperatura no compartimento da bateria, • Avisar o utilizador se os limites de temperatura permitidos forem ultrapassados,



• Refinar a estimativa relativa ao tempo de reserva da bateria realizada pelo sistema padrão. A ventilação natural dos gabinetes da bateria evita o aumento da temperatura da bateria. O Sensor do Ambiente é também uma maneira simples de monitorizar a temperatura e a humidade. Pode ser utilizado para iniciar o encerramento quando combinado com o software em execução no módulo. Monitorização da bateria A Schneider Electric dispõe igualmente dos sistemas de monitorização da bateria adjacentes e autónomos B2000 e Cellwatch, que detectam e localizam todas as falhas da bateria. Estes sistemas monitorizam cada bloco ou célula da bateria e tornam possível a manutenção preventiva. Armazenamento da energia em volante Princípio de funcionamento Um sistema de armazenamento em volante é uma “bateria mecânica” que armazena energia cineticamente na forma de uma massa em rotação. Quando necessário durante uma interrupção na rede de distribuição de energia eléctrica pública, a energia armazenada pela massa em rotação é convertida em energia eléctrica através do gerador eléctrico integrado no volante. A quantidade de energia armazenada num volante é indicada pela fórmula: E = kMω2 em que k depende da forma da massa em rotação, M corresponde à massa do volante e ω corresponde à respectiva velocidade angular.

Tenha em atenção que a energia armazenada é proporcional ao quadrado da velocidade angular. Esta é uma das razões pelas quais a Schneider Electric propõe volantes a girar a velocidades relativamente elevadas. Isto reduz o peso e a pegada ecológica do sistema de armazenamento de energia. Aplicações da UPS Os volantes podem substituir as baterias da UPS tradicionais ou funcionarem em conjunto com as baterias para fornecerem energia de reserva instantânea e altamente fiável a aplicações actuais cruciais (centros de dados, hospitais, estúdios de transmissão, aeroportos e fábricas). Os mesmos interagem com o bus CC, à semelhança de uma bateria, recebendo corrente de carga da UPS e fornecendo corrente CC ao inversor da UPS durante a descarga.

Rectifier

Criticalloads

AC input

Inverter

Battery

UPS

Flywheel Fig. 5.27. Diagrama simplificado de uma UPS com um armazenamento de energia em volante ligado em paralelo com uma bateria. Os sistemas de armazenamento de energia em volante possuem duas aplicações dependendo se a aplicação inclui ou não um gerador. Reforço da bateria para instalações com geradores Para instalações sem geradores, é possível o funcionamento de um sistema de armazenamento de energia em volante em paralelo com baterias. Esta aplicação de volante é frequentemente referida como "reforço da bateria". Numa configuração deste tipo, o volante é a primeira linha de defesa contra anomalias de alimentação – oferecendo maior disponibilidade e poupando as baterias durante interrupções de energia prolongadas. Sendo o primeiro a fornecer a

Volantes



energia necessária para trabalhar durante falhas de energia, o sistema de volante aumenta de modo significativo a vida útil da bateria ao absorver mais de 98% das descargas que normalmente seriam fornecidas pelas baterias. O reforço da bateria com volantes oferece uma série de vantagens. • Menos ciclos de carga/descarga da bateria, prolongando assim a vida útil da bateria • Menos substituições frequentes da bateria e eliminação de ácido-chumbo associado • Maior disponibilidade do bus CC crítico Substituição da bateria para instalações com geradores De um modo geral, os geradores conseguem aguentar a carga durante 10 segundos de uma interrupção na rede de distribuição de energia eléctrica pública. Embora as baterias de UPS consigam fornecer energia durante esta transição, a sua fiabilidade é sempre posta em causa. Estão totalmente carregadas? Será que existe alguma célula danificada no conjunto da bateria? Quando foram verificadas pela última vez? Em contrapartida, os sistemas de volante fornecem armazenamento de energia fiável instantaneamente para assegurar uma transição previsível para o gerador em espera, tudo numa unidade compacta. Um sistema de volante que forneça 10 ou 20 segundos de energia oferece uma série de vantagens em relação às baterias para instalações com geradores. • Armazenamento de energia altamente fiável e previsível: - MTBF estimado de 54.000 horas - a monitorização contínua oferece um desempenho altamente previsível • Alternativa às baterias ecológica: - sem chumbo, sem ácido, pegada de carbono reduzida • Custo total de propriedade reduzido: - 20 anos de vida útil - manutenção reduzida - Tamanho e peso reduzidos - capaz de funcionar a temperaturas até 40°C Tipos de volante Os volantes da UPS podem dividir-se em vários tipos dependendo da respectiva velocidade, material do volante e configuração do gerador a motor. Velocidade do volante • Volantes de baixa velocidade - Velocidade angular <10 000 rpm - A energia de potência elevada requer volantes em aço pesado (pesado e volumoso) - Manutenção e substituição periódica de rolamentos mecânicos - Elevada quantidade de perdas de energia parasitas - Requer especificações de placas de betão para instalação • Volantes de alta velocidade - 30.000 a 60.000 rpm (potencialmente até 100.000 rpm) - Mais leves para necessidades de potência elevada (energia armazenada através da maior velocidade de rotação) - Levitação magnética total - Manutenção periódica reduzida - Tamanho e peso mais reduzidos - Entrada em funcionamento, arranque e encerramento fáceis Como mencionado anteriormente, os volantes fornecidos com as UPSs da Schneider Electric funcionam a velocidades relativamente altas (36.000 rpm com carga total) e oferecem todas as vantagens associadas. Materiais do volante • Volantes em fibra de carbono Os volantes em fibra de carbono são normalmente fabricados em grandes extensões de enrolamentos de fibra de carbono num fuso. Os mesmos são mantidos juntos por uma resina de epóxi. As imperfeições no processo e os espaços entre as fibras pode provocar o desequilíbrio da roda ao longo do tempo devido às tensões aplicadas, uma vez que a roda gira de alta a baixa velocidade sem parar, o que ocorre durante cada evento



