Capítulo VI UPS estático Parte 1 - Revista O Setor Elétrico

28ApoioInstalações em cargas de missão críticaCapítulo VIUPS estático Parte 1Por Luís Tossi e Lincolm Menezes*Este e o próximo artigo têm o objetivo depassar uma ideia clara e concisa sobre o uso e aaplicação de UPS em instalações críticas. Iniciemoscom uma breve apresentação histórica da evoluçãotecnológica deste equipamento, chegando a algunsconceitos básicos sobre a topologia dos produtosdisponíveis no mercado.A eletrônica de potência era incipiente, bemcomo a eletrônica digital, com o surgimentode semicondutores de potência e de circuitosintegrados e híbridos. Desta combinação surgiramos primeiros modelos de UPSs estáticos.Estes UPSs eram caros, ineficientes (em termosde geração de perdas elétricas), porém bastanteInicialmente, nos ateremos aos UPSs robustos. Com relação aos UPSs trifásicos, haviaestáticos, pois são os que dominam o mercadode condicionamento de energia. Entretanto, UPSsrotativos e tecnologias mais modernas e alternativascomo células a combustível e Fly-wheel não serãoabordadas neste capítulo.Até meados dos anos 1970, quando a eletrônicaapenas os UPSs funcionando com retificadoresa SCRs, na configuração de 6 ou 12 pulsos,baterias ventiladas de chumbo ácido (ou chumbocálcio) e inversores também compostos de SCRs(em que existia a necessidade de apagamentodos tiristores principais).de potência e o uso de computadores aindaengatinhavam, a única tecnologia disponível Topologias de UPSs estáticosno mercado mundial para a manutenção dosuprimento de energia elétrica para estas cargaseram os UPSs rotativos (não como são conhecidosagora). Estes aparelhos utilizavam-se de geradoresdiesel acoplados a alternadores de energia por meiode um volante de inércia, que mantinha a energiaativa para a carga em caso de falha de energia.Esta tecnologia era cara e ineficaz. Com oO termo topologia na engenharia significaa disposição lógica dos elementos. Isso resultana forma como os equipamentos funcionampara atender à sua finalidade. O termo UPS(Uninterruptible Power Supply) significa a formaconstrutiva e seu princípio de operação.No mercado comercial de UPS, podemos dizerque existem três topologias de UPS, sendo:despertar de uma indústria de informática, fazia-senecessário o surgimento de equipamentos capazesde manter os computadores funcionando evitandodanos físicos e paradas dos sistemas.- UPS off line;- UPS line interative;- UPS online dupla conversão.

Apoio29Todos os produtos disponíveis no mercado empregam umadessas três topologias básicas para operar e manter as cargascríticas operando.O UPS off line é o mais simples de todos. As Figuras 1 e 2mostram os diagramas de blocos deste modelo.Figura 1 – Diagrama do modelo de UPS off line.carga alimentada. A forma de onda gerada normalmente équadrada ou trapezoidal, ou até mesmo senoidal.Esta topologia é a mais barata de todas, pois o ramoda eletrônica de potência é dimensionado para funcionarapenas durante uma falha de energia. Usualmente, este tipoé empregado apenas no mercado doméstico e de pequenosnegócios, por se tratar de um equipamento bastante simples epouco eficaz.O princípio de operação do UPS line interative ébasicamente o mesmo, com algumas diferenças que o tornammais confiável e complexo.Figura 2 – Diagrama de bloco do modelo de UPS off line.No diagrama de blocos, podemos notar que a carga éalimentada diretamente pela energia proveniente da redeelétrica, a qual também alimenta um pequeno retificador quetem a função de manter um banco de baterias carregado.Na falta da rede elétrica (Figura 2), a chave de saída comutaem um período menor que 8 ms para o ramo do inversor, quepassa a chavear a energia contida nas baterias e a manter aFigura 3 – Diagrama de blocos de um UPS line interative.Figura 4 – Diagrama de blocos de um UPS line interative.

