ApostilaUPSSEPO2010

8/19/2019 ApostilaUPSSEPO2010

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA - UFSMCENTRO DE TECNOLOGIA – CT

GRUPO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE - GEPOC

SEPOC 2010 UPS – Fontes Ininterruptas de Energia

APRESENTADOR : L EANDRO R OGGIA , M E .

O RIENTADOR : P ROF . C ASSIANO R ECH , DR .

O RIENTADOR : P ROF . L UCIANO SCHUCH , DR .

C OLABORADOR : H ENRIQUE H. F IGUEIRA

Santa Maria, Agosto de 2010.


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SEMINÁRIO DEELETRÔNICA DEPOTÊNCIA ECONTROLE – SEPOC 2010 2

Conteúdo

• Introdução

• Motivação• UPS’s e seus elementos integrantes

• Tipos de UPS’s

• Normas

• Autonomia de UPS’s

• Atividade prática

• Referências bibliográficas

1. Introdução

Esta apostila do mini-curso sobre UPS integrante do SEPOC 2010 tem por objetivo mostraros conceitos básicos a respeito das fontes ininterruptas de energia (UPS, do inglêsUninterruptable

Power Supplies ). As UPS’s são equipamentos cuja principal função é fornecer energia elétrica para

as cargas a partir do momento de falha no sistema de fornecimento, até o momento derestabelecimento da alimentação da rede.

Inicialmente é mostrada a motivação para o uso de sistemas de UPS, bem como as principaisaplicações nas quais estes equipamentos são empregados. Em seguida, a descrição e as funções dossistemas de UPS’s e dos conversores/elementos (retificadores, inversores, carregadores edescarregadores de baterias, filtros de entrada e de saída) que os integram são mostradas. Naseqüência, os principais tipos de UPS ( passive stand-by , line interactive , double conversion ) são

apresentados. Em seguida, algumas normas que impõem regulamentações são mostradas.Considerações sobre autonomia das UPS’s, baseadas no banco de baterias, são abordadas adiante. Na seqüência, as características da UPS utilizada para demonstração, servindo como atividade prática realizada na etapa final do mini-curso com o objetivo de facilitar o entendimento daoperação das UPS’s, são descritas. Por fim, uma lista de referências bibliográficas relevantes para oentendimento e aprofundamento do estudo sobre fontes ininterruptas de energia é apresentada.


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2. Motivação

Atualmente a humanidade é muito dependente da energia elétrica. Muitos são os

equipamentos, produtos e atividades que necessitam desta energia. A cada dia que passa a população do planeta aumenta e, junto com ela, a demanda por energia elétrica. Para acompanhar oconsumo crescente, a geração de energia elétrica também precisa aumentar, tornando o sistemamaior e mais complexo.

Porém, os sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica não sãototalmente confiáveis e não têm condições de assegurar o fornecimento desta energia de maneiraininterrupta.

A maioria dos equipamentos eletrônicos é ligada diretamente à rede pública de energia,como mostrado na Figura 1. Com isso, os equipamentos ficam expostos às anomalias apresentadas pela rede de energia, tais como: variações de tensão e freqüência, harmônicos de corrente,interrupções no fornecimento, etc.

Rede pública

de energia

Equipamento

eletrônico

Figura 1. Rede pública de energia alimentando equipamento eletrônico.

Entretanto, sofisticados equipamentos eletrônicos, como computadores, equipamentos detelecomunicações e de suporte a vida, hospitais, bancos, centrais de processamento de dados, entreoutros, são susceptíveis a tais falhas. Assim, um sistema para realizar a interface entre

equipamentos eletrônicos e a rede pública de energia deve ser utilizado para o perfeitofuncionamento destas cargas críticas, conforme apresentado na Figura 2.

Rede públicade energia

Equipamentoeletrônico

Sistema de interface

Figura 2. Condicionamento de energia através de um sistema de interface.


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Atualmente, a utilização de sistemas de alimentação ininterrupta de energia (UPS –Uninterruptible Power Supply ) para fornecer energia para cargas críticas tem se tornado comum.Estas UPS’s estão disponíveis em uma grande diversidade de topologias e operam desde baixas atéaltas potências. Estes sistemas podem fornecer energia monofásica, bifásica ou trifásica emdiferentes freqüências (50Hz, 60Hz, 400Hz, etc.). Além disso, podem sintetizar formas de onda detensão senoidal, trapezoidal ou quadrada.

3. UPS’s e seus elementos e conversores integrantes

Fonte ininterrupta de energia é a denominação dada a um sistema projetado para fornecerenergia automaticamente para uma carga, durante algum tempo, enquanto a fonte normal de energiaé incapaz de realizar o fornecimento de modo aceitável.