de descarga. Dado que o volante de fibra de carbono fica desequilibrado, o módulo completo do volante tem de ser substituído, um processo muito demorado e dispendioso. • Volantes em aço Os volantes fornecidos pelas UPSs da Schneider Electric UPSs são fabricados em aço aeroespacial grau 4340. As propriedades do material são muito bem conhecidas, disponível em inúmeros fornecedores. Este material é utilizado em muitas aplicações de rotação a alta velocidade. Mais importante é o facto de a integridade do material poder ser medida através de amostras de núcleo e ultra-som para se certificar de que o mesmo está conformidade com as especificações da aplicação. O mesmo volante tem sido utilizado não apenas em aplicações de UPS, como também em aplicações de regeneração de alta ciclagem como em motores eléctricos para gruas e carris de eléctricos. Estas aplicações exigem que o volante carregue e descarregue até 20 vezes por hora. Estas aplicações comprovam a robustez da utilização do aço de grau aeroespacial como o material de volante preferido. Configuração do gerador a motor A outra diferença encontrada nos sistemas de armazenamento de energia em volante é a configuração do gerador a motor. • Os sistemas de volante fornecidos pela Schneider Electric utilizam use um gerador a motor do tipo íman permanente. A sua vantagem é dupla: - Maior eficiência do gerador a motor na carga e descarga, dada a elevada capacidade de ciclagem do volante - O volante pode gerar a sua própria energia para manter a levitação do volante mesmo que a potência de controlo se perder ou ocorrer uma falha na electrónica. • Outros fabricantes de volantes utilizam um motor de relutância síncrono que não conseguem auto-gerar energia se ocorrer uma falha na electrónica. - Assim, a unidade necessita de uma alimentação de reserva de uma pequena UPS para fornecer energia aos rolamentos magnéticos. Instalação Gabinetes do volante Os sistemas de armazenamento de energia em volante são fornecidos em gabinetes separados que estabelecem ligação ao bus CC tal como os gabinetes da bateria. Os vários gabinetes do volante podem ser instalados em paralelo para uma potência mais elevada, um tempo de funcionamento mais prolongado ou redundância. Preparação do local É necessária a preparação mínima do local para a instalação dos gabinetes do volante. Antes da instalação, é necessário ter em consideração determinados aspectos. • Ligação e cablagem da UPS e outro equipamento • Acesso à assistência • Intervalos de arrefecimento • Montagem no solo Restrições relativas a volantes Restrições atmosféricas Os sistemas de armazenamento de energia em volante fornecidos com as UPSs da Schneider Electric foram concebidos para funcionar nas seguintes condições: • Temperatura de funcionamento: -20°C a 40°C (sem redução) • Temperatura mínima de arranque a frio: 0℃ • Humidade relativa: até 95% (sem condensação) Para obter informações sobre outras condições de funcionamento, consulte-nos. Principais parâmetros do volante Potência de saída e tempo de reserva Os sistemas de armazenamento de energia em volante fornecidos com as UPSs da Schneider Electric oferecem flexibilidade no que diz respeito à selecção da melhor combinação de nível de potência e tempo de funcionamento de acordo com os requisitos da aplicação.



• Estão disponíveis unidades simples em potências de 215kW e 300kW. • O modelo de 300kW debita 160kW por ~18,75 segundos ou 220kW por ~10 segundos. Geralmente suficiente para reforço da bateria ou aplicações de arranque do gerador. • Podem funcionar em paralelo várias unidades de volante para uma maior capacidade, redundância ou tempo de funcionamento. Vida útil • O tempo de vida útil de um sistema de armazenamento de energia em volante é normalmente muito superior ao das baterias de chumbo-ácido. • Os sistemas de armazenamento de energia em volante fornecidos com as UPSs da Schneider Electric têm um tempo de vida útil de 20 anos com temperaturas até 40°C e ciclos de carga e descarga frequentes.


Combinação de UPS/gerador

Tempos de reserva longos Um gerador a motor é constituído por um motor de combustão interna que acciona um gerador que alimenta o sistema de distribuição. O tempo de reserva de um gerador a motor depende da quantidade de combustível disponível. Em algumas instalações, o tempo de reserva necessário na eventualidade de uma interrupção na rede de distribuição de energia eléctrica pública é tal que é preferível utilizar um gerador a motor para repor a energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública (figura 5.28). Esta solução evita a utilização de baterias de grande dimensão com tempos de reserva muito longos. Embora não exista uma regra geral quanto a isso, é frequentemente utilizado um gerador para tempos de reserva que ultrapassem os 30 minutos. As instalações críticas que necessitam de níveis de disponibilidade muito elevados e com custos de inactividade elevados (por ex. centros de dados) combinam sistematicamente UPSs e geradores a motor. O tempo de reserva da bateria da UPS tem de ser suficiente para o arranque do gerador e ligação à instalação eléctrica. A ligação é geralmente realizada no quadro principal de baixa tensão através de um sistema de comutação de fonte automático. O tempo necessário para a comutação depende das características específicas de cada instalação, principalmente a sequência de arranque, redução de carga, etc.

Fig. 5.28. Combinação de UPS/gerador.

Compatibilidade entre UPS/gerador Tem de se ter em consideração uma série de factores quando se utiliza um gerador a motor para fornecer energia de tempos de reserva longos a UPSs. Alterações aos patamares de carga No caso de uma situação de emergência, se for necessário ligar a instalação ao gerador, as cargas pesadas podem resultar em correntes de pico elevadas, que podem causar graves problemas no funcionamento do gerador. Para evitar estes fenómenos, as UPSs da Schneider Electric estão equipadas com um sistema que garante o arranque gradual do carregador. O processo demora aproximadamente dez segundos. Além disso, quando a energia é reposta, o carregador poderá ser parado gradualmente através de um interruptor auxiliar para evitar a perturbação de outras cargas.

