No Break (Ups)

Sistemas de Energia Ininterrupta:Sistemas de Energia Ininterrupta:

No-No-BreaksBreaks

ProfProf. . DrDr. Pedro Francisco Donoso Garcia. Pedro Francisco Donoso GarciaProfProf. . DrDr. . Porfrio Cabaleiro CortizoPorfrio Cabaleiro Cortizo

GEP-DELT-EEUFMGGEP-DELT-EEUFMG

www.cpdee.ufmg.br/~elt

Porque a necessidade dePorque a necessidade deequipamentos de energia adicionaisequipamentos de energia adicionaispara alimentar uma carga crtica?para alimentar uma carga crtica?

SEI - Sistema de Energia Ininterrupta ouSEI - Sistema de Energia Ininterrupta ou UPS - UPS - UninterruptibleUninterruptible Power Supply Power Supply ou ou No- No-BreakBreak

Estabilizador de tensoEstabilizador de tenso

Porque utilizar um sistema NO-Break e no umestabilizador de tenso?

AhhhAhhh!!!!Perdi todo o trabalho Perdi todo o trabalho do dia!!! do dia!!! AhhhAhhh!!!!

Principais caractersticas:Principais caractersticas:

EESSTTAABBIILLIIZZAADDOORR NNOO--BBRREEAAKKRReegguullaaoo PPoorr ttaappeess oouu

FFeerrrroo--rreessssoonnaanntteeCCoonnttiinnuuaa

TTeemmppoo ddeerreessppoossttaa

EElleevvaaddoo BBaaiixxoo

AAuuttoonnoommiiaa ZZeerroo DDee aallgguunnssmmiinnuuttooss aa hhoorraass

FFiillttrroo ddee lliinnhhaa IInncclluuddoo IInncclluuddooCCuussttoo BBaaiixxoo MMddiioo

Tipos de Sistemas de Energia Ininterrupta - SEI

SEI RotativoSEI RotativoConverso de energia mecnica em eltrica;Converso de energia mecnica em eltrica;

Apropriado para potncias de operao maior queApropriado para potncias de operao maior que

300kVA;300kVA;

Ruidosos; Ruidosos;

Ambientes especiaisAmbientes especiais

SEI EstticoSEI Esttico Utiliza conversores estticos. Utiliza conversores estticos. Converte energia eltrica com caractersticas Converte energia eltrica com caractersticaspredefinidas em uma outra;predefinidas em uma outra;

Apropriada para potncias menores que 400kVA Apropriada para potncias menores que 400kVA Melhor resposta dinmica, Melhor resposta dinmica, Baixssimo rudo acstico, Baixssimo rudo acstico,Melhor regulao de tenso e de freqncia na carga,Melhor regulao de tenso e de freqncia na carga, Instalaes simples,Instalaes simples, Interao com a rede eltrica.Interao com a rede eltrica.

Banco de Banco de BateriasBaterias

Cargas crticasCargas crticas(lineares e (lineares e

no lineares)no lineares)

ConversorConversorRetificadorRetificador/Inversor, /Inversor,

FiltrosFiltros

Diagrama de Bloco de um SEIDiagrama de Bloco de um SEI

Fonte de Fonte de AlimentaoAlimentao

Tipos de SEI:Tipos de SEI:

OffOff--line line ((standbystandby))

OnOn--line line (sistema de dupla converso)(sistema de dupla converso)

LineLine--interactive interactive (sistema de converso(sistema de conversohbrida simples)hbrida simples)

Topologia de SEI off-line (standby)Topologia de SEI Topologia de SEI offoff--line line ((standbystandby))

FiltrosFiltrosInversorInversorCarregadorCarregador

de de BateriasBaterias

Ca

rga

Ca

rga

Topologia de SEI off-line (standby)Topologia de SEI Topologia de SEI offoff--line line ((standbystandby))

VantagensVantagens:

! Elevado rendimento: inversor pode operar a vazio ou desligado;! Baixo custo e volume: carregador de baterias independente;! Sincronismo, tanto na falta como no retorno da rede eltrica.