Além de manter a continuidade no fornecimento de energia, as UPS’s têm a função defiltrar, regular e condicionar energia para cargas sensíveis; isolar a carga da fonte de potência; permitir o desligamento ordenado de equipamentos no caso de falta de energia; conduzir o sistemadurante o intervalo entre o instante de falta de energia e o momento em que um gerador deemergência possa assumir a carga.

Uma UPS completa é formada basicamente por um retificador (conversor CA-CC) deentrada, um sistema armazenador de energia e um inversor (conversor CC-CA) de saída. Na maioriadas aplicações, empregam-se ainda filtros de entrada (para adequações às normas de interferênciaeletromagnética) e de saída (para fornecimento de forma de onda senoidal da tensão de saída). A partir destes conversores/elementos, existem diversas configurações que podem ser obtidas deacordo com o grau de exigência da carga.

O conversor CA-CC mais utilizado na entrada das UPS é o conversor boost PFC que, alémde realizar a retificação da tensão de entrada, também proporciona correção do fator de potência(FP) do sistema. Com relação ao conversor CC-CA da saída, diversas topologias podem serempregadas, sendo a mais utilizada em UPS’s o inversor em ponte completa ( full-bridge ). A carga edescarga do banco de baterias geralmente são realizadas através dos conversores abaixador detensão buck CC-CC e elevador de tensão boost CC-CC.


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4. Tipos de UPS’s

Dentre as diversas configurações existentes de UPS’s, pode-se dividi-las em três grandes

grupos: passive stand-by (off-line ), line interactive e double conversion (on-line ).

4.1 UPS Passive Stand-by

As UPS’s passive stand-by apresentam somente um estágio de conversão de energia, ondenormalmente a energia é diretamente transferida da rede de distribuição para a carga e, somentequando ocorre uma falha no sistema de distribuição, um elemento armazenador de energia fornece

energia para a carga. Neste tipo de UPS, o inversor é conectado em paralelo à rede pública.A configuração básica deste tipo de UPS pode ser vista na Figura 3.

Rede Carga

Baterias

Inversor Carregador

Filtro

Figura 3. Configuração básica de uma UPS passive stand-by .

Este tipo de UPS apresenta fácil projeto, maior eficiência e menor custo se comparado comos demais tipos de UPS. Porém, a tensão/freqüência de saída é dependente da tensão/freqüência deentrada e o sistema apresenta um tempo de transferência entre os diferentes modos de operação.

Assim, este tipo de UPS representa um compromisso entre um nível aceitável de proteçãocontra distúrbios e o custo e é comumente utilizada em baixas potências (menor do que 2 kVA) [2].

4.2 UPS Line Interactive

As UPS’sline interactive também apresentam apenas um estágio de conversão de energia. Neste tipo de UPS, o inversor é conectado em paralelo à entrada CA e atua em falhas do


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fornecimento de energia de maneira a suprir a carga, para carregar o banco de baterias ou paracondicionar a tensão de saída, dependendo das condições de fornecimento pela rede de alimentação.

O termo line interactive provém do fato que em um dos modos de operação o inversorinterage com a linha (rede pública) para diminuir, elevar, ou substituir a energia conforme requerido para manter a tensão constante para a carga crítica.

A configuração básica deste tipo de UPS pode ser vista na Figura 4.

Rede Carga

Inversor/

Retificador

Baterias

Figura 4. Configuração básica de uma UPS line interactive .

Esta UPS apresenta a vantagem de que o tempo de transferência da alimentação pela rede para o elemento armazenador de energia é reduzido se comparado com a UPS passive stand-by .

Entretanto, a tensão/freqüência de saída apresenta dependência com relação à tensão/freqüência deentrada.

4.3 UPS Double Conversion

As UPS’s double conversion se caracterizam por dois estágios de conversão de energia, ouseja, primeiramente a energia CA da rede pública é convertida em CC e, posteriormente, é

transformada em CA e transferida para a carga. Quando a rede pública apresenta alguma falha, oelemento armazenador fornece energia para a carga através do inversor. Neste tipo de UPS, oinversor é conectado em série entre a rede pública de energia e a carga. Assim, a energia para acarga flui continuamente pelo inversor.

A configuração básica deste tipo de UPS pode ser vista na Figura 5.


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Carregador/Descarregador

Baterias

Rede Carga

Retificador Inversor

Figura 5. Configuração básica de uma UPS d ouble conversion .

As UPS’s double conversion apresentam algumas importantes vantagens, comoindependência da tensão/freqüência de saída com relação à tensão/freqüência de entrada, possibilidade de tempo de transferência nulo, possibilidade de sintetizar diferentes tipos de forma deonda de tensão de saída e possibilidade de correção do fator de potência.

Entretanto, como desvantagem, devido à dupla conversão de energia durante a operaçãonormal, este tipo de UPS apresenta menor eficiência que os demais.

