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Capítulo X
UPS dinâmicos em instalações de missão crítica
Sempre que se identifica a necessidade de
fornecimento ininterrupto de energia para uma
determinada aplicação, seja em tecnologia da
informação,telecomunicaçõeseafins,serviçosmédicos
oumesmoprocessosindustriaisdealtovaloragregado,a
soluçãoimediataéainserçãodeumsistema“nobreak”.
A solução mais simples e usada em
telecomunicações desde o século XIX é o sistema
de corrente contínua, em que a energia da rede é
retificada e armazenada em bancos de baterias.
Quando ainda na primeira metade do século XX
equipamentos de rádio comunicação, radares, etc.,
necessitavamdeelevadastensõesdealimentaçãopara
seuscircuitoscomválvulas,empregavam-seinversores
eletromecânicosalimentadospelosacumuladores.Os
mais simples, usados, por exemplo, em autorrádios,
possuíam vibradores que produziam em sua saída
um sinal chaveado que passava pelo transformador
elevador, sendo então retificado e filtrado para
alimentaçãodeplacadasválvulas.
Com a eletrônica de estado sólido e aplicações
com tiristores e transistores de alta potência, foram
criadosinversoresdeestadosólidoparaconversãoCC
–CA.EstavaaídefinidooqueseriaumUPSestático,já
vistoedescritoemoutroscapítulosdestasérie.
Aparentemente simples, eles convivem com
limitações quanto à potência nominal, exigindo
formação em blocos paralelos, restrições quanto
a sobrecorrentes e sobretensões nas junções de
estado sólido e necessidade de controle rigoroso de
temperatura,evitandoasuafusão.
Como a fonte ininterrupta de fato é baseada
Por Luis Tossi e José Luiz de Martini*
no banco de baterias, este é, junto ao inversor, o
ponto crítico do sistema sujeito a falhas, exigindo
permanentescuidadosemonitoramento.
Desde a década de 1960, algumas instalações
para CPD exigiam suprimento ininterrupto de
energia. Não havendo soluções estáticas de grande
porte, várias formas foram usadas, incluindo-se o
fornecimentodeenergiapormeiodegruposgeradores
aDiesel operando permanentemente com a rede da
concessionária, mantida em paralelo permanente
comobackupdosistema.
Com um elemento de armazenamento cinético,
oufly-wheel,permitiu-sequeomotoradieselpudesse
ser mantido desligado e acionado somente na falta
da rede. Sem nenhum elemento eletrônico na parte
depotência,semintroduzirnenhumaperturbaçãona
rede, portanto, sem filtros e capacitores, os sistemas
deenergia ininterrupta (UPS)sãoumasoluçãomuito
robustaeusadapormaisde50anos.
Mas muitos ainda entendem esses sistemas UPS
dinâmicosou rotativoscomouma soluçãoduvidosa,
pois não possuem reserva de energia para além de
algunssegundossemafonteprincipaldeenergia.
OempregodeUPSestáticooudinâmicodeve ser
umaopçãodeconcepçãodeprojetoenãodeprodutoem
si.UmprojetoconcebidoparaUPSestáticoédiferente
daquelequevenhaaserconcebidoparaUPSdinâmico.
UmUPSestáticopodeser simplesmente inserido
entre a fonte de energia, normalmente um conjunto
rede,geradoreacarga,nasdiferentesconfigurações
quantoàconfiabilidadeeàdisponibilidaderequeridas.
UPSsdinâmicossãoparteintegrantedosistemaredee
19Apo
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gerador,podendoserconectadosemsistemasdebaixaoumédia
tensãoetambémemdiferentesconfigurações.
Tecnologias O mercado apresenta pelo menos três diferentes soluções
quantoasistemascomUPSdinâmicas.
(A) – Sistema com acoplamento direto mecânico
Nestaconfiguração,omotoradiesel,oblocode inérciaeo
alternador em si são montados sobre uma mesma base e eixo,
formando um conjunto muito parecido com um grupo moto
gerador,inclusiveemtermosdecondiçõesdeprojetoelayoutdas
salasdemáquinas(Figura1).
(B) – Sistema com acoplamento elétrico
Nestaconfiguração,oconjuntodeconversãorotativo,oucomo
designadopelofabricante“Powerbridge”,émontadoremotamente
no mesmo gabinete do bloco de inércia. A vantagem está na
independência quanto ao grupo gerador, que pode ser produto
padrãodemercado.(Figura2).
Figura 1 – Conjunto completo com acoplamento mecânico direto entre o motor a diesel, o bloco de inércia e o alternador. A parte em amarelo é o “fly-wheel” que armazena energia neste tipo de produto e fabricante em velocidade três vezes maior que o alternador.