Combinação de UPS/gerador

Utilização de um gerador


Combinação de UPS/gerador (Cont.)

Fig. 5.29. Início gradual do rectificador da UPS durante o funcionamento a energia do gerador. Correntes capacitivas O gerador só pode fornecer correntes capacitivas relativamente reduzidas (10 a 30 % de In). Ao instalar-se um filtro LC, a principal dificuldade recai sobre o arranque gradual do rectificador quando alimentado pelo gerador, quando a potência activa é zero e o gerador só fornece corrente capacitiva para o filtro. Em consequência, a utilização dos filtros LC têm de ser analisados correctamente para garantir que o funcionamento está em conformidade com as especificações do fabricante. A utilização de filtros LC compensados com um relé resolve este problema. Para UPSs com um rectificador PFC, a compatibilidade é total.

Filtros LC e geradores, ver capítulo 1 p. 26. UPS respectiva e potências nominais do gerador Uma UPS equipada com um rectificador PFC possui um factor de potência de entrada elevado (superior a 0,9). O gerador a motor pode, deste modo, ser utilizado para maximizar a eficácia. Em relação aos filtros LC, os filtros compensados com um relé resolvem o problema relacionado com as correntes capacitivas.

A compatibilidade das potências nominais entre as UPSs modernas e os geradores a motor evita todos os problemas de redução. Estabilidade da frequência do gerador Durante o funcionamento a energia do gerador a motor, é possível que ocorram flutuações na frequência do gerador devido a variações na velocidade do motor térmico para o qual as funções de regulação não são instantâneas. Estas variações devem-se a alterações na carga. Exemplos são o arranque do gerador a motor sozinho (até atingir a respectiva velocidade nominal), o arranque de outras cargas fornecidas pelo gerador a motor (elevadores, sistemas de ar condicionado) ou a redução de cargas. Esta situação pode criar problemas com as UPSs de linha interactiva cuja frequência de saída é idêntica à da entrada. As variações da frequência do gerador podem levar a diversas transferências para a potência da bateria (frequência fora das tolerâncias) e retornos à rede de distribuição de energia eléctrica pública (quando o inversor tiver estabilizado a frequência, mas o próprio gerador ainda não estiver estabilizado), resultando nos fenómenos de “hunting” (instabilidade no ponto de referência da frequência). Com UPSs de dupla conversão, a regulação da potência de saída pelo inversor evita este problema.

As UPSs de dupla conversão são totalmente compatíveis com as flutuações de frequência dos geradores a motor. Este não é o caso das UPSs de linha interactiva. Harmónicas A reactância subtransiente X"d de um gerador é normalmente superior à tensão de curto-circuito Uscx de um transformador (duas a quatro vezes maior). Quaisquer correntes harmónicas absorvidas pelo rectificador da UPS poderão ter um impacto maior na distorção harmónica da tensão nos terminais a montante. Com a tecnologia do rectificador PFC, a ausência de harmónicas a montante evita este problema.


Combinação de UPS/gerador (Cont.)

Revisão das correntes de pico No arranque, uma série de cargas provocam grandes correntes de pico (surtos de comutação, picos de arranque), que podem durar algum tempo. Para a UPS, estas correntes representam um carga aparente Sa (kVA) que é maior que a Sn (kVA), que pode ser fornecida em condições estáveis. O valor de Sa a ter em consideração no dimensionamento da potência da UPS é calculado com base nestas correntes de pico. Abaixo encontra indicações sobre estas correntes provocadas por dispositivos de carga comuns. Motores Os motores são geralmente do tipo assíncrono trifásico (95% de todos os motores). O requisito de potência adicional corresponde à corrente de arranque definida por (fig. 5.30): • Id (5 a 8 In, valor rms nominal) para um tempo td (1 a 10 segundos), • Imax = 8 a 12 In, para 20 a 30 milissegundos. A potência absorvida que deve ser considerada (ignorando o efeito de pico de Imax) é: Sa (kVA) = Un Id 3 durante td.

Transformadores LV/LV A comutação do transformador produz picos de corrente com amplitudes que são amortecidas de acordo com uma queda exponencial com uma constante de tempo (ver fig. 5.31). • i = I1º pico exp -t/τ em que τ corresponde a alguns ciclos (30 a 300 ms). • I1º pico = k In (em que k é indicado, geralmente 10 a 20). Em geral, as indicações incluem o número de ciclos que o fenómeno dura e o valor dos vários picos como uma percentagem do I1º pico. O corrente de pico correspondente é normalmente calculada com base em (ver exemplo): • Sa (kVA) = Un I1º pico 3 , i.e. Sa (kVA) = k Un In 3 durante o número de ciclos. • Exemplo de uma corrente de pico amortecida em quatro ciclos com: 1º pico (100%): k In (k de 10 a 20), ~º pico 30 %: 0,3 k In, 3º pico 15 %: 0,15 k In, O total dos valores rms das correntes correspondentes aos vários picos (Ipico / 2 ) (1) é:

Ink2

45,1InK2

)15,03,01(Ink ≈=++

Isto é basicamente equivalente ao valor do primeiro pico por si só. (1) Considerando os picos de corrente como ondas senoidais, tenha em atenção que alguns fabricantes indicam um valor rms de Ipico / 2.

Cargas do computador As fontes de alimentação no modo de comutador são cargas não lineares. A corrente de uma carga monofásica tem uma forma de onda semelhante à apresentada na figura 5.32. Pode existir um pico durante a primeira metade da onda de aproximadamente 2 In. Contudo, é geralmente muito inferior do que este e pode ser ignorado.

