SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1 Sistemas de Energia Ininterrupta: UPS - No-Breaks Prof. Dr. Pedro

SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924

Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1

Sistemas de Energia Ininterrupta: Sistemas de Energia Ininterrupta:

UPS - No-BreaksUPS - No-Breaks

Prof. Dr. Pedro Francisco Donoso Garcia Prof. Dr. Pedro Francisco Donoso Garcia Prof. Dr. Porfírio Cabaleiro CortizoProf. Dr. Porfírio Cabaleiro Cortizo

www.cpdee.ufmg.br/~porfirioParte desta apresentação foi adaptado de material elaborado por Jose A. Villarejo: http://www.ieee-pels-spanish-chapter.org



Porque a necessidade de equipamentos de Porque a necessidade de equipamentos de energia adicionais para alimentar uma energia adicionais para alimentar uma carga crítica?carga crítica?

Estabilizador de tensãoEstabilizador de tensão

ouou

UPS - UPS - Uninterruptible Power SupplyUninterruptible Power Supply ou No- ou No-BreakBreak



Principais características:Principais características:



Sistemas de Energia Ininterrupta – UPS

UPS RotativaUPS Rotativa

Conversão de energia mecânica em elétrica; Conversão de energia mecânica em elétrica;

Autonomia de funcionamento da ordem de Autonomia de funcionamento da ordem de

horas;horas;

Nível de ruído elevado, necessitando de Nível de ruído elevado, necessitando de

ambientes especiais.ambientes especiais.



UPS EstáticaUPS Estática

Utiliza conversores eletrônicos; Utiliza conversores eletrônicos;

Melhor resposta dinâmica;Melhor resposta dinâmica;

Baixo ruído acústico;Baixo ruído acústico;

Melhor regulação de tensão Melhor regulação de tensão

Melhor regulação da freqüência na carga;Melhor regulação da freqüência na carga;

Instalações simples;Instalações simples;

Custo mais elevado.Custo mais elevado.

Sistemas de Energia Ininterrupta – UPS



Carga típica de UPS: fonte chaveada de equipamentos eletrônicos

Tensão de alimentação: 110Vca ou 220Vca Desvio máximo permissível da tensão de alimentação:

110Vac de: 93Vac a 140Vac220Vac de: 187Vac a 253Vac

Corrente de partida ( Inrush Current): 120A pico máximo Na falta da tensão de alimentação, a fonte mantém a

regulação das saídas por pelo menos 17ms, com carga nominal. Este tempo é denominado “Time Hold up”.

Fator de potência entre 0,5 e 0,7. Fator de crista entre 2,5 e 3.



Banco de Banco de BateriasBaterias

Cargas críticasCargas críticas(lineares e (lineares e

não lineares)não lineares)

ConversorConversorRetificadorRetificador/Inversor, /Inversor,

FiltrosFiltros

Diagrama de Blocos de uma UPSDiagrama de Blocos de uma UPS

Fonte de Fonte de AlimentaçãoAlimentação



Off-line (standby)Off-line (standby)

On-line (sistema de dupla conversão)On-line (sistema de dupla conversão)

Line-interactiveLine-interactive

Classificação das UPS



Topologia de UPS Topologia de UPS off-line (standby)off-line (standby)

TrafoTrafoInversorInversor

++FiltroFiltro

CarregadorCarregadorde de

BateriasBaterias

Ca

rga

Ca

rga



Topologia de UPS Topologia de UPS off-line (standby)off-line (standby)

VantagensVantagens:

Elevado rendimento: inversor pode operar a vazio ou desligado;

Baixo custo e volume: carregador de baterias independente;

Desvantagens:Desvantagens:

Pobre regulação da tensão na carga;

Falta de condicionamento da corrente de entrada: injeção de harmônicos na rede elétrica, quando as cargas são não lineares;

Tempo de transferência, entre os modos rede-inversor e inversor-rede, provocando tensão na carga nula nestes instantes;

A forma de onda da tensão de saída geralmente é quadrada.



Topologia de UPS on-line

TrafoTrafo

Ca

rga

Ca

rga


BateriasBaterias

InversorInversor++

FiltroFiltro



Topologia de UPS de UPS on-line on-line Vantagens:Vantagens:

A carga é continuamente alimentada pelo inversor, portanto, não existe tempo de transferência;

A tensão de saída da UPS é regulada e possui baixa Taxa de Distorção Harmônica (TDH 5%);

Distúrbios da rede elétrica comercial não atingem a carga;

A utilização de uma chave estática, aumenta a confiabilidade do UPS.