Figura 2 – O gabinete contém o bloco de inércia e o conversor, sendo interligados eletricamente ao grupo moto gerador.
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(C) – Sistema com inversor eletrônico
Tambémutilizagrupogeradorpadrão,substituindooqueseriao
conjuntodeconversãorotativoporinversordeestadosólido.Sistemas
comconversoresrotativos,comocitadosanteriormente,sãoproduzidos
paraaltacapacidade,usualmenteentre1MWa2,5MW,osdeestado
sólidosatendemacapacidadeentre200kWa1.000kW(Figura3).
Além disso, existem soluções com blocos de armazenamento
cinético, comonafigura a seguir, que visama substituir bancode
bateriasemUPSestáticos,masquenãosãoobjetivodesteartigo(veja
Figura4).
Configurações
A formamais simples é o conjunto isolado, representado pela
Figura5:
Aredeéacopladaemparalelocomoalternadorouconversor
rotativo,pormeiodeumreatorqueprovêaadequadaimpedânciae
ajustedoângulodefase,neutralizandoinfluênciasdacargaquantoao
fatordepotênciaedemaisperturbaçõesnaentradadosistema.
Figura 3 – Neste caso, a energia fornecida pelo Fly-wheel com frequência variável é retificada e enviada à carga por meio de um inversor com características constantes de frequência.
Figura 4 – Um conjunto de armazenamento cinético, operando em corrente contínua, substitui o banco de baterias, podendo ser associado a UPSs estáticas convencionais.
Figura 5 – Solução elementar com UPS dinâmico – Esta figura demonstra a simplificação do projeto. Na falta da concessionária, o fornecimento é mantido pelo alternador sem manobra de chaves, além da abertura de QD-1.
Mains
Critical Load
Non Critical Load
QDA QD1 QD2 QDB
QD6
QD3
QD13
Double Conversion UPS
Recti�er Inverter
MissionCriticalLoad
CSDC 250-2000 kW
Output Contactor
Real PowerReal Power
Reactive Current
Harmonic CurrentFilter
Inductor
Charging Power
Charging Power
UtilityConverter
FlywheelConverter
Flywheel Machine
Input Contactor Static Disc.
Switch
Line Inductor
Inverter Fuse
Bypass Contactor
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O conversor rotativo, na presença de rede, mantém o bloco
de inércia em rotação, estando nesta condição desacoplado
mecanicamente domotor a diesel em repouso.Variações da rede
sãoabsorvidaspeloinversor,queoperacomoumcompensadorem
paralelocomarede.
Nafaltadaconcessionária,esemanecessidadedequalquertipo
demanobradetransferência,oblocodeinérciamantémoconversor,
girando em frequência constante, no mesmo instante em que o
motoradieseléacionado,colocadoemrotaçãoadequadaeassim
acopladoaoconjunto.Estaoperaçãoérealizadadediferentesformas
emfunçãodatecnologiadofabricante,masoprincipiobásicoéque
oarmazenadorcinético (oufly-wheel) liga-seaoconversorporum
acoplamentomagnéticoouelétrico,permitindomanterafrequência
daalimentaçãoindependentedarotaçãodofly-wheel,decrescentede
acordocomoesgotamentodareserva.
Quando for empregado moto gerador convencional, este
recebe acessórios especiais de partida, como controles rápidos,
sistemas de partida redundantes ou mesmo arranque auxiliar
usandooprópriofly-wheel.
Secomparadocomasoluçãoclássica–rede,grupomotogerador,
Figura 6 – Sistema paralelo capacidade em que a carga crítica corresponde à capacidade das máquinas instaladas, ou ainda sistema paralelo redundante (N+1), em que a carga crítica seja 2/3 da capacidade instalada.
chavedetransferênciaeUPSestática–,temosummenornúmerode
componentescommenorexposiçãoàsfalhasprovocadaspor:
-Chavedetransferênciarede–gerador
-Bancodebaterias
-ReduzidatolerânciaatransitóriosdosUPSestáticosquesobestas
condiçõestransferemacargaparaaredepormeiodoby-passestático
NaFigura5,podeserobservadoqueumconjuntodedisjuntores
ecircuitospermitemanobrasde“by-pass”paramanutençãocomoem
qualquerUPS.
A solução singela é apta para alimentar consumidores que
propiciempermissãoparamanutençãoprogramadaesejamtolerantes
afalhasnopadrãoTIER1.
