Modelagem e Análise Computacional de Sistemas Ininterruptos de
Energia para estudos de Mitigação de Afundamentos e Interrupções de
Tensão na Plataforma Computacional ATP
Arthur Costa de Souza, Carlos Eduardo Tavares
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia/MG, Brasil
Thales Lima Oliveira, Isaque Nogueira Gondim
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia/MG, Brasil
Resumo Este artigo descreve sobre as principais
topologias do UPS, os quais têm como objetivo fornecer energia elétrica de forma contínua e ininterrupta. As atividades contempladas neste trabalho visam o inter-relacionamento operacional do produto com a qualidade da energia da rede elétrica de conexão e foca, de modo especial, o desempenho do equipamento diante a afundamentos de tensão, fenômeno considerado uns dos distúrbios mais prejudiciais para o setor industrial, pois alguns processos não permitem sequer uma pequena oscilação de tensão na sua entrada. Nessas circunstâncias, os UPS são ideais para mitigar esses problemas da rede elétrica. Diante deste cenário, houve a necessidade da modelagem do sistema UPS para avaliar sua eficácia em mitigar os efeitos dos afundamentos de tensão.
Palavras-chaves Sistema ininterruptos de energia, mitigação,
afundamento de tensão, ATP.
I.INTRODUÇÃO
O fornecimento de energia elétrica, nos anos atuais, vêm expondo, de modo crescente, características diferentes daquelas consideradas ideais. Isto se deve, ao aumento do número de cargas não lineares e à complexa dinâmica de operações do sistema elétrico, abrangendo a entrada e saída de grandes cargas, os mais diversos chaveamentos, energizações e possíveis contingências. Estas condições podem, comprometer o adequado desempenho de equipamentos eletroeletrônicos e afetar a sua integridade física, principalmente aqueles dotados de tecnologia mais moderna, que geralmente são mais sensíveis à qualidade da tensão de suprimento[1].
Diante destes aspectos, tem-se constatado um aumento significativo dos pedidos de ressarcimento feitos por consumidores às concessionárias de energia, devido aos danos em dispositivos eletroeletrônicos, possivelmente ocasionados pelos problemas na qualidade da energia elétrica de suprimento.
O suprimento de energia elétrica pode sofrer alterações que a desviem consideravelmente de sua condição ideal. Oscilações transitórias de tensão, perda momentânea de tensão e surtos de tensão, são algumas destas perturbações [2]. As interrupções são inadmissíveis em algumas aplicações consideradas críticas, como por exemplo, cargas hospitalares, de informática, industrial e de telecomunicação.
Neste contexto, o módulo 8 dos Procedimentos de Distribuição (PRODIST) da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), traz como um dos indicadores de qualidade
de energia elétrica à variação de tensão de curta duração (VTCD). Este documento define o fenômeno afundamento de tensão merecedor de estudos devido seu grande impacto, principalmente, no setor industrial, pois é o responsável pelos desligamentos intempestivos
Em vista da necessidade de todos esses setores que carecem de um fornecimento de energia elétrica de qualidade, ou seja sem interrupção, os peritos em eletrônica de potência sugerem algumas soluções para esse problema, sendo a utilização dos sistemas de Energia Ininterrupta, conhecidos internacionalmente como Uninterruptible Power Supply
(UPS) e popularmente conhecido no Brasil como Nobreak [3].
Os sistemas de Energia Ininterrupta (UPS) são capazes de suprir energia elétrica de forma adequada e contínua, mesmo sob a presença de distúrbios e interrupções oriundos da concessionária de energia elétrica, durante um prazo pré-estabelecido. Para tanto, emprega-se um banco de baterias para suprimento auxiliar até que a rede elétrica seja regularizada ou um gerador de emergência seja conectado em paralelo com a rede elétrica. Estas fontes podem ser classificadas em três categorias: UPS off-line, UPS line-interactive e UPS dupla
conversão.