Desvantagens:Desvantagens: Baixo rendimento ( rendimento do inversor * rendimento do retificador), em função dos conversores estarem em cascata;

Elevado custo e volume, em função do retificador que é dimensionado para alimentar o inversor mais a carga das baterias.



Topologia de UPS Topologia de UPS Line-interactive Line-interactive

Filtro

Ca

rga

Ca

rga

Inversor/Inversor/retificadorretificador



Topologia de UPS Topologia de UPS Line-interactiveLine-interactive

VantagensVantagens:

Baixo custo e maior rendimento;

Possibilidade de se regular a tensão de saída ou compensar os harmônicos da corrente de carga, permitindo que a entrada do conversor seja senoidal e apresente um Fator de Potência Quasi-unitário;

Pequeno tempo de transferência nos modos: rede-inversor e inversor-rede.

Desvantagens:Desvantagens:

A presença do indutor não permite que a tensão de saída e a tensão de entrada estejam em fase, gerando um transitório quando da utilização da chave de “by-pass”.



Componentes de uma UPS

Baterias Inversor Retificador Chave Estática



Retificador semi-controlado monofásico

D2

T2

DRL

D1

T1

T2 D2

D1T1

Baixo CustoBaixo Custo

Não permite inversão Não permite inversão do fluxo de energiado fluxo de energia

Baixo Fator de PotênciaBaixo Fator de Potência

Taxa de Distorção Harmônica da Taxa de Distorção Harmônica da Corrente de Entrada elevada Corrente de Entrada elevada




0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.0650

50

100

150

200Tensao e corrente de saida

Tempo(s)

πθ)(VmV cos1

0




0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200Tensao e corrente de entrada

Tempo(s)

Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da corrente de entradacorrente de entrada



Retificador controlado monofásico

T2 T3

T4T1

Baixo Fator de PotênciaBaixo Fator de Potência

Taxa de Distorção Harmônica da Taxa de Distorção Harmônica da Corrente de Entrada elevada Corrente de Entrada elevada

Baixo CustoBaixo Custo

Permite inversão do fluxo Permite inversão do fluxo de energia: INVERSOR de energia: INVERSOR NÃO AUTÔNOMONÃO AUTÔNOMO



Retificador controlado monofásicoModo retificador

0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200

-150

-100

-50

0

50

100

150


Tempo(s)

πθVmV cos2

0



Retificador controlado monofásicoModo retificador

Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da corrente de entradacorrente de entrada

0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200

-150

-100

-50

0

50

100

150


Tempo(s)



Retificador controlado monofásicoEfeito da Comutação

1.1. Introdução de “Notches” na tensão de entradaIntrodução de “Notches” na tensão de entrada

2.2. Redução da Tensão de saída:Redução da Tensão de saída:

ILoaV2

T1La

T4

T2 T3

IL2

V ao




0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200

-150

-100

-50

0

50

100

150


Tempo(s)0.042 0.0425 0.043 0.0435 0.044

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200



0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200

-150

-100

-50

0

50

100

150


Tempo(s)


0.042 0.0425 0.043 0.0435 0.044-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200



Retificador controlado monofásicoModo inversor

0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200

-150

-100

-50

0

50

100

150


Tempo(s)

9090 < Ângulo de disparo < 150 < Ângulo de disparo < 150



Retificador controlado monofásicoModo inversor

0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-200

-150

-100

-50

0

50

100

150


Tempo(s)



Retificador trifásico

D3

0

D3

T2

D1

T1

D2

T3

T4

0

T1

T2

T5T3

T6



Retificador trifásico semi-controlado

0.1 0.11 0.12 0.130

100

200

300

Tensao e corrente de saida

Tempo(s)0.1 0.11 0.12 0.13

-200

0

200

Tensao e corrente de entrada

Tempo(s)

Ângulo de Disparo = 30Ângulo de Disparo = 30

Na tensão de saída, o primeiro Na tensão de saída, o primeiro harmônico presente é o terceiroharmônico presente é o terceiro Na corrente de entrada, Na corrente de entrada,

aparecem harmônicos paresaparecem harmônicos pares



Retificador trifásico semi-controlado


0.1 0.11 0.12 0.13

-200

0

200


Tempo(s)0.1 0.11 0.12 0.13

0

100

200

300


Tempo(s)



