Sistemas de Energia Ininterrupta: UPS - No-Breaks Prof. Dr. Pedro Francisco Donoso Garcia

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-spanish-chapter.org Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1

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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 2

3. Principais características: Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 3

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. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 4

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. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 5

6. 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. Carga típica de UPS: fonte chaveada de equipamentos eletrônicos Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 6

7. Diagrama de Blocos de uma UPS Conversor Retificador /Inversor, Filtros Cargas críticas (lineares e não lineares) Fonte de Alimentação Banco de Baterias Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 7

8. Classificação das UPS • Off-line (standby) • On-line (sistema de dupla conversão) • Line-interactive Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 8

9. Carregador de Baterias Inversor + Filtro Trafo Carga Topologia de UPS off-line (standby) Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 9

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. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 10

11. Inversor + Filtro Carregador de Baterias Trafo Carga Topologia de UPS on-line Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 11

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. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 12

13. Inversor/ retificador Filtro Carga Topologia de UPS Line-interactive Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 13

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”. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 14

15. Baterias Inversor Retificador Chave Estática Componentes de uma UPS Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 15

16. 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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 16

17. Retificador semi-controlado monofásico Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 17

18. Retificador semi-controlado monofásico Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da corrente de entrada Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 18

19. 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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 19

20. Retificador controlado monofásicoModo retificador Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 20

21. Retificador controlado monofásicoModo retificador Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da corrente de entrada Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 21

22. Introdução de “Notches” na tensão de entrada • Redução da Tensão de saída: La T1 T4 T2 T3 Retificador controlado monofásicoEfeito da Comutação Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 22

23. Retificador controlado monofásicoEfeito da Comutação Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 23

24. Retificador controlado monofásicoEfeito da Comutação Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 24

25. Retificador controlado monofásicoModo inversor 90 < Ângulo de disparo < 150 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 25

26. Retificador controlado monofásicoModo inversor Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 26

27. Retificador trifásico Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 27

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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 28

29. Retificador trifásico semi-controlado Ângulo de Disparo = 90 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 29

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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 30

31. Retificador trifásico controladoModo Inversor não autônomo Ângulo de Disparo = 120 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 31

32. Retificador trifásico controlado 12 pulsos Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 32

33. Retificador trifásico controlado 12 pulsos Ângulo de Disparo = 60 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 33

34. Vantagens Baixo Custo Rendimento Elevado Robustez Desvantagens Baixo Fator de Potência Corrente de entrada com THD elevada Retificadores trifásicos a tiristores Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 34

35. VO E VO “Push-pull” S1 S2 S1 E S2 Meia ponte S1 S3 VO E S4 Ponte completa S2 Inversores monofásicos Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 35

36. 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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 36

37. E Vo d t Inversores de onda quadrada E • Presença de harmônicos de baixa freqüência na tensão de saída: Filtragem difícil Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 37

38. + - T A - + + + - - - O valor médio de VAO é positivo 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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 38

39. + - T A - + + - - - 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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 39

40. + - T A - + + + - - - 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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 40

41. VC T T1= VPT 4 Modulação em Largura de Pulsos - PWM <VA0>T em função de VC ; VPT ; E VPT VC T2=T/2-2T1 T1 T2 T1 T/2 T E VA0 -E Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 41

42. V V PT C tempo E/2 VAO tempo E/2 - T /2 T T1T2T3 PWM Senoidal Bipolar Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 42

43. |VPT| |VC| |VPT| |VC| PWM Senoidal Bipolar ma<1, Sistemas modulados ma>1, Sistemas sobremodulados Sistemas Sobremodulados introduzem harmônicos de baixa freqüência e portanto não são utilizados em UPS Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 43

44. PWM Senoidal Bipolar 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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 44

45. 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. PWM Senoidal Bipolar Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 45

46. PWM Senoidal Bipolar Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 46

47. maA , φA=0 maB , φB T A + E/2 A 0 VB0 T VAB A - E/2 T B + E φB maB 2 B VA0 maA E T j E æ ö B - 2 = × × × V 2 m sen B ç ÷ AB a è ø 2 2 PWM Senoidal Unipolar (Vxx)T tempo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 47

48. VCB VCA E/2 -E/2 E tempo -E -E PWM Senoidal Unipolar VA0 VB0 VAB φB = p Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 48

49. PWM Senoidal Unipolar Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 49

50. Espectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM Unipolar Comparação PWM Senoidal Espectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM Bipolar Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 50