II.TIPOS DE UPS
A. UPS off-line
O UPS da topologia off-line é o tipo mais básico
disponível no mercado e sua operação consiste no estado
stand-by. Como a carga é alimentada diretamente pela rede,
ele é o que menos protege os equipamentos eletrônicos, consequentemente, é o mais barato dos nobreaks.
Normalmente é usado em aplicações residenciais.
O nobreakoff-line também tem a limitação de proteger
apenas contra um tipo de distúrbio de energia (blackout) e o
fato de a carga ser sempre alimentada pela rede, está sujeita as inconstâncias da qualidade de energia recebida pela rede.
O UPS do tipo off-line, durante a sua operação, a carga
é alimentada diretamente por uma alimentação alternada. Em caso de perda do suprimento de energia, um banco de baterias irá alimentar a carga através de um inversor [4]. Algumas vantagens que esta topologia apresenta são: custo reduzido e tamanho pequeno. Como desvantagens destacam-se a impossibilidade da regulação da tensão de saída, devido ao fato da chave estática conectar diretamente a carga [5], do mesmo modo, o tempo de transferência da chave para o
conforme a Fig. 01, verifica-se que a energia elétrica da rede (sinal em vermelho) alimenta os blocos de chave de transferência e também do bloco retificador. A energia elétrica da rede alimenta a carga sem nenhum tratamento.
Fig. 01. Diagrama de blocos de um UPS off-line.
B. UPS Line-interactive
Semelhante ao modelo off-line, o line-interactive
consiste no segundo tipo de nobreak mais barato do mercado.
Tal dispositivo se difere por fazer a regulação de tensão elétrica na entrada da carga. Em condição normal, a carga recebe energia diretamente da rede, sem passar pelo nobreak,
mas circulando por dois componentes que o UPS off-line não
contém: o filtro de linha e o regulador de tensão. Esses dois elementos têm a função de manter a tensão muito próxima ao valor nominal.
Portanto, o line-interactive protege contra variações e
surtos de tensão, de tal forma que evita o desligamento dos equipamentos em caso de queda de energia. Porém, não protege contra variações de frequência, nem harmônicos, apenas interfere na magnitude da tensão. Por ter um tempo de transferência relativamente alto da alimentação para a bateria, do mesmo modo que o UPS off-line, o line-interactive não é
indicado para aplicações críticas.
O diagrama de blocos evidenciado na Fig. 02 mostra a energia da rede elétrica alimentando um filtro e o regulador de tensão, cuja função é corrigir o valor eficaz da tensão da rede elétrica para o valor especificado como nominal em sua saída.
Fig. 02. Diagrama de blocos de um UPS line-interactive.
C. UPS Dupla conversão
O UPS de dupla conversão que comumente é conhecido e comercializado pelo termo “on-line” apresenta tal nome
porque a energia que é injetada para a carga sempre passa por duas etapas de conversões. Estes conversores são ligadas em série permitindo a proteção contra uma gama de distúrbios ocorridos na rede elétrica, o que o torna um equipamento mais caro. Neste processo, a energia da rede CA (corrente alternada) é convertida em CC (corrente contínua) pelo retificador e convertida novamente em CA pelo inversor, desvinculando por completo a energia da carga em relação a energia da rede. Vale lembrar que esta configuração é altamente recomendada para aplicações para cargas críticas, são elas: cargas hospitalares, central de telefonia, CLP (controlador lógico programável), entre outros.
Em condições normais de alimentação o inversor é alimentado pelo retificador e em caso de falta a tensão de entrada passa a vir do banco de baterias. A tensão de saída do inversor é filtrada antes de ser entregue à carga [5], ou seja, o UPS está fornecendo um sinal de saída regulado em termos de tensão e frequência, de modo independente da entrada. A Fig. 03 exibe a configuração do sistema UPS dupla conversão.
Fig. 03. Diagrama de blocos de um UPS dupla conversão.
Esta é a única arquitetura de UPS que protege a carga contra os principais distúrbios da rede elétrica, sempre fornecendo tensão senoidal na saída além de não apresentar interrupção nas transferências de carga. A frequência da tensão de saída do inversor é determinada pelo chaveamento dos dispositivos semicondutores que o formam, dependendo, portanto, do circuito de controle e o método de modulação escolhido [6]. Neste estudo será adotado o controle da tensão por largura de pulsos (PWM –Pulse-Width Modulation).
