Slide sem t

1
Sistemas de Energia Ininterrupta UPS -
No-Breaks Prof. Dr. Pedro Francisco Donoso
Garcia Prof. Dr. Porfírio Cabaleiro Cortizo

www.cpdee.ufmg.br/porfirio Parte desta
apresentação foi adaptado de material elaborado
por Jose A. Villarejo http//www.ieee-pels-spanis
h-chapter.org
2
Porque a necessidade de equipamentos de energia
adicionais para alimentar uma carga crítica?

• Estabilizador de tensão
• ou
• UPS - Uninterruptible Power Supply ou No-Break

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Principais características
4
Sistemas de Energia Ininterrupta UPS

• UPS Rotativa
• Conversão de energia mecânica em elétrica
• Autonomia de funcionamento da ordem de horas
• Nível de ruído elevado, necessitando de ambientes
  especiais.

5
Sistemas de Energia Ininterrupta UPS

• UPS Estática
• Utiliza conversores eletrônicos
• Melhor resposta dinâmica
• Baixo ruído acústico
• Melhor regulação de tensão
• Melhor regulação da freqüência na carga
• Instalações simples
• Custo mais elevado.

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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 140Vac
• 220Vac 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.

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Diagrama de Blocos de uma UPS
Conversor Retificador /Inversor, Filtros
Cargas críticas (lineares e não lineares)
Fonte de Alimentação
Banco de Baterias
8
Classificação das UPS

• Off-line (standby)
• On-line (sistema de dupla conversão)
• Line-interactive

9
Topologia de UPS off-line (standby)
10
Topologia de UPS off-line (standby)

• Vantagens
• Elevado rendimento inversor pode operar a
  vazio ou desligado
• Baixo custo e volume carregador de baterias
  independente

• 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.

11
Topologia de UPS on-line
12
Topologia de UPS on-line

• 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
• 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.

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Topologia de UPS Line-interactive
14
Topologia de UPS Line-interactive

• Vantagens
• 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
• 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.

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Componentes de uma UPS

• Baterias
• Inversor
• Retificador
• Chave Estática

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Retificador semi-controlado monofásico

• Baixo Custo
• Não permite inversão do fluxo de energia

• Baixo Fator de Potência
• Taxa de Distorção Harmônica da Corrente de
  Entrada elevada

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Retificador semi-controlado monofásico
18
Retificador semi-controlado monofásico
Fator de potência depende do ângulo de disparo e
da THD da corrente de entrada
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Retificador controlado monofásico

• Baixo Custo
• Permite inversão do fluxo de energia INVERSOR
  NÃO AUTÔNOMO

• Baixo Fator de Potência
• Taxa de Distorção Harmônica da Corrente de
  Entrada elevada

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Retificador controlado monofásicoModo
retificador
21
Retificador controlado monofásicoModo
retificador
Fator de potência depende do ângulo de disparo e
da THD da corrente de entrada
22
Retificador controlado monofásicoEfeito da
Comutação
23
Retificador controlado monofásicoEfeito da
Comutação
24
Retificador controlado monofásicoEfeito da
Comutação
25
Retificador controlado monofásicoModo inversor
90? lt Ângulo de disparo lt 150?
26
Retificador controlado monofásicoModo inversor
27
Retificador trifásico
28
Retificador trifásico semi-controlado
Ângulo de Disparo 30?
Na tensão de saída, o primeiro harmônico presente
é o terceiro
Na corrente de entrada, aparecem harmônicos pares
29
Retificador trifásico semi-controlado
Ângulo de Disparo 90?
30
Retificador trifásico controlado
Ângulo de Disparo 30?
Na tensão de saída, o primeiro harmônico presente
é o sexto
Na corrente de entrada, não aparecem harmônicos
pares
31
Retificador trifásico controladoModo Inversor
não autônomo
Ângulo de Disparo 120?
32
Retificador trifásico controlado 12 pulsos
33
Retificador trifásico controlado 12 pulsos
Ângulo de Disparo 60?
34
Retificadores trifásicos a tiristores

• Vantagens
• Baixo Custo
• Rendimento Elevado
• Robustez
• Desvantagens
• Baixo Fator de Potência
• Corrente de entrada com THD elevada

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Inversores monofásicos
36
Inversores monofásicos

• 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

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Inversores de onda quadrada
E

• Presença de harmônicos de baixa freqüência na
  tensão de saída
• Filtragem difícil

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Modulação em Largura de Pulsos - PWM
VControle
T
A
E/2
t