Fig. 5.30. Curva do arranque online directo de um motor assíncrono trifásico.

Fig. 5.31. Corrente de comutação do transformador LV/LV.

Fig. 5.32. Corrente de início de carga do computador.


Harmónicas

Origem das harmónicas A utilização crescente de computadores, telecomunicações e dispositivos electrónicos tem multiplicado o número de cargas não lineares ligadas a sistemas de alimentação. Estas aplicações requerem fontes de alimentação no modo de comutador que transforma a onda senoidal da tensão em sinais periódicos de formas de onda diferentes. Todos estes sinais periódicos de frequência f são o produto de sinais sinusoidais sobrepostos com frequências que são múltiplas de f, conhecidas como harmónicas (ver a secção "Valores harmónicos característicos” que trata do teorema Fourier abaixo, na página 40). A figura 5.32 ilustra esta situação apresentando a corrente inicial (a fundamental) e a terceira ordem harmónica.

Esta figura apresenta o que acontece quando uma terceira ordem harmónica (150/180 Hz) é sobreposta na frequência fundamental (50/60 Hz). A frequência do sinal periódico resultante é a da fundamental, mas a forma de onda é distorcida.

Fig. 5.33. Exemplo de harmónicas. A presença crescente de harmónicas é um fenómeno que está relacionado com todas as instalações eléctricas, comerciais e industrias, bem como residenciais. Nenhum ambiente eléctrico moderno está isento destas perturbações causadas por dispositivos tais como PCs, servidores, lâmpadas fluorescentes, ar-condicionados, controladores de velocidade variável, lâmpadas de descarga, rectificadores, fontes de alimentação estática, fornos micro-ondas, televisões, lâmpadas de halogénio, etc. Todas estas cargas são designadas por "não lineares". Consequências das harmónicas As harmónicas provocam perturbações, cada vez mais graves, em todos os tipos de actividades, desde fábricas de componentes electrónicos e sistemas de processamento de dados a estações de bombeamento, sistemas de telecomunicação, estúdios de televisão, etc., pois representam uma parte significativa da corrente absorvida. Existem três tipos de consequências negativas para os utilizadores: Impacto na instalação eléctrica As harmónicas aumentam o valor da corrente rms em relação ao da corrente sinusoidal nominal. O resultado é o aumento da temperatura (por vezes significativa) nas linhas, transformadores, condensadores, cabos, etc. Os custos ocultos do envelhecimento acelerado nestes dispositivos podem ser muito elevados. Impacto nas aplicações As correntes harmónicas circulam na fonte e nas impedâncias das linhas, gerando desta forma harmónicas de tensão que levam à distorção da tensão nos terminais a montante das cargas não lineares (figura 5.34). A distorção da tensão de alimentação (THDU a montante – Distorção harmónica total na tensão) pode provocar perturbações no funcionamento de certos dispositivos sensíveis ligados a estes terminais. Além disso, os sistemas TNC onde os condutores N e PE estão combinados para formar um condutor PEN, as terceiras ordens harmónicas de sequência zero acumulam-se no condutor neutro. Esta corrente desequilibrada no neutro pode provocar perturbações nos circuitos que interligam os dispositivos de baixa corrente, podendo ser necessário o sobredimensionamento do neutro.

Harmónicas


Harmónicas (Cont.)

Fig. 5.34. A distorção da tensão devido à reinjecção de correntes harmónicas por cargas não lineares. Impacto na alimentação eléctrica disponível As harmónicas representam uma perda de corrente absoluta (até 30% mais de corrente consumida). O utilizador pode pagar mais por menos alimentação disponível. Precauções Geral Existem várias soluções tradicionais para limitar as harmónicas: • Instalação de filtros passivos sintonizados, • Instalação em paralelo de vários cabos com secções transversais de tamanho médio, • Separação de cargas não lineares e cargas sensíveis adjacentes a transformadores de isolamento. Contudo, estas soluções têm duas grandes desvantagens: • A limitação das harmónicas é efectiva apenas na instalação existente (a adição ou remoção de cargas pode torná-la ineficaz), • A implementação é difícil em instalações existentes. Os condicionadores harmónicos activos SineWave (ver capítulo 3) evitam estas desvantagens. Muito mais eficazes que outras soluções, estes podem ser utilizados com todos os tipos de carga e podem eliminar selectivamente as harmónicas desde a 2.ª ordem à 25.ª ordem.

Eliminação das harmónicas, ver “eliminar correntes harmónicas” UPSs • Devido ao rectificador/carregador, uma UPS é uma carga não linear para a respectiva fonte de alimentação. As UPSs da Schneider Electric oferecem um controlo perfeito sobre as harmónicas a montante utilizando filtros ou rectificadores PFC "limpos" (Galaxy PW e 9000). A montante da UPS, a distorção da tensão total mantém-se dentro dos limites que são aceitáveis para outros dispositivos ligados aos mesmos terminais.


Harmónicas (Cont.)

Valores de corrente Expansão harmónica de uma corrente periódica O teorema de Fourier indica que qualquer função periódica com uma frequência f pode ser representada como a soma dos termos (séries) composta por: • um termo sinusoidal com frequência f, denominado a frequência fundamental, • termos sinusoidais com frequências que são todas múltiplos da frequência fundamental, ou seja as harmónicas, • um componente CC, se aplicável. A aplicação do teorema de Fourier às correntes das cargas não lineares indica que uma corrente periódica I(t), de qualquer forma à frequência f (50 ou 60 Hz), é a soma das correntes sinusoidais harmónicas definidas por:

I t IH t IHn n t n

n

( ) sin( ) sin( )= + + +=

∞

∑12

2 1 2ω ϕ ω ϕ

em que • IH1 corresponde ao valor rms da corrente da fundamental à frequência f (50 ou 60 Hz), • ω = 2 π f corresponde à frequência angular da fundamental, • ϕ1 corresponde à deslocação de fase entre a corrente e a tensão da fundamental, • IHn corresponde ao valor rms da nª harmónica, à frequência nf, • ϕn corresponde à deslocação de fase entre a corrente da nª harmónica e a tensão. É importante avaliar a harmónica (n ≥ 2) em relação à fundamental (n = 1) para determinar até que grau a função difere da fundamental. Para isso, os valores abaixo são tidos em consideração. Conteúdo da harmónica individual da corrente Este valor expressa o rácio em percentagem entre o valor rms da harmónica em questão e o da fundamental.