Desvantagens:Desvantagens:

" Falta de condicionamento da tenso da carga: falta regulaoda tenso de alimentao, assim como a supresso de distrbios;

" Falta de condicionamento de corrente: poder haver injeo deharmnicos de corrente na rede eltrica para cargas no lineares;

" Existncia de tempo de transferncia;" Forma de onda de sada poder ser quadrada (short-break)

Topologia de SEI on-lineTopologia de SEI Topologia de SEI onon--lineline

FiltrosFiltrosInversorInversorCarregadorCarregador


Ca

rga

Ca

rga

Topologia de SEI on-lineTopologia de SEI Topologia de SEI onon--linelineVantagensVantagens::

! A carga est continuamente alimentada pelo inversor,portanto, no existe tempo de transferncia;

! A tenso de sada do SEI pode ser regulada e possuirbaixa TDH (5%);! Distrbios da rede eltrica comercial no atingem acarga;

Desvantagens:

" Baixo rendimento, em funo do retificador e doinversor, que necessitam ser dimensionados para apotncia nominal;

" Elevados custo e volume, em funo do tamanho doretificador;

" O retificador/carregador controlado por fase provocapoluio harmnica na rede eltrica, (Ih.)


" Baixo rendimento, em funo do retificador e doinversor, que necessitam ser dimensionados para apotncia nominal;

" Elevados custo e volume, em funo do tamanho doretificador;

" O retificador/carregador controlado por fase provocapoluio harmnica na rede eltrica, (Ih.)

Topologia de SEI on-line - Carregador separadoTopologia de SEI Topologia de SEI onon--line line - Carregador separado- Carregador separado

RetificadorRetificador

CarregadorCarregadorde de

BateriasBaterias

Ca

rga

Ca

rga

InversorInversor FiltrosFiltros

Topologia de SEI on-line - Carregador e conversorelevador de tensoTopologia de SEI Topologia de SEI onon--lineline - - Carregador e conversorCarregador e conversorelevador de tensoelevador de tenso

Conversor Conversor BOOSTBOOST

RetificadorRetificador

CarregadorCarregadorde de

BateriasBaterias

Ca

rga

Ca

rga

InversorInversor FiltrosFiltros

Topologia de SEI on-line - Carregador/retificadorcom conversor elevador de tensoTopologia de SEI Topologia de SEI onon--lineline - - Carregador/retificadorCarregador/retificadorcom conversor elevador de tensocom conversor elevador de tenso

Ca

rga

Ca

rga

Conversor Conversor BOOSTBOOST

FiltrosFiltros

Retificador/Retificador/CarregadorCarregador


InversorInversor

Topologia de SEI Tri-PortTopologia de SEI Topologia de SEI TriTri--PortPort

Ca

rga

Ca

rga

EstabilizadorEstabilizador

Estabilizador pode ser ou no ser do tipo ferro-ressonanteEstabilizador pode ser ou no ser do tipo ferro-ressonante

Topologia de SEI Line-interactiveTopologia de SEI Topologia de SEI LineLine--interactiveinteractive

Ca

rga

Ca

rga

Inversor/Inversor/RetificadorRetificador

Filtro


VantagensVantagens:

! Menor custo e maior eficincia: possui um estgio de potncia;! Possibilidade de se efetuar regulao da tenso de carga;! Atua na compensao dos harmnicos da corrente de carga,simultaneamente com a carga das baterias;

! Fator de potncia quase unitrio;! H pequeno tempo de transferncia nos modos: rede-inversore inversor-rede


Desvantagens:

" impossvel atuar simultaneamente na regulao da tenso decarga e na compensao dos harmnicos da corrente de entrada;

" Quando utilizada chave esttica by-pass, no possveltransferncia sem transientes, devido ao fato de que a tenso desada no est em fase com a tenso de entrada - pela presenade Indutor L


" impossvel atuar simultaneamente na regulao da tenso decarga e na compensao dos harmnicos da corrente de entrada;

" Quando utilizada chave esttica by-pass, no possveltransferncia sem transientes, devido ao fato de que a tenso desada no est em fase com a tenso de entrada - pela presenade Indutor L

SEI Line-interactive: outras topologias SEI Line-interactive com compensao paralela

SEISEI LineLine--interactiveinteractive: : outras outras topologiastopologias SEI SEI LineLine--interactive interactive com compensao paralelacom compensao paralela

CargasCargasCrticasCrticas

AA

BB

CC

DD

LfLf

CfCf

LL

LLCC

SEI Line-interactive: outras topologias SEI Line-interactive com compensao srie-paralela