Retificador trifásico controlado


0.1 0.11 0.12 0.13

-200

0

200


Tempo(s)0.1 0.11 0.12 0.13

0

100

200

300


Tempo(s)

Na tensão de saída, o primeiro Na tensão de saída, o primeiro harmônico presente é o sextoharmônico presente é o sexto Na corrente de entrada, não Na corrente de entrada, não

aparecem harmônicos paresaparecem harmônicos pares



Retificador trifásico controladoModo Inversor não autônomo


0.1 0.11 0.12 0.13

-200

0

200


Tempo(s)0.1 0.11 0.12 0.13

-200

0

200


Tempo(s)



Retificador trifásico controlado 12 pulsos

T2

0

T3

T4T2

T1

T5

T6

T3

T6

T5

T4

T1



Retificador trifásico controlado 12 pulsos

0.1 0.11 0.12 0.130

100

200

300


Tempo(s)


0.1 0.11 0.12 0.13-400

-200

0

200


Tempo(s)



Retificadores trifásicos a tiristores

VantagensVantagens

Baixo CustoBaixo Custo Rendimento ElevadoRendimento Elevado RobustezRobustez

DesvantagensDesvantagens

Baixo Fator de PotênciaBaixo Fator de Potência Corrente de entrada com THD elevadaCorrente de entrada com THD elevada



Inversores monofásicos

VOE

S2S1“Push-pull”

VO

ES2

S1

Meia ponte

S2

S1

E

S3

S4

VO

Ponte completa



Como controlar a tensão de saída do inversor?

Inversor de onda quadrada Problema com harmônicos de baixa

freqüência.

Empregado em UPS “Off-Line” de baixo custo

Inversores com controle por Modulação em Largura de Pulso Senoidal

Os harmônicos de baixa freqüência são eliminados. Os harmônicos presentes estão em bandas em torno de múltiplos da freqüência de chaveamento.

Empregado em UPS “On-line” e “Line-Interactive”

Inversores monofásicos



Inversores de onda quadrada

E

EVVoo

t

1EVorms

Presença de harmônicos de baixa freqüência na tensão de saída:

Filtragem difícil



TA +

ADA+

DA -

0

E/2

E/2

+-

t

VControle

VA0 E/2

-E/2

+ + +

- - -

O valor médio de VAO é positivoO valor médio de VAO é positivo

TA -

Modulação em Largura de Pulsos - PWM



TA +

ADA+

DA -

0

E/2

E/2 /2

+-

t

VControle

VA0 E/2

-E/2

O valor medio de VAO é zeroO valor medio de VAO é zero

TA -

+ +- - -




TA +

ADA+

DA -

0

E/2

E/2

+-

t

VControle

VA0 E/2

-E/2

O valor médio de VAO é negativoO valor médio de VAO é negativo

TA -

- - -

+ + +




<VA0>T em função de VC ; VPT ; E

E

-E

VPT

VC

TT/2

T2T1 T1

VA0

T1=VC

VPT

T

4T2=T/2-2T1

2

1

2 1210

TTTT

T

EV

TA

PT

CTA V

VEV

20




PWM Senoidal Bipolar

E/2

-E/2

VAO

T /2

T1T2T3

T

VC VPT

tempo

tempo



|VC|

|VPT|


PT

Ca V

Vm

ma<1, Sistemas modulados

Sistemas Sobremodulados introduzem harmônicos de baixa Sistemas Sobremodulados introduzem harmônicos de baixa freqüência e portanto não são utilizados em UPSfreqüência e portanto não são utilizados em UPS

|VC|

|VPT|

ma>1, Sistemas sobremodulados




PT

Cf f

fm

Para mf inferior a 21, cuidado ao escolher a freqüência de chaveamento.

mf > 21 – Sistema com modulação de freqüência elevada

mf < 9 – Sistema com modulação de freqüência reduzida



Considerações sobre a escolha de mf

Para mf < 21: Sincronizar os sinais da modulante Vc e da portadora VPT mf deverá ser inteiro e ímpar As inclinações da modulante e da portadora deverão ser de

polaridades opostas, quando ambas cruzarem o eixo das ordenadas.