Este tipo de UPS, em suas condições normais, deve ser capaz de fornecer energia elétrica à carga de forma que se mantenha em suas ótimas condições de funcionamento. Portanto o dispositivo deve apresentar as seguintes características: regulação senoidal com baixa taxa de distorção harmônica, alta confiabilidade, alta eficiência, baixa interferência eletromagnética, baixo ruído, baixa manutenção, baixo custo, peso e tamanho reduzidos [7].
A Fig. 04, apresenta um diagrama de blocos para esta topologia. Este tipo de sistema UPS tem como característica marcante o fornecimento contínuo de energia elétrica à carga a qual está ligada, mesmo quando ocorrer ausência de energia na rede de alimentação devido algum distúrbio.
Fig. 04. Diagrama de blocos de um sistema UPS dupla conversão.
A UPS on-line pode operar em três modos [7]:
Modo rede: Neste tipo de operação a rede elétrica alimenta a carga com a energia processada nos estágios do retificador e do inversor. Neste modo de funcionamento, o banco de baterias é mantido carregado ou mantido em flutuação.
Modo bypass: Este modo de operação conecta a carga
diretamente com a rede de alimentação quando é detectada uma falha do inversor ou este esteja em manutenção. Neste modo de operação, a carga fica sujeita a qualquer distúrbio que possa haver na rede de alimentação.
III.CONFIGURAÇÃO DE UPS MONOFÁSICO
Um sistema típico de UPS em ponte completa está representado na Fig. 05. Esta configuração apresenta um retificador e um inversor em ponte completa e apresenta vantagens sobre os UPS em meia ponte como aplicações em média e alta potência. Porém a desvantagem desta topologia está na quantidade de chaves e a presença de um transformador de isolação, o qual colabora para ser um sistema volumoso e de alto custo.
Fig. 05. Sistema UPS em ponte completa.
A Fig. 06, apresenta um sistema típico de UPS de meia ponte, o qual apresenta um retificador e um inversor em meia ponte, que particularmente é preferível para baixas potências, apresenta a metade do número de chaves quando comparada com a topologia em ponte completa, além de possuir um ponto comum entre a entrada e a saída do sistema, o que elimina a necessidade de um transformador de isolação.
Fig. 06. Sistema UPS em meia ponte.
Dentre as desvantagens desta estrutura destaca-se o fato de não possuir controle de tensão nos capacitores C1 e C2, quando operando em modo bateria, demandando maior número de baterias para garantir a função do sistema dobrador de tensão no estágio retificador, para que o barramento CC opere com dobro da tensão de pico de entrada. O custo do projeto é alto, já que os capacitores do barramento CC e as baterias são os componentes mais caros de um inversor [7].
IV.ESTRATÉGIA DE MODULAÇÃO
As aplicações feitas com os conversores CC-CA (inversores) precisa-se de controle ou regulação da tensão nos terminais da carga, o qual o método mais adequado a ser utilizado é a modulação PWM senoidal. Este tipo de controle parte de uma comparação entre uma onda moduladora senoidal (de baixa frequência) de referência com uma portadora triangular (de alta frequência) e permite a comutação das chaves em alta frequência [8].
Existem várias técnicas de modulação por PWM. Neste trabalho serão abordados a modulação PWM com comutação bipolar da tensão e a modulação PWM com comutação unipolar da tensão com dois sinais triangulares.
A. Modulação PWM Senoidal Bipolar
Na modulação PWM senoidal bipolar, mostrada na Fig. 07, a tensão de saída pode apresentar dois tipos de respostas, são elas: +VCC ou -VCC e, diante a estas condições, esta modulação é também chamada de dois níveis. O seu funcionamento procede da seguinte forma: quando o valor instantâneo da onda moduladora senoidal for maior que o da onda triangular a tensão resultante será igual a +VCC, e quando a onda senoidal for menor que a triangular a tensão de saída será -VCC.