SEISEI LineLine--interactiveinteractive: : outras outras topologiastopologias SEI SEI LineLine--interactive interactive com compensao srie-paralelacom compensao srie-paralela

CargasCargasCrticasCrticas

AA

BB

CC

DD

AA CC

DDBB



Vantagens:Vantagens:

Possibilidade de atuar simultaneamente, por controleindependente, na compensao da tenso de entrada e nacorrente da carga; Fator de potncia unitrio; Eliminao de harmnicos da tenso de entrada; Eliminao de harmnicos e/ou compensao de reativos dacorrente de carga; Tenso de sada balanceada e regulada com TDH (5%); Corrente de entrada balanceada com TDH (5%); Custo compatvel com o sistema on-line; Tempo mximo entre falhas (MTBF - Maximum TimeBetween Fails) e eficincia superiores ao do sistema on-line.



DesvantagensDesvantagens::

$ Controle mais complexo;$ Necessidade de um maior nmero de monitoramento devariveis de tenso e corrente, o que justifica sua aplicao

para potncias superiores a 20 KVA.

Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento

Ca

rga

Ca

rga

A) No isoladosA) No isolados


A) Isolamento A) Isolamento por por transformador para baixa freqnciatransformador para baixa freqncia

Ca

rga

Ca

rga

Isolamento na entrada


a) Isolamento a) Isolamento por por transformador para baixa freqnciatransformador para baixa freqncia

Ca

rga

Ca

rga

Isolamento na sada


b) Isolamento b) Isolamento por por transformador para alta freqnciatransformador para alta freqncia

Ca

rga

Ca

rgaConversor CC/CC de alta

freqncia isolado


c) Isolamento c) Isolamento por por transformador para alta freqnciatransformador para alta freqncia

Ca

rga

Ca

rga

Cicloconversor de alta freqncia

fsfs > 20 kHz > 20 kHz fsfs > 20 kHz > 20 kHz


d) Carregador de baterias atravs de conversor em HFd) Carregador de baterias atravs de conversor em HF

Ca

rga

Ca

rgaTransformador de alta

freqncia isolado

Fonte de tensocontnua

Conversores para o carregamento de bateriasConversores para o carregamento de baterias

O que um conversor CC/CC?O que um conversor CC/CC?

(carga no-linearou sistemaeletrnico)

ConversorCC/CC

+

Conversores nos sistemas dealimentao

Conversores CA/CC Com alto contedo de harmnicos de baixa freqncia. Com baixo contedo de harmnicos de baixa freqncia.

Conversores CA/CC Conversores lineares; Conversores comutados.

Conversores CC/CA

Conversores CC/CC baseados emreguladores lineares: Idia bsica

RealimentaoRealimentao

Conversor CC/CC baseados em reguladoreslineares: Realizao fsica

RealimentaoRealimentao

Conversores CC/CC baseados emreguladores lineares: Clculo do rendimento

Vg

IR Ig

= (VOIR) / (VgIg) VO / Vg

VO

+

VT+ -

-

Ig IR

$$ O rendimento depende da tenso de entrada.O rendimento depende da tenso de entrada.$$ O conversor s pode reduzir a tenso de entrada. O conversor s pode reduzir a tenso de entrada.

Sistemas baseados em reguladores linearesSistemas baseados em reguladores lineares

Carga2+15V

Carga3-15V

Carga1+5V

Transformador debaixa freqncia Retificadores Reguladores Lineares

Sistema de alimentao baseado emreguladores lineares

Poucos componentes Robustos Sem gerao de EMI

$ Pesados e volumosos$ Baixo rendimento

Conversor CC/CC comutados: Conversor CC/CC comutados: Idia bsicaIdia bsica

VgCarga

PWM VO

+

-

VOVg

t

Regulador comutado

Regulador linear

Carga

Conversor CC/CC comutados:Filtrando a tenso sobre a carga

VOVg

t

VgPWM VO

+

- VO

VFVg

t

VO

Vg

+

-VF

+

-

Filtro Passa-Baixa

NO possvelNO possvel

Conversor CC/CC comutados:Pode-se usar apenas um filtro C?

Vg

t

VO

Vg

+

-VF+-

Filtro Passa-Baixa

VF

VOVF

Vg

t

VO

VO

-

Vg

+

CC

Conversores CC/CC comutados:Pode-se usar um filtro LC como apresentado?