D
A
A
0
VA0
E/2
E/2

D
A -
-E/2
39
Modulação em Largura de Pulsos - PWM
VControle
T
A
E/2
t

D
A
A
0
VA0
E/2
E/2
/2

D
A -
-E/2
O valor medio de VAO é zero
40
Modulação em Largura de Pulsos - PWM
VControle
T
A
E/2
t

D
A
A
0
VA0
E/2
E/2

D
A -
-E/2
O valor médio de VAO é negativo
41
Modulação em Largura de Pulsos - PWM
ltVA0gtT em função de VC VPT E
VPT
VC
T2T/2-2T1
T1
T2
T1
T/2
T
E
VA0
-E
42
PWM Senoidal Bipolar
43
PWM Senoidal Bipolar
malt1, Sistemas modulados
magt1, Sistemas sobremodulados
Sistemas Sobremodulados introduzem harmônicos de
baixa freqüência e portanto não são utilizados em
UPS
44
PWM Senoidal Bipolar
Para mf inferior a 21, cuidado ao escolher a
freqüência de chaveamento.
mf gt 21 Sistema com modulação de freqüência
elevada
mf lt 9 Sistema com modulação de freqüência
reduzida
45
PWM Senoidal Bipolar

• Considerações sobre a escolha de mf
• Para mf lt 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 gt 21
• Não há necessidade de sincronismo e mf não
  necessita ser inteiro.

46
PWM Senoidal Bipolar
47
PWM Senoidal Unipolar
(Vxx)T
tempo
48
PWM Senoidal Unipolar
VA0
VB0
VAB
fB p
49
PWM Senoidal Unipolar
50
Comparação PWM Senoidal
Espectro Harmônico da Tensão de Saída PWM
Bipolar
51
Influência do Tempo Morto
52
Influência do Tempo Morto
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.
53
Influência do Tempo Morto
Tensão desejada
VAO ?VAO iA lt 0
VAO ?VAO iA gt 0
54
Topologias de UPS Trifásicas
55
PWM Senoidal trifásico
Sinais de controle defasados de 120º fB120º
56
PWM Senoidal trifásico
Se subtrairmos dois sinais identicos defasados de
120º, o terceiro harmônico é eliminado
(V
)
AB
n
(VA0)n
E
(
)
V

1
AB
m
1
a
E
E
0.8
m
0,8
a
1,0
0.6
m
15
f
0,8
0.4
0,6
0,4
0.2
0,2
mf
0
15
30
33
27
1
15
30
45
60
mf
Conteúdo harmônico de VAO
Conteúdo harmônico da tensão entre fases
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Tensão e corrente de saída de uma UPS

• THD 5
• fp 0,61

58
Retificadores de Alto Fator de Potência

• Alto Fator de Potência
• Fluxo de energia não reversível

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Retificadores de Alto Fator de Potência

• Fator de potência ajustável
• Fluxo de energia bidirecional

60
Retificadores de Alto Fator de Potência
Modo de Condução Descontínuo
Modo de Condução Descontínuo
Modo de Condução Crítico
Modo de Condução Contínuo
61
Retificadores de Alto Fator de Potência

• Modo de Condução Crítico ou Descontínuo
• Implementação Simples
• Corrente máxima nas chaves elevada
• Aplicação em equipamentos de baixa potência.
• Modo de Condução Contínuo
• Implementação complexa
  Multiplicador
• Corrente máxima nas chaves reduzida
• Aplicação em equipamentos de média e alta
  potência.

62
Retificadores de Alto Fator de Potência
Modo Contínuo Controle da Corrente Média
Modo Contínuo Controle da Corrente por Histerese
63
Retificadores de Alto Fator de Potência

• Controle da Corrente Média
• Freqüência fixa
• Fácil de ser implementado em um microcontrolador
  ou DSP
• Ajuste de dois reguladores, um para a malha de
  controle da tensão e outro para a malha de
  corrente.
• Controle da Corrente por Histerese
• Freqüência variável
• Ajuste apenas do regulador de tensão
• Impossível de implementar em um microcontrolador
  ou DSP.

