Sistemas de Alimentação Ininterrupta(Uninterruptible Power Supplies – UPS)

Prof Marcello Mezaroba

Outubro 2012Outubro 2012

Prof. Marcello Mezaroba

DEFINIÇÃO:

UPS são sistemas projetados para prover energiaininterrupta com alta qualidade e alta confiabilidadeininterrupta com alta qualidade e alta confiabilidadepara alimentação de cargas críticas.• Hospitais;Hospitais;• Aeroportos;• Data centers;Data centers;• Equipamentos de emergência e segurança;• Shoppings e supermercados;Shoppings e supermercados;• Centrais telefônicas;• Processos industriais;Processos industriais;

CARACTERÍSTICAS DESEJADAS:

• Regulação de tensão;• Baixa TDH;Baixa TDH;• Chave de transferência;• Alto fator de potência;Alto fator de potência;• Alta confiabilidade;• Alta eficiência;Alta eficiência;• Baixo ruído eletromagnético;• Isolação galvânica (opcional);Isolação galvânica (opcional);• Baixa manutenção;• Baixos custo, peso e volume.Baixos custo, peso e volume.

CLASSIFICAÇÃO:

Sistemas Off-Line (Standby ou Short-Break)

Sistemas On-Line (Dupla conversão)

Sistemas Line Interactive

Sistemas Off-Line

Carga

Retificador Inversor Chave

~= ~

=Rede

Baterias

= ~

Sistemas Off-Line (Configuração Típica)

Sistemas Off-Line

VantagensVantagens:Elevado rendimento: inversor pode operar a vazio ou desligado;Elevado rendimento: inversor pode operar a vazio ou desligado;Baixo custo e volume: carregador de baterias independente;

Desvantagens:Desvantagens:

Pobre regulação da tensão na carga;

F l d di i d d d i j dFalta 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, p , ,provocando tensão na carga nula nestes instantes;

A forma de onda da tensão de saída geralmente é quadrada.

Sistemas On-Line

~ =Rede

Retificador

Baterias

Inversor

Carga

Chave

Configuração com Chave de Transferência

= ~

g ç

~ =Rede

Retificador Inversor

Carga

= ~Chave

Baterias~

=Configuração On-Line com Carregador Separado

Sistemas On-Line

Configuração com Carregador SeparadoConfiguração com Carregador Separado Conversor CC-CC Elevador

Sistemas On-Line

Vantagens:Vantagens:A carga é continuamente alimentada pelo inversor, portanto, não existe tempo g p , p , p

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:Desvantagens:Baixo rendimento ( rendimento do inversor x rendimento do retificador) emBaixo rendimento ( rendimento do inversor x 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.alimentar o inversor mais a carga das baterias.

Sistemas Line InteractiveRede Carga

Chave

Inversor

~

Configuração Line Interactive com Processamento Paralelo

Retificador

Baterias=

Trafo

Carga

Chave

Trafo

Rede

B t i

Inversor

~

Chave

Configuração Line Interactive Tri-Port

Retificador

Baterias=Co gu ação e te act e o t

Sistemas Line Interactive

VantagensVantagens:

Baixo custo e maior rendimento;

Possibilidade de se regular a tensão de saída ou compensar osharmônicos da corrente de carga permitindo que a entrada do conversor sejaharmônicos da corrente de carga, permitindo que a entrada do conversor sejasenoidal e apresente um Fator de Potência Quasi-unitário;

Pequeno tempo de transferência nos modos: rede-inversor e inversor-rede.

Desvantagens:Desvantagens:

A presença do indutor não permite que a tensão de saída e a tensão deentrada estejam em fase, gerando um transitório quando da utilização da chavede “by-pass”de by-pass .

Isolação Galvânica

Rede

Retificador

Baterias

Inversor

Carga~=

Trafo

~=

Retificador Inversor Trafo

Rede Baterias Carga~= ~

=

Retificador

Baterias

Inversor

Carga~Trafo

=Rede

Trafo

= ~

Modos de Conexão do Transformador de Baixa Freqüência

Isolação Galvânica

Rede Baterias

Inversor

Carga~ = ~ =

Retificador CC-CC Isolado

= ~ = ~Trafo A.F.