Fig. 07. Formas de onda da modulação senoidal bipolar
Quando esta modulação está sendo aplicada a um inversor em ponte completa, um único comando é feito para um par de chaves (S5e S8) e, para o outro par (S6 e S7), pode-se usar o comando complementar. Já para os inversores em meia ponte, um pulso de comando é dado para uma chave e o complementar para o outro [7].
B. Modulação PWM Senoidal Unipolar com dois sinais
triangulares
Fig. 08. Formas de onda da modulação senoidal unipolar com dois sinais triangulares
Comparando a Fig. 07 com a Fig. 08, diante de uma mesma frequência de chaveamento, percebe-se que o número de pulsos da tensão de saída, é duas vezes maior na modulação PWM senoidal a três níveis [5]. Esta modulação a três níveis possui muitas vantagens quando comparada à bipolar (dois níveis). Dentre elas pode-se citar: perdas menores nas chaves, as ondulações de tensão e corrente nos componentes do filtro são bem menores e a frequência é duas vezes maior, o que reduz as especificações destes componentes passivos usados na filtragem do sinal [6].
VI.DIMENSIONAMENTO DO FILTRO LC DE SAÍDA
O filtro a ser colocado na saída do inversor depende do tipo de modulação a ser escolhido para que a tensão entregue à carga seja senoidal sem distorções. As principais características do filtro passa baixa LC estão na redução dos reativos solicitados pelo inversor, da variação da tensão na carga, além de menor custo e volume, quando comparados a outras configurações de filtros passivos [4] [8].
Vale ressaltar que a norma CEI/IEC 61000-3-2 estabelece que o limite máximo para distorção harmônica de tensão na saída dos inversores seja de 5%, e que a ordem harmônica mais significativa não deve ultrapassar a 3% da amplitude da componente fundamental de baixa frequência [9]. A Fig. 09 mostra o circuito de saída do inversor com o filtro LC e carga.
Fig. 09. Filtro LC de saída ao inversor.
De acordo com [10], a equação (1) mostra a relação da tensão de entrada com a tensão de saída para o filtro passa baixo LC.
Vo Vin
=
1 1− w2.Lf.Cf+j.w.Lf
Rl
(1)
Onde:
Vo: é o valor da tensão nominal de saída do inversor, Vin: é o valor da tensão nominal de entrada,
Lf :é o valor da indutância de filtragem, Cf :é o valor da capacitância de filtragem,
Rl: é a resistência de carga, W:é a frequência angular e
VLf: é a tensão nominal no indutor Lf.
Para simplificar o projeto é considerada a condição de carga nula [7]. Tem-se que a frequência de corte do filtro, é dada por (2).
𝑓
𝑜=
12.𝜋.√𝐿𝑓.𝐶𝑓 (2)
VII.MODELAGEM COMPUTACIONAL NA PLATAFORMA ATP
O software utilizado foi o ATP (Alternative Transients
Program), devido a sua grande eficiência de resposta no
regime transitório e sua consagrada capacidade de representar um sistema elétrico mais sofisticado.
O aparelho UPS utilizado na realização dos estudos foi o modelo do tipo dupla conversão [7]. A Fig. 10 apresenta o circuito equivalente deste equipamento implementado no ATP. Os parâmetros como frequência, tempo de simulação e passo de integração usados na simulação segue respectivamente em, 60Hz, 1s e 1E-5s.
Fig. 10. Modelagem do UPS tipo dupla conversão no ATP.
inversor, onde tanto na unidade retificadora quanto na inversora utilizou-se a configuração em ponte. Neste caso se a tensão do lado CA ficar menor que a tensão do elo CC durante um afundamento, o fluxo de energia cessará, cabendo então a bateria conectada ao elo CC disponibilizar energia para o inversor de forma a manter a carga em funcionamento constante. A Fig. 11 apresenta as formas de onda da tensão e da corrente na entrada do sistema UPS para uma alimentação de 127 volts eficaz.
Fig. 11. Tensão e corrente na entrada do UPS.
