Nessa se¸c˜ao s˜ao apresentadas as principais topologias de conex˜ao em paralelo para sis- temas compostos por UPS est´aticas. Essas topologias est˜ao em consonˆancia com a norma IEC 62.040 − 3 e podem ser utilizadas para sistemas multi-UPS tanto sem comunica¸c˜ao quanto com comunica¸c˜ao, sendo elas:
1. Passive standby; 2. Line-interactive; 3. Double convertion.
Topologias para UPS rotacionais e UPS h´ıbridas podem ser encontradas em (Bekiarov e Emadi, 2002).
´
E importante ressaltar que a normaliza¸c˜ao das topologias ocorreu somente no final da d´ecada de 90. Antes disso, os nomes adotados na literatura eram Off-Line, On-Line e Line-Interactive. Contudo, essa nomenclatura n˜ao refletia a intui¸c˜ao pr´atica, a qual classifica as topologias de acordo com quem fornece a potˆencia para a carga. Exemplo disso ´e a topologia On-Line, a qual transmite a id´eia de que a rede fornece energia diretamente `a carga. Isso n˜ao ´e verdade, uma vez que a carga est´a conectada a um inversor e este a um retificador, que por sua vez, est´a conectado `a rede CA. Logo, quem fornece energia para a carga ´e o inversor, mesmo na situa¸c˜ao de falta da rede CA.
Da mesma forma ocorre para a Off-Line, a qual transmite a id´eia de que a UPS est´a fora de opera¸c˜ao conjunta com a rede CA. Na realidade, as UPS nessa topologia operam em regime de espera, ou seja, quando identificada alguma falha da rede CA o fornecimento de energia passa a ser provido pela UPS.
A.2.1 Topologia Passive standby
As UPS nessa topologia operam em dois modos: normal e fornecimento. No primeiro a energia ´e fornecida pela rede CA tanto para a carga quanto para o banco de baterias. O segundo ´e estabelecido quando ocorre uma falta da rede CA ou quando a mesma opera fora dos limites de tolerˆancia, sendo que a energia ´e fornecida pelo banco de baterias. Uma
Figura A.3: Diagrama de bloco de uma UPS conectada `a carga e `a rede principal utilizando-se topologia on-line.
estrutura t´ıpica para essa topologia ´e ilustrada na Fig. A.3. A chave est´atica verifica continuamente a presen¸ca da energia provida pela rede CA, dando preferˆencia para a mesma em detrimento daquela provida pelas baterias. Por isso, essa topologia tamb´em ´e conhecida como Line-preferred (Kamran e Habetler, 1998; Krishnan e Srinivasan, 1993). O tempo necess´ario para que o sistema perceba a falta da rede CA e atue varia entre 2 a 10ms, sendo chamado de tempo de transferˆencia (Coelho, 2000). Isso restringe o uso de tais UPS a aplica¸c˜oes que aceitem interrup¸c˜oes de energia nesse per´ıodo. O retificador pode ser projetado para uma potˆencia bem inferior `a demandada pela carga, uma vez que sua fun¸c˜ao ´e carregar o banco de baterias, o que implica na redu¸c˜ao de custo e tamanho da UPS. As principais vantagens dessa topologia s˜ao:
1. Redu¸c˜ao de custo e tamanho;
2. O condicionamento da tens˜ao de sa´ıda ´e simplificado;
3. Possibilidade de sincronismo com a rede tanto na falta quando no retorno da mesma. As desvantagens s˜ao:
1. Necessidade de tempo de transferˆencia; 2. Baixa regula¸c˜ao de tens˜ao;
3. Baixo desempenho com cargas n˜ao-lineares;
4. N˜ao possibilita isola¸c˜ao entre a carga e a rede CA.
Essa topologia ´e geralmente utilizada em UPS com potˆencia inferior a 5kVA (F´elix, 2003).
Apˆendice A 151
Figura A.4: Diagrama de bloco de uma UPS conectada `a carga e `a rede principal utilizando-se topologia Line-interactive.
