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de e

nerg

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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.

20 Apo

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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

22 Apo

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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

24 Apo

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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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26 Apo

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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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28 Apo

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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

Cond

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29Apo

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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 / jl-gerencial@uol.com.br

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 redacao@atitudeeditorial.com.br

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