Quando, apesar de existirem condições para manutenção
programada, o consumidor tem reduzida tolerância a falhas, a
solução convencional seria a configuração paralelo redundante,
associando-seduasoumaismáquinas,nomodeloN+1,emque
sãoinstaladasN+1máquinaseNmáquinasatendemademanda
totaldoprojeto.VideFigura6.
Critical Load
Manual By-pass
Mains
QD3/3
QD3/2
QD3/1
KSS/3
KSS/2
KSS/1
CH/3
CH/2
CH/1
QDB/3
QDB/2
QDB/1
QDA/3
QDA/2
QDA/1
Q13
QD2/3
QD2/2
QD2/1
QD1/3
QD1/2
QD1/1
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Figura 7 – Sistema redundante distribuído, “tribus”, permitindo que, com 1,5 vezes a capacidade requerida, todos os consumidores enxerguem sempre duas fontes isoladas.
Figura 8A – Conceito básico IP-Bus (paralelo isolado). Os reatores provêm o devido acoplamento entre os UPSs, porém, mantendo as correntes de falta dentro de parâmetros aceitáveis.
Figura 8B – Uma das principais virtudes do IP-Bus é o balanceamento de carga entre os UPSs. A configuração acima comporta 16 UPSs, sendo que a potência fornecida por cada uma das unidades se mantém equilibrada, mesmo que a requerida em cada linha seja significativamente diferente.
Para aplicações em que são requeridas pelo menos duas
fontes independentes por consumidor, pode ser projetado
sistema conhecido como “tri bus”, com configuração 2+1,
redundantedistribuído,comoexibidonaFigura7.
Vamos neste ponto apresentar um conceito que
praticamenteéassociadoaosUPSdinâmicos:asoluçãoIP-Bus
oubarramento isoladoparalelo.Quandoassociamosduasou
maismáquinas,comoilustradonaFigura7,podemosremover
uma máquina e as N remanescentes alimentam a carga.
Porém, não temos tolerância a falhas e especialmente faltas
queocorramnocircuitode ligaçãoàcarga.Ou seja,nãohá
benefícios reais quanto à separação em diferentes circuitos
paraalimentaçãodosequipamentos,mesmoquepossuamdois
oumaiscabosdealimentação.
ComoIP-Bus,asmáquinassãocolocadasemparalelo,porém,
por meio de um reator, que as isola principalmente para faltas.
Issopermite que, de cadamáquina seja ligadoumdos “lados” da
alimentação,tornandoosistemadefatotoleranteafalhas,permitindo
suaclassificaçãonopadrãoTier3.Estearranjopermiteconfigurações
melhoradascomoN+2.VejaasFiguras8A,8B,8Ce8D.
IP-BUS
UPS UPS UPS
Critical load 31
Critical load 32
Critical load 23
Critical load 21
Critical load 12
Critical load 13
ATS
ATS
ATS
ATS
ATS
ATS
QD3/3
QD3/2
QD3/1
KSS/3
KSS/2
KSS/1
CH/3
CH/2
CH/1
QDB/3
QDB/2
QDB/1
QDA/3
QDA/2
QDA/1
QD2/3
QD2/2
QD2/1
QD1/3
QD1/2
QD1/1
IP-BUS
UPS78%
2% 2% 2%
78% 78%70%
30%
80% 80%40% 80%
UPS# 1
UPS# 2
UPS# 3
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Embora a alimentação de todas as linhas esteja assegura, é
notórioquealinhasocorridapelasdemaisapresentaráumaqueda
detensãoresultantedaimpedânciainseridaentreoalimentadore
o IP-Bus. Issoéresolvidocomumaconfiguraçãomaiscompleta,
emqueumconjuntodedisjuntoresmanobradospelogerenciador
dosistemacolocaacargadoUPSretiradodeaçãodiretamenteno
barramentoIP,conformemostraaFigura8D.
Configuração de grande capacidade em média tensão Citamos que o emprego daUPS dinâmica é particularmente
recomendado para instalações de grande porte e demanda e
daí vema opçãopela alternativa de o sistema ser projetado em
média tensão.Osarranjos sãoosmesmos,porémé inseridoum
transformador entre o conversor e a rede, basicamente a única
diferença no desenho básico do sistema. Isso atende a elevadas
capacidadesousituaçõesemlocaisdegrandeporteedimensões,
comoplantasindustriais.
Podem ser desenvolvidas soluções referenciadas pelos
fabricantesdeaté50MWusandoomodelodaFigura9.
Para consumidores que requeiram níveis quase absolutos de
confiabilidade e disponibilidade, deve ser projetada instalação
com sistemas paralelos independentes, no padrãoTier 4.Vamos
avaliarquatrocondições:
-Capacidadeparaatenderaocrescimentomodulardacarga;
Figura 8C – Exemplo de manutenção da alimentação da saída do UPS que sofreu uma falha, redistribuindo-se a carga entre as demais unidades.