A Fig. 12 mostra a tensão do lado CA e a tensão contínua do lado CC. Nota-se que a tensão continua apresenta algumas oscilações, isso se deve pelo modelo do UPS não apresentar um filtro capacitivo suficiente no ramo do elo contínuo.
Fig. 12. Oscilograma de tensão do lado CA e CC
As Figs. 11 e 12, mostram o comportamento esperado para esta estrutura. A validação do modelo computacional equivalente também pode ser comprovada ao se comparar com as formas de onda apresentadas na referência [1].
VII.ANÁLISES COMPUTACIONAIS
De pose do modelo computacional representativo do UPS, serão analisadas duas condições operacionais adversas. Em um primeiro momento, é aplicado um afundamento de tensão com duração de 100ms, entre 04s e 0,5s da simulação e, posteriormente, uma interrupção aplicada no tempo de simulação igual a 0,8s até o final da mesma. Conforme visto na parte inferior da Fig. 10, para simular estes fenômenos, utilizou-se de um curto-circuito aplicado na entrada do UPS, sendo este por meio de impedância para o afundamento e franco para a interrupção. Neste sentido, as Figs. 13.a e 13.b apresentam a atuação do controle do retificador no instante do afundamento e da interrupção no sistema de alimentação.
Percebe-se que no término da perturbação o ângulo do controle aumenta rapidamente a fim de manter o nível adequado de tensão no elo CC. Vale ressaltar que o ângulo de atuação do controle se concentra entre 0° a 180°, e que na Fig. 13.a, o seu sinal amostrado foi duplicado para um melhor visualização.
Fig. 13.a. Atuação do controle no elo CC.
Fig. 13.b Atuação do controle no lado CA da carga
A Fig. 14 comprova a atuação do banco de baterias nos momentos das perturbações em consonância com a operação do controle. Em que a bateria começa a injetar corrente nos instantes que a rede de alimentação não está em sua operação normal, isso ocorre para garantir a continuidade de energização da carga.
Fig. 14 Atuação do controle no lado CA da carga
A Fig. 15 exibem os sinais de tensão de entrada e saída do sistema, perante as perturbações aplicadas. Percebe-se que a tensão de saída (em verde) não aprePercebe-senta a mesma amplitude da tensão de entrada (em vermelho), isso é devido as perdas no processo de retificação e inversão do sinal.
(f ile UPS.pl4; x-v ar t)
factors: offsets:
1 0,00E+00
v :VCA_IN-XX0077
1 0,00E+00
c:VCA_IN-XX0076 40
0,00E+00
0,05 0,08 0,11 0,14 0,17 [s] 0,20
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150
Fig. 15. Tensão de entrada e saída do UPS diante dos distúrbios gerados.
A Fig. 16 demonstra a mesma situação que a Fig. 15, porém com um zoom no sinal, com o intuito de comprovar que o controle da unidade inversora está adequado, pois o mesmo, entregue um sinal totalmente senoidal para a carga.
Fig. 16. Tensão de entrada e saída do UPS diante dos distúrbios gerados.
Diante das simulações realizadas percebe-se que o UPS é um ótimo dispositivo mitigador dos efeitos dos afundamento de tensão, pois durante o afundamento a carga ainda manteve-se energizada. Em relação a interrupção de energia também obteve resultados satisfatórios, lembrando que para esta situação o UPS vai depender do tamanho do banco de baterias. Os resultados do modelo computacional obtido e implementado no ATP indicam a sua adequação para estudos relacionados com os afundamentos e as interrupções de tensão.
VIII.CONCLUSÃO
Este artigo apresentou uma visão geral da arquitetura e funcionamento das principais topologias de UPS existentes. A utilização desses faz-se necessária pelo desejo do consumidor em evitar a interrupção de energia provida do sistema supridor aos aparelhos eletrônicos ou que permaneça dentro dos limites de sensibilidade aceitáveis para o funcionamento adequado da carga. Com isso, a escolha de um UPS, dentre as diversas topologias, pode ser fundamentada a partir da sua resposta frente aos fenômenos de Qualidade de Energia Elétrica (QEE).