Para mf > 21: Não há necessidade de sincronismo e mf não necessita ser

inteiro.





0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1M

a

Mf

Espectro Harmônico da Tensão de saida - PWM Bipolar

Ma = 0,8Mf = 15



TA +

TA -

A0

E/2

E/2

)(2

)(0 tsenmE

tV axTX

PT

CxTx V

tVEtV

)(2

)(0

(Vxx)T

TB +

TB -

Btempo

maB , φB

φBE

2maB

VB0

VA0

maA , φA=0

E2

maA

PWM Senoidal Unipolar

VAB

222 B

aAB senmE

V



φB =

VA0

VB0

VAB

VCBVCA

E/2

-E/2

tempo

E

-E





0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1M

a

Mf

Espectro Harmônico da Tensão de saída - PWM Unipolar

Ma = 0,8Mf = 15



0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Ma

Mf

Espectro Harmônico da Tensão de saida - PWM Bipolar

Ma = 0,8Mf = 15

Espectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM BipolarEspectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM Bipolar

Comparação PWM Senoidal

Espectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM UnipolarEspectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM Unipolar



Influência do Tempo Morto

iA > 0

iA < 0

E

-E

T1T1

T2T2

D1D1

D2D2

Tensão Desejada na saída

T1

T2

Tensão real na saída para iA

Tensão real na saída para iA

E

-E

ttmm

ttmm



corrente na carga positiva: a comutação de S1 para D2 não é influenciada pelo tempo morto, o mesmo não acontece com a comutação de D2 para S1.

S1 ON S1 OFF

corrente na carga positiva


0I se

0I se

A

A

ET

tV

ET

tV

mAO

mAO




VAO + ΔVAO

iA > 0

Tensão desejadaVAO + ΔVAO

iA < 0



Topologias de UPS Trifásicas

S1

S6S4

S2 S3

S5

S6

S1

C

S3

S5

S2

S4

C



Sinais de controle defasados de 120º

φB=120º

E

2ma

VB0

E

2ma

VA0

φB

VAB

2

1202 0 senVV AAB

PWM Senoidal trifásico

0.8

VCA(t) VCB(t))

VA0

VB0

E/2

-E/2

E/2

-E/2

E/2

-E/2

VAB

VCC(t))

(VAB)1

Tempo



Se subtrairmos dois sinais identicos defasados de 120º, o terceiro harmônico é eliminado

1 15 30 45 60

0,20,40,60,81,0

mf

(VA0)n

Conteúdo harmônico de VAO

0 15 30

0.2

0.4

0.6

0.8

1

(VAB)n

E

ma=0,8mf=15

( )1

23×= a

AB mEV

3327

Conteúdo harmônico da tensão entre fases

PWM Senoidal trifásico

mf

E



Tensão e corrente de saída de uma UPS

THD = 5% fp = 0,61

TT

T

T

1) Ch 1: 100 Volt 5 ms 2) Ch 2: 20 Amps 5 ms



Retificadores de Alto Fator de Potência

T1

D4

Va

C

LCf

D3

D1

T2

D2

Lf

D2

L

D3

C

Lf

T2T1

CfVa

D4

D1

• Alto Fator de PotênciaAlto Fator de Potência

• Fluxo de energia não Fluxo de energia não reversívelreversível



Lf

T4

D4

Va

T3

C

L

T2

T1

D1

Cf

D3D2


•Fator de potência ajustávelFator de potência ajustável

•Fluxo de energia bidirecionalFluxo de energia bidirecional



S1

C5

L1

C2

D4

D1L2

D3

D6

D2


Modo de Condução DescontínuoModo de Condução Descontínuo Modo de Condução CríticoModo de Condução Crítico Modo de Condução ContínuoModo de Condução ContínuoModo de Condução DescontínuoModo de Condução Descontínuo



Modo de Condução Crítico ou Descontínuo:Modo de Condução Crítico ou Descontínuo:

•Implementação Simples;Implementação Simples;

•Corrente máxima nas chaves elevada;Corrente máxima nas chaves elevada;

•Aplicação em equipamentos de baixa potência.Aplicação em equipamentos de baixa potência.

Modo de Condução Contínuo:Modo de Condução Contínuo:

•Implementação complexa Multiplicador;Implementação complexa Multiplicador;

•Corrente máxima nas chaves reduzida;Corrente máxima nas chaves reduzida;

•Aplicação em equipamentos de média e alta potência.Aplicação em equipamentos de média e alta potência.