1

nn

IHIH100%Ih =

Todas as harmónicas presentes numa determinada corrente com a indicação da respectiva importância relativa (valores Ihn) constituem o espectro harmónico da corrente. Em termos gerais, a influência das ordens acima da 25ª é insignificante. Distorção harmónica total da corrente Esta distorção é denominada THDI (Distorção harmónica total em que I corresponde à corrente). A mesma expressa o rácio entre o valor rms de todas as harmónicas (n ≥ 2) e o valor da fundamental. A THDI também é expressa em termos de harmónicas individuais.

( )THDI

IH

IHIHIH

Ihn

n n

nn

n

% %= =⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ ==

∞

=

∞

=

∞∑∑ ∑100 100

2

2

1 1

2

2

2

2

Nota. Os conteúdos da harmónica são por vezes expressos em relação ao sinal completo Irms e não em relação à fundamental (documentos IEC). Aqui, utilizamos a definição da CIGREE, que utiliza a fundamental. Para os conteúdos da harmónica baixos analisados nas páginas seguintes, as duas definições produzem resultados praticamente idênticos. Valor rms de uma corrente com harmónicas O valor rms de uma corrente alternada com um período T é:

( )I

TI t dtrms

T= ∫1 2

0

Após o cálculo e utilizando a representação harmónica, isto pode ser expresso como:

I IHrms n

n

==

∞

∑ 2

1

em que IHn = valor rms da nª harmónica.

Valores harmónicos característicos


Harmónicas (Cont.)

O valor rms é também expresso como:

I IH IHrmsn

= +=

∞

∑12 2

2n ou:

∑∞

=⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+=

2n

2n

1eff1IH

IH1IHI por isso:

I IH Ih IH THDIrms n

n

= + = +=

∞

∑12

21

21 1

• Ihn = Ihn% / 100 (nível individual expresso como um valor e não como uma percentagem). • THDI = THDI% / 100 (distorção expressa como um valor e não como uma percentagem). O valor rms da corrente é o valor da fundamental, multiplicado por um coeficiente o qual se deve às harmónicas e é uma função da distorção.

Um dos efeitos das harmónicas é, por isso, o aumento do valor rms da corrente, o que pode levar a um aumento da temperatura e por conseguinte ao redimensionamento dos condutores. Quanto mais baixa for a distorção, menor será a necessidade de redimensionamento. Exemplo Corrente de entrada de um rectificador trifásico.

Níveis de distorção harmónica

Ih5 = 33% Ih7 = 2.7% Ih11 = 7.3% Ih13 = 1.6% Ih17 = 2.6% Ih19 = 1.1% Ih23 = 1.5% Ih25 = 1.3%

THDI = 35%

Fig 5.35. Exemplo do espectro de uma corrente harmónica.

( )THDI Ihnn

% %==

∞

∑ 2

2

O valor abaixo da raiz quadrada é: 332

+ 2.72 + 7.32 + 1.62 +2.62 + 1.12 + 1.52 +1.32 = 1164 consequentemente THDI% ≈ 34% e THDI = 0.34.

I IH THDIeff = +121 = IH1

21 0 34+ . = 1.056 x I1 O valor rms desta corrente é portanto 5,6% superior ao valor valor rms da fundamental, ou seja, à corrente nominal que não contém harmónicas, com um aumento de temperatura correspondente. Valores de tensão Nos terminais de uma carga não linear, através dos quais flui uma corrente CA distorcida, a tensão é também periódica com uma frequência f e que também é distorcida no que diz respeito à onda sinusoidal teórica. A relação entre a tensão e a corrente deixa de ser regulada pela lei linear do Ohm, porque se aplica apenas à corrente e tensão sinusoidal. Contudo, é possível utilizar uma expansão de Fourier para a tensão e definir, à semelhança da corrente com os mesmos resultados, os seguintes valores: Conteúdo da harmónica individual da tensão

1

nn

UHUH100%Uh =

O espectro harmónico pode também ser calculado em termos de tensão.


Harmónicas (Cont.)

Distorção harmónica total da tensão

( )THDU

UH

UHUHUH

Uhn

n n

nn

n

% = =⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ ==

∞

=

∞

=

∞∑∑ ∑100 100

2

2

1 1

2

2

2

2

THDU significa Distorção Harmónica Total, em que U se refere à tensão. Valor rms de uma tensão com harmónicas

I IHrms n

n

==

∞

∑ 2

1

Em que, à semelhança da corrente, pode também ser expressa como:

21

2nrms THDUIHUh1UHU +=+= ∑

∞

=

112n

O valor rms da tensão é o valor da fundamental, multiplicado por coeficiente o

qual se deve às harmónicas. Valores de potência Factor de potência na presença de harmónicas Com base na potência activa nos terminais de uma carga não linear P (kW) e a aparente potência fornecida S (kVA), o factor de potência é definido por:

)kVA(S)kW(P=λ

Este factor de potência não expressa a deslocação de fase entre a tensão e a corrente, uma vez que não são sinusoidais. Contudo, é possível definir a deslocação entre a tensão da fundamental e a corrente da fundamental (ambas sinusoidais), por:

)kVA(S)KW(Pcos

1

11 =ϕ

em que P1 e S1 são a potência activa e reactiva, respectivamente, correspondendo às fundamentais. A norma IEC 146-1 define o factor de distorção:

1cos ϕλ=ν

Quando não existem harmónicas, este factor é igual a 1 e o factor de potência é simplesmente o cos ϕ. Potência na presença de harmónicas • Nos terminais de uma carga linear trifásica equilibrada, alimentada por uma tensão fase a fase u(t) e uma corrente I(t), onde a deslocação entre u e i é ϕ, a potência aparente em kVA, dependendo dos valores rms U e I, é:

3UIS = A potência activa em kW é: P = S cos ϕ A potência reactiva em kvar é: Q = S sin ϕ Em que:

22 QPS += • Nos terminais de uma carga não linear, a definição matemática de P é muito mais complexa porque U e I contêm harmónicas. Contudo, pode ser expressa simplesmente como: .P = S λ. (λ = factor de potência) Se U1 e I1 forem as fundamentais deslocadas por ϕ1, é possível calcular a potência aparente, activa e reactiva correspondente por: S U I1 31 1= P1 = S1 cos ϕ1 e Q1 = S1 sin ϕ1. A potência aparente total é:

S P Q D= + +1 12 2 2 em que D corresponde à potência de distorção, devido às harmónicas.


Cargas não lineares e tecnologia PWM

Importância da impedância de saída da UPS Diagrama equivalente da saída de um inversor Em relação à carga, um inversor é a fonte perfeita de tensão sinusoidal V0 em série com uma impedância de saída Zs. A figura 5.36 apresenta o diagrama equivalente da saída do inversor quando está presente uma carga.

A saída do inversor é uma fonte de tensão perfeita V0 em série com uma impedância de

saída Zs.

Vc = impedância nos terminais da carga. Vs = impedância na saída do inversor. ZL = impedância da linha. Zc = impedância da carga.

Fig. 5.36. Diagrama equivalente da saída de um inversor. Efeitos dos diferentes tipos de carga • Para uma carga linear, as impedâncias Zs, ZL, Zc são consideradas à frequência angular ω = 2 π f correspondendo à frequência de distribuição (f = 50 ou 60 Hz), o que dá V0 = (Zs + ZL + Zc) I • Para uma carga não linear, as correntes harmónicas absorvidas pela carga fluem pelas impedâncias. Para a fundamental e cada harmónica individual, os valores rms da corrente a tensão estão relacionados de forma semelhante e podem ser expressos como: - para a fundamental: U1 = (Zs + ZL + Zc) I1 - para cada ordem harmónica k: UK = [Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] IK Os valores da impedância são considerados à frequência kf da ordem em questão. A distorção da tensão diminui com os níveis individuais das harmónicas da tensão UK / U1. Estes níveis estão relacionados com os das correntes harmónicas IK/ I1 pela equação: [Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] / (Zs + ZL + Zc).

Consequentemente, para um determinado espectro de corrente da carga, os níveis harmónicos da tensão individual e a distorção total (THDU) diminuem com a impedância da fonte e dos cabos nas frequências indicadas. Consequências das cargas não lineares Para reduzir os efeitos das correntes harmónicas (THDU a B e C), é necessário, o mais possível: • reduzir a impedância da linha, • Assegurar uma impedância baixa da fonte nas diversas frequências harmónicas.

O comportamento correcto por parte de uma UPS em termos de fornecimento de cargas não lineares requer uma impedância de saída baixa nas várias frequências harmónicas. Abaixo encontra uma apresentação das vantagens da tecnologia de corte PWM (modulação de largura de impulsos) a este respeito.

Desempenho da carga não linear das UPSs utilizando tecnologia PWM



(cont.)

Princípio de funcionamento da UPS Corte da tensão CC pelo inversor com filtragem Um inversor é constituído por um conversor que transforma a energia CC fornecida pelo rectificador/carregador ou pela bateria em energia CA. Por exemplo, numa UPS monofásica, existem duas maneiras de converter a energia CC, utilizando uma meia ponte (ver fig. 5.37) ou uma ponte completa (ver fig. 5.38). A tensão de onda quadrada obtida entre A e B é então filtrada para produzir uma tensão sinusoidal com um nível baixo de distorção à saída.

Os comutadores representados aqui ilustram para ilustrar o princípio são IGBTs controlados.

Fig. 5.37. Conversor CC/CA de meia ponte. Fig. 5.38. Conversor CC/CA de ponte inteira. Na prática, os comutadores apresentados nas figuras 5.37 e 5.38 são IGBTs para os quais é possível controlar os tempos de ligação e encerramento relativos. Ao controlar os tempos de ligação e encerramento, é possível “distribuir” a tensão pela onda sinusoidal de referência. Este princípio é conhecido por PWM (modulação de largura de impulsos). É apresentado de uma maneira simplificada, com cinco impulsos de onda quadrada, na figura 5.39. A área da onda sinusoidal de tensão é igual à dos impulsos de onda quadrada utilizada para a gerar. Estas áreas representam a energia fornecida pelo inversor à carga durante um determinado

tempo, ou seja, VIdtT

0∫

Quanto maior for a frequência de corte (quanto maior for o número de impulsos de onda quadrada), melhor será a regulação relacionada com a onda de referência. O corte também reduz o tamanho do filtro interno necessário para a saída LC (ver fig. 5.40).

Fig. 5.39. Tensão de saída do conversor CC/CA com cinco impulsos de onda quadrada por meia onda.

Fig. 5.40. Filtro de saída do inversor.



(cont.)

Inversores PWM Corte PWM A técnica de corte PWM (modulação de largura de impulsos) combina corte de alta frequência (alguns kHz) da tensão CC pelo inversor e regulação da largura de impulso para a saída do inversor, de acordo com uma onda sinusoidal de referência. Esta técnica utiliza IGBTs (transístores bipolares de porta isolada) oferecendo vantagens em termos de controlo de tensão e tempos de comutação muito curtos. Devido à alta frequência, o sistema de regulação pode reagir rapidamente (por ex. 333 nanosegundos para uma frequência de 3 kHz) para modificar as larguras de impulsos num determinado período.