A.2.2 Topologia Line-Interactive
Nessa topologia as UPS operam em paralelo com a rede CA, possuindo diversos arranjos, um exemplo ´e mostrado na Fig. A.4. Outro exemplo de arranjo dessa topologia ´e a Delta-conversion (Rathmann e Warner, 1996), na qual ´e poss´ıvel se obter fator de potˆencia unit´ario e uma maior precis˜ao na regula¸c˜ao de tens˜ao em compara¸c˜ao `as outras topologias.
Existem trˆes modos de opera¸c˜ao para essa topologia: normal, fornecimento e bypass. No modo normal a energia para a carga e/ou banco de baterias ´e fornecida pela rede CA, sendo apenas condicionada pela UPS. Quando ocorre uma falta ou opera¸c˜ao fora dos limites de tolerˆancia a UPS inicia o modo de fornecimento, no qual a energia ´e suprida pelo bando de baterias. Nesse caso, a chave est´atica desconecta a rede CA de forma a evitar que parte da energia seja transferida para a rede. O modo bypass possibilita a manuten¸c˜ao da UPS ou a retirada da mesma em caso de mal funcionamento, transferido a carga para a rede CA.
As principais vantagens s˜ao:
1. Maior rendimento, por utilizar apenas um est´agio de convers˜ao de energia; 2. Alta regula¸c˜ao de tens˜ao e confiabilidade;
3. Possibilidade de corre¸c˜ao do fator de potˆencia (Kamran e Habetler, 1998; Wu e J., 1995);
4. Baixo custo e tamanho, pois o conversor se encarrega tanto de carregar as baterias quanto de suprir energia para a carga quando solicitado.
Figura A.5: Diagrama de bloco de uma UPS conectada `a carga e `a rede principal utilizando-se topologia on-line.
1. Dependˆencia do controle com a corrente de entrada e a tens˜ao de sa´ıda; 2. Baixo isolamento entre a carga e a rede CA;
3. Existˆencia de um regime transiente quando do acionamento da chave est´atica, devido ao indutor de acoplamento entre a rede CA e a carga.
A faixa de potˆencia usual para essa UPS vai at´e 5kVA (Silva, 2001). A.2.3 Topologia Double-Conversion
Nessa topologia, ilustrada na Fig. A.5, a energia ´e fornecida da rede CA `a carga atrav´es da UPS. O nome da topologia se deve `as duas convers˜oes de energia que ocorrem (Kamran e Habetler, 1998; Krishnan e Srinivasan, 1993; Karve, 2000). Diferentemente do que ocorre no topologia Passive-standby, o retificar deve ser projetado para suprir potˆencia maior que a nominal solicitada pela carga (em geral 1,5 vezes maior (Silva, 2001)), pois o mesmo fornece energia tamb´em para o banco de baterias. A Double-Conversion possui trˆes modos de opera¸c˜ao: normal, fornecimento e bypass.
Os modos de fornecimento e de bypass s˜ao iniciados da mesma forma como descrito para a topologia Line-Interactive. Vale ressaltar, apenas o modo normal, no qual a energia ´e fornecida pela rede CA `a carga, por meio da dupla convers˜ao CA-CC-CA.
A chave est´atica aumenta a confiabilidade do sistema, pois pode atuar caso aconte¸ca uma mal funcionamento da UPS ou uma sobrecarga. Contudo, para se utilizar essa chave est´atica ´e necess´ario que a rede e a tens˜ao fornecida pela UPS estejam em sincronismo de fase.
As principais vantagens s˜ao:
Apˆendice A 153 2. Grande tolerˆancia a varia¸c˜oes da tens˜ao de entrada;
3. Alta regula¸c˜ao da tens˜ao de sa´ıda com baixa distor¸c˜ao harmˆonica; As desvantagens s˜ao:
1. Baixa eficiˆencia, devido `a dupla convers˜ao;
2. Baixo fator de potˆencia e alto THD na corrente de entrada, sendo necess´arias o uso de t´ecnicas de compensa¸c˜ao no retificador;
3. Aumento no custo e no tamanho, devido ao retificador e a necessidade se utilizar um circuito de corre¸c˜ao do fator de potˆencia (Ho et al., 1997);
Em geral, essa topologia ´e utilizada em UPS com potˆencia superior a 5kVA (F´elix, 2003).