30ApoioInstalações em cargas de missão críticaNota-se que a carga também é alimentada pela energiaproveniente da rede elétrica, porém não de forma direta. Estaenergia passa por um tratamento por meio de um regulador detensão e de filtros LC.A rede também mantém a bateria carregada e o inversorpronto para trabalhar. Quando a energia comercial (Figura 4)acaba ou sai de tolerância, a chave de transferência comuta,passando a alimentar a carga pelo inversor. Esta energiaproveniente das baterias é invertida para energia AC senoidale passa a alimentar a carga. Normalmente este tempo decomutação vai de 4 ms a 8 ms.Nota-se que a topologia line interative já é um UPS maisrobusto e que oferece maior qualidade de proteção à carga.Este conceito de operação passou a ser utilizado em UPSde dupla conversão mais modernos com o intuito de permitiruma maior eficiência energética e foi chamada de modo deoperação digital interative ou Eco Mode.É importante frisar que um UPS dupla conversão podetrabalhar como um UPS line interative, mas um UPS lineinterative jamais trabalhará como um UPS dupla conversão.O UPS dupla conversão recebe este nome devido à energiaque vem da rede comercial sofrer duas conversões, ou seja,de energia AC ela vira DC para carregar as baterias e suprir aenergia para o inversor e então sofre uma nova conversão (deDC para AC) para depois alimentar a carga.Figura 5 – Diagramas de blocos de um UPS dupla conversão.frequência reguladas.Na queda de energia (Figura 6), as baterias entram emdescarga, mantendo a carga alimentada.Este tempo é limitado em função da potência elétricaarmazenada nas baterias e é um dos parâmetros básicospara o dimensionamento do UPS.Nota-se que, seja em qual for o regime (normal ouemergência), a carga é sempre alimentada por uma energialimpa, sem qualquer tipo de anomalia elétrica e sempreregulada em tensão e frequência.O UPS dupla conversão é o tipo mais caro disponívelno mercado, pois sua eletrônica de potência tem de serdimensionada para trabalhar 100% do tempo com apotência nominal do UPS passando por ela. Esta topologiaé a mais utilizada no mercado de cargas críticas pelasvantagens e qualidades de manter a energia na carga limpae regulada.Por esta razão, agora podemos voltar ao histórico sobrea evolução tecnológica dos UPSs estáticos.HistóricoComo já mencionado anteriormente, o UPS duplaconversão nasceu após os SCRs (tiristores e diodos) depotência se tornarem comercialmente viáveis. A tecnologiaque tornou possível a utilização de UPS estático é conhecidacomo PWM ou Power Width Modulation. Traduzindo,temos o conceito de modulação por largura de pulso.Este modelo utiliza o princípio de regulação (comparaum sinal de saída com uma referência designada comosinal a ser copiado).Figura 7 – Base de um regulador (sinal referência e o real).Figura 6 – Diagramas de blocos de um UPS dupla conversão.Em regime normal de operação, a energia da redeelétrica alimenta o retificador que, por meio de umaconversão com semicondutores, transforma a energia ACda rede em energia DC. Esta energia DC alimenta, de formadireta ou indireta, o banco de baterias e também a entradado inversor (de forma direta ou indireta, dependendo datecnologia empregada). O inversor, por meio de uma pontecomposta por semicondutores de potência, transformaesta energia DC em uma energia AC, completamentedesvinculada da fornecida pela rede, sempre com tensão eFigura 8 – Forma de onda em que o regulador está atuando.