Figura 8D – Neste caso, a carga correspondente ao UPS#2 está conectada diretamente ao IP-Bus e o UPS#2 está fora de serviço. As demais unidades provêm a capacidade necessária.
Figura 9 – UPS operando em rede de média tensão, normalmente entre 3,8 kV/4,16 kV até 21 kV/34,5 kV, conectando-se as unidades por meio de transformadores elevadores de tensão. Notem que o NTR é um transformador cuja função é prover a referência e conexão à terra de um ponto comum de neutro, evitando a ocorrência de fenômenos de ferro-ressonância.
IP-BUS
96%
6% 6% 6%
96% 96%0%
90%
90% 90%90% 90%
UPS# 1
UPS# 2
UPS# 3
UPS# 16
IP-BUS
UPS# 1
UPS# 2
UPS# 3
UPS# 16
QD1/3 QD2/3CH3
TF/3
KSS/3
QD1/2 QD2/2CH2
TF/2
KSS/2
QD1/1 QD2/1CH1
TF/1
KSS/1
NTR
TRAQDLA
QDSN
MainsQDA/1
QD3
QD13
QDB/1Critical Load
Auto By-pass
Manual By-pass
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-Capacidadefinalsuperiora4.000kW,podendosersuperiora
10.000kW;
- Elevada tolerância a falhas e permissão paramanutenção
concorrente
-Eficiênciaenergética.
Aplicações e cuidados no projeto AocontráriodosUPSsestáticos,nãohánecessidadedesalas
com climatização especial para a instalação dos equipamentos
dinâmicos,mascuidadosnormaisparaa instalaçãodeusinasde
geraçãoadieseldevemserconsiderados:
•Cuidadoscomoabastecimentoeconservaçãodoóleodiesel,com
bombasesistemasredundantes.Aalimentaçãodocombustívelé
tãoimportanteecríticaquantoadaprópriarededeenergiaelétrica
edevesertratadacomomesmorigoreprincípiosderedundância.
• Ventilação da sala dos equipamentos mecânicos. O sistema
conversorémantidoemoperaçãoininterruptae,alémde“girar”,
o bloco de inércia compensa reativos, promove a circulação de
correntesharmônicaseconverteperdasdeenergiaemcalorque
deveserremovidodeformaeficiente.
•Manutençãodoconjunto.Comvariaçõesdeacordocomcada
fabricante, exige-se a substituição periódica (em torno de 5 a 8
anos) dos componentes rotativos.A saladeve serprojetadacom
espaçoseacessosparafácil,rápidaeseguraintervenção.
•Separaçãodassalasdemáquinasdasaladepainéiseequipamentos.
Costumousaraexpressão,motorémotor,equipamentoelétricoé
equipamentoelétrico,além,éclaro,dacondiçãodooperador.
UmpontomuitopositivodosprojetoscomUPSdinâmicaéque
todooconjuntoeletromecânico,quadrosdepotência,automação
econtroleéumúnicopacotedomesmofabricante.
Disponibilidade e confiabilidade Comparando-se as condições e modelos de cálculos expostos
no Capítulo VI deste fascículo, sobre cálculos de confiabilidade e
disponibilidade, podemos avaliar para um sistema usando dados de
MTBFeMTTRbaseadosnoGoldbook(IEEE)sobcortesiadaEuroDiesel.
Alimentação de cargas não críticas ou interruptíveis A virtude principal de um projeto com UPS Dinâmica é
a sua simplificação, com redução de componentes, espaço
requerido,oqueotornamaiseficiente.
Entretanto, em uma instalação convencional, teríamos
basicamente a entrada de energia e a transformação, o
sistema de geração a diesel, os quadros de distribuição com
alimentação da parte predial e do ar-condicionado, os UPSs
alimentandoas cargas críticas.Restaria aindaprover solução
para alimentação da parte predial e do ar-condicionado,
exigindoumausinaadieselconvencional,maisequipamento,
maisespaçoecomplexidade.
Issoéevitadoseparando-separtedacapacidadedosmotores
edosalternadoresdosUPSsdinâmicosparacargas“shortbreak”.
Na figura a seguir, observa-se que, ocorrendo falta da rede e
apósapartidadodiesel (1)eestabilizaçãodoUPS,achavede
transferênciaeletromecânicafazaalimentaçãodessascargaspelo
alternador(3)semafetaraautonomiadofly-wheel(2).
Paraisso,oUPSdinâmicodeveserespecificadoemfunção
dacargacrítica/carganãocrítica.