Portanto, esta é a configuração mais completa em termos de proteção na carga, possibilidadede regulação e níveis de desempenho. Devido às suas várias vantagens, UPS’sdouble conversion são largamente utilizadas para a proteção de cargas críticas em maiores níveis de potência.

5. Normas

Nas seções seguintes serão mostrados resumos de três normas que regulamentam asespecificações de entrada e de saída e condições de operação de UPS’s.

5.1 Norma NEMA PE 1-1992

Esta norma, redigida pela NEMA ( National Electrical Manufacturers Association ) em 1992,é aplicada para sistemas de conversão de energia CA-CA com um elemento armazenador de energiaelétrica CC dedicado. O objetivo desta publicação é fornecer definições, especificações, programa para testes, considerações sobre segurança, entre outros, aos fabricantes e usuários de UPS’s.


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A Tabela 1 apresenta as principais especificações para a entrada de UPS’s.

Tabela 1 – Principais especificações para a entrada de UPS’s.

1) Mínimo fator de potência à plena cargaPotência (kVA) Fator de potência

0,1 – 1 0,60> 1 – 10 0,65> 10 – 30 0,70> 30 – 100 0,75> 100 – 300 0,80> 300 – 1000 0,85

2) Limite da corrente de entrada (Máxima carga da bateria e/oumáxima sobrecarga na saída)

125 % da corrente de entrada para plena carga3) Máxima THD da corrente de entrada

Potência (kVA) THD> 0 – 20 30 %

> 20 – 200 15 %> 200 10 %

A Tabela 2 apresenta as principais especificações para a saída de UPS’s.

Tabela 2 – Principais especificações para a saída de UPS’s.

1) Regulação da tensão de saída em regime permanente (operação à vazio até plena carga e da tensão mínima até a máxima tensão da bateria)

Potência (kVA) Máxima variação da tensão de saída0,1 – 20 -10 % a +5 %

> 20 – 1000 ± 2 %2) Máxima THD da tensão de saída para carga nominal

Potência (kVA) THD≤

2 10 %> 2 5 %3) Capacidade de sobrecarga

Potência (kVA) Sobrecarga0,1 – 2 Sem sobrecarga

> 2 – 10 125 % por 5 minutos> 10 125 % por 10 minutos

4) Freqüência de saídaPotência (kVA) Variação da freqüência de saída

0,1 – 2±

1 Hz> 2 ± 0,5 Hz


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5.2 Normas IEC 61000-3-2 e 61000-3-4

As normas internacionais IEC 61000-3-2 e IEC 61000-3-4 estabelecem limites para osharmônicos de corrente injetados na rede pública de alimentação. A diferença entre elas reside nofato de que a primeira é aplicada para equipamentos elétricos e eletrônicos cuja corrente de entradaé igual ou inferior a 16 A por fase, enquanto que a segunda é aplicada para equipamentos elétricos eeletrônicos cuja corrente de entrada é superior a 16 A por fase.

Como exemplo, de acordo com a norma IEC 61000-3-2, as UPS’s são classificadas comosendo equipamentos da classe A. Desta maneira, os harmônicos da corrente de entrada não devemexceder os valores absolutos dados pela Tabela 3.

Tabela 3 – Limite dos harmônicos de corrente pela norma IEC 61000-3-2.

Classe AOrdem doharmônico ( n ) Corrente máxima (A)

3 2,35 1,147 0,779 0,4011 0,33

13 0,21

Ímpares

15 ≤ n ≤ 39 0,15·(15/n)2 1,084 0,436 0,3

Pares

8 ≤ n ≤ 40 0,23·(8/n)

5.3 Norma IEC 62040-3

A forma usual de classificação de UPS’s ( passive stand-by ou off-line , line interactive edouble conversion ou on-line ) deixa margem aos fornecedores de UPS para a criação termos queconfundam o consumidor como, por exemplo, “UPS semi on-line”, “UPS quase on-line”, “UPS trueon-line”, “tecnologia on-line compartilhado”, entre outros.

Com o intuito minimizar os problemas gerados pela antiga classificação das UPS’sapresentadas anteriormente, foi criada a norma IEC 62040-3, a qual realiza a classificação de UPS’sde forma independente dos antigos termos, evitando expressões fantasiosas.


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Os três passos para a classificação das UPS’s, segundo a norma IEC 62040-3 são:Passo 1: dependência da tensão de saída da UPS em relação à tensão da rede;Passo 2: forma de onda da tensão de saída da UPS;Passo 3: curvas de tolerância dinâmicas da saída da UPS.

Maiores detalhes dos critérios de classificação podem ser encontrados diretamente na normaIEC 62040-3.

6. Autonomia das UPS’s

A autonomia da UPS, ou seja, o tempo no qual a fonte é capaz de fornecer energia elétrica para a carga na ausência da rede de fornecimento é definido principalmente pela capacidade do banco de baterias empregado.