Modo Contínuo:Modo Contínuo:

Controle da Corrente MédiaControle da Corrente Média

Modo Contínuo:Modo Contínuo:

Controle da Corrente por Controle da Corrente por HistereseHisterese




Controle da Corrente Média:Controle da Corrente Média:

•Freqüência fixa;Freqüência fixa;

•Fácil de ser implementado em um microcontrolador ou DSP;Fácil de ser implementado em um microcontrolador ou DSP;

•Ajuste de dois reguladores, um para a malha de controle da Ajuste de dois reguladores, um para a malha de controle da tensão e outro para a malha de corrente.tensão e outro para a malha de corrente.

Controle da Corrente por Histerese:Controle da Corrente por Histerese:

•Freqüência variável;Freqüência variável;

•Ajuste apenas do regulador de tensão ;Ajuste apenas do regulador de tensão ;

•Impossível de implementar em um microcontrolador ou DSP.Impossível de implementar em um microcontrolador ou DSP.




Controle do valor médio da corrente:Controle do valor médio da corrente:

Dimensionamento do indutor:Dimensionamento do indutor:

O “ripple” máximo ocorre quando a tensão instantânea da rede é O “ripple” máximo ocorre quando a tensão instantânea da rede é igual a metade da tensão de saída no barramento cc.igual a metade da tensão de saída no barramento cc.

Lf4E

iL




Controle do valor médio da corrente: Controle do valor médio da corrente: dimensionamento do capacitordimensionamento do capacitor




S1

Vo

PWM

Iref

C5

L1

K

Regulador

Regulador

C2

de Corrente

D4

D1L2

A

D3

AB

iL

+

-

B de Tensão

D6

+

D2

-

VrefControle sem Controle sem “feedforward”“feedforward”

KKss

KKmmKK




D2

+

D3

Vref

PWM

-

L1

B2

Vo

iL

Regulador

D1

A

C

Regulador

ABde Tensão

C2

K

D4

+

D6

C

Iref

-

L2

de Corrente

C5

S1

FPB

Controle com Controle com “feedforward”“feedforward”

KKss

KK

KKmmKKffff




Controle sem “Feedforward” Controle com “Feedforward”Controle sem “Feedforward” Controle com “Feedforward”

ea2

inms

ininin

eain

msin

VVK

KKIVP

VK

VKKI

ea2ff

msininin

2in

2ff

eain

msin

VKK

KKIVP

VK1

VK

VKKI

Vantagens do controlador com “Feedforward”:Vantagens do controlador com “Feedforward”:

Controlador de tensão não precisa compensar variações da Tensão eficaz de Controlador de tensão não precisa compensar variações da Tensão eficaz de entrada;entrada;

Menor esforço do controlador da tensão de saída, melhorando a resposta Menor esforço do controlador da tensão de saída, melhorando a resposta dinâmica da malha;dinâmica da malha;

Potência de entrada controlada.Potência de entrada controlada.




Malha de corrente:Malha de corrente:

Limitação do ganho Limitação do ganho proporcional para evitar proporcional para evitar multiplas comparaçõesmultiplas comparações




Malha de corrente:Malha de corrente:

Limitação do ganho de Limitação do ganho de alta freqüência da alta freqüência da medição da corrente.medição da corrente.

Banda passante da Banda passante da malha de corrente:malha de corrente:

1 a 10 kHz1 a 10 kHz




Fatores que afetam a banda passante da malha de controle Fatores que afetam a banda passante da malha de controle da tensão:da tensão:

Distorção harmônica da referência para a malha de controle Distorção harmônica da referência para a malha de controle da corrente:da corrente:

1.1. Harmônicos presentes na medição da tensão de saída Harmônicos presentes na medição da tensão de saída aparecem em Vaparecem em Veaea

2.2. Método da medição da Tensão eficaz:Método da medição da Tensão eficaz:

filtragem da tensão retificadafiltragem da tensão retificada

Banda passante da malha de controle da tensão de saída: Banda passante da malha de controle da tensão de saída:

1 a 10Hz1 a 10Hz




0.04 0.05 0.06330340350360

Tensao de saída

Tempo(s)

0.04 0.05 0.060

50

Corrente no indutor

Tempo(s)

0.0445 0.045 0.04550

20

40

60

80




0.04 0.05 0.06-400

-200

0

200


Tempo(s)



UPS Line-Interactive (1)

D3

D1

CL T5

T3

Va

E

T2

Tr1

D4

T1

T4

D2

Durante funcionamento com rede presente o conversor Durante funcionamento com rede presente o conversor carrega a bateria e filtra os harmônicos da carga. carrega a bateria e filtra os harmônicos da carga.

Fator de potência unitário e corrente de entrada senoidal. Fator de potência unitário e corrente de entrada senoidal. Regulação da tensão de saída depende das variações da Regulação da tensão de saída depende das variações da tensão da rede.tensão da rede.



UPS Line-Interactive (2)

CVa

E

D2

T5

T4

T2

Tr1

D1

T3

L

D3

L1

T1

D4

Durante funcionamento com rede presente o conversor Durante funcionamento com rede presente o conversor carrega a bateria e regula a tensão na carga. carrega a bateria e regula a tensão na carga.

Fator de potência não unitário e corrente de entrada com Fator de potência não unitário e corrente de entrada com taxa de distorção harmônica elevadataxa de distorção harmônica elevada



UPS “Line-interactiva : TUPS “Line-interactiva : Tri-Portri-Port

EstabilizadorEstabilizador

Ca

rga

Ca

rga

Inversor/Inversor/retificadorretificador



UPS UPS on-line on-line - Carregador separado- Carregador separado

RetificadorRetificador TrafoTrafo


BateriasBaterias

InversorInversor++

FiltroFiltro

Ca

rga

Ca

rga



UPS On-line

S2

S2

S4

T2

0

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D1 D3

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S6S5 D2



UPS “Line-interactiva : conversor deltaUPS “Line-interactiva : conversor delta

Ca

rga

Ca

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Tensão e corrente na carga de uma UPS Tensão e corrente na carga de uma UPS “on-line” com controle por duas malhas“on-line” com controle por duas malhas



Tensão e corrente na carga de uma UPS Tensão e corrente na carga de uma UPS “on-line” com controle por duas malhas + “on-line” com controle por duas malhas + malha de controle repetitivomalha de controle repetitivo



Baterias Longa Duração:

Autonomia mínima de 3 horas, típica de 8 horas. Aplicação em sistemas de Telecomunicações.

Uso Geral: Usadas em UPS, quando autonomia é da ordem de 1 a 3

horas. Aplicações em sistemas de controle e comutação.

Curta Duração: Aplicações necessitando de potência elevada em um curto

intervalo de tempo. Em UPS, com autonomia da ordem de 15 minutos. Placas mais finas. Densidade do eletrólito mais elevada.



Baterias Chumbo-ácidas

Química da Bateria:

Placa Positiva: Dióxido de Chumbo – PbO2 Placa Negativa: Chumbo Esponjoso – Pb Eletrólito: Solução de ácido Sulfúrico – H2SO4

Densidade específica do eletrólito mais elevada, entre 1,25g/cm3 e 1,3g/cm3, aumentando a capacidade Ah da bateria às custas da redução da vida útil.

Tensão de Flutuação mais elevada para compensar as perdas internas mais elevada.

OHPbSOSOHPbPbO 2442 222Descarga

Carga



Tipos de baterias chumbo-ácidas:

Ventilada (“vented cells” ou “flooded cells”): Placas mergulhadas no eletrólito; Mecanismo permite o escape dos gases produzidos durante o

processo de carga (hidrogênio e oxigênio), com conseqüente perda do eletrólito.

Regulada por Válvula (VRLA): Possuem válvula reguladora da pressão interna que alivia o

excesso de hidrogênio produzido durante o processo de carga e impede que o oxigênio da atmosfera afete a reação química, prejudicando o rendimento e vida útil da bateria.

Os gases produzidos durante os ciclos de carga e descarga são recombinados no interior da bateria e retornam para a composição do eletrólito. A baixa quantidade de gás liberado a torna vantajosa para aplicações em UPS.




Regulada por Válvula (VRLA):

Eletrólito absorvido (AGM-Absorvent Glass Material): Eletrólito impregnado em mantas de fibra de vidro microporosa,

que isola as placa positivas das negativas. A manta distribui uniformemente o eletrólito e o mantém em

contato com o material ativo das placa. Apresentam uma baixa resistência interna e são adequadas

para UPS que necessitam de correntes elevadas em um curto intervalo de tempo.