Rede

Retificador

Baterias

Inversor

Carga~=

= ~=

=

Conversor CC-CC Isolado

= ~ = ~Trafo A.F.

Retificador Inversor A.F. Ciclo-Conversor

Rede

Retificador

Baterias

Inversor A.F.

Carga~= ~

= ~

Trafo A.F.~

Ciclo Conversor

Modos de Utilização do Isolamento em Alta Freqüência

Carregadores de baterias

T1 T2

L

Trafo

T1 T2

BateriasRetificador Controlado de Baixa Freqüência

Vin

D1 D2

VinD3 D4

S L

Vin

D1 D2

C Drl BateriasCarregador Buck em Alta Freqüência.

Carregadores de baterias

Dr1

Bateria 1

VinD3 D4

C

Dr2

Bateria 2

Carregador Flyback com Equalização de cargas para baterias

é iD1 D2

em série.

Drn

Bateria n

Retificadores/Carregadores de baterias

L

iL

VinD3 D4

LDb

D1 D2

BateriasS

Retificador/Carregador Boost CFP

Inversores

C1 S1 D1

D1

S1

E

C2

Carga

S2 D2

Carga

Vcc Lp1

Ls

Inversor Meia Ponte

D2

S2 Lp2

CE

S1 S3D1 D3

Inversor Push-Pull

CargaE

S2 S4D2 D4

Inversor Ponte Completa

Regulação de carga

==Conversor cc-cc

Baterias Barramento

Inversor

Carga

~=Regulação por Controle da Tensão de BarramentoRegulação por Controle da Tensão de Barramento

0 2

E/2

Vabπ π

-E/2

S1

S2

∅ ∅

Regulação PWM em Baixa Freqüência

Regulação de carga

V1

S1 D1

INVERSOR MEIA PONTE

FILTRO

V2D2

Lo

Co

CARGAa b

G ã d Si l PWMS2 D2

Vref

Geração do Sinal PWM

CIRCUITO DE COMANDO

Vserra

VPWMRegulação por Modulação PWMRegulação por Modulação PWM

Componente Fundamental

Regulação de carga

B t iInversor

Chaves

Regulação com Transformador

~=Baterias

Carga

Regulação com Transformador Multi-enrolamentos

Trafo

Trafo

BateriasInversor

Saturável

CapacitorIndutor

~=Baterias

Carga

CapacitorRegulação com Transformador Ferro-Ressonante

Chave de TransferênciaTrafo Chave

Rede CargaChave de Transferencia On-Line Isolada

UPS

Chave Chave

Rede CargaUPS

ChaveChave de Transferencia On-Line Não Isolada

Chave de Transferência

Rede CargaUPS

Chave

Chave de Transferencia Off -Line

Comentários FinaisAs UPS são sistemas geralmente complexos e integram conhecimentos multidisciplinares:

• Eletrônica digital e analógica, utilizada nos circuitos de comando e controle;

• Eletrotécnica, usada no dimensionamento de transformadores e filtros.,

• Eletrônica de Potência, responsável pelas técnicas no tratamento e manipulação da energia.

Um projetista, além de conhecer a fundo todos os elementos envolvidos,

i t b i ã d t d i t ô i d di iprecisa ter uma boa visão do ponto de vista econômico para poder discernir

entre as diversas opções possíveis escolhendo a que realmente tenha uma

viabilidade econômica satisfatóriaviabilidade econômica satisfatória.

Referências

1. Curso de No-Breaks (UPS) para não projetistas. Ivo Barbi, 1995.

2. Sistemas de Energia Ininterrupta: UPS - No-Breaks, Pedro Francisco DonosoGarcia e Prof. Dr. Porfírio Cabaleiro Cortizo, COBEP 2005.

3 U i t tibl P S li d A ti Filt Ali E di Abd lh i N i i3. Uninterruptible Power Supplies and Active Filters. Ali Emadi, Abdolhosein Nasiri eStoyan B. Bekiarov. CRC Press, 2005.