Vg

t

VO

Vg

+

-VF+-

Filtro Passa-Baixa

VF

VOVFVg VO

-

+

CC

porque interrompe bruscamente a corrente no indutorporque interrompe bruscamente a corrente no indutor

NO, impossvelNO, impossvel

Conversores CC/CC comutados:Filtro LC com Diodo de roda-livre

Vg

t

VOVF

-Vg

+

-VF+ Filtro

Passa-Baixa VOVOVg

-

+

Anlise do conversor abaixador (Buck)Hipteses da anlises:

A tenso de sada no varia num ciclo decomutao.

A corrente no indutor nunca se anula (modocontnuo de conduo).

TdT

t

t

t

t

iS

iD

iL

comando

Durante dT

Durante (1-d)T

VOVg

-

+iL

is

-

+

iDVO

iL

VOVg

-

+

iL

iD

possvel encontrar um conversor que elevea tenso de sada?

A partir do conversor abaixador:

VO

Controladopor comando

controladocontroladopela polaridadepela polaridade

Vg

VgR VO

Conversor abaixadorConversor abaixador

VgVO

d1-d

Fluxo de potncia

Vg

VO % VgVg % VO

Fluxo de potncia

d % 1-d

1-d % d

VgdEste interruptor deve sercontrolado pelo comando. Docontrrio, haveria um curtocircuito permanente.

VO

d

1-d

Fluxo de potncia

Abaixador

Outro conversor

Invertemosas tenses V


VO VOVg

Fluxo de potncia

1-d

d

Fluxo de potncia

Vgd

1-d

Mudando a forma deMudando a forma dedesenho do circuitodesenho do circuito

Vg VO

Conversor ELEVADOR de tenso (Boost)


Alguns carregadores de baterias

InversorInversor

InversorInversor

VB>VCC

VCC

InversorInversor

VB

CC/CC

VBAT

VBAT>VB

Alguns carregadores de bateriasAlguns carregadores de baterias

Inversores clssicos com transistores(alimentados por uma fonte de tenso)

VOVg

S2S1Push-pull VO

VgS2

S1

Meia ponte

S2

S1

Vg

S3

S4

VO

Ponte completa

Obteno de conversores CC/CC apartir dos inversores clssicos (Ex.)

Inversorpush-pull Conv. CC/CC push-pull

RetRet. com . com transftransf..com com taptap central central

RecRec. com dois indutores. com dois indutores

Conv. CC/CC push-pull

RecRec. em ponte. em ponte

Conv. CC/CC push-pull

O conversor push-pull ou simtrico

S2 S1

n1 : n2

n1

n1n2

n2

Vg

VO

L

Circuito equivalentequando conduz S2:

VO

Circuito equivalentequando conduz S1:

VVggnn22/n/n11VVOO

O que acontece quando noO que acontece quando noconduzem nenhum dos doisconduzem nenhum dos dois

transistores?transistores?

LLCC

CC

Vgn2/n1LLL

CC

O conversor push-pull ou simtrico

L

VO

iL

D1

D2

iL1

iL2

Circuito equivalente quandono conduzem nem S1 nem S2:

Conduzem D1 e D2

A tenso notransformador zero

As correntes iL1 e iL1devem ser tais que:

iL1 + iL2 = iLiL1 - iL2 = iLm (sec. trans.)

VOL

Tenses no conversorTenses no conversor pushpush--pullpull

A tenso vD a mesma que no conv.direto, com um ciclo de trabalho 2d

VO = 2dVgn2/n1 (em modo contnuo)

vsmax = 2Vg vD1max = vD2max = 2Vgn2/n1

S2

n1

n1

n2

n2

Vg

VO

LvD

+

-S1

+

-vD1

+

-vD2

vS1+

-

+

-vS2

D1

D2

dmax = 0.5 t

vS2

t

t

TdT

t

tComando

t

vS1

vD1

vD2

vD

2Vg

2Vg

Vgn2/n1

2Vgn2/n1

2Vgn2/n1

S1 S2

Correntes no conversorCorrentes no conversorpushpush--pullpull

S2 S1

n1 : n2

n1

n1n2

n2

Vg

VO

L

iS1

iL

D1

D2

iD1

iD2

iS2

iO

Correntes mdias:Correntes mdias:

iS1 = iS2 = iOd(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2

dmax = 0.5 t

t

t

iL

Comando

iS2

t

iD1

iS1

t

TdT

t

iD2

S1 S2

O conversor em O conversor em meia pontemeia ponte((half bridgehalf bridge))