A determinação do banco de baterias depende dos seguintes fatores: tempo de autonomiadesejado, potência da carga alimentada, tensão do barramento de conexão do banco de baterias ecapacidade das baterias.

A Figura 6 mostra o tempo de descarga em função da corrente de descarga para diversas baterias do fabricante Saturnia com capacidade variando de 1,2 Ah até 40 Ah.

68

10

203040

60

3468

2

10

20

HORAS

MINUTOS

30 40 60 80 100 200 300 400 600 800 10002 3 4 6 8 10 20 30 40 60 80 100 200

1 . 2 A h

2 A h

3 . 2 A h

4 A h

5 A h

7 A h

8 A h

1 0 A h

1 2 A h

1 7 A h

2 4 A h

4 0 A h

SH 8-6SH 7-12SH 5-12

SH 3.2-6

SH 2-12

SH 1.2-12

SH 4-12SH 4-6

SH 3-12

SH 1.2-6

SH 10-6SH 12-12

SH 24-12

SH 24-12SH 17-12

mA ACORRENTE DE DESCARGA

TEMPODEDESCARGA

Figura 6 – Tempo de descarga em função da corrente de descarga de baterias.


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Por exemplo, supondo que se deseja uma autonomia de 40 minutos, para uma carga queconsome 400 W de potência e que o banco de baterias possui tensão de 96 V (8 baterias de 12 Vconectadas em série), sabe-se que a corrente fornecida pelo banco de baterias nesta situação é de

4004,1796

P I AV

= = = .

Através do gráfico da Figura 6, chega-se a conclusão que é necessária a utilização de baterias de capacidade igual a 7 Ah. De posse desta capacidade, pode-se determinar a autonomia daUPS para outros valores de carga alimentada. Por exemplo, caso uma carga que necessite 2 A(192 W de potência) for suprida pela UPS, a sua autonomia será de aproximadamente 2 horas.

7. Atividade prática

A atividade prática deste mini-curso consiste na apresentação e demonstração da UPSmodelo Breakless New do fabricante CP Eletrônica. Esta UPS possui as características apresentadasna Tabela 4.

Tabela 4 – Características da UPS modelo Breakless New .

Potência 6 kVA / 4,2 kWTipo/topologia Dupla conversão (on-line )

Tensão de entrada 220 V± 20 %Tensão de saída 220 V

Número de fases da entrada monofásica ou bifásica Número de fases da saída monofásicaTHD da corrente de entrada < 10 %

THD da tensão de saída < 3 %Variação da tensão de saída ± 1 %


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8. Referências bibliográficas

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24th Annual International Telecommunications Energy Conference , 2002, pp. 541-545.[2] M. S. Racine, J. D. Parham, and M. H. Rashid, “An overview of uninterruptible power

supplies” in Proceedings of the 37th Annual North American Power Symposium , 2005, pp.159-164.

[3] R. Krishnan and S. Srinivasan, “Topologies for uninterruptible power supplies”, in Proceedings IEEE International Symposium on Industrial Electronics , 1993, pp. 122-127.

[4] S. A. Hamed and Y. Al-Shiboul, “Off-line UPS system with optimum utilization of power

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Electronics and Drive Systems , 1997, vol. 1, pp. 133-138.[8] Y. Deng and X. He, “Power stage arrangement for high power single-phase input and single-

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[12] L. Schuch, C. Rech, H. L. Hey, H. A. Gründling, H. Pinheiro, J. R. Pinheiro, “Evaluation ofa digital control system for a high-efficiency battery charger/UPS”, in Proceedings IEEE

International Symposium on Industrial Electronics , 2003, vol. 2, pp. 956-961.


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[13] C. Rech, H. Pinheiro, H. A. Gründling, H. L. Hey, and J. R. Pinheiro, “A modified discretecontrol law for UPS applications”, IEEE Transactions on Power Electronics , vol. 18, no. 5, pp. 1138-1145, Sep. 2003.

[14] L. Schuch, C. Rech, H. L. Hey, and J. R. Pinheiro, “Integrated ZVT auxiliary commutationcircuit for input stage of double-conversion UPSs”, IEEE Transactions on Power

Electronics , vol. 19, no. 6, pp. 1486-1497, Nov. 2004. [15] L. Schuch, W. Priesnitz Filho, C. Rech, H. L. Hey, and J. R. Pinheiro, “Integrated software

to assist the design and study of UPS’s”, in Proceedings IEEE Workshop Power Electronics Education , 2005, pp. 125-128.

[16] L. Schuch, C. Rech, and J. R. Pinheiro, “Input stage of double-conversion UPS’s usingintegration concept of ZVT auxiliary commutation circuit”, in Proceedings IEEE Applied

Power Electronics Conference and Exposition , 2005, vol. 1, pp. 541-547.

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