32ApoioInstalações em cargas de missão críticaFigura 9 – Diagrama de blocos de um retificador trifásico com SCRs, àentrada de um UPS.Um UPS dupla conversão tem uma entrada AC variávelcom o tempo e o ideal, na saída do retificador, uma tensãoDC, regulada em 400 VDC. Para isso ocorrer, é precisocontrolar o ângulo certo de disparo do SCR para sópermitir a passagem de energia necessária para manter asaída constante.A tensão DC da saída do retificador alimenta uma pontetambém formada com SCRs, que tinha o papel de chavearesta tensão DC transformado em Tensão AC para alimentaro primário de um trafo isolador e elevador.Figura 10 – Diagrama de blocos de uma fase de um inversor a SCR.A evolução seguinte foi a introdução de inversorescom transistores de potência, que têm a vantagem de nãonecessitarem de circuitos de apagamento e foi uma grandeevolução para os fabricantes de UPS estáticos. Sua utilizaçãopermitiu que os UPSs pudessem trabalhar com frequências dechaveamento superiores (na faixa de KHz).Figura 12 – Ponte inversora trifásica básica.Vemos que os transistores funcionam como chaves queabrem e fecham, chaveando o valor DC sobre as bobinas deum transformador.Após alguns anos, os transistores foram substituídos pelostransistores do tipo IGBT que chaveiam mais rápidos e sãomais seguros no seu apagamento. Esta inovação, junto comos controladores e com os microprocessadores rápidos,permitiu que fosse introduzido o conceito de regulação porcontrole vetorial. Este processo transforma todas as grandezaselétricas do UPS em vetores e todos os cálculos de regulaçãosão realizados por cálculo vetorial. Este processo permitiu aelevação das frequências de chaveamento e também do PWM.Como os controles são muito rápidos e as frequências dechaveamento elevadas, as grandezas elétricas de saída deum UPS passaram a ser muito melhor reguladas, permitindoalimentar cargas com alto teor de harmônicos.Os SCRs H1 e H2 conduzem a energia para o transformadore os SCRs L1 e L2 são utilizados apenas para parar a conduçãode H1 e H2.Figura 11 – Diagrama de blocos completo deste UPS.Figura 13 – Inversor a IGBT e um PWM de alta frequência.Junto com estas mudanças, as baterias VRLA passaram adominar o mercado e hoje respondem por mais de 99% dasaplicações críticas. As baterias VRLA necessitam de tensãoconstante e regulada e também de temperatura ambienteconstante. Para atender a estas demandas, os UPSs evoluíram e

Apoio33passaram a ter carregadores de baterias entre os links DC (saídado retificador) e as baterias para diminuir o ripple AC sobreestas e também prover uma melhor regulação DC.Todos os UPSs que utilizam retificadores com SCRsnecessitam obrigatoriamente de um transformador elevadorde saída (após o inversor), pois, durante a descarga dasbaterias, o valor DC da tensão das baterias ao ser invertido,não alcança o valor eficaz de saída requerido (se for igual aovalor AC de entrada).Este transformador então admite que, mesmo no final dadescarga das baterias, a tensão de saída do inversor para a cargaseja elevada pelo transformador e alcance o valor desejado.A tecnologia evoluiu e os UPSs passaram a utilizar um novocomponente de potência chamado booster.A função do booster é elevar a tensão DC proveniente dasaída do retificador, ou das baterias, para um valor DC quepermita ao inversor chavear este valor pelo PWM e gerarum valor de tensão AC desejado. A Figura 14 mostra umdiagrama de blocos de um circuito booster. Neste circuito, atensão de saída DC será sempre mais elevada que a tensãoDC de entrada.Usualmente, estes circuitos em UPS trifásicas com tensãoem 380 Vac têm uma tensão DC na saída do retificador emtorno de 540 Vdc e na saída do booster em torno de 750 Vdc.Figura 14 – Diagrama de blocos de um circuito booster.Boosters, redundância e autonomia (baterias) serãoabordados no próximo capítulo, que continuará discutindo otema “UPSs estáticos”.*Luís Valério Tossi Silva é engenheiro eletricistapela Universidade Mackenzie. Atua no segmento de UPSestática desde 1986, passando pelas empresas SiemensSA, Masterfix Ltda., Masterguard do Brasil e Chloridedo Brasil. Atualmente atua como diretor comercial daHDS Sistemas de Energia.(Revisor) Lincolm Menezes é tecnólogo em Mecatrônica,com especialização em Gerência de Manutenção. Jáatuou nas áreas de manutenção de sistemas de energiae, atualmente, trabalha na Universidade Positivolecionando na área de automação industrial.Continua na próxima ediçãoConfira todos os artigos deste fascículo em www.osetoreletrico.com.brDúvidas, sugestões e comentários podem ser encaminhados para o e-mailredacao@atitudeeditorial.com.br