A tenso A tenso vvDD a metade da tenso a metade da tensodo do pushpush--pullpull%%%% VO = dVgn2/n1 (modo contnuo)

vsmax = Vg vD1max = vD2max =Vgn2/n1

VOS2

n1

n2n2Vg

L

vD+

-

S1

+

-vD1

+

-vD2

vS1+

-

+

-vS2

D1

D2

Vg/2

Vg/2dmax = 0.5

t

vS2

t

t

TdT

t

tComando

t

vS1

vD1

vD2

vD

Vg

Vg

Vg0.5n2/n1

Vgn2/n1

Vgn2/n1

S1 S2

Correntes no conversor emmeia ponte ((half bridgehalf bridge))

Correntes mdias:


iD1 iL

S2

n1

n2n2Vg

L

iO

S1

iD2

iS1

iS2D1

D2

VO

Vg/2

Vg/2dmax = 0.5 t

t

t

iL

Comando

iS2

t

iD1

iS1

t

TdT

t

iD2

S1 S2

O conversor em O conversor em pontepontecompletacompleta ( (full bridgefull bridge))

A tenso vD a mesma do push-pull

%%%% VO = 2dVgn2/n1 (modo contnuo)

vsmax = Vg vD1max = vD2max = 2Vgn2/n1

VOS3

n1

n2n2Vg

L

vD+

-

S4

+

-vD1

+

-vD2

vS4

+

-

+

-

vS3D1

D2

S1

S2 dmax = 0.5

vS2, vS3

t

Comando

t

vS1, vS4 Vg

Vg

t

t

t

TdT

t

vD1

vD2

vD Vgn2/n1

2Vgn2/n1

2Vgn2/n1

S1, S4 S2, S3

O conversor em O conversor em pontepontecompletacompleta ( (full bridgefull bridge))

Correntes mdias:


iD1 iL iO

iD2

iS4

VO

S3

n1

n2n2Vg

L

S4

D1

D2

S1

S2

iS3

dmax = 0.5 t

t

t

iL

Comando

iS2, iS3

t

iD1

iS1, iS4

t

TdT

t

iD2

S2, S3S1, S4

Vg

Vg

PO

POVg

vS

iS

+

-

+

-

+

-

vS

vS

iS

iS

PO

vSmax = 2Vg iS = PO/(2Vg)Maiores solicitaes de tenso

%%%% apto para baixa tenso de entrada

vSmax = Vg iS = PO/VgMaiores solicitaes de corrente

%%%% apto para altas tenses de entrada

vSmax = Vg iS = PO/(2Vg)Menores solicitaes eltricas

%%%% apto para alta potncia

Comparao entre push-pull e pontes

Como feito o controle de um Como feito o controle de um

Sistema de Energia Ininterrupta?Sistema de Energia Ininterrupta?

Controle com apenas malha deControle com apenas malha derealimentao da tenso de sadarealimentao da tenso de sada

Vref

VoVo

PID ++--

PWMPWM

Ca

rga

Ca

rga

Ca

rga

Ca

rga++

--

PWMPWMIoIo

PIDVref

PIDIref

VoVo

Controle com duas malhas de realimentao:

1. Malha externa para controle da tenso de sada

2. Malha interna para controle da corrente

Uma forma de controle por microprocessadorDSP

C

a

r

g

a

Inversor

FiltroLC

Interface

Medio

Vo

IoDSP

PWM

Como projetar malhas de controladores para um SEI?

deeptibilidaaudiossuscE

Vo

Io

Vo

Vref

Vo

cteIoctema

cteEctema

cteIoctema

=

=

=

=

=

=

..

..

..

sada de Impedncia

fechada malha em ncia transferde funo

ATENO: a tenso de referncia senoidal

1. Aumentar a banda passante do inversor para reduzir o erro de regimepermanente2. Diminuir a impedncia de sada para reduzir a TDH causada por cargas no-lineares3. Minimizar a audiosusceptibilidade do conversor para reduzir a influncia datenso de ripple na alimentao sobre a tenso de sada.

Documents

No Break (Ups)