A carga crítica, emkW– já que emaplicações deTI o fator
de potência é alto –, e a carga não crítica em kW e kVA
determinarão a seleção dos motores, do alternador e do
conjuntodeinércia.
Esteexercíciodeve ser feitocomconsultapermanenteao
fabricante,poisestaseleçãopodeconduziravariaçõesdeaté
20%paramaisouparamenosnocustodosistema,decorrência
dospadrõesusuaisdefabricaçãodemotorescombinadocom
osdemaiscomponentes.
Motores a diesel OsfabricantesdeUPSsdinâmicasintegramseusprodutoscom
motoresdediversosfabricantes.Éimportantequesejaselecionada
Comparação quanto à disponibilidade (a)
ups estátiCo + gerador
MTBFups (horas)
MTTr (horas)
λ ups
a (ups)
MTBFGer (horas)
MTTr G (horas)
λ gerador
a (Ger)
λ sist
MtBF sist (horas)
Mttr sist (horas)
a (gerador + ups)
87.000
6
1,14943e-05
99,99310%
420.992
6
2,37534e-06
99,99857%
1,38696e-05
72.100
10
99,98613%
361.883
8
2,76332e-06
99,99779%
ups dinâmiCo Com diesel
MTBF ups (horas)
MTTr (horas)
λ ups
a (ups)
Figura 10 – Aplicação de UPS dinâmico alimentando cargas críticas (nobreak), com Q2 mantido sempre fechado e cargas interruptíveis (short-break) por meio de Q5 fechado. Na interrupção de fornecimento da rede e, após a estabilização do sistema a diesel, pode ser realizada a manobra entre Q5 (abre) e Q6 (fecha).
Carga crítica
Carga de emergência
Q3
Q2Q1
Q6
Q5
1 2 3
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*LuiS ToSSi é engenheiro eletricista e diretor-geral da Chloride Brasil. Atua na área de condicionamento de energia e aplicações de missão crítica há 23 anos, com larga experiência em produtos, aplicações e tecnologias de ponta.
JOSÉ LUIZ DE MARTINI é engenheiro eletricista, titular da Engenharia Gerencial SS Ltda. e consultor na área de instalações elétricas consumidoras de energia, com atuação em grandes centros comerciais e infraestrutura de suprimento de energia para sistemas de missão crítica, processamento e armazenamento de dados e telecomunicações | www.cspi.com.br / [email protected]
Continua na próxima ediçãoConfira todos os artigos deste fascículo em www.osetoreletrico.com.br
Dúvidas, sugestões e comentários podem ser encaminhados para o e-mail [email protected]
a marca de fabricante com presença consolidada no mercado
brasileiro,reduzindoriscosquantoapeçasemanutenção.
Viabilidade Comosórecentementeomercadobrasileirotemproduzido
pedidos significativos de UPSs dinâmicas, ainda não há a
real consolidação de preços, com distorções para cima ou
parabaixo,decorrênciadecustosde importação, internação,
montagem, venda e pós-venda ou mesmo contrabalançados
porcustosdeoportunidadequantoacompra.
Naprática,avaliandorequisiçõesdecompracompotência
instalada entre 4 MW a 8 MW, notamos ampla viabilidade
quandocomparadaàmesmainstalaçãoserealizadacomUPSs
estáticas,mesmoquecombateriasVLRA.
Aolongodotempo,oconsumodeenergiaeamanutenção
derotinasãofavoráveisaossistemasdinâmicosquantoacusto.
AtrocadebateriasdoUPSestáticoéumônus,principalmente
ambiental. Em termos econômicos, quando comparados aos
dinâmicos,nemtanto,poisnestesháanecessidadedetrocade
mecanismosdecertaformacomplexos.
Enquanto não tivermos um adequado histórico no Brasil,
recomendamos que as aquisições de sistemas dinâmicos
considerem, pelo menos, o compromisso para dez anos de
manutenção.
ReferênciasMike Mosman, Iso-Parallel Rotary UPS Configuration,
7x24exchange, 2005 Fall Conf.,
http://www.7x24exchange.org/downloads/7x24Newslink_
Fall05.pdf
http://www.7x24exchange.org/downloads/7x24Newslink_
Fall07.pdf
Isolated-Parallel UPS Configuration
Frank Herbener, Piller Group GmbH
Figuras 1 e 10 – Cortesia Stemac/HiTec
Figuras 3 e 4 – Cortesia TcSolutions – ActivePower
Figuras 2 e 8 – Cortesia Gtem – Piller
Figuras 5, 6 e 7 – Cortesia – Eurodiesel