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
de de BateriasBaterias
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.)
Desvantagens: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.)
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
de de BateriasBaterias
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
Topologia de SEI Line-interactiveTopologia de SEI Topologia de SEI LineLine--interactiveinteractive
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
Topologia de SEI Line-interactiveTopologia de SEI Topologia de SEI LineLine--interactiveinteractive
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
Desvantagens: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
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
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
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.
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
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
Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento
A) Isolamento A) Isolamento por por transformador para baixa freqnciatransformador para baixa freqncia
Ca
rga
Ca
rga
Isolamento na entrada
Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento
a) Isolamento a) Isolamento por por transformador para baixa freqnciatransformador para baixa freqncia
Ca
rga
Ca
rga
Isolamento na sada
Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento
b) Isolamento b) Isolamento por por transformador para alta freqnciatransformador para alta freqncia
Ca
rga
Ca
rgaConversor CC/CC de alta
freqncia isolado
Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento
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
Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento
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
possvel encontrar um conversor que elevea tenso de sada?
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)
possvel encontrar um conversor que elevea tenso de sada?
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:
iS1 = iS2 = iOd(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2
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:
iS3 = iS4 = iOd(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2
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.