O fenômeno estudado foi o afundamento de tensão, que consiste em uns dos principais distúrbio na área de QEE, pois sua extensão atinge desde as linhas áreas de transmissão, subtransmissão e distribuição prejudicando então os consumidores de grande e médio porte, além de acarretar interrupções de processos, quantificados pelas perdas de
produção, perdas de insumos e custos associados a mão-de-obra e a reparos de equipamentos danificados.
Neste contexto, foi modelado o UPS de dupla conversão para mitigar os efeitos dos afundamentos de tensão sobre a carga. O programa usado para os estudos computacionais foi o ATP (Alternative Transients Program), o qual é uma ferramenta com boa aceitação no setor elétrico para análises no domínio do tempo de sistemas de potência. Vale ressaltar que a biblioteca deste software não possuía, originalmente, representações destinadas aos estudos operacionais de dispositivos similares ao aqui considerado [10]. Avaliações computacionais realizadas sob condições nominais e anormais de funcionamento do equipamento permitiu constatar a consistência do modelo computacional desenvolvido e implementado diante dos estudos já explorados na literatura. Os avanços aqui relatados quanto ao modelo proposto e respectiva inserção no simulador ATP constituem-se em passos importantes para o estabelecimento de um aplicativo computacional para futuras investigações das correlações entre distúrbios e efeitos em equipamentos.
AGRADECIMENTOS
Os autores expressam seus agradecimentos a FAPEMIG, CAPES e CNPq pelas bolsas de mestrado e de doutorado no programa de Pós-Graduação da FEELT-UFU pelo apoio através de projeto de pesquisa e desenvolvimento.
REFERÊNCIAS
[1] Isaque N. Gondim, Gabriel S. Dias, Ivandro A. Bacca, Carlos E. Tavares, Marcus V. B. Mendonça, José C. Oliveira, Kleiber D. Rodrigues, Elton Flach. “Modelagem de condicionadores UPS estático (no break) sob condições não ideais de alimentação na plataforma ATP”. VII Conferência Internacional de aplicações Industrias, 2008.
[2] N. Mohan; T. M. Underland; W. P. “Power Electronics: converters,
applications, and design”, 2 Ed, New York, USA, John Wiley & Sons,
1995.
[3] C. G. C. Branco, “Sistema Ininterrupto de Energia de Dupla Conversão, Não Isolado, com Tensões de Entrada e Saída Universais”, Dissertação de
Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará, 2005.
[4] L. M. Menezes, “Projeto Inversol – Desenvolvimento de Uma Fonte Ininterrupta de Energia com Possibilidade de Uso em Sistemas
Fotovoltaicos”. Julho de 2007. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará.
[5] H. A. de Oliveira, “Sistema Ininterrupto de Energia de Dupla Conversão Isolado de 6kVA”. Julho de 2007. Dissertação de mestrado, Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará.
[6] I. Barbi, “Eletrônica de Potência”, 3ª. Edição, Florianópolis, Edição do
Autor, 2000.
[7] Linard, Fabíola Maria Alexandre; “Sistema Ininterrupto de energia de
dupla conversão com integração do retificador e do inversor”, Dissertação
de mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará, 2009.
[8] I. Barbi; D. C. Martins, D. C. “Eletrônica de Potência: Introdução ao
Estudo dos Conversores CC-CA”. Florianópolis. Edição dos Autores, 2005.
[9] Hausles, M.; “Firing System and Overvoltage Protection for Thyristor Valves in Static VAR Compensators”, Brown Boveri Review, 4-1987, pp. 206-212.
[10] Alternative Transients Program (ATP) Rule Book, Julho 1987.
(f ile UPS.pl4; x-v ar t) v :VCA_IN-XX0077 v :VCA_OU-XX0556
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 [s] 1,0
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 [V]
(f ile UPS.pl4; x-v ar t) v :VCA_IN-XX0077 v :VCA_OU-XX0556
0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 [s] 0,60
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 [V]