Eletrólito gelificado: Processo construtivo similar ao das baterias ventiladas. O eletrólito é combinado com dióxido de silica formando um

composto na forma de gel. Apresentam uma resistência interna mais elevada e são mais

indicadas para aplicações requerendo um grande tempo de descarga.




Mecanismos de Falha

Alta Impedância: Corrosão das placas; Mau contato do material ativas das placas; Baixa Densidade Específica do Eletrólito.

Baixa Impedância: Curto-circuito entre placas.

Deterioração da capacidade: Ciclos de descarga profunda; Temperatura Elevada; Redução do Eletrólito; Número Elevados de ciclos de carga-descarga.




Efeitos da Temperatura

A corrente de carga e a corrosão da grade da placa positiva aumentam exponencialmente com o aumento da temperatura do eletrólito.

Operação prolongada em níveis elevados de temperatura diminue a vida útil da bateria.

Operação da bateria em baixa temperatura aumenta a vida útil, mas reduz a capacidade disponível.

Ondulação da corrente circulando pela bateria e a ondulação da tensão nos terminais da bateria provocam um aumento da temperatura de operação da bateria.




Química da Bateria:

Placa Positiva: hidrato de níquel - NiOOH Placa Negativa: cadmio esponjoso - Cd Eletrólito: Solução aquosa de Hidróxido de Potássio – KOH

Densidade específica do eletrólito entre 1,16g/cm3 e 1,25g/cm3 e independe do estado de carga da bateria. O eletrólito não participa da reação, apenas facilita a transferência de íons entre as placa.

As baterias são do tipo ventilada. As baterias seladas são de baixa capacidade e utilizadas em equipamentos portáteis.

Baterias Níquel-Cadmio

222 )()(222Carga

DescargaOHCdOHNiOHCdNiOOH



Mecanismos de Falha

A deterioração ocorre por alterações nos materiais ativos. Não há corrosão da estrutura mecânica das placas e assim não há

o risco da redução do desempenho ou da perda súbita da capacidade (Ah) da bateria.

A degradação da capacidade (Ah) é contínua no tempo. As baterias de NiCd podem tolerar ciclos de carga e descarga

leves ou descargas profundas com freqüência, sem sofrer danos. As baterias de NiCd são menos afetadas pela temperatura do que

as baterias chumbo ácidas. Por exemplo, uma bateria de NiCd submetida a temperatura de 32C terá a sua vida útil diminuída de cerca de 20% enquanto que a redução na bateria chumbo ácida será de 50%.

Baterias Níquel-Cadmio



Estratégias para a Carga de Baterias

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Tempo (h)

Co

rren

te %

C(A

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0

1

2

3

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Corrente

Tensão

Carga da bateria a tensão constante, com limitação de corrente:Carga da bateria a tensão constante, com limitação de corrente:

1)1) Etapa de carga a corrente constante;Etapa de carga a corrente constante;

2)2) Etapa de carga a tensão constante e igual ao valor da tensão de Equalização;Etapa de carga a tensão constante e igual ao valor da tensão de Equalização;

3)3) A bateria está carregada. A partir deste ponto a tensão na bateria é mantida no A bateria está carregada. A partir deste ponto a tensão na bateria é mantida no valor da tensão de Flutuação.valor da tensão de Flutuação.



Estratégias para a Carga de Baterias

Bateria chumbo ácida Bateria Níquel Cadmio

Tensão de Equalização 2,3 V/el < V < 2,5 V/el 1,45V/el

Tensão de Flutuação 2,2 V/el < V < 2,3 V/el 1,42V/el

Máxima corrente de recarga 0,2 CAh a 0,4 C20Ah

Tensão final de descarga 1,67 V/el < V < 2,1 V/el 1V/el

Correção tensão Flutuação -5 mV/C T 25C+5 mV/C T 25C

-3mV/C T 25C+3mV/C T 15C

Os valores acima são valores típicos. Consultar os dados técnicos Os valores acima são valores típicos. Consultar os dados técnicos fornecidos pelo fabricante da bateria.fornecidos pelo fabricante da bateria.

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SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1 Sistemas de Energia Ininterrupta: UPS - No-Breaks Prof. Dr. Pedro