64
Retificadores de Alto Fator de Potência
Controle do valor médio da corrente Dimensioname
nto do indutor O ripple máximo ocorre quando
a tensão instantânea da rede é igual a metade da
tensão de saída no barramento cc.
65
Retificadores de Alto Fator de Potência
Controle do valor médio da corrente
dimensionamento do capacitor
66
Retificadores de Alto Fator de Potência
Ks
Controle sem feedforward
Km
K
67
Retificadores de Alto Fator de Potência
Ks
K
Controle com feedforward
Km
Kff
68
Retificadores de Alto Fator de Potência
Controle sem Feedforward Controle com
Feedforward
Vantagens do controlador com Feedforward Contr
olador de tensão não precisa compensar variações
da Tensão eficaz de entrada Menor esforço do
controlador da tensão de saída, melhorando a
resposta dinâmica da malha Potência de entrada
controlada.
69
Retificadores de Alto Fator de Potência
Malha de corrente Limitação do ganho
proporcional para evitar multiplas comparações
70
Retificadores de Alto Fator de Potência
Malha de corrente Limitação do ganho de alta
freqüência da medição da corrente. Banda
passante da malha de corrente 1 a 10 kHz
71
Retificadores de Alto Fator de Potência

• Fatores que afetam a banda passante da malha de
  controle da tensão
• Distorção harmônica da referência para a malha de
  controle da corrente
• Harmônicos presentes na medição da tensão de
  saída aparecem em Vea
• Método da medição da Tensão eficaz
• filtragem da tensão retificada
• Banda passante da malha de controle da tensão de
  saída
• 1 a 10Hz

72
Retificadores de Alto Fator de Potência
73
Retificadores de Alto Fator de Potência
74
UPS Line-Interactive (1)
Durante funcionamento com rede presente o
conversor carrega a bateria e filtra os
harmônicos da carga. Fator de potência unitário
e corrente de entrada senoidal. Regulação da
tensão de saída depende das variações da tensão
da rede.
75
UPS Line-Interactive (2)
Durante funcionamento com rede presente o
conversor carrega a bateria e regula a tensão na
carga. Fator de potência não unitário e corrente
de entrada com taxa de distorção harmônica elevada
76
UPS Line-interactiva Tri-Port
77
UPS on-line - Carregador separado
78
UPS On-line
79
UPS Line-interactiva conversor delta
80
Tensão e corrente na carga de uma UPS on-line
com controle por duas malhas
81
Tensão e corrente na carga de uma UPS on-line
com controle por duas malhas malha de controle
repetitivo
82
Baterias

• Longa Duração
• Autonomia mínima de 3 horas, típica de 8 horas.
• Aplicação em sistemas de Telecomunicações.
• Uso Geral
• Usadas em UPS, quando autonomia é da ordem de 1 a
  3 horas.
• Aplicações em sistemas de controle e comutação.
• Curta Duração
• Aplicações necessitando de potência elevada em um
  curto intervalo de tempo.
• Em UPS, com autonomia da ordem de 15 minutos.
• Placas mais finas.
• Densidade do eletrólito mais elevada.

83
Baterias Chumbo-ácidas

• Química da Bateria
• Placa Positiva Dióxido de Chumbo PbO2
• Placa Negativa Chumbo Esponjoso Pb
• Eletrólito Solução de ácido Sulfúrico H2SO4
• Densidade específica do eletrólito mais elevada,
  entre 1,25g/cm3 e 1,3g/cm3, aumentando a
  capacidade Ah da bateria às custas da redução da
  vida útil.
• Tensão de Flutuação mais elevada para compensar
  as perdas internas mais elevada.

84
Baterias Chumbo-ácidas

• 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.

85
Baterias Chumbo-ácidas

• 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.

86
Baterias Chumbo-ácidas

• 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.

87
Baterias Chumbo-ácidas

• 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.

88
Baterias Níquel-Cadmio

• 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.

89
Baterias Níquel-Cadmio

• 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 32?C terá a sua vida útil
  diminuída de cerca de 20 enquanto que a redução
  na bateria chumbo ácida será de 50.

90
Estratégias para a Carga de Baterias

• Carga da bateria a tensão constante, com
  limitação de corrente
• Etapa de carga a corrente constante
• Etapa de carga a tensão constante e igual ao
  valor da tensão de Equalização
• A bateria está carregada. A partir deste ponto a
  tensão na bateria é mantida no valor da tensão de
  Flutuação.

91
Estratégias para a Carga de Baterias
Bateria chumbo ácida Bateria Níquel Cadmio
Tensão de Equalização 2,3 V/el lt V lt 2,5 V/el 1,45V/el
Tensão de Flutuação 2,2 V/el lt V lt 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 lt V lt 2,1 V/el 1V/el
Correção tensão Flutuação -5 mV/?C T ? ? 25?C 5 mV/?C T ? ? 25?C -3mV/?C T ? ? 25?C 3mV/?C T ? ? 15?C
Os valores acima são valores típicos. Consultar
os dados técnicos fornecidos pelo fabricante da
bateria.