A comparação com a onda de tensão de referência torna possível manter a tensão de saída do inversor dentro de tolerâncias de distorção rigorosas, mesmo no caso de correntes altamente distorcidas. Diagrama funcional de um inversor PWM A figura 5.41 apresenta o diagrama funcional de um inversor PWM. A tensão de saída é comparada continuamente à tensão de referência Vref que é uma onda sinusoidal com um nível de distorção muito baixo (< 1%). A diferença na tensão ε é processada por um corrector, de acordo com a função de transferência C(p), que se destina a assegurar o desempenho e a estabilidade do controlo. A tensão do corrector é então amplificada pelo conversor CC/CA e o respectivo sistema de controlo com um ganho A. A tensão Vm fornecida pelo conversor é filtrada pelo filtro LC para fornecer a tensão de saída Vs. Na prática, é necessário ter em conta a impedância do transformador de saída, caso exista, para obter a indutância L total. A indutância é, frequentemente, integrada no transformador, razão pela qual a mesma não é incluída nos diagramas.

Fig. 5.41. Diagrama funcional de um inversor PWM. Impedância de saída de um inversor PWM É possível representar o conversor CC/CA e o filtro acima como uma impedância em série Z1 e uma impedância em paralelo Z2 (ver lado esquerdo da fig. 5.42). O diagrama pode ser modificado para apresentar a impedância de saída Zs. O diagrama equivalente (lado direito do fig. 42) apresenta:

• V'm = tensão medida sob condições sem carga, ou seja, V'm = Vm ZZ Z

2

1 2+

• Zs = impedância medida à saída com V'm em curto-circuito, ou seja:

Zs = Z Z

Z Z1 2

1 2+

Fig. 5.42. Diagrama equivalente a um inversor como se fosse visto a partir da saída.



(cont.)

O rácio Z

Z Z2

1 2+ é a função de transferência do filtro, observado H(p).

Para simplificar, C(p) x A é substituído por μ(p) que representa a função de transferência da correcção e da amplificação. É assim possível substituir a fig. 5.41 pelo diagrama funcional na fig. 5.43.

Fig. 5.43. O diagrama funcional transformado de um inversor de corte PWM equipado com um sistema de regulação da tensão de saída com frequência de corte modulada. É possível mostrar que a impedância de saída do inversor Zs, neste caso, é igual a:

Z' s ≈Z1

μ (p) (para mais informações, consulte o documento Cahier Technique n.º 159 da Schneider Electric). Isto significa que na banda de passagem da regulação, a impedância de saída do inversor é igual à impedância em série do filtro, dividida pelo ganho de correcção e amplificação. Dado o ganho elevado na banda de passagem da regulação, a impedância de saída é significativamente reduzida em comparação com a impedância Z1 de um inversor sem este tipo de regulação. Fora da banda de passagem da regulação, a impedância de saída do inversor é igual à do filtro, mas permanece baixa porque corresponde à impedância de um condensador de alta-frequência. Consequentemente, a impedância de saída é uma função da frequência (ver a fig. 5.44).

A técnica PWM (modulação de largura de impulsos) de frequência livre limita consideravelmente a impedância de saída.

Impedância de saída das várias fontes As curvas na figura 5.44 mostram as impedâncias de saída para várias fontes com potências de saída iguais como uma função da frequência CA. As impedâncias são desenhadas como uma percentagem da impedância de carga Zc. • Transformadores e geradores - a curva é uma linha recta que corresponde ao efeito da indutância L (o termo que se torna rapidamente dominante na reactância no que respeita a resistência e que aumenta linearmente como uma função da frequência). • Inversores modernos que implementam a técnica de corte PWM com frequência de corte modulada – a todas as frequências harmónicas, o rácio Zs/Zc é: - inferior à observada para outras fontes, - baixo e praticamente constante. Conclusão O inversor PWM é a fonte que oferece de longe a impedância de saída mais baixa na presença de harmónicas. É claramente a melhor fonte no mercado em termos da respectiva amplitude para minimizar a distorção da tensão provocada pelas cargas não lineares. É cinco a seis vezes melhor que um transformador com uma potência idêntica.

A nova geração de UPSs com implementação de IGBTs e a técnica de corte PWM com modulação de frequência são as melhores fontes de tensão sinusoidal, independentemente do tipo de corrente absorvida pela carga.



(cont.)

Fig. 5.44. Impedância de saída de diferentes fontes que dependem da frequência.

Corte de frequência livre A frequência livre é uma melhoria da técnica PWM. O corte PWM pode utilizar uma de duas técnicas (fig. 5.45). Corte com frequência fixa As frentes do corte ocorrem a intervalos regulares e fixos que correspondem à frequência de corte durante um período. A largura dos impulsos (impulsos de onda quadrada) pode ser modulada de acordo com a referência dentro do intervalo de tempo fixo. As duas ondas senoidais mostradas no diagrama correspondem à tolerância (< 1%) em torno da onda senoidal de referência. Corte de frequência livre As frentes de corte não ocorrem necessariamente a intervalos fixos. O corte adapta-se aos requisitos da regulação, ou seja, a taxa de alteração da referência. A largura das frentes de comutação diminui (a frequência de corte aumenta) à medida que a taxa de alteração do onda senoidal de referência aumenta. Por outro lado, a largura das frentes de comutação aumenta (a frequência de corte diminui) à medida que a taxa de alteração da referência diminui. No conjunto, a frequência de corte média é a mesma que a da técnica de frequência fixa (aproximadamente 3 kHz). Mas a regulação é melhor porque a comutação acelera nas zonas onda a taxa de alteração é alta (ver fig. 5.46). Pode atingir oito comutações por milissegundo, ou seja, um tempo de regulação tão baixo como 125 nanosegundos (em comparação com 300 ns da técnica de frequência fixa).

A técnica de frequência livre aumenta a precisão da regulação da tensão em inversores PWM em comparação com a técnica de frequência fixa.

Corte de frequência livre



(cont.)

A frequência de corte é fixa. A modulação ocorre a intervalos fixos, independentemente da taxa de alteração da onda senoidal de referência.

A frequência de corte livre aumenta nos casos em que a taxa de alteração da referência é alta. Assim, a modulação ocorre a intervalos mais curtos quando a taxa de alteração da onda senoidal de referência aumenta.

Frequência fixa. Frequência livre.

Fig. 5.45. Corte PWM com regulação de frequência fixa e frequência livre.

Free-frequencyswitching

Qualityband withvariations< 1%

Output voltagecurve

Up to 8 commutationsper millisecond

Fig. 5.46. Regulação utilizando comutação de frequência livre.


Rectificadores PFC

Rectificadores padrão e PFC As unidades UPS absorvem potência do sistema de distribuição de CA através de um rectificador/carregador. Em relação ao sistema a montante, o rectificador é uma carga não linear que absorve harmónicas. No que diz respeito às harmónicas, existem dois tipos de rectificadores. Rectificadores padrão Estes rectificadores são trifásicos e incluem SCRs e utilizam uma ponte hexafásica com corte padrão da corrente. Este tipo de ponte transporta correntes com ordens de n = 6 k ± 1 (em que k é um número inteiro), principalmente H5 e H7 e para um grau menor H11 e H13. O controlo das harmónicas é feito através da utilização de um filtro. Rectificador PFC (Correcção do factor de potência) “limpo” Este tipo de rectificador inclui IGBTs incorporados e um sistema de regulação que ajusta a corrente e a tensão de entrada para uma onda senoidal de referência. Esta técnica garante uma tensão de entrada e uma corrente que são: • perfeitamente sinusoidais, ou seja, livres de harmónicas, • em fase, ou seja, um factor de potência de entrada próximo de 1. Com este tipo de rectificador, não são necessários filtros. Rectificadores PFC Princípio de funcionamento O princípio adjacente aos rectificadores PFC consiste em forçar a corrente absorvida para se manter sinusoidal. Para isso, os mesmos utilizam a técnica PWM acima apresentada. O princípio é o de um conversor de "fonte de tensão" (ver fig. 5.47), ao passo que um regulador harmónico activo SineWave utiliza um conversor de "fonte de corrente". O conversor actua como uma força contra-electromotriz (um "gerador de tensão sinusoidal") no sistema de distribuição e a corrente sinusoidal é obtida inserindo um indutor entre a energia da rede de distribuição de energia eléctrica pública e a fonte de tensão. Mesmo que outras cargas não lineares aumentem a distorção da tensão no sistema de distribuição, a regulação pode adaptar-se para absorver uma corrente sinusoidal. A frequência de correntes harmónicas residuais baixas é a frequência da modulação e dos respectivos múltiplos. A frequência depende das possibilidades dos semicondutores utilizados.

Fig. 5.47. Princípio de funcionamento de um conversor "gerador de tensão" limpo. Implementação Rectificador monofásico A figura 5.48 mostra o funcionamento de um rectificador monofásico. A modulação da tensão é obtida por um controlador que força a corrente a seguir a referência da corrente sinusoidal. O transístor T e o díodo D constituem o modulador de tensão. A tensão u muda assim entre 0 e Vs, consoante o transístor T esteja ligado ou desligado. Quando o transístor T conduz, a corrente no indutor L pode apenas aumentar dado que a tensão é positiva e u = 0. Deste modo: didt

eL

= > 0


Rectificadores PFC (Cont.)

Quando o transístor T está desligado, a corrente em L diminui, desde que Vs seja superior a V, assim: didt

e VsL

=−

> 0

Para que esta condição seja satisfeita, a tensão Vs tem de ser superior à tensão de pico de V, ou seja, o valor rms da tensão CA multiplicado por 2 Se esta condição for satisfeita, a corrente em L pode ser aumentada ou reduzida em qualquer altura. A variação da corrente em L com o tempo pode ser forçada através da monitorização dos respectivos tempos de ligação e encerramento do transístor T. A figura 5.49 mostra a evolução da corrente IL em relação a um valor de referência.

Do ponto de vista da fonte, o conversor tem de actuar como uma resistência, ou seja, a corrente i tem se sinusoidal e em fase com e (cos ϕ = 1). Ao controlar o transístor T, o controlador força IL a seguir uma referência da corrente sinusoidal com rectificação da onda completa. A forma de I é assim necessariamente sinusoidal e em fase com e. Além disso, para manter a voltagem Vs no respectivo valor nominal à saída, o controlador ajusta o valor médio de IL.

Fig. 5.48. Diagrama rectificador monofásico limpo absorvendo um sinal sinusoidal.

Fig. 5.49. Evolução da corrente IL em relação à referência.


Rectificadores PFC (Cont.)

Rectificador/carregador trifásico A disposição do circuito básico é apresentada na fig. 5.50. É semelhante ao da fig. 5.48, com o indutor situado a montante dos rectificadores, o princípio de funcionamento é também o mesmo. O sistema de monitorização controla cada potência e força a corrente absorvida em cada fase a seguir a referência sinusoidal.

Fig. 5.50. Diagrama de um rectificador trifásico limpo absorvendo um sinal sinusoidal.

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4 Theoretical Reviews - apc.com · fornecem aos equipamentos eléctricos uma tensão sinusoidal de amplitude e frequência fixas (por exemplo, 400 volts rms, 50 